JP2021011998A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、熱交換効率を高めると同時に、防振及び断熱性能も同時に向上させることが可能な熱交換器を提供する。【解決手段】この発明は、箱型の筐体１内に、冷媒が流通する熱交換器本体２が斜めに設置される熱交換器１００であって、熱交換器本体２は、ヘッダ管３と、該ヘッダ管３に接続されかつ該ヘッダ管３の一部の面に所定間隔に並べて接続された複数の伝熱管４とからなり、ヘッダ管３は、筐体１の内面に近接した部位３Ａを有し、筐体１の内面と筐体１に近接したヘッダ管３の部位３Ａとの間にはシール部５が設けられていることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、熱交換効率を高めることができる熱交換器に関する。

多数の電子機器を密集して配置したデータセンタでは、多くの熱の発生が予想され、電子機器の高負荷運転に際して多くの熱が発生した場合であってもその処理能力を維持するため、冷媒の蒸発・凝縮という相変化による熱移動を伴う冷却システムを採用して、前記電子機器で発生した熱を排熱する熱交換システムが備えられている。
そして、このような熱交換システムでは、電子機器から排出された熱と冷媒との間で熱交換を行う熱交換器が設けられている。

例えば、特許文献１に示される空気調和機では、正面パネル、側面パネル、背面パネル、及び底面パネルにより形成された本体ケーシングと、該本体ケーシングに設けられた空気吹出口と、本体ケーシング内に備えられて外部から吸い込んだ空気を冷却する熱交換器と、該熱交換器下部に配置されて空気を送風するファンと、を具備する。

特許文献２には、熱交換器に関する具体的構成が示される。
特許文献２に示される熱交換器では、水平方向に設けられた上側ヘッダと、該上側ヘッダに平行に設けられた下側ヘッダと、これら上側ヘッダと下側ヘッダとの間に設けられかつ鉛直方向に対して傾斜配置される複数の扁平チューブとが、外殻を形成するケーシング内に収容される構成である。

特許文献３に示される熱交換器では、ヘッダの断面形状を丸型、楕円形、半円形又は三角形状に形成した例が示されている。

特開２０１２−１６３２７４号公報 特開２０１５−２２７７５４号公報 国際公開第２０１８／０４７３３２号 実開昭５９−１２０３７６号公報

特許文献１、２には、箱型の筐体内にヘッダ及び扁平チューブからなる熱交換器を斜めに設置した構成が示されている。
しかしながら、このような形状の熱交換器では、冷却対象となる空気の流れを考慮したり、薄型化を意識したスペース効率と熱交換効率の向上を両立するために、どのように各部分を設計すれば良いのかという点について、具体的に検討された事例はない。
例えば、上記のような熱交換器について、ケーシングの壁面とヘッダ管との間を流れる気流、及び扁平管を通過する気流が、熱交換にどのような影響を及ぼすかについて、具体的に検討し、熱交換の効率を高めることが必要である。

また、特許文献３に示される熱交換器では、ヘッダの断面形状を丸型、楕円形、半円形又は三角形状に形成した例が示されてはいるが、このような形状のヘッダの存在による、熱交換器の熱交換効率についての検証はなされていない。
さらに、特許文献４に示される熱交換器にあっても、ヘッダの形状による熱交換効率について検証した記載はない。

この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、熱交換効率を高めると同時に、防振及び断熱性能も同時に向上させることが可能な熱交換器を提供する。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
すなわち、本発明は、箱型の筐体内に、冷媒が流通する熱交換器本体が斜めに設置される熱交換器であって、前記熱交換器本体は、冷媒の供給及び排出を行うためのヘッダ管と、該ヘッダ管に接続されかつ該ヘッダ管の一部の面に所定間隔に並べて接続された複数の伝熱管とからなり、前記ヘッダ管は、前記筐体の内面に近接した部位を有し、前記筐体の内面と前記筐体に近接したヘッダ管の部位との間にはシール部が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、熱交換効率を高めることが可能な熱交換器を得ることができる。

本発明に係る熱交換器の最小構成例を示す概略構成図である。 本発明の実施形態に係る熱交換器を示す概略構成図である。 熱交換器本体の端部を示す図である。 熱交換器の寸法を説明するための図である。 熱交換器の空気の流れを説明するための図である。

本発明に係る熱交換器１００について図１を参照して説明する。
この熱交換器１００は、筐体１内に、冷媒が流通する熱交換器本体２が斜めに設置される構造である。
筐体１は箱型に形成されたものであって、一方側の開口部１Ａから、冷却対象となる電子機器からの排熱を含む空気を取り込み、他方の開口部１Ｂから、熱交換器本体２を経由した熱交換後の空気を排出する。

熱交換器本体２は、冷媒の供給及び排出を行うためのヘッダ管３と、該ヘッダ管３に接続されかつ該ヘッダ管３の一部の面に所定間隔に並べて接続された複数の伝熱管４とからなる。これら伝熱管４は、紙面と直交する方向に間隔をおいて複数配置されている。そして、このように配置された複数の伝熱管４の間を空気が通過することにより、伝熱管４内の冷媒と空気との間で熱交換が行われる。
ヘッダ管３は、筐体１の内面に近接した部位３Ａを有し、筐体１の内面と筐体１に近接したヘッダ管３の部位３Ａとの間にはシール部５が設けられている。

なお、シール部５としては、例えば、ゴムなどの弾性変形可能な材料が使用される他、ヘッダ管３と筐体１の内面との間でのリーク気流が困難となる微小な間隙を設けることで形成される。

そして、以上のように構成された熱交換器１００によれば、筐体１内面と該筐体１内面に近接したヘッダ管３との間にはシール部５が設けられているので、該シール部５により、ヘッダ管３と筐体１内面との間に冷却対象となる空気が漏れるリーク気流（矢印ａ１で示す）の発生を防止することができる。
これにより上記熱交換器１００では、熱交換器本体２を流通する空気の大部分を伝熱管４に案内することができ（矢印ａ２で示す）、該伝熱管４にて効率的な熱交換が可能となる。

ところで、同じ筐体内に、あるいは筐体の外側に取り付ける形で、ファンモータが設置されている場合がある。これが原因で筐体１が振動している場合がある。また、意図して流す空気を効率よく熱交換するためには、空気以外の部材と熱交換器との間では極力熱をやりとりしないことが好ましい。言い換えると熱交換器は他の部材に対する断熱性能が高いことが好ましい。上記熱交換器１００では、筐体１内面とヘッダ管３との間に設けたシール部５により、筐体１が振動していたとしても熱交換器本体２の振動が抑制されるとともに、筐体１と熱交換器本体２との伝熱が遮断されることで、該熱交換器本体２の断熱性能も同時に向上させることができる。

（実施形態）
本発明の実施形態に係わる熱交換器１０１について図２〜図５を参照して説明する。
この熱交換器１０１は、省スペース化のために、図２に示されるように筐体１１内に、冷媒が流通する熱交換器本体１２が斜めに設置される構造が採用されている。
筐体１１は金属板を箱型に形成したものであって、図２では底面１１Ａ、側面１１Ｂ，１１Ｃ及び上面１１Ｄが示されている。

筐体１１の底面１１Ａには、冷却対象となる電子機器からの排熱を含む空気を取り込む下側開口部１１ａが形成され、また、筐体１１の左側の側面１１Ｂには、熱交換器本体１２を経由した熱交換後の冷却空気を排出する側面開口部１１ｂが形成されている。
すなわち、筐体１１では、底面１１Ａに形成された下側開口部１１ａから、冷却対象となる電子機器からの排熱を含む空気を取り込み（符号Ｍ１で示す）、左側の側面１１Ｂに形成された側面開口部１１ｂから、熱交換器本体１２を経由した熱交換後の冷却空気を排出する（符号Ｍ２で示す）。
また、筐体１１の下側開口部１１ａ及び側面開口部１１ｂには、筐体１１に対して冷却対象となる空気を給排出するための送風機２０，２１が設置されている。送風機にはファンモータが内蔵されている。

熱交換器本体１２は、冷媒の供給及び排出を行うためのヘッダ管１３と、該ヘッダ管１３に所定間隔に並べて接続された複数の伝熱管１４とから構成される。
ヘッダ管１３は、紙面と直交するように設置されたものであって、伝熱管１４の各側位置にてそれぞれ設置されている。
伝熱管１４はヘッダ管１３に対して直交する位置関係に設置され、かつ紙面と直交する方向に間隔をおいて複数本設けられたものであって、それぞれが扁平チューブにより構成されている。ここに、伝熱管１４として偏平な形状を採用した理由は、同一断面積の真円より、空気と冷媒が熱交換する熱交換面積を大きくすることにより、熱交換効率を高めるためである。
そして、このような扁平チューブからなる伝熱管１４では、ヘッダ管１３を通じて供給された冷媒を内部に流通させることで、管壁を介して冷却対象となる空気の熱を吸収して、当該空気を冷却するようにしている。

熱交換器本体１２は全体として斜めに設置される構造であり、本例では、下端に位置するヘッダ管１３が、筐体１１の底面１１Ａと左側の側面１１Ｂとの角部に近接する位置に設置され、また、上端に位置するヘッダ管１３が、筐体１１の上面１１Ｄと右側の側面１１Ｃとの角部に近接する位置に設置されている。
一方、ヘッダ管１３は、筐体１１の内面に近接した部位１３Ａを有し、筐体１１の内面と筐体１１に近接したヘッダ管１３の部位１３Ａとの間にはシール部１５が設けられている。

このシール部１５は、図３の拡大図を参照して分かるように、ヘッダ管１３と筐体１１の内面との間に、冷却対象となる空気が漏れるリーク気流（矢印ＭＡで示す）を防止し、かつ熱交換器本体１２を流通する空気の大部分を伝熱管１４に案内する（矢印ＭＢで示す）ことで、伝熱管１４での効率的な熱交換を可能とする。
なお、このシール部１５としては、図３に示されるようなゴム材などの弾性変形可能な弾性材料１６、好ましくは多孔質に構成して断熱性、防振性を高めた材料が使用される他、ヘッダ管１３と筐体１１の内面との間でのリーク気流の形成が困難となる微小な間隙により形成しても良い（これについては図４を参照して後述する）。

また、ヘッダ管１３は断面形状が全体として四角形状に形成されるとともに、伝熱管１４との接続箇所が平面状（平面部を符号１３Ｂで示す）に形成され、かつ平面部１３Ｂ以外の部分が曲面状（曲面部を符号１３Ｃで示す）となるように形成されている。

また、ヘッダ管１３の曲面部１３Ｃは、筐体１１の内面に近接するヘッダ管１３の部位１３Ａに一致している。
そして、このようなヘッダ管１３の曲面部１３Ｃでは、角型に形成されたヘッダ管のように、ゴム等の弾性材料１６で形成されたシール部１５に対して集中した荷重が作用することが防止され、該シール部１５の劣化、破壊が防止される。

さらにこのようなヘッダ管１３では、筐体１１の内面に近接するヘッダ管１３の部位１３Ａを、曲面部１３Ｃに形成することにより、図４に鎖線Ｓ１で示すように、曲面にしない場合に比べてヘッダ管１３の断面積を大きくすることができる。すなわち、曲面部１３Ｃを形成することにより、ヘッダ管１３の断面積が大きくなるため、ヘッダ管１３を流れる冷媒の圧力損失が抑えられ、ヘッダ管１３に流入した冷媒を各伝熱管１４へ分流する際に少ない偏りで各伝熱管１４へ分流することができる。

また、図４では、ヘッダ管１３と筐体１１の内面との間でのリーク気流の形成が困難となる微小な間隙１７により、シール部１５を形成した例が示されている。
ヘッダ管１３は、筐体１１の底面１１Ａ及び／又は側面１１Ｂでの熱移動が生じないように離間させる必要があるが、離間させ過ぎてもスペース効率が悪くなるので当該間隙１７の離間距離を微小な０．１〜２ｍｍ程度とすることが好ましい。
すなわち、ヘッダ管１３では、曲面を利用することでその断面積を減少させない微小な間隙１７を形成することができ、これにより前述したリーク気流（矢印ＭＡで示す）の抑制効果が得られる。

また、ヘッダ管１３では、幅（ｗ）に対する伝熱管１４の幅（ａ）の割合が、０．５以上１未満とすることが好ましい。これにより熱交換器１０１では、ヘッダ管１３の小サイズ化と伝熱管１４の幅広化による熱交換効率の両立が図られる。

また、上記熱交換器１０１では、図５に示すように、伝熱管１４が接続されるヘッダ管１３の部位を平面部１３Ｂとすることにより、ヘッダ管１３の断面が円形である場合（図５に鎖線Ｓ２で示すような円形とした場合）に比べて、伝熱管１４の気流との接触面積が増える。
これにより、上記熱交換器１０１では、通常の被冷却空気の流通（矢印ＭＢで示す）に加えて、伝熱管１４の間を通る風を増やすことができ（矢印ＭＣで示す）、その結果、熱交換効率を向上させることが可能となる。

なお、上記熱交換器１０１において、その外形サイズ（２つのヘッダ管１４の最端部間の長さ）を変えずに伝熱管１４の露出面積を大きくするには、鎖線Ｓ２よりも径が小さい円筒ヘッダ管を用いて、その分、伝熱管が長目になる位置で伝熱管１４とヘッダ管１３とを接続することも考えられる。しかしその場合、接続に使われる円弧の割合が大きくなることでヘッダ管１３内に入り込む伝熱管１４の面積の割合が大きくなって、ヘッダ管１３内の実効内部断面積が小さく、そして、圧力損失が大きくなり、冷媒の各伝熱管１３への分流の偏りが生じることで熱交換効率が悪くなるという問題がある。
すなわち、上記熱交換器１０１では、伝熱管１４が接続されるヘッダ管１３の部位を平面部１３Ｂとすることにより伝熱管１４の取付作業を容易とするとともに、冷媒の分流を均等にすることで熱交換器の熱交換効率を高めることが可能となる。

また、上記熱交換器１０１では、熱交換器本体１２を通す冷媒を低圧タイプ（例えば熱交換器本体１２内の圧力が０．５〜３気圧の冷媒）とすることが好ましい。
これにより、上記熱交換器１０１では、ヘッダ管１３における伝熱管１４の接続面が平面であっても内圧に耐えることが可能となる。

以上のように構成された熱交換器１０１によれば、筐体１１内面と該筐体１１内面に近接したヘッダ管１３との間に、ゴム材などの弾性変形可能な材料１６又は微小な間隙１７からなるシール部１５が設けられているので、該シール部１５により、ヘッダ管１３と筐体１１の内面との間に冷却対象となる空気（矢印ＭＡで示す）が流れることを防止できる。
これにより上記熱交換器１０１では、熱交換器本体１２を流通する空気の大部分（矢印ＭＢで示す）を伝熱管１４に案内することができ、該伝熱管１４にて効率的な熱交換が可能となる。
これと同時に、上記熱交換器１０１では、筐体１１と熱交換器本体１２との間の熱伝達が遮断され、該熱交換器本体１２の断熱性能も同時に向上し、それにより熱交換効率を向上させることができる。

また、上記熱交換器１０１では、筐体１１内面とヘッダ管１３との間に、ゴム材などの弾性変形可能な材料１６からなるシール部１５を設けた場合には、ゴム等が弾性変形することにより、相変化に伴って熱交換器に発生する振動およびこれに起因する騒音が筐体に伝わって増幅されてしまうのを抑制することができる。さらに、ファンモータの振動が筐体経由で熱交換器本体に伝わることで騒音が増幅される不都合も回避できる。

なお、上記実施形態では、熱交換器本体１２の下側でかつ筐体１１の下面側から冷却対象となる空気を吸入した後、熱交換器本体１２の上側でかつ筐体１１の側方から、熱交換後の空気を排出するようにした。
しかし、上記実施形態に示すような、空気の流れに限定されず、熱交換器本体１２の下側であれば、筐体１１のいずれの側から空気を吸入しても良く、同様に、熱交換器本体１２の上側であれば、筐体１１のいずれの側から空気を排出しても良い。
また、上記実施形態に示すような、熱交換器本体１２の下側から上側に空気を流通させることに限定されず、上側から下側に空気を流通させても良い。
また、図ではシール部を２か所に設けているが、１か所でもよい。その場合、機器全体の上下方向の薄型化の観点で、ヘッダ管と筐体内面が上下方向の位置関係となっている方に設けることが好ましい。

また、上記実施形態では、熱交換器本体１２により外部から取り込んだ空気を冷却したが、これに限定されず、該熱交換器本体１２により当該空気を加熱しても良い。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

本発明は、熱交換効率を高めることができる熱交換器に関する。

１ 筐体
２ 熱交換器本体
３ ヘッダ管
３Ａ （筐体近接）部位
４ 伝熱管
５ シール部
１１ 筐体
１２ 熱交換器本体
１３ ヘッダ管
１３Ａ （筐体近接）部位
１３Ｂ 平面部
１３Ｃ 曲面部
１４ 伝熱管
１５ シール部
１６ 弾性変形可能な材料
１７ 間隙
２０ 送風機
２１ 送風機
１００ 熱交換器
１０１ 熱交換器

Claims (9)

1. 箱型の筐体内に、冷媒が流通する熱交換器本体が斜めに設置される熱交換器であって、
   前記熱交換器本体は、冷媒の供給及び排出を行うためのヘッダ管と、該ヘッダ管に接続されかつ該ヘッダ管の一部の面に所定間隔に並べて接続された複数の伝熱管とからなり、
   前記ヘッダ管は、前記筐体の内面に近接した部位を有し、
   前記筐体の内面と前記筐体に近接したヘッダ管の部位との間にはシール部が設けられていることを特徴とする熱交換器。
2. 前記シール部は弾性変形可能な材料により構成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記シール部は前記ヘッダ管と筐体内面と間に形成された微小な間隙により形成されることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
4. 前記ヘッダ管は前記伝熱管との接続箇所が平面状に形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換器。
5. 前記ヘッダ管は全体の断面形状が四角形状に形成されるとともに、前記平面以外の部分が曲面状をなし、
   前記シール部は、前記ヘッダ管の曲面部に設けられることを特徴とする請求項４に記載の熱交換器。
6. 前記ヘッダ管における平面部の幅に対する前記伝熱管の幅の割合が、０．５以上１未満であることを特徴とする請求項４又は５のいずれか１項に記載の熱交換器。
7. 前記筐体では、前記斜めに配置された熱交換器本体の下方に位置する下側の開口から熱を含む空気を吸い込み、前記熱交換器本体の上方に位置する上側の開口から冷却後の空気を排出することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱交換器。
8. 前記筐体の開口には、前記筐体内部に空気を供給する送風機が設けられていることを特徴とする請求項７に記載の熱交換器。
9. 前記熱交換器本体内を流通する冷媒の圧力は、０．５気圧以上、３気圧以下であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の熱交換器。

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