JP2021050868A

JP2021050868A - 熱交換器

Info

Publication number: JP2021050868A
Application number: JP2019174264A
Authority: JP
Inventors: 祐輔西村; Yusuke Nishimura
Original assignee: Keihin Corp
Current assignee: Keihin Corp
Priority date: 2019-09-25
Filing date: 2019-09-25
Publication date: 2021-04-01

Abstract

【課題】熱交換器において伝熱効率を向上させる。【解決手段】冷媒が流通すると共に対象物を冷却する熱交換器であって、伝熱面を有するハウジングと、前記冷媒を案内し、入口側に対して出口側の流路幅が広く設定された第１冷媒流路Ｒ１と、前記冷媒を案内し、入口側に対して出口側の流路幅が狭く設定された第２冷媒流路Ｒ２とを備え、前記第１冷媒流路Ｒ１と前記第２冷媒流路Ｒ２とは、前記冷媒の流れ方向と直交する前記流路幅方向において隣接して配置される。【選択図】図３

Description

本発明は、熱交換器に関するものである。

特許文献１には、冷媒が流通する流路中にインナーフィン（流路部材）を設けたアルミニウム製熱交換器が開示されている。このようなインナーフィンを設けることにより、冷媒の流路が複数形成され、放熱性を高めることが可能である。このような熱交換器は、例えば、電子機器等の装置の冷却装置として用いられる。

特開２０１６−２０３２３３号公報

ところで、近年においては、装置の高出力化及び高密度化に伴って、装置の放熱量が増加している。したがって、冷却に用いられる熱交換器の高性能化が求められており、この一手法として冷媒流路の数を増加させ、冷媒の流路を複雑化させることが考えられる。しかしながら、冷媒流路の数を増加させると、熱交換器における流路部材が大型化し、結果として熱交換器が大型化する可能性がある。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、熱交換器の伝熱効率を向上させることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、第１の手段として、熱媒が流通すると共に対象物と熱交換する熱交換器であって、伝熱面を有するハウジングと、前記熱媒を案内し、入口側に対して出口側の流路幅が広く設定された第１熱媒流路と、前記熱媒を案内し、入口側に対して出口側の流路幅が狭く設定された第２熱媒流路とを備え、前記第１熱媒流路と前記第２熱媒流路とは、前記熱媒の流れ方向と直交する前記流路幅方向において隣接して配置される、という構成を採用する。

第２の手段として、上記第１の手段において、前記ハウジングの内部において前記第１熱媒流路及び前記第２熱媒流路を形成する流路部材を備え、前記流路部材は、前記第１熱媒流路及び前記第２熱媒流路において、前記熱媒の流れ方向及び前記流路幅方向の双方と直交する方向に対して傾斜した側面部を有する、という構成を採用する。

第３の手段として、上記第１または第２の手段において、前記第１熱媒流路及び前記第２熱媒流路をそれぞれ複数備え、前記第１熱媒流路と前記第２熱媒流路とは、前記熱媒の流れ方向と直交する前記流路幅方向において交互に配置される、という構成を採用する。

第４の手段として、上記第１〜３のいずれかの手段において、前記第１熱媒流路及び前記第２熱媒流路は、前記熱媒の流れ方向において複数配置される、という構成を採用する。

第５の手段として、上記第４の手段において、隣り合う前記流路部材同士は、前記熱媒の流れ方向に対称となるように配置される、という構成を採用する。

本発明によれば、熱交換器の第１熱媒流路においては相対的に流速の遅い流れが形成され、第２熱媒流路においては相対的に流速の速い流れが形成される。これにより、第１熱媒流路から流れ出た熱媒と第２熱媒流路から流れ出た熱媒とが接触する際に、流れ方向及び流速の違いにより乱流が形成される。乱流において熱媒が撹拌されることにより、熱交換器の伝熱効率を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る凝縮器の全体を示す斜視図である。本発明の一実施形態に係る凝縮器の一部を拡大した模式図である。図２におけるＡ−Ａ断面図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る熱交換器の一実施形態について説明する。

本実施形態に係る凝縮器１（熱交換器）は、図１に示すように、冷媒（熱媒）と流体状態の対象物との熱交換を行う機器であり、ハウジング２と、複数のフィン３（流路部材）とを備える構造とされる。

ハウジング２は、複数のフィン３を収容する部材であり、互いに対向する２つの伝熱面２ａを有している。また、ハウジング２は、側方が開放状態とされ、冷媒入口が形成されると共に当該冷媒入口と対向する位置に冷媒出口が形成されている。これにより、凝縮器１は、当該冷媒入口より凝縮器１の内部に冷媒を流入させると共に冷媒出口より冷媒を排出する。なお、凝縮器１の内部において、冷媒は、例えば空気とされ、冷媒入口から冷媒出口へと一方向に向けて流れる。また、ハウジング２の内部には、図１に示すように、冷媒の流れ方向Ａに直交する流路幅方向Ｂにおいて直線状に延びる冷却対象流路Ｒａが冷媒の流れ方向Ａに複数形成されている。冷却対象流路Ｒａには、例えば蒸気が流入し、冷媒により冷却されることで凝縮する。

フィン３は、図２に示すように、上下方向において凹凸が連続的に形成された所謂ジグザグ形状の薄板部材であり、幅方向において長い形状とされる。そして、フィン３は、凹凸の頂点部分において、上下の伝熱面２ａと接触している。すなわち、フィン３は、冷媒の流れ方向Ａに対して交差する複数の側面部３ａが、上下方向に対して傾斜した形状とされている。なお、以下の説明における上下方向は、鉛直方向における上下と必ずしも一致しない。

さらに、フィン３は、図２のＡ−Ａ断面図である図３に示すように、冷媒の流れ方向Ａに対して傾斜して形成されている。すなわち、凝縮器１内において、１つのフィン３の側面部３ａとハウジング２とにより、冷媒の流れ方向Ａ下流側に向けて流路幅が広くなる第１冷媒流路Ｒ１と、冷媒の流れ方向Ａ下流側に向けて流路幅が狭くなる第２冷媒流路Ｒ２とが流路幅方向Ｂにおいて交互に隣接して形成される。なお、第２冷媒流路Ｒ２の入口と、第１冷媒流路Ｒ１の出口とは、流路幅がほぼ等しく形状設定されている。なお、フィン３は、上述のような形状とされることにより、上下の伝熱面２ａに対して、略三角形状の面において接触した状態とされている。また、上述のように、側面部３ａが上下方向において傾斜した形状とされることにより、第１冷媒流路Ｒ１及び第２冷媒流路Ｒ２は、上方あるいは下方に向けて徐々に流路幅が狭まるように形成されている。

また、フィン３は、全て同一形状とされ、冷媒の流れ方向Ａを軸として１８０度回転させた状態で冷媒の流れ方向Ａに複数配置されている。すなわち、冷媒の流れ方向Ａで互いに隣り合うフィン３は、上側のハウジング２に当接する部位と下側のハウジング２に当接する部位とが逆となっている。これにより、図２に示すように、冷媒の流れ方向Ａから見た際に、冷媒の流れ方向Ａで互いに隣り合うフィン３の側面部３ａが重ならず、対称形状となる。なお、冷媒の流れ方向Ａに複数配置されるフィン３同士の間には、間隙が形成されている。
つまり、フィン３の第２冷媒流路Ｒ２の流路幅が最も狭い出口に対して、冷媒の流れ方向Ａの下流側に配置されるフィン３の第２冷媒流路Ｒ２の流路幅が最も広い入口が近接した形状とされる。また、同様に、フィン３の第１冷媒流路Ｒ１の流路幅が最も広い出口に対して、冷媒の流れ方向Ａの下流側に配置されるフィン３の第１冷媒流路Ｒ１の流路幅が最も狭い入口が近接した形状とされる。また、上流側のフィン３の第１冷媒流路Ｒ１の出口と、下流側のフィン３の第２冷媒流路Ｒ２の入口との一部が流路幅方向Ｂで重なるように配置される。

このような本実施形態に係る凝縮器１の動作について、図１及び図３を参照して説明する。
本実施形態において、ハウジング２の冷却対象流路Ｒａを通過する蒸気は、図１に示すように、ハウジング２を介して冷媒と接触することにより冷却されて凝縮し、液体状態となる。

このとき、冷媒は、冷媒入口より流入すると、冷媒入口に近接したフィン３により、隣接した第１冷媒流路Ｒ１と第２冷媒流路Ｒ２とに分かれて流れる。第１冷媒流路Ｒ１に流れ込んだ冷媒は、流路幅が徐々に広がることにより、流速が低下する。図３に示すように、第２冷媒流路Ｒ２に流れ込んだ冷媒は、流路幅が徐々に狭まることにより流速が上昇する。すなわち、１つのフィン３を冷媒が通過する際に、第２冷媒流路Ｒ２を流れる冷媒は、第１冷媒流路Ｒ１を流れる冷媒よりも流速が速い状態となる。

そして、冷媒の流れ方向Ａにおいて下流側に配置されるフィン３側へと冷媒が移動する際には、上流側のフィン３の第２冷媒流路Ｒ２から流れ出た流速の速い冷媒の一部は、流線の延長線上にある下流側のフィン３の第２冷媒流路Ｒ２へと流入することとなる。また、第２冷媒流路Ｒ２から流れ出た流速の速い冷媒の一部は、出口から流路幅方向Ｂに向けて拡散されるため、下流側の第１冷媒流路Ｒ１側へ移動する。

これに対して、上流側のフィン３の第１冷媒流路Ｒ１から流れ出た冷媒の一部は、第１冷媒流路Ｒ１の形状に沿って外側（流路幅方向Ｂの成分を含む斜め方向）へと広がるように流れを形成する。すなわち、上流側のフィン３の第１冷媒流路Ｒ１から流れ出た冷媒の一部は、下流側のフィン３の第１冷媒流路Ｒ１の入口よりも広がった状態となる。したがって、上流側のフィン３の第１冷媒流路Ｒ１から流れ出た冷媒の一部は、下流側の第１冷媒流路Ｒ１側へ移動する。

これにより、上流側のフィン３の第２冷媒流路Ｒ２から流れ出た流速の速い冷媒の一部が第１冷媒流路Ｒ１側へ移動する際に、第１冷媒流路Ｒ１を移動する速度の遅い冷媒の流れと接触することで第１冷媒流路Ｒ１の出口近傍及び第２冷媒流路Ｒ２の入口近傍（図３における二点鎖線で囲む領域）で乱流が発生する。

また、フィン３が冷媒の流れ方向Ａにおいて複数配置されるため、各フィン３の第１冷媒流路Ｒ１の出口近傍及び第２冷媒流路Ｒ２の入口近傍において乱流が発生することとなる。この乱流により、冷媒は、上下方向及び流路幅方向Ｂにおいて撹拌される。これにより、上下の伝熱面２ａと接触することなく流れる冷媒が、上下の伝熱面２ａと接触する頻度を増加させる。

このような本実施形態に係る凝縮器１によれば、第１冷媒流路Ｒ１及び第２冷媒流路Ｒ２を形成するフィン３が設けられることにより、異なる速度の冷媒の流れを形成することが可能である。フィン３の出口近傍において異なる速度の冷媒が接触することにより、冷媒中に乱流が発生し、冷媒が攪拌されることで、蒸気の冷却効率（伝熱効率）を向上させることが可能である。

また、本実施形態に係る凝縮器１によれば、フィン３の側面部３ａが上下方向において傾斜した形状とされる。したがって、冷媒に生じる乱流がフィン３の側面部３ａに沿って上下方向にも移動しつつ流れるため、流路幅方向Ｂ及び上下方向における冷媒の拡散が促進される。

さらに、本実施形態に係る凝縮器１によれば、冷媒の流れ方向Ａにおいて複数のフィン３が配置されることにより、冷媒の流れ方向Ａにおいて乱流が発生する部位を複数形成することが可能である。したがって、冷媒がより撹拌されることとなり、蒸気の冷却効率をより上昇させることが可能である。

また、本実施形態に係る凝縮器１によれば、フィン３が、冷媒の流れ方向Ａにおいて隣り合うフィン３に対して冷媒の流れ方向Ａを軸として１８０度回転されて配置されている。これにより、冷媒の流れ方向Ａにおいて互いに隣り合うフィン３において側面部３ａが冷媒の流れ方向Ａにおいて重ならず、冷媒の流れをより複雑とし、冷媒がより撹拌されることとなり、蒸気の冷却効率をより上昇させることが可能である。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

上記実施形態においては、本発明に係る熱交換器の一例として凝縮器１について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、冷却器に本発明を適用する場合には、冷却対象流路Ｒａを形成せず、ハウジング２と対象物とを接触させて配置する。また、このような場合には、冷媒として、液体（例えば、水）を用いることも可能である。このような構成とすることにより、対象物が装置等の固体であっても、本発明を適用することが可能である。

また、同様に、上記実施形態においては、蒸気を凝縮させるものとしたが、他の流体または物体について、冷却または加熱する装置としてもよい。

また、上記実施形態においては、凝縮器１は、流路部材としてフィン３を備えるものとしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、第１冷媒流路Ｒ１を形成する流路部材と第２冷媒流路Ｒ２を形成する流路部材とを別体として備えるものとしてもよい。

また、上記実施形態においては、フィン３は、冷媒の流れ方向Ａにおいて隣り合うフィン３に対して冷媒の流れ方向Ａを軸として１８０度回転させて配置するものとしたが、本発明はこれに限定されない。全てのフィン３は、同じ向きに配置されるものとしてもよい。

また、側面部３ａに対して、ルーバを設けるものとしてもよい。この場合、冷媒をルーバにより冷却することが可能であり、凝縮器１における冷却効率をより向上させることが可能である。

１……凝縮器
２……ハウジング
２ａ……伝熱面
３……フィン
３ａ……側面部
Ｒ１……第１冷媒流路
Ｒ２……第２冷媒流路

Claims

熱媒が流通すると共に対象物と熱交換する熱交換器であって、
伝熱面を有するハウジングと、
前記熱媒を案内し、入口側に対して出口側の流路幅が広く設定された第１熱媒流路と、
前記熱媒を案内し、入口側に対して出口側の流路幅が狭く設定された第２熱媒流路と
を備え、
前記第１熱媒流路と前記第２熱媒流路とは、前記第１熱媒流路における前記熱媒の流れ方向と直交する前記流路幅方向において互いに隣接して配置される
ことを特徴とする熱交換器。
前記ハウジングの内部において前記第１熱媒流路及び前記第２熱媒流路を形成する流路部材を備え、
前記流路部材は、前記第１熱媒流路及び前記第２熱媒流路において、前記熱媒の流れ方向及び前記流路幅方向の双方と直交する方向に対して傾斜した側面部を有する
ことを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
前記第１熱媒流路及び前記第２熱媒流路をそれぞれ複数備え、
前記第１熱媒流路と前記第２熱媒流路とは、前記熱媒の流れ方向と直交する前記流路幅方向において交互に配置される
ことを特徴とする請求項１または２記載の熱交換器。
前記第１熱媒流路及び前記第２熱媒流路は、前記熱媒の流れ方向において複数配置されることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の熱交換器。
隣り合う前記流路部材同士は、前記熱媒の流れ方向に対称となるように配置されることを特徴とする請求項４記載の熱交換器。