JP2021085535A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】水流路を流れる水が凍結することを抑制する。【解決手段】熱交換器（１）は、流体によって水を加熱または冷却する熱交換器であって、伝熱部（１０）と、上流部（２０）と、分配部（５０）と、を備える。伝熱部（１０）は、流体が流れる複数の流体流路と、水が流れる複数の水流路（１１）とが隣接する。上流部（２０）は、複数の水流路（１１）の上流側の上流空間（２１）を形成する。分配部（５０）は、上流空間（２１）に配置され、入水口（２２）から上流空間（２１）に流入する水を複数の水流路（１１）に分配する。【選択図】図２

Description

熱交換器に関する。

従来、ヒートポンプ式冷暖房機やヒートポンプ式給湯機等において、水と冷媒との熱交換を行う熱交換器が使用されている。このような熱交換器として、例えば特許文献１（特開２０１０−１１７１０２号公報）が挙げられる。特許文献１には、水が流れる複数の水流路からなる層と、Ｒ４１０Ａが流れる複数の冷媒流路からなる層とが積層される熱交換器が開示されている。

熱交換器の高性能化のために、水流路の細径化を図る技術がある。しかし、熱交換器を蒸発器として使用する等の場合には、冷媒の温度が非常に低くなることによって、水流路を流れる水が凍結することがある。凍結すると、水流路が閉塞されて、熱交換器が損傷することがある。熱交換器の損傷を防止するためには、冷媒の温度をある程度高くする等の制約がある。

第１観点に係る熱交換器は、流体によって水を加熱または冷却する熱交換器であって、伝熱部と、上流部と、分配部と、を備える。伝熱部は、流体が流れる複数の流体流路と、水が流れる複数の水流路とが隣接する。上流部は、複数の水流路の上流側の上流空間を形成する。分配部は、上流空間に配置され、入水口から上流空間に流入する水を複数の水流路に分配する。

本発明者は、水流路を流れる水が凍結するという課題は、複数の水流路に水が均等に流れずに偏流することに起因していることに着目した。偏流が生じると、複数の水流路において、流れる水の量が相対的に少ない部分が凍結しやすくなる。

そこで、第１観点に係る熱交換器では、複数の水流路の上流空間に分配部を配置することによって、上流空間に流入する水を複数の水流路に分配することができる。これにより、複数の水流路に水が偏流することを抑制できる。したがって、水流路を流れる水が凍結することを抑制できる。

第２観点に係る熱交換器は、第１観点の熱交換器であって、分配部は、板状部材である。

第２観点に係る熱交換器では、入水口から上流空間に流入する水を複数の水流路に容易に分配することができる。このため、複数の水流路に水が偏流することを容易に抑制できるので、水流路を流れる水が凍結することを抑制できる熱交換器を実現できる。

第３観点に係る熱交換器は、第２観点の熱交換器であって、複数の水流路の少なくとも一部は、入水口と対向する対向領域を有している。対向領域と入水口との間に、板状部材が配置される。

第３観点に係る熱交換器では、入水口と対向する水流路と入水口との間に板状部材を配置している。これにより、入水口から上流空間に流入する水を、偏流を抑制するように、複数の水流路により容易に分配できる。

第４観点に係る熱交換器は、第２観点または第３観点の熱交換器であって、板状部材は、貫通穴を有する。

第４観点に係る熱交換器では、入水口から上流空間に流入する水を、板状部材の貫通穴を通すことによって、偏流を抑制するように、複数の水流路により容易に分配できる。

第５観点に係る熱交換器は、第４観点の熱交換器であって、複数の水流路と入水口との間に、板状部材が配置される。板状部材は、入水口と対向する対向部と、入水口と対向しない非対向部と、を有している。対向部に位置する貫通穴は、非対向部に位置する貫通穴よりも小さい。

第５観点に係る熱交換器では、複数の水流路において、入水口と対向する水流路は、入水口と対向しない水流路よりも圧力損失が小さい。板状部材において、対向部に位置する貫通穴が非対向部に位置する貫通穴よりも小さいので、入水口から上流空間に流入する水を、入水口（対向部）と対向する水流路よりも、入水口と対向しない（非対向部と対向する）水流路に多く分配することができる。このため、入水口から上流空間に流入する水を、圧力損失の小さい水流路に相対的に少なく、圧力損失の大きい水流路に相対的に多く分配できる。したがって、偏流をより抑制することができるので、水流路を流れる水が凍結することをより抑制できる。

第６観点に係る熱交換器は、第１観点から第５観点の熱交換器であって、入水口から流入した水を複数の水流路に分流するためのヘッダ空間を形成するヘッダ部をさらに備える。分配部は、ヘッダ空間に配置される。

第６観点に係る熱交換器では、比較的大きな上流空間であるヘッダ空間に分配部を配置している。このため、分配部の配置の自由度を高めることができる。

第７観点に係る熱交換器は、第６観点の熱交換器であって、分配部は、板状部材である。複数の水流路の少なくとも一部は、入水口と対向する。複数の水流路と入水口との間に、板状部材が配置される。ヘッダ空間において、入水口が形成されている第１面と、複数の水流路の入口が形成されている第２面との距離に対する、第１面と板状部材との距離の比は、０．２以上０．８以下である。

第７観点に係る熱交換器では、ヘッダ空間に配置された板状部材の上流側及び下流側に空間を設けることができる。このため、入水口から上流空間に流入する水を、偏流を抑制するように、複数の水流路により容易に分配できる。

第８観点に係る熱交換器は、第１観点から第７観点の熱交換器であって、複数の水流路の幅は、１ｍｍ以下である。

第８観点に係る熱交換器では、複数の水流路の幅が１ｍｍ以下の細径化を図っても、本開示の熱交換器によれば、複数の水流路に水が偏流することを抑制できる。したがって、性能を高めるとともに、水流路を流れる水が凍結することを抑制できる。

実施形態に係る熱交換器を示す斜視図である。 実施形態に係る熱交換器の水流路を示す平面図である。 実施形態に係る熱交換器の流体流路を示す平面図である。 実施形態に係る熱交換器の水流路及び流体流路の積層状態を模式的に示す斜視図である。 実施形態に係る熱交換器の分配部を示す平面図である。 実施形態に係る熱交換器を示す模式図である。 変形例に係る熱交換器を示す模式図である。 変形例に係る熱交換器の分配部を示す平面図である。 変形例に係る熱交換器を示す模式図である。

本開示の一実施形態に係る熱交換器について、図面を参照しながら説明する。

（１）全体構成
本開示の一実施形態に係る熱交換器１は、流体（ここでは冷媒）によって水を加熱または冷却する熱交換器である。熱交換器１は、空気調和装置、給湯装置などの水回路に用いられる。本実施形態の熱交換器１は、冷房運転、暖房運転及びデフロスト運転が可能な水熱交換器である。

図１〜図４に示すように、本実施形態の熱交換器１は、マイクロチャネル熱交換器である。熱交換器１は、図１に示すケーシング２と、水導入管３と、水導出管４と、流体導入管５と、流体導出管６と、図２に示す第１層７と、図３に示す第２層８と、を備えている。

ケーシング２には、水導入管３、水導出管４、流体導入管５及び流体導出管６が取り付けられている。詳細には、図１において、水導入管３は下方に、水導出管４は上方に、流体導入管５は側端部下方に、流体導出管６は側端部上方に取り付けられている。

図４に示すように、第１層７と第２層８とは、交互に積層されている。なお、図４は、第１層７及び第２層８の積層状態を模式的に示すものであり、上下左右方向及び寸法は他の図と一致するものではない。第１層７には、水が流れる水流路１１が形成されている。第２層８には、流体が流れる流体流路１２が形成されている。第１層７及び第２層８は、金属製の平板で構成されている。

（２）特徴部分の構成
図２に示すように、熱交換器１は、伝熱部１０と、上流部２０と、下流部３０と、ヘッダ部４０と、分配部５０と、を備えている。伝熱部１０、上流部２０、下流部３０、ヘッダ部４０及び分配部５０は、ケーシング２に収容されている。

伝熱部１０は、図２に示す水が流れる水流路１１と、図３に示す流体が流れる流体流路１２とが隣接する。伝熱部１０は、複数の水流路１１及び複数の流体流路１２を有している。具体的には、複数の水流路１１及び複数の流体流路１２は、伝熱部１０に複数列形成されている。伝熱部１０において、水の流れる方向と流体が流れる方向とは、交差し、ここでは直交する。具体的には、水は下側から上側に向かって流れる。流体は、左下側から右下側に向かって流れ、後述するヘッダ部４５を通って、右上側から左上側に向かって流れる。水流路１１を流れる水と、流体流路１２を流れる流体とは、熱交換を行う。

水流路１１及び流体流路１２は、細径化されている。図２に示す水流路１１の幅Ｗ１１は、例えば１ｍｍ以下である。幅Ｗ１１は、水流路１１の最小の幅である。幅Ｗ１１が小さいほど性能が高くなるが、閉塞を抑制する観点から下限値は、例えば０．３ｍｍである。

なお、水流路１１及び流体流路１２は、蛇行した形状であるが、直線的に延びる形状であってもよい。

上流部２０は、水流路１１の上流側に位置する。ここでは、上流部２０は、水流路１１の下方に位置する。上流部２０は、水流路１１の上流側の上流空間２１を形成する。

上流部２０は、水導入管３と連結されている入水口２２を含む。水は、入水口２２から上流空間２１に流入する。入水口２２は、複数の水流路１１の少なくとも一部と対向する。ここでは、入水口２２は、複数の水流路１１の中央部と対向する。

下流部３０は、水流路１１の下流側に位置する。ここでは、下流部３０は、水流路１１の上方に位置する。下流部３０は、水流路１１の下流側に下流空間３１を形成する。下流空間３１は、水導出管４と連通している。

本実施形態の熱交換器１は、ヘッダ部４０をさらに備えている。ヘッダ部４０は、入水口２２から流入した水を複数の水流路１１に分流するためのヘッダ空間４１を形成する。水流路１１に水を分流するためのヘッダ空間４１を形成するヘッダ部４０は、上流空間２１を形成する上流部２０に含まれる。

また、第１層７は、複数の水流路１１を出た水を集合させるためのヘッダ空間４３を形成するヘッダ部４２をさらに備えている。複数の水流路１１を出た水を集合させるためのヘッダ空間４３を形成するヘッダ部４２は、下流空間３１を形成する下流部３０に含まれる。

水導入管３及び水導出管４は、ヘッダ部４０、４２を介して、水流路１１に連通している。

なお、図３に示す第２層８は、ヘッダ部４４〜４６をさらに備えている。ヘッダ部４４は、複数の流体流路１２に分流するためのヘッダ空間を形成する。ヘッダ部４５は、下方の複数の流体流路１２を出た水を集合させて、上方の複数の流体流路１２に分流するためのヘッダ空間を形成する。ヘッダ部４６は、上方の複数の流体流路１２を出た水を集合させるためのヘッダ空間を形成する。流体導入管５及び流体導出管６は、ヘッダ部４４〜４６を介して、流体流路１２に連通している。

図２に示すように、分配部５０は、入水口２２から上流空間２１に流入する水を複数の水流路１１に分配する。分配部５０は、複数の水流路１１に水を均等に分配するための機構を有する。

分配部５０は、上流空間２１に配置されている。ここでは、分配部５０は、ヘッダ空間４１に配置されている。

具体的には、分配部５０は、複数の水流路１１と入水口２２との間に配置されている。詳細には、分配部５０は、複数の水流路１１における入水口２２と対向する対向領域Ｒと入水口２２との間に配置されている。図２の分配部５０は、複数の水流路１１全体（対向領域Ｒ及び非対向領域）と入水口２２との間に配置されている。

図２及び図５に示すように、分配部５０は、板状部材である。詳細には、分配部５０は、水が流れる方向に交差する面を有する板状部材である。ここでは、分配部５０は、水が流れる方向に直交する面を有する板状部材である。

分配部５０は、貫通穴５１を有している。図５に示す分配部５０は、円形状の複数の貫通穴５１を有している。また図５では、外周部に位置する貫通穴５１は、中央部に位置する貫通穴５１よりも大きい。

分配部５０は、入水口２２と対向する対向部５２と、入水口２２と対向しない非対向部５３と、を有している。対向部５２に位置する貫通穴５１は、非対向部５３に位置する貫通穴５１よりも小さい。

図２に示すように、ヘッダ空間４１において、入水口２２が形成されている第１面４１ａと、複数の水流路１１の入口が形成されている第２面４１ｂとの距離Ｌ１に対する、第１面４１ａと分配部５０との距離Ｌ２の比（Ｌ２／Ｌ１）は、０を越えて１未満であり、好ましくは０．２以上０．８以下であり、より好ましくは１／３以上２／３以下である。

分配部５０は、例えば、金属製である。分配部５０を構成する材料は、第１層７を構成する材料と異なっていてもよいが、ここでは同じ材料である。分配部５０は、例えば、ステンレス鋼、銅、アルミニウムなどで構成されている。

本実施形態の分配部５０は、上流部２０を構成する部材と別体である。分配部５０は、例えば溶接などによって上流空間２１に取り付けられる。詳細には、第１層７及び第２層８を所定数積層した状態で、例えば拡散接合等によって接合した後に、例えば溶接などによって分配部５０を上流空間２１に配置する。

このような構成を備える熱交換器１は、例えば、蒸発器として使用される。具体的には、水導入管３から上流部２０に水を導入する。上流空間２１に導入された水を、上流空間２１（ここではヘッダ空間４１）に配置された分配部５０により、複数の水流路１１に分配する。

複数の水流路１１において、入水口２２と対向する水流路１１（対向領域Ｒ）は、入水口２２と対向しない水流路１１よりも圧力損失が小さい。本実施形態の分配部５０では、対向部５２に位置する貫通穴５１は、非対向部５３に位置する貫通穴５１よりも小さい。このため、水流路１１における対向領域Ｒに供給される水よりも、水流路１１における非対向領域に供給される水が多くなる。これにより、分配部５０の貫通穴５１を通った水は、偏流を抑制して、水流路に流入する。

一方、流体導入管５から導入された流体は、流体流路１２に流入する。伝熱部１０において、水流路１１を流れる水と、流体流路１２を流れる流体とが熱交換を行う。そして、水流路１１から水が流出され、下流空間３１を介して、水導出管４から排出される。

また、第２層８において、流体導入管５から導入された流体は、ヘッダ部４４を介して、図３における下方の流体流路１２に流入する。その後、流体は、図３における下方の流体流路１２を通り、ヘッダ部４５を介して、図３における上方の流体流路１２を通る。熱交換を行った流体は、ヘッダ部４６を介して、流体流路１２から流出されて、流体導出管６から排出される。

（３）特徴
本実施形態の熱交換器１では、複数の水流路１１の上流空間２１に分配部５０を配置している。分配部５０により、水流路１１に流入する前に、上流空間２１に流入する水を複数の水流路に分配することができる。これにより、複数の水流路１１に水が均等に流れて偏流することを抑制できる。このため、複数の水流路において、流れる水の量が相対的に少ない部分を減らすことができるので、水流路１１を流れる水が凍結することを抑制できる。

本実施形態のように下側から上側に向けて水が流れる水流路を有する熱交換器１では、端部に位置する水流路１１の下流領域での凍結を効果的に抑制できる。また、本実施形態の熱交換器１は、冷媒温度が非常に低くなることがある蒸発器として使用する場合及びデフロスト運転を行う場合に、特に有効である。

このように、熱交換器１は、分配部５０により偏流を抑制できるので、凍結による水流路１１の閉塞を抑制できる。凍結耐力を向上することができるので、熱交換器１の損傷を低減することができる。したがって、本実施形態の熱交換器１は、水流路１１の細径化に対応できる。

（４）変形例
（４−１）変形例１
上述した実施形態では、冷房運転、暖房運転及びデフロスト運転が可能なマイクロチャネル熱交換器を例に挙げて説明したが、これに限定されない。本開示の熱交換器は、熱交換を行う媒体として水を使用する熱交換器全般に用いることができる。本変形例では、熱交換器はチラーに用いられる。

（４−２）変形例２
上述した実施形態では、図６に示すように、分散された貫通穴５１を有する分配部５０を例に挙げて説明したが、これに限定されない。なお、図６及び図７は、熱交換器１内の分配部５０の配置を示す模式図である。本変形例では、図７及び図８に示すように、分配部５０において、対向部５２には貫通穴５１がなく、非対向部５３にのみ貫通穴５１があってもよい。

また、貫通穴５１の形状は、特に限定されず、入水口の位置、水流路の形状等に応じて、適宜選択される。本変形例の貫通穴５１は、矩形状である。

（４−３）変形例３
上述した実施形態では、分配部５０は、水が流れる方向に対して直交する面を有しているが、交差する面を有していてもよい。交差する面は、平坦面であってもよく、曲面であってもよい。本変形例では、図９に示すように、分配部５０は、水が流れる方向に対して傾斜する面を有する板状部材である。詳細には、分配部５０は、中央から端部に向けて上方に傾斜するＶ字状の板状部材である。

（４−４）変形例４
上述した実施形態では、分配部５０は１枚の板状部材であったが、複数枚の板状部材であってもよい。複数の板状部材は、互いに平行に延びるように配置されてもよく、非平行に延びるように配置されてもよい。

（４−５）変形例５
上述した実施形態では、分配部５０は、板状部材であったが、特に限定されない。本変形例の分配部５０は、上流空間２１を区画する部材から上流空間２１に向けて突出する複数の突起部が設けられている。突起部には、貫通穴が形成されている。この場合、上流空間２１を区画する部材と突起部とは、一体であってもよい。

（４−６）変形例６
上述した実施形態では、水と熱交換する流体として、冷媒を例に挙げて説明したが、流体は特に限定されない。本変形例の流体は、ＣＯ_２などの熱媒体である。

＜付記＞
以上、本開示の実施形態を説明したが、特許請求の範囲に記載された本開示の趣旨及び範囲から逸脱することなく、形態や詳細の多様な変更が可能なことが理解されるであろう。

１ ：熱交換器
２ ：ケーシング
３ ：水導入管
４ ：水導出管
５ ：流体導入管
６ ：流体導出管
７ ：第１層
８ ：第２層
１０ ：伝熱部
１１ ：水流路
１２ ：流体流路
２０ ：上流部
２１ ：上流空間
２２ ：入水口
４０ ：ヘッダ部
４１ ：ヘッダ空間
４１ａ ：第１面
４１ｂ ：第２面
５０ ：分配部
５１ ：貫通穴
５２ ：対向部
５３ ：非対向部
Ｒ ：対向領域

特開２０１０−１１７１０２号公報

Claims (8)

1. 流体によって水を加熱または冷却する熱交換器であって、
   流体が流れる複数の流体流路（１２）と、水が流れる複数の水流路（１１）とが隣接する伝熱部（１０）と、
   前記複数の水流路の上流側の上流空間（２１）を形成する上流部（２０）と、
   前記上流空間に配置され、入水口（２２）から前記上流空間に流入する水を前記複数の水流路に分配する分配部（５０）と、
   を備える、熱交換器。
2. 前記分配部は、板状部材である、請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記複数の水流路の少なくとも一部は、前記入水口と対向する対向領域（Ｒ）を有し、
   前記対向領域と前記入水口との間に、前記板状部材が配置される、請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記板状部材は、貫通穴（５１）を有する、請求項２または３に記載の熱交換器。
5. 前記複数の水流路と前記入水口との間に、前記板状部材が配置され、
   前記板状部材は、前記入水口と対向する対向部（５２）と、前記入水口と対向しない非対向部（５３）と、を有し、
   前記対向部に位置する前記貫通穴は、前記非対向部に位置する前記貫通穴よりも小さい、請求項４に記載の熱交換器。
6. 前記入水口から流入した水を前記複数の水流路に分流するためのヘッダ空間（４１）を形成するヘッダ部（４０）をさらに備え、
   前記分配部は、前記ヘッダ空間に配置される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱交換器。
7. 前記分配部は、板状部材であり、
   前記複数の水流路の少なくとも一部は、前記入水口と対向し、
   前記複数の水流路と前記入水口との間に、前記板状部材が配置され、
   前記ヘッダ空間において、前記入水口が形成されている第１面（４１ａ）と、前記複数の水流路の入口が形成されている第２面（４１ｂ）との距離（Ｌ１）に対する、前記第１面と前記板状部材との距離（Ｌ２）の比（Ｌ２／Ｌ１）は、０．２以上０．８以下である、請求項６に記載の熱交換器。
8. 前記複数の水流路の幅（Ｗ１１）は、１ｍｍ以下である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の熱交換器。

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