JP2022006813A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトかつ高効率で熱交換を行うことが可能な熱交換器を提供すること。
【解決手段】同一形状に形成された第１螺旋板１６と第２螺旋板１８が軸体１２の外周面に軸体１２の軸線方向に所要間隔をあけて取り付けられた螺旋板体１０が筒体２０の内部空間に収容されていると共に、内部空間が第１螺旋空間３２と第２螺旋空間３４に区分されていて、第１螺旋空間３２の両端部には第１螺旋空間３２に第１流体を供給する第１流体供給口４２と第１螺旋空間３２から第１流体を排出する第１流体排出口５２が設けられ、第２螺旋空間３４の両端部には第２螺旋空間３４に第２流体を供給する第２流体供給口４４と第２螺旋空間３４から第２流体を排出する第２流体排出口５４が設けられていることを特徴とする熱交換器１００である。
【選択図】図３

Description

本発明は熱交換器に関する。

熱媒体どうしを非接触状態で流通させることにより熱交換を行う熱交換器は公知である。このような熱交換器としては例えば特許文献１（特開２０１８－８９６８１号公報）に開示されているような構造が知られている。

特開２０１８－８９６８１号公報（請求項４、図１等）

特許文献１に開示されているような二重管構造の熱交換器を含めた熱交換器全般において熱交換を行う際の効率を高めるためには、熱交換器を大型化する必要や流体を流通させる際のエネルギーが大量に必要になる。そこで、コンパクトかつ低エネルギーで効率よく熱交換することが可能な熱交換器の提案が強く望まれている。

そこで本発明は、コンパクトかつ低エネルギーで効率よく熱交換することが可能な熱交換器の提供を目的としている。

上記課題を解決すべく発明者は以下の構成に想到した。すなわち本発明は、同一形状に形成された第１螺旋板と第２螺旋板が軸体の外周面に前記軸体の軸線の延長方向に所要間隔をあけて取り付けられた螺旋板体が筒体の内部空間に収容されていると共に、前記筒体の内部空間が、前記筒体の内周面と前記軸体の外表面と前記第１螺旋板の第１面と前記第２螺旋板の第２面とにより形成される第１螺旋空間と、前記筒体の内周面と前記軸体の前記外表面と前記第１螺旋板の前記第２面と前記第２螺旋板の前記第１面とにより形成される第２螺旋空間に区分されていて、前記第１螺旋空間の前記軸線の延長方向における両端部には、前記第１螺旋空間に第１流体を供給する第１流体供給口と、前記第１螺旋空間から前記第１流体を排出する第１流体排出口が設けられ、前記第２螺旋空間の前記軸線の延長方向における両端部には、前記第２螺旋空間に第２流体を供給する第２流体供給口と、前記第２螺旋空間から前記第２流体を排出する第２流体排出口が設けられていることを特徴とする熱交換器である。

これにより、コンパクトかつ低エネルギーで効率よく熱交換することが可能な熱交換器を提供することができる。

また、前記第１螺旋板の外周縁および前記第２螺旋板の前記外周縁と前記筒体の内周面が密着していることが好ましい。さらには、前記螺旋板体と前記筒体が一体形成されていることが好ましい。

これらにより、第１螺旋空間と第２螺旋空間を流通する第１流体と第２流体の混合が確実に防止され、コンパクトかつ低エネルギーで高効率の熱交換器の信頼性を向上させることができる。

また、前記第１螺旋空間の前記第１流体の流れ方向における幅寸法と、前記第２螺旋空間の前記第２流体の流れ方向における幅寸法が異なっていることが好ましい。

これにより、第１螺旋区間を流通する第１流体と第２螺旋空間を流通する第２流体との熱交換をさらに効率的に行うことができる。

また、第１螺旋板と第２螺旋板は、前記軸体の前記軸線に対して所要角度傾斜させた状態で取り付けられていることが好ましい。

これにより、熱交換器を三次元プリンタで製造する際において、第１螺旋板および第２螺旋板をサポートするためのサポート部材が不要になり、三次元プリンタによる熱交換器の製造が容易になる。

また、前記軸体と前記筒体の間には、前記第１螺旋空間および前記第２螺旋空間を径方向に仕切る仕切体が前記筒体の周方向に所要間隔をあけて複数配設されていることが好ましく、前記仕切体は前記軸体の中心軸に正対視した際において、前記筒体の内周面と平行な円弧形に形成されていることがより好ましい。

これにより、熱交換器に流入させた熱媒体を遠心力によって外周面部分と内周面部分に分離させることができる。仕切体は周方向に連続していないので、熱交換器の内部において熱媒体を分離させても適宜混合させることができるので、効率的な熱交換を行うことができる。また、熱交換器を三次元プリンタで製造する際において、第１螺旋板および第２螺旋板をサポートするためのサポート部材としても用いることができる。

本発明における熱交換器の構成によれば、筒体の内部空間に螺旋板体を収容した本体部の内部空間における第１螺旋空間と第２螺旋空間との接触面積を増大させることができるため、コンパクトかつ低エネルギーでありながらも高効率で第１流体と第２流体との熱交換を行うことができる。

第１実施形態における熱交換器の斜視図である。 第１実施形態における熱交換器の正面図である。 図２中のＩＩＩ－ＩＩＩ線における断面図である。 図３中のＩＶ部分の拡大図である。 図３中のＶ部分の拡大図である。 第２実施形態における熱交換器の斜視図である。 第２実施形態における熱交換器の一部透視正面図である。 第２実施形態における熱交換器の内部構造を示す平面図である。 第２実施形態における熱交換器の内部構造を示す側面図である。 図７中のＸ－Ｘ線における断面図（Ａ）と、破線の円で囲った部分の拡大図（Ｂ）である。

（第１実施形態）
本実施形態における熱交換器１００は、図１～図３に示すように、螺旋板体１０と螺旋板体１０を収容する筒体２０を有する本体部３０と、本体部３０（筒体２０）の両端部に配設された流体供給口４０および流体排出口５０を具備している。本実施形態における流体供給口４０および流体排出口５０は、それぞれ複数配設されている。

図３からも明らかなように、本実施形態における螺旋板体１０は、棒状に形成された軸体１２と軸体１２の外周面に取り付けられた第１螺旋板１６と第２螺旋板１８を有している。第１螺旋板１６と第２螺旋板１８は同一形状に形成されていて、軸体１２の中心軸である軸線１４の延長方向（軸体１２の軸線方向）に所要間隔をあけて取り付けられている。

本実施形態における筒体２０は円形断面を有する筒状をなし、筒体２０と、筒体２０の内部空間に収容された螺旋板体１０とにより本体部３０が形成されている。本実施形態においては、三次元プリンタを用いて第１螺旋板１６の外周縁と第２螺旋板１８の外周縁を筒体２０の内周面に密着させ、螺旋板体１０と筒体２０とを一体形成している。本実施形態における本体部３０は、少なくとも第１螺旋板１６および第２螺旋板１８を銅により形成しているが、アルミニウムやステンレススチールを用いて形成することもできる。なお、本実施形態における銅、アルミニウム、ステンレススチールは、純銅、純アルミニウムであることはもちろんのこと、各種の公知の合金を含む概念である。

本実施形態における本体部３０の内部には、軸体１２の外表面と第１螺旋板１６の第１面１６Ａと第２螺旋板１８の第２面１８Ｂと筒体２０の内周面とにより第１螺旋空間３２が形成されている。ここで、第１面とは本体部３０の第１端部３０Ａの側における面であり、第２面とは本体部３０の第２端部３０Ｂの側における面である。また本体部３０の内部には、軸体１２の外表面と第１螺旋板１６の第２面１６Ｂと第２螺旋板１８の第１面１８Ａと筒体２０の内周面とにより形成された第２螺旋空間３４が形成されている。図１および図２からも明らかなように、第１螺旋空間３２と第２螺旋空間３４の両端部（本体部３０の第１端部３０Ａおよび第２端部３０Ｂ）にはそれぞれ閉塞板３６が取り付けられている。このように本体部３０の内部空間には、２つの異なる螺旋空間がそれぞれ独立かつ隣接した状態で形成されることになる。

本実施形態における流体供給口４０は、図２～図４に示すように、第１流体を第１螺旋空間３２に供給するための第１流体供給口４２と第２流体を第２螺旋空間３４に供給するための第２流体供給口４４を有している。第１流体供給口４２は第１螺旋空間３２の長さ方向（軸線１４の延長方向）における両端部に設けられていて、第２流体供給口４４は第２螺旋空間３４の長さ方向（軸線１４の延長方向）における両端部にそれぞれ設けられている。第１流体供給口４２および第２流体供給口４４の一方の端部は、いずれも図示しない流体供給ポンプに接続されている。

第１流体供給口４２は本体部３０の第１端部３０Ａの側における第１螺旋板１６の第１面１６Ａを貫通させることで流体供給ポンプと第１螺旋空間３２とを連通させている。また、第２流体供給口４４は、本体部３０の第１端部３０Ａの側の最初の第１螺旋空間３２と第１螺旋板１６を貫通させることで流体供給ポンプと第２螺旋空間３４とを連通させている。図２～図４からも明らかなように、本実施形態における第１流体供給口４２は、第２流体供給口４４よりも大径寸法に形成されていると共に、第２流体供給口４４と同一軸線上に配設され、かつ、軸体１２の軸線１４と平行に設けられている。

なお、図示はしないが、第１流体供給口４２に連通する第１螺旋空間３２には、第１流体供給口４２から供給される第１流体を第１螺旋空間３２の内部で整流させるために、螺旋形状に形成された供給口側整流板を配設することもできる。また、同様に図示はしないが、第２流体供給口４４に連通する第２螺旋空間３４には、第２流体供給口４４から供給される第２流体を第２螺旋空間３４の内部で整流させるために、螺旋形状に形成された供給口側整流板を配設することもできる。

また、本実施形態における流体排出口５０は、図２、図３、図５に示すように、第１螺旋空間３２から第１流体を排出するための第１流体排出口５２と第２螺旋空間３４から第２流体を排出するための第２流体排出口５４を有している。第１流体排出口５２は第１螺旋空間３２の長さ方向（軸線１４の延長方向）における両端部に設けられていて、第２流体排出口５４は第２螺旋空間３４の長さ方向（軸線１４の延長方向）における両端部にそれぞれ設けられている。第１流体排出口５２および第２流体排出口５４の一方の端部は、いずれも図示しない流体排出ポンプに接続することもできる。流体排出口５０と流体供給口４０とは図示しない熱交換部またはコンプレッサもしくはエバポレータを介して循環する循環路に形成することもできる。

第１流体排出口５２は、図３および図５から明らかなように、本体部３０の第２端部３０Ｂの側の最後の第２螺旋空間３４および第２螺旋板１８を貫通するようにして第１螺旋空間３２と外部空間とを連通させている。本実施形態における第１流体排出口５２は、第２流体排出口５４よりも大径寸法に形成されていると共に、第１流体排出口５２と第２流体排出口５４はいずれも軸体１２の軸線１４と平行に設けられている。

なお、図示はしないが、第１螺旋空間３２における第１流体排出口５２との連通部分には、第１流体排出口５２への第１流体の流れを誘導するために、螺旋形状に形成された排出口側整流板を配設することもできる。また、同様に図示はしないが、第２螺旋空間３４における第２流体排出口５４との連通部分には、第２流体排出口５４への第２流体の流れを誘導するために、螺旋形状に形成された排出口側整流板を配設することもできる。

本実施形態における熱交換器１００は、螺旋板体１０と筒体２０とを３次元プリンタにより一体形成した本体部３０の構成を採用しているため、熱交換を行う流体が相変化を伴う場合においても十分な強度を有している。よって、シリーズ方式の冷凍機におけるカスケードコンデンサ等への適用が特に好適である。もちろん、熱交換を行う流体に相変化を伴わない熱交換器１００においても適用は可能である。

次に本実施形態における熱交換器１００における流体の熱交換機構について説明する。本実施形態においては、第１螺旋空間３２の流路断面積が第２螺旋空間３４の流路断面積よりも小さいため、第１螺旋空間３２に供給される第１流体は第２螺旋空間３４に供給される第２流体よりも体積の大きい流体が用いられる。なお、第１螺旋空間３２における流路断面積と第２螺旋空間３４における流路断面積との比率は、第１流体と第２流体の組み合わせに応じて、第１螺旋板１６と第２螺旋板１８の軸線１４方向における離間距離を予め調整することにより適宜比率に調整されている。

第１流体は図示しない流体供給ポンプにより第１流体供給口４２から第１螺旋空間３２に供給され、第１螺旋空間３２に沿って移動した後に第１流体排出口５２から排出される。これと同様に第２流体は図示しない流体供給ポンプにより第２流体供給口４４から第２螺旋空間３４に供給され、第２螺旋空間３４に沿って移動した後に第２流体排出口５４から排出される。このとき、第１螺旋空間３２を流通する第１流体と第２螺旋空間３４を流通する第２流体は、第１螺旋板１６と第２螺旋板１８を介して熱交換されることになる。本実施形態における熱交換器１００は、第１螺旋空間３２および第２螺旋空間３４において第１流体と第２流体との熱交換が行われる部分である第１螺旋板１６および第２螺旋板１８の表面積をきわめて大きくすることができる。これにより従来技術に比較してコンパクトで省エネルギーでの運用が可能な熱交換器１００でありながらも、高効率で熱交換することができる。

第１螺旋空間３２から排出された第１流体と第２螺旋空間３４から排出された第２流体は、少なくとも一方が図示しない熱交換部またはコンプレッサもしくはエバポレータを介して温度調整された後に再度熱交換器１００に還流させることができる。

このように本実施形態における熱交換器１００によれば、コンパクトで省エネルギーありながらも第１螺旋空間３２と第２螺旋空間３４の間で高効率での熱交換が可能である。このような熱交換器１００を採用することにより、熱交換を行う流体として二酸化炭素に代表される自然冷媒を用いた場合であっても必要にして十分な熱交換を行うことができる点において好都合である。

（第２実施形態）
次に第２実施形態における熱交換器１００について図６～図１０を参照しながら説明する。本実施形態における熱交換器１００は、螺旋板体１０と螺旋板体１０を収容する筒体２０を有する本体部３０と、本体部３０（筒体２０）の両端部に配設された流体供給口４０および流体排出口５０を具備する点で基本的構成が共通している。よって本実施形態の熱交換器１００の構成において第１実施形態と共通するものについては、第１実施形態で用いた符号を付すことによりここでの詳細な説明を省略している。なお、本実施形態における熱交換器１００は、第１実施形態における熱交換器１００と比較して３つの相違点を有している。

第１の相違点は、図６～図９に示すように、第１流体供給口４２および第２流体供給口４４と、第１流体排出口５２および第２流体排出口５４が軸体１２の軸線１４に対して直交する方向に連結されている点である。これにより、第１螺旋空間３２および第２螺旋空間３４に対する第１流体供給口４２および第２流体供給口４４と、第１流体排出口５２および第２流体排出口５４の配設構造を単純にすることができる。また、第１螺旋空間３２および第２螺旋空間３４に対して熱媒体をそれぞれの螺旋方向に沿って供給および排出することもでき、供給口側整流板や排出口側整流板の配設を省略することができる。このように本実施形態における熱交換器１００の構造は、第１実施形態の熱交換器１００の構造に比較して単純化することができる。

第２の相違点は、図７～図１０に示されているように、第１螺旋板１６と第２螺旋板１８がいずれも軸体１２の軸線１４に対して所要角度傾斜させた状態で軸体１２の外周面に取り付けられている点である。本実施形態においては、第１螺旋板１６と第２螺旋板１８がいずれも軸体１２の軸線１４に対する傾斜角度を４５度としている。なお、軸線１４に対する第１螺旋板１６と第２螺旋板１８の傾斜角度は４５度に限定されるものではなく、熱交換器１００を製造する際の材料などの条件に応じて適宜変更することができる。これにより熱交換器１００を３次元プリンタで形成する際に、第１螺旋板１６と第２螺旋板１８をサポートするためのサポート部材の使用を省略することができ、製造が容易になる点で好都合である。

第３の相違点は、図７と図８に示されているように、軸体１２の外周面と筒体２０の内周面との間において、第１螺旋空間３２と第２螺旋空間３４とを筒体２０の径方向に仕切る仕切体３８が配設されている点である。本実施形態においては、軸体１２の軸線１４を正対視した際に筒体２０の内周面に平行な円弧形をなす２つの仕切体３８が周方向に所要間隔をあけて配設されている。これらの仕切体３８は図８と図９に示すように、筒体２０の長さ方向の全範囲にわたって配設されているが、筒体２０の周方向に所要間隔をあけて３つ以上の仕切体３８を配設することもできる。本実施形態における仕切体３８は第１螺旋板１６および第２螺旋板１８と同じ材料により形成されているが、仕切体３８を形成する材料は特に限定されるものではない。

このような仕切体３８を筒体２０の内部空間に配設することにより、第１螺旋空間３２と第２螺旋空間３４に流通させる熱媒体を遠心力の作用により内側通路と外側通路に分離させることができ、熱交換性能を向上させることもできる。先にも説明したように本実施形態における仕切体３８は周方向に所要間隔をあけて配設されているので、熱媒体が内側通路と外側通路に分岐しても、仕切体３８の配設が途切れている合流部分３９で合流するため、熱媒体が分離したままになってしまうことはない。さらに仕切体３８は、第１螺旋板１６と第２螺旋板１８とを軸体１２の軸線１４に対して所要角度傾斜させて取り付けした際におけるサポート部材としても使用することができる。

以上に説明した本実施形態に基づいて本発明の説明をしたが、本発明の技術的範囲は本実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態においては、第１螺旋板１６の外周縁および第２螺旋板１８の外周縁が筒体２０の内周面に密着するよう一体形成されているが、この形態に限定されるものではない。筒体２０の内径寸法を螺旋板体１０の外形寸法よりも大径に形成することもできる。このような筒体２０の形態を採用した場合には、第１螺旋板１６の外周縁および第２螺旋板１８の外周縁と筒体２０の内周面とをロウ付けして密着させることもできる。また、第１螺旋板１６の外周縁および第２螺旋板１８の外周縁のそれぞれに図示しないシール部を設け、シール部を筒体２０の内周面に当接させた形態を採用することもできる。

また、以上の実施形態においては、第１螺旋空間３２を流通する第１流体と第２螺旋空間３４を流通する第２流体の流れ方向が同一方向である形態について説明しているが、この形態に限定されるものではない。第１螺旋空間３２における第１流体の流れ方向と第２螺旋空間３４における第２流体の流れ方向を逆向きにすることもできる。この形態を採用した場合には、図１において第１流体供給口４２と第１流体排出口５２の配設位置が入れ替えられた形態、または、図１において第２流体供給口４４と第２流体排出口５４の配設位置が入れ替えられた形態になる。

また、本実施形態においては、第１螺旋空間３２の第１流体の流れ方向における幅寸法と、第２螺旋空間３４の第２流体の流れ方向における幅寸法が異なっている形態について説明しているが、この形態に限定されるものではない。第１螺旋空間３２の第１流体の流れ方向における幅寸法と、第２螺旋空間３４の第２流体の流れ方向における幅寸法とを等しくした形態を採用することもできる。

また、以上の実施形態においては、軸体１２に対する第１螺旋板１６と第２螺旋板１８の取り付け角度が同一角度である形態について説明しているが、軸体１２に対する第１螺旋板１６と第２螺旋板１８の取り付け角度を異ならせた形態を採用することもできる。

また、仕切体３８は軸体１２の軸線１４を正対視した際において筒体２０の内周面に平行な円弧形をなしているがこの形態に限定されるものではない。仕切体３８は第１螺旋空間３２および第２螺旋空間３４を周方向の所要範囲において径方向に仕切ることができればよく、軸体１２の軸線１４を正対視した際において直線的な形状に形成することもできる。

さらには、以上に説明した本実施形態の構成に対し、明細書中に記載されている変形例や、他の公知の構成を適宜組み合わせた形態を採用することもできる。

１０ 螺旋板体
１２ 軸体
１４ 軸線
１６ 第１螺旋板
１６Ａ，１８Ａ 第１面
１６Ｂ，１８Ｂ 第２面
１８ 第２螺旋板
２０ 筒体
３０ 本体部
３２ 第１螺旋空間
３４ 第２螺旋空間
３６ 閉塞板
３８ 仕切体
３９ 合流部分
４０ 流体供給口
４２ 第１流体供給口
４４ 第２流体供給口
５０ 流体排出口
５２ 第１流体排出口
５４ 第２流体排出口
１００ 熱交換器

Claims (7)

1. 同一形状に形成された第１螺旋板と第２螺旋板が軸体の外周面に前記軸体の軸線の延長方向に所要間隔をあけて取り付けられた螺旋板体が筒体の内部空間に収容されていると共に、前記筒体の内部空間が、前記筒体の内周面と前記軸体の外表面と前記第１螺旋板の第１面と前記第２螺旋板の第２面とにより形成される第１螺旋空間と、前記筒体の内周面と前記軸体の前記外表面と前記第１螺旋板の前記第２面と前記第２螺旋板の前記第１面とにより形成される第２螺旋空間に区分されていて、
   前記第１螺旋空間の前記軸線の延長方向における両端部には、前記第１螺旋空間に第１流体を供給する第１流体供給口と、前記第１螺旋空間から前記第１流体を排出する第１流体排出口が設けられ、
   前記第２螺旋空間の前記軸線の延長方向における両端部には、前記第２螺旋空間に第２流体を供給する第２流体供給口と、前記第２螺旋空間から前記第２流体を排出する第２流体排出口が設けられていることを特徴とする熱交換器。
2. 前記第１螺旋板の外周縁および前記第２螺旋板の前記外周縁と前記筒体の内周面が密着していることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
3. 前記螺旋板体と前記筒体が一体形成されていることを特徴とする請求項２記載の熱交換器。
4. 前記第１螺旋空間の前記第１流体の流れ方向における幅寸法と、前記第２螺旋空間の前記第２流体の流れ方向における幅寸法が異なっていることを特徴とする請求項１～３のうちのいずれか一項に記載の熱交換器。
5. 第１螺旋板と第２螺旋板は、前記軸体の前記軸線に対して所要角度傾斜させた状態で取り付けられていることを特徴とする請求項１～４のうちのいずれか一項に記載の熱交換器。
6. 前記軸体と前記筒体の間には、前記第１螺旋空間および前記第２螺旋空間を径方向に仕切る仕切体が前記筒体の周方向に所要間隔をあけて複数配設されていることを特徴とする請求項１～５のうちのいずれか一項に記載の熱交換器。
7. 前記仕切体は前記軸体の中心軸に正対視した際において、前記筒体の内周面と平行な円弧形に形成されていることを特徴とする請求項６記載の熱交換器。

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