JP2024010567A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】生産性が高く、効率的に熱交換が可能な熱交換室を有する熱交換器を提供することにある。【解決手段】熱交換器１は、アウターケース２の内部に、一次流路を流通する一次流体と、一次流路と直交する二次流路を流通する二次流体との間で熱交換を行うための熱交換室３が設けられ、一次流路は、両端が熱交換室３の対向する一対の壁を貫通するように設けられ、複数の貫通孔５が直線状に並設された平板状の多穴管４により形成され、二次流路は、多穴管４が、厚み方向に所定距離をおいて複数並設されて形成され、多穴管４は、厚み方向に貫通孔５が所定数ずつ交互にずれることで、厚み方向の両面に段差が形成され、段差が、二次流路における所定距離の５０％以下であり、二次流路は、同形状の多穴管４が、厚み方向に所定距離を置いて複数並設されることで形成される。【選択図】図５

Description

本発明は、発熱する機器を収容した物体の内部を冷却するための熱交換器に関する。

例えば、制御盤のように、内部に電源や制御回路といった稼働に発熱を伴う機器を収容した物体では、内部雰囲気と外部雰囲気との間で熱交換を行い、物体の内部の冷却を図るために、熱交換器を搭載することがある。従来より、この種の熱交換器として、隔板式熱交換器やヒートパイプ式熱交換器が知られている。そのような中、出願人は、ヒートパイプ式熱交換器を採用して、入口と出口を設けた筒部と、両端が筒部の異なる壁面を気密に貫通するように設けた伝熱性の高い材料からなる多数の管とを設け、これら管の内側と管の外側であって筒部の内側のうちのいずれか一方に筐体内部の気体を循環させるとともに他方に外気を流通させるようにした冷却装置を開示している（特許文献１）。

特開２００３－３７３８４号公報

しかし、特許文献１に記載の冷却装置は、製造に際し、多数の管を１本１本組み付ける必要があるため、生産性の悪さが課題であった。

そこで、本発明の目的は、生産性が高く、効率的に熱交換が可能な熱交換室を有する熱交換器を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、アウターケースの内部に、一次流路を流通する一次流体と、一次流路と直交する二次流路を流通する二次流体との間で熱交換を行うための熱交換室が設けられた熱交換器であって、一次流路は、両端が熱交換室の対向する一対の壁を貫通するように設けられ、複数の貫通孔が直線状に並設された平板状の多穴管により形成され、二次流路は、多穴管が、厚み方向に所定距離をおいて複数並設されて形成され、多穴管は、貫通孔が厚み方向に所定数ずつずれることで、厚み方向の両面に段差が形成され、段差が、二次流路における所定距離の５０％以下であることを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、上記構成において、多穴管は、貫通孔が厚み方向に所定数ずつ交互にずれることで、厚み方向の両面に段差が形成され、二次流路は、同形状の多穴管が、厚み方向に所定距離を置いて複数並設されることで形成されることを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、上記構成において、２つの多穴管を備える解析モデルにおいて、一次流体における、熱交換室に流入する際の温度を一次流体入口温度とし、熱交換室から流出する際の温度を一次流体出口温度とし、二次流体における、熱交換室に流入する際の温度を二次流体入口温度として、（一次流体入口温度－一次流体出口温度）／（一次流体入口温度－二次流体入口温度）×１００の計算式により算出される冷却効率の値が、１．２４以上であることを特徴とする。

本発明によれば、従来の熱交換器において用いられていた多数の管に代わり、平板状の多穴管を用いることで、部品点数を低減できるため、製造の際、組み付けにかかる工数を低減することができ、生産性を向上できる。また、貫通孔を所定数ずつずらし、多穴管の外側に段差をつけることで、二次流体の渦流れや多穴管の外面への付着・剥離が生じさせて熱伝達性を向上させられるため、効率的な熱交換が可能となる。

本発明の熱交換器の外観を示す説明図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は斜視図である。 図１（ａ）におけるＡ－Ａ線断面図である。 図１（ｂ）におけるＢ－Ｂ線断面図である。 解析モデルを示す説明図である。 解析モデルにおける各寸法の名称を示す説明図である。 ファンモータ特性とシステムインピーダンスをまとめたグラフである。 各種条件及び計算結果をまとめた表である。

以下、本発明の熱交換器の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の熱交換器の外観を示す説明図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は斜視図である。図２は、図１（ａ）におけるＡ－Ａ線断面図である。図３は、図１（ｂ）におけるＢ－Ｂ線断面図である。なお、説明の簡単のため、以下、図１（ａ）における紙面側を前、紙面左側を左、紙面右側を右、紙面上側を上、紙面下側を下として説明する。
本発明の熱交換器１は、図１（ａ）～（ｃ）に示すように、アウターケース２の内部に熱交換室３が設けられ、熱交換室３には、複数の多穴管４が備えられている。また、多穴管４は、図２及び３に示すように、平板状に形成され、両端が熱交換室３の上下の壁を貫通するように設けられる。さらに、多穴管４は、左右に延びる直線状に並設された複数の平行な貫通孔５を有している。また、多穴管４は、図３に示すように、厚み方向に所定距離をおいて、隣り合う多穴管４同士の貫通孔５が平行になるよう前後に複数並設されている。多穴管４に設けられた貫通孔５が、本発明における一次流路である。また、隣り合う多穴管４同士の間、及びアウターケース２の内面と多穴管４との間が、本発明における二次流路である。

アウターケース２の上面であって、熱交換室３の直上には、熱交換室３側、すなわち、多穴管４の貫通孔５へ一次流体を誘導する一次ファン６が設けられている。アウターケース２の右側には、二次流体導入孔７が設けられ、左側には二次流体排出孔８が設けられている。また、二次流体導入孔７の内部であって、熱交換室３の右側には、二次流体としての二次流体を二次流路へ誘導する二次ファン９が設けられている。なお、アウターケース２の下面であって、熱交換室３の直下には、熱交換室の下壁を貫通した多穴管４の一端が露出し、貫通孔５が外部と連通している。一次ファン６と二次ファン９とを上述のような配置とすることで、熱交換室３において、一次流体と二次流体とが、直交する方向へ流通する。

本発明の熱交換器１は、電源や制御回路といった稼働に発熱を伴う装置を内部に収容する物体、例えば制御盤に対し、一次ファン６、及び外部と連通した側の貫通孔５の一端が、制御盤内部に配置され、二次流体導入孔７、及び二次流体排出孔８が、制御盤外部に配置されるように取り付けられる。そして、収容された装置の稼働により加熱された制御盤内部の空気、つまり内気を一次流体として、熱交換室３において、一次流体と二次流体との熱交換を行い、冷却された内気を制御盤内へ排出することで、制御盤内の温度上昇を抑えるために用いられる。また、熱交換器１は、従来の熱交換器において用いられていた多数の管に代わり、平板状の多穴管４を用いることで、部品点数を低減できるため、製造の際、組み付けにかかる工数を低減することができ、生産性を向上できる。

続いて、解析モデルを用いた予測解析を行い、一次流体と二次流体との間の効率的な熱交換を実現するために最適な多穴管４の形状の検討について説明する。
図４は、解析モデルを示す説明図である。図５は、解析モデルにおける各寸法の名称を示す説明図である。図６は、ファン特性とシステムインピーダンスをまとめたグラフである。図７は、各種条件及び計算結果をまとめた表である。
多穴管４の形状について、効率的な熱交換を行うため、つまり熱伝達性を向上させる目的で、二次流体の渦流れや多穴管４の外面への付着・剥離が生じるように、厚み方向に貫通孔５を所定数ずつ交互にずらし、多穴管４の外側両面に段差をつけることを検討した。また、解析モデル３ａは、図４に示すように、２つの多穴管４と、それらにより形成される二次流路１０を備える。解析モデル３ａにおいて、二次流路１０は、多穴管４同士の間に延びる１本の通路とされた。
解析では、各種条件を解析モデル３ａに当てはめ、後述する冷却効率の値を算出し、算出された値の比較を行うことで、一次流体と二次流体との間の効率的な熱交換を実現するために最適な多穴管４の形状を求めた。

解析では、解析モデル３ａに対し、以下に示す各寸法を設定した。図示された寸法のうち、多穴管高さ８ｍｍ、多穴管幅１００ｍｍ、多穴管ピッチ１６ｍｍ、二次流路高さ８ｍｍ、多穴管厚さ０．８ｍｍ、貫通孔幅３．２ｍｍが固定値として設定された。また、１つの多穴管４に対し、固定値に加え、それぞれ異なる段差高さ及び段差幅が形成された多穴管４を有する実施例１～１１及び比較例を設定した。

実施例１～１１及び比較例において設定される多穴管４の段差幅及び段差高さは以下の通りである（図７）。
実施例１の多穴管４は、段差幅が６．４ｍｍとされ、段差高さが０．８ｍｍとされた。
実施例２の多穴管４は、段差幅が６．４ｍｍとされ、段差高さが２．４ｍｍとされた。
実施例３の多穴管４は、段差幅が６．４ｍｍとされ、段差高さが４．０ｍｍとされた。
実施例４の多穴管４は、段差幅が９．６ｍｍとされ、段差高さが０．４ｍｍとされた。
実施例５の多穴管４は、段差幅が９．６ｍｍとされ、段差高さが０．８ｍｍとされた。
実施例６の多穴管４は、段差幅が９．６ｍｍとされ、段差高さが１．６ｍｍとされた。
実施例７の多穴管４は、段差幅が９．６ｍｍとされ、段差高さが２．４ｍｍとされた。
実施例８の多穴管４は、段差幅が９．６ｍｍとされ、段差高さが４．０ｍｍとされた。
実施例９の多穴管４は、段差幅が１２．８ｍｍとされ、段差高さが０．８ｍｍとされた。
実施例１０の多穴管４は、段差幅が１２．８ｍｍとされ、段差高さが２．４ｍｍとされた。
実施例１１の多穴管４は、段差幅が１２．８ｍｍとされ、段差高さが４．０ｍｍとされた。
比較例の多穴管４は、両面に段差がない平板状、すなわち段差幅及び段差高さが０ｍｍとされた。

続いて、実施例１～１１及び比較例それぞれにおいて、二次流体の風量を設定するため、まず、図６に示す二次流路１０における静圧と風量との相関（通風抵抗、又はシステムインピーダンス：ＳＩ）を、二次ファン９の風量が１．５ｍ^３／ｍｉｎの場合、及び２．５ｍ^３／ｍｉｎの場合における静圧の値から算出した。
次に、熱交換器１の一次ファン６及び二次ファン９には、広く制御盤の熱交換器に採用されるケーシングのサイズが８０角のファンが用いられることを想定し、そのファン特性（ＰＱ特性）をＳＩのグラフに重畳した。
そして、ＳＩのグラフとＰＱ特性のグラフとのグラフの交点、つまり動作点を求め、動作点における風量を、実施例１～１１及び比較例における二次流体入口風量として設定した（図７）。
そして、一次ファン６の風量が１．５ｍ^３／ｍｉｎであり、実際の熱交換器１が５本の多穴管４を有し、且つ一次ファン６により誘導される一次流体が５本の多穴管４へ理想的に分割される場合を想定し、一次流体入口風量として、０．３ｍ^３／ｍｉｎが設定された。また、一次流体及び二次流体は、それぞれの一次流路出口又は二次流路出口において自然流出すると想定し、各流路出口における圧力が０Ｐａに設定された。

また、一次流路入口における一次流体の温度を一次流体入口温度とし、一次流体入口温度は、５０℃に設定された（図７）。二次流路入口における二次流体の温度を二次流体入口温度とし、二次流体入口温度は、２５℃に設定された（図７）。

上記条件の下、解析モデル３ａを用いた予測解析を行い、一次流路出口における一次流体の温度を一次流体出口温度として、一次流体出口温度を導出した。
そして、設定した一次流体入口温度、二次流体入口温度と、導出された一次流体出口温度とを基に、冷却効率＝（一次流体入口温度－一次流体出口温度）／（一次流体入口温度－二次流体入口温度）×１００の計算式を用いて、各条件における冷却効率を算出した。

検討の結果を図７に示す。多穴管４の段差幅及び段差高さが０ｍｍである比較例では、冷却効率が１．２３％であった。一方、多穴管４の両面に段差を設けた実施例１～１１において冷却効率は、１．７９～１．２４％となり、比較例と比べて、冷却効率の向上が確認された。つまり、貫通孔５を数個ずつずらすことで多穴管４の両面に段差をつけることにより、多穴管４の熱伝達性を向上させる効果があることが分かった。中でも、実施例１０において、最も高い冷却効率１．７９％が算出された。従って、実施例１０に従い、段差幅を１２．８ｍｍ、段差高さを２．４ｍｍとなるように、貫通孔５を３つずつ交互にずらして形成した多穴管４を採用することで、生産性が高く、高い冷却効率を備える熱交換器１が得られる。

上記形態の熱交換器１は、アウターケース２の内部に、一次流路を流通する一次流体と、一次流路と直交する二次流路を流通する二次流体との間で熱交換を行うための熱交換室３が設けられ、一次流路は、両端が熱交換室３の上下の壁を貫通するように設けられ、複数の貫通孔５が直線状に並設された平板状の多穴管４により形成され、二次流路は、多穴管４が、厚み方向に所定距離をおいて複数並設されて形成され、多穴管４は、厚み方向に貫通孔５が所定数ずつ交互にずれることで、厚み方向の両面に段差が形成され、段差が、二次流路における二次流路における所定距離の５０％以下であり、二次流路は、同形状の多穴管４が、厚み方向に所定距離を置いて複数並設されることで形成される。
また、一次流体における、熱交換室３に流入する際の温度を一次流体入口温度とし、熱交換室から流出する際の温度を一次流体出口温度とし、二次流体における、熱交換室に流入する際の温度を二次流体入口温度として、（一次流体入口温度－一次流体出口温度）／（一次流体入口温度－二次流体入口温度）×１００の計算式により算出される冷却効率の値が１．２４以上である。
よって、従来の熱交換器において用いられていた多数の管に代わり、平板状の多穴管４を用いることで、部品点数を低減できるため、製造の際、組み付けにかかる工数を低減することができ、生産性を向上できる。また、貫通孔５を所定数ずつずらし、多穴管４の外側に段差をつけることで、二次流体の渦流れや多穴管４の外面への付着・剥離を生じさせて熱伝達性を向上させられるため、効率的な熱交換が可能となる。

以上は、本発明を図示例に基づいて説明したものであり、その技術範囲はこれに限定されるものではない。例えば、熱交換器の形状は、一次流路と二次流路との間の熱交換によって、発熱する装置が収容された物体内の温度上昇を低減できれば、任意の形状に設計可能である。また、一次流体及び二次流体を熱交換器内へ誘導、及び熱交換器から熱交換器を取り付けた物体の内部又は外部へ誘導することを目的として、誘導流路を熱交換器に取り付ける等しても良い。
また、熱交換器を取り付ける物体は、制御盤に限定されず、内部の温度上昇を抑える必要があるものであれば、任意の取付先を選択可能である。
また、多穴管の段差高さが、多穴管間における所定距離、すなわち二次流路高さの５０％以下であれば、多穴管幅や多穴管高さをはじめとするその他のパラメータは、所望の冷却効率を実現できる範囲で任意に設定可能である。

１・・熱交換器、２・・アウターケース、３・・熱交換室、４・・多穴管、５・・貫通孔。

Claims (3)

1. アウターケースの内部に、一次流路を流通する一次流体と、前記一次流路と直交する二次流路を流通する二次流体との間で熱交換を行うための熱交換室が設けられた熱交換器であって、
   前記一次流路は、両端が前記熱交換室の対向する一対の壁を貫通するように設けられ、複数の貫通孔が直線状に並設された平板状の多穴管により形成され、
   前記二次流路は、前記多穴管が、厚み方向に所定距離をおいて複数並設されて形成され、
   前記多穴管は、厚み方向に前記貫通孔が所定数ずつずれることで、厚み方向の両面に段差が形成され、
   前記段差が、前記二次流路における前記所定距離の５０％以下であることを特徴とする熱交換器。
2. 前記多穴管は、厚み方向に前記貫通孔が所定数ずつ交互にずれることで、厚み方向の両面に段差が形成され、
   前記二次流路は、同形状の前記多穴管が、厚み方向に所定距離を置いて複数並設されることで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。
3. ２つの前記多穴管を備える解析モデルにおいて、前記一次流体における、前記熱交換室に流入する際の温度を一次流体入口温度とし、前記熱交換室から流出する際の温度を一次流体出口温度とし、前記二次流体における、前記熱交換室に流入する際の温度を二次流体入口温度として、（一次流体入口温度－一次流体出口温度）／（一次流体入口温度－二次流体入口温度）×１００の計算式により算出される冷却効率の値が、１．２４以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交換器。

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