JP3932877B2

JP3932877B2 - 熱交換器

Info

Publication number: JP3932877B2
Application number: JP2001373678A
Authority: JP
Inventors: 松本　　聡; 竹司渡辺; 啓次郎國本; 龍太近藤; 敏今林
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-12-07
Filing date: 2001-12-07
Publication date: 2007-06-20
Anticipated expiration: 2021-12-07
Also published as: JP2003172588A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は熱交換器に関し、特に、ヒートポンプを用いて冷水や温水を生成する冷暖房機や給湯機に利用される冷媒水熱交換器のような、異種媒体間の熱移動を行う熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の熱交換器としては、実公平１−２５２４７号公報に開示されているような熱交換器が提案されている。その構成について、図８を参照しながら説明する。
【０００３】
熱交換器５０は、高温高圧の冷媒が流れる第１の伝熱管５１と、低温低圧の水が流れる第２の伝熱管５２とを備え、第１および第２の伝熱管５１および５２をそれぞれ偏平化して密着させ、コイル状に巻回した構成となっている。このとき、第１の伝熱管５１を流れる高温高圧の冷媒は、その上下に位置する第２の伝熱管５２を流れる低温低圧の水と熱交換を行い、この水を加熱することになる。
【０００４】
なお、従来例では、伝熱管として肉厚の比較的薄い管体を使用することにより偏平化を可能とするとともに、この偏平化により管同士が密着する面積すなわち伝熱面積の拡大を図ることにより、熱交換性能を向上させている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の構成では、次のような課題がある。例えば、熱交換器５０を、動作圧力が非常に高い、例えば二酸化炭素冷媒と水との熱交換器として利用する場合、高圧冷媒の流れる第１の伝熱管５１内部に加わる圧力が非常に高くなるため、管体を偏平化する従来のような構成では、十分な耐圧性を確保することが困難となる。また、熱交換器５０は、図８に示すように、第１および第２の伝熱管５１および５２を密着させてコイル状に巻回した構成であり、コイル内部にデッドスペースが形成されるため、熱交換器自身が大きくなり、機器に収納するスペースが多く必要となるという課題があった。
【０００６】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、耐圧性に優れ、コンパクトな熱交換器を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために、本発明の熱交換器は、少なくとも一方の流路体は、片面に凹んだ複数の流路溝を有する平板を互いに突き合わせ、複数の流路を形成してなる第１の流路と、前記流路体の少なくとも片面に設けた第２の流路とを有し、前記第１の流路を流れる熱交換流体Ａが高温高圧の冷媒であり、前記第２の流路を流れる熱交換流体Ｂが低温低圧の水であるとともに、前記第２の流路に連通する入口側流路及び出口側流路を設け、前記出口側流路の高さを、前記入口側流路の高さよりも高く形成したものである。
【０００８】
これによって、耐圧性に優れた流路を構成することが容易になるとともに、このような流路を並列配置して一つの流路体として構成することで、少なくともその一方の面に平坦で広い伝熱面を形成し、薄型の熱交換器を構成することが可能となる。よって、耐圧性に優れ、コンパクトな熱交換器を提供できる。また、第１の流路を流れる熱交換流体Ａが高温高圧の冷媒であり、第２の流路を流れる熱交換流体Ｂが低温低圧の水であるとともに、第２の流路の出口側流路高さが、その入口側流路高さよりも大きいものであり、水加熱時のスケール析出による流路の閉塞が緩和され、熱交換器の長寿命化が図られ、信頼性のさらなる向上を実現できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、少なくとも一方の流路が、片面に半円形状の流路溝を設けた複数の平板を互いに突き合わせ、円形状の流路を形成した第１の流路と、前記流路体の少なくとも片面に設けた第２の流路とを有し、前記第１の流路を流れる熱交換流体Ａが高温高圧の冷媒であり、前記第２の流路を流れる熱交換流体Ｂが低温低圧の水であるとともに、前記第２の流路に連通する入口側流路及び出口側流路を設け、前記出口側流路の高さを、前記入口側流路の高さよりも高く形成した構成とするものであり、耐圧性に優れた真円形状の流路を構成することが容易になるとともに、このような流路を並列配置して一つの流路体として構成することで、少なくともその一方の面に平坦で広い伝熱面を形成し、薄型の熱交換器を構成することが可能となる。よって、耐圧性に優れ、コンパクトな熱交換器を提供できる。
【００１０】
また、第１の流路を流れる熱交換流体Ａが高温高圧の冷媒であり、第２の流路を流れる熱交換流体Ｂが低温低圧の水であるとともに、第２の流路の出口側流路高さが、その入口側流路高さよりも大きいものであり、水加熱時のスケール析出による流路の閉塞が緩和され、熱交換器の長寿命化が図られ、信頼性のさらなる向上を実現できる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１の構成に対して、半円形状の流路溝を平板の片面にエッチング加工により形成してなるものであり、容易に真円形状に近い精度で流路溝を形成することが可能となり、流路の耐圧性確保を実現することができる。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項１の構成に加え、片面に並列する複数の半円形状の流路溝を設けた複数の平板を互いに突き合わせ、円形状の第１の流路を形成してなる流路体を備え、前記流路体の片方の面上に偏平形状の第２の流路を設けてなるものであり、耐圧性に優れた真円形状の第１の流路を構成することが容易になるとともに、この第１の流路を複数並列配置して一つの流路体として構成することで、平坦で広い伝熱面を形成し、薄型の熱交換器を構成することが可能となる。さらに、この平坦な流路体の片方の面上に、偏平形状の第２の流路を設けることにより、広い伝熱面積を確保することができる。よって、耐圧性に優れ、熱交換性能が高く、コンパクトな熱交換器を提供できる。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項１の構成に加え、片面に並列する複数の半円形状の流路溝を設けた複数の平板を互いに突き合わせ、円形状の第１の流路を形成してなる流路体を備え、前記流路体の両方の面上に偏平形状の第２の流路を設けてなるものであり、耐圧性に優れた真円形状の第１の流路を構成することが容易になるとともに、この第１の流路を複数並列配置して一つの流路体として構成することで、平坦で広い伝熱面を形成し、薄型の熱交換器を構成することが可能となる。さらに、この平坦な流路体の上下両方の面上に、偏平形状の第２の流路を設けることにより、さらに広い伝熱面積を確保することができる。よって、耐圧性に優れ、さらに熱交換性能が高く、コンパクトな熱交換器を提供できる。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、請求項３または４の構成に対して、偏平形状の第２の流路を、平板に打ち抜き加工により形成してなるものであり、同様に、耐圧性に優れ、熱交換性能が高く、コンパクトな熱交換器を提供できる。
【００１５】
請求項６に記載の発明は、請求項３または４の構成に対して、偏平形状の第２の流路を、平板に絞り加工により形成してなるものであり、構成の簡素化により部品点数の削減が図られ、熱交換器の低コスト化を実現できる。
【００１６】
請求項７に記載の発明は、請求項３または４の構成に加え、偏平形状の第２の流路に、その流路を幅方向に複数に分割する仕切部を設けたものであり、偏平流路内における熱交換流体の均一な分岐が図られ、熱交換への寄与の小さい流れの滞留部が低減され、有効な伝熱面積の拡大を図ることができるため、熱交換器の高性能化とコンパクト化を実現できる。
【００１７】
請求項８に記載の発明は、請求項３または４の構成に加え、第１の流路を流れる熱交換流体Ａと第２の流路を流れる熱交換流体Ｂとが対向流となる構成を有するものであり、熱交換性能に優れた対向流の形態で熱交換を行うことができるため、さらなる熱交換器の高性能化とコンパクト化を実現できる。
【００１８】
請求項９に記載の発明は、請求項３または４の構成に加え、第１の流路を流れる熱交換流体Ａが高温高圧の冷媒であり、第２の流路を流れる熱交換流体Ｂが低温低圧の水であるとともに、流路体に対して隔壁板を介して第２の流路を形成した構成を有するものであり、流路体に万一亀裂等の異常が生じ、高圧冷媒が第１の流路から外部に漏洩するような場合も、隔壁板の存在により第２の流路への流入を防止できる。また、隔壁板に万一亀裂等の異常が生じ、低圧の水が第２の流路から外部に漏洩するような場合も、流路体の存在により高圧冷媒が第２の流路内に混入することを防止できるため、熱交換器の信頼性の向上を実現できる。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【００２０】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１の熱交換器１０の断面図、図２はその一部である流路体の断面図、図３は熱交換器１０の構成図である。
【００２１】
図１において、熱交換器１０は、片面に並列する複数の半円形状の流路溝２ａおよび２ｂ（図２参照）を設けた複数の平板１ａおよび１ｂを互いに突き合わせ、円形状の第１の流路３を形成してなる流路体４を備え、流路体４の片方の面上に偏平形状の第２の流路７を設けてなるものである。断面が半円形状である流路溝２ａおよび２ｂは、平板１ａおよび１ｂの一方の面にエッチング加工により形成されたものである。また、第２の流路７は、平板状の流路板５に打ち抜き加工により形成されたもので、上から隔壁板６で密閉した構成となっている。さらに、第１の流路３と第２の流路７とを、その入口から出口に至るまでの長手方向にほぼ並行する位置に設けることにより、図３に示すように、第１の流路３を流れる熱交換流体Ａと第２の流路７を流れる熱交換流体Ｂとが対向流となるような構成を有している。
【００２２】
なお、各流路の入出口部の構成については、ここでは特に詳述しないが、例えば、第１の流路３に対しては流路体４の端部を管体に挿入したもの、第２の流路７に対しては隔壁板６に配管を植立させたものなどが挙げられる。
【００２３】
ここで、熱交換器１０の各部を構成する板材は、熱伝導性および成形性の良い金属、例えば銅やアルミニウム、ステンレス等からなる。また、熱交換器の製造方法としては、ロウ付けや拡散溶接による接合が挙げられる。
【００２４】
以上のように構成された熱交換器について、以下その作用を説明する。例えば、第１の流路３に高温高圧の熱交換流体、第２の流路７に低温低圧の熱交換流体がそれぞれ流れるとする。このとき、高温高圧流体は、第１の流路３を流れる間に、流路体４を構成する平板１ａを介して、第２の流路７を流れる低温低圧流体と熱交換を行うことになる。
【００２５】
ここで、本実施例によれば、高温高圧の熱交換流体が流れる第１の流路３として、耐圧性に優れた真円形状の流路を構成することが容易となる。また、この第１の流路３を複数並列配置し、一つの流路体４として構成することで、平坦で広い伝熱面を形成し、熱交換器１０を薄く構成することが可能となる。このとき、第１の流路３の直径を小さくしてやれば、耐圧性確保に必要な平板１ａおよび１ｂの板厚を小さくすることができるため、熱交換器１０をより薄くすることができる。さらに、この平坦な流路体４の片方の面上に、偏平形状の第２の流路７を設けることにより、広い伝熱面積を確保することができる。
【００２６】
また、平板に半円形状の溝を形成する方法として、エッチング加工を用いれば、容易に真円形状に近い精度で流路溝を形成することが可能となり、流路の耐圧性を確保することができる。
【００２７】
さらに、第１の流路３を流れる熱交換流体Ａと第２の流路７を流れる熱交換流体Ｂとが対向流となる構成とすることにより、並行流や直交流に比べて熱交換性能に優れた対向流の形態で熱交換を行うことができる。
【００２８】
したがって、耐圧性に優れ、熱交換性能が高く、コンパクトな熱交換器を提供できる。
【００２９】
（実施例２）
図４は本発明の実施例２の熱交換器２０の断面図であり、図５は熱交換器２０の構成図である。図４において、熱交換器２０は、実施例１と同様に、片面に並列する複数の半円形状の流路溝２ａおよび２ｂ（図２参照）を設けた複数の平板１ａおよび１ｂを互いに突き合わせ、円形状の第１の流路３を形成してなる流路体４を備えるとともに、この流路体４の上下両方の面上に偏平形状の第２の流路１７を設けてなるものである。ここで、第２の流路１７は、平板状の流路板１５に絞り加工により形成された構成となっている。また、第１の流路３と第２の流路１７とを、その入口から出口に至るまでの長手方向にほぼ並行する位置に設けることにより、図５に示すように、第１の流路３を流れる熱交換流体Ａと第２の流路１７を流れる熱交換流体Ｂとが対向流となるような構成を有している。さらに、第２の流路１７にその幅方向を複数に分割する仕切部１９が設けられている。
【００３０】
なお、各流路の入出口部の構成については、ここでは特に詳述しないが、例えば、第１の流路３に対しては流路体４の端部を管体に挿入したもの、第２の流路１７に対しては流路板１５に配管を植立させたものなどが挙げられる。
【００３１】
ここで、熱交換器２０の各部を構成する板材は、熱伝導性および成形性の良い金属、例えば銅やアルミニウム、ステンレス等からなる。また、熱交換器の製造方法としては、ロウ付けや溶接による接合が挙げられる。
【００３２】
以上のように構成された熱交換器について、以下その作用を説明する。例えば、第１の流路３に高温高圧の熱交換流体、第２の流路１７に低温低圧の熱交換流体がそれぞれ流れるとする。このとき、高温高圧流体は、第１の流路３を流れる間に、流路体４を構成する平板１ａおよび１ｂを介して、上下に位置する第２の流路１７を流れる低温低圧流体と熱交換を行うことになる。
【００３３】
ここで、本実施例によれば、高温高圧の熱交換流体が流れる第１の流路３として、耐圧性に優れた真円形状の流路を構成することが容易となる。また、この第１の流路３を複数並列配置し、一つの流路体４として構成することで、平坦で広い伝熱面を形成し、熱交換器２０を薄く構成することが可能となる。このとき、第１の流路３の直径を小さくしてやれば、耐圧性確保に必要な平板１ａおよび１ｂの板厚を小さくすることができるため、熱交換器２０をより薄くすることができる。さらに、この平坦な流路体４の上下両方の面上に、偏平形状の第２の流路１７を設けることにより、さらに広い伝熱面積を確保することができる。
【００３４】
また、平板状の流路板１５に絞り加工により偏平形状の第２の流路１７を形成することにより、実施例１に比べて構成が簡素化され、部品点数の削減が図られ、熱交換器の低コスト化を実現できる。
【００３５】
さらに、第１の流路３を流れる熱交換流体Ａと第２の流路１７を流れる熱交換流体Ｂとが対向流となる構成とすることにより、並行流や直交流に比べて熱交換性能に優れた対向流の形態で熱交換を行うことができる。
【００３６】
また、第２の流路１７を幅方向に複数に分割する仕切部１９を設けることにより、偏平な第２の流路１７内における熱交換流体の均一な分岐が図られ、熱交換への寄与の小さい流れの滞留部を低減し、有効な伝熱面積の拡大を図ることができるため、熱交換器の高性能化を実現できる。
【００３７】
したがって、耐圧性に優れ、低コストで、より熱交換性能が高く、デッドスペースの少ないコンパクトな熱交換器を提供できる。
【００３８】
（実施例３）
図６は本発明の実施例３の熱交換器３０の断面図であり、図７は熱交換器３０の構成図である。本発明の実施例３は、図４に示した熱交換器２０と略同一の構成を有する。本実施例が実施例２と異なるのは、第１の流路３を流れる熱交換流体Ａが高温高圧の冷媒であり、第２の流路１７を流れる熱交換流体Ｂが低温低圧の水であるとともに、図６に示したように、流路体４に対して隔壁板２９を介して第２の流路１７を形成した構成を有する点である。さらに、図７に示したように、第２の流路１７の出口側流路１７ｂの高さが、その入口側流路１７ａの高さよりも大きい点である。ここで、流路高さが途中で異なる第２の流路１７の作製は、絞り加工等の方法を用いれば容易に行うことができる。
【００３９】
以上のように構成された熱交換器について、以下その作用を説明する。流路体４内の第１の流路３には、図７に点線矢印で示すように、高温高圧の冷媒、例えば、ヒートポンプ装置等に用いられる二酸化炭素、炭化水素、フロン冷媒などが流れ、第２の流路１７には、図中実線矢印で示すように、低温低圧の水が流れる。このとき、高温高圧の冷媒は、第１の流路３を流れる間に、流路体４を構成する平板１ａおよび１ｂと隔壁板２９を介して、上下に位置する第２の流路１７を流れる低温低圧流体と熱交換を行うことになる。低温低圧の水は、第２の流路１７の出口側流路１７ｂにおいて、最も高温となる。
【００４０】
例えば、高温高圧の冷媒が流れる流路体４が、腐食等により経時的に劣化・侵食され、その内面に亀裂等の異常が生じ、高圧冷媒が第１の流路３から外部に漏洩するような場合も、隔壁板２９の存在により第２の流路１７への流入を防止できるため、低温低圧の水に高温高圧の冷媒が混入することはない。同様に、低温低圧の水が流れる第２の流路１７の一部を形成する隔壁板２９に亀裂等の異常が生じ、低圧の水が第２の流路１７から外部に漏洩するような場合も、流路体４が存在するため、高温高圧の冷媒が低温低圧の水が流れる第２の流路１７に流入することはない。
【００４１】
したがって、各流路の間を二重隔壁構造とすることにより、冷媒と水との混合が防止されるため、例えば、ヒートポンプ装置の冷媒および冷凍機油が給湯水に混入する危険性を低減し、熱交換器の信頼性の向上を実現できる。
【００４２】
また、冷媒で水（特に水道水）を加熱する冷媒水熱交換器の場合、一般に、カルシウムやマグネシウム等の硬度成分を多く含んだ水を長期間高温に加熱すると、最も高温となる水側流路の出口部近傍においてスケールが発生する可能性がある。このようなスケールが水側流路の内周に付着すると、水の流動の抵抗となり、熱交換性能を低減させる。ここで、本実施例では、第２の流路１７の出口側流路１７ｂの流路高さを、その入口側流路１７ａの流路高さよりも大きく構成しているため、万一水側流路内にスケールが生成した場合も、水の流動抵抗の増加を緩和することができる。
【００４３】
したがって、冷媒による水加熱時のスケール析出による水側流路の閉塞が緩和され、熱交換器の長寿命化が図られ、信頼性の向上を実現できる。なお、実施例１、２および３では、半円形状の流路溝を突き合わせて真円形状の流路を構成するよう図示または説明したが、熱交換流体の動作圧力に対して十分な耐圧性を確保できるのであれば、必ずしも真円形状に限らず、楕円、矩形等いかなる形状のものを用いても良い。
【００４４】
【発明の効果】
以上のように、請求項１から９に記載の発明によれば、少なくとも一方の流路体は、片面に凹んだ複数の流路溝を有する平板を互いに突き合わせ、複数の流路を形成してなるものであり、耐圧性に優れた流路を構成することが容易になるとともに、このような流路を並列配置して一つの流路体として構成することで、少なくともその一方の面に平坦で広い伝熱面を形成し、薄型の熱交換器を構成することが可能となる。よって、耐圧性に優れ、コンパクトな熱交換器を提供できるというメリットがある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の熱交換器の断面図
【図２】同熱交換器の流路体の分解断面図
【図３】同熱交換器の構成図
【図４】本発明の実施例２の熱交換器の断面図
【図５】同熱交換器の構成図
【図６】本発明の実施例３の熱交換器の断面図
【図７】同熱交換器の他の断面図
【図８】従来の熱交換器の断面図
【符号の説明】
１ａ、１ｂ平板
２ａ、２ｂ流路溝
３第１の流路
４流路体
７、１７第２の流路
１７ａ入口側流路
１７ｂ出口側流路
１９仕切部
２９隔壁板

Claims

相対する二つの流路体からなり、その少なくとも一方の流路体は、片面に凹んだ複数の流路溝を有する平板を互いに突き合わせて流路を形成してなる第１の流路と、前記流路体の少なくとも片面に設けた第２の流路とを有し、前記第１の流路を流れる熱交換流体Ａが高温高圧の冷媒であり、前記第２の流路を流れる熱交換流体Ｂが低温低圧の水であるとともに、前記第２の流路に連通する入口側流路及び出口側流路を設け、前記出口側流路の高さを、前記入口側流路の高さよりも高く形成した熱交換器。
流路溝は、エッチング加工により形成してなる請求項１記載の熱交換器。
一方の流路体と相対する他方の流路体は、偏平形状の流路を形成してなる請求項１又は２記載の熱交換器。
片面に凹んだ複数の流露溝を有する平板を互いに突き合わせて一方の流路体の流路を第１の流路、他方の流路体の偏平形状の流路を第２の流路とし、前記第２の流路は前記第１の流路に狭持してなる請求項３記載の熱交換器。
偏平形状の第２の流路は、平板を打ち抜き加工して形成した請求項３または４記載の熱交換器。
偏平形状の第２の流路は、平板を絞り加工して形成した請求項３または４記載の熱交換器。
偏平形状の第２の流路に、その流路を幅方向に複数に分割する仕切部を設けた請求項３〜６のいずれか１項に記載の熱交換器。
第１の流路を流れる熱交換流体Ａと第２の流路を流れる熱交換流体Ｂとが対向流となるように構成した請求項３〜７のいずれか１項に記載の熱交換器。
第１の流路と第２の流路との間に隔壁板を介在させた請求項３〜８のいずれか１項に記載の熱交換器。