JP4231518B2 - 熱交換装置 - Google Patents

Description

この発明は、板状チューブに設けられている流路を流通している第１熱媒体又は第２熱媒体と、前記流路と接触している蓄熱材との熱交換を行う熱交換装置に関するものである。

波板の伝熱プレートを互いに重ね合わせるように積層して熱媒体の流路を形成した熱交換装置として、特許文献１、特許文献２、特許文献３に記載された装置が知られている。すなわち、特許文献１は、正弦波状の凹凸の突起を有する伝熱プレートを銅またはアルミ材で形成し、各伝熱プレートを交互に重ね合わせた構成の発明が記載されている。この特許文献１に記載された発明では、前記凹凸部の内部に流路が形成され、ここに熱媒体が流通するように構成されている。また、特許文献２は、伝熱プレートを交互に重ね合わせ、それらの伝熱プレートの間に熱媒体の流路が形成されている発明が記載されている。そして、伝熱プレートの突起のうち、冷媒流路側の接触する突起同士は互いに接合し、熱媒体流路側の接触する突起同士は互いに接合されない構成としている。このため、熱媒体の体積が膨張した場合に、熱媒体流路側の接触する突起同士は接合されていないので部分的に容易に変形することができる。その結果、熱媒体の体積膨張が吸収され、熱交換装置の変形が防止される。また、特許文献３には、特許文献２と同様に、伝熱プレートが交互に重ね合わせて流路が形成された発明が記載されている。

特開平１０−２３２０９３号公報 特開平１１−１７３７７１号公報 特開平１０−１２２７７０号公報

上記の特許文献１から特許文献３に記載の各発明は、板状の伝熱プレートを多層に重ねて熱搬送媒体（熱媒体）を流す流路を構成した熱交換器・蓄熱器であるが、流路を形成する際に、伝熱プレートの接合を容易に行えるようにするため、プレス成形された凹部を交互に接合した構造にしている。しかしながら、上下の伝熱プレートの凹部を対向させることで一つの流路を形成しているため、上下の伝熱プレートによる２つの凸部について、流路が１つしか形成されず、その結果、一対のプレートで構成できる流路の本数が相対的に少なく、したがって流路を流通する熱媒体と伝熱プレートの周囲の熱媒体との間の熱交換面積が狭くなってしまう。

また、上記の伝熱プレートを積層に重ねて熱搬送流体を流す流路を形成した板状チューブの間に、蓄冷材・蓄熱材を介在させた構造の蓄熱器が知られている。しかしながら、この種の蓄熱器にあっては、板状チューブの間に介在する蓄冷材・蓄熱材が凝固・融解を繰り返すときに生じる膨張・収縮による応力を板状チューブが受け、板状チューブが変形する場合がある。

この発明は、上記の技術的課題に着目してなされたものであり、板材を接合して熱媒体用流路を形成した伝熱プレートの熱交換面積を容易に拡大できる熱交換装置を提供することを目的としたものである。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、冷却されることによって凝固する蓄熱材を第１熱媒体によって冷却し、かつその蓄熱材を第２熱媒体によって加熱するように構成された熱交換装置において、二枚の板材が接合され、かつその一方の板材の一部が前記接合面とは反対方向に凸となってその内部に流路を形成している少なくとも一対の板状チューブが互いに対向して配置され、一方の板状チューブにおける前記凸となった突条部の背面側に他方の板状チューブにおける前記凸となった突条部が対向して配置され、それら一対の板状チューブの間に前記蓄熱材が充填され、いずれか一方の板状チューブにおける前記流路に前記第１熱媒体が流通させられるとともに、他方の板状チューブにおける前記流路に前記第２熱媒体が流通させられていることを特徴とするものである。

また、請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記突条部は、前記平坦部に対して傾斜した外側面を備えていることを特徴とするものである。

また、請求項３の発明は、請求項１または２の発明において、前記突条部は、断面形状が前記平坦部側を底辺とした三角形状をなすように構成されていることを特徴とするものである。

請求項１の発明によれば、突条部と平坦部とで閉じられている流路が蓄熱材中に配置されているため、上下の伝熱プレートによる１つの凸部について、１つの流路が形成される。このため、上下の伝熱プレートの凹部を対向させることで１つの流路を形成している場合と比較して、流路と蓄熱材との表面積が大きくなる。したがって、蓄熱材と流路を流れる第１熱媒体又は第２熱媒体との熱交換効率が向上する。

さらに、請求項２、３の発明によれば、請求項１の発明で得られる効果に加えて、一方の板状チューブの突条部において、突条部に沿って凝固・融解されることにより生じる応力は、応力の一部が他方の板状チューブに対して水平方向にかかるため、他方の板状チューブにかかる応力を緩和することができる。

以下、本発明を実施した最良の形態について説明する。この発明の熱交換装置は、エネルギーを増大させる正の熱（温熱）の蓄熱と、エネルギーを低下させる負の熱（冷熱）の蓄熱とのいずれも可能である。以下の説明では、後者のいわゆる冷熱の蓄熱を行うように構成した具体例を示す。図１は、この発明に係る第１実施形態における熱交換装置１の概略的な斜視図である。図１に記載されている熱交換装置１では、第１熱媒体２又は第２熱媒体３を流通させる複数本の流路が形成された板状チューブ４が、前記第１熱媒体２又は前記第２熱媒体３との間で熱交換を行う蓄熱材５中に配置されている。板状チューブ４は、熱交換装置１の内部に設けられ、この熱交換装置１の横方向α、縦方向β、高さ方向γのいずれかの方向に、板状チューブ４を介在させ、ある一定間隔で交互に配置して構成されている。

図１において、熱交換装置１の外側には、板状チューブ４の一端部に設けられている図示しない空間と連通するように、第１熱媒体２に該当する冷媒の導入管６ａが熱交換装置１を貫通して設けられている。また、熱交換装置１の外側で、板状チューブ４の前記一端部と対向する板状チューブ４の他端部に設けられている図示しない空間と連通するように、第１熱媒体２に該当する冷媒の導出管７ａが熱交換装置１を貫通して設けられている。さらに、熱交換装置１の外側で、板状チューブ４の前記他端部に設けられ、前記導出管７ａと連通されていない図示しない空間と連通するように、第２熱媒体３に該当するブラインの導入管６ｂが熱交換装置１を貫通して設けられている。さらにまた、熱交換装置１の外側で、板状チューブ４の前記一端部に設けられ、前記導入管６ａと連通されていない図示しない空間と連通するように、ブラインの導出管７ｂが熱交換装置１を貫通して設けられている。

図２に、上記の熱交換装置１の内部に配置される板状チューブ４の一例を断面図で示してある。ここに示す板状チューブ４は、この発明における板材に相当する二枚の伝熱プレート８，９を互いに対向させて接合することにより構成されている。各伝熱プレート８，９には、内部が空洞部となるように曲げ加工して形成された突条部８Ａ，９Ａが所定の間隔をあけてほぼ平行に形成されている。そして、これらの突条部８Ａ，９Ａ同士の間の部分が平坦部８Ｂ，９Ｂとなっている。その突条部８Ａ，９Ａの形状は、図７、図８に記すように三角形断面、四角形断面、半円状断面などの任意の形状であってもよく、図２には断面形状が前記平坦部８Ｂ，９Ｂ側を底辺とした三角形をなす例を記載している。各突条部８Ａ，９Ａは、内部の空洞部が、各伝熱プレート８，９同士の接合面側に開口するように構成され、したがって各空洞部が溝状をなしている。そして、一方の伝熱プレート８，９における突条部８Ａ，９Ａに、他方の伝熱プレート９，８における平坦部９Ｂ，８Ｂが対向するように各伝熱プレート８，９が接合されている。したがって、各突条部８Ａ，９Ａによってその内側に形成されている空洞部の開口部は相手側の伝熱プレート８，９の平坦部８Ｂ，９Ｂによって閉じられている。こうして、各突条部８Ａ，９Ａの内部に流路１０が形成されている。

この板状チューブ４に設けられている流路１０は、板状チューブ４の他端部で導出管７ａと連通されている図示しない空間と連通し、前記板状チューブ４の一端部で導入管６ａと連通されている図示しない空間と連通している。または、前記流路１０は、板状チューブ４の他端部で導入管６ｂと連通されている図示しない空間と連通し、前記板状チューブ４の一端部で導出管７ｂと連通されている図示しない空間と連通している。これにより、導入管６ａから流入した冷媒は、各突条部８Ａ，９Ａの内部に形成された流路１０を経由して導出管７ａへと流通する。また、導入管６ｂから流入したブラインは、各突条部８Ａ，９Ａの内部に形成された流路１０を経由して導出管７ｂへと流通する。

図３は、上記の板状チューブ４を組み込んで形成された熱交換装置１の内部構造を拡大して示した横断面図である。ここに示す複数の板状チューブ４は、相互に所定の間隔をあけて対向して配列されている。より具体的には、冷媒やブラインとは異なる別の熱媒体としての蓄熱材５が板状チューブ４に接するようにサンドイッチ状に介在され、各板状チューブ４が所定間隔に重なるように配列されている。各板状チューブ４の流路１０には、冷媒、もしくはブラインが流入しているため、蓄熱材５を介して冷媒とブラインとの間で熱交換が行われるようになっている。ここで、任意の板状チューブ４の流路１０に冷媒が流入し、任意の板状チューブに隣接する板状チューブ４の流路１０にブラインが流入している場合は、蓄熱材５を介して冷媒とブラインとの間で熱交換が行われるようになっている。

また、図３に示す板状チューブ４は、一方の板状チューブ４における突条部８Ａ，９Ａが、該一方の板状チューブ４に隣接する他方の板状チューブ４における平坦部９Ｂ，８Ｂに対向するように配列されている。具体的には、伝熱プレート８に設けられている突条部８Ａは、伝熱プレート８，９同士の接合面側に開口するように構成され、一方の伝熱プレート８，９における突条部８Ａ，９Ａに、他方の伝熱プレート９，８における平坦部９Ｂ，８Ｂが対向するように各伝熱プレート８，９が接合されている。そのため、板状チューブ４は、任意の伝熱プレート８に設けられている突条部８Ａと隣接する板状チューブ４の伝熱プレート９に設けられている平坦部９Ｂとが対向するように配列されている。

図４，図５は、蓄冷時における熱交換装置１の内部構造を拡大して示す横断面図である。熱交換装置の構造は図３と同一であるため、図３と同じ符号を付して説明を省略する。図４に示される蓄熱材５は、加熱されて融解するとともに冷却されて凝固する蓄熱材からなり、具体的には、この蓄熱材５は水やエチルグリコール水溶液、塩化アンモニウム水溶液など融点が低く、融解熱が比較的大きい潜熱蓄熱材からなる。図４に示す具体例では、突条部８Ａ，９Ａが互い違いに配置されるため、流路１０に冷媒が流通している場合は、凝固物１１が突条部８Ａ，９Ａ及び平坦部８Ｂ，９Ｂの周辺の蓄熱材５中に生成される。突条部８Ａ，９Ａに生成された凝固物１１は、突条部８Ａ，９Ａの面に沿って成長するため、対向する伝熱プレート９，８にかかる応力が緩和される。また、平坦部８Ｂ，９Ｂに生成された凝固物１１は、平坦面８Ｂ，９Ｂの面に沿って成長するが、対向する突条部９Ａ，８Ａが凸となっているため、伝熱プレート９，８にかかる応力が緩和される。

流路１０に冷媒が流通されているときは、突条部８Ａ，９Ａ及び平端部８Ｂ，９Ｂから蓄熱材５への熱伝導により、突条部８Ａ，９Ａ及び平端部８Ｂ，９Ｂ付近から蓄熱材５が冷却され、凝固物１１が生成される。平坦部８Ｂ，９Ｂ付近に生成された凝固物１１は、蓄熱材５を挟んて対向する突条部９Ａ，８Ａの突起部に向かって成長する。また、突条部８Ａ，９Ａの突起部付近で生成された凝固物１１が蓄熱材５を挟んで対向する平坦部９Ｂ，８Ｂに向かってそれぞれ成長する。

その結果、隣接する板状チューブ４の流路１０にブラインが流通しているときは、突条部８Ａ，９Ａ付近に生成された凝固物１１は、凝固物１１の成長に伴い蓄熱材５を挟んで対向する平坦部９Ｂ，８Ｂに接近する。その結果、突条部８Ａ，９Ａ付近で生成された凝固物１１の冷熱は対面側の伝熱プレート９，８へ奪われ、凝固物１１が突条部８Ａ，９Ａの先端付近で切断される。また、平坦部８Ｂ，９Ｂ付近で生成された凝固物１１の冷熱は対面側の伝熱プレート９，８の突条部９Ａ，８Ａへ奪われ、凝固物１１が突条部９Ａ，８Ａの先端付近で切断される。

これにより、凝固物１１が液状の蓄熱材５で剥離され、前記凝固物１１は蓄熱材５の温度差により誘発される自然対流によって伝熱プレート８，９の表面付近から離れるようになる。このため、伝熱プレート８，９の表面に凝固物１１が形成し、冷媒が搬入する冷熱が蓄熱材５へ伝わりにくくなるのを防止することができる。そしてまた、新たに板状チューブ４の表面に蓄熱材５の凝固物１１が生成し、蓄熱材５全体へ効率よく冷媒が搬入する冷熱が伝えられることとなる。

図６は、蓄冷時における他の熱交換装置１の内部構造を拡大して示す横断面図である。ここに示す板状チューブ４は、この発明における板材に相当する二枚の伝熱プレート８，９を互いに対向させて接合することにより構成されている。各伝熱プレート８，９には、内部が空洞部となるように曲げ加工して形成された突条部８Ａ，９Ａが所定の間隔をあけてほぼ平行に形成されている。そして、これらの突条部８Ａ，９Ａ同士の間の部分が平坦部８Ｂ，９Ｂとなっている。その突条部８Ａ，９Ａの形状は、三角形断面、四角形断面、半円状断面などの任意の形状であってもよい。各突条部８Ａ，９Ａは、内部の空洞部が、各伝熱プレート８，９同士の接合面側に開口するように構成され、したがって各空洞部が溝状をなしている。そして、一方の伝熱プレート８，９における突条部８Ａ，９Ａに、他方の伝熱プレート９，８における突条部９Ａ，８Ａが対向するように各伝熱プレート８，９が接合されている。したがって、各突条部８Ａ，９Ａによってその内側に形成されている空洞部の開口部は相手側の伝熱プレート８，９の突条部８Ａ，９Ａによって閉じられている。こうして、各突条部８Ａ，９Ａの内部に流路１２が形成されている。

この板状チューブ４に設けられている流路１２は、図２に示す板状チューブ４と同様に板状チューブ４の他端部で導出管７ａと連通されている図示しない空間と連通し、前記板状チューブ４の一端部で導入管６ａと連通されている図示しない空間と連通している。または、板状チューブ４の他端部で導入管６ｂと連通されている図示しない空間と連通し、前記板状チューブ４の一端部で導出管７ｂと連通されている図示しない空間と連通している。これにより、導入管６ａから流入した冷媒は、各突条部８Ａ，９Ａの内部に形成された流路１２を経由して導出管７ａへと流通する。また、導入管６ｂから流入したブラインは、各突条部８Ａ，９Ａの内部に形成された流路１２を経由して導出管７ｂへと流通する。

ここで、流路１２に流通している第２熱媒体３が冷媒の場合、熱交換が突条部８Ａ，９Ａと蓄熱材５との間でなされ、凝固物１１が突条部８Ａ，９Ａの周辺で生成される。また、凝固物１１は平坦部８Ｂ，９Ｂでも生成される。凝固物１１は蓄熱材５を挟んだ対面にある伝熱プレート９，８の突条部９Ａ，８Ａに向かって成長し続けるが、このとき、凝固物１１の成長による体積膨張に起因して対向して配置された伝熱プレート９，８に応力が作用する。ところが、突条部８Ａ，９Ａは横断面三角形状に形成されているため、対面の伝熱プレート９，８にかかる応力は矢印で示すように左右に分散される。そのため、伝熱プレート９，８にかかる応力が緩和される。

本発明の熱交換装置の外観斜視図である。 その熱交換装置に使用される板状チューブの要部を拡大して示した部分横断面図である。 熱交換装置本体の要部を拡大して示した部分横断面図である。 蓄冷時における熱交換器の状態の一例を表す部分横断面図である。 蓄冷時における熱交換器の状態の他の例を表す部分横断面図である。 蓄冷時における熱交換器の状態の他の例を表す部分横断面図である。 板状チューブの変形例における部分横断面図である。 板状チューブの別の変形例における部分横断面図である。

符号の説明

１…熱交換装置、 ２…第１熱媒体、 ３…第２熱媒体、 ４…板状チューブ、 ５…蓄熱材、 ６ａ，６ｂ…導入管、 ７ａ，７ｂ…導出管、 ８，９…伝熱プレート、 ８Ａ，９Ａ…突条部、 ８Ｂ，９Ｂ…平坦部、 １０、１２…流路、 １１…凝固物。

Claims (3)

1. 冷却されることによって凝固する蓄熱材を第１熱媒体によって冷却し、かつその蓄熱材を第２熱媒体によって加熱するように構成された熱交換装置において、
   二枚の板材が接合され、かつその一方の板材の一部が前記接合面とは反対方向に凸となってその内部に流路を形成している少なくとも一対の板状チューブが互いに対向して配置され、
   一方の板状チューブにおける前記凸となった突条部の背面側に他方の板状チューブにおける前記凸となった突条部が対向して配置され、
   それら一対の板状チューブの間に前記蓄熱材が充填され、
   いずれか一方の板状チューブにおける前記流路に前記第１熱媒体が流通させられるとともに、他方の板状チューブにおける前記流路に前記第２熱媒体が流通させられ
   ていることを特徴とする熱交換装置。
2. 前記突条部は、前記平坦部に対して傾斜した外側面を備えていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換装置。
3. 前記突条部は、断面形状が前記平坦部側を底辺とした三角形状をなすように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換装置。

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