JP4547991B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器、特に、シート状の熱交換部を備える熱交換器に関する。

従来、空気調和機においては、銅管、アルミのフィンなどを使ったフィンアンドチューブ型の金属製の熱交換器が広く利用されている。

このような熱交換器に代わるものとして、特許文献１に、複数の細径の中空糸を相互に織り込んで構成した編成体（熱交換部）を有する熱交換器が開示されている。ここでは、編成体の中空糸の中に冷媒を流通させる一方、編成体の編み目に空気を通すようにして、冷媒と空気との間で熱交換を行わせる。
特開平３−６７９９４号公報

特許文献１の編成体を有する熱交換器においては、比較的自由に編成体を屈曲させることができるため、空気調和機において広く用いられているフィンアンドチューブ型などの熱交換器に較べて設計の自由度が向上するなどの有利な効果がある。

このような編成体から成る熱交換器を使うときに、伝熱面積を十分に確保しようと考えた場合、細管径を大きくして細管ピッチを小さくするという方法、あるいは複数の編成体を厚み方向に並べる（すなわち、空気の流れ方向に並べる）という方法を考えつく。

しかし、前者の方法を採った場合にも後者の方法を採った場合にも、熱交換器を通過する空気の流れにおいて圧力損失が大きくなり、空気の流れを生成する送風機などの能力を大きくしなければならないというデメリットが生じる。このため、空気流路の断面積をあまり大きくできないときには、熱交換器の伝熱面積を確保して必要な熱交換量を得ることがコスト的に難しくなる。

本発明の課題は、伝熱面積を大きくしつつ熱交換器を通る空気（対象流体）の流れの圧力損失を小さく抑えることができる熱交換器を提供することにある。

第１発明に係る熱交換器は、対象流体と熱媒体との間で熱交換を行わせる熱交換器であって、複数のシート状の熱交換部を備えている。各熱交換部は、熱媒体を中に通す複数の中空の細管同士が交差して一体化されているもの、あるいは、熱媒体を中に通す複数の中空の細管と複数の細線部材とが交差して一体化されているものである。そして、この熱交換器では、隣接する熱交換部が厚み方向に重なるように配置されており、複数の熱交換部は、対象流体の流れ方向に並ぶように重ねられて、それぞれ、複数の折り目がつくように折り目において２０°以下に折り込まれておいる。また、この熱交換器では、複数の熱交換部が重なっている部分の厚み方向が対象流体の流れ方向に対して傾斜を有している。また、この熱交換器では、対象流体は、重ねられた熱交幹部の全てを通り抜ける。なお、隣接する熱交換部が厚み方向に重なるように配置されているとは、シート状の熱交換部同士の間に厚み方向の隙間ができるように各熱交換部が配置されている状態の他、熱交換部と熱交換部とが接触するように重ねられて配置されている状態も含む。

ここでは、細管を含むシート状の複数の熱交換部が、厚み方向に重なるように配置されており、且つ、複数の熱交換部が重なっている部分の厚み方向と対象流体の流れ方向とが傾斜を有するように配置されている。すなわち、シート状の熱交換部の表面が、対象流体の流れ方向に対して垂直な状態となっているのではなく、対象流体の流れ方向に垂直な面に対して傾いている。このため、対象流体の流れ方向に垂直な面に複数のシート状の熱交換部を平行に並べる場合に較べて、伝熱面積を大きく確保しつつ、対象流体が複数の熱交換部を通り抜ける際の圧力損失を小さく抑えることができるようになる。

また、ここでは、各熱交換部を折り込むことによって熱交換部が対象流体の流れ方向に対し傾斜を持つようにしており、対象流体の流路を完全に塞ぎつつ対象流体の流れ方向と複数の熱交換部が重なっている部分の熱交換部の厚み方向とが傾斜を持つようにすることが容易になっている。また、複数の折り目がつくように熱交換部が折り込まれているため、単に熱交換部を対象流体の流れ方向に垂直な面に対して少し傾けたような構造に較べ、伝熱面積を大幅に拡大させることが容易であり、熱交換器の熱交換量も飛躍的に大きくすることができる。

また、ここでは、かなり鋭角に熱交換部が折り込まれており、対象流体の流路の断面積よりもかなり大きな熱交換部の伝熱面積を確保することができるようになる。

第２発明に係る熱交換器は、第１発明の熱交換器であって、熱交換部の細管の外径が１ｍｍ以下である。

ここでは、細管の外径を１ｍｍ以下としているため、各熱交換部の高い屈曲性を維持することができ、熱交換器を適用する空気調和機などの装置における設計の自由度を向上させたり熱交換器の製作誤差を吸収したりすることが容易となる。

なお、細管の外径については、成形を考慮する必要はあるが、できるだけ小さいほうが望ましく、さらに０．５ｍｍ以下まで小さくすることが望ましい。

第３発明に係る熱交換器は、第１発明又は第２発明の熱交換器であって、熱交換部の隣接する細管同士の隙間が３ｍｍ以下である。

ここでは、熱交換部の隣接する細管同士の隙間を３ｍｍ以下としているため、殆ど熱交換を行わずに熱交換部を通り抜けていってしまう対象流体の量を小さく抑えることができる。

なお、細管の外径にもよるが、隣接する細管同士の隙間は、さらに２ｍｍ以下まで小さくしておくことが望ましい。

第４発明に係る熱交換器は、第１発明から第３発明のいずれかの熱交換器であって、各熱交換部は、対象流体が流れる流路の断面積よりも大きな表面積を有する。

ここでは、各熱交換部を折り込むことによって、シート状の各熱交換部の表面積を対象流体の流路の断面積よりも大きくしている。このため、熱交換器全体としての伝熱面積が非常に大きくなり、対象流体の流れの圧力損失を小さく抑えつつ、熱交換器の熱交換量を飛躍的に増やすことができる。

第５発明に係る熱交換器は、第１発明から第４発明のいずれかの熱交換器であって、熱交換部は、熱媒体を中に通す複数の中空の細管と複数の細線部材とが交差して一体化されているものであり、細管ではなく細線部材が折れ曲がるように折り込まれている。

ここでは、細管ではなく細線部材を折り曲げることで熱交換部を折り込んでいるため、細管には折り曲げ部分が存在せず、細管径が非常に小さい場合にも細管の中を通る熱媒体の流れが阻害される可能性が小さくなる。

第６発明に係る熱交換器は、第１発明から第３発明のいずれかの熱交換器であって、複数の熱交換部は、隙間を空けて、対象流体の流れ方向に交差する方向に並んでいる。

ここでは、熱交換部同士の間に隙間が存在するため、その隙間を通って何れの熱交換部の細管同士の間も通らずに熱交換器の上流側から下流側へと流れていってしまう対象流体が生じる恐れがある。しかし、熱交換部同士の間に隙間を設けることで対象流体の流れの圧力損失を小さくすることができるため、シート状の熱交換部を傾斜させて複数配置したり各熱交換部の表面積を大きくしたりすることによる伝熱面積の拡大と隙間の寸法とをバランスさせれば、所定の熱交換器の熱交換量を確保することが可能となる。

第７発明に係る熱交換器は、第６発明の熱交換器であって、熱交換部の厚み方向が、対象流体の流れ方向に対して９０°の傾斜を有している。

ここでは、シート状の熱交換部の表面が、対象流体の流れ方向に沿う形になる。したがって、熱交換部同士の間に隙間が存在する構成において、その隙間においては対象流体の流れを阻害するものがなくなり、熱交換器を通る対象流体の流れの圧力損失を小さく抑えやすくなる。一方、熱交換部において熱交換をしないまま熱交換器の下流側に流れていってしまう対象流体が生じやすくなるが、隙間寸法や熱交換部の面積を適度に調整することによって、熱交換器における対象流体の流れの圧力損失を小さく抑えつつ熱交換器における熱交換量を所定量だけ確保することができるようになる。

第８発明に係る熱交換器は、第６発明の熱交換器であって、複数の熱交換部は、第１熱交換部群および第２熱交換部群に分かれている。また、第１熱交換部群および第２熱交換部群のそれぞれの群において、複数の熱交換部は隙間を空けて対象流体の流れ方向に交差する方向に並んでいる。第２熱交換部群は、第１熱交換部群に対して、対象流体の流れ方向の下流側に配置されている。そして、第１熱交換部群の熱交換器における熱交換部の厚み方向の対象流体の流れ方向に対する傾斜と、第２熱交換部群の熱交換器における熱交換部の厚み方向の対象流体の流れ方向に対する傾斜とは、異なる。

ここでは、対象流体の流れ方向に並ぶ第１熱交換部群および第２熱交換部群が、対象流体の流れ方向に対して、それぞれ異なる熱交換部の傾斜を有している。これら各群の熱交換部の傾斜を調整することにより、熱交換器の熱交換量や熱交換器における対象流体の圧力損失量を変更することができる。

第９発明に係る熱交換器は、第１発明から第８発明のいずれかの熱交換器であって、熱交換部は、交差する細管同士を織り込んだもの、あるいは、交差する細管と細線部材とを織り込んだものである。そして、熱交換部は、所定の厚みを持っている。

ここでは、熱交換部が所定の厚みを持つ織り込まれたものであって対象流体が通り抜ける際に大きな圧力損失が生じる傾向にあるが、厚み方向と対象流体の流れ方向とが傾斜を有するように熱交換部が配置されているため、熱交換器を通り抜ける対象流体の圧力損失を小さく抑えることができる。

第１０発明に係る熱交換器は、第９発明の熱交換器であって、熱交換部の厚みは、他の熱交換部と重ね合わされたときにも対象流体が厚み方向に通り抜けられる程度の厚みとなっている。

織り込まれたシート状の熱交換部を隙間なく重ね合わせると、ある熱交換部の織り目を他の熱交換部の細管などが塞いでしまって熱交換器を通る対象流体の圧力損失が極めて大きくなってしまう恐れがある。これに鑑み、ここでは、織り込み方法を工夫したりスペーサーを熱交換部に設けたりすることによって、熱交換部の厚みを、他の熱交換部と重ね合わされたときにも対象流体が厚み方向に通り抜けられる程度の厚みにしている。これにより、複数の熱交換部が隙間なく重ね合わされたときにも、熱交換器を通る対象流体の圧力損失を比較的小さな値に抑えることができるようになる。

第１発明に係る熱交換器では、対象流体の流れ方向に垂直な面に複数のシート状の熱交換部を平行に並べる場合に較べて、伝熱面積を大きく確保しつつ、対象流体が複数の熱交換部を通り抜ける際の圧力損失を小さく抑えることができるようになる。

第２発明に係る熱交換器では、各熱交換部の高い屈曲性を維持することができ、熱交換器を適用する空気調和機などの装置における設計の自由度を向上させたり熱交換器の製作誤差を吸収したりすることが容易となる。

第３発明に係る熱交換器では、熱交換を殆ど行わずに熱交換部を通り抜けていってしまう対象流体の量を小さく抑えることができる。

第４発明に係る熱交換器では、熱交換器全体としての伝熱面積が非常に大きくなり、対象流体の流れの圧力損失を小さく抑えつつ、熱交換器の熱交換量を飛躍的に増やすことができる。

第５発明に係る熱交換器では、細管には折り曲げ部分が存在せず、細管径が非常に小さい場合にも細管の中を通る熱媒体の流れが阻害される可能性が小さくなる。

第６発明に係る熱交換器では、熱交換部同士の間に隙間を設けることで対象流体の流れの圧力損失を小さくすることができるため、シート状の熱交換部を傾斜させて複数配置したり各熱交換部の表面積を大きくしたりすることによる伝熱面積の拡大と隙間の寸法とをバランスさせれば、所定の熱交換器の熱交換量を確保することが可能となる。

第７発明に係る熱交換器では、熱交換部において熱交換をしないまま熱交換器の下流側に流れていってしまう対象流体が生じやすくなるが、熱交換部同士の隙間の寸法や熱交換部の面積を適度に調整することによって、熱交換器における対象流体の流れの圧力損失を小さく抑えつつ熱交換器における熱交換量を所定量だけ確保することができる。

第８発明に係る熱交換器では、各群の熱交換部の傾斜を調整することにより、熱交換器の熱交換量や熱交換器における対象流体の圧力損失を変更することができる。

第９発明に係る熱交換器では、熱交換部が所定の厚みを持つ織り込まれたものであって対象流体が通り抜ける際に大きな圧力損失が生じる傾向にあるが、厚み方向と対象流体の流れ方向とが傾斜を有するように熱交換部が配置されているため、熱交換器を通り抜ける対象流体の圧力損失を小さく抑えることができる。

第１０発明に係る熱交換器では、複数の熱交換部が隙間なく重ね合わされたときにも、熱交換器を通る対象流体の圧力損失を比較的小さな量に抑えることができる。

＜熱交換器を含む熱交換システムの概要＞
本発明の一実施形態に係る熱交換器は、空気（対象流体）の流路に配置され、その流路を流れる空気を冷やしたり暖めたりするために用いられるものである。図１に示すように、熱交換器１０は、四方を壁９１で囲まれた断面が長方形の流路９０の中に配置されており、矢印Ａ１１で示すように上流側から流れてくる空気と熱交換を行う。熱交換器１０と熱交換を行った空気は、矢印Ａ１９で示すように、下流側へと流れてゆき、空調対象空間などに供給される。矢印Ａ１１で示すように流れてくる空気は、建物の外部にある外気であってもよいし、建物の内部にある空気であってもよい。また、流路９０内の空気の流れは、熱交換器１０の下流側あるいは上流側に配置される送風機９５などによって生成される。

また、熱交換器１０は、流路９０の外から冷媒入口管１１によって冷媒（熱媒体）を取り入れ（図１の矢印Ａ２１参照）、冷媒出口管１２によって流路９０の外に冷媒を出す（図１の矢印Ａ２４参照）。空気を冷やすときには、低温・低圧の霧状の冷媒が冷媒入口管１１から熱交換器１０の中に入り、空気から熱を奪って気化したガス状の冷媒が冷媒出口管１２から出ていく。一方、空気を暖めるときには、圧縮機などで高圧にされたガス状の冷媒が冷媒入口管１１から熱交換器１０の中に入り、空気に熱を放出して液化した液状の冷媒が冷媒出口管１２から出ていく。

なお、熱交換器１０は圧縮機、他の熱交換器、膨張機構、切替弁などとともに冷凍サイクルを構成しているが、このような冷凍サイクルについては公知のため説明を省略する。

＜熱交換器の詳細構成＞
次に、図２、図３、および図４（Ａ）を参照して、熱交換器１０の詳細構成について説明する。

熱交換器１０は、主として、ヘッダー２０と、中間部３０と、６枚の熱交換シート（熱交換部）４１〜４６から成る熱交換シート群４０とから構成されている。

ヘッダー２０は、冷媒入口管１１から入ってくる冷媒を熱交換シート４１，４２，４３に分配する役割を果たす分配部２１と、熱交換シート４４，４５，４６から出てくる冷媒を集合させ冷媒出口管１２へと流す役割を果たす集合部２２とに分かれている。冷媒入口管１１から分配部２１に流れ込んだ冷媒は、熱交換シート４１，４２，４３の後述する細管５０の中を通り、中間部３０に流れる。中間部３０は、熱交換シート群４０を挟んでヘッダー２０と対向するように配置されており、各熱交換シート４１〜４６の細管５０の下端と連通している。熱交換シート４１，４２，４３の細管５０から中間部３０に流れ込んだ冷媒は、熱交換シート４４，４５，４６の細管５０の中を通ってヘッダー２０の集合部２２へと流れていき、集合部２２から冷媒出口管１２を通って冷凍サイクルの下流へと流れる。

熱交換シート群４０の熱交換シート４１〜４６は、それぞれ同様の構造を有している。ここでは、熱交換シート４６を例にとって説明を行う。

熱交換シート４６は、ヘッダー２０と中間部３０とを結ぶ方向に延びる多数の細管５０と、それらの細管５０に略直交するように交差する多数の細線部材６０とから構成されている。具体的には、多数の細管５０と多数の細線部材６０とが織り込まれ、屈曲性のある熱交換シート４６が形成されている。図３（Ａ）の部分拡大図および図３（Ｂ）の断面図に示すように、ここでは細管５０と細線部材６０とが交互に織り込まれている。

細管５０は、外径０．５ｍｍ以下（ここでは０．３ｍｍ）の中空の管であり、長期耐熱性や耐食性に優れたスーパーエンプラ（スーパーエンジニアリングプラスチック）から成形されたものである。各細管５０の上端がヘッダー２０に下端が中間部３０に連通している。また、隣り合う細管５０同士の隙間は、平均して２ｍｍ以下（ここでは０．５〜１．０ｍｍ）にセットされる。

細線部材６０は、細管５０と同等の外径あるいはそれよりも小さな外径の中実の線状部材であり、伝熱特性の高い金属あるいは炭素繊維から形成されている。細線部材６０の断面の最大幅は、０．５ｍｍ以下（ここでは、細管５０の外径寸法である０．３ｍｍ以下）となっている。これらの細線部材６０は、多数の細管５０を縫うようにして、多数の細管５０が所定のピッチで並ぶ状態を維持させる。すなわち、細線部材６０は、多数の細管５０を一体化させ、１つの熱交換シート４６に仕上げている。また、隣り合う細線部材６０同士の隙間は、０．５〜１．０ｍｍにセットされている。

このような細管５０および細線部材６０が織り込まれることで、非常に薄い厚みを持つ熱交換シート４１〜４６が形成されている。また、熱交換シート４１〜４６は、細部において、図３（Ａ）および図３（Ｂ）に示すように細管５０と細線部材６０とが交互に織り込まれるとともに、全体としては、図６に示すように、厚み方向に緩やかな凹凸ができるように織り込まれる。このような織り込みにより形成される凹凸があるため、熱交換シート４１〜４６を重ねたときにも隣り合うシート間に隙間が多く空くようになっており、重ねられた熱交換シート４１〜４６（熱交換シート群４０）を空気が通り抜ける際に被る圧力損失が小さくなっている。具体的には、熱交換シート４１〜４６が重ねられて、ある熱交換シートの編み目を他の熱交換シートの細管５０や細線部材６０が平面的に塞ぐようになってしまった場合にも、シート間に厚み方向の隙間が存在するため、空気抵抗が少なくなっている。

このような各熱交換シート４１〜４６が、それぞれ複数回折り返されるとともに、空気の流れ方向に重ねられることによって、コンパクトな熱交換シート群４０が形成される。図３（Ａ）に示すように、各熱交換シート４１〜４６は、２０°以下の鋭角に多数回折り返されており、それぞれ流路９０の断面積の数倍の表面積を持つものになっている。

そして、熱交換シート４１〜４６の各部位は、空気の流れ方向（矢印Ａ１１，Ａ１９で示す向き）に対して傾斜を有するようになっている。このため、熱交換シート４１を例にとって説明すると、図５に示すように、熱交換器１０の上流側から矢印Ａ１１で示すように流れてきた空気は、その流れの向きを一旦熱交換シート４１に直交する向きに変えて熱交換シート４１の編み目を通過し、その後矢印Ａ１３で示すように下流側に流れていく。熱交換シート４１の編み目を通過する際には、細かい編み目を通るため抵抗が大きいように感じるが、熱交換シート４１の空気流れ方向（矢印Ａ１１等で示す向き）に対する傾斜があるため、熱交換シート４１の単位面積当たりの通り抜け空気量はそれほど多くはなく、トータルとしての熱交換シート４１による空気流れの圧力損失は小さくなっている。

また、各熱交換シート４１〜４６は、細管５０ではなく細線部材６０の部分で折り返されており、細管５０の中を流れる冷媒は折り返しの影響を殆ど受けない。

このように多数折り返された熱交換シート４１〜４６は、隣接する熱交換シートが厚み方向に接し重なるように配置されている。具体的には、熱交換シート４１〜４６が、図３（Ａ）および図４に示すように、自然と生じる隙間をあけて重ね合わされている。ここでいう自然と生じる隙間とは、上述の図６を使って説明した隙間である。図４においては、図６を使って説明した隙間を平均化して簡易的に隙間を図示している。

＜熱交換器の特徴＞
（１）
熱交換器１０では、細管５０を含む複数の熱交換シート４１〜４６が、厚み方向に重なるように配置されており、且つ、厚み方向と空気の流れ方向（矢印Ａ１１，Ａ１９で示す向き）とが傾斜を有するように折り曲げられて配置されている。すなわち、熱交換シート４１〜４６の表面が、図４（Ｂ）に示すように空気の流れ方向（矢印Ａ１１参照）に対して垂直な状態となっているのではなく、空気の流れ方向に垂直な面に対して傾いている。このため、図４（Ａ）に示す６枚の熱交換シート４１〜４６から成る熱交換シート群４０は、空気の流れ方向に垂直な面に複数の熱交換シートを平行に並べた熱交換シート群１００（図４（Ｂ）参照）に較べ、伝熱面積を大きく確保しつつ、空気が熱交換シート群４０を通り抜ける際の圧力損失を小さく抑えることができるようになっている。

熱交換シート４１を例にとってもう少し詳細に説明する。上述したように、熱交換器１０の上流側から矢印Ａ１１で示すように流れてきた空気は、図５に示すように、その流れの向きを一旦熱交換シート４１に直交する向きに変えて熱交換シート４１の編み目を通過し、その後矢印Ａ１３で示すように下流側に流れていく。熱交換シート４１の編み目を通過する際には、細かい編み目を通るため抵抗が大きいように感じるが、熱交換シート４１の空気流れ方向（矢印Ａ１１等で示す向き）に対する傾斜があるため、熱交換シート４１の単位面積当たりの通り抜け空気量はそれほど多くはなく、トータルとして熱交換シート４１による空気流れの圧力損失は小さくなる。具体的には、熱交換シートの面積を増やすために図４（Ｂ）に示すように空気流れの方向に垂直な面に複数枚の熱交換シートを並べる場合と、熱交換シートの折り曲げを利用して熱交換シートの面積を増やした図４（Ａ）に示す構造を採る場合とを、同等の熱交換量を確保できるもので比較すると、図４（Ａ）の構造の後者の場合の圧力損失が図４（Ｂ）の構造の前者の場合の圧力損失の約１０分の１になる。この比較は、図４（Ａ）の構造の場合には図５に示すように空気の流れの急激な減速と加速とが存在することによる圧力損失が生じることも考慮に入れたものである。

このように、ここでは、複数枚の熱交換シート４１〜４６を使って伝熱面積を大きく確保しつつ、空気が熱交換シート群４０を通り抜ける際の圧力損失を小さく抑えることができる熱交換器１０が実現されている。

（２）
熱交換器１０では、各熱交換シート４１〜４６の細管５０の外径を０．３ｍｍと０．５ｍｍ以下まで小さくしているため、各熱交換シート４１〜４６の高い屈曲性を維持することができている。また、各熱交換シート４１〜４６において隣接する細管５０同士の隙間を２ｍｍ以下まで小さくしているため、殆ど熱交換を行わずに熱交換シート４１〜４６を通り抜けていってしまう空気の量を小さく抑えることができている。

（３）
熱交換器１０では、各熱交換シート４１〜４６を複数回折り返すことによって熱交換シート４１〜４６の各部位が空気の流れ方向に対して傾斜を持つようにしている。これにより、流路９０全体を熱交換シート４１〜４６でカバーしつつ、空気の流れ方向と熱交換シート４１〜４６の厚み方向とが傾斜を持つようにすることが容易に実現できている。

また、複数の折り目がつくように熱交換シート４１〜４６が複数回折り込まれているため、単に熱交換シートを空気の流れ方向に垂直な面に対して少し傾けたような構造に較べ、伝熱面積を大幅に拡大させることができている。特に、ここでは、細線部材６０の部分でかなり鋭角に熱交換シート４１〜４６を折り曲げているため、各熱交換シート４１〜４６の面積が流路９０の断面積の十数倍に達しており、熱交換器１０の熱交換量も飛躍的に大きくなっている。

（４）
熱交換器１０の各熱交換シート４１〜４６では、細管５０ではなく細線部材６０を折り曲げているため、細管５０には折り曲げ部分が存在せず、細管５０の外径が０．３ｍｍと非常に小さいにもかかわらず、細管５０の中を通る冷媒の流れが阻害されることが殆どなくなっている。特に、熱交換シート４１〜４６は鋭角に折り曲げられているが、細管５０が折り曲げられているわけではなく、細管５０の中の冷媒の流れに悪影響は殆どない。

また、熱交換器１０では、多数の細管５０を一体化させる役割を担う細線部材６０として、金属あるいは炭素繊維から成るものを採用している。すなわち、伝熱特性の高い材料を、多数の細管５０を一体化させる細線部材６０に使っている。このため、これらの細線部材６０は、単に細管５０を一体化させる役割だけでなく、細管５０と空気との熱交換を補助する伝熱部材としての役割を果たすことになる。細管５０と細管５０との間を流れる空気は、それらの細管５０を結ぶ伝熱特性に優れた細線部材６０を介して、より多くの熱交換を細管５０と行うことになる。このように、熱交換器１０では、熱交換効率が非常に高くなっている。

（５）
熱交換器１０の各熱交換シート４１〜４６は、細部において、図３（Ａ）および図３（Ｂ）に示すように細管５０と細線部材６０とが交互に織り込まれるとともに、全体としては、図６に示すように、厚み方向に緩やかな凹凸ができるように織り込まれている。このような織り込みにより形成される全体としての凹凸があるため、熱交換シート４１〜４６は、それぞれ、その全体としての厚みが、他の熱交換シートと重ね合わされたときにも空気が厚み方向に通り抜けられるようなものになっている。

これにより、熱交換シート４１〜４６が重なったときに、ある熱交換シートの編み目を他の熱交換シートの細管５０や細線部材６０が平面的に塞ぐようになった場合にも、シート間の厚み方向の隙間を介して空気が通り抜ける。すなわち、重ね合わせる熱交換シート４１〜４６の間に自然と隙間ができるように各熱交換シート４１〜４６が織り込むことにより、熱交換器１０による圧力損失が予想外に大きくなってしまうことを抑えている。

なお、熱交換器１０では、細管５０と細線部材６０との織り込み方を工夫することで全体として凹凸のある波立った熱交換シート４１〜４６を成形して、重ね合わせたときの熱交換シート間の隙間を確保しているが、スペーサーを熱交換シートの間に挟んでより確実に隙間を形成させてもよい。また、波立たない平面状の熱交換シートにスペーサーを固着させることで熱交換シート間の隙間を確保するようにしてもよい。

（６）
熱交換器１０では、細管５０と細線部材６０とを織り込むことで多数の細管５０を一体化させており、単に交差する細管５０と細線部材６０とを接着させたような構造に較べ、一体化が崩れる恐れが少ない。

また、細管５０と細線部材６０とを図３（Ａ）および図３（Ｂ）に示すように織り込んでいるため、空気を熱交換器１０に通すときに空気の流れに適度な乱れが生じる。この乱れにより、空気と細管５０との熱交換量が更に増大するようになっている。

＜第１変形例＞
上記実施形態では、各熱交換シート４１〜４６を複数回折り返して空気の流れ方向に重ね合わせることで熱交換シート群４０を構成しているが、熱交換器１０において、熱交換シート群４０に変えて、図７に示す熱交換シート群１１０を採用することも可能である。

熱交換シート群１１０は、上述の熱交換シート４１〜４６と同様の構成であって折り返されていない複数の熱交換シートから構成される。これらの熱交換シートは、図７に示すように、その厚み方向が空気の流れ方向（矢印Ａ１１参照）に対して傾斜している、また、熱交換シート群１１０では、空気の流れ方向に直交する方向に複数の熱交換シートが互いに隙間を開けて並べられている。

熱交換シート群４０に代えて熱交換シート群１１０を採用した熱交換器では、熱交換器の上流側と下流側とを熱交換シートを介さずに連通させる通路が熱交換シート間に存在するようになるため、その通路を通って何れの熱交換シートの細管５０の間も通らずに熱交換器の上流側から下流側へと流れていってしまう空気が存在するようになる。しかし、熱交換シート間の隙間をある程度小さくするとともに熱交換シートに空気の流れ方向に対する傾斜を持たせているため、図７に示す熱交換シート群１１０を採用した熱交換器においても所定の熱交換量を確保することができている。

＜第２変形例＞
上記第１変形例をさらに発展させた熱交換器として、図８に示す第１熱交換シート群１２１および第２熱交換シート群１２２から成る熱交換シート群１２０を上述の熱交換シート群４０に代えて採用するものが考えられる。

ここでは、上述の熱交換シート群１１０と同様の構成を持つ第１熱交換シート群１２１および第２熱交換シート群１２２を空気の流れ方向（矢印Ａ１１参照）に並べて少し隙間を空けて配置している。そして、第１熱交換シート群１２１における各熱交換シートの空気の流れ方向に対する傾斜と、第２熱交換シート群１２２における各熱交換シートの空気の流れ方向に対する傾斜とを、異なった傾斜に設定している。このように、第１熱交換シート群１２１と第２熱交換シート群１２２とで熱交換シートの傾斜が異なるため、これらの熱交換シート群１２１，１２２を通り抜ける空気が各所で複雑な乱れを起こし、細管５０との熱交換量が増えるようになる。

なお、この熱交換器では、各熱交換シート群１２１，１２２における熱交換シートの傾斜を変えることによって、熱交換器における空気の圧力損失量を変更したり熱交換量を調整したりすることが可能である。

＜第３変形例＞
上記第１変形例の一形態として、複数の熱交換シートの厚み方向を空気の流れ方向（矢印Ａ１１参照）に対して９０°傾斜させた熱交換シート群１３０を上述の熱交換シート群４０に代えて採用する熱交換器が挙げられる。

ここでは、各熱交換シートの表面が、空気の流れ方向に沿う形になる。したがって、熱交換シート同士の間に隙間が存在する構成において、その隙間においては空気の流れを阻害するものがなくなり、熱交換器の上流側から下流側へと流れる空気の流れの圧力損失を小さくし易くなる。一方、熱交換シート群１３０において熱交換をしないまま下流側に流れていってしまう空気が多くなりやすくなるが、熱交換シート間の隙間の寸法や熱交換シートの面積を適当な値に調整してやることによって、熱交換器における空気の流れの圧力損失を小さく抑えつつ熱交換器における熱交換量を所定量だけ確保することが可能となっている。

＜第４変形例＞
上記実施形態では、金属あるいは炭素繊維から形成される中実の円柱状の細線部材６０を細管５０と織り込んで熱交換シート４１〜４６を作っているが、このような細線部材６０に代えて、図１０に示す細線部材６２を用いてもよい。

細線部材６０の断面が円形だったのに対し、細線部材６２の断面は扁平形状になっており、楕円に近い形状である。そして、断面が扁平形状になっていることにより、細線部材６２は、細管５０との接触面積が大きくなっている。細線部材６２の断面の最大幅Ｗは、細管５０の外径寸法である０．３ｍｍ程度に設定されている。

このように、細線部材６２の細管５０との接触面積が大きくなっているため、細線部材６２が空気との間で交換した熱が、細管５０に伝わりやすくなる。このため、空気と細管５０内の冷媒との間の熱交換量が多くなる。

＜第５変形例＞
上記実施形態では、金属あるいは炭素繊維から形成される中実の単線の細線部材６０を細管５０と織り込んで熱交換シート４１〜４６を作っているが、このような細線部材６０に代えて、図１１に示す撚り線の細線部材６３を用いてもよい。

細線部材６０が単線であったのに対し、細線部材６３は、複数本の金属製の単線６３ａを撚り合わせたものである（図１１（Ａ）では詳細図示省略。図１１（Ｂ）を参照）。このため、細線部材６３は、強度的な安定性が向上していることに加え、空気流れの局所的な乱れを生じさせる役割を果たし、熱交換器の熱交換効率の向上に寄与する。

＜第６変形例＞
上記実施形態では、金属あるいは炭素繊維から形成される中実の細線部材６０を細管５０と織り込んで熱交換シート４１〜４６を作っているが、このような細線部材６０に代えて、図１２に示す細線部材６４を用いてもよい。

細線部材６４は、細線部材６０のように断面が円形状であるときよりも外表面の面積が大きくなるように、断面が非円形状になっている。具体的には、図１２に示すように、微粒物６４ａが細線部材６４の周りに固着させられて一体化されており、断面を見たときに円形の周りに小さな突起が多数付着したように見える（図１２（Ｂ）参照）。

このように、細線部材６４では微粒物６４ａの固着により断面が非円形状となっており、細線部材６４の外表面の面積が大きくなっているため、細管５０と空気との熱交換を補助する伝熱部材としての細線部材６４の作用が向上している。また、微粒物６４ａの存在により、空気流れの局所的な乱れが生じ、熱交換器の熱交換効率が向上する。

＜第７変形例＞
上記実施形態では、細線部材６０を細管５０と織り込んで熱交換シート４１〜４６を作っているが、細線部材６０に代えて、細管５０と接触するものの細管５０に織り込まない細線部材６５によって熱交換シートを形成することも可能である。

図１３に示すように、細線部材６５は、細管５０と直交するとともに各細管５０と接触しているが、細管５０には織り込まれていない。これらの細線部材６５は、金属あるいは炭素繊維から形成されるものであり、接着剤によって細管５０に固着されるか、あるいは熱処理によって細管５０に固着される。

熱処理によって細管５０に細線部材６５を固着する場合には、樹脂製の細管５０の表面を一部溶解させて、その後の冷却により細管５０と細線部材６５とを固着させる。

＜第８変形例＞
上記実施形態では、細線部材６０と細管５０とを織り込むことで熱交換シート４１〜４６を作っているが、細管５０の配設ピッチなどが崩れないように、さらに熱交換シート４１〜４６に熱処理を施してもよい。このように熱処理を施し、細管５０と細線部材６０との一体性を増せば、細管５０同士や細管５０と細線部材６０との相対位置関係が変わって熱交換効率が低下してしまうという事態が回避できるようになる。

＜第９変形例＞
上記の熱交換器１０は、空気の流路９０に配置され、その流路９０を流れる空気を冷やしたり暖めたりするために用いられているが、対象となる流体は空気だけに限られるものではない。また、流路についても、上記の流路９０のようなものに限られない。例えば、本発明に係る熱交換器を空気調和装置の室内機や室外機における熱交換器として用いることも可能である。

＜第１０変形例＞
上記実施形態では、細線部材６０と細管５０とを織り込むことで熱交換シート４１〜４６を作っているが、細線部材６０を用いずに冷媒を中に通す細管５０だけを用いて熱交換シートを作ることもできる。この場合には、細管５０のサイズによっては熱交換シートの折り曲げ度合いに制限がかかることも想定されるが、細管５０だけにより熱交換シートを構成することによる熱交換効率の向上も期待できるため、十分に高い熱交換効率を有する熱交換器を実現することが可能である。

＜第１１変形例＞
上記実施形態では、金属あるいは炭素繊維から形成される細線部材６０を細管５０と織り込んで熱交換シート４１〜４６を作っているが、樹脂製の細線部材を用いるほうがよい場合もある。金属や炭素繊維から細線部材を作るほうが熱交換器の熱交換効率が向上するが、耐食性や耐熱性などを重視して樹脂製の細線部材を採用することも考えられる。

本発明に係る熱交換器は、伝熱面積を大きく確保しつつ、対象流体が複数の熱交換部を通り抜ける際の圧力損失を小さく抑えることができるため、熱交換効率が高くなり、また対象流体を流す動力も小さくすることができ、空調機器や冷凍機器において用いる熱交換器として有用である。

本発明の一実施形態に係る熱交換器を熱交換の対象流体である空気の流路内に配置した図。 熱交換器の概略斜視図。 熱交換器の熱交換シートの部分を抽出した図。（Ａ）は、斜視図と一部拡大図。（Ｂ）は、図３（Ａ）のＢ矢視の断面図。 （Ａ）・・・図１のIV-IV矢視断面図。（Ｂ）・・・図４（Ａ）に相当する比較構造の断面図。 熱交換シートを通過する際の空気の詳細な流れを示す図。 熱交換シートの詳細な重なり具合を示す図。 第１変形例に係る熱交換器の図４（Ａ）に相当する断面図。 第２変形例に係る熱交換器の図４（Ａ）に相当する断面図。 第３変形例に係る熱交換器の図４（Ａ）に相当する断面図。 （Ａ）・・・第４変形例の熱交換シートの一部拡大図。（Ｂ）・・・図１０（Ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図。 （Ａ）・・・第５変形例の熱交換シートの一部拡大図。（Ｂ）・・・図１１（Ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図。 （Ａ）・・・第６変形例の熱交換シートの一部拡大図。（Ｂ）・・・図１２（Ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図。 （Ａ）・・・第７変形例の熱交換シートの一部拡大図。（Ｂ）・・・図１３（Ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図。

１０ 熱交換器
４０ 熱交換シート群
４１〜４６ 熱交換シート（熱交換部）
５０ 細管
６０ 細線部材
９０ 流路
１２１ 第１熱交換シート群
１２２ 第２熱交換シート群

Claims (10)

1. 対象流体と熱媒体との間で熱交換を行わせる熱交換器（１０）であって、
   前記熱媒体を中に通す複数の中空の細管同士が交差して一体化されている、あるいは、前記熱媒体を中に通す複数の中空の細管（５０）と複数の細線部材（６０）とが交差して一体化されている、複数のシート状の熱交換部（４１〜４６）を備え、
   隣接する前記熱交換部が、厚み方向に重なるように配置されており、
   複数の前記熱交換部は、前記対象流体の流れ方向に並ぶように重ねられて、それぞれ、複数の折り目がつくように前記折り目において２０°以下に折り込まれており、
   複数の熱交換部が重なっている部分の厚み方向が、前記対象流体の流れ方向に対して傾斜を有しており、
   前記対象流体は、重ねられた前記熱交換部の全てを通り抜ける、
   熱交換器。
2. 前記細管（５０）は、外径が１ｍｍ以下である、
   請求項１に記載の熱交換器。
3. 隣接する前記細管（５０）同士の隙間は、３ｍｍ以下である、
   請求項１又は２に記載の熱交換器。
4. 前記複数の熱交換部（４１〜４６）は、それぞれ、前記対象流体が流れる流路（９０）の断面積よりも大きな表面積を有する、
   請求項１から３のいずれかに記載の熱交換器。
5. 前記熱交換部（４１〜４６）は、前記熱媒体を中に通す複数の中空の細管（５０）と複数の細線部材（６０）とが交差して一体化されているものであり、前記細管ではなく前記細線部材が折れ曲がるように折り込まれている、
   請求項１から４のいずれかに記載の熱交換器。
6. 前記複数の熱交換部は、隙間を空けて、前記対象流体の流れ方向に交差する方向に並んでいる、
   請求項１から３のいずれかに記載の熱交換器。
7. 前記熱交換部の厚み方向が、前記対象流体の流れ方向に対して９０°の傾斜を有している、
   請求項６に記載の熱交換器。
8. 前記複数の熱交換部は、第１熱交換部群（１２１）および第２熱交換部群（１２２）に分かれ、それぞれの群において隙間を空けて前記対象流体の流れ方向に交差する方向に並んでおり、
   前記第２熱交換部群は、前記第１熱交換部群の前記対象流体の流れ方向の下流側に配置されており、
   前記第１熱交換部群の前記熱交換器の前記傾斜と前記第２熱交換部群の前記熱交換器の前記傾斜とが異なる、
   請求項６に記載の熱交換器。
9. 前記熱交換部は、交差する前記細管同士を織り込んだ、あるいは、交差する前記細管と前記細線部材とを織り込んだ、所定の厚みを持つ熱交換部である、
   請求項１から８のいずれかに記載の熱交換器。
10. 前記熱交換部の厚みは、他の熱交換部と重ね合わされたときにも前記対象流体が厚み方向に通り抜けられるような厚みとなっている、
    請求項９に記載の熱交換器。

Images