JP4911153B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、液体と、相変化する冷媒との間で熱交換する熱交換器に関するものであり、特に水と冷媒との間で熱交換する水−冷媒間熱交換器に関する。

従来、多数の微細な加熱流路が形成された層と多数の微細な冷却流路が形成された層が、前記加熱流路と冷却流路が互いに連通しないように積層され一体の積層構造とされていることを特徴とする一体型積層構造熱交換器がある（例えば、特許文献１参照）。

また、複数の金属板のそれぞれに形成された加熱流路と冷却流路が互いに連通しないように、前記複数の金属板が積層されて一体の積層構造とされてなる一体型積層構造熱交換器であって、前記複数の金属板は、それぞれの表面には過熱流路及び冷却流路のうち一方が形成されており、該表面に対する裏面には加熱流路及び冷却流路のうち他方が形成されていることを特徴とする一体型積層構造熱交換器がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−２８２９５１号公報

しかしながら、上記従来の技術によれば、加熱流路と冷却流路の濡れ縁長さ（流路断面の壁面の長さ）が略同一となっている。そのため、加熱流体が冷媒であり冷却流体が水であるような場合、熱コンダクタンスのバランスが取れない、という問題があった。また、加熱流路及び冷却流路が単純矩形断面となっていて、乱流が発生しやすく、流路抵抗が大きい、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、流路抵抗が小さく、熱コンダクタンスのバランスが取れた熱交換器を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、液体が流れる第一流路と、前記第一流路の近傍に隔壁を介して配置され相変化する冷媒が流れる第二流路と、を備える熱交換器において、前記第一流路の壁面には、該第一流路の流れ方向に、凸条を設け、前記第二流路の壁面には、該第二流路の流れ方向に、前記第一流路の凸条より細かい複数の凸条であるリブレットを設けたことを特徴とする。

この発明によれば、流路抵抗が小さく、熱コンダクタンスのバランスが取れた熱交換器が得られる、という効果を奏する。

以下に、本発明にかかる熱交換器の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明にかかる熱交換器の実施の形態１の第一、第二流路を示す断面図であり、図２は、実施の形態１の熱交換器の外観斜視図である。

図１に示すように、実施の形態１の熱交換器９１は、被加熱流体又は被冷却流体としての液体（例えば、水）が流れる第一流路１１と、第一流路１１の近傍に隔壁１０を介して配置され気体−液体間で相変化する冷媒（例えば、非共沸冷媒Ｒ４１０Ａ等のＨＦＣ。ＣＯ_２やＨＣ等の自然作動冷媒でもよい。）が流れる第二流路１２と、を備えている。

第一流路１１の壁面としての隔壁１０には、第一流路１１の流れ方向（図１の紙面に垂直な方向）に、凸条１１ａを設け、第二流路１２の壁面としての隔壁１０には、第二流路１２の流れ方向（図１の紙面に垂直な方向）に、第一流路１１の凸条１１ａより細かい複数の凸条であるリブレット１２ａを設けている。

実施の形態１の熱交換器９１においては、隔壁１０は矩形の金属平板であり、側壁１１ｂ、１１ｂの内側の金属平板１０の一面に、幅広の溝状の第一流路１１及び複数（実施の形態１では、３９本）の凸条１１ａを形成し、他面に、側壁１２ｂ、１２ｂ及び複数（実施の形態１では、１９枚）の仕切壁１２ｃにより仕切られた複数（実施の形態１では、２０本）の幅狭の溝状の第二流路１２及び各第二流路毎に７本のリブレット１２ａを形成している。凸条１１ａの高さは、側壁１１ｂの高さの半分程度に形成され、リブレット１２ａの高さは、側壁１２ｂ及び仕切壁１２ｃの高さの半分程度に形成されている。

金属平板１０に対する側壁１１ｂ、凸条１１ａ、側壁１２ｂ、仕切壁１２ｃ及びリブレット１２ａの形成は、切削加工、引き抜き加工又はプレス加工等により行なうのがよい。側壁１１ｂ、凸条１１ａ、側壁１２ｂ、仕切壁１２ｃ及びリブレット１２ａを溶接等で金属平板１０に取付けると、接触熱抵抗が増加し好ましくない。

一面に幅広の溝状の第一流路１１が形成され、他面に複数の幅狭の溝状の第二流路１２が形成された金属平板（隔壁）１０を同一金属素材で複数枚製作し、前記一面同士、他面同士を対向させるようにして、複数枚の同一金属素材の金属平板１０を積層し、側壁１１ｂ同士、側壁１２ｂ同士及び仕切壁１２ｃ同士を圧接して拡散接合等で一体化し、実施の形態１の積層構造の熱交換器９１を製作する。複数枚の同一金属素材の金属平板１０同士を拡散接合で一体化することにより、伝熱面領域の接触熱抵抗を低減することができる。

冷媒としてＲ４１０Ａを用いる場合、第一流路１１及び第二流路１２を矩形断面とし、第二流路１２は、冷媒Ｒ４１０Ａの２次流れによる伝熱促進効果を持たせる程度の水力直径（相当直径）として、第一流路１１を冷媒Ｒ４１０Ａの２次流れの影響による伝熱効果を最大限生かせる配置とする。

第一流路１１を流れる液体（水）の熱コンダクタンスと、第二流路１２を流れる冷媒（Ｒ４１０Ａ）の熱コンダクタンスのバランスをとるために、冷媒の熱伝達率と、リブレット１２ａを含む第二流路１２の濡れ縁長さ（複数の第二流路１２全ての濡れ縁長さの総和）との積を、液体（水）の熱伝達率と、凸条１１ａ部分を含む第一流路１１の濡れ縁長さとの積と略等しくするとよい。

リブレット１２ａにより濡れ縁長さを増加させる方法として、リブレット１２ａの高さを高くするか、リブレット１２ａの幅方向の分割を細かくする方法がある。リブレット１２ａの幅方向の分割を細かくすることにより、伝熱面の幅方向の大きさを抑え、熱交換器９１をコンパクトに形成することができる。

実施の形態１の熱交換器９１は、第一流路１１の流れ方向（図１の紙面に垂直な方向）に凸条１１ａを設け、第二流路１２の流れ方向（図１の紙面に垂直な方向）に、複数の細かい凸条であるリブレット１２ａを設けたので、伝熱場と流れ場のベクトル方向が一致し、伝熱促進と圧力損失低減（乱流を発生させないことによる）を図ることができる。また、リブレット１２ａの溝構造により、二相域の冷媒の液膜が薄く維持され伝熱が促進される。さらに、リブレット１２ａにより、形状抵抗低減効果が期待できるとともに、リブレット効果と言われる５〜１０％程度の摩擦低減効果が期待できる。

熱交換有効率を最も高くするために、第一流路１１と、第二流路１２とを平行に形成するとともに、第一流路１１を流れる液体（水）と、第二流路１２を流れる冷媒とを、対向流とするのがよい。また、リブレット１２ａ等の伝熱面の潰蝕を防止するために、液体（水）及び冷媒の流速は、１．５ｍ／ｓｅｃ以下にするのがよい。

直方体状に形成された実施の形態１の積層構造の熱交換器９１は、図２に示す直方体の筐体１５に収納される。熱交換器９１の第一流路１１の一端は、図示しない第一ヘッダーを介して筐体１５の給水口１５ａに接続され、第一流路１１の他端は、同じく第一ヘッダーを介して排水口１５ｂに接続される。

また、熱交換器９１の第二流路１２の一端は、図示しない第二ヘッダーを介して筐体１５の冷媒供給口１５ｃに接続され、第二流路１２の他端は、同じく第二ヘッダーを介して冷媒排出口１５ｄに接続される。金属平板（隔壁）１０に第一、第二ヘッダーをろう付けするときは、まず、高温ろう材で一方のヘッダーをろう付けし、次に低温ろう材で他方のヘッダーをろう付けするブレージングを行なうようにする。

第二流路１２内での冷媒の相変化に対応するために、第一、第二流路１１、１２を上下方向に向けて熱交換器９１を設置するようにする。熱交換器９１を凝縮器として使用する場合は、冷媒の相変化に伴う乾き度変化で生じる気泡が第二流路１２の流れを阻害しないために、流れが気泡の浮力と逆の方向になるように、冷媒を第二流路の上から下へ流すようにする。

熱交換器９１を蒸発器として使用する場合は、冷媒の相変化に伴う乾き度変化で生じる気泡が第二流路１２の流れを阻害しないために、流れが気泡の浮力と同じ方向になるように、冷媒を第二流路の下から上へ流すようにする。

実施の形態２．
図３は、本発明にかかる熱交換器の実施の形態２の第一、第二流路を示す部分拡大断面図である。実施の形態２の熱交換器９２は、第一流路２１の凸条２１ｍ、２１ｎの形状及び第２流路２２のリブレット２２ｍ、２２ｎの形状のみが実施の形態１の熱交換器９１と異なり、他の部分は異なるところがない。

図３に示すように、第一流路２１の壁面としての隔壁２０の一面には、第一流路２１の流れ方向（図３の紙面に垂直な方向）に、凸条２１ｍ、２１ｎを設け、第二流路２２の壁面としての隔壁２０の他面には、第二流路２２の流れ方向（図３の紙面に垂直な方向）に、第一流路２１の凸条２１ｍ、２１ｎより細かい複数の凸条であるリブレット２２ｍ、２２ｎを設けている。

第二流路２２の複数のリブレットの高さを、第二流路２２の中心部付近のリブレット２２ｍは高く、端部付近のリブレット２２ｎは徐々に低くし、又はリブレットを無くすようにする。また、中心部付近のリブレット２２ｍに対応する位置に設けられた凸条２１ｍは高く、仕切壁２２ｃに対応する位置に設けられた凸条２１ｎは低くするようにする。

このような構造にすることにより、冷媒及び液体（水）の流動抵抗を低減させることができる。また、冷媒の２次流れに対して影響を受ける箇所において伝熱面積が増加し、２次流れの影響が少ない箇所では伝熱面積が通常のままとなる。

以上のように、本発明にかかる熱交換器は、温水器や冷水器に有用である。

本発明にかかる熱交換器の実施の形態１の第一、第二流路を示す断面図である。 実施の形態１の熱交換器の外観斜視図である。 本発明にかかる熱交換器の実施の形態２の第一、第二流路を示す部分拡大断面図である。

符号の説明

１０ 隔壁（金属平板）
１１ 第一流路
１１ａ 凸条
１１ｂ 側壁
１２ 第二流路
１２ａ リブレット
１２ｂ 側壁
１２ｃ 仕切壁
１５ 筐体
１５ａ 給水口
１５ｂ 排水口
１５ｃ 冷媒供給口
１５ｄ 冷媒排出口
２０ 隔壁（金属平板）
２１ 第一流路
２１ｍ、２１ｎ 凸条
２２ 第二流路
２２ｃ 仕切壁
２２ｍ、２２ｎ リブレット
９１、９２ 熱交換器

Claims (8)

1. 液体が流れる第一流路と、前記第一流路の近傍に隔壁を介して配置され相変化する冷媒が流れる第二流路と、を備える熱交換器において、
   前記第一流路の壁面には、該第一流路の流れ方向に、凸条を設け、前記第二流路の壁面には、該第二流路の流れ方向に、前記第一流路の凸条より細かい複数の凸条であるリブレットを設けたことを特徴とする熱交換器。
2. 前記冷媒の熱伝達率と前記リブレットを含む前記第二流路の濡れ縁長さの積を、前記液体の熱伝達率と前記凸条部分を含む前記第一流路の濡れ縁長さの積と略等しくしたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記隔壁は金属平板であり、該金属平板の一面に、幅広の前記第一流路及び前記凸条を形成し、他面に複数の幅狭の前記第二流路及び前記リブレットを形成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交換器。
4. 請求項３に記載の金属平板を、前記一面同士、他面同士を対向させるようにして、複数枚積層して一体化し、前記第一、第二流路を形成したことを特徴とする熱交換器。
5. 前記第二流路の複数のリブレットの高さを、該第二流路の中心部付近では高く、端部付近では低く又はリブレットを無くすことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の熱交換器。
6. 前記冷媒が流れる第二流路が、上下方向を向くように設置したことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の熱交換器。
7. 凝縮器として使用される場合は、前記冷媒を前記第二流路の上から下へ流すことを特徴とする請求項６に記載の熱交換器。
8. 蒸発器として使用される場合は、前記冷媒を前記第二流路の下から上へ流すことを特徴とする請求項６に記載の熱交換器。

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