JP5507187B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、被熱交換流体が流れる流路を備えた熱交換器に関する。

従来、３枚のプレートを平行に配置してプレート間に２つの空間を形成し、一方の空間にフィンを設けた熱交換器がある。そしてフィンを設けた空間に冷却すべき被熱交換流体を流し、他方の空間に冷却流体を流すことにより、被熱交換流体を冷却流体で冷却している（特許文献１参照）。しかし、上記熱交換器は、プレート間にフィンを形成するため形状が複雑になる。これに対して、より簡単な構造の熱交換器として、被熱交換流体が流れる流路を形成する管状部材内に乱流形成部材として球体を配置した熱交換器がある（例えば、特許文献２参照）。

特開平６−８８６８４号公報 特開２００５−１２３３００号公報

しかし、上記特許文献２には、流路内における球体の配置状態については開示されていない。流路内に単に球体を入れただけでは、球体の数が少ない場合、流路内で球体が移動したり、一方に偏ったりする。また、球体が流路内で移動しないように流路内いっぱいに充填した場合、流体が流れにくくなるという問題がある。

本発明の目的は、被熱交換流体が流れる流路内における乱流形成部材の配置状態が改良された熱交換器を提供することである。

上記課題を解決するために本発明の熱交換器は、被熱交換流体が流れる流路と、互いに連結されて整列した状態で流路に配置された複数の乱流形成部材と、を備えることを特徴とする。流路内を流れる被熱交換流体の熱は、流路を形成する部材の表面から外部に放出される。本発明によると、流路に複数の乱流形成部材が配置されているため流路に乱流が形成される。その結果、流路を流れる被熱交換流体と、流路の外部との間での熱交換効率を向上させることができる。また、複数の乱流形成部材は互いに連結されて整列した状態で流路に配置されているため、流路を流れる被熱交換流体の圧損が少ない。
また、乱流形成部材は、乱流形成部材のそれぞれを貫通する線状部材により連結すること特徴とする。乱流形成部材に線状部材を貫通させることにより、容易に連結することができる。
さらに、流路を筒状部材内に形成し、筒状部材の端部における内面に、該筒状部材の中心軸を挟んで対象となる２箇所に溝部を形成し、その溝部に支持部材を架け渡し、その支持部材の中央に線状部材の端部を固定すること特徴とする。このように線状部材の端部を保持することにより、簡単な構造で乱流形成部材を筒状部材の内部に保持することができる。
なお、被熱交換流体が流れる流路と接するとともに被熱交換流体と熱交換を行う熱交換流体を備えてもよい。

複数の乱流形成部材は、互いに離間して連結されていることが好ましい。乱流形成部材を互いに離間して連結することにより、流路の内部を流れる被熱交換流体の圧損をさらに少なくすることができる。

乱流形成部材は、例えば球体である。球体とすることにより、乱流形勢部材の製造が容易となる。また、乱流形成部材は偏心して連結してもよく、らせん状に連結してもよい。さらに、乱流形成部材の表面は、ブラストなどにより、表面粗度を大きくして表面を荒くしてもよい。

互いに隣接する乱流形成部材間において線状部材の外周に筒部材を貫通させ、筒部材により乱流形成部材間の距離を規定してもよい。このようにすることにより、乱流形成部材間の距離を簡単に規定することができる。

乱流形成部材を貫通する線状部材には、流路を形成する部材の内壁と乱流形成部材とを離隔させるための位置規定部材を設けてもよい。例えば線状部材が長く、両端を支持部材に固定しても線状部材が撓んで乱流形成部材が流路の内壁に接触する可能性がある。この場合、流路の内部を流れる被熱交換流体の乱流形成に悪影響を与える可能性がある。しかし、位置規定部材を設けることにより、線状部材が筒状部材の中心軸上に保持されるため、乱流形成部材が流路の内壁への接触が防止される。

本発明によれば、流路内における乱流形成部材の配置状態が改良された熱交換器を提供することができる。

本発明の一実施形態を適用した二重管式熱交換器の概略断面図である。 乱流形成構造体の装着構造を示す内管の端部分解斜視図である。 乱流形成構造体の構成を示す分解斜視図である。 乱流形成構造体の異なる構成例を示す図である。

以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態を適用した二重管式熱交換器１の概略断面図である。図１に示す二重管式熱交換器１（以下単に熱交換器１と称する）は、たとえば、自動車エンジンで発生する熱を発散するための水冷式熱交換器である。

熱交換器１は、外管１１と、その内部に同心状に配置された内管１２とを備え、それらの管１１，１２の両端に、管保持部２０（第１管保持部２１および第２管保持部２２）を備えている。なお、第１管保持部２１および第２管保持部２２は略対称に形成されているため、以下の説明においては、特に必要のある場合を除いて管保持部２０として説明する。

外管１１および内管１２は、それぞれアルミニウム合金等の熱伝導率の高い材料によって製造されている。内管１２の内部は、被熱交換流体(液体でも基体でもよく、本実施形態においては熱交換水）が供給される内部流路３１となっている。外管１１の内周面と内管１２の外周面とは一定の間隔が保たれており、この外管１１の内周面と内管１２の外周面との間の空間が、冷却流体（本実施形態においては冷却水）の流れる環状の外部流路３２となっている。

管保持部２０（第１管保持部２１および第２管保持部２２）は、内部に所定容量の空間であるチャンバ２０Ａを備えている。また、管保持部２０は、外管１１を接続するための外管接続部２０Ｂと、内管１２を接続するための内管接続部２０Ｃと、給排出管を接続するための給排出管接続部２０Ｄと、を備えている。これら外管接続部２０Ｂ、内管接続部２０Ｃおよび給排出管接続部２０Ｄは、それぞれチャンバ２０Ａと外部とを連通するように形成されている。外管接続部２０Ｂには、外管１１が水密的に螺合接続されており、外管１１の内部とチャンバ２０Ａとは連通している。

内管１２は外管１１より長く、内管１２の端部は、チャンバ２０Ａの内部を通って管保持部２０の外端側まで延びている。そして内管１２の端部外周にはネジ部１２Ａが形成されており、このネジ部１２Ａにロックナット２３が螺合装着されている。このロックナット２３が、チャンバ２０Ｃの水密性を保ちつつ、内管１２を管保持部２０の内管接続部２０Ｃに接続している。

上記のように構成された熱交換器１は、第１管保持部２１と第２管保持部２２の両チャンバ２０Ａが、外管１１と内管１２の間の外部流路３２によって連通している。また、内管１２の内部の内部流路３１は、チャンバ２０Ａおよび外部流路３２の内部に、チャンバ２０Ａおよび外部流路３２とは隔絶した状態で形成され、内管１２の端部で外部に開放している。

第１管保持部２１の給排出管接続部２０Ｄには、図示しない冷却水供給装置から冷却水を供給する冷却水供給管路が接続され、第２管保持部２２の給排出管接続部２０Ｄに図示しない冷却水排出管路が接続される。また、第１管保持部２１側の内管１２の端部に図示しない熱交換水を供給する流体供給管路が接続され、第２管保持部２２側の内管１２の端部に図示しない熱交換水を回収する回収管路が接続される。

これにより、図１中に矢印で示すように、第１管保持部２１の給排出管接続部２０Ｄに供給された冷却水は、第１管保持部２１のチャンバ２０Ａから、外管１１と内管１２の間の外部流路３２を介して第２管保持部のチャンバ２０Ａに流れ、第２管保持部２２の給排出管接続部２０Ｄから排出される。また、第１管保持部２１側から内管１２に供給された熱交換水は、内管１２の内部（すなわち内部流路３１）を流れて第２管保持部２２側から回収される。

そして、内部流路３１を流れる熱交換水と、外部流路３２を流れる冷却水との間で、内管１２の管壁を介して（熱伝導によって）熱交換が行われる。たとえば、内部流路３１を流れる高温の水が、外部流路３２を流れる冷却水によって冷却される。

ここで、内部流路３１の内部には、熱交換水の流れを変化させる乱流形成構造体４０が配置されている。図２は、乱流形成構造体４０の装着構造を示す内管１２の端部分解斜視図である。図３は、乱流形成構造体４０の構成を示す分解斜視図である。乱流形成構造体４０は、図示するように、乱流形成部材である球体４１が、連結部材４２によって複数連結されて構成されている。球体４１は、たとえば、銅合金やアルミニウム合金等によって、外形が所定径の球状に形成されている。なお、その素材は銅合金やアルミニウム合金に限るものではなく、他の金属やセラミックスまたは合成樹脂等であってもよい。また、球体４１の構造は、無垢であっても中空であっても何れでもよい。また、球体４１の径は、内管４１の内径の１／２以上が好ましく、内径の８０％〜９０％がより好ましい。

連結部材４２は、所定の強度を有する細い線状または棒状の部材であって、球体４１を貫通して当該球体４１を保持している。連結部材４２は、所定の強度を備えれば良く、たとえば、鋼線（ピアノ線）や細い鋼線を撚り合わせたワイヤロープ、カーボン樹脂による線材等を用いることができる。連結部材４２の端部にはフック４２Ｆが形成されている。隣接する球体４１の間には、球体４１の間隔を規定する所定長さのカラー（筒部材）４３が、連結部材４２に外挿されて配設されている。カラー４３は、連結部材４２に外挿可能な円筒状の部材であって、球体４１の間隔と対応する長さに形成されている。また、カラーと球体とは一体となっていてもよく、複数のカラーと複数の球体とが一体となっていても、カラー無しで複数の球体が一体となっていてもよい。

上記のように形成された乱流形成構造体４０は、図２に示すように、連結部材４２の端部に形成されたフック４２Ｆが、内管１２の端部に設けられた支持部材４４に係合し、内管１２の内部の所定位置に配置されている。

支持部材４４は、内管１２の端部に形成されたスリット１２Ｓに嵌合して設けられている。スリット１２Ｓの形成域は、内管１２の端部のネジ部１２Ａの中間部位までとなっており、ネジ部１２Ａにシールテープを巻き付けてロックナット２３を螺合することで、チャンバ２０Ａと内管１２（内部流路３１）の水密性を破綻させることなく支持部材４４を装着することができるようになっている。なお、乱流形成構造体４０の内管１２への固定構造は、上記構成に限るものではなく、チャンバ２０Ａと内管１２（内部流路３１）の水密性を保つことができれば、ロウ付け、溶接、ネジ止め等、他のいかなる構成であっても良い。

上記のように構成された乱流形成構造体４０は、内管１２の軸方向の略全域に亘って配設されている。つまり、内部流路３１の略全域に亘って、球体４１が所定間隔で配設されている。また、図１中には示さないが、乱流形成構造体４０の長さが長い場合等には、図２中に示すように、乱流形成構造体４０の所定位置に位置規定部材４５を備えても良い。図２中に示す位置規定部材４５は、所定位置のカラー４３に、内管１２の内周に嵌合するリング４５Ｂが連結軸４５Ａで支持されて構成されている。このような位置規定部材４５を備えることにより、乱流形成構造体４０の内管１２の内部（内部流路３１内）における偏芯および振動を抑制することができる。

このような乱流形成構造体４０が内管１２の内部（すなわち内部流路３１）の内部に配設されていることにより、内部流路３１の流路断面積は、熱交換水の流れ方向において連続的に変化する。すなわち、球体４１の最大径の部位では流路断面積は最小となり、球体４１間の部位では流路断面積は最大となり、熱交換水には、球体４１の下流側において乱流が惹起される。

その結果、内部流路３１を流れる熱交換水と、外部流路３２を流れる冷却水との間での熱交換効率を向上させることができる。本構成では、内管の外周面にフィンを立設して冷却水との接触面積を拡大させて熱交換効率を向上させる場合のように、複雑でコストを要することがない。

ここで、乱流形成構造体４０は、内部流路３１を流れる熱交換水の抵抗となって圧力損失を生じさせる。このため、内管１２の内径（内部流路３１の径）に対する球体４１の径と、球体４１の設置間隔とを適切に設定する必要がある。

表１に、本発明を適用した一実施例において、球体４１の径を一定として、球体４１の設置間隔：Ｓを変化させ、温度差ΔＴ（熱交換効率）と差圧ΔＰ（圧力損失）とを測定した試験結果を示す。
ここで、
温度差ΔＴ＝Ｔ１‐Ｔ２
Ｔ１：内管１２（内部流路３１）の入口における熱交換水の温度
Ｔ２：内管１２（内部流路３１）の出口における熱交換水の温度
である。

また、
差圧ΔＰ＝Ｐ１‐Ｐ２
Ｐ１：内管１２（内部流路３１）の入口における熱交換水の圧力
Ｐ２：内管１２（内部流路３１）の出口における熱交換水の圧力
である。

なお、試料Ｎｏ．１とＮｏ．１０とは、比較例であって、Ｎｏ．１は球体４１を内管１２（内部流路３１）内にランダムに充填した例、Ｎｏ．１０は乱流形成構造体４０（球体４１）を備えない例である。

試験条件は、下記の通りである。
内管１２の内径（内部流路３１の径）：Ｄ＝φ８．４ｍｍ
球体４１の径：ｄ＝φ７ｍｍ
球体４１が配設された冷却水の流路長：Ｌ＝２２６ｍｍ
冷却水：水
冷却水流量：４００ｃｃ／ｍｉｎ
熱交換水：水 ８０°Ｃ
熱交換水流量：１００ｃｃ／ｍｉｎ

また、差圧ΔＰの測定においては、球体４１が配設された冷却水の流路長：Ｌ＝３１５ｍｍとし、熱交換水流量：６００ｃｃ／ｍｉｎ，９００ｃｃ／ｍｉｎ，１２００ｃｃ／ｍｉｎの３種類で測定した。

上記試験結果において、まず、内管１２内に乱流形成構造体４０（球体４１）を備えない試料Ｎｏ．１０と、乱流形成構造体４０を備える試料Ｎｏ．２から試料Ｎｏ．９までとを比較すると、乱流形成構造体４０を内管１２内に設けることにより、内管１２の入口と出口との間の温度差ΔＴが異なることが分かる。乱流形成構造体４０が含む球体４１は試料Ｎｏ．９のように１つであっても温度差ΔＴをかなり増加させる効果がある。そして球体４１の数が多くなると(球体４１間の距離が短くなると）さらに温度差ΔＴは大きくなるが、球体４１の数が７個以上になると（球体４１間の距離Ｓが２８ｍｍ，球体４１の径７ｍｍの４倍以下になると）、温度差ΔＴは本実施例において略同じ程度であった。

球体４１を連結せずに内管１２（内部流路３１）内にランダムに充填した試料Ｎｏ．１と、球４１同士は互いに接触しているが、互いに連結され、球の中心が一直線上に並んでいる試料Ｎｏ．２とを比較すると、温度差ΔＴについては３６．０℃から３２．０℃まで減少するが、球４１を連結しただけで差圧ΔＰが大きく減少（例えば熱交換水流量１２００ｃｃにおいては、ΔＰは３５．５ＫＰａから１０．２ＫＰａまで）していることが分かる。

以上の結果より、球体４１を内管１２内（内部流路３１）に配置することで、内管１２における温度差ΔＴを上昇させることができる。しかし、温度差ΔＴは、球体４１の設置間隔：Ｓが大きくなると減少する（熱交換効率が低下する）。一方、球体４１の設置間隔：Ｓを大きくすると、冷却水流量の増加に対する差圧ΔＰの増加率が減少する。

すなわち、温度差ΔＴは、球体４１の設置間隔：Ｓが大きくなると減少する（熱交換効率が低下する）が、その減少率は流路抵抗の増加率に対して小さい。このため、球体４１の設置間隔：Ｓは、密に配設せずに有る程度の間隔を設定することが好ましいが、当該熱交換器１を用いる用途および装置の能力に応じて（冷却効率優先または圧力損失優先かを選択して）適宜設定すれば良い。

以上、説明したように、本構成における熱交換器１によれば、熱交換水の流れる内部流路３１に、球体４１を連結部材４２によって複数連結した乱流形成構造体４０が配設されている。この乱流形成構造体４０によって、内部流路３１を流れる熱交換水は、その流速が増減すると共に乱流を生ずる。その結果、内部流路３１を流れる熱交換水と、外部流路３２を流れる冷却水との間での熱交換効率を向上させることができる。本構成によれば、内管の外周面にフィンを立設して冷却水との接触面積を拡大させる構成に比較して、製造が簡単で製造コストを抑えることができる。

（変形形態）
本発明は、以上説明した実施形態に限定されることなく、以下に示すような種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の範囲内である。
（１）本実施形態は、本発明を二重管式熱交換器に適用した例である。しかし、本発明が適用可能な熱交換器は二重管式熱交換器に限るものではなく、管路に冷却水または熱交換水を流す構成の熱交換器であれば、シェルアンドチューブ形や、フィンチューブ形の熱交換器にも適用可能なものである。
（２）また、被熱交換流体が流れる流路の断面は、円形に限らず、例えば矩形、星形などでもよく、螺旋形状を形成する突起があってもよい。星形や螺旋形状にすることにより、乱流形成部材の固定が容易となったり、熱交換効率がよくなる。なお、螺旋形状は内管に突起を形成する方法の他に、螺旋状のリボンを挿入して形成してもよい。さらに、外管に乱流形成部材を入れても、内外管に乱流形成部材を入れてもよく、エロフィンチューブと組み合せてもよい。

（３）本実施形態における乱流形成構造体４０は、単位部材としての球体４１が連結部材４２によって複数直列に連結されて構成されている。しかし、単位部材の形状やその連結姿勢等は、上記実施形態に限定されるものではない。

図４は、乱流形成構造体４０の異なる構成例を示す図である。図４（ａ）に示すように、球体４１を偏芯させて連結部材４２によって連結して構成したり、図４（ｂ）に示すように、径の異なる球体４１，４１′を連結して構成しても良い。図４（ａ）に示す球体４１を偏芯させて連結部材４２によって連結する構成では、球体４１と内管１２の内周壁との間の広い側の隙間部分が螺旋を描くように球体４１を配置すれば、流通抵抗の上昇を抑制できる。さらに、単位部材の形状は、球状に限らず多面体や円盤状等であっても良く、たとえば、図４（ｃ）に示すように、断面形状が菱形を呈するいわゆるソロバン玉状の部材４１″とする等、適宜変更可能である。

１：二重管式熱交換器、１１：外管、１２：内管、３１：内部流路、３２：外部流路、４０：乱流形成構造体、４１，４１′：球体、４１″：ソロバン玉状の部材、４２：連結部材、４３：カラー、４４：支持部材、４５：位置規定部材

Claims (7)

1. 被熱交換流体が流れる流路と、
   互いに連結されて整列した状態で前記流路の内部に配置された複数の乱流形成部材と、
   を備え、
   前記乱流形成部材は、該乱流形成部材のそれぞれを貫通する線状部材により連結され、
   前記流路は筒状部材内に形成され、前記筒状部材の端部における内面には、該筒状部材の中心軸を挟んで対象となる２箇所に溝部が形成され、
   該溝部には支持部材が架け渡され、
   該支持部材の中央に前記線状部材の端部が固定されていること、
   を特徴とする熱交換器。
2. 前記複数の乱流形成部材は、互いに離間して連結されていること、
   を特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記乱流形成部材は偏心して連結されていること、
   を特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器
4. 前記乱流形成部材はらせん状に連結されていること、
   を特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
5. 前記乱流形成部材は球体であること、
   を特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱交換器。
6. 互いに隣接する乱流形成部材間において前記線状部材の外周には筒部材が貫通され、該筒部材により前記乱流形成部材間の距離が規定されていること、
   を特徴とする請求項５に記載の熱交換器。
7. 前記乱流形成部材を貫通する線状部材には、前記流路を形成する部材の内壁と前記乱流形成部材とを離隔させるための位置規定部材が設けられていること、
   を特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱交換器。

Images