JP6028473B2

JP6028473B2 - 熱交換器

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Publication number: JP6028473B2
Application number: JP2012197632A
Authority: JP
Inventors: 俊吉岡; 隆平加治; 伸彦松尾; 尚吾太田; 寛二赤井
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2012-09-07
Filing date: 2012-09-07
Publication date: 2016-11-16
Anticipated expiration: 2032-09-07
Also published as: JP2014052148A

Description

本発明は、２つの流体の間で熱交換させる熱交換器に関する。

従来からあるヒートポンプ式給湯装置の冷媒回路においては、例えば、ＣＯ₂と水との間で熱交換を行わせる水熱交換器が利用されている。このような２つの流体の間で熱交換させる熱交換器には、プレート型熱交換器がある。例えば、特許文献１（特開平１０−２８８４８０号公報）には、複数の伝熱プレートを等間隔に積層したプレート型水熱交換器が記載されている。

ところで、水熱交換器で、６０度以上の高温出湯をする際，熱交換効率を上げるために流路長を長くする必要がある。従来の熱交換器では、水は、熱交換器の一端から入って他端に向けて流れた後、他端に到達すると、そのまま熱交換器から出る。このため、流路長は、熱交換器の長さにほぼ等しくなり、流路長を十分に確保するのが難しい。特許文献１に記載されているようなプレート型熱交換器では、流速を下げることにより流路長を長くしたのと同じ効果を得ようとしているが、これでも流路長が不十分な場合がある。

そこで、十分な流路長を確保するために水が熱交換器内を往復するように流路を設けることが考えられる。しかし、この場合、往復のために流路が折り返す部分において、例えば、加熱の初期段階の水が流れる流路と、ある程度加熱された水が流れる流路とが隣接し、異なる温度の水の間で熱伝達が起こり、熱交換効率が低下し、その結果、出湯温度が低下する恐れがある。

本発明の課題は、第１流体と第２流体とを熱交換させる熱交換器において、熱交換効率の低下を抑制することである。

本発明の第１観点に係る熱交換器は、第１流体と第２流体とを熱交換させる熱交換器であって、第１組立体と、第２流体用扁平多穴管とを備える。第１組立体は、第１流体用第１、第２、及び第３熱交換流路を含む多数の第１流体用熱交換流路が、積層されている。第１流体用熱交換流路は、端部と中央部とを有し、一対のプレス加工板の周縁を重ね合わせて形成される。多数の第１流体用熱交換流路は、端部が隣接する第１流体用熱交換流路の端部と重なるように積層される。多数の第１流体用熱交換流路は、第1流体を端部において折り返して流す。隣接する第１流体用第１熱交換流路の端部と第１流体用第２熱交換流路の端部とは、それぞれに形成された孔を介して連通する。隣接する第１流体用第２熱交換流路の端部と第１流体用第３熱交換流路の端部とは連通しておらず、第１流体用第２熱交換流路の端部と第１流体用第３熱交換流路の端部との間に断熱層が設けられている。第２流体用扁平多穴管は、第１流体用第１熱交換流路の中央部と第１流体用第２熱交換流路の中央部との間にも、第１流体用第２熱交換流路の中央部と第１流体用第３熱交換流路の中央部との間にも、配置されている。

第１観点の熱交換器によれば、第1流体を端部において折り返して流すところ、連通していない隣接する端部同士の間には断熱層が設けられている。したがって、隣接する端部同士の間で熱の伝達が抑制される。これにより、熱ロスによる熱交換効率の低下を抑制することができる。

本発明の第２観点に係る熱交換器は、第１観点に係る熱交換器において、断熱層は、第１流体用第２熱交換流路の端部の壁と第１流体用第３熱交換流路の端部の壁との間に形成された断熱隙間により構成されている。

第２観点の熱交換器によれば、隣接する端部の壁同士の間には、断熱層として断熱隙間が形成されている。当該断熱隙間により、隣接する端部同士の間での熱の伝達が抑制される。

本発明の第３観点に係る熱交換器は、第２観点の熱交換器において、断熱隙間は、壁同士の部分接触あるいは非接触によって形成される。

第３観点の熱交換器によれば、端部の壁同士は、部分的に接触しているか、あるいは接触していない。その結果、隣接する端部同士の間に断熱隙間が形成されている。これにより、隣接する端部同士の間での熱の伝達が抑制される。

本発明の第４観点に係る熱交換器は、第３観点の熱交換器において、断熱隙間は、壁同士の点接触によって形成される。

第４観点の熱交換器によれば、端部の壁同士は、点により接触している。その結果、隣接する端部同士の間に断熱隙間が形成されている。これにより、隣接する端部同士の間での熱の伝達が抑制される。

本発明の第５観点に係る熱交換器は、第３観点の熱交換器において、断熱隙間に、断熱部材を有する。

第５観点の熱交換器によれば、隣接する端部同士の隙間には、断熱部材が存在し、隣接する端部同士は直接接触していない。これにより、隣接する端部同士の間での熱の伝達が抑制される。

本発明の第６観点に係る熱交換器は、第２観点から第５観点のいずれかの熱交換器において、第１流体用第１熱交換流路の端部と第１流体用第２熱交換流路の端部とは、ロウ付により接合されており、第１流体用第２熱交換流路の端部と第１流体用第３熱交換流路の端部とは、接合されていない。

第６観点の熱交換器によれば、連通している端部同士はロウ付により接合されており、連通していない端部同士は接合されていない。断熱すべき端部を、ロウ付等により接合しないことにより、熱の伝達を抑え、熱ロスを低減する。

本発明の第１観点に係る熱交換器では、熱ロスによる熱交換効率の低下を抑制することができる。

本発明の第２観点から第５観点のいずれかに係る熱交換器では、隣接する端部同士の間での熱の伝達を抑制することができる。

本発明の第６観点に係る熱交換器では、断熱すべき端部を、ロウ付等により接合しないことにより、熱の伝達を抑え、熱ロスを低減することができる。

本実施形態の熱交換器を含むヒートポンプ式給湯装置の概要を示す回路図。冷凍装置の内部構造を模式的に示す断面図である。熱交換器の構成の概要を示す概念図。熱交換器の平面構成を模式的に示す平面図。熱交換器の外観を示す部分斜視図。図５のＶＩ−ＶＩ断面図。金属プレートの一例の平面図。（ａ）重ね合わされた金属プレートを示す側面図、（ｂ）組み立てられた扁平管及び出入口ポートを示す側面図、（ｃ）第１組立体と第２組立体との組立工程を示す部分斜視図、（ｄ）接合後の熱交換器を示す部分斜視図。図８（ｂ）のＩＸ−ＩＸ断面図。仕切部における金属プレートの一例の部分平面図。比較例に係る図８に相当する断面図。熱交換器における温度分布予測グラフ。変形例Ａに係る金属プレートの一例の部分平面図。変形例Ｂに係る図９に相当する断面図。変形例Ｂに係る金属プレートの一例の部分平面図。変形例Ｃに係る図９に相当する断面図。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。なお、本発明にかかる熱交換器の実施形態は、以下に説明する実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。本発明に係る熱交換器は、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃなどのフロン系冷媒から二酸化炭素（ＣＯ₂）冷媒を含む自然冷媒を対象としているが、以下においては、ＣＯ₂冷媒を対象とする熱交換器を例に挙げて説明する。

（１）ヒートポンプ式給湯装置の構成
図１には、第１実施形態に係る熱交換器を含むヒートポンプ式給湯装置が示されている。ヒートポンプ式給湯装置１は、温水熱源装置である冷凍装置２と、貯湯ユニット３とを備える。

冷凍装置２は、冷媒であるＣＯ₂を圧縮する圧縮機４と、ＣＯ₂と水との間で熱交換を行うための熱交換器１０と、ＣＯ₂の減圧手段としての膨張弁５と、外気とＣＯ₂との間で熱交換を行うための空気熱交換器６とを有している。圧縮機４と熱交換器１０と膨張弁５と空気熱交換器６とが接続されて、ＣＯ₂の循環する冷媒回路が構成される。また、貯湯ユニット３は、貯湯タンク８と、水循環ポンプ９とを備える。水熱交換器１０と貯湯タンク８と水循環ポンプ９とが接続されて、水の循環する水循環回路が構成される。

図２には、冷凍装置の内部構造が模式的に示されている。図２において、断熱壁２ｃの右側区画が機械室２ａであり、断熱壁２ｃの左側区画が送風機室２ｂである。機械室２ａには、圧縮機４や膨張弁５が配置されている。送風機室２ｂには、モータ（図示省略）によって駆動されるファン７が配置されている。送風機室２ｂの下方には、断熱壁２ｄを隔てて熱交換器１０が配置されている。熱交換器１０内にて、冷媒回路を循環するＣＯ₂と、水循環回路を循環する水との間で熱交換が行われる。また、図２において、空気熱交換器６は、送風機室２ｂの左側と背面側に配置されている。

（２）熱交換器の概要構成
本発明の第１実施形態に係る熱交換器１０は、図３〜図５に示されているように、多数の扁平管２０と多数の扁平多穴管４０と出入口部３０と出入口分配管５０とを含んで構成される。図３〜図６には、５つの扁平管２０と４つの扁平多穴管４０とが交互に積層されている例が示されている。ただし、これら積層される扁平管２０や扁平多穴管４０の数は、要求される性能などに応じて適宜選定されるものである。また、この例では、最下段と最上段に扁平管２０が配置されているが、扁平多穴管４０を最下段や最上段に配置することもできる。

扁平管２０には低圧の水が流れ、扁平多穴管４０には高圧によって超臨界状態になっているＣＯ₂が流れる。扁平多穴管４０には高い耐圧が要求される一方、水が流れる扁平管２０には高い耐食性が要求される。そのため、高い耐圧が要求される扁平多穴管４０には、多数の細い流路４１が設けられている。扁平多穴管４０は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅合金、ステンレス鋼などで形成されると好適である。このような細い多数の流路４１を有する扁平多穴管４０の形成には、アルミニウム及びアルミニウム合金の引き抜き加工や押し出し加工が好適に用いられ、このような加工を用いると安価に扁平多穴管４０を製造することができる。本実施形態においては、扁平多穴管４０は、アルミニウム又はアルミニウム合金製である。

扁平管２０の母材には、水の腐食性を考慮して、ステンレス鋼や銅合金を用いることが好ましい。ステンレス鋼の種類としては、例えば、ＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６などがある。扁平管２０をアルミニウムやアルミニウム合金からつくることもできるが、その場合には、内面に、アルマイト加工や樹脂コーティングなどの防食処理を施すことが好ましい。本実施形態においては、扁平管２０は、ステンレス鋼製の金属プレート８０によって構成されている。即ち、扁平管２０の母材は、ステンレス鋼である。

熱交換器１０は、図３に示されているように扁平管２０及び扁平多穴管４０が水平に配置された状態において、出入口部３０として、扁平管２０の右端部に配置される右側出入口部３１と、左端部に配置される左側出入口部３２とを含んでいる。左側出入口部３２の端部や図５に示されている右側出入口部３１の端部には、配管などと接続される出入口ポート３４が設けられる。なお、ここでは、説明を分かり易くするために図３の状態に熱交換器１０を置いた場合について説明しているが、この熱交換器１０は、必ずしも図３の状態で使用されなければならないものではない。例えば、右側出入口部３１を上に配置すると共に左側出入口部３２を下に配置して熱交換器１０を使用することもできる。

図３の例では、水は、まず、右側出入口部３１から扁平管２０に入る。出入口部３０は、最下段から最上段まで連通しておらず、ところどころ図８に示すような仕切り（仕切部ｄｖ）が設けてある。即ち、仮に図８に示されている最下段の扁平管を第１扁平管、その上の段の扁平管を第２扁平管、そしてさらにその上の段の扁平管を第３扁平管とすると、隣接する第１扁平管の端部と第２扁平管の端部とは、それぞれに形成された孔（ここでは、右側開口部２６ａ）を介して連通している。他方、隣接する第２扁平管の端部と第３扁平管の端部とは連通していない。第２扁平管の端部と第３扁平管の端部との間には、後述する断熱層（図８のＧ）が設けられている。そこで、水は、先ず左向きに流れ、熱交換器１０の左端で折り返し、右向きに流れる。このように繰り返し左右に折り返しながら扁平管２０の中を流れている間に水は、扁平多穴管４０内のＣＯ₂から与えられる熱で加熱される。

また、熱交換器１０には、出入口分配管５０として、扁平多穴管４０の右端部に配置される右側出入口分配管５１と、左端部に配置される左側出入口分配管５２とを含んでいる。図３の例では、ＣＯ₂は、左側出入口分配管５２に入り、複数の扁平多穴管４０に分流される。右側出入口分配管５１及び左側出入口分配管５２の内側には、ところどころ仕切り（仕切部材５３、５４）が設けてある。即ち、ＣＯ₂は、出入口分配管５０のみを通って最上段から最下段まで流れることはできない。そこで、ＣＯ₂は、先ず右向きに流れ、熱交換器１０の右端の右側出入口分配管５１で折り返し、左向きに流れる。このように繰り返し左右に折り返しながら扁平多穴管４０の中を流れる間にＣＯ₂は、扁平管２０内の水に熱を奪われて冷却される。

（３）熱交換器の詳細構成
図８は、熱交換器１０の製造工程を簡単に示した図である。以下、主に図８を用いて熱交換器１０の詳細な構成を説明する。

（３−１）扁平管の構造
図８（ａ）は、扁平管２０を製造するステップを示している。扁平管２０は、図８（ａ）に示されているように２つの金属プレート８０の周縁部８４を重ね合わせて接合することにより形成される。金属プレート８０は、プレス加工板である。

図４は、熱交換器１０の平面構成を模式的に示す平面図である。金属プレート８０の平面形状は、図４に示されている扁平管２０の平面形状と同じである。即ち、金属プレート８０の平面形状は、左右に長い略長方形であって、第１長辺８１の左右の両端部に２つの膨出部８６，８７が形成されている。

図６は図５のＶＩ−ＶＩ断面図である。図６に示されているように、金属プレート８０には、凹面部９５がプレス加工によって形成されている。凹面部９５は、金属プレート８０の外周８３（図７参照）に沿って形成されている所定幅の周縁部８４の内側の領域を占める。膨出部８６，８７では、凹面部９５の中でもさらに一段と深くなった凹部９８（図７参照）になっており、その凹部９８の形状は円形又は円形に近い形状になっている。

図７は、金属プレート８０の一例である金属プレート８０ｘの平面図である。金属プレート８０ｘの平面形状は、前述のとおり左右に長い略長方形であって、第１長辺８１ｘの左右の両端部に２つの膨出部８６ｘ，８７ｘが形成されている。２つの膨出部８６ｘ，８７ｘそれぞれには、開口部９０ｘが形成されている。

これら開口部９０ｘは、円形であって、全て同じ大きさである。また、開口部９０ｘは、第１長辺８１の延長線よりも外側にはみ出して配置されている。ただし、これらの形状は、水漏れし難くするために同じ形状であればよく、円形には限られない。また、配置される位置や大きさは流量や流路に合わせて設定される。これら開口部９０ｘは、凹面部９５ｘの中でもさらに一段深くなった凹部９８ｘに形成されている。開口部９０ｘが設けられた金属プレート８０ｘは、その端部２３が隣接する扁平管２０の端部２３と連通する扁平管２０を形成するために用いられている。

一対の金属プレート８０は、周縁部８４が重なるように重ね合わされ、ロウ付又は溶接により接合され、扁平管２０が形成される。金属プレート８０が重ね合わされると、２つの凹面部９５によって水が流れる流路２１が形成される。円形又は円形に近い形状の凹部９８が形成されている膨出部８６，８７は、扁平管２０の両面に円形又は円形に近い形状の凸面を形成し、端部２３を形成する。流路２１は、端部２３まで続いている。

なお、ここでは採用していないが、プレス加工によって凹面部９５を形成する際に、伝熱促進のためのディンプルやシェブロンも形成してもよい。

扁平管２０は、中央部２２と端部２３とを有する。中央部２２は、凹面部９５により流路２１が形成されている部分である。端部２３は、中央部２２の両端に位置し、膨出部８６，８７に形成された凸面の部分である。多数の扁平管２０がその端部２３同士を重ね合わされることにより接合され、積層されると、積層された端部２３は、出入口部３０を形成する。

（３−２）第１組立体
多数の扁平管２０は、図８（ｂ）に示されているように、その端部２３が隣接する扁平管２０の端部２３と重なるように積層され、第１組立体６０を形成する。扁平管２０の端部２３同士は、ロウ付又は溶接により接合される。即ち、扁平管２０の右側の端部２３は、隣接する扁平管２０の右側の端部２３と接合され、扁平管２０の左側の端部２３は、隣接する扁平管２０の左側の端部２３と接合される。

（３−３）仕切部及び断熱層
図９は、図８（ｂ）に示す第１組立体６０のＩＸ−ＩＸ断面図である。即ち、右側出入口部３１の縦断面を表している。

図９に示されている扁平管２０のうち、最下段にある第１扁平管２０ａの端部２３ａの上面には孔である開口部９０が形成されている。これは、第１扁平管２０ａの上面を形成する金属プレート８０ａに開口部９０ａが形成されているからである。第１扁平管２０ａの端部２３ａは、その上の段の第２扁平管２０ｂの端部２３ｂと接合されている。第２扁平管２０ｂの下面を形成する金属プレート８０ｂには、開口部９０ｂが形成されている。このため、端部２３ｂの下面にも開口部９０が形成されており、端部２３ａと端部２３ｂとは、開口部９０により連通している。

さらに、第２扁平管２０ｂの端部２３ｂは、その上の段の第３扁平管２０ｃの端部２３ｃと重なり合っているが、端部２３ｂの上面の壁（金属プレート８０ｃの凹部９８ｃ）及び端部２３ｃの下面の壁（金属プレート８０ｄの凹部９８ｄ）には、開口部９０が形成されておらず、端部２３ｂと端部２３ｃとは、連通していない。即ち、端部２３ｂと端部２３ｃとの間は、端部２３ｂの上面の壁（金属プレート８０ｃの凹部９８ｃ）及び端部２３ｃの下面の壁（金属プレート８０ｄの凹部９８ｄ）の計２枚の壁により隔てられており、仕切部ｄｖが形成されている。

端部２３ｃは、前述のように円形の凸面形状をしているが、図９に示すように、その周縁を除く中央が凹んでいる。具体的には、端部２３ｃの下面を形成する金属プレート８０ｄの凹部９８ｄは、図９及び図１０に示すように中央に平面視において凸部９８ｔｄを有する。図１０は、金属プレート８０ｄの右側の部分の平面図である。金属プレート８０ｄの凹部９８ｄには、中央に円形状の凸部９８ｔｄが形成されており、その周りに凹状の接触部９８ｏｄが形成されている。触部９８ｏｄは、環に近い形状であり、環のうち２箇所が太く外側に膨出した形状をしている。このため、端部２３ｂと端部２３ｃとは、端部２３ｃの一部分である接触部９８ｏｄで接触しているが、接触部９８ｏｄより中心側の部分である凸部９８ｔｄでは接触しておらず、空間である隙間Ｇが形成されている。このため、隙間Ｇでは、端部２３ｂと端部２３ｃとの間で熱伝達が起こりにくくなっており、隙間Ｇは断熱層となっている。なお、端部２３ｃの上面を形成する金属プレート８０ｅには、開口部９０ｅが形成されている。

また、ロウ付しないほうが熱伝達されにくいので、仕切部ｄｖとなるところでは、端部２３同士をロウ付しないことが好ましく、端部２３ｂと端部２３ｃとはロウ付により接合されていない。但し、図示されていないが、左側においては、第２扁平管２０ｂと第３扁平管２０ｃの端部同士は、ロウ付により接合されており、開口部９０により連通している。

このように、左側出入口部３２は、最下段の扁平管２０から最上段の扁平管２０まで全て連通しているわけではなく、ところどころ仕切り（仕切部ｄｖ）が設けられており、仕切部ｄｖを形成している端部２３において水は右向きに折り返して流される。上では右側出入口部３１について説明したが、左側出入口部３２も同様にところどころ仕切り（仕切部ｄｖ）が設けられている。これにより、熱交換器１０内で水を複数回左右に往復させる。

そして、隣接する扁平管２０の端部２３同士の間に設けられた隙間Ｇは、断熱層の役割を果たし、２つの扁平管２０の端部２３の間を断熱し、熱のロスを抑制する。

（３−４）第２組立体
多数の扁平多穴管４０は、その左端及び右端がそれぞれ前述の出入口分配管５０に接合され、図８（ｃ）に示すような第２組立体７０が形成される。扁平多穴管４０と出入口分配管５０との接合は、ロウ付、又は、はんだ付により行われる。

（３−５）扁平管と扁平多穴管の積層構造
第１組立体６０は、図８（ｃ）に示すように、第２組立体７０の各２つの扁平多穴管４０の隙間に各１つの扁平管２０が挿入されるように第２組立体７０と組み合わされる。即ち、各扁平多穴管４０は、多数の扁平管２０の中央部２２同士の隙間に配置され、扁平多穴管４０と扁平管２０とが交互に並ぶ。扁平管２０と扁平多穴管４０とは、ロウ付又はハンダ付により接合される。このようにして、図８（ｄ）に示すような熱交換器１０が形成される。

（４）熱交換器の動作
次に、図３を用いて熱交換器１０の動作、即ち熱交換器１０における水と冷媒の流れを説明する。

水は、図３右下の右側出入口部３１から熱交換器１０に流入し、右側出入口部３１内を上に向かって流れる。右側出入口部３１には、仕切部ｄｖ１が設けてあり、水は、それより上へは流れない。そこで、水は、複数の扁平管２０に分かれ、扁平管２０内を左に向かって流れる。左側出入口部３２に到達した水は、左側出入口部３２内を上に向かって流れるが、仕切部ｄｖ２があるので、それより上には流れることができない。そこで、水は、複数の扁平管２０に分かれて右に向かって流れる。右側出入口部３１に到達した水は、同様に仕切部ｄｖ３のところで折り返し、複数の扁平管２０に分かれて左に向かって流れる。次に、左側出入口部３２に到達した水は、同様に仕切部ｄｖ４のところで折り返し、複数の扁平管２０に分かれて右に向かって流れる。次に、右側出入口部３１に到達した水は、同様に仕切部ｄｖ５のところで折り返し、複数の扁平管２０に分かれて左に向かって流れる。次に、左側出入口部３２に到達した水は、同様に仕切部ｄｖ６のところで折り返し、複数の扁平管２０に分かれて右に向かって流れる。次に、右側出入口部３１に到達した水は、上に向かって流れるが右側出入口部３１の上端に達するので、そこで折り返し、複数の扁平管２０に分かれて左に向かって流れる。最後に水は、左側出入口部３２に到達し、熱交換器１０の左上から流出する。このように繰り返し左右に折り返しながら扁平管２０の中を流れている間に水は、扁平多穴管４０内のＣＯ₂から与えられる熱で加熱される。

冷媒（ＣＯ₂）は、図３左上の左側出入口分配管５２から熱交換器１０に流入する。左側出入口分配管５２内には、仕切部材５４ａが設けてあるので、冷媒は、仕切部材５４ａより下へは流れることができず、複数の扁平多穴管４０に分かれて右に向かって流れる。右側出入口分配管５１に到達した冷媒は、右側出入口分配管５１内を下に向かって流れる。右側出入口分配管５１内には、仕切部材５３ａが設けてあるので、冷媒は、仕切部材５３ａより下へは流れることができず、複数の扁平多穴管４０に分かれて左に向かって流れる。次に、左側出入口分配管５２に到達した冷媒は、同様に仕切部材５４ｂのところで折り返し、複数の扁平多穴管４０に分かれて右に向かって流れる。次に、右側出入口分配管５１に到達した冷媒は、同様に仕切部材５３ｂのところで折り返し、複数の扁平多穴管４０に分かれて左に向かって流れる。次に、左側出入口分配管５２に到達した冷媒は、同様に仕切部材５４ｃのところで折り返し、複数の扁平多穴管４０に分かれて右に向かって流れる。次に、右側出入口分配管５１に到達した冷媒は、同様に仕切部材５３ｃのところで折り返し、複数の扁平多穴管４０に分かれて左に向かって流れる。次に、左側出入口分配管５２に到達した冷媒は、下に向かって流れるが左側出入口分配管５２の下端に達するので、そこで折り返し、複数の扁平多穴管４０に分かれて右に向かって流れる。最後に冷媒は、右側出入口分配管５１に到達し、熱交換器１０の右下から流出する。このように繰り返し左右に折り返しながら扁平多穴管４０の中を流れる間に冷媒は、扁平管２０内の水に熱を奪われて冷却される。

（５）効果
（５−１）比較例
図１１は、図９の断面図に相当する従来の熱交換器に係る断面図である。

図１１に示すように、比較例に係る熱交換器においては、水が折り返す仕切りの部分には、隙間Ｇが設けられていない。具体的には、図１１に示されている扁平管２０’のうち、最下段にある第１扁平管２０ａ’の端部２３ａ’の上面（金属プレート８０ａ’）には、孔である開口部９０’が形成されている。第１扁平管２０ａ’の端部２３ａ’は、その上の段の第２扁平管２０ｂ’の端部２３ｂ’と接合されている。端部２３ｂ’の下面（金属プレート８０ｂ’）にも孔である開口部９０’が形成されており、端部２３ａ’と端部２３ｂ’とは、連通している。

さらに、第２扁平管２０ｂ’の端部２３ｂ’は、その上の段の第３扁平管２０ｃ’の端部２３ｃ’と接合されている。端部２３ｃ’の下面（金属プレート８０ｄ’）には、開口部９０’が形成されているが、端部２３ｂ’の上面の壁２７ｂ’には孔が形成されていない。したがって、端部２３ｂ’と端部２３ｃ’とは、端部２３ｂ’の上面の壁（金属プレート８０ｃ’の凹部９８ｃ’）１枚により隔てられており、連通していない。しかし、端部２３ｂ’と端部２３ｃ’とは、全面的に接触しており、端部２３ｂ’と端部２３ｃ’との間で熱伝達がされやすい状態となっている。

（５−２）発明に係る熱交換器１０の場合
図３では、熱交換器１０を仕切りごとに区分し、アルファベットを振ってみた。ここでは、Ｈの部分とＦの部分との間、Ｆの部分とＤの部分との間、Ｄの部分とＢの部分との間（以下、Ｂ〜Ｈ間とする）で熱伝達による熱ロスが起こる可能性がある。また、Ｇの部分とＥの部分との間、Ｅの部分とＣの部分との間、Ｃの部分とＡの部分との間（以下、Ａ〜Ｇ間とする）で熱伝達による熱ロスが起こる可能性がある。上述の通り、本発明に係る熱交換器１０では、水が折り返す仕切りの部分において、扁平管２０の端部２３同士の間に隙間Ｇが設けられている。比較例に係る熱交換器では、扁平管２０の端部２３同士の間に隙間Ｇが設けられていない。以下、本発明に係る熱交換器１０の熱ロスと上述の比較例の熱ロスとを計算し、比較してみる。

熱ロスＱは、次の式を用いて計算する。
ここで、ΔＴ：温度差、Ａ：端部２３、２３’同士の接合部分の面積、λ：材料熱伝導率、ｔ：隔壁の厚さ、ｈ：流体（水）熱伝達率、である。

端部２３、２３’同士の接合部分の径２０ｍｍ、端部２３、２３’の壁の熱伝導率λ=１６Ｗ／ｍＫ、端部２３、２３’の壁の厚さｔ＝０．３ｍｍ、流体（水）熱伝達率ｈ＝１０ｋＷ／ｍ２Ｋと仮定して熱ロスＱを計算した。

端部２３ｂ’の上面の壁（金属プレート８０ｃ’の凹部９８ｃ’）１枚で隔てられている比較例の場合、図３のＡ〜Ｇ間とＢ〜Ｈ間とでの熱交換による熱ロスは、１２２Ｗとなった。また、端部の壁２枚により隔てられている場合、図３のＡ〜Ｇ間とＢ〜Ｈ間とでの熱交換による熱ロスは、１１２Ｗとなった。

一方、端部２３ｂの壁（金属プレート８０ｃの凹部９８ｃ）及び端部２３ｃの壁（金属プレート８０ｄの凹部９８ｄ）の２枚により隔てられており、かつ、間に隙間Ｇが設けられている本発明に係る熱交換器１０の場合、図３のＡ〜Ｇ間とＢ〜Ｈ間とでの熱交換による熱ロスは、４０Ｗとなった。なお、接触している部分の面積を全体の４０％とした。

本発明に係る熱交換器１０の場合の上記計算結果に基づき図３のＡ〜Ｇ間及びＢ〜Ｈ間での温度分布をグラフとして描くと図１２に示すようなグラフとなる。水の温度を表す実線が、本発明に係る熱交換器１０のものであり、点線は、比較例に係る熱交換器のものである。Ｆの部分においては、比較例ではＤの部分との熱伝達により熱交換器１０の場合よりも水の温度が高くなっている。そのため、Ｅ〜Ａの間では、逆に比較例では、熱交換器１０よりも水の温度が低くなっている。その結果、本発明に係る熱交換器１０では、熱交換器１０を出ていく水の温度は、比較例の熱交換器を出ていく水の温度よりも高くなっている。すなわち、本発明に係る熱交換器１０の方が比較例の熱交換器よりも熱ロスが抑えられており、熱効率が良い。

したがって、本発明に係る熱交換器１０では、水が折り返す仕切り（仕切部ｄｖ）の部分において、扁平管２０の端部２３同士の間に隙間Ｇを断熱層として設けることにより、折り返して他端に向かう水と他端から折り返してきた水との間で熱交換が起こることを抑制し、熱効率を向上させることができている。

（６）特徴
（６−１）
上記実施形態では、水を端部２３ｂにおいて折り返して流しているところ、連通していない隣接する端部２３ｂと端部２３ｃとの間には断熱層として隙間Ｇが設けられている。したがって、隣接する端部２３ｂと端部２３ｃとの間で熱伝達が抑制されている。これにより、熱ロスによる熱交換効率の低下を抑制することができている。

（６−２）
上記実施形態では、隣接する端部２３ｂと端部２３ｃとは、その周縁においてのみ接触しており、中心部は接触していない。即ち、端部２３ｂと端部２３ｃとは、部分的に接触しており、その結果、端部２３ｂと端部２３ｃとの間に隙間Ｇが形成されている。これにより、隣接する隣接する端部２３ｂと端部２３ｃとの間での熱伝達が抑制されている。

（６−３）
上記実施形態では、多数の扁平管２０は、その端部２３同士をロウ付により接合することにより積層されている。しかし、連通していない端部２３ｂと端部２３ｃとはロウ付されていない。断熱すべき端部２３ｂと端部２３ｃとの間を、ロウ付等により接合しないことにより、熱伝達を抑え、熱ロスを低減している。

（７）変形例
（７−１）Ａ
上記実施形態では、端部２３ｃの下面は、図１０に示す金属プレート８０ｄにより形成されていた。しかし、他の実施形態においては、端部２３ｃの下面を図１３に示す金属プレート１８０ｄにより形成してもよい。金属プレート１８０ｄでは、その凹部１９８ｄの中央に凸部１９８ｔｄが形成されており、その周縁に環状の凹状になった接触部１９８ｏｄが形成されている。これにより、端部２３ｃは、端部２３ｂと環状の１９８ｏｄでしか接触しないので、端部２３ｃ及び端部２３ｂ間の熱伝達が抑制され、熱ロスを低減する。

（７−２）Ｂ
上記実施形態では、端部２３ｃの下面の中心部に凹部２７ｃが設けてあり、これにより端部２３ｃと端部２３ｂとの間に隙間Ｇを設けている。

しかし、他の実施形態においては、図１４に示すように端部２２３ｃと端部２２３ｂとの間に突起を設けて、点接触によって隙間Ｇ２を設けてもよい。具体的には、例えば、端部２２３ｃの下面を形成する金属プレート２８０ｄの凹部２９８ｄに外側（端部２２３ｃの下面から下向き）に突起したディンプル２９８ｄｄを３つ形成し、端部２２３ｃの壁（金属プレート２８０ｄの凹部２９８ｄ）と端部２２３ｂの壁（金属プレート２８０ｃの凹部２９８ｃ）との間に隙間Ｇ２を設ける。ここでは、端部２２３ｃと端部２２３ｂとは点（ディンプル２９８ｄｄの先端）でしか接触していないので、端部２２３ｃと端部２２３ｂとの間で熱伝達が起こりにくくなり、熱の伝達が抑制される。

（７−３）Ｃ
記実施形態では、端部２３ｃの下面の中心部に凹部２８ｃが設けてあり、これにより端部２３ｃと端部２３ｂとの間に隙間Ｇを設けているが、端部２３ｃと端部２３ｂとは、その周縁において接触している。しかし、他の実施形態においては、端部２３ｃと端部２３ｂとが直接接触しない非接触で隙間を設けても良い。

例えば、図１６に示すように端部３２３ｃの壁（金属プレート３８０ｄの凹部３９８ｄ）と端部３２３ｂの壁（金属プレート３８０ｃの凹部３９８ｃ）との間の隙間Ｇ３に樹脂等の断熱材Ｚを挟み、端部３２３ｃと端部３２３ｂとが直接接触しないようにする。断熱材Ｚにより、端部３２３ｃと端部３２３ｂとは、非接触となり、熱の伝達が抑制される。

（７−４）Ｄ
上記実施形態では、水は、熱交換器１０において複数の扁平管２０に分かれて流れているが、他の実施形態においては、分流させなくてもよいし、分流する扁平管２０の数を適宜決めてもよい。

１０熱交換器
２０扁平管（第１流体用熱交換流路）
２０ａ第１扁平管（第１流体用第１熱交換流路）
２０ｂ第２扁平管（第１流体用第２熱交換流路）
２０ｃ第３扁平管（第１流体用第３熱交換流路）
２２中央部
２３、２３ａ、２３ｂ、２３ｃ端部
９０開口部（孔）
４０扁平多穴管（第２流体用熱交換流路）
６０第１組立体
８０金属プレート（プレス加工板）
８４周縁部（周縁）
９８、９８ｃ、２９８ｃ、３９８ｃ凹部（端部の壁）
９８、９８ｄ、１９８ｄ、２９８ｄ、３９８ｄ凹部（端部の壁）
Ｇ、Ｇ２、Ｇ３隙間（断熱層、断熱隙間）
Ｚ断熱材

特開平１０−２８８４８０号公報

Claims

第１流体と第２流体とを熱交換させる熱交換器（１０）において、
端部（２３、２３ａ、２３ｂ、２３ｃ）と中央部（２２）とを有し、一対のプレス加工板（８０）の周縁（８４）を重ね合わせて形成される第１流体用第１、第２、及び第３熱交換流路（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）を含む多数の第１流体用熱交換流路（２０）が、前記端部が隣接する前記第１流体用熱交換流路の端部と重なるように、積層された、第１組立体（６０）と、
隣接する前記第１流体用熱交換流路の中央部同士の隙間に配置され、前記第２流体が流れる、多数の第２流体用扁平多穴管（４０）と、
を備え、
前記多数の第１流体用熱交換流路は、前記第１流体を前記端部において折り返して流し、
隣接する前記第１流体用第１熱交換流路（２０ａ、１２０ａ、２２０ａ）の端部（２３ａ、１２３ａ、２２３ａ）と前記第１流体用第２熱交換流路（２０ｂ、１２０ｂ、２２０ｂ）の端部（２３ｂ、１２３ｂ、２２３ｂ）とは、それぞれに形成された孔（９０）を介して連通し、
隣接する前記第１流体用第２熱交換流路（２０ｂ、１２０ｂ、２２０ｂ）の端部（２３ｂ、１２３ｂ、２２３ｂ）と前記第１流体用第３熱交換流路（２０ｃ、１２０ｃ、２２０ｃ）の端部（２３ｃ、１２３ｃ、２２３ｃ）とは連通しておらず、前記第１流体用第２熱交換流路の端部と前記第１流体用第３熱交換流路の端部との間に断熱層（Ｇ、Ｇ２、Ｇ３）が設けられており、
前記第２流体用扁平多穴管（４０）が、
前記第１流体用第１熱交換流路（２０ａ、１２０ａ、２２０ａ）の中央部（２２）と前記第１流体用第２熱交換流路（２０ｂ、１２０ｂ、２２０ｂ）の中央部（２２）との間にも、
前記第１流体用第２熱交換流路（２０ｂ、１２０ｂ、２２０ｂ）の中央部（２２）と前記第１流体用第３熱交換流路（２０ｃ、１２０ｃ、２２０ｃ）の中央部（２２）との間にも、
配置されている、
熱交換器（１０）。
前記断熱層は、前記第１流体用第２熱交換流路の端部の壁（９８ｃ、２９８ｃ、３９８ｃ）と前記第１流体用第３熱交換流路の端部の壁（９８ｄ、１９８ｄ、２９８ｄ、３９８ｄ）との間に形成された断熱隙間（Ｇ、Ｇ２、Ｇ３）により構成されている、
請求項１に記載の熱交換器（１０）。
前記断熱隙間（Ｇ、Ｇ２、Ｇ３）は、前記壁同士の部分接触あるいは非接触によって形成される、
請求項２に記載の熱交換器（１０）。
前記断熱隙間（Ｇ２）は、前記壁同士の点接触によって形成される、
請求項３に記載の熱交換器（１０）。
前記断熱隙間（Ｇ３）に、断熱部材（Ｚ）を有する、
請求項３に記載の熱交換器（１０）。
前記第１流体用第１熱交換流路の端部と前記第１流体用第２熱交換流路の端部とは、ロウ付により接合されており、前記第１流体用第２熱交換流路の端部と前記第１流体用第３熱交換流路の端部とは、接合されていない、
請求項２〜５のいずれかに記載の熱交換器（１０）。