JP6187038B2

JP6187038B2 - 熱交換器及び熱交換器の製造方法

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Publication number: JP6187038B2
Application number: JP2013176949A
Authority: JP
Inventors: 寿守務吉村; 典宏米田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-08-28
Filing date: 2013-08-28
Publication date: 2017-08-30
Anticipated expiration: 2033-08-28
Also published as: JP2015045454A

Description

この発明は、低温冷媒と高温冷媒とを熱交換させて高温冷媒から低温冷媒に熱を伝える熱交換器及び熱交換器の製造方法に関するものである。

一般的な熱交換器は、第１冷媒が流れる複数の第１の冷媒流路と、第１冷媒と温度の異なる第２冷媒が流れる複数の第２の冷媒流路とが並列に形成された導管を備え、第１冷媒と第２冷媒との間で熱交換させる。

このような熱交換器の製造方法として、従来、第１冷媒が流れる複数の貫通穴を第１の冷媒流路として備えた第１扁平管と、第２冷媒が流れる複数の貫通穴を第２の冷媒流路として備えた第２扁平管とを形成し、第１の冷媒流路と第２の冷媒流路との流路方向が並列になるようにして、それぞれの扁平な面同士をロウ付けなどで接着積層して導管を形成する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−３４０４８５号公報

従来の方法で製造された熱交換器の導管は、第１の冷媒流路を備えた第１扁平管と、第２の冷媒流路を備えた第２扁平管とを接合するため、第１の冷媒流路と第２の冷媒流路とに挟まれた伝熱領域に接合層が存在する。接合層には、接合時にボイド（気泡）が発生したり、接合バラつきが生じたりするため、熱伝導率が低下してしまう。つまり、第１冷媒と第２冷媒とが熱交換を行う伝熱領域において、熱伝導率が低い接合層が存在するので、伝熱領域の熱伝導率が局所的に低下し、熱交換性能が低下するという問題があった。

この発明は、上述のような問題を解決するためになされたもので、熱交換性能が高い熱交換器および熱交換器の製造方法を提供することを目的とする。

この発明に係る熱交換器は、第１冷媒が流れる複数の第１の冷媒流路と、第１の冷媒流路と伝熱領域を介して並列に設けられ、第１冷媒と熱交換を行う第２冷媒が流れる複数の第２の冷媒流路とが形成された導管を備え、第１冷媒が流れる流路方向と垂直な断面において、伝熱領域は、断面内で一定の熱伝導率を有し、導管は、第１の冷媒流路及び第２の冷媒流路を構成する複数の貫通穴が設けられたプレートを、流路方向に複数積層して形成する。

この発明に係る熱交換器によれば、第１冷媒が流れる複数の第１の冷媒流路と、第１の冷媒流路と伝熱領域を介して並列に設けられ、第１冷媒と熱交換を行う第２冷媒が流れる複数の第２の冷媒流路とが形成された導管を備え、第１冷媒が流れる流路方向と垂直な断面において、伝熱領域は断面内で一定の熱伝導率を有するため、熱伝導率が局所的に低下せず、熱交換性能の高い熱交換器が得られる。

この発明の実施の形態１に係る熱交換器を示す斜視図である。この発明の実施の形態１に係る熱交換器を上面側から見た平面図である。この発明の実施の形態１に係る熱交換器を底面側から見た平面図である。この発明の実施の形態１に係る熱交換器の側面図である。この発明の実施の形態１に係る熱交換器における導管の、流路方向と垂直な断面図である。この発明の実施の形態１に係る熱交換器の製造方法を説明するための、熱交換器の斜視図である。この発明の実施の形態２に係る熱交換器の製造方法を説明するための、熱交換器の斜視図である。この発明の実施の形態２に係る熱交換器の導管の、流路方向と垂直な断面図である。この発明の本実施の形態３に係る熱交換器の第１の冷媒流路の一部を示す断面図この発明の実施の形態３に係る熱交換器における第１の冷媒流路の流路断面の模式図である。この発明の実施の形態３に係る熱交換器における第１の冷媒流路の凸部付近を拡大した図である。この発明の実施の形態３に係る熱交換器における第１の冷媒流路の変形例を示す斜視図である。この発明の実施の形態３に係る熱交換器における第１の冷媒流路の２つ目の変形例を示す斜視図である。この発明の実施の形態３に係る熱交換器における第１の冷媒流路の凸部による熱伝達率の向上を示すための模式図である。この発明の実施の形態３に係る熱交換器における第１の冷媒流路の凸部による熱伝達率の向上を示すための凸部付近を示す模式図である。この発明の実施の形態３に係る熱交換器における第１の冷媒流路の３つ目の変形例を示す斜視図である。

実施の形態１．
まず、この発明の実施の形態１における熱交換器の構成を説明する。図１は、この発明の実施の形態１における熱交換器を示す斜視図であり、図２は、この発明の実施の形態１における熱交換器を上面側から見た平面図である。図１に示すように、熱交換器は、第１冷媒が流れる複数の第１の冷媒流路１ａを一列に並べて構成した第１冷媒パス１と、第２冷媒が流れる複数の第２の冷媒流路２ａを一列に並べて構成した第２冷媒パス２と、が導管１２に形成されている場合について説明する。第１の冷媒流路１ａと第２の冷媒流路２ａとの間の領域を伝熱領域１３（図４で示す）と呼ぶ。

なお、導管１２には、第１の冷媒流路１ａと第２の冷媒流路２ａが並列に配置されており、すなわち、第１冷媒パス１と第２冷媒パス２が並列に配置されている。

本実施の形態では、第１冷媒パス１は図１の点線で囲まれるように、複数の第１の冷媒流路１ａから構成される。また、本実施の形態では、第２冷媒パス２は図１の一点鎖線で囲まれるように、複数の第２の冷媒流路２ａから構成される。このように、第１冷媒パス１及び第２冷媒パス２を複数の流路から構成することによって伝熱面積が増加する分、熱交換性能が向上する。

また、本実施の形態の図１においては、第１冷媒パス１は７つの第１の冷媒流路１ａからなり、第２冷媒パス２は８つの第２の冷媒流路２ａからなるが、それぞれの数はこれに限定されない。第１の冷媒流路１ａと第２の冷媒流路２ａの数は同一であっても良いし、第２の冷媒流路２ａの方が少なくても多くても良い。つまり、熱交換器に、第１の冷媒流路１ａを流れる第１冷媒と第２の冷媒流路２ａを流れる第２冷媒とが、熱交換可能なように構成されていれば良く、それぞれの数に制限はない。

尚、熱交換器のそれぞれの冷媒の動作条件や物性値にあわせて各冷媒流路数を決定することで、伝熱性能が高く、圧力損失が低い、好適な熱交換器が作成できる。

図１では、第１の冷媒流路１ａの断面の外形は円形であり、第２の冷媒流路２ａの断面の外形は正方形であるが、それぞれこれらに限定されない。第１の冷媒流路１ａと第２の冷媒流路２ａは導管１２に形成された貫通穴であれば良く、その断面の外形は円形や楕円形であっても多角形等であっても良い。

第１の冷媒流路１ａと第２の冷媒流路２ａとを構成する熱交換器は、アルミ、アルミニウム合金、銅、銅合金、鉄鋼、ステンレス合金鋼などの金属で構成される。例えば、アルミの場合、Ａ１０系やＡ３０系の純アルミ系材料が挙げられる。

図１において、第１冷媒パス１内を第１冷媒が流れる向きである流路方向２０の上流側に、熱交換器の内部と外部を接続する第１入口接続管３が設けられている。また、流路方向２０の下流側に、熱交換器の内部と外部を接続する第１出口接続管４が設けられている。

図１の第１冷媒パス１の両端部である上流側と下流側には、図２に示すように、全ての第１の冷媒流路１ａを連通させる第１入口連通穴３ａ、及び第１出口連通穴４ａが形成されている。つまり、流路方向２０の上流側に第１入口連通穴３ａが設けられ、流路方向２０の下流側に第１出口連通穴４ａが設けられている。

図２における熱交換器の平面図では、分かりやすくするために、第１入口接続管３、第１入口連通穴３ａ、第１の冷媒流路１ａ、第１出口連通穴４ａ、第１出口接続管４の配置を示している。

図２のように、第１入口連通穴３ａは流路方向２０の上流側において第１冷媒パス１の全ての第１の冷媒流路１ａと連通するように配置され、かつ、第１入口接続管３に接続されている。同様に、第１出口連通穴４ａは流路方向２０の下流側において第１冷媒パス１の全ての第１の冷媒流路１ａと連通するように配置され、かつ、第１出口接続管４に接続されている。

図２に示すように、第１入口連通穴３ａ及び第１出口連通穴４ａの一端はそれぞれ第１入口接続管３及び第１出口接続管４と接続され、他端は、封止穴となっているか、もしくは封止部材により封止されている。また、導管１２に第１冷媒流路１ａとして形成された貫通穴は、第１入口連通穴３ａ及び第１出口連通穴４ａより側面側で両端が封止される。

第１冷媒パス１を流れる第１冷媒は、外部から第１入口接続管３を通って導入され、第１入口連通穴３ａの内部を導入方向２１に沿って流れる。第１入口連通穴３ａを流れる第１冷媒は、第１入口連通穴３ａと各第１の冷媒流路１ａとの連通部を通って第１の冷媒流路１ａに流れ込み、第１の冷媒流路１ａの内部を流路方向２０に沿って流れる。第１の冷媒流路１ａの下流側まで流れた第１冷媒は、第１の冷媒流路１ａと第１出口連通穴４ａとの連通部を通って第１出口連通穴４ａに流れ出し、出口方向２２に沿って流れ、第１出口接続管４を通って外部に流れ出す。

図１で示す導入方向２１、流路方向２０、出口方向２２は、第１冷媒パス１を流れる第１冷媒の流れの向きを示している。後述するように、第２冷媒パス２を流れる第２冷媒の向きは、図１で示す第１冷媒の流れと対向する向きとなる。

図３に、本実施の形態に係る熱交換器を底面側から見た平面図を示す。分かりやすくするために、第２入口接続管５、第２入口連通穴５ａ、第２の冷媒流路２ａ、第２出口連通穴６ａ、第２出口接続管６の配置を示している。

図３のように、第２入口連通穴５ａは第２冷媒の流路方向２０の上流側において、第２冷媒パス２の全ての第２の冷媒流路２ａと連通するように配置され、かつ、第２入口接続管５に接続されている。同様に、第２出口連通穴６ａは流路方向２０の下流側において第２冷媒パス２の全ての第２の冷媒流路２ａと連通するように配置され、かつ、第２出口接続管６に接続されている。

図３に示すように、第２入口連通穴５ａ及び第５出口連通穴６ａの一端はそれぞれ第２入口接続管５及び第２出口接続管６と接続され、他端は、封止穴となっているか、もしくは封止部材により封止されている。また、導管１２に第２冷媒流路２ａとして形成された貫通穴は、第２入口連通穴５ａ及び第２出口連通穴６ａより側面側で両端が封止される。

本実施の形態では、図２及び図３で示すように、冷媒が流れる流路方向２０は、第１の冷媒流路１ａを流れる第１冷媒と第２の冷媒流路２ａを流れる第２冷媒とで対向の向きになっている。このように、熱交換を行う冷媒同士の流れる向きが対向となっていることで、熱交換効率が向上する。ただし、熱交換効率は低下するが、対向でなく同じ向きであっても良く、本実施の形態の効果は得られる。

また、本実施の形態では第１入口接続管３、第１出口接続管４、第２入口接続管５、第２出口接続管６は熱交換器の１つの側面に設けられているが、これに限らず、上面、底面などに別れて設けられていても良い。また、側面のうちどの側面に設けられていても良い。

図４に、図１の熱交換器において第１入口接続管３、第１出口接続管４、第２入口接続管５、第２出口接続管６が設けられた側面側から見た側面図を示す。図４における流路方向２０は第１冷媒の流れる向きを示している。本実施の形態では、図４において点線で囲まれた領域を伝熱領域１３と呼び、第１冷媒流路１ａと第２冷媒流路２ａとに挟まれた領域に相当する。つまり、第２冷媒流路２ａは第１冷媒流路１ａと伝熱領域１３を介して並列に設けられている。

図４に示すように、第１入口接続管３と第２出口接続管６、及び第１出口接続管４と第２入口接続管５は、熱交換器の流路方向２０に少しずらして形成されている。このようにすれば、各接続管の断面積、つまり各接続管の直径が大きくても、第１の冷媒流路１ａと第２の冷媒流路２ａの間の伝熱領域１３の幅を縮めることができるので、熱交換効率を向上することが出来る。すなわち、第１出口接続管４の中心部から第２入口接続管５の中心部間における流路方向２０と垂直な方向の距離（伝熱領域１３の幅）は、第１出口接続管４の半径と第２入口接続管５の半径とを足した距離より小さくできるので、第１の冷媒流路１ａと第２の冷媒流路２ａとの距離に相当する伝熱領域１３の幅を縮めることができ、熱交換性能を向上することができる。

図５に、導管１２の流路方向２０と垂直な断面視を示す。図５の断面視において、点線で囲まれる領域が伝熱領域１３であり第１冷媒流路１ａと第２冷媒流路２ａとが、伝熱領域１３を介して配置されている。

以上述べたように、図１から図５で説明した本実施の形態に係る熱交換器において、第１冷媒パス１と第２冷媒パス２の伝熱領域１３を介して、第１冷媒と第２冷媒との両流体が対向流で熱交換されている。

次に、本実施の形態における熱交換器の製造方法を説明する。図６は、本実施の形態に係る熱交換器の製造方法を説明するための、熱交換器の斜視図である。

本実施の形態では、図６に示されるように、流路方向２０に分割された複数のプレート８を、流路方向に積層し、ロウ付けなどにより接合することによって、導管１２を製造する。

つまり、本実施の形態では第１の冷媒流路１ａと第２の冷媒流路２ａを構成する複数の貫通穴を形成した一体型のプレート８を、流路方向２０に複数積層することによって導管１２を形成する。

すなわち、１つのプレート８に、第１の冷媒流路１ａを構成する貫通穴と、第２の冷媒流路１ｂを構成する貫通穴を設ける。このようにして形成した複数のプレート８を、第１の冷媒流路１ａとなる貫通穴の中心部同士の位置及び第２の冷媒流路１ｂとなる貫通穴の中心部同士の位置をそれぞれ合わせて流路方向２０に積層し、接合する。

従来、流路方向２０の上流から下流まで一体となった第１扁平管に複数の第１の冷媒流路１ａを形成するための穴開け加工を行い、同じようにして複数の第２の冷媒流路２ａを形成した第２扁平管を接着することで導管を作成していた。このように、上流から下流まで一体となった１つの導管に、複数の第１の冷媒流路１ａと並列に複数の第２の冷媒流路２ａを形成することは製造上困難であるため、第１の冷媒流路１ａを形成する第１扁平管と第２の冷媒流路２ａを形成する第２扁平管を別々に作成した後、接着して接合する方法が用いられていた。

伝熱経路は主に、第１の冷媒流路１ａと第２の冷媒流路２ａの間の伝熱領域１３にあり、流路方向２０と垂直な断面視上の第１の冷媒流路１ａと第２の冷媒流路２ａとの間となる。そのため、第１冷媒と第２冷媒が熱交換を行う、流路方向２０と垂直な断面視に接合層が発生することが、熱交換性能の低下に最も大きく影響する。

従来は、流路方向２０と垂直な断面視において、第１の冷媒流路１ａと第２の冷媒流路２ａとの間に接合層が生じ、当該箇所の熱伝導率が局所的に低下し、熱交換性能が劣化するという問題があった。接合バラつきやボイドなどが要因であるが、特に、ロウ付けの際には接合層にボイドが発生しやすく、接合層の熱伝導率が小さくなって、熱伝達率が低下してしまう問題があった。

本実施の形態では、第１の冷媒流路１ａと第２の冷媒流路２ａとを構成する貫通穴が設けられたプレートを流路方向２０に積層する。流路方向２０に複数に分割されたプレート８に貫通加工を行うので、貫通距離が短いため、第１の冷媒流路１ａとなる貫通穴と第２の冷媒流路１ｂとなる貫通穴とを一つのプレート８に形成することが可能となる。そのため、伝熱交換を行う第１の冷媒流路１ａと第２の冷媒流路２ａとの間の伝熱領域１３に接合面ができない。すなわち、伝熱経路上に接合面がないため、局所的な熱伝導率の低下を抑制でき、熱交換性能の高い導管１２を製造することが可能となる。

すなわち、本実施の形態では図５に示す流路方向２０と垂直な断面において、第１の冷媒流路１ａと第２の冷媒流路２ａとの間の伝熱領域１３の熱伝導率が第１の冷媒流路１ａ側から第２の冷媒流路２ａ側まで一定であるため、熱交換性能の高い熱交換器が得られる。尚、伝熱領域１３における熱伝導率は、ほぼ一定であればよく、例えば、同じ材料内で発生するようなバラつき程度の差があっても良い。

また、本実施の形態のプレート８間の接着面は、従来方法の接着面に比べて面積が小さいので、接合時に比較的小さな荷重で大きな面圧が得られ、流路方向２０に平行に積層されるプレート８間の接合ばらつきが生じにくく、また、ボイドも発生しにくい。

ロウ付けの材料としては、シート状またはペースト状のアルミシリコン系のロウ材が挙げられる。その場合、ロウ付け温度は６００℃前後である。また、表面にロウ材を予めクラッド法で合金化させたプレート８を用いると、プレート８をスタッキング（積層）するだけで良くなるため、製造性が向上する。

上述のように、ロウ付けの際には、プレート８の接着面にペースト状のロウ材を塗ったり、シート状のものを挟んだりする方法の他に、ロウ材を塗布したものを予め熱処理して合金層を形成させるクラッド法を利用できる。クラッド法では、プレート８を接合する際に、ペースト状のロウ材をプレート８間に塗ったり、シート状のものを挟んだりせずに、直接プレート８を張り合わせて加圧熱処理するだけで接合することができるので、接合バラつきやロウ材の流れを抑制することができ、容易に接合することが可能となり、製造性が向上する。

尚、プレートの積層方法としては、ロウ付けの他に、プレートの金属を結合させる拡散結合などを用いても良い。

また、プレート８の厚みは、薄いと微細な凹凸形状を形成できるために、より大きな伝熱特性が得られるが、同じ流路長さの熱交換器を作成するには積層枚数が増大するため、製造コストが増加する。従って、例えば０．１〜２ｍｍ程度の厚みであることが望ましい。

図６のようにプレート８を積層し、接着した後は、第１入口連通穴３ａ及び第１入口接続管３、第１出口連通穴４ａ及び第１出口接続管４、第２入口連通穴５ａ及び第２入口接続管５、第２出口連通穴６ａ及び第２出口接続管６を作成すれば、図１で示される熱交換器が得られる。

第１入口接続管３及び第１入口連通穴３ａは、流路方向２０の下流側の方向のみ開口するようにスリットなどの開口部が形成されたパイプを挿入し、その開口部が第１の冷媒流路１ａに連通するようにして構成してもよい。また、第１出口接続管４及び第１出口連通穴４ａも同様に、流路方向２０の上流側の方向のみ開口するようにスリットなどの開口部が形成されたパイプを挿入して構成してもよい。このようにすれば、ロウ付け等で冷媒流路を外部に対して封止する際に、余分なロウ材が第１入口連通穴３ａに侵入して流路を狭まることを抑制でき、製造ばらつきを抑制することができる。

尚、第２入口接続管５及び第２入口連通穴５ａ、第２出口接続管６及び第２出口連通穴６ａにおいても、同様の構成にすれば同様の効果を奏することができる。

第１の冷媒流路１ａ及び第２の冷媒流路２ａの径の大きさは、粘性係数の小さい流体の場合は小さく、粘性係数の大きい流体の場合は大きいことが望ましい。熱交換器の第１冷媒パス１や第２冷媒パス２の腐食や圧力損失などの観点から、一般的に冷媒の流速は０．５〜１ｍ／ｓが望ましいとされている。冷媒の速度及び粘性、流路の長さから定まるレイノルズ数は、圧力損失と伝熱特性の観点から２０００〜１００００が望ましいとされている。例えば粘性係数が１０^−７ｍ^２／ｓと小さいフロンやＣＯ_２などの場合、上記範囲の流速及びレイノルズ数から、流路の径は０．５〜２ｍｍの範囲が望ましい。また、粘性係数が１０^−６ｍ^２／ｓと大きい水などの場合、同様にして求めた望ましい流路の径は４〜１２ｍｍとなる。

本実施の形態では、第１冷媒パス１と第２冷媒パス２を一列ずつ配置した熱交換器を示したが、第１冷媒パス１と第２冷媒パス２を交互に複数列配置してもよい。つまり、第１冷媒パスと第２冷媒パス２の配列数を増加しても良い。熱交換器のそれぞれの冷媒の動作条件や物性値に合わせて配列数を選択することで、伝熱性能が高く、圧力損失が低い、好適な熱交換器を作成できる。

実施の形態２．
図７は、本実施の形態２に係る熱交換器を示す斜視図である。本実施の形態における熱交換器においては、第１の冷媒流路１ａを流路方向２０と平行に分割した半分を一つの側面に備えた第１の金属板９ａと、第１の冷媒流路１ａを流路方向２０と平行に分割した残り半分と第２の冷媒流路２ａを流路方向２０と平行に分割した半分とを対向する二つの側面に備えた第２の金属板９ｂと、第２の冷媒流路２ａを流路方向２０と平行に分割した残り半分を一つの側面に備えた第３の金属板９ｃとを、流路方向２０に垂直な方向に順に積層した構造を有する。その他の構造は実施の形態１と同様である。

図８に、本実施の形態に係る熱交換器の導管１２の、流路方向２０と垂直な断面図を示す。本実施の形態では、第１の金属板９ａの第１の側面１４ａに、第１冷媒の流路方向２０と平行に半分割した複数の第１の冷媒流路１ａを形成し、第２の金属板９ｂの第２の側面１４ｂに、流路方向２０と平行に半分割した複数の第１の冷媒流路１ａの残りを形成し、第２の金属板９ｂの第２の側面１４ｂと対向する第３の側面１４ｃに、流路方向２０と平行に半分割した複数の第２の冷媒流路２ａを形成し、さらに、第３の金属板９ｃの第４の側面１４ｄに、流路方向２０と平行に半分割した複数の第２の冷媒流路２ａの残りを形成する。次に、第１の金属板９ａの第１の側面１４ａと第２の金属板９ｂの第２の側面１４ｂを接合して複数の第１の冷媒流路１ａを形成し、さらに、第２の金属板９ｂの第３の側面１４ｃと第３の金属板９ｃの第４の側面１４ｄを接合して、第１の冷媒流路１ａと並列に複数の第２の冷媒流路２ａを形成する。以上の工程によって、図７で示す導管１２の構造が得られる。図８において、点線で囲まれた領域が伝熱領域１３である。

本実施の形態によれば、第１の冷媒流路１ａと第２の冷媒流路２ａに挟まれた伝熱領域１３が、第２の金属板９ｂのみで構成されるので、実施の形態１に比べて少ない部品数で、第１の冷媒流路１ａと第２の冷媒流路２ａとの間に接合面がなく、第１の冷媒流路１ａと第２の冷媒流路２ａとの間の伝熱領域１３の断面における熱伝導率がほぼ一定である熱交換器が得られる。

また、本実施の形態を用いれば、接合面は第１の金属板９ａと第２の金属板９ｂ間及び第２の金属板９ｂと第３の金属板９ｃの二面となり、接合面の数を少なくして、実施の形態１と同様の効果を得ることが出来る。そのため、製造プロセスが簡易化できる。

尚、本発明の実施の形態２では本発明の実施の形態１と相違する部分について説明し、同一または対応する部分についての説明は省略した。

実施の形態３．
図９は、本実施の形態３に係る熱交換器の第１の冷媒流路１ａの一部を示す断面図である。尚、図９は、図４で示されるＡＡ断面図に相当する。本実施の形態に係る熱交換器においては、第１の冷媒流路１ａ内に、第１冷媒が衝突する凸部１０を備えたことを特徴とする。本実施の形態を用いれば、凸部において冷媒の流速が増加し、熱伝達率が向上して熱交換性能が高くなる効果が得られる。

本実施の形態では第１の冷媒流路１ａを例として説明するが、第２の冷媒流路２ａについても、第１の冷媒流路１ａの場合と同様に本実施の形態を適用できることは言うまでもない。また、第１冷媒は第２冷媒より高温であっても良いし、低温であっても良い。

図９で示されるように、第１の冷媒流路１ａは流路方向２０に複数の凸部を有する。つまり、流路方向２０の上流側と下流側で、異なる流路断面形状を有する。このような構造は、第１の冷媒流路１ａの内壁に、凸部１０となる突起（フィン）を流路方向２０に断続的に設けることによって形成できる。

図１０に、図９におけるＢＢ断面と、ＣＣ断面を重ねあわせた流路断面の模式図を示す。ＢＢ断面である上流側流路２５と、ＣＣ断面である下流側流路２６とは流路断面の直径が異なる円となり、流路断面積、つまり流路断面の形状が異なる。

このように、第１の冷媒流路１ａの内壁に、流路方向２０に断続的に凸部を有する場合、つまり、流路方向２０の上流側から下流側に向けて異なる流路断面形状を有する場合、第１の冷媒流路１ａに第１冷媒が流れる際に、凸部１０に第１冷媒の流れが衝突し、流れの乱れによって流速が増加し、伝熱性能が促進される。

また、凸部１０の形成によって伝熱面積が増加し、熱交換性能が高くなる効果も得られる。

このように、流路方向２０に断続的に凸部１０を形成するのは、アルミや銅等の押出や引抜加工、及びブロック体からの後加工で第１の冷媒流路を形成する従来の扁平管では形成することが困難であったが、実施の形態１や２で述べた製造方法を用いれば、容易に実現可能である。

つまり、従来のように流路方向２０の上流から下流まで一体となった扁平管に貫通穴を開けなければならない場合、貫通穴の流路断面形状を図９のような流路方向２０に異なる形状とするのは困難であった。

本実施の形態では、図６のように流路方向２０に複数に分割されたプレート８を用いる場合、直径の異なる貫通穴を設けたプレート８を交互に積層すれば図９で示される第１の冷媒流路１ａが容易に形成できる。また、図７のように、第１の冷媒流路１ａを半分割した第１の金属板９ａと第２の金属板９ｂとを合わせて第１の冷媒流路１ａを構成する方法では、導管の内部に貫通穴を開ける必要がなく、第１の金属板９ａの１つの側面に、流路方向２０と平行に分割した第１の冷媒流路１ａの半分を形成すれば良いので、加工が容易に行える。

なお、凸部１０はアルミ、アルミニウム合金、銅、銅合金、鉄鋼、ステンレス合金鋼などで構成される扁平板に、例えばプレス加工、機械加工又は放電加工等で形成することができる。

尚、上記の様な方法で凸部１０を形成する際、凸部１０の周期を最適な周期とすることも可能である。つまり、凸部１０の設ける箇所を、最も熱伝達率が高くなる箇所に容易に形成することが出来る。

図１１に、本実施の形態の効果を示すための、第１の冷媒流路１ａの一部を示す。凸部１０の流路方向２０の下流側、つまり、凸部１０が設けられ、流路断面積が小さくなっている上流側の流路断面と、凸部１０がなく、流路断面積が大きくなっている下流側の流路断面との境界付近には第１冷媒の流れが滞る止水域２７が発生するため、熱伝達率が低下してしまう。止水域２７を超えた下流側は、熱伝達率が高い再付着域となる。したがって、凸部１０の流路方向２０の間隔である断続距離（図１１中、距離Ｌで示される）は長い方が望ましいが、伝熱面積の拡大率が小さくなる。一方、距離Ｌが短いと伝熱面積の拡大率は大きいが、止水域２７が増加するため、平均熱伝達率が低下する。さらに、圧力損失は距離Ｌに伴ってほぼ単調減少することもあることから、凸部１０の間隔には最適な距離が存在する。

例えば、凸部１０の高さＨと厚みＴを等しくする場合、止水域２７の流路方向２０の長さがおよそ凸部の厚みＴのオーダーになるので、凸部の厚みＴとフィン間隔Ｌの比率は、例えば１：３〜５程度が望ましい。

図１２は、本実施の形態に係る熱交換器における第１の冷媒流路１ａに設けられる凸部１０の変形例を示す斜視図である。本実施の形態では図９のような第１の冷媒流路１ａの凸部１０の例を述べたが、図１２のように、流路方向２０に垂直な方向に対して、複数の凸部を同じ方向に傾けて角度を設け、螺旋形状にすることも出来る。図１０の構造の場合、第１冷媒の流れに螺旋状の２次流れを誘起することができ、より流速が増加して伝熱性能が高くなる。

図１３は、本実施の形態に係る熱交換器における第１の冷媒流路１ａに設けられた凸部１０の２つ目の変形例を示す斜視図である。図１３のように、第１の冷媒流路１ａは、内周方向の一部に内壁が突出した第１凸部１１ａ及び第２凸部１１ｂが流路方向２０に断続的に設けられている。図中、矢印で示される方向が内周方向である。第１の冷媒流路１ａの流路断面には、内壁の４箇所に第１凸部１１ａもしくは第２凸部１１ｂが形成された形状となる。尚、第２凸部１１ｂは第１凸部１１ａより上流側もしくは下流側に、第１凸部１１ａを流路断面の内周方向に４５度回転させた配置で設けられている。

このように、第１の冷媒流路１ａは、第１凸部１ａが設けられた流路断面と第２凸部１ｂが設けられた流路断面とを有する。

第１の冷媒流路１ａにおいて、第１凸部１１ａが設けられた流路断面と第２凸部１１ｂが設けられた流路断面とが交互に配置されることで、流路方向２０の上流側、すなわち図１３においては下側から流れてくる第１冷媒が、第１凸部１１ａと第２凸部１１ｂに順番に衝突しながら流路方向２０の下流側、すなわち図１３では上側に向けて流れていく。

図１３の構成は、例えば図６で説明された製造方法を用いる場合、第１凸部１１ａを備えたプレート８と、第２凸部１１ｂを備えたプレート８を交互に積層することによって容易に製造できる。また、図７で説明された方法によっても容易に製造可能である。

図１３の構造によれば、第１の冷媒流路１ａの流路方向２０に第１凸部１１ａ及び第２凸部１１ｂが設けられているため、第１の冷媒流路１ａの伝熱面積が拡大されるとともに、第１冷媒の温度境界層の分断を誘起し、温度境界層が薄くなるため、伝熱性能（熱交換性能）が向上する効果も得られる。

ここで、温度境界層とは、第１冷媒中の温度の急変領域のことである。第１冷媒の温度と第１冷媒に接する第１の冷媒流路１ａの内壁の温度との間に温度差があるとき、第１冷媒の温度は、第１の冷媒流路１ａの内壁から離れたところではほぼ一定の主流温度を保っているが、第１の冷媒流路１ａに近付くにつれて急激に温度が変わり、第１の冷媒流路１ａの内壁に接する部分では第１の冷媒流路１ａの内壁の温度と等しくなる。

温度境界層は伝熱性能に密接に関連している。温度境界層が薄くなれば、第１冷媒から第１の冷媒流路１ａの内壁への熱伝達率が増加し、第１冷媒と第２冷媒との間の熱交換における熱交換性能が向上する。

図１４に、温度境界層の分断メカニズムを説明する模式図を示す。図１４（ａ）及び（ｂ）は、本実施の形態を用いない場合の温度境界層の模式図及び熱伝達率を示す図である。つまり、第１の冷媒流路１ａに凸部を備えていない場合を示す図である。図１４（ａ）において、第１冷媒が導入される位置ｘからｙまで実線で示される第１の冷媒流路１ａの内壁付近には、厚さｄの温度境界層が発生する。図中、温度境界層は２点鎖線で示される。流路方向２０の下流側に向けて温度境界層は徐々に厚くなる。そのため、図１４（ｂ）に示されるように、熱伝達率は位置ｘから流路方向２０の下流側に向かって低下する。図１４（ｂ）において、位置ｘから位置ｙまでの熱伝達率の平均値を点線で示す。

図１４（ｃ）及び（ｄ）に本実施の形態を用いた場合を示す。図１４（ｃ）において、位置ｘから導入された第１冷媒には、第１凸部１１ａの内壁面に沿って厚さｄ_ａの温度境界層が発生する。しかし、第１冷媒が第２凸部１１ｂに衝突する位置ｚ_１から第２凸部１１ｂに沿って厚さｄ_ｂの温度境界層が新たに発生する。さらに、下流側の位置ｚ_２で第１凸部１１ａに衝突し、第１凸部１１ａの内壁面に沿って新たな温度境界層が発生する。さらに、下流側の位置ｚ_３で第２凸部１１ｂに衝突し、第２凸部１１ｂの内壁面に沿って新たに温度境界層が発生する。

このようにして、冷媒が凸部に衝突する度に温度境界層が分断され、温度境界層の厚みが薄くなる効果が得られる。図１４（ｃ）の場合の熱伝達率は、位置ｘから第１凸部１１ａを通過する際に低下するが、位置Ｚ_１で第２凸部１１ｂに衝突するときに初期値化される。このようにして、凸部に衝突する度に熱伝達率がほぼ初期値化されることを温度境界層の分断効果という。この効果により、図１４（ｄ）のように、本実施の形態の熱伝達率の平均値は１点鎖線の値となり、本実施の形態を用いない場合よりΔρ向上する。

温度境界層の分断効果は、凸部が第１の冷媒流路１ａの内壁において内周方向の一部に形成されていることによって得られる。また、凸部が多いほどその効果は大きく、流路断面の内周方向に回転させて設ける、つまり内周方向に複数設けることで、冷媒流路内の温度境界層を満遍なく薄層化する効果が得られ、伝熱性を大きく向上できる。このように、本実施の形態を用いれば、温度境界層の分断効果により、伝熱性を向上することが可能となる。

また、凸部により、凸部付近を流れる冷媒の速度が増加する。冷媒の速度が増加すると、温度境界層が薄くなるため、熱伝達率が向上し、伝熱性が促進される効果が得られる。

本実施の形態を用いれば、第１の冷媒流路１ａに凸部がない場合に比べて伝熱面積が拡大するので、熱交換性能を向上する効果も得られる。

冷媒が気液２相流体である場合、液膜の部分が温度境界層に相当する。図１５に冷媒が気液２層流体である場合の、第１凸部１１ａ周辺の拡大図を示す。気液２相流体の場合、図１５のように、毛管力で角部に液膜１５が吸引されるため、他の部分の液膜１５が薄くなり、温度境界層が薄くなる効果が得られて熱伝達率が向上する。つまり、本実施の形態では、液膜流の蒸発では凸部１１ａでの液膜流れの乱れによる伝熱促進が、凝縮では表面張力等による液膜排除による凸部１１ａ先端での伝熱促進効果が得られる。

また、図１３において、第１凸部１１ａと第２凸部１１ｂが形成されるプレート８の厚みは同じであっても異なっていてもよい。

また、第１凸部１１ａと第２凸部１１ｂは流路断面においてそれぞれ４ヶ所設けられていたが、４ヶ所である必要はなく、１ヶ所以上設けられていれば良い。

図１３では、第１凸部１１ａと第２凸部１１ｂの形状は流路断面の中心部へ向けて狭まるテーパ形状である台形型で構成されていたが、これに限られるものでない。例えば、第１凸部１１ａや第２凸部１１ｂが円状であっても良いし、流路断面の中心部へ向けて拡がるテーパ形状であっても良いし、その他多角形などであっても良い。

また、図１３では、第１凸部１１ａと第２凸部１１ｂとを備えたが、第１凸部１１ａのみであっても良いし、位置、形状が異なる２種類以上の凸部を備えても良い。つまり、第１冷媒が流れる流路方向２０に断続的に、第１の冷媒流路１ａの内壁に内周方向の一部に第１冷媒が衝突する凸部が形成されていれば、温度境界層の分断効果が得られる。

図１６は、本実施の形態に係る熱交換器における第１の冷媒流路１ａに設けられる凸部１０の３つ目の変形例を示す斜視図である。

図１６に示されるように、凸部１０として、第１凸部１１ａ、第２凸部１１ｂ、第３凸部１１ｃ、第４凸部１１ｄ、第５凸部１１ｅ、第６凸部１１ｆが流路方向２０にずらして、かつ、流路断面の内周方向にずらして配置されている。つまり、各凸部が流路方向２０の上流側から下流側に向けて内周方向の一方向に回転させながら設けられており、その結果、流路方向２０の上流側から下流側に向けて螺旋状に配置されている。

本実施の形態では、各凸部による伝熱面積拡大効果が得られるとともに、第１冷媒が各凸部に衝突しながら、螺旋状に流れる。つまり、螺旋状の旋回流れ等の２次流れが発生することにより、第１冷媒の流れの増速効果と、温度境界層の分断効果とが得られ、温度境界層がより薄くなって伝熱を促進し、熱伝達率が向上する。

尚、本発明の実施の形態３では本発明の実施の形態１と相違する部分について説明し、同一または対応する部分についての説明は省略した。

１第１冷媒パス、１ａ第１の冷媒流路、２第２冷媒パス、２ａ第２の冷媒流路、３第１入口接続管、３ａ第１入口連通穴３ａ、４第１出口接続管、４ａ第１出口連通穴、５第２入口接続管、５ａ第２入口連通穴、６第２出口接続管、６ａ第２出口連通穴、８プレート、９ａ第１の金属板、９ｂ第２の金属板、９ｃ第３の金属板、１０凸部、１１ａ第１凸部、１１ｂ第２凸部、１１ｃ第３凸部、１１ｄ第４凸部、１１ｅ第５凸部、１１ｆ第６凸部、１２導管、１３伝熱領域、１４ａ第１の側面、１４ｂ第２の側面、１４ｃ第３の側面、１４ｄ第４の側面、１５液膜、２０流路方向、２１導入方向、２２出口方向、２５上流側流路、２６下流側流路、２７止水域。

Claims

第１冷媒が流れる複数の第１の冷媒流路と、前記第１の冷媒流路と伝熱領域を介して並列に設けられ、前記第１冷媒と熱交換を行う第２冷媒が流れる複数の第２の冷媒流路とが形成された導管を備え、
前記第１冷媒が流れる流路方向と垂直な断面において、前記伝熱領域は前記断面内で一定の熱伝導率を有し、
前記導管は、前記第１の冷媒流路及び前記第２の冷媒流路を構成する複数の貫通穴が設けられたプレートを、前記流路方向に複数積層して形成された熱交換器。
前記第１の冷媒流路が、前記流路方向に沿って異なる複数の流路断面形状を有すること
を特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
前記第１の冷媒流路は、内周方向の一部が突出した凸部が内壁に形成されており、前記凸部が前記流路方向に断続的に形成されたこと
を特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
第１冷媒が流れる複数の第１の冷媒流路と、前記第１の冷媒流路と伝熱領域を介して並列に設けられ、前記第１冷媒と熱交換を行う第２冷媒が流れる複数の第２の冷媒流路とが形成された導管を備え、
前記第１冷媒が流れる流路方向と垂直な断面において、前記伝熱領域は前記断面内で一定の熱伝導率を有し、
前記導管は、第１の金属板と、前記第１の金属板と第１の接合面で接合された第２の金属板と、前記第２の金属板の前記第１の接合面と対向する第２の接合面で接合された第３の金属板とを備え、
前記第１の冷媒流路が前記第１の接合面に形成され、
前記第２の冷媒流路が前記第２の接合面に形成され、
前記第１の冷媒流路は、前記第１の冷媒流路の内壁から突出して先端が前記第１の冷媒流路内に位置する凸部を前記流路方向に断続的に有し、
前記凸部が、前記第１の冷媒流路の内周方向の全周に連続的に設けられた熱交換器。
第１冷媒が流れる複数の第１の冷媒流路と、前記第１の冷媒流路と伝熱領域を介して並列に設けられ、前記第１冷媒と熱交換を行う第２冷媒が流れる複数の第２の冷媒流路とが形成された導管を備え、
前記第１冷媒が流れる流路方向と垂直な断面において、前記伝熱領域は前記断面内で一定の熱伝導率を有し、
前記導管は、第１の金属板と、前記第１の金属板と第１の接合面で接合された第２の金属板と、前記第２の金属板の前記第１の接合面と対向する第２の接合面で接合された第３の金属板とを備え、
前記第１の冷媒流路が前記第１の接合面に形成され、
前記第２の冷媒流路が前記第２の接合面に形成され、
前記第１の冷媒流路は、前記第１の冷媒流路の内壁から突出して先端が前記第１の冷媒流路内に位置する凸部を前記流路方向に断続的に有し、
複数の前記凸部が、前記第１の冷媒流路の内周方向に断続的に設けられた熱交換器。
前記凸部が、前記流路方向の上流側から下流側に向けて、螺旋状に設けられていること
を特徴とする請求項３から５のいずれか１項に記載の熱交換器。
第１の金属板の第１の側面に、第１冷媒の流路方向と平行に分割した、第１冷媒が流れる複数の第１の冷媒流路の半分を形成する工程と、
第２の金属板の第２の側面に、前記流路方向と平行に分割した複数の前記第１の冷媒流路の残りの半分を形成する工程と、
前記第２の金属板の前記第２の側面と対向する第３の側面に、前記流路方向と平行に分割した、前記第１冷媒と熱交換する第２冷媒が流れる第２の冷媒流路の半分を形成する工程と、
第３の金属板の第４の側面に、前記流路方向と平行に分割した複数の前記第２の冷媒流路の残りの半分を形成する工程と、
前記第１の側面と前記第２の側面を接合し、複数の前記第１の冷媒流路を形成する工程と、
前記第３の側面と前記第４の側面を接合し、前記第１の冷媒流路と並列に複数の前記第２の冷媒流路を形成する工程と、
を備え、
前記第１の冷媒流路の半分を形成する工程または前記第１の冷媒流路の残りの半分を形成する工程では、前記第１の冷媒流路の内壁から突出し、先端が前記第１の冷媒流路内に位置する凸部を、前記流路方向に断続的に形成すること
を特徴とする熱交換器の製造方法。