JP7119293B2

JP7119293B2 - 熱交換器

Info

Publication number: JP7119293B2
Application number: JP2017112797A
Authority: JP
Inventors: 亮奥山; 凱建王; 俊彦高橋
Original assignee: Fujitsu General Ltd
Current assignee: Fujitsu General Ltd
Priority date: 2017-06-07
Filing date: 2017-06-07
Publication date: 2022-08-17
Anticipated expiration: 2037-06-07
Also published as: JP2018204901A

Description

本発明は、二つの流体間、特に冷媒と水との熱交換を行う熱交換器に関する。

空気を熱源としてヒートポンプによって温水または冷水を生成し、給湯や暖房・冷房を行うヒートポンプシステムが知られている。例えば、ＡＴＷ（ＡｉｒＴｏＷａｔｅｒ）ヒートポンプシステムでは、空気と冷媒との熱交換を行う空気－冷媒熱交換器を含む冷媒側回路と、冷媒と水との熱交換を行う冷媒－水熱交換器を含む水側回路を備え、冷媒で水を加熱して温水を生成する。このＡＴＷヒートポンプシステムにおける温水の温度調整は電子制御により行われ、送水ポンプの回転数制御または電子バルブの開閉制御により送水量を調整する方法や、温水用のバイパス路を設け、このバイパス路を流れる水の流量を電子バルブの開閉制御などにより調節して主路の流量調整を行う方法などがある。

そしてこの温水の温度調整は、冷媒側回路と水側回路それぞれの状態を把握しながらフィードバック制御やフィードフォーワード制御などによって行われる（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１５－１６９３７３号公報

しかしながら、上記のように水温度を調整する際には、電子制御である冷媒側回路の制御と水側回路の制御（特に送水ポンプの回転数制御による送水量の調整）が並行して行われるため、制御が複雑になるという問題があった。

また、水側回路の送水ポンプの回転数が変更される際にウォーターハンマー（水撃）現象が起きる可能性があり、送水ポンプの破損、あるいはそれによる製品寿命の短縮に繋がるおそれがあった。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、水側回路の温水温度調整を、電子制御によらず行うことができる熱交換器を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る熱交換器は、第１流体入口と、第１流体出口と、第１流体が流れる主路およびバイパス路と、第２流体が流れる第２流体流路とを有し、前記主路を流れる第１流体と前記第２流体流路を流れる第２流体との間で熱交換が行われる伝熱流路部と、前記バイパス路を流れる第１流体と前記第２流体流路を流れる第２流体との間で熱交換が行われない非伝熱流路部とを具備し、前記主路の上流端および前記バイパス路の上流端は分配部を介して前記第１流体入口に接続され、前記主路の下流端および前記バイパス路の下流端は合流部を介して前記第１流体出口に接続された熱交換器であって、前記第１流体入口より流入する第１流体の温度に応じて変形することで前記バイパス路を流れる第１流体の流量を調節する熱応答形バイパス弁を有する。

本発明に係る熱交換器によれば、温度に応じて変形する熱応答形バイパス弁が、前記第１流体入口での第１流体の温度に応じて、バイパス路を流れる第１流体の流量を調節し、バイパス路の第１流体流量と主路の第１流体流量との混合比率を変更することによって、電子制御によらず、第１流体側回路の第１流体温度の調整のための制御が可能になる。

前記熱応答形バイパス弁は、第１流体入口での第１流体の温度に応じて変形する熱反応部材と、前記第１流体入口より流入する第１流体の熱を前記熱反応部材に伝導する熱伝導部材とを具備するものであってよい。

本発明によれば、第１流体側回路の第１流体温度の調整を、電子制御によらず行うことができる。

一実施形態に関わる熱交換器の外観図である。一実施形態に係る熱交換器を温水の流路面の高さ位置で切断して示す断面図である。図２の熱交換器のＡ－Ａ断面図である。図２の熱交換器のＢ－Ｂ断面図である。図２の熱交換器のＣ－Ｃ断面図である。図２の熱交換器を用いた温水暖房システムの構成を示す回路図である。図２の熱交換器におけるバイパス路および主路各々の温水流量、温水入口温度、バイパス路および主路各々の温水出口温度、混合温水温度の関係の例を示す表である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、本実施形態では第１流体として水または温水、第２流体として冷媒を用いるものとする。すなわち、本実施形態では水または温水は第１流体、冷媒は第２流体である。

（熱交換器の構成）
図１は本発明の一実施形態に関わる熱交換器の外観図である。図２は本発明の一実施形態に係る熱交換器を温水の流路面で切断した断面図である。図３は図２の熱交換器のＡ－Ａ断面図である。図４は図２の熱交換器のＢ－Ｂ断面図である。図５は図２の熱交換器のＣ－Ｃ断面図である。図６は本実施形態の熱交換器１を用いた温水暖房システムの構成を示す回路図である。

これらの図に示すように、本実施形態の熱交換器１は、直方体形状の外形を有し、その側面のうち一側面に冷媒入口６１と冷媒出口６２が設けられている。また、その側面のうち一側面以外の向かい合う一方の側面と他方の側面には、一方の側面に水入口１９が、他方の側面に水出口２５がそれぞれ設けられている。そして熱交換器１の内部には水が流れる主路１１と冷媒が流れる冷媒流路１２とを有し、主路１１を流れる水と冷媒流路１２を流れる冷媒との間で熱交換が行われる伝熱流路部１３と、水が流通し冷媒との間で熱交換が行われないバイパス路１５を有する非伝熱流路部１７とを具備する。なお、冷媒としては、例えばＲ４１０Ａ、Ｒ３２、ＨＦＯ１２３４ｙｆ並びにその混合冷媒、ＣＯ_２等が用いられる。

熱交換器１の伝熱流路部１３および非伝熱流路部１７は、例えば、主路１１を形成する溝およびバイパス路１５を形成する切り欠き部などがエッチングなどの微細加工により形成された複数の第１の伝熱板１１ａと、冷媒流路１２を形成する溝および他の伝熱板に形成された切り欠き部と一体化してバイパス路１５を形成する切り欠き部などがエッチングなどの微細加工により形成された複数の第２の伝熱板１２ａとを交互に重ねて積層し、例えば拡散接合などによって一体化される。図３に示すように、このようにして形成された主路１１と冷媒流路１２はマイクロチャンネルと呼ばれる微細流路であり、バイパス路１５はそれよりも流路断面積がはるかに大きく空洞状に形成された流路である。第１の伝熱板１１ａおよび第２の伝熱板１２ａは、同じ種類の金属板からなる。より具体的には、ステンレス鋼などが用いられる。

主路１１の上流端およびバイパス路１５の上流端は各々、分配部２０および水入口ヘッダー部１９ａを介して水入口１９に連通し、主路１１の下流端およびバイパス路１５の下流端は各々、混合チャンバー２１が設けられた合流部２３および水出口ヘッダー部２５ａを介して水出口２５に接続される。また、冷媒流路１２の上流端は冷媒入口ヘッダー部６１ａを介して冷媒入口６１に接続され、冷媒流路１２の下流端は冷媒出口ヘッダー部６２ａを介して冷媒出口６２に接続される。なお、本発明の実施形態は、本発明による熱交換器をヒートポンプ温水暖房システムに適用した例として説明する。このため、以下の説明では上記の水を温水に、水入口１９を温水入口１９に、水出口２５を温水出口２５にそれぞれ置き換える。なお、ここでのヘッダー部は流体の分配または合流機構である。

混合チャンバー２１には温水の温度を感知する、例えば、サーミスタなどの温度センサー２９が配置される。温度センサー２９の出力は図示しない信号線を通じて冷媒側回路を制御するマイクロコントローラに伝達される。

非伝熱流路部１７には、温水入口１９より流入する温水の温度に応じて変形する熱応答形バイパス弁２７が配置される。熱応答形バイパス弁２７が変形することによってバイパス路１５を流れる温水の流量を調節できる。この熱応答形バイパス弁２７は、温度に応じて変形する形状記憶合金（超弾性合金）などからなる伸縮可能な、単数または複数の弾性部材３１と、弾性部材３１に熱的に接続され、温水入口１９から流入した温水から弾性部材３１に熱を伝導する熱伝導部材３３と、弾性部材３１の一端に機械的に接続され、弾性部材３１の伸縮に伴い、バイパス路１５に出入りしてバイパス路１５を流れる温水の流量を調節する弁体３５とを有する。なお、弾性部材３１としては、例えば、ゼンマイ状や螺旋状に形成されたバネを用いることができる。また、図４に示すように本実施形態では弾性部材３１を三つ備えている。

弾性部材３１の材料となる形状記憶合金としては、－２０から８０℃の範囲で超弾性効果を発揮するＮｉ－Ｔｉ（ニッケル－チタン）系形状記憶合金（ニチノール）が挙げられるが、本発明はこれに限らない。

熱伝導部材３３には、熱交換器１を形成する伝熱板と同等、もしくはそれ以上の熱伝導率をもつ熱伝導材を採用することが好ましい。具体的には、例えば、アルミニウム、銅などが好適である。

本実施形態の熱交換器１の温水流路３７（主路１１およびバイパス路１５）の温水入口１９および温水出口２５は各々配管を通じて、ファンコンベクタなどの温水暖房機器４１および送水ポンプ４３が接続され、水側回路（これ以降は温水側回路とも呼ぶ）４５が形成される。一方、冷媒側回路５１は、本実施形態の熱交換器１の冷媒流路１２、圧縮機５３、アキュムレータ５５、空気－冷媒熱交換器５７、および膨張弁５９で形成される。

次に、本実施形態の熱交換器１による温水温度調整の動作について説明する。
（動作の概要）
この熱交換器１では、冷媒側回路の制御を行うマイクロコンピュータにより、温度センサー２９で検出された温水出口２５での温水の温度と目標とする温水出口２５での温水の温度（以下、目標出口温度と記載）とから冷媒側回路の制御が行われる。一方、温度に応じて伸縮する弾性部材３１を用いた熱応答形バイパス弁２７によって、温水入口１９での温水の温度に応じてバイパス路１５を流れる温水の流量が調節される。これによって、送水ポンプ４３による送水量を固定したままバイパス路１５を流れる加熱されない温水流量と、主路１１を流れ、冷媒との熱交換により加熱される温水流量との混合比率が変更されて、温水側回路４５での温水温度の調整が行われる。

（動作の詳細）
図７は本実施形態の熱交換器１におけるバイパス路１５および主路１１各々の温水流量（リットル／分）、温水入口１９での温水の温度（℃）、バイパス路１５および主路１１各々の温水出口温度（℃）、混合チャンバー２１内の混合温水温度（℃）（目標出口温度）の関係の例を示す表である。

この例に示すように、本実施形態の熱交換器１では、送水ポンプ４３による送水量が一定とされたなかで、温水入口１９での温水の温度（℃）に対して、予め決められたバイパス路１５の温水流量および主路１１の温水流量が得られるように、温水入口１９での温水の温度（℃）に対する熱応答形バイパス弁２７の開閉度（バイパス路１５内への弁体３５の突出量）が決められている。熱応答形バイパス弁２７の開閉度は、温水入口１９での温水の温度（℃）が低いとき弾性部材３１が伸長して閉じる方向に調整され、温水入口１９での温水の温度（℃）が高いとき弾性部材３１が収縮して開く方向に調整される。

冷媒側回路の制御を行うマイクロコンピュータは、例えば、利用者が操作パネルやリモートコントローラを操作することによって与えられた目標出口温度と、温度センサー２９により検出された温水出口２５での温水の温度との差を求め、この差が最小となるようにフィードバック制御により冷媒側回路の制御を行う。

一方、熱応答形バイパス弁２７は、冷媒側回路のフィードバック制御によって温水入口１９での温水の温度が変化するなかで、その温水入口１９での温水の温度に応じてバイパス路１５を流れる温水の流量を調節し、バイパス路１５を流れる温水流量と主路１１を流れる温水流量との混合比率を変更することにより、温水の温度を調整する。

このように本実施形態の熱交換器１では、熱応答により伸縮する弾性部材３１を用いた熱応答形バイパス弁２７によって、温水入口１９での温水の温度に応じてバイパス路１５を流れる温水の流量が調節されることによって、バイパス路１５の温水の流量と主路１１の温水の流量との混合比率が変更されて、温水側回路４５での温水の温度調整が行われる。

すなわち、送水ポンプ４３の回転数制御などの電子制御によらず、温水の温度調整のための温水側回路４５の制御が可能になる。これにより、送水ポンプの回転数が変更される際のウォーターハンマー（水撃）現象を解消することができ、送水ポンプなどの破損を防止して長寿命化を図れる。

また、熱交換器１への送水量を変更する必要がないので、温水の目標出口温度（℃）を上げるためにバイパス路１５に温水の一部を流す場合、その熱交換器１内の温水の圧力損失（通水抵抗）は、主路１４．２６リットル／分、バイパス路０リットル／分の場合と比べて低減される。すなわち、流量の一部をバイパス路に流した場合では、全量を主路に流した場合に比べて主路の流量が減っている分、圧力損失は低減するため、全体としても圧力損失が低減する。したがって、熱交換器１の設計を定格流量での通水抵抗による設計にすれば所定能力の熱交換器１が得られる。

また、本実施形態の熱交換器１は、主路１１を形成する溝およびバイパス路１５を形成する切り欠き部などがエッチングなどの微細加工により形成された複数の第１の伝熱板１１ａと、冷媒流路を形成する溝および他の伝熱板に形成された切り欠き部と一体化してバイパス路１５を形成する切り欠き部などがエッチングなどの微細加工により形成された複数の第２の伝熱板１２ａとを交互に重ねて積層し、例えば、拡散接合などによって一体化して形成されるので、小型の熱交換器を実現できる。また、この小型の熱交換器は、従来の熱交換器に比べてそれを搭載する装置内での配置に制限が少ないことから、システム設計の自由度が向上する。

また、本実施形態では第１流体として水または温水、第２流体として冷媒を用いて説明したが、第１流体、第２流体はこれに限るものではなく、それぞれが冷媒、水、油等の流体であればよく、またその状態も液、ガス、二相状態などであってよい。

なお、本実施形態では、本発明による熱交換器をヒートポンプ温水暖房システムに適用した場合を例として説明したが、本発明による熱交換器の用途はこれに限るものではなく、ヒートポンプによって温水または冷水を生成し、給湯や暖房・冷房を行うヒートポンプシステムなどに広く利用することができる。

（変形例）
本実施形態の変形例として、伝熱流路部１３と非伝熱流路部１７とを熱伝導性の低い材料よりなる隔壁によって熱的に隔てるようにしてもよい。この隔壁を設けることによって、伝熱流路部１３での温水と冷媒との熱交換が、非伝熱流路部１７への熱伝導により阻害されにくくすることができる。

熱応答形バイパス弁２７に用いられる弾性部材３１に代えて、ワックスの相変化による体積の熱膨張を利用したワックスペレットなどの熱動素子を用いることができる。

１…熱交換器
１１…主路
１２…冷媒流路
１３…伝熱流路部
１５…バイパス路
１７…非伝熱流路部
１９…温水入口
２０…分配部
２１…混合チャンバー
２３…合流部
２５…温水出口
２７…熱応答形バイパス弁
２９…温度センサー
３１…弾性部材
３３…熱伝導部材
３５…弁体

Claims

第１流体と第２流体との熱交換を行う熱交換器であって、
第１流体入口と、
第１流体出口と、
第１流体が流れる主路およびバイパス路と、第２流体が流れる第２流体流路とを有し、前記主路を流れる第１流体と前記第２流体流路を流れる第２流体との間で熱交換が行われる伝熱流路部と、
前記バイパス路を流れる第１流体と前記第２流体流路を流れる第２流体との間で熱交換が行われない非伝熱流路部とを具備し、
前記主路の上流端および前記バイパス路の上流端は分配部を介して前記第１流体入口に接続され、
前記主路の下流端および前記バイパス路の下流端は合流部を介して前記第１流体出口に接続された熱交換器であって、
前記主路は、マイクロチャンネルを形成する微細流路であり、
前記バイパス路は、前記主路よりも流路断面積が大きい空洞状の流路であり、
当該熱交換器は、
前記第１流体入口より流入する第１流体の温度に応じて変形することで前記バイパス路を流れる第１流体の流量を調節する熱応答形バイパス弁と、
前記合流部に配置され、前記主路を流れ前記第２流体と熱交換した前記第１流体と、前記バイパス路を流れ前記第２流体と熱交換しない前記第１流体とが混合された前記第１流体の温度を検出し、検出した前記第１流体の温度が目標温度となるように前記第２流体を循環させる第２流体側回路をフィードバック制御するための信号を出力する温度センサと、を有する
熱交換器。
請求項１に記載の熱交換器であって、
前記熱応答形バイパス弁は、
前記第１流体入口での第１流体の温度に応じて変形する熱反応部材と、
前記第１流体入口より流入する流体の熱を前記熱反応部材に伝導する熱伝導部材とを具備する
熱交換器。