JP7456099B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器に関し、より詳細には、２つの流体を熱交換させる熱交換器に関するものである。

従来、２つの流体を熱交換させる熱交換器として、複数の伝熱管、入口ヘッダ、出口ヘッダ及び圧力容器を備えてものが知られている。

複数の伝熱管は、円筒状の形態を成し、互いに長手方向が一致する態様で相互間に間隔を設けて並設されている。これら伝熱管は、中空部が流路を構成している。入口ヘッダは、複数の伝熱管の流路同士を連通させ、第１流体を各伝熱管の流路へ流入させるものである。出口ヘッダは、複数の伝熱管の流路の出口同士を連通させ、各伝熱管の流路から流出した第１流体を流通させるものである。圧力容器は、複数の伝熱管を収容する収容室を備えており、この収容室に第２流体を流入させる入口ポートと、収容室から第２流体を流出させる出口ポートとを有している。

このような熱交換器においては、入口ヘッダからそれぞれの伝熱管に流入して該伝熱管を流通する第１流体と、入口ポートから収容室に流入して該伝熱管の外部を流通する第２流体とを熱交換させることができる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２－３１０５７７号公報

ところで、上述した熱交換器においては、各伝熱管が円筒状を成しており、伝熱管の相互間には間隙を設ける必要があるので、熱伝達効率の向上を図るためには、各伝熱管の径を小さくしつつ収容室に収容される伝熱管の数を増加させなければならない。しかしながら、伝熱管の径を小さくしつつ伝熱管の相互間に間隙を確保しながら収容数を増加させるには、寸法精度の観点から限界があり、結果的に熱伝達効率の向上を図ることは困難であった。

本発明は、上記実情に鑑みて、熱伝達効率の向上を図ることができる熱交換器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る熱交換器は、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、前記第１流体を流通させる複数の孔部を並列させた流路を有するとともに、表面及び裏面に前記孔部の長手方向に沿って延在する複数の突部が並設された複数の扁平多孔管と、前記複数の扁平多孔管を収容する収容室を有する圧力容器とを備え、前記圧力容器は、前記複数の扁平多孔管の前記流路の入口同士を連通させ、前記第１流体を各扁平多孔管の前記流路へ流入させる入口ヘッダと、前記複数の扁平多孔管の前記流路の出口同士を連通させ、各扁平多孔管の前記流路から流出した前記第１流体を流通させる出口ヘッダと、前記収容室に前記第２流体を流入させる入口ポートと、前記収容室から前記第２流体を流出させる出口ポートとを備えたことを特徴とする。

また本発明は、上記熱交換器において、前記複数の扁平多孔管は、前記孔部の前記長手方向に直交する横断面形状が、微細な矩形状を成すことを特徴とする。

また本発明は、上記熱交換器において、前記圧力容器は、前記入口ポートからの前記第２流体の流入方向に対して前記孔部の長手方向が直交する態様で前記複数の扁平多孔管を収容することを特徴とする。

また本発明は、上記熱交換器において、前記複数の扁平多孔管は、アルミニウムにより構成されたことを特徴とする。

本発明によれば、圧力容器の収容室に収容された複数の扁平多孔管が、第１流体を流通させる複数の孔部を並列させた流路を有するとともに、表面及び裏面に孔部の長手方向に沿って延在する複数の突部が並設されているので、伝熱面積を拡大させることができ、熱伝達効率の向上を図ることができるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態である熱交換器が適用された冷凍サイクル装置の全体構成を模式的に示す模式図である。 図２は、本発明の実施の形態である熱交換器を示す側面図である。 図３は、本発明の実施の形態である熱交換器を示す断面側面図である。 図４は、本発明の実施の形態である熱交換器の内部構造を示す斜視図である。 図５は、本発明の実施の形態である熱交換器の内部構造を示す斜視図である。 図６は、図２～図５に示した扁平多孔管を示す斜視図である。 図７は、図２～図５に示した扁平多孔管の横断面を示す横断面図である。 図８は、図２～図５に示した収容室の横断面図である。 図９は、図６及び図７に示した扁平多孔管の孔部における第１流体の通過状態を説明するための説明図である。 図１０は、図８に示した収容室における第２流体の通過状態を説明するための説明図である。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る熱交換器の好適な実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態である熱交換器が適用された冷凍サイクル装置の全体構成を模式的に示す模式図である。

ここで例示する冷凍サイクル装置１は、第１流体が循環する第１冷凍サイクル１ａと、第２流体が循環する第２冷凍サイクル１ｂとを有し、一方の冷媒である第１流体と他方の冷媒である第２流体とを熱交換器１０で熱交換させるように構成した２元冷凍サイクルである。

この冷凍サイクル装置１は、例えば第１冷凍サイクル１ａの蒸発器５で発生する冷熱を、例えば空調機器やショーケース等の各種冷凍機器に使用することができる。

第１冷凍サイクル１ａは、圧縮機２、凝縮器３、熱交換器１０、膨張機構４及び蒸発器５を順次配管で接続した構成である。第２冷凍サイクル１ｂは、圧縮機６、凝縮器７、膨張機構８及び熱交換器１０を順次配管で接続した構成である。

熱交換器１０は、第１冷凍サイクル１ａの凝縮器３を通過した高圧の第１流体と、第２冷凍サイクル１ｂの膨張機構８を通過した低圧の第２流体とを熱交換する中間熱交換器である。この熱交換器１０では、第１流体が凝縮し、第２流体が蒸発する。尚、第１冷凍サイクル１ａ及び第２冷凍サイクル１ｂの構成は適宜変更可能であり、しかも熱交換器１０は、そのような２元冷凍サイクルの中間熱交換器以外に用いてもよい。

第１冷凍サイクル１ａを循環する冷媒である第１流体、並びに第２冷凍サイクル１ｂを循環する冷媒である第２流体は、例えば自然冷媒や代替フロン冷媒等である。本実施の形態において、第２流体は、熱交換器１０に流入する際に大気圧より高圧であり、第１流体は、第２流体よりも更に高圧な常態で熱交換器１０に流入するものである。

図２～図５は、それぞれ本発明の実施の形態である熱交換器１０を示すものであり、図２は側面図、図３は断面側面図、図４及び図５は内部構造を示す斜視図である。これら図２～図５に示すように、熱交換器１０は、圧力容器２０を有し、この圧力容器２０は、収容室２１、入口ヘッダ２２、出口ヘッダ２３、入口ポート２４及び出口ポート２５を備えて構成してある。

収容室２１は、円筒状の形態を成す部分であり、複数の扁平多孔管３０を収容している。扁平多孔管３０は、図６及び図７に示すように、例えばアルミニウム等の金属材料により構成されており、基体部３１と、流路３２と、複数の突部３３とを備えて構成してある。

基体部３１は、帯状の扁平な長尺板状部材である。流路３２は、基体部３１の長手方向に沿って貫通形成された複数の孔部３２１を有し、これら孔部３２１を幅方向に複数並列することで構成してある。この流路３２を構成する各孔部３２１は、長手方向に直交する横断面形状が微細な矩形状を成した経路であり、いわゆるミニチャネルやマイクロチャネルと呼ばれる微細な経路である。複数の突部３３は、基体部３１の表面３１ａ及び裏面３１ｂにおける上端部分３１ｃ及び下端部分３１ｄを除く部分に形成してある。これら突部３３は、孔部３２１の長手方向に沿って延在する長尺状のものであり、幅方向に沿って並設してある。

そのような構成を有する複数の扁平多孔管３０は、長手方向（孔部３２１の長手方向）が収容室２１の中心軸方向に沿う態様で該収容室２１に収容されている。より詳細に説明すると、複数の扁平多孔管３０は、収容室２１の中心軸方向が上下方向と一致する場合において、図８に示すように、幅方向（孔部３２１の並列方向）が左右方向に一致する態様で互いに僅かに離隔しながら収容室２１に収容されている。これら扁平多孔管３０は、収容室２１の上端開口を閉塞する上端閉塞部材４１に基体部３１の上端部分３１ｃが貫通しつつ、収容室２１の下端開口を閉塞する下端閉塞部材４２に基体部３１の下端部分３１ｄが貫通した状態で支持されている。尚、上端閉塞部材４１及び下端閉塞部材４２は、収容室２１の中心部分に形成されたロッド状部材４３により支持されている。図８中の符号４４は、収容室２１の周縁部分に形成されたスペーサ部材である。

入口ヘッダ２２は、収容室２１の上方側、より詳細には、上端閉塞部材４１の上方側に設けてある。この入口ヘッダ２２は、上端閉塞部材４１を貫通する複数の扁平多孔管３０の孔部３２１の上端開口が臨む分配流路２２１を有している。この分配流路２２１は、第１冷凍サイクル１ａの凝縮器３の出口側に接続された配管に連結する導入配管２２２より導入された第１流体を各孔部３２１に分配するものである。つまり、入口ヘッダ２２は、複数の扁平多孔管３０の流路３２の入口同士を分配流路２２１にて連通させ、第１流体を各扁平多孔管３０の流路３２へ流入させるものである。

出口ヘッダ２３は、収容室２１の下方側、より詳細には、下端閉塞部材４２の下方側に設けてある。この出口ヘッダ２３は、下端閉塞部材４２を貫通する複数の扁平多孔管３０の孔部３２１の下端開口が臨む集合流路２３１を有している。この集合流路２３１は、各孔部３２１を通過して流出した第１流体を集合させて、第１冷凍サイクル１ａの膨張機構４の入口側に接続された配管に連結する導出配管２３２に流通させるものである。つまり、出口ヘッダ２３は、複数の扁平多孔管３０の流路３２の出口同士を連通させ、各扁平多孔管３０の流路３２から流出した第１流体を流通させるものである。

入口ポート２４は、収容室２１の下端側後方部分に設けてあり、前後方向に沿って延在するものである。この入口ポート２４は、第２冷凍サイクル１ｂの膨張機構８の出口側に接続された配管に連結してあり、収容室２１に第２流体を流入させるものである。ここで入口ポート２４は、前後方向に沿って延在しており、収容室２１の下端側後方部分に設けてあることから、第２流体を前方に向けて流入させるものである。上述したように、収容室２１においては、扁平多孔管３０が、長手方向が収容室２１の中心軸方向（上下方向）に沿うように収容されており、幅方向が左右方向に一致している。そのため、圧力容器２０は、入口ポート２４からの第２流体の流入方向に対して孔部３２１の長手方向が直交する態様で複数の扁平多孔管３０を収容している。

出口ポート２５は、収容室２１の上端側前方部分に設けてあり、前後方向に沿って延在するものである。この出口ポート２５は、第２冷凍サイクル１ｂの圧縮機６の入口側に接続された配管に連結してあり、収容室２１から第２流体を流出させるものである。

以上のような構成を有する熱交換器１０においては、外部から導入された第１流体は、入口ヘッダ２２から各扁平多孔管３０の流路３２に流入され、各扁平多孔管３０の流路３２を上から下へと流れた後に、出口ヘッダ２３を経て外部へと導出される。一方、外部から導入された第２流体は、入口ポート２４から収容室２１へと流入した後、収容室２１における互いに隣接する扁平多孔管３０の相互間や、扁平多孔管３０とスペーサ部材４４との間、更には扁平多孔管３０とロッド状部材４３との間を通過し、出口ポート２５から外部へ導出される。

これにより、各扁平多孔管３０の流路３２を通過する第１流体と、各扁平多孔管３０の外部を通過する第２流体との間で熱交換が行われ、第１流体が凝縮し、第２流体が蒸発する。

そのような本発明の実施の形態である熱交換器１０によれば、圧力容器２０の収容室２１に収容された複数の扁平多孔管３０が、第１流体を流通させる複数の孔部３２１を並列させた流路３２を有するとともに、表面３１ａ及び裏面３１ｂに孔部３２１の長手方向に沿って延在する複数の突部３３が並設されているので、伝熱面積を拡大させることができ、熱伝達効率の向上を図ることができる。

このように熱伝達効率の向上を図ることができるので、従来と同程度の熱交換量を確保するのであれば、熱交換器１０自体の小型化を図ることができる。

上記熱交換器１０によれば、複数の扁平多孔管３０は、孔部３２１の長手方向に直交する横断面形状が、微細な矩形状を成しているので、図９に示すように、各孔部３２１を通過する第１流体が表面張力により孔部３２１の角部分に集合して各辺部分の中央領域３２１ｂが露出しやすくなり、第１流体と第２流体との熱交換を促進させることができる。

上記熱交換器１０によれば、圧力容器２０が、入口ポート２４からの第２流体の流入方向に対して孔部３２１の長手方向が直交する態様で複数の扁平多孔管３０を収容するので、図１０に示すように、第２流体が入口ポート２４に最も近接した扁平多孔管３０に垂直に衝突することで、気液分離を意図的に起こし、滴下した液冷媒である第２流体を、図１０中の矢印で示すようにその他の扁平多孔管３０に均等に分配することができ、これによっても熱交換を促進させることができる。

上記熱交換器１０によれば、複数の扁平多孔管３０がアルミニウムにより構成されているので、比較的安価であり、製造コストの低減化を図ることができる。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の変更を行うことができる。

上述した実施の形態では、圧力容器２０は、入口ヘッダ２２が収容室２１の上方側に設けてあり、出口ヘッダ２３が収容室２１の下方側に設けてあったが、本発明では、入口ヘッダが収容室の下方側に設けてあり、出口ヘッダが収容室の上方側に設けてあってもよい。

上述した実施の形態では、圧力容器２０の収容室２１の中心軸方向が上下方向に一致していたが、本発明においては、収容室の中心軸方向が前後方向や左右方向に一致していてもよく、その方向は特に限定されるものではない。

１…冷凍サイクル装置、１ａ…第１冷凍サイクル、１ｂ…第２冷凍サイクル、１０…熱交換器、２０…圧力容器、２１…収容室、２２…入口ヘッダ、２３…出口ヘッダ、２４…入口ポート、２５…出口ポート、３０…扁平多孔管、３１…基体部、３１ａ…表面、３１ｂ…裏面、３２…流路、３２１…孔部、３３…突部。

Claims (3)

1. 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、
   前記第１流体を流通させる複数の孔部を並列させた流路を有するとともに、表面及び裏面に前記孔部の長手方向に沿って延在する複数の突部が並設された複数の扁平多孔管と、
   前記複数の扁平多孔管を収容する収容室を有する圧力容器と
   を備え、
   前記圧力容器は、
   前記複数の扁平多孔管の前記流路の入口同士を連通させ、前記第１流体を各扁平多孔管の前記流路へ流入させる入口ヘッダと、
   前記複数の扁平多孔管の前記流路の出口同士を連通させ、各扁平多孔管の前記流路から流出した前記第１流体を流通させる出口ヘッダと、
   前記収容室に前記第２流体を流入させる入口ポートと、
   前記収容室から前記第２流体を流出させる出口ポートと
   を備えつつ、
   前記入口ポートからの前記第２流体の流入方向に対して前記孔部の長手方向が直交する態様で前記複数の扁平多孔管を前記収容室に収容してなり、
   前記収容室においては、該収容室の中心部分にロッド状部材を配設しつつ該ロッド状部材の周囲に前記複数の扁平多孔管を配置し、前記入口ポートからの前記第２流体の流入と前記出口ポートからの前記第２流体の流出とを許容した状態で前記扁平多孔管と該収容室の周縁部分との間の全域に亘ってスペーサ部材を配置したことを特徴とする熱交換器。
2. 前記複数の扁平多孔管は、前記孔部の前記長手方向に直交する横断面形状が、微細な矩形状を成すことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記複数の扁平多孔管は、アルミニウムにより構成されたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱交換器。

Images