JPWO2013132679A1 - 熱交換器および冷凍サイクル装置 - Google Patents
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Abstract
Description
熱交換器は、第1流体が流れる第1流体流路と第2流体が流れる第2流体流路とが同一ブロック(固体)内に略平行に配置され、それぞれにおいてそれぞれの流体を互いに同一方向に流したり(以下「並行」あるいは「並行流」と称す)、あるいは互いに反対方向に流したりして(以下「対向」あるいは「対向流」と称す)、両者の間で熱交換を行う。
例えば、第1流体を「水」、第2流体を「R410a」にして、低温低圧の水と高温高圧のR410aとの間で熱交換を行うことで、水を加熱する(このとき、R410aは冷却される)。
そして、熱交換器を高性能化・小型化する手段の一つとして、第1流体流路または第2流体流路を細径にしている。細径化を行うことにより、熱交換器の単位体積あたりの伝熱面積を増大させることが可能となり、高伝熱化が実現可能となる。
また、同一ブロック(固体)内に第1流体流路および第2流体を有するものではなく、一方の流路のみをブロック内に形成し、当該ブロックを他方の流路内に配置するもので、ブロック内に形成された流路の細径化を図ったものとして、扁平状の断面に、流体が流れる複数の流路の列を一体で押出成形した熱交換用チューブが知られている(例えば、特許文献1参照)。
このため、流体を各流路へ分配して混合するために横穴を開ける必要がある。横穴の直径は流路の高さにより制限されるため、横穴3a部分において流路断面積が縮小し、当該ブロック内で流路が拡大・縮小を繰り返すことで圧力損失が増大するといった問題があった。 すなわち、流路断面積が異なる(ヘッダー断面積が小さい)ことから、ヘッダー部で流体の流速が増加するため、圧力損失が増大し、その繰り返しによって熱交換器の圧力損失が増大する。
そして、特許文献1に開示された発明を、同一ブロック(固体)内に第1流体流路および第2流体を有する熱交換器に適用した場合、同様の問題があった。特に、特許文献1に開示された発明は、第1流体流路及び第2流体通路の組み合わせが1段であるものの、熱交換器が多段で構成された場合には、一方の段から他方の段への流体の流れ込みがあるため、ヘッダー部を通過する回数が増大する。このため、結果として、流路断面積が拡大・縮小を繰り返すということになり、熱交換器の圧力損失が増大する。
また、流体を各流路へ分配する際に、熱交換器に流入する流体の条件、特に気体と液体が混在する気液二相の状態において、流路ごとの気体と液体の流入する比率が異なる、つまり不均等分配が生じ、熱交換器の性能が悪化する。
図1および図2は本発明の実施の形態1に係る熱交換器を模式的に説明するものであって、図1の(a)はAタイプの長手方向に垂直な断面における断面図、図1の(b)はAタイプの長手方向に平行な断面における断面図、図2の(a)はBタイプの断面図、図2の(b)はBタイプの長手方向に平行な断面における断面図、図2の(c)はCタイプの断面図、図2の(d)はCタイプの長手方向に平行な断面における断面図である。なお、各図において、同じ部分または対応する部分には同じ符号(数字部分)を付し、一部の説明を省略する。また、共通する内容を説明する場合に、符号の添え字(a、b・・・)を省略することがある(実施の形態2〜5においても同様)。
図1の(a)および(b)において、Aタイプの熱交換器10aは、伝熱ブロック4に配置された複数行(例えば4行)の第1流体流路1と、第1流体流路1と流れる方向が並行になるように配置された複数行(例えば45行)の第2流体流路2aと、第2流体流路2aに垂直で、第2流体流路2aの全てを互いに連通するように形成された1列の横穴3aとを有している。
第1流体流路1は平面である第1面41に配置され、互いに平行に複数行が配置され、断面円形を呈している。
また、第2流体流路2aは、第1流体流路1に平行であって、第1面41に略平行な平面である第2面42aに配置された複数行(例えば15行)の第2流体流路21aと、第1面41に略平行な第2面42bに配置された複数行(例えば15行)の第2流体流路21bと、第1面41に略平行な第2面42cに配置された複数行(例えば15行)の第2流体流路21cと、を総称するものである。すなわち、第2流体流路2aは、3層にそれぞれ15行ずつ配置され、断面矩形を呈している。
なお、第1流体流路1および第2流体流路2aの軸方向を「長手方向」と称している。
また、以上は、第1流体流路1の断面形状が円形、第2流体流路2aの断面形状が矩形のものを示しているが、本発明はこれに限定するものではなく、それぞれの断面形状は任意に設定することができるものである。
横穴3aは、第2流体流路に垂直であり、複数行(例えば45行)の第2流体流路を互いに連通するものであるが、第1流体流路1に隣接する第2流体流路21aとの間に形成された伝熱ブロック4には、はみ出さない。また、横穴3aは流入する流体の質量速度、横穴の長さ、第2流体流路の寸法及び数に応じて、横穴3aの直径及び数を決定することにより、圧力損失を低減することができる。伝熱ブロックの長手方向に第2流体が通過する際、冷媒の密度ρ、流速v(「v=G/ρ×1/A」、G:質量速度、A:流路断面積)、圧力損失係数λ、第2流体流路の相当直径d(「d=4S/L’」、S:総断面積、L’:濡れぶち長さ)、第2流体流路の長さLとしたとき、圧力損失ΔPは「ΔP=λ×L/d×v2/2×ρ」となる。
同様に横穴3aを通過する際、圧力損失ΔPyは横穴3a部分での流速vyとすると、「ΔPy=λy×Ly/dy×vy 2/2×ρ」となる。横穴3a部分での圧力損失が、伝熱ブロックの長手方向に通過する際に生じる圧力損失よりも小さくなるような横穴の直径及び数を選定することが望ましい。「ΔP>ΔPy」となる、つまり「L/ A2d>Ly/Ay 2dy」となるような横穴3aの直径及び数を選定することが望ましい。
具体例として、図1のような第2流体流路が3層に、寸法1mm×1mmで15行で、配置され、かつ伝熱ブロックの長さが300mm、横穴の長さが25mmの場合、「L/A2d=0.3/(4.5×10-5)2×0.001=1.48×1011>Ly/Ay 2dy」を満足する横穴3aの直径及び数にすることが好ましく、「dy>0.003」つまり3mm以上の直径をもつ横穴3aにすることが望ましい。なお、上記の範囲以外の流路断面積である場合、横穴部での圧力損失が増大し、熱交換器の性能劣化を引き起こすため、好ましくない。
なお、横穴3aは、伝熱ブロック4の一方の側面44から、機械加工(ドリル)あるいは塑性加工(ポンチ)等によって穿孔されたものであるが、本発明は、その形成方法を限定するものではない。
上記のように構成された熱交換器10aにおいては、次のような作用効果が得られる。
前記範囲内の流路断面積を持つ横穴3aは、従来の熱交換器のような1層分の直径を持つ横穴(特許文献1参照)よりも大きくなるため、流体が熱交換器10aを通過する際に、横穴3a部分での流路の拡大・縮小の影響が小さくなる。すなわち、横穴3aがヘッダー部として機能するため、横穴3aにおける圧力損失、つまり熱交換器10aでの圧力損失を低減することとなる。
よって、横穴3aの直径Daを拡大するために第2流体流路2aを複数層に渡るように構成したことにより、第2流体流路2aの伝熱面積が増大している。従って、熱交換性能の向上を図ることが可能となる。
特に、熱交換器が多段で構成される場合には、一方の段から他方に段への第2流体の流れ込みがあり、横穴3a(ヘッダー部に相当する)を通過する回数が増大するため、流路断面積が拡大・縮小を繰り返すものの、熱交換器10aでは横穴3aの流路断面積が大きいことから、圧力損失を低減する効果が顕著になる。
前記範囲内の流路断面積の直径Daを持つ横穴3aは、従来の熱交換器のような1層で同等直径を持つように伝熱ブロックの厚みを増大させた場合と比較して、第1流体流路1との距離を短くすることができるため、熱交換性能を向上させることが可能となる。
前記範囲内の流路断面積の直径Daを持つ横穴3aは、第1流体流路1に隣接する第2流体流路21aとの間に形成された伝熱ブロック4には、はみ出さないように構成されるため、第1流体流路1と第2流体流路21aとの距離を短くすることができるため、熱交換性能を向上させることが可能となる。
また、横穴3aは、第1流体流路1から最も遠い側にある第2流体流路21cから外側の伝熱ブロック4の部分にも、はみ出さないように構成される。つまり、複数の層をなすように配列された第2流体流路2aに対して横穴3aの高さは第2流体流路2aの最下層から最上層までの範囲に収まるようにされている。このようにすることで、伝熱ブロック4の厚みを薄くすることができる。また、第1流体流路1の層、第2流体流路2aの層、第1流体流路1の層、のように積層した場合、間に挟まれた第2流体流路2aの層が上下の第1流体流路1の層に近接して配置できるようになり熱交換性能を向上させることができる。
なお、伝熱ブロック4の形成方法は限定するものではないが、例えば、一体押し出し加工によって形成すれば、第1流体流路1の行数や第1面41の数の増減、あるいは第2流体流路の行数や第2面42の数の増減が容易になるから、横穴3aの流路断面積を最適設計することができる。
また、伝熱ブロック4の一方の側面44における横穴3aに蓋を設置して、当該開口部を閉塞してもよい。このとき、第2流体流路2aの長手方向の両端はシステム(例えば、給湯システム等)の配管に接続される(管継手を介して直接的に、または外付けヘッダー部を介して間接的に接続される)。
さらに、第1流体流路1を流れる流体の流れ方向と第2流体流路2aを流れる流体の流れ方向とは、並行であっても対向であってもよい。
図2の(a)および(b)において、Bタイプの熱交換器10bは、伝熱ブロック4に配置された4行の第1流体流路1と、5層で15行(合計75行)の第2流体流路2bと、第2流体流路2bに垂直で、第2流体流路2bを互いに連通するように形成された1列の横穴3bとを有している。
このとき、熱交換器10bは、第1面41に略平行な第2面42d、42eにそれぞれ配置された複数行(例えば15行)の第2流体流路21d、21eと、をAタイプの熱交換器10aに追加したものに同じである。このとき、横穴3bの内径Dbは、5層の第2流体流路2bに跨がるため、大きな値になっている。
図2の(c)および(d)において、Cタイプの熱交換器10cは、伝熱ブロック4に配置された4行の第1流体流路1と、2層で15行(合計30行)の第2流体流路2cと、第2流体流路2cに垂直で、第2流体流路2cを互いに連通するように形成された1列の横穴3cとを有している。このとき、横穴3cの内径Dcは、2層の第2流体流路2cに跨がるだけでよいため、小さな値になっている。
また、それぞれのタイプを使い分けることによって、第2流体流路2内の圧力損失の低減を図ることができる。
なお、以上は、説明の便宜上、Aタイプ〜Cタイプと称したものであって、第1流体流路1の行数、第2流体流路2の層数、その各層における行数を限定するものではない。
なお、以上は、説明の便宜上、横穴3の直径を、第2流体流路21aと第2流体流路21cとを跨ぐことができる直径Daとしたが、第2流体流路21aと第2流体流路21cとを跨ぐことができるのであれば、直径Daより小径で構成してもかまわない。
図3〜図5は本発明の実施の形態2に係る熱交換器を模式的に説明するものであって、図3の(a)はDタイプの長手方向に垂直な断面における断面図、図3の(b)はDタイプの長手方向に平行な断面における断面図、図4の(a)はEタイプの断面図、図4の(b)はEタイプの長手方向に平行な断面における断面図、図5の(a)はFタイプの断面図、図5の(b)はFタイプの長手方向に平行な断面における断面図である。なお、実施の形態1と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付し、一部の説明を省略する。
図3の(a)および(b)において、Dタイプの熱交換器10dは、伝熱ブロック4に配置された4行の第1流体流路1と、2層で15行の第2流体流路2dと、第2流体流路2dを互いに連通する長方形状の横穴3dとを有している。
このとき、横穴3dは、第2流体流路2dの高さを持ち、長手方向に長辺を持ち、第2流体流路2dに垂直に設けられている。その他の構成及び動作に関しては、実施の形態1と同様である。
上記のように構成された熱交換器10dにおいては、次のような作用効果が得られる。
すなわち、長方形状の横穴3dを持つ熱交換器10dは、横穴3dにおける流路断面積が円形の場合に比較して増大するため、流路の拡大・縮小の影響が小さくなる。そのため、横穴3dにおける圧力損失、つまり熱交換器10dでの圧力損失が低減されることになる。
長辺の長さは、冷媒の分配性能が良好になるような長さで設計される。そのため、分配性能の悪化に伴う、熱交換器の性能劣化を抑制することができる。
また、横穴3dを長方形状にて設けることにより、伝熱ブロック4の厚みを抑える(増加させない)ため、熱交換器の薄型化によるコンパクト化及び材料費の削減を図ることが可能となる。
長方形状の横穴3dは、円形で横穴3dを構成した場合と比較して、断面積が増大しているため、円形で横穴3dを構成した場合と比較して、そこに充填されていた使用部材の材料費の削減を図ることが可能となる。
なお、以上は、横穴3dの長辺を長手方向としたが、長手方向に短辺を持つような構成であってもかまわない。
図4の(a)および(b)において、Eタイプの熱交換器10eは、伝熱ブロック4に配置された4行の第1流体流路1と、2層で15行の第2流体流路2eと、第2流体流路2eを互いに連通する楕円形状の横穴3eとを有している。
このとき、横穴3eは、第2流体流路2eの高さを持ち、長手方向に長辺を持ち、第2流体流路2eに垂直に設けられている。その他の構成及び動作に関しては、実施の形態1と同様である。
上記のように構成された熱交換器10eにおいては、次のような作用効果が得られる。
すなわち、楕円形状の横穴3eを持つ熱交換器10eは、横穴3eにおける流路断面積が円形の場合に比較して増大するため、流路の拡大・縮小の影響が小さくなる。そのため、横穴3eにおける圧力損失、つまり熱交換器10eでの圧力損失が低減されることになる。
長辺の長さは、冷媒の分配性能が良好になるような長さで設計される。そのため、分配性能の悪化に伴う、熱交換器の性能劣化を抑制することができる。
また、横穴3eを楕円形状にて設けることにより、伝熱ブロック4の厚みを抑える(増加させない)ため、熱交換器の薄型化によるコンパクト化及び材料費の削減を図ることが可能となる。
楕円形状の横穴3eは、円形で横穴3dを構成した場合と比較して、断面積が増大しているため、円形で横穴3dを構成した場合と比較して、そこに充填されていた使用部材の材料費の削減を図ることが可能となる。
また、Eタイプの熱交換器10eは、Dタイプの熱交換器10dにおける1列の長方形状の横穴3dを、楕円形状にしたものである。横穴3eをエンドミル等の機械加工によって形成することが容易になる。
なお、以上は、横穴3eの長辺を長手方向としたが、長手方向に短辺を持つような構成であってもかまわない。
図5の(a)および(b)において、Fタイプの熱交換器10fは、伝熱ブロック4に配置された4行の第1流体流路1と、2層で15行の第2流体流路2fと、第2流体流路2fを互いに連通する複数の横穴3fとを有している。
このとき、横穴3fは、第2流体流路2fの高さの直径を持ち、第2流体流路2fに垂直かつ流路の方向に複数列(例えば2列)設けられている。その他の構成及び動作に関しては、実施の形態1と同様である。
上記のように構成された熱交換器10fにおいては、次のような作用効果が得られる。
すなわち、複数の横穴3fを持つ熱交換器10fは、横穴3fにおける流路断面積が1個の場合に比較して増大するため、流路の拡大・縮小の影響が小さくなる。そのため、横穴3fにおける圧力損失、つまり熱交換器10fでの圧力損失が低減されることになる。
また、横穴3fを複数列設けることにより、伝熱ブロック4の厚みを抑える(増加させない)ため、熱交換器の薄型化によるコンパクト化及び材料費の削減を図ることが可能となる。
長辺の長さは、冷媒の分配性能が良好になるような長さで設計される。そのため、分配性能の悪化に伴う、熱交換器の性能劣化を抑制することができる。
また、横穴3fを複数列設けることにより、伝熱ブロック4の厚みを抑える(増加させない)ため、熱交換器の薄型化によるコンパクト化及び材料費の削減を図ることが可能となる。
複数列の横穴3fは、単一円形で横穴3fを構成した場合と比較して、断面積が増大しているため、単一円形で横穴3fを構成した場合と比較して、そこに充填されていた使用部材の材料費の削減を図ることが可能となる。
また、Fタイプの熱交換器10fは、Dタイプの熱交換器10dにおける1列の長方形状の横穴3dを、複数列の円形で構成したものである。横穴3fをエンドミル等の機械加工によって形成することが容易になる。
さらに、横穴3fを複数列で構成することにより、長方形及び楕円形で構成した場合と比較して、耐圧性能を向上させることが可能となる。
なお、以上は、横穴3fを2列で構成したが、列数を限定するものではない。
図6は本発明の実施の形態3に係る熱交換器を模式的に説明するものであって、図6の(a)はHタイプの長手方向に垂直な断面における断面図、図6の(b)はHタイプの長手方向に平行な断面における断面図、図6の(c)はIタイプの長手方向に垂直な断面における断面図、図6の(d)はIタイプの長手方向に平行な断面における断面図である。なお、実施の形態1と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付し、一部の説明を省略する。
図6の(a)および(b)において、Hタイプの熱交換器10hは、伝熱ブロック4に1層で4行の第1流体流路1と、1層で5行の第2流体流路21aと、横穴3hと、第2流体流路21aに平行で、第1流体流路1とは反対側に配置されたスリット状空間5hと、を有している。すなわち、第2流体流路21aは、第1流体流路1とスリット状空間5hとに挟まれた形態を呈している。
このとき、スリット状空間5hは第2面42aに平行な第3面43に配置され、横穴3hは、第2流体流路21aおよびスリット状空間5hに跨がるように形成され、第2流体流路21aからスリット状空間5hに横穴3hを経由して第2流体が流入しないよう、横穴3hを開けた部分のスリット状空間5hには、封止加工が施される。
すなわち、スリット状空間5hの所定の範囲に封止ブロック81が液密的に設置され、横穴3hは封止ブロック81の一部を貫通している。なお、封止加工の要領は、封止ブロック81に限定されるものではない。
したがって、横穴3hは、側面視において、第2流体流路21aとスリット状空間5hとを覆う直径Dhを有する円の略半分(半円)が、第1流体流路1と第2流体流路21aとを連通する流路として機能する。そして、その他の構成及び動作に関しては、実施の形態1と同様である。
スリット状空間5hにより横穴3hの直径が拡大した熱交換器10hは、横穴3h部分での流路断面積(前記、半円状の連通部の面積)が増大するため、流路の拡大・縮小の影響が小さくなる。
そのため、横穴3hつまり熱交換器10hにおける圧力損失を低減することとなる。また、スリット状空間5hを設けることにより、スリット状空間5h部分が断熱層となり、第2流体流路21aから伝熱ブロック4の外への放熱を防ぐことにより、熱交換性能の向上を図ることが可能となる。
なお、以上は、横穴3hを断面円形で構成しているが、その形状は限定されるものではない。
図6の(c)および(d)において、Iタイプの熱交換器10iは、Hタイプの熱交換器10hにおけるスリット状空間5hを、分割して複数のスリット状空間5iにしたものである。なお、断面長方形のスリット状空間5iを示しているが、本発明はこれに限定するものではなく、円形、楕円形あるいは正方形等の矩形であってもよい。
このとき、断面長方形のスリット状空間5iには、所定の範囲に封止ブロック82が液密的に設置されている。
したがって、熱交換器10iは熱交換器10hと同様の作用効果が得られると共に、伝熱ブロック4のスリット状空間5iに近い側面45の剛性が高まるから、熱交換器10hと比較して伝熱ブロック4の方が変形し難くなる。
なお、伝熱ブロック4の形成方法は限定するものではないが、例えば、一体押し出し加工によって形成すれば、第1流体流路1の行数や第1面41の数の増減、あるいは第2流体流路の行数や第2面42の数の増減と共に、スリット状空間5iの形態を選定の自由度が増す。
図7は本発明の実施の形態4に係る熱交換器を模式的に説明するものであって、(a)はJタイプの長手方向に垂直な断面における断面図、(b)はJタイプの長手方向に平行な断面における断面図である。なお、実施の形態1と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付し、一部の説明を省略する。
図7の(a)および(b)において、熱交換器10jは、Iタイプの熱交換器10iにおけるスリット状空間5iを、2層に設けたものである。
すなわち、スリット状空間5jは、第2面42aに平行な第3面43aに間歇配置された複数の下層スリット状空間51aと、第3面43aに平行な第3面43bに間歇配置された複数の上層スリット状空間51bと、から形成されている。下層スリット状空間51aおよび上層スリット状空間51bは、それぞれ断面略正方形で、一対の下層スリット状空間51aに挟まれた範囲の上側に、上層スリット状空間51bが配置され(一対の上層スリット状空間51bに挟まれた範囲の下側に、下層スリット状空間51aが配置されているに同じ)、市松模様を呈している。
そして、下層スリット状空間51aおよび上層スリット状空間51bの所定の範囲にそれぞれ封止ブロック83aおよび封止ブロック83bが液密的に設置されている。
したがって、スリット状空間5jは、微細な流路である下層スリット状空間51aおよび上層スリット状空間51aによって構成されている点を除き、Hタイプの熱交換器10hと同様であるから、熱交換器10jは熱交換器10hと同様の作用効果が得られる。
なお、伝熱ブロック4の形成方法は限定するものではないが、例えば、一体押し出し加工によって形成すれば、第1流体流路1の行数や第1面41の数の増減、あるいは第2流体流路の行数や第2面42の数の増減と共に、スリット状空間5jの形態を選定の自由度が増す。
図8は本発明の実施の形態5に係る熱交換器を模式的に説明するものであって、(a)はKタイプの長手方向に垂直な断面における断面図、(b)はKタイプの長手方向に平行な断面における断面図、(c)はLタイプの長手方向に垂直な断面における断面図、(d)はLタイプの長手方向に平行な断面における断面図、(e)はMタイプの長手方向に垂直な断面における断面図、(f)はMタイプの長手方向に平行な断面における断面図である。なお、実施の形態1と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付し、一部の説明を省略する。
図8の(a)および(b)において、Kタイプの熱交換器10kは、伝熱ブロック4に配置された4行の第1流体流路1と、6層で15行(合計90行)の第2流体流路2kと、第2流体流路2kに垂直で、第2流体流路2kを互いに連通するように形成された1列の横穴3kとを有している。
すなわち、熱交換器10kは、Bタイプの熱交換器10bに、第1面41に略平行な第2面42fに配置された複数行(例えば15行)の第2流体流路21fを追加したものと同じである。このとき、横穴3kの内径Dkは、6層の第2流体流路2kに跨がるため、大きな値になっている。
図8の(c)および(d)において、Lタイプの熱交換器10l(10エル)は、Kタイプの熱交換器10kにおける横穴3kを2条に分割したものである。すなわち、第2流体流路21a〜21cの3層を下層グループとし、該下層グループの第2流体流路21a〜21cを全て連通する小径横穴33aと、第2流体流路21d〜21fの3層を上層グループとし、該上層グループの第2流体流路21d〜21fを全て連通する小径横穴33bと、からなる横穴3l(3エル)が形成されている。
したがって、横穴3l(3エル)の内径は、横穴3kの内径の概ね1/2になっている。
なお、熱交換器を流れる流体が相変化を伴う場合、同一質量速度においては、液体、気液二相、気体の順に流体の速度は速くなる。圧力損失を低減するためには、冷媒の状態つまり冷媒の速度に応じて横穴の内径を設定する必要がある。
そこで、Kタイプの熱交換器10k(内径Dk)において、流体の状態に伴う速度変化に応じられない場合に、Lタイプの熱交換器10l(10エル、内径Dl(Dエル))を選定することができる。
図8の(e)および(f)において、Mタイプの熱交換器10mは、Kタイプの熱交換器10kにおける横穴3kを3条に分割したものである。すなわち、第2流体流路21a、21bの2層を下層グループとし、該下層グループの第2流体流路21a、21bを全て連通する小径横穴32aと、第2流体流路21c、21dの2層を中層グループとし、該中層グループの第2流体流路21c、21dを全て連通する小径横穴32bと、第2流体流路21e、21fの2層を上層グループとし、該上層グループの第2流体流路21e、21fを全て連通する小径横穴32cと、からなる横穴3mが形成されている。
したがって、横穴3mの内径は、横穴3kの内径の概ね1/3になっている。
したがって、Kタイプの熱交換器10kあるいはLタイプの熱交換器10l(10エル)において、流体の状態に伴う速度変化に応じられない場合に、Mタイプの熱交換器10mを選定することができる。
実施の形態1〜5において説明した横穴は、楕円や矩形であってもよく、特に楕円や矩形について、第2流体流路の流れ方向へ横穴の幅を拡大することができる。すなわち、流入する冷媒の質量速度、蒸気及び液の質量速度の比率(以下、乾き度)に応じて、横穴の流路断面積を決定することにより、圧力損失を低減することができる。
さらに、流路断面積を最適設計することにより、複数の第2流体流路へ均等に分配しやすい二相冷媒の流れの様相(以下、流動様式)で流入させることが可能となる。それにより、分配悪化による熱交換器の性能低下を抑制する効果が得られる。均等に分配しやすい流れとは、環状流、環状噴霧流、気泡流、スラグ流及びせん状流であり、横穴にはこれらの流動様式で流入させることが望ましい。二相状態での流体の流れの様相は、流動様式線図で確認することができる(例えば、Baker線図(図11参照))。
以下に説明する本発明の実施の形態6に係る冷凍サイクル装置は、流動様式を考慮したものである。
横穴に流入する冷媒の質量速度を「G」、
気相及び液相の質量速度を「Gg及びGl」、
気相及び液相の密度を「ρg及びρl」、
気相及び液相の粘性係数を「μg及びμl」、
表面張力を「σ」、
大気温度20℃の空気と水の密度を「ρa及びρw」、
大気温度20℃の水の粘性係数を「μw」、
大気温度20℃の空気−水の表面張力を「σw」、
補正係数を「λ(=((ρg/ρa)×(ρl/ρw))1/2)」
及び「ψ(=(σw/σ)×((μl/μw)×(ρw/ρl)2)1/3)」としたとき、
「Gl/Gg×λ×ψ」及び「Gg/λ」の関係が流動様式線図上で環状流、環状噴流、スラグ流、気泡流及びせん状流の領域に存在する。
つまり、「Gg/λ>84544×(Gl/Gg×λ×ψ)−0.676」となるよう横穴の流路断面積を選定することが望ましい。
具体例として、質量速度200kg/m2s、入口乾き度0.2、圧力2MPaとすると、「Gl/Gg×λ×ψ=266」となり、「84544×(Gl/Gg×λ×ψ)−0.676=1952」となる。
つまり、「Gg/λ>1952」を満足する流路断面積を持つ横穴にすることが好ましく、その範囲は、横穴の流路断面積を「Ah」とすると、「Ah<2.78×10−3m2」である。なお、上記の範囲以外の流路断面積である場合、流動様式が悪化し、熱交換器の性能劣化を引き起こすため、好ましくない。
図9は本発明の実施の形態7に係る冷凍サイクル装置を説明するものであって、温熱を利用するヒートポンプ式暖房システムを示す機器の構成図である。なお、実施の形態1と同じ部分には同じ符号を付し、一部の説明を省略する。
図9において、ヒートポンプ式暖房システム60は、第1流体が流れる利用側流体配管61と、第2流体が流れる熱源側流体配管62と、第1流体と第2流体との熱交換を行う熱交換器10aを有する。すなわち、第1流体流路1は利用側流体配管61の一部を形成し、第2流体流路2は熱源側流体配管62の一部を形成している。
利用側流体配管61は、熱交換器10a(第1流体流路1)、ポンプ61a及び利用側熱交換器61bを順次連結し、第1流体の循環を可能にしている。
熱源側流体配管62は、圧縮機62a、熱交換器10a(第2流体流路2)、膨張弁62b、熱源側熱交換器62c及びファン62dを順次連結し、第2流体の循環を可能にしている。
熱源側流体配管62においては、圧縮機62aで高温高圧となった第2流体は、熱交換器10aにおいて第1流体と熱交換を行う(温熱を受け渡す)。その後、膨張弁62bにおいて減圧され、低温低圧となった第2流体は、熱源側熱交換器62cにおいてファン62dによって送風された空気と熱交換(冷熱の放出)を行い、蒸発した後、圧縮機62aへと戻る。
図9に示すように、本発明の熱交換器10aを用いたヒートポンプ式暖房システム60を熱源として利用側熱交換器61bで暖房または給湯することにより、従来のボイラを熱源とした暖房システムに比べて省エネ効果がある。
なお、以上は、Aタイプの熱交換器10aを搭載したものを示しているが、本発明はこれに限定するものではなく、Bタイプ〜Mタイプの何れであってもよく、また、前記のように、第1流体流路1の行数、第2流体流路2の層数や、その各層における行数を限定するものではない。
図10は本発明の実施の形態8に係る冷凍サイクル装置を説明するものであって、温熱を利用するヒートポンプ式給湯システムを示す機器の構成図である。なお、実施の形態1、2と同じ部分には同じ符号を付し、一部の説明を省略する。
図10において、ヒートポンプ式給湯システム70は、ヒートポンプ式給湯システム60における利用側熱交換器61bをタンク63内に設置し、タンク63に給水される水を加熱して取水する給湯システムにしたものである。
図10に示すように、本発明の熱交換器10aを用いたヒートポンプ式給湯システム70(ヒートポンプ給湯・暖房システムに同じ)を熱源として利用側熱交換器61bで暖房または給湯することにより、従来のボイラを熱源とした給湯システムに比べて省エネ効果がある。
熱交換器は、第1流体が流れる第1流体流路と第2流体が流れる第2流体流路とが同一ブロック(固体)内に略平行に配置され、それぞれにおいてそれぞれの流体を互いに同一方向に流したり(以下「並行」あるいは「並行流」と称す)、あるいは互いに反対方向に流したりして(以下「対向」あるいは「対向流」と称す)、両者の間で熱交換を行う。
例えば、第1流体を「水」、第2流体を「R410a」にして、低温低圧の水と高温高圧のR410aとの間で熱交換を行うことで、水を加熱する(このとき、R410aは冷却される)。
そして、熱交換器を高性能化・小型化する手段の一つとして、第1流体流路または第2流体流路を細径にしている。細径化を行うことにより、熱交換器の単位体積あたりの伝熱面積を増大させることが可能となり、高伝熱化が実現可能となる。
また、同一ブロック(固体)内に第1流体流路および第2流体流路を有するものではなく、一方の流路のみをブロック内に形成し、当該ブロックを他方の流路内に配置するもので、ブロック内に形成された流路の細径化を図ったものとして、扁平状の断面に、流体が流れる複数の流路の列を一体で押出成形した熱交換用チューブが知られている(例えば、特許文献1参照)。
このため、流体を各流路へ分配して混合するために横穴を開ける必要がある。横穴の直径は流路の高さにより制限されるため、横穴部分において流路断面積が縮小し、当該ブロック内で流路が拡大・縮小を繰り返すことで圧力損失が増大するといった問題があった。 すなわち、流路断面積が異なる(ヘッダー断面積が小さい)ことから、ヘッダー部で流体の流速が増加するため、圧力損失が増大し、その繰り返しによって熱交換器の圧力損失が増大する。
そして、特許文献1に開示された発明を、同一ブロック(固体)内に第1流体流路および第2流体流路を有する熱交換器に適用した場合、同様の問題があった。特に、特許文献1に開示された発明は、第1流体流路及び第2流体流路の組み合わせが1段であるものの、熱交換器が多段で構成された場合には、一方の段から他方の段への流体の流れ込みがあるため、ヘッダー部を通過する回数が増大する。このため、結果として、流路断面積が拡大・縮小を繰り返すということになり、熱交換器の圧力損失が増大する。
また、流体を各流路へ分配する際に、熱交換器に流入する流体の条件、特に気体と液体が混在する気液二相の状態において、流路ごとの気体と液体の流入する比率が異なる、つまり不均等分配が生じ、熱交換器の性能が悪化する。
図1および図2は本発明の実施の形態1に係る熱交換器を模式的に説明するものであって、図1の(a)はAタイプの長手方向に垂直な断面における断面図、図1の(b)はAタイプの長手方向に平行な断面における断面図、図2の(a)はBタイプの長手方向に垂直な断面における断面図、図2の(b)はBタイプの長手方向に平行な断面における断面図、図2の(c)はCタイプの長手方向に垂直な断面における断面図、図2の(d)はCタイプの長手方向に平行な断面における断面図である。なお、各図において、同じ部分または対応する部分には同じ符号(数字部分)を付し、一部の説明を省略する。また、共通する内容を説明する場合に、符号の添え字(a、b・・・)を省略することがある(実施の形態2〜5においても同様)。
横穴3aは、第2流体流路に垂直であり、複数行(例えば45行)の第2流体流路を互いに連通するものであるが、第1流体流路1に隣接する第2流体流路21aとの間に形成された伝熱ブロック4には、はみ出さない。また、横穴3aは流入する流体の質量速度、横穴の長さ、第2流体流路の寸法及び数に応じて、横穴3aの直径及び数を決定することにより、圧力損失を低減することができる。伝熱ブロックの長手方向に第2流体が通過する際、第2流体の密度ρ、流速v(「v=G/ρ×1/A」、G:質量速度、A:流路断面積)、圧力損失係数λ、第2流体流路の相当直径d(「d=4S/L’」、S:総断面積、L’:濡れぶち長さ)、第2流体流路の長さLとしたとき、圧力損失ΔPは「ΔP=λ×L/d×v2/2×ρ」となる。
同様に横穴3aを通過する際、圧力損失ΔPyは横穴3a部分での流速vyとすると、「ΔPy=λy×Ly/dy×vy 2/2×ρ」となる。横穴3a部分での圧力損失が、伝熱ブロックの長手方向に通過する際に生じる圧力損失よりも小さくなるような横穴の直径及び数を選定することが望ましい。「ΔP>ΔPy」となる、つまり「L/ A2d>Ly/Ay 2dy」となるような横穴3aの直径及び数を選定することが望ましい。
具体例として、図1のような第2流体流路が3層に、寸法1mm×1mmで15行で、配置され、かつ伝熱ブロックの長さが300mm、横穴の長さが25mmの場合、「L/A2d=0.3/(4.5×10-5)2×0.001=1.48×1011>Ly/Ay 2dy」を満足する横穴3aの直径及び数にすることが好ましく、「dy>0.003」つまり3mm以上の直径をもつ横穴3aにすることが望ましい。なお、上記の範囲以外の流路断面積である場合、横穴部での圧力損失が増大し、熱交換器の性能劣化を引き起こすため、好ましくない。
なお、横穴3aは、伝熱ブロック4の一方の側面44から、機械加工(ドリル)あるいは塑性加工(ポンチ)等によって穿孔されたものであるが、本発明は、その形成方法を限定するものではない。
図3〜図5は本発明の実施の形態2に係る熱交換器を模式的に説明するものであって、図3の(a)はDタイプの長手方向に垂直な断面における断面図、図3の(b)はDタイプの長手方向に平行な断面における断面図、図4の(a)はEタイプの長手方向に垂直な断面における断面図、図4の(b)はEタイプの長手方向に平行な断面における断面図、図5の(a)はFタイプの長手方向に垂直な断面における断面図、図5の(b)はFタイプの長手方向に平行な断面における断面図である。なお、実施の形態1と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付し、一部の説明を省略する。
図4の(a)および(b)において、Eタイプの熱交換器10eは、伝熱ブロック4に配置された4行の第1流体流路1と、2層で15行の第2流体流路2eと、第2流体流路2eを互いに連通する楕円形状の横穴3eとを有している。
このとき、横穴3eは、第2流体流路2eの高さを持ち、長手方向に長辺を持ち、第2流体流路2eに垂直に設けられている。その他の構成及び動作に関しては、実施の形態1と同様である。
上記のように構成された熱交換器10eにおいては、次のような作用効果が得られる。
すなわち、楕円形状の横穴3eを持つ熱交換器10eは、横穴3eにおける流路断面積が円形の場合に比較して増大するため、流路の拡大・縮小の影響が小さくなる。そのため、横穴3eにおける圧力損失、つまり熱交換器10eでの圧力損失が低減されることになる。
長辺の長さは、冷媒の分配性能が良好になるような長さで設計される。そのため、分配性能の悪化に伴う、熱交換器の性能劣化を抑制することができる。
また、横穴3eを楕円形状にて設けることにより、伝熱ブロック4の厚みを抑える(増加させない)ため、熱交換器の薄型化によるコンパクト化及び材料費の削減を図ることが可能となる。
楕円形状の横穴3eは、円形で横穴3eを構成した場合と比較して、断面積が増大しているため、円形で横穴3eを構成した場合と比較して、そこに充填されていた使用部材の材料費の削減を図ることが可能となる。
また、Eタイプの熱交換器10eは、Dタイプの熱交換器10dにおける1列の長方形状の横穴3dを、楕円形状にしたものである。横穴3eをエンドミル等の機械加工によって形成することが容易になる。
なお、以上は、横穴3eの長辺を長手方向としたが、長手方向に短辺を持つような構成であってもかまわない。
図6の(a)および(b)において、Hタイプの熱交換器10hは、伝熱ブロック4に1層で4行の第1流体流路1と、1層で15行の第2流体流路21aと、横穴3hと、第2流体流路21aに平行で、第1流体流路1とは反対側に配置されたスリット状空間5hと、を有している。すなわち、第2流体流路21aは、第1流体流路1とスリット状空間5hとに挟まれた形態を呈している。
このとき、スリット状空間5hは第2面42aに平行な第3面43に配置され、横穴3hは、第2流体流路21aおよびスリット状空間5hに跨がるように形成され、第2流体流路21aからスリット状空間5hに横穴3hを経由して第2流体が流入しないよう、横穴3hを開けた部分のスリット状空間5hには、封止加工が施される。
すなわち、スリット状空間5hの所定の範囲に封止ブロック81が液密的に設置され、横穴3hは封止ブロック81の一部を貫通している。なお、封止加工の要領は、封止ブロック81に限定されるものではない。
したがって、横穴3hは、側面視において、第2流体流路21aとスリット状空間5hとを覆う直径Dhを有する円の略半分(半円)が、第1流体流路1と第2流体流路21aとを連通する流路として機能する。そして、その他の構成及び動作に関しては、実施の形態1と同様である。
スリット状空間5hにより横穴3hの直径が拡大した熱交換器10hは、横穴3h部分での流路断面積(前記、半円状の連通部の面積)が増大するため、流路の拡大・縮小の影響が小さくなる。
そのため、横穴3hつまり熱交換器10hにおける圧力損失を低減することとなる。また、スリット状空間5hを設けることにより、スリット状空間5h部分が断熱層となり、第2流体流路21aから伝熱ブロック4の外への放熱を防ぐことにより、熱交換性能の向上を図ることが可能となる。
なお、以上は、横穴3hを断面円形で構成しているが、その形状は限定されるものではない。
図7の(a)および(b)において、熱交換器10jは、Iタイプの熱交換器10iにおけるスリット状空間5iを、2層に設けたものである。
すなわち、スリット状空間5jは、第2面42aに平行な第3面43aに間歇配置された複数の下層スリット状空間51aと、第3面43aに平行な第3面43bに間歇配置された複数の上層スリット状空間51bと、から形成されている。下層スリット状空間51aおよび上層スリット状空間51bは、それぞれ断面略正方形で、一対の下層スリット状空間51aに挟まれた範囲の上側に、上層スリット状空間51bが配置され(一対の上層スリット状空間51bに挟まれた範囲の下側に、下層スリット状空間51aが配置されているに同じ)、市松模様を呈している。
そして、下層スリット状空間51aおよび上層スリット状空間51bの所定の範囲にそれぞれ封止ブロック83aおよび封止ブロック83bが液密的に設置されている。
したがって、スリット状空間5jは、微細な流路である下層スリット状空間51aおよび上層スリット状空間51bによって構成されている点を除き、Hタイプの熱交換器10hと同様であるから、熱交換器10jは熱交換器10hと同様の作用効果が得られる。
なお、伝熱ブロック4の形成方法は限定するものではないが、例えば、一体押し出し加工によって形成すれば、第1流体流路1の行数や第1面41の数の増減、あるいは第2流体流路の行数や第2面42の数の増減と共に、スリット状空間5jの形態を選定の自由度が増す。
熱源側流体配管62においては、圧縮機62aで高温高圧となった第2流体は、熱交換器10aにおいて第1流体と熱交換を行う(温熱を受け渡す)。その後、膨張弁62bにおいて減圧され、低温低圧となった第2流体は、熱源側熱交換器62cにおいてファン62dによって送風された空気と熱交換(冷熱の放出)を行い、蒸発した後、圧縮機62aへと戻る。
図9に示すように、本発明の熱交換器10aを用いたヒートポンプ式暖房システム60を熱源として利用側熱交換器61bで暖房することにより、従来のボイラを熱源とした暖房システムに比べて省エネ効果がある。
なお、以上は、Aタイプの熱交換器10aを搭載したものを示しているが、本発明はこれに限定するものではなく、Bタイプ〜Mタイプの何れであってもよく、また、前記のように、第1流体流路1の行数、第2流体流路2の層数や、その各層における行数を限定するものではない。
図10は本発明の実施の形態8に係る冷凍サイクル装置を説明するものであって、温熱を利用するヒートポンプ式給湯システムを示す機器の構成図である。なお、実施の形態1、2と同じ部分には同じ符号を付し、一部の説明を省略する。
図10において、ヒートポンプ式給湯システム70は、ヒートポンプ式暖房システム60における利用側熱交換器61bをタンク63内に設置し、タンク63に給水される水を加熱して取水する給湯システムにしたものである。
図10に示すように、本発明の熱交換器10aを用いたヒートポンプ式給湯システム70(ヒートポンプ給湯・暖房システムに同じ)を熱源として利用側熱交換器61bで給湯することにより、従来のボイラを熱源とした給湯システムに比べて省エネ効果がある。
Claims (11)
- 伝熱ブロック内の平面である第1面に互いに平行に形成され、該伝熱ブロックを貫通する複数行の第1流体流路と、
前記伝熱ブロック内で前記第1面に平行な第2面において前記第1流体流路に平行に形成され、該伝熱ブロックを貫通する複数行の第2流体流路と、
前記伝熱ブロック内に形成され、前記第2流体流路の全てを連通する横穴と、
を有し、
前記横穴が前記第2流体流路に垂直であって、
前記横穴が第2流体流路の流路断面積A、相当直径d、長さL、横穴の流路断面積Ay、相当直径dy、相当長さLyとしたとき、L/ A2d>Ly/Ay 2dyとなるような直径及び数で形成され、
前記横穴は前記第2流体流路をすべて連通し、前記第1流体流路と隣接する前記第2流体流路の間の前記伝熱ブロック部分にははみ出さないことを特徴とする熱交換器。 - 前記第2面が互いに平行な複数層であって、
前記横穴が、前記複数層の全ての層に形成された前記第2流体流路を連通することを特徴とする請求項1記載の熱交換器。 - 前記第2面が互いに平行な複数層であって、
前記横穴が、長方形で形成され、
前記複数層の全ての層に形成された前記第2流体流路を連通することを特徴とする請求項1記載の熱交換器。 - 前記第2面が互いに平行な複数層であって、
前記横穴が、楕円形で形成され、
前記複数層の全ての層に形成された前記第2流体流路を連通することを特徴とする請求項1記載の熱交換器。 - 前記第2面が互いに平行な複数層であって、
前記第2流体流路が複数のグループに分けられ、
前記横穴が、前記複数のグループに分けられた第2流体流路毎に形成されていることを特徴とする請求項1記載の熱交換器。 - 前記第2面が複数層であって、
前記横穴が、所定の間隔を空けて複数列に形成されていることを特徴とする請求項1記載の熱交換器。 - 前記第2流体流路を挟んで前記第1流体流路の反対側に形成され、所定の厚さのスリット状空間を有すことを特徴とする請求項1記載の熱交換器。
- 前記スリット状空間が、互いに平行に形成され複数行の小幅スリット状空間によって形成されていることを特徴とする請求項7記載の熱交換器。
- 前記スリット状空間の所定範囲に封止ブロックが液密的に設置され、
前記横穴が、前記封止ブロックの一部を貫通して前記伝熱ブロックの一方の側面から機械加工または塑性加工によって形成され、前記側面に形成された開口が閉塞されていることを特徴とする請求項7記載の熱交換器。 - 前記横穴に流入する冷媒の質量速度をG、
気相及び液相の質量速度をGg及びGl、
気相及び液相の密度をρg及びρl、
気相及び液相の粘性係数をμg及びμl、
表面張力をσ、
大気温度20℃の空気と水の密度をρa及びρw、
大気温度20℃の水の粘性係数をμw、
大気温度20℃の空気−水の表面張力をσw、
補正係数をλ(=((ρg/ρa)×(ρl/ρw))1/2)
及びψ(=(σw/σ)×((μl/μw)×(ρw/ρl)2)1/3)としたとき、
Gg/λとGl/Gg×λ×ψとの関係を示す流動様式線図において、環状流、環状噴霧流、スラグ流、気泡流及びせん状流の領域に存在する関係である
Gg/λ>84544×(Gl/Gg×λ×ψ)−0.676
となるように前記横穴の流路断面積が選定されていることを特徴とする請求項1及至9の何れか一項に記載の熱交換器。 - 第1流体が流れる利用側流体配管と、第2流体が流れる熱源側流体配管と、第1流体と第2流体との間で熱交換を行う請求項1乃至10の何れか一項に記載の熱交換器とを有し、
利用側流体配管は、前記熱交換器の第1流体流路、前記第1流体を送り出すポンプおよび利用側熱交換器を順次連結して、前記第1流体の循環を可能にし、
前記熱源側流体配管は、前記熱交換器の第2流体を圧縮する圧縮機、前記第2流体流路、膨張弁および熱源側熱交換器を順次連結して、第2流体の循環を可能にしていることを特徴とする冷凍サイクル装置。
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