特開 2024-171214 熱交換器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024171214

(43)【公開日】2024-12-11

(54)【発明の名称】熱交換器

(51)【国際特許分類】

   F28F 9/02 20060101AFI20241204BHJP

   F28D 1/047 20060101ALI20241204BHJP

   F28F 1/02 20060101ALI20241204BHJP

   F28F 3/08 20060101ALI20241204BHJP

【ＦＩ】

F28F9/02 301J

F28D1/047 C

F28F1/02 A

F28F3/08 311

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023088173

(22)【出願日】2023-05-29

(71)【出願人】

【識別番号】504137912

【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学

(71)【出願人】

【識別番号】502112854

【氏名又は名称】有限会社和氣製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110000017

【氏名又は名称】弁理士法人アイテック国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】鹿園 直毅

(72)【発明者】

【氏名】和氣 庸人

(72)【発明者】

【氏名】井上 勝文

(72)【発明者】

【氏名】坂本 亮平

【テーマコード（参考）】

3L103

【Ｆターム（参考）】

3L103AA37

(57)【要約】

【課題】熱交換器の熱交換効率の更なる向上を図る。
【解決手段】熱交換器は、熱交換媒体の２つの流出入口と該２つの流出入口を連通する連通流路とを有する扁平な熱交換用チューブを隣接する熱交換用チューブの２つの流出入口が整合して２つの流出入流路を形成するように複数積層した積層体として構成されており、熱交換用チューブ内に流れる熱交換媒体と隣接する熱交換用チューブの間に流れる被熱交換媒体とで熱交換する。熱交換用チューブの２つの流出入口を被熱交換媒体の流れの方向に隣接して直列に並ぶように形成すると共に、２つの流出入口はを被熱交換媒体の流れ方向の長さがこの流れ方向に直交する方向の長さよりも長くなるように形成する。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

熱交換媒体の２つの流出入口と該２つの流出入口を連通する連通流路とを有する扁平な熱交換用チューブを隣接する熱交換用チューブの前記２つの流出入口が整合して２つの流出入流路を形成するように複数積層した積層体として構成され、前記熱交換用チューブ内に流れる前記熱交換媒体と隣接する熱交換用チューブの間に流れる被熱交換媒体とで熱交換する熱交換器であって、
前記熱交換用チューブは、前記２つの流出入口が前記被熱交換媒体の流れの方向に隣接して直列に並ぶように形成されており、
前記２つの流出入口は、前記被熱交換媒体の流れ方向の長さが該流れ方向に直交する方向の長さよりも長くなるように形成されている、
ことを特徴とする熱交換器。

【請求項2】

請求項１記載の熱交換器であって、
前記２つの流出入口は、遠方側の開口部の幅が近方側の開口部の幅より狭くなるように形成されている、
熱交換器。

【請求項3】

請求項２記載の熱交換器であって、
前記２つの流出入口の遠方側の開口部は、外側に凸の滑らかな曲線および／または直線による楔形状に形成されている、
熱交換器。

【請求項4】

請求項３記載の熱交換器であって、
前記熱交換用チューブは、前記連通流路が前記２つの流出入口の一方から他方にＵ字形状またはＵ字形状を複数連ねた形状で鏡像対称な２つの流路として形成されている、
熱交換器。

【請求項5】

請求項４記載の熱交換器であって、
前記積層体の前記２つの流出入流路のうち少なくとも一方に配置され、前記熱交換媒体の上流側ほど前記流入流路の開口面積を小さくする偏流防止部材、
を備える熱交換器。

【請求項6】

請求項４記載の熱交換器であって、
前記積層体の一方の積層端に配置され、前記２つの流出入流路に連通する２つの流出入管を有する第１エンドプレートと、
前記積層体の他方の積層端に配置され、前記２つの流出入流路を閉塞する第２エンドプレートと、
前記積層体の前記２つの流出入流路の各々に配置され、前記第１エンドプレートに近いほど前記２つの流出入流路の開口面積を小さくする偏流防止部材と、
を備える熱交換器。

【請求項7】

請求項３ないし５のうちのいずれかに記載の熱交換器であって、
前記積層体の隣接する熱交換チューブの間に配置され、前記被熱交換媒体の流れの方向に開口する複数のフィンを備え、
前記複数のフィンのうち前記２つの流出入流路の近傍のフィンは、前記２つの流出入流路に沿うように形成されている、
熱交換器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、熱交換器に関し、詳しくは、２つの流出入口を連通する連通流路とを有する扁平な熱交換用チューブを複数積層してなる熱交換器に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、この種の熱交換器としては、熱交換媒体の２つの流出入口とこの２つの流出入口を連通するＵ字形状で鏡像対称の連通流路とを有する扁平な熱交換用チューブを複数積層してなるものが提案されている（例えば特許文献１参照）。この熱交換器の２つの流出入口は、隣接する熱交換用チューブの間に流れる被熱交換媒体の流れの方向に隣接して直列に並ぶように形成されている。このように形成することにより、２つの流出入口が被熱交換媒体の流れの方向に直列に並ばないものに比して被熱交換媒体の流路断面積を大きくすることができ、熱交換器の熱交換効率を向上させている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】２０１７－０７２３３１

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

このような熱交換器では、熱交換器の熱交換効率を向上させることは重要な課題として考えられている。特に、連通流路の幅や熱交換用チューブの間隔が２ｍｍ以下、特に１ｍｍ以下となるマイクロ熱交換器では、顕著なものとなる。

【0005】

本発明の熱交換器は、熱交換器の熱交換効率の更なる向上を図ることを主目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の熱交換器は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

【0007】

本発明の熱交換器は、
熱交換媒体の２つの流出入口と該２つの流出入口を連通する連通流路とを有する扁平な熱交換用チューブを隣接する熱交換用チューブの前記２つの流出入口が整合して２つの流出入流路を形成するように複数積層した積層体として構成され、前記熱交換用チューブ内に流れる前記熱交換媒体と隣接する熱交換用チューブの間に流れる被熱交換媒体とで熱交換する熱交換器であって、
前記熱交換用チューブは、前記２つの流出入口が前記被熱交換媒体の流れの方向に隣接して直列に並ぶように形成されており、
前記２つの流出入口は、前記被熱交換媒体の流れ方向の長さが該流れ方向に直交する方向の長さよりも長くなるように形成されている、
ことを特徴とする。

【0008】

この本発明の熱交換器は、熱交換媒体の２つの流出入口とこの２つの流出入口を連通する連通流路とを有する扁平な熱交換用チューブを隣接する熱交換用チューブの２つの流出入口が整合して２つの流出入流路を形成するように複数積層した積層体として構成されており、熱交換用チューブ内に流れる熱交換媒体と隣接する熱交換用チューブの間に流れる被熱交換媒体とで熱交換する。そして、熱交換用チューブは２つの流出入口が被熱交換媒体の流れの方向に隣接して直列に並ぶように形成されており、２つの流出入口は、被熱交換媒体の流れ方向の長さが該流れ方向に直交する方向の長さよりも長くなるように形成されている。このため、被熱交換媒体の流れの阻害を小さくすることができ、この結果、熱交換器の熱交換効率の向上を図ることができる。

【0009】

本発明の熱交換器において、前記２つの流出入口は、遠方側の開口部の幅が近方側の開口部の幅より狭くなるように形成されているものとしてもよい。こうすれば、被熱交換媒体の流れをよりスムーズにすることができる。

【0010】

本発明の熱交換器において、前記２つの流出入口の遠方側の開口部は、外側に凸の滑らかな曲線や直線による楔形状に形成されているものとしてもよい。こうすれば、被熱交換媒体の流れの阻害をより小さくすることができ、熱交換効率の更なる向上を図ることができる。

【0011】

本発明の熱交換器において、前記熱交換用チューブは、前記連通流路が前記２つの流出入口の一方から他方にＵ字形状またはＵ字形状を複数連ねた形状で鏡像対称な２つの流路として形成されているものとしてもよい。

【0012】

本発明の熱交換器において、前記積層体の前記２つの流出入流路のうちの少なくとも一方に配置され、前記熱交換媒体の上流側ほど前記流入流路の開口面積を小さくする偏流防止部材を備えるものとしてもよい。流入流路や流出流路の少なくとも一方に偏流防止部材を備えることにより、各熱交換用チューブに流入する熱交換媒体の流量をより均一なものとすることができ、熱交換器の熱交換効率の更なる向上を図ることができる。

【0013】

本発明の熱交換器において、前記積層体の一方の積層端に配置され、前記２つの流出入流路に連通する２つの流出入管を有する第１エンドプレートと、前記積層体の他方の積層端に配置され、前記２つの流出入流路を閉塞する第２エンドプレートと、前記積層体の前記２つの流出入流路の各々に配置され、前記第１エンドプレートに近いほど前記２つの流出入流路の開口面積を小さくする偏流防止部材と、を備えるものとしてもよい。こうすれば、各熱交換用チューブに流入する熱交換媒体の流量をより均一なものとすることができ、熱交換器の熱交換効率の更なる向上を図ることができる。

【0014】

本発明の熱交換器において、前記積層体の隣接する熱交換チューブの間に配置され、前記被熱交換媒体の流れの方向に開口する複数のフィンを備え、前記複数のフィンのうち前記２つの流出入流路の近傍のフィンは、前記２つの流出入流路に沿うように形成されているものとしてもよい。こうすれば、フィンの伝熱に基づく熱交換によって熱交換効率の更なる向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】実施形態の熱交換器２０の構成の概略を示す構成図である。

【図2】図１の熱交換器２０を右側から見た側面を説明する説明図である。

【図3】熱交換用チューブ３０の構成の概略を示す構成図である。

【図4】隣接する２つの熱交換用チューブ３０の図３におけるＡ－Ａ面の断面図である。

【図5】隣接する２つの熱交換用チューブ３０の図３におけるＢ－Ｂ面の断面図である。

【図6】第１プレート２３を図１中上から見た説明図である。

【図7】変形例の熱交換器１２０の構成の概略を示す構成図である。

【図8】変形例の熱交換器１２０の熱交換用チューブ３０に対するフィン位置の一例を示す説明図である。

【図9】変形例の熱交換器２２０の構成の概略を示す構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

次に、本発明を実施するための形態について説明する。図１は、実施形態の熱交換器２０の構成の概略を示す説明図である。図２は、図１の熱交換器２０を右側から見た側面を説明する説明図である。実施例の熱交換器２０は、空調装置や冷凍装置などの冷凍サイクルや発熱を伴って作動する機器の冷却装置などに用いられ、図１に示すように、２つのチューブ部材３２により構成される熱交換用チューブ３０を複数積層して構成される積層体２２と、積層体２２の配列方向（図中上下方向）の両側に配置される第１プレート２３および第２プレート２９と、を備える。この熱交換器２０は、積層体２２に形成される流入流路２７から各熱交換用チューブ３０に形成された後述する連通流路３５，３６に供給されるハイドロフルオロカーボンや水などの熱交換媒体と隣接する熱交換用チューブ３０の間の隙間に流れる空気などの被熱交換媒体との熱交換により、熱交換媒体を加熱または冷却する又は被熱交換媒体を冷却または加熱する。図２中、供給管２５および排出管２６の上に記載された白抜き矢印は、熱交換媒体の供給や排出の方向を示しており、熱交換器２０の左右に記載された白抜き矢印は、被熱交換媒体の流れる方向を示している。

【0017】

図３は、熱交換用チューブ３０の構成の概略を示す構成図である。図４は、隣接する２つの熱交換用チューブ３０の図３におけるＡ－Ａ面の断面図であり、図５は、隣接する２つの熱交換用チューブ３０の図３におけるＢ－Ｂ面の断面図である。

【0018】

熱交換用チューブ３０は、アルミニウムの板材の両面にアルミシリコン合金などのロウ材を配置して一体に圧延することによって板材とロウ材とを接合した厚さが例えば０．１ｍｍ～０．２ｍｍのいわゆるクラッド板材に対して、プレス加工や穴開け加工などを施したチューブ部材３２を向かい合わせに接合することによって構成されている。熱交換用チューブ３０には、図３に示すように、長手方向（図中左右方向）の中央に短手方向に直列に並ぶように２つの流出入口３３，３４が形成されており、この２つの流出入口３３，３４を連通するようにＵ字形状の厚みが例えば１ｍｍ以下（例えば、０．７５ｍｍなど）の２つの連通流路３５，３６が形成されている。２つの流出入口３３，３４は、外側に凸の滑らかな曲線による楔型の貫通孔となるようにバーリング加工などにより形成されている。言い換えると、２つの流出入口３３，３４は、被熱交換媒体の流れ方向（図３中上下方向）の長さがその流れ方向に直交する方向（図３中左右方向）の長さよりも長くなるように形成されており、より具体的には、両口における遠方側の開口部（図３中、流出入口３３の上端部および流出入口３４の下端部）の幅が近方側の開口部（図３中、流出入口３３の下端部および流出入口３４の上端部）の幅より小さくなるように形成されている。この２つの流出入口３３，３４は、隣接する熱交換用チューブ３０の２つの流出入口３３，３４に整合するように接合され、積層体２２を構成したときには、図１に示すように流出入流路２７，２８を形成する。なお、隣接する２つの熱交換用チューブ３０の間の空間の幅（厚み）は、例えば１ｍｍ以下（例えば、０．７５ｍｍなど）になるように構成されている。

【0019】

積層体２２の流出入流路２７，２８内には、図２，図３，図５に示すように、流出入流路２７，２８を図２中上下に貫くように、断面がコの字型で第１プレート２３側から第２プレート２９側に向けて流出入口３３，３４の連通流路３５，３６への開口部が大きくなるように形成された偏流防止部材３７，３８が取り付けられている。

【0020】

図６は、第１プレート２３を図１中上から見た説明図である。図中破線は熱交換用チューブ３０の流出入口３３，３４を示す。第１プレート２３には、内径が熱交換用チューブ３０の流出入口３３，３４の長手方向より僅かに大きい円管として構成された供給排出管２５，２６が、流出入口３３，３４に整合する位置で第１プレート２３を貫通するように取り付けられている。第１プレート２３は、供給排出管２５，２６が積層体２２の最上端の熱交換用チューブ３０の流出入口３３，３４を覆うようにその下端が熱交換用チューブ３０の連通流路３５，３６の上端に当接する状態で積層体２２に接合されている。第２プレート２９は、図示しないが、平板のプレートの上部に、供給排出管２５，２６のプレート２３より下に延出した部分を取り付けて構成されており、第１プレート２３と同様に、積層体２２の下端の熱交換用チューブ３０に取り付けられている。

【0021】

いま、図２の白抜き矢印の方向に熱交換媒体を流すものとすれば、供給排出管２５，２６では供給管２５および排出管２６となり、流出入流路２７，２８では流入流路２７および流出流路２８となり、流出入口３３，３４では流入口３３および流出口３４となる。即ち、熱交換器２０では、ハイドロフルオロカーボンや水などの熱交換媒体は、供給管２５から流入し、流入流路２７を流れて各熱交換用チューブ３０の流入口３３から連通流路３５，３６に流入し、連通流路３５，３６から流出口３４を介して流出流路２８に流れて排出管２６から排出される。一方、空気などの被熱交換媒体は、図２の右側から左側（図３の上側から下側）に各熱交換用チューブ３０の間を流れる。図３に示すように流出入口３３，３４は、外側に凸の楔型に形成されているから、円形の貫通孔として形成される場合に比して、被熱交換媒体の流通抵抗を小さくすることができる。この結果、熱交換器２０の熱交換効率を向上させることができる。

【0022】

以上説明した実施形態の熱交換器２０では、 熱交換用チューブ３０に長手方向の中央に短手方向に直列に並ぶように且つ外側に凸の滑らかな曲線による楔型の貫通孔となるように２つの流出入口３３，３４を形成すると共にこの２つの流出入口３３，３４を連通するようにＵ字形状の２つの連通流路３５，３６を形成する。そして、隣接する熱交換用チューブ３０の２つの流出入口３３，３４が整合するように積層して接合する。このように２つの流出入口３３，３４を形成することにより、２つの流出入口を円形の貫通孔として形成する場合に比して、被熱交換媒体の流通抵抗を小さくすることができる。この結果、熱交換器２０の熱交換効率の向上を図ることができる。特に、実施形態の熱交換器２０では、厚さが例えば０．１ｍｍ～０．２ｍｍのいわゆるクラッド板材を用いて厚みが１ｍｍ以下の２つの連通流路３５，３６が形成された熱交換用チューブ３０を隣接する熱交換用チューブ３０との隙間が１ｍｍ以下になるように積層し、マイクロ熱交換器として構成する。このように、隣接する熱交換用チューブ３０との隙間が狭いマイクロ熱交換器では、被熱交換媒体の流通抵抗を小さくすることによって熱交換器の熱交換効率がより大きく向上する。

【0023】

実施形態の熱交換器２０では、積層体２２の流出入流路２７，２８内に流出入流路２７，２８を貫くように、断面がコの字型で第１プレート２３側から第２プレート２９側に向けて流出入口３３，３４の連通流路３５，３６への開口部が大きくなるように形成された偏流防止部材３７，３８を取り付ける。これにより、偏流防止部材３７，３８を取り付けないものに比して、各熱交換用チューブ３０に流入する熱交換媒体の偏流を抑制することができ、熱交換器２０の熱交換効率をより向上させることができる。

【0024】

実施形態の熱交換器２０では、２つの流出入口３３，３４を連通するようにＵ字形状の２つの連通流路３５，３６を形成するものとしたが、２つの流出入口を連通するようにＵ字を複数連ねた形状の２つの連通流路を形成するものとしてもよい。

【0025】

実施形態の熱交換器２０では、熱交換用チューブ３０を積層した積層体２２により熱交換器の要部を構成するものとしたが、隣接する熱交換用チューブ３０の間にフィンを取り付けるものとしてもよい。図７は、隣接する熱交換用チューブ３０の間にコルゲートフィン４０を備える変形例の熱交換器１２０の構成の概略を示す構成図である。変形例の熱交換器１２０は、図７に示すように、各熱交換用チューブ３０の間に図７中表面側および裏面側に開口するコルゲートフィン４０を備える。図８は、変形例の熱交換器１２０の熱交換用チューブ３０に対するコルゲートフィン４０のフィン位置の一例を示す説明図である。図中、破線はコルゲートフィン４０のフィン位置を示している。変形例の熱交換器１２０では、図８に示すように、流出入口３３，３４の近傍のフィンは、流出入口３３，３４の形状に沿うように湾曲して取り付けられている。これにより、流出入口３３，３４近傍に流れる被熱交換媒体の流れをスムーズなものとしている。変形例の熱交換器１２０では、各熱交換用チューブ３０の間にコルゲートフィン４０を備えることにより、コルゲートフィン４０の伝熱に基づく熱交換によって熱交換効率の更なる向上を図ることができる。

【0026】

変形例の熱交換器１２０では、各熱交換用チューブ３０の間にコルゲートフィン４０を備えるものとしたが、各熱交換用チューブ３０の間にコルゲートフィンとは異なる構造のフィンを備えるものとしてもよい。

【0027】

実施形態の熱交換器２０では、積層体２２の流出入流路２７，２８の両方に偏流防止部材３７，３８を取り付けるものとしたが、積層体２２の流出入流路２７，２８の一方の流入流路２７だけに偏流防止部材３７を取り付け、流出流路２８には偏流防止部材３８を取り付けないものとしてもよい。また、流出入流路２７，２８の双方に偏流防止部材を取り付けないものとしても構わない。

【0028】

実施形態の熱交換器２０では、第１プレート２３に供給排出管２５，２６を取り付けるものとしたが、図９に例示する変形例の熱交換器２２０に示すように、第１プレート２２３に供給管２２３ａを取り付け、第２プレート２２９に排出管２２９ａを取り付けるものとしてもよい。この場合、流入流路２７にのみ偏流防止部材３７を取り付けるものとしてもよい。

【0029】

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

【産業上の利用可能性】

【0030】

本発明は、熱交換器の製造産業などに利用可能である。

【符号の説明】

【0031】

２０，１２０，２２０ 熱交換器、２２ 積層体、２３，２２３ 第１プレート、２５，２６ 供給排出管、２７，２８ 流出入流路、２９，２２９ 第２プレート、３０ 熱交換用チューブ、３２ チューブ部材、３３，３４ 流出入口、３５，３６ 連通流路、３７，３８ 偏流防止部材、４０ コルゲートフィン、２２３ａ 供給管、２２９ａ 排出管。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】