JP2005331201A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】非常にコンパクトな水−冷媒熱交換器を提供することを目的とする。
【解決手段】平行に並べられた複数の管１からなる管群面２と、平行に並べられた複数の管３からなる管群面４とからなるものであって、管１と管３とが互いに交差し互いに外周の一部が接するように管群面２と管群面４とを重ねた熱交換基板５から熱交換器を構成することにより、管１と管３を非常に高密度に集積することができるので、熱交換器を非常にコンパクトにすることができるものである。
【選択図】図１

Description

本発明はヒートポンプ式給湯機の水−冷媒熱交換器など、二流体が熱交換を行う熱交換器に関するものである。

従来、この種の熱交換器としては、熱媒管を芯管の外周に巻き付けたものがある（例えば、特許文献１参照）。

図３は、特許文献１に記載された従来の熱交換器を示すものである。図３に示すように、従来の熱交換器は、水が流通する芯管１０と、芯管１０の外周に冷媒が流通する熱媒管２０とから構成されており、熱媒管２０は芯管１０に螺旋状に巻き付けられている。また３１は分流器で、分流器３１によって冷媒は複数の熱媒管２０ａ、２０ｂと２０ｃに分岐して流れる構成となっている。このように構成された従来の熱交換器では、熱媒管２０を芯管１０の外周に巻き付けただけの簡易な構成であり、製造が容易であるとしている。
特開２００２−２２８３７０号公報

しかしながら、上記従来の構成では、熱媒管２０を外周に巻いた芯管１０を小さいＲで曲げることは難しいので、必要な長さの芯管１０を小さく巻いたり重ねたりすることはできず、熱交換器をコンパクトにできないという課題を有していた。

本発明は従来の課題を解決するもので、非常にコンパクトな熱交換器を提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明の熱交換器は、略平行に並べられた複数の管ａからなる管群面Ａと、略平行に並べられた複数の管ｂからなる管群面Ｂとからなり、前記管ａと前記管ｂとが互いに交差し互いに外周の一部が接するように前記管群面Ａと前記管群面Ｂとを重ねた熱交換基板からなるものである。

これによって、管ａと管ｂを非常に高密度に集積することができる。

また本発明の熱交換器は、前記熱交換基板において、前記管ａ内を流れる流体が複数回路の平行流となるよう前記管ａを連結するとともに、前記管ｂ内を流れる流体が蛇行流となるよう隣接する前記管ｂを交互に連結したものである。

これによって、管ａ内を流れる流体と管ｂ内を流れる流体を相対的に対向流にすることができる。

また本発明の熱交換器は、前記熱交換基板を複数積層するとともに、積層した前記熱交換基板の相互間で前記管ａと前記管ｂをそれぞれ連結したものである。

これによって、熱交換基板の積層枚数を調整することによって、熱交換量を容易に調節することができる。

本発明の熱交換器は、管ａと管ｂを非常に高密度に集積することができるので、非常にコンパクトにすることができる。

また本発明の熱交換器は、管ａ内を流れる流体と管ｂ内を流れる流体を相対的に対向流にすることができるので、熱交換基板全体で流体間の温度差を確保して熱交換量を高くすることができる。

また本発明の熱交換器は、熱交換基板の積層枚数を調整することによって、熱交換量を容易に調節することができるので、低コストな工程や設備で任意の熱交換量に対応することができる。

請求項１に記載の発明は、略平行に並べられた複数の管ａからなる管群面Ａと、略平行に並べられた複数の管ｂからなる管群面Ｂとからなり、前記管ａと前記管ｂとが互いに交差し互いに外周の一部が接するように前記管群面Ａと前記管群面Ｂとを重ねた熱交換基板からなる熱交換器であり、管ａと管ｂを非常に高密度に集積することができるので、熱交換器を非常にコンパクトにすることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明の熱交換器の前記熱交換基板において、前記管ａ内を流れる流体が複数回路の平行流となるよう前記管ａを連結するとともに、前記管ｂ内を流れる流体が蛇行流となるよう隣接する前記管ｂを交互に連結したものであり、管ａ内を流れる流体と管ｂ内を流れる流体を相対的に対向流にすることができるので、熱交換基板全体で流体間の温度差を確保して熱交換量を高くすることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明の熱交換器の前記熱交換基板において、前記管ｂ内を流れる流体が複数回路の蛇行流となるよう前記管ｂを連結したものであり、管ｂ内を流れる流体の圧力損失の増大を抑えることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１から３に記載の発明の熱交換器において、前記熱交換基板を複数積層するとともに、積層した前記熱交換基板の相互間で前記管ａと前記管ｂをそれぞれ連結したものであり、熱交換基板の積層枚数を調整することによって、熱交換量を容易に調節することができるので、低コストな工程や設備で任意の熱交換量に対応することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明の熱交換器において、前記管ａ内を流れる流体が前記熱交換基板の積層方向で蛇行流となるように前記熱交換基板の相互間で前記管ａを連結するとともに、前記管ａを連結した近傍の前記管ｂを前記熱交換基板の相互間で連結したものであり、熱交換基板を複数積層した場合にも、管ａ内を流れる流体と管ｂ内を流れる流体を熱交換器全体で相対的に対向流にすることができるので、熱交換器の全体で流体間の温度差を確保して熱交換量を高くすることができる。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明の熱交換器において、前記管ｂの前記熱交換基板の相互間の連結をすべて熱交換器の同じ側で行ったものであり、予め積層方向に連結された管ａに、予め積層方向に連結された管ｂを側面から挿入することで熱交換器を製造することが可能になるので、積層方向に連結された管ａや管ｂを連続した管から加工することができ、溶接等による接続部を減らして信頼性や製造工程数を減らすことができる。

請求項７に記載の発明は、請求項１から６に記載の発明の熱交換器において、前記管ａの少なくとも一方の端にヘッダーを接続したものであり、複数の前記管ａへの分流をコンパクトに実現できる。

請求項８に記載の発明は、請求項４から７に記載の発明の熱交換器において、前記熱交換基板相互に隙間を設けたものであり、熱交換基板間の熱ロスを減らすことができ、熱交換量を一層高めることができる。

請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の発明の熱交換器において、前記隙間に断熱材を備えたものであり、熱交換基板間の熱ロスを一層減らすとともに、熱交換基板相互の隙間を固定することができる。

請求項１０に記載の発明は、請求項１から９に記載の発明の熱交換器において、前記管ａの外径よりも前記管ｂの外径を小さくしたものであり、隣接する前記管ｂのピッチを小さくすることができるので、前記管ａと前記管ｂとが外周で接する部分の数を増やすことができ、熱交換効率を高めることができる。

請求項１１に記載の発明は、請求項１から１０に記載の発明の熱交換器において、前記管ａ内を流れる流体を水とし、前記管ｂ内を流れる流体を二酸化炭素としたものであり、ヒートポンプ給湯機用の水−冷媒用熱交換器として使用することで、ヒートポンプ給湯機の効率を高めることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における熱交換器の上面図、図２は同熱交換器の正面図を示すものである。

図１と図２において、管１は複数回路を平行にして平面上に配することで管群面２を形成する。管３は３回路ずつをまとめて蛇行状にして平面上に配することで管群面４を形成する。管群面２と管群面４は、管１と管３とが互いに交差し互いに外周の一部が接するように溶接され、熱交換基板５を形成する。また管３は管１よりも外径が小さい。熱交換基板５は、相互間の隙間６に断熱材７を介して複数積層されている。積層された熱交換基板５の相互間では管１と管３がそれぞれ連結されており、管１は積層方向で蛇行状となるように連結されている。また管３は管１が連結されている近傍で、かつすべてが熱交換器の同じ側で連結されている。積層された熱交換基板５の最上段と最下段に位置する管１の端部１ａはヘッダー８ａと８ｂに接続されている。熱交換基板５の最上段と最下段に位置する管３の端部３ａはヘッダー９ａと９ｂに接続されている。

以上のように構成された熱交換器について、以下、その動作、作用を説明する。

まず、水はヘッダー８ａの一端から流入し、ヘッダー８ａで複数回路の管１に分岐され、熱交換基板５内では複数の管１内を平行流として、また熱交換基板５の積層方向では上段から下段に向かって蛇行状に流れる。この際、水は管３内を流れる二酸化炭素と管１及び管３を介して熱交換する。最下段の熱交換基板５の管１内を流れた水はヘッダー８ｂで合流し、ヘッダー８ｂの一端から流出する。二酸化炭素はヘッダー９ａの一端から流入し、ヘッダー９ａで３回路の管３に分岐され、熱交換基板５内では３回路で蛇行状に、また熱交換基板５の積層方向でも下段から上段に向かって蛇行状に流れる。この際、二酸化炭素は管１内を流れる水と管３及び管１を介して熱交換する。最上段の熱交換基板５の管３内を流れた二酸化炭素はヘッダー９ｂで合流し、ヘッダー９ｂの一端から流出する。

以上のように、本実施の形態においては、平行に並べられた複数の管１からなる管群面２と、平行に並べられた複数の管３からなる管群面４とからなり、管１と管３とが互いに交差し互いに外周の一部が接するように管群面２と管群面４とを重ねた熱交換基板５から熱交換器を構成することで、管１と管３を非常に高密度に集積することができるので、熱交換器を非常にコンパクトにすることができる。

また管１内を流れる水が複数回路の平行流となるよう管１を連結するとともに、管３内を流れる二酸化炭素が蛇行流となるよう隣接する管３を交互に連結することで、管１内を流れる水と管３内を流れる二酸化炭素を相対的に対向流にすることができるので、熱交換基板５全体で水と二酸化炭素の間の温度差を確保して熱交換量を高くすることができる。

また管３内を流れる二酸化炭素が３回路の蛇行流となるよう管３を連結することで、管３内を流れる二酸化炭素の圧力損失の増大を抑えることができる。

また熱交換基板５を複数積層するとともに、積層した熱交換基板５の相互間で管１と管３をそれぞれ連結することにより、熱交換基板５の積層枚数を調整することによって、熱交換量を容易に調節することができるので、低コストな工程や設備で任意の熱交換量に対応することができる。

また管１内を流れる水が熱交換基板５の積層方向で蛇行流となるように熱交換基板５の相互間で管１を連結するとともに、管１を連結した近傍の管３を熱交換基板５の相互間で連結することで、熱交換基板５を複数積層した場合にも、管１内を流れる水と管３内を流れる二酸化炭素を熱交換器全体で相対的に対向流にすることができるので、熱交換器の全体で水と二酸化炭素の間の温度差を確保して熱交換量を高くすることができる。

また管３の熱交換基板５の相互間の連結をすべて熱交換器の同じ側で行うことで、予め積層方向に連結された管１に、予め積層方向に連結された管３を側面から挿入することで熱交換器を製造することが可能になるので、積層方向に連結された管１や管３を連続した管から加工することができ、溶接等による接続部を減らして信頼性や製造工程数を減らすことができる。

また管１の端にヘッダー８ａ、８ｂを接続することで、複数の管１への分流や管１からの合流をコンパクトに実現できる。

また熱交換基板５の相互に隙間６を設けることで、熱交換基板５間の熱ロスを減らすことができ、熱交換量を一層高めることができる。

また隙間６に断熱材７を備えることで、熱交換基板５間の熱ロスを一層減らすとともに、熱交換基板５相互の隙間６を固定することができる。

また管１の外径よりも管３の外径を小さくすることで、隣接する管３のピッチを小さくすることができるので、管１と管３とが外周で接する部分の数を増やすことができ、熱交換効率を高めることができる。

また管１内を流れる流体を水とし、管３内を流れる流体を二酸化炭素とすることで、ヒートポンプ給湯機用の水対冷媒用熱交換器として使用することで、ヒートポンプ給湯機の効率を高めることができる。

なお、本実施の形態１の熱交換器では、熱交換基板５を複数積層したが、熱交換基板５を１段で熱交換器を構成しても差し支えない。

また本実施の形態１の熱交換器では、管３を３回路の蛇行状としたが、管３は１回路の蛇行状としても良い。

また本実施の形態１の熱交換器では、溶接によって管１と管３を密着させたが、管１と管３の密着は接着剤やハンダ付け等の他の方法でも良く、また積層された熱交換基板５全体を治具等で積層方向に押さえ付けることで、管１と管３を密着させても良い。

さらには本実施の形態１の熱交換器では、管１と管３をそのままの形態で接触させたが、接触部分において、管１と管３のいずれかまたは両方に凹みを設けることで管１と管３の接触面積を増やしても良い。

以上のように、本発明にかかる熱交換器は、非常にコンパクトな二流体熱交換器を提供することが可能となるので、燃料電池や廃熱回収装置、製造装置等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１における熱交換器の上面図 同実施の形態１の熱交換器の正面図 従来の熱交換器の断面図

符号の説明

１ 管
２ 管群面
３ 管
４ 管群面
５ 熱交換基板
６ 隙間
７ 断熱材
８ａ、８ｂ ヘッダー

Claims (11)

1. 略平行に並べられた複数の管ａからなる管群面Ａと、略平行に並べられた複数の管ｂからなる管群面Ｂとからなり、前記管ａと前記管ｂとが互いに交差し互いに外周の一部が接するように前記管群面Ａと前記管群面Ｂとを重ねた熱交換基板からなる熱交換器。
2. 前記熱交換基板において、前記管ａ内を流れる流体が複数回路の平行流となるよう前記管ａを連結するとともに、前記管ｂ内を流れる流体が蛇行流となるよう隣接する前記管ｂを交互に連結した請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記熱交換基板において、前記管ｂ内を流れる流体が複数回路の蛇行流となるよう前記管ｂを連結した請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記熱交換基板を複数積層するとともに、積層した前記熱交換基板の相互間で前記管ａと前記管ｂをそれぞれ連結した請求項１から３のいずれか一項に記載の熱交換器。
5. 前記管ａ内を流れる流体が前記熱交換基板の積層方向で蛇行流となるように前記熱交換基板の相互間で前記管ａを連結するとともに、前記管ａを連結した近傍の前記管ｂを前記熱交換基板の相互間で連結した請求項４に記載の熱交換器。
6. 前記管ｂの前記熱交換基板の相互間の連結をすべて熱交換器の同じ側で行った請求項５に記載の熱交換器。
7. 前記管ａの少なくとも一方の端にヘッダーを接続した請求項１から６のいずれか一項に記載の熱交換器。
8. 前記熱交換基板相互に隙間を設けた請求項４から７のいずれか一項に記載の熱交換器。
9. 前記隙間に断熱材を備えた請求項８に記載の熱交換器。
10. 前記管ａの外径よりも前記管ｂの外径を小さくした請求項１から９のいずれか一項に記載の熱交換器。
11. 前記管ａ内を流れる流体を水とし、前記管ｂ内を流れる流体を二酸化炭素とした請求項１から１０のいずれか一項に記載の熱交換器。

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