JP2009264719A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】大型化を防止しつつ、熱交換性能を向上させることである。
【解決手段】冷媒が流れる扁平なマイクロチャネル（21）と、該マイクロチャネル（21）を扁平面側から挟み込む一対の熱電素子（22,23）と、該各熱電素子（22,23）のマイクロチャネル（21）側とは反対側の面に配置されるフィン群（25）とが一体に接合された熱交換モジュール（20）を備えている。そして、複数の熱交換モジュール（20）が並列に配置され、各熱交換モジュール（20）のマイクロチャネル（21）が入口側ヘッダ（11）および出口側ヘッダ（13）に並列に接続されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、熱電素子を用いた熱交換器に関し、特に、熱交換性能の向上および小型化に係るものである。

従来より、熱電素子を用いて流体同士を熱交換させる、いわゆる熱電素子型の熱交換器が知られている。例えば特許文献１には、熱電素子型の熱交換器であるペルチェ式ヒートポンプが開示されている。このヒートポンプは、ペルチェ素子（熱電素子）の両面にそれぞれ熱交換部が設けられている。各熱交換部には、熱媒体が流通する。このヒートポンプでは、ペルチェ素子に通電すると、一方の面が冷却面となり他方の面が加熱面となる。これにより、一方の熱交換部が放熱側となり、他方の熱交換部が吸熱側となる。放熱側の熱交換部では熱媒体が放熱されて加熱され、吸熱側の熱交換部では熱媒体が吸熱されて冷却される。
特開２００１−２２７８４０号公報

ところで、上述した熱電素子型の熱交換器として、例えば図４に示すように、一方の熱交換部を液体が流れ、他方の熱交換部を空気が流れて、液体および気体（空気）が冷却または加熱される熱交換器（1）が知られている。

具体的に、この熱交換器（1）は、熱電素子（2）の両面にベース板（3）と液体ジャケット（5）が配置されている。ベース板（3）の外面にはフィン群（4）が形成され、該フィン群（4）を空気が流れる。液体ジャケット（5）は、内部に複数の流路（6）が形成され、該流路（6）を液体（熱媒体）が流れる。また、熱電素子（2）に対してベース板（3）および液体ジャケット（5）のサイズが大きく形成され、ネジ（7）で締結することによってこれら熱電素子（2）や液体ジャケット（5）が一体に接合されている。この熱交換器（1）では、熱電素子（2）に通電すると、例えば、液体ジャケット（5）側が放熱側となり、フィン群（4）側が吸熱側となる。そして、液体ジャケット（5）を流れる液体が加熱され、フィン群（4）を流通する空気が冷却される。

ところが、上述した熱交換器（1）では、液体ジャケット（5）の一方の面だけに熱電素子（2）が接触しているため、放熱効率および吸熱効率が悪かった。つまり、液体ジャケット（5）の一方の面しか放熱作用および吸熱作用を受けることができなかった。そこで、放熱作用および吸熱作用を稼ぐために、熱電素子（2）や液体ジャケット（5）のサイズを大きくすると、全体として大型化および重量増大を招くという問題があった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、熱電素子を用いた熱交換器において、大型化させることなく、熱交換性能を向上させることにある。

第１の発明は、冷媒が流れる冷媒管（21）と、上記冷媒管（21）の長手方向に延びる板状に形成され、上記冷媒管（21）を挟み込むように配置される一対の熱電素子（22,23）と、上記各熱電素子（22,23）の上記冷媒管（21）側とは反対側の面に形成されるフィン群（25）とを備え、対象流体が上記フィン群（25）を流通し該フィン群（25）と熱交換するように構成されているものである。

上記の発明では、各熱電素子（22,23）において両面が加熱面（放熱面）と冷却面（吸熱面）とに切り換わる。例えば、冷媒管（21）側の面が加熱面（放熱面）となり、フィン群（25）側の面が冷却面（吸熱面）となると、冷媒管（21）を流れる冷媒が加熱される一方、フィン群（25）を流通する対象流体（例えば、空気）が冷却される。そして、この冷却された対象流体は利用側へ送られる。

ここで、本発明では、冷媒管（21）が一対の熱電素子（22,23）で挟まれているため、熱電素子が１つの場合に比べて、冷媒管（21）と熱電素子（22,23）との接触面積が多くなる。したがって、冷媒管（21）の冷媒に対する放熱作用および吸熱作用が増す。一方、各熱電素子（22,23）にフィン群（25）が設けられているため、対象流体に対する吸熱作用および放熱作用が増す。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記冷媒管（21）の上記熱電素子（22,23）が配置されていない部分のうち、少なくとも上記対象流体の流通方向と対向する部分を覆う断熱材（33）を備えているものである。

上記の発明では、断熱材（33）によって、冷媒管（21）の熱電素子（22,23）が配置されていない部分のうち対象流体の流通方向と対向する部分に対象流体が接触するのを防止できる。これにより、冷媒管（21）の冷媒と対象流体との熱交換が抑制される。

第３の発明は、上記第１の発明において、上記冷媒管（21）と上記各熱電素子（22,23）、および該各熱電素子（22,23）と上記フィン群（25）は、それぞれ接着剤によって接合されているものである。

上記の発明では、冷媒管（21）と各熱電素子（22,23）とフィン群（25）とが接着剤によって一体に接合されている。

第４の発明は、上記第１の発明において、上記冷媒管（21）は、上記熱電素子（22,23）の幅方向に扁平に形成され、内部に複数の微小流路（21a）を有する多孔扁平管であるものである。

上記の発明において、冷媒管（21）が微小流路（21a）を複数有する、いわゆるマイクロチャネルとして形成される。

第５の発明は、上記第１乃至第４の何れか１の発明において、上記冷媒管（21）、上記熱電素子（22,23）および上記フィン群（25）が熱交換モジュール（20）を構成し、該熱交換モジュール（20）が上記対象流体の流通方向に対して直交する方向に複数並列されるている。一方、本発明の熱交換器は、上記各熱交換モジュール（20）の冷媒管（21）の一端側に接続され、冷媒を上記各冷媒管（21）へ分配流入させるための入口側ヘッダ（11）と、上記各熱交換モジュール（20）の冷媒管（21）の他端側に接続され、上記各冷媒管（21）から流出した冷媒が合流する出口側ヘッダ（13）とを備えているものである。

上記の発明では、対象流体の流通方向に直交する方向に、順に、フィン群（25）、熱電素子（22）、マイクロチャネル（21）、熱電素子（23）、フィン群（25）、フィン群（25）、熱電素子（22）、・・・が配置される。そして、入口側ヘッダ（11）に流入した冷媒が各熱交換モジュール（20）のマイクロチャネル（21）に流入し、例えば放熱作用を受ける。そして、各マイクロチャネル（21）において放熱された冷媒が出口側ヘッダ（13）に流出して合流し、外部へ流出する。

以上のように、第１の発明によれば、１つの冷媒管（21）を一対の熱電素子（22,23）で挟み込み、その各熱電素子（22,23）の外側面にフィン群（25）をそれぞれ設けるようにした。したがって、冷媒管（21）に対する放熱作用および吸熱作用を増大させることができると共に、対象流体への放熱作用および吸熱作用をも増大させることができる。そのため、熱交換器（10）の熱交換性能を向上させることができる。そして、熱交換性能の向上により、熱電素子（22,23）、冷媒管（21）およびフィン群（25）のサイズを従来ほど大きくする必要がないため、全体としてコンパクト化および軽量化を実現することができる。

また、第２の発明によれば、断熱材（33）によって、冷媒管（21）の冷媒と対象流体との熱交換を抑制することができる。これにより、無駄な熱交換を抑えることができ、熱交換効率を向上させることができる。

従来では、熱電素子と液体ジャケット（冷媒管）とフィン群とをネジ締結によって接合させていたため、熱交換とは無関係なネジ締結部が必要であったり、液体ジャケットやフィン群のベース板の剛性を上げるために部材を厚くする必要があり、熱電素子に対して液体ジャケットやフィン群（25）のサイズが必要以上に大きかった。そのため、熱交換器が大型化していた。そこで、第３の発明によれば、上述したようにフィン群（25）やマイクロチャネル（21）が軽量となるため、熱電素子（22,23）とマイクロチャネル（21）とフィン群（25）とを接着剤で接合することができる。つまり、軽量になった分、ネジ締結のような高い接合強度が不要となり、接着剤による接合強度で十分となる。この場合、ネジ締結部が不要となり、またネジ締結のための高い剛性がそれほど必要でないためマイクロチャネル（21）やフィン群（25）のベース板等を厚くする必要がなくなる。その結果、コンパクト化および軽量化を一層図ることができる。

また、第４の発明によれば、冷媒管としてマイクロチャネル（21）を用いているため、コンパクト且つ熱交換性能の高い冷媒管を得ることができる。よって、コンパクトで、高い熱交換性能を有する熱交換器（10）を一層実現することができる。

また、第５の発明によれば、小型で高性能の熱交換モジュール（20）を複数並列に設けることにより、それ程大型化および重量化させることなく、冷却能力を高めることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

本実施形態の熱交換器（10）は、対象流体として空気（以下、対象空気という。）を冷却する気体冷却器である。本実施形態の熱交換器（10）は、図１〜図３に示すように、複数の熱交換モジュール（20）と、入口側ヘッダ（11）および出口側ヘッダ（13）とを備えている。

上記熱交換モジュール（20）は、図２に示すように、冷媒管としてのマイクロチャネル（21）と、一対の熱電素子（22,23）と、一対のフィン群（25）とを備えている。

上記マイクロチャネル（21）は、内部に複数の微小流路（21a）を有する多孔扁平管である（図３参照）。マイクロチャネル（21）は、本発明に係る冷媒管を構成している。このマイクロチャネル（21）は、対象空気の流通方向（図３参照）に扁平に形成されている。また、マイクロチャネル（21）は、微小流路（21a）が対象空気の流通方向に一列に並ぶように形成されている。

上記一対の熱電素子（22,23）は、マイクロチャネル（21）の長手方向（即ち、図１や図２（Ａ）における上下方向）に延びる板状に形成されている。つまり、マイクロチャネル（21）は、扁平な矩形体に形成されている。そして、一対の熱電素子（22,23）は、マイクロチャネル（21）をその扁平面側から挟み込むように配置されている。

上記各熱電素子（22,23）は、マイクロチャネル（21）よりも長さが短く、マイクロチャネル（21）の両端部以外で重なっている。つまり、マイクロチャネル（21）の両端部には熱電素子（22,23）が重なっていない。さらに、各熱電素子（22,23）の幅は、マイクロチャネル（21）の幅とほぼ等しい（マイクロチャネル（21）の幅よりも僅かに長い。）。

上記一対のフィン群（25）は、各熱電素子（22,23）のマイクロチャネル（21）側とは反対側の扁平面に設けられている。各フィン群（25）は、片面に複数のフィンが形成されるベース板（24）を備え、いわゆるコルゲートフィンにより構成されている。なお、コルゲートフィンは、一般に、フィン厚さが薄く、フィン高さが低く、フィンピッチが狭い。そして、フィン群（25）は、ベース板（24）のフィン側とは反対側の面が熱電素子（22,23）の扁平面に接着している。ベース板（24）の長さ、即ちフィン群（25）の長さは、マイクロチャネル（21）の長さよりも短く、熱電素子（22,23）の長さよりも若干長い。ベース板（24）の幅、即ちフィン群（25）の幅は、熱電素子（22,23）の幅よりも長い。

上記熱交換モジュール（20）では、マイクロチャネル（21）と各熱電素子（22,23）とが接着剤によって接合されている。また、各熱電素子（22,23）と各フィン群（25）のベース板（24）とが接着剤によって接合されている。そして、接着剤は熱伝導型のものが用いられる。これにより、マイクロチャネル（21）と熱電素子（22,23）とフィン群（25）とが一体に形成されて熱交換モジュール（20）を構成している。そして、熱交換モジュール（20）が対象空気の流通方向に直交する方向に複数並列されている。

上記入口側ヘッダ（11）および出口側ヘッダ（13）は、何れも対象空気の流通方向に直交する方向に延びる円形管である。入口側ヘッダ（11）は、各熱交換モジュール（20）のマイクロチャネル（21）の入口端である一端側（図２（Ａ）の上側）に接続されている。出口側ヘッダ（13）は、各熱交換モジュール（20）のマイクロチャネル（21）の出口端である他端側（図２（Ａ）の下側）に接続されている。マイクロチャネル（21）の入口端および出口端は、各ヘッダ（11,13）の内部に突出して開口している。つまり、各熱交換モジュール（20）がヘッダ（11,13）に対して並列に接続されている。なお、図示しないが、入口側ヘッダ（11）には外部から冷媒が流入する冷媒流入口が、出口側ヘッダ（13）には外部へ冷媒が流出する冷媒流出口がそれぞれ設けられている。

上記入口側ヘッダ（11）は、外部から流入した冷媒が各熱交換モジュール（20）のマイクロチャネル（21）の微小流路（21a）へ分配流入するように構成されている。出口側ヘッダ（13）は、各マイクロチャネル（21）の微小流路（21a）から流出した冷媒が合流して外部へ流出するように構成されている。

そして、各ヘッダ（11,13）の両端開口には、蓋（12,14）が取り付けられている。また、熱交換器（10）は、各ヘッダ（11,13）の蓋（12,14）に接着剤によって取り付けられる側板（15）を備えている。つまり、この側板（15）は、対象空気の流通方向から視て熱交換器（10）の右側片および左側片を構成している。なお、この熱交換器（10）では、フィン群（25）の隙間が空気流通部（16）を構成している。

また、本実施形態の熱交換器（10）には、断熱材（31,32,33）が設けられている。具体的に、各ヘッダ（11,13）の外周面にはヘッダ用断熱材（31）が巻かれている（図２参照）。また、側板（15）の内側面（即ち、空気流通部（16）に接する面）には側板用断熱材（32）が取り付けられている（図２参照）。また、図３にも示すように、対象空気の流通方向における熱電素子（22,23）の前面側（図３における下側）と後面側（図３における上側）に管用断熱材（33）が設けられている。つまり、マイクロチャネル（21）および熱電素子（22,23）の前面・後面が管用断熱材（33）によって覆われて対象空気に触れないようになっている。

この熱交換器（10）では、各熱電素子（22,23）のマイクロチャネル（21）側の面が加熱面となり、各熱電素子（22,23）のフィン群（25）側の面が冷却面となる。これにより、マイクロチャネル（21）が放熱側となり、フィン群（25）が吸熱側となる。

上記入口側ヘッダ（11）に流入した冷媒（液体）は、各熱交換モジュール（20）のマイクロチャネル（21）に流入する。一方、各熱交換モジュール（20）のフィン群（25）に対象空気が流入する。マイクロチャネル（21）に流入した冷媒は、両側の熱電素子（22,23）から放熱されて蒸発する。フィン群（25）を流通する対象空気は、フィンによって吸熱されて所定温度に冷却される。冷却された対象空気は利用側へ供給される。

ここで、１つのマイクロチャネル（21）が一対の熱電素子（22,23）によって挟み込まれているため、片側に１つの熱電素子を設けた場合に比べて、放熱作用が増大して放熱効率が向上する。しかも、微小流路（21a）を複数有するマイクロチャネル（21）を用いているため、放熱効率が一層向上する。

また、熱交換モジュール（20）において各熱電素子（22,23）にフィン群（25）が設けられているため、即ち１つのマイクロチャネル（21）に対して一対のフィン群（25）が設けられているため、熱交換モジュール（20）１つ当たりの吸熱効率が向上する。

−実施形態の効果−
以上のように、本実施形態によれば、１つのマイクロチャネル（21）を一対の熱電素子（22,23）で挟み込み、その熱電素子（22,23）の外側面に一対のフィン群（25）を設けるようにしたため、１つの熱交換モジュール（20）における放熱性能（放熱効率）および吸熱性能（吸熱効率、冷却性能）を向上させることができる。

本実施形態では、フィン群（25）（即ち、ベース板（24））やマイクロチャネル（21）が熱電素子（22,23）とほぼ同等の大きさ（長さ、幅）となっている。このように、熱電素子（22,23）に対してフィン群（25）を大型化しなくても、吸熱性能を向上させることができる。したがって、性能向上と共にコンパクト化・軽量化を図ることができる。

また、冷媒管としてマイクロチャネル（21）を用いているため、放熱性能の向上およびコンパクト化を一層図ることができる。また、フィン群（25）にはいわゆるコルゲートフィンを用いているため、コンパクトで高い吸熱性能（熱交換性能）を得ることができる。これらにより、熱交換器（10）の大型化を防止しつつ、熱交換性能を高めることができる。

また、従来では、熱電素子と液体ジャケット（冷媒管）とフィン群とをネジ締結によって接合させていたため、熱交換とは無関係なネジ締結部が必要であったり、液体ジャケットやフィン群のベース板の剛性を上げるために部材を厚くする必要があり、熱電素子に対して液体ジャケットやフィン群（25）のサイズが必要以上に大きかった。そのため、熱交換器が大型化していた。そこで、本実施形態では、上述したようにフィン群（25）やマイクロチャネル（21）が軽量となるため、熱電素子（22,23）とマイクロチャネル（21）とフィン群（25）とを接着剤で接合することができる。つまり、軽量になった分、ネジ締結のような高い接合強度が不要となる。したがって、ネジ締結部が不要となり、またネジ締結のための高い剛性がそれほど必要でないためマイクロチャネル（21）やフィン群（25）のベース板（24）を厚くする必要もなくなる。その結果、コンパクト化および軽量化を一層図ることができる。

また、本実施形態では、小型で高性能の熱交換モジュール（20）を複数並列に設けることにより、従来よりも小型且つ軽量で高い冷却能力を有する熱交換器（10）を提供することができる。

また、従来のように、熱電素子に対して液体ジャケットやフィン群のサイズが大きいと、熱電素子に対する熱移動が集中してしまい面内方向に熱抵抗が生じていた。本実施形態では、上述したように熱電素子（22,23）に対してマイクロチャネル（21）やフィン群（25）のサイズがほぼ同等であるため、そういった熱抵抗を抑えることができる。その結果、熱交換性能の一層高い熱交換器（10）を提供することができる。

また、本実施形態では、断熱材（31,32,33）を設けるようにしたため、各ヘッダ（11,13）やマイクロチャネル（21）における冷媒の熱ロスを抑えることができる。特に、マイクロチャネル（21）の熱電素子（22,23）が配置されていない部分（即ち、対象空気の流通方向における前面および後面）を断熱材（33）で覆って対象空気との接触を防止しているため、冷媒と対象空気とが熱交換するのを確実に防止することができる。これにより、無駄な熱交換を抑えることができ、熱交換効率を向上させることができる。

《その他の実施形態》
本発明は、上記実施形態について、以下のような構成としてもよい。

例えば、上記実施形態では、対象空気を冷却する熱交換器（10）（気体冷却器）について説明したが、本発明は、対象空気を加熱する気体加熱器としても適用することができる。その場合、熱電素子（22,23）に逆電流を流すことにより、マイクロチャネル（21）側が吸熱側となり、フィン群（25）側が放熱側となる。これにより、対象空気がフィン群（25）によって放熱されて加熱される。

また、上記実施形態では、フィン群（25）を流通する気体（空気）を利用するようにしているが、マイクロチャネル（21）を流れる液体（冷媒）を利用する用にしてもよいことは勿論である。

また、各ヘッダ（11,13）を省略して、１つの熱交換モジュール（20）で構成した熱交換器（10）であってもよい。

また、上記実施形態において、各断熱材（31,32,33）を省略するようにしてもよいし、コルゲートフィン以外のフィン形式をフィン群（25）に用いるようにしてもよいし、マイクロチャネル（21）ではなく流路を１つ有する管を冷媒管として用いるようにしてもよい。

また、上記実施形態では、フィン群（25）を流通する気体（空気）を冷却あるいは加熱して利用するようにしているが、これに限定されない。例えば、本発明の熱交換器（10）は、熱電素子（22,23）の電源の代わりに負荷を接続し、吸熱側に外部より熱入力を与えて放熱側より放熱させることにより、即ち吸熱側の温度が放熱側の温度よりも高くなることにより、ゼーベック効果を利用した発電器とすることができる。

以上説明したように、本発明は、熱電素子を用いた熱交換器について有用である。

実施形態に係る熱交換器の構成を概略的に示す正面図である。 実施形態に係る熱交換器の構成を示す図であり、（Ａ）は縦断面図を、（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘ断面をそれぞれ示す。 図２のＹ−Ｙ断面を示す図である。 従来の熱交換器の構成を概略的に示す図である。

符号の説明

10 熱交換器
11 入口側ヘッダ
13 出口側ヘッダ
20 熱交換モジュール
21 マイクロチャネル（冷媒管）
21a 微小流路
22 第１熱電素子（熱電素子）
23 第２熱電素子（熱電素子）
25 フィン群
33 管用断熱材（断熱材）

Claims (5)

1. 冷媒が流れる冷媒管（21）と、上記冷媒管（21）の長手方向に延びる板状に形成され、上記冷媒管（21）を挟み込むように配置される一対の熱電素子（22,23）と、上記各熱電素子（22,23）の上記冷媒管（21）側とは反対側の面に形成されるフィン群（25）とを備え、対象流体が上記フィン群（25）を流通し該フィン群（25）と熱交換するように構成されている
   ことを特徴とする熱交換器。
2. 請求項１において、
   上記冷媒管（21）の上記熱電素子（22,23）が配置されていない部分のうち、少なくとも上記対象流体の流通方向と対向する部分を覆う断熱材（33）を備えている
   ことを特徴とする熱交換器。
3. 請求項１において、
   上記冷媒管（21）と上記各熱電素子（22,23）、および該各熱電素子（22,23）と上記フィン群（25）は、それぞれ接着剤によって接合されている
   ことを特徴とする熱交換器。
4. 請求項１において、
   上記冷媒管（21）は、上記熱電素子（22,23）の幅方向に扁平に形成され、内部に複数の微小流路（21a）を有する多孔扁平管である
   ことを特徴とする熱交換器。
5. 請求項１乃至４の何れか１項において、
   上記冷媒管（21）、上記熱電素子（22,23）および上記フィン群（25）が熱交換モジュール（20）を構成し、該熱交換モジュール（20）が上記対象流体の流通方向に対して直交する方向に複数並列される一方、
   上記各熱交換モジュール（20）の冷媒管（21）の一端側に接続され、冷媒を上記各冷媒管（21）へ分配流入させるための入口側ヘッダ（11）と、上記各熱交換モジュール（20）の冷媒管（21）の他端側に接続され、上記各冷媒管（21）から流出した冷媒が合流する出口側ヘッダ（13）とを備えている
   ことを特徴とする熱交換器。

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