JP4569267B2

JP4569267B2 - 熱交換器及びその製造方法

Info

Publication number: JP4569267B2
Application number: JP2004326218A
Authority: JP
Inventors: 長生木戸; 光徳谷口
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-11-10
Filing date: 2004-11-10
Publication date: 2010-10-27
Anticipated expiration: 2024-11-10
Also published as: JP2006138495A

Description

本発明は冷却システム、放熱システムや加熱システム等用の熱交換器に関するもので、特に情報機器などコンパクト性を要求されるシステムで使用される液体と気体の熱交換器及びその製造方法に関するものである。

従来、この種の熱交換器としては、管とフィンとから構成されたものが一般的であるが、近年はそのコンパクト化を図るために、管径及び管ピッチを小さくし、管を高密度化する傾向にある。その極端な形態としては、管外径が０．５ｍｍ程度の非常に細い管のみから熱交換部が構成されたものがある（例えば、特許文献１参照）。

図９は、特許文献１に記載された従来の熱交換器の正面図である。

図９に示すように、従来の熱交換器は、所定間隔を置いて対向配置される入口タンク３１と出口タンク３２と、入口タンク３１と出口タンク３２の間に断面円環の複数の管３３が配置され、管３３の外部を外部流体が流通されるコア部３４が構成されている。

そして、管３３を正方形の碁盤目状に配置するとともに、管３３の外径を０．２ｍｍ以上０．８ｍｍ以下とし、隣接する管３３のピッチを管外径で除した値を０．５以上３．５以下とすることで、使用動力に対する熱交換量を大幅に向上できるとしている。
特開２００１−１１６４８１号公報

上記従来の熱交換器を構成する具体的な要素や製造方法については示されていないが、一般的には、多数の細い管３３と、特定の面に多数の細かい円孔を予め空けた入口タンク３１と出口タンク３２を用意し、入口タンク３１及び出口タンク３２の円孔に管３３の両端を挿入し、溶接等によって管３３の挿入部を入口タンク３１及び出口タンク３２に接着する方法が考えられる。しかしながら、入口タンク３１や出口タンク３２に管３３の挿入用の微細な円孔を所定の微細なピッチで設けることと、非常に多くの管３３を入口タンク３１や出口タンク３２に挿入し接着する工程が非常に困難であり、熱交換性能が高くても、非常に高価でかつ洩れに対する信頼性が低いものになるという課題を有していた。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、非常に優れた熱交換性能を保持しながら、非常に製造が容易な構造で、安価で、かつ信頼性の高い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、平面上で略平行に並べられた複数の管からなる管列と、複数の前記管列が間隔を空けて積層され、前記管の両端付近で前記管列の相互間に設けられた複数のスペーサと、前記管の両端を内包し、同時に積層された前記スペーサによって構成されるスペーサ面で閉塞される開口部を持つヘッダーとからなり、前記スペーサを柔軟性のある材料とし、前記スペーサの一部を前記ヘッダー内に延長することで前記ヘッダー内に仕切壁を設けたものである。

かかる構成により、管とスペーサを交互に積層することによって管群を容易に構成することができる。また、ヘッダー内に仕切壁を設けた構成としたことにより、管の内部を流れる流体のパス数を減らして、流体の速度を上げることができる。また、スペーサの一部をヘッダー内に延長することで前記仕切壁を構成したことにより、仕切壁の位置決めや取り付けを簡単に行うことができる。また、スペーサの弾性力によって、スペーサ相互やスペーサと管とのシール性や、スペーサとヘッダーとのシール性を確保することができ、接着剤等によるシールを不要とすることができる。

また本発明は、前記スペーサ面の大きさを前記開口部の大きさよりも若干大きく構成したものである。

かかる構成により、スペーサ面とヘッダーの開口部とのシール性を強化することができる。

また本発明は、前記スペーサの前記管と接する面に凹みを設けた構成としたものである。

かかる構成により、スペーサ上に設置する管の位置決めを容易にすることができる。

また本発明は、前記凹みの大きさを前記管の断面の大きさよりも若干小さく構成したものである。

かかる構成により、スペーサと管とのシール性を強化することができる。

また本発明は、前記スペーサと接する前記開口部の端面に傾斜をつけた構成としたものである。

かかる構成により、スペーサ面をヘッダーの開口部に挿入する作業を容易にするとともに、スペーサ面と開口部との密着性も高めることができる。

また本発明は、前記スペーサ面と接する前記開口部の端面の一部に突起または段差を設けた構成としたものである。

かかる構成により、スペーサ面の開口部への挿入に際し、スペーサ面の位置を固定することができる。

また本発明は、前記管を楕円管としたものである。

かかる構成により、管の外部を流れる流体の抵抗を抑えることができる。

また本発明は、前記管または前記管列を内部に複数の流路を備えた偏平管としたものである。

かかる構成により、管の本数を減らすことができる。

さらに本発明は、前記管列と前記スペーサを交互に積層した後、前記開口部に前記スペーサ面を挿入するものである。

かかる製造方法により、多数の管の両端を微細な円孔に挿入する工程を無くすことができる。

本発明の熱交換器は、管を積層することによって管群を容易に構成することができるので、熱交換器を非常に容易な工程で製造できる。また、スペーサの一部をヘッダー内に延長することでヘッダー内に仕切壁を設けたことにより、仕切壁の位置決めや取り付けを簡単に行うことができ、管の内部を流れる流体のパス数を減らして、流体の速度を上げることができ、流体と管との熱伝達率を高めることができる。また、スペーサの弾性力によって、スペーサ相互やスペーサと管とのシール性や、スペーサとヘッダーとのシール性を確保することができ、接着剤等によるシールを不要とすることができる。

また本発明の熱交換器は、スペーサ相互やスペーサと管とのシール性や、スペーサ面とヘッダーの開口部とのシール性を確保することができるので、接着剤等によるシールを不要とすることができ、製造工程数を減らすことができる。

さらに本発明の熱交換器の製造方法は、多数の管を微細な円孔に挿入する工程を無くすことができるので、熱交換器をより一層容易な工程で製造できる。

請求項１に記載の発明は、平面上で略平行に並べられた複数の管からなる管列と、複数の前記管列が間隔を空けて積層され、前記管の両端付近で前記管列の相互間に設けられた複数のスペーサと、前記管の両端を内包し、同時に積層された前記スペーサによって構成されるスペーサ面で閉塞される開口部を持つヘッダーとから構成したことにより、管を積層することによって管群を容易に構成することができ、熱交換器を非常に容易な工程で製造できる。また、スペーサの一部をヘッダー内に延長することでヘッダー内に仕切壁を設けたことにより、仕切壁の位置決めや取り付けを簡単に行うことができ、管の内部を流れる流体のパス数を減らして、流体の速度を上げることができ、流体と管との熱伝達率を高めることができる。また、スペーサを柔軟性のある材料としたことにより、スペーサの弾性力によって、スペーサ相互やスペーサと管とのシール性や、スペーサとヘッダーとのシール性を確保することができ、接着剤等によるシールを不要とすることができる。

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において、前記スペーサ面の大きさを前記開口部の大きさよりも若干大きくしたもので、スペーサ面とヘッダーの開口部とのシール性を強化することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明の熱交換器において、前記スペーサの前記管と接する面に凹みを設けたもので、スペーサ上に設置する管の位置決めを容易にすることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明の熱交換器において、前記凹みの大きさを前記管の断面の大きさよりも若干小さくしたもので、スペーサと管とのシール性を強化することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれかに記載の発明の熱交換器において、前記スペーサと接する前記開口部の端面に傾斜をつけたもので、スペーサ面をヘッダーの開口部に挿入する作業を容易にするとともに、スペーサ面と開口部との密着性も高めることができる。

請求項６に記載の発明は、請求項１から５のいずれかに記載の発明の熱交換器において、前記スペーサ面と接する前記開口部の端面の一部に突起を設けたもので、スペーサ面の開口部への挿入に際し、スペーサ面の位置を固定することができる。

請求項７に記載の発明は、請求項１から６のいずれかに記載の発明の熱交換器において、前記管を楕円管としたもので、管の外部を流れる流体の抵抗を抑えることができる。

請求項８に記載の発明は、請求項１から６のいずれかに記載の発明の熱交換器において、前記管または前記管列を内部に複数の流路を備えた偏平管としたもので、管の本数を減らすことができる。

請求項９に記載の発明は、請求項１から８のいずれかに記載の熱交換器の製造方法において、前記管列と前記スペーサを交互に積層した後、前記開口部に前記スペーサ面を挿入するもので、多数の管の両端を微細な円孔に挿入する工程を無くすことができるので、熱交換器をより一層容易な工程で製造できる。

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正面図、図２は、同実施の形態の熱交換器の側面図、図３は図１のＡ−Ａ線断面図、図４は図２のＢ−Ｂ線断面図、図５は、同実施の形態の熱交換器の熱交換部の製造方法を示す概略図、図６は、同実施の形態の熱交換器の製造方法を示す概略図、図７は、同実施の形態の他の熱交換器の管軸と垂直方向の断面図、図８は、同実施の形態の他の熱交換器の管軸と垂直方向の断面図を示すものである。

図１から図４において、熱交換器は、熱交換部１と熱交換部１の両端のヘッダー２ａと２ｂから構成される。熱交換部１は、平面上で平行に並べられた複数の管３からなる管列４が、管３の両端付近で管列４の相互間に設けられた複数のスペーサ５によって間隔を保って積層されることで構成されている。ヘッダー２ａは、内部に空間６ａ、６ｂと流入管７と流出管８と開口部９ａを備え、開口部９ａは積層されたスペーサ５によって構成されるスペーサ面１０によって閉塞されている。またヘッダー２ｂは、内部に空間６ｃと開口部９ｂを備え、開口部９ｂは積層されたスペーサ５によって構成されるスペーサ面１０によって閉塞されている。開口部９ａ、９ｂの大きさはスペーサ面１０よりやや小さく、同時に開口部９ａ、９ｂの端面は、内部の空間６ａ、６ｂ、６ｃに向かって狭くなるようにいずれも傾斜している。また開口部９ａ、９ｂの端面には、突起１１ａと１１ｂがスペーサ面１０の厚さに相当する間隔を相互に空けてそれぞれ連続して設けられており、突起１１ａと１１ｂの間にスペーサ面が固定されるようになっている。スペーサ５は、ゴム等の柔軟性の材料から成形され、また管１と接する部分に、管１の断面よりもやや小さい凹み１２が設けられている。またヘッダー２ａの内部は、仕切壁１３によって空間６ａと６ｂに２分割され、また仕切壁１３は、隣接するスペーサ５ａをヘッダー２ａ内に延長することで構成されている。

また図５に示すように、管３を平面状に平行に並べた管列４と、予め凹み１２が設けられたスペーサ５を交互に積層し、まず熱交換部１を組み立てる。次に図６に示すように、ヘッダー２ａ、２ｂのそれぞれの開口部９ａ、９ｂに熱交換部１のスペーサ面１０をスペーサ面１０が突起１１ａと１１ｂの間に固定されるまで挿入し、開口部９ａ、９ｂを閉塞する。

以上のように構成された熱交換器では、管３の内部を流れる流体Ａと管３の外部を流れる流体Ｂとが管３を介して熱交換する。流体Ａの具体例としては水や冷媒、流体Ｂの具体例としては空気やガスなどが考えられる。また流体Ａは、流入管７からヘッダー２ａの空間６ａに流入し、空間６ａに接続されている複数の管３の内部を分岐して流れる。管３の内部を流れた流体Ａはヘッダー２ｂの空間６ｃで一旦合流した後、空間６ｂに接続されている複数の管３の内部を分岐して流れ、空間６ｂで合流した後、流出口８から流出する。この際、この熱交換器では管列４とスペーサ５を交互に積層することで管群状の熱交換部１を構成するので、非常に細い管を非常に高密度に配列することができ、流体Ａや流体Ｂが接する管３の伝熱面積を非常に大きくすることができるので、非常に高能力でコンパクトな熱交換器を実現することができる。

以上のように、本実施の形態においては、平面上で平行に並べられた複数の管３からなる管列４と、複数の管列４が間隔を空けて積層され、管３の両端付近で管列４の相互間に設けられた複数のスペーサ５と、管３の両端を内包し、同時に積層されたスペーサ５によって構成されるスペーサ面１０で閉塞される開口部９ａ、９ｂを持つヘッダー２ａ、２ｂとから構成することにより、管３を積層することによって管群を容易に構成することができ、熱交換器を非常に容易な工程で製造できる。

またスペーサ５を柔軟性のある材料とすることで、スペーサ５の弾性力によって、スペーサ相互やスペーサ５と管３とのシール性や、スペーサ面１０とヘッダー２ａ、２ｂの開口部９ａ、９ｂとのシール性を確保することができ、接着剤等によるシールを不要とすることができ、製造工程数を減らすことができる。

またスペーサ面１０の大きさを開口部９ａ、９ｂの大きさよりも若干大きくすることで、スペーサ面１０とヘッダー２ａ、２ｂの開口部９ａ、９ｂとのシール性を強化することができる。

またスペーサ５の管３と接する面に凹み１２を設けることで、スペーサ５上に設置する管３の位置決めを容易にすることができる。

また凹み１２の大きさを管３の断面の大きさよりも若干小さくすることで、スペーサ５と管３とのシール性を強化することができる。

またスペーサ５と接する開口部９ａ、９ｂの端面に傾斜をつけることで、スペーサ面１０をヘッダー２ａ、２ｂの開口部９ａ、９ｂに挿入する作業を容易にするとともに、スペーサ面１０と開口部９ａ、９ｂとの密着性も高めることができる。

またスペーサ５と接する開口部９ａ、９ｂの端面の突起１１ａ、１１ｂを設けることにより、スペーサ面１０の開口部９ａ、９ｂへの挿入に際し、スペーサ面１０の位置を固定することができる。

またヘッダー２ａ内に仕切壁１３を設けることで、管３の内部を流れる流体Ａのパス数を減らして、流体Ａの速度を上げることができ、流体Ａと管３との熱伝達率を高めることができる。

またスペーサ５の一部をヘッダー２ａ内に延長することで仕切壁１３とすることにより、仕切壁１３の位置決めや取り付けを簡単に行うことができる。

さらには管列４とスペーサ５を交互に積層した後に、開口部９ａ、９ｂにスペーサ面１０を挿入することで、多数の管３の両端を微細な円孔に挿入する工程を無くすことができるので、熱交換器をより一層容易な工程で製造できる。

なお、本実施の形態１の熱交換器では管３を円管としたが、図７に示すように管３は楕円管としても良い。この場合には、管３の外部を流れる流体の抵抗を抑えることができる。

また、本実施の形態１の熱交換器では管３を円管としたが、図８に示すように管３または管列４を内部に複数の流路を備えた偏平管としても良い。この場合には、管の本数を減らすことができる。

以上のように、本発明にかかる熱交換器は、非常に優れた熱交換性能を、非常に製造が容易な構造で、かつ安価に実現でき、冷凍冷蔵機器や空調機器用の熱交換器や、廃熱回収機器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正面図同実施の形態の熱交換器の側面図図１の熱交換器のＡ−Ａ線断面図図２の熱交換器のＢ−Ｂ線断面図同実施の形態の熱交換器の熱交換部の製造方法を示す概略図同実施の形態の熱交換器の製造方法を示す概略図同実施の形態の他の熱交換器の管軸と垂直方向の断面図同実施の形態の他の熱交換器の管軸と垂直方向の断面図従来の熱交換器の正面図

符号の説明

２ａ、２ｂヘッダー
３管
４管列
５、５ａ、５ｂスペーサ
９ａ、９ｂ開口部
１０スペーサ面
１１ａ、１１ｂ突起
１２凹み
１３仕切壁

Claims

平面上で略平行に並べられた複数の管からなる管列と、複数の前記管列が間隔を空けて積層され、前記管の両端付近で前記管列の相互間に設けられた複数のスペーサと、前記管の両端を内包し、同時に積層された前記スペーサによって構成されるスペーサ面で閉塞される開口部を持つヘッダーとからなり、前記スペーサを柔軟性のある材料とし、前記スペーサの一部を前記ヘッダー内に延長することで前記ヘッダー内に仕切壁を設けた熱交換器。
前記スペーサ面の大きさを前記開口部の大きさよりも若干大きくした請求項１に記載の熱交換器。
前記スペーサの前記管と接する面に凹みを設けた請求項１または２に記載の熱交換器。
前記凹みの大きさを前記管の断面の大きさよりも若干小さくした請求項３に記載の熱交換器。
前記スペーサと接する前記開口部の端面に傾斜をつけた請求項１から４に記載の熱交換器。
前記スペーサと接する前記開口部の端面の一部に突起または段差を設けた請求項１から５に記載の熱交換器。
前記管を楕円管とした請求項１から６のいずれかに記載の熱交換器。
前記管または前記管列を内部に複数の流路を備えた偏平管とした請求項１から６のいずれかに記載の熱交換器。
前記管列と前記スペーサを交互に積層した後、前記開口部に前記スペーサ面を挿入する請求項１から８のいずれかに記載の熱交換器の製造方法。