JP5661205B2 - 積層型熱交換器及びそれを搭載したヒートポンプシステム、並びに積層型熱交換器の製造方法 - Google Patents

積層型熱交換器及びそれを搭載したヒートポンプシステム、並びに積層型熱交換器の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、低温流体又は高温流体である第1冷媒と第2冷媒との熱交換を実施する積層型熱交換器及びそれを搭載したヒートポンプシステム、並びに積層型熱交換器の製造方法に関する。
従来の熱交換器として、低温流体が流れる第1伝熱管と、高温流体が流れ、その高温流体の流れ方向が上記低温流体の流れ方向と並行になるように配置した第2伝熱管とを交互に積層した熱交換器であって、少なくとも一方の伝熱管を、積層方向に並んだ複数の伝熱管で構成し、その複数の伝熱管の両端を、各流体の流れ方向と積層方向とのいずれにも直交する方向に曲げて構成している。さらに、その複数の伝熱管と、入口ヘッダー及び出口ヘッダーにより並列流路を構成し、入口ヘッダー又は出口ヘッダーのいずれかを管状ヘッダーで構成し、そして、並列流路を構成する複数の伝熱管を束ねて、管状ヘッダーの管軸方向と伝熱管の流体の流れ方向とが垂直となるようにして接続するものがある(例えば、特許文献1参照)。
WO2007/122685A1号公報(第28頁、図17)
しかし、特許文献1に記載された熱交換器は、伝熱管を積層した構造であるため、高性能かつ高スペース効率ではあるが、冷媒を流入するヘッダー管のうち少なくとも一方は積層方向に対し垂直方向に曲げられた伝熱管と接続する構造を有するため、その際の伝熱管の幅方向への曲げ工程を有すること、及び、ヘッダー管によるデッドスペースが増大してしまうという問題点があった。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、伝熱管の曲げ工程をなくし、ヘッダー管によるデッドスペースのない積層型熱交換器及びそれを搭載したヒートポンプシステム、並びに積層型熱交換器の製造方法を得ることを目的とする。
本発明に係る積層型熱交換器は、扁平形状を有し、第1冷媒がその内部の第1冷媒流路を流通する複数の第1伝熱管と、扁平形状を有し、前記第1伝熱管と共に積層され、前記第1冷媒と温度が異なる第2冷媒がその内部の第2冷媒流路を流通する複数の第2伝熱管と、前記各第1伝熱管の前記第1冷媒流路、及び、前記各第2伝熱管の前記第2冷媒流路の冷媒の流通方向の両端部に形成された開口部をそれぞれ閉塞するように、前記各第1伝熱管及び前記各第2伝熱管に接合かつ積層された閉塞手段と、前記各第1伝熱管に接合された前記閉塞手段及び前記各第2伝熱管に接合された前記閉塞手段において、前記各第1冷媒流路を互いに連通させ、かつ、前記各第1伝熱管及び前記各第2伝熱管の積層構造における積層方向の両端に位置する前記第1伝熱管又は前記第2伝熱管である2つの最外伝熱管のうちいずれか一方の該最外伝熱管に接合された前記閉塞手段において前記各第1冷媒流路と外部とを連通させるように、貫通して形成された第1連通穴と、前記各第1伝熱管に接合された前記閉塞手段及び前記各第2伝熱管に接合された前記閉塞手段において、前記各第2冷媒流路を互いに連通させ、かつ、2つの前記最外伝熱管のうちいずれか一方の該最外伝熱管に接合された前記閉塞手段において前記各第2冷媒流路と外部とを連通させるように、貫通して形成された第2連通穴と、前記各第2伝熱管に接合された前記閉塞手段に形成された前記第1連通穴が、前記第2冷媒流路に連通しないように遮断する第1遮断手段と、前記各第1伝熱管に接合された前記閉塞手段に形成された前記第2連通穴が、前記第1冷媒流路に連通しないように遮断する第2遮断手段と、を備え、前記第1連通穴は、2組形成され、前記第2連通穴は、2組形成され、前記最外伝熱管に接合された前記閉塞手段に形成され、前記各第1冷媒流路と外部とを連通させる2つの前記第1連通穴は、それぞれ前記第1冷媒の流入口及び流出口として機能し、前記最外伝熱管に接合された前記閉塞手段に形成され、前記各第2冷媒流路と外部とを連通させる2つの前記第2連通穴は、それぞれ前記第2冷媒の流入口及び流出口として機能するものである。
本発明によれば、閉塞手段に、各第1伝熱管の第1冷媒流路を連通させる第1連通穴、及び、各第2伝熱管の第2冷媒流路を連通させる第2連通穴を形成することによって、ヘッダー管を不要とすることができ、デッドスペースをなくすことができ、積層型熱交換器全体をコンパクトにすることができる。
本発明の実施の形態1に係る積層型熱交換器である熱交換器10の斜視図である。 本発明の実施の形態1に係る積層型熱交換器である熱交換器10の三面図である。 本発明の実施の形態1に係る積層型熱交換器である熱交換器10の伝熱管端部にろう付けする蓋8の三面図である。 本発明の実施の形態1に係る積層型熱交換器である熱交換器10の要部断面図である。 本発明の実施の形態1に係る積層型熱交換器である熱交換器10の製造方法を示す図である。 本発明の実施の形態2に係る積層型熱交換器の伝熱管の断面図である。 本発明の実施の形態3に係る熱交換器の温熱を利用したヒートポンプシステムの構成図である。 本発明の実施の形態3に係る熱交換器の温熱を利用したヒートポンプシステムの別形態の構成図である。 本発明の実施の形態3に係る熱交換器の冷熱を利用したヒートポンプシステムの別形態の構成図である。 本発明の実施の形態3に係る熱交換器の温熱又は冷熱を利用したヒートポンプシステムの別形態の構成図である。
実施の形態1.
(熱交換器10の構造)
図1は、本発明の実施の形態1に係る積層型熱交換器である熱交換器10の斜視図であり、図2は、同熱交換器10の三面図であり、そして、図3は、同熱交換器10の伝熱管端部にろう付けする蓋8の三面図である。以下、図1〜図3を参照しながら、本実施の形態に係る積層型熱交換器である熱交換器10の構成について説明する。また、以下の説明では、図1の上下左右方向に合わせて説明する。
図1及び図2で示されるように、熱交換器10は、冷媒が流れる断面が矩形状の冷媒流路を有し、その冷媒流路の冷媒の流通方向に略同一の長さを有し、かつ、冷媒流路の幅方向においても略同一の長さを有した扁平形状の複数の第1伝熱管1及び第2伝熱管2が交互に積層された構造を有している。このとき、各第1伝熱管1及び第2伝熱管2は、アルミ−シリコン系等のろう材21によってろう付けされて接合されている。このうち、第1伝熱管1の両端の端部である第1伝熱管端部5を貫通する矩形状の冷媒流路を第1冷媒流路1aとする。また、第2伝熱管2の両端の端部である第2伝熱管端部6を貫通する矩形状の冷媒流路を第2冷媒流路2aとする。この第1伝熱管端部5における第1冷媒流路1a、及び、第2伝熱管端部6における第2冷媒流路2aは、それぞれ蓋8によって塞がれている。この蓋8は、図3で示されるように、第1冷媒流路1a及び第2冷媒流路2aを塞ぐ側面から矩形状に穴を開けて蓋穴形状部8cが形成されている。この蓋穴形状部8c内には、奥側の一方の片隅に矩形状の封止材8aが設置されている。この封止材8aは、図3(a)(蓋8の平面図)で示される平面視における奥側内壁面及び側面側の内壁面、並びに、図3(b)(蓋8の正面図)で示される正面視における蓋穴形状部8cの上下の内壁面に当接するように固定され設置されている。そして、蓋8は、第1伝熱管端部5における第1冷媒流路1a、及び、第2伝熱管端部6における第2冷媒流路2aを塞ぐように接合されることによって、蓋穴形状部8cが、第1冷媒流路1a及び第2冷媒流路2aのそれぞれに連通する構成となる。また、第1伝熱管1の第1伝熱管端部5に接合された蓋8と、第2伝熱管2の第2伝熱管端部6に接合された蓋8とは、互いにろう材21によって接合されている。
なお、図3(a)で示されるように、封止材8aは平面視における奥側内壁面及び側面側の内壁面に当接しているものとしたが、これに限定されるものではなく、特に、当接されている必要はない。
また、蓋穴形状部8c内に設置された封止材8aは矩形状としているが、これに限定されるものではなく、円形形状又は楕円形状等のその他の形状としてもよい。
また、蓋8は、本発明の「閉塞手段」に相当する。また、第2伝熱管2に接合された蓋8の封止材8aは、本発明の「第1遮断手段」に相当し、第1伝熱管1に接合された蓋8の封止材8aは、本発明の「第2遮断手段」に相当する。
そして、すべての第1伝熱管1の第1伝熱管端部5に接合される蓋8の封止材8aの位置は、蓋穴形状部8c内において同一の片隅となるように設置される。これに対し、すべての第2伝熱管2の第2伝熱管端部6に接合される蓋8の封止材8aの位置は、第1伝熱管1に設置された蓋8の封止材8aとは、蓋穴形状部8c内において、逆側の片隅となるように設置される。
また、図1及び図2で示されるように、第1伝熱管1及び第2伝熱管2の積層構造の最上段の伝熱管(図1及び図2においては、第1伝熱管1)の両端に接合された蓋8の上面には、後述するように、第1伝熱管1の第1冷媒流路1aに連通する管状の第1ポート3、及び、第2伝熱管2の第2冷媒流路2aに連通する管状の第2ポート4が、それぞれろう材21によってろう付けされている。この第1ポート3及び第2ポート4は、冷媒の入口用及び出口用としてそれぞれ2つ設置されており、ヒートポンプシステムにおける冷媒回路等に接続される。
なお、図1及び図2で示されるように、伝熱管の積層構造のうち最上段の伝熱管を第1伝熱管1としているが、これに限定されるものではなく、第2伝熱管2を最上段としてもよいのは言うまでもない。
また、図1及び図2で示されるように、伝熱管の積層構造のうち最上段の伝熱管の両端に接合された蓋8に第1ポート3及び第2ポート4が設置される構成としているが、これに限定されるものではなく、この第1ポート3及び第2ポート4を設置せず、最上段の伝熱管の両端に接合された蓋8に形成された連通穴を接続ポートとして、ヒートポンプシステムにおける冷媒回路等の配管が直接接続されるものとしてもよい。
次に、図2及び図3を参照しながら、第1ポート3及び積層された第1伝熱管1の第1冷媒流路1aが連通する構造、並びに、第2ポート4及び積層された第2伝熱管2の第2冷媒流路2aが連通する構造について説明する。図2(a)は、本実施の形態に係る熱交換器10の平面図であり、図2(b)は、図2(a)におけるA−A断面図であり、そして、図2(c)は、同熱交換器10の側面図である。また、図3(a)は、同熱交換器10の蓋8の平面図であり、図3(b)は、同蓋8の正面図であり、そして、図3(c)は、同蓋8の側面図である。また、第1伝熱管1及び第2伝熱管2の積層構造の両側に設けられる蓋8の積層構造は、当該伝熱管の積層構造を中心として180度回転対称の構造を有し、図2(a)におけるA'−A'断面図もまた図2(b)のようになる。
図2(b)及び図3(b)で示されるように、最上段の第1伝熱管1に接合された蓋8の上面及び下面には、第1連通穴3aが貫通して形成されており、第1ポート3は、この蓋8の上面の第1連通穴3aを介して、第1冷媒流路1aに連通している。また、蓋8の下面に形成された第1連通穴3aは、その第1伝熱管1の直下の第2伝熱管2に接合された蓋8の上面に貫通して形成された第1連通穴3bに連通している。ここで、図3で示されるように、第1連通穴3bに連通する部分には封止材8aが存在しており、この封止材8aには第1連通穴3bと連通するように封止材連通穴8bが貫通して形成されている。この封止材連通穴8bは、さらに、蓋8の下面に貫通して形成された第1連通穴3bとも連通している。さらに、この第2伝熱管2の直下の第1伝熱管1には、最上段の第1伝熱管1と同様に、この第1伝熱管1に接合された蓋8の上面及び下面に第1連通穴3aが貫通されており、この第1伝熱管1の直上の第2伝熱管2に接合された蓋8の下面の第1連通穴3bは、このうち第1伝熱管1に接合された蓋8の上面の第1連通穴3aを介してその第1冷媒流路1aに連通している。
すなわち、第1ポート3は、最上段の第1伝熱管1の第1冷媒流路1aに連通しており、さらにこの第1冷媒流路1aは、その直下の第2伝熱管2を介して、さらにその下の第1伝熱管1の第1冷媒流路1aに連通している。以下、同様の構造を取り、第1ポート3及び各第1伝熱管1の第1冷媒流路1aは連通した構造を有し、第2伝熱管2の第2冷媒流路2aとは、蓋8の封止材8aによって遮断された構造を有している。ただし、第1伝熱管1及び第2伝熱管2の積層構造の最下段の第1伝熱管1(図2(b)における下から二番目の伝熱管)に接合された蓋8おいては、その上面のみ第1連通穴3aが形成されている。このような構造によって、2つの第1ポート3のうち一方から流入した冷媒(以下、第1冷媒という)は、積層構造のうち各第1伝熱管1の第1冷媒流路1aを流通して、他方の第1ポート3から流出する。
また、最上段の第1伝熱管1に接合された蓋8の上面には、第2連通穴4aが貫通して形成されており、第2ポート4は、この蓋8の上面の第2連通穴4aに連通している。ここで、図3で示されるように、第2連通穴4aに連通する部分には封止材8aが存在しており、この封止材8aには第2連通穴4aと連通するように封止材連通穴8bが貫通して形成されている。この封止材連通穴8bは、さらに、蓋8の下面に貫通して形成された第2連通穴4aとも連通している。また、この第1伝熱管1の直下の第2伝熱管2に接合された蓋8の上面及び下面には、第2連通穴4bが貫通して形成されており、この第2伝熱管2の直上の第1伝熱管1に接合された蓋8の下面の第2連通穴4aは、このうち第2伝熱管2に接合された蓋8の上面の第2連通穴4bを介して、第2冷媒流路2aに連通している。さらに、第2伝熱管2の下面に形成された第2連通穴4bは、その第2伝熱管2の直下の第1伝熱管1に接合された蓋8の上面に貫通して形成された第2連通穴4aに連通している。ここで、上記と同様に、この第2連通穴4aと連通する部分には封止材8aが存在しており、この封止材8aにはこの第2連通穴4aと連通するように封止材連通穴8bが貫通して形成されている。この封止材連通穴8bは、さらに、蓋8の下面に貫通して形成された第2連通穴4aとも連通している。また、この第1伝熱管1の直下の第2伝熱管2に接合された蓋8の上面及び下面には、第2連通穴4bが貫通して形成されており、この第2伝熱管2の直上の第1伝熱管1に接合された蓋8の下面の第2連通穴4aは、このうち第2伝熱管2に接合された蓋8の上面の第2連通穴4bを介して、第2冷媒流路2aに連通している。
すなわち、第2ポート4は、最上段の第1伝熱管1の直下の第2伝熱管2の第2冷媒流路2aに連通しており、さらにこの第2冷媒流路2aは、その直下の第1伝熱管1を介して、さらにその下の第2伝熱管2の第2冷媒流路2aに連通している。以下、同様の構造を取り、第2ポート4及び各第2伝熱管2の第2冷媒流路2aは連通した構造を有し、第1伝熱管1の第1冷媒流路1aとは、蓋8の封止材8aによって遮断された構造を有している。ただし、第1伝熱管1及び第2伝熱管2の積層構造の最下段の第2伝熱管2(図2(b)における最下段の伝熱管)に接合された蓋8においては、その上面のみ第2連通穴4bが形成されている。このような構造によって、2つの第2ポート4のうち一方から流入した冷媒(以下、第2冷媒という)は、積層構造のうち各第2伝熱管2の第2冷媒流路2aを流通して、他方の第2ポート4から流出する。
なお、図2で示されるように、それぞれ4つの第1伝熱管1及び第2伝熱管2が交互に積層される構造としているが、これに限定されるものではなく、それぞれ4つ以外の個数の第1伝熱管1及び第2伝熱管2が交互に積層される構造としてもよい。
また、積層される第1伝熱管1及び第2伝熱管2の個数は同数に限定されるものではなく、例えば、第1伝熱管1の個数が、第2伝熱管2の個数よりも1つ少なく、又は、1つ多い積層構造としてもよい。
また、図1及び図2で示されるように、第1伝熱管1及び第2伝熱管2が交互に積層される構造としているが、これに限定されるものではなく、必ずしも交互に積層されなくてもよい。
また、図2(b)で示されるように、第1伝熱管1及び第2伝熱管2それぞれに、断面が矩形状の第1冷媒流路1a及び第2冷媒流路2aを形成しているものとしているが、これに限定されるものではなく、例えば、楕円状等のその他の形状としてもよい。
また、図3で示されるように、封止材8aを矩形状としているが、これに限定されるものではなく、封止材連通穴8bを形成することができる範囲で、異なる形状としてもよい。
また、図1及び図2で示されるように、第1伝熱管1及び第2伝熱管2の平面形状は長方形としているが、これに限定されるものではなく、例えば、長方形の四隅をR形状としてもよく、平行四辺形等としてもよく、あるいは、ヒートポンプシステム等に搭載される位置によって形状を適宜変更するものとしてもよい。
また、図2で示されるように、第1伝熱管1に接合された蓋8に形成された第1連通穴3a、第2伝熱管2に接合された蓋8に形成された第1連通穴3b、及び、封止材8aの封止材連通穴8bは、同一径、かつ、積層方向に同心状に形成されているが、これに限定されるものではなく、同一径ではなく、あるいは、積層方向に同心状でないように形成されてもよく、各第1伝熱管1の第1冷媒流路1aが連通されるように形成されるものとすればよい。同様に、第1伝熱管1に接合された蓋8に形成された第2連通穴4a、第2伝熱管2に接合された蓋8に形成された第2連通穴4b、及び、封止材8aの封止材連通穴8bは、同一径、かつ、積層方向に同心状に形成されているが、これに限定されるものではなく、同一径ではなく、あるいは、積層方向に同心状でないように形成されてもよく、各第2伝熱管2の第2冷媒流路2aが連通されるように形成されるものとすればよい。また、上記の各穴は、円形状に限定されるものでもなく、矩形状等のその他の形状で形成されてもよい。
(熱交換器10の製造方法)
図4は、本発明の実施の形態1に係る積層型熱交換器である熱交換器10の要部断面図であり、図5は、同熱交換器10の製造方法を示す図である。
図1及び図2で示される本実施の形態の熱交換器10の第1伝熱管1及び第2伝熱管2は、熱伝導性の良い材質、例えば、アルミ合金、銅又はステンレス等によって構成され、平板をロール成形等で曲げた後、この平板の両端部である継ぎ目を電縫(溶接)して形成したり、円筒をロール成形若しくはプレス成形したり、又は、押し出し成形若しくは引き抜き成形したりすることによって製造される。この、第1伝熱管1及び第2伝熱管2は、図4で示されるように、交互に積層され、互いの当接面において、アルミ−シリコン系等のろう材21によってろう付けされて積層構造が形成される。
なお、第1伝熱管1及び第2伝熱管2は、交互に積層して、互いの当接面においてろう材21によってろう付けした積層構造である伝熱部の製造方法について説明したが、これに限定されるものではない。すなわち、一体押し出し成形、又は、一体引き抜き成形等により成形された一体型の伝熱部としてもよい。
また、蓋8は、熱伝導性の良い材質、例えば、アルミ合金、銅又はステンレス等によって構成され、蓋8と封止材8aとは別部品として構成、又は、鋳造等の一体成型品若しくは切削等の加工品として構成される。また、第1伝熱管1の両端である第1伝熱管端部5、及び、第2伝熱管2の両端である第2伝熱管端部6には、蓋8の蓋穴形状部8cに挿入できるように、第1伝熱管1又は第2伝熱管2の扁平管の断面面積よりも小さくなるように切削して凸形状となるように蓋装着部9aが形成されている。一方、蓋8には、第1伝熱管1又は第2伝熱管2の蓋装着部9aが挿入できるように、蓋装着部9aの断面面積と略同一となるように蓋穴形状部8cの内壁面を切削して凹形状となるように伝熱管装着部9bが形成されている。さらに、図2及び図3において前述した、第1ポート3及び積層された第1伝熱管1の第1冷媒流路1aが連通する構造、並びに、第2ポート4及び積層された第2伝熱管2の第2冷媒流路2aが連通する構造となるように、第1連通穴3a、3b、第2連通穴4a、4b、及び、封止材連通穴8bが貫通して形成される。具体的には、第1伝熱管1に接合される蓋8には、第1連通穴3a及び第2連通穴4a並びに封止材連通穴8bが形成され、第2伝熱管2に接合される蓋8には、第1連通穴3b及び第2連通穴4b並びに封止材連通穴8bが形成される。以上のように形成された蓋8の伝熱管装着部9bに、第1伝熱管1及び第2伝熱管2に形成された蓋装着部9aを挿入して嵌合し、蓋装着部9aと伝熱管装着部9bとの当接面、及び、蓋8と、第1伝熱管端部5及び第2伝熱管端部6との当接面をろう材21によってろう付けして、蓋8が第1伝熱管1及び第2伝熱管2に接合される。
これによって、第1伝熱管端部5及び第2伝熱管端部6から冷媒が漏洩することがない。また、封止材8aが蓋穴形状部8c内に設置されることによって、第1冷媒流路1aと第2冷媒流路2aとは、連通することがなく、第1冷媒流路1aを流通する第1冷媒と、第2冷媒流路2aを流通する第2冷媒とが混合されてしまうこともない。
また、図5(c)で示されるように、第1伝熱管1及び第2伝熱管2の積層構造の最上段の伝熱管である第1伝熱管1に接合された蓋8の上面には、管状の第1ポート3及び第2ポート4が、それぞれ2つずつ、ろう材(図示せず)によってろう付けされて設置される。そして、前述したように、第1ポート3は、すべての第1伝熱管1の第1冷媒流路1aに連通するように構成され、そして、第2ポート4は、すべての第2伝熱管2の第2冷媒流路2aに連通するように構成される。

以上のような方法によって、積層型熱交換器である熱交換器10が構成される。
なお、第1伝熱管1及び第2伝熱管2の蓋装着部9aを凸形状とし、蓋8の伝熱管装着部9bを凹形状としたが、これに限定されるものではない。すなわち、蓋装着部9aとして凹形状を形成し、伝熱管装着部9bとして凸形状として、蓋装着部9aに伝熱管装着部9bを挿入して嵌合させる構成としてもよい。
(熱交換器10の熱交換動作)
本実施の形態に係る積層型熱交換器である熱交換器10は、温熱又は冷熱を利用するヒートポンプシステムに搭載される。例えば、温熱を利用する動作の場合、冷媒回路から流れてきた高温の第1冷媒は、一方の第1ポート3から熱交換器10内に流入して、各第1伝熱管1の第1冷媒流路1aを流通し、他方の第1ポート3から流出する。また、利用側回路から流れてきた第2冷媒は、一方の第2ポート4から熱交換器10内に流入して、各第2伝熱管2の第2冷媒流路2aを流通し、他方の第2ポート4から流出する。このとき、第1冷媒及び第2冷媒は、それぞれ第1伝熱管1の第1冷媒流路1a、及び、第2伝熱管2の第2冷媒流路2aを対向流又は平行流となるように流れて、第1伝熱管1及び第2伝熱管2の壁面を介して、互いに熱交換が実施される。
なお、本実施の形態に係る熱交換器10において、第1伝熱管1の第1冷媒流路1aの流路面積、及び、第2伝熱管2の第2冷媒流路2aの流路面積は、必ずしも同一である必要はない。第1冷媒と第2冷媒との間に、比熱若しくは密度等の熱物性値、流量、圧力条件、又は、流体の清浄度等について差がある場合には、第1冷媒流路1aと第2冷媒流路2aとで流路面積を異なるようにしてもよい。例えば、第1冷媒として二酸化炭素又はフロン系の冷媒を用いて、第2冷媒として十分には水質管理されていない水道水等を用いる場合には、熱交換性能を向上するために、あるいは、冷媒流路内面へのスケール付着による圧力損失の増大を抑制するために、冷媒流路面積は、第2冷媒流路2aの流路面積を第1冷媒流路1aの流路面積より大きくするとよい。
(実施の形態1の効果)
特許文献1に記載されている熱交換器は、各伝熱管へ冷媒を分配するヘッダー管によってデッドスペースを有しており、スペース効率を低下させていたが、上記の構成のように、第1ポート3から各第1伝熱管1の第1冷媒流路1aを連通させ、そして、第2ポート4から各第2伝熱管2の第2冷媒流路2aを連通させることによって、ヘッダー管を不要とすることができ、デッドスペースをなくすことができ、熱交換器10全体をコンパクトにすることができる。
また、特許文献1に記載されている熱交換器は、ヘッダー管に接合された伝熱管を曲げ加工する必要があるが、本実施の形態に係る熱交換器10における伝熱管(第1伝熱管1及び第2伝熱管2)については、そのような曲げ加工を実施する必要がなく、蓋8に穴加工を施すのみでよいので、工作性に優れている。
また、第1伝熱管1及び第2伝熱管2を交互に積層することによって、第1冷媒と第2冷媒との熱交換効率を向上させることができる。さらに、第1伝熱管1及び第2伝熱管2を、その冷媒流路の冷媒の流通方向、及び、冷媒流路の幅方向において略同一の長さとすることによって、第1冷媒と第2冷媒との熱交換をさらに効果的に実施することができ、かつ、熱交換器10全体をコンパクトにすることができる。
また、熱交換器10の積層構造の最上段の伝熱管(図1及び図2においては、第1伝熱管1)に接合された蓋8の上面において、2つの第1ポート3及び第2ポート4をそれぞれ、対角となる位置、かつ、伝熱管における冷媒流路の端部である蓋8に備えているので、各第1冷媒流路1a及び各第2冷媒流路2aにおける冷媒が流れる流路長を略最長にすることができ、第1冷媒と第2冷媒との熱交換効率をさらに向上させることができる。
ただし、第1ポート3及び第2ポート4を上記の位置に設置することに限定するものではなく、ヒートポンプシステム等における熱交換器10の搭載位置によって、第1ポート3及び第2ポート4の位置を適宜変更するものとしてもよい。
さらに、図1及び図2で示されるように、それぞれ2つの第1ポート3及び第2ポート4は、熱交換器10の積層構造の最上段の伝熱管に接合された蓋8の上面に設置される構成としているが、これについても限定されるものではない。例えば、2つの第1ポート3のうち一方を積層構造の最上段の伝熱管に接合された蓋8の上面に設置し、他方を積層構造を最下段の伝熱管に接合された蓋8の下面に設置するものとしてもよい。これについては、2つの第2ポート4についても同様である。また、第1ポート3及び第2ポート4を同一面に設置するものとしなくてもよい。例えば、2つの第1ポート3を積層構造の最上段の伝熱管に接合された蓋8の上面に設置し、そして、2つの第2ポート4を積層構造の最下段の伝熱管に接合された蓋8の下面に設置するものとしてもよい。
また、蓋8の蓋穴形状部8c内部に封止材8aを設置し、前述のように、第1連通穴3a、3b、及び、第2連通穴4a、4bを形成することによって、第1冷媒流路1aと第2冷媒流路2aとは、遮断されて連通することがなく、第1冷媒流路1aを流通する第1冷媒と、第2冷媒流路2aを流通する第2冷媒とが混合されることを防止することができる。
さらに、第1伝熱管1及び第2伝熱管2側においては蓋装着部9aを形成し、蓋8側には伝熱管装着部9bを形成し、蓋装着部9aを伝熱管装着部9bに挿入させる構成としたので、蓋8を第1伝熱管1及び第2伝熱管2に接合させるために位置決めしやすくなるという利点がある。
実施の形態2.
図6は、本発明の実施の形態2に係る積層型熱交換器の伝熱管の断面図である。以下、図6を参照しながら、本実施の形態に係る積層型熱交換器の伝熱管の構成について説明する。
図6(a)〜図6(e)で示される伝熱管は何れもその断面が扁平形状を呈している。図6(a)で示される伝熱管14aは、その断面を長方形状とし、その内部の冷媒流路の断面形状も長方形状となっている。また、図6(b)で示される伝熱管14bは、その断面が長手方向における両端部をR形状とし、その内部の冷媒流路の断面形状も同様の形状となっている。この伝熱管14a及び伝熱管14bはいずれも上面及び下面が平面となっており、積層構造とする場合に、互いに密着して接合することができるので、熱交換効率を向上させることができる。
また、図6(c)で示される伝熱管14cは、その断面が長手方向における両端部をR形状とし、その内部の冷媒流路の断面形状も同様の形状となっている。ただし、伝熱管14bとは異なり、その冷媒流路である内壁面には、伝熱管14cの一方の開口部から他方の開口部に向かう方向に、直線状の溝15が複数形成されている。この溝15が形成されることによって、伝熱管14cの内壁面の面積が増大し、隣接した伝熱管に流れる冷媒との熱交換効率を向上させることができる。また、前述したように、溝15の方向を伝熱管14cの一方の開口部から他方の開口部に向かう方向となるようにすることによって、冷媒の圧力損失を低減することができる。また、前述した、伝熱管14a及び伝熱管14bの効果も有することは言うまでもない。
なお、前述したように、伝熱管14cの冷媒流路の内壁面には、一方の開口部から他方の開口部に向かう方向に、溝15が形成されているものとしたが、これに限定されるものではなく、例えば、溝15は、波線状又は斜線状に形成されるものとしてもよい。これによって、伝熱管14cの内壁面の面積が増大し、隣接した伝熱管に流れる冷媒との熱交換効率を向上させることができると共に、冷媒の流れに乱流を発生させることができ、熱交換効率を向上させることができる。
また、図6(d)で示される伝熱管14dは、その断面が長手方向における両端部をR形状とし、その内部の冷媒流路の断面形状も同様の形状となっている。ただし、伝熱管14bとは異なり、その内部である冷媒流路に波形プレート16を挿入している。また、この波形プレート16の波形状における稜線方向が、伝熱管14dの一方の開口部から他方の開口部に向かう方向となるように、波形プレート16を設置している。また、波形プレート16の波形状における各凸部は、伝熱管14dの内壁面に当接している。この波形プレート16を挿入することによって、冷媒流路を流通する冷媒が内壁面に接することに加え、波形プレート16にも接することによって、その波形プレート16を介して内壁面に温熱又は冷熱が伝達するので、伝熱管14cのように内壁面の面積が増大したことによる効果と同様の効果、すなわち、隣接した伝熱管に流れる冷媒との熱交換効率が向上する効果を有する。また、前述した、伝熱管14a及び伝熱管14bの効果も有することは言うまでもない。
そして、図6(e)で示される伝熱管14eは、その断面が長手方向における両端部をR形状とし、その内部の冷媒流路を長手方向に分割した扁平多穴管形状となっている。このように、扁平多穴管形状とすることによって、冷媒の伝熱管の内壁面に接する面積が増大するので、隣接した伝熱管に流れる冷媒との熱交換効率を向上させることができる。また、前述した、伝熱管14a及び伝熱管14bの効果も有することは言うまでもない。
以上の図6で示される伝熱管14a〜伝熱管14eのいずれかを、実施の形態1に係る熱交換器10における第1伝熱管1及び第2伝熱管2として適用するものとし、これによって、以下のような効果を得ることができる。
なお、実施の形態1に係る熱交換器10における第1伝熱管1及び第2伝熱管2として適用する場合に、伝熱管14a〜伝熱管14eのいずれか一つを適用することに限定するものではなく、組み合わせて適用するものとしてもよい。
(実施の形態2の効果)
図6で示される伝熱管14a〜伝熱管14eは、いずれも上面及び下面が平面となっており、積層構造とする場合に、互いに密着して接合することができるので、熱交換効率を向上させることができる。
また、図6(c)で示されるように、伝熱管14cの冷媒流路の内壁面に溝15が形成されることによって、伝熱管14cの内壁面の面積が増大し、隣接した伝熱管に流れる冷媒との熱交換効率を向上させることができる。また、この溝15の方向を伝熱管14cの一方の開口部から他方の開口部に向かう方向となるようにすることによって、冷媒の圧力損失を低減することができる。また、溝15を波線状又は斜線状に形成されるものとした場合、伝熱管14cの内壁面の面積が増大し、隣接した伝熱管に流れる冷媒との熱交換効率を向上させることができると共に、冷媒の流れに乱流を発生させることができ、熱交換効率を向上させることができる。
また、図6(d)で示されるように、伝熱管14dの内部である冷媒流路に波形プレート16を挿入することによって、冷媒流路を流通する冷媒が内壁面に接することに加え、波形プレート16にも接することによって、その波形プレート16を介して内壁面に温熱又は冷熱が伝達するので、隣接した伝熱管に流れる冷媒との熱交換効率が向上する効果を有する。
さらに、図6(e)で示されるように、扁平多穴管形状とすることによって、冷媒の伝熱管の内壁面に接する面積が増大するので、隣接した伝熱管に流れる冷媒との熱交換効率を向上させることができる。
実施の形態3.
(ヒートポンプシステムの構成)
図7は、本発明の実施の形態3に係る熱交換器の温熱を利用したヒートポンプシステムの構成図である。以下、図7を参照しながら、第1冷媒と第2冷媒との熱交換を実施する積層型熱交換器としての実施の形態1に係る熱交換器10を搭載した構成について説明する。
図7で示されるように、本実施の形態に係るヒートポンプシステムは、第1冷媒が流通する第1冷媒回路100、第2冷媒が流通する第2冷媒回路101、及び、第1冷媒と第2冷媒との熱交換を実施する熱交換器10を備えた構成となっている。
第1冷媒回路100は、圧縮機31、熱交換器10、膨張弁33及び室外熱交換器34が順に冷媒配管によって接続されて構成されている。また、室外熱交換器34の近傍には、室外熱交換器34に外気を送り、その外気と室外熱交換器34内を流通する第1冷媒との熱交換を実施させるためのファン39が設置されている。この第1冷媒回路100には、第1冷媒として、例えば、R410A、その他のフロン系冷媒、又は、二酸化炭素若しくは炭化水素等の自然冷媒等を用いるものとすればよい。
第2冷媒回路101は、ポンプ36、利用側熱交換器35及び熱交換器10が順に冷媒配管によって接続されて構成されている。このうち、利用側熱交換器35は、ラジエーター又は床暖房ヒーター等として用いられる。また、この第2冷媒回路101には、第2冷媒として、例えば、フロン系冷媒、二酸化炭素若しくは炭化水素等の自然冷媒、又は、水道水、蒸留水若しくはブライン等を用いるものとすればよい。
なお、室外熱交換器34は、本発明の「熱源側熱交換器」に相当する。
(ヒートポンプシステムの動作)
次に、図7を参照しながら、本実施の形態に係るヒートポンプシステムの動作について説明する。第1冷媒回路100において、圧縮機31によって圧縮され吐出された高温高圧状態の第1冷媒は、熱交換器10へ流入する。熱交換器10へ流入した第1冷媒は、熱交換器10内部において、この第1冷媒に対して対向流又は平行流となるように流れる第2冷媒と熱交換を実施し、第2冷媒に対して放熱して、熱交換器10から流出する。熱交換器10から流出した第1冷媒は、膨張弁33に流れ込み、この膨張弁33によって膨張及び減圧され、低温低圧の第1冷媒となる。この低温低圧の第1冷媒は、室外熱交換器34に流入し、ファン39の回転駆動によって送られてくる外気と熱交換を実施し、低温低圧のガス状態の第1冷媒となって、室外熱交換器34から流出する。この室外熱交換器34から流出したガス状態の第1冷媒は、圧縮機31に流入し、再び、圧縮される。
一方、第2冷媒回路101において、熱交換器10に流入した第2冷媒は、熱交換器10内部において、この第2冷媒に対して対向流又は平行流となるように流れる第1冷媒と熱交換を実施し、第1冷媒によって加熱され、熱交換器10から流出する。熱交換器10から流出した第2冷媒は、ポンプ36によって第2冷媒回路101を循環し、利用側熱交換器35へ流入する。利用側熱交換器35へ流入した第2冷媒は、外部に放熱し、利用側熱交換器35から流出する。利用側熱交換器35から流出した第2冷媒は、再び、熱交換器10に流入して加熱される。
ここで、第2冷媒回路101を流通する第2冷媒として、水を使用する場合、熱交換器10における第2伝熱管2、第2伝熱管2に接合された蓋8、及び、第2ポート4を耐食性材で形成する等、熱交換器10において水と接液する部分は水に対する耐食性を有するように構成するのが望ましい。
なお、熱交換器10の伝熱管として、実施の形態2における伝熱管14a〜14eを適用したものを利用してもよいのは言うまでもない。
(実施の形態3の効果)
以上の構成のように、第1伝熱管1及び第2伝熱管2の積層構造を有する熱交換器10を搭載することによって、第1冷媒と第2冷媒との熱交換効率を向上させたヒートポンプシステムを得ることができる。
さらに、実施の形態1及び実施の形態2において説明した効果を有するのは言うまでもない。
なお、本実施の形態に係るヒートポンプシステムは、図7で示される構成に限定されるものではなく、例えば、以下の図8〜図10で示されるヒートポンプシステムの構成としてもよい。
まず、図8は、本実施の形態に係るヒートポンプシステムの別形態の構成図であり、図7で示されるヒートポンプシステムと同様に熱交換器の温熱を利用するものである。
図8で示されるヒートポンプシステムは、図7で示されるヒートポンプシステムにおける利用側熱交換器35をタンク38内に設置したものであり、その他の構成は、図7で示されるヒートポンプシステムと同様である。熱交換器10において加熱された第2冷媒が、利用側熱交換器35を流通することによって、タンク38内の水を加熱して取水することができる構成となっている。
この図8で示されるヒートポンプシステム、及び、前述した図7で示されるヒートポンプシステムのように、熱交換器10の温熱を利用して、利用側熱交換器35を暖房動作又は給湯動作に適用することによって、従来のボイラーを熱源とした暖房又は給湯システムと比較して省エネ効果を向上させることができる。
また、図9は、本実施の形態に係るヒートポンプシステムの別形態の構成図であり、熱交換器の冷熱を利用するものである。
図9で示されるヒートポンプシステムは、図7で示されるヒートポンプシステムにおいて、圧縮機31の吸入口と吐出口とを逆にし、第1冷媒回路100における冷媒の流通方向を逆方向となるように構成したものである。また、利用側熱交換器35は、冷房システムを構成するために、空気熱交換器又は冷水パネルとして用いられる。その他の構成は、図7で示されるヒートポンプシステムと同様である。
この図9で示されるヒートポンプシステムにおいては、まず、第1冷媒回路100において、圧縮機31によって圧縮され吐出された高温高圧状態の第1冷媒が、室外熱交換器34へ流入する。室外熱交換器34へ流入した第1冷媒は、ファン39の回転駆動によって送られてくる外気と熱交換を実施し、外気に対して放熱し、室外熱交換器34から流出する。室外熱交換器34から流出した第1冷媒は、膨張弁33に流れ込み、この膨張弁33によって膨張及び減圧され、低温低圧の第1冷媒となる。この低温低圧の第1冷媒は、熱交換器10へ流入し、熱交換器10内部において、この第1冷媒に対して対向流又は平行流となるように流れる第2冷媒と熱交換を実施し、第2冷媒から吸熱して、低温低圧のガス状態の第1冷媒となって、熱交換器10から流出する。この熱交換器10から流出したガス状態の第1冷媒は、圧縮機31に流入し、再び、圧縮される。
そして、第2冷媒回路101において、熱交換器10に流入した第2冷媒は、熱交換器10内部において、この第2冷媒に対して対向流又は平行流となるように流れる第1冷媒と熱交換を実施し、第1冷媒によって冷却され、熱交換器10から流出する。熱交換器10から流出した第2冷媒は、ポンプ36によって第2冷媒回路101を循環し、利用側熱交換器35へ流入する。利用側熱交換器35へ流入した第2冷媒は、外気等を冷却し、利用側熱交換器35から流出する。利用側熱交換器35から流出した第2冷媒は、再び、熱交換器10に流入して冷却される。
なお、この図9で示されるヒートポンプシステムに対して、図8で示されるヒートポンプシステムと同様に、タンク38を設置し、このタンク38に利用側熱交換器35を設置する構成としてもよい。この場合、利用側熱交換器35によってタンク38内の水を冷却して取水する構成とすることができる。
そして、図10は、本実施の形態に係るヒートポンプシステムの別形態の構成図であり、熱交換器による温熱又は冷熱を利用するものである。
図10で示されるヒートポンプシステムは、図7で示されるヒートポンプシステムにおける第1冷媒回路100に四方弁32を追加したものである。具体的には、第1冷媒回路100は、圧縮機31、四方弁32、熱交換器10、膨張弁33、室外熱交換器34、四方弁32、そして、圧縮機31という順に冷媒配管によって接続されたものである。その他の構成は、図9で示されるヒートポンプシステムと同様である。このような構成において、四方弁32の流路を切り替えることによって、図7で示されるヒートポンプシステムのように熱交換器10の温熱を利用し、あるいは、図9で示されるヒートポンプシステムのように熱交換器10の冷熱を利用することができる。
なお、この図10で示されるヒートポンプシステムに対して、図8で示されるヒートポンプシステムと同様に、タンク38を設置し、このタンク38に利用側熱交換器35を設置する構成としてもよい。この場合、四方弁32の流路を切り替えることによって、熱交換器10において加熱された第2冷媒を利用側熱交換器35に流通させてタンク38内の水を加熱して取水することができる構成とし、あるいは、熱交換器10において冷却された第2冷媒を利用側熱交換器35に流通させてタンク38内の水を冷却して取水することができる構成とすることができる。
1 第1伝熱管、1a 第1冷媒流路、2 第2伝熱管、2a 第2冷媒流路、3 第1ポート、3a、3b 第1連通穴、4 第2ポート、4a、4b 第2連通穴、5 第1伝熱管端部、6 第2伝熱管端部、8 蓋、8a 封止材、8b 封止材連通穴、8c 蓋穴形状部、9a 蓋装着部、9b 伝熱管装着部、10 熱交換器、14a〜14e 伝熱管、15 溝、16 波形プレート、21 ろう材、31 圧縮機、32 四方弁、33 膨張弁、34 室外熱交換器、35 利用側熱交換器、36 ポンプ、38 タンク、39 ファン、100 第1冷媒回路、101 第2冷媒回路。

Claims (11)

  1. 扁平形状を有し、第1冷媒がその内部の第1冷媒流路を流通する複数の第1伝熱管と、 扁平形状を有し、前記第1伝熱管と共に積層され、前記第1冷媒と温度が異なる第2冷媒がその内部の第2冷媒流路を流通する複数の第2伝熱管と、
    前記各第1伝熱管の前記第1冷媒流路、及び、前記各第2伝熱管の前記第2冷媒流路の冷媒の流通方向の両端部に形成された開口部をそれぞれ閉塞するように、前記各第1伝熱管及び前記各第2伝熱管に接合かつ積層された閉塞手段と、
    前記各第1伝熱管に接合された前記閉塞手段及び前記各第2伝熱管に接合された前記閉塞手段において、前記各第1冷媒流路を互いに連通させ、かつ、前記各第1伝熱管及び前記各第2伝熱管の積層構造における積層方向の両端に位置する前記第1伝熱管又は前記第2伝熱管である2つの最外伝熱管のうちいずれか一方の該最外伝熱管に接合された前記閉塞手段において前記各第1冷媒流路と外部とを連通させるように、貫通して形成された第1連通穴と、
    前記各第1伝熱管に接合された前記閉塞手段及び前記各第2伝熱管に接合された前記閉塞手段において、前記各第2冷媒流路を互いに連通させ、かつ、2つの前記最外伝熱管のうちいずれか一方の該最外伝熱管に接合された前記閉塞手段において前記各第2冷媒流路と外部とを連通させるように、貫通して形成された第2連通穴と、
    前記各第2伝熱管に接合された前記閉塞手段に形成された前記第1連通穴が、前記第2冷媒流路に連通しないように遮断する第1遮断手段と、
    前記各第1伝熱管に接合された前記閉塞手段に形成された前記第2連通穴が、前記第1冷媒流路に連通しないように遮断する第2遮断手段と、
    を備え、
    前記第1連通穴は、2組形成され、
    前記第2連通穴は、2組形成され、
    前記最外伝熱管に接合された前記閉塞手段に形成され、前記各第1冷媒流路と外部とを連通させる2つの前記第1連通穴は、それぞれ前記第1冷媒の流入口及び流出口として機能し、
    前記最外伝熱管に接合された前記閉塞手段に形成され、前記各第2冷媒流路と外部とを連通させる2つの前記第2連通穴は、それぞれ前記第2冷媒の流入口及び流出口として機能する
    ことを特徴とする積層型熱交換器。
  2. 前記各第1伝熱管及び前記各第2伝熱管は、交互に当接して積層されて、前記積層構造が構成された
    ことを特徴とする請求項1記載の積層型熱交換器。
  3. 前記積層構造は、一体型に成形された
    ことを特徴とする請求項1又は請求項2記載の積層型熱交換器。
  4. 前記閉塞手段は、前記第1冷媒流路又は前記第2冷媒流路と連通する穴形状部、及び、該穴形状部内に設けられ、連通穴が貫通して形成された封止材を有し、
    前記第1遮断手段は、前記第2伝熱管に接合された前記閉塞手段の前記封止材によって構成され、該各封止材の前記連通穴は、前記第1連通穴と連通し、
    前記第2遮断手段は、前記第1伝熱管に接合された前記閉塞手段の前記封止材によって構成され、該各封止材の前記連通穴は、前記第2連通穴と連通した
    ことを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の積層型熱交換器。
  5. 前記第1伝熱管及び前記第2伝熱管の両端部、又は、前記閉塞手段の前記穴形状部の開口部のいずれか一方を凸形状となるように形成し、他方を凹形状となるように形成し、前記凸形状部分を前記凹形状部分に挿入して嵌合させることによって、前記閉塞手段がそれぞれ前記第1伝熱管及び前記第2伝熱管に接合された
    ことを特徴とする請求項4記載の積層型熱交換器。
  6. 2組の前記第1連通穴及び2組の前記第2連通穴は、前記積層構造の積層方向から見て、それぞれ、前記第1伝熱管又は前記第2伝熱管、及び、それに接合された前記閉塞手段で構成された平面の対角となる位置に形成された
    ことを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載の積層型熱交換器。
  7. 前記各第1伝熱管及び前記各第2伝熱管の断面形状が、長方形状、扁平多穴管形状、又は、断面の長手方向における両端部をR形状としたもののうち少なくともいずれかである ことを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれか一項に記載の積層型熱交換器。
  8. 複数の前記第1伝熱管のうち少なくともいずれかの前記第1冷媒流路、及び/又は、複数の前記第2伝熱管のうち少なくともいずれかの前記第2冷媒流路は、その内壁面に複数の溝を有した
    ことを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれか一項に記載の積層型熱交換器。
  9. 複数の前記第1伝熱管のうち少なくともいずれかの前記第1冷媒流路、及び/又は、複数の前記第2伝熱管のうち少なくともいずれかの前記第2冷媒流路には、波形プレートが設置され、
    該波形プレートは、その波形状の稜線方向が前記第1冷媒流路又は前記第2冷媒流路の冷媒の流通方向と同一であり、前記波形状における各凸部が前記第1冷媒流路又は前記第2冷媒流路の内壁面に当接した
    ことを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれか一項に記載の積層型熱交換器。
  10. 圧縮機、請求項1〜請求項9のいずれか一項に記載の積層型熱交換器、膨張装置及び熱源側熱交換器が冷媒配管によって接続された冷媒回路によって構成され、前記第1冷媒が流通する第1冷媒回路と、
    ポンプ、利用側熱交換器及び前記積層型熱交換器が冷媒配管によって接続された冷媒回路によって構成され、前記第2冷媒が流通する第2冷媒回路と、
    を備えたヒートポンプシステム。
  11. 複数の前記第1伝熱管と複数の前記第2伝熱管を交互にろう付けして前記積層構造を形成する工程と、
    前記各第1伝熱管の前記第1冷媒流路、及び、前記各第2伝熱管の前記第2冷媒流路の冷媒の流通方向の両端部に形成された前記開口部を閉塞する前記閉塞手段を接合する工程と、
    前記閉塞手段に、2組の前記第1連通穴、及び、2組の前記第2連通穴を貫通して形成する工程と、
    を有した
    ことを特徴とする請求項1〜請求項10のいずれか一項に記載の積層型熱交換器の製造方法。
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