JP5858877B2 - 熱交換器 - Google Patents
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Description
なお、以下では暖房システム又は給湯システム用の熱交換器を例として説明を行うが、他の用途に用いられる熱交換器にも適用できることは言うまでもない。また、各図において、同一部材又は同一部分には同一の符号を付している。また、細かい構造については適宜図示を省略している。また、重複する説明については、適宜簡略化又は省略している。
図1は、実施の形態1に係る熱交換器の斜視図を示す。
熱交換器1は、少なくとも伝熱部材2で構成される。伝熱部材2は、例えばアルミニウム材の一体押出成形により製造される。伝熱部材2には、第1の流体が流れる複数の第1流体流路3が1列に設けられた第1流体流路列4と、第1の流体と熱交換する第2の流体が流れる複数の第2流体流路5が少なくとも1列に設けられた第2流体流路列6と、第1の流体と熱交換する第2の流体が流れる複数の第3流体流路7が1列に設けられた第3流体流路列8と、が形成される。第1流体流路列4と第2流体流路列6と第3流体流路列8は、平行でも平行でなくてもよい。第2流体流路列6は、1列でも複数列でもよく、複数列の場合は互いに平行でも平行でなくてもよい(図1では第2流体流路列6が3列の場合を記載しているが、3列に限定されるわけではない。)。また、第2流体流路5と第3流体流路7によって、列と略直交する方向に行が形成される(図1では行が10行の場合を記載しているが、10行に限定されるわけではない。)。また、第2流体流路5と第3流体流路7は、列毎に設けられる数が同一でも異なっていてもよい。第1流体流路列4と第2流体流路列6と第3流体流路列8は、列同士が互いに交差せず、第1流体流路列4、第2流体流路列6、第3流体流路列8の順に並べて設けられる。また、各行は、平行でも平行でなくてもよい。また、行同士は、互いに交差しない。
なお、伝熱部材2の両端部に横穴9が設けられてもよい。横穴9は第2流体流路5及び第3流体流路7に連通し、第2流体流路5及び第3流体流路7と垂直に設けられる。システムの配管に接続するためのチューブを横穴9部分にろう付けして取り付けてもよい。
第1の流体が流れる流体流路に対して異なる距離に第2の流体が流れる流体流路が複数設けられることで、流体流路を広い面積に並べて設ける必要がなくなり、冷媒流量を増加する場合でも伝熱部材を小型化することができる。また、多くの流体流路に分割して第2の流体を流すことで、第2の流体が流れる流体流路の表面と第2の流体が接する表面積が増加して冷媒の受熱が促進され、冷媒流量を増加する場合でも機器の性能低下を抑制することができる。また、多くの流体流路に分割して第2の流体を流すことで、各流体流路の断面積が小さくなり、冷媒流量を増加する場合でも伝熱部材の耐圧強度が低下しない。
また、第2流体流路5と第3流体流路7が、最も近い第1流体流路3からの距離が遠くなるにつれて、同一の列に属する最も近い流体流路との間隔が狭くなるように設けられることで、第1の流体が流れる流体流路と遠くに設けられた第2の流体が流れる流体流路の間の伝熱経路を確保することができ、遠くに設けられた第2の流体が流れる流体流路の熱交換量の低下を抑制することができる。
そして、この関係を熱交換器1に当て嵌めると、フィン幅tは、第2流体流路5及び第3流体流路7で形成される行の間隔、つまり行間の伝熱経路の幅に相当し、フィン高さdは、行間の伝熱経路の行方向での長さに相当し、フィン効率ηは、熱交換の効率に相当する。
つまり、上記関係式に示されるように、行間の伝熱経路の幅が広くなるほど、熱交換の効率は向上するため、熱交換器1のように、行間の伝熱経路、特に第1流体流路3に近い側の伝熱経路の幅を広くすることで熱交換の効率を向上することが可能となる。
また、上記関係式に示されるように、行間の伝熱経路の行方向での長さが長くなるほど、熱交換の効率は低下するが、熱交換器1のように、第2流体流路5と第3流体流路7のそれぞれの行方向での長さを長くした場合、つまり第2流体流路5と第3流体流路7のそれぞれの断面積を大きくした場合には、行間の伝熱経路の表面積Sを大きくすることができ、行間の伝熱経路の行方向での長さが長くなったことに伴う熱交換の効率の低下を補うべく、熱抵抗Rを減少させることが可能となる。
図2に示すように、第2流体流路5と第3流体流路7が、最も近い第1流体流路3からの距離が遠くなるにつれて、断面積が大きくなるように設けられ、第2流体流路5と第3流体流路7が、最も近い第1流体流路3からの距離が遠くなるにつれて、同一の列に属する最も近い流体流路との間隔が狭くなるように設けられ、更に、第2流体流路5が、最も近い第1流体流路3からの距離が遠くなるにつれて、第3流体流路7側に設けられた最も近い流体流路との間隔が広くなるように設けられる。
例えば、図3に示すように、第2流体流路5と第3流体流路7が、最も近い第1流体流路3からの距離が遠くなるにつれて、断面積が大きくなるように設けられることと、第2流体流路5が、最も近い第1流体流路3からの距離が遠くなるにつれて、第3流体流路7側に設けられた最も近い流体流路との間隔が広くなるように設けられることのみを実施した場合でも、遠くに設けられた第2の流体が流れる流体流路の熱交換量の低下を抑制することができる。
図4に示すように、第3流体流路7は、1つでもよい。また、図5に示すように、第1流体流路列4と第2流体流路列6と第3流体流路列8の組は、複数段設けられてもよい(図5では段数が2つの場合を記載しているが、2つに限定されるわけではない。)。また、図6に示すように、第1流体流路列4は、1列でも複数列でもよく、第2流体流路列6と第3流体流路列8は、第1流体流路列4の片側のみに設けられても両側に設けられてもよい(図6では第1流体流路列4が2列の場合を記載しているが、1列又は3列以上でもよい。)。また、第1流体流路3は、複数でも1つでもよい(図1乃至図6では第1流体流路3が5つの場合を記載しているが、5つに限定されるわけではない。)。
図7は、実施の形態1に係る熱交換器をヒートポンプ式暖房システムに適用した例を示す図である。
ヒートポンプ式暖房システム10は、第1の流体が流れる第1流体回路11と第2の流体が流れる第2流体回路12と第1の流体と第2の流体の熱交換を行う熱交換器1とを有する。この例では、第1の流体としてR410A、第2の流体として水を用いる。第1流体回路11は、圧縮機13と膨張弁14と室外熱交換器15とファン16とを有する。第2流体回路12は、ポンプ17と利用側熱交換器18とを有する。なお、流体の種類はこれに限らず、第1の流体として、例えばフロン系冷媒、炭化水素等の自然冷媒、それらの混合物等を用いてもよい。また、第2の流体として、水道水、蒸留水、ブライン等の水を用いてもよい。
ヒートポンプ式給湯システム19は、ヒートポンプ式暖房システム10の構成に加えて、利用側熱交換器18が内部に設けられるタンク20を有する。利用側熱交換器18によってタンク20内の水が加熱され、その水が取水される。
図9は、実施の形態2に係る熱交換器の斜視図である。
実施の形態2に係る熱交換器は、伝熱部材2に設けられた1つの第1流体流路3に対して、第2流体流路列6と第3流体流路列8が円弧状に設けられる。なお、構造や効果や適用例等について、実施の形態1と重複する説明は、適宜省略している。
例えば、図10に示すように、第2流体流路5と第3流体流路7が、第1流体流路3からの距離が遠くなるにつれて、断面積が大きくなるように設けられることと、第2流体流路5が、第1流体流路3からの距離が遠くなるにつれて、第3流体流路7側に設けられた最も近い流体流路との間隔が広くなるように設けられることのみを実施した場合でも、遠くに設けられた第2の流体が流れる流体流路の熱交換量の低下を抑制することができる。
図11に示すように、第3流体流路7は、1つでもよい。また、図12に示すように、第2流体流路列6と第3流体流路列8は、第1流体流路3の略全周を囲っても全周の1領域又は複数領域を囲ってもよい(図12では第1流体流路列4の全周の150°程度が囲まれる場合を記載しているが、150°程度に限定されるわけではない。)。また、図13に示すように、複数の第1流体流路3が1列に設けられて、第1流体流路列4が形成されてもよい(図13では第1流体流路3が3つの場合を記載しているが、3つに限定されるわけではない。)。また、図14に示すように、第1流体流路列4と第2流体流路列6と第3流体流路列8の組は、複数段設けられてもよい(図14では段数が2つの場合を記載しているが、2つに限定されるわけではない。)。また、図15に示すように、第1流体流路列4は、1列でも複数列でもよく(図15では第1流体流路列4が2列の場合を記載しているが、1列又は3列以上でもよい。)、第2流体流路列6と第3流体流路列8は、第1流体流路列4の片側のみに設けられても両側に設けられてもよい。
また、各実施の形態や各変形例を組み合わせることも可能である。
Claims (8)
- 第1の流体が流れる少なくとも一つの第1流体流路と、前記第1の流体と熱交換する第2の流体が流れる複数の第2流体流路が列状に設けられた少なくとも一列の第2流体流路列と、前記第2の流体が流れる少なくとも一つの第3流体流路と、が少なくとも形成された伝熱部材を少なくとも備え、
前記第1流体流路と前記第2流体流路列と前記第3流体流路は、前記第1流体流路、前記第2流体流路列、前記第3流体流路の順に設けられ、
前記第2流体流路と前記第3流体流路は、少なくとも2列の流体流路列を形成し、
前記第1流体流路と前記第2流体流路と前記第3流体流路のうちの列状に設けられた流体流路の列は、互いに交差しないように設けられ、
前記第2流体流路列は、前記第1流体流路の断面中心と前記第3流体流路の断面中心を結ぶ直線と交差するように設けられ、
前記第2流体流路と前記第3流体流路は、前記第1流体流路に近いものほど、断面積が小さくなるように、又は、前記第1流体流路に近いものほど、列状に設けられた流体流路の同一の列に属する最も近い流体流路との間隔が広くなるように、又は、前記第1流体流路に近いものほど、断面積が小さく且つ列状に設けられた流体流路の同一の列に属する最も近い流体流路との間隔が広くなるように、設けられた、
ことを特徴とする熱交換器。 - 前記第2流体流路と前記第3流体流路は、前記第1流体流路に遠い側に設けられた最も近い流体流路との間隔が、前記第1流体流路に近いものほど狭くなるように設けられた、
ことを特徴とする請求項1に記載の熱交換器。 - 前記第2流体流路と前記第3流体流路のうちの列状に設けられた流体流路は、同一の列に属する流体流路が、最も近い前記第1流体流路に対して同一の距離になるように設けられた、
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の熱交換器。 - 前記第1流体流路は、複数であり、列状に設けられて少なくとも一列の第1流体流路列を形成している、
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の熱交換器。 - 前記第2流体流路列と前記第3流体流路は、前記第1流体流路列の片側に設けられた、
ことを特徴とする請求項4に記載の熱交換器。 - 前記第2流体流路列と前記第3流体流路は、前記第1流体流路列の両側に設けられた、
ことを特徴とする請求項4に記載の熱交換器。 - 前記第1流体流路は、一つである、
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の熱交換器。 - 前記第3流体流路は、複数であり、列状に設けられて一列の第3流体流路列を形成している、
ことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一項に記載の熱交換器。
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