JP6803061B2 - 熱交換器 - Google Patents

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Description

本発明は、吸熱部が平坦な形状を有している冷凍機と組み合わせるのに好適な熱交換器に関する。
ツインバード工業株式会社が、極めて高性能なスターリング冷凍機を開発し、販売している（商品名：スターリングクーラー、型番：ＳＣ−ＵＥ１５Ｒ）。このスターリング冷凍機は、特許文献１に開示されたスターリングサイクル機関を採用し、図８に示すように吸熱部が平坦な円板形状を有している。
本件発明者は、特許文献２に開示された冷却水素供給ステーションにおける冷凍機ユニットに、前掲のスターリング冷凍機を採用することについて検討してきた。
特開２０１３−０６８３６２ 特開２０１５−１２７５６４
前述の通り、前掲のスターリング冷凍機は、図８に示すように吸熱部が平坦な円板形状を有している。このような吸熱部と冷媒とを効率良く熱交換させる熱交換器が、残念ながら存在していなかった。
本件発明者は、当初、図９に示すように、ラビリンス状の冷媒流路が形成された熱交換器を試作して、検討を続けてきた。
本件発明者によれば、このような複雑な経路を辿る冷媒流路は、高い熱交換性能を発揮することが検証された。しかしながら、経路が複雑であるがために、冷媒の圧力損失が高く、すなわち、冷媒を循環するための駆動エネルギが高くなってしまうという問題を知見した。
実際に、図９に示す冷媒流路のパターン（溝の幅：３．２ｍｍ、溝の深さ：８．０ｍｍ）では、１９２Ｗという高い熱交換性能を発揮する一方で、３９４ｋＰａもの圧力損失を生じさせてしまった。
本発明は、以上の知見に基づいて創案されたものである。本発明の目的は、吸熱部が平坦な形状を有している冷凍機と組み合わせるのに好適な熱交換器であって、高い熱交換性能を発揮する一方、冷媒の圧力損失をも抑制することができる熱交換器を提供することである。
本発明は、平担な底部を有すると共に、内部に冷媒用流路が形成されたプレート部材と、前記プレート部材を覆うプレートカバーと、を備え、前記プレートカバーには、前記プレート部材の前記冷媒用流路の一側領域に連通する冷媒入口と、前記プレート部材の前記冷媒用流路の他側領域に連通する冷媒出口と、が設けられており、前記冷媒用流路は、前記冷媒入口が連通する前記一側領域と前記冷媒出口が連通する前記他側領域とを結ぶ直線に近い領域よりも、前記冷媒入口が連通する前記一側領域と前記冷媒出口が連通する前記他側領域とを結ぶ直線から遠い領域において、配置密度が高くなっており、前記冷媒用流路は、平面視で斜め格子状のパターンを含んでおり、前記斜め格子状のパターンの溝要素は、各溝要素の延伸方向に垂直な幅が一定であり、前記冷媒用流路の配置密度は、前記斜め格子状のパターンの溝要素の配置密度に依存していることを特徴とする熱交換器である。
本発明によれば、冷媒入口が連通する一側領域と冷媒出口が連通する他側領域とを結ぶ直線に近い領域よりも、冷媒入口が連通する一側領域と冷媒出口が連通する他側領域とを結ぶ直線から遠い領域において、冷媒用流路の配置密度が高くなっていることにより、冷媒入口が連通する一側領域から冷媒出口が連通する他側領域に至る各経路をバランスよく冷媒が流れることができ、熱交換器全体としての圧力損失を効果的に抑制することができる。
また、本発明によれば、前記冷媒用流路は、平面視で斜め格子状のパターンを含んでいる。
これにより、高い熱交換性能を発揮することが容易であるし、また、冷媒用流路の配置密度の高低に関する設計ないし製造が容易である。
更に、本発明によれば、前記斜め格子状のパターンの溝要素は、各溝要素の延伸方向に垂直な幅が一定である。そのような溝要素は、同一の加工工具を用いて形成され得るので製造が容易であるし、設計も容易である。また、この場合には、冷媒用流路の配置密度は、斜め格子状のパターンの溝要素の配置密度（例えば隣接する溝要素の間の間隔等）に依存することになる。
斜め格子状のパターンを採用した本件発明者による実際の試作品を用いた検証実験によれば、前記各溝要素の幅は、１．２ｍｍ〜２．０ｍｍであり、前記各溝要素の深さは、５．０ｍｍ〜８．０ｍｍであり、前記プレート部材の厚みは、７．０ｍｍ〜１０．０ｍｍであることが好ましい、という知見が得られている。
前掲のスターリング冷凍機は、図８に示すように吸熱部が平坦な円板形状を有しているため、本発明の熱交換器のプレート部材（の底部）も、平面視で円板状の形状を有していることが好ましい。この場合、更に、前記冷媒入口が連通する前記一側領域と前記冷媒出口が連通する前記他側領域とを結ぶ直線は、前記プレート部材の直径方向に延びていることが好ましい。また、この場合、更に、前記冷媒用流路は、前記プレート部材の中心に近い領域よりも、前記プレート部材の中心から遠い領域において、配置密度が高くなっていることが好ましい。
本発明において、プレート部材とプレートカバーとが別体であることは、製造を容易にするために好ましい態様ではあるが、機能的には必須の要件ではない。すなわち、本発明は、平担な底部を有すると共に、内部に冷媒用流路が形成された熱交換器であって、前記冷媒用流路の一側領域に連通する冷媒入口と、前記冷媒用流路の他側領域に連通する冷媒出口と、が同一方向に突出するように設けられており、前記冷媒用流路は、前記冷媒入口が連通する前記一側領域と前記冷媒出口が連通する前記他側領域とを結ぶ直線に近い領域よりも、前記冷媒入口が連通する前記一側領域と前記冷媒出口が連通する前記他側領域とを結ぶ直線から遠い領域において、配置密度が高くなっており、前記冷媒用流路は、平面視で斜め格子状のパターンを含んでおり、前記斜め格子状のパターンの溝要素は、各溝要素の延伸方向に垂直な幅が一定であり、前記冷媒用流路の配置密度は、前記斜め格子状のパターンの溝要素の配置密度に依存していることを特徴とする熱交換器である。
本発明によれば、冷媒入口が連通する一側領域と冷媒出口が連通する他側領域とを結ぶ直線に近い領域よりも、冷媒入口が連通する一側領域と冷媒出口が連通する他側領域とを結ぶ直線から遠い領域において、冷媒用流路の配置密度が高くなっていることにより、冷媒入口が連通する一側領域から冷媒出口が連通する他側領域に至る各経路をバランスよく冷媒が流れることができ、熱交換器全体としての圧力損失を効果的に抑制することができる。
また、本発明によれば、前記冷媒用流路は、平面視で斜め格子状のパターンを含んでいる。これにより、高い熱交換性能を発揮することが容易であるし、また、冷媒用流路の配置密度の高低に関する設計ないし製造が容易である。
更に、本発明によれば、前記斜め格子状のパターンの溝要素は、各溝要素の延伸方向に垂直な幅が一定である。そのような溝要素は、同一の加工工具を用いて形成され得るので製造が容易であるし、設計も容易である。
本発明の一実施形態に係る熱交換器を冷凍機に組み付けた状態を示す斜視図である。 図１の熱交換器を分解した状態を示す斜視図である。 図１の熱交換器の縦断面図である。 図１の熱交換器のプレート部材の斜視図である。 図１の熱交換器のプレート部材の平面図である。 詳細な寸法例を記載した図１の熱交換器のプレート部材の平面図である。 詳細な寸法例を記載した熱交換器のプレート部材の変形例（変形例３）の平面図である。 スターリング冷凍機の斜視図である。 ラビリンス状の冷媒流路を説明するための平面図である。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る熱交換器１０をスターリング冷凍機５０に組み付けた状態を示す斜視図であり、図２は、熱交換器１０を分解した状態を示す斜視図であり、図３は、熱交換器１０の縦断面図である。
図１乃至図３に示すように、本実施形態に係る熱交換器１０は、平担な底部２１を有すると共に、内部に冷媒用流路２２が形成されたプレート部材２０と、プレート部材２０を覆うプレートカバー３０と、を備えている。プレート部材２０は、アルミ合金製であり、プレートカバー３０は、ステンレス製であるが、アルミ合金製であってもよい。
プレートカバー３０には、プレート部材２０の冷媒用流路２２の一側領域２２ａに連通する冷媒入口３１と、プレート部材２０の冷媒用流路２２の他側領域２２ｂに連通する冷媒出口３２と、が設けられている。
本実施形態のプレート部材２０は、図１乃至図３に示すように、平面視で円板状の形状を有しており、冷媒入口３１が連通する一側領域２２ａと冷媒出口３２が連通する他側領域２２ｂとを結ぶ直線が、プレート部材２０の直径方向に延びている。
また、本実施形態のプレート部材２０では、図１及び図２に示すように、冷媒用流路２２の一側領域２２ａに連通する冷媒入口３１と、冷媒用流路２２の他側領域２２ｂに連通する冷媒出口３２とが、同一方向に突出するように設けられている。
続いて、図４は、本実施形態の熱交換器１０のプレート部材２０の斜視図であり、図５は、本実施形態の熱交換器１０のプレート部材２０の平面図である。また、図６は、詳細な寸法例を記載した本実施形態の熱交換器１０のプレート部材２０の平面図である。
図４乃至図６に示すように、冷媒用流路２２は、冷媒入口３１が連通する一側領域２２ａと冷媒出口３２が連通する他側領域２２ｂとを結ぶ直線に近い領域と比較して、冷媒入口３１が連通する一側領域２２ａと冷媒出口３２が連通する他側領域２２ｂとを結ぶ直線から遠い領域において、配置密度が高くなっている。また、本実施形態では、冷媒用流路２２は、平面視で円板状のプレート部材２０の中心に近い領域よりも、平面視で円板状のプレート部材２０の中心から遠い領域において、配置密度が高くなっている。
これにより、冷媒入口３１が連通する一側領域２２ａから冷媒出口３２が連通する他側領域２２ｂに至る経路の各々を、冷媒がバランスよく流れることができる。このことによって、熱交換器全体としての圧力損失を効果的に抑制することが期待できる。
特に、図４乃至図６に示すように、本実施形態の冷媒用流路２２は、平面視で斜め格子状のパターンを含んでいる。本実施形態の斜め格子状のパターンは、縦横の格子状のパターンが、冷媒入口３１が連通する一側領域２２ａと冷媒出口３２が連通する他側領域２２ｂとを結ぶ直線に対して、４５°傾けられたものである。
このような構成により、高い熱交換性能を発揮することが可能であり、また、冷媒用流路２２の配置密度の高低に関する設計ないし製造も容易である。
更に、本実施形態では、図５に示すように、斜め格子状のパターンの溝要素（流路要素）が、その延伸方向に垂直な幅において一定となっている。このような溝要素（流路要素）は、同一の加工工具を用いて形成され得るので製造が容易であるし、設計も容易である。この場合、冷媒用流路２２の配置密度は、斜め格子状のパターンの溝要素（流路要素）の配置密度（例えば隣接する溝要素の間の間隔等）に依存する。
斜め格子状のパターンを採用した本件発明者による実際の試作品を用いた検証実験によれば、各溝要素の幅は１．２ｍｍ〜２．０ｍｍであって、各溝要素の深さは５．０ｍｍ〜８．０ｍｍであって、プレート部材２０の厚みは７．０ｍｍ〜１０．０ｍｍであることが好ましい。一例として、本実施形態においては、各溝要素の幅は１．５ｍｍであって、各溝要素の深さは６．０ｍｍであって、プレート部材２０の厚みは８．０ｍｍである。
また、隣接する溝要素の中心線同士の間隔は、図６に示すように、中央側から順に、４．５ｍｍ、４．０ｍｍ（×２）、３．５ｍｍ（×１）、３．０ｍｍ（×５）、となっている。
次に、本実施形態の作用について説明する。
本実施形態の性能を評価するために、図１に示すように本実施形態の熱交換器１０がツインバード工業株式会社製のスターリング冷凍機（商品名：スターリングクーラー、型番：ＳＣ−ＵＥ１５Ｒ）の吸熱部に組み付けられて、熱交換性能と冷媒の圧力損失とが評価された。冷媒としては、ショーワ株式会社製のコールドブラインＦＰ−４０（ギ酸カリウム水溶液）が用いられた。
その結果、２０５Ｗという高い熱交換性能を発揮する一方で、圧力損失を３５．６ｋＰａ程度にまで低減させることができた。
（変形例１）
前記実施形態から、各溝要素の深さを５．０ｍｍ、プレート部材２０の厚みを７．０ｍｍ、に低減した場合においても、１９６Ｗという高い熱交換性能を発揮する一方で、圧力損失を４５．４ｋＰａ程度にまで低減させることができた。
（変形例２）
前記実施形態から、逆に、各溝要素の深さを８．０ｍｍ、プレート部材２０の厚みを１０．０ｍｍ、に増大した場合においても、２１９Ｗという高い熱交換性能を発揮する一方で、圧力損失を２５．７ｋＰａ程度にまで低減させることができた。
（変形例３）
前記実施形態から、各溝要素の幅を２．０ｍｍ、に増大した場合においても、１８０Ｗという高い熱交換性能を発揮する一方で、圧力損失を３０．７ｋＰａ程度にまで低減させることができた。なお、この場合の隣接する溝要素の中心線同士の間隔は、図７に示すように、中央側から順に、５．０ｍｍ、５．０ｍｍ（×１）、４．５ｍｍ（×１）、４．０ｍｍ（×１）、３．５ｍｍ（×４）であった。
（作用効果の纏め）
以上の通り、本実施形態及びその変形例によれば、冷媒入口３１が連通する一側領域２２ａから冷媒出口３２が連通する他側領域２２ｂに至る各経路をバランスよく冷媒が流れることができ、熱交換器１０全体としての圧力損失を効果的に抑制することができる。
また、冷媒用流路２２が平面視で斜め格子状のパターンを含んでいることにより、高い熱交換性能を発揮することが容易であるし、また、冷媒用流路２２の配置密度の高低に関する設計ないし製造が容易である。
また、斜め格子状のパターンの溝要素は、各溝要素の延伸方向に垂直な幅が一定とされており、同一の加工工具を用いて形成され得るので製造が容易であるし、設計も容易である。
なお、プレート部材２０とプレートカバー３０とが別体であることは、製造を容易にするために好ましい態様ではあるが、機能的には必須の要件ではない。
１０ 熱交換器
２０ プレート部材
２１ 底部
２２ 冷媒用流路
２２ａ 一側領域
２２ｂ 他側領域
３０ プレートカバー
３１ 冷媒入口
３２ 冷媒出口

Claims (8)

  1. 平担な底部を有すると共に、内部に冷媒用流路が形成されたプレート部材と、
    前記プレート部材を覆うプレートカバーと、
    を備え、
    前記プレートカバーには、
    前記プレート部材の前記冷媒用流路の一側領域に連通する冷媒入口と、
    前記プレート部材の前記冷媒用流路の他側領域に連通する冷媒出口と、
    が設けられており、
    前記冷媒用流路は、前記冷媒入口が連通する前記一側領域と前記冷媒出口が連通する前記他側領域とを結ぶ直線に近い領域よりも、前記冷媒入口が連通する前記一側領域と前記冷媒出口が連通する前記他側領域とを結ぶ直線から遠い領域において、配置密度が高くなっており、
    前記冷媒用流路は、平面視で斜め格子状のパターンを含んでおり、
    前記斜め格子状のパターンの溝要素は、各溝要素の延伸方向に垂直な幅が一定であり、
    前記冷媒用流路の配置密度は、前記斜め格子状のパターンの溝要素の配置密度に依存している
    ことを特徴とする熱交換器。
  2. 前記各溝要素の幅は、１．２ｍｍ〜２．０ｍｍであり、
    前記各溝要素の深さは、５．０ｍｍ〜８．０ｍｍであり、
    前記プレート部材の厚みは、７．０ｍｍ〜１０．０ｍｍである
    ことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
  3. 前記プレート部材は、平面視で円板状の形状を有しており、
    前記冷媒入口が連通する前記一側領域と前記冷媒出口が連通する前記他側領域とを結ぶ直線は、前記プレート部材の直径方向に延びている
    ことを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
  4. 前記冷媒用流路は、前記プレート部材の中心に近い領域よりも、前記プレート部材の中心から遠い領域において、配置密度が高くなっている
    ことを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
  5. 平担な底部を有すると共に、内部に冷媒用流路が形成された熱交換器であって、
    前記冷媒用流路の一側領域に連通する冷媒入口と、
    前記冷媒用流路の他側領域に連通する冷媒出口と、
    が同一方向に突出するように設けられており、
    前記冷媒用流路は、前記冷媒入口が連通する前記一側領域と前記冷媒出口が連通する前記他側領域とを結ぶ直線に近い領域よりも、前記冷媒入口が連通する前記一側領域と前記冷媒出口が連通する前記他側領域とを結ぶ直線から遠い領域において、配置密度が高くなっており、
    前記冷媒用流路は、平面視で斜め格子状のパターンを含んでおり、
    前記斜め格子状のパターンの溝要素は、各溝要素の延伸方向に垂直な幅が一定であり、
    前記冷媒用流路の配置密度は、前記斜め格子状のパターンの溝要素の配置密度に依存している
    ことを特徴とする熱交換器。
  6. 前記各溝要素の幅は、１．２ｍｍ〜２．０ｍｍであり、
    前記各溝要素の深さは、５．０ｍｍ〜８．０ｍｍである
    ことを特徴とする請求項５に記載の熱交換器。
  7. 当該熱交換器は、平面視で円板状の形状を有しており、
    前記冷媒入口が連通する前記一側領域と前記冷媒出口が連通する前記他側領域とを結ぶ直線は、前記プレート部材の直径方向に延びている
    ことを特徴とする請求項５または６に記載の熱交換器。
  8. 前記冷媒用流路は、当該熱交換器の中心に近い領域よりも、当該熱交換器の中心から遠い領域において、配置密度が高くなっている
    ことを特徴とする請求項７に記載の熱交換器。
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