(57)【要約】【課題】熱伝達率を向上した第１の導管を備えた熱交換器を提供する。【解決手段】第１冷媒が流れる第１の冷媒流路１ａが形成された導管を備え、第１の冷媒流路１ａは、内周方向の一部が突出した凸部１１ａ、１１ｂが内壁に形成されており、凸部が第１冷媒の流路方向２０に断続的に形成されたことを特徴とする。このような熱交換器では、第１の冷媒流路１ａを流れる第１冷媒の流れが凸部１１ａ、１１ｂに衝突して分断されるので、温度境界層が薄くなる効果が得られ、熱伝達率を向上することが可能となる。【選択図】      図９
2015045455.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１冷媒が流れる第１の冷媒流路が形成された導管を備え、
前記第１の冷媒流路は、内周方向の一部が突出した凸部が内壁に形成されており、前記凸部が前記第１冷媒の流路方向に断続的に形成された熱交換器。
【請求項２】
前記第１の冷媒流路は、前記内周方向に複数の前記凸部を備えたこと
を特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記凸部が、前記流路方向の上流側から下流側に向けて螺旋状に設けられていること
を特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記導管は、前記第１冷媒と熱交換を行う第２冷媒が流れる第２の冷媒流路を更に備え、
前記第２の冷媒流路は、内周方向の一部が突出した凸部が内壁に形成されており、前記凸部が前記第２の冷媒の流路方向に断続的に形成されたこと
を特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、空気以外の低温冷媒と高温冷媒とを熱交換させて高温冷媒から低温冷媒に熱を伝える熱交換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的な熱交換器は、第１冷媒が流れる第１の冷媒流路と、第１冷媒と温度の異なる第２冷媒が流れる第２の冷媒流路とが並列に形成された導管である扁平管を備え、第１冷媒と第２冷媒との間で熱交換させる（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
従来、第１冷媒の流路方向に平行に延在し、第１の冷媒流路の内壁が内側に向けて突出する凸部を設けて伝熱面積を拡大し、熱伝達率を向上する構造が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３４０４８５号公報
【特許文献２】特開昭５８−６４４８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
熱伝達率を向上する方法として、冷媒の温度境界層を薄くすることが効果的であることが知られている。ここで、温度境界層とは、冷媒の温度が急変する領域であり、例えば、第１の冷媒流路を流れる第１冷媒の流路断面において、ほぼ一定の主流温度を保つ中心領域に対し、第１の冷媒流路の内壁に向けて主流温度から第１の冷媒流路の内壁の温度まで急激に変化する領域のことを言う。温度境界層を薄くするためには、第１冷媒の流れが分断され、温度境界層の分断効果を得ることが効果的である。従来の熱交換器では、凸部が流路方向に平行に延在して形成されているため、流路断面の形状が流路方向に一定であった。そのため、伝熱面積拡大の効果は得られるものの、第１冷媒の流れの分断は生じないので、温度境界層を薄くする効果が得られず、熱伝達率の向上が十分でなかった。
【０００６】
この発明は、上述のような問題を解決するためになされたもので、熱伝達率をより向上した第１の冷媒流路を備えた熱交換器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る熱交換器は、第１冷媒が流れる第１の冷媒流路が形成された導管を備え、第１の冷媒流路は、内周方向の一部が突出した凸部が内壁に形成されており、凸部が第１冷媒の流路方向に断続的に形成されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
この発明に係る熱交換器によれば、第１冷媒が流れる第１の冷媒流路が形成された導管を備え、第１の冷媒流路は、内周方向の一部が突出した凸部が内壁に形成されており、凸部が第１冷媒の流路方向に断続的に形成されたため、第１冷媒の流れが分断され、温度境界層が薄くなる効果が得られるので、熱伝達率を向上することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】この発明の実施の形態１に係る熱交換器を示す斜視図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る熱交換器を上面側から見た平面図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る熱交換器を底面側から見た平面図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係る熱交換器の側面図である。
【図５】この発明の実施の形態１に係る熱交換器における第１の冷媒流路の断面図である。
【図６】この発明の実施の形態１に係る熱交換器の第１の冷媒流路の断面において、第１冷媒が流れる領域を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態１に係る熱交換器の下流側における第１の冷媒流路の断面を示す断面図である。
【図８】この発明の実施の形態１に係る熱交換器の第１の冷媒流路の下流側の断面において、第１冷媒が流れる領域を示す図である。
【図９】この発明の実施の形態１に係る熱交換器の第１の冷媒流路の流路方向に沿った断面の一部を示す斜視図である。
【図１０】この発明の実施の形態１に係る熱交換器における第１冷媒パス１と第２冷媒パス２を作成する方法を示す斜視図である。
【図１１】この発明の実施の形態１に係る熱交換器における温度境界層の分断メカニズムを説明するための模式図である。
【図１２】この発明の実施の形態１に係る熱交換器において冷媒が気液２層流体である場合の、凸部周辺の拡大図である。
【図１３】この発明の実施の形態２に係る熱交換器において、第１の冷媒流路の流路方向に沿った断面の一部を示す斜視図である。
【図１４】この発明の実施の形態２に係る熱交換器において、第１凸部が設けられた流路断面における断面図を示す。
【図１５】この発明の実施の形態２に係る熱交換器の上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１．
まず、この発明の実施の形態１における熱交換器の構成を説明する。図１は、この発明の実施の形態１における熱交換器を示す斜視図であり、図２は、この発明の実施の形態１における熱交換器を上面側から見た平面図である。図１に示すように、熱交換器は、第１冷媒が流れる複数の第１の冷媒流路１ａを一列に並べて構成した第１冷媒パス１と、第２冷媒が流れる複数の第２の冷媒流路２ａを一列に並べて構成した第２冷媒パス２が形成されている場合について説明する。
【００１１】
なお、第１の冷媒流路１ａと第２の冷媒流路２ａは所定の間隔を隔てて並列に配置されており、第１冷媒パス１と第２冷媒パス２は並列に配置されている。第１の冷媒流路１ａと第２の冷媒流路２ａとの間の領域を伝熱領域９（図４で示す）と呼ぶ。
【００１２】
本実施の形態では、第１冷媒パス１は図１の点線で囲まれるように複数の第１の冷媒流路１ａから構成されるが、単一の第１の冷媒流路１ａで構成されていても良い。また、本実施の形態では第２冷媒パス２は、図１の一点鎖線で囲まれるように、複数の第２の冷媒流路２ａから構成されるが、単一の第２の冷媒流路２ａで構成されていても良い。
【００１３】
また、本実施の形態の図１においては、第１冷媒パス１は７つの第１の冷媒流路１ａが一列に並んで構成され、第２冷媒パス２は８つの第２の冷媒流路２ａが一列に並んで構成されるが、それぞれの数はこれに限定されない。第１の冷媒流路１ａと第２の冷媒流路２ａの数は同一であっても良いし、第２の冷媒流路２ａの方が少なくても多くても良い。つまり、熱交換器に、第１の冷媒流路１ａを流れる第１冷媒と第２の冷媒流路２ａを流れる第２冷媒とが、熱交換可能なように構成されていれば良く、それぞれの数に制限はない。尚、熱交換器のそれぞれの冷媒の動作条件や物性値にあわせて各冷媒流路数を決定することで、伝熱性能が高く、圧力損失が低い、好適な熱交換器が作成できる。
【００１４】
図１では、第１の冷媒流路１ａの断面の外形は円形であり、第２の冷媒流路２ａの断面の外形は正方形であるが、それぞれこれらに限定されない。第１の冷媒流路１ａと第２の冷媒流路２ａは導管８に形成された貫通穴であれば良く、その断面の外形は円形や楕円形であっても多角形等であっても良い。
【００１５】
第１の冷媒流路１ａと第２の冷媒流路２ａとを構成する熱交換器は、アルミ、アルミニウム合金、銅、銅合金、鉄鋼、ステンレス合金鋼などで構成される。
【００１６】
尚、第１冷媒及び第２冷媒は、液体やフロン系冷媒、二酸化炭素もしくは炭化水素などの自然冷媒等、空気以外の冷媒であり、第１の冷媒流路１ａと第２の冷媒流路２ａとは、外部に第１冷媒や第２冷媒が漏れないように導管８に形成された貫通穴である。
【００１７】
図１において、第１冷媒パス１内を第１冷媒が流れる向きである流路方向２０の上流側に、熱交換器内と外部を接続する第１入口接続管３が設けられている。また、流路方向２０の下流側に、熱交換器内と外部を接続する第１出口接続管４が設けられている。
【００１８】
図１の第１冷媒パス１の両端部である上流側と下流側には、図２に示すように、全ての第１の冷媒流路１ａを連通させる第１入口連通穴３ａ、及び第１出口連通穴４ａが形成されている。つまり、流路方向２０の上流側に第１入口連通穴３ａが設けられ、流路方向２０の下流側に第１出口連通穴４ａが設けられている。
【００１９】
図２における熱交換器の平面図では、分かりやすくするために、第１入口接続管３、第１入口連通穴３ａ、第１の冷媒流路１ａ、第１出口連通穴４ａ、第１出口接続管４の配置を示している。
【００２０】
図２のように、第１入口連通穴３ａは流路方向２０の上流側において、第１冷媒パス１の全ての第１の冷媒流路１ａと連通するように配置され、かつ、第１入口接続管３に接続されている。同様に、第１出口連通穴４ａは流路方向２０の下流側において第１冷媒パス１の全ての第１の冷媒流路１ａと連通するように配置され、かつ、第１出口接続管４に接続されている。
【００２１】
図２に示すように、第１入口連通穴３ａ及び第１出口連通穴４ａの一端はそれぞれ第１入口接続管３及び第１出口接続管４と接続され、他端は、封止穴となっているか、もしくは封止部材により封止されている。また、導管８に第１冷媒流路１ａとして形成された貫通穴は、第１入口連通穴３ａ及び第１出口連通穴４ａより側面側で両端が封止される。
【００２２】
第１冷媒パス１を流れる第１冷媒は、外部から第１入口接続管３を通って導入され、第１入口連通穴３ａの内部を導入方向２１に沿って流れる。第１入口連通穴３ａを流れる第１冷媒は、第１入口連通穴３ａと各第１の冷媒流路１ａとの連通部を通って第１の冷媒流路１ａに流れ込み、第１の冷媒流路１ａの内部を流路方向２０に沿って流れる。第１の冷媒流路１ａの下流側まで流れた第１冷媒は、第１の冷媒流路１ａと第１出口連通穴４ａとの連通部を通って第１出口連通穴４ａに流れ出し、出口方向２２に沿って流れ、第１出口接続管４を通って外部に流れ出す。
【００２３】
図１で示す導入方向２１、流路方向２０、出口方向２２は、第１冷媒パス１を流れる第１冷媒の流れの向きを示している。後述するように、第２冷媒パス２を流れる第２冷媒の向きは、図１で示す第１冷媒の流れと対向する向きとなる。
【００２４】
図３に、本実施の形態に係る熱交換器を底面側から見た平面図を示す。分かりやすくするために、第２入口接続管５、第２入口連通穴５ａ、第２の冷媒流路２ａ、第２出口連通穴６ａ、第２出口接続管６の配置を示している。
【００２５】
図３のように、第２入口連通穴５ａは第２冷媒の流路方向２０の上流側において、第２冷媒パス２の全ての第２の冷媒流路２ａと連通するように配置され、かつ、第２入口接続管５に接続されている。同様に、第２出口連通穴６ａは流路方向２０の下流側において第２冷媒パス２の全ての第２の冷媒流路２ａと連通するように配置され、かつ、第２出口接続管６に接続されている。
【００２６】
図３に示すように、第２入口連通穴５ａ及び第５出口連通穴６ａの一端はそれぞれ第２入口接続管５及び第２出口接続管６と接続され、他端は、封止穴となっているか、もしくは封止部材により封止されている。また、導管８に第２冷媒流路２ａとして形成された貫通穴は、第２入口連通穴５ａ及び第２出口連通穴６ａより側面側で両端が封止される。
【００２７】
本実施の形態では、図２及び図３で示すように、冷媒が流れる流路方向２０は、第１の冷媒流路１ａを流れる第１冷媒と第２の冷媒流路２ａを流れる第２冷媒とで対向の向きになっている。このように、熱交換を行う冷媒同士の流れる向きが対向となっていることで、熱交換効率が向上する。ただし、熱交換効率は低下するが、対向でなく同じ向きであっても良く、本実施の形態の効果は得られる。
【００２８】
また、本実施の形態では第１入口接続管３、第１出口接続管４、第２入口接続管５、第２出口接続管６は熱交換器の１つの側面に設けられているが、これに限らず、上面、底面などに別れて設けられていても良い。また、側面のうちどの側面に設けられていても良い。
【００２９】
図４に、図１の熱交換器において第１入口接続管３、第１出口接続管４、第２入口接続管５、第２出口接続管６が設けられた側面側から見た側面図を示す。図４における流路方向２０は第１冷媒の流れる向きを示している。本実施の形態では、図４において点線で囲まれた領域を伝熱領域９と呼び、第１冷媒流路１ａと第２冷媒流路２ａとに挟まれた領域に相当する。
【００３０】
図４に示すように、第１入口接続管３と第２出口接続管６、及び第１出口接続管４と第２入口接続管５は、熱交換器の流路方向２０に少しずらして形成されている。このようにすれば、各接続管の断面積、つまり各接続管の直径が大きくても、第１の冷媒流路１ａと第２の冷媒流路２ａの間の伝熱領域９の幅を縮めることができるので、熱交換効率を向上することが出来る。すなわち、第１出口接続管４の中心部から第２入口接続管５の中心部間における流路方向２０と垂直な方向の距離は、第１出口接続管４の半径と第２入口接続管５の半径とを足した距離より小さくできるので、第１の冷媒流路１ａと第２の冷媒流路２ａとの距離に相当する伝熱領域９の幅を縮めることができ、熱交換性能を向上することができる。
【００３１】
以上述べたように、図１から図４で説明した本実施の形態に係る熱交換器では、伝熱領域９を介して、第１冷媒と第２冷媒との両流体が対向流で熱交換されている。
【００３２】
次に、第１冷媒パス１を構成する第１の冷媒流路１ａについて説明する。本実施の形態では第１の冷媒流路１ａを例として説明するが、第２の冷媒流路２ａについても、第１の冷媒流路１ａの場合と同様に本実施の形態を適用できることは言うまでもない。また、第１冷媒は第２冷媒より高温であっても良いし、低温であっても良い。
【００３３】
図５に、第１の冷媒流路１ａの断面図を示す。尚、図５は、図４におけるＡＡ断面図に相当する。図５のように、第１の冷媒流路１ａの断面には、第１凸部１１ａが形成されている。つまり、第１の冷媒流路１ａの内壁には、内周方向の一部が内側に突出した第１凸部１１ａが設けられている。ここで、内側とは第１の冷媒流路１ａの流路断面において、中心部に向かう方向を言う。また、図５において、内周方向は矢印で示される方向に相当する。
【００３４】
図５において、流路方向２０は図の奥行き方向であり、点線で示される部分は、第１凸部１１ａよりも流路方向２０の下流側に設けられた第２凸部１１ｂである。本実施の形態では、図５のように第１凸部１１ａが９０度間隔で４ヶ所に設けられており、第２凸部１１ｂが第１凸部１１ａより下流側に、第１凸部１１ａを流路断面の内周方向に４５度回転させた配置で設けられている。
【００３５】
図５で示される第１の冷媒流路１ａの断面において、第１冷媒が流れる領域を図６に示す。図６のように、第１の冷媒流路１ａの流路断面には第１凸部１１ａが設けられている。つまり、第１冷媒が流れる領域は、第１の冷媒流路１ａの内壁の４箇所に凹状の溝が形成された形状となる。
【００３６】
図７に、図５で示される第１の冷媒流路１ａの断面より下流側における断面図を示す。尚、図７は、図４におけるＢＢ断面図に相当する。図７のように、第１の冷媒流路１ａの断面には、第２凸部１１ｂが形成されている。つまり、第１の冷媒流路１ａの内壁には、内側に突出した第２凸部１１ｂが設けられている。
【００３７】
図７において、流路方向２０は図の奥行き方向であり、点線で示される部分は、第２凸部１１ｂよりも流路方向２０の下流側に設けられた第１凸部１１ａである。本実施の形態では、図７のように第２凸部１１ｂが９０度間隔で４ヶ所に設けられており、その下流側にさらに、第１凸部１１ａが第２凸部１１ｂを流路断面の内周方向に４５度回転させた配置で設けられている。図７において、内周方向は矢印で示される方向に相当する。
【００３８】
図８に、図７で示される第１の冷媒流路１ａの流路断面において第１冷媒が流れる領域を示す。図８のように、第１の冷媒流路１ａの流路断面には第２凸部１１ｂが設けられている。つまり、第１冷媒が流れる領域は、第１の冷媒流路１ａの内壁の４箇所に凹状の溝が形成された形状となる。そして図８の凹状の溝は、図６で示される流路断面における凹状の溝を内周方向に４５度回転させた配置となっている。
【００３９】
このように、第１の冷媒流路１ａは、第１凸部１１ａが設けられた流路断面と第２凸部１ｂが設けられた流路断面とを有する。その結果、図５及び図７のように、第１の冷媒流路１ａは、内周方向に８箇所の凸部が内壁に形成されている。
【００４０】
図９は、第１の冷媒流路１ａの流路方向２０に沿った断面の一部を示す斜視図である。図９は、図４におけるＣＣ断面の斜視図に相当する。第１の冷媒流路１ａにおいて、第１凸部１１ａが設けられた流路断面と第２凸部１１ｂが設けられた流路断面とが交互に配置される様子が分かる。すなわち、流路方向２０に断続的に、第１の冷媒流路１ａの内壁が内側に向けて突出している第１凸部１１ａを備えている。また、流路方向２０に断続的に、第１の冷媒流路１ａの内壁が内側に向けて突出している第２凸部１１ｂを備えている。
【００４１】
このような配置にすることで、流路方向２０の上流側、すなわち図９においては下側から流れてくる第１冷媒が、第１凸部１１ａと第２凸部１１ｂに衝突しながら流路方向２０の下流側、すなわち図９では上側に向けて流れていく。
【００４２】
つまり、本実施の形態では第１の冷媒流路１ａの内壁に、内周方向の一部が突出した第１凸部１１ａと第２凸部１１ｂからなる凸部が、流路方向２０に断続的に設けられているので、第１冷媒が各凸部に衝突した際に、第１冷媒の流れが分断されながら流れる。
【００４３】
次に、本実施の形態における熱交換器の製造方法を説明する。図１０は、第１冷媒パス１と第２冷媒パス２を作成する方法を示す斜視図である。図中の流路方向２０は、第１冷媒が流れる方向を示している。
【００４４】
図１０のように、第１のプレート８ａと、第２のプレート８ｂとを、流路方向２０に沿って、交互に積層し、第１のプレート８ａと第２のプレート８ｂとの接着面をロウ付け等などにより接合する。ここで、第１のプレート８ａの第１の冷媒流路１ａの流路断面は図６で示す形状であり、第２のプレート８ｂの第１の冷媒流路１ａの流路断面は図８で示す形状である。つまり、第１のプレート８ａの第１の冷媒流路１ａには第１凸部１１ａが設けられており、第２のプレート８ｂの第１の冷媒流路１ａには第２凸部１１ｂが設けられている。
【００４５】
第１のプレート８ａには第１の冷媒流路１ａとなる第１凸部１１ａが形成された貫通穴と、第２の冷媒流路１ｂとなる貫通穴を設ける。同様に、第２のプレート８ｂには第１の冷媒流路１ａとなる第２凸部１１ｂが形成された貫通穴と、第２の冷媒流路１ｂとなる貫通穴を設ける。このようにして形成した複数の第１のプレート８ａと第２のプレート８ｂを、第１の冷媒流路１ａとなる貫通穴同士の位置及び第２の冷媒流路１ｂとなる貫通穴同士の位置をそれぞれ合わせて流路方向２０に積層し、接合する。
【００４６】
従来、流路方向の上流から下流まで一体となった扁平管に複数の第１の冷媒流路を形成するための穴開け加工として、扁平管であるアルミや銅等の押出や引抜加工、及びブロック体からの後加工を行い、同じようにして複数の第２の冷媒流路を形成した扁平管を接着することによって熱交換器を作成していた。
【００４７】
そのため、従来は流路方向の上流から下流まで貫通する程の穴あけ加工を行なって第１の冷媒流路を形成する必要があり、本実施の形態における熱交換器のように、流路方向２０の複数箇所に断続的に凸部を設けることが困難であった。つまり、流路方向に沿って交互に形成される突起群である凸部は、アルミや銅等の押出や引抜加工、及びブロック体からの後加工では困難である。
【００４８】
本実施の形態によれば、流路方向２０に複数に分割された第１のプレート８ａと第２のプレート８ｂにそれぞれ第１凸部１１ａと第２凸部１１ｂを有する貫通穴を設け、第１のプレート８ａと第２のプレート８ｂを交互に積層して第１の冷媒流路１ａを備えた導管８を形成する。その際、第１のプレート８ａと第２のプレート８ｂにそれぞれ設けられた凸部の位置を、流路断面の内周方向に回転して形成することで、第１の冷媒流路１ａの流路方向２０に第１凸部１１ａと第２凸部１１ｂを容易に設けることが可能となり、流路方向２０に断続的な凸部を設けることができる。
【００４９】
また、従来の方法では、第１の冷媒流路を形成した扁平管と第２の冷媒流路を形成した扁平管とを接着していたため、第１の冷媒流路と第２の冷媒流路との間に接合面が存在し、接着剤等から発生するボイド（気泡）や接合ばらつきが伝熱性能低下の要因となっていた。つまり、接合面の熱伝導率が低下して、第１冷媒と第２冷媒との間の伝熱性能が低下していた。
【００５０】
本実施の形態では、第１の冷媒流路１ａと第２の冷媒流路２ａは、二列の貫通穴が形成されたプレートを流路方向２０に積層して形成される。流路方向２０に複数に分割されたプレートに貫通加工を行うので、貫通距離が短いため、第１の冷媒流路１ａとなる貫通穴と第２の冷媒流路１ｂとなる貫通穴とを一つのプレートに形成することが可能となる。そのため、熱交換を行う第１の冷媒流路１ａと第２の冷媒流路２ａとの間に接合面ができない。つまり、伝熱経路である伝熱領域９に接合面ができないため、熱伝導率の局所的な低下が抑制でき、高い熱交換器性能が得られる。
【００５１】
本実施の形態では、第２の冷媒流路２ａに関しても、図９で示される第１の冷媒流路１ａと同じ構造を採用しているとする。この場合、第２の冷媒流路２ａについても第１の冷媒流路１ａと同様の効果が得られるため、熱交換性能がより向上する。
【００５２】
本実施の形態によれば、第１の冷媒流路１ａの流路方向２０において、第１凸部１１ａ及び第２凸部１１ｂが設けられているため、第１冷媒の流れが分断される。その結果、第１冷媒の温度境界層の分断が誘起され、温度境界層が薄くなるため、伝熱性能（熱伝達率）が向上する。
【００５３】
ここで、温度境界層とは、第１冷媒中の温度の急変領域のことである。第１冷媒の温度と第１冷媒に接する第１の冷媒流路１ａの内壁の温度との間に温度差があるとき、第１冷媒の温度は、第１の冷媒流路１ａの内壁から離れたところではほぼ一定の主流温度を保っているが、第１の冷媒流路１ａに近付くにつれて急激に温度が変わり、第１の冷媒流路１ａの内壁に接する部分では第１の冷媒流路１ａの内壁の温度と等しくなる。
【００５４】
温度境界層は伝熱性能に密接に関連している。温度境界層が薄くなれば、第１冷媒から第１の冷媒流路１ａの内壁への熱伝達率が増加し、第１冷媒と第２冷媒との間の熱交換における熱交換性能が向上する。
【００５５】
図１１に、温度境界層の分断メカニズムを説明する模式図を示す。図１１（ａ）及び（ｂ）は、本実施の形態を用いない場合の温度境界層の模式図及び熱伝達率を示す図である。つまり、第１の冷媒流路１ａに凸部を備えていない場合を示す図である。図１１（ａ）において、第１冷媒が導入される位置ｘからｙまで実線で示される第１の冷媒流路１ａの内壁付近には、厚さｄの温度境界層が発生する。図中、温度境界層は２点鎖線で示される。流路方向２０の下流側に向けて温度境界層は徐々に厚くなる。そのため、図１１（ｂ）に示されるように、熱伝達率は位置ｘから流路方向２０の下流側に向かって低下する。図１１（ｂ）において、位置ｘから位置ｙまでの熱伝達率の平均値を点線で示す。
【００５６】
図１１（ｃ）及び（ｄ）に本実施の形態を用いた場合を示す。図１１（ｃ）において、位置ｘから導入された第１冷媒には、第１凸部１１ａの内壁面に沿って厚さｄａの温度境界層が発生する。しかし、第１冷媒が第２凸部１１ｂに衝突する位置ｚ１から第２凸部１１ｂに沿って厚さｄｂの温度境界層が新たに発生する。さらに、下流側の位置ｚ２で第１凸部１１ａに衝突し、第１凸部１１ａの内壁面に沿って新たな温度境界層が発生する。さらに、下流側の位置ｚ３で第２凸部１１ｂに衝突し、第２凸部１１ｂの内壁面に沿って新たに温度境界層が発生する。
【００５７】
このようにして、冷媒が凸部に衝突する度に温度境界層が分断され、温度境界層の厚みが薄くなる効果が得られる。図１１（ｃ）の場合の熱伝達率は、位置ｘから第１凸部１１ａを通過する際に低下するが、位置ｚ１で第２凸部１１ｂに衝突するときに初期値化される。このようにして、凸部に衝突する度に熱伝達率がほぼ初期値化されることを温度境界層の分断効果という。この効果により、図１１（ｄ）のように、本実施の形態の熱伝達率の平均値は１点鎖線の値となり、本実施の形態を用いない場合よりΔρ向上する。
【００５８】
温度境界層の分断効果は、凸部が第１の冷媒流路１ａに断続的に形成されていることによって得られる。
【００５９】
また、凸部が多いほど分断効果は大きい。つまり、第１の冷媒流路１ａの内壁の内周方向に複数の凸部を設けることで、第１の冷媒流路１ａの内壁の温度境界層を満遍なく薄層化する効果が得られ、伝熱性を大きく向上できる。このように、本実施の形態を用いれば、温度境界層の分断効果により、伝熱性を向上することが可能となる。
【００６０】
本実施の形態を用いれば、第１の冷媒流路１ａに凸部がない場合に比べて伝熱面積が拡大するので、熱交換性能を向上する効果も得られる。
【００６１】
また、凸部を設けることにより、凸部付近を流れる冷媒の速度が増加する。冷媒の速度が増加すると、温度境界層が薄くなるため、熱伝達率が向上し、伝熱性が促進される効果が得られる。
【００６２】
冷媒が気液２相流体である場合、液膜の部分が温度境界層に相当する。図１２に冷媒が気液２層流体である場合の、第１凸部１１ａ周辺の拡大図を示す。気液２相流体の場合、図１２のように、毛管力で角部に液膜１５が吸引されるため、他の部分の液膜１５が薄くなり、温度境界層が薄くなる効果が得られて熱伝達率が向上する。つまり、本実施の形態では、液膜流の蒸発では第１凸部１１ａでの液膜流れの乱れによる伝熱促進が、凝縮では表面張力等による液膜排除による突起先端部での伝熱促進効果が得られる。
【００６３】
第１の冷媒流路１ａ及び第２の冷媒流路２ａの径の大きさは、粘性係数の小さい流体の場合は小さく、粘性係数の大きい流体の場合は大きいことが望ましい。熱交換器の第１冷媒パス１や第２冷媒パス２の腐食や圧力損失などの観点から、一般的に冷媒の流速は０．５〜１ｍ／ｓが望ましいとされている。冷媒の速度及び粘性、流路の長さから定まるレイノルズ数は、圧力損失と伝熱特性の観点から２０００〜１００００が望ましいとされている。例えば粘性係数が１０−７ｍ２／ｓと小さいフロンやＣＯ２などの場合、上記範囲の流速及びレイノルズ数から、流路の径は０．５〜２ｍｍの範囲が望ましい。また、粘性係数が１０−６ｍ２／ｓと大きい水などの場合、同様にして求めた望ましい流路の径は４〜１２ｍｍとなる。
【００６４】
尚、第１のプレート８ａや第２のプレート８ｂの厚みは、薄いと微細な凹凸形状を形成できるために、より大きな伝熱特性が得られるが、同じ流路長さの熱交換器を作成するためには積層枚数が増大するため、製造コストが増加する。従って、例えば０．１〜２ｍｍ程度の厚みであることが望ましい。
【００６５】
また、図１０では同じ厚みの第１のプレート８ａと第２のプレート８ｂとを繰り返し積層しているが、これに限ったものではない。第１のプレート８ａと第２のプレート８ｂは同じ厚みでなくてもよい。例えば、図１０のような構成では、第１のプレート８ａを第２のプレートの８ｂの３倍などと厚くしても良い。
【００６６】
また、第１凸部１１ａと第２凸部１１ｂは流路断面においてそれぞれ４ヶ所設けられていたが、４ヶ所である必要はなく、１ヶ所以上設けられていれば良い。
【００６７】
本実施の形態では、第１凸部１１ａと第２凸部１１ｂの形状は内側へ向けて狭まるテーパ形状である台形型で構成されていたが、これに限られるものでない。例えば、第１凸部１１ａや第２凸部１１ｂが円型であっても良いし、内側へ向けて拡がるテーパ形状であっても良いし、その他多角形などであっても良い。
【００６８】
また、本実施の形態では、第１凸部１１ａが設けられた第１のプレート８ａと第２凸部１１ｂが設けられた第２のプレート８ｂとを交互に積層して導管８を作成したが、第２のプレート８ｂには第２凸部１１ｂが設けられていなくても良い。つまり、第２のプレート８ｂの第１の冷媒流路１ａには凸部は設けられておらず、流路断面は溝部のない円形などであるとする。この場合でも、第１のプレート８ａには第１凸部１１ａが設けられており、第２凸部１１ｂの設けられていない第２のプレート８ｂを挟んで第１のプレート８ａが積層されることにより、本実施の形態における温度境界層の分断効果を得ることが可能となる。
【００６９】
つまり、第１の冷媒流路１ａの内壁に、内周方向の一部が突出した凸部が形成されており、第１冷媒が流れる流路方向２０に断続的に凸部が形成されていれば、第１冷媒が当該凸部に衝突し、温度境界層を分断する効果が得られる。
【００７０】
さらに、本実施の形態では第１凸部１１ａと第２凸部１１ｂとの角度は４５度としたが、これに限られない。３０度であっても６０度であっても、その他であってもよい。
【００７１】
また、本実施の形態では第１のプレート８ａと第２のプレート８ｂの２種類のプレートを積層して熱交換器を作成したが、３種類以上あっても良い。つまり、流路断面の内壁に、第１凸部１１ａ及び第２凸部１１ｂと異なる位置に設けられた凸部を有するプレートを用いて、複数種のプレートによって熱交換器を形成しても良い。
【００７２】
尚、プレートの積層方法としては、ろう付けの他に、プレートの金属を結合させる拡散結合などを用いても良い。
【００７３】
本実施の形態では第１冷媒パス１と第２冷媒パス２を１列ずつ配置した熱交換器を示したが、第１冷媒パス１と第２冷媒パス２を交互に複数列配置してもよい。つまり、第１冷媒パスと第２冷媒パス２の配列数を増加しても良い。熱交換器のそれぞれの冷媒の動作条件や物性値に合わせて配列数を選択することで、伝熱性能が高く、圧力損失が低い、好適な熱交換器を作成できる。
【００７４】
また、第１入口接続管３及び第１入口連通穴３ａは、流路方向２０の下流側の方向のみ開口するようにスリットなどの開口部が形成されたパイプを挿入し、その開口部が第１の冷媒流路１ａに連通するようにして構成してもよい。また、第１出口接続管４及び第１出口連通穴４ａも同様に、流路方向２０の上流側の方向のみ開口するようにスリットなどの開口部が形成されたパイプを挿入して構成してもよい。このようにすれば、ろう付け等で第１の冷媒流路１ａを外部に対して封止する際に、余分なろう材が第１入口連通穴３ａに侵入して流路を狭まることを抑制でき、製造ばらつきを抑制することができる。
【００７５】
尚、第２入口接続管５及び第２入口連通穴５ａ、第２出口接続管６及び第２出口連通穴６ａにおいても、同様の構成にすれば同様の効果を奏することができる。
【００７６】
実施の形態２．
図１３は、本実施の形態２に係る熱交換器において、第１の冷媒流路１ａの流路方向２０に沿った断面の一部を示す斜視図である。本実施の形態における熱交換器においては、凸部が流路方向２０の上流側から下流側に向けて螺旋状に配置されていることを特徴としている。それ以外については、実施の形態１と同様である。本実施の形態によれば、冷媒の螺旋流れを誘起するため、冷媒の増速効果が得られて熱伝達率が向上する。
【００７７】
本実施の形態では、図１３に示すように、第１凸部１１ａ、第２凸部１１ｂ、第３凸部１１ｃ、第４凸部１１ｄ、第５凸部１１ｅ、第６凸部１１ｆが流路方向２０にずらして、かつ、第１の冷媒流路１ａの内周方向にずらして配置されている。つまり、流路方向２０の上流側から下流側に向けて、内周方向の一定の向きに順に回転させながら配置される。その結果、凸部が流路方向２０の上流側から下流側に向けて螺旋状に設けられる。
【００７８】
図１４に、第１凸部１１ａが設けられた流路断面における断面図を示す。第１凸部１１ａが第１の冷媒流路１ａの内壁の４箇所に９０度間隔で設けられ、図１４の奥行き方向に相当する下流側に、点線で示す第２凸部１１ｂから第６凸部１１ｆまでが螺旋状に配置されている。
【００７９】
図１５に本実施の形態における熱交換器の上面図を示す。第１凸部１１ａを有する第１のプレート８ａ、第２凸部１１ｂを有する第２のプレート８ｂ、第３凸部１１ｃを有する第３プレート８ｃ、第４凸部１１ｄを有する第４プレート８ｄ、第５凸部１１ｅを有する第５プレート８ｅ、第６凸部１１ｆを有する第６プレート６ｆが、流路方向２０の上流側から下流側に向けて順に積層されている。そのため、プレートの流路断面の内周方向の一部に形成された凸部が、隣接するプレートの厚みだけ間隔を開けて流路方向２０であるプレートの積層方向に螺旋状に配列されている。このように、各凸部を有するプレートを積層することによって、本実施の形態の熱交換器が容易に得られる。
【００８０】
このような流路方向２０に凸部を螺旋状に配列することは、従来のアルミや銅等の押出や引抜加工、及びブロック体からの後加工では困難であり、本実施の形態に示すプレートを積層させて流路を構成する方法では、比較的容易に形成可能である。
【００８１】
本実施の形態では、凸部による温度境界層の分断効果と伝熱面積拡大効果が得られるとともに、第１冷媒が各凸部に衝突しながら、螺旋状に流れる。つまり、螺旋状の旋回流れ等の２次流れが発生することにより、第１冷媒の流れの増速効果が得られ、温度境界層が薄くなって伝熱を促進し、熱伝達率が向上する。
【００８２】
尚、本発明の実施の形態２では本発明の実施の形態１と相違する部分について説明し、同一または対応する部分についての説明は省略した。
【符号の説明】
【００８３】
１  第１冷媒パス、１ａ  第１の冷媒流路、２  第２冷媒パス、２ａ  第２の冷媒流路、３  第１入口接続管、３ａ  第１入口連通穴３ａ、４  第１出口接続管、４ａ  第１出口連通穴、５  第２入口接続管、５ａ  第２入口連通穴、６  第２出口接続管、６ａ  第２出口連通穴、８  導管、９  伝熱領域、８ａ  第１のプレート、８ｂ  第２のプレート、８ｃ  第３プレート、８ｄ  第４プレート、８ｅ  第５プレート、８ｆ  第６プレート、  １１ａ  第１凸部、１１ｂ  第２凸部、１１ｃ  第３凸部、１１ｄ  第４凸部、１１ｅ  第５凸部、１１ｆ  第６凸部、１５  液膜、２０  流路方向、２１  導入方向、２２  出口方向。
【図１】
2015045455.tif 000003
【図２】
2015045455.tif 000004
【図３】
2015045455.tif 000005
【図４】
2015045455.tif 000006
【図５】
2015045455.tif 000007
【図６】
2015045455.tif 000008
【図７】
2015045455.tif 000009
【図８】
2015045455.tif 000010
【図９】
2015045455.tif 000011
【図１０】
2015045455.tif 000012
【図１１】
2015045455.tif 000013
【図１２】
2015045455.tif 000014
【図１３】
2015045455.tif 000015
【図１４】
2015045455.tif 000016
【図１５】
2015045455.tif 000017