WO2008038666A1

WO2008038666A1 - Heat exchanger and method for manufacturing same

Info

Publication number: WO2008038666A1
Application number: PCT/JP2007/068682
Authority: WO
Inventors: Kazuyoshi Tomochika; Norio Sawada; Hiroshi Mukaiyama; Kotaro Matsu
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd; TOKYO BRAZE CO Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd; TOKYO BRAZE CO Ltd
Priority date: 2006-09-28
Filing date: 2007-09-26
Publication date: 2008-04-03
Anticipated expiration: 2009-03-28
Also published as: EP2068108A1; US20100025025A1; JP2008082650A; EP2068108A4; CN101517347A; CN101517347B; JP4818044B2

Description

明細書

熱交換器及びその製造方法

技術分野

[0001] 本発明は、第 1流体と第 2流体間で熱交換を行わせる熱交換器とその製造方法に関するものである。

背景技術

[0002] この種熱交換器、例えば、オフセット型のフィンを備えた熱交換器は、複数の扁平容器と、この扁平容器内の長手方向一端部に形成された流入口と他端部に形成された流出口との間に設けられたオフセット型のフィンから構成されている。当該扁平容器内には一端部の流入口から入り、上記フィン間を経て他端部に向力、い、流出口力、ら出る流体の流路が形成されている。

[0003] 上記フィンは、断面台形の凸条の両側壁にその肩部から底板部にかけて一対の切り込みを一定の間隔で入れ、同部分を内側に折り曲げることにより形成されて、係るオフセット形状を呈している。そして、通常上記扁平容器を複数積層し、各扁平容器内に形成された流路内に交互に第 1流体と第 2流体として流して、両流体間で熱交換可能な構成とされていた (例えば、特許文献 1参照）。

特許文献 1 :特開 2003— 314985号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0004] ところで、上記フィンは、当該流路を流れる各流体の流れに対して、フィンが直交、若しくは、平行の何れか一方の向きとなるように偏平容器内に配置されている力フィンを流体の流れに対して直交するよう配置した場合、流体と当該フィンとが衝突する面積が多いため、流体がフィンにより流路全体に分散され易ぐ流路全体に均一に流体を流すことが可能となる力 S、圧力損失が著しく増大するという問題が生じていた。

[0005] 一方、フィンを流体の流れに対して平行となるよう配置した場合、流体とフィンとの衝突する面積が少ないため、圧力損失は小さいが、流体が流路全体に分散され難いため、流体を流路全体に均一に流すことができず、熱交換器としての性能が著しく低下してしまう。

[0006] 本発明は、係る従来の課題を解決するためになされたものであり、流体の不均一な速度分布を改善しながら、圧力損失の増大を抑制できる熱交換器を提供することを目白勺とする。

課題を解決するための手段

[0007] 本発明の熱交換器は、第 1流体の流路と第 2流体の流路を有して両流体間で熱交換を行わせるものであって、流路が、一端部に流体の流入口と他端部に流体の流出口を有する扁平容器と、この扁平容器内に設けられたフィンから構成されるもので、流入ロカ、ら流出口に向力、う流体の流れ方向に対してフィンが直交するフィン直交領域と、流入ロカ流出口に向力、う流体の流れ方向に対してフィンが平行となるフィン平行領域とを備えたことを特徴とする。

[0008] 請求項 2の発明の熱交換器は、請求項 1に記載の発明においてフィン直交領域が流入口と流出口側に設けられ、各フィン直交領域間にフィン平行領域が設けられていることを特徴とする。

[0009] 請求項 3の発明の熱交換器は、請求項 1又は請求項 2に記載の発明においてフィンは、矩形波状を呈するオフセット型のフィンであることを特徴とする。

[0010] 請求項 4の発明の熱交換器は、請求項 1乃至請求項 3の何れかに記載の発明において第 1流体、若しくは、第 2流体は、二酸化炭素であることを特徴とする。

[0011] 請求項 5の発明の熱交換器の製造方法は、請求項 1乃至請求項 4の何れかに記載の発明の熱交換器において流体の流れ方向に直交する面における当該流体の最大流速と最小流速との差を、当該流体の流れ方向に対して積算し、全体に対するフイン直交領域の比率を増加させていったときに、積算値の傾きが緩慢となる変曲点を最大値として、フィン直交領域の比率を零より大きく最大値以下の範囲内で設定することを特徴とする。

[0012] 請求項 6の発明の熱交換器の製造方法は、請求項 1乃至請求項 5の何れかに記載の発明において扁平容器とフィンとを別々に形成し、形成された当該フィンを扁平容器内に収容することを特徴とする。

発明の効果 [0013] 本発明によれば、第 1流体の流路と第 2流体の流路を有して両流体間で熱交換を行わせるものであって、流路が、一端部に流体の流入口と他端部に流体の流出口を有する扁平容器と、この扁平容器内に設けられたフィンから構成される熱交換器において、流入口から流出口に向力、う流体の流れ方向に対してフィンが直交するフィン直交領域と、流入口から流出口に向力、う流体の流れ方向に対してフィンが平行となるフイン平行領域とを備えたので、フィン直交領域により流体を流路全体に分散させると共に、フィン平行領域にて流体を円滑に流すことができる。

[0014] これにより、フィン直交領域により不均一な速度分布を改善しながら、フィン平行領域により圧力損失が増大する不都合を改善することができるようになる。

[0015] 特に、請求項 2の如くフィン直交領域を流入口と流出口側に設け、各フィン直交領域間にフィン平行領域を設けることで、流入口及び流出口付近における偏流を効果的に改善し、流路全体を有効に活用することが可能となるので、熱交換性能の向上を図ることができるようになる。

[0016] 更に、請求項 3の如くフィンを、矩形波状を呈するオフセット型のフィンとすれば、フインと扁平容器とが面接触するので、当該熱交換器の耐圧性を向上することができる。これにより、請求項 4の如く少なくとも第 1流体或いは第 2流体の何れか一方に二酸化炭素のような高圧流体を用いることも可能となる。

[0017] 請求項 5の発明の熱交換器の製造方法によれば、請求項 1乃至請求項 4の何れかに記載の発明の熱交換器において流体の流れ方向に直交する面における当該流体の最大流速と最小流速との差を、当該流体の流れ方向に対して積算し、全体に対するフィン直交領域の比率を増加させていったときに、積算値の傾きが緩慢となる変曲点を最大値として、フィン直交領域の比率を零より大きく最大値以下の範囲内で設定することで、不均一な速度分布を改善できて、且つ、圧力損失の少ない高性能の熱交換器を製造することが可能となる。

[0018] また、請求項 6の如く扁平容器とフィンとを別々に形成し、形成された当該フィンを扁平容器に収容することにより熱交換器を製造するものとすれば、大幅な金型の変更をせずにアプリケーションや使用条件等に応じて、フィン直交領域とフィン平行領域の割合を自在に設定することが可能な熱交換器を製造することが可能となる。発明を実施するための最良の形態

[0019] 本発明は、流体間で熱交換を行わせる熱交換器に関して、フィンを流体の流れに対して直交するよう配置した場合に生じる圧力損失の増大する不都合と、フィンを流体の流れに対して平行となるよう配置した場合に生じる流体の偏流を改善するために成されたものである。流体の不均一な速度分布を改善しながら、圧力損失を抑制するとレ、う目的を、流入口から流出口に向力、う流体の流れ方向に対してフィンが直交するフィン直交領域と、流入ロカ流出口に向力、う流体の流れ方向に対してフィンが平行となるフィン平行領域とを備えることにより実現した。以下、図面に基づき本発明の実施の形態を詳述する。

[0020] 図 1は、本発明の一実施例の熱交換器の構成を模式的に示した斜視図である。熱交換器 τは、冷凍サイクル装置の放熱器や蒸発器等として使用されるもので、例えば、冷媒 (第 1流体)と水 (第 2流体）間で熱交換を行わせるものである。当該熱交換器 T は、ユニット U1とユニット U2を交互に積層して接合し、一端のユニット U1にカバープレート（図示せず）を取り付け、両端のユニット Ul、 U2に継手を取り付けて成るものである。

[0021] ユニット Ul、 U2は、一面（上面）が開口し、底面の周縁力も鉛直方向に起立した周壁部 3を有する偏平容器 1及び偏平容器 2と、両偏平容器 1、 2内に収容される複数枚のフィン 5等から構成される。本実施例の偏平容器 1、 2及びフィン 5はステンレスを素材とし、ステンレスの板材を加工することにより形成されたものである。

[0022] 上記偏平容器 1、 2には長手方向の一端部に鉛直方向に貫通する 2つの穴 6、 7が形成され、他端部にも同様に穴 8、 9が形成されている。一端部に形成された穴 6、 7 と他端部に形成された穴 8、 9とは偏平容器 1、 2の長手方向の中心部から対称となる位置に形成されている。また、偏平容器 1の両端部にはガイドプレート 10が配設されている。このガイドプレート 10には丸穴 12と U字状の切込穴 13が形成されている。当該ガイドプレート 10の丸穴 12は、偏平容器 1の穴 6、或いは、穴 8と略対応する位置に形成され、切込穴 13は、偏平容器 1の穴 7、或いは、穴 9と略対応する位置に形成されている。

[0023] 同様に、偏平容器 2の両端部にはガイドプレート 11が配設され、このガイドプレート 11にも丸穴 12と U字状の切込穴 13が形成されている。当該ガイドプレート 11の丸穴 12は、偏平容器 2の穴 7、或いは、穴 9と略対応する位置に形成され、切込穴 13は、偏平容器 2の穴 6、或いは、穴 8と略対応する位置に形成されている。即ち、ガイドプレート 10とガイドプレート 11では、丸穴 12と切込穴 13が反対側に形成されている。

[0024] 両ガイドプレート 10、 11は各容器1、 2内に流体を誘導するためのガイド部材であり、後述するフィン 5と略同一の厚みを有する。

[0025] そして、ガイドプレート 10の丸穴 12は、偏平容器 1に形成された穴 6、或いは、穴 8 に連通し、互いに連通している穴 6と丸穴 12、及び、穴 8と丸穴 12は、後述するュニット Ul、 U2の積層状態において、両ユニット Ul、 U2を接続する通路と通路を接続する流体の通過路を形成するためのものである。

[0026] 同様に、ガイドプレート 11の丸穴 12は、偏平容器 2に形成された穴 7、或いは、穴 9 に連通し、互いに連通している穴 7と丸穴 12、及び、穴 9と丸穴 12は、後述するュニット Ul、 U2の積層状態において、両ユニット Ul、 U2を接続する通路と通路を接続する流体の通過路（図示せず）を形成するためのものである。

[0027] また、ガイドプレート 10の切込穴 13は、偏平容器 1に形成された穴 7、或いは、穴 9 に連通し、両ユニット Ul、 U2の積層状態において、互いに連通している穴 7と切込穴 13は、流体の流路 4への流入口 15を形成するものであり、穴 9と切込穴 13とは、流体の流路 4への流出口 16を形成するためのものである。

[0028] 同様に、ガイドプレート 11の切込穴 13は、偏平容器 2に形成された穴 6、或いは、穴 8に連通し、両ユニット Ul、 U2の積層状態において、互いに連通している穴 6と切込穴 13は、流体の流路 4への流入口 15を形成し、穴 8と切込穴 13とは、流体の流路 4への流出口 16を形成するためのものである。

[0029] 一方、前記フィン 5は、対向する一組の辺が偏平容器 1、 2の周壁部 3の高さ寸法と略同一で、且つ、対向する他の一組の辺が偏平容器 1、 2内の幅（内幅）と略同一の寸法にて構成されて、偏平容器 1内に収容された状態で、フィン 5の上記一組の辺の一方が偏平容器 1、 2の底部に当接し、他方が上面に位置して、上記他の一組の辺が周壁部 3に当接するよう偏平容器 1、 2内の両端部に配設されたガイドプレート 10、 11間に順次収容されている。即ち、一つの偏平容器 1、 2内には、一端部のガイドプレート 10、 11から他端部のガイドプレート 10、 11間に複数個のフィン 5が順次収容されて、周壁部 3と当接する辺が当該周壁部 3とロウ材にて接合されている。

[0030] 各フィン 5は、図 2乃至図 3に示すように図断面台形の凸条 5Tの両側壁 5aに、その肩部から底板部 5bにかけて一対の切り込みを所定間隔で入れ、同部分を内側に屈曲した形状であり、この凸条 5Tは、オフセット形状を呈している。即ち、当該フィン 5 は、略矩形波状を呈するオフセット型のフィンである。このように、フィン 5を矩形波状に形成することで、前述の如くユニット U1とユニット U2を交互に積層して接合した際、各フィン 5 · ·と扁平容器 1、 2とが面接触することとなる。このようにフィン 5を矩形波状に形成してフィン 5と扁平容器 1、 2とが面接触するよう構成することで当該熱交換器 Tの耐圧性を向上させることができる。係る耐圧性の向上により、当該熱交換器 T 内に二酸化炭素のような高圧流体を流すことも可能となる。尚、図 3において、 4は流体の流路である。

[0031] そして、上述したユニット U1とユニット U2は図示しない枠体内に交互に積層され、隣接する各ユニット U1とユニット U2の当接面をロウ材にて接合することにより熱交換器 Tが構成される。また、図 1に示すように、各ユニット U1はユニット U2を挟んで、流入口 15と流出口 16が反対側となるように積層される。同様に、各ユニット U2もュニット U1を挟んで、流入口 15と流出口 16が反対側となるように積層される。これにより、図 4に示すように熱交換器 T内を、第 1流体が各ユニット U1を蛇行状に流れ、第 2流体が各ユニット U2を蛇行状に流れるようになる（例えば、図 4の白抜き矢印が第 1流体の流れで、図 4の黒塗り矢印が第 2流体の流れとなる）。また、ユニット U1とユニット U2とを交互に積層することで、図 4に示すように隣接する各ユニット Ul、 U2内を第 1 流体と第 2流体とが交互に対向して流れるようになり、両流体間で効果的に熱交換が行わせることが可能となる。

[0032] ところで、各ユニット Ul、 U2の偏平容器 1、 2内に収容される複数のフィン 5は、従来、図 5に示すように流入口 15から流出口 16に向力、う流体の流れ方向に対して平行となるよう配置される力、 (以降、 Vタイプのユニットと称す)か、或いは、図 6に示すようにフィン 5が流入口 15から流出口 16に向力、う流体の流れ方向に対して直交するよう配置されたもの（以降、 Hタイプのユニットと称す)か何れか一方から構成され、これを上述したように積層することで熱交換器を構成して!/、た。

[0033] ここで、ユニット Ul、 U2を Vタイプのユニットにて構成した場合の各ユニット Ul、 U 2を流れる各流体の速度分布を図 7及び図 8に示す。尚、熱交換器に流れる流体の流量を 2L/minとした。図 8において、縦軸は流体の流速、横軸は各ユニット Ul、 U 2の幅方向距離（即ち、図 8に示す各ユニット Ul、 U2の一端 1から他端 2までの長さ寸法である）を示している。各ュニまた、ット Ul、 U2の Defはユニット Ul、 U2を流体の流れ方向に直交する面における流体の最大流速 Umaxと最小流速 Uminとの差であり、これを流体の流れ方向に対して積算すると、流体の流速偏差量が算出できる。即ち、当該速度偏差量が大きいほど、流路 4における流体の流れが不均一で偏流力 S生じていることとなる。両図 7、 8から流路 4を流れる流体の流速は、流入口 15及び流出口 16付近が最も速ぐ当該流入口 15と流出口 16を略直線で結んだ流路 4に流体の流れが集中して、その周囲では流体の流速が低下することが明らかである。特に、ユニット Ul、 U2の流入口 15と反対側となる位置、及び、流出口 16と反対側となる位置、即ち、図 7において、下端の左側付近と上端の右側付近では流体が殆ど流動しな!/、死水域が発生して!/、ることがわかった。

[0034] このように、 Vタイプのユニットでは、各流路 4における流体の流速は均一とはならず、偏流が生じて、流体の速度偏差量が大きくなることがわかった。尚、当該 Vタイプのユニットで構成された熱交換器におレ、て、熱交換器の入口側と出口側の流体の圧力差は 2555Paとなった。

[0035] 一方、ユニット Ul、 U2を Hタイプのユニットにて構成した場合の当該ユニット Ul、 U2を流れる流体の速度分布を図 9及び図 10に示す。熱交換器に流れる流体の流量は前記同様に 2L/minとした。両図 9、 10から、流体は流路全体に略均一に流れることが明らかである。このように、 Hタイプのユニットでは、流体が流路 4全体に分散され、略均一に流れることがわかった。し力、しな力 Sら、当該 Hタイプのユニットでは、フイン 5が流体の流れ方向に対して直交するよう配置されているため、当該 Hタイプのユニットで構成された熱交換器の入口側と出口側の流体の圧力差は 22159Paとなり、圧力損失は著しく大きくなつた。

[0036] そこで、上述のような流体の偏流と圧力損失の問題を解消すベぐ本発明の熱交換器 Tは、流入口 15から流出口 16に向力、う流体の流れ方向に対してフィン 5が直交するフィン直交領域 Ηと、流入口 15から流出口 16に向力、う流体の流れ方向に対してフイン 5が平行となるフィン平行領域 Vとを備えた構成とする。

[0037] ここで、上記フィン直交領域 Ηとフィン直交領域 Vの配置方法について具体的に検討する。先ず、図 11の如くフィン直交領域 Ηを流入口 15と流出口 16側に配置し、各フィン直交領域 Η間にフィン平行領域 Vを配置した場合について検討する。

[0038] 各ユニット Ul、 U2をフィン直交領域 H間にフィン平行領域 Vを備えた構成した場合における、当該ユニット Ul、 U2を流れる流体の速度分布を図 12及び図 13に示す。この場合、全てのフィン 5に対する流入口 15側のフィン直交領域 Hの比率を 3. 5 %、流出口 16側のフィン直交領域 Hの比率を 3. 5%とし、流入口 15側のフィン直交領域 Hと流出口 16側のフィン直交領域 Hとの間に設けられたフィン平行領域 Vの比率を 93% (以降、この比率から成るユニット Ul、 U2を第 1のユニットと称する）とした。また、当該第 1のユニット Ul、 U2からなる熱交換器に流れる流体の流量は 2L/min とした。図 12において、（A)が第 1のユニット U1、U2の速度分布の結果である。 (B) は前述した Vタイプのユニットの速度分布の結果（図 7と同様）であり、（A)との比較のため同図上に記載した。

[0039] 図 12及び図 13から、第 1のユニット Ul、 U2を備えた構成とした場合、各流路 4における流体の速度偏差量が小さぐ Vタイプのユニットより、流体が流路 4全体に流れること力 Sわ力、る。また、熱交換器の入口側と出口側の流体の圧力差は 5729Paとなつた。従って、 Hタイプのユニットから構成された熱交換器より、圧力損失を著しく抑制できることが明ら力、となった。

[0040] 次に、上記第 1のユニット Ul、 U2からフィン直交領域 Hとフィン平行領域 Vの比率を変更して各ユニット Ul、 U2を構成し、当該ユニット Ul、 U2により構成された熱交換器に流体を流して、流れ場を調べた。先ず、全てのフィン 5に対する流入口 15側のフィン直交領域 Hの比率を 6. 9%、流出口 16側のフィン直交領域 Hの比率を 6. 9 %とし、流入口 15側のフィン直交領域 Hと流出口 16側のフィン直交領域 Hとの間に設けられたフィン平行領域 Vの比率を 86. 2%とした（以降、この比率から成るュニット Ul、 U2を第 2のユニットと称する）。この場合、当該第 2のユニット Ul、 U2を流れる流体の速度分布を図 14の（A)及び図 15に示す。尚、図 14において、（B)は前述した Vタイプのユニットの速度分布の結果（図 7及び図 12の（B)と同様）であり、（A)との比較のため同図上に記載した。また、第 2のユニット Ul、 U2から成る熱交換器に流れる流体の流量は上記同様 2L/minとした。

[0041] 図 14及び図 15から、第 2のユニットから構成した場合、流体が流路 4全体に流れて、 Vタイプのユニットより、流体が流路 4全体に流れることがわかる。また、全てのフィン 5に対するフィン直交領域 Hの比率が第 1のユニット Ul、 U2より高い分、当該第 1のユニット Ul、 U2より、各流路 4における流体の偏流が少なくなることがわかった。また、熱交換器の入口側と出口側の流体の圧力差は 7254Paとなった。この場合、全てのフィン 5に対するフィン直交領域 Hの比率が第 1のユニット Ul、 U2より多いため、圧力損失は第 1のユニット Ul、 U2を用いた場合より大きくなる力 S、 Hタイプのユニット力、ら構成された熱交換器より、圧力損失が大幅に抑制できることがわかった。

[0042] また、図 16の（A)は、全てのフィン 5に対する流入口 15側のフィン直交領域 Hの比率を 10. 4%、流出口 16側のフィン直交領域 Hの比率を 10. 4%とし、流入口 15側のフィン直交領域 Hと流出口 16側のフィン直交領域 Hとの間に設けられたフィン平行領域 Vの比率を 79. 2%としたユニット Ul、 U2 (以降、この比率力も成るユニット Ul、 U2を第 3のユニットと称する）を用いた場合の流体の速度分布を示す図、図 17の (A )は、全てのフィン 5に対する流入口 15側のフィン直交領域 Hの比率を 13. 8%、流出口 16側のフィン直交領域 Hの比率を 13. 8%とし、流入口 15側のフィン直交領域 Hと流出口 16側のフィン直交領域 Hとの間に設けられたフィン平行領域 Vの比率を 7 2. 4%としたユニット Ul、 U2 (以降、この比率から成るユニット Ul、 U2を第 4のュニットと称する）を用いた場合の流体の速度分布を示す図である。尚、第 3及び第 4のュニット Ul、 U2から構成された熱交換器に流れる流体の流量は上記同様 2L/minとした。また、両図 16、 17において（B)は前述同様 Vタイプのユニットの速度分布の結果である。

[0043] 図 16、或いは、図 17に示すように、第 3のユニット、若しくは、第 4のユニットから構成した場合においても、 Vタイプのユニットより、流体を流路 4全体に流すことが可能となる。また、第 3のユニットを用いた場合、熱交換器の入口側と出口側の流体の圧力差は 7945Paとなり、第 4のユニットを用いた場合には、 9398Paとなり、上記同様に Hタイプのユニットから構成された熱交換器より圧力損失を抑えることができることがわかった。しかしながら、第 1のユニット Ul、 U2にて構成された熱交換器を用いた場合より圧力損失は著しく増大してレ、ることがわかった。

[0044] 次に、フィン直交領域 Hを流入口 15側に配置し、フィン平行領域 Vを流出口 16側に配置した場合について検討する。先ず、全てのフィン 5に対する流入口 15側に配置されたフィン直交領域 Hの比率を 6. 9%、流出口 16側に配置されたフィン平行領域 Vの比率を 93. 1 %としたユニット（以降、第 5のユニットと称する）とから熱交換器を構成して、流れ場を調べた。この場合、当該第 5のユニット Ul、 U2を流れる流体の速度分布を図 18の（A)及び図 19に示す。尚、図 18において、（B)は、第 5のュニットと略同比率のフィン直交領域 Hとフィン平行領域により構成された第 1のユニット U1 、 U2の速度分布の結果（図 12の（A)と同様）であり、図 18の（A)との比較のために同図上に記載した。この場合、第 5のユニット Ul、 U2から成る熱交換器に流れる流体の流量は上記と同様に 2L/minとした。

[0045] 図 18及び図 19に示すように、第 5のユニットから構成した場合、流入口 15側では流体の偏流が少なぐこの付近では流体が流路 4の幅方向（図 18の横方向）に分散されて、均一に流れるが、流出口 16側では、当該流出口 16付近に流体の流れが集中して、その周囲に行くほど流体の流速が低下していることがわかる。即ち、流出口 1 6側では、速度が流体の流速は均一と成らず、偏流を生じることがわかった。尚、第 5 のユニットで構成された熱交換器における入口側と出口側の流体の圧力差は 4554 Paとなった。

[0046] このように、第 5のユニットでは、圧力損失を抑制することは可能であるが、各流路 4 における流体の流速が均一とはならず、偏流が生じて、流体の速度偏差量が大きくなることがわかった。また、当該第 5のユニットを用いるより、図 18の（B)に示す第 1のユニットを用いた方が、各流路 4における流体の流速が均一となり、不均一な速度分布を改善できることが明ら力、となった。

[0047] 次に、第 5のユニット Ul、 U2からフィン直交領域 Hとフィン平行領域 Vの比率を変更して各ユニット Ul、 U2を構成し、当該ユニット Ul、 U2により構成された熱交換器に流体を流して、流れ場を調べた。この場合、全てのフィン 5に対する流入口 15側に配置されたフィン直交領域 Hの比率を 13. 8%、流出口 16側に配置されたフィン平行領域 Vの比率を 86. 2%とした（以降、第 6のユニットと称する）。この場合、当該第 6のユニットを流れる流体の速度分布を図 20の（A)及び図 21に示す。尚、図 20において、（B)は、第 6のユニットと略同比率のフィン直交領域 Hとフィン平行領域により構成された第 2のユニット Ul、 U2の速度分布の結果（図 14の（A)と同様）であり、図 1 8の（A)との比較のために同図上に記載した。この場合、第 6のユニット Ul、 U2から成る熱交換器に流れる流体の流量は上記と同様に 2L/minとした。

[0048] 図 20及び図 21に示すように、第 6のユニットから構成した場合、上記第 5のユニットから構成した場合と同様に、流入口 15側では流体の偏流が少なぐ流体が流路 4の幅方向（図 21の横方向）に分散されて、均一に流れることがわかった。また、流出口 1 6側では、上記第 5のユニットから構成した場合と同様に、流出口 16付近に流体の流れが集中して、その周囲に行くほど流体の流速が低下していることがわかった。従つて、流出口 16側では、速度が流体の流速は均一と成らず、偏流が発生することがわ力、つた。尚、第 6のユニットで構成された熱交換器における入口側と出口側の流体の圧力差は 5706Paとなった。

[0049] 以上より、流入口 15側にフィン直交領域 Hを配置し、流出口 16側にフィン平行領域 Vを配置した場合、 Vタイプのユニットから成る熱交換器より、流体の不均一な速度分布を改善でき、且つ、 Hタイプのユニットから成る熱交換器より、圧力損失を抑えること力 Sできること力 Sわ力、つた。し力もながら、流出口 16側の偏流は殆ど改善されず、フイン直交領域 Hの比率を増減した場合であっても、流入口 15側の偏流を改善することができないことが明ら力、となった。

[0050] 次に、フィン平行領域 Vを流入口 15側に配置し、フィン直交領域 Hを流出口 16側に配置した場合について検討する。先ず、全てのフィン 5に対する流入口 15側に配置されたフィン平行領域 Vの比率を 91. 3%、流出口 16側に配置されたフィン直交領域 Hの比率を 6. 9%としたユニット（以降、第 7のユニットと称する）とから熱交換器を構成して、流れ場を調べた。この場合、当該第 7のユニット Ul、 U2を流れる流体の速度分布を図 22の（A)及び図 23に示す。尚、図 22において、（B)は、第 7のュニットと略同比率のフィン直交領域 Hとフィン平行領域により構成された第 1のユニット Ul 、 U2の速度分布の結果（図 12の（A)と同様）であり、図 22の（A)との比較のために同図上に記載した。この場合、第 7のユニット Ul、 U2から成る熱交換器に流れる流体の流量は上記と同様に 2L/minとした。

[0051] 図 22及び図 23に示すように、第 7のユニットから構成した場合、流出口 16側では流体の偏流が少なぐこの付近では流体が流路 4の幅方向（図 22の横方向）に分散されて、均一に流れるが、流入口 15側では、当該流入口 15付近に流体の流れが集中して、その周囲に行くほど流体の流速が低下していることがわかる。即ち、流入口 1 5側では、速度が流体の流速は均一と成らず、偏流を生じることがわかった。尚、第 7 のユニットで構成された熱交換器における入口側と出口側の流体の圧力差は 5219 Paとなった。

[0052] このように、第 7のユニットでは、圧力損失を抑制することは可能であるが、各流路 4 における流体の流速が均一とはならず、偏流が生じるため、図 22の（B)に示す第 1 のユニットを用いた方が不均一な速度分布を改善できることが明らかとなった。

[0053] 次に、第 7のユニット Ul、 U2からフィン直交領域 Hとフィン平行領域 Vの比率を変更して各ユニット Ul、 U2を構成し、当該ユニット Ul、 U2により構成された熱交換器に流体を流して、流れ場を調べた。この場合、全てのフィン 5に対する流入口 15側に配置されたフィン平行領域 Vの比率を 86. 2%、流出口 16側に配置されたフィン直交領域 Hの比率を 13. 8%とした（以降、第 8のユニットと称する）。この場合、当該第 8のユニットを流れる流体の速度分布を図 24の（A)及び図 25に示す。尚、図 24において、（B)は、第 8のユニットと略同比率のフィン直交領域 Hとフィン平行領域により構成された第 2のユニット Ul、 U2の速度分布の結果（図 14の（A)と同様）であり、図 2 4の（A)との比較のために同図上に記載した。この場合、第 8のユニット Ul、 U2から成る熱交換器に流れる流体の流量は上記と同様に 2L/minとした。

[0054] 図 24及び図 25に示すように、第 8のユニットから構成した場合、上記第 7のユニットから構成した場合と同様に、流出口 16側では流体の偏流が少なぐ流体が流路 4の幅方向（図 24の横方向）に分散されて、均一に流れることがわかった。また、流入口 1 5側では、上記第 7のユニットから構成した場合と同様に、流入口 15付近に流体の流れが集中して、その周囲に行くほど流体の流速が低下していることがわかった。従つて、流入口 15側では、速度が流体の流速は均一と成らず、偏流が発生することがわ力、つた。また、当該流入口 15付近の偏流は、上記第 7のユニットの場合と殆ど変わらなかった。尚、第 8のユニットで構成された熱交換器における入口側と出口側の流体の圧力差は 6166Paとなった。

[0055] 上記第 7及び第 8のユニットを用いた結果から、流入口 15側にフィン平行領域 Vを配置し、流出口 16側にフィン直交領域 Hを配置した場合、 Vタイプのユニットから成る熱交換器より、流体の不均一な速度分布を改善でき、且つ、 Hタイプのユニットから成る熱交換器より、圧力損失を抑えることができることがわ力た。しかしながら、流出口 16側の偏流は殆ど改善されず、フィン直交領域 Hの比率の増減した場合であっても、流出口 16側における偏流を殆ど改善することができないことが明ら力、となった。

[0056] ここで、図 26は、以上詳述した結果をまとめたものであり、縦軸の主軸は圧力損失、第 2軸は流れ方向の各断面における速度偏差量、横軸は全てのフィン 5に対するフイン直交領域 Hの比率を示している。即ち、横軸の 0%は、全てのフィン 5がフィン平行領域 Vにて構成されたユニットから成る熱交換器 (即ち、 Vタイプのユニットにて熱交換器が構成された場合）であり、 100%は、全てのフィン 5がフィン直交領域 Hにて構成されたユニットから成る熱交換器 (即ち、 Hタイプのユニットにて熱交換器が構成された場合）である。

[0057] 図 26において、 P1は、フィン直交領域 Hを流入口 15と流出口 16側に配置し、各フイン直交領域 H間にフィン平行領域 Vを配置したユニットにより構成された熱交換器において、フィン直交領域 Hの比率を変化させた場合の圧力損失、 P2は、フィン平行領域 Vを流入口 15に配置し、フィン直交領域 Hを流出口 16に配したユニットより構成された熱交換器にお!/、て、フィン直交領域 Hの比率を変化させた場合の圧力損失をそれぞれ示している。

[0058] また、 D1は、フィン直交領域 Hを流入口 15と流出口 16側に配置し、各フィン直交領域 H間にフィン平行領域 Vを配置したユニットにより構成された熱交換器において、フィン直交領域 Hの比率を変化させた場合の速度偏差量、 D2の破線で示す領域は、フィン直交領域 Hを流入口 15に配置し、フィン平行領域 Vを流出口 16に配したユニットより構成された熱交換器にお!/、て、フィン直交領域 Hの比率を変化させた場合の速度偏差量を示して!/、る。

[0059] 図 26から、各熱交換器の圧力損失はフィン直交領域 Hの増加に伴い増大して、その変化の割合は略比例的であることがわかった。一方、各熱交換器における流体の流速偏差量（上記流体の流れ方向に直交する面における当該流体の最大流速と最小流速との差を、当該流体の流れ方向に対して積算した積算値）は、フィン直交領域 Hの増加に伴い低下する力その値は傾きが緩慢となる変曲点を有することがわかつた。具体的に、フィン直交領域 Hを流入口と流出口側に配置し、各フィン直交領域 H 間にフィン平行領域 Vを配置したユニットにより構成された熱交換器の結果 (D1)を用いて説明すると、フィン直交領域 Hの比率がゼロとなる値 100%からフィン直交領域 Hの比率を増加していくと、流速偏差量は急激に減少し、フィン直交領域 Hの比率が 10 %を超えた付近 (約 15%)から傾きが緩慢となり、比率が 30 %を超えると、流速偏差量は約 10%でほぼ一定となった。

[0060] 即ち、フィン直交領域 Hの比率を 30%より高くしても流体の速度偏差量の変化は殆ど見られないことが明らかである。また、フィン直交領域 Hを流入口 15に配置し、フィン平行領域 Vを流出口 16に配したユニットより構成された熱交換器を用いた場合も同様にフィン直交領域 Hの比率を増加させていくと、傾きが緩慢となる変曲点（図 26 に示すようにフィン直交領域 Hの比率が 28%付近）を有することがわかった。従って、熱交換器 Tのフィン直交領域 Hの比率が零より大きぐ変曲点となる 28%以下とすることが、圧力損失を抑えながら、不均一な速度分布を改善することができる最適範囲となる。このような最適な範囲となるようにフィン 5全体に対するフィン直交領域 Hの比率を設定し、熱交換器 Tを製造することで、高性能の熱交換器が製造可能である。

[0061] 総じて、熱交換器 Tは、フィン直交領域 Hとフィン平行領域 Vとを備えた構成とすることで、不均一な速度分布を改善しながら、圧力損失を抑制できるようになる。特に、フィン直交領域 Hを流入口 15と流出口 16側に設け、各フィン直交領域 H間にフィン平行領域 Vを設けることで、流体の偏流を最も効果的に改善することができて、流路 4全体を有効に活用することが可能となる。これにより、熱交換器 Tの熱交換性能の向上を図ることができる。 [0062] また、熱交換器 Tを製造する場合に、フィン直交領域 Ηとフィン平行領域 Vの比率を、流体の流れ方向に直交する面における当該流体の最大流速と最小流速との差を、当該流体の流れ方向に対して積算し、全体に対するフィン直交領域 Ηの比率を増加させていったときに、積算値の傾きが緩慢となる変曲点を最大値として、フィン直交領域 Ηの比率を零より大きく最大値以下の範囲内となるように各フィン直交領域 Ηの比率を設定する。このとき、扁平容器 1、 2と各フィン 5とは予め別々に形成しておき、扁平容器 1、 2内にフィン直交領域 Ηとフィン平行領域 Vの比率が設定された比率となるように、フィン 5を収容する。

[0063] このように、フィン直交領域 Ηとフィン平行領域 Vの比率を、流体の流れ方向に直交する面における当該流体の最大流速と最小流速との差を、当該流体の流れ方向に対して積算し、全体に対するフィン直交領域 Ηの比率を増加させていったときに、積算値の傾きが緩慢となる変曲点を最大値として、フィン直交領域 Ηの比率を零より大きく最大値以下の範囲内となるように各フィン直交領域 Ηの比率を設定することで、不均一な速度分布を改善できて、且つ、圧力損失の少ない高性能の熱交換器を製造することが可能となる。

[0064] 特に、本発明の熱交換器は、扁平容器 1、 2とフィン 5とを別々に形成し、扁平容器 1、 2のガイドプレート 10、 11間にフィン 5を収容することで構成されているため、ガイドプレート 10、 11に収容するフィン 5 · ·の種類や形状は、アプリケーションや使用用途等に応じてその都度自在に選択することができる。

[0065] 従来の熱交換器は、ガイド部材とフィンとがー体形成されて!/、た。この場合、ガイド部材ゃフィンの形状は金型で予め決まった形状とされてレ、たので、使用用途に応じて最適な形状に変更することができなかった。また、ガイド部材は薄い仕切り板にて形成されており、当該ガイド部材とフィンとがー体形成された扁平容器を積層してュニットを構成した場合、係る形状によりガイド部材の強度が低下するため、高耐圧が困難であった。

[0066] しかしながら、上記に詳述した本発明の構造では、高耐圧を実現でき、且つ、アプリケーシヨンや使用条件等に応じて、フィン直交領域とフィン平行領域の割合や形状を自在に設定することが可能となる。これにより、熱交換器の汎用性の向上も期待でき図面の簡単な説明

園 1]本発明の一実施例の熱交換器の構成を模式的に示した斜視図である。

園 2]図 1の熱交換器の各ユニットの一部を構成するフィンの要部斜視図である。園 3]図 1の熱交換器の各ユニットの一部を構成するフィンの要部斜視図である。園 4]図 1の熱交換器を流れる第 1及び第 2流体の流れを示す説明図である。

園 5]図 2のフィンを流体の流れに対して平行となるよう配置した場合の説明図である園 6]図 2のフィンを流体の流れに対して直交するよう配置した場合の説明図である。

[図 7]Vタイプのユニットを流れる流体の速度分布を示す図である。

[図 8]図 7の流れ方向の速度分布を示す図である。

[図 9]Hタイプのユニットを流れる流体の速度分布を示す図である。

[図 10]図 9の流れ方向の速度分布を示す図である。

園 11]本発明の熱交換器を構成する一例のユニットを模式的に示した正面図である

[図 12]図 7の Vタイプのユニットを流れる流体の速度分布と第 1のユニットを流れる流体の速度分布を示す図である。

[図 13]図 12の第 1のユニットを流れる流体の流れ方向の速度分布を示す図である。

[図 14]図 7の Vタイプのユニットを流れる流体の速度分布と第 2のユニットを流れる流体の速度分布を示す図である。

[図 15]図 14の第 2のユニットを流れる流体の流れ方向の速度分布を示す図である。

[図 16]図 7の Vタイプのユニットを流れる流体の速度分布と第 3のユニットを流れる流体の速度分布を示す図である。

[図 17]図 7の Vタイプのユニットを流れる流体の速度分布と第 4のユニットを流れる流体の速度分布を示す図である。

[図 18]図 12の第 1のユニットを流れる流体の速度分布と第 5のユニットを流れる流体の速度分布を示す図である。

[図 19]図 18の第 5のユニットを流れる流体の流れ方向の速度分布を示す図である。 [図 20]図 14の第 2のユニットを流れる流体の速度分布と第 6のユニットを流れる流体の速度分布を示す図である。

[図 21]図 20の第 6のユニットを流れる流体の流れ方向の速度分布を示す図である。

[図 22]図 12の第 1のユニットを流れる流体の速度分布と第 7のユニットを流れる流体の速度分布を示す図である。

[図 23]図 22の第 7のユニットを流れる流体の流れ方向の速度分布を示す図である。

[図 24]図 14の第 2のユニットを流れる流体の速度分布と第 8のユニットを流れる流体の速度分布を示す図である。

[図 25]図 24の第 8のユニットを流れる流体の流れ方向の速度分布を示す図である。園 26]全てのフィンに対するフィン直交領域 Hの比率の変化に伴う圧力損失と流速偏差量の変化を示す図である。

Claims

請求の範囲

[1] 第 1流体の流路と第 2流体の流路を有して両流体間で熱交換を行わせるものであつて、前記流路が、一端部に流体の流入口と他端部に流体の流出口を有する扁平容器と、該扁平容器内に設けられたフィンから構成される熱交換器において、前記流入口から流出口に向力、う流体の流れ方向に対して前記フィンが直交するフイン直交領域と、前記流入口から流出口に向かう流体の流れ方向に対して前記フィンが平行となるフィン平行領域とを備えたことを特徴とする熱交換器。

[2] 前記フィン直交領域が前記流入口と流出口側に設けられ、各フィン直交領域間に前記フィン平行領域が設けられて!/、ることを特徴とする請求項 1に記載の熱交換器。

[3] 前記フィンは、矩形波状を呈するオフセット型のフィンであることを特徴とする請求項 1又は請求項 2に記載の熱交換器。

[4] 前記第 1流体、若しくは、第 2流体は、二酸化炭素であることを特徴とする請求項 1 乃至請求項 3の何れかに記載の熱交換器。

[5] 前記流体の流れ方向に直交する面における当該流体の最大流速と最小流速との差を、当該流体の流れ方向に対して積算し、全体に対する前記フィン直交領域の比率を増加させていったときに、前記積算値の傾きが緩慢となる変曲点を最大値として、前記フィン直交領域の比率を零より大きく前記最大値以下の範囲内で設定することを特徴とする請求項 1乃至請求項 4の何れかに記載の熱交換器の製造方法。

[6] 前記扁平容器と前記フィンとを別々に形成し、形成された当該フィンを前記扁平容器内に収容することを特徴とする請求項 1乃至請求項 5の何れかに記載の熱交換器の製造方法。