JP2012202608A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＯ_２と水との熱交換など、高圧流体と低圧流体の熱交換に対応した軽量コンパクトな熱交換器を提供する。
【解決手段】水などの低圧流体が流れる扁平管２０ａ，２０ｂ，２０ｃの右側第１開口部９１と右側第２開口部９３とが接合されて出入口部３１が形成されている。この出入口部３１は、流路２１に繋がっている。これら扁平管２０ａ，２０ｂ，２０ｃと、ＣＯ_２などの高圧流体が流れる扁平多穴管４０ａ，４０ｂが交互に積層されている。
【選択図】図１１

Description

本発明は、高圧の冷媒と低圧の冷媒との間で熱交換を行わせるための熱交換器に関する。

従来からあるヒートポンプ式給湯装置の冷媒回路においては、例えば、ＣＯ_２と水との間で熱交換を行わせる水熱交換器が利用されている。このような水熱交換器には、プレート型熱交換器や二重管型熱交換器などの幾つかのタイプがある。例えば、特許文献１（特開平１０−２８８４８０号公報）には、高耐圧かつコンパクトなプレート型熱交換器が記載されている。また、特許文献２（特開２００２−２２８３７０号公報）には、二重管型熱交換器が記載されている。

特許文献１に記載されているようなプレート型熱交換器では、ＣＯ_２などの高圧流体に対応するため、流路内に伝熱プレート同士を接合する箇所を増やさなければならず、高圧流体の流動抵抗が増加するという問題点がある。このような問題を解消しようとすると、流動抵抗を下げるために高圧流体の流路を増やさなければならなくなり、熱交換器が大型化してしまう。また、プレート型熱交換器では、水とＣＯ_２の間を隔てる隔壁に水による腐食等によって穴が開いてしまうと、水とＣＯ_２などの異なる流体が混合して流体の品質が低下する。また、伝熱プレート間で二相冷媒の偏流が発生するというという問題がある。

一方、特許文献２に記載されているように、二重管型熱交換器は、例えば、芯管の周りに螺旋状に熱媒管が巻き付けられた構造を持っている。熱交換後の水温が冷媒温度に近づくように熱交換器効率を高めるためには、熱交換が行われる流路が長い方が好ましいが、二重管型熱交換器の場合には、芯管が長くなると装置内に設置する場合に芯管を曲げる必要が生じる。芯管を曲げる際には、芯管が折れないようにある程度の曲率半径を持たせて曲げることが必要になるため、曲げ部内側や重ね合わせ部に空洞ができ、熱交換器設置占有容積が大きくなる。

本発明の課題は、ＣＯ_２と水との熱交換など、高圧流体と低圧流体の熱交換に対応した軽量コンパクトな熱交換器を提供することにある。

本発明の第１観点に係る熱交換器は、第１流路と第１流路に繋がる第１開口部及び第２開口部とを有する複数の扁平管と、互いに隣接する一方の扁平管の第１開口部と他方の扁平管の第２開口部とが接合されて形成されている第１流体の出入口部と、複数の扁平管と交互に積層され、第１流体よりも高圧の第２流体が流れる複数の第２流路が内部に形成されている複数の扁平多穴管とを備える。

第１観点の熱交換器によれば、扁平管同士の第１開口部と第２開口部が直接接合されて出入口部が形成されることで、第１開口部と第２開口部の間に別部材を設ける必要がなく、熱交換器のコンパクト化を図ることができる。また、扁平管の第１開口部や第２開口部で出入口部を形成するので軽量化が図れる。一方、低圧の第１流体が流れる扁平管と高圧の第２流体が流れる扁平多穴管が交互に積層されるため、熱交換器が高圧流体と低圧流体の熱交換に適した構造を持つものにすることができる。

本発明の第２観点に係る熱交換器は、第１観点に係る熱交換器において、扁平管は、第１プレート及び第２プレートを重ね合わせて接合して形成され、第１プレート及び第２プレートのうちの少なくとも一方は、第１流路を形成するために第１開口部及び第２開口部の配置位置まで延びている凹面部を有する。

第２観点の熱交換器によれば、第１流体と第２流体の流路を第１プレート及び第２プレートからなる扁平管と扁平多穴管という別部材で構成することにより、腐食が発生した際に、第１流体と第２流体との混合を防止することができる。また、第１プレートと第２プレートで出入口部を構成できるので、熱交換器の製造コストを抑制することができる。

本発明の第３観点に係る熱交換器は、第１観点又は第２観点の熱交換器において、複数の扁平管及び複数の扁平多穴管のうちの少なくとも一方は、扁平管と扁平多穴管とが互いに接触する接触領域に、接触領域からはみ出す長さの凹溝が形成されている。

第３観点の熱交換器によれば、この凹溝により、扁平管に穴が開いたときに第１流体を接触領域の外に誘導することができる。それにより、扁平管に穴が開いたことを発見し易くなる。

本発明の第４観点に係る熱交換器は、第１観点から第３観点のいずれかの熱交換器において、複数の扁平管は、第１流路の内部に第１流体の乱流を発生させるための凹部及び凸部のうちの少なくとも一方を有する。

第４観点の熱交換器によれば、凹部や凸部で発生する乱流により伝熱が促進される。

本発明の第５観点に係る熱交換器は、第１観点から第４観点のいずれかの熱交換器において、複数の扁平多穴管は、複数の扁平管の各間に２つずつ配置されて構成されている。

第５観点の熱交換器によれば、一つの扁平管に対して二つの扁平多穴管が接触する勘定になるので、１つの扁平管と熱交換する扁平多穴管を２つに増やすことができる。

本発明の第６観点に係る熱交換器は、第１観点から第５観点のいずれかの熱交換器において、複数の扁平多穴管は、上面視において、真直ぐに形成され、出入口部は、複数の扁平多穴管の脇に配置されている。

第６観点の熱交換器によれば、扁平多穴管の脇に出入口部がある構造を持つ熱交換器を提供できる。

本発明の第７観点に係る熱交換器は、第１観点から第５観点のいずれかの熱交換器において、複数の扁平管は、上面視において、真直ぐに形成され、複数の扁平多穴管の複数の第２流路に第２流体を分配するため複数の扁平多穴管に取り付けられ、扁平管の脇に配置されている出入口分配管をさらに備える。

第７観点の熱交換器によれば、扁平管の脇に出入口分配管がある構造を持つ熱交換器を提供できる。

本発明の第８観点に係る熱交換器は、第１観点から第７観点のいずれかの熱交換器において、出入口部は、扁平管が隣接する方向の第１流体の流れを遮断する仕切部材を有し、扁平管は、仕切部材より上の層と下の層とで第１流体の流れの向きが変わる。

第８観点の熱交換器によれば、仕切部材より上の層と下の層とで第１流体の流れの向きを変えることによって上の層と下の層とを使って第１流体を往復させることができ、第１流体と第２流体との間で熱交換が行われる部分を長くすることができる。

本発明の第９観点に係る熱交換器は、第２観点の熱交換器において、第１開口部は、第１プレートの右端部及び左端部に形成されている右側第１開口部及び左側第１開口部を含み、第２開口部は、第２プレートの右端部及び左端部に形成されている右側第２開口部及び左側第２開口部を含み、出入口部は、右側第１開口部と右側第２開口部とが接合されて形成されている右側出入口部及び左側第１開口部と左側第２開口部とが接合されて形成されている左側出入口部を含む。

第９観点の熱交換器によれば、第１流体の出口と入口を第１開口部と第２開口部の接合によって形成されている右側出入口部と左側出入口部とで構成できる。

本発明の第１０観点に係る熱交換器は、第１観点から第９観点のいずれかの熱交換器において、第１流体は、水を含み、第２流体は、二酸化炭素であり、扁平管は、ステンレス又は銅合金で構成され、扁平多穴管は、アルミニウムで構成されている。

第１０観点の熱交換器によれば、腐食性の高い水に対して、ステンレスや銅合金を用いることで、扁平管に耐腐食性とともに良好な熱伝導性を持たせることができる。一方、扁平多穴管には、加工が容易なアルミニウムを用いることで多数の流路が容易に形成できる。

本発明の第１観点に係る熱交換器では、水とＣＯ_２との熱交換などの低圧の第１流体と高圧の第２流体との熱交換に対応した軽量コンパクトな熱交換器を提供することができる。

本発明の第２観点に係る熱交換器では、腐食が発生した際に第１流体と第２流体との混合が防止できる熱交換器の製造コストを抑制することができる。

本発明の第３観点に係る熱交換器では、凹溝により扁平管に穴が開いたことを発見し易くなり、腐食性の高い冷媒を使い易くなる。

本発明の第４観点に係る熱交換器では、凹部や凸部によって伝熱が促進され、熱交換器効率が向上する。

本発明の第５観点に係る熱交換器では、１つの扁平管に対して熱交換する扁平多穴管の数を増やせるので、熱交換の効率を上げることができる。

本発明の第６観点に係る熱交換器では、扁平多穴管の脇に出入口部を設けたい場合に対応できる。

本発明の第７観点に係る熱交換器では、扁平管の脇に出入口分配管を設けたい場合に対応できる。

本発明の第８観点に係る熱交換器では、仕切部材によって熱交換が行われる部分を長くして、熱交換の効率を上げることができる。

本発明の第９観点に係る熱交換器では、第１開口部と第２開口部の接合によって第１流体の出口と入口が形成でき、コンパクト化と軽量化が図れる。

本発明の第１０観点に係る熱交換器では、第２流体に対する耐圧を上げるとともに第１流体と第２流体の熱交換の高効率化を図ることができる。

第１実施形態の熱交換器を含むヒートポンプ式給湯装置の概要を示す回路図。 冷凍装置の内部構造を模式的に示す断面図である。 第１実施形態に係る熱交換器の構成の概要を示す概念図。 熱交換器の外観を示す部分斜視図。 図４のＩ−Ｉ線断面図。 熱交換器の一構成部材の金属プレートを示す平面図。 図６のＩＩ−ＩＩ線断面図。 図７の金属プレートを折り返した状態を示す断面図。 熱交換器の平面構成を模式的に示す平面図。 （ａ）プレス加工工程を経た金属プレートを示す部分平面図、（ｂ）折り曲げ工程を経た金属プレートを示す部分平面図、（ｃ）第１接合工程を経た扁平管を示す断面図、（ｄ）第２接合工程における扁平管及び出入口ポートを示す断面図、（ｅ）接合体の組立工程を示す部分斜視図、（ｆ）接合後の熱交換器を示す部分斜視図。 右側出入口部の周辺の構造を示す断面図。 第１実施形態の熱交換器の平面構成の他の例を模式的に示す平面図。 第１実施形態の熱交換器の右側出入口部の周辺の他の構造例を示す断面図。 第１実施形態の熱交換器の積層の他の態様を示す模式的な断面図。 第１実施形態の熱交換器の積層の他の態様を示す模式的な断面図。 （ａ）図１５の積層構造に用いられる金属プレートの平面図、（ｂ）図１５の積層構造に用いられる金属プレートの平面図。 図１６（ａ）の金属プレートの配置を示す平面図、（ｂ）扁平管の配置を示す平面図。 （ａ）プレス加工工程を経た金属プレートを示す平面図、（ｂ）折り曲げ工程を経た金属プレートの部分平面図、（ｃ）第１接合工程を経た扁平管を示す断面図、（ｄ）扁平多穴管と出入口分配管の組立体を示す部分斜視図、（ｅ）一体ロウ付された熱交換器を示す部分斜視図。 第２実施形態に係る熱交換器の構成の概要を示す概念図。 （ａ）図１９の熱交換器に用いられる金属プレートの一例を示す平面図、（ｂ）図２０（ａ）の金属プレートと対をなす金属プレートの平面図、（ｃ）図２０（ａ）の金属プレートと対をなす金属プレートの平面図、（ｄ）図２０（ｂ）の金属プレートと対をなす金属プレートの平面図。 第２実施形態の熱交換器の一構成例を説明するための平面図。 図２２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。なお、本発明にかかる熱交換器の実施形態は、以下に説明する実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。本発明に係る熱交換器は、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃなどのフロン系冷媒から二酸化炭素（ＣＯ_２）冷媒を含む自然冷媒を対象としているが、以下においては、ＣＯ_２冷媒を対象とする熱交換器を例に挙げて説明する。

＜第１実施形態＞
（１）ヒートポンプ式給湯装置の構成
図１には、第１実施形態に係る熱交換器を含むヒートポンプ式給湯装置が示されている。ヒートポンプ式給湯装置１は、温水熱源装置である冷凍装置２と、貯湯ユニット３とを備える。

冷凍装置２は、冷媒であるＣＯ_２を圧縮する圧縮機４と、ＣＯ_２と水との間で熱交換を行うための熱交換器１０と、ＣＯ_２の減圧手段としての膨張弁５と、外気とＣＯ_２との間で熱交換を行うための空気熱交換器６とを有している。圧縮機４と熱交換器１０と膨張弁５と空気熱交換器６とが接続されて、ＣＯ_２の循環する冷媒回路が構成される。また、貯湯ユニット３は、貯湯タンク８と、水循環ポンプ９とを備える。水熱交換器１０と貯湯タンク８と水循環ポンプ９とが接続されて、水の循環する水循環回路が構成される。

（１−２）冷凍装置
図２には、冷凍装置の内部構造が模式的に示されている。図２において、断熱壁２ｃの右側区画が機械室２ａであり、断熱壁２ｃの左側区画が送風機室２ｂである。機械室２ａには、圧縮機４や膨張弁５が配置されている。送風機室２ｂには、モータ（図示省略）によって駆動されるファン７が配置されている。送風機室２ｂの下方には、断熱壁２ｄを隔てて熱交換器１０が配置されている。熱交換器１０内にて、冷媒回路を循環するＣＯ_２と、水循環回路を循環する水との間で熱交換が行われる。また、図２において、空気熱交換器６は、送風機室２ｂの左側と背面側に配置されている。

（２）熱交換器の構成の概要
本発明の第１実施形態に係る熱交換器１０は、図３乃至図５に示されているように、多数の扁平管２０と多数の扁平多穴管４０と出入口部３０と出入口分配管５０とを含んで構成される。図３乃至図５には、５つの扁平管２０と４つの扁平多穴管４０とが交互に積層されている例が示されている。ただし、これら積層される扁平管２０や扁平多穴管４０の数は、要求される性能などに応じて適宜選定されるものである。また、この例では、最下段と最上段に扁平管２０が配置されているが、扁平多穴管４０を最下段や最上段に配置することもできる。なお、図４では、扁平管２０の外面の凹凸の記載が省かれている。

扁平管２０には低圧の水が流れ、扁平多穴管４０には高圧によって超臨界状態になっているＣＯ_２が流れる。扁平多穴管４０には高い耐圧が要求される一方、水が流れる扁平管２０には高い耐食性が要求される。そのため、高い耐圧が要求される扁平多穴管４０には、多数の細い流路４１が設けられている。扁平多穴管４０は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅合金、ステンレスなどで形成されている。このような細い多数の流路４１を有する扁平多穴管４０の形成には、アルミニウム及びアルミニウム合金の引き抜き加工や押し出し加工が好適に用いられ、このような加工を用いると安価に扁平多穴管４０を製造することができる。

扁平管２０の母材には、水の腐食性を考慮して、ステンレスや銅合金を用いることが好ましい。ステンレスの種類としては、例えば、ＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６などがある。扁平管２０をアルミニウムやアルミニウム合金からつくることもできるが、その場合には、内面に、アルマイト加工や樹脂コーティングなどの防食処理を施すことが好ましい。

熱交換器１０は、図３に示されているように扁平管２０及び扁平多穴管４０が水平に配置された状態において、出入口部３０として、扁平管２０の右端部に配置される右側出入口部３１と、左端部に配置される左側出入口部３２とを含んでいる。左側出入口部３２の端部や図４に示されている右側出入口部３１の端部には、配管などと接続される出入口ポート３４が設けられる。なお、ここでは、説明を分かり易くするために図３の状態に熱交換器１０を置いた場合について説明しているが、この熱交換器１０は、必ずしも図３の状態で使用されなければならないものではない。例えば、右側出入口部３１を上に配置すると共に左側出入口部３２を下に配置して熱交換器１０を使用することもできる。

扁平管２０の側においては、水は、まず、左側出入口部３２に入り、５つの扁平管２０に分かれてその中を左から右に向かって流れ、右側出入口部３１から出る。そして、水は、扁平管２０の中を流れる間に扁平多穴管４０のＣＯ_２から与えられる熱で加熱される。

また、熱交換器１０には、出入口分配管５０として、扁平多穴管４０の右端部に配置される右側出入口分配管５１と、左端部に配置される左側出入口分配管５２とを含んでいる。ＣＯ_２は、左側出入口分配管５２に入り、４つの扁平多穴管４０に分かれてその中を左から右に向かって流れ、右側出入口分配管５１から出る。そして、ＣＯ_２は、扁平多穴管４０の中を流れる間に扁平管２０の水に熱を奪われて冷却される。

（３）金属プレートの構造
図６は、扁平管と出入口部を形成するための金属プレートの平面図である。金属プレート８０の平面形状が、左右に長い略長方形であって、第１長辺８１と第２長辺８２の左右の両端部に４つの膨出部が形成されている。金属プレート８０は、第１プレート８０１と第２プレート８０２が一体に接続されてなる。４つの膨出部は、右側第１膨出部８６、左側第１膨出部８７、右側第２膨出部８８及び左側第２膨出部８９である。右側第１膨出部８６には右側第１開口部９１が形成され、左側第１膨出部８７には左側第１開口部９２が形成され、右側第２膨出部８８には右側第２開口部９３が形成され、左側第２膨出部８９には左側第２開口部９４が形成されている。

これら右側第１開口部９１、左側第１開口部９２、右側第２開口部９３及び左側第２開口部９４は、円形であって、全て同じ大きさである。また、右側第１開口部９１及び左側第１開口部９２は、第１長辺８１の延長線よりも外側にはみ出して配置され、右側第２開口部９３及び左側第２開口部９４は、第２長辺８２の延長線よりも外側にはみ出して配置されている。ただし、これらの形状は、水漏れし難くするために同じ形状であればよく、円形には限られない。また、配置される位置や大きさは流量や流路に合わせて設定される。

図７は図６のＩ−Ｉ線断面図である。図６に示されているように、金属プレート８０には、凹面部９５がプレス加工によって形成されている。凹面部９５は、金属プレート８０の外周８３に沿って形成されている所定幅の周縁部８４の内側の領域を占める。ただし、第１長辺８１と第２長辺８２との中間に在ってこれらに平行に形成されている中央部８５は、凹面ではなく、周縁部８４と同じ高さに形成されている。つまり、凹面部９５は、中央部８５を境に、第１プレート８０１に形成されている第１凹面部９６と第２プレート８０２に形成されている第２凹面部９７とに分かれる。そして、右側第１開口部９１及び左側第１開口部９２は第１凹面部９６に形成され、右側第２開口部９３及び左側第２開口部９４は第２凹面部９７に形成されている。これら右側第１開口部９１、左側第１開口部９２、右側第２開口部９３及び左側第２開口部９４は、第１凹面部９６及び第２凹面部９７の中でもさらに一段深くなった凹部９８に配置されている。

図８には、図６及び図７に示されている金属プレート８０が折り曲げられた後の状態が示されている。図６に示されているように、金属プレート８０は、中央部８５の中心を通って左右に伸びる直線１００で折り曲げられる。図８のように折り曲げられると、第１長辺８１と第２長辺８２が一致するように周縁部８４が重なり、第１プレート８０１と第２プレート８０２が合わさる。第１プレート８０１と第２プレート８０２が合わさったときの第１凹面部９６と第２凹面部９７とによって流路２１が形成される。そして、この流路２１は、右側第１開口部９１、左側第１開口部９２、右側第２開口部９３及び左側第２開口部９４まで続いている。金属プレート８０が折り曲げられることにより、右側第１開口部９１と右側第２開口部９３及び左側第１開口部９２と左側第２開口部９４がそれぞれ対向して配置される。対向して配置されることで、出入口部３０が真直ぐに形成される。折り曲げられた金属プレート８０において重なっている周縁部８４が巻締めやロウ付によってシールされて１本の扁平管２０が形成される。

また、凹面部９５が形成されるプレス加工の際に、第１凹面部９６には、第１凹面部９６の底面側から周縁部８４の側に向かって突出している凸条２２が形成される。同様に、プレス加工時に、第２凹面部９７の底面側から周縁部８４の側に向かって突出している凸条２３が形成される。凸条２２と凸条２３は、図６においては、第１長辺８１や第２長辺８２に対して同じ角度で傾斜している。そのため、金属プレート８０が折り曲げられたときには、平面視において、凸条２２と凸条２３とが交わるように配置される。これら凸条２２，２３によって、流路２１を水が流れるときに乱流が発生し、水と金属プレート８０との間の熱伝達の効率が良くなる。

凸条２２，２３が凹面部９５の底面に形成されるため、凹面部９５の反対すなわち扁平管２０の外面２９がへこんで凹条２４，２５が現れる。これら凹条２４，２５の機能については後述する。

（４）扁平管と扁平多穴管の積層構造
（４−１）熱交換器の平面構造
図９には、熱交換器１０の構成が模式的に示されており、平面視において、扁平管２０及び扁平多穴管４０が真直ぐな形状を有している。図９においては、凹条２４の構成を説明するため、図４に示されているにおける最上段の扁平管２０の記載が省かれている。右側出入口部３１及び左側出入口部３２が扁平多穴管４０の脇に形成されている。一方、右側出入口分配管５１及び左側出入口分配管５２は、扁平多穴管４０の両端部に設けられている。そのため、製造時に、扁平多穴管４０を真直ぐに成形できるため、扁平多穴管４０を曲げる際に応力が作用して扁平多穴管４０が破損するなどの不具合が生じ難く、製造が容易にある。

扁平管２０と扁平多穴管４０との接合領域、すなわち図９においては扁平多穴管４０の投影部分から凹条２４がはみ出している。図９には示されていないが、底面側から見ると、凹条２５が扁平管２０と扁平多穴管４０との接合領域からはみ出す。これら凹条２４，２５により、腐食などが原因で、扁平管２０に亀裂が生じて水漏れが生じたときに凹条２４，２５を伝って水が接合部分の外に染み出すため、亀裂などによる水漏れを発見できるようになる。

（４−２）熱交換器の製造工程
図１０は、熱交換器の製造の概略を示す工程図である。図１０（ａ）は、プレス加工工程によって成形された金属プレートを示す部分平面図である。既に説明したように、金属製平板のプレス加工を行なうことによって、図１０（ａ）に示されている形状の金属プレート８０が成形される。すなわち、一度のプレス加工によって、平面状の金属製平板が外周８３に沿って打ち抜かれ、右側第１開口部９１、左側第１開口部９２、右側第２開口部９３及び左側第２開口部９４が形成される。このとき同時に、凹面部９５と凸条２２，２３及び凹条２４，２５（図７参照）や凹部９８が形成される。

図１０（ｂ）は、折り曲げ工程によって加工された金属プレートを示す部分平面図である。次に、金属プレート８０が折り曲げられて第１プレート８０１と第２プレート８０２が重ね併せられた状態が示されている。ただし、図１０（ｂ）に示されている状態では、金属プレート８０の周縁部８４は未だ接合されていない。折り曲げ工程では、このように、折り曲げられただけでまだ接合されていない金属プレート８０が多数形成される。

図１０（ｃ）は、第１接合工程によって周縁部が接合された扁平管を示す断面図である。重ね合わせられた第１プレート８０１と第２プレート８０２の周縁部８４がロウ付又は溶接によって接合される。この周縁部８４が接合された箇所が第１接合部１０１である。

図１０（ｄ）は、第２接合工程によって扁平管同士及び出入口ポートが接合された扁平管及び出入口ポートを示す断面図である。扁平管２０同士がロウ付又は溶接によって接合される。また、最上段の扁平管２０に出入口ポート３４がロウ付又は溶接によって接続される。扁平管２０同士が接合される部分、すなわち右側第１開口部９１と右側第２開口部９３の接合部分及び、左側第１開口部９２と左側第２開口部９４の接合部分が第２接合部１０２である。この図１０（ｄ）の工程を経て扁平管２０の接合体が形成される。

図１０（ｅ）は、出入口部が形成された扁平管と扁平多穴管及び出入口分配管の接合体の組立工程を説明するための部分斜視図である。図１０（ｄ）に示した扁平管の接合工程と並行して、手ロウ付や高周波ロウ付などのロウ付や溶接によって扁平多穴管４０と右側出入口分配管５１及び左側出入口分配管５２の接合が行なわれ、図１０（ｅ）に示されている接合体が準備される。上述の扁平管２０の接合体と扁平多穴管４０の接合体が組み合わされて組立体が形成される。

図１０（ｆ）は、接合工程で扁平管と扁平多穴管が接合された熱交換器を示す部分斜視図である。図１０（ｅ）の組立体、すなわち扁平管２０と右側出入口部３１と左出入口部３２と扁平多穴管４０と右側出入口分配管５１と左側出入口分配管５２とからなる組立体から、例えば、６００℃のノコロックロウ付などの一体ロウ付によって、熱交換器１０が形成される。

（４−３）出入口部の構造
ここで、右側出入口部３１及び左側出入口部３２の接合部分の周辺の構造について説明する。図１１には、右側出入口部３１の周辺の構造が示されている。左側出入口部３２の周辺の構造は右側出入口部３１と同じであるため説明を省略する。図１１において、扁平管２０ａ，２０ｂが互いに隣接する一方の扁平管と他方の扁平管である。扁平管２０ａ，２０ｂの流路２１を構成する金属壁（金属プレート８０）と扁平多穴管４０とが接触している状態で、扁平管２０ａの右側第１開口部９１と扁平管２０ｂの右側第２開口部９３とが接触する。このように、扁平管２０ａ，２０ｂの間に扁平多穴管４０ａが挟み込まれた状態で右側第１開口部９１と右側第２開口部９３で接触する構成とするために、プレス加工の際に、右側第１開口部９１や右側第２開口部９３の周囲だけさらに深い凹部９８が形成されている。

扁平管２０ｂ，２０ｃについても、扁平管２０ａ，２０ｂの場合と同様に、扁平管２０ｂ（一方の扁平管）の右側第１開口部９１と扁平管２０ｃ（他方の扁平管）の右側第２開口部９３が接合され、扁平管２０ｂ，２０ｃの隙間に扁平多穴管４０ｂが挟み込まれる。

図１１に示されている扁平管２０ａ，２０ｂ，２０ｃは、アルミニウムなどのロウ付が容易な金属を母材としている。そのため、扁平管２０ａ，２０ｂ，２０ｃを形成する金属プレート８０の表面同士や裏面同士などいずれの面を合わせても接合することができる。

（５）特徴
（５−１）
図１１などに示されているように、上述の熱交換器１０においては、扁平管２０と扁平多穴管４０とが交互に積層されている。扁平管２０の１つの流路２１（第１流路）に圧力の低い水（第１流体）が流れ、扁平多穴管４０の流路４１（第２流路）には高圧のＣＯ_２（第２流体）が流れている。このように扁平多穴管４０に高圧流体が流れ、扁平管２０に低圧流体が流れる構成としていることで、扁平多穴管４０の流路４１を複数にして細く形成することができ、この熱交換器１０を、高圧流体と低圧流体の熱交換に適したものとすることができる。

例えば、互いに隣接する扁平管２０ａ（一方の扁平管）の右側第１開口部９１（第１開口部）と扁平管２０ｂ（他方の扁平管）の右側第２開口部９３（第２開口部）とが直接ロウ付される。そのため、右側第１開口部９１と右側第２開口部９３との接続に別部材を必要とせず、互いに隣接する扁平管２０の配置間隔が小さくなり、扁平管２０と扁平多穴管４０の積層方向の熱交換器１０の寸法を小さくすることができる。この点については、左側第１開口部９２と左側第２開口部９４の接合に関しても同様である。

（５−２）
図１１に示されているように、扁平多穴管４０ａ，４０ｂは、例えば、互いに隣接する扁平管２０ａと扁平管２０ｂとの間や扁平管２０ｂと扁平管２０ｃとの間に配置されている。そして、扁平管２０ａ，２０ｂ，２０ｃは、扁平多穴管４０ａ，４０ｂとは別部材の金属プレート８０から形成されている。そのため、例えば、扁平管２０ａ，２０ｂ，２０ｃのいずれかに腐食などによって穴が開いて水漏れがしても、漏れた水は扁平多穴管４０ａ，４０ｂを通過して流路４１にまで達することができず、水とＣＯ２とが混じることが防止される。また、扁平管２０ａ，２０ｂ，２０ｃのような金属板のプレス加工で簡単に流路２１や右側第１開口部９１や右側第２開口部９３を形成することができるので、安価に熱交換器１０を提供できる。

（５−３）
図９に示されている凹条２４（凹溝）は、上面視において扁平多穴管４０よりも外側にはみ出している。つまり、扁平多穴管４０と扁平管２０とが接合される接触領域よりもはみ出す長さを凹条２４（凹溝）が有しているということである。そのため、扁平管２０に穴が開いた場合に、水がこの凹条２４を伝って熱交換器１０の外観上の見える部分に導かれる。この熱交換器１０の外観に現れた水によって扁平管２０に穴が開いたことを検知できる。それにより、水漏れが内部で進行して、扁平多穴管４０に腐食を生じるなどの不具合の発生を防止し易くなる。図９においては、熱交換器１０を上から見ているため、底面側に配置される凹条２５（凹溝）は見えないが、底面側に配置される凹条２５についても、上述の凹条２４と同様の効果を奏する。

なお、上記実施形態では、扁平管２０に凹条２４，２５を形成する場合について説明したが、扁平多穴管４０の外表面に凹溝を形成してもよい。例えば、扁平多穴管４０の外表面の一部をエンドミルで削り取るなどの機械加工によって、扁平多穴管４０の外表面に凹溝を形成することができる。上述の凹条２４，２５はプレス加工によって形成されているので安価に製造できるが、形成方法はプレス加工に限られるものではなく、切削などの機械加工やエッチングなどの化学加工を用いることもできる。

（５−４）
図８に示されているように、扁平管２０の流路２１に凸条２２，２３（凸部）が形成されるため、流路２１を流れる水が、これら凸条２２，２３によって生じる乱流でかき混ぜられる。そのため、流路２１を流れる水に層流が生じて、水と扁平管２０との間の熱の伝達効率が悪くなるのを防止することができる。

図８では、凸条２２，２３（凸部）によって乱流を発生させる場合について説明したが、凹条（凹部）を設けても乱流を発生させることができ、同様の効果を期待できる。また、凸部や凹部は、凸条２２，２３のように長く繋がっていなくてもよく、例えばディンプルのような形状であってもよい。

（５−５）
扁平多穴管４０は、アルミニウムで形成されており、引き抜き加工や押し出し加工によって細い流路４１を多数形成できる。そのため、扁平多穴管４０を高圧流体に適した形状に加工することが容易である。一方、扁平管２０がステンレス又は銅合金で形成される場合には、水などの腐食性のある低圧流体に対して適した扁平管を提供できる。また、ステンレスや銅合金は熱伝導性が良いので、水とＣＯ_２の熱交換の高効率化を図ることができる。

（６）変形例
（６−１）
上記実施形態では、図９に示されているように、右側出入口部３１と左側出入口部３２（出入口部３０）が扁平多穴管４０の脇に配置される場合について説明した。しかし、出入口部３０が配置される位置は、扁平多穴管４０の脇には限られない。例えば、図１２に示されている熱交換器１０Ａように、右側出入口部３１Ａと左側出入口部３２Ａを扁平管２０Ａの両端部に配置するとともに出入口分配管５０Ａが扁平管２０Ａの脇に配置されるように構成されてもよい。

（６−２）
水を冷媒とするため、母材に耐食性に優れたステンレスや銅合金を用いる場合にはロウ付が難しくなる。そこで、図１３に示されているように、ステンレス又は銅合金の扁平管２０ａ,２０ｂ，２０ｃの外側にフィラー材１４０としてアルミニウムがクラッドされる。母材にステンレスや銅合金などの接合が難しい材料を用いた場合でも、外側のフィラー材１４０が溶融して接合される。このような接合を行なうため、図１３の第１接合部１０１では、フィラー材１４０同士が接触するように折り曲げられている。

（６−３）
変形例５−２と同様に母材にステンレスや銅合金を用いる場合に、図６の金属プレート８０の周縁部８４にフィラー材をクラッドするように構成することもできる。つまり、図８のように折り曲げたときに第１プレート８０１と第２プレート８０２の周縁部８４同士が接触する面にフィラー材がクラッドされる。母材にステンレスや銅合金などを用いた場合にフィラー材がクラッドされている部分を接合面にもってくると、上述の図１３の第１接合部１０１ように、金属プレート８０を曲げる工程を省くことができる。

（６−４）
ステンレスや銅合金を扁平管２０ａ，２０ｂ，２０ｃの母材として用い、シート状またはペースト状のロウ材及びフラックス塗布により、第２接合部、第３接合部及び第４接合部を接合するようにしてもよい。

（６−５）
図１３の第３接合部１０３、すなわちアルミニウム製の扁平多穴管４０，４０ｂに接触する領域にもアルミニウムのフィラー材１４０がクラッドされている。このように、フィラー材１４０によって交互に積層される扁平管２０ａ，２０ｂ，２０ｃと扁平多穴管４０ａ，４０ｂとの接合が行なわれると、扁平管２０ａ，２０ｂ，２０ｃと扁平多穴管４０ａ，４０ｂの密着性を向上させることができる。それにより、扁平管２０ａ，２０ｂ，２０ｃと扁平多穴管４０ａ，４０ｂの間の熱伝導抵抗を低減することができる。

（６−６）
上記実施形態においては、扁平管２０と扁平多穴管４０が幅広の面を接触させて交互に積層され縦に積み上げられる態様として、図５に示されているように、一つの扁平管２０と一つの扁平多穴管４０が交互に積層される場合が説明されている。しかし、扁平管２０と扁平多穴管４０が交互に積層される態様はこれだけには限られず、例えば、図１４や図１５に示されている態様も含まれる。

図１４に示されている熱交換器１０Ｂは、一つの扁平管２０Ｂに対して積層された２つの扁平多穴管４０が交互に縦に積層された構造を有している。ただし、最上段と最下段に配置される扁平多穴管４０は１層である。このように配置されることにより、一つの扁平管２０Ｂの中の水がそれを挟む二つの扁平多穴管４０に流れるＣＯ_２によって加熱されるので、水を加熱することに関して熱交換器１０Ｂは熱交換器１０よりも高い能力を有している。なお、この扁平管２０Ｂは、互いに隣接する扁平管２０Ｂ同士の間に扁平多穴管４０の２個分に相当する間隔を形成するため、扁平管２０の右側第１開口部９１、左側第１開口部９２、右側第２開口部９３及び左側第２開口部９４が形成される凹部９８がさらに深くなっている。

また、図１５に示されているように、一つの扁平管２０Ｃを二つの扁平多穴管が挟むように積層されている積層体Ｐ１を一組として、この扁平管２０Ｃと扁平多穴管４０の積層体Ｐ１を多数組み横に並べてもよい。図１５には、３組しか示されていないが、２組であってもよく、また４組以上であってもよい。このように、横に並べるには、例えば、図１６（ａ）及び図１６（ｂ）に示されている金属プレート８０ｄ，８０ｅを用いて構成することができる。図１６（ａ）の金属プレート８０ｄは、図６の第１プレート８０１に相当するものであるが、右側第１膨出部８６、左側第１膨出部８７、右側第２膨出部８８及び左側第２膨出部８９を備えている。そして、右側第１膨出部８６、左側第１膨出部８７、右側第２膨出部８８及び左側第２膨出部８９に、それぞれ右側第１開口部９１、左側第１開口部９２、右側第２開口部９３及び左側第２開口部９４が形成されている。このような金属プレート８０ｄは、図１７（ａ）に示されるように、凹面部９５が上下に交互に向くように並べられる。図１７（ａ）においては、左端と右端の金属プレート８０ｄの凹面部９５が上を向いており、中央の金属プレート８０ｄの凹面部９５が下を向いている。図１７（ａ）では、３枚の金属プレート８０ｄの右側第１開口部９１、左側第１開口部９２、右側第２開口部９３及び左側第２開口部９４を嵌め合わせる。そして、図１７（ｂ）に示されているように金属プレート８０ｅを被せてロウ付する。図１７（ｂ）のように平面的に並んだ扁平管２０の上下に、図１５に示されているように扁平多穴管４０が積層される。扁平多穴管４０と扁平管２０との接合も、金属プレート８０ｄ，８０ｅのロウ付と同時に行ってもよい。

（６−７）
図１８は、熱交換器の他の製造工程の概略を示す工程図である。図１８（ａ）は、プレス加工によって形成された金属プレートを示す平面図である。図１８（ｂ）は、折り曲げ工程で形成された金属プレートの部分平面図である。図１８（ｃ）は扁平多穴管と出入口分配管の組立工程を説明するための部分斜視図である。図１８（ｄ）は、一体ロウ付された扁平管と扁平多穴管と出入口分配管を示す部分斜視図である。

図１８（ａ）及び図１８（ｂ）に示されている工程は、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）について説明した工程と同じであるので説明を省略する。

図１８（ｂ）の工程と並行して、図１８（ｃ）に示されている扁平多穴管４０と右側出入口分配管５１及び左側出入口分配管５２の組み立てが行なわれる。扁平多穴管４０の外形に合わせて形成された右側出入口分配管５１及び左側出入口分配管５２の複数の開口部（図示省略）に扁平多穴管４０が嵌め込まれる。それにより、互いに固定されていない状態で、右側出入口分配管５１及び左側出入口分配管５２に複数の扁平多穴管４０が嵌め込まれた組立体が形成される。

次に、折り曲げられた複数の金属プレート８０（図１８（ｂ）参照）が、扁平多穴管４０と右側出入口分配管５１などからなる組立体（図１８（ｃ）参照）に載置される。それにより、右側出入口分配管５１と左側出入口分配管５２と扁平多穴管４０と扁平管２０からなる最終組立体が形成される。最終組立体は、組み立てられた状態では、各部材同士が結合されているものではない。この最終組立体の各部を炉中に入れて、例えば、６００℃のノコロックロウ付などの一体ロウ付により、図１８（ｄ）に示されている熱交換器１０が形成される。ロウ付によって接合される部分は、第一接合部１０１（金属プレート８０の周縁部８４）、第２接合部１０２（右側出入口部３１及び左側出入口部３２を構成する互いに隣接する右側第１開口部９１と右側第２開口部９３及び左側第１開口部９２と左側第２開口部９４）、第３接合部１０３（右側出入口分配管５１及び左側出入口分配管５２と扁平多穴管４０）、並びに第４接合部１０４（扁平管２０と扁平多穴管４０とが互いに接触する面）である。

＜第２実施形態＞
（１）熱交換器の構成
上記第１実施形態では、図３に示されているように、扁平管２０Ｄを水が流れる向きは全て左から右で、扁平多穴管４０ＤをＣＯ_２が流れる向きは全て右から左である。図３のような構成を持つ熱交換器１０Ｄは、５つの扁平管２０Ｄの流路２１の断面積の総和は、単純に一つの扁平管２０Ｄの５倍になる。同様に、扁平多穴管４０Ｄの流路４１の断面積の総和も扁平多穴管４０Ｄの数に比例する。そのため、冷媒の流量が多い場合には有利であるが、熱交換が行われる接触部分の長さは扁平管２０Ｄや扁平多穴管４０Ｄの長さにほぼ等しくなる。

図１９は、第２実施形態に係る熱交換器の構成を模式的に示す概念図である。第２実施形態の熱交換器１０Ｄは、冷媒の流量よりも熱交換のための接触部分を長くしたい場合に有利な構成を持っている。

図１９に示されている熱交換器１０Ｄは、上から２段目と３段目の扁平管２０Ｄの間の左側出入口部３２を塞ぐ仕切部材３２ａ、上から４段目と５段目の扁平管２０Ｄの間の右側出入口部３１を塞ぐ仕切部材３１ａ、及び上から６段目と７段目の扁平管２０Ｄの間の左側出入口部３１を塞ぐ仕切部材３２ｂを備えている。それにより、水が流れる流路を往復させることができる。具体的には、左側出入口部３２の上から水が入り、上から１段目と２段目の扁平管２０Ｄの中を左から右へ流れ、上から３段目と４段目の扁平管２０Ｄの中を右から左へ流れ、上から５段目と６段目の扁平管２０Ｄの中を左から右に流れ、そして、上から７段目と８段目の扁平管２０Ｄの中を右から左に流れて左側出入口部３１の下から湯が出る。

また、熱交換器１０Ｄは、下から２段目と３段目の扁平多穴管４０Ｄの間の左側出入口分配管５２を塞ぐ仕切部材５２ａ、下から４段目と５段目の扁平多穴管４０Ｄの間の右側出入口分配管５１を塞ぐ仕切部材５１ａ、及び下から６段目と７段目の扁平多穴管４０Ｄの間の左側出入口分配管５２を塞ぐ仕切部材５２ｂを備えている。それにより、ＣＯ_２が流れる流路を往復させることができる。具体的には、左側出入口分配管５２の下からＣＯ_２が入り、下から１段目と２段目の扁平多穴管４０Ｄの中を左から右へ流れ、下から３段目と４段目の扁平多穴管４０Ｄの中を右から左へ流れ、下から５段目と６段目の扁平多穴管４０Ｄの中を左から右に流れ、そして、上から７段目と８段目の扁平多穴管４０Ｄの中を右から左に流れて左側出入口分配管５２の上から冷やされたＣＯ_２が出る。

（２）扁平管の配置
扁平管２０を平面的に並べる場合、図２０（ａ）、図２０（ｂ）、図２０（ｃ）及び図２０（ｄ）に示されているように、４種類の金属プレート８０ｆ，８０ｇ，８０ｈ，８０ｉを用いて、図２１に示されているように並べることもできる。そのためには、まず、金属プレート８０ｆの右側第１開口部９１及び左側第１開口部９２に、金属プレート８０ｇの右側第２開口部９３及び左側第２開口部９４を嵌め合わせる。そして、金属プレート８０ｆに金属プレート８０ｈを重ね合わせ、金属プレート８０ｇに金属プレート８０ｉを重ね合わせてロウ付する。それにより、図２１に示されている扁平管２０Ｄが形成される。この扁平管２０Ｄの上下に、図１５に示されているように扁平多穴管４０Ｄが積層される。図２１の熱交換器１０Ｄは、隣接する扁平管２０Ｄを流れる。

このように構成する場合には、図２１に示されているように、出入口部３０Ｄと扁平多穴管４０Ｄとが平面視において交差する。そのため、図２２に示されているように、扁平多穴管４０Ｄが出入口部３０Ｄを避けるように少し曲げられ、出入口分配管５０Ｄに接続される。

（３）特徴
左側出入口部３２を塞ぐ仕切部材３２ａ，３２ｂ及び右側出入口部３１を塞ぐ仕切部材３１ａによって、水は、上から１段目と２段目で右へ流れ、上から３段目と４段目で左へ流れ、上から５段目と６段目で右に流れ、そして、上から７段目と８段目で左に流れて、扁平管２０Ｄを２回往復する。そのため、第１実施形態の熱交換器１０Ｄのように一方向にしか流れない場合に比べて、扁平管２０Ｄ中を４倍の距離も流れることになり、水の温度をＣＯ_２の温度により近づけることができ、熱交換の効率を上げることができる。

仕切部材３１ａ，３２ａ，３２ｂは、第１開口部や第２開口部の開口を行なわないことにより、簡単に形成できる。

この点は、ＣＯ_２に関しても同様であり、左側出入口分配管５２を塞ぐ仕切部材５２ａ，５２ｂ及び右側出入口分配管５１を塞ぐ仕切部材５１ａによって、ＣＯ_２は、下から１段目と２段目で右へ流れ、下から３段目と４段目で左へ流れ、下から５段目と６段目で右に流れ、そして、下から７段目と８段目で左に流れて、扁平多穴管４０Ｄを２回往復する。そのため、第１実施形態の熱交換器１０Ｄのように一方向にしか流れない場合に比べて、扁平多穴管４０Ｄ中を４倍の距離も流れることになり、ＣＯ_２の熱を十分に水に与えることができ、熱交換の効率を上げることができる。

（４）変形例
（４−１）
上記実施形態では、仕切部材３１ａ，３２ａ，３２ｂを２つの段の扁平管２０Ｄ毎に流れの向きが変わるように配置しているが、１段毎に流れの向きが変わるように配置してもよく、或いは３つ以上の段毎に流れの向きが変わるように配置してもよい。仕切部材５１ａ，５２ａ，５２ｂについても同様である。

（４−２）
上記実施形態では、左側出入口部３２から水が入って左側出入口部３２から出るように構成されているが、左側出入口部３２から水が入って右側出入口部３１から出るように構成されてもよい。

１０ 熱交換器
２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ 扁平管
３０，３１，３２ 出入口部
４０，４０ａ，４０ｂ 扁平多穴管

特開平１０−２８８４８０号公報 特開２００２−２２８３７０号公報

Claims (10)

1. 第１流路（２１）と前記第１流路に繋がる第１開口部（９１，９２）及び第２開口部（９３，９４）とを有する複数の扁平管（２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ）と、
   互いに隣接する一方の前記扁平管の前記第１開口部と他方の前記扁平管の前記第２開口部とが接合されて形成されている前記第１流体の出入口部（３０，３１，３２）と、
   複数の前記扁平管と交互に積層され、前記第１流体よりも高圧の第２流体が流れる複数の第２流路が内部に形成されている複数の扁平多穴管（４０，４０ａ，４０ｂ）と、
   を備える、熱交換器。
2. 前記扁平管は、第１プレート（８０１）及び第２プレート（８０２）を重ね合わせて接合して形成され、
   前記第１プレート及び前記第２プレートのうちの少なくとも一方は、前記第１流路を形成するために前記第１開口部及び前記第２開口部の配置位置まで延びている凹面部（９５，９６，９７）を有する、
   請求項１に記載の熱交換器。
3. 複数の前記扁平管及び複数の前記扁平多穴管のうちの少なくとも一方は、前記扁平管と前記扁平多穴管とが互いに接触する接触領域に、前記接触領域からはみ出す長さの凹溝（２４，２５）が形成されている、
   請求項１又は請求項２に記載の熱交換器。
4. 複数の前記扁平管は、前記第１流路の内部に前記第１流体の乱流を発生させるための凹部及び凸部（２２，２３）のうちの少なくとも一方を有する、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の熱交換器。
5. 複数の前記扁平多穴管は、複数の前記扁平管の各間に２つずつ配置されて構成されている、
   請求項１から４のいずれか一項に記載の熱交換器。
6. 複数の前記扁平多穴管は、上面視において、真直ぐに形成され、
   前記出入口部は、複数の前記扁平多穴管の脇に配置されている、
   請求項１から５のいずれか一項に記載の熱交換器。
7. 複数の前記扁平管は、上面視において、真直ぐに形成され、
   複数の前記扁平多穴管の複数の前記第２流路に前記第２流体を分配するため複数の前記扁平多穴管に取り付けられ、前記扁平管の脇に配置されている出入口分配管をさらに備える、請求項１から６のいずれか一項に記載の熱交換器。
8. 前記出入口部は、前記扁平管が隣接する方向の前記第１流体の流れを遮断する仕切部材を有し、
   前記扁平管は、前記仕切部材より上の層と下の層とで前記第１流体の流れの向きが変わる、
   請求項１から７のいずれか一項に記載の熱交換器。
9. 前記第１開口部は、前記第１プレートの右端部及び左端部に形成されている右側第１開口部及（９１）び左側第１開口部（９２）を含み、
   前記第２開口部は、前記第２プレートの右端部及び左端部に形成されている右側第２開口部（９３）及び左側第２開口部（９４）を含み、
   前記出入口部は、前記右側第１開口部と前記右側第２開口部とが接合されて形成されている右側出入口部（３１）及び前記左側第１開口部と前記左側第２開口部とが接合されて形成されている左側出入口部（３２）を含む、
   請求項２に記載の熱交換器。
10. 前記第１流体は、水を含み、
    前記第２流体は、二酸化炭素であり、
    前記扁平管は、ステンレス又は銅合金で構成され、
    前記扁平多穴管は、アルミニウムで構成されている、
    請求項１から９のいずれか一項に記載の熱交換器。

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