JP3439760B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、一般にプレートフィン熱交換器として知ら
れる種類の熱交換器に関する。

プレートフィン熱交換器内の流体通路は、高温の流体
がいくつかの通路を通り、低温の流体がそれに隣接する
通路を介して通過するときに、隔壁の厚みを通る冷却流
体への熱伝導によって高温流体の冷却を行うように十分
に高い熱伝達係数を有する金属の隔壁によって画成され
ている。熱交換の効率は、いわゆる「フィン」を流体流
通路内に含むことによって増大され、このフィンは、実
際は、フィンの代わりに波形部材、くぼみ、溝、突出
部、バフルまたは他の乱流発生装置であってもよい。

プレートフィン熱交換器は、重量、スペース熱効率及
びいくつかの処理流すなわち熱交換媒体の流れを同時に
処理する能力に関してシェルチューブ熱交換器に比較し
て著しい長所がある。しかしながら、最近のプレートフ
ィン熱交換器技術は、アルミニウムの構成部品を使用し
てろう付けされたマトリックス構造上に中心が置かれ、
従って、低圧及び低温の使用に限定される。ステンレス
スチールのような他の材料を使用する場合でも、製造方
法としてろう付けを使用することによって動作圧力が限
定される（例えば80−90バール）。

当出願人の先行する特許出願EP90308923.3号及びGB90
12618.6号（特公平７−58158号公報参照）は、上記問題
を解決しそれらの設計において大きな柔軟性を可能とす
る助けとなるプレートフィン熱交換器エレメントを製造
する他の方法を開示する。この装置方法では特に、金属
（例えば、チタニウムまたはステンレススチール）のシ
ートが一緒に積み重ねられ、互いに選択的に拡散接合さ
れ、一体的に形成された「フィン」を組み込むことがで
きる内部通路を画成する最終の中空の形状に超塑性的に
変形される。製造工程において超塑性変形を使用するこ
とによって熱交換器エレメントの中空部の大きな容積部
の形成を可能にする。例えば、チタニウムシートが、開
始点として使用されるならば、その結果、200バールを
越える内部圧力で、300℃に達する温度で作動すること
ができる高度に集約された軽量の熱交換エレメントがつ
くられる。ステンレススチールエレメントは高温及び高
圧で作用する。

本発明の１つの目的は、超塑性的に形成され且つ拡散
接合された熱交換プレートエレメントのマトリックスを
組み込む熱交換器の製造及び組み立てを容易にすること
である。

他の目的は、このようなエレメントの非常に高度に一
体的なマトリクスを提供することである。

本発明によれば、少なくとも２つの処理流の間の熱交
換を容易にするためのプレートフィンタイプの熱交換器
は、熱交換の関係に並列に配置された熱交換プレートエ
レメントのマトリックスであって、２つの外側シート
と、前記２つの外側シートの間に配置され、少なくとも
１つの処理流のために流体通路装置を提供するよう超塑
性的に拡張されたコアシートとを有する拡散接合サンド
ウィッチ構造を有し、隣接する熱交換エレメントは、そ
れらの間の接合部を介してそれらの側面の領域の少なく
とも大部分にわたって互いに緊密に熱的接触を有するマ
トリックスと、熱交換プレートエレメントを通る処理流
を通過させるためにマトリックスと一体であって、熱交
換プレートエレメントの厚みを貫通してマトリックスを
横断貫通する処理流入り口及び出口マニフォルド装置と
を有する。

好ましくは、熱交換器マトリックスの最大限の強度及
び耐熱及び耐腐食性のために、隣接プレートエレメント
の間の接合部は、冶金学的に接合された接合部、特に拡
散接合または活性化接合された接合部である。活性拡散
接合が利用されるとき、接合部は、貫通される熱交換プ
レートエレメントの間の接合部の間隔を密封するガス溶
接によってマニフォルド装置内の処理流の流体との接触
から保護されることが好ましい。

本発明の他の観点は、次の説明及び請求の範囲を読む
ことによって明らかになる。

本発明の例示的な実施例を添付図面を参照して説明す
る。

第１図は、本発明による完全な熱交換器の部分断面図
である。

第２図Ａ乃至第２図Ｃは、本発明において使用される
熱交換プレートエレメントを製造する方法を示す。

第３図は、内部構造を示すために頂部が取り外されて
いる、本発明に使用するのに適した熱交換器プレートエ
レメントの平面図である。

第４図は、第３図の熱交換プレートエレメントの矢印
IVによって指示される部分の詳細な斜視図である。

超塑性的な成形、拡散接合及び活性拡散接合は冶金学
上の現象としてよく知られている。

「超塑性」は、伸長の不安定性またはネッキングが始
まることなく或種の材料を大きな量にわたって変形させ
ることができる変形の現象である。これによって軽量化
及び材料の高度な利用性とともに良好な機械的及び熱的
な性能を有する設計を可能にしながら、熱交換マトリク
ス内の中空部の大きな容積部分をつくることを可能にす
る。

「拡散接合」は、適当な温度で、備えられたきれいな
金属面が、適当な接合面の環境を具備することによって
表面の汚染から保護され、十分な圧力が接合面に加えら
れ、境界間で金属原子の固体拡散が境界面が検出されな
い程度に生じる固体金属の境界面の現象である。接合中
に巨視的な変形は起こらず、従って、操作中に形状及び
大きさの安定性が維持される。さらに、つくられた接合
部は、熱作用領域またはフラックスまたは接合プロモー
タのような他の材料なしで親の金属特性を有する。従っ
て、熱交換器内での使用は、処理流体との化学的な相互
作用の可能性を減少する。

活性拡散接合は、接合すべき金属構成部品の面を、接
合を達成する温度及び圧力で液体になり構成部品間の境
界面で原子の拡散を推進するアクチベータでコートする
点で拡散接合とは異なる。このアクチベータは、構成部
品を作る金属の融点より低い融点の合金であるが、冶金
学的には、それと関連する。両側の糊の金属とは異なる
接合部の冶金学的な成分の結果、固体拡散接合部と興な
り活性拡散接合部は、耐応力及び耐腐食性に関して親金
属の特性を示さない。

第１図を参照すると、２つ逆流処理流101,102の間の
熱交換を容易にするためにプレートフィンタイプの熱交
換器100がある。熱交換マトリクスＭは、２つのタイプ
のプレートエレメントP1,P2の積重ねからなり、それら
のエレメントP1,P2は、交互に配置され、それらの側面
がそれらの間の冶金学的な接合領域を介してそれらの側
面領域の少なくとも大部分にわたってお互いに緊密に熱
的な接触があるように互いに冶金学的に接合される。緊
密な熱接触とは、隣接する熱交換エレメントの間で熱の
流れが実質的に禁止されないこと、すなわち、エレメン
トがつくられた材料に比較して熱導電性がエレメントの
間の境界面であまり減少しないことを保証する接触と定
義できる。

熱交換マトリックスの構造的な強度及び完全性のため
に、この実施例では、冶金学的に接合された接合部、特
に拡散接合によって隣接する熱交換エレメントの間に必
要とされる緊密な熱接触を達成する。

プレートエレメントP1は、それらを通って流れる処理
流101を有するように意図され、プレートエレメントP2
は、それらを通って流れる処理通路102を有するように
意図されている。この実施例では、マトリックスＭの中
間のプレーエレメントP1、P2等は全てチタン合金の同じ
ゲージのものであるが、マトリックスの前端及び後端の
プレートエレメントは、ノズル及びサポートを溶接する
側方のプレート107を形成するために片側に厚いシート
を有するように製造される。

熱交換器マトリックスＭは、処理流101、102をそれぞ
れプレートエレメントP1,P2に供給するための入り口及
び出口マニフォルドIM1,OM1,IM2,OM2を具備している。
マニフォルドは、マトリックス及びそれを構成するプレ
ートエレメントとー体であり、プレートエレメントの厚
さを通って側方から側方にそれを貫通している。供給パ
イプSP1、SP2及び出口パイプOP1、OP2は、熱交換器へ及
びそこから処理流を搬送する。マトリックスＭの端部エ
レメントは、側方プレート107を形成するために比較的
に厚い外側シートを有するように形成されているから、
これらのパイプは側方プレート107に溶接される半球形
のサポート109を介して熱交換器にしっかりと固定され
る。

半球形サポート109は、パイプ用のサポートとして第
１図に示すが、それらは構造的に必ずしも必要な部分で
はない。多くの場合、パイプまたはノズルOP1、OP2、SP
1、SP2の端部を側方プレートに直接溶接することができ
る。

本実施例において、プレートエレメントP1、P2は、超
塑性的に成形可能なチタニウム合金であるが、熱交換器
が使用される条件によってステンレススチール及びアル
ミニウム合金のような他の超塑性的に成形可能な材料を
使用するとができる。

プレートエレメントP1,P2は、拡散接合されたサンド
ウィッチ構造からなり、このようなサンドウィッチ構造
は、２つの外側シートとその２つの外側シートの間に超
塑性的に拡張されたコアシートとを有する。このプレー
トエレメントの構造は、第2A図乃至第2C図並びに第３図
および第１図を参照しながらさらに説明する。

熱交換器プレートエレメントは、図２を参照して簡単
な方法で簡潔に説明する超塑性成形／拡散接合処理によ
って製造される。製造のさらに詳細については、当出願
人の先行出願EP90308923.3及びGB9012618.6（特公平７
−58158号公報）を参照すべきである。

第2A図を参照すると、ネットシェイプに近い形状の制
御された表面仕上げの（例えば、適当なチタニウム合金
でつくられた）超塑性的に成形された３つの金属シート
201、202、203が高標準にまで清浄にされ、接合インヒ
ビッターが２つの外側シートの接合面F1、F2の選択され
た領域上に積層される。境界Ｂの範囲内で白い領域は接
合インヒビターが堆積されている場所を示すが、境界Ｂ
の外側は、接合インヒビターが堆積されない。積層部
は、仕上げられた熱交換器プレートエレメントの最終的
な内側形状を特定し、処理流入り口Ｉ及び出口Ｏ、入り
ロ及び出口流れディストリビュータ領域D1及びD0及びエ
レメント内の流れ通路Ｐを画定する領域からなる。内部
構造をつくることが望まれないシート201、203のエッジ
領域Ｅは、インヒビターが適用されない。

内部の形状がこの段階で決定されるが、堆積処理、例
えばシルクスクリーン印刷は、機械的及び熱的な要求の
双方を満たすために設計上のかなりの柔軟性を可能にす
る。

シート201、202、203は、当出願人の前述の先行出願
で詳細に説明されたように重ねられ、拡散接合され、第
2B図に概略的に断面図として示されたような閉鎖された
ダイＤ内に配置され、接合されたスタック205を形成す
る。しかしながら、領域206でポンドインヒビターを適
用した場所においては、拡散接合が起こらない。

接合されたスタック205の熱交換エレメントの最後の
形状である物品への超塑性的な成形は、第2C図に概略的
に示すような内部構造によって完成される。

接合されたスタック205及びダイＤは、超塑性成形温
度まで加熱され、接合インヒビターのパターンによって
規定されたスタックの内側構造に、外側シート201、203
が互いに離れダイの形状に向かって移動するように高圧
の不活性ガスを噴射してスタックを拡張させる。外側シ
ート201がダイのキャビティ内に超塑性的に拡張すると
き、それは、拡散接合が生じた個所で中間のコアシート
202を引く。従って、コアシート202の超塑性的な変形
は、コアシートの拡張した部分207によって隔てられた
中空の内部を形成し、それによって処理流が流れること
ができる通路Ｐを形成する。スタック205のエッジ領域
Ｅは、完全に接合されたままであり、従って、平坦で拡
張しない。

シート201及び202のみが実際にエレメントの製造中超
塑性的に成形されるが、すべてのシート201、202、203
が超塑性的に成形可能なチタニウム合金その他の金属材
料でつくられるのが製造の目的のため有利である。

超塑性的な成形処理が完成した後、そのように製造さ
れた各物品は、その縁部を修正され第2A図で円形によっ
て指示されたマニフォルド穴が穿孔される。マニフォル
ド穴が穿孔されるとき、拡張された内部構造の部品に、
入り口及び出口Ｏを画成する円形のスロット開口部をつ
くる。穿孔の後、本発明の実施例の目的のために入り口
スロットＩ及び出口スロットＯは、コアシート202の妨
げとなる部分を切除する機械加工によって処理流の単一
流部を生じるため内部に完全に開口される。これは、前
述した拡散接合処理によってこのようなエレメントのマ
トリクスに組み合わされるように準備された、第３図に
示すような熱交換プレートエレメントP1をつくる。

第２図に示されるプレートエレメントは、第１図に示
すエレメントP1の１つである。他方のエレメントP2は、
それらの内側のコアシート構造がそれらの各マニフォル
ドIM2、OM2に対して入り口及び出口を接続するためにわ
ずかに異なるように配置されることを除いてエレメント
P1と同様である。超塑性成形処理において、プレートエ
レメントP1、P2内に形成された内側のキャビティは、エ
レメントに入らない流れのためのマニフォルドの穴が、
シートのエッジ部分の拡散接合によって形成された中実
金属を貫通して穿孔されるように非対照的な形状であ
る。第１図において、マニフォルド穴IM1は、処理流101
をプレートエレメントP1に接続するが、スタックのすぐ
前及び次のプレートエレメントP2には接続されず、マニ
フオルド穴IM2は、処理流102をプレートエレメントP2に
接続するが、プレートエレメントP1に接続しない。

アクチベータなしの固体拡散接合に必要な高温及び高
圧では個別の中空エレメントが圧壊する危険性があるの
で、プレートエレメントそれ自身の製造中行われると同
じ方法によって隣接するプレートエレメントを固体拡散
接合することを試みるよりプレートエレメントから熱交
換マトリクスをつくるために活性拡散接合法を使用する
ことを提案する。しかしながら、このエレメントのこの
ような圧壊は、特定のマトリクス設計において問題では
なく、または他の方法で避けることができるならば、接
合部が化学的に活発な液体またはガスにさらされるなら
ば、付随する腐食の危険性を有する接合ラインでの冶金
学的な差異を避けるためにプレートエレメントのマトリ
クスへの固体拡散接合を使用することが好ましい。

上述した超塑性的な成形／拡散接合処理によってシー
ト201、203の非常に正確に成形された外面が作られ、そ
れは、各熱交換エレメントをこのようなエレメントのマ
トリクスの隣接するエレメントへの適合をよくすること
ができる。

マニフォルドIM1、IM2、OM1、OM2は、処理流として活
性の媒体を搬送するならば、隣接プレートエレメントの
間の活性拡散接合部をマニフォルド装置内との活性流体
との接触から保護することが必要である。これは、貫通
したプレートエレメントの間接合部の間を密封するガス
溶接によって容易に行われる。

第３図及び第４図を参照すると、図示された熱交換プ
レートエレメントP1は、１つのコアシート202からなる
コア構造を有する。熱交換プレートエレメントを通過す
る処理流体の流れと出合う順序で熱交換プレートエレメ
ントP1の特徴を見ると、入り口Ｉは、単に第３図の外側
の同心円により示された範囲でコアシート202が切除さ
れたシート201とシート203の間隙である。これは、処理
流体をコアシート202の両側に流れさせ、入り口ディス
トリビュータ領域D1を横断した後、コアシート202と外
側シート201、203との間に交互に形成されたすべての通
路Ｐに処理流体を流すことができる。

人り口Ｉは、ボンドインヒビターが外側シートの接合
面F1、F2の双方の種々の小さい円形領域または点に施さ
れなかった領域である入り口流ディストリビュータ領域
D1に直接開口する。これらの点は、図示したような幾つ
かの列に配置され、接合面F1上の各点は、他方の接合面
F2上の各グループの４つの点の間の中間に位置してい
る。これらの点において、コアシート202は外側シート2
01、203に接合され、超塑性成形作業中、コアシート202
は第４図に示す両凸形状に拡張させられる。

ディストリビュータ領域D1内のコアシート202の両側
に形成された直立した凸部210及び凹部211は、流れが入
り口ディストリビュータを横断する時までに、コア構造
の側方の範囲全体にわたって配分され、すべての通路Ｐ
に入るように処理流体の流れを拡散させるように作用す
る。

コア構造体の大部分は、単にコアシート202に形成さ
れた直線波形部からなる。これらの波形部は、外側シー
ト201、203と接合して台形の断面形状を有する長手方向
に直線的な流れ通路Ｐが画成される形状である。第４図
に示すように、いわゆる「点コア」ディストリビュータ
領域D1と「線コア」通路領域との間に遷移部分が容易に
配置される。

熱交換流体が入り口ディストリビュータD1から離れた
通路Ｐの端部に到着するとき、出LIディストリビュータ
領域（「コレクタ」領域とも呼ばれる）DOに当たる。で
終了する。これは入り口ディストリビュータDIと同じ形
状の拡張したコア構造体の一部であり、側方の範囲全体
のコア通路Ｐの熱交換流体流を収集し、それをマニフォ
ルドの周縁の大部分の周りに配分する方法で出口マニフ
ォルドOM1に送るように作用する。

この好ましい実施例において、コア構造体は、１枚の
シート202からなるが、特許出願第EP90308923.3（特公
平７−78158号公報参照）に示すようにさらに複雑なコ
ア構造体が必要ならば、複数枚のシートからなることが
できる。

本実施例は、１つの処理流101または102がコアシート
202の両側の熱交換プレートエレメントを、従って、コ
ア構造体の通路Ｐのすべてを通って流れる簡単な熱交換
プレートエレメントに関する。処理流101、102は隣接す
るプレートエレメントの間の接合部によって提供された
緊密な熱接触を介して熱を交換する。その結果、主な熱
交換面は、外側シート201、203の表面であるが、「フィ
ン」と称される二次的な熱交換面は、流通路Ｐの間の隔
壁を形成するコアシート202の表面である。

しかしながら、コアシート202の各側で１つの処理流
を受け入れるようにエレメントP1、P2の入り口、出口及
びコア構造体を配置し、隣接する流通路Ｐが、通路の間
の隔壁を通じて直接に熱を交換するように異なる流れを
搬送することができる。これは、拡張したコアシート形
態に、入り口及び出口マニフォルドに対する適当な接続
部を提供するため、適当で容易に実現される代替品を必
要とし、また、本発明による他の設計が、２つより多く
の流体の間の熱交換を達成するために開発される。例え
ば、付加的な流体のために、付加的な入り口の穴及び付
加的な出口の穴を、内側構造体のないシートを固体拡散
接合された熱交換エレメントの端部領域に具備すること
ができる。このエレメントは、所望の流体の間で熱交換
を行う熱交換マトリタスを形成するために積み重ねるこ
とができる。例えば、３つの流体A,B,Cの場合、マトリ
ックス内のエレメントの順序は、A/B/C/A/B/CまたはA/B
/B/C/AB/B/CまたはA/B/C/A/B/B/Cとすることができる。

この図面に示されたコアシート202の簡単な形状は、
この業界で知られているように矢はず模様、のこぎり歯
形及び多孔状のような在来のフィンの構成をつくるよう
容易に改変することができる。

さらに、熱交換の効率をさらに増大させるために、コ
アシート202内の波形部によって形成される分離した通
路Ｐを用いることが望ましい。別の案として、コアシー
トは、その全体の範囲にわたって、突起形状のディスト
リビュータ領域を形成することができる。

さらに、すべてのエレメントが同じ大きさまたは形態
を有する必要はない。これらのパラメータは、それらを
通過する流体に合わせるように選択される。従って、例
えば、３つの流体の場合、マトリックスは、マトリック
スの製造をあまり複雑にすることなく３つの異なるタイ
プのエレメント構成することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 バンクス，サイモン・アンドリュー イギリス国ダービー，オークウッド，ソ ルウェイ・クロース ２ (72)発明者 アダーレー，コリン・アイヴァン イギリス国ダービー，ディーイー６ ３ イーダブリュー，ハランド・ワード, ザ・ウィローズ 10 (72)発明者 フォウラー，ジョン・オーウェン イギリス国ランカシャー，ビービー８ ０エイエヌ，ブリアーフィールド，エッ ジ・エンド・アベニュー，クレイ・コテ ージ （番地なし) (72)発明者 ボードマン，ジェームス・エドワード イギリス国バーノルズウィック，ビービ ー８ ５エイチズィー，デントン・スト リート 28 (56)参考文献 特開 昭59−19037（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−111465（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−89490（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−121733（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−216184（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−62795（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−191879（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−210595（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−33496（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−126773（ＪＰ，Ｕ) 実開 平２−7479（ＪＰ，Ｕ) 米国特許3927817（ＵＳ，Ａ) 英国公開2218794（ＧＢ，Ａ)

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】熱交換の関係に並列に配置された熱交換エ
   レメントのマトリックスであって、前記熱交換エレメン
   トが２つの外側シートと、前記２つの外側シートの間に
   配置され少なくとも１つの処理流のために流体通路装置
   を提供する超塑性的に拡張されたコアシートとを各々有
   する複数の拡散接合サウンドウィッチ構造を有し、隣接
   する前記熱交換エレメントは、それらの間の接合部を介
   してそれらの側面の少なくとも大部分の領域にわたって
   互いに緊密な熱接触を有するマトリックスと、 処理流を熱交換エレメントを通過させるために、前記マ
   トリックスと一体であって、前記熱交換エレメントの厚
   み貫通し、マトリックスを横断貫通する処理流入り口及
   び出口マニフォルド装置と、 を有する、少なくとも２つの処理流の間の熱交換を容易
   にするためのプレートフィンタイプの熱交換器。
2. 【請求項２】隣接する前記熱交換エレメントの間の接合
   された接合部は、冶金学的な接合部である請求項１に記
   載の熱交換器。
3. 【請求項３】隣接する前記熱交換エレメントの接合部
   は、活性拡散接合の接合部である請求項２に記載の熱交
   換器。
4. 【請求項４】前記接合部は、前記熱交換エレメントの間
   の接合部の間を密封するガス溶接によって前記マニフォ
   ルド装置内の処理流の流体との接触から保護される請求
   項１から３のいずれか一項に記載の熱交換器。
5. 【請求項５】前記熱交換エレメントの超塑性的に拡張し
   たコア構造は、拡張したコア構造内のマニフォルド装置
   の周縁に伸びるスロットの開口部を通る入り口及び出口
   マニフォルド装置と連通する請求項１から４のいずれか
   一項に記載の熱交換器。
6. 【請求項６】入り口及び出口マニフォルド装置は、拡張
   したコア構造体に接続するために各前記熱交換エレメン
   トの厚さを貫通する機械加工された穴を有する請求項５
   に記載の熱交換器。
7. 【請求項７】入り口及び出口マニフォルド装置は、拡張
   されたコア構造体の各ディストリビュータ及びコレクタ
   領域に連通し、該ディストリビュータ及びコレクタ領域
   は、前記拡張されたコア構造体を通る全体的な流れ方向
   を横断して前記拡張したコア構造体の内側の範囲へ及び
   そこから熱交換流体を配給し、収集するための装置から
   なる請求項１から６のいずれか一項に記載の熱交換器。