JP3858484B2 - 積層式熱交換器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体として液体および相変化を伴う気液２相流の熱交換に用いる積層式熱交換器とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、熱交換器の小型・軽量化を目的として、図４に示すような積層式熱交換器が提案されている。図４は積層式熱交換器の内部の構成が説明できるように、一部を分解して示したものである。
【０００３】
熱交換流体Ａはエンドプレート６１の入口管６２よりヘッダー６３へ流入する。ヘッダー６３は、各プレート６４、６５、６６、６５を多数積層することにより形成される空間で、出入口管と流路を結んでいる。ヘッダー６３に流入した熱交換流体Ａは第１の流路プレート６４に形成されたスリット状の流路６７に入る。
【０００４】
熱交換流体Ａは流路６７を流れて再びヘッダー６９に集められ、出口管７０より流出する。一方、熱交換流体Ｂは、入口管７１よりヘッダー７２に流入し、第２の流路プレート６６に形成されたスリット状の流路７３に入る。流路７３を流れた熱交換流体Ｂはヘッダー７５で集められ、出口管７６より流出する。熱交換流体Ａ、Ｂの隔壁となる隔壁プレート６５には、積層時にヘッダー６３、６９、７２、７５を形成する貫通孔が設けられている。これらのプレートを、エンドプレート６１および７７の間に、６４、６５、６６、６５の順で多数積層し、熱交換流体Ａ、Ｂが漏れないように完全に密着接合することにより、積層式熱交換器を形成する。流路６７を流れる熱交換流体Ａは、上下に位置する２つの隔壁プレート６５を介して、流路７３を流れる熱交換流体Ｂと熱交換を行うことになる。
【０００５】
このような積層式熱交換器の接合方法としては、一般に拡散溶接法やロウ付け法等が用いられる。拡散溶接法は、真空内でプレート材質の融点より少し低い温度まで昇温し加圧するもので、接触面の材料同士の拡散によって一体化するものである。ロウ付け法は、融点がプレート材質よりも低いロウ材を接合面に設置し、加熱することによりロウ材のみを溶融させ、プレート間の接合を行うものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の積層式熱交換器では、以下のような課題が生じている。
【０００７】
例えば図４のように、第１の流路プレート６４の流路６７がＵ字状に折り返したような形状をなす場合、熱交換流体Ａは隔壁プレート６５を介して熱交換流体Ｂとの熱交換を行うとともに、流路６７の隣接する部分を流れる同じ熱交換流体Ａとも熱交換を行う可能性がある。特に、高性能化のために熱伝導率の高い材料をプレートに用いると、熱交換器としての伝熱特性が著しく低減してしまう。
【０００８】
また、熱交換流体ＡおよびＢのヘッダー６３および７５、またはヘッダー６９および７２が隣接するような構成である場合、ヘッダー周辺部に接合不良が生じると、ヘッダー間での異なる流体の混合が発生し、信頼性が乏しくなってしまう。
【０００９】
さらに、熱交換器を使用する際に、外部表面と接触する空気と熱交換を行うため、断熱材等で熱交換器の外表面を被覆し、外部との断熱を行う必要があり、新たな工程が増えコストが高くなってしまうという課題があった。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために、１次側流体の流路が打ち抜かれた第１の流路プレートと、２次側流体の流路が打ち抜かれた第２の流路プレートとを、隔壁プレートを介して複数組積み重ねて構成した積層式熱交換器であって、前記第１の流路プレートの流路が略Ｕ字状の折り返し形状を有し、前記第２の流路プレートには前記流路と隔壁プレートを介して対向する位置に流路を設けるとともに、前記第１の流路プレートの隣接する流路間および前記第２の流路プレートの隣接する流路間にスリット状の空隙部を設けた構成としてある。
【００１１】
したがって、上記発明によれば、隣接する流路における同一流体間の熱交換が完全に遮断されるため、伝熱特性に優れた積層式熱交換器を提供することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１は、１次側流体の流路が打ち抜かれた第１の流路プレートと、２次側流体の流路が打ち抜かれた第２の流路プレートとを、隔壁プレートを介して複数組積み重ねて構成した積層式熱交換器であって、前記第１の流路プレートの流路が略Ｕ字状の折り返し形状を有し、前記第２の流路プレートには前記流路と隔壁プレートを介して対向する位置に流路を設けるとともに、前記第１の流路プレートの隣接する流路間および前記第２の流路プレートの隣接する流路間にスリット状の空隙部を設けたものである。
【００１３】
これによれば、隣接する流路における同一流体間の熱交換が完全に遮断されるため、伝熱特性に優れた積層式熱交換器を提供することができる。
【００１４】
本発明の請求項２は、１次側流体の流路および２次側流体のヘッダー孔が打ち抜かれた第１の流路プレートと、２次側流体の流路および１次側流体のヘッダー孔が打ち抜かれた第２の流路プレートとを、１次側流体および２次側流体のヘッダー孔が打ち抜かれた隔壁プレートを介して複数組積み重ねて構成した積層式熱交換器であって、前記１次側および２次側流体のヘッダー孔が互いに隣接するとともに、このヘッダー孔の間にスリット状の空隙部を設けたものである。
【００１５】
これによれば、異なる流体のヘッダー間が遮断されるため、ヘッダー周辺部に接合不良が生じた場合も、ヘッダー間での異なる流体の混合が回避され、信頼性を向上させることができる。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、図面を用いて説明する。
【００１７】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１の積層式熱交換器の構成を示すものである。図１は積層式熱交換器の内部の構成が説明できるように、一部を分解して示している。
【００１８】
熱交換流体Ａはエンドプレート１に設置された入口管２よりヘッダー３へ流入する。ヘッダー３は、各プレート４、５、６、５を積層したとき、各々に設けた流路７、貫通孔３ａおよび３ｂにより形成される空間で、出入口管と流路を結んでいる。ヘッダー３に流入した熱交換流体Ａは第１の流路プレート４に形成されたスリット状の流路７に入る。流路７は略Ｕ字状の折り返し形状をなしており、流路７の隣接する流路間には、空隙部となるスリット８ａが形成されている。流路７を流れた熱交換流体Ａはヘッダー９に集められ、出口管１０より流出する。ヘッダー９も同様に、各プレート４、５、６、５を積層したとき、各々に設けた流路７、貫通孔９ａおよび９ｂにより形成される空間である。
【００１９】
一方、熱交換流体Ｂは、入口管１１よりヘッダー１５に流入し、第２の流路プレート６に形成されたスリット状の流路１３に入る。流路１３は流路７と隔壁プレート５を介して対向する位置にあり、流路７と同様に略Ｕ字状の折り返し形状をなしている。この流路１３の隣接する流路間にも、空隙部となるスリット８ｃが形成されている。流路１３を流れた熱交換流体Ｂはヘッダー１２に集められ、出口管１６より流出する。ここで、第１の流路プレート４には貫通孔１２ａおよび１５ａが、隔壁プレート５には貫通孔１２ｂおよび１５ｂが設けられており、積層時にヘッダー１２、１５を形成する。
【００２０】
また、隔壁プレート５には、スリット８ａおよび８ｃと対向する位置にスリット８ｂが設けられている。さらに、隣接するヘッダー３と１２の間には各プレートに空隙部をなすスリット１４ａ、１４ｂ、１４ｃが、ヘッダー９と１５の間には各プレートにスリット１８ａ、１８ｂ、１８ｃが、それぞれ設けられている。また、エンドプレート１および１７にも、それぞれのスリットと対向する位置に、スリット８ｄ、１４ｄ、１８ｄおよびスリット８ｅ、１４ｅ、１８ｅが設けられている。
【００２１】
これらのプレートを、４、５、６、５の順で多数積層し、上下両面にエンドプレート１および１７を積層し、完全に密着接合することにより、積層式熱交換器を形成する。こうして、熱交換流体ＡとＢとは外部に漏れることなく、ヘッダーおよび流路を流れることが可能となる。この時、流路７を流れる熱交換流体Ａは、その上下に位置する２つの隔壁プレート５を介して、流路１３を流れる熱交換流体Ｂと熱交換を行うことになる。
【００２２】
図１に示すように、第１の流路プレート４の流路７がＵ字状に折り返したような形状をなす場合、熱交換流体Ａは隔壁プレート５を介して熱交換流体Ｂとの熱交換を行うとともに、流路７の隣接する部分を流れる同じ熱交換流体Ａとも熱交換を行う可能性がある。しかし、本発明によれば、互いに隣接する形状を有する流路７の間に、空隙部となるスリット８ａが形成されているため、この部分における熱の移動が完全に遮断される。同様に、熱交換流体Ｂについても、流路１３の間にスリット８ｃが形成されているため、この部分における同一流路間の熱の移動が完全に遮断される。
【００２３】
さらに、熱交換流体ＡおよびＢのヘッダー３および１２、またはヘッダー９および１５が、図１に示すように、隣接するような構成である場合、ヘッダー周辺部に接合不良が生じると、ヘッダー間での異なる流体の混合が発生する可能性がある。しかし、本発明によれば、ヘッダー３と１２の間に空隙部となるスリット１４ａ、１４ｂ、１４ｃが、ヘッダー９と１５の間にスリット１８ａ、１８ｂ、１８ｃが、それぞれ設けられているため、ヘッダー周辺部に接合不良が生じた場合も、異なる流体のヘッダー間が遮断されるため、ヘッダー間での異なる流体の混合を回避することができる。
【００２４】
したがって、本発明によれば、隣接する流路における同一流体間の熱交換が完全に遮断されるため、伝熱特性に優れた積層式熱交換器を提供することができる。また、ヘッダー周辺部に接合不良が生じた場合も、ヘッダー間での異なる流体の混合が回避され、信頼性を向上させることができる。
【００２５】
（実施例２）
次に、本発明の積層式熱交換器の実施例２について説明する。図２は本発明の実施例２の積層式熱交換器の構成を示すものである。図２は積層式熱交換器の内部の構成が説明できるように、一部を分解して示している。
【００２６】
熱交換流体Ａはエンドプレート２１に設置された入口管２２よりヘッダー２３へ流入する。ヘッダー２３は、各プレート２４、２５、２６、２５を積層したとき、各々に設けた流路２７、貫通孔２３ａおよび２３ｂにより形成される空間で、出入口管と流路を結んでいる。ヘッダー２３に流入した熱交換流体Ａは第１の流路プレート２４に形成されたスリット状の流路２７に入る。流路２７を流れた熱交換流体Ａはヘッダー２９に集められ、出口管３０より流出する。ヘッダー２９も同様に、各プレート２４、２５、２６、２５を積層したとき、各々に設けた流路２７、貫通孔２９ａおよび２９ｂにより形成される空間である。
【００２７】
一方、熱交換流体Ｂは、入口管３１よりヘッダー３５に流入し、第２の流路プレート２６に形成されたスリット状の流路３３に入る。流路３３は流路２７と隔壁プレート２５を介して対向する位置にある。流路３３を流れた熱交換流体Ｂはヘッダー３２に集められ、出口管３６より流出する。ここで、第１の流路プレート２４には貫通孔３２ａおよび３５ａが、隔壁プレート２５には貫通孔３２ｂおよび３５ｂが設けられており、積層時にヘッダー３２、３５を形成する。
【００２８】
ここで、各プレート２４、２５および２６には、各々の流路およびヘッダーと熱交換器外周との間に、空隙部をなすスリット２８ａ、２８ｂおよび２８ｃが設けられている。
【００２９】
これらのプレートを、２４、２５、２６、２５の順で多数積層し、上下両面にエンドプレート２１および３７を積層し、完全に密着接合することにより、積層式熱交換器を形成する。こうして、熱交換流体ＡとＢとは外部に漏れることなく、ヘッダーおよび流路を流れることが可能となる。この時、流路２７を流れる熱交換流体Ａは、その上下に位置する２つの隔壁プレート２５を介して、流路３３を流れる熱交換流体Ｂと熱交換を行うことになる。
【００３０】
従来は、熱交換器を使用する際に、外部表面と接触する空気と熱交換を行うため、断熱材等で熱交換器の外表面を被覆し、外部との断熱を行う必要があり、新たな工程が増えコストが高くなってしまうという課題があった。しかし、本発明によれば、各プレートの流路およびヘッダーと熱交換器外周との間に外部から密閉された空隙部が設けられ、外部との熱交換が密閉空間内の熱伝導率の低い気体の流動によってのみ行われるため、熱交換器とその外部との熱交換を低減することができる。
【００３１】
さらに、熱交換器の製造を例えば拡散接合法やロウ付け法を用い、特に真空雰囲気下での接合によるものとすれば、この空隙部内が完全に真空化され、断熱性に優れたいわゆる真空断熱を行うことができる。
【００３２】
したがって、熱交換器の外周近傍に空隙部を設けることにより、外部との熱交換を低減し、断熱材等により断熱の必要がなくなり、工程低減および低コスト化を図ることができる。また、この熱交換器を真空下で接合することで空隙部内を完全な真空状態にし、いわゆる真空断熱を行うことができるため、さらに断熱性が向上し、伝熱特性を向上させることができる。
【００３３】
（実施例３）
次に、本発明の積層式熱交換器の実施例３について説明する。図３は本発明の実施例３の積層式熱交換器の構成を示すものである。図３は積層式熱交換器の内部の構成が説明できるように、一部を分解して示している。
【００３４】
熱交換流体Ａはエンドプレート４１に設置された入口管４２よりヘッダー４３へ流入する。ヘッダー４３は、各プレート４４、４５、４６、４５を積層したとき、各々に設けた流路４７、貫通孔４３ａおよび４３ｂにより形成される空間で、出入口管と流路を結んでいる。ヘッダー４３に流入した熱交換流体Ａは第１の流路プレート４４に形成されたスリット状の流路４７に入る。流路４７を流れた熱交換流体Ａはヘッダー４９に集められ、出口管５０より流出する。ヘッダー４９も同様に、各プレート４４、４５、４６、４５を積層したとき、各々に設けた流路４７、貫通孔４９ａおよび４９ｂにより形成される空間である。
【００３５】
一方、熱交換流体Ｂは、入口管５１よりヘッダー５５に流入し、第２の流路プレート５６に形成されたスリット状の流路５３に入る。流路５３は流路４７と隔壁プレート４５を介して対向する位置にある。流路５３を流れた熱交換流体Ｂはヘッダー５２に集められ、出口管５６より流出する。ここで、第１の流路プレート４４には貫通孔５２ａおよび５５ａが、隔壁プレート４５には貫通孔５２ｂおよび５５ｂが設けられており、積層時にヘッダー５２、５５を形成する。
【００３６】
ここで、各プレート４４、４５および４６には、各々の流路およびヘッダーと熱交換器外周との間に、空隙部をなし互いに連通するスリット４８ａ、４８ｂおよび４８ｃが設けられている。また、エンドプレート４１にはこれらのスリットと連通する検出管５７が設けられ、さらにこの検出管５７は外部の流体検出手段５８と接続されている。流体検出手段５８としては、例えば、圧力変化を検出する圧力スイッチや圧力センサ、温度変化を検出する温度スイッチや熱電対等の温度センサ、流体自身の物性値を検出するディテクタ等、流体の有無を検出することができるもので有ればいずれのものでも構わない。
【００３７】
これらの各プレートを、４４、４５、４６、４５の順で多数積層し、上下両面にエンドプレート４１および５７を積層し、完全に密着接合することにより、積層式熱交換器を形成する。こうして、熱交換流体ＡとＢとは外部に漏れることなく、ヘッダーおよび流路を流れることが可能となる。この時、流路４７を流れる熱交換流体Ａは、その上下に位置する２つの隔壁プレート４５を介して、流路５３を流れる熱交換流体Ｂと熱交換を行うことになる。
【００３８】
本発明によれば、各プレートの外周近傍に積層時に連通するスリット状の空隙部を設け、さらに、この空隙部に流体検出手段５８を接続しているため、流路内から万一流体が漏洩した際に、まずこの空隙部に流れ込み、流体検出手段５８により流体の漏洩を検出することができる。
【００３９】
したがって、熱交換器外部に流体を漏洩させることなく、熱交換器の異常を検出することができるため、熱交換器の信頼性の向上を図ることができる。
【００４０】
なお、本発明の実施例１、２および３において、各プレートへの流路、貫通孔、スリット等の形成は、例えばエッチング加工や量産性の高いプレス加工により行えばよい。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の請求項１は、１次側流体の流路が打ち抜かれた第１の流路プレートと、２次側流体の流路が打ち抜かれた第２の流路プレートとを、隔壁プレートを介して複数組積み重ねて構成した積層式熱交換器であって、前記第１の流路プレートの流路が略Ｕ字状の折り返し形状を有し、前記第２の流路プレートには前記流路と隔壁プレートを介して対向する位置に流路を設けるとともに、前記第１の流路プレートの隣接する流路間および前記第２の流路プレートの隣接する流路間にスリット状の空隙部を設けるので、隣接する流路における同一流体間の熱交換が完全に遮断されるため、伝熱特性に優れた積層式熱交換器を提供することができる。
【００４２】
本発明の請求項２は、１次側流体の流路および２次側流体のヘッダー孔が打ち抜かれた第１の流路プレートと、２次側流体の流路および１次側流体のヘッダー孔が打ち抜かれた第２の流路プレートとを、１次側流体および２次側流体のヘッダー孔が打ち抜かれた隔壁プレートを介して複数組積み重ねて構成した積層式熱交換器であって、前記１次側および２次側流体のヘッダー孔が互いに隣接するとともに、このヘッダー孔の間にスリット状の空隙部を設けるので、異なる流体のヘッダー間が遮断されるため、ヘッダー周辺部に接合不良が生じた場合も、ヘッダー間での異なる流体の混合が回避され、信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例１の積層式熱交換器の構成図
【図２】 同実施例２の積層式熱交換器の構成図
【図３】 同実施例３の積層式熱交換器の構成図
【図４】 従来の積層式熱交換器の構成図
【符号の説明】
４ 第１の流路プレート
５ 隔壁プレート
６ 第２の流路プレート
７、１３ 流路
８ａ、８ｂ、８ｃ スリット

Claims (2)

1. １次側流体の流路が打ち抜かれた第１の流路プレートと、２次側流体の流路が打ち抜かれた第２の流路プレートとを、隔壁プレートを介して複数組積み重ねて構成した積層式熱交換器であって、前記第１の流路プレートの流路が略Ｕ字状の折り返し形状を有し、前記第２の流路プレートには前記流路と隔壁プレートを介して対向する位置に流路を設けるとともに、前記第１の流路プレートの隣接する流路間および前記第２の流路プレートの隣接する流路間にスリット状の空隙部を設けたことを特徴とする積層式熱交換器。
2. １次側流体の流路および２次側流体のヘッダー孔が打ち抜かれた第１の流路プレートと、２次側流体の流路および１次側流体のヘッダー孔が打ち抜かれた第２の流路プレートとを、１次側流体および２次側流体のヘッダー孔が打ち抜かれた隔壁プレートを介して複数組積み重ねて構成した積層式熱交換器であって、前記１次側および２次側流体のヘッダー孔が互いに隣接するとともに、このヘッダー孔の間にスリット状の空隙部を設けたことを特徴とする積層式熱交換器。

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