JP2005291546A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】表面に流体通路を形成したプレートを積層した熱交換器において、流体圧による繰り返し変形および疲労による損傷を防止する。
【解決手段】表面に複数の溝１２ａを形成したプレート１２を複数個積層して隣接するプレート間に流体通路１４，１５を画成し、前記プレートの隣接する溝間の壁面頂部１２ｃと該頂部と対向する他のプレートとの間に間隙を設けた積層構造の熱交換器を構成する。ただし前記積層構造の一方端または両端の最外側に位置するプレートの壁面は、その頂部を対向する端部部材に当接させた構造とする。これにより流体通路を形成するプレートが極めて薄い場合においても流体圧によりプレートが積層方向に変形するのを抑制することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は熱交換器に関し、詳しくは表面に流体通路となる多数の溝を形成したプレートを積層してなる熱交換器の構造的改良に関する。

多数のフィンまたは波型断面を有するプレートを積層した構造を有する熱交換器が知られている（特許文献１参照）。このような積層構造の熱交換器において、内部を流れる流体との熱の授受によりプレートに発生する熱応力を緩和するために、前記フィンや波型プレートの他のプレートと対向する部分を相互に接続せずに隙間を設けたものが提案されている。
特開平２００２−２０３５８６号公報

しかしながら、このように隙間を設けると熱交換器を構成する積層体の内部の剛性が低下してしまい、流体からの内圧による変形が生じやすくなる。内圧による変形が繰り返されると金属疲労により構造的信頼性が損なわれかねない。

また、マイクロチャンネルによる高い熱交換性能を利用した蒸発器では、液体の蒸発部を形成する流体の流路は通常の熱交換器に比べて極めて狭く、加えて小型化を図るために板の厚みは通常の熱交換器よりも薄くなっている。板の両面の流体通路には高温流体と低温流体が流れ、板のフィンのない部位は熱交換性能を優先するためにさらに薄くなっているので、前記のような隙間を有する積層構造の熱交換器を適用すると、前記内部圧力による変形に加え、熱膨張による変形も繰り返されることから、信頼性の確保がより難しくなる。

本発明は、表面に複数の溝を形成したプレートを複数個積層して隣接するプレート間に流体通路を画成し、前記プレートの隣接する溝間の壁面の頂部と該頂部と対向する他のプレートとの間に間隙を設けた積層構造の熱交換器を基本構成として、前記積層構造の一方端または両端の最外側に位置するプレートの壁面は、その頂部を対向する端部部材に当接させた構造とする。

最外側のプレートの壁面頂部を端部部材と当接させた前記構成により、熱交換器を形成する積層体の積層方向の剛性を高めることができ、これにより流体通路を形成するプレートが極めて薄い場合においても流体圧力によりプレートが積層方向に膨張ないし変形するのを抑制して、変形の繰り返しによる信頼性の低下を防ぐことができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１において、１１は熱交換器の本体またはコアを構成する積層体を示している。積層体１１は、複数個（図では６枚）のプレート１２とその両側に設けられたエンドプレート（端部部材）１３からなっている。プレート１２は、図２−１〜図２−３に示したように板状部材の両面に流体通路を構成する多数の溝１２ａがエッチング加工等により形成されている。両面の溝１２ａは、面方向から見たときに互いに直交するように異なる向きに形成されている。このプレート１２を、その溝１２ａが隣接する他のプレート１２の溝１２ａと向きが一致するように積層してゆくことで、各プレート１２間に向きが異なる２系統の流体通路１４と１５が交互に画成されるようにしている。

隣接するプレート１２間では溝１２ａ同士が対向することにより略円形断面の流体通路１４または１５が並行に多数形成されるが、隣り合う溝１２ａと溝１２ａとの間の壁面１２ｂは、その頂部１２ｃの高さが、隣接する他のプレート１２の壁面頂部１２ｃとの間に所定の間隙が生じるように設定されている。前述したとおり、この間隙により熱応力を吸収する作用を得ている。

ただし、積層体１１の端部に位置するプレート１１については、その外側を向いた壁面１２の頂部１２ｃがエンドプレート１３の表面に当接するように形成されている。エンドプレート１３はプレート１２に比較して高い剛性を有する厚板で形成されている。このように、最外側のプレート１２の壁面頂部１２ｃを高い曲げ剛性を有するエンドプレート１３と当接させた構成により、プレート１２が極めて薄い場合においても流体圧力により積層体１１が積層方向に膨張変形するのを抑制することができる。特に、低温流体と高温流体の圧力差があって、積層体の最も外側の通路１５を流れる流体の圧力が比較的低い場合においても、内側層のプレート１２の変形を効果的に抑制することができる。

図３〜図６に前記エンドプレート１３に関する他の実施形態を示す。図１と異なる部分について説明すると、図３に示したものではエンドプレート１３を隣接するプレート１２の個々の壁面頂部１２ｃとロウ付け等により接合した一体化した構成となっている。これにより、エンドプレート１３とこれに隣接するプレート１２とが一体となって高剛性を発揮するので、エンドプレート１３を図１のものに比較して薄く、軽量にすることができる。図４に示したものでは、エンドプレート１３を、２枚の薄板１３ａの間に多孔質構造からなる中間層１３ｂを挟持した構成としている。中間層１３ｂとしては、例えば発泡金属板やハニカム構造体を適用することができる。この構成によれば、軽量・高剛性化を図れると共に、多孔質構造の中間層１３ｂが断熱作用を有することから熱交換器としての効率も向上する。図５に示したものでは、エンドプレート１３の内側面に、プレート１２の溝１２ａと対向するように多数の溝１３ｃを形成して、積層体１１の最外側部の流体通路１５’の断面積を、内側層のものと同等に確保できるようにしている。ただし内側層の流体通路１５とは異なり、溝１３ｃ間の壁面頂部は対向する溝１２ａ間の壁面頂部と接合させて所要の剛性を確保するようにしている。図６−１と図６−２は、エンドプレート１３のプレート１２とは反対側の表面に、エッチング加工により縦横にリブ１３ｄを形成したものである。このようにエンドプレート１３の外側面にリブ構造を設けることにより、エンドプレート１３自体の剛性を向上させつつ軽量化を図ることができる。

図７以下に、プレート１２の通路構造に関する他の実施形態を示す。図１と異なる部分について説明すると、図７に示したものでは、積層体１１の最外側に位置するプレート１２は、その溝１２ａ内に流体の流れ方向に沿ってフィン状の薄いリブ１２ｄが形成されている。これにより当該プレート１２の剛性を高め、かつ伝熱面積を大きく確保して、放熱により損失を生じやすい外側プレート部分での熱交換効率を向上させている。図８〜図９は、積層体１１の最外側に位置するプレート１２に形成した複数の溝１２ａのうち、低温流体の出口領域付近のものにのみ前記同様のリブ１２ｄを形成したものである。図８は前記積層体１１の構成を、図９−１と図９−２は前記積層体１１を熱交換器ハウジング２０に収装した蒸発器の構成を、それぞれ示している。低温流体として水を流体通路１５に、高温流体として燃焼ガスを流体通路１４にそれぞれ供給する場合、水が燃焼ガスから受熱して蒸気化する出口付近での剛性を前記リブ１２ｄにより確保するものである。詳細には、低温流体である水については、図９−１に示したように、複数の通路１５の途中に仕切部２１を設けて、ハウジング２０の一端部に設けられた入口部２０ａからの水の流れを入口側通路群１５Ａを介して反対側のチャンバ部２０ｂに導き、該チャンバ部２０ｂから出口側通路群１５Ｂへと流れを反転させ、その間に蒸気化した水を出口部２０ｃから取り出すようになっている。一方、高温流体である燃焼ガスは図９−２に示したように、前記低温流体通路１５と交差する高温流体通路１４に一方向流として供給するようになっている。この構成によれば、熱的な影響により剛性確保上不利になる低温流体出口領域のみをリブ１２ｄにより効果的に補強することができる。図１０は前記低温流体出口領域の剛性を重点的に確保するための他の実施形態であり、これは図示したようにエンドプレート１３の前記低温流体出口領域に相当する表面において、他の部分よりもリブ間隔が密となるようにリブ１３ｄを形成したものである。図中の符号１５Ａ、１５Ｂはそれぞれ図９−１に示した低温流体の入口側通路群、出口側通路群の位置を表している。

なお、前記実施形態の構成において、２系統の流体通路１４と１５の何れを低温流体通路または高温流体通路としてもよいが、剛性および強度に対する熱的な影響を排除する観点からは、積層体１１の最外側に位置することになる流体通路１５を低温流体通路として適用することが望ましい。

また、前記各実施形態では、プレート１２の両面に溝１２ａを形成しているが、これに限られず一方の面にのみ溝１２ａを形成したものを積層して熱交換器を構成してもよい。ただし、エッチング加工により溝１２ａを形成する場合は、加工上その深さに制約を有するので、実施形態として示したように両面に形成する構成としたほうが、流体通路面積ないし伝熱面積と剛性を確保する上で有利であり、また熱交換器としての部品点数を節約することができる。

本発明に係る熱交換器（積層体）の第１の実施形態の縦断面図。 前記実施形態のプレートの平面図。 図２−１のＡ−Ａ断面図。 図２−１のＢ−Ｂ断面図。 本発明に係る熱交換器（積層体）の第２の実施形態の縦断面図。 本発明に係る熱交換器（積層体）の第３の実施形態の縦断面図。 本発明に係る熱交換器（積層体）の第４の実施形態の縦断面図。 エンドプレートに関する他の実施形態の平面図。 エンドプレートに関する他の実施形態の正面図。 本発明に係る熱交換器（積層体）の第５の実施形態の縦断面図。 本発明に係る熱交換器（積層体）の第６の実施形態の縦断面図。 前記第６の実施形態の熱交換器としての構成例を示す第１の縦断面図。 前記第６の実施形態の熱交換器としての構成例を示す第２の縦断面図。 図８の熱交換器（積層体）に適用するエンドプレートの平面図。

符号の説明

１１ 熱交換器（積層体）
１２ プレート
１２ａ 溝
１２ｂ 壁面
１２ｃ 頂部
１２ｄ 溝内のリブ
１３ エンドプレート（端部部材）
１３ｂ 多孔質構造
１３ｃ 溝
１３ｄ リブ
１４ 流体通路
１５ 流体通路
２０ 熱交換器のハウジング

Claims (11)

1. 表面に複数の溝を形成したプレートを複数個積層して隣接するプレート間に流体通路を画成し、かつ前記プレートの隣接する溝間の壁面の頂部と該頂部と対向する他のプレートとの間に間隙を設けた熱交換器において、
   前記積層構造の最外側に位置するプレートの壁面はその頂部を対向する端部部材に当接させたことを特徴とする熱交換器。
2. 前記端部部材は、該プレートの壁面頂部に接合する板状部材である請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記端部部材は、該プレートよりも高い曲げ剛性を有する請求項１に記載の熱交換器。
4. 前記端部部材は、該プレートの壁面頂部との当接部間に流体通路を構成する溝が形成されている請求項１に記載の熱交換器。
5. 前記最外側のプレートが形成する流体通路は低温流体通路である請求項１に記載の熱交換器。
6. 前記最外側のプレートは、流れ方向に沿って前記溝内にリブが形成されている請求項１に記載の熱交換器。
7. 前記溝内のリブは、低温流体の出口領域の溝に形成されている請求項６に記載の熱交換器。
8. 前記端部部材は、該プレートとは反対側の表面にリブ構造が形成されている請求項1の記載の熱交換器。
9. 前記リブ構造は、低温流体の出口領域にてリブ間隔が密になるように形成されている請求項８に記載の熱交換器。
10. 前記端部部材は、多孔質構造を有している請求項1に記載の熱交換器。
11. 前記プレートは、その両面に溝が形成されている請求項１に記載の熱交換器。

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