JP2023522749A - プレートパッケージおよび中空マニホールドを含む熱交換器 - Google Patents

Abstract

本発明は、共に金属製であるプレートパッケージおよびマニホールドを含むプレート熱交換器に関する。プレートパッケージは、エンドプレート間に積み重ねられた複数の熱交換器プレートを含む。熱交換器プレートは互いに封止され、第１の媒体のための第１のプレート間空間と第２の媒体のための第２のプレート間空間を交互に形成する。プレートパッケージは、第１のプレート間空間と連通する少なくとも２つのポートチャネルを画定する。エンドプレートの少なくとも１つが、それぞれのポートチャネルと連通する接続ポートを画定する。マニホールドは、ポート開口、遠方開口、およびポート開口と遠方開口との間に延在する流路を画定する。接続ポートの１つをマニホールドのポート開口が覆うように、マニホールドはエンドプレートの一方に固定して取り付けられている。マニホールドは、付加製造、成形または鋳造によって作製されている。

Description

本発明は、プレートパッケージおよびマニホールドを含む熱交換器に関する。

プレート熱交換器は多くの異なる熱交換目的で業界の異なる分野で使用されている。プレート熱交換器は、複数の熱交換器プレートを有するプレートパッケージを含む。各熱交換器プレートは通常波形であり、打ち抜きされた金属のシートで作製されている。熱交換器プレートは第１および第２のエンドプレート間に積み重ねられている。熱交換器プレートは互いにおよびエンドプレートに封止され、第１の媒体のための第１のプレート間空間と第２の媒体のための第２のプレート間空間を交互に形成する。熱交換は第１の媒体と第２の媒体との間で起こる。熱交換器プレートおよびエンドプレートの少なくとも１つには、プレート間空間と連通するためにプレートパッケージを通って延在するポートチャネルを形成するポートホールが設けられ、プレート間空間はポートチャネルを除いて外部環境から封止されている。

エンドプレートのポートホールは接続ポートを画定する。通常、エンドプレートの一方がポートホールを有し、他方は閉じられている。熱交換器には多くの異なる標準接続ポートを供給することができる。従来の設計は各コーナーに１つのポートを有し、これによって第１の対の接続ポートが第１のプレート間空間とのみ連通し、第２の対の接続ポートが第２のプレート間空間とのみ連通する。

プレート熱交換器が他の熱交換器設計と比較していくつかの利点を有することは当該技術においてよく知られている。プレート熱交換器は、他のタイプの熱交換器と比較したとき、非常にエネルギー効率がよく、熱伝達係数が高く、製造するのに費用効果が高い。特に、ろう付けまたは接合プレート熱交換器は高い熱的および機械的性能とコンパクトな形状を兼ね備えている。しかしながら、接続ポートのようなインターフェイスの配置およびセンサのような追加の機能性の統合の柔軟性になると、プレート熱交換器設計は非常に限定的である。各コーナーに１つの接続ポートを備えた矩形の熱交換器プレートを有するプレートパッケージの従来のレイアウトが業界で主流になっている。

さまざまな用途において標準の「各コーナーに１つのポート」のレイアウトは適していない。その理由は、狭い空間で設置を行うべきであること、または追加の機能性の統合が必要とされることなどが考えられよう。いくつかの用途においてこれは、外部インターフェイスを収容するポリマー機能ブロックと組み合わせた標準のろう付け熱交換器で達成することができる。これはたとえば家庭用給湯器および地域暖房モジュールでは一般的である。しかしながら、多くの用途において、完全性、耐化学性またはプロセスパラメータに対する需要により、均一な金属設計が要求される。

３Ｄ印刷としても知られている付加製造（ＡＭ）が、熱交換器の効率的で柔軟な設計および製造のための解決策として最近導入されてきた。３Ｄ印刷とは、金属粉末材料を層ごとに表面上へ付加的に堆積させ、これによって三次元の金属構造を形成することによって、３Ｄオブジェクトを製造するプロセスを指す。３Ｄ印刷熱交換器により熱交換器のレイアウトおよび設計に関して高い柔軟性が可能になるが、薄い打ち抜きプレートに基づく従来のプレート熱交換器の熱的および機械的効率は匹敵するのが困難である。また、３Ｄ印刷熱交換器の製造コストおよび製造時間は、打ち抜きプレートから作製される同等のプレート熱交換器についての製造コストおよび製造時間を大きく超える。３Ｄ印刷熱交換器の使用はしたがってこれまでのところほとんどの場合においてプロトタイピングに限定されてきた。

特許文献１はダクト付き熱交換器のためのヘッダに関する。ヘッダは付加製造によって作製されている。ヘッダは、チューブが熱交換器に積み重ねられるにつれて付加製造によってその場で製造される。

特許文献２は、完全に付加製造によって作製される熱交換器に関し、熱伝達性能を向上させるため、熱的および機械的応力に対する耐性を向上させるため、そして熱交換器が配置されることになる環境に基づいて最適化するため、熱交換器のフローチャネルの構成を最適化することが可能になっている。

特許文献３は熱交換器コアのための付加製造によって作製されるヘッダに関する。コアは、プレートとフィン、シェルとチューブ、または他の空気と空気、または空気と流体の通路と見なすことができる。

特許文献４および特許文献５は、第１の端部および第２の端部を備えたコアを有し、第１の複数の低温フローチャネルから流体的に隔離された第１の複数の高温フローチャネルを有する熱交換器に関する。第１のヘッダがコアの第１の端部に接続されている。熱交換器のすべてまたは一部を、付加製造を通して作製することができる。

特許文献６は熱交換器の第１および第２のセクションに関し、これは流路内の流体間の熱交換のために構成された流路と、第１および第２のセクション間に配置された中心マニホールドを含む。流体が一端でマニホールドに入り、第１および第２のセクションを通過し、反対の端部でマニホールドを出る。中心マニホールドは付加製造を通して作製することができる。

特許文献７は、プレート熱交換器を３Ｄ印刷する方法に関する。これによって層のスタックを実現することが可能であり、層のそれぞれは、金属粉末の堆積物を加熱することによって標的にされることによって連続的に形成される。

上の解決策のいずれも、プレート熱交換器の効率を有することに近づいてさえいない。

米国特許出願公開第２０１９／０１３４８９４号明細書 米国特許出願公開第２０１７／００８９６４３号明細書 米国特許出願公開第２０１６／０２３１０６７号明細書 米国特許出願公開第２０１７／３６３３６１号明細書 米国特許出願公開第２０１７／０１４６３０５号明細書 米国特許出願公開第２０１７／０２１１８９６号明細書 仏国特許出願公開第３０５７０５７号明細書

したがって、従来のろう付けまたは接合プレート熱交換器の効率と３Ｄ印刷熱交換器の柔軟性を組み合わせる技術を提供することが本発明の目的である。

上の目的は本発明の第１の態様において、共に金属製であるプレートパッケージおよびマニホールドを含むプレート熱交換器によって実現され、プレートパッケージは、エンドプレート間に積み重ねられた複数の熱交換器プレートを含み、熱交換器プレートは互いにおよびエンドプレートに封止され、第１の媒体のための第１のプレート間空間と第２の媒体のための第２のプレート間空間を交互に形成し、熱交換器プレートは各熱交換器プレートの周縁で互いに封止され、プレートパッケージは少なくとも４つのポートチャネルを画定し、これによって少なくとも２つのポートチャネルが第１のプレート間空間と連通し、第２のプレート間空間との連通から封止され、エンドプレートの少なくとも１つが、それぞれのポートチャネルと連通する接続ポートを画定し、マニホールドは、ポート開口、遠方開口、およびポート開口と遠方開口との間に延在する流路を画定し、プレート間空間の１つと遠方開口との間の連通を可能にしている接続ポートの１つをマニホールドのポート開口が覆うように、マニホールドがエンドプレートの一方または両方に固定して取り付けられ、マニホールドは、付加製造、成形または鋳造によって作製されている。

熱交換器プレートは通常薄い打ち抜きプレートで作製され、流体の導入および除去のためのポートホールを含む。ポートホールが正確に一致してポートチャネルを形成するように、熱交換器プレートが互いに関して積み重ねられる。熱交換器プレートは、熱交換器プレート間に第１のプレート間空間と第２のプレート間空間を交互に形成する周縁で互いに封止されている。通常、プレートパッケージはステンレス鋼で作製されている。軽量設計が要求されれば、打ち抜きプレートパックと３Ｄ印刷マニホールドの両方をたとえばアルミニウムまたはチタニウムで製造することができる。どちらの材料も接合技術に適している。

少なくとも２つのポートチャネルが設けられ、各ポートチャネルはエンドプレートの１つからエンドプレートにおけるそれぞれの接続ポートを介してアクセス可能である一方、ポートチャネルの反対端部は反対のエンドプレートで閉じられているが、通常すべてのポートチャネルが同じエンドプレートからアクセス可能であり、反対のエンドプレートは閉じられている。２つのポートチャネルにより第１のプレート間空間へのアクセスが提供され、これによって第２のプレート間空間へのアクセスが同じポートチャネルから防止される。さらなるポートチャネルを使用して第２のプレート間空間にアクセスすることができ、あるいはプレートの周縁でのアパーチャを介して第２のプレート間空間へのアクセスを提供することができる。第１および第２の媒体は、流体、通常液体であり、これらがそれぞれのプレート間空間を通って流れるとき、媒体間の熱交換が確立される。対応する接続ポートを備えた、６つのポートチャネルのような、４つより多くのポートチャネルが可能である。

本文脈におけるエンドプレートは、スタックの最初および最後のプレートであると理解される。これらのプレートはその結果外部に露出される一方、他のプレートは周縁を外部に露出するのみである。エンドプレートは第１または第２のプレート間空間の一部を形成し、したがって直接流体接触することができる。あるいは、エンドプレートは、構造を補強するための別個の「フレームプレート」とすることができる。このようなフレームプレートを使用することは、マニホールドのための平らで均一な接触面を確立するのに有用であり得る。

好ましい解決策において打ち抜きプレートからなるプレートパックが従来の方法で積み重ねられる。プレートパッケージは、最適な効率のための所定の場所にポートコネクタを有する標準化されたタイプのものである。プレートパックの上にマニホールドが取り付けられ、柔軟性が追加される。

マニホールドはヘッダまたはハウジングとしても知られ、付加製造、成形または鋳造によって作製される。成形および鋳造は本文脈において関連技術も含むべきである。付加製造と３Ｄ印刷は同義語と見なされ、直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）および選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）のような方法を含む。

マニホールドは、プレートパッケージのそれぞれの接続ポートを覆い、プレート間空間の１つと、プレートパッケージの接続開口から離間して配置することができる遠方開口との間の連通を可能にする少なくとも１つのポート開口を有する。本文脈における遠方開口は、マニホールドのポート開口を介してプレートパッケージの接続ポートの１つと連通するマニホールドにおける開口である。これはプレートパッケージの接続ポートの真上に配置することも、任意の方向に配置することもできる。遠方開口の場所は熱交換器の用途によって決定され、マニホールドは、熱交換器を狭い空間に収容することが可能になるようにカスタムメイドすることができる。

さらなる一実施形態によれば、マニホールドは付加製造によって作製されている。

さらなる一実施形態による本熱交換器はプレート熱交換器と３Ｄ印刷熱交換器の最良の部分を組み合わせる。プレート熱交換器と３Ｄ印刷マニホールドの組み合わせも少量生産に特に適している。

さらなる一実施形態によれば、プレートパッケージは、第２のプレート間空間と連通する少なくとも２つのさらなるポートチャネルを画定し、第１のプレート間空間との連通から封止され、好ましくはプレートパッケージにおける各熱交換器プレートは矩形の形状および各コーナーに接続ポートを備えたエンドプレートを有する。

好ましい解決策においてプレートの縁は互いに封止され、それぞれの接続ポートを介して第１および第２のプレート間空間へのアクセスが可能になる。プレートは好ましくは、効率的な流れの分配およびプレート領域の利用を提供するコーナーにポートを備えた標準的な設計のものである。プレートパックの上に３Ｄ印刷または鋳造マニホールドが取り付けられている。

さらなる一実施形態によれば、プレートパックの１つより多くの接続ポートがマニホールドにおける対応する流路および遠方開口に接続されている。

このようにプレートパッケージにおける接続ポートの位置と比較して、任意の数の接続ポートの場所を変位させることができる。

さらなる一実施形態によれば、マニホールドは、一体型バルブシートおよび／または一体型サーモスタットハウジングおよび／または一体型センサハウジングおよび／または一体型持ち上げループおよび／または搭載ブラケットを含む。

マニホールドの使用は、たとえばバルブ、センサおよびサーモスタットを柔軟な方法で統合するために使用することもできる。これによってマニホールドを構成する３Ｄ印刷部品は、バルブ、センサ、サーモスタットなどのためのハウジングを含むことができる。熱交換器の持ち上げおよび取り扱いを容易にするために１つ以上の持ち上げループを含めることができる。壁、フレームまたは他の機器または物体上へ固定位置で熱交換器を搭載するために１つ以上の搭載ブラケットを含めることができる。

さらなる一実施形態によれば、エンドプレートは熱交換器プレートより大きな厚さを有する。

熱交換器はまた、熱交換器プレートより厚いシート金属で作製された前端プレートおよび後端プレートを含むことができる。カバープレートの目的は、熱交換器に安定性を提供することおよびブラケットなどのための搭載位置を提供することである。

さらなる一実施形態によれば、マニホールドが取り付けられたエンドプレートは、それぞれのエンドプレートが面する熱交換プレートの表面の一部のみを覆う。

マニホールドを有するエンドプレートは、それぞれのエンドプレートが面する熱交換プレートの表面全体を覆ってはならないが、いくつかの部分、たとえば配管によって従来の方法で他の機器に接続することができる接続ポートのいくつかを除外することができる。

さらなる一実施形態によればマニホールドは第１のエンドプレートに永久的に封止され、熱交換器プレートは、ろう付け、拡散接合または接着によって互いにおよびエンドプレートに永久的に封止されている。

「従来の」ろう付けまたは接合プレートパックを付加製造によって作成されたマニホールドと組み合わせることによって、柔軟で効率的な熱交換器設計を行うことができる。プレートパックとマニホールドもこれによって一緒にろう付けすることができる。

銅ろう付け熱交換器において、たとえば熱交換器プレートがステンレス鋼から作製されている場合、プレートパッケージ全体が一緒にろう付けされる。これによりプレートの縁部の周りにろう付け銅封止が達成される。同時に、プレート間の接触点もろう付けされ、これは熱交換器が高圧および高温の影響に耐えるのに役立つ。

通常、ろう付けでは、プレート間およびプレートパックと印刷マニホールドとの間にも銅箔が配置される。通常、これはステンレス鋼材料のろう付けに適しており、これは３Ｄ印刷することができる。

あるいは、マニホールドはねじまたはボルトによって第１のエンドプレートに搭載され、熱交換器プレートは、ろう付け、拡散接合または接着によって互いにおよびエンドプレートに永久的に封止されている。このようにマニホールドを交換することができる。

さらなる一実施形態によれば、ポート開口および遠方開口は異なる方向に配向されている。

印刷流路は、他の器具のためおよび／または狭い空間に適合するために要求されるインターフェイスを作成するように任意の所望の方法または形状に向けることができる。

さらなる一実施形態によれば、熱交換器プレートは、好ましくは金属シートの打ち抜きまたはプレスによって作製される波形パターンを有する。

波形パターンは、乱流を誘発することによって熱伝達を助ける。金属シートのプレスは、波形を確立する効率的な方法である。

上の目的は本発明の第２の態様において、プレート熱交換器のためのマニホールドを製造する方法によって実現され、プレート熱交換器は、金属で作製され、エンドプレート間に積み重ねられた複数の熱交換器プレートを含むプレートパッケージを含み、熱交換器プレートは互いにおよびエンドプレートに封止され、第１の媒体のための第１のプレート間空間と第２の媒体のための第２のプレート間空間を交互に形成し、熱交換器プレートは各熱交換器プレートの周縁で互いに封止され、プレートパッケージは、第１のプレート間空間と連通し、第２のプレート間空間との連通から封止されている少なくとも２つのポートチャネルを画定し、エンドプレートの少なくとも１つが、それぞれのポートチャネルと連通する接続ポートを画定し、この方法は、成形、鋳造または付加製造によってマニホールドを製造することを含み、マニホールドは、ポート開口、遠方開口、およびポート開口と遠方開口との間に延在する流路を画定し、マニホールドのポート開口は、プレート間空間の１つと遠方開口との間の連通を可能にするために熱交換器のエンドプレートの１つの接続ポートの１つに対応している。

第２の態様による方法は好ましくは、第１の態様による熱交換器を製造するために使用される。

さらなる一実施形態によれば、この方法は、３Ｄプリンタを提供することおよび付加製造によってマニホールドを製造することをさらに含む。

マニホールドは好ましくは最大の柔軟性のために付加製造によって製造される。

さらなる一実施形態によれば、マニホールドは、基板プレート上へ材料を付加的に堆積させることによって形成される。

この方法の第１の変形において、マニホールドは基板プレート上へ印刷され、続いて除去され、次いでプレートパッケージのエンドプレート上に配置および固定される。プレートパッケージのプレートはすでに互いに封止されているか、同じ作業で、たとえば熱交換器プレート、エンドプレートおよびマニホールドのアセンブリをろう付けオーブンに入れることによって、プレートが互いにおよびマニホールドに封止されるかのいずれかで熱交換器を形成する。

さらなる一実施形態によれば、マニホールドは、プレートパッケージのエンドプレート上へ材料を付加的に堆積させることによって形成される。

第２の変形においてマニホールドはプレートパッケージのエンドプレート上へ直接印刷される。エンドプレートは続いてプレートパッケージ上へ封止されて熱交換器を形成する。エンドプレートとプレートパッケージの熱交換器プレートはすでに互いに封止（ろう付け）されているか、後続の作業で、たとえば熱交換器プレートおよびすでにマニホールドが固定されたエンドプレートのアセンブリをろう付けオーブンに入れることによって、エンドプレートおよび熱交換器プレートが互いにおよびマニホールドに封止されるかのいずれかで熱交換器を形成する。

さらなる一実施形態によれば、エンドプレートはプレートパッケージの一部を形成し、接続ポートは３Ｄ印刷中、取り外し可能なカバーによって覆われる。

第３の変形において、マニホールドは、すでに封止されたプレートパッケージのエンドプレート上へ直接３Ｄ印刷される。プレートパッケージのポートチャネルに３Ｄ印刷プロセスからの金属粉末が入ることを回避するため、エンドプレートの接続ポートは取り外し可能なカバーによって覆わなければならない。カバーはたとえば溶融可能または分解可能とすることができる。

上の目的は本発明の第３の態様において、共に金属製であるプレートパッケージおよびマニホールドを含むプレート熱交換器によって実現され、プレートパッケージは、エンドプレート間に積み重ねられた複数の熱交換器プレートを含み、熱交換器プレートは互いにおよびエンドプレートに封止され、第１の媒体のための第１のプレート間空間と第２の媒体のための第２のプレート間空間を交互に形成し、熱交換器プレートは各熱交換器プレートの周縁で互いに封止され、プレートパッケージは、第１のプレート間空間と連通し、第２のプレート間空間との連通から封止されている少なくとも２つのポートチャネルを画定し、エンドプレートの少なくとも１つが、それぞれのポートチャネルと連通する接続ポートを画定し、マニホールドは、ポート開口、遠方開口、およびポート開口と遠方開口との間に延在する流路を画定し、プレート間空間の１つと遠方開口との間の連通を可能にしている接続ポートの１つをマニホールドのポート開口が覆うように、マニホールドがエンドプレートの一方または両方に固定して取り付けられ、マニホールドは、付加製造、成形または鋳造によって作製され、マニホールドは、開口および開口を覆う取り外し可能な蓋を有する一体型ハウジングを含み、蓋は、熱交換器を他の物体上へ固定するための搭載ブラケットを含む。

ハウジングはたとえば、上述のようなバルブシートおよび／または一体型サーモスタットハウジングおよび／または一体型センサハウジングとすることができる。蓋はこれによって、ハウジングのためのクロージャであること、および別の物体、すなわちプレート熱交換が意図されている機器の部品上へプレート熱交換器を搭載するための搭載ブラケットであることという二重の目的を果たす。これにより、マニホールドに使用することができるエンドプレート上の空間が節約されることになる。搭載ブラケットは、プレート熱交換器を輸送するときの持ち上げ補助としても機能することができる。蓋は好ましくは付加製造によって製造することができる。

第３の態様によるプレート熱交換器は、薄い打ち抜きプレートで作製された熱交換器プレートのような、第１の態様による熱交換器の任意の特徴を含むことができる。

さらなる一実施形態によれば、搭載ブラケットは、蓋から外向きに各熱交換器プレートの周縁を越えて延在する。

このようにプレート熱交換器は、熱交換器を取り囲む構造に容易に固定することができる。好ましくは、蓋およびブラケットは垂直面に沿って延在し、たとえば「Ｌ」形状を形成する。

さらなる一実施形態によれば、マニホールドは、マニホールドから外向きに各熱交換器プレートの周縁を越えて延在する１つ以上のさらなる搭載ブラケットを含む。

プレート熱交換器は好ましくは、蓋から外向きに延在する搭載ブラケットと、マニホールドから外向きに延在する１つ以上の搭載ブラケットの組み合わせによって搭載される。

さらなる一実施形態によれば、搭載ブラケットは蓋から外向きに延在し、１つ以上の搭載ブラケットはマニホールドから外向きに実質的に同じ平面内で延在する。

いくつかまたはすべての搭載ブラケットを同じレベルで有することによって、搭載に適した面を見つけること、および持ち上げのためにブラケットを使用することがより容易になることになる。あるいは、ブラケットの位置は柔軟に、そして用途に適合させることができる。

基板プレート上へのマニホールドの３Ｄ印刷を示す。 プレートパッケージ上へのマニホールドの組立てを示す。 マニホールドを有する完成したプレート熱交換器を示す。 接続ポートが覆われたプレート熱交換器を示す。 プレートパッケージ上へのマニホールドの３Ｄ印刷を示す。 マニホールドを有する完成したプレート熱交換器を示す。 別個のエンドプレート上へのマニホールドの３Ｄ印刷を示す。 プレートパッケージ上へのエンドプレートの組立てを示す。 マニホールドを有する完成したプレート熱交換器を示す。 基板プレート上へのマニホールドの３Ｄ印刷を示す。 代替のプレートパッケージ上へのエンドプレートの組立てを示す。 マニホールドを有する完成した代替のプレート熱交換器を示す。 マニホールドおよびブラケットを備えた蓋を有するプレート熱交換器を示す。 マニホールドおよび代替のブラケットを備えた蓋を有するプレート熱交換器を示す。

図１Ａは、基板プレート（図示せず）上へプレート熱交換器（図示せず）用の別個のマニホールド１２’（制作中を示す）を３Ｄ印刷する方法を実行する金属３Ｄプリンタ１０の内部を示す。基板プレートは本文脈において、マニホールド１２’が印刷されている３Ｄプリンタの内側に配置されたベースとして理解されるべきである。３Ｄプリンタ１０への入力はマニホールド１２’の３Ｄ ＣＡＤ図面とすることができ、３ＤプリンタはＣＡＤ図面の正確なコピーとしてマニホールド１２’を製造することができる。これは、マニホールド１２’を非常に少数でカスタムメイドすることができるということを意味する。いくつかの異なる３Ｄ印刷プロセスが存在し、当該技術において知られていると考えられる。金属３Ｄ印刷のための最も一般的なプロセスの１つは粉末床を使用する。この方法は、金属粉末の薄層を基板プレート上へ広げ、レーザ１４または同様のエネルギービームを使用して、マニホールド１２’を形成する場所で金属粉末を溶融および融合する。プロセスは層ごとに実行され、すなわちマニホールド１２’の１つの層を形成する粉末粒子が一緒に融合されたとき、金属粉末の他の層が広がり、マニホールド１２’が完成するまでプロセスが繰り返される。いくつかの既知のプロセスは「直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）」および「選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）」を含む。

図１Ｂは、プレートパッケージ１８のエンドプレート１６上へのマニホールド１２の組立てを示す。プレートパッケージ１８は、対向するエンドプレート１６（１つのエンドプレートのみが見えている）間に積み重ねられた複数の熱交換器プレート１８’を含む。プレート熱交換器１８のエンドプレート１６は４つの接続ポート２０ａ／ｂ／ｃ／ｄを含む。熱交換器プレート１８’は、囲まれたプレート間空間を形成するその周縁で封止されている。接続ポート２０ａ／ｂ／ｃ／ｄは、熱交換器プレート１８’のすべてを通って延在し、反対のエンドプレート（図示せず）で終わるポートチャネルを画定し、プレート間空間が１つおきに接続ポート２０ａおよび２０ｂのみと連通し、残りのプレート間空間が接続ポート２０ｃおよび２０ｄのみと連通するように、熱交換器プレート１８’間のプレート間空間と連通する。第１および第２のプレート間空間はしたがって互いに対して封止され、ポートホールを介してのみプレート間空間への流体連通が提供されている。

マニホールド１２は、接続ポート２０ａまで延在してこれを覆うように意図されている通路を形成する第１の中空部分１２ａと、接続ポート２０ｂまで延在してこれを覆うように意図されている第２の中空部分１２ｂと、を含む。マニホールド１２は、マニホールド１２の第１の部分１２ａに相互接続され、第１の遠方開口２２ａを含む第３の部分をさらに含む。マニホールド１２の第２の部分１２ｂは第２の遠方開口２２ｂを含む。遠方開口２２ａはしたがって、第１の部分１２ａを介してプレートパッケージ１８の接続ポート２０ａと連通するように意図され、遠方開口２２ｂは、プレート熱交換器１８の接続ポート２０ｂと連通するように意図されている。

本実施形態は、マニホールド１２の中央に配置され、第１の部分１２ａおよび第２の部分１２ｂと連通するハウジング２４を含む。ハウジング２４は、バルブ、サーモスタット、センサなどのような装置を収容するための空洞２４’を含むことができる。加えて、パイプ２６および２６’が、それぞれの接続ポート２０ｃおよび２０ｄに接続するために設けられている。パイプ２６および２６’は従来の接続パイプであっても、あるいは３Ｄ印刷されてもよい。これらはマニホールド１２の一部を形成することもできる。あるいは、マニホールド１２は成形または鋳造することができる。このような場合モールドまたはダイは３Ｄ印刷によって作製することができる。

図１Ｃは、プレートパッケージ１８およびマニホールド１２を含む完成したプレート熱交換器を示す。マニホールド１２は、すでにろう付けされたプレートパッケージ１８上へ接着またはろう付けすることができる。あるいは、エンドプレート１６、熱交換器プレート１８’およびマニホールド１２は同じろう付けプロセスでろう付けされる。プレートパッケージ１８の頂部には３Ｄ印刷されたマニホールド１２が、ろう付けまたは接合サイクルの前に配置され取り付けられる。熱交換器全体のろう付けは通常、加熱されたオーブンにおいて行われ、熱交換器はろう付け材料の融点の上方に加熱される。このようにエンドプレート１６および熱交換器プレート１８’は、マニホールド１２がエンドプレート１６にろう付けされるのと同時に一緒にろう付けされる。通常、銅ろう付けが使用される。

本実施形態において１つの遠方開口２２ａのみが接続ポート２０ａの位置に対して変位しているが、２つ、３つまたは４つすべてのように、接続ポートに対して変位させた１つより多くの遠方開口を有することが可能である。パイプ２６および２６’をしたがって省略し、適切に修正されたマニホールド１２によって置き換えることができる。

図２Ａは、接続ポートが覆われたろう付けプレートパッケージ１８’を示す。接続ポート２０ａ／ｂ／ｃ／ｄは、ポートチャネル内へいかなる材料が落ちるのをも防止するためにエンドプレート１６で取り外し可能なプラグ２０’ａ、２０’ｂ、２０’ｃおよび２０’ｄによって覆われている。プレートパッケージ１８’は他の点では前の実施形態のプレートパッケージと同様である。熱交換器プレート１８’とエンドプレート１６は一緒にろう付けされている。

図２Ｂは、ろう付けプレートパッケージ１８のエンドプレート１６上へマニホールド１２’を３Ｄ印刷する方法を実行する金属３Ｄプリンタ１０の内部を示す。本実施形態においてはろう付けプレートパッケージ１８全体が３Ｄプリンタ１０内へ入れられ、これがエンドプレート１６上へ直接印刷する。エンドプレート１６上へのマニホールド１２’の印刷が除去不可能な方法で行われる、すなわち第１の層がエンドプレート１６上へ接合されることを除いて、エンドプレート１６上へのマニホールド１２’の印刷は前の実施形態における基板プレート上へのマニホールドの印刷と同様に実行される。接続ポートを覆うプラグは、印刷中に金属粉末がプレートパッケージ内へ落ちるのを防止し、金属粉末を広げるための平らな表面を形成する。

図２Ｃは、マニホールド１２を有する完成したプレート熱交換器を示す。この図は図１Ｃの図と同一であり、同じ特徴を有するが、マニホールドがエンドプレート１６上へ直接印刷されるので製造方法が異なる。最終ステップとして、ポートを覆っているプラグが取り外される。プラグは、溶融、分解することによって、またはアクセス可能であれば、機械的に除去することによって取り外すことができる。

図３Ａは、部分的エンドプレート１６’上へマニホールド１２’を３Ｄ印刷する方法を実行する金属３Ｄプリンタ１０の内部を示す。さらに、持ち上げループ／搭載ブラケット２８ａ／ｂ／ｃ／ｄ（製作中）が設けられている。持ち上げループ／搭載ブラケット２８ａ／ｂ／ｃ／ｄおよび部分的エンドプレートは他の実施形態のいずれにおいても同様に設けることができる。その他の点では、エンドプレート１６’上へのマニホールド１２’の印刷が除去不可能な方法で行われるという点で、セットアップは前の実施形態と同様である。

図３Ｂは、プレート熱交換器１８上へのマニホールド１２を含む部分的エンドプレート１６’の組立てを示す。この場合、エンドプレート１６はプレートパッケージ１８の頂部熱交換器プレート１８’を部分的にのみ覆っている。このように接続ポート２０ａおよび２０ｂは部分的エンドプレート１６’によって覆われる一方、接続ポート２０ｃおよび２０ｄは他の手段によって接続することができる。あるいは、エンドプレートは、プレートパッケージ１８の頂部熱交換器プレート１８’全体を覆うように作製することができる。持ち上げループ／搭載ブラケット２８ａ／ｂ／ｃ／ｄを使用してアセンブリを移動させることができる。

図３Ｃは、マニホールドを有する完成したプレート熱交換器を示す。この図は図１Ｃおよび図２Ｃの図と同様であり、同じ特徴を有するが、マニホールドがエンドプレート上へ直接印刷され、これが次いでプレートパッケージに固定されるので、製造方法が異なる。プレートパッケージ１８はすでにろう付けされていてもよく、またはプレートパッケージ１８の熱交換器プレートは、エンドプレートが熱交換器プレートにろう付けされるのと同じ作業で一緒にろう付けされる。反対のエンドプレートも設けられているが、これはいかなるポートをも欠くことがある。持ち上げループ／搭載ブラケット２８ａ／ｂ／ｃ／ｄを使用して、熱交換器を移動させること、または熱交換器を他の物体上へ固定することができる。

図４Ａは、基板プレート（図示せず）上へプレート熱交換器（図示せず）用の別個のマニホールド１２’（製作中を示す）を３Ｄ印刷する方法を実行する金属３Ｄプリンタ１０の内部を示す。これは図１Ａと同一である。

図４Ｂは、代替のプレートパッケージ１８’のエンドプレート１６上へのマニホールド１２の組立てを示す。第２のプレート間空間を接続する接続ポート２０ｃおよび２０ｄが省略され、代わりに第２のプレート間空間にアクセスするため側部開口２８が両側（ここでは片側のみが見えている）で縁に設けられていることを除いて、代替のプレートパッケージ１８’は前の実施形態のプレートパッケージ１８と同一である。第２の媒体はしたがって、いかなる接続ポートまたはポートチャネルなしで、第２のプレート間空間を直接通って流れている。

マニホールド１２は前の実施形態と同一であり、接続ポート２０ａまで延在してこれを覆うように意図されている通路を形成する第１の中空部分１２ａと、接続ポート２０ｂまで延在してこれを覆うよう意図されている第２の中空部分１２ｂと、を含む。この図は図１Ｂと同様にプレートパッケージ１８上へのマニホールド１２の組立てを示すが、マニホールド１２は図２Ｂのようにプレートパッケージ上へ、または図３Ａ／Ｂのようにエンドプレート上へ３Ｄ印刷することもできる。

図４Ｃは、前の実施形態と同様にプレートパッケージ１８’およびマニホールド１２を含む完成したプレート熱交換器を示す。

図５Ａは、マニホールド１２および一体型ブラケット２８ｂを備えた蓋３０を有する前の実施形態と同様のプレート熱交換器を示す。蓋３０はハウジング２４の空洞への開口を覆う。ハウジングは、バルブ、サーモスタット、センサなどのような装置を収容するために使用することができる。本実施形態においてブラケット／持ち上げループ２８ａ／２８ｃ／２８ｄがマニホールド１２またはエンドプレート１６の一体部分として設けられている。これらのブラケット／持ち上げループ２８ａ／２８ｃ／２８ｄは、参照番号２８ａ／２８ｂ／２８ｃ／２８ｄで指定された図３ａ～図３ｃの実施形態に関連して示したものと同様である。本実施形態において、ブラケット／持ち上げループ２８ａ／２８ｃ／２８ｄはエンドプレート１６’の平面内に延在する。しかしながら、１つのブラケット／持ち上げループ２８ｂが蓋３０の一体部分として設けられている。

ブラケット２８ａ／２８ｂ／２８ｃ／２８ｄは、それぞれのねじ／ボルト３２ａ／３２ｂ／３２ｃ／３２ｄを使用することによって、熱交換器が意図される装置のような、他の物体に固定することができる。蓋３０が次には、ねじ／ボルト３４を使用することによってマニホールド１２のハウジング２４に固定される。蓋はしたがって二重の目的、すなわち、ハウジング２４の空洞を覆うこと、およびブラケット／持ち上げループ２８ｂを介して熱交換器を他の物体に固定することを有する。これにより、マニホールド１２に使用することができるエンドプレート１６’上の空間が節約されることになる。

蓋３０は付加製造または成形または鋳造のような任意の他の方法によって製造することができる。これは通常は金属製であるが、他の材料も可能である。

図５Ｂは、マニホールド１２および代替の一体型ブラケット２８ｂを備えた蓋３０を有するプレート熱交換器を示す。ブラケット／持ち上げループ２８ｂが他のブラケット／持ち上げループ２８ａ／２８ｃ／２８ｄと同じ高さになり、これらが同じ平面内で延在することができるように蓋の縁部から延在していることを除いて、本実施形態は図５ａの実施形態と同一である。

１０ 金属３Ｄプリンタ
１２ マニホールド
１２’ マニホールド
１２ａ 第１の中空部分
１２ｂ 第２の中空部分
１４ レーザ
１６ エンドプレート
１６’ 部分的エンドプレート
１８ プレートパッケージ
１８’ 熱交換器プレート
２０ａ／ｂ／ｃ／ｄ 接続ポート
２０’ａ、２０’ｂ、２０’ｃ、２０’ｄ 除去可能プラグ
２２ａ 第１の遠方開口
２２ｂ 第２の遠方開口
２４ ハウジング
２４’ 空洞
２６ パイプ
２６’ パイプ
２８ 側部開口
２８ａ／ｂ／ｃ／ｄ 持ち上げループ／搭載ブラケット
３０ 蓋
３２ａ／３２ｂ／３２ｃ／３２ｄ ねじ／ボルト
３４ ねじ／ボルト

Claims (20)

1. 共に金属製であるプレートパッケージおよびマニホールドを含むプレート熱交換器であって、
   前記プレートパッケージは、エンドプレート間に積み重ねられた薄い打ち抜きプレートで作製された複数の熱交換器プレートを含み、
   前記熱交換器プレートは、互いに対してかつ前記エンドプレートに対して封止され、かつ第１の媒体のための第１のプレート間空間と、第２の媒体のための第２のプレート間空間と、を交互に形成し、
   前記熱交換器プレートは、各熱交換器プレートの周縁で互いに対して封止され、
   前記プレートパッケージは、前記第１のプレート間空間と連通しかつ前記第２のプレート間空間との連通から封止されている少なくとも２つのポートチャネルを画定し、
   前記エンドプレートの少なくとも１つが、それぞれのポートチャネルと連通する接続ポートを画定し、
   前記マニホールドは、ポート開口、遠方開口、および前記ポート開口と前記遠方開口との間に延在する流路を画定し、
   前記プレート間空間の１つと前記遠方開口との間の連通を可能にしている前記接続ポートの１つを前記マニホールドの前記ポート開口が覆うように、前記マニホールドは、前記エンドプレートの一方または両方に固定して取り付けられており、
   前記マニホールドは付加製造によって作製されている、プレート熱交換器。
2. 前記プレートパッケージは、前記第２のプレート間空間と連通し、前記第１のプレート間空間との連通から封止されている少なくとも２つのさらなるポートチャネルを画定し、好ましくは前記プレートパッケージにおける各熱交換器プレートは矩形の形状および各コーナーに接続ポートを備えたエンドプレートを有する、請求項１に記載のプレート熱交換器。
3. 前記プレートパッケージの１つより多くの接続ポートが前記マニホールドにおける対応する流路および遠方開口に接続されている、請求項１から２のいずれか一項に記載のプレート熱交換器。
4. 前記マニホールドは、一体型バルブシートおよび／または一体型サーモスタットハウジングおよび／または一体型センサハウジングを含む、請求項１から３のいずれか一項に記載のプレート熱交換器。
5. 前記エンドプレートは前記熱交換器プレートより大きな厚さを有する、請求項１から４のいずれか一項に記載のプレート熱交換器。
6. 前記マニホールドが取り付けられたエンドプレートは、それぞれの前記エンドプレートが面する前記熱交換器プレートの表面の一部のみを覆う、請求項１から５のいずれか一項に記載のプレート熱交換器。
7. 前記マニホールドは第１のエンドプレートに永久的に封止され、前記熱交換器プレートは、ろう付け、拡散接合または接着によって互いにおよび前記エンドプレートに永久的に封止されている、請求項１から６のいずれか一項に記載のプレート熱交換器。
8. 前記マニホールドはねじまたはボルトによって第１のエンドプレートに搭載され、前記熱交換器プレートは、ろう付け、拡散接合または接着によって互いにおよび前記エンドプレートに永久的に封止されている、請求項１から６のいずれか一項に記載のプレート熱交換器。
9. ポートホールおよび前記遠方開口は異なる方向に配向されている、請求項１から８のいずれか一項に記載のプレート熱交換器。
10. 前記熱交換器プレートは、好ましくは金属シートの打ち抜きまたはプレスによって作製される波形パターンを有する、請求項１から９のいずれか一項に記載のプレート熱交換器。
11. プレート熱交換器のためのマニホールドを製造する方法であって、
    前記プレート熱交換器は、金属で作製されかつエンドプレート間に積み重ねられた薄い打ち抜きプレートで作製された複数の熱交換器プレートを含むプレートパッケージを含み、
    前記熱交換器プレートは、互いに対してかつ前記エンドプレートに対して封止され、かつ第１の媒体のための第１のプレート間空間と、第２の媒体のための第２のプレート間空間と、を交互に形成し、
    前記熱交換器プレートは、各熱交換器プレートの周縁で互いに対して封止され、
    前記プレートパッケージは、前記第１のプレート間空間と連通しかつ前記第２のプレート間空間との連通から封止されている少なくとも２つのポートチャネルを画定しており、
    前記エンドプレートの少なくとも１つが、それぞれのポートチャネルと連通する接続ポートを画定しており、
    前記方法は、
    ３Ｄプリンタを提供するステップと、
    付加製造によってマニホールドを製造するステップと、
    を含み、
    前記マニホールドは、ポート開口、遠方開口、および前記ポート開口と前記遠方開口との間に延在する流路を画定し、
    前記マニホールドの前記ポート開口は、前記プレート間空間の１つと前記遠方開口との間の連通を可能にするために前記プレート熱交換器の前記エンドプレートの１つの前記接続ポートの１つに対応している、方法。
12. 前記マニホールドはねじによって第１のエンドプレートに搭載される、請求項１１に記載の方法。
13. 前記マニホールドは、基板プレート上へ材料を付加的に堆積させることによって形成される、請求項１１から１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記マニホールドは、プレートパッケージのエンドプレート上へ材料を付加的に堆積させることによって形成される、請求項１２に記載の方法。
15. 前記エンドプレートは前記プレートパッケージの一部を形成し、前記接続ポートは前記付加製造中、取り外し可能なカバーによって覆われる、請求項１４に記載の方法。
16. 共に金属製であるプレートパッケージおよびマニホールドを含むプレート熱交換器であって、
    前記プレートパッケージは、エンドプレート間に積み重ねられた複数の熱交換器プレートを含み、
    前記熱交換器プレートは、互いに対してかつ前記エンドプレートに対して封止され、かつ第１の媒体のための第１のプレート間空間と、第２の媒体のための第２のプレート間空間と、を交互に形成し、
    前記熱交換器プレートは、各熱交換器プレートの周縁で互いに対して封止され、
    前記プレートパッケージは、前記第１のプレート間空間と連通しかつ前記第２のプレート間空間との連通から封止されている少なくとも２つのポートチャネルを画定し、
    前記エンドプレートの少なくとも１つが、それぞれのポートチャネルと連通する接続ポートを画定し、前記マニホールドは、ポート開口、遠方開口、および前記ポート開口と前記遠方開口との間に延在する流路を画定し、
    前記プレート間空間の１つと前記遠方開口との間の連通を可能にしている前記接続ポートの１つを前記マニホールドの前記ポート開口が覆うように、前記マニホールドは、前記エンドプレートの一方または両方に固定して取り付けられ、
    前記マニホールドは、付加製造、成形または鋳造によって作製され、
    前記マニホールドは、開口および前記開口を覆う取り外し可能な蓋を有する一体型ハウジングを含み、
    前記蓋は、前記プレート熱交換器を他の物体の上へ固定するための搭載ブラケットを含む、プレート熱交換器。
17. 前記搭載ブラケットは、前記蓋から外向きに各熱交換器プレートの周縁を越えて延在する、請求項１６に記載のプレート熱交換器。
18. 前記マニホールドは、前記マニホールドから外向きに各熱交換器プレートの周縁を越えて延在する１つ以上のさらなる搭載ブラケットを含む、請求項１７に記載のプレート熱交換器。
19. 前記搭載ブラケットは前記蓋から外向きに延在し、前記１つ以上の搭載ブラケットは前記マニホールドから外向きに実質的に同じ平面内で延在する、請求項１８に記載のプレート熱交換器。
20. 請求項１から１０の特徴のいずれかをさらに含む、請求項１６から１９のいずれか一項に記載のプレート熱交換器。

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