JP5733900B2 - プレート式熱交換器の製造方法及びプレート式熱交換器 - Google Patents

Description

この発明は、プレート式熱交換器の製造方法及びプレート式熱交換器に関する。

プレート式熱交換器は、熱媒体、冷媒体（冷媒ともいう）の流路を確保するために、プレートの伝熱面に複数の波形状を備えたプレートを積層している。互いに接し合う２枚のプレートの一方の波形状の山頂部の一部と、他方の波形状の谷底部の一部とが接触するように構成されている。この接触部分がロウ付けにより接合され、このような接合部が各層のプレート全面で構成されることで強度を保っている。

一方で、プレートに備えられた熱媒体、冷媒体の流入口、流出口の付近は、熱媒体、冷媒体を互いに完全に分流させる必要があるため、前述の波形状どうしの接合部を構成できない領域がある。この領域によって、流入口、流出口の付近は他の領域と比較して強度が低くなる。

そのため、従来のプレート式熱交換器では、流入口、流出口の付近で、波形状の稜線の一部を蛇行、または、稜線の一部を屈曲させることで接合部を形成してるものがある（例えば、特許文献１）。

特開平７−２４３７８１号公報

しかし、波形状の稜線の一部を蛇行または屈曲する形態では、そのプレートの成形時の伸びが、蛇行部、屈曲部で均一でないため成形時の割れが発生しやすく、また、成形後の寸法精度が粗くなる等の課題があった。また、波形状が複雑であるためプレートを成形する金型の製作コストも高価になるという課題があった。

この発明は、ロウ付け前に所定数量のプレートを積層した状態で加圧することで、各プレートに備えられた波形状の接合部に深さ０．０５〜０．１ｍｍの圧痕をつけ、接合される波形状どうしの接触面積を増加させ、その状態でロウ付けを行うことで、ロウ付けによる接合部の面積を増加させる。この面積の増加によって、強度が高く、複雑な加工を要しない金型で、金型によるプレートの成形の信頼性に優れたプレート式熱交換器の製造方法を提供することを目的とする。

この発明のプレート式熱交換器の製造方法は、
長辺と短辺とを有する矩形の形状をなすと共に積層された複数のプレートであって、積層方向に変位する波形状が形成された複数のプレートを備え、
前記積層方向の一方を下側、他方を上側とした場合の隣接する下側プレートと上側プレートとは、
前記上側プレートの波の底を示す複数の底稜線と、前記下側プレートの波の頂上を示す頂上稜線とが交差して複数の交差部を作り、前記複数の交差部において前記上側プレートの前記波の底と前記下側プレートの前記波の頂上とがロウ付け工程によって接合されるプレート式熱交換器の製造方法において、
完成時の順序で前記複数のプレートを前記ロウ付け工程前に積層し、積層された前記複数のプレートを圧縮するように前記積層方向に加圧することで前記複数の交差部の少なくも一部における前記上側プレートの前記波の底と前記下側プレートの前記波の頂上とに圧痕を形成する加圧工程を備えたことを特徴とする。

この発明によって、ロウ付けで接合するプレート式熱交換器において、製造しやすく、かつ、耐圧性能の向上したプレート式熱交換器を提供できる。

実施の形態１のプレート式熱交換器１００の平面図。 図１のＡ−Ａ断面に相当する従来の熱交換器の断面図。 実施の形態１のプレート式熱交換器１００のＡ−Ａ断面図に相当する図（加圧前）。 実施の形態１の加圧工程を示す図。 加圧後の図３を示す図。 実施の形態２のプレート式熱交換器１００の平面図。 実施の形態２のプレート式熱交換器１００の加圧前のＢ−Ｂ断面図。 実施の形態２のプレート式熱交換器１００の加圧後のＢ−Ｂ断面図。

実施の形態１．
図１〜図５を参照して、実施の形態１におけるプレート式熱交換器１００の製造方法を説明する。

図１は、プレート式熱交換器１００の平面図である。プレート式熱交換器１００の構成は従来のプレート式熱交換器とほぼ同様である。従来のプレート式熱交換器と異なるのは、後述の図３のように、波形状の高さにおいて「０．０５ｍｍ〜０．１ｍｍ」の高さ変化をつけ、後述の加圧工程によってこの高さ変化を相殺することでプレートどうしの山頂部と谷底部とのロウ付け面先を大きくする点にある。

（プレート式熱交換器１００の構成）
プレート式熱交換器１００は、長辺１０２ａ、１０２ｂと短辺１０１ａ、１０１ｂとを有する矩形の形状をなすと共に積層された複数のプレートであって、積層方向に変位する波形状が形成された複数のプレートを備えている。プレート式熱交換器１００では、積層方向の一方を下側、他方を上側とした場合の隣接する下側プレートと上側プレートとは、上側プレートの波の底を示す複数の底稜線１０６と、下側プレートの波の頂上を示す頂上稜線１０７とが交差して複数の交差部１０５を作る。そして、複数の交差部１０５において上側プレートの波の底と下側プレートの波の頂上とがロウ付け工程によって接合される。
プレート式熱交換器１００の各プレートは、一方の短辺１０１ａの近傍に、冷媒が通過する冷媒流入口１１１（開口）と、冷媒と熱交換する熱媒体が通過する熱媒体流出口１１２（開口）とが短辺方向に形成されており、また他方の短辺１０１ｂの近傍に、冷媒が通過する冷媒流出口１１３（開口）と、熱媒体が通過する熱媒体流入口１１４（開口）とが短辺方向に形成されている。波形状は、冷媒流入口１１１、熱媒体流出口１１２と、冷媒流出口１１３、熱媒体流入口１１４との間の領域に形成されている。
以上のプレート式熱交換器１００の構成は従来のプレート式熱交換器と同様である。

図２は、図１のＡ−Ａ断面に相当する従来のプレート式熱交換器の断面図を示す。

（従来のプレート式熱交換器の断面）
図２の断面は、複数のプレートが積層方向１０４の方向に積層された状態を示している。上下で接し合う２枚のプレート１，２において、一方のプレートに形成された波形状の山頂部３（頂上）と他方のプレートの波形状の谷底部４（底）が接触点５で接している。プレートに成形されたプレート１，２の波形状の山頂部３あるいは谷底部４の断面形状が略円弧状の形状をしており、また、プレート１，２の波形状の稜線の向きは互いに交差する向きのため、互いのプレートの接触点５（交差部に相当）は点接触となる。

（プレート式熱交換器１００のプレートの特徴）
図３は、後述する「加圧工程前」における図１のＡ−Ａ断面に相当するプレート式熱交換器１００の断面を示す。図３は、説明のために、領域６ａ，６ｂと領域６ａ，６ｂ以外の領域との両方を表している。よって、図３は、実際のＡ−Ａ断面ではない。プレート式熱交換器１００のプレートの特徴は、図３に示すように、冷媒流入口１１１及び熱媒体流出口１１２の近傍の領域６ａ（開口近傍領域）と、冷媒流出口１１３及び熱媒体流入口１１４の近傍の領域６ｂ（開口近傍領域）とにおける波形状の波高さＨ１が、他の領域（領域６ａ及び領域６ｂ以外の領域）の波形状の波高さＨ２に対して、寸法ａだけ高い（長い）という点である。
ここに寸法ａは、
０．０５ｍｍ≦ａ≦０．１ｍｍ
である。
このように各プレートは、領域６ａ，領域６ｂにおける積層方向１０４の上側から下側に向かう方向における波の底の位置１２１が、領域６ａ，領域６ｂ以外の領域における波の底の位置１２２よりも、寸法ａだけ低いことを特徴とする。

なお、プレート１（下側プレート）、プレート２（上側プレート）とはプレス成形により製造されるが、前述の寸法ａの範囲「０．０５〜０．１ｍｍ」は、プレート１，２をプレス成形する金型において、波形状を成形する部位の高さを「０．０５〜０．１ｍｍ」相当分の差をつけるように構成した金型を用いてプレート１，２をプレス成形することで実現できる。

プレート１，２を以上のような構成にしたため、図１の様に複数のプレート１，２を仮組みとして積層した場合、上下で接し合う２枚のプレート１，２において、流入口、流出口近傍の領域６ａ、６ｂの、一方のプレートに備えられた波形状の山頂部と他方のプレートの波形状の谷底部が接触点９で点接触している状態となる。一方、他の領域の波形状部は、互いに０．０５〜０．１ｍｍの隙間１０を有する状態となる。

なお図３でプレート２−１に着目すると、領域６ａ，６ｂの範囲では波の底の位置１２１を領域６ａ，６ｂの範囲以外の領域に対して、寸法ａだけ下側に低くしているがこれは一例である。プレート２−１について（他のプレートも同様）、領域６ａ，６ｂの範囲で上側の波の頂上の位置を上側方向に寸法ａだけ高くしてもよい。

（加圧工程）
図４は、加圧工程を示す図である。
図５は、図３の加圧工程後の状態を示す。
複数枚積層されたプレート１，２をロウ付け工程前に所要枚数を積層し、図４に示すようにプレート１，２のほぼ全面を、平面を備えた加圧治具１６ａ、１６ｂで上下面の平行を保ちながら加圧する。この加圧工程によって、図５に示す様に、流入口、流出口近傍の領域６ａ、６ｂの波形状の接触点９（底と頂上の接触点）に塑性変形が生じ、上下で接し合う双方のプレートの接触点９に圧痕１１が生じ、接触点９の接触状態が加圧前の点接触から面接触になる。
このように、完成時の順序で複数のプレートをロウ付け工程前に積層し、積層された複数のプレートを圧縮するように積層方向に加圧することで複数の接触点（交差部）の少なくも一部における上側プレートの波の底と下側プレートの波の頂上とに圧痕を形成する。

（圧痕の深さ）
このとき、加圧により生じさせる圧痕１１の深さは、あらかじめ設定した流入口、流出口近傍の領域６ａ、６ｂの波形状の波高さと他の領域の波形状の波高さとの差である寸法ａ（０．０５〜０．１ｍｍ）を相殺する程度の深さとする。これにより、流入口、流出口近傍以外の領域の隙間１０が接触する程度になる。また、流入口、流出口近傍の領域６ａ、６ｂの寸法６ａ−ｗ、６ｂ−ｗは、流入口、流出口の縁から５〜５０ｍｍとすることで、加圧治具１６ａ、１６ｂによる加圧に要する力を抑制できる。

以上のような方法で積層後に加圧して圧痕１１をつけ、プレート１、２をなじませた状態に構成したプレートを、加圧治具１６ａ、１６ｂから取り出し、加圧力を除荷する。その後、加圧時の積層順を変えないまま炉中ロウ付け等でロウ付けを行う。

以上のようにプレート式熱交換器１００では、熱媒体、冷媒体の流入口、流出口の近傍の波形状のロウ材を伴う接合部の面積が他の領域のロウ材を伴う接合部の面積と比較して増加するように、プレートに形成された波形状のうち、熱媒体、冷媒体の流入口、流出口の近傍の波形状の波高さを、それ以外の領域の波形状の波高さに対して「０．０５ｍ〜０．１ｍｍ」高くなるように構成した。そして、そのプレートを所定数量ロウ付け前に積層し、加圧治具で加圧する。この加圧工程により波形状の高さの差を相殺する程度の圧痕をつけた後にロウ付けするようにした。
このため、流入口、流出口近傍の領域６ａ、６ｂの領域の接触点９は圧痕１１によって面接触になっている。よって、ロウ付による接触点９の周囲にぬれ広がるロウ材を伴うので接合面積が増加し、流入口、流出口付近の領域６ａ、６ｂの領域の接合強度が強くなり、プレート式熱交換器の耐圧強度、内圧疲労強度等の強度を上げることができ、品質の向上を図ることができる。なお、炉中ロウ付け時には、プレート１、２にはロウ付けにより接合される、プレート式熱交換器を構成する他の部品を組み付けて同時にロウ付けすることも可能である。

また、波形状に蛇行部や屈曲部等がないため、プレートを成形する金型を安価に製作することができる。また、プレートの成形においては、割れの不良が発生しにくい等の製造コストの低減を図ることができる。

実施の形態２．
次に図６〜図８を参照して実施の形態２におけるプレート式熱交換器１００の製造方法を説明する。前述の実施の形態１では、流入口、流出口の近傍において、加圧により圧痕１１を生じさせてロウ付けによる接合面積を増加させ、接合強度を向上した。実施の形態２では、プレート全面において強度を向上させる場合を説明する。

図６は、実施の形態２における、プレート式熱交換器１００のプレートの概略図である。
図７は、複数のプレートが積層された加圧前の状態における図６のＢ−Ｂ断面を示した図である。
図８は、複数のプレートが積層され、加圧を施した後の図６のＢ−Ｂ断面の状態を示した図である。

図６、図７において、プレート１、２に形成された波形状の波高さ１３は、理想的にはプレートの全面の領域１２においてほぼ同じ高さである。しかし、実際には、波形状の高さ１３は、プレート１，２をプレス成形する際に生じるばらつきを有している。このため、波高さ１３が相対的に低い部位では、互いに接し合う波形状の接触部に隙間１４が生じる。よって、この状態のままロウ付けを行うと、隙間のある波形状の接触部におけるロウ材を伴う接合部の面積が小さくなる傾向がある。このような状態がプレート１、２全面の領域１２の任意の部位で多数生じることになり、その部位においてロウ材を伴う接合部の面積のばらつきが発生し、プレート式熱交換器の強度のばらつきの原因となる。

（加圧工程）
そこで、ロウ付け前のプレート１、２を所要枚数積層し、実施の形態１と同様に図４に示すようにプレート１、２のほぼ全面を、平面を備えた加圧治具１６ａ、１６ｂで上下面の平行を保ちながら加圧する。これにより、ほぼ全面の波形状の接触部に塑性変形が生じ、上下で接し合う双方のプレートの接触部に圧痕１５が生じ、接触状態が加圧前の点接触から面接触になる。また、加圧により生じさせる圧痕１５の深さはを波高さ１３のばらつきに伴う隙間１４を相殺する程度とすることで、隙間１４が接触を有する形態になる。このような場合の圧痕１５の深さは、プレスによる波高さ１３のばらつきの程度を考慮すると「０．０５〜０．１ｍｍ」が適当である。
このように、完成時の順序で複数のプレートをロウ付け工程前に積層し、積層された複数のプレートを圧縮するように積層方向に加圧することで複数の接触点（交差部）の少なくも一部における上側プレートの波の底と下側プレートの波の頂上とに圧痕を形成する。

以上のような方法で積層後に加圧し圧痕１５をつけ、プレート１、２をなじませた状態に構成したプレートを加圧治具１６ａ、１６ｂから取り出し、加圧力を除荷する。そして加圧時の積層順を変えないまま炉中ロウ付け等でロウ付けを行うことで、プレート式熱交換器のほぼ全面においてロウ材を伴う接合部の面積を増加させることができる。

また、波高さ１３のばらつきによる隙間１４を、加圧治具１６ａ、１６ｂによる加圧により接触させるようにしたので、接合部の面積のばらつきを小さくすることもできる。よって、接合強度を強くすることができるので、プレート式熱交換器の耐圧強度、内圧疲労強度等の強度を上げることができる。また、接合強度のばらつきも小さくすることができるので、プレート式熱交換器の強度的品質の安定、向上を図ることができる。

なお、炉中ロウ付け時には、プレート１、２にロウ付けにより接合される、プレート式熱交換器を構成する他の部品をプレート１、２に組み付けて同時にロウ付けすることも可能である。

１ プレート、２ プレート、３ 波形状の山頂部、４ 波形状の谷底部、５ 接触点、６ａ，６ｂ 流入口、６ａ，６ｂ 流出口近傍の領域、７ 波高さ、８ 波高さ、９ 接触点、１０ 隙間、１１ 圧痕、１２ プレートの全面の領域、１３ 波形状の波高さ、１４ 隙間、１５ 圧痕、１６ａ，１６ｂ 加圧治具、１００ プレート式熱交換器、１０１ 短辺、１０２ 長辺、１０４ 積層方向、１０５ 交差部、１０６ 底稜線、１０７ 頂上稜線、１１１ 冷媒流入口、１１２ 熱媒体流出口、１１３ 冷媒流出口、１１４ 熱媒体流入口、１２１，１２２ 底の位置。

Claims (6)

1. 長辺と短辺とを有する矩形の形状をなすと共に積層された複数のプレートであって、積層方向に変位する波形状が形成された複数のプレートを備え、
   前記積層方向の一方を下側、他方を上側とした場合の隣接する下側プレートと上側プレートとは、
   前記上側プレートの波の底を示す複数の底稜線と、前記下側プレートの波の頂上を示す頂上稜線とが交差して複数の交差部を作り、前記複数の交差部において前記上側プレートの前記波の底と前記下側プレートの前記波の頂上とがロウ材を用いたロウ付け工程によって接合されるプレート式熱交換器の製造方法において、
   完成時の順序で前記複数のプレートを前記ロウ付け工程前に積層し、積層された前記複数のプレートを圧縮するように前記積層方向に加圧することで前記複数の交差部の少なくとも一部における前記上側プレートの前記波の底と前記下側プレートの前記波の頂上とに塑性変形による圧痕を形成することによって、前記波の底と前記波の頂上との接合部であって前記ロウ材でロウ付けされる接合部の面積を増加させる加圧工程を備え、
   前記複数のプレートの各プレートは、
   冷媒が通過する開口と、前記冷媒と熱交換する熱媒体が通過する開口との２つの開口が、双方の前記短辺の近傍に短辺方向にそれぞれ形成されると共に、前記波形状が双方の前記短辺の近傍に形成されたそれぞれの前記２つの開口の間の領域に形成され、
   前記加圧工程は、
   それぞれの前記２つの開口の近傍の領域である開口近傍領域における前記接合部の面積を、前記開口近傍領域以外における前記接合部の面積よりも、大きくすることを特徴とするプレート式熱交換器の製造方法。
2. 前記複数のプレートの各プレートの前記波形状は、
   それぞれの前記２つの開口の近傍の領域である開口近傍領域における距離Ｈ１であって前記波形状の波の底と波の頂上との前記積層方向の距離Ｈ１が、前記開口近傍領域以外の領域における前記波形状の波の底と波の頂上との前記積層方向の距離Ｈ２よりも寸法ａだけ長く、
   前記加圧工程は、
   前記寸法ａを相殺する程度の前記塑性変形による前記圧痕を形成することを特徴とする請求項１記載のプレート式熱交換器の製造方法。
3. 各プレートは、
   前記開口近傍領域における前記積層方向の前記上側から前記下側に向かう方向における波の底の位置が、前記開口近傍領域以外の領域における前記積層方向の前記上側から前記下側に向かう方向における波の底の位置よりも、前記寸法ａだけ前記下側に低いことを特徴とする請求項２記載のプレート式熱交換器の製造方法。
4. 各プレートは、
   前記開口近傍領域における前記積層方向の前記下側から前記上側に向かう方向における波の頂上の位置が、前記開口近傍領域以外の領域における前記積層方向の前記下側から前記上側に向かう方向における波の頂上の位置よりも、前記寸法ａだけ前記上側に高いことを特徴とする請求項２記載のプレート式熱交換器の製造方法。
5. 前記寸法ａは、
   ０．０５ｍｍ≦ａ≦０．１ｍｍ
   であることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載のプレート式熱交換器の製造方法。
6. 長辺と短辺とを有する矩形の形状をなすと共に積層された複数のプレートであって、積層方向に変位する波形状が形成された複数のプレートを備え、
   前記積層方向の一方を下側、他方を上側とした場合の隣接する下側プレートと上側プレートとは、
   前記上側プレートの波の底を示す複数の底稜線と、前記下側プレートの波の頂上を示す頂上稜線とが交差して複数の交差部を作り、前記複数の交差部において前記上側プレートの前記波の底と前記下側プレートの前記波の頂上とがロウ材でロウ付けされて接合されるプレート式熱交換器において、
   前記複数の交差部の一部における前記上側プレートの前記波の底と前記下側プレートの前記波の頂上とに、塑性変形による圧痕が形成され、前記波の底と前記波の頂上とが、前記ロウ材でロウ付けされて接合される接合部は、
   前記圧痕が形成されていない前記上側プレートの前記波の底と、前記圧痕が形成されていない前記下側プレートの前記波の頂上とが、前記ロウ材でロウ付けされて接合される接合部よりも、接合面積が大きく、
   前記複数のプレートの各プレートは、
   冷媒が通過する開口と、前記冷媒と熱交換する熱媒体が通過する開口との２つの開口が、双方の前記短辺の近傍に短辺方向にそれぞれ形成されると共に、前記波形状が双方の前記短辺の近傍に形成されたそれぞれの前記２つの開口の間の領域に形成され、
   それぞれの前記２つの開口の近傍の領域である開口近傍領域における前記接合部の面積は、
   前記開口近傍領域以外における前記接合部の面積よりも大きいことを特徴とするプレート式熱交換器。

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