(57)【要約】【課題】流体の漏出を減少させ得る熱交換器を提供する。【解決手段】本発明の熱交換器は、流路が形成される金属板を含む複数の金属板が拡散接合によって積層された構造を有する熱交換器であって、流体が前記金属板の表面疵５０を通って漏出することを減少させる手段１０ｒを有することを特徴とする。【選択図】図１５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路が形成される金属板を含む複数の金属板が拡散接合によって積層された構造を有する熱交換器であって、流体が前記金属板の表面疵を通って漏出することを減少させる手段を有することを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記手段が、前記金属板の接合面に形成され、前記表面疵よりも深い深さを有する溝であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記手段が、前記金属板の接合面を被覆する金属薄膜であることを特徴する請求項１に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記手段が、前記金属板の接合面に付着されるインサート金属である請求項１に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記手段が、前記金属板の接合面に形成され、前記表面疵よりも深い深さを有する溝及び接合面を被覆する金属薄膜である請求項１に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記手段が、前記金属板の接合面に形成され、前記表面疵よりも深い深さを有する溝及び接合面に付着されるインサート金属である請求項１に記載の熱交換器。
【請求項７】
流路が形成される金属板を含む複数の金属板を拡散接合する前に、前記金属板の表面疵よりも深い深さを有する溝を前記金属板の接合面に形成する工程を含む熱交換器の製造方法。
【請求項８】
流路が形成される金属板を含む複数の金属板を拡散接合する前に、めっきによって、前記金属板の接合面を金属薄膜で被覆する工程を含む熱交換器の製造方法。
【請求項９】
流路が形成される金属板を含む複数の金属板を拡散接合する前に、前記金属板の接合面にインサート金属を付着させる工程を含む熱交換器の製造方法。
【請求項１０】
流路が形成される金属板を含む複数の金属板を拡散接合する前に、前記金属板の表面疵よりも深い深さを有する溝を前記金属板の接合面に形成し、めっきによって、前記接合面を金属薄膜で被覆する工程を含む熱交換器の製造方法。
【請求項１１】
流路が形成される金属板を含む複数の金属板を拡散接合する前に、前記金属板の表面疵よりも深い深さを有する溝を前記金属板の接合面に形成し、前記接合面にインサート金属を付着させる工程を含む熱交換器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、流路が形成される金属板を含む複数の金属板が拡散接合によって積層された構造を有する熱交換器が知られている（例えば、下記特許文献１参照）。この種の熱交換器では、一般に圧延によって製造された金属板が用いられている。しかしながら、圧延では、製品の表面の疵（例えば、ロールについた疵の金属板への転写による疵）の発生を完全に防止することが困難であるため、斯かる金属板は、表面に疵を有する。一方、拡散接合は、母材を溶かすことなく接合するため、表面疵は拡散接合後にも残存することがある。そのため、流路内の圧力が高い場合に、流体が表面疵を通って漏出するおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−１５８３１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、流体の漏出を減少させ得る熱交換器及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するため、流路が形成される金属板を含む複数の金属板が拡散接合によって積層された構造を有する熱交換器であって、流体が前記金属板の表面疵を通って漏出することを減少させる手段を有することを特徴とする熱交換器及びその製造方法を提供する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、流体が金属板の表面疵を通って漏出することを減少させる手段を有するため、流体が漏出し難い熱交換器を提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、実施例に係る熱交換器の構成を示す斜視図である。
【図２】図２は、基材の表面の断面図である。
【図３】図３は、流路層の平面図である。
【図４】図４は、流路層の底面図である。
【図５】図５は、図３のＡ−Ａ部断面図である。
【図６】図６は、図３のＢ−Ｂ部断面図である。
【図７】図７は、図３のＣ−Ｃ部断面図である。
【図８】図８は、図３のＥ−Ｅ部断面図である。
【図９】図９は、隔壁層の平面図である。
【図１０】図１０は、流路層、他の流路層及び隔壁層を重ね合わせた断面図である。
【図１１】図１１は、流路層、他の流路層及び隔壁層を重ね合わせた断面図である。
【図１２】図１２は、上蓋の平面図である。
【図１３】図１３は、下蓋の平面図である。
【図１４】図１４は、他の実施例に係る熱交換器を示す斜視図である。
【図１５】図１５は、流路層の一部を拡大した断面図である。
【図１６】図１６は、他の実施例において、流路層の接合面が金属薄膜で被覆された状態を示す断面図である。
【図１７】図１７は、さらに別の実施例において、流路層と上蓋が接合した状態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明するが、本発明の技術的範囲は以下の説明の内容に限定されるものではない。
【実施例】
【０００９】
図１に示したように、本実施例に係る熱交換器は、流路層１０、隔壁層２０、上蓋３０及び下蓋４０を有し、それらが拡散接合によって積層された構造を有する。流路層１０、隔壁層２０、上蓋３０及び下蓋４０の基材は、圧延によって製造された金属板である。斯かる金属板は、図２に示したように、例えば、幅（Ｗ）が約１０μｍ、深さ（Ｄ）が約５μｍの微細な表面疵５０を有する場合がある。
【００１０】
流路層１０は、流体を流す凹部が形成された層である。図３及び図４に示したように、流路層１０は、高温流体を流す凹部１０ａ、低温流体を流す凹部１０ｂ、高温流体の入口となる穴１０ｃ、高温流体の出口となる穴１０ｄ、低温流体の入口となる穴１０ｅ、低温流体の出口となる穴１０ｆ、第１突起１０ｇ、第２突起１０ｈ、第３突起１０ｉ、第４突起１０ｊ、第５突起１０ｋ、第６突起１０ｌ、伝熱部１０ｍ、第１隔離部１０ｎ、第２隔離部１０ｏ、第３隔離部１０ｐ、第４隔離部１０ｑ及び溝１０ｒを有する。
【００１１】
高温流体という用語は、低温流体よりも温度の高い流体を意味し、低温流体という用語は、高温流体よりも温度が低い流体を意味する。
【００１２】
凹部１０ａは、流路層１０の一面に設けられている。凹部１０ｂは、流路層１０の他面（一面の反対側の面）に設けられている。本実施例では、１つの流路層に高温流体を流す凹部と低温流体を流す凹部が設けられているが、１つの流路層に高温流体を流す凹部のみを設け、別の流路層に低温流体を流す凹部を設けてもよい。
【００１３】
図３及び図５に示したように、穴１０ｃ及び穴１０ｄは、流路層１０を貫通する長穴である。図３及び図６に示したように、穴１０ｅ及び穴１０ｆも流路層１０を貫通する長穴である。
【００１４】
図３及び図５に示したように、第１突起１０ｇは、柱状であり、凹部１０ａにおいて互いに間隔を置いて設けられる。本実施例では、第１突起１０ｇの形状が円柱であるが、流体の流速の低下をより少なくするために、第１突起１０ｇの形状を楕円柱又は流線形としてもよい。
【００１５】
図４及び図５に示したように、第２突起１０ｈは、柱状であり、凹部１０ｂにおいて第１突起１０ｇと同じ位置に設けられる。本実施例では、第２突起１０ｈの形状が円柱であるが、流体の流速の低下をより少なくするために、第２突起１０ｈの形状を楕円柱又は流線形としてもよい。
【００１６】
第１突起１０ｇ及び第２突起１０ｈは、柱状であるため、各凹部１０ａ，１０ｂにおいて流体の流れを妨げず、熱の交換効率の向上に寄与する。特に、流路層１０と他の層（例えば、隔壁層２０）とを拡散接合する場合には、図１０及び図１１に示したように、第１突起１０ｇ及び第２突起１０ｈが他の層を支える柱として機能するため、拡散接合時の加圧によって凹部１０ａ，１０ｂが押し潰されることがなく、流路（流体の通り路）として機能し得る空間を確保することができる。したがって、熱の交換効率を向上させるために、凹部１０ａ，１０ｂの幅を従来よりも格段に拡大することができる。また、第１突起１０ｇと第２突起１０ｈが伝熱部１０ｍ（凹部１０ａと凹部１０ｂとの間に形成される部分）を挟んで同じ位置に設けられているため、流路層１０に他の層を接合するときに、他の層を支持する強度を高めることができる。
【００１７】
上記した第１突起１０ｇ及び第２突起１０ｈは、伝熱部１０ｍから突出するように設けられている。これに対し、第３突起１０ｉ、第４突起１０ｊ、第５突起１０ｋ及び第６突起１０ｌは、伝熱部１０ｍ以外の部分から突出するように設けられている。
【００１８】
すなわち、図４及び図７に示したように、第３突起１０ｉは、凹部１０ｂにおいて穴１０ｅ付近、すなわち、穴１０ｅと凹部１０ａとの間に形成される第１隔離部１０ｎの真下に設けられる。第４突起１０ｊは、凹部１０ｂにおいて穴１０ｆ付近、すなわち、穴１０ｆと凹部１０ａとの間に形成される第２隔離部１０ｏの真下に設けられる。
【００１９】
図３及び図５に示したように、第５突起１０ｋは、凹部１０ａにおいて穴１０ｃ付近、すなわち、穴１０ｃと凹部１０ｂとの間に形成される第３隔離部１０ｐの真上に設けられる。第６突起１０ｌは、凹部１０ａにおいて穴１０ｄ付近、すなわち、穴１０ｄと凹部１０ｂとの間に形成される第４隔離部１０ｑの真上に設けられる。
【００２０】
上記した第１隔離部１０ｎ及び第２隔離部１０ｏは、図８に示したように、低温流体が凹部１０ａに進入することを防ぐ部分である。一方、第３隔離部１０ｐ及び第４隔離部１０ｑは、図６に示したように、高温流体が凹部１０ｂに進入することを防ぐ部分である。
【００２１】
図１に示したように、隔壁層２０は、流路層１０と他の流路層１０’との間に配置される。隔壁層２０は、流路層１０の凹部１０ｂと他の流路層１０’の高温流体を流す凹部とを仕切る層である。
【００２２】
他の流路層１０’は、上記した流路層１０と同じ構成要素を有する。すなわち、他の流路層１０’は、少なくとも高温流体を流す凹部、低温流体を流す凹部、高温流体の入口となる穴、高温流体の出口となる穴、低温流体の入口となる穴、低温流体の出口となる穴、第１突起、第２突起、伝熱部、第１隔離部、第２隔離部、第３隔離部、第４隔離部及び溝を有する。他の流路層１０’と他の層（例えば、隔壁層２０）とを拡散接合する場合には、他の流路層１０’は、第３突起、第４突起、第５突起及び第６突起をさらに有することが好ましい。
【００２３】
図１及び図９に示したように、隔壁層２０は、流路層１０に形成される穴１０ｃ，１０ｅと他の流路層１０’に形成される流体の入口となる穴を連通させる長穴２０ａ，２０ｃを有し、また、流路層１０に形成される穴１０ｄ，１０ｆと他の流路層１０’に形成される流体の出口となる穴を連通させる長穴２０ｂ，２０ｄを有する。
【００２４】
隔壁層２０の厚さは、凹部１０ａと凹部１０ｂとの間に形成される伝熱部１０ｍの厚さと等しい又は伝熱部１０ｍの厚さよりも薄いことが好ましい。そのように設定することによって、流路層１０の凹部１０ｂと他の流路層１０’の高温流体を流す凹部との間でも効率よく熱の交換を行うことができる。
【００２５】
ここで図１１を参照すると、流路層１０、他の流路層１０’及び隔壁層２０を重ね合わせたときに、流路層１０に形成された第３突起１０ｉは、第１隔離部１０ｎと隔壁層２０との間に介在し、流路層１０に形成された第４突起１０ｊは、第２隔離部１０ｏと隔壁層２０との間に介在している。一方、図１０を参照すると、他の流路層１０’に形成された第５突起１０ｋ’は、第３隔離部１０ｐ’と隔壁層２０との間に介在し、他の流路層１０’に形成された第６突起１０ｌ’は、第４隔離部１０ｑ’と隔壁層２０との間に介在している。この構成によれば、拡散接合するときに、第１隔離部１０ｎ、第２隔離部１０ｏ、第３隔離部１０ｐ’及び第４隔離部１０ｑ’が第３突起１０ｉ、第４突起１０ｊ、第５突起１０ｋ’及び第６突起１０ｌ’にそれぞれ支持され、それにより、第１隔離部１０ｎ、第２隔離部１０ｏ、第３隔離部１０ｐ’及び第４隔離部１０ｑ’に圧力が十分加わるため、隔壁層２０との良好な接合が得られる。したがって、接合不良による流体の漏出を効果的に防止することができる。
【００２６】
図１に示したように、上蓋３０は、最上の流路層１０の上に配置され、最上の流路層１０の凹部１０ａを覆う役割を果たす層である。図１及び図１２に示したように、上蓋３０は、高温流体の供給管、高温流体の排出管、低温流体の供給管及び低温流体の排出管が接続される穴３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄを有する。
【００２７】
図１に示したように、下蓋４０は、最下の流路層１０’’の下に配置され、最下の流路層１０’’の低温流体を流す凹部を覆う役割を果たす層である。図１及び図１３に示したように、下蓋４０には、穴等が何も形成されていない。なお、高温流体の供給管、高温流体の排出管、低温流体の供給管及び低温流体の排出管の一部又は全部を接続するための穴を下蓋４０に形成しても良いし、それらの一部又は全部を接続するための穴を上蓋及び下蓋によって形成される面以外の面に形成しても良い。例えば、他の実施例では、図１４に示したように、低温流体の排出管を接続するための穴５１が熱交換器の正面に形成され、高温流体の排出管を接続するための穴５２が熱交換器の左側面に形成されている。
【００２８】
上記のように構成される熱交換器では、高温流体が上蓋３０の穴３０ａ及び穴１０ｃを通って凹部１０ａに流入し、その後、穴１０ｄ及び上蓋３０の穴３０ｂを通って排出される。一方、低温流体は、上蓋３０の穴３０ｃ及び穴１０ｅを通って凹部１０ｂに流入し、その後、穴１０ｆ及び上蓋３０の穴３０ｄを通って排出される。本実施例に係る熱交換器によれば、凹部１０ａ，１０ｂの幅が従来よりも格段に広いため、高温流体及び低温流体の流量が従来よりも増加し、さらに伝熱部１０ｍの面積が従来よりも格段に広いため、熱の交換効率が非常に良い。また、１つの流路層１０に高温流体を流す凹部１０ａと低温流体を流す凹部１０ｂが設けられるため、熱交換器の小型化を図ることが可能である。
【００２９】
図３及び図４に示したように、溝１０ｒは、流路層１０の縁の内側に、縁に沿って形成されている。溝１０ｒの深さ（Ｄ）は、基材の表面疵５０の深さよりも深い。例えば、幅が約１０μｍ、深さが約５μｍの表面疵５０に対して、幅（Ｗ）が０．１〜０．２ｍｍ、深さ（Ｄ）が０．１〜０．２ｍｍの溝１０ｒが形成されるが、溝１０ｒの寸法は適宜設定し得る。このような溝１０ｒが形成されることによって、凹部等から流出する流体（液体）を溝１０ｒの中に溜めることができ、また、溝１０ｒと流路層１０の縁との間の部分が流体（液体）を堰き止めるため、流体（液体）が表面疵５０を通って漏出することを効果的に減少させることができる（図１５参照）。
【００３０】
本実施例では、溝１０ｒが流路層１０にのみ形成されているが、隔壁層２０、上蓋３０及び下蓋４０にも同様の溝を形成してもよい。
【００３１】
上記したように溝１０ｒは、流体が金属板（基材）の表面疵５０を通って漏出することを減少させる手段であるが、斯かる手段は、溝１０ｒのように、金属板の接合面（拡散接合時に他の層に接合される面）に形成され、表面疵５０の深さよりも深い深さを有する溝に限定されない。
【００３２】
例えば、図１６に示したように、その手段が金属板（基材）の接合面を被覆する金属薄膜６０であってもよい。この場合、流路層１０の表面がめっきによって銀やニッケル等の金属薄膜６０で被覆される。この例では、金属薄膜６０が表面疵５０の中に充填されるので、流体が表面疵５０を通って漏出することを効果的に減少又は防止することができる（図１６参照）。なお、その手段は、上述した溝１０ｒと金属薄膜６０の組み合わせであってもよい。
【００３３】
その手段のさらに別の形態としては、金属板（基材）の接合面に付着されるインサート金属７０が挙げられる。従来、インサート金属は、拡散接合を促進する目的で使用されているが、本発明では、インサート金属を表面疵をなくす目的で使用する。インサート金属７０は、融点が流路層１０等よりも低い金属の中から適宜選択される。この例では、インサート金属７０が拡散接合時に溶けて表面疵５０の中に充填されるので、流体が表面疵５０を通って漏出することを効果的に減少又は防止することができる（図１７参照）。なお、その手段は、上述した溝１０ｒとインサート金属７０の組み合わせであってもよい。
【００３４】
次に、好ましい製法について説明する。
【００３５】
本実施例の熱交換器は、流路層１０、隔壁層２０、上蓋３０、及び下蓋４０を提供し、それらを重ね合わせて拡散接合することによって製造される。
【００３６】
流路層１０は、基材の両面を同時にエッチングすることによって製造されることが好ましい。本実施例では、このエッチングによって、凹部１０ａ、凹部１０ｂ、第１突起１０ｇ、第２突起１０ｈ、第３突起１０ｉ、第４突起１０ｊ、第５突起１０ｋ、第６突起１０ｌ、伝熱部１０ｍ、第１隔離部１０ｎ、第２隔離部１０ｏ、第３隔離部１０ｐ、第４隔離部１０ｑ及び溝１０ｒが形成される。この方法によれば、基材の片面にエッチングをする場合と比較して、流路層１０の歪みを非常に小さくすることができる。特に、流路層１０と他の層を拡散接合する場合には、流路層１０の歪みが非常に小さいので、拡散接合に適した接合面を得ることができる。また、突起１０ｇ，１０ｈ，１０ｉ，１０ｊ，１０ｋ，１０ｌを凹部１０ａ，１０ｂ内に容易に形成し得るという利点もある。
【００３７】
溝１０ｒは、流路（１０ａ〜１０ｆ，２０ａ〜２０ｄ）が形成される金属板（１０，２０）を含む複数の金属板（１０，２０，３０，４０）を拡散接合する前に形成される。他の実施例では、拡散接合する前に、めっきによって、全部又は一部の金属板の接合面を金属薄膜６０で被覆する。なお、金属板の接合面に溝１０ｒを形成した後、めっきによって、接合面を金属薄膜６０で被覆してもよい。さらに別の実施例では、拡散接合する前に、全部又は一部の金属板の接合面にインサート金属７０を付着させる。なお、金属板の接合面に溝１０ｒを形成した後、接合面にインサート金属７０を付着させてもよい。
【符号の説明】
【００３８】
１０，１０’，１０’’  流路層
１０ａ，１０ｂ  凹部
１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆ  穴
１０ｇ  第１突起
１０ｈ  第２突起
１０ｉ  第３突起
１０ｊ  第４突起
１０ｋ，１０ｋ’  第５突起
１０ｌ，１０ｌ’  第６突起
１０ｍ  伝熱部
１０ｎ  第１隔離部
１０ｏ  第２隔離部
１０ｐ，１０ｐ’  第３隔離部
１０ｑ，１０ｑ’  第４隔離部
１０ｒ，１０ｒ’  溝
２０  隔壁層
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ  長穴
３０  上蓋
３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，５１，５２  穴
４０  下蓋
５０  表面疵
６０  金属薄膜
７０  インサート金属
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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