(57)【要約】【課題】  熱応力を低減し、構造体としての接合強度を確保できる熱交換器を提供する。【解決手段】  第一、第二熱交換室１，２を形成する熱交換エレメント１０，４０を備え、第一熱交換室１を流れる低温流体と第二熱交換室を流れる第二流体との間で熱交換が行われる構成とした熱交換器において、熱交換エレメント１０は互いに対峙する平板状をした２枚のプレート１１，１２と、各プレート１１，１２の間に固着され内部に第一熱交換室１を画成する剛性部材２１，２２，２３と、各プレート１１，１２の間に固着されることなく挟持される伝熱促進部材３１とを備える。【選択図】    図１
2005155996.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
その内部に流体が流れる各熱交換室を形成する熱交換エレメントを積層し、
前記各熱交換室を流れる流体の間で熱交換が行われる構成とした熱交換器において、
前記熱交換エレメントは互いに対峙する平板状をした対のプレートと、
前記各プレートの間に固着され内部に前記熱交換室を画成する剛性部材と、
前記熱交換室にて前記各プレートの間に固着されることなく挟持される伝熱促進部材と、
を備えたことを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記各プレートを略矩形に形成し、
前記各プレートの四辺に沿って前記剛性部材を配置し、
前記剛性部材の一部に前記熱交換室に流体を出入りさせる開口部を形成したことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記各プレートの間に配置される仕切り部材を備え、
この仕切り部材によって前記熱交換室における流体の流れ方向を制御する構成としたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記仕切り部材を前記剛性部材及び前記各プレートに接合し、
前記仕切り部材と前記剛性部材との接合部近傍に、流体を通過させる開口部を形成したことを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記流体の流れ方向に沿って伝熱特性の異なる前記伝熱促進部材を配置したことを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の熱交換器。
【請求項６】
前記各伝熱促進部材はそれぞれの材質および断面形状のうち少なくとも一方が異なることを特徴とする請求項５に記載の熱交換器。
【請求項７】
前記積層した熱交換エレメントによって高温流体が流れる第一熱交換室と低温流体が流れる第二熱交換室を画成し、
前記第一熱交換室の上流側に介装される前記伝熱促進部材の熱伝達特性を前記第一熱交換室の下流側に介装される前記伝熱促進部材の熱伝達特性より高くし、
前記第二熱交換室の上流側を流れる低温流体が前記第一熱交換室の下流側を流れる高温流体と交差して流れるとともに、前記第二熱交換室の下流側を流れる低温流体が第一熱交換室の上流側を流れる高温流体と交差して流れるように、前記切り部材によって前記第二熱交換室における流体の流れ方向を制御する構成としたことを特徴とする請求項３から６のいずれか一つに記載の熱交換器。
【請求項８】
前記第二熱交換室に介装される前記仕切り部材を前記第一熱交換室に介装される熱伝達特性を有する前記各伝熱促進部材の分割部に対峙するように配置したことを特徴とする請求項３から７のいずれか一つに記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平板状のプレートと波板状のフィンなどの伝熱促進部材を積層した熱交換器の改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種の熱交換器として、特許文献１に開示されたものは、２枚のプレートの間に２枚のフィンを重ねて介装し、各プレートに各フィンを固着する一方、重ねられた各フィンどうしを互いに固着することなく当接させている。
【０００３】
この場合、熱交換器の作動時に重ねられた各フィンどうしの当接部が変位することによって熱変形が吸収されるとしている。
【特許文献１】特開2002−71288号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このような従来の熱交換器にあっては、低温流体側と高温流体側にそれぞれ面するプレートの両面にフィンを固着した場合、高温側と低温側の温度差によってプレートとフィンの接合部に熱応力が発生する可能性があった。
【０００５】
また、プレートとフィンを固着させない構造とすることも考えられるが、その場合、従来のプレートとフィンの積層方法では、構造体としての接合強度を得ることが難しいという問題があった。
【０００６】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、熱応力を低減し、構造体としての接合強度を確保できる熱交換器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明では、その内部に流体が流れる熱交換室を形成する熱交換エレメントを積層し、各熱交換室を流れる流体間で熱交換が行われる構成とした熱交換器において、熱交換エレメントは互いに対峙する平板状をした対のプレートと、各プレートの間に固着され内部に熱交換室を画成する剛性部材と、熱交換室内で各プレートの間に固着されることなく挟持される伝熱促進部材とを備える。
【０００８】
また、各プレートを略矩形に形成し、各プレートの四辺に沿って剛性部材を配置し、剛性部材の一部に熱交換室に流体を出入りさせる開口部を形成した。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によると、熱交換エレメントは伝熱促進部材が各プレートの間に固着されることなく挟持される構造のため、熱交換器の作動時に伝熱促進部材と各プレートとの当接部が変位することによって熱変形が吸収される。このため、伝熱促進部材と各プレートに作用する熱応力が低減され、信頼性が向上する。
【００１０】
熱交換エレメントを製造する際、各部材を拡散接合などによって固着する際、剛性部材によって各プレートの支持剛性を高められ、組み立て精度を確保して強固に接合できるとともに、この部位にかかる熱応力のみを考慮した設計が可能となる。そして、伝熱促進部材は各プレートの間に挟持されることにより、位置ズレが生じない。これにより、製品の信頼性の向上がはかれる。
【００１１】
また、剛性部材の一部に熱交換室に流体を出入りさせる開口部を形成したことにより、剛性部材を各プレートに接合する面を途絶えることなく連続させる構造とすることができる。このため、各剛性部材によって各プレートを挟持する接合面が連続した枠状に形成され、構造体としての接合強度を得ることができる。これにより、製品の信頼性の向上がはかれる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の第１実施形態の構成を説明する。
【００１３】
図１は、蒸発器などに適用される熱交換器を構成する高温側熱交換エレメント１０を示す。この高温側熱交換エレメント１０はその内外に第一、第二熱交換室１，２を区画形成する。
【００１４】
箱形をした高温側熱交換エレメント１０は、２枚のプレート１１，１２と、各プレート１１，１２の間に固着される剛性部材２１〜２４と、各プレート１１，１２の間に固着されることなく挟持される伝熱促進部材３１とを備える。
【００１５】
熱交換器を構成する各部材は、例えばアルミニウム材のステンレス材やチタン材などの金属が用いられる。
【００１６】
各プレート１１，１２は略矩形の薄板状に形成する。剛性部材２１〜２４はその断面が略矩形をした柱状に形成する。各プレート１１，１２の四辺に沿って各剛性部材２１〜２４を配置する。これにより高温側熱交換エレメント１０はその内側に第一熱交換室１を区画形成する。
【００１７】
各剛性部材２１〜２４は中実構造とする。各剛性部材２１〜２４は各プレート１１，１２の端部間を隙間なく囲っている。剛性部材２１，２２は高温側熱交換エレメント１０の長辺方向に延びる。剛性部材２３，２４は高温側熱交換エレメント１０の短辺方向に延びる。
【００１８】
第一熱交換室１に配置される伝熱促進部材３１は波板状に湾曲したコルゲートフィンからなる。伝熱促進部材３１の断面が三角状に曲折する多数の畝部３２を有している。各畝部３２は高温側熱交換エレメント１０の短辺方向に延びる。
【００１９】
剛性部材２２には高温流体を第一熱交換室１に流入させる複数の開口部２２ａを貫通して形成する。剛性部材２１に第一熱交換室１から高温流体を流出させる複数の開口部２１ａを貫通して形成する。各開口部２１ａ，２２ａは高温側熱交換エレメント１０の短辺方向に延びる通孔として形成する。各開口部２１ａ，２２ａの断面形状は略矩形に形成し、それぞれの開口面積を十分に確保している。
【００２０】
各剛性部材２１，２２に各開口部２１ａ，２２ａを形成したことにより、各剛性部材２１，２２が各プレート１１，１２に接合する面が途絶えることなく連続して形成されている。
【００２１】
なお、各開口部２１ａ，２２ａの開口面積、各開口部２１ａ，２２ａの間に形成される支柱部２１ｂ，２２ｂの形状などは任意に設定し、拡散接合による固着時にかかる荷重に対して十分な剛性が確保される。
【００２２】
剛性部材２１，２２、剛性部材２３，２４、各プレート１１，１２はそれぞれ同一形状とし、部品の共通化がはかられている。
【００２３】
各プレート１１，１２と各剛性部材２１〜２４は例えば拡散接合によってそれぞれの接合部を固着する。なお、これに限らず、各プレート１１，１２と各剛性部材２１〜２４はろう付け、あるいは他の接合方法によって固着してもよい。
【００２４】
伝熱促進部材３１は各プレート１１，１２、各剛性部材２１〜２４にそれぞれ当接し、各当接部が固着されることなく高温側熱交換エレメント１０内に保持される。
【００２５】
伝熱促進部材３１は圧縮された状態で各プレート１１，１２の間に挟持され、その弾性復元力によってその畝部３２が各プレート１１，１２に当接している。
【００２６】
図２に示すように、熱交換器８は、高温側熱交換エレメント１０と低温側熱交換エレメント４０を積層して形成する。熱交換器８に要求される熱交換量に応じて、第３図に示すように積層数を増やすことが可能である。
【００２７】
熱交換器８は、第一熱交換室１と第二熱交換室２における流体流れが略直交したクロスフロー形となっている。
【００２８】
箱形をした低温側熱交換エレメント４０は、２枚のプレート１１，１２と、各プレート１１，１２の間に固着される各剛性部材４１〜４４と、各プレート１１，１２の間に固着されることなく挟持される伝熱促進部材５１とを備える。
【００２９】
各プレート１１，１２は高温側熱交換エレメント１０と低温側熱交換エレメント４０の間で共用される。
【００３０】
各剛性部材４１〜４４はその断面が略矩形をした柱状に形成する。各プレート１１，１２の四辺に沿って各剛性部材４１〜４４を配置する。これにより低温側熱交換エレメント４０はその内側に第二熱交換室２を区画形成する。
【００３１】
各剛性部材４１〜４４は各プレート１１，１２の端部に隙間なく接合する。各剛性部材４１，４２は低温側熱交換エレメント４０の短長辺方向に延びる。各剛性部材４３，４４は低温側熱交換エレメント４０の長辺方向に延びる。各剛性部材４１〜４４は中実構造とする。
【００３２】
伝熱促進部材５１は波板状に湾曲したコルゲートフィンからなる。伝熱促進部材３１の断面が円弧状に湾曲する多数の畝部５２を有している。各畝部５２は低温側熱交換エレメント４０の長辺方向に延びる。
【００３３】
剛性部材４１に第二熱交換室２に低温流体を流入させる複数の開口部４１ａを通孔として形成する。剛性部材４２に第二熱交換室２から低温流体を流出させる複数の開口部４２ａを通孔として形成する。各開口部４１ａ，４２ａは低温側熱交換エレメント４０の短辺方向に延びる通孔として形成する。各開口部４１ａ，４２ａの断面形状は略矩形に形成し、それぞれの開口面積を十分に確保している。
【００３４】
各プレート１１，１２と各剛性部材４１〜４４は例えば拡散接合によってそれぞれの接合部を固着する。なお、この接合方法としては、拡散接合に限らず、ロウ付けや他の方法を用いてもよい。
【００３５】
伝熱促進部材５１は各プレート１１，１２、各剛性部材４１〜４４にそれぞれ当接し、各当接部が固着されることなく低温側熱交換エレメント４０内に保持される。
【００３６】
熱交換器８を製造する際、高温側熱交換エレメント１０と低温側熱交換エレメント４０を積層して組み立て、熱と荷重を加え、拡散接合によって各プレート１１，１２、各剛性部材２１〜２４、各剛性部材４１〜４４の接合部を固着する。
【００３７】
この固着時にて、各プレート１１，１２はその四方に配置された各剛性部材２１〜２４、各剛性部材４１〜４４によって支持されているため、組み立て精度を確保して強固に接合できるとともに、この部位にかかる熱応力のみを考慮した設計が可能となり、信頼性の向上がはかれる。
【００３８】
これについて詳述すると、各剛性部材２１，２２，４１，４２に各開口部２１ａ，２２ａ，４１ａ，４２ａを開口させたことにより、各剛性部材２１，２２，４１，４２が各プレート１１，１２に接合する面が途絶えることなく連続する。これにより、各剛性部材２１〜２４、各剛性部材４１〜４４によって各プレート１１，１２を挟持する面が連続した枠状に形成され、構造体としての接合強度や信頼性を得ることができる。
【００３９】
なお、各開口部２１ａ，２２ａ，４１ａ，４２ａの開口面積、各開口部２１ａ，２２ａ，４１ａ，４２ａの間に形成される支柱部２１ｂ，２２ｂ，４１ｂ，４２ｂの形状などは、拡散接合による固着時にかかる荷重に対して十分な剛性が確保されるように決める。
【００４０】
さらに、固着時に加えられる荷重が各伝熱促進部材３１，５１にかかることが抑えられるため、各伝熱促進部材３１，５１が変形することを防止でき、各伝熱促進部材３１，５１および各プレート１１，１２の薄肉化がはかれる。
【００４１】
熱交換器８は以上のように構成される。高温側熱交換エレメント１０内の第一熱交換室１に高温流体が流れ、低温側熱交換エレメント４０内の第二熱交換室２に低温流体が流れ、この高温流体と低温流体の間で熱交換が行われる。
【００４２】
高温側熱交換エレメント１０にて、高温流体は第一熱交換室１を流れる過程で放熱するので、第一熱交換室１の上流側から下流側にかけて次第に温度が低下する温度勾配が生じ、この温度勾配によって伝熱促進部材３１が熱変形する。さらに、高温流体と低温流体の温度差によって各プレート１１，１２が熱変形する。
【００４３】
高温側熱交換エレメント１０は伝熱促進部材３１が各プレート１１，１２の間に固着されることなく挟持される構造とすることにより、伝熱促進部材３１、各プレート１１，１２に生じる熱変形が、伝熱促進部材３１と各プレート１１，１２との当接部が変位することによって吸収される。このため、伝熱促進部材３１と各プレート１１，１２に作用する熱応力が低減される。
【００４４】
伝熱促進部材３１は各プレート１１，１２、各剛性部材２１〜２４にそれぞれ当接することにより、高温側熱交換エレメント１０内に保持され、位置ズレが生じない。
【００４５】
なお、低温側熱交換エレメント４０についても上記高温側熱交換エレメント１０と同様の作用によって熱応力が低減されるとともに、伝熱促進部材５１の位置ズレが生じない。
【００４６】
次に図４〜図６に示す第２実施形態を説明する。なお、前記実施の形態と同一構成部には同一符号を付す。
【００４７】
図４に示すように、高温側熱交換エレメント１０は、伝熱特性の異なる第一、第二伝熱促進部材３２，３３を備える。第一、第二伝熱促進部材３２，３３は各プレート１１，１２の間に固着されることなく挟持される。
【００４８】
第一、第二伝熱促進部材３２，３３は第一熱交換室１にて低温流体の流れ方向に沿って直列に介装される。上流側に配置される第一伝熱促進部材３２は、断面ハニカム状のハニカムフィンが用いられる。下流側に配置される第二伝熱促進部材３３は、断面が三角に曲折したコルゲートフィンが用いられる。第一伝熱促進部材３２の熱伝達特性は第二伝熱促進部材３３より高い。
【００４９】
この場合、高温流体図中矢印で示す方向から第一熱交換室１にが流入し、第一熱交換室１の上流側に設けられた第一伝熱促進部材３２を介して熱交換が行われ、続いて第一熱交換室１の下流側に設けられた第二伝熱促進部材３３を介して比較的低温となった流体の熱交換が行われる。こうして、高温側熱交換エレメント１０は、熱交換量を各部位毎に任意に設定することができる。
【００５０】
低温側熱交換エレメント４０は、１本の仕切り部材４５を介して低温流体がＵターンする構成となっている。第二熱交換室２は仕切り部材４５によって入口側流路部３と出口側流路部４に仕切られる。
【００５１】
低温側熱交換エレメント４０は、２枚の各プレート１１，１２と、各プレート１１，１２の間に固着される剛性部材４３，４４，４６，４７と、各プレート１１，１２の間に固着されることなく挟持される伝熱促進部材５２，５３，５４と、仕切り部材４５とを備える。
【００５２】
剛性部材４７に複数の開口部４７ａを形成する。開口部４７ａは入口側流路部３に開口するものと、出口側流路部４に開口するものがあり、低温流体を低温側熱交換エレメント４０内に出入りさせる。
【００５３】
仕切り部材４５は平板状に形成し、各プレート１１，１２の間に挟持する。仕切り部材４５は低温側熱交換エレメント４０の約中央部付近に配置される。仕切り部材４５は剛性部材４６，４７と略直交している。
【００５４】
仕切り部材４５には低温流体が通過する開口部４５ａを形成する。この開口部４５ａは剛性部材２１と仕切り部材４５の接合部近傍に配置する。これにより、開口部４５ａを通過する低温流体は剛性部材２１に沿って流れて第二熱交換室２を入口側流路部３から出口側流路部４へと折り返すようになっている。
【００５５】
また、仕切り部材４５に各開口部４５ａを開口させたことにより、仕切り部材４５と各剛性部材４３，４４，４６，４７が各プレート１１，１２に接合する面が途絶えることなく連続する。これにより、仕切り部材４５と各剛性部材４３，４４，４６，４７によって各プレート１１，１２を挟持する面が連続した枠状に形成され、構造体としての接合強度や信頼性を得ることができる。
【００５６】
仕切り部材４５の両端部を剛性部材４６，４７にそれぞれ固着する。なお、これに限らず、仕切り部材４５の一端部のみを剛性部材４６，４７の一方に固着してもよい。また、仕切り部材４５と剛性部材４６，４７を一体形成してもよい。
【００５７】
入口側流路部３にはその上流部に発泡金属からなる第一伝熱促進部材５２を介装し、その下流部にコルゲートフィンからなる第二伝熱促進部材５３を介装する。出口側流路部４にはコルゲートフィンからなる第三伝熱促進部材５４を介装する。
【００５８】
仕切り部材４５から一対の位置決め部４５ｂが突出する。各位置決め部４５ｂは第二伝熱促進部材５３の端部、第三伝熱促進部材５４の端部にそれぞれ当接し、第一伝熱促進部材５２、第二伝熱促進部材５３、第三伝熱促進部材５４の位置決めを行う。これにより、開口部４５ａが第二伝熱促進部材５３、第三伝熱促進部材５４によって塞がれることがない。
【００５９】
仕切り部材４５は図４に示す第一、第二伝熱促進部材３２，３３の分割部に対峙するように配置する。これにより、第一伝熱促進部材３２は出口側流路部４に対峙し、第二伝熱促進部材３３は入口側流路部３に対峙し、それぞれの領域で熱交換量を任意に設定することができる。
【００６０】
以上のように構成されて、次に作用について説明する。
【００６１】
高温流体は図４に矢印で示すように、第一熱交換室１を直線状に流れ、開口部２２ａ、第一伝熱促進部材３２、第二伝熱促進部材３３、開口部２２ａを順に通過する。
【００６２】
高温流体はハニカム状の第一伝熱促進部材３２を介して出口側流路部４を流れる低温流体を加熱し、続いてフィン状の第二伝熱促進部材３３を介して入口側流路部３を流れる低温流体を加熱する。熱交換器８が低温流体（液体）を蒸発させる蒸発器として用いられる場合、ハニカム状の第一伝熱促進部材３２を介して熱交換が促されることにより、低温流体を有効に加熱して過熱蒸気状態にすることができる。
【００６３】
低温流体は図５に矢印で示すように、第二熱交換室２をＵターンして流れ、開口部４７ａ、発砲金属からなる第一伝熱促進部材５２、フィン状の第二伝熱促進部材５３、開口部４５ａ、フィン状の第三伝熱促進部材５４、開口部４７ａを順に通過し、高温流体との間で熱交換が行われる。
【００６４】
なお、各伝熱促進部材３２，３３，５２〜５４は、熱交換器８に要求される熱交換性能や、被加熱流体の特性等に応じて、図６の（ａ）〜（ｅ）に示すように、それぞれの断面形状及び材質をそれぞれ任意に設定すればよい。
【００６５】
次に図７〜図１０に示す第３実施形態を説明する。なお、前記実施の形態と同一構成部には同一符号を付す。
【００６６】
図７に示すように、高温側熱交換エレメント１０は、伝熱特性の異なる第一、第二伝熱促進部材３６，３７を備える。上流側に配置される第一伝熱促進部材３６の熱伝達特性はは、下流側に配置される第二伝熱促進部材３７の熱伝達特性より高い。高温流体は図中矢印で示すように第一熱交換室１を直進して流れる。
【００６７】
図８に示すように、低温側熱交換エレメント４０は、３本の仕切り部材４５を備え、低温流体を図中矢印で示すように３回Ｕターンさせる構成となっている。仕切り部材４５の本数は、要求される熱交換性能や、被加熱流体の特性等によって任意に設定すればよい。第二熱交換室２は各仕切り部材４５によって入口側流路部３と中継流路部５，６と出口側流路部４に仕切られ、これらに伝熱促進部材６１〜６４がそれぞれ介装される。
【００６８】
図９に示すように、熱交換器８は、高温側熱交換エレメント１０と低温側熱交換エレメント４０を積層して形成する。この積層数は熱交換器８に要求される熱交換量に応じて任意に設定する。
【００６９】
図１０に示すように、熱交換器８のケーシング１４に第一熱交換室１の出入口部を画成するディフューザ１５，１６を備える。高温流体は図中矢印で示すようにディフューザ１５，１６を介して第一熱交換室１を直進する。
【００７０】
熱交換器８のケーシング１４に第二熱交換室２の出入口部を画成するディフューザ１７，１８を備える。低温流体は図中矢印で示すようにディフューザ１７，１８を介して第二熱交換室２に出入りし、その途中で蛇行して流れる。この場合、ディフューザ１７，１８は同一方向に向いて開口している。
【００７１】
本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明は、例えば蒸発器をはじめ種々の熱交換器に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の第１実施形態を示す高温側熱交換エレメントの斜視図。
【図２】同じく高温側熱交換エレメントおよび低温側熱交換エレメントの斜視図。
【図３】同じく高温側熱交換エレメントおよび低温側熱交換エレメントの積層状態を示す斜視図。
【図４】本発明の第２実施形態を示す高温側熱交換エレメントの斜視図。
【図５】同じく高温側熱交換エレメントおよび低温側熱交換エレメントの斜視図。
【図６】同じく（ａ）〜（ｅ）は伝熱促進部材の断面図。
【図７】本発明の第３実施形態を示す高温側熱交換エレメントの断面図。
【図８】同じく低温側熱交換エレメントの断面図。
【図９】同じく高温側熱交換エレメントおよび低温側熱交換エレメントの積層状態を示す斜視図。
【図１０】同じくケーシングを示す側面図。
【符号の説明】
【００７４】
１  第一熱交換室
２  第二熱交換室
８  熱交換器
１０  高温側熱交換エレメント
１１  プレート
１２  プレート
２１  剛性部材
２１ａ  開口部
２２  剛性部材
２２ａ  開口部
２３  剛性部材
２４  剛性部材
４０  低温側熱交換エレメント
４５  仕切り部材
４５ａ  開口部
【図１】
2005155996.tif 000003
【図２】
2005155996.tif 000004
【図３】
2005155996.tif 000005
【図４】
2005155996.tif 000006
【図５】
2005155996.tif 000007
【図６】
2005155996.tif 000008
【図７】
2005155996.tif 000009
【図８】
2005155996.tif 000010
【図９】
2005155996.tif 000011
【図１０】
2005155996.tif 000012