(57)【要約】【課題】高温時に高い信頼性を示し、かつ、応力集中を緩和することができる接合部を有するプレートフィン式熱交換器を提供する。【解決手段】低温流体通路４と、高温流体通路５と、を有するプレートフィン式熱交換器１０において、頂部８がＲ形状を為す波型形状を有するフィン２と、フィン２の頂部８と嵌合する凹部７を有するプレート１と、を備える。フィン２の頂部８と、プレート１の凹部７と、を拡散接合にて接合する。また、凹部７の近傍に、ロウ付け接合の際に形成されるフィレットに相当するフィレット部１１を形成することで、さらに耐久信頼性を向上する。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
低温流体通路と、高温流体通路と、を有するプレートフィン式熱交換器において、
頂部がＲ形状を為す波型形状を有するフィンと、
前記フィンの頂部と嵌合する凹みを有するプレートと、を備え、
前記フィンの頂部と、前記プレートの凹みと、を拡散接合にて接合することを特徴とするプレートフィン式熱交換器。
【請求項２】
前記プレートの凹みの端部に向かって、前記プレートの厚み中央部から表面までの厚みを増大させるように形成する請求項１に記載のプレートフィン式熱交換器。
【請求項３】
前記プレートの凹みの端部に向かって、前記プレートの厚み中央部から表面までの厚みを、前記プレート全体の厚みに比べて増大させるように形成する請求項２に記載のプレートフィン式熱交換器。
【請求項４】
前記プレートの凹み、および、その端部近傍の前記プレートの厚みを増大させる形状をエッチングにて加工する請求項２または３に記載のプレートフィン式熱交換器。
【請求項５】
前記フィンを二次元波型フィンとする請求項１から４のいずれか一つに記載のプレートフィン式熱交換器。
【請求項６】
前記フィンを三次元波型フィンとする請求項１から４のいずれか一つに記載のプレートフィン式熱交換器。
【請求項７】
前記フィンの山部から谷部への途中にひだを設ける１から６のいずれか一つに記載のプレートフィン式熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、プレートフィン式熱交換器に関する。特に、プレートフィン式熱交換器に用いるプレートとフィンの接合形状に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のプレートフィン式熱交換器として、フィンとプレートが交互に積層され、接合された構成のものが知られている。
【０００３】
比較的表面粗度の良好な薄肉のフィンを用い、流体通路を構成するためのプレートとサイドバー間にのみロウ材を介在させて、高真空雰囲気でロウ材の融点以上の所定温度に保持する。これにより、サイドバーとプレートとの接合をロウ付け接合となし、流体通路内のフィンとプレートとの接合を拡散接合となす。このように、フィンとプレート間を拡散接合させることで、還元性ガスを含む流体によるロウ材からの特定元素の析出に伴う通路の閉塞などを防止可能にし、またロウ材を使用せず安価に提供している。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１１１２９２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとしている問題点】
プレートとフィンの間は、高温流体通路および低温流体通路となっており、ここに高温流体と低温流体が流通することにより熱交換が行われる。ここで、低温流体と高温流体には温度差があり、また、高温流体の入口と出口では急激な温度勾配が生じるため、フィンやプレートに亀裂が生じる可能性がある。そのため、亀裂の生じ難い信頼性の高いプレートフィン式熱交換器が望まれる。特に、熱交換器に高温が生じた場合、ロウ材の種類によっては、ロウ部に亀裂が生じやすく、信頼性が乏しかった。
【０００６】
これに対して、上記従来の技術に示すように、拡散接合にてプレートとフィンを接合することで、ロウ付けよりも高温時における高い信頼性の接合部が得られる。しかしながら、その一方で、接合部に非常に大きな応力集中が生じることが懸念される。
【０００７】
そこで本発明は、上記の問題を鑑みて、高温時に高い信頼性を示し、かつ、応力集中を緩和することができる接合部を有するプレートフィン式熱交換器を提供することを目的とする。
【０００８】
【問題点を解決するための手段】
低温流体通路と、高温流体通路と、を有するプレートフィン式熱交換器において、頂部がＲ形状を為す波型形状を有するフィンと、前記フィンの頂部と嵌合する凹みを有するプレートと、を備え、前記フィンの頂部と、前記プレートの凹みと、を拡散接合にて接合する。
【０００９】
【作用及び効果】
頂部がＲ形状を為す波型形状を有するフィンと、フィンの頂部と嵌合する凹みを有するプレートと、を備え、フィンの頂部とプレートの凹みとを拡散接合にて接合する。これにより、高温時に高い信頼性を示し、かつ、応力集中を緩和することができる接合部を構成することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態について説明する。プレートフィン式熱交換器１０の概略構成を図１に示す。
【００１１】
プレートフィン式熱交換器１０を、複数のプレート１とフィン２を交互に積層することにより構成する。
【００１２】
ここでは、プレート１を平板により構成する。また、フィン２として、断面が波形型状の薄板により形成したコルゲートフィンを用いる。フィン２は、表面粗度が比較的良好な材料を用いて形成する。プレート１の間にフィン２を挟み、さらにプレート１の所要端を閉塞して通路を形成するためのサイドバー３を挟み込んで複数の流体通路４、５を積層形成する。ここでは、低温流体通路４と高温流体通路５とが、プレート１またはフィン２を介して交互に形成される。
【００１３】
低温流体通路４に低温流体を、高温流体通路５に高温流体を流通させて、この二流体間でプレート１およびフィン２を介して熱交換を行う。このとき、フィン２の断面を波型とすることで、高い熱交換効率を維持している。
【００１４】
ここで、低温流体と高温流体との間には温度差があり、また、高温流体通路５の入口と出口では大きな温度勾配が生じる。そこで、プレート１とフィン２の接合部を拡散接合により構成することで、高温時に高い信頼性を得ることができる。これにより、プレート１とフィン２の間に亀裂が生じる可能性を抑制することができる。また、例えばロウ材を用いた場合に、還元性ガスを含む流体によりロウ材から特定元素が析出することで、高温流体通路５が閉塞するのを防止することができる。
【００１５】
しかしながら、プレート１とフィン２を拡散接合によって接合した場合、ロウ付けによるフィレットが形成されないため、プレート１とフィン２は接合部６で線接触により接合される。このように線接触で接合されるため応力集中が生じ、耐久信頼性が低下する。また、積層方向にかける圧力を増大し、フィン２の尖端（頂点８）が平たくなるようにして拡散接合を行った場合にも、この平たくなった部分の中央部分には圧力が伝わり難く、拡散接合が十分に行われない可能性がある。
【００１６】
そこで、本実施形態は、プレート１とフィン２の接合部６を、図２のように形成する。
【００１７】
プレート１に凹部７を予加工する。また、フィン２を、頂部８が凸型の曲面を為す波型形状に形成する。ここでは、フィン２の波型頂部８をＲ形状に形成する。ここで、凹部７は、プレートフィン式熱交換器１０を組み立てた際に、プレート１とフィン２とが接触する部分に形成される。つまり、凹部７と頂部８とが一致するように形成し、ここを拡散接合で接合することにより接合部６を構成する。なお、ここでは、プレート１の両面にフィン２が接触するので、プレート１の両面に凹部７を形成する。または、一方の面に凹部７を形成した二枚の平板からプレート１を構成してもよい。
【００１８】
これにより、プレート１とフィン２の接合部６近傍の接触角が緩やかになる。つまり、プレート１とフィン２は凹部７の表面積に相当する接触面積をもつように接合される。このような構成のプレート１とフィン２を拡散接合するために積層方向に圧力をかけた場合、この接触面全体に力が分配されるので、接触面全体を接合することができる。その結果、高温時に高い信頼性を示し、かつ、応力集中を緩和して、接合部６の耐久信頼性を向上させることができる。なお、ここでは、凹部７を予加工する際、その予加工をエッチングにて行う。
【００１９】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【００２０】
低温流体通路４と、高温流体通路５と、を有するプレートフィン式熱交換器１０において、頂部８がＲ形状を為す波型形状を有するフィン２と、フィン２の頂部８と嵌合する凹部７を有するプレート１と、を備える。フィン２の頂部８と、プレート１の凹部７と、を拡散接合にて接合する。これにより、低温流体通路４と高温流体通路５を有するプレートフィン式熱交換器１０のプレート１とフィン２の接合を拡散接合によって行う際の、プレート１とフィン２の接合部６の耐久信頼性を向上することができる。プレート１に、フィン２の頂部８に嵌合する凹部７を形成することで、プレート１とフィン２の接合部６近傍の接触角を緩やかにすることができ、応力集中を回避して耐久信頼性を向上することができる。また、フィン２の頂部８をＲ形状に形成するので、凹部７と頂部８とを拡散接合する際に、接触面に均等に圧力がかかりやすく、接合面積を十分に維持することができる。
【００２１】
また、プレート１における凹部７をエッチングにて加工する。これにより、機械加工に比べて、安価に且つ容易に作成することができる。
【００２２】
フィン２を二次元波型フィンとする。これにより、現在広く使われているフィン２をそのまま流用することができる。
【００２３】
次に、第２の実施形態について説明する。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００２４】
プレート式熱交換器１０の概略構成を、第１の実施形態と同様に図１に示す。プレート１とフィン２の接合部６の構成を図３に示す。
【００２５】
プレート１に、ロウ付けの接合部フィレットに相当するフィレット部１１を予加工する。ここでは、プレート１の凹部７に向かって、プレート１の厚み中央部から表面までの厚みを増大させることによりフィレット部１１を予加工する。つまり、プレート１の表面を、凹部７近傍でその周囲に比べて盛り上げるように形成することによりフィレット部１１を予加工する。
【００２６】
ここでは、プレート１の厚み中央部から表面までの厚みを、ある時点から凹部７に向かって徐々に低減し、凹部７の近傍で、再び増大する。つまり、凹部７端部の近傍で、平板のプレート１の表面に三角断面形状の凹みを形成する。これにより、凹部７と頂部８を拡散接合により接合する際には、接合部６の近傍にロウ付けの際に形成されるフィレットに相当するフィレット部１１が構成される。
【００２７】
なお、ここでは、凹部７およびフィレット部１１をエッチングにより形成する。
【００２８】
また、プレート１の両面にフィン２が接触するので、プレート１の両面にフィレット部１１を形成する。または、一方の面にフィレット部１１を形成した二枚の平板からプレート１を構成してもよい。
【００２９】
次に、本実施形態の効果を説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００３０】
プレート１の凹部７の端部に向かって、プレート１の厚み中央部から表面までの厚みを増大させるように形成する。これにより、プレート１とフィン２の接合部６近傍の接触角を緩やかにすることができ、その結果、応力集中を回避して耐久信頼性を向上することができる。ここでは特に、凹部７近傍のプレート１の表面に凹みを形成することによりプレート１の凹部７の端部に向かって、プレート１の厚みを増大させる。これにより、ロウ付けによる接合の際に形成されるフィレットに相当するフィレット部１１を加工費、材料費を抑制して形成することができるので、コストを低減することができる。また、凹部７の近傍にプレート１の凹みを形成する際には、前記プレートの厚みが徐々に低減するように構成する。これにより、厚みが低減することによるプレート１の機械的強度の低減を抑制することができる。
【００３１】
また、プレート１における凹部７、および、その端部近傍のプレート１の厚みを増大させる形状（フィレット部１１）をエッチングにて加工する。これにより、機械加工に比べて、安価に且つ容易に作成することができる。
【００３２】
なお、図３においては、プレート１の厚みの変化率を一定としているが、この限りではない。
【００３３】
次に、第３の実施形態について説明する。以下、第２の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００３４】
プレート式熱交換器１０の概略構成を、第１の実施形態と同様に図１に示す。プレート１とフィン２の接合部６の構成を図４に示す。
【００３５】
プレート１に、ロウ付け接合を行う際に形成されるフィレットに相当するフィレット部１１を予加工する。ここではプレート１の全体面に対して、突出するフィレット部１１を形成する。
【００３６】
プレート１の凹部７近傍において、凹部７に向かってプレート１の厚みの中央部から表面までの厚みを、プレート１全体の厚みに比べて増大する。つまり、プレート１全体の表面に比べて、凹部７近傍でプレート１が盛り上がるように形成する。このように、プレート１全体より厚みが増大している凹部７近傍をフィレット部１１とする。凹部７とフィン２の頂部８を拡散接合することにより、プレート１とフィン２を接合する。
【００３７】
なお、凹部７およびフィレット部１１を予加工する際、その予加工はエッチングにて行う。
【００３８】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第２の実施形態とは異なる効果のみを説明する。
【００３９】
プレート１の凹部７の端部に向かって、プレート１の厚み中央部から表面までの厚みを、プレート１全体の厚みに比べて増大させるように形成する。これにより、プレート１とフィン２の接合部６近傍の接触角を緩やかにすることができ、その結果、応力集中を回避して耐久信頼性を向上することができる。ここでは特に、接合部６近傍でプレート１の厚み全体を、プレート１厚みの平均より大きくなるように形成する。これにより、フィレット部１１近傍のプレート１の厚みを確保できるので、応力が集中し易い部分の強度を確保することができる。
【００４０】
なお、図３においては、プレート１の厚みの変化率を一定としているが、この限りではない。
【００４１】
次に、第４の実施形態について説明する。以下、第３の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００４２】
プレート式熱交換器１０の概略断面構成を、図５に示す。図５（ａ）に全体図を、図５（ｂ）に（ａ）の点線に囲まれた部分の拡大図を示す。また、プレート１およびフィン２の概略構成を図６に示す。
【００４３】
フィン２を、両面方向に突出する凸凹部１２を一定間隔で形成することにより構成する。つまり、フィン２を三次元波型形状に形成する。凸凹部１２の頂点１３を、外に向かって凸の曲面より構成する。ここでは、凸凹部１２の頂部１３をＲ形状に形成する。これは、例えばプレス加工等により形成する。このフィン２の一方の面とそれに隣接するプレート１との間を低温流体通路４、もう一方の面とそれに隣接するプレート１との間を高温流体通路５とする。
【００４４】
また、プレート１には、フィレット部１４と、凹部１５を形成する。凹部１５を頂部１３に嵌合するように形成する。凹部１５の周囲に環状のフィレット部１４を形成する。ここでは、凹部１５の近傍で、プレート１の厚み中央部から表面までの厚みを増大することによりフィレット部１４を形成する。つまり、プレート１全体に対して、凹部１５の近傍でプレート１の表面が盛り上がるように形成することで、フィレット部１４を形成する。
【００４５】
拡散接合により頂部１３と凹部１５を接合して接合部６を形成する。これにより、接合部６に、ロウ付け接合の際に形成されるフィレットに相当するフィレット部１４を構成することができる。その結果、プレート１とフィン２の接触角を緩やかに形成することができる。
【００４６】
ここでは、プレート１のそれぞれの面にフィン２を対峙するので、プレート１の両面にフィレット部１４を形成する。または、一方の面にフィレット部１４を形成した二枚の平板からプレート１を構成してもよい。
【００４７】
このように、本実施形態では、フィン２を三次元波型フィンとする。これにより、変形自由度が大きいため、熱応力の発生を低減し、耐久信頼性を向上させることができる。
【００４８】
次に、第５の実施形態について説明する。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００４９】
プレート式熱交換器１０の概略構成を、第１の実施形態と同様に図１に示す。プレート１の構成を図７に示す。
【００５０】
フィン２にはヒダ１６を形成する。ここでは、フィン２の、隣り合い、かつ、反対方向に突出している頂部８の間にヒダ１６を形成する。言い換えれば、フィン２の山部から谷部の間にヒダ１６を形成する。フィン２の山部から谷部への途中にヒダ１６を設けることにより、フィン２の上下方向の弾力性を向上させる。
【００５１】
このように、本実施形態では、フィン２の山部から谷部への途中にひだを設ける。これにより拡散接合時において、フィン２の座屈を防ぐことができる。また、プレート１やフィン２の寸法精度が悪くても、プレート１に設けた凹部７やロウ付けの接合部フィレットに相当するフィレット部１１の位置にフィン２の頂部８を一致させることができる。
【００５２】
なお、ここでは、第１の実施形態において説明したプレートフィン式熱交換器１０のプレート１にヒダ１６を形成しているがこの限りではない。第１から５の実施形態のいずれに適用してもよい。
【００５３】
このように、本発明は、上記実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で、様々な変更が為し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に用いるプレートフィン式熱交換器の概略図である。
【図２】第１の実施形態に用いるプレートとフィンの接合部の概略図である。
【図３】第２の実施形態に用いるプレートとフィンの接合部の概略図である。
【図４】第３の実施形態に用いるプレートとフィンの接合部の概略図である。
【図５】第４の実施形態に用いるプレートフィン式熱交換器の概略図である。
【図６】第４の実施形態に用いるプレートとフィンの概略図である。
【図７】第５の実施形態に用いるプレートの概略図である。
【符号の説明】
１    プレート
２    フィン
４    低温流体通路
５    高温流体通路
６    接合部
７    凹部（凹み）
８    頂部
１１  フィレット部
１３  頂部
１４  フィレット部
１５  凹部
１６  ヒダ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2005069499.tif 000006
【図５】
2005069499.tif 000007
【図６】
2005069499.tif 000008
【図７】
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