JP2004183916A - 板状熱交換器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】エッチングによって片面に杉綾模様のパターンで溝11cを形成した板状エレメント10cと、両面に杉綾模様のパターンで溝11a、12aを形成した板状エレメント10aと、同様のパターンで溝11b、12bを形成した板状エレメント10bと、板状エレメント10aと、板状エレメント10bと、片面に同様のパターンで溝11dを形成した板状エレメント10dを重ね合せて接合し、溝11cと11a、溝12aと12b、溝11bと11a、溝12bと12a、溝11bと11dがそれぞれ連通する流通路11と12を形成し、隣接する流通路11と12を隔離し、これら流通路11と12にそれぞれ別々に連通しかつ流体の出入口となるポートを形成したのである。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、流体間の熱交換に用いる厚みの小さい板状熱交換器に関する。
【0002】
【従来の技術】
薄いステンレス板をプレス成形して流体の流路を形成し、隣接するステンレス板間に銅箔を挾み込んでステンレス板を所定枚積み重ね、これを加熱炉に装填し、銅箔を溶融してステンレス板を溶着した熱交換器が知られている。
【0003】
【発明の課題】
上記の熱交換器は、ステンレス板をプレス成形して流路を形成するため、これを積み重ねると全体としての厚みが大きくなり、また、構造上の制約から流体の出入口を厚み方向の前後面に設ける必要があり、流体出入口の口金がさらに厚みを付加する形態になるため、取り付けスペースを増加させる問題がある。
そこで、この発明の課題は、全体としての厚みをできるだけ小さくし、流体の出入口も端面に設けることができるようにして設置の障害にならないようした板状熱交換器を提供することである。
【0004】
【課題の解決手段】
上記の課題を解決するため、この発明においては、3枚以上重ね合せた板状エレメントの対向する面に、エッチングによって流体流通路を構成する溝を形成し、重ね合わせた板状エレメントの厚さ方向に隣接する流通路を隔離し、隔離した流通路にそれぞれ流体給排用ポートを、重ね合せた板状エレメントの端面または側面に設けた構成を採用したのである。
【0005】
板状エレメントの対向するそれぞれの面の溝形状を、不連続のパターンとし、重ね合せた板状エレメントの対向面において不連続のパターンが互いに交差し、交差部分によって連続する流通路を形成するようにしてもよいし、板状エレメントの対向する少なくとも一方の面に形成する溝の形状を、重ね合せた板状エレメントの対向面に形成される流通路の入口側から出口側に向かって連続するパターンにしてもよい。
【0006】
重ね合せた板状エレメントの対向面に形成される溝の形状を、流通路の入口側から出口側に向かって連続するパターンにした場合、流通路を通過する流体が、板状エレメントの板面全体に広がり、熱交換効率が向上するように、溝内に流体を分流する多数の隔壁を設けることが好ましい。
【0007】
この多数の隔壁は、流線形で、流体給排用ポートの入口側から出口側に向かってジグザクに杉綾模様を描くように配置することにより、流体の圧力損失を小さく抑えながら、高い伝熱性を得ることができる。
【0008】
前記ポートに連通するノズルを取り付けておくことができる。また、前記板状エレメントをステンレス、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、鉄などで形成することができ、その厚みは約0.3〜5mm程度が好ましい。
【0009】
【実施の形態】
以下、この発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
この発明の熱交換器は、表面にエッチングにより形成した溝を有する板状エレメントを、3枚以上重ね合せて構成される。
【0010】
図1乃至図3は、重ね合される板状エレメントの一例を示し、図1に示す第1の板状エレメント10aと、図2に示す第2の板状エレメント10bを、図5に示すように、交互に重ね合わせ、対向する板状エレメント間に、流通路11、12が形成される。
【0011】
第1の板状エレメント10aは、ほぼ長方形で両面が平坦な板状体の表面にエッチング手法を用いて、くの字形に曲がる多数の溝11aを一端部から他端部まで等間隔に杉綾模様のように形成し、裏面にもエッチングによって表面と長さ方向に逆のパターンで杉綾模様の溝12aを形成したものである。これらの一つ一つの溝11a、12aの両端は、不連続のパターン形状、即ち、板状体の辺縁まで達しないで、閉じられ、隣り合う溝11a、12a相互も不連続に形成されている。また、溝11a、12aの巾及び深さは均一にしておくのが好ましく、巾は約1.0〜10mm程度、深さは約0.3〜2.5mm程度である。
【0012】
前記第1の板状エレメント10aの表面の対称隅に、それぞれ流体の給排用凹部13a、14aが前記溝11aと同様にエッチング手法により同じ深さに形成されている。この凹部13a、14aは、隅角部に沿ったほぼL字形で複数の溝11aと連通し、かつ端縁131a、141aが外部に開放されている。板状エレメント10aの裏面にも、表面の凹部13a、14aの隅角部とは異なる隅角部に、凹部15a、16aが形成され、裏面の溝12aと連通し、側縁151a、161aが外部に開放されている。
【0013】
図2及び図3に示すように、第2の板状エレメント10bは、第1の板状エレメント10aと同形の板状体より成り、その表面に第1のエレメント10aの溝11aと同様の溝12bが形成され、裏面にも第1のエレメント10aと同様の溝11bが形成されている。そして、第2のエレメント10bの表面には、第1のエレメント10aの裏面に形成された凹部15a、16aに対応する凹部15b、16bが設けられ、裏面には第1のエレメント10aの表面に形成された凹部13a、14aに対応する凹部13b、14bが設けられ、かつ開放された端縁131aと131b、141aと141b、開放された側縁151aと151b、161aと161bも対応している。
【0014】
なお、前記第1エレメント10aの表裏の溝11aと12aを図1では逆の杉綾模様のパターンとしたが、同じ杉綾模様のパターンとしてもよい。第2エレメント10bも同様である。但し、この場合には、第1エレメント10aと第2エレメント10bの杉綾模様を長さ方向に逆のパターンにしなければならない。
【0015】
前記第1と第2のエレメント10a、10bに設ける溝11a、12a、12b、11bのパターンは、図1、図2に示す杉綾模様のほか、図4(イ)、(ロ)、(ハ)に示すような並行円弧模様、縦縞模様(並行直線模様)、斜縞模様(斜線模様)のほか、横縞模様或はこれらの組合せなど任意に選択可能である。勿論板状エレメントの表裏のパターンを別の模様にすることができる。この模様は、エッチング方法によるため、マスクパターンを変更することにより容易に設計変更が可能である。
【0016】
前記板状エレメントの材料は、熱伝導性の良い金属が好ましく、ステンレス、鉄、銅、アルミニウム、アルミニウム合金など、種々選択可能である。また板状エレメントの厚みは、約0.3〜3mm程度が好ましい。板状エレメントの形状は、図示のような長方形のほか、他の多角形、楕円形、長円形などでもよい。
【0017】
図5に示すように、第1のエレメント10aと第2のエレメント10bを順次重ね合せ(図では合計で4枚)、両側端に片面のみをエッチングして溝11c、11dを形成した第3のエレメント10cと第4のエレメント10dを重ね合せる。勿論、前記第1及び第2のエレメント10a、10bだけを用いてもよいが、外観を考慮すると、図5の方が好ましい。なお、上記溝11cは、溝11aと逆のパターンに形成され、溝11dは溝11bと逆のパターンに形成されている。
上記各板状エレメントが他の板状エレメントと対向する面には、予めニッケルペーストなどのロウ材が塗布されており、重ね合せたエレメントを加熱炉中に装填してロウ材を溶融させると、各板状エレメントは互に接合される。そして、図1及び図2から理解されるように、隣接する第1と第2のエレメント10aと10bの対向面に形成された溝12aと12b、11aと11bのパターンが逆になっているため、例えばそのパターンが杉綾模様であれば、斜格子状に一定間隔で連続的に交差する。従って、対向する溝12aと12b及び対向する溝11aと11bは、板状エレメント10a、10bの一端部から他端部まで連通することになる。この流通路を符号11と12で表すと、隣接する流通路11と12は互に隔離され、それぞれの流通路11と12に温度の異なる流体を流通させることによって熱交換が可能となり、熱交換器10が得られる。従って、重ね合せる板状エレメントは、3枚以上であれば何枚でもよい。なお、図5で流通路11と12は交差部での断面を表し、他の部分では図の半分、即ち各溝11a、12a、11b、12bの断面積となる。
【0018】
図6及び図7に示すように、重ね合せて接合した熱交換器10の端面には、流体の給排用ポート13及び14が形成され、側面には、流体の給排用ポート15及び16が形成されている。これらのポートは、図1及び図2に示すように、エッチングで溝11a、12a、12b、11bを形成する際に同時に形成した凹部13a、14a、15a、16a、13b、14b、15b、16bの開放端縁131a、141a、131b、141b及び開放側縁151a、161a、151b、161bによって、第1のエレメント10aの裏面と第2のエレメント10bの表面を重ね合せ、第2のエレメント10bの裏面と第1のエレメント10aの表面を重ね合せたときに形成されたものである。そして、ポート13と14は、流通路11のみと連通し、ポート15と16は流通路12のみと連通している。
【0019】
上記ポート13、14、15、16に、流体を供給し、また排出するため、例えばフレキシブルホースを接続する場合には、図6、7、8に示すような口金20を取り付けておくのが好ましい。図示のように、口金20は、ポート13を気密に被う台座21と、この台座21に固定され、ポート13に連通するノズル22より成る。従ってポート13に取り付けた口金20に流体を供給するホースを接続し、この流体を排出するホースをポート14の口金20に接続し、他の流体を供給するホースをポート15の口金20に接続し、この流体を排出するホースをポート16の口金20に接続すると、一つの流体と他の流体との熱交換回路が形成される。
【0020】
前記ポート13、14、15、16の位置は、前述の凹部13a、14a、15a、16a、13b、14b、15b、16bを形成する位置によって適当に選択することができる。従って口金20の位置も例えば図8(ロ)、(ハ)に示すように配列することができる。なお、凹部13a、14a、15a、16a、13b、14b、15b、16bには、必ずしも開放端縁または開放側縁を予め設けておく必要はない。第1と第2のエレメント10aと10bを重ね合せて接合した後、前記凹部を設けた位置まで重ね合せたエレメントの端縁または側縁に切り欠きを形成すると、エレメントの対向面にポートが現れる。
【0021】
上述した熱交換器10は、流体の通路を3分割以上にすることによって、3流体以上の熱交換に適用可能である。また、流体を気体、液体、気液混合体など任意の流体に用いることができ、勿論形態の異なる流体間の熱交換にも用いられる。
【0022】
以上の実施形態は、板状エレメントの両面に、不連続パターンの溝11a(11b)、12a(12b)を形成し、板状エレメントを重ね合わせることにより、対向する面の不連続パターンの溝11a(11b)、12a(12b)に交差部分を形成し、交差部分によって流通路11、12を形成するようにするようにしたものであるが、図9〜図13に示す実施形態は、一方の面に、不連続パターンの溝を形成し、他方の面に、連続パターンの溝を形成した板状エレメントを、組み合わせて熱交換器を構成する例を示している。この例おいて、板状エレメントの溝のエッチングによる形成方法、板状エレメント相互の接合、ポートの設置等は、図1〜図8の実施形態と同様である。
【0023】
図9は、重ね合される板状エレメントの一例を示し、板状エレメント10eと、板状エレメント10fを交互に重ね合わせ、対向する板状エレメント間に、流通路11、12を形成するようにしたものであり、最外層には、片面にのみ溝を形成した板状エレメント10gと板状エレメント10hを重ね合わせている。
【0024】
板状エレメント10eの表面と、これに対向して重ねあわされる板状エレメント10fの裏面には、図10に示すように、鏡像関係になるように、連続するパターンで、溝11e、11fが形成され、この溝11e、11fは、それぞれ板状体の上下の一端と他端の側縁131e、141e、131f、141eにおいて外部に開放されている。
【0025】
前記溝11e、11f内には、溝内を通過する流体が、板状エレメント10e、10fの板面全体に広がり、熱交換効率が向上するように、溝内の流体を分流する多数の隔壁17e、17fを設けている。この多数の隔壁17e、17fは、流線形で、溝内を通過する流体に対してジグザクに杉綾模様を描くように配置され、流体の圧力損失を小さく抑えながら、高い伝熱性を得ることができるようにしている。
【0026】
また、前記溝11e、11f内には、板状エレメント10e、板状エレメント10fを重ね合わせて接合する際の支柱壁19e、19fも形成している。
【0027】
また、前記溝11e、11f内にガスを通過させ、ガス中の水分が凝縮するような場合には、前記溝11e、11f内に、ドレン溝181e、181fを形成する隔壁18e、18fを設けることが好ましい。この隔壁18e、18fは、ガス中の水分の凝縮がないような場合には、図13に示すように、省略することもできる。
【0028】
板状エレメント10e、板状エレメント10fの他方の面、即ち、板状エレメント10eの裏面と、板状エレメント10fの表面には、図11に示すように、には、互いに逆のパターンで、くの字形に曲がる多数の溝12e、12fを一端部から他端部まで等間隔に杉綾模様のように形成している。これらの一つ一つの溝12e、12fの両端は、不連続のパターン形状、即ち、板状体の辺縁まで達しないで、閉じられている。また、溝12e、12fの巾及び深さは均一にしておくのが好ましく、巾は約1.0〜10mm程度、深さは約0.3〜2.5mm程度である。
【0029】
前記板状エレメント10eの裏面の対称隅に、それぞれ流体の給排用凹部15e、16eが前記溝12eと同様にエッチング手法により同じ深さに形成されている。この凹部15e、16eは、隅角部に沿ったほぼL字形で複数の溝12eと連通し、かつ端縁151e、161eが外部に開放されている。板状エレメント10fの表面にも、板状エレメント10eの裏面の凹部15e、16eに対応する位置に凹部15f、16fが形成され、表面の溝12fと連通し、側縁151f、161fが外部に開放されている。
【0030】
【発明の効果】
この発明によれば、以上のように、薄い板状体に種々のパターンでエッチングを施したエレメントを重ね合せて接合し、これを熱交換器としたので、流体の流通路の設計を自由に変更・選択でき、極めて厚みが小さく、小流量であっても効率のよい熱交換器を形成することができる。
【0031】
また、エッチングによって流体の流通路と同時に給排用ポートを形成することができ、かつ任意の位置にポートを設け、特に熱交換器の側面にポートを形成できるので、取り付けスペースの点で厚みの薄い空間に設置することができる。
【0032】
さらに、3流体以上の熱交換器も簡単に得られるので、適用範囲が拡がる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の熱交換器に用いる第1のエレメントの例を示す平面図
【図2】第2のエレメントの例を示す平面図
【図3】第1及び第2のエレメントの拡大横断面図
【図4】板状エレメントのエッチングパターンを示す平面模式図
【図5】熱交換器の一例を示す部分拡大縦断面図
【図6】熱交換器の一例を示す端面図
【図7】同上の側面図
【図8】熱交換器に口金を取り付けた例を示す平面図
【図9】熱交換器の他の例を示す分解斜視図
【図10】図9の実施形態における連続するパターンの溝を形成した重なり状態を示す斜視図
【図11】図9の実施形態における不連続パターンの溝を形成した面の重なり状態を示す斜視図
【図12】図9の実施形態における部分拡大縦断面図
【図13】連続するパターンの溝の他の例における重なり状態を示す斜視図
【符号の説明】
10 熱交換器
10a 第1のエレメント
10b 第2のエレメント
10c, 10d, 10e, 10f, 10g, 10h 板状エレメント
11a, 12a, 11b, 12b, 11c, 11d, 11e, 11f, 12e, 12f 溝
11, 12 流通路
13,14,15,16 ポート
13a, 14a, 15a, 16a, 15e, 16e, 15f, 16f 凹部
13b, 14b, 15b, 16b 凹部
131a, 141a, 131b, 141b, 151e, 151f, 161e ,161f, 131g, 141g 開放端縁
151a, 161a, 151b, 161b, 131e, 131f, 141e, 141f 開放側縁
17e, 17f 隔壁
18e, 18f 隔壁
19e, 19f 支柱壁
181e, 181f ドレン溝
20 口金
21 台座
22 ノズル
Claims (9)
- 3枚以上重ね合せた板状エレメントの対向する面に、エッチングによって流体流通路を構成する溝を形成し、重ね合わせた板状エレメントの厚さ方向に隣接する流通路を隔離し、隔離した流通路にそれぞれ流体給排用ポートを、重ね合せた板状エレメントの端面または側面に設けた板状熱交換器。
- 板状エレメントの対向するそれぞれの面の溝形状を、不連続のパターンとし、重ね合せた板状エレメントの対向面において不連続のパターンが互いに交差し、交差部分によって連続する流通路を形成する請求項1記載の板状熱交換器。
- 板状エレメントの対向する少なくとも一方の面に形成する溝の形状を、重ね合せた板状エレメントの対向面に形成される流通路の入口側から出口側に向かって連続するパターンにした請求項1記載の板状熱交換器。
- 重ね合せた板状エレメントの対向する面に形成した連続するパターンの溝内に、流通路の入口側から出口側に向かって、流通路を通過する流体を分流する多数の隔壁を設けた請求項3に記載の板状熱交換器。
- 前記多数の隔壁が、流線形で、流通路の入口側から出口側に向かってジグザクに杉綾模様を描くように配置している請求項4に記載の板状熱交換器。
- 重ね合せた板状エレメントの対向する面に形成した連続するパターンに形成した溝内に、ドレン溝を形成する隔壁を設けた請求項3〜5のいずれかに記載の板状熱交換器。
- 前記ポートに連通するノズルを取り付けた請求項1〜6のいずれかに記載の板状熱交換器。
- 前記板状エレメントがステンレス、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、鉄のいずれかより成る請求項1〜7のいずれかに記載の板状熱交換器。
- 前記板状エレメントの厚みが約0.3〜5mmである請求項1〜8のいずれかに記載の板状熱交換器。
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