JP2004183916A - 板状熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】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スペースを少なくした板状の熱交換器を提供することである。
【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

【０００１】
【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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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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