JP2007024343A - 安全熱交換板及びそれを用いた安全熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換板に破孔が生じた場合に、外部から容易に確認でき、また熱交換をおこなう流体同士の混合を防止することのできる、安全性を担保した熱交換器等を提供する。
【解決手段】側板で第１の複合板状エレメントと熱交換板５０と第２の複合板状エレメントを順に挟み込み、接合して形成する熱交換器において、熱交換板５０に側面の開口５４から分岐し櫛状に延びる流体排出路５３を設ける。熱交換板５０の表裏面が、流体が接触することで腐食して破孔５５が生じても、破孔５５が流体排出路５３と連通すると、破孔５５から流体排出路５３へと流入した流体は開口５４から熱交換器外部へと排出される。このようにして流体同士の混合を防止することができ、また開口５４を監視することで破孔５５の有無を容易に確認可能である。
【選択図】図６

Description

この発明は、熱交換板に破孔が生じた場合に、それを容易に確認可能な安全熱交換板及びその製造方法並びにそれを用いた安全熱交換器に関する。

熱交換板の表裏面に沿って異なる流体の流通路を設けた熱交換器において、流体間の熱交換を媒介する熱交換板は、常時高温高圧等の過酷な条件に晒されているため、腐食が進行し破孔が生じることがよくある。

このように破孔が生じると熱交換板の性能が低下し、円滑な熱交換が行われなくなる。さらには、熱交換を行う流体同士が混合してしまうため、たとえば、飲料水を不凍液で冷却する場合に、飲料水に不凍液が混入して人体に害をなすなど、安全面での不具合があった。

ところが、従来の熱交換器においては、外部から破孔が生じたことを確認する手段が講じられておらず、安全面がおろそかにされてきた。

そこでこの発明の解決すべき課題は、熱交換板に破孔が生じた場合に、外部から容易に確認でき、また熱交換をおこなう流体同士の混合を防止することのできる、安全性を担保した熱交換板及びその製造方法並びにそれを用いた熱交換器を提供することにある。

上記した課題を解決するためこの発明は、外面の一又は複数の開口から内部に向けて、所定のパターンで延びる流体排出路を設けた安全熱交換板を構成したのである。

このような構造の熱交換板に破孔が生じると、破孔が内部の流体排出路と連通するため、破孔から流入した流体は流体排出路を通り、開口から外部に排出される。このため、熱交換器にこの熱交換板を用いた場合、排出された流体により、外部から破孔が生じたことが容易に確認可能であり、また、熱交換を行う流体相互が混ざり合うこともないため安全である。

上記流体排出路は、熱交換板の外面に設けられた一つの開口から分岐し、内部に向けて櫛状に延びるように形成すると、破孔が生じたことが、一つの開口を監視することで確認可能なため監視が容易である。また、流体排出路が熱交換板全体に櫛状に万遍なく配されているため、破孔の検知の精度が向上する。

上記開口を熱交換板周面に設けると、熱交換を行う流体の流通路を熱交換板表裏面の全面にわたって広く形成できるため、熱交換の効率がよい。

上記安全熱交換板の外面を耐腐食性素材から形成すると、流体と接触する外面は腐食しにくいため、破孔が生じにくい。また、安全熱交換板の内部を高伝熱性素材から形成すると、熱交換板内部の伝熱性が高いため、熱交換効率が向上する。ここで、耐腐食性素材とは、チタンやステンレスなどの腐食に対する耐性の優れた素材を指し、高伝熱性素材とは、銅やアルミニウムなど熱伝導性の優れた素材を指す。

気密な第一の板状体と、気密な第二の板状体との間に、周面に達する所定のパターンの貫通溝を設けた第三の板状体を挟み込み、接合することにより安全熱交換板を製造すると、板状原材をプレス加工等により打抜き、圧接するだけの工程ですむため、手間がかからず製造コストを抑えられる。また、流体排出路のパターンを打ち抜きにより形成するため、エッチング等の他の手段によりパターンを形成する場合と比較して、所望のパターンに精度よく作ることができる。

上記第一と第二の板状体を耐腐食性素材で、上記第三の板状体のフレームを耐腐食性素材で、前記フレームに囲まれた部分を高伝熱性素材で形成しこれらを接合すると、外面が腐食しにくく、内部が熱伝導性の高い安全熱交換板を、上述した工程により、簡単かつ安価に製造することができる。

上記安全熱交換板の一面に一の流体流通路を、他面に他の流体流通路を、上記流体排出路と連通しないように設けると、熱交換器の外部から容易に破孔が確認できる安全な熱交換器を形成することができる。

一の流体流通路を安全熱交換板の一面に積層接合した一の板状エレメントに形成し、他の流体流通路を安全熱交換板の他面に積層接合した他の板状エレメントに形成すると熱交換器の厚みを抑えることができ、小型化が図られる。

一の板状エレメントと他の板状エレメントとで安全熱交換板を挟み込んだアセンブリを複数積層し接合して安全熱交換器を形成すると、熱交換を媒介する熱交換板の数を適宜増やすことができ、熱交換の効率を向上させることができる。

熱交換板内部から熱交換板外面に連通する流体排出路を設けたことにより、この熱交換板を熱交換器に用いると、破孔の有無が熱交換器の外部から容易に確認可能であり、また破孔が生じても、熱交換を行う流体相互が混ざり合うこともないため安全である。

以下、図面を参照しつつこの発明の実施形態について説明する。図１はこの発明にかかる安全熱交換器の実施形態を示す分解斜視図である。図示のように、安全熱交換器は、全体を密封するための平坦な一対の側板１０、２０と、これらの側板１０、２０に挾まれて一の流体流通路を形成する第１の複合板状エレメント３０と、他の流体流通路を形成する第２の複合板状エレメント４０と、これらの板状体３０と４０との間に挟まれて、流体同士の熱交換を媒介する安全熱交換板５０より成る。

図示のように、上記側板１０、２０は、ほぼ長方形で輪郭が同形の平坦なステンレス製の板状部材であって、一方の側板１０の両端隅角部には、ポート１１、１２が設けられ、他方の側板２０の両側隅角部には、前記ポート１１、１２と重ならないようにポート２１、２２が設けられている。これらのポート以外は完全に気密状態である。

上記第１の複合板状エレメント３０は、図２（ａ）及び（ｂ）に示すような均一な厚みのステンレス製の第１の単板エレメント３０ａと第２の単板エレメント３０ｂとを図２（ｃ）に示すように重ね合せたものである。

図２(ａ)のように、第１の単板エレメント３０ａは、外形が側板１０、２０と同形のフレーム３１ａに取り囲まれ、内部がほぼ長方形の空間３２ａになっており、この空間３２ａの内部に流体流通路を区画する多数のリブ３３ａが一端から他端まで設けられている。リブ３３ａの端部はフレーム３１ａに支持されている。リブ３３ａは、全体としてく字形に屈曲したものを等間隔に配置したパターンで形成され、またそれぞれのリブ３３ａは滑らかな波形に屈曲している。そして、リブ３３ａが設けられた空間３２ａの両端隅角部には、前記一方の側板１０のポート１１、１２と対応する同形の流体出入口１１ａ、１２ａが設けられている。

図２(ｂ)のように、上記第２の単板エレメント３０ｂは、第１の単板エレメント３０ａを平面上で全体に１８０°回転させたものである。図中符号３１ｂはフレーム、３２ｂは空間、３３ｂはリブ、１１ｂ、１２ｂは流体出入口である。

これらの単板エレメント３０ａと３０ｂを重ね合せると、図２（ｃ）のように、リブ３３ａ、３３ｂによってほぼハニカム状に区画された流体流通路が形成される。この流体流通路は、単板エレメント３０ａまたは３０ｂだけでは、く字形のリブ３３ａ、３３ｂで行き止まりになっているが、重ね合せることによって、リブ３３ａと３３ｂが重なり合っていない部分でリブ３３ａ、３３ｂの厚み分だけの空隙が生じるため、流体出入口１１ａ（１１ｂ）から流体出入口１２ａ（１２ｂ）まで流体流通路が連通し、一方の流体出入口から流体を供給すると、ハニカム状の流体流通路を通って他方の流体出入口から流体が排出される。

上記第２の複合板状エレメント４０は、図３（ａ）及び（ｂ）に示すような均一な厚みのステンレス製の第１の単板エレメント４０ａと第２の単板エレメント４０ｂを図３（ｃ）に示すように重ね合せたものである。

図３(ａ)のように、第１の単板エレメント４０ａは、外形が側板１０、２０と同形のフレーム４１ａに取り囲まれ、内部がほぼ長方形の空間４２ａになっており、この空間内に流体流通路を区画する多数のく字形リブ４３ａが一端から他端まで設けられている。これらのリブ４３ａが設けられた空間４２ａの両側隅角部には、前記他方の側板２０のポート２１、２２と対応しかつ同形の流体出入口２１ａ、２２ａが設けられている。

図３(ｂ)のように、第２の単板エレメント４０ｂは、第１の単板エレメント４０ａを平面上で全体に１８０°回転させたものである。図中符号４１ｂはフレーム、４２ｂは空間、４３ｂはリブ、２１ｂ、２２ｂは流体出入口である。

これらの単板エレメント４０ａと４０ｂを重ね合せると、図３（ｃ）のように、リブ４３ａ、４３ｂによって斜め格子状の杉綾模様に区画された流体流通路が形成される。この流体流通路は、単板エレメント４０ａまたは４０ｂだけでは、く字形リブ４３ａ、４３ｂで行き止まりになっているが、重ね合せることによって、リブ４３ａと４３ｂが重なり合っていない部分でリブ４３ａ、４３ｂの厚み分だけの空隙が生じるため、流体出入口２１ａ（２１ｂ）から流体出入口２２ａ（２２ｂ）まで流体流通路が連通し、一方の流体出入口から流体を供給すると、他方の流体出入口から流体が排出される。

上記安全熱交換板５０は、図４(ａ)及び(ｃ)に示すような均一な厚みのステンレス製の第１の外板エレメント５０ａと第２の外板エレメント５０ｃとで、図４(ｂ)に示すような均一な厚みの内板エレメント５０ｂを挟み込むように重ね合わせたものである。

図４(ａ)及び(ｃ)のように、外板エレメント５０ａ、５０ｃは、外形が側板１０,２０と同一の気密な板状体５１ａ、５１ｃからなり、完全な気密状態である。

図４(ｂ)のように、内板エレメント５０ｂは、外形が側板１０，２０と同形のステンレス製のフレーム５１ｂに取り囲まれ、内部がほぼ長方形の銅製の高伝熱部５２ｂになっており、フレーム５１ｂの側面から高伝熱部５２ｂにかけて貫通溝５３ｂが設けられている。図示のように、貫通溝５３ｂは、フレーム５１ｂの側面の１点から高伝熱部５２ｂに延び、高伝熱部５２ｂにおいて分岐して平行に延び、全体として櫛状の外観を呈する。

これら外板エレメント５０ａ、５０ｃと内板エレメント５０ｂを、図４(ａ)、(ｂ)、(ｃ)の順に重ね合わせると、図４(ｄ)のように、貫通溝５３ｂが板状体５１ａ、５１ｃに挟み込まれることにより隔離された通路となり、この櫛状の流体排出路５３が安全熱交換板５０の側面の開口５４から内部に向けて形成される。

図１のように、上記側板１０、単板エレメント３０ａ、３０ｂ、内外板エレメント５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、単板エレメント４０ａ、４０ｂ及び側板２０を積層し、拡散接合等公知の接合法により接合すると、図５のような安全熱交換器が完成する。

ここで図５(ａ)のように、安全熱交換器の第１の側板１０に設けられた一方のポート１１から流体を供給すると、ポート１１に連通する複合板状エレメント３０の流体出入口１１ａから流体が複合板状エレメント３０の流体流通路に流入し流体流通路を通って他の流体出入口１２ａに達し、この出入口１２ａに連通するポート１２から排出される。同様に図５(ｂ)のように、第２の側板２０の一方のポート２１から他の流体を供給すると、ポート２１に連通する複合板状エレメント４０の流体出入口２１ａからエレメント４０内に入って流通し、他の流体出入口２２ａに達し、これに連通するポート２２から排出される。これらの流体が、複合板状エレメント３０及び４０を流通する間に、安全熱交換板５０を介して熱交換が行なわれる。ここで、安全熱交換板５０の流体と接触する外面はステンレス製であるため、耐腐食性に優れ破孔が生じにくい。また安全熱交換板５０内部の高伝熱部５２ｂは銅製であるため、熱伝導性に優れ、内部もステンレス製である場合と比較すると熱交換効率がよい。

いま図６のように、複合板状エレメント３０を流通する流体との接触により、安全熱交換板５０外面が腐食し、破孔５５が生じた場合を考えると、破孔５５が流体排出路５３と連通し、破孔５５から流体は流体排出路５３へと流入し、開口５４から熱交換器の外部へ排出される。そのため、熱交換板５０が腐食しても流体が混ざり合うことがなく安全である。また、熱交換を行う流体の種類に応じて、開口５４周辺にガスセンサ、液漏れセンサなどを取り付けて監視しておけば破孔５５の有無が容易に確認可能である。

図１で示す熱交換器は、複合板状エレメント３０、４０を２個用いた例を示したが、安全熱交換板５０を介して３個以上の複合板状エレメントを積層してもよい。また、流体出入口の位置を変えることによって３流体以上の熱交換も可能である。

また、流体出入口１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ、２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂを板状エレメントの端面または側面に開放することによって、流体の供給排出ポートを熱交換器の端面及び側面に形成することができる。このように、流体を熱交換器の端面及び側面から給排した場合でも、安全熱交換板５０の外面はステンレス製であるため、耐腐食性に優れているとともに、内部の銅製の高伝熱部５２ｂが流体に接触することがないため、銅イオンが流体に溶け出すこともなく安心である。

また、図１では長方形の板状体を示したが、長方形以外の多角形や楕円形など、用途に応じて任意の形状を選択することができる。また、流通させる流体も、気・気、気・液、液・液、気液混合体と他の流体など種々選択可能である。また、流体流通路を区画するリブのパターンも図示に限定されず種々選択可能である。

この発明の熱交換器の一例を示す分解斜視図 （ａ）第１の単板エレメントの平面図（ｂ）第２の単板エレメントの平面図（ｃ）複合板状エレメントの平面図 （ａ）第１の単板エレメントの平面図（ｂ）第２の単板エレメントの平面図（ｃ）複合板状エレメントの他の例を示す平面図 （ａ)第１の外板エレメントの平面図（ｂ）内板エレメントの平面図（ｃ）第２の外板エレメントの平面図（ｄ）安全熱交換板の平面図 (ａ)、(ｂ)は完成した安全熱交換器を示す斜視図 安全熱交換板に破孔が生じた場合の平面図

符号の説明

１０、２０ 側板
１１、１２、２１、２２ ポート
１１ａ、１１ｂ 流体出入口
１２ａ、１２ｂ 流体出入口
２１ａ、２１ｂ 流体出入口
２２ａ、２２ｂ 流体出入口
３０、４０ 複合板状エレメント
３０ａ、３０ｂ、４０ａ、４０ｂ 単板エレメント
３１ａ、３１ｂ、４１ａ、４１ｂ フレーム
３２ａ、３２ｂ、４２ａ、４２ｂ 空間
３３ａ、３３ｂ、４３ａ、４３ｂ リブ
５０ 安全熱交換板
５０ａ、５０ｃ 外板エレメント
５０ｂ 内板エレメント
５１ａ、５１ｃ 板状体
５１ｂ フレーム
５２ｂ 高伝熱部
５３ 流体排出路
５３ｂ 貫通溝
５４ 開口
５５ 破孔

Claims (9)

1. 板状体の外面の一又は複数の開口から内部に向けて、所定のパターンで延びる流体排出路を設けた安全熱交換板。
2. 上記流体排出路は、板状体の外面に設けられた一つの開口から分岐し、内部に向けて櫛状に延びる請求項１に記載の安全熱交換板。
3. 上記開口は板状体の周面に設けられた請求項１又は２に記載の安全熱交換板。
4. 外面を耐腐食性素材から形成し、内部を高伝熱性素材から形成した請求項１から３のいずれかに記載の安全熱交換板。
5. 気密な第一の板状体と、気密な第二の板状体との間に、周面に達する所定のパターンの貫通溝を設けた第三の板状体を挟み込み、接合する請求項１から４のいずれかに記載の安全熱交換板の製造方法。
6. 上記第一と第二の板状体として、耐腐食性素材から形成されたものを用い、上記第三の板状体として、フレームが耐腐食性素材で形成され、前記フレームに囲まれた部分が高伝熱性素材で形成されたものを用いた請求項５に記載の安全熱交換板の製造方法。
7. 請求項１から４のいずれかに記載の安全熱交換板の一面に一の流体流通路を、他面に他の流体流通路を、上記流体排出路と連通しないように設けた安全熱交換器。
8. 上記一の流体流通路を安全熱交換板の一面に積層接合した一の板状エレメントに形成し、他の流体流通路を安全熱交換板の他面に積層接合した他の板状エレメントに形成した請求項７に記載の安全熱交換器。
9. 上記一の板状エレメントと上記他の板状エレメントとで請求項１から４のいずれかに記載の安全熱交換板を挟み込んだアセンブリを複数積層し接合した安全熱交換器。

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