JP2007183071A - 高耐圧コンパクト熱交換器およびその製造法 - Google Patents

Abstract

【課題】基本的構成は、プレート型の従来の熱交換器の構成のものを高耐圧なものに形成し、かつ全体を小型に構成した新規な高耐圧コンパクト熱交換器の提供。
【解決手段】多数の方形の金属製プレート１、および前記方形の金属製プレート１と略同一外形の金属製の凹凸状のフィン２を交互に組合せてろう付により所望段数に積層して熱交換器本体を形成し、前記凹凸状のフィン２とプレート１との間に形成される一方の通路３には、高圧自然冷媒の３０Ｍｐａ以上の高圧高熱流体Ａを、この通路３と相対向する他方に形成される通路４には、熱交換される気体，液体などの被加熱流体Ｂをそれぞれ流通させ、之等両方の通路３，４を各別に連通させて前記熱交換器本体Ｘの外部にそれぞれの流体の導入口と排出口とを形成すると共に、前記金属製プレート１及び前記金属製の凹凸状のフィン２は、耐圧力２００Ｍｐａ以上の金属ないし合金で、厚さが０．３ｍｍ以上とし、かつろう付金属はＣｕないしＣｕ主体で接触幅が２ｍｍ以上であることを特徴とする高耐圧コンパクト熱交換器。
【選択図】図６

Description

本発明は、各種熱交換器、特に自然冷媒、例えばＣＯ_２などを用いたヒートポンプ等に有効な小型の高耐圧コンパクト熱交換器およびその製造法に関する。

この種の熱交換器は、エネルギー効率が極めて高いこともあって、ヒートポンプ方式が用いられ、しかも自然環境を破壊するフロンなどの冷媒に代えて自然冷媒のＣＯ_２を採用し、これによりオゾン破壊係数はゼロとなり、さらに地球温暖化係数も「１」という環境に優しい熱交換器の開発が盛んになってきている（例えば、特許文献１参照。）。

他方、コンパクトで比較的扁平で小型のプレート型熱交換器も知られている（例えば、特許文献２，特許文献３参照。）。
特開２００４−２８３５６号公報 特開２００２−３５９２９号公報 特許第３６０５０８９号公報

ところで、特許文献１のような自然冷媒のＣＯ_２を用いると、使用圧力が高くなり、そのため熱交換器も大型化ならざるを得ず、小型コンパクト化ができないという問題があった。

すなわち、自然冷媒のＣＯ_２は５０Ｍｐａ以上の高圧ガスとして働くので、熱交換器を構成する金属材料の肉厚は、耐圧性を保持させるため、大きくならざるを得ず、その上、熱交換構造も大型化を避けることができないという問題があった。

したがって、プレートとフィンとで積層構成される、特許文献２および特許文献３に示される薄型でコンパクトなプレートフィン型の従来構成の熱交換器には、耐圧性に欠け、材料の破壊，ろう付個処の剥離など変形，破損を生じて、全く使用不可能であった。

しかし乍ら、小型化するためには、特許文献２，特許文献３で示されるような、構造が扁平で熱交換率の有効で単純なプレート型構成のものを利用する必要があった。

本発明は、叙上の点に着目して成されたもので、基本的構成は、プレート型の従来の熱交換器の構成のものを高耐圧なものに形成し、かつ全体を小型に構成した新規な高耐圧コンパクト熱交換器を得ることを目的とする。

本発明は、以下の構成を備えることにより、上記課題を解決したものである。

（１）多数の方形の金属製プレート、および前記方形の金属製プレートと略同一外形の金属製の凹凸状のフィンを交互に組合せてろう付により所望段数に積層して熱交換器本体を形成し、前記凹凸状のフィンとプレートとの間に形成される一方の通路には、高圧自然冷媒の３０Ｍｐａ以上の高圧高熱流体を、この通路と相対向する他方に形成される通路には、熱交換される気体，液体などの被加熱流体をそれぞれ流通させ、之等両方の通路を各別に連通させて前記熱交換器本体の外部にそれぞれの流体の導入口と排出口とを形成すると共に、前記金属製プレート及び前記金属製の凹凸状のフィンは、耐圧力２００Ｍｐａ以上の金属ないし合金で、厚さが０．３ｍｍ以上とし、かつろう付金属はＣｕないしＣｕ主体で接触幅が２ｍｍ以上であることを特徴とする高耐圧コンパクト熱交換器。

（２）高圧自然冷媒は、ＣＯ_２であることを特徴とする前記（１）記載の高耐圧コンパクト熱交換器。

（３）熱交換器本体は、積層された各金属製プレートに設けた外周突壁と金属製プレートの下部周線とのろう付による接続固着で形成される外周壁と、積層された最上位および最下位の金属製プレートによる上下壁とで形成して成ることを特徴とする前記（１）記載の高耐圧コンパクト熱交換器。

（４）多数の方形の金属製プレートの両側で、凹凸状のフィンの外方には、自段および他段への流体の流通を可能とする切欠孔および流通孔を並設したガイドプレートを金属製プレートと一体に備え、かつ複数の金属製プレートの重合積層時、切欠孔および流通孔に対向する個処の、金属製プレートに流通孔を穿って成ることを特徴とする前記（１）または（３）記載の高耐圧コンパクト熱交換器。

（５）凹凸状のフィンは、オフセット型、ヘリボーン型、平板フィン型、波状フィン型、ルーバ型、穴あき型等の中の一つで形成して成ることを特徴とする前記（１）記載の高耐圧コンパクト熱交換器。

（６）外周突壁を突設した各金属製プレートと、それぞれの金属製プレート内の凹凸状のフィンおよび切欠子，流通孔を穿ったガイドプレートを配設し、上下に積層して、熱交換器本体の組成体を形成し、かつ、之等の熱交換器本体の組成体の金属組成は、
イ．金属製プレートおよび凹凸状のフィン・・・ＳＵＳ２７ＣＰ
ロ．金属製プレートの厚さｔ_１ ０．３ｍｍ
ハ．外周突壁の厚さｔ_２ ０．３ｍｍ
ニ．フィンの厚さｔ_３ ０．３ｍｍ
より成り、之等の各構成部材の接合部には、Ｃｕろうの強度２０Ｋｇ／ｍｍ^２を用いて、真空加熱炉内に入れ、ろう付処理して得ることを特徴とする高耐圧コンパクト熱交換器の製造法。

本発明によれば、熱交換器本体を構成する金属ないし合金は、肉厚が０．３ｍｍ以上で、耐圧ないしは耐蝕性に優れた強度２００Ｍｐａ以上のものを用い、かつ、ろう付金属はＣｕないしＣｕ主体のものを用い、さらに接触幅が２ｍｍ以上であるので、ＣＯ_２のような自然冷媒の３０ＭＰａ以上の高圧高熱流体の流通を可能とする。

しかも、熱交換器本体は、複数の金属プレートと、このプレートと接合される凹凸状フィンは、好みの形状のものを用いることができるので、使用用途に応じて選択して、好みの給湯システムに利用できる。

なお、熱交換後のＣＯ_２のような自然冷媒は、膨張、空気熱交換、コンプレッサの冷媒サイクルによるヒートポンプユニットシステムによって反復熱源を得ることができる。特に、高耐圧効果を有するので、コンパクトな扁平小型の熱交換器を提供できる。

以下に、本発明の一実施例を図面と共に説明する。

図面において、１は多数の方形の金属製プレート、２は前記金属製プレート１の外周突壁１ａ内に配設される金属製の凹凸状のフィン、３は前記プレート１と前記フィン２との間に形成される一方の通路で、この通路３は高圧高熱流体Ａが流通する。４は前記通路３と相対向する側のプレート１とフィン２との間に形成される他方の通路で、この通路４には熱交換される冷水、冷空気などの被加熱流体Ｂが流通する。５は金属製プレート１の両側に配置させたガイドプレートで、多段に積層される金属製プレート１の自段および他段への流体ＡまたはＢの交互の金属製プレート１，１への流通を可能とする切欠孔６と、流体ＡまたはＢを通過させる流通孔７を並設してある。８は最下位の金属製プレート、９は最上位の金属製プレートを示し、流体Ａ，Ｂのそれぞれの流入口部１０，１１、流出口部１２，１３を一体で備える。なお、１４は、前記切欠孔６および流通孔７と対応して連通する金属製プレート１に穿った孔、１５は各部材の接合部に形成されるろう付部を示す。

これら上記構成により、熱交換器本体Ｘが構成される。

そして、上述した構成の各部材は、後述する方法による金属素材とろう付処理により製造される。

まず、上記構成に基づいて作用を説明する。

なお、金属製プレート１の段数は、例えば図５の（ａ），（ｂ）に示すように、流体Ａは、最下位のプレート８を含めて４段、他の流体Ｂは５段である。

一方の流体Ａは、ＣＯ_２などの自然冷媒を用いた高圧高熱流体であり、一方の流体Ａの通路３の多段の金属製プレート１の３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄを通り、また、他方の被加熱流体Ｂは、通路４の多段の金属製プレート１の４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅを通り、両流体Ａ，Ｂが、その間で熱交換される。そして、流体Ａ，Ｂは、いずれも最上位の金属製プレート９に設けた流入口部１０，１１を経て、前記通路３，４を通り、最下位の金属製プレート８およびそれより一段高い金属製プレートで反転して流通熱交換され、それぞれ流出口部１２，１３より外部に導出される。

熱交換されて放熱した一方の流体Ａは、図示しないが、ヒートポンプ方式を備える循環回路の膨張弁→大気熱熱交換器→圧縮機を経て、再び高圧高熱流体となり、本発明に係る熱交換器本体Ｘの流入口部１０に導入され、反覆して同一作用を呈する。

他方、熱交換されて高温となった他の流体Ｂは、温水，温風となって、室内の暖房，エアコンとして使用される。なお、閉回路構成を備えれば、放熱された他の流体Ｂとなり、再び熱交換器本体Ｘの流入口部１１より導入されて、同様に反覆して同一作用を呈する。

ところで、自然冷媒として用いるＣＯ_２を、流体Ａとして用いる時、
（温度）最高１１０℃（流入口１０）
（圧力）１４ＭＰａ
（流量）５ｌ／ｍｉｎ
流体Ｂの被加熱流体として上水を用いて、
（温度）最高９０℃（流入口１１）
（圧力）１．７ＭＰａ
（流量）５ｌ／ｍｉｎ
の条件を満たすために、特許文献３に示す従来構成の積層型オフセット型のチタン製プレート型の熱交換器を用いて流体ＡおよびＢを用いて試験を行った結果、オフセットフィン，プレートおよびろう付は、流体Ａの圧力が次第に上昇するにつれ、１４ＭＰａで変形が始まり、２５ＭＰａ以上での加圧は不可能となったことが判明した。即ち、オフセットフィンの変形，破損、プレートの変形、ろう付の剥離などが発見された。

ここで、金属製プレート１およびオフセット型の凹凸フィン２の金属として、ステンレスのＳＵＳ３０４＝ＳＵＳ２７ＣＰ（冷間圧延ステンレス鋼板）

を用い、かつ、
・プレート１の厚さｔ_１ ：０．３ｍｍ以上
・外周突壁１ａの厚さｔ_２ ：０．３ｍｍ以上
・フィン２の厚さｔ_３ ：０．３ｍｍ以上
とすると共に、ろう付金属としては、Ｃｕろうの強度２０Ｋｇ／ｍｍ^２（２０〜４０Ｋｇ／ｍｍ^２）を用い、オフセットフィン２の一段のろう付強度を、
４．２ｍｍ×３．０ｍｍ×２０Ｋｇ／ｍｍ^２×４００個処＝１００，８００Ｋｇ
とすることにより、格段と強度を上げた。

ろう付面積は、１プレート１当り片面４００個処で、全体から見て５０％とした。これにより、
・変形値 ４２ＭＰａ
・バースト値（破壊値） ６２ＭＰａ
という、驚異的な数値、すなわち扁平なプレートタイプの小型熱交換器の性能を向上できたのである。

なお、この扁平なプレートタイプの小型熱交換器としては、上記オフセット型フィン２に係らず、他の形状のフィンとしては図９に示すような（ａ）平板フィン２ａ、（ｂ）波状フィン２ｂ、（ｃ）ルーバフィン２ｃ、（ｄ）穴あきフィン２ｄなどにも適用でき、さらに本実施例に図示した以外の、上下多段に積層した図１０に示すような、金属プレート１Ａと凹凸状フィン２で構成されるプレートタイプのものにも同様に実施できる。

以上、本発明の実施例に示す、上記した金属製プレート１、オフセットフィン２およびろう付金属については、同一の機能を呈する金属、材料に適用できることは勿論である。

以下に、本発明の製造法について、一実施例を説明する。

上述した構成を備える各金属製プレート１と、それぞれの金属製プレート１内に凹凸状のフィン２および切欠孔６、流通孔７を穿ったガイドプレート５を配設し、上下段に積層し、図５（ａ），（ｂ）の熱交換器本体Ｘの原形を構成する。

なお、各構成部材の組成金属は、以下のとおりである。

１．金属製プレート１およびオフセット型の凹凸状のフィン２
・・・・・ＳＵＳ２７ＣＰ（冷間圧延ステンレス鋼板（表１に示す化学成分）
２．金属製プレート１の厚さｔ_１：０．３ｍｍ以上
３．外周突壁１ａの厚さｔ_２ ：０．３ｍｍ以上
４．フィン２の厚さｔ_３ ：０．３ｍｍ以上
５．ガイドプレート５の厚さｔ_４：外周突壁１ａの内側の高さより僅かに低い（１．５ｍｍ以上）
これらの各構成部材の接合部に塗布したろう付金属は、Ｃｕろうの強度２０Ｋｇ／ｍｍ^２（２０〜４０Ｋｇ／ｍｍ^２）を用いた。

斯くして積層された熱交換器本体の組立体を、真空加熱炉に入れて炉内の真空度を１０^−４ｔｏｒｒ程度として徐々に加熱する。なお、真空度は必要以上に高くする必要はなく、１０^−４ｔｏｒｒ以上でも良く、ＡｒやＨｅなどの不活性ガス雰囲気で使用しても良いし、両雰囲気を併用しても良い。炉内の温度が８４０℃〜１０００℃に至ったところで、この温度を約２５分〜３５分維持させてから降温し、製品とする。

本発明に係るプレート型熱交換器の構成を模式的に示した分解斜視図 図１に示すプレート型熱交換器の分解斜視説明図 図２のプレート型熱交換器を反対側から見た斜視図 （ａ）（ｂ）は、図３における第１ユニットプレートと第２ユニットプレートを示す説明図 （ａ）（ｂ）は、流体Ａと流体Ｂとの流通経路の一例を示すプレート型熱交換器の断面図 金属製プレートとオフセットフィンとプレートの外周突壁とのろう付状態と厚さの関係を示す拡大断面図 図６のVII―VII線断面図 （ａ）はガイドプレートの平面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線断面図 （ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、他の形状のフィンを示す斜視図 他のプレート型熱交換器の要部を示す斜視図

符号の説明

１ 金属製プレート
１ａ 外周突壁
２ 凹凸状フィン
３ 一方の通路
４ 他方の流路
５ ガイドプレート
６ 切欠孔
７ 流通孔
８ 最下位の金属製プレート
９ 最上位の金属製プレート
１０、１１ 流入口部
１２、１３ 流出口部

Claims (6)

1. 多数の方形の金属製プレート、および前記方形の金属製プレートと略同一外形の金属製の凹凸状のフィンを交互に組合せてろう付により所望段数に積層して熱交換器本体を形成し、前記凹凸状のフィンとプレートとの間に形成される一方の通路には、高圧自然冷媒の３０Ｍｐａ以上の高圧高熱流体を、この通路と相対向する他方に形成される通路には、熱交換される気体，液体などの被加熱流体をそれぞれ流通させ、之等両方の通路を各別に連通させて前記熱交換器本体の外部にそれぞれの流体の導入口と排出口とを形成すると共に、前記金属製プレート及び前記金属製の凹凸状のフィンは、耐圧力２００Ｍｐａ以上の金属ないし合金で、厚さが０．３ｍｍ以上とし、かつろう付金属はＣｕないしＣｕ主体で接触幅が２ｍｍ以上であることを特徴とする高耐圧コンパクト熱交換器。
2. 高圧自然冷媒は、ＣＯ_２であることを特徴とする請求項１記載の高耐圧コンパクト熱交換器。
3. 熱交換器本体は、積層された各金属製プレートに設けた外周突壁と金属製プレートの下部周線とのろう付による接続固着で形成される外周壁と、積層された最上位および最下位の金属製プレートによる上下壁とで形成して成ることを特徴とする請求項１記載の高耐圧コンパクト熱交換器。
4. 多数の方形の金属製プレートの両側で、凹凸状のフィンの外方には、自段および他段への流体の流通を可能とする切欠孔および流通孔を並設したガイドプレートを金属製プレートと一体に備え、かつ複数の金属製プレートの重合積層時、切欠孔および流通孔に対向する個処の、金属製プレートに流通孔を穿って成ることを特徴とする請求項１または３記載の高耐圧コンパクト熱交換器。
5. 凹凸状のフィンは、オフセット型、ヘリボーン型、平板フィン型、波状フィン型、ルーバ型、穴あき型等の中の一つで形成して成ることを特徴とする請求項１記載の高耐圧コンパクト熱交換器。
6. 外周突壁を突設した各金属製プレートと、それぞれの金属製プレート内の凹凸状のフィンおよび切欠子，流通孔を穿ったガイドプレートを配設し、上下に積層して、熱交換器本体の組成体を形成し、かつ、之等の熱交換器本体の組成体の金属組成は、
   イ．金属製プレートおよび凹凸状のフィン……ＳＵＳ２７ＣＰ
   ロ．金属製プレートの厚さｔ_１ ０．３ｍｍ
   ハ．外周突壁の厚さｔ_２ ０．３ｍｍ
   ニ．フィンの厚さｔ_３ ０．３ｍｍ
   より成り、之等の各構成部材の接合部には、Ｃｕろうの強度２０Ｋｇ／ｍｍ^２を用いて、真空加熱炉内に入れ、ろう付処理して得ることを特徴とする高耐圧コンパクト熱交換器の製造法。

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