JP3764703B2

JP3764703B2 - 熱交換器

Info

Publication number: JP3764703B2
Application number: JP2002181917A
Authority: JP
Inventors: 恵一佐藤; 謙治新屋; 崇之後藤
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-06-21
Filing date: 2002-06-21
Publication date: 2006-04-12
Anticipated expiration: 2022-06-21
Also published as: JP2004028378A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、分散電源用改質器などに利用する熱交換器に関し、特に、熱交換器をモジュール化し、交換熱量、流量、圧力損失、サイズなどに対応させて組み合わせることにより、それぞれの仕様に応じて容易に、安価に製造できるようにした熱交換器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
内部流における層流熱伝達率は、流路断面寸法が小さくなると増大することが知られている。また、流路断面寸法が小さくなると単位面積あたりの熱交換に供することができる表面積も増大する。この熱伝達率の増大と熱交換表面積の増大により熱交換器の性能を大きく向上させることができる。従ってマイクロチャネルのような流路断面寸法が小さな熱交換器を利用すると、例えば分散電源用改質器における熱交換器や、半導体素子冷却用のヒートシンク、あるいは空調機器における熱交換器などを小型、かつ高性能に作成することが可能となる。
【０００３】
そのため例えば特開平２０００−２４９４８６号公報には、図１１に示したように、高温用流路プレート１１０と低温用流路プレート１１１における流路１１２、１１３が互いに直交するよう打ち抜きで作成し、互いの流路プレート１１０、１１１間に隔壁プレート１１４を挟んで積層した積層式熱交換器が示されている。
【０００４】
また特開平２０００−１６１８８９号公報には、図１２に示したように、第１の流路プレート１２０に高温用流路１２１を、第２の流路プレート１２２に低温用流路１２３をそれぞれ略Ｕ字状の折り返し形状で形成し、互いの流路プレート１２０、１２２間に隔壁プレート１２４を挟んで積層した積層式熱交換器が示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらこれら特開平２０００−２４９４８６号公報、特開平２０００−１６１８８９号公報に示された装置は、いずれも熱交換器における交換熱量、流量、圧力損失、サイズなどの仕様を決めてから熱交換器に使用するプレートのサイズ、流路形状、ヘッダー形状などを決定し、流体の供給、排出口を取り付けて熱交換器を構成していた。そのため、例えば多数の熱交換器で構成される分散電源用改質器などにおいては、装置ごとに熱交換器のサイズなどを決定するため、貫通孔を形成するための打ち抜き用の型が多数必要となってコスト高になり、また、使用している熱交換器の熱交換性能をアップさせたい場合などは、再度新たな熱交換器を製作する必要があった。
【０００６】
そのため本発明においては、熱交換効率が高く、交換熱量、流量、圧力損失、サイズなどの仕様に応じて容易に、安価に製造できるようにした熱交換器を提供することが課題である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため請求項１に記載した発明は、
流体用流路プレートと、該流体用流路プレートの流路へ流体の供給又は排出を行うヘッダープレートと、前記流体用流路プレートに流路を形成させる中間プレートとを積層すると共に、前記ヘッダープレートのヘッダー貫通孔へ流体を供給又は排出する貫通孔を各プレートに形成した積層流路ユニットを有する熱交換器において、
前記積層流路ユニットを高温流体用と低温流体用とに用意して交互に複数積層してモジュールを構成し、該モジュール端部に、前記積層流路ユニットの貫通孔への流体供給口又は排出口を兼ねた連結機構を設け、前記モジュール側部に、前記貫通孔に繋がる側部孔を設け、連結機構方向と側部孔方向へ複数モジュールを組み合わせて構成したことを特徴とする。
【０００８】
このように、積層流路ユニットを複数積層して構成したモジュールの端部に連結機構を設けてモジュールを連結し、さらにモジュールの側部に、貫通孔と繋げた側部孔を設けて側部孔方向へもモジュールを連結して熱交換器を構成することによって、モジュールを連結して熱交換器を構成することによって、交換熱量、流量、圧力損失、サイズなどの仕様に応じた熱交換器を容易に、安価に形成でき、さらに、熱交換器性能をアップしたい場合など、熱交換器モジュールを追加することによって簡単に性能アップが可能となる。また、設置場所の形状が限定されている場合なども、その設置場所に合った形状を熱交換器モジュールの組み合わせによって得ることができるというメリットもある。
【００１１】
そして請求項２に記載した発明は、
前記連結機構方向と側部孔方向へ複数モジュールを組み合わせて構成した熱交換器における端部の各モジュールの高温流体供給口同士と排出口同士、低温流体供給口同士と排出口同士をそれぞれ結合して流体の供給又は排出を行う集合管を有する集合管ヘッダーを設けたことを特徴とする。
【００１２】
このように、熱交換器の端部の各モジュールにおける流体供給口同士をそれぞれ結合して流体の供給又は排出を行う集合管を有する集合管ヘッダーを設けることにより、複数に分離した流体を一つの集合管で分配供給もしくは集積してからの排出が可能となるため、熱交換器コストが低くなる。また、複数の集合管をつなぐことにより、流体の圧力損失を増加させることなく任意形状の熱交換器を構成できる。
【００１３】
また請求項３に記載した発明は、
前記高温流体用と低温流体用とに用意した積層流路ユニットのヘッダープレートにおけるヘッダー貫通孔は、各プレートに設けた高温流体と低温流体を供給又は排出する、異なった貫通孔から高温流体と低温流体を別個に受け取れるように形成したことを特徴とする。
【００１４】
このように積層流路ユニットのヘッダープレートにおけるヘッダー貫通孔を、高温流体用と低温流体用とで異なった貫通孔から流体を受け取れるようにすることにより、各流体用流路プレート毎に異なった流体を確実に供給、排出することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を例示的に詳しく説明する。但し、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りはこの発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【００１６】
図１は本発明になる熱交換器のモジュールを構成する積層流路ユニットの一実施形態を示した概略構成図、図２は本発明になる熱交換器を構成するモジュールの第１実施形態の概略構成図、図３は本発明になる熱交換器を構成する第１実施形態の最下端モジュールの概略構成図、図４は本発明になる熱交換器を第１実施形態のモジュールの連結で構成した場合の概略構成図、図５は本発明になる熱交換器を構成するモジュールの第２実施形態の概略構成図、図６は本発明になる熱交換器を構成する第２実施形態の最下端モジュールの概略構成図、図７は本発明になる熱交換器を第２実施形態のモジュールを組み合わせて連結して構成した場合の概略構成図、図８は第２実施形態のモジュールの連結で構成した熱交換器上端に設けた流体の供給又は排出を行う集合管を有する集合管ヘッダーの構成の一例を示した図、図９は同じく第２実施形態のモジュールの連結で構成した熱交換器下端に設けた流体の供給又は排出を行う集合管を有する集合管ヘッダーの構成の一例を示した図である。
【００１７】
図中１は端部プレート、２は中間プレート、３、５はヘッダープレート、４は流体用流路プレート、６は端部プレート１上に設けられて高温又は低温流体の供給口又は排出口を兼ねると共に、端部プレート１、中間プレート２、ヘッダープレート３、５、流体用流路プレート４などを積層して構成した積層流路ユニットをさらに積層して図２に示したモジュールを構成したとき、互いのモジュールを連結するための連結機構、７は連結機構６から供給された流体をヘッダープレート３、５に設けられたヘッダー用貫通孔８、１０に供給又は排出するための貫通孔、９は流体用流路プレート４に形成された流路、図２における２０は前記端部プレート１、中間プレート２、ヘッダープレート３、５、流体用流路プレート４などを積層して構成した積層流路ユニットをさらに積層したモジュール、２１は別のモジュール２０の上端に設けた連結機構６を差し込む下端側の連結機構、図３における３０は最下端のモジュールで、３１はこの最下端のモジュール３０の下側に設けた高温又は低温流体の供給口又は排出口としての供給／排出管、図５に示した５０は前記図１に示したモジュール２０の側部にモジュール内の貫通孔７と繋げた側部孔５１を設けたモジュール、図６における６０は前記図２に示したモジュール３０の側部にモジュール内の貫通孔７と繋げた側部孔６１を設けたモジュール、図８、図９における８０、８１、９０、９１は流体の供給又は排出を行う集合管で、これら集合管は集合管ヘッダー８２、９２に設けられる。
【００１８】
本発明における熱交換器は、図１に示したように貫通孔７、ヘッダー用貫通孔８、１０、流体用流路９などを打ち抜きで形成した中間プレート２、ヘッダープレート３、５、流体用流路プレート４を積層して積層流路ユニットを構成し、さらにこの積層流路ユニットを高温流体用と低温流体用とに用意して積層して第１実施形態の図２においては２０で、図３においては３０で示したようにモジュール化する。そして、このモジュール２０、３０の上端部には、高温又は低温流体の供給口又は排出口を兼ねると共に他のモジュールの連結機構への差込口となる連結機構６を有する端部プレート１を配し、下端部には、図２のモジュール２０においては高温又は低温流体の供給口又は排出口を兼ねると共に他のモジュールにおける連結機構６の受け口となる連結機構２１を、図３のモジュール３０においては同じく高温又は低温流体の供給口又は排出口となる供給／排出管３１を設ける。そして図４に示したように、複数のモジュール２０_１、２０_２、３０を、連結機構２１_１と６_２、及び２１_２と６_３で連結し一体化して熱交換器としたものである。
【００１９】
このように構成した熱交換器において、図４に示した各モジュール２０_１、２０_２、３０の内部においては、例えば図１に示した４_１を高温流体用流路プレート、４_２を低温流体用流路プレートとした場合、端部プレート１の連結機構を兼ねた高温流体の供給口６_１から高温流体を供給すると、その高温流体は各プレートの貫通孔７_１からヘッダープレート３のヘッダー用貫通孔８_１に供給され、高温流体用流路プレート４_１の流路９を通り、ヘッダープレート３のヘッダー用貫通孔８_２、貫通孔７_２を通って高温流体の排出口６_２から排出される。一方低温流体は、端部プレート１の連結機構を兼ねた低温流体の供給口６_３から低温流体を供給すると、その低温流体は各プレートの貫通孔７_３からヘッダープレート５のヘッダー用貫通孔１０_１に供給され、低温流体用流路プレート４_２の流路９を通り、ヘッダープレート５のヘッダー用貫通孔１０_２、貫通孔７_４を通って低温流体の排出口６_４から排出される。
【００２０】
そして、高温流体用流路プレート４_１を流れる高温流体と低温流体用流路プレート４_２を流れる低温流体との間で熱交換が行われるわけであるが、各モジュール２０_１、２０_２、３０間の連結機構２１_１、６_２、２１_２、６_３を通してこれらの高温流体と低温流体は各モジュール２０_１、２０_２、３０にも供給されるから、全く同じようにして各モジュール２０_１、２０_２、３０の内部に設けた積層流路ユニットで熱交換が行われる。そのため、熱交換が非常に効率的に行われ、かつ、交換熱量、流量、圧力損失、サイズなどの仕様に応じてモジュールを組み合わせることにより、必要な仕様に対応した熱交換器を容易に、安価に形成でき、さらに、熱交換器性能をアップしたい場合など、モジュールを追加することによって簡単に性能アップが可能となる。
【００２１】
以上が本発明になる第１実施形態の熱交換器の構成であるが、次いで図５乃至図９に示した第２実施形態の熱交換器に付いて説明する。この第２実施形態の熱交換器は図５、図６に示したように、前記図２、図３に示したモジュール２０、３０の側部にモジュールの各プレートに設けた貫通孔７と繋がるように５１、６１で示した側部孔を設け、図７に示したように、図５に示した５０で示したモジュールを上段に、図２に示した２０のモジュールを中段に、図６に６０で示したモジュールを下段に配して組み合わせて連結したものである。
【００２２】
そしてこの第２実施形態においては、上段に用いるモジュール５０と中段に用いるモジュール６０における側部孔５１、６１は、その配置位置によって設ける位置が異なってくる。すなわち図７に示したように、図５に示したモジュール５０_１、５０_２、５０_３を上段に、図６に示したモジュール６０_１、６０_２、６０_３を下段に、図２に示した２０のモジュールを中段にそれぞれ１つずつ配した場合、５０_１、６０_１のモジュールにおける側部孔５１、６１は、５０_１のモジュールが図５における５１_１〜５１_４を、６０_１のモジュールが図６における６１_１〜６１_４を配し、右側に配した５０_２、６０_２のモジュールにおける側部孔５１、６１は、５０_２のモジュールが図５における５１_３、５１_４を、６０_２のモジュールが図６における６１_３〜６１_４を配し、左側に配した５０_３、６０_３のモジュールにおける側部孔５１、６１は、５０_３のモジュールが図５における５１_１、５１_２を、６０_３のモジュールが図６における６１_１〜６１_２を配することになる。
【００２３】
そして、例えば図５に示したモジュール５０と図６に示したモジュール６０を縦横に配す場合はさらに、図５、図６に示したように全ての側部孔５１_１〜５１_８、６１_１〜６１_８を配したモジュールと、例えば５０_１〜５０_６、６０_１〜６０_６を配したモジュール、５０_１、５０_２、５０_５、５０_６、６０_１、５０_２、６０_５、６０_６を配したモジュールと夫々３種類のモジュールを用意することになる。すなわちモジュール５０、６０を上段と下段に１列ずつ配した場合は夫々２種類のモジュールを用意し、縦横に立体的に配した場合は３種類のモジュールを用意することで、どのような構成の熱交換器をも構成できることになる。
【００２４】
そしてこのようにモジュールを縦横に立体的に配した場合、上段と下段に配したモジュールの高温流体と低温流体の供給口と排出口６と３１が、それぞれモジュールの数だけ生じることになり、それぞれの供給口と排出口への流体の供給と排出が非常に煩雑になる。そのため、それを解消するために設けたのが図８、図９に示した８２、９２の集合管ヘッダーである。
【００２５】
この図８、図９に示した集合間ヘッダー８２、９２は、図５に示したモジュール５０を上段に９つ、図６に示したモジュール６を下段に９つ配した場合を１例に示したもので、それぞれにおける高温又は低温流体の供給口又は排出口を兼ねた連結機構６、３１に結合して用いられる。それぞれの流体の供給口又は排出口との対応はそれぞれの図の下に示し、今流体Ａを高温流体、流体Ｂを低温流体とすると、図８の集合管８０は高温流体の供給集合管に、集合管８１は低温流体の排出集合管に、図９の集合管９０は低温流体の供給集合管に、集合管９１は高温流体の排出集合管になる。
【００２６】
そしてそれぞれのモジュールは、前記したようにその配置位置によって側部孔５１を設ける位置が異なり、例えばモジュール５０_１、６０_１はそれぞれ全ての側部孔５１_１〜５１_８、６１_１〜６１_８が設けられ、角のモジュール５０_４、５０_６、５０_７、５０_９、６０_４、６０_６、６０_７、６０_９においては例えば５１_１、５１_２、５１_５、５１_６、６１_１、６１_２、６１_５、６１_６が、中間のモジュール５０_２、５０_３、５０_５、５０_８、６０_２、６０_３、６０_５、６０_８においては例えば５１_１〜５１_６、６１_１〜６１_６が配される。
【００２７】
そのためこの集合管ヘッダー８２、９２を用いると、高温流体供給用集合管８０_１によってモジュール５０_１〜５０_６のモジュールに高温流体が供給され、高温流体供給用集合管８０_２によってモジュール５０_７〜５０_９のモジュールに高温流体が供給される。また、低温流体排出用集合管８１_１によってモジュール５０_４〜５０_６のモジュールの低温流体が排出され、低温流体供給用集合管８１_２によってモジュール５０_１〜５０_３、５０_７〜５０_９のモジュールの低温流体が排出される。そして同様に低温流体供給用集合管９０_１によってモジュール６０_１〜６０_６のモジュールに低温流体が供給され、低温流体供給用集合管９０_２によってモジュール６０_７〜６０_９のモジュールに低温流体が供給される。また、高温流体排出用集合管９１_１によってモジュール６０_４〜６０_６のモジュールの高温流体が排出され、高温流体供給用集合管９１_２によってモジュール６０_１〜６０_３、６０_７〜６０_９のモジュールの高温流体が排出される。
【００２８】
以上が本発明になる第２実施形態の熱交換器における集合管ヘッダーの構成であるが、モジュールの組み合わせは図８、図９に示した９つの場合に限らず、もっと多くのモジュールを組み合わせた場合や少ないモジュールで構成した場合も同様に集合管を配することにより、少ない供給／排出管によって流体の供給、排出が可能であり、熱交換器コストが低くできると共に、複数の集合管をつなぐことにより、流体の圧力損失を増加させることなく任意形状の熱交換器を構成できる。
【００２９】
なお、前記した図１における積層流路ユニットを構成する流体用流路プレート４を打ち抜きで構成し、ヘッダープレート３、５と中間プレート２によって流路９を構成すると説明したが、この流路９は打ち抜きだけでなく、例えば図１０に示したように、平板１００、１０１に流体流路１０２、１０３を切削加工、加圧成型、エッチングなどで形成したものを用いても良い。この場合、平板１００上の流路１０２の上面に中間プレートをおいて流体流路１０２を形成するようにすればよいから、それだけ熱効率がよいものが得られる。
【００３０】
又以上の説明では、図１に示した流体用流路プレート４における流路９を３つで示し、積層流路ユニットを２つ積層した場合を示したが、流路９の数はいくつでも良く、また積層流路ユニットもいくつ積層しても良い。さらに以上の説明では、本発明を単に熱交換器として説明してきたが、例えば図１に示した高温流体用流路プレート４_１の流路９に燃焼触媒を、低温流体用流路プレート４_２の流路９に改質触媒を設け、高温流体用流路プレート４_１に燃焼ガスを送り込んで燃焼触媒で燃焼させ、低温流体用流路プレート４_２に原料ガスを送り込んで改質触媒で改質させる改質反応装置などに応用できることも自明である。この場合各モジュールを、改質反応装置、改質させるガスなどに混入する水蒸気の発生装置、熱の回収装置、改質で生じたＣＯガスの燃焼装置など用いて一体型とした改質器システムとすることも可能である。また、半導体素子冷却用のヒートシンク、あるいは空調機器における熱交換器などに利用しても良い。
【００３１】
【発明の効果】
以上記載の如く請求項１に記載した本発明によれば、積層流路ユニットを複数積層して構成したモジュールの端部に連結機構を設けてモジュールを連結し、さらにモジュールの側部に、貫通孔と繋げた側部孔を設けて側部孔方向へもモジュールを連結して熱交換器を構成することによって、交換熱量、流量、圧力損失、サイズなどの仕様に応じた熱交換器を容易に、安価に形成でき、さらに、熱交換器性能をアップしたい場合など、熱交換器モジュールを追加することによって簡単に性能アップが可能となる。また、設置場所の形状が限定されている場合なども、その設置場所に合った形状を熱交換器モジュールの組み合わせによって得ることができるというメリットもある。
【００３３】
そして請求項２に記載した本発明によれば、熱交換器の端部の各モジュールにおける流体供給口同士をそれぞれ結合して流体の供給又は排出を行う集合管を有する集合管ヘッダーを設けることにより、複数に分離した流体を一つの集合管で分配供給もしくは集積してからの排出が可能となるため、熱交換器コストが低くなる。また、複数の集合管をつなぐことにより、流体の圧力損失を増加させることなく任意形状の熱交換器を構成できる。
【００３４】
さらに請求項３に記載した本発明によれば、積層流路ユニットのヘッダープレートにおけるヘッダー貫通孔を、高温流体用と低温流体用とで異なった貫通孔から流体を受け取れるようにすることにより、各流体用流路プレート毎に異なった流体を確実に供給、排出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明になる熱交換器のモジュールを構成する積層流路ユニットの一実施形態を示した概略構成図である。
【図２】本発明になる熱交換器を構成するモジュールの第１実施形態の概略構成図である。
【図３】本発明になる熱交換器を構成する第１実施形態の最下端モジュールの概略構成図である。
【図４】本発明になる熱交換器を第１実施形態のモジュールの連結で構成した場合の概略構成図である。
【図５】本発明になる熱交換器を構成するモジュールの第２実施形態の概略構成図である。
【図６】本発明になる熱交換器を構成する第２実施形態の最下端モジュールの概略構成図である。
【図７】本発明になる熱交換器を第２実施形態のモジュールを組み合わせて連結して構成した場合の概略構成図である。
【図８】第２実施形態のモジュールの連結で構成した熱交換器上端に設けた流体の供給又は排出を行う集合管を有する集合管ヘッダーの構成の一例を示した図である。
【図９】第２実施形態のモジュールの連結で構成した熱交換器下端に設けた流体の供給又は排出を行う集合管を有する集合管ヘッダーの構成の一例を示した図である。
【図１０】積層流路をエッチングなどで構成する場合の説明図である。
【図１１】従来の熱交換器の一例概略を示した図である。
【図１２】従来の熱交換器の一例概略を示した図である。
【符号の説明】
６高温又は低温流体の供給口又は排出口を兼ねた連結機構
２０モジュール
２１高温又は低温流体の供給口又は排出口を兼ねた連結機構

Claims

流体用流路プレートと、該流体用流路プレートの流路へ流体の供給又は排出を行うヘッダープレートと、前記流体用流路プレートに流路を形成させる中間プレートとを積層すると共に、前記ヘッダープレートのヘッダー貫通孔へ流体を供給又は排出する貫通孔を各プレートに形成した積層流路ユニットを有する熱交換器において、
前記積層流路ユニットを高温流体用と低温流体用とに用意して交互に複数積層してモジュールを構成し、該モジュール端部に、前記積層流路ユニットの貫通孔への流体供給口又は排出口を兼ねた連結機構を設け、前記モジュール側部に、前記貫通孔に繋がる側部孔を設け、連結機構方向と側部孔方向へ複数モジュールを組み合わせて構成したことを特徴とする熱交換器。
前記連結機構方向と側部孔方向へ複数モジュールを組み合わせて構成した熱交換器における端部の各モジュールの高温流体供給口同士と排出口同士、低温流体供給口同士と排出口同士をそれぞれ結合して流体の供給又は排出を行う集合管を有する集合管ヘッダーを設けたことを特徴とする請求項１に記載した熱交換器。
前記高温流体用と低温流体用とに用意した積層流路ユニットのヘッダープレートにおけるヘッダー貫通孔は、各プレートに設けた高温流体と低温流体を供給又は排出する、異なった貫通孔から高温流体と低温流体を別個に受け取れるように形成したことを特徴とする請求項１に記載した熱交換器。