JP2000506966A - 分配領域を有する平板式熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 互いに対面状態に接合された複数の平板（１４、１５）から成る熱交換器である。平板（１４、１５）の一方の面、又はその両面は流体の流路を画成する立ち上がりフィン（１６、１７、４０、４１、５３、５４、５５）を有する。平板（１４、１５）の各々は、分配領域（１２）と主熱交換領域（１１）とを有している。分配領域（１２）内のフィンは、流体の流動方向（５１、５２）に沿って隣接するフィンから異なる状態に整合されたフィン（１７、４０、４１、５３、５４、５５）を有する。

Description

【発明の詳細な説明】 分配領域を有する平板式熱交換器技術分野 本発明は、熱交換器及びその製造方法に関する。特に、本発明は、高「面積密 度」であることを特徴とする「コンパクト」な熱交換器に関する。このことは、 これらの熱交換器は、熱伝達面対熱交換容積との比が大きいことを意味する。背景技術 1994年に英国政府の環境庁のエネルギ効率化局から出版されたグッド・プラク ティクス・ガイドシリーズ（Good Practice Guide Series）における小冊子No.8 9には、その当時に英国内で利用可能であった各種のコンパクトな型式の熱交換 器が記載され且つ図解されており、また、将来の開発のための提案に関する記述 が含まれている。エネルギ効率化問い合わせ局（電話番号44−1235−436−747） から入手できるガイドNo.89は、参考として引用して本明細書に含める。 熱交換器には極めて種々のものがあり、また、その構造も相違するため、その 分類は複雑である。多管式熱交換器を除けば、各種の重ね合わせ板式、ろう付け 板式、板フィン式、ポリマー膜式、多孔質マトリックス式、及びその他の装置が 残る。本発明は、分類化にて使用される特徴に依存して、重ね合わせ板式の形態 、又は板フィン式の形態に共通の特徴を有するとみなすことが可能である。 本発明は、気体／液体熱交換器の気体側に言及するとき、700ｍ²／ｍ³以上の 面積密度を有するコンパクトな熱交換器にその最も重要な用途を有する。 コンパクトな熱交換器技術の最近の開発の結果、面積領域及びかかる熱交換器 の製造の精度の点にて著しい進歩が為され、このため、構造上の完全さが高まり 、従って、その熱交換器の異なる側を流れる流体同士が相互作用する機会は遥か に少なくなる。例えば、米国特許第4,665,975号に記載されたようなプリント回 路熱交換器（「発明の背景」と称されたその一部は、参考として引用して本明細 書に含めてある）の如き開発の結果、熱交換器の設計が著しく改良されるに至っ ている。有孔平板技術の一つの形態を記載する英国2 251 679号に記載されたよ うな提案は、極めて高効率の極めてコンパクトな設計を達成することにつながる 。こうした既存の設計は、主として標準的な平板の製造をその対象とするもので あり、 この平板は、例えば、真空ろう付け又は拡散接合によって共に接合し、平板の間 の通路を形成し、この通路を通って流体が流れるようにする。熱交換は、典型的 に、最初の流体が流れる方向と異なる方向に向けて、隣接する組みの通路内にを 流動する流体に対して、それ自体の平板を通じて為される。その平板の間を二次 的な熱交換面が伸長するようにすることができる。 熱交換器を設計する際、最適な結果を得るためには、流入する流体が理論上、 熱交換器への入口の全幅に亙って均一に分配されるようにする必要がある。この ことは、熱交換器の端部に設けられた斜めの入口、又は側部入口を介して流体が 熱交換器に入らなければならないとき、特別な問題を生じさせる。かかる場合、 熱交換器の設計者は、「分配領域」と称される環境を形成するようにし、この環 境は、米国特許第4,665,975号において、熱交換器の最も容易な通路を通って不 可避的に不釣り合いな高流量にて流体が下方に流れるのを防止する。 しかしながら、最適な製造上の必要条件は、標準的な機械、又は標準的な構成 要素から製造可能であるように熱交換器の平板及びその他の構成要素が可能な限 り均一で且つ単純であることである。一直線状に伸長する設計、即ち、直線状又 は一定の半径にて伸長する設計の形態であることが特に望ましい。このことは、 組み立てを簡略化し、極めて多数の構成要素ではなくて、僅かな数の構成要素を 製造すればよいから遥かに低廉で済む。このため、設計者は、流体が分配領域を 流れるとき、その流量の絞り程度、従って圧力の降下程度を漸進的に調節する手 段を有する「分配領域」を設計することが制限される。分配領域を通って流れる 流体の特定の動きと協動する流量の絞り程度は、分配領域への入口からの距離が 増すに伴って低下することが理想的である。 本発明の一つの目的は、対面状態にて配置され且つ互いに接合された複数の平 板を有するコンパクトな平板式熱交換器であって、分配領域内の流れの絞り程度 が漸進的に変化し、その熱交換器の全幅に亙って流れをより均一に分配すること を可能にする、平板式熱交換器を提供することである。発明の開示 本発明の一つの形態によれば、当該出願人は、互いに対面状態に接合された複 数の平板を備える熱交換器であって、該平板が、その間に流体の流路を画成する 複数の立ち上がりフィンをその表面上に有しており、主熱交換領域と、熱交換器 への入口と該主熱交換領域との間にある分配領域とを有し、上記平板が、同様に 、主熱交換領域と、分配領域とを有し、上記平板の上記領域の双方には、立ち上 がりフィンがあり、平板の分配領域内の該立ち上がりフィンは、流体の流動方向 に沿って複数の独立的な突起を有する、熱交換器にして、上記の独立的な突起が 、その間に、複数の突起を有し、その突起が流体の流動方向に沿って隣接する突 起から異なる状態に整合されていることを特徴とする、熱交換器を提供する。 これらの突起は、典型的に、上記平板の一部分又は両側部上にある独立的な立 ち上がりフィンの回路網を光化学的に、又は光電子的にエッチング処理すること により（又は、その他の適当な方法で）形成される。 該分配領域を通る流体通路は、相互に接続し、その相互接続部は、上記フィン の間のスペースにより提供されることが好ましい。平板の端部の端縁にて、側部 バーが典型的にエッチング処理しない金属で形成される。これらのフィンは、流 体の流動方向への長さが可変であり、また、熱交換領域を通る流体の全体的な流 動方向に対して異なる角度にてずらした位置にある。これらのフィンは、直線状 の突起及び湾曲した突起の双方を備えることができる。これらのフィンは、直線 状の側部を有する、湾曲し又は翼型の形状とし、又はその各々を組み合わせたも のとすることができる。平板の両側部にフィンがある場合、一方の平板のフィン は隣接する平板の同一の形態のフィンと整合し、例えば、ろう付け又は拡散接合 成いは接着剤を使用して共に接合することができる。 特定の平板の一側部にエッチング処理された形態のフィンは、隣接する平板に エッチング処理されたフィン、又は平板の両側部がエッチングされる場合、同一 の平板の反対側にてエッチング処理されたフィンと同一とし、又は異なるものと することができる。仕切り平板として単純な金属シートを使用することができ、 ２つ以上のフィン付き平板を使用して、単一の流体に対する１つの独立的な流動 層を形成することができる。 分配領域の設計者は、フィンの長さ、そのフィンの間の距離（流動方向に沿っ た距離、及び流動方向の横方向の距離の双方）、流体の流動方向に向けた分配領 域の特定の領域内のフィンの密度を変更することが可能である。 分配領域への入口に設けられる独立的な突起、又はフィンは、熱交換器を通る より短い経路を横断する流体に対する大きい流れ抵抗を形成し得るような位置に 配置し且つそのような角度とすることができる。図面の簡単な説明 以下に、添付図面を参照しつつ、単に一例としてのみ本発明の一つの実施の形 態に関して説明する。添付図面において、 図１は、本発明による熱交換器の断面図を示す概略図的な平面図である。 図２は、図１の熱交換器の部品の切欠き図である。 図２Ａは、一つの代替的な熱交換器の部品の切欠き図である。 図３は、図２の熱交換器の製造原理を示す概賂図である。 図３Ａは、図２Ａの熱交換器の製造原理を示す断面図（図３の断面図と同様） である。 図４は、本発明による熱交換器の特定の設計上の特徴を示す、図１と同様の概 略図である。発明を実施するための最良の形態 熱交換器１０（図１参照）は、その入口端にて分配領域１２と接続された主熱 交換領域１１を有している。熱交換器１０は、互いに平行に整合された一連の薄 い平板を備えており、その薄い平板の一部は平面状板１４であり、その薄い平板 の一部１５は、平板１５に向けて伸長する複数の独立的な突起又はフィン１６、 １７を有している。図１、図２、図２Ａ及び図４に図示したのは型式１５の平板 である（突起又はフィン１６を有する）。 平板１５は、主熱交換領域を通って流動線（矢印１８で図示）に沿って互いに 平行に伸長するフィン１６を有している。分配領域１２内にて、分配フィン１７ はその一部が他方に対して平行であるが、その整合状態及び位置は、本明細書の 以下に説明するファクタにより決まる。 両型式のフィン１６、１７は、例えば、ステンレス鋼のような親金属のシート から光化学的に又は電子化学的にエッチング処理して、また、同様に、フィン１ ６、１７と同一高さである側部バー又はスペーサ１９が立ち上がっている。フィ ン１６、１７及び側部バー１９又はスペーサは、平板１５の両側部（図２）又は 一側部のみ（図２Ａ）にエッチング処理される。平板の両側部をエッチング処理 する場合、フィンは互いに一致し、フィンは図３に図示するように、フィン１６ 、１７及び隣接する平板１５の上の側部バー1９と整合するようにすることが理 想的である。一側部のみをエッチング処理する場合、平板１５は、図３Ａに図示 するように重ね合わせることができる。 側部バー又はスペーサ１９は、熱交換器１０への入口２０及びその出口２１が 設けられる部分を除いて、平板１５の外周の周りを伸長する。入口２０は、熱交 換器１０の分配領域１２内への側部入口であり、このため、熱交換器１０を通っ て流れる流体は、主熱交換領域１１を通る流体の流動方向に対して直角に入るこ とができる。この出口２１は、主熱交換領域１１を通る流れに対して流体が直角 に出ることができるように同様に処理が施されている。フィン１６、１７は、入 口２０に隣接する熱交換器１０の部分にしか図示されていないが、実際には、こ れらのフィンは熱交換器の全体に沿って伸長している。分配領域１２と主熱交換 領域１１との接続部は、入口２０の側部２２から熱交換器を横断するように伸長 して熱交換器の端部から離れる。主熱交換領域１１と出口分配領域との間の接続 部は、図１に鎖線２３で図示されている。側部入口及び出口の形態は、熱交換器 が多数の流れ機能を具備することを可能にする。 両側部にてエッチング処理された平板１４及び平板１５は、重ね合わせた状態 に配置されており、その一部は図３に図示してある。。エッチング処理した一対 の平板１５は、そのフィン１６及び側部バー１９が整合した状態に配置されてい る（図３には、主熱交換領域１１内のフィンの形態が図示されている）。挟み込 んだ部分、即ち流動層３０を提供し得るように平面状の平板（側部平板１４）が 追加されており、該流動層は、包み込んだ通路３０を有しており、その通路の全 てが同一の流体を運ぶ。隣接する流動層（図示せず）は、図３に図示した層と平 行に形成し、また、その側部バー１９と整合するようにすることができる。異な る流体が隣接する流動層を通って流れ、このため、隣接する流動層内におけるフ ィンのパターン及び分布はその流体の特徴に従って異なるものとなる。また、単 一の流動層を形成する平板１５の数は２つ以上とすることができる。典型的に、 異なる流体に対する熱交換器への入口及びその出口は、熱交換器の異なる側部か ら配置され、このことは、側部バー１９を貫通する入口及び出口を異なる位置に てエッチング処理することで達成される。 一側部のみにエッチング処理が施された平板の代替的な構成が図３Ａに図示さ れている。 分配領域１２内のフィン１７の分離距離１２（共に、全体的な流動方向に沿い 且つその流動方向の側方向にある）は、入口２０にても全体として均一ではない 。また、フィン１７により形成された分配領域１２内の流動通路は、流動方向に 沿って離間手段を介して互いに相互作用することが可能である。 フィン１６、１７は、平板１５の面の上の所望の場所に配置することができる 。この実施の形態にて図示するように、熱交換領域１１内にて、フィン１６は、 規則的なパターンにて列状に配置されており、交互の列は、互いに対してずらし た位置にある、即ち、一方の列内のフィン１６の各々の前縁は隣接する列内のフ ィン１６の前縁の後に続く（又はその先になる）。流動方向に沿ったフィンの間 の空隙がフィンの長さよりも大きくなるようなフィン１６のピッチとすることが できる。ずらして配置されたフィンの各々は、隣接する列内のフィンの前縁の後 方にてフィンの長さよりも長くなるようにすることができる。分配領域１２内に て、フィン１７は、熱交換領域１１に向けて湾曲する直線状に配置される。次に 、独立的な線のフィン１７は、熱交換領域１１内のフィン１６の列と同様の方法 にて互いにずらした位置に配置される。このずらした位置に配置されたフィン、 又はその一部は、隣接するフィン１７と異なる角度とすることができる。フィン １７の長さは、分配領域１２内の異なる位置にて異なるものとすることができ、 例えば、この長さは、流れが熱交換領域１１に接近するに伴い長くすることがで きる。また、フィン１７のピッチは、分配領域１２を貫通するその線に沿って変 更可能である。 分配領域１２内には、補助的なフィン５３、５４、５５を設けることができ、 これらは、ずらした位置に配置されているかどうかを問わずに、流動方向に沿っ てフィン１７の線の一部を形成しない。こうした補助的なフィン５３、５４、５ ５を使用して、フィンの密度を局部的に高くし、また流動パターンを僅かに調節 し、熱交換領域１１の全体を横断する流体の分配状態を一層、均一にすることが できる。フィンは、湾曲した形態４０、翼型の形態４１、又は直線状の形態とし 、また、これらのフィンは、流体の流れに対して各種の角度にて取り付けること ができる。 典型的な分配側部入口（図４参照）は次のような設計とされる。即ち、側部２ ２から最も離れた入口点２０に隣接して、入る流体が出会う、フィン１７のピッ チ及び角度により、入口２０の側部２２により近い分配領域１２に入る流体が出 会うフィン１７（異なるピッチ及び角度とされている）よりも、流れに対する流 動抵抗力が小さくなるような設計とされている。このようにして、熱交換器１０ を貫通するより長い経路（例えば、矢印５２−図４参照）よりもより短い経路（ 例えば、矢印５１−図４参照）を通る流体に対してより大きい流れ抵抗性を形成 することが可能となる。

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Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．互いに対面状態に接合された複数の平板（１４、１５）を備える熱交換器 であって、 該平板（１４、１５）が、その間に流体の流路を画成する複数の立ち上がりフ ィン（１６、１７、４０、４１、５３、５４、５５）をその表面上に有しており 、主熱交換領域（１１）と、熱交換器への入口と該主熱交換領域（１１）との間 にある分配領域（１２）とを有し、 前記平板（１４、１５）が、同様に、主熱又換領域（１１）と、分配領域（１ ２）とを有し、 前記平板の前記領域の双方には、立ち上がりフィンがあり、 平板（１４、１５）の分配領域内の該立ち上がりフィンは、流体の流動方向に 沿って複数の独立的な突起（１７、４０、４１、５３、５４、５５）を有する、 熱交換器にして、 前記の独立的な突起が、その間に、複数の突起を有し、その突起が流体の流動 方向（５１、５２）に沿って隣接する突起から異なる状態に整合されることを特 徴とする、熱交換器。 ２．請求項１に記載の熱交換器にして、 前記分配領域（１２）内の前記独立的な突起が、直線状の突起（１７）と、湾 曲した突起（４０）との双方を備える、熱交換器。 ３．請求項１に記載の熱交換器にして、 前記分配領域（１２）内の前記独立的な突起が、流体の流動方向に沿って長さ の異なる突起（１７、４０）を備える、熱交換器。 ４．請求項１に記載の熱交換器にして、 前記分配領域（１２）内の前記独立的な突起の密度が流体の流動方向に沿って 変化する、熱交換器。 ５．請求項１に記載の熱交換器にして、 前記分配領域（１２）内の前記独立的な突起のパターンが、熱交換器の交互の 平板に対して相違する、熱交換器。 ６．請求項１に記載の熱交換器にして、前記分配領域（１２）への入口におけ る前記独立的な突起が、熱交換器を通る最短の経路を横断する流体に対する大き い流れ抵抗を形成し得るような位置に配置され且つそのような角度とされた、熱 交換器。 ７．請求項１に記載の熱交換器にして、 前記分配領域（１２）内の特定の独立的な突起が、翼型（４１）の断面を有す るものである、熱交換器。 ８．請求項１に記載の熱交換器にして、 前記独立的な突起が平板（１５）の両側部に設けられる、熱交換器。