JP2004125324A

JP2004125324A - 積層型熱交換器

Info

Publication number: JP2004125324A
Application number: JP2002292426A
Authority: JP
Inventors: Kenji Miyamoto; 宮本　健二
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-10-04
Filing date: 2002-10-04
Publication date: 2004-04-22

Abstract

【課題】高温部および低温部の局所的な集中を回避して熱応力の発生を防止する。
【解決手段】高温流体通路層１，低温流体通路層３，高温流体通路層５，低温流体通路層７を順次積層し、この４層１，３，５，７を最小単位として、この最小単位を複数積層して積層型熱交換器とする。各層１，３，５，７は、いずれも平面視で矩形状に形成し、これらを積層することで、全体として直方体形状となる。高温流体通路層１の高温流体入口１ａを図中の下部左寄りに、同出口１ｂを下部右寄りに設ける。高温流体通路層５の高温流体入口５ａを図中の上部右寄りに、同出口５ｂを上部左寄りに設ける。低温流体通路層３の低温流体入口３ａを図中の右側上寄りに、同出口３ｂを右側下寄りに設ける。低温流体通路層７の低温流体入口７ａを図中の左側下寄りに、同出口７ｂを左側上寄りに設ける。
【選択図】　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、積層型熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の積層型熱交換器としては、例えば特許文献１に開示されたものがある。
【０００３】
【特許文献１】
実開平５−１７３６１号公報
【０００４】
これは、高温流体が流れる高温流体通路層と、この高温流体と熱交換を行う低温流体が流れる低温流体通路層とを、交互に複数積層して構成してある。そして、上記積層した熱交換部分を積層方向に沿って２つの領域に分け、この２つに分けた領域相互を断熱材によって区画している。また、上記２つの領域における高温流体同士の流れおよび低温流体同士の流れが共に直列となるよう、それぞれ接続配管で接続している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、積層型熱交換器において、流体が通過する際に、高温流体通路は、通路入口が高温、通路出口が低温となり、また低温流体通路は、通路入口が低温、通路出口が高温となる。
【０００６】
ところが、上記した従来の積層型熱交換器では、高温となる高温流体入口と低温流体出口とが局所的に集中するとともに、低温となる高温流体出口と低温流体入口とが局所的に集中しているため、温度勾配によって熱応力が生じやすいものとなっている。
【０００７】
そこで、この発明は、高温部および低温部が局所的に集中しないようにして熱応力の発生を防止すること目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、この発明は、高温流体が通過する高温流体通路層と、前記高温流体と熱交換を行う低温流体が通過する低温流体通路層とを、交互に積層してなる積層型熱交換器において、前記高温・低温の各流体通路層を２層ずつ全部で４層積層して最小単位とし、この最小単位における高温・低温各流体通路層の流体の流れ方向を互いに異ならせるとともに、前記最小単位における高温・低温各流体通路層の高温部同士または低温部同士が、積層方向から見て互いに重ならないようにした構成としてある。
【０００９】
【発明の効果】
この発明によれば、高温・低温の各流体通路層の高温部同士または低温部同士を、積層方向から見て互いに重ならないよう分散させて、各流体通路層を配置したため、高温部や低温部が局所的に集中せず、熱応力の発生を防止することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００１１】
図１は、この発明の第１の実施形態による積層型熱交換器の概略的な全体構成を示す斜視図である。図中で上部から、高温流体通路層１，低温流体通路層３，高温流体通路層５，低温流体通路層７を順に積層し、この４層１，３，５，７を最小単位として、この最小単位を複数積層してある。上記した各流体通路層１，３，５，７は、いずれも平面視で矩形状に形成してあり、これらを積層することで、図１に示すように全体として直方体形状となる。
【００１２】
図２（ａ），（ｂ）は、高温流体通路層１，５における高温流体の流れ方向を示す平面図で、図２（ｃ），（ｄ）は、低温流体通路層３，７における低温流体の流れ方向を示す平面図である。ここで、各流体通路層１，３，５，７は、図２で示してある向き（図中で上下方向および左右方向）を保ったまま積層するものとする。
【００１３】
図２（ａ）に示す高温流体通路層１は、図中で下側の左寄りに高温流体入口１ａを設け、同下側の右寄りに高温流体出口１ｂを設けている。この高温流体入口１ａと高温流体出口１ｂとは仕切壁１ｃによって仕切られ、仕切壁１ｃの図中の上部に高温流体入口１ａと高温流体出口１ｂとを連通する連通部１ｄを形成してある。
【００１４】
すなわち、この高温流体通路層１は、高温流体が矩形状の図中で下部の一辺側から流入した後、連通部１ｄにて折返して前記流入した一辺側に戻って流出するよう構成してある。
【００１５】
図２（ｂ）に示す高温流体通路層５は、図中で上側の右寄りに高温流体入口５ａを設け、同上側の左寄りに高温流体出口５ｂを設けている。この高温流体入口５ａと高温流体出口５ｂとは仕切壁５ｃによって仕切られ、仕切壁５ｃの図中の下部に高温流体入口５ａと高温流体出口５ｂとを連通する連通部５ｄを形成してある。
【００１６】
すなわち、この高温流体通路層５は、高温流体が矩形状の図中で上部の一辺側から流入した後、連通部５ｄにて折返して前記流入した一辺側に戻って流出するよう構成してある。
【００１７】
図２（ｃ）に示す低温流体通路層３は、図中で右側の上寄りに低温流体入口３ａを設け、同右側の下寄りに低温流体出口３ｂを設けている。この低温流体入口３ａと低温流体出口３ｂとは仕切壁３ｃによって仕切られ、仕切壁３ｃの図中の左側に低温流体入口３ａと低温流体出口３ｂとを連通する連通部３ｄを形成してある。
【００１８】
すなわち、この低温流体通路層３は、低温流体が矩形状の図中で右側の一辺側から流入した後、連通部３ｄにて折返して前記流入した一辺側に戻って流出するよう構成してある。
【００１９】
図２（ｄ）に示す低温流体通路層７は、図中で左側の下寄りに低温流体入口７ａを設け、同左側の上寄りに低温流体出口７ｂを設けている。この低温流体入口７ａと低温流体出口７ｂとは仕切壁７ｃによって仕切られ、仕切壁７ｃの図中の右側に低温流体入口７ａと低温流体出口７ｂとを連通する連通部７ｄを形成してある。
【００２０】
すなわち、この低温流体通路層７は、低温流体が矩形状の図中で左側の一辺側から流入した後、連通部７ｄにて折返して前記流入した一辺側に戻って流出するよう構成してある。
【００２１】
ここで、上記した高温流体通路層１，５は、高温流体入口１ａ，５ａが高温部となり、高温流体出口１ｂ，５ｂが、低温流体と熱交換することで温度低下することから低温部となる。一方低温流体通路層３，７は、低温流体入口３ａ，７ａが低温部となり、低温流体出口３ｂ，７ｂが、高温流体と熱交換することで温度上昇することから高温部となる。
【００２２】
そして、上記図２に示したような流体流れ方向とした各流体通路層１，３，５，７を、図１で示したように、高温流体通路層１，低温流体通路層３，高温流体通路層５，低温流体通路層７の順に積層して最小単位とする。
【００２３】
このようにして各層を積層することで、高温・低温の各流体通路層１，５，３，７のそれぞれの流体の流れ方向が互いに異なるものとなる。さらにこの高温・低温の各流体通路層１，５，３，７の高温部（１ａ，５ａ，３ｂ，７ｂ）同士が積層方向から見て互いに重ならず、低温部（１ｂ，５ｂ，３ａ，７ａ）同士についても、積層方向から見て互いに重ならないものとなる。
【００２４】
すなわち、高温部については、高温流体通路層１は図中で左下（１ａ）、高温流体通路層５は同右上（５ａ）、低温流体通路層３は同右下（３ｂ）、低温流体通路層７は同左上（７ｂ）というように、矩形状の四隅にそれぞれ位置している。一方、低温部については、高温流体通路層１は図中で右下（１ｂ）、高温流体通路層５は同左上（５ｂ）、低温流体通路層３は同右上（３ａ）、低温流体通路層７は同左下（７ａ）というように、矩形状の四隅にそれぞれ位置している。
【００２５】
このように、上記した第１の実施形態によれば、高温・低温の各流体通路層１，５，３，７のそれぞれの流体の流れ方向を互いに異ならせるとともに、高温部同士または低温部同士を、積層方向から見て互いに重ならないよう分散させて、各流体通路層を配置したため、高温部や低温部が局所的に集中せず、直方体形状とした熱交換器全体として温度分布が生じにくく、熱応力の発生を防止することができる。
【００２６】
また、この第１の実施形態によれば、各流体通路層１，３，５，７の流体通路を、流体の流れが１回折り返すだけの簡素な構成とすることができる。
【００２７】
図３は、この発明の第２の実施形態による積層型熱交換器の概略的な全体構成を示す斜視図である。図中で上部から、高温流体通路層１１，低温流体通路層１３，高温流体通路層１５，低温流体通路層１７を順に積層し、この４層１１，１３，１５，１７を最小単位として、この最小単位を複数積層してある。上記した各流体通路層１１，１３，１５，１７は、いずれも平面視で矩形状に形成してあり、これらを積層することで、図３に示すように全体として直方体形状となる。
【００２８】
図４（ａ），（ｂ）は、高温流体通路層１１，１５における高温流体の流れ方向を示す平面図で、図４（ｃ），（ｄ）は、低温流体通路層１３，１７における低温流体の流れ方向を示す平面図である。ここで、各流体通路層１１，１３，１５，１７は、図４で示してある向き（図中で上下方向および左右方向）を保ったまま積層するものとする。
【００２９】
図４（ａ）に示す高温流体通路層１１は、図中で上側の左寄りに高温流体入口１１ａを設け、同下側の右寄りに高温流体出口１１ｂを設けている。この高温流体入口１１ａと高温流体出口１１ｂとは、２枚の仕切壁１１ｃ，１１ｄによって仕切られている。そして、高温流体入口１１ａ側の仕切壁１１ｃの図中で下部および、高温流体出口１１ｂ側の仕切壁１１ｄの図中で上部に、高温流体入口１１ａと高温流体出口１１ｂとを連通する連通部１１ｅおよび１１ｆをそれぞれ形成してある。
【００３０】
すなわち、この高温流体通路層１１は、高温流体が矩形状の図中で上部の一辺側から流入した後、連通部１１ｅで折返して前記流入した一辺側に戻り、さらに連通部１１ｆで折り返して前記一辺側に対向する下部の他辺側から流出するよう構成してある。
【００３１】
図４（ｂ）に示す高温流体通路層１５は、図中で下側の右寄りに高温流体入口１５ａを設け、同上側の左寄りに高温流体出口１５ｂを設けている。この高温流体入口１５ａと高温流体出口１５ｂとは、２枚の仕切壁１５ｃ，１５ｄによって仕切られている。そして、高温流体入口１５ａ側の仕切壁１５ｃの図中で上部および、高温流体出口１５ｂ側の仕切壁１５ｄの図中で下部に、高温流体入口１５ａと高温流体出口１５ｂとを連通する連通部１５ｅおよび１５ｆをそれぞれ形成してある。
【００３２】
すなわち、この高温流体通路層１５は、高温流体が矩形状の図中で下部の一辺側から流入した後、連通部１５ｅで折返して前記流入した一辺側に戻り、さらに連通部１５ｆで折り返して前記一辺側に対向する上部の他辺側から流出するよう構成してある。
【００３３】
図４（ｃ）に示す低温流体通路層１３は、図中で右側の上寄りに低温流体入口１３ａを設け、同左側の下寄りに低温流体出口１３ｂを設けている。この低温流体入口１３ａと高温流体出口１３ｂとは、２枚の仕切壁１３ｃ，１３ｄによって仕切られている。そして、低温流体入口１３ａ側の仕切壁１３ｃの図中で左側および、低温流体出口１３ｂ側の仕切壁１３ｄの図中で右側に、低温流体入口１３ａと低温流体出口１３ｂとを連通する連通部１３ｅおよび１３ｆをそれぞれ形成してある。
【００３４】
すなわち、この低温流体通路層１３は、低温流体が矩形状の図中で右側の一辺側から流入した後、連通部１３ｅで折返して前記流入した一辺側に戻り、さらに連通部１３ｆで折り返して前記一辺側に対向する左側の他辺側から流出するよう構成してある。
【００３５】
図４（ｄ）に示す低温流体通路層１７は、図中で左側の下寄りに低温流体入口１７ａを設け、同右側の上寄りに低温流体出口１７ｂを設けている。この低温流体入口１７ａと低温流体出口１７ｂとは、２枚の仕切壁１７ｃ，１７ｄによって仕切られている。そして、低温流体入口１７ａ側の仕切壁１７ｃの図中で右側および、低温流体出口１７ｂ側の仕切壁１７ｄの図中で左側に、低温流体入口１７ａと低温流体出口１７ｂとを連通する連通部１７ｅおよび１７ｆをそれぞれ形成してある。
【００３６】
すなわち、この低温流体通路層１７は、低温流体が矩形状の図中で左側の一辺側から流入した後、連通部１７ｅで折返して前記流入した一辺側に戻り、さらに連通部１７ｆで折り返して前記一辺側に対向する右側の他辺側から流出するよう構成してある。
【００３７】
ここで、上記した高温流体通路層１１，１５は、高温流体入口１１ａ，１５ａが高温部となり、高温流体出口１１ｂ，１５ｂが、低温流体と熱交換することで温度低下することから低温部となる。一方低温流体通路層１３，１７は、低温流体入口１３ａ，１７ａが低温部となり、低温流体出口１３ｂ，１７ｂが、高温流体と熱交換することで温度上昇することから高温部となる。
【００３８】
そして、上記図４に示したような流体流れ方向として各流体通路層１１，１３，１５，１７を、図３で示したように、高温流体通路層１１，低温流体通路層１３，高温流体通路層１５，低温流体通路層１７の順に積層して最小単位とする。
【００３９】
このようにして各層を積層することで、高温・低温の各流体通路層１１，１５，１３，１７のそれぞれの流体の流れ方向が互いに異なるものとなる。さらにこの高温・低温の各流体通路層１１，１５，１３，１７の高温部（１１ａ，１５ａ，１３ｂ，１７ｂ）同士が積層方向から見て互いに重ならず、低温部（１１ｂ，１５ｂ，１３ａ，１７ａ）同士についても、積層方向から見て互いに重ならないものとなる。
【００４０】
すなわち、高温部については、高温流体通路層１１は図中で左上（１１ａ）、高温流体通路層１５は同右下（１５ａ）、低温流体通路層１３は同左下（１３ｂ）、低温流体通路層１７は同右上（１７ｂ）というように、矩形状の四隅にそれぞれ位置している。一方、低温部については、高温流体通路層１１は図中で右下（１１ｂ）、高温流体通路層１５は同左上（１５ｂ）、低温流体通路層１３は同右上（１３ａ）、低温流体通路層１７は同左下（１７ａ）というように、矩形状の四隅にそれぞれ位置している。
【００４１】
このように、上記した第２の実施形態によれば、高温・低温の各流体通路層１１，１５，１３，１７のそれぞれの流体の流れ方向を互いに異ならせるとともに、高温部同士または低温部同士を、積層方向から見て互いに重ならないよう分散させて、各流体通路層を配置したため、高温部や低温部が局所的に集中せず、直方体形状とした熱交換器全体として温度分布が生じにくく、熱応力の発生を防止することができる。
【００４２】
また、この第２の実施形態によれば、隣接する層同士の高温部と低温部とが、積層方向から見て重ならない（例えば、第１の実施形態における図２（ａ）の高温流体通路層１の低温部となる高温流体出口１ｂと低温流体通路層３の高温部となる低温流体出口３ｂとは、積層方向から見て重なっているが、図４（ａ）における高温流体通路層１１の低温部となる高温流体出口１１ｂと低温流体通路層１３の高温部となる低温流体出口１３ｂとは、積層方向から見て重なっていない、ということ。）ので、熱交換器全体の応力低減に加えて、熱交換器の局所的な熱応力の発生も抑制できる。
【００４３】
図５は、この発明の第３の実施形態による積層型熱交換器の概略的な全体構成を示す斜視図である。この実施形態は、前記図３，図４に示した第２の実施形態による積層型熱交換器、すなわち図中で上部から、高温流体通路層１１，低温流体通路層１３，高温流体通路層１５，低温流体通路層１７を順に積層し、この４層１１，１３，１５，１７を最小単位として、この最小単位を複数積層して、全体として直方体形状とした積層型熱交換器に、高温流体用マニホールド１９，２１および低温流体用マニホールド２３，２５をそれぞれ設けた例である。
【００４４】
上記した高温流体用マニホールド１９，２１は、各流体通路層の矩形状の互いに対向する二辺にそれぞれ設け、低温流体用マニホールド２３，２５は、各流体通路層の矩形状の互いに対向する他の二辺にそれぞれ設けてある。
【００４５】
高温流体用マニホールド１９は、隔壁２７によって高温流体の入口通路１９ａと、高温流体の出口通路１９ｂとに区切られている。そして、この入口通路１９ａは前記図４（ａ）に示した高温流体通路層１１の高温流体入口１１ａに連通し、出口通路１９ｂは、前記図４（ｂ）に示した高温流体通路層１５の高温流体出口１５ｂに連通している。
【００４６】
また、高温流体用マニホールド２１は、隔壁２９によって高温流体の入口通路２１ａと、高温流体の出口通路２１ｂとに区切られている。そして、この入口通路２１ａは前記図４（ｂ）に示した高温流体通路層１５の高温流体入口１５ａに連通し、出口通路２１ｂは、前記図４（ａ）に示した高温流体通路層１１の高温流体出口１１ｂに連通している。
【００４７】
そして、図示していないが、上記した高温流体の入口通路１９ａと同入口通路２１ａとを共通の配管に接続し、出口通路１９ｂと出口通路２１ｂとを共通の配管に接続する。
【００４８】
低温流体用マニホールド２３は、隔壁３１によって低温流体の入口通路２３ａと、低温流体の出口通路２３ｂとに区切られている。そして、この入口通路２３ａは前記図４（ｃ）に示した低温流体通路層１３の低温流体入口１３ａに連通し、出口通路２３ｂは、前記図４（ｄ）に示した低温流体通路層１７の低温流体出口１７ｂに連通している。
【００４９】
また、低温流体用マニホールド２５は、隔壁３３によって低温流体の入口通路２５ａと、低温流体の出口通路２５ｂとに区切られている。そして、この入口通路２５ａは前記図４（ｄ）に示した低温流体通路層１７の低温流体入口１７ａに連通し、出口通路２５ｂは、前記図４（ｃ）に示した低温流体通路層１３の低温流体出口１３ｂに連通している。
【００５０】
そして、図示していないが、上記した低温流体の入口通路２３ａと同入口通路２５ａとを共通の配管に接続し、出口通路２３ｂと出口通路２５ｂとを共通の配管に接続する。
【００５１】
上記した第３の実施形態によれば、高温流体用マニホールド１９，２１を、隔壁２７，２９によって、高温流体の入口通路１９ａ，２１ａと出口通路２１ａ，２１ｂとに、それぞれ区切るとともに、低温流体用マニホールド２３，２５を、隔壁３１，３３によって、低温流体の入口通路２３ａ，２５ａと出口通路２３ｂ，２５ｂとに、それぞれ区切るようにしたので、入口通路および出口通路を個別のマニホールドとして設ける場合に比べてマニホールド構造を簡素化できるとともに、マニホールド内でも熱交換することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態による積層型熱交換器の概略的な全体構成を示す斜視図である。
【図２】第１の実施形態における各流体通路層の流れ方向を示す平面図で、（ａ），（ｂ）は高温流体通路層でのもの、（ｃ），（ｄ）は低温流体通路層でのものである。
【図３】この発明の第２の実施形態による積層型熱交換器の概略的な全体構成を示す斜視図である。
【図４】第２の実施形態における各流体通路層の流れ方向を示す平面図で、（ａ），（ｂ）は高温流体通路層でのもの、（ｃ），（ｄ）は低温流体通路層でのものである。
【図５】この発明の第３の実施形態による積層型熱交換器の概略的な全体構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
１，５，１１，１５　高温流体通路層
１ａ，５ａ，１１ａ，１５ａ　高温流体入口（高温部）
１ｂ，５ｂ，１１ｂ，１５ｂ　高温流体出口（低温部）
３，７，１３，１７　低温流体通路層
３ａ，７ａ，１３ａ，１７ａ　低温流体入口（低温部）
３ｂ，７ｂ，１３ｂ，１７ｂ　低温流体出口（高温部）
１９，２１　高温流体用マニホールド
１９ａ，２１ａ　高温流体の入口通路
１９ｂ，２１ｂ　高温流体の出口通路
２３，２５　低温流体用マニホールド
２３ａ，２５ａ　低温流体の入口通路
２３ｂ，２５ｂ　低温流体の出口通路
２７，２９，３１，３３　隔壁

Claims

高温流体が通過する高温流体通路層と、前記高温流体と熱交換を行う低温流体が通過する低温流体通路層とを、交互に積層してなる積層型熱交換器において、前記高温・低温の各流体通路層を２層ずつ全部で４層積層して最小単位とし、この最小単位における高温・低温各流体通路層の流体の流れ方向を互いに異ならせるとともに、前記最小単位における高温・低温各流体通路層の高温部同士または低温部同士が、積層方向から見て互いに重ならないようにしたことを特徴とする積層型熱交換器。
前記高温部は高温流体の入口部および低温流体の出口部で、前記低温部は高温流体の出口部および低温流体の出口部であることを特徴とする請求項１記載の積層型熱交換器
前記高温・低温の各流体通路層を矩形状に形成したことを特徴とする請求項１または２記載の積層型熱交換器。
前記高温・低温の各流体通路層を、それぞれの流体が前記矩形状の一辺側から流入した後、折返して前記流入した一辺側に戻って流出するよう構成したことを特徴とする請求項３記載の積層型熱交換器。
前記高温・低温の各流体通路層を、それぞれの流体が前記矩形状の一辺側から流入した後、折返して前記流入した一辺側に戻り、さらに折り返して前記一辺側に対向する他辺側から流出するよう構成したことを特徴とする請求項３記載の積層型熱交換器。
高温流体の入口通路と出口通路とを隔壁により区切って構成した高温流体用マニホールドを、前記矩形状の互いに対向する二辺に設けるとともに、低温流体の入口通路と出口通路とを隔壁により区切って構成した低温流体用マニホールドを、前記矩形状の互いに対向する他の二辺に設けたことを特徴とする請求項５記載の積層型熱交換器。