JP2005180821A - 熱交換器用エレメントおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 対向する一対の波形金属板の周縁を接合して内部に偏平流路が形成されると共に、端部にヘッダー部を設けた熱交換器用エレメントにおいて、伝熱面積を大きくするため、波の振幅を大きくし且つ、ヘッダー部の接合を良好に行うこと。
【解決手段】 波形伝熱部をヘッダー部まで延在すると共に、そのヘッダー部では各波を倒して圧着し、その縁部にフランジ部を形成する。そして一対のフランジ部どうしを重ね合わせ、それらに溝形材を被嵌し、その溝形材の外周からシーム溶接して、それらを一体に溶着する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、対向する一対の金属板の周縁を閉塞し、内部に熱交換媒体の流通する偏平流路が形成され、その偏平流路が波形に曲折されたものに関する。

多数の金属板を積層して、交互に加熱流体と被加熱流体とを各金属板間に流通させた再生器用熱交換器が各種知られている。さらにそれらの金属板の表面を波形に曲折し、伝熱面積を向上させたドロンカップ型の熱交換器も知られている。そのドロンカップ型の熱交換器のエレメントは、皿状金属板の両端部にヘッダー部を設け、それらの間に波形伝熱部を設けたものである。そしてエレメント内に第１の熱交換媒体を流通させ、その外面側に第２の熱交換媒体を流通させて、両者間に熱交換を行うものである。

従来のドロンカップ型の熱交換器のエレメントは、波形伝熱部における波の高さ（振幅）を大きくとることができなかった。なぜならば、波形伝熱部の両側には平坦なヘッダー部が存在するため、波形伝熱部とヘッダー部との境に亀裂を起こすおそれがあるからである。
即ち、波の高さを高くするとその分だけ金属板をヘッダー部に対して大きな絞り加工をすることになり、その境目に亀裂が生じ易い。そのため、従来の波形伝熱部を有するエレメントは、波の高さを比較的低いものにせざるを得なかった。すると、波形伝熱部の伝熱面積が比較的小さいものとなり、熱交換性能の向上を余り期待できなかった。

そこで本発明は、波の高さを充分高くしつつ、ヘッダー部との境に亀裂が生じることがなく、更にその周縁の接合を確実に行うことができる熱交換器用エレメントおよびその製造方法を提供することを課題とする。

請求項１に記載の本発明は、対向する一対の金属板の周縁が閉塞されて、内部に熱交換媒体の流通する偏平流路が形成されると共に、その偏平流路の側部にヘッダー部(3) が設けられ、そのヘッダー部(3) に隣接して多数の並列された波形に曲折された波形伝熱部(4) が設けられた熱交換器用エレメントにおいて、
波形伝熱部(4) の各波がその波の稜線方向へ連続して、ヘッダー部(3) の全幅に延在し、
そのヘッダー部(3) は、その周縁部を含み、その延在部分の少なくとも一部で、各波が平坦に押し潰され、そこに金属板の板厚３枚分の多数の重合部(5) を断続的に有し、
そのヘッダー部(3) の周縁部にフランジ部(10)が形成され、そのフランジ部(10)どうしが重ね合わされ、
互いに接触するフランジ部(10)の外周に、その一対のフランジ部(10)に整合する溝幅を有する溝形材(11)が被嵌され、
その溝形材(11)の外周をシーム溶接して、溝形材(11)と一対のフランジ部(10)との間が気密に一体的に溶着されたことを特徴とする熱交換器用エレメントである。

上記構成において、そのヘッダー部(3) の各波を、波の進行方向の一方側のみに倒して、断面Ｓ字状の前記重合部(5) となるように平坦に押し潰すことができる。

請求項３に記載の本発明は、前記何れかの熱交換器用エレメントを製造する方法において、
前記ヘッダー部(3) の波形の一方側の第１立ち上がり面(6) を傾斜面とし且つ、その一方側と他方側の第２立ち上がり面(7) とを非対称に形成する工程と、
そのヘッダー部(3) の波形面を前記第１立ち上がり面(6) の傾斜方向へ押し倒すと共に、押し潰して、互いに圧接された偏平な断面Ｓ字状の重合部(5) を形成させると共に、そのヘッダー部(3) の縁部にフランジ部(10)を形成する工程と、
一対の金属板のフランジ部(10)どうしを重ね合わせ、その重ね合わせ部の外周に溝形材(11)を被嵌し、その溝形材(11)の外周からシーム溶接して、溝形材(11)と一対のフランジ部(10)との間を気密に一体的に溶着する工程と、
を有することを特徴とする熱交換器用エレメントの製造方法である。

本発明の熱交換器用エレメントは、波形伝熱部４の各波がその稜線方向に連続してヘッダー部３の全幅に延在し、そのヘッダー部３において各波が波の進行方向一方側へ倒されて平坦に押し潰され、そこに金属板の板厚３枚分の重合部５が形成されたものである。そのため、波形伝熱部４の波の高さを高くしても、ヘッダー部３との境部に波形加工に伴う伸びが生じることがなく、波形伝熱部４の高さを高くしても亀裂が生じない。そのため、波形伝熱部４の波の高さが高く伝熱面積の大きなコンパンクトなエレメントを提供できる。

また、互いに接合される一対のフランジ部10には、夫々多数の断続した板厚３枚分の重合部５が断続的に形成され、その平面に凹凸部が生じるが、その一対のフランジ部(10)の外周には溝形材(11)が被嵌され、その溝形材(11)の外周をシーム溶接して、溝形材(11)と一対のフランジ部(10)との間が気密に一体的に溶着されるから、その気密性を確実に保持し得る。

次に、ヘッダー部３の重合部５は、そこに延在する各波を進行方向の一方側へ断面Ｓ字状に倒して平坦に押し潰したものにおいては、その重合部５の構造を単純化し、その周縁を閉塞するとき、さらに漏れの生じ難いヘッダー部３を形成できる。
上記構成のエレメントを製造する方法では、ヘッダー部３の気密性を迅速且つ確実に保持し得る。

次に、図面に基づいて本発明の実施の形態につき説明する。
図１は本発明の要部分解説明図であり、図２のＩ部拡大斜視図（その一部を分解）である。図２は本発明の熱交換器用エレメントの平面図であり、図３は図２の III− III矢視断面図である。また、図４は図２のIV−IV矢視断面図であり、図５はフランジ部10におけるシーム溶接後の溶着状態を示す断面図である。また図６は本エレメントの製造工程を示すものであり、（Ａ）はその第１工程の平面図、（Ｂ）は同第１工程の斜視略図、（Ｃ）はその第２工程の斜視略図、（Ｄ）は（Ｃ）のＤ−Ｄ矢視略図である。

この熱交換器用エレメントは、排熱回収用再生器として最適なものであるが、本発明はそれに限らず各種熱交換器のエレメントとして用いることができる。
この熱交換器は図１及び図２に示す如く、一対の出入口９を除いて周縁が閉塞された一対の金属板１，金属板２からなり、その両側にヘッダー部３が位置し、それらの間に波形伝熱部４を有する。そして一対の金属板１，金属板２間に偏平な流路を形成したものである。この例では、一枚の金属板を折り返して郵便封筒状にし、一対の金属板１，金属板２を対向させ、その継目に接合部13を形成し、全体を偏平にすると共に、その両側のフランジ部10を溝形材11を介して接合し、対角位置に一対の偏平孔を形成して、そこに出入口９を設けたものある。

そして両側に位置するヘッダー部３間に波形伝熱部４が形成される。その波形伝熱部４の夫々の波の稜線14は、図６（Ｂ）に示す如く、その稜線が蛇行状に曲折された曲波16に形成されている。そして一対の対向する金属板１，２の波形は互いにその位相が180 度位置ずれしており、その稜線が互いに交差する。また、その波形伝熱部４の各波はその稜線方向に向かい、それらがヘッダー部３の全幅に連続的に延在する。なお、ヘッダー部３では各波の稜線14は直線状となる直線波17を形成する。
次に、エレメントの両側に位置するヘッダー部３では、その直線波17は図６（Ｂ）に示す如く、夫々の波形がその波の進行方向の一方側へ断面Ｓ字状に倒されて平坦に押し潰され、そこに金属板の板厚３枚分の多数の重合部５が断続的に形成されたものである。

このような波形伝熱部４およびヘッダー部３は、図６及び図７に示す手順により形成することができる。
即ち、先ず、図６（Ａ）及び（Ｂ）の如く、金属板をその全幅に渡って波形に曲折する。その金属板の両側部においては、前述の如く、波の稜線14が直線状に形成された直線波17で、それらの中間においては稜線14がその平面方向に曲折する曲波16となる。夫々の高さ、即ち、振幅は同一であり、それらのピッチも同一である。曲波16と直線波17とは連続する。このような曲波16及び直線波17は、プレス機械により一体に形成することもできるが、順送りプレスによって一つずつ形成してもよい。その場合には、より振幅の大きな波を形成できる。波形伝熱部４およびヘッダー部３の各波の断面形状は矩形波であってもサインカーブ波であってもよい。
なお、図６の（Ａ）は金属板の要部平面図であり、（Ｂ）はその斜視図である。

このように全幅で曲折された金属板の両側部の波を押し倒して押し潰し、図６（Ｃ）の如く重合部５を形成する。それと共に、その重合部５の縁部を立ち下げ、その先端縁にフランジ部10を形成するものである。
この例において、直線波17は図７（Ａ）の如く、各波の一方側の第１立ち上がり面６が角θ傾斜し、他方側の第２立ち上がり面７が垂直に予め形成される。次いで、直線波17の振幅がなくなるように直線波17の上下両側から押し潰し、中心線上に図７（Ｂ）の如く押し潰した重合部５を形成する。第１立ち上がり面６のみが角θ傾斜していることにより、上下に押し潰すことで、簡単に図７（Ｂ）の如く押し潰し重合部５を形成できる。

そのとき、図７（Ａ）における波のａ部分とｂ部分は引き伸ばされ、ｃ部分がｂ部分とｄ部分との間に挟持され、それらにより断面Ｓ字状の偏平な重合部５を形成する。また、ｄ部分とｅ部分とは引き伸ばされる。そしてそれらで形成する重合部５の平面は、波形伝熱部４の曲波16の波の高さの中間位置に位置し、重合部５と曲波16との境は傾斜面19となる（図６（Ｃ））。
また、重合部５の側端には図６（Ｃ）の如く、傾斜面18を介してフランジ部10が形成される。そして上下一対の金属板１，２により、対向する重合部５間にヘッダー部３が形成されるものである。

次いで、図１の如く上下一対のフランジ部10が重ね合わせられ、そこに溝形材11が嵌着される。溝形材11の溝幅は、図３，図４の如く上下一対のフランジ部10の合計の厚さに整合する。そして、溝形材11の上下からシーム溶接によりフランジ部10を溝形材11と共に一体に溶着してエレメントを完成する。このとき、フランジ部10の重合部５である凹凸面は、溶着により平坦に形成され、フランジ部10の気密性または液密性が確保される。
なお、図２においてエレメントの上下両端（平面方向の両縁）は、図１の如く折り返されて折り返し縁12を形成するものである。その折り返し縁12には、波形は形成されていない。そして袋状の両端縁は、その平面の中央で図２の如く重ね合わされ、その重ね合わせ部が接合されて接合部13を構成する。

このようなエレメントの各ヘッダー部３の折り返し部に偏平孔が形成され、そこに一対の出入口９が設けられる。そして一方の出入口９から被加熱流体をヘッダー部３内に流入し、それが波形伝熱部４をその波の稜線方向に流通して他方側のヘッダー部３に導かれ、出入口９から外部に導かれる。
波形伝熱部４は、前述の如く、その平面方向に曲折する波が上下で互いに交差する。そしてエレメント内を流通する被加熱流体は、波形伝熱部４内を平面的に蛇行し、各波の交差部で攪拌されつつ移動する。そしてエレメントの外面側には高温の排ガス等が、各波の稜線方向に流通し、それと被加熱流体との間に熱交換が行われる。
なお、このようなエレメントは多数積層され、各エレメント間に前記の高温の排気ガス等が流通する。そして被加熱流体は図示しないマニホールドを介し、夫々のエレメントの出入口９に導かれる。

次に、図８は、前記図３の溝形材11の変形例であり、この例の溝形材11は溝形の両側壁部の開口縁が拡開し、その拡開縁部11ａがヘッダー部３の裾部に形成された傾斜面に整合して、それに接触する。このような拡開縁部11ａを溝形材11に設けることにより、エレメントの接合部近傍の強度および剛性を高めることができる。

図２におけるII部拡大斜視説明図。 本発明の熱交換器用エレメントの平面図。 図２の III− III矢視断面図。 図２の IV − IV 矢視断面図。

本発明のエレメントのフランジ部のシーム溶接後の溶着状態を示す断面図。 本発明のエレメントのヘッダー部３の製造方法を示すものであって、（Ａ）はその第１工程を示すの平面図、（Ｂ）は同第１工程を示す斜視略図、（Ｃ）はその第２工程の斜視略図、（Ｄ）は（Ｃ）のＤ−Ｄ矢視略図。 ヘッダー部３の成形手順を示す断面図であって、（Ａ）はその第１工程、（Ｂ）は同第２工程を示す説明図。 他の溝形材11を有する本発明のエレメントであって、図３に相当するもの。

符号の説明

１ 金属板
２ 金属板
３ ヘッダー部
４ 波形伝熱部
５ 重合部
６ 第１立ち上がり面
７ 第２立ち上がり面
９ 出入口
10 フランジ部

11 溝形材
11ａ拡開縁部
12 折り返し縁
13 接合部
14 稜線
15 溶着部
16 曲波
17 直線波
18 傾斜面
19 傾斜面

Claims (3)

1. 対向する一対の金属板の周縁が閉塞されて、内部に熱交換媒体の流通する偏平流路が形成されると共に、その偏平流路の側部にヘッダー部(3) が設けられ、そのヘッダー部(3) に隣接して多数の並列された波形に曲折された波形伝熱部(4) が設けられた熱交換器用エレメントにおいて、
   波形伝熱部(4) の各波がその波の稜線方向へ連続して、ヘッダー部(3) の全幅に延在し、
   そのヘッダー部(3) は、その周縁部を含み、その延在部分の少なくとも一部で、各波が平坦に押し潰され、そこに金属板の板厚３枚分の多数の重合部(5) を断続的に有し、
   そのヘッダー部(3) の周縁部にフランジ部(10)が形成され、そのフランジ部(10)どうしが重ね合わされ、
   互いに接触するフランジ部(10)の外周に、その一対のフランジ部(10)に整合する溝幅を有する溝形材(11)が被嵌され、
   その溝形材(11)の外周をシーム溶接して、溝形材(11)と一対のフランジ部(10)との間が気密に一体的に溶着されたことを特徴とする熱交換器用エレメント。
2. 請求項１において、
   そのヘッダー部(3) の各波は、波の進行方向の一方側のみに倒されて、断面Ｓ字状の前記重合部(5) が形成されるように平坦に押し潰された熱交換器用エレメント。
3. 請求項１または請求項２に記載の熱交換器用エレメントを製造する方法において、
   前記ヘッダー部(3) の波形の一方側の第１立ち上がり面(6) を傾斜面とし且つ、その一方側と他方側の第２立ち上がり面(7) とを非対称に形成する工程と、
   そのヘッダー部(3) の波形面を前記第１立ち上がり面(6) の傾斜方向へ押し倒すと共に、押し潰して、互いに圧接された偏平な断面Ｓ字状の重合部(5) を形成させると共に、そのヘッダー部(3) の縁部にフランジ部(10)を形成する工程と、
   一対の金属板のフランジ部(10)どうしを重ね合わせ、その重ね合わせ部の外周に溝形材(11)を被嵌し、その溝形材(11)の外周からシーム溶接して、溝形材(11)と一対のフランジ部(10)との間を気密に一体的に溶着する工程と、
   を有することを特徴とする熱交換器用エレメントの製造方法。
   

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