JP2005291657A - 熱交換器およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換器コアの温度勾配が大きい領域で熱応力によりコアが破損する。
【解決手段】水が流れる第１の通路群１１と、燃焼ガスが流れる第２の通路群１２とを有する熱交換器コア１０を、前記第１の通路群または第２の通路群を構成する流体通路間で温度勾配が大となる部分にて複数の部分に分割する。
【選択図】図１−１

Description

本発明は、耐熱性能を高めた熱交換器とその製造方法に関する。

従来の熱交換器としては特許文献１に記載されているようなものがある。これは、冷媒を導入し蒸発部へ分配するタンク部を一方にのみ有し冷媒を逆Ｕ字状に流す積層型エバポレータであって、エバポレータ本体内の蒸発部における冷媒の流れを全体的に均一にすると共に、空気の流れ方向の前後に区画された蒸発部のうち空気の流れの下流側の蒸発部から上流側の蒸発部に冷媒が流れるようにして熱交換効率を向上させることを目的としたものである。
実公平７−４９２４０号公報

前記従来の熱交換器では、形状律則によって生じる流体分配の不均質は解消されてはいるが、コアの小型化を図ろうとするとコア内に大きな温度勾配が生じ、熱応力により耐久・信頼性が低下するおそれがあった。

本発明の目的は、温度勾配が大きい領域の前後でコアを分割することにより、温度不均一によって生じる熱応力を解放し、熱交換器の耐久性および信頼性を向上させることにある。

本発明では、低温流体通路を構成する第１の通路群と、高温流体通路を構成する第２の通路群とを有する熱交換器コアを、前記第１の通路群または第２の通路群を構成する流体通路間で温度勾配が大となる部分にて複数の部分に分割した。

本発明によれば、通路群内で温度勾配の大きい領域同士を分割したことから、大きな温度差に由来する熱応力の発生を解消し、熱交換器の耐久性を向上させることができる。

以下、本発明に係る熱交換器を、低温流体として供給した水を高温流体として供給した燃焼ガスにより加熱して蒸気化する蒸発器として構成した実施形態につき説明する。

図１（図１−１〜図１−３）に第１の実施形態の概略構成を示す。図中の１０は熱交換器の本体となる積層構造のコアであり、このコア１０には、図の上下方向に低温流体である水が流れる多数の流体通路からなる第1の通路群１１と、左右方向に高温流体である燃焼ガスが流れる多数の流体通路からなる第２の通路群１２とを交互に隣接して形成してある。

図２（図２−１〜図２−３）は前記コア１０を構成するプレート１３を示しており、その一方の面には前記第1の通路群１１を構成する多数の溝１３ａを、その裏面側には前記溝１３ａと交差する方向に第２の通路群１２を構成する多数の溝１３ｂを、それぞれエッチング加工により形成してある。前記プレート１３を、溝１３ａと１３ａまたは１３ｂと１３ｂとが向かい合うように交互に多数積層することでコア１０を形成している。プレート１３同士の接合は、拡散接合またはロウ付け等による。

前記コア１０は、前記溝１３ａによる隣接する流体通路間にて、上流部１０ａと下流部１０ｂとに分割した構成となっている。前記の上流下流の別は第１の通路群１１における水の流れ方向を基準としており、高温流体である燃焼ガスの流れは、図１−２に矢印で示したように下流部１０ｂから上流部１０ａへとそれぞれの通路群１２を流れるようにしてある。前記コア１０の分割位置の詳細については後述する。

前記コア１０の分割部Ｐには、高温流体通路である第２の通路群１２が対向して開口することになるので、この分割部Ｐには通路群１２の流れ方向に伸縮性を有する材料からなる連結通路として、この場合ベローズ１４を設け、これらの向かい合う通路群同士を相互に連結している。

コア上流部１０ａにはその通路群１１の入口端部に水供給部となるマニホールド１５を、コア下流部１０ｂにはその通路群１１の出口端部に蒸気排出口となるマニホールド１６を、それぞれ溶接する。前記マニホールド１５は外部から供給された水をコア上流部１０ａの第１の通路群１１に分配供給し、マニホールド１６はコア下流部１０ｂの第１の通路群１１から流出する水蒸気を集めて外部に排出する。

前記マニホールド１５または１６とは反対側のコア端部には、上流部１０ａの通路群出口端と下流部１０ｂの通路群入口端を相互に連通するマニホールド１７を溶接する。前記マニホールド１７により、上流部１０ａからの流れは反転して下流部１０ｂへと流れる（図１−１参照）。図示しないが、コア１０には第２の通路群１２に燃焼ガスを供給するためのマニホールドも取り付けられる。

コア１０の第１の通路群１１に水を、第２の通路群１２に高温の燃焼ガスを、それぞれ供給すると、燃焼ガスがコア下流部１０ｂから上流部１０ａへと通過する間にプレート間の伝熱により第１の通路群１１を流れる水は加熱され、液相から気相へと変化する。この相変化により蒸気となった水は急速に温度上昇するため、隣接する液相部分との間に大きな温度勾配を生じ、その部分では流体通路を形成するプレート１３内に大きな熱応力を生じる。これに対して、この実施形態ではコア１０を、水が蒸気または水と蒸気の気液二相に相変化する部分で分割した構成としてある。これにより前記温度勾配による熱応力を解放してコア１０の耐久性および信頼性を改善することができる。

前記構成においては、ベローズ１４を介装した分割部Ｐの空間には燃焼ガスが流通する。燃焼ガスは第１の通路群１１を流れる水または蒸気に比較して高温であるが、隣接する流体通路間に大きな温度差をもたらすことはないので熱応力の面で悪影響を及ぼすことはない。またこの実施形態では分割部Ｐにベローズ１４を介装して上下流のコア１０ａ、１０ｂを連結しているので、燃焼ガスの流れ方向についての変形ないし応力をも吸収することができ、耐久性上でより有利となる。なお、ベローズ１４は、その外部雰囲気と高温流体との境界壁となる上部壁部分および側壁部分が蛇腹形状であれば熱膨張差を吸収できるため、低温流体と高温流体との境界壁となる下部壁面部分１４ａ（図１−１参照）は必ずしも蛇腹形状としなくてもよい。

この実施形態は、積層体からなるコア１０に流体の給排を行うためのマニホールド１５〜１７を溶接するようにしてあるので、コア作成時の接合負荷荷重および熱によって変形が生じたとしても、その仕上がり変形状態に応じてマニホールドを取り付けることができ、またマニホールド形状の自由度も高い。

図３（図３−１〜図３−２）と図４（図４−１〜図４−２）に、それぞれ本発明の第２、第３の実施形態を示す。これらはコア構造に関する実施形態である。

図３−１は第２の実施形態に係るコア１０を、図３−２はその端面に装着するエンドプレート２０をそれぞれ示している。このコア１０は、プレート１３自体に分割部Ｐを形成する切欠部１３ｃの他にマニホールド１５〜１７を一体形成してある点で第１の実施形態と異なる。この場合、プレート１３には各マニホールド１５〜１７となる開口部よりも外側の部分には、流体通路を形成する溝１３ａおよび溝１３ｂ（図２参照）をエッチング加工していない。これにより、多数のプレート１３を積層してなるコア１０には積層方向に貫通する態様でマニホールド１５〜１７が形成されるので、その積層方向の両端面に図３−２に示したような分割部Ｐに対応する切欠部２０ｃのみを形成したエンドプレート２０を装着して、コア両端部でのマニホールド開口部を被覆する。図示しないが、水供給用のマニホールド１５と蒸気排出用のマニホールド１７については、それぞれの給排口をエンドプレート２０またはコア１０の何れかに開口形成する。

前記切欠部１３ｃおよびマニホールド開口部は、プレート１３を積層する前に予め形成しておくか、もしくは所要数のプレート１３を積層したのち、ワイヤカット加工等によりくり抜くようにする。後者の場合、くり抜き加工後にコア１０にエンドプレート２０を装着する。また積層体としてのコア１０を前述のようにして製作したのち、第１の実施形態にて示したのと同様のベローズ（１４）を分割部Ｐに溶接してコア１０を完成させる。

図４−１は第３の実施形態に係るコア１０を、図４−２はその端面に装着するエンドプレート２０をそれぞれ示している。第２の実施形態と異なるのは、この実施形態では図４−１に示したように分割コア同士の連結通路となるベローズの上下壁部１４ａ、ｂを予めプレート１３に設けておくとともに、図４−２に示したように、前記上下壁部１４ａ、ｂ間に生じる開口部を閉塞するベローズ側壁部１４ｃをエンドプレート２０に一体形成してある点にある。すなわち、プレート１３を積層したのち、その両端部にエンドプレート２０を装着する際に上下壁部１４ａ、１４ｂと側壁部１４ｃとを接合することで前記連結通路を画成する。

これら第２、第３の実施形態によれば、コア分割部Ｐおよびマニホールド１５〜１７をコア１０に一体的に形成しているので、コアの組立工数およびコストを低減することができる。特に第３の実施形態ではより低コスト化が可能である。

図５以下にコアの通路構造に関する実施形態を示す。図５−１〜図５−３は本発明の第４の実施形態であり、これは図示したように熱交換器コアを上流部１０ａ、中間部１０ｃ、下流部１０ｂの３個に分割してある点が構成上の特徴である。それぞれの分割部Ｐ１，Ｐ２には他の実施形態と同様にベローズ１４を介装して各部の第２の通路群１２を相互に連結している。第１の通路群１１に関しては、上流部１０ａのマニホールド１５から流入した低温流体をマニホールド１７ａを介して中間部１０ｃに反転して導入し、中間部１０ｃを出た低温流体をマニホールド１７ｂを介して下流部１０ｂに再度反転して導入する構成となっている。下流部１０ｂを出た低温流体はマニホールド１６を介して外部に排出される。高温流体については他の実施形態と同様に下流部１０ｂから上流部１０ａに向かって流れるようにする。前記コアおよびマニホールド等の製造または形成方法については前記各実施形態と同様の手法を適用することができる（以下の各実施形態についても同様である）。

この実施形態によれば、コア１０を３分割構成としたことから、低温流体の入口から出口までの流体流れ方向とは垂直な方向の距離が大きくなり、熱応力の発生に影響する温度勾配を小さくすることができる。また、蒸発器として適用する場合に、低温流体としての水が気液二相となる相変化部と、気液二相から完全気相となる相変化部とをそれぞれ分割部Ｐ１とＰ２に対応させることができ、これらの温度変化が大きい部分での熱応力を確実に解放して、熱交換器としての耐久性および信頼性をより高めることが可能である。

図６（図６−１〜図６−３）は本発明の第５の実施形態である。これはコア１０の上流部１０ａと下流部１０ｂのそれぞれをさらにその流れ方向に沿って、すなわち第１の通路群１１を途中で横断するように分割部Ｐ３、Ｐ４を設けた点を構造上の特徴としている。前記分割部Ｐ３、Ｐ４にはベローズ１４を介装して分割部前後の通路群１１を相互に連結している。前記以外の構造は基本的に第１ないし第３の実施形態と同様である。

この実施形態によれば、上流部１０ａの流れの途中で水が気液二相に変化し、さらに気液二相状態で下流部１０ｂに流入した流れがその途中で完全気相に変化する場合、それぞれの相変化部分に前記分割部Ｐ３、Ｐ４を対応させることができるので、第１の通路群１１の流れ方向についての温度変化が大きい部分での熱応力をも解放することができ、これにより熱交換器としての耐久性および信頼性をより高めることが可能である。

図７に本発明の第６の実施形態を示す。これは前記第５の実施形態において、さらにコア１０をその積層方向に２分割した点を構造上の特徴としている。すなわち、図示したようにコア１０は積層方向の途中部分に分割部Ｐ５を有し、この分割部Ｐ５にベローズ１４を介装してある。

この実施形態によれば、コア１０に積層高さ方向の変形自由度が付加されて次元的な自由度が生まれるため、熱交換器としてよりいっそうの耐久性・信頼性の向上を図ることができる。

本発明の第１の実施形態の低温流体通路部分の縦断面図。 本発明の第１の実施形態の高温流体通路部分の縦断面図。 本発明の第１の実施形態の通路構成を説明するための斜視図。 熱交換器コアを構成するプレートに関する第１の実施形態の正面図。 図２−１のＡ矢示方向から見た要部拡大図。 図２−１のＢ矢示方向から見た要部拡大図。 本発明の第２の実施形態に係るコアの側面図。 本発明の第２の実施形態に係るエンドプレートの側面図。 本発明の第３の実施形態に係るコアの側面図。 本発明の第３の実施形態に係るエンドプレートの側面図。 本発明の第４の実施形態の低温流体通路部分の縦断面図。 本発明の第４の実施形態の高温流体通路部分の縦断面図。 本発明の第４の実施形態の通路構成を説明するための斜視図。 本発明の第５の実施形態の低温流体通路部分の縦断面図。 本発明の第５の実施形態の高温流体通路部分の縦断面図。 本発明の第５の実施形態の通路構成を説明するための斜視図。 本発明の第６の実施形態に係るコア構造を説明するための斜視図。

符号の説明

１０ コア
１０ａ コア上流部
１０ｂ コア下流部
１０ｃ コア中間部
１１ 第１の通路群
１２ 第２の通路群
１３ プレート
１３ａ 溝
１３ｂ 溝
１３ｃ 切欠部
１４ ベローズ（連結通路）
１５ マニホールド
１６ マニホールド
１７ マニホールド
２０ エンドプレート

Claims (13)

1. 低温流体通路を構成する第１の通路群と、高温流体通路を構成する第２の通路群とを有する熱交換器コアを、前記第１の通路群または第２の通路群を構成する流体通路間で温度勾配が大となる部分にて複数の部分に分割したことを特徴とする熱交換器。
2. 前記第１の通路群と第２の通路群とを互いに交差方向に形成した請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記熱交換器を、前記第１の通路群に供給した液体を第２の通路群に供給した高温流体により加熱して気化させる蒸発器として構成し、前記液体が相変化する部分で前記コアを分割した請求項１または請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記第１の通路群は、その端部に分割部上流からの流体を分割部下流へと反転させるマニホールドを有する請求項１から請求項３の何れかに記載の熱交換器。
5. 前記コアを、前記第1の通路群を横断するように分割した請求項３に記載の熱交換器。
6. 前記コアは、表面に流体通路となる溝が形成されたプレートを多数積層した積層体からなり、前記積層したプレート間に前記第１の通路群と第２の通路群とが形成されている請求項１から請求項３の何れかに記載の熱交換器。
7. 前記コアの分割面にて対向する流体通路同士を、該分割面間に介装した伸縮性を有する材料で形成した連結通路を介して連結した請求項１から請求項３の何れかに記載の熱交換器。
8. 前記連結通路をベローズで構成した請求項７に記載の熱交換器。
9. 低温流体通路を構成する第１の通路群と、高温流体通路を構成する第２の通路群とを有する熱交換器コアを、前記第１の通路群または第２の通路群を構成する流体通路間で温度勾配が大となる部分にて複数個に分割した熱交換器の製造方法であって、
   前記コアを、表面に流体通路となる溝を形成した多数のプレートの積層体として形成し、前記積層したプレート間に前記第１の通路群と第２の通路群とを形成したことを特徴とする熱交換器の製造方法。
10. 前記コアを形成する積層体に、通路群を分割する切欠部とマニホールドとをプレート積層方向に貫通形成し、積層体両端面にエンドプレートを装着して前記マニホールドの開口部を被覆した請求項９に記載の熱交換器の製造方法。
11. 前記切欠部またはマニホールドの開口を、前記プレートに予め形成する請求項１０に記載の熱交換器の製造方法。
12. 前記切欠部またはマニホールドの開口を、前記積層体をワイヤカット加工等により切り抜くことで形成し、その後に前記エンドプレートを装着する請求項１０に記載の熱交換器の製造方法。
13. 前記コアの流体通路が開口する端面に、多数の流体通路を相互に連通するマニホールド部材を接合した請求項９に記載の熱交換器の製造方法。

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