JP2007010225A - 板状熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】外部への放熱をできるだけ少なくした板状熱交換器を提供することである。
【解決手段】側板１０と２０との間で第１の複合板状エレメント３０と熱交換膜となるスペーサ５０と複合体状エレメント４０を挾持して密着接合して形成する板状熱交換器において、第１の複合板状エレメント３０とスペーサ５０及び第２の複合板状エレメント４０の側面及び端面の近辺にスリット３４ａ、５４、４４ａ及びスリット３５ａ、５５、４５ａを形成し、このスリット内を真空にする。また側板１０、２０の内面に沿って真空壁を形成することができるので、熱交換部の周囲を真空壁で取り囲むようにして断熱性を向上できる。
【選択図】図１

Description

この発明は、板状熱交換器、特に断熱性に優れた熱交換器に関する。

薄い板状体にエッチング等の手段で種々のパターンの流体路を形成し、これを複数枚積み重ねて接合した板状熱交換器を特許文献１、２、３等で本発明者は提案している。しかしながら、これらの熱交換器は、内部で熱交換すべき流体の熱が板状体の側面や端面から放熱して、熱交換効率を低下させる問題があった。
特開２００４−１０８６９０号公報 特開２００４−１８３９１６号公報 特開２００４−３３３０６４号公報

そこで、この発明の課題は、外部への放熱をできるだけ少なくした板状熱交換器を提供することである。

上記の課題を解決するために、この発明においては、外周フレーム内部の空間の一端から他端まで多数のリブを設けた単板エレメントを２枚重ね合せて前記空間に一端から他端まで連通する流体通路を形成した複合エレメントを熱交換膜となるスペーサを介して複数積み重ね密着接合し、積み重ねた両面を側板で密封し、前記複合エレメントに前記流体通路を取り囲むように真空壁を形成した構成を採用したのである。

前記真空壁は、単板エレメントのフレームに前記空間を取り囲むように設けられたスリットまたは側板の内面に沿って設けられた面状真空空間によって形成される。また、前記スペーサに前記スリットと同様のスリットを設けてもよい。さらに前記側板と複合板状エレメントとの間に、外周フレームの内部がほぼ空間となった単板エレメントをスペーサを介して挾持しておくのがよい。

前記リブは、ほぼく字形に形成することができ、それぞれのリブを波形にしておくのが好ましい。

この発明によれば、以上のように、流体通路を取り囲むように真空壁を設けたので、断熱性に優れ、熱交換効率が向上する。また、真空壁は、単板エレメントにスリットを設けたり、側板の内側に、空間を有する単板エレメントを配置しておくことによって、単板エレメントを接合する際に同時に形成されるので、特別の加工工程や処理工程を必要とせずコスト的な負担はほとんどない。

以下、この発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。図１はこの発明の板状熱交換器の一実施形態を示す分解斜視図である。図示のように、板状熱交換器は、全体を密封するための平坦な一対の側板１０、２０と、これらの側板１０、２０に挾まれて一の流体通路を形成する第１の複合板状エレメント３０と、他の流体通路を形成する第２の複合板状エレメント４０と、これらの板状エレメント２０と３０との間に挾持されて、熱交換膜となるスペーサ５０より成る。

前記側板１０、２０は、ほぼ長方形で輪郭が同形の平坦な板状部材であって、一方の側板１０の両端隅角部には、ポート１１、１２が設けられ、他方の側板２０の両端隅角部にも、前記ポート１１、１２と重複しないようにポート２１、２２が設けられている。これらのポート以外は完全に気密状態である。

前記第１の複合板状エレメント３０は、図２（ａ）及び（ｂ）に示すような均一な厚みの第１の単板エレメント３０ａと第２の単板エレメント３０ｂを図２（ｃ）に示すように重ね合せたものである。第１の単板エレメント３０ａは、外形が側板１０と同形のフレーム３１ａに取り囲まれ、内部がほぼ長方形の空間３２ａになっており、この空間３２ａの内部に流体通路を区画する多数のリブ３３ａが一端から他端まで設けられている。リブ３３ａの端部はフレーム３１ａに支持されている。リブ３３ａは、全体としてく字形に屈曲したものを等間隔に配置したパターンで形成され、またそれぞれのリブ３３ａは滑らかな波形に屈曲している。この屈曲線は変形サインカーブとするのが好ましい。そして、リブ３３ａが設けられた空間３２ａの両端隅角部には、前記一方の側板１０のポート１１、１２と対応する同形の流体出入口１１ａ、１２ａが設けられている。また、他方の側板２０のポート２１、２２と対応する同形の流体出入口２１ａ、２２ａが空間３２ａと隔離して設けられている。

前記単板エレメント３０ａのフレーム３１ａには、空間３２ａを取り囲むようにして、Ｌ字形スリット３４ａ、３５ａが空間３２ａ及び流体出入口２１ａ、２２ａと隔離して設けられている。

前記第２の単板エレメント３０ｂは、第１の単板エレメント３０ａを平面上で全体に１８０°回転させたものである。図中符号３１ｂはフレーム、３２ｂは空間、３３ｂはリブ、３４ｂ及び３５ｂはスリット、１１ｂ、１２ｂ、２１ｂ、２２ｂは流体出入口である。これらの単板エレメント３０ａと３０ｂを重ね合せると、図２（ｃ）のように、リブ３３ａ、３３ｂによってほぼハニカム状に区画された流体通路が形成される。この流体通路は、単板エレメント３０ａまたは３０ｂだけでは、く字形のリブ３３ａ、３３ｂで行き止まりになっているが、重ね合せることによって、リブ３３ａと３３ｂが重なり合っていない部分でリブ３３ａ、３３ｂの厚み分だけの空隙が生じるため、流体出入口１１ａ（１１ｂ）から流体出入口１２ａ（１２ｂ）まで流体通路が連通し、一方の流体出入口から流体を供給すると、ハニカム状の流体通路を通って他方の流体出入口から流体が排出される。

図３に第２の複合板状エレメント４０を示す。図示のように、複合板状エレメント４０は、均一な厚みの第１の単板エレメント４０ａと第２の単板エレメント４０ｂより成り、これらを重ね合せたものである。単板エレメント４０ａは、図３（ａ）に示すように、外形が側板２０と同形のフレーム４１ａに取り囲まれ、内部がほぼ長方形の空間４２ａになっており、この空間内に流体通路を区画する多数のく字形リブ４３ａが一端から他端まで設けられている。これらのリブ４３ａが設けられた空間４２ａの両端隅角部には、前記他方の側板２０のポート２１、２２と対応しかつ同形の流体出入口２１ｃ、２２ｃが設けられている。また、一方の側板１０のポート１１、１２と対応する同形の流体出入口１１ｃ、１２ｃが空間４２ａと隔離して設けられている。

前記単板エレメント４０ａのフレーム４１ａには、空間４２ａを取り囲むようにして、Ｌ字形スリット４４ａ、４５ａが空間４２ａ及び流体出入口１１ｃ、１２ｃ、２１ｃ、２２ｃと隔離して設けられている。

前記第２の単板エレメント４０ｂは、第１の単板エレメント４０ａを平面上で全体に１８０°回転させたものである。図中符号４１ｂはフレーム、４２ｂは空間、４３ｂはリブ、４４ｂ及び４５ｂはスリット、１１ｄ、１２ｄ、２１ｄ、２２ｄは流体出入口である。これらの単板エレメント４０ａと４０ｂを重ね合せると、図３（ｃ）のように、リブ４３ａ、４３ｂによってほぼ杉綾模様に区画された流体通路が形成される。この流体通路は、単板エレメント４０ａまたは４０ｂだけでは、く字形リブ４３ａ、４３ｂで行き止まりになっているが、重ね合せることによって、リブ４３ａと４３ｂが重なり合っていない部分でリブ４３ａ、４３ｂの厚み分だけの空隙が生じるため、流体出入口２１ｃ（２１ｄ）から流体出入口２２ｃ（２２ｄ）まで流体通路が連通し、一方の流体出入口から流体を供給すると、他方の流体出入口から流体が排出される。

前記熱交換膜となるスペーサ５０は、図４に示すように、側板１０、２０と同形の長方形状板体より成り、側板１０、２０のポート１１、１２、２１、２２に対応する同形の流体出入口１１ｅ、１２ｅ、２１ｅ、２２ｅが設けられ、複合板状エレメント３０、４０のスリット３４ａ、４４ａに対応するスリット５４、５５が設けられている。

上記のような側板１０、単板エレメント３０ａ、３０ｂ、スペーサ５０、単板エレメント４０ａ、４０ｂ及び側板２０を積層するには、拡散接合法や、ニッケルペーストを塗布したり、ニッケルメッキ等を施して加熱するロウ付け法が採られる。いずれも真空加熱炉に前記板状体を重ね合せて装填し、真空引きした後に加熱される。この真空引きの際に、前記スリット３４ａ、３４ｂ、５４、４４ａ、４４ｂとスリット３５ａ、３５ｂ、５５、４５ａ、４５ｂの内部も真空になり、そのままの状態で接合されるため、出来上った板状熱交換器の側面（端面を含む）の内部に真空壁が形成される。従って熱交換部を真空壁で取り囲むようになり、断熱性が向上する。

さらに断熱性を向上させるため、図6に示すような単板エレメント６０を用いるのがよい。図示のように、単板エレメント６０は、側板１０、２０と外周が同形のフレーム６１を有し、内部が空間６２となっている。フレーム６１の内周縁は、図7に示すスペーサ５０のスリット５４、５５の外縁とほぼ一致し、後述するように、スペーサ５０と単板エレメント６０を重ね合せたとき、スリット５４、５５と空間６２は連通するようになっている。この空間６２と隔離された流体出入口１１ｆ、１２ｆ、２１ｆ、２２ｆが側板１０のポート１１、１２及び側板２０のポート２１、２２に対応して設けられている。なお、フレーム６１の内周縁から空間６２内に突出している多数の突起６３は、後述する積層接合の際に、フレーム６１の内周縁近辺が他の板状体と密着するよう支持するために設けられたものである。

いま、図１の側板１０及び側板２０の内面に単板エレメント６０をそれぞれ配置し、さらに複合板状エレメント３０と４０との間にそれぞれ図７に示すようなスペーサ５０を挾み込み、前述と同様に真空加熱炉で圧着接合すると、スリット５４、５５に連通する空間６２は真空引きされ、出来上った板状熱交換器の側板１０、２０の内面に沿って空間６２により真空壁が形成される。これによって、流体通路の側面にスリットにより形成された真空壁と共に流体通路の上下両面に真空壁が形成されるので断熱性が大きく向上する。

図５に完成した板状熱交換器を示す。いま板状熱交換器の第１の側板１０に設けられた一方のポート１１から流体を供給すると、ポート１１に連通する複合板状エレメント３０の流体出入口１１ａから流体が複合板状エレメント３０の流体通路に流入し流体通路を通って他の流体出入口１２ａに達し、この出入口１２ａに連通するポート１２から排出される。同様に第２の側板２０の一方のポート２１から他の流体を供給すると、ポート２１に連通する複合板状エレメント４０の流体出入口２１ａからエレメント４０内に入って流通し、他の流体出入口２２ａに達し、これに連通するポート２２から排出される。これらの流体がエレメント３０及び４０を流通する間にスペーサ５０を介して熱交換が行なわれる。

図１で示す熱交換器は、複合板状エレメント３０、４０を２個用いた例を示したが、スペーサ５０を介して３以上の複合板状エレメントを積層してもよい。また、流体出入口の位置を変えることによって３流体以上の熱交換も可能である。さらに、図２、図３の符号１１１ａ、１１２ａ、１１１ｂ、１１２ｂ、１２１ｃ、１２２ｃ、１２１ｄ、１２２ｄで示すように、全ての流体出入口１１ａ、１１ｂ、‥‥‥２２ｄ、２２ｅを板状エレメントの端面または側面に開放することによって、流体の供給排出ポートを熱交換器の端面及び側面に形成することができる。勿論、この場合には、側板１０、２０のポート１１、１２、２１、２２は不要である。

なお、図１では長方形の板状体を示したが、長方形以外の多角形や楕円形など、用途に応じて任意の形状を選択することができる。板状体の材料もステンレス、銅、アルミニウム、チタンなどの金属の他、合成樹脂を用いることもできる。厚みは、０．１〜３ｍｍ程度が適当である。

適用する流体も、気・気、気・液、液・液、気液混合体と他の流体など種々選択可能である。また、流体通路を区画するリブのパターンも図示に限定されず種々選択可能である。

この発明の熱交換器の一例を示す分解斜視図 （ａ）第１の単板エレメントの平面図（ｂ）第２の単板エレメントの平面図（ｃ）複合板状エレメントの平面図 （ａ）第１の単板エレメントの平面図（ｂ）第２の単板エレメントの平面図（ｃ）複合板状エレメントの他の例を示す平面図 熱交換膜となるスペーサを示す平面図 完成した板状熱交換器を示す斜視図 側板の内面に真空壁を形成するための単板エレメントを示す平面図 スペーサの平面図

符号の説明

１０、２０ 側板
１１、１２、２１、２２ ポート
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ、１１ｆ 流体出入口
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、１２ｆ 流体出入口
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ、２１ｆ 流体出入口
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ、２２ｆ 流体出入口
３０、４０ 複合板状エレメント
３０ａ、３０ｂ、４０ａ、４０ｂ 単板エレメント
３１ａ、３１ｂ、４１ａ、４１ｂ フレーム
３２ａ、３２ｂ、４２ａ、４２ｂ 空間
３３ａ、３３ｂ、４３ａ、４３ｂ リブ
３４ａ、３４ｂ、４４ａ、４４ｂ スリット
３５ａ、３５ｂ、４５ａ、４５ｂ スリット
５０ スペーサ
５４、５５ スリット
６０ 単板エレメント
６１ フレーム
６２ 空間
６３ 突起

Claims (7)

1. 外周フレーム内部の空間の一端から他端まで多数のリブを設けた単板エレメントを２枚重ね合せて前記空間に一端から他端まで連通する流体通路を形成した複合板状エレメントを熱交換膜となるスペーサを介して複数積み重ね密着接合し、積み重ねた両面を側板で密封し、前記流体通路の側面と両面またはいずれかの面を取り囲むように前記流体通路と隔離した真空壁を形成した板状熱交換器。
2. 前記真空壁が前記単板エレメントのフレームに前記空間を取り囲むように設けられたスリットによって形成された請求項１に記載の板状熱交換器。
3. 前記真空壁が側板の内面に沿って設けられた面状真空空間によって形成された請求項１に記載の板状熱交換器。
4. 前記スペーサに前記真空壁に対応するスリットを形成した請求項１〜３のいずれかに記載の板状熱交換器。
5. 前記側板と複合板状エレメントとの間に、外周フレームの内部がほぼ空間となった単板エレメントをスペーサを介して挾持した請求項１〜４のいずれかに記載の板状熱交換器。
6. 前記リブがほぼく字形に形成された請求項１〜５のいずれかに記載の板状熱交換器。
7. 前記リブがほぼく字形でかつそれぞれのリブが波形に形成された請求項１〜５のいずれかに記載の板状熱交換器。

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