JP2007040687A - 板状熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換の効率のよい形状の流体通路を有する熱交換器を提供する。
【解決手段】流体に対して直角になるようなリブを有する板状エレメント３０、４０と板状エレメント５０、６０及び熱交換膜となる隔離板７０を積み重ね、その両側を側板１０及び他の側板で挟持し、これらを気密に接合したのである。
【選択図】図１０

Description

この発明は、板状熱交換器及びその製造方法に関する。

金属薄板から成る板状エレメントに流体通路を形成し、この板状エレメントを複数枚積み重ねて厚みの薄い熱交換器を形成する技術が特許文献１等に開示されており、この技術により、従来に比べて熱交換器を飛躍的に小型化することが可能となった。

しかし、空調機の室外機、パーソナルコンピュータ、ヒートポンプなど熱交換器を用いた機器の更なる小型化が求められている昨今では、熱交換の効率をさらに向上させることが必要であり、そのためには、流体通路の形状を種々工夫することが必要となる。
特開２００４−１０８６９０号公報

そこで、この発明の課題は、熱交換の効率のよい形状の流体通路を有する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、この発明は、一対の側板によって、複数の流体がそれぞれ別個に流通可能な流体通路を形成する複数の板状エレメントを重ね合せて気密に挟持した板状熱交換器において、少なくとも一対の板状エレメントの流体通路を区画する多数のリブを、流体の流れ方向に対してほぼ直角になる階段状に形成したのである。

このようにリブを流体の流れ方向に対してほぼ直角となる階段状に形成することにより、リブが直進しようとする流体の障壁となって流れが分散し、流体が熱交換器内に満遍なく広がり、熱交換の効率が向上する。

前記多数のリブを全体としてほぼ波形に配列すると、流体直進の障害となる波型リブが平行に配されるため、流れの分散を一層促進することができる。

このような熱交換器に流通させる流体は、高温高圧の、いわゆる超臨界の状態とするのが熱交換の効率等の点から望ましい。かかる超臨界の状態を維持するには、熱交換器へ流体が流入した際に圧力を下げないことが必要であるため、流体通路は小さいことが好ましいが、その一方であまりに小さすぎると流通が阻害される問題がある。そこで、上記多数のリブにより区画される複数の流体流通路の各々の高さ（ｈ）および幅（ｗ）を以下の寸法を満足するように形成するのが好ましい。
０．２ｍｍ≦ｈ≦０．８ｍｍ、０．２ｍｍ≦ｗ≦２．０ｍｍ

上記多数のリブの流体入口側のそれぞれの端部を、前記端部相互を結ぶ想像線が、外側に凸の円弧を描くように形成すると、通常は流通路中央に偏りがちな流体が、流通路の隅部に案内されやすくなることにより、流通路全体に満遍なく広がる結果、熱交換の効率が向上する。

上記リブは、その周囲を取り囲むフレームによって支持され、このフレームの対向する側桁の内面に流体の流れ方向に延びる液体収集溝を設けておくと、熱交換器内の液体を効率よく収集でき、外部へ排出が容易となるため、液体の滞留による熱交換器の性能低下を防止することができる。

前記板状エレメントのフレームの側桁の幅よりもスペーサのフレームの側桁の幅を狭くして一対の板状エレメントにスペーサを挟み込むと、溝を穿つことによらず、簡易に液体収集溝を形成することができる。

前記スペーサの対向する側桁間を液体誘導リブで連結しておくと、液体の収集および排出がさらに容易となる。

この発明の板状熱交換器は、一対の側板の一方に複数のガイド片をほぼ直角に起ち上げ、前記ガイド片に沿って複数の板状エレメントとスペーサ及び液体通路を隔離する隔離板を積み重ね、他方の側板をその上に載置して前記一方の側板と共に前記板状エレメントとスペーサ及び隔離板を互に密着させ、気密に接合して製造するのが簡易である。

以上のように、特殊なパターンの板状エレメントを用いることにより、流体流通路の形状を熱交換の効率が優れたものとした。

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から図１７に第一の実施形態を示し、図１８から図２３に第二の実施形態を示す。まず、第一の実施形態について説明するところ、図１に示すような第１と第２の側板１０と２０を用意する。

図示のように、第１の側板１０は、平坦で気密なほぼ長方形の板状体１１から成り、対角線上の隅角部に、板状体１１の各辺に平行な辺を有する膨出部１１ａ、１１ｂが設けられ、この膨出部１１ａ、１１ｂの隣接する外側縁からそれぞれガイド片１２、１４及びガイド片１３、１５が突出している。このガイド片１２、１４及びガイド片１３、１５には、流体の給排用ポート１２ａ、１４ａ及びポート１３ａ、１５ａとなる円形貫通穴が設けられている。

また、ガイド片１２、１４及びガイド片１３、１５は、後述するように板状体１１とほぼ直角に折り曲げられる。この折り曲げを容易にするため、膨出部１１ａ及び膨出部１１ｂの外側縁の内側に沿って、ハーフカット線１２ｂ、１４ｂ及びハーフカット線１３ｂ、１５ｂが設けられている。なお位置合せの確認のため、膨出部１１ａ、１１ｂにそれぞれ貫通孔１１ｃ、１１ｄを設けておくのがよい。勿論、この貫通孔は、後述の流体通路と連通してはならない。

前記第２の側板２０は、第１の側板１０と同様に平坦で気密なほぼ長方形の板状体２１から成るが、第１の側板１０からガイド片１２、１４及びガイド片１３、１５を取り除いた形状で、長方形板状体２１の対角線上の隅角部に、膨出部２１ａ、２１ｂが設けられている。また、前記貫通孔１１ｃ、１１ｄと同じ位置に貫通孔２１ｃ、２１ｄが設けられている。

図２に流体通路を形成する板状エレメントを示す。図示のように、一つの流体通路を形成するため、全体として平坦な第１の板状エレメント３０と第２の板状エレメント４０が用いられる。

前記第１の板状エレメント３０は、図２（イ）に示すように、前記第２の側板２０と実質的に同じ輪郭をした同サイズのフレーム３１にほぼ全周がとり囲まれ、このフレーム３１内で一定のパターンの流体通路を形成するための区画リブ３２がフレーム３１に支持され、リブ３２以外のパターン部分は空隙になっている。これらのリブ３２は、表面裏面共に平坦になっており、フレーム３１と同一平面を形成している。

また、側板１０の膨出部１１ａ、１１ｂに対応するフレーム３１の両端には、流体の出入口３２ａ、３３ｂが形成され、パターンが途切れる出入口３２ａ、３３ａに臨むリブ３２の末端は、図３から明らかなように、フレーム３２より薄い支持板３３で支えられ、浮動しないように固定されている。このように支持板３３の厚みを薄くしてあるため、流体の流出入には支障がない。勿論リブ３２がフレーム３１でしっかり支えられている場合には、支持板３３を省略することができる。また、他の出入口３４ａ、３５ａは、リブ３２によって区画される流体通路に対して閉鎖されている。これらのリブ３２は、板状エレメント３０の長さ方向に全体としてほぼ波形模様を画くように配列され、かつ各リブ３２は階段状に屈曲され、流体に対してほぼ直角な障壁を形成している。

図２（ロ）に示すように、第２の板状エレメント４０は、前記第１の板状エレメント３０とほぼ同形同サイズであるが、リブ４２によるパターンが異なり、幅方向にほぼ反転したようなパターンになっている。そして出入口４２ａ、４３ａ近辺では、リブ４２と前記リブ３２が重なり合うようになっている。また、支持板４３は、図の裏面で前記支持板３３と同様の構造でリブ４２を支持している。なお、図２中、符号３１ｅ、３１ｆ、４１ｅ、４１ｆは、位置確認用貫通孔である。また、符号４４ａ、４４ａ、４５ａ、４５ｂは、リブ３２、４２に対して閉鎖された出入口である。

前記第１及び第２板状エレメント３０、４０の出入口３２ａ、４２ａには、図４に示されるように、開口端から内側方向に突出するガイド突起３６ａ、３６ｂ及びガイド突起４６ａ、４６ｂが設けられている。これらのガイド突起は、前記第１の側板１０の膨出部１１ａに設けられたガイド片１２の厚み分（ガイド片１２は、前述のように板状体１１に対して直角に折り曲げられる）だけ、膨出部１１ａの外側縁に対して内側方向（図の右方向）にオフセットされ、図の鎖線で示すように、丁度ガイド片１２の両側にスライド可能に係合する幅及び深さのガイド部を形成している。同様のガイド突起３７ａ、３７ｂ及び４７ａ、４７ｂが閉鎖された出入口３４ａ、４４ａの開口端に設けられ、ガイド片１４の両側とスライド可能に係合するようになっている。

前記出入口３２ａ、４２ａに対応する出入口３３ａ、４３ａにも、前記と同様のガイド突起３８ａ、３８ｂ及び４８ａ、４８ｂが設けられ、閉鎖された出入口３５ａ、４５ａにも同様に、ガイド突起の３９ａ、３９ｂ及び４９ａ、４９ｂが設けられている（図２）。

図５に別のパターンを有する一対の板状エレメントを示す。図５（イ）に示すように、第１の板状エレメント５０は、前記板状エレメント３０、４０と同形同サイズのフレーム５１を有し、流体通路を区画するリブ５２は、く字形をほぼ平行に配置した縞模様になっている。そして出入口５２ａ、５３ａは、流体通路に対して閉鎖され、出入口５４ａ、５５ａは開放されている。また、開放された出入口５４ａ、５５ａに臨むリブ５２の末端は、自由端の状態になっている。その他の構造は、前記第１の板状エレメント３０と全く同じである。図中、符号５６ａ、５６ｂ、５７ａ、５７ｂ、５８ａ、５８ｂ、５９ａ、５９ｂはガイド突起である。また、符号５１ｃ、５１ｄは位置決め確認用貫通孔である。

図５（ロ）に示す第２の板状エレメント６０は、フレーム６１に囲まれたリブ６２が形成するパターンを第１の板状エレメント５０と長さ方向に逆にしたものである。その他の構造は、第１の板状エレメント５０と同様である。図中、符号６２ａ、６３ａは閉鎖された出入口、６４ａ、６５ａは開放された出入口、６６ａ、６６ｂ、６７ａ、６７ｂ、６８ａ、６８ｂ、６９ａ、６９ｂはガイド突起である。また、符号６１ｃ、６１ｄは位置決め確認用貫通孔である。

図６に、異なった流体の流体通路を互に隔離して熱交換膜となる隔離板７０を示す。図示のように、隔離板７０は、板状エレメント３０、４０、５０、６０と輪郭が同じで同サイズの一枚の平坦な板状体７１より成り、板状エレメント３０、４０に設けられた閉鎖出入口３４ａ、３５ａ及び４４ａ、４５ａに対応する出入口７４ａ、７５ａと、板状エレメント５０、６０に設けられた閉鎖出入口５２ａ、５３ａ及び６２ａ、６３ａに対応する出入口７２ａ、７３ａが設けられている。また、これらの出入口７２ａ、７３ａ、７４ａ、７５ａの開口端にはガイド突起７６ａ、７６ｂ、７７ａ、７７ｂ、７８ａ、７８ｂ、７９ａ、７９ｂがそれぞれ設けられている。

いま、図２（イ）に示す第１の板状エレメント３０の上に、図２（ロ）に示す第２の板状エレメント４０を重ね合せて密着させると、図７に示すようなパターンが出来上る。そして、第１、第２の板状エレメント３０、４０単独では、図２から明らかなように、リブ３２、４２で区画されるほとんどの流体通路は、出入口３２ａ、４２ａから行き留まりになっているが、エレメント３０と４０を重ね合せると、流体通路が交差することによって、例えば矢印で示す通路Ａ１は、フレーム４１の上辺の行き留まり部Ｂで下部のリブ３２が一部分欠除しているため、この欠除部分Ｃから隣接する通路Ａ_２に連通し、流体が流通可能になって、結局出入口３３ａまで到達することができる。

即ち、リブ３２、４２が重なり合っている個所では、リブ３２と４２の合計厚みがフレーム３１と４１の合計厚みに等しいから、流体の流通が阻止されるが、リブ３２と４２のいずれか一方のみしか存在しない個所では、フレーム３１と４１の合計厚みの半分しかないから空隙が生じ、流体の流通が許容される。従って、このような空隙が出入口３２ａ、４２ａから出入口３３ａ、４３ａまで連通するようなパターンを選択すれば、一方の出入口３２ａ、４２ａから流体を供給すると、その流体は、図７のＡ_１、Ａ_２で示すように、他方の出入口３３ａ、４３ａから排出されることになる。特に図７に示すパターンの場合、リブ３２、４２が流体の流れに対してほぼ直角になるリブが多いので乱流を生じさせるのに有効である。

図５に示す板状エレメント５０、６０は、リブ５２、６２で区画される流体通路がエレメント単独では全て行き留まりになっているが、図８に示すように第１の板状エレメント５０の上に第２の板状エレメント６０を密着して重ね合せると、出入口５４ａ、６４ａから出入口５５ａ、６５ａまで流体の連通路が形成され、出入口５４ａ、６４ａに流体を供給すると、その流体は出入口５５ａ、６５ａから排出される。

上記のようにして重ね合せた一対の板状エレメントを利用して板状熱交換器を作製する。まず、図１（イ）に示す側板１０のガイド片１２、１３、１４、１５を、図９に示すように、板状体１１に対してほぼ直角に折り曲げる。次に、これらのガイド片１２、１３、１４、１５をガイドとしながら、図１０に示す（ロ）（ハ）（ニ）の順序で側板１０に板状エレメント３０と４０、隔離板７０、板状エレメント５０と６０を重ね合せてゆく。ガイド片１２、１４等とガイド突起３６ａ、４６ａ及び３６ｂ、４６ｂを嵌め込む方法は、図４に基づいて説明した通りである。そして、図１１に示すように、最後に第２の側板２０をガイド片１２、１３、１４、１５の端面（最上端面）の上に載せる。また、各ガイド片に設けられたポート１２ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａには、短いパイプ８２、８３、８４、８５の一端部を圧入しておく。

このようなアセンブリを形成し、各側板１０と２０で板状エレメント３０、４０、５０、６０及び隔離板７０が互に圧着するように強固に挟持し、高温加熱炉中で加熱して拡散接合すると板状熱交換器が得られる。勿論、側板や板状エレメント及び隔離板の接合面にろう材ペーストを塗工しておいて加熱炉に装填し、接合することもできる。

図１２にポート１２ａと板状エレメント３０、４０、５０、６０及び隔離板７０のそれぞれの出入口３２ａ、４２ａ、５２ａ、６２ａ及び７２ａの関係を示す。図２について前述したように、出入口３２ａ、４２ａは、フレーム３１、４１の内部に開放されているが、図５について前述したように、出入口５２ａ、６２ａ、及び出入口７２ａ（図６参照）は閉鎖されている。図示しないが、ポート１３ａでは、同様に出入口３３ａ、４３ａはフレーム３１、４１の内部に開放され、出入口５３ａ、６３ａ及び出入口７３ａは閉じられている（図５、図６参照）。従ってポート１２ａから流体を供給すると、その流体はフレーム３１、４１の内部を流通してポート１３ａから排出される。

一方ポート１４ａでは、図２及び図５から理解されるように、出入口３４ａ、４４ａは閉鎖され、出入口５４ａ、６４ａは開放されている。対応するポート１５ａでも、出入口３５ａ、４５ａは閉鎖され、出入口５５ａ、６５ａは開放されている。そのためポート１４ａから供給された流体はフレーム５１、６１の内部を流通して出入口１５ａから排出される。従って前記ポート１２ａとポート１４ａから、温度の異なる別の流体をそれぞれ供給すると、隔離板７０を介して熱交換が可能となる。

このとき、ポート１２ａから例えば液化ガスの燃焼ガスのような水蒸気を含む排ガスを供給し、ポート１４ａから常温水を供給すると、燃焼ガスが冷却されると共に水蒸気が相変換して水となり、同時に大きな潜熱を放出して常温水に伝熱するため、排ガスからエネルギを回収することができる。この回収効率を高めるため、図７に示したようなパターンを用いると排ガスの流れに対してほぼ直角なリブが排ガスに乱流を生じさせ、他方の流体例えば常温水との熱交換効率を高めることができる。

上記のような熱交換の際に排ガスから分離された水が熱交換器内に滞留すると熱交換効率を低下させる。そこで、図１３に示すようなスペーサを用いて水の排出を促進させるのが好ましい。図示のように、スペーサ９０は、板状エレメント３０、４０と輪郭が同一でフレーム９１に取り囲まれた中央部分に長方形の開口９２が設けられている。この開口９２を幅方向に横断するように、狭い間隔で一対の直線的誘導リブ９１ａ、９１ｂ及び誘導リブ９１ｃ、９１ｄがフレーム９１の側桁を連結している。なお、この誘導リブは必要に応じて設ければよく、その数も図の二対に限らず一本またはそれ以上であればいずれでもよい。また、フレーム９１の両端部分は比較的幅広にしてあるが、この幅も任意に選択可能である。図中、符号９６ａ、９６ｂ、９７ａ、９７ｂ、９８ａ、９８ｂ、９９ａ、９９ｂは、側板１０のガイド片１２、１３、１４、１５にそれぞれ係合するガイド突起である。

上記スペーサ９０のフレーム９１の側桁の幅Ｗ_２は、前記板状エレメント３０、４０のフレーム３１、４１の側桁の幅Ｗ_１よりも狭くしてある。そして、板状エレメント３０、４０のフレーム３１、４１の側桁には、前記スペーサ９０の誘導リブ９１ａ、９１ｂ及び９１ｃ、９１ｄの両端に対応して、切欠き３１ａ、３１ｂ及び３１ｃ、３１ｄと、切欠き４１ａ、４１ｂ及び４１ｃ、４１ｄが設けられている。これらの切欠きの深さは、丁度スペーサ９０のフレーム９１の側桁の幅Ｗ_２に達するようにしてある。即ち切欠き部分のフレーム３１、４１の幅は、フレーム９１の幅Ｗ_２と同一幅にしてある。

このような、スペーサ９０を板状エレメント３０と４０との間に挟み込む。その状態が図１４及び図１５に示されている。図示のように、板状エレメント３０と４０に挟み込まれたスペーサ９０のフレーム９１の側桁は、その幅Ｗ_２が板状エレメントのフレーム３１と４１の側桁の幅Ｗ_１よりも狭いため、収集溝１００が形成される。そして一対の誘導リブ９１ａ、９１ｂを設けた個所では、前記収集溝１００が塞がれてしまうため、切欠き３１ｂ、４１ｂを設けて流通可能にしている。即ち切欠き３１ｂ、４１ｂの長さを誘導リブ９１ａと９１ｂの外側縁間の距離Ｗ_３よりも長くすることによって、収集溝１００との間に隙間が生じ、図１５の矢印で示すように、その隙間から誘導リブ９１ａ、９１ｂの側面を通って隣接する収集溝１００に流通する。

図１６に示すように、上記のようなスペーサ９０を挟み込んだ板状エレメント３０、４０と、図５の板状エレメント５０、６０を隔離板７０を介して積層し、側板１０と２０で挟持して接合し熱交換器を形成する。この熱交換器のエレメント３０、４０に例えば水蒸気を含む排ガスを供給し、エレメント５０、６０に例えば常温水を供給すると、排ガスと常温水との熱交換の結果、排ガスから水が分離される。この水は、ガス圧によりリブ３２、４２を伝って両側の収集溝１００に集められる。また、誘導リブ９１ａ、９１ｂ及び９１ｃ、９１ｄを伝って収集溝１００に集められる。このため分離された水が滞留することがなく、速やかに排出される。

図１７は、前記ポート１２ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａにそれぞれパイプ８２、８３、８４、８５を接続した熱交換器の完成状態を示している。勿論、いずれのパイプを供給用とし、いずれのパイプを排出用としてもよい。但し、パイプ８２と８３、パイプ８４と８５は対応させなければならない。

図１１及び図１６には、一対の板状エレメント３０、４０及び板状エレメント５０、６０を、隔離板７０を介在させて積み重ねた状態が示されているが、勿論板状エレメント５０、６０の上にさらに隔離板７０を介在させて板状エレメント３０、４０を積み重ねてもよく、またさらにその上に隔離板７０を介して板状エレメント５０、６０を積み重ねていくことができる。即ち図１１及び図１６は、別の流体を流通させる一対の板状エレメントを二段重ねにしたものであるが、二段以上重ねることができる。

また、隔離板７０とそれぞれの板状エレメントを一体にしておくことができる。その場合には、流体通路のパターンは溝の形態となり、リブ３２等はそれらの溝を区別する畝となる。そして、溝を形成した面を対向させて積み重ねていくことになる。勿論、板状エレメントの両面に溝を形成することができる。

つぎに第二の実施形態について説明する。この場合において、側板（図示省略）は第一の実施形態とほぼ同じであるから説明を省略する。

図１８に流体通路を形成する板状エレメントを示す。図示のように、一つの流体通路を形成するため、全体として平坦な第１の板状エレメント１１０と第２の板状エレメント１２０が用いられる。

前記第１の板状エレメント１１０は、図１８（イ）に示すように、前記側板（図示省略）と実質的に同じ輪郭をした同サイズのフレーム１１１にほぼ全周がとり囲まれ、このフレーム１１１内で一定のパターンの流体通路を形成するための区画リブ１１２がフレーム１１１に支持され、リブ１１２以外のパターン部分は空隙になっている。これらのリブ１１２は、表面裏面共に平坦になっており、フレーム１１１と同一平面を形成している。図示のように、これらのリブ１１２は、板状エレメント１１０の長さ方向に全体としてほぼ波形模様を画くように配列され、かつ各リブ１１２は階段状に屈曲され、流体に対してほぼ直角な障壁を形成している。

図１８（ロ）に示すように、第２の板状エレメント１２０は、前記第１の板状エレメント１１０とほぼ同形同サイズであるが、リブ１２２によるパターンが異なり、幅方向に正反転したパターンになっている。そして出入口１２４ａ、１２４ｂ近辺では、リブ１２２と前記リブ１１２が重なり合うようになっている。なお、図１８中、符号１１１ａ、１１１ｂは、位置確認用貫通孔である。また、符号１１３ａ、１１３ｂ、１２３ａ、１２３ｂは、リブ１１２、１２２に対して閉鎖された出入口である。

前記第１及び第２板状エレメント１１０、１２０の開放された出入口１１４ａ、１１４ｂ、１２４ａ、１２４ｂに臨むリブ１１２，１２２の端部は図示のように、端部相互を結ぶ想像線が、外側に凸の円弧を描くように形成されている。

また、開放された出入口１１４ａ、１１４ｂ、１２４ａ、１２４ｂおよび閉鎖された出入口１１３ａ、１１３ｂ、１２３ａ、１２３ｂには、図１８に示されるように、開口端から内側方向に突出するガイド突起およびガイド段１１５ａ、１１５ｂ、１１６ａ、１１６ｂ、１２５ａ、１２５ｂ、１２６ａ、１２６ｂが設けられている。これらは第一の実施形態と同様、側板のガイド片の両側にスライド係合させるためのものである。

図１９に、異なった流体の流体通路を互に隔離して熱交換膜となる隔離板１３０を示す。図示のように、隔離板１３０は、板状エレメント１１０，１２０と輪郭が同じで同サイズの一枚の平坦な板状体１３１より成り、閉鎖された出入口１３２ａ、１３２ｂ、１３３ａ、１３３ｂが設けられている。この内、出入口１３３ａ、１３３ｂは図示のように、外側に凸の円弧を描くように形成されている。また、これらの出入口１３２ａ、１３２ｂ、１３３ａ、１３３ｂの開口端にはガイド突起およびガイド段１３４ａ、１３４ｂ，１３５ａ、１３５ｂがそれぞれ設けられている。１３１ａ、１３１ｂは位置確認用貫通孔である。

図２０に別の流体通路を形成する板状エレメントを示す。図示のように、一つの流体通路を形成するため、全体として平坦な第１の板状エレメント１４０と第２の板状エレメント１５０が用いられる。

前記第１の板状エレメント１４０は、図２０（イ）に示すように、前記板状エレメント１１０、１２０と同形同サイズのフレーム１４１を有し、流体通路を区画するリブ１４２は、く字形をほぼ平行に配置した縞模様になっている。そして出入口１４４ａ、１４４ｂは、流体通路に対して閉鎖され、出入口１４３ａ、１４３ｂは開放されている。閉鎖された出入口１４４ａ、１４４ｂの端部は図示のように、外側に凸の円弧を描くように形成されている。その他の構造は、前記板状エレメント１１０，１２０と全く同じである。図中、符号１４５ａ、１４５ｂ，１４６ａ、１４６ｂはガイド突起およびガイド段である。また、符号１４１ａ、１４１ｂは位置決め確認用貫通孔である。

図２０（ロ）に示す第２の板状エレメント１５０は、フレーム１５１に囲まれたリブ１５２が形成するパターンを第１の板状エレメント１４０と長さ方向に逆にしたものである。その他の構造は、第１の板状エレメント１４０と同様である。図中、符号１５４ａ、１５４ｂは端部が円弧状の閉鎖された出入口、１５３ａ、１５３ｂは開放された出入口、１５５ａ、１５５ｂ，１５６ａ、１５６ｂはガイド突起およびガイド段である。また、符号１５１ａ、１５１ｂは位置決め確認用貫通孔である。

いま、図１８（イ）に示す第１の板状エレメント１１０の上に、図１８（ロ）に示す第２の板状エレメント１２０を重ね合せて密着させると、図２１（イ）に示すようなパターンが出来上る。そして、第１、第２の板状エレメント１１０，１２０単独では、図１８から明らかなように、リブ１１２、１２２で区画されるほとんどの流体通路は、出入口１１４ａ、１１４ｂ，１２４ａ、１２４ｂから行き留まりになっているが、エレメント１１０と１２０を重ね合せると、流体通路が交差することによって一端から他端までの流体の流通が可能となる。

即ち、リブ１１２、１２２が重なり合っている個所では、リブ１１２と１２２の合計厚みがフレーム１１１と１２１の合計厚みに等しいから、流体の流通が阻止されるが、リブ１１２と１２２のいずれか一方のみしか存在しない個所では、フレーム１１１と１２１の合計厚みの半分しかないから空隙が生じ、流体の流通が許容される。従って、このような空隙が出入口１１４ａ、１２４ａから出入口１１４ｂ、１２４ｂまで連通するようなパターンを選択すれば、一方の出入口１１４ａ、１２４ａから流体を供給すると、他方の出入口１１４ｂ、１２４ｂから排出されることになる。

特に図２１に示すパターンの場合、リブ１１２、１２２が、流体の流れに対してほぼ直角になる部分が多いため、乱流を生じさせるのに有効である。この場合、図示のように枝分かれした流体流通路のそれぞれのサイズは、非常に小さいが、このようにすれば、高温高圧の超臨界状態の流体が、この流通路に流入した場合にも、圧力が下がらず、超臨界状態を一定程度保つことができるため、熱交換の効率が非常によいものとなる。なお、特に高い熱交換効率が要請される流体の例としては、ヒートポンプに用いる二酸化炭素冷媒が挙げられる。このような枝分かれした流通路の断面形状は、図２０（ロ）に示すごとくであるが、流通路は、おおよそ幅ｄ_１が０．７ｍｍ、高さｄ_２が０．６ｍｍ位のサイズである。

図２０に示す板状エレメント１４０，１５０は、くの字型リブ１４２、１５２で区画される流体通路がエレメント単独では全て行き留まりになっているが、図２２に示すように第２の板状エレメント１５０の上に第１の板状エレメント１４０を密着して重ね合せると、出入口１４３ａ，１５３ａから出入口１４３ｂ、１５３ｂまで流体の連通路が形成され、出入口１４３ａ、１５３ａに流体を供給すると、その流体は出入口１４３ｂ、１５３ｂから排出される。

上記のようにして重ね合せた一対の板状エレメントを利用して板状熱交換器を作製する。まず、ガイド片を折り曲げた側板の、これらガイド片をガイドとしながら、図２１、図１９、図２２の順序で側板に板状エレメント１１０と１２０、隔離板１３０、板状エレメント１４０と１５０を重ね合せてゆく。そして、最後にガイド片のない側板をガイド片の端面（最上端面）の上に載せる。また、各ガイド片に設けられたポートには、短いパイプ１６０の一端部を圧入しておく。

このようなアセンブリを形成し、各側板で板状エレメント１１０、１２０、１４０、１５０及び隔離板１３０が互に圧着するように強固に挟持し、高温加熱炉中で加熱して拡散接合すると板状熱交換器が得られる。勿論、側板や板状エレメント及び隔離板の接合面にろう材ペーストを塗工しておいて加熱炉に装填し、接合することもできる。

いま、図２３のように、板状エレメント１１０，１２０により形成される流体流通路に、その出入口１１４ａ、１２４ａに圧入されたパイプ１６０から流体を流入させると、流体流通路の入口付近においては、リブ１１２，１２２の端部が、その端部同士を結ぶ想像線が、外側に凸の円弧を描くように形成されているため、図示の矢印のごとく、流体が流通路の隅部にスムーズに流れ込み、流通路全体に満遍なく広がる。その結果、熱交換の効率が非常によいものとなる。

上記側板、板状エレメント、隔離板及びスペーサの材料は、流体の温度に応じた耐熱性を有すればよく、スチール、ステンレススチール、アルミニウム、銅などの金属、セラミックス、合成樹脂などを用いることができる。特に、隔離板は、熱伝導率の良好な材料が好ましく、その点では金属薄膜が好適である。なお、これらの板状体の形状は、図示のほぼ長方形ばかりでなく、楕円形、長円形、多角形など種々選択可能である。また、流体は、２種類以上を供給可能にすることができる。その場合には、流体を供給・排出するポートを付加すればよい。そして、そのポートに対して流体を流通させるべき板状エレメントの出入口を開放し、他の板状エレメントの出入口を閉鎖しておけばよい。さらに、ポートを有するガイド片を両側板に形成することもできる。

熱交換器の側板を示す平面図 図１の熱交換器の板状エレメントを示す平面図 板状エレメントの流体の出入口を示す正面図 板状エレメントの出入口の開口部と側板のガイド片との関係を示す部分拡大平面図 他の板状エレメントを示す平面図 熱交換膜となる隔離板を示す平面図 図２の板状エレメントを重ね合せた状態を示す平面図 図５の板状エレメントを重ね合せた状態を示す平面図 側板のガイド片を起ち上がらせた状態を示す正面図 熱交換器を形成する順序を示す平面図 熱交換器の板状体を積み重ねた状態を示す正面図 熱交換器のポートの一つを示す部分拡大正面図 スペーサを示す平面図 板状エレメントでスペーサを挟み込んだ状態を示す平面図 板状エレメントでスペーサの誘導リブの部分を挟み込んだ状態を示す部分拡大斜視図 熱交換器の板状体を積み重ねた状態を示す正面図 熱交換器の完成平面図 他の熱交換器の板状エレメントを示す平面図 熱交換膜となる隔離板を示す平面図 他の板状エレメントを示す平面図 （イ）は図１８の板状エレメントを重ね合せた状態を示す平面図、（ロ）はそのＡ−Ａ断面図 図２０の板状エレメントを重ね合せた状態を示す平面図 入口付近における流体の流通を示す図

符号の説明

１０ 第１の側板
１１ 板状体
１１ａ、１１ｂ 膨出部
１１ｃ、１１ｄ 貫通孔
１２、１３、１４、１５ ガイド片
１２ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａ ポート
１２ｂ、１３ｂ、１４ｂ、１５ｂ ハーフカット線
２０ 第２の側板
２１ 板状体
２１ａ、２１ｂ 膨出部
２１ｃ、２１ｄ 貫通孔
３０ 第１の板状エレメント
３１ フレーム
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ 切欠き
３１ｅ、３１ｆ 貫通孔
３２ リブ
３３ 支持板
３２ａ、３３ａ 開放された出入口
３４ａ、３５ａ 閉鎖された出入口
３６ａ、３６ｂ、３７ａ、３７ｂ、３８ａ、３８ｂ、３９ａ、３９ｂ ガイド突起
４０ 第２の板状エレメント
４１ フレーム
４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ 切欠き
４１ｅ、４１ｆ 貫通孔
４２ リブ
４３ 支持板
４２ａ、４３ａ 開放された出入口
４４ａ、４５ａ 閉鎖された出入口
４６ａ、４６ｂ、４７ａ、４７ｂ、４８ａ、４８ｂ、４９ａ、４９ｂ ガイド突起
５０ 第１の板状エレメント
５１ フレーム
５１ｃ、５１ｄ 貫通孔
５２ リブ
５２ａ、５３ａ 閉鎖された出入口
５４ａ、５５ａ 開放された出入口
５６ａ、５６ｂ、５７ａ、５７ｂ、５８ａ、５８ｂ、５９ａ、５９ｂ ガイド突起
６０ 第２の板状エレメント
６１ フレーム
６１ｃ、６１ｄ 貫通孔
６２ リブ
６２ａ、６３ａ 閉鎖された出入口
６４ａ、６５ａ 開放された出入口
６６ａ、６６ｂ、６７ａ、６７ｂ、６８ａ、６８ｂ、６９ａ、６９ｂ ガイド突起
７０ 隔離板
７１ 板状体
７２ａ、７３ａ、７４ａ、７５ａ 閉鎖された出入口
７６ａ、７６ｂ、７７ａ、７７ｂ、７８ａ、７８ｂ、７９ａ、７９ｂ ガイド突起
８２、８３、８４、８５ パイプ
９０ スペーサ
９１ フレーム
９１ａ、９１ｂ、９１ｃ、９１ｄ 誘導リブ
９２ 開口
９６ａ、９６ｂ、９７ａ、９７ｂ、９８ａ、９８ｂ、９９ａ、９９ｂ ガイド突起
１００ 収集溝
１１０ 第一の板状エレメント
１１１ フレーム
１１１ａ、１１１ｂ 位置確認用貫通孔
１１２ リブ
１１３ａ、１１３ｂ 閉鎖された出入口
１１４ａ、１１４ｂ 開放された出入口
１１５ａ、１１５ｂ、１１６ａ、１１６ｂ ガイド突起およびガイド段
１２０ 第二の板状エレメント
１２１ フレーム
１２１ａ、１２１ｂ 位置確認用貫通孔
１２２ リブ
１２３ａ、１２３ｂ 閉鎖された出入口
１２４ａ、１２４ｂ 開放された出入口
１２５ａ、１２５ｂ、１２６ａ、１２６ｂ ガイド突起およびガイド段
１３０ 隔離板
１３１ 板状体
１３１ａ、１３１ｂ 位置確認用貫通孔
１３２ａ、１３２ｂ、１３３ａ、１３３ｂ 閉鎖された出入口
１３４ａ、１３４ｂ、１３５ａ、１３５ｂ ガイド突起およびガイド段
１４０ 第一の板状エレメント
１４１ フレーム
１４１ａ、１４１ｂ 位置確認用貫通孔
１４２ リブ
１４３ａ、１４３ｂ 開放された出入口
１４４ａ、１４４ｂ 閉鎖された出入口
１４５ａ、１４５ｂ、１４６ａ、１４６ｂ ガイド突起およびガイド段
１５０ 第二の板状エレメント
１５１ フレーム
１５１ａ、１５１ｂ 位置確認用貫通孔
１５２ リブ
１５３ａ、１５３ｂ 開放された出入口
１５４ａ、１５４ｂ 閉鎖された出入口
１５５ａ、１５５ｂ、１５６ａ、１５６ｂ ガイド突起およびガイド段
１６０ パイプ
Ａ_１ 、Ａ_２ 流体通路
Ｂ 行き留まり
Ｃ リブの欠除部分
Ｗ_１ 、Ｗ_２ フレームの側桁の幅
Ｗ_３ 一対の誘導リブの外面間の距離
ｄ_１ 流通路の幅
ｄ_２ 流通路の高さ

Claims (8)

1. 一対の側板によって、複数の流体がそれぞれ別個に流通可能な流体通路を形成する複数の板状エレメントを重ね合せて気密に挟持した板状熱交換器において、少なくとも一対の板状エレメントの流体通路を区画する多数のリブが流体の流れ方向に対してほぼ直角になる階段状に形成されていることを特徴とする板状熱交換器。
2. 上記多数のリブが全体としてほぼ波形に配列されている請求項１に記載の板状熱交換器。
3. 上記少なくとも一対の板状エレメントを重ね合わせることにより形成される、上記多数のリブにより区画された複数の流体通路の各々の高さ（ｈ）および幅（ｗ）が以下の寸法を満足する請求項１または２に記載の板状熱交換器。
   ・ ２ｍｍ≦ｈ≦０．８ｍｍ、０．２ｍｍ≦ｗ≦２．０ｍｍ
4. 上記多数のリブの流体入口側のそれぞれの端部を、前記端部相互を結ぶ想像線が、外側に凸の円弧を描くように形成した請求項１から３のいずれかに記載の板状熱交換器。
5. 上記リブは周囲を取り囲むフレームによって支持され、このフレームの対向する側桁の内面に流体の流れ方向に延びる液体収集溝が形成された請求項１から４のいずれかに記載の板状熱交換器。
6. 上記板状エレメントのフレームの側桁の幅よりもスペーサのフレームの側桁の幅を狭くした一対の板状エレメントにスペーサを挟み込むことにより前記収集溝を形成した請求項５に記載の板状熱交換器。
7. 上記スペーサの対向する側桁間を液体誘導リブで連結した請求項６に記載の板状熱交換器。
8. 一対の側板の一方にガイド片をほぼ直角に起ち上げ、前記ガイド片に沿って複数の板状エレメントとスペーサ及び流体通路を隔離する隔離板を積み重ね、他方の側板をその上に載置して前記一方の側板と共に前記板状エレメントとスペーサ及び隔離板を互に密着させ、気密に接合する請求項１から７のいずれかに記載の板状熱交換器の製造方法。

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