JP2007113821A - 積層型熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】交換熱量を十分に増加させるとともに、圧力損失を十分に低減させることができる積層型熱交換器を提供する。
【解決手段】複数のプレート１９、２０が積層されて構成され、プレート間に、高温流体が流れる複数の高温流体通路層１７と、高温流体と熱交換を行う低温流体が流れる複数の低温流体通路層１８とが交互に積層配置されており、プレートの長手方向両端側を鉛直方向に貫通し、各段の高温流体通路層１７に連通する高温流体連通路１４を備えた積層型熱交換器１０であって、プレート１９、２０は、高温流体連通路１４の周辺領域に波状部１１ａ，１１ｂを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、オイルクーラやＥＧＲクーラ等の積層型熱交換器に関し、特に、交換熱量を増加させるとともに、圧力損失を低減させることが可能な積層型熱交換器に関する。

近年、積層型熱交換器としては、例えば、複数のプレートが積層されて構成され、プレート間に、高温流体（例えば、オイルやＥＧＲガス等）が流れる複数の高温流体通路層と、高温流体と熱交換を行う低温流体（例えば、冷却水等）が流れる複数の低温流体通路層とが交互に積層配置されており、さらにプレートの長手方向両端側を鉛直方向に貫通するとともに、各段の高温流体通路層に連通する高温流体連通路を備えたものがある（特許文献１〜３参照）。但し、積層型熱交換器には、ケーシングを備えたもの及びケーシングを備えていないものを双方含むものとし、以下の説明ではケーシングを備えていないものについて例示している。

かかる積層型熱交換器にあっては、プレートの長手方向両端側が平面状に成形されていて、高温流体通路層を構成する上下プレート間には、補強部材の一種であるリンフォースが設けられ、他方、低温流体通路層を構成する上下プレート間には、高温流体連通路が形成されたスペーサが設けられている。これらはプレートの長手方向両端側を補強する補強部材として機能している。また、かかる積層型熱交換器にあっては、高温流体通路層にフィンが設けられ、低温流体通路層に柱状のエンボスが設けられているものもあり、これらは高温流体連通路で挟まれたプレート中央部の補強部材として機能している。

ところが、上記のリンフォースは、高温流体が流れる領域を制限してしまうため、高温流体連通路の周辺領域には高温流体が流れにくくなる。一方、上記のスペーサは、低温流体が流れる領域を制限してしまうため、高温流体連通路の周辺領域には低温流体が流れにくくなる。そのため、高温流体と低温流体との交換熱量が減少するとともに、圧力損失が増大していた。

そこで、従来、図４〜６に示すような積層型熱交換器４０が開発されている。従来の積層型熱交換器４０にあっては、前述した構成を有するとともに、リンフォース４１のスペースを縮小して、リンフォース４１とフィン４２との間の高温流体が流れる空間４３を拡大することにより、高温流体連通路４４の周辺領域に高温流体を流れやすくしている。また、高温流体連通路４４の周辺領域に低温流体を流れやすくするために、スペーサ４５の幅（ｔ）を縮小し若しくはその高さ（ｈ）を高くして、低温流体が流れる空間４６を拡大したものなども開発されている。これら従来の積層型熱交換器４０にあっては、高温流体又は低温流体の流れが改善されるようになり、両者の交換熱量を増加させるとともに、圧力損失を低減させることも一応可能となる。なお、同図における符号４７〜５２は、それぞれ、４７：高温流体通路層、４８：低温流体通路層、４９，５０：プレート、５１：エンボス、５２ａ,５２ｂ：フランジ、を示すものである。
実開昭６１−１６５３７５号公報 実開昭６３−１５９６８４号公報 実開平６−６５７７４号公報

しかしながら、従来の積層型熱交換器であっても、交換熱量を十分に増加させるとともに、圧力損失を十分に低減させることが困難であった。

すなわち、従来の積層型熱交換器４０にあっては、プレート４８,４９の長手方向両端側が平面状に成形されているが故に耐圧性が低い。そのため、高温流体の流れを改善するために、リンフォース４１のスペースを縮小しすぎると、高温流体の圧力変動によりプレート４８，４９の膜振動などを誘発して破損に至ることがあった。従って、リンフォース４１のスペースを縮小するには限度があり、リンフォース４１を完全に廃止することができなかった。その結果、前述した空間４３の領域や形状が著しく制限されてしまい、高温流体の流れを改善するには限界があった。

一方、低温流体の流れを改善するために、スペーサ４５の幅（ｔ）を縮小し若しくはその高さ（ｈ）を高くしすぎると、スペーサ４５の補強機能が低下してしまう。その結果、低温流体による圧力変動の影響を受けて、プレート４８,４９の破損に至ることもあった。従って、スペーサ４５の幅（ｔ）を縮小し若しくは高さ（ｈ）を高くするには限度があり、前述した空間４６の領域や形状が著しく制限されるため、低温流体の流れを改善するには限界があった。

以上のように、従来の積層型熱交換器４０にあっては、高温流体及び低温流体の流れを改善するには限界があり、そのため交換熱量を増加させるとともに、圧力損失を低減させることについても限界があった。従って、交換熱量を十分に増加させるとともに、圧力損失を十分に低減させることが困難であった。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、交換熱量を十分に増加させるとともに、圧力損失を十分に低減させることができる積層型熱交換器を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、複数のプレートが積層されて構成され、前記プレート間に、高温流体が流れる複数の高温流体通路層と、前記高温流体と熱交換を行う低温流体が流れる複数の低温流体通路層とが交互に積層配置されており、前記プレートの長手方向両端側を鉛直方向に貫通し、各段の前記高温流体通路層に連通する高温流体連通路を備えた積層型熱交換器であって、前記プレートは、前記高温流体連通路の周辺領域に波状部を備えたことを特徴とする。

本発明の波状部は、熱応力を吸収する構造であり、リンフォース及びスペーサに代替し得る程度の補強機能を有する。そのため、従来の限界を超えてリンフォースのスペースを縮小若しくは廃止することが可能となり、高温流体の流れが改善される。また、従来の限界を超えてスペーサの幅を縮小し若しくはその高さを高くすることも可能となり、低温流体の流れが改善される。従って、高温流体と低温流体との交換熱量を十分に増加させるとともに、圧力損失を十分に低減させることができる。

また、本発明において、前記波状部は、前記長手方向の断面が略波形であることを特徴とする。

また、本発明において、前記高温流体通路層を構成する上下プレート間には、前記波状部で挟まれた空間が形成されていることを特徴とする。

また、本発明において、前記低温流体通路層を構成する上下プレート間には、前記高温流体連通路を囲繞するように立設した壁面部を相互に接合して接続ポートが形成されているとともに、前記波状部で挟まれた空間が形成されていることを特徴とする。

本発明の接続ポートは、スペーサに代替し得る程度の補強機能を有するとともに、高温流体を各高温流体通路層に分配する機能を兼ね備えている。そのため、従来の限界を超えてスペーサを廃止することが可能となり、低温流体の流れがよりいっそう改善される。従って、高温流体と低温流体との交換熱量を十分に増加させるとともに、圧力損失を十分に低減させることができる。

本発明によれば、積層型熱交換器において、交換熱量を十分に増加させるとともに、圧力損失を十分に低減させることができる。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図１は本実施形態における積層型熱交換器を示す分解斜視図、図２は高温流体通路層を示す拡大平面図、図３は積層型熱交換器を示す長手方向一部断面図である。

図１〜３に示す積層型熱交換器１０は、複数のプレート１９、２０が積層されて構成され、各プレート間に、高温流体が流れる複数の高温流体通路層１７と、高温流体と熱交換を行う低温流体が流れる複数の低温流体通路層１８とが交互に積層配置されており、プレート１９、２０の長手方向両端側を鉛直方向に貫通するとともに、各段の高温流体通路層１７に連通する高温流体連通路１４を備えている。また、高温流体通路層１７にはフィン１２が設けられ、低温流体通路層１８にエンボス２１が設けられている。これらは高温流体連通路１４で挟まれたプレート中央部を補強する補強部材として機能する。なお、最上段のプレート１９には、フランジ２２ａ,２２ｂが取り付けられている。

各プレート１９、２０には、高温流体連通路１４の周辺領域に波状部１１ａ，１１ｂが設けられており、この波状部１１ａ，１１ｂは、いずれも長手方向の断面が略波形に形成されている。より具体的には、波状部１１ａ，１１ｂは、それぞれ平板のプレート１９、２０を折り曲げて山と谷を繰り返すように成形されており、長手方向両端側から中央部側に向けて波の振幅及び周期がほぼ一定となるように構成されている。但し、本発明の波状部は、プレートの長手方向両端側を補強する機能を備えたものであれば、かかる形態に限定されるものではなく、例えば、長手方向両端側から中央部側に向けて次第に波の振幅が増大するとともに、その波の周期が長くなるように構成してもよい。

そして、高温流体通路層１７を構成する上下プレート間には、長手方向両端側に波状部１１ａ,１１ｂで挟まれた空間１３が形成されており、この空間１３には、前述したリンフォースが設けられていない（図３参照）。そのため、高温流体が流れやすくなる。但し、本発明は、リンフォースを廃止した構成に限定されるものではなく、従来の限界を超えてリンフォースのスペースを縮小した形態を含むものである。その場合には、波状部を長手方向両端側の全域に設けることなく、リンフォースを縮小して形成されたスペースにのみ設けておくことにより、高温流体の流れを十分に向上させることが可能である。

一方、低温流体通路層１８を構成する上下プレート間には、波状部１１ａ,１１ｂで挟まれた空間１６が形成されており、この空間１６には、前述したスペーサの代わりに接続ポート１５が形成されている。接続ポート１５は、高温流体連通路１４を囲繞するように形成されており、各プレート１９、 ２０に設けた壁面部１５ａ,１５ｂを相互に接合したものである。より具体的には、上下プレート２０、１９に、それぞれ高温流体連通路１４を囲繞するように立設した壁面部１５ａ,１５ｂを設けておき、これらの壁面部１５ａ,１５ｂを相互に突き合わせて一体ろう付けし、或いは相互に嵌合させて接合したものである。

かかる接続ポート１５は、その内部に高温流体連通路１４が形成されており、スペーサと同様、高温流体を各段の高温流体通路層１７に分配する機能を備えている。接続ポート１５の幅（Ｔ）及び高さ（Ｈ）は、低温流体の流れを改善し、かつ耐久性を保持し得る範囲内で適宜設計することとする。なお、空間１６は、接続ポート１５の高さＨを適宜設計し、前述した空間１３とほぼ同じ容量となるまで上下に拡大することも可能である。その場合には、空間１６の低温流体の流れがよりいっそう改善され、高温流体との交換熱量が増加するとともに、圧力損失が低減することとなる。

以上の構成によれば、高温流体の流れを阻害するリンフォースを廃止するとともに、低温流体の流れを阻害するスペーサを廃止することが可能となる。すなわち、本発明の構成は、波状部１１ａ,１１ｂ及び接続ポート１５を付加したものであるが、これらは前述したようにリンフォース及びスペーサに代替し得る機能を兼ね備えている。従って、リンフォース及びスペーサを廃止した構成が許容される。そして、リンフォース及びスペーサを廃止した領域には、波状部１１ａ,１１ｂで挟まれた広い空間１３、１６が形成されるようになり、高温流体及び低温流体が流れるスペースが拡大することとなる。また、リンフォース及びスペーサを廃止した領域には、新たに波状部１１ａ,１１ｂ及び接続ポート１５を設けているが、これらは高温流体及び低温流体の流れを阻害しにくい構造となっている。そのため、高温流体及び低温流体の流れが改善されて、両者の交換熱量が十分に増加するとともに（例えば、約２０％増加）、圧力損失が十分に低減する（例えば、約３０％低減）。

本実施形態における積層型熱交換器を示す分解斜視図である。 本実施形態における高温流体通路層を示す拡大平面図である。 本実施形態における積層型熱交換器を示す長手方向一部断面図である。 従来技術における積層型熱交換器を示す分解斜視図である。 従来技術における高温流体通路層を示す拡大平面図である。 従来技術における積層型熱交換器を示す長手方向一部断面図である。

符号の説明

１０ 積層型熱交換器
１１（１１ａ,１１ｂ） 波状部
１３ （高温流体用）空間
１５ 接続ポート
１６ （低温流体用）空間

Claims (4)

1. 複数のプレートが積層されて構成され、前記プレート間に、高温流体が流れる複数の高温流体通路層と、前記高温流体と熱交換を行う低温流体が流れる複数の低温流体通路層とが交互に積層配置されており、前記プレートの長手方向両端側を鉛直方向に貫通し、各段の前記高温流体通路層に連通する高温流体連通路を備えた積層型熱交換器であって、
   前記プレートは、前記高温流体連通路の周辺領域に波状部を備えたことを特徴とする積層型熱交換器。
2. 請求項１に記載の積層型熱交換器において、
   前記波状部は、前記長手方向の断面が略波形であることを特徴とする積層型熱交換器。
3. 請求項１又は２に記載の積層型熱交換器において、
   前記高温流体通路層を構成する上下プレート間には、前記波状部で挟まれた空間が形成されていることを特徴とする積層型熱交換器。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の積層型熱交換器において、
   前記低温流体通路層を構成する上下プレート間には、前記高温流体連通路を囲繞するように立設した壁面部を相互に接合して接続ポートが形成されているとともに、前記波状部で挟まれた空間が形成されていることを特徴とする積層型熱交換器。
   
   

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