JP2012220118A - 熱伝達モジュール、熱交換器用プレートアセンブリおよび熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】ろう付けを行うことなく製造可能な熱伝達モジュール、熱交換器用プレートアセンブリおよび該熱交換器用アセンブリを使用した熱交換器を提供する。
【解決手段】本発明の熱伝達モジュール２０は、外周部に第一巻締部３３が形成された第一プレート３０と、外周部に第二巻締部４３が形成された第二プレート４０と、を重ねて配置し、第一巻締部３３と第二巻締部４３とを二重巻き締めして接合され、内部に第一流路が形成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、熱伝達モジュール、熱交換器用プレートアセンブリおよび熱交換器に関するものである。

従来、一対の金属プレートからなる熱伝達モジュールを複数重ね合わせた、いわゆるプレート型熱交換器では、熱伝達モジュールの内側に第一流路を形成し、各熱伝達モジュールの間に第二流路を形成している。

このようなプレート型熱交換器として、例えば、第一プレートの端部で第二プレートの端部を挟み込むように巻締めし、巻締めされる第二プレートの両面にそれぞれ異なるろう材を使用してろう付け接合した熱交換器が開示されている（例えば特許文献１参照）。

また、熱伝達モジュールを構成する第一プレートと第二プレートの表面にそれぞれ形成された波形部の山と谷、および互いに隣り合う熱伝達モジュールの波形部の山と谷とをそれぞれろう付け接合するとともに、第一プレートと第二プレートの両端部に形成された第一バーリング部および第二バーリング部を、それぞれ第一貫通孔および第二貫通孔にろう付け接合した熱交換器が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００２−２４３３８５号公報 特開２００６−１７７６３７号公報

しかしながら、特許文献１および２の熱交換器では、ろう付けの際温度を上昇させるため、プレート材料が軟化し、組織に変化が発生するおそれがある。また、特許文献２では、第一プレートと第二プレートとの波形部交点をろう付けして流路を固定することにより熱交換を効率的に行えるものの、ろう付けした交点部に熱交換媒体通過による応力が加わり、長期間の使用により疲労劣化が生じる場合がある。このため、ろう付けを行わずに熱交換器を製造できる技術が求められていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ろう付けを行うことなく製造可能な熱伝達モジュール、熱交換器用プレートアセンブリおよび熱交換器を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる熱伝達モジュールは、外周部に第一巻締部が形成された第一プレートと、外周部に第二巻締部が形成された第二プレートと、を重ねて配置し、前記第一巻締部と前記第二巻締部とを二重巻き締めして接合され、内部に第一流路が形成されたことを特徴とする。

また、本発明にかかる熱伝達モジュールは、上記発明において、前記第一プレートは表面上で所定の方向に沿って山と谷を繰り返す波形部を備え、前記第二プレートは、前記第一プレート部の波形と交差するよう所定の方向に沿って山と谷を繰り返す波形部を備えることを特徴とする。

また、本発明にかかる熱伝達モジュールは、上記発明において、前記第一プレートおよび前記第二プレートの外形は、対向する辺が平行な略六角形をなすことを特徴とする。

また、本発明にかかる熱交換器用プレートアセンブリは、熱伝達モジュールを複数重ねてなる熱交換器用プレートアセンブリであって、前記熱伝達モジュールは、上記のいずれか一つに記載の第一プレートと、上記のいずれか一つに記載の第二プレートとを重ねて配置し、外周部にそれぞれ形成された第一巻締部と第二巻締部とを二重巻締めして接合され、前記第一プレートは、熱交換媒体の流入口に連通する端部に形成された第一バーリング加工部と、熱交換媒体の流出口に連通する他端部に形成された第一貫通部と、を備え、前記第二プレートは、熱交換媒体の流入口に連通する端部に形成された第二貫通部と、熱交換媒体の流出口に連通する他端部に形成された第二バーリング加工部と、を備え、前記第一バーリング加工部を前記第二貫通部に、前記第二バーリング加工部を前記第一貫通部にそれぞれ挿通し、巻き締めすることにより前記複数の熱伝達モジュールを接合し、接合された熱伝達モジュール間に第二流路が形成されたことを特徴とする。

また、本発明にかかる熱交換器用プレートアセンブリは、前記第二巻締部上部、ならびに前記第一バーリング加工部および前記第二バーリング加工部外周側壁部にシーリングコンパウンドが供給されることを特徴とする。

又、本発明の熱交換器は、上記に記載の熱交換器用プレートアセンブリと、前記熱交換器用プレートアセンブリを内部に収容するハウジングと、を備えることを特徴とする。

本発明にかかる、熱伝達モジュール、熱交換器用プレートアセンブリおよび熱交換器は、第一プレートの第一巻締部と第二プレートの第二巻締部とを二重巻締して熱伝達モジュールを形成するとともに、第一プレートと第二プレートの第一バーリング加工部と第二貫通部、および第二バーリング加工部と第一貫通部とを巻締めして複数の熱伝達モジュールを接合することにより、ろう付けすることなく熱交換器用プレートアセンブリを製造することができ、これによりプレート材料の軟化および組成変化を防止することが可能となる。

図１は、本発明の実施の形態にかかる熱交換器の一部切り欠き断面を有する斜視図である。 図２は、熱交換器用プレートアセンブリを構成する熱伝達モジュールの斜視図である。 図３は、第一プレートと第二プレートを重ねた熱伝達モジュールの一部を切り欠いて示す平面図である。 図４は、図１の熱交換器の一部分の断面図である。 図５は、図２の熱伝達モジュールの巻締部の接合を説明する図模式である。 図６は、第一プレートの第一バーリング加工部と第二プレートの第二貫通部との接合を説明する模式図である。 図７は、第一プレートの第一貫通部と第二プレートの第二バーリング加工部との接合を説明する模式図である。 図８は、変形例にかかる熱交換器用プレートアセンブリを構成する熱伝達モジュールの斜視図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、以下の説明において参照する各図は、本発明の内容を理解し得る程度に形状、大きさ、および位置関係を概略的に示してあるに過ぎない。すなわち、本発明は各図で例示された形状、大きさ、および位置関係のみに限定されるものではない。

まず、本発明の実施の形態にかかる熱交換器用プレートモジュールおよび熱交換器について、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態にかかる熱交換器の一部切り欠き断面を有する斜視図である。

本実施の形態にかかる熱交換器１００は、熱交換器用プレートアセンブリ１０と、熱交換器用プレートアセンブリ１０を収容するハウジング１１とを備える。図１に示すように、ハウジング１１は、熱交換器用プレートアセンブリ１０を収容する両端が開放された箱状の本体部１２と、本体部１１の開放部の一端側に形成された流入筒１３と、他端側に形成された流出筒１４とを備える。ハウジング１１は、収容する熱交換器用プレートアセンブリ１０の形状を保持する機能も有し、ステンレス鋼などから形成される。

ハウジング１１の流入筒１３には第一の熱交換媒体の流入口１５が形成される。流入口１５から熱交換器１００内に導入された第一の熱交換媒体は、熱交換器用プレートアセンブリ１０により熱交換した後、流出筒１４に形成された流出口１６から流出する。本実施の形態では、第一の熱交換媒体は、冷却する高温の空気である。

また、ハウジング１１の本体部１２の上面には、第二の熱交換媒体の流入口１７が形成される。流入口１７から熱交換器用プセートアセンブリ１０に供給された第二の熱交換媒体は、熱交換器用プレートアセンブリ１０内を通過して熱交換した後、流出口１８から流出する。本実施の形態では、第二の熱交換媒体は、冷却用媒体の水である。

次に、図２〜図４を参照して、熱交換器用プレートアセンブリ１０を説明する。図２は、熱交換器用プレートアセンブリ１０を構成する熱伝達モジュール２０の斜視図である。図３は、第一プレート３０と第二プレート４０を重ねた熱伝達モジュール２０の一部を切り欠いて示す平面図である。図４は、図１の熱交換器１００の一部分の断面図である。

熱交換器用プレートアセンブリ１０は、図２に示す熱伝達モジュール２０を複数個重ね合わせて接合することにより形成される。熱伝達モジュール２０は、第一プレート３０と第二プレート４０とからなる。第一プレート３０と第二プレート４０は、対向する辺が平行な略六角形の板状をなし、例えば、０．３ｍｍ前後のステンレス鋼板やアルミニウム板などの金属板で形成される。

第一プレート３０は、第二の熱交換媒体である冷却水の流入口１７に連通する第一バーリング加工部３１と、流出口１８に連通する第一貫通部３２と、巻締用の第一巻締部３３と、波形が形成された波形部３４と、を備える。

第一バーリング加工部３１は、第一プレート３０の端部に形成される短円筒形状をなし、第二の熱交換媒体である冷却水の流入口１７に連通する。第一貫通部３２は、第一プレート３０の他端に形成される円形の孔部をなし、第二の熱交換媒体である冷却水の流出口１８に連通する。

波形部３４は、第一プレート３０の表面の略全面に形成され、複数の山３５と谷３６とが交互に形成されている。波形部３４を形成する山３５および谷３６は、所定の方向に延伸する。

第二プレート４０は、第二の熱交換媒体である冷却水の流入口１７に連通する第二貫通部４１と、流出口１８に連通する第二バーリング加工部４２と、巻締用の第二巻締部４３と、波形に形成された波形部４４と、を備える。

第二貫通部４１は、第二プレート４０の端部であって、第一バーリング加工部３１と対応する位置に形成される円形の孔部をなす。第二バーリング加工部４２は、第二プレート４０の他端であって、第一貫通部３２と対応する位置に形成される短円筒形状をなす。第一バーリング加工部３１の外径は、第二貫通部４１の内径よりも僅かに小さく形成し、第一バーリング加工部３１を第二貫通部４１に挿入できるようにしている。同様に、第二バーリング加工部４２の外径は、第一貫通部３２の内径よりも僅かに小さく形成し、第二バーリング加工部４２を第一貫通部３２に挿入できるようにしている。

第二プレート４０の波形部４４は、第一プレート３０の波形部３４と同様に、第二プレート４０の表面の略全面に形成され、複数の山４５と谷４６とが交互に形成されている。第一プレート３０と第二プレート４０とを重ねた状態で、波形部４４を形成する山４５および谷４６の延びる方向は、波形部３４の山３５および谷３６が延びる方向と所定の角度、例えば６０°の角度をなすように、所定の方向に延伸する。

図２および図４に示すように、第一プレート３０と第二プレート４０の外周全体にわたり第一巻締部３３と第二巻締部４３とを二重巻締めすることにより熱伝達モジュール２０を形成し、第一プレート３０の谷３６と第二プレート４０の山４５により第一流路６０が形成される。

また、第一プレート３０の第一バーリング加工部３１を第二プレート４０の第二貫通部４１に挿入し、巻締めして巻締部５１を形成する。同様に、第二プレート４０の第二バーリング加工部４２を第一プレート３０の第一貫通部３２に挿入し、巻締めして巻締部５２を形成する。巻締部５１および５２により、複数の熱伝達モジュール２０を接合して熱交換器用プレートアセンブリ１０を形成し、第一プレート３０の山３５と第二プレート４０の谷４６により第二流路７０が形成される。

接合された熱伝達モジュール２０の間には、図４に示すように、第一プレート３０と第二プレート４０との間にスペーサ２３が設けられる。スペーサ２３は、流入孔２１および流出孔２２を半円状に取り囲むように設けられる。スペーサ２３は、熱伝達モジュール２０の両側方部にも設けられ、スペーサ２３およびハウジング１１により各熱伝達モジュール２０の間隔、ならびに第一流路６０および第二流路７０の間隔を適正に保つことができる。

上記のようにして形成された熱交換器用プレートアセンブリ１０を使用する熱交換器１００は、流入口１５からハウジング１１の内部に導入した高温の空気を、複数の熱伝達モジュール２０を重ねた際にできる隙間６０ａから第二流路７０に流入し、流入口１７から流入して第一流路６０に導入された冷却水と熱交換する。冷却された空気は、他端の隙間６０ａから流出して、流出口１６からハウジング１１の外に排出し、冷却水は流出口１８から排出する。

次に、第一プレート３０の第一巻締部３３と第二プレート４０の第二巻締部４３とにより形成される巻締部５３について説明する。図５は、図２の熱伝達モジュール２０の巻締部５３の接合を説明する模式図である。

まず、図５（ａ）に示すように、第一プレート３０と第二プレート４０とが重ね合わせられた後、第一プレート３０の第一巻締部３３と第二プレート４０の第二巻締部４３とを、プレス機等により下方から押圧して、第一巻締部３３と第二巻締部４３とを鉛直方向に立ち上げる（図５（ｂ）参照）。その後、第一巻締部３３と第二巻締部４３との立ち上がった部分を、第一プレート３０および第二プレート４０の板厚方向に向けてさらに曲げることによって二重巻締め（かしめ加工）を行い、巻締部５３を形成する（図５（ｃ）参照）。

続いて、各熱伝達モジュール２０（たとえば、熱伝達モジュール２０Ａと熱伝達モジュール２０Ｂ）の接合について説明する。図６は、第一プレート３０の第一バーリング加工部３１と第二プレート４０の第二貫通部４１との接合を説明する模式図である。図７は、第一プレート３０の第一バーリング加工部３１と第二プレート４０の第二貫通部４１との接合を説明する模式図である。

図６（ａ）に示すように、熱伝達モジュール２０Ａの第二プレート４０の第二貫通部４１に、熱伝達モジュール２０Ｂの第一プレート３０の第一バーリング加工部３１を挿入した後、第一バーリング加工部３１を、第二プレート４０および第一プレート３０の板厚方向に向けて押し曲げることによって巻締めを行い、巻締部５１を形成する（図６（ｂ）参照）。

同様に、図７（ａ）に示すように、熱伝達モジュール２０Ａの第二プレート４０の第二バーリング加工部４２を、熱伝達モジュール２０Ｂの第一プレート３０の第一貫通部３１に挿入した後、第二バーリング加工部４２を、第二プレート４０および第一プレート３０の板厚方向に向けて押し曲げることによって巻締めを行い、巻締部５２を形成する（図７（ｂ）参照）。

すべての熱伝達モジュール２０が巻締部５１および巻締部５２により接合されることにより、第二流路７０は、流入口１７から流入孔２１を介して連通されるとともに、流出孔２２を介して流出口１８まで連通される。なお、第一バーリング加工部３１および第二バーリング加工部４２の外周側壁部、または第一貫通部３１および第二貫通部４１の外周部にそれぞれシーリングコンパウンドを供給した後、巻締めを行うことが好ましい。

本発明の実施の形態にかかる熱交換器用プレートアセンブリ１０は、第一プレート３０の第一巻締部３３と第二プレート４０の第二巻締部４３とを二重巻締して形成した巻締部５３により熱伝達モジュール２０を形成するとともに、第一プレート３０の第一バーリング加工部３１と第二プレート４０の第二貫通部４１、および第一プレートの第一貫通部３２と第二プレート４０の第二バーリング加工部４２とをそれぞれ巻締めして複数の熱伝達モジュール２０を接合することにより、ろう付けすることなく熱交換器用プレートアセンブリ１０を製造することができる。これによりプレート材料の軟化および組成変化を防止することが可能となる。

なお、コストの削減を目的として、第一プレート３０と第二プレート４０とを同一形状とし、第二プレート４０を第一プレート３０に対し裏返した状態で接合して熱伝達モジュール２０を形成することもできるが、第二プレート４０の外形寸法を第一プレート４０の外形寸法より僅かに大きく形成して、二重巻締めの際の第一巻締部３３と第二巻締部４３との端部を揃えるように巻締部５３を形成してもよい。

また、本発明の実施の形態の変形例に係る熱交換器用プレートアセンブリを構成する熱伝達モジュールとして、図８に示す熱伝達モジュールも使用可能である。図８は、変形例にかかる熱伝達モジュール２０Ｃの斜視図である。熱伝達モジュール２０Ｃは、図８に示すように、両端にそれぞれ設けた半円状の突出部２４および２５に第一バーリング加工部３１と第一貫通部３２とをそれぞれ形成したものであり、外形のみ実施の形態の熱伝達モジュール２０と異なる。対向する辺が平行な略六角形をなす熱伝達モジュール２０は、その外形が複雑でないため、巻締部５３の形成が容易であるが、図８に示すような外形の熱伝達モジュール２０Ｃにも本発明は適用可能である。

なお、上述した熱伝達モジュール２０の外周を二重巻締めする巻締部５３、ならびに二重巻締めして流入孔２１を形成する巻締部５１および流出孔２２を形成する巻締部５２により、第一流路６０および第二流路７０を漏れなく形成することができるが、第二巻締部４３上部に、シーリングコンパウンドを供給した後、二重巻締めを行ってもよい。あるいは、第一プレート３０および第二プレート４０の上面を、ポリプロピレン等のプラスチックフィルムで被覆することによりシーリングコンパウンドの代替としてもよい。

以上のように、本発明にかかる熱伝達モジュール、熱交換器用プレートアセンブリおよび熱交換器は、耐久性を要する分野への使用に有用である。

１００ 熱交換器
１０ 熱交換器用プレートアセンブリ
１１ ハウジング
１２ 本体部
１３ 流入筒
１４ 流出筒
１５、１７ 流入口
１６、１８ 流出口
２０、２０Ｃ 熱伝達モジュール
２１ 流入孔
２２ 流出孔
２３ スペーサ
２４、２５ 突出部
３０ 第一プレート
４０ 第二プレート
３１ 第一バーリング加工部
３２ 第一貫通部
３３ 第一巻締部
３４ 波形部
４１ 第二貫通部
４２ 第二バーリング加工部
４３ 第二巻締部
４４ 波形部
５１、５３ 巻締部
６０ 第一流路
７０ 第二流路

Claims (6)

1. 外周部に第一巻締部が形成された第一プレートと、外周部に第二巻締部が形成された第二プレートと、を重ねて配置し、前記第一巻締部と前記第二巻締部とを二重巻き締めして接合され、内部に第一流路が形成されたことを特徴とする熱伝達モジュール。
2. 前記第一プレートは表面上で所定の方向に沿って山と谷を繰り返す波形部を備え、
   前記第二プレートは、前記第一プレート部の波形と交差するよう所定の方向に沿って山と谷を繰り返す波形部を備えることを特徴とする請求項１に記載の熱伝達モジュール。
3. 前記第一プレートおよび前記第二プレートの外形は、対向する辺が平行な略六角形をなすことを特徴とする請求項１または２に記載の熱伝達モジュール。
4. 熱伝達モジュールを複数重ねてなる熱交換器用プレートアセンブリであって、
   前記熱伝達モジュールは、請求項１〜３のいずれか一つに記載の第一プレートと、請求項１〜３のいずれか一つに記載の第二プレートとを重ねて配置し、外周部にそれぞれ形成された第一巻締部と第二巻締部とを二重巻締めして接合され、
   前記第一プレートは、
   熱交換媒体の流入口に連通する端部に形成された第一バーリング加工部と、
   熱交換媒体の流出口に連通する他端部に形成された第一貫通部と、を備え、
   前記第二プレートは、
   熱交換媒体の流入口に連通する端部に形成された第二貫通部と、
   熱交換媒体の流出口に連通する他端部に形成された第二バーリング加工部と、を備え、
   前記第一バーリング加工部を前記第二貫通部に、前記第二バーリング加工部を前記第一貫通部にそれぞれ挿通し、巻き締めすることにより前記複数の熱伝達モジュールを接合し、接合された熱伝達モジュール間に第二流路が形成されたことを特徴とする熱交換器用プレートアセンブリ。
5. 前記第二巻締部上部、ならびに前記第一バーリング加工部および前記第二バーリング加工部外周側壁部にシーリングコンパウンドが供給されることを特徴とする請求項４に記載の熱交換機用プレートアセンブリ。
6. 請求項５または６に記載の熱交換器用プレートアセンブリと、
   前記熱交換器用プレートアセンブリを内部に収容するハウジングと、
   を備えることを特徴とする熱交換器。

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