JP2014181825A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換器において、簡単な構成でダミー層内の液体を確実に排出できるようにする。
【解決手段】複数の流体を流通させる２種類以上の通路が交互に積層配置された複数のコア２ａ，２ｂを溶接する。これら複数のコア２ａ，２ｂの下側全体を下部ヘッダータンク３で覆って複数のコア２ａ，２ｂ内に流体を流通させるようにする。各コア２ａ，２ｂの互いに溶接される側面に複数の流体が流通しないダミー層１４を設け、このダミー層１４のサイドプレート１６周縁に全周にわたり溶接用スペーサ１８を溶接する。ダミー層１４のサイドプレート下端側にダミー層１４内の水を排出する貫通孔１６ａを設ける。そして、溶接用スペーサ１８の下側角部に水を排出する液体排出孔２０を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の流体を流通させる２種類以上の通路が交互に積層配置された複数のコアが溶接された熱交換器に関し、特にその内部に溜まった水などの液体を排出する構造に関するものである。

従来より、第１の流体が貫流する複数の第１通路と、第２の流体が貫流する複数の第２通路とを有し、第１通路と第２通路との間で熱交換を行う熱交換部を備えたプレート式熱交換器は知られている（例えば、特許文献１参照）。このプレート式熱交換器の熱交換部は、熱交換通路として、第１の流体が貫流する第１通路と、第２の流体が貫流する第２通路とを備えている。これら第１通路と第２通路は、例えば複数の第１通路と第２通路を一組の熱交換通路パッケージにして交互に積層配置される。第１通路と第２通路からなる各パッケージ同士の間には、流体の貫流しない層（すなわち不活性層）が介在配置されている。

特開２０１０−１０１６１７号公報

特許文献１のように流体が貫流しない層が設けられていると、結露などで内部に溜まった水を排出しないと、コア内を通る低温の流体により水が凍ってしまう。水が凍ると、体積が増えて不活性層を押し広げて、必要な流体通路を変形させてしまったり、性能や寿命に影響を及ぼすという問題がある。この特許文献１のようにコアの下面の一部のみがヘッダータンクで覆われている場合、このヘッダータンクに覆われていない部分において、流体が貫流しない層の下面に貫通孔を設ければ、この層内部の水を排出することができる。

しかしながら、コアの下面のほぼ全体が下部ヘッダータンクで覆われていると、このような貫通孔を設けることができない。

そして、複数の流体を１つの熱交換器で処理したい場合、処理能力を大きくしたい場合等には、熱交換器のサイズを大きくする必要がある。このとき、ろう付の炉のサイズの制約等から複数のコアを作成し、ろう付後のコア同士を溶接しなければならない場合がある。この溶接された複数のコアの下面全体に１つの下部ヘッダータンクを連結すると、各コアの互いに溶接するサイドプレート側の液体を排出できなくなる。

しかも、コアの外側の側壁下端も側部ヘッダータンクで覆われている場合、その側部ヘッダータンクの上方に貫通孔を設けなければならなかった。そうすると、内部に溜まった水を完全に抜くことができず、残った水が凍ってしまうという問題がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、簡単な構成でダミー層内の液体を確実に排出できるようにすることにある。

上記の目的を達成するために、この発明では、溶接用スペーサで形成された空間に流れ込んだ液体を、この溶接用スペーサで形成された下側角部に設けた液体排出孔から排出するようにした。

具体的には、本発明では、温度の異なる複数の流体を流通させる２種類以上の通路が交互に積層配置された複数のコアが溶接された熱交換器を対象とする。

そして、上記熱交換器は、
上記複数のコアの下側全体を覆って該複数のコア内に流体を流通させる下部ヘッダータンクと、
各コアの互いに溶接される側面に設けられ、上記複数の流体が流通しないダミー層と、
上記ダミー層のサイドプレート周縁に全周にわたり固着された溶接用スペーサと、
上記ダミー層のサイドプレート下端側に貫通形成され、該ダミー層内の液体を排出する貫通孔と、
上記溶接用スペーサの下側角部に形成され、上記空間内の液体を排出する液体排出孔とを備えている。

すなわち、「ダミー層」は、コアを真空ろう付したり、溶接したりするときのハンドリングなどで流体が流通する層がへこんで流体の流通を阻害するのを防ぐために設けられており、その内部に流体が流通しないことから、その周囲はサイドバーなどの部材でほぼ密閉状に覆われている。しかし、完全に密閉にしておくと真空ろう付の際や圧力を逃がす必要があるときなどに問題があるので、何らかの隙間が設けられている。このため、結露等によってダミー層内に水などの液体が溜まったり、圧力試験時に水が溜まったりする。この液体を逃がすためにダミー層のサイドプレート下端側に貫通孔が形成されている。この貫通孔から排出された液体は、一対のコア間に設けた溶接用スペーサで囲まれた空間に流れ込む。各コアの溶接用スペーサは互いに密閉状に溶接されるので、通常は流れ込んだ液体を排出することができない。しかし、上記の構成によると、溶接用スペーサの下側角部に液体排出孔が設けられているので、この液体排出孔から液体を完全に排出することができ、液体が凍ることはない。ここで、「液体」は、通常、水であるが、不純物を含んでいてもよく、場合によっては、水以外の液体でもよい。

また、上記溶接用スペーサは、複数の棒状部材からなり、上記液体排出孔は、一対の棒状部材同士の隙間として形成されているのが望ましい。この場合、溶接用スペーサを構成する棒状部材同士に隙間を設けるという簡単な構成で、この隙間からダミー層から流れ込んだ液体が排出される。

また、上記液体排出孔は、それぞれ斜めにカットされた一対の棒状部材の先端に形成され、上記コアの下側角部に向かって延びていてもよい。こうすれば、一対の棒状部材の先端を斜めにカットすれば液体排出孔を形成できるので、製造が容易である。

また、上記液体排出孔の外側周縁には、筒状部材が固着され、その内部が該液体排出孔に連通しているのが望ましい。筒状部材を設けることで、溶接用スペーサを溶接したり、下部ヘッダータンクを溶接したりするときに液体排出孔が溶接ビードで塞がれるのを防止することができる。なお、筒状部材は、液体排出孔との連通又は閉塞を確保するために中空のものであればよく、その断面形状等は特に限定されない。

さらに、上記筒状部材には、上記液体排出孔を塞ぐ閉塞部材を着脱可能となっているのが望ましい。このように筒状部材を設けた上で、液体を排出しない、設置前、輸送時、休止時などには、この筒状部材を塞ぐことで、異物の侵入を防ぐことができる。なお、閉塞部材は、筒状部材に形成された液体排出孔を着脱可能に塞ぐことができるものであれば特に限定されず、筒状部材に対してねじ込んだり、圧入したりしてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、ダミー層のサイドプレート下端側にダミー層内の液体を排出する貫通孔を設け、溶接用スペーサの下側角部に貫通孔から流れてきた液体を排出する液体排出孔を設けたことにより、簡単な構成でダミー層内の液体を確実に排出できるので、液体が凍って熱交換器に悪影響を与えるのを防ぐことができる。

図２のＩ部拡大断面図である。 本発明の実施形態にかかる熱交換器を示す斜視図である。 熱交換器を示し、（ａ）が正面図で、（ｂ）が側面図である。 コアを示す斜視図である。 第１通路層を示す側面図である。 第２通路層を示す側面図である。 第３通路層を示す側面図である。 ダミー層を示す側面図である。 図１のIX−IX線拡大断面図である。 その他の実施形態の溶接用スペーサの構成を（ａ）及び（ｂ）にそれぞれ示した図１に対応する断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図２及び図３は本発明の実施形態の熱交換器１を示し、この熱交換器１は、例えばアルミニウム合金を主材料とする、プレートフィン型の熱交換器１である。本実施形態の熱交換器１は、図４に示すように、温度の異なる複数の流体を流通させる２種類以上の通路が交互に積層配置された２つのコア２ａ，２ｂを有する。各コア２ａ，２ｂは、互いに溶接され、その下部のほぼ全体を下部ヘッダータンク３が覆い、上部のほぼ全体を上部ヘッダータンク４が覆っている。また、コア２の側面は、合計４つのサイドヘッダータンク５，６が連結されている。

コア２ａ，２ｂは、例えば３種類の流体通路を有する。図５に示す第１流体通路１１は、図２及び図３に示すように、上部ヘッダータンク４から下部ヘッダータンク３へ流体Ａが流れるものである。第１流体通路１１は、その上下端部において、上下に延びるディストリビュータ部１１ａと、中間の上下に延びる伝熱フィン部１１ｂとを備える。なお、各通路は見やすくするために実際よりも間隔を太くし、簡略化して描いてある。図６に示す第２流体通路１２は、図２及び図３に示すように、一方側の下側サイドヘッダータンク５から他方側の上側サイドヘッダータンク６へ流体Ｂが流れるものである。第２流体通路１２は、上下端部の斜めに延びるディストリビュータ部１２ａと、中間の上下に延びる伝熱フィン部１２ｂとを備える。図７に示す第３流体通路１３は、図２及び図３に示すように、他方側の下側サイドヘッダータンク５から一方側の上側サイドヘッダータンク６へ流体Ｃが流れるものである。第３流体通路１３は、上下端部の斜めに延びるディストリビュータ部１３ａと、中間の上下に延びる伝熱フィン部１３ｂとを備える。コア２ａ，２ｂは、これらの３種類の流体通路１１，１２，１３が互いに積層されている。３種類の流体Ａ，Ｂ，Ｃは、それぞれ異なる温度であり、隣り合う流体通路を通る温度の異なる流体間で熱交換が行われるようになっている。例えば、流体は、氷点下以下の空気、その深冷分離で得られた窒素、酸素、アルゴン等である。

そして、コア２ａ，２ｂの左右外側には、図８に示すように、流体が流通しないダミー層１４が設けられている。図９に断面を拡大して示すように、各流体通路１１，１２，１３及びダミー層１４は、チューブプレート１９の間に成型されて切断されたコルゲートフィン１５をろう材（図示せず）と共に挟み込み、ダミー層１４の両側を板状のサイドプレート１６で覆った上で、サイドバー１７と共に真空ろう付されることで成形される。このとき、コルゲートフィン１５は、高さとピッチとを高度な均一性を持つように成形されてろう付される。ろう材は、予めアルミニウム合金のチューブプレート１９に圧延されて一体化されていてもよい。各サイドバー１７は、流体が通過する部分が切断され、各ヘッダータンクに連通されるようになっている。ダミー層１４のサイドバー１７は、４本とも連続している。ダミー層１４内には、コルゲートフィン１５がなくてもよいが、通常強度確保のために例えば上下に延びるコルゲートフィン１５が設けられている。

各流体通路１１，１２，１３の積層順は特に限定されないが、例えば、図９に示すように、各コア２ａ，２ｂでは、サイドプレート１６、チューブプレート１９、ダミー層１４、チューブプレート１９、第３流体通路１３、チューブプレート１９、第２流体通路１２、チューブプレート１９、第１流体通路１１、チューブプレート１９、第３流体通路１３…の順に積層され、反対側の端部にも同様にダミー層１４、チューブプレート１９、サイドプレート１６が配置されている。なお、これら流体通路１１，１２，１３の構成は特に限定されず、２種類の流体通路だけでもよく、４通り以上の流体通路が設けられていてもよく、その流体の流れる方向も直交流型、向流型、これらを組み合わせたもの等、特に限定されない。流体通路に合わせてヘッダータンクの構成を変更すればよい。例えば、サイドヘッダータンク５，６が設けられない場合や、それらの位置が本実施形態と異なっていてもよい。サイドヘッダータンク５，６が設けられない場合等には、下部へーダータンク５や上部ヘッダータンク４が２分割されていてもよい。

図１及び図４に示すように、対向する一対の上記ダミー層１４のサイドプレート１６の周縁には、全周にわたり枠状に溶接用スペーサ１８が溶接されている。この溶接用スペーサ１８は、例えば一定厚さのアルミニウム合金の鋼板よりなる。枠状の溶接用スペーサ１８により、一対のサイドプレート１６間に空間Ｓが形成されている。

一方、対向する各コア２ａ，２ｂの互いに結合される側のサイドプレート１６の下端側には、少なくとも１つの貫通孔１６ａが形成されており、この貫通孔１６ａからダミー層１４内の液体、つまり水を排出可能となっている。

そして、溶接用スペーサ１８の下側角部には、この溶接用スペーサ１８で形成された空間Ｓに流れ込んだ水を排出する液体排出孔２０が設けられている。この液体排出孔２０は、それぞれ斜めにカットされた溶接用スペーサ１８を構成する、互いに垂直に交わる一対の棒状部材の先端１８ａに形成されている。こうすれば、一対の棒状部材の先端１８ａを斜めにカットするだけで液体排出孔２０を形成できる。

さらに、液体排出孔２０の外側周縁には、筒状部材としての中空円筒状のプラグ取付用ボス２１が固着されている。プラグ取付用ボス２１は、液体排出孔２０との連通を確保するために中空のものであればよく、その断面形状等は特に限定されない。このプラグ取付用ボス２１には、液体排出孔２０を塞ぐ閉塞部材としてのプラグ２２を取付可能となっている。プラグ２２は、ボスに形成された液体排出孔を塞ぐことができるものであれば特に限定されず、ボスに対してねじ込んだり、圧入したりしてもよい。

プラグ取付用ボス２１は、一対のコア２ａ，２ｂを互いに溶接するときに溶接される。具体的には、まず溶接用スペーサ１８が一方のコア２ａのサイドプレート１６に溶接される。このとき、液体排出孔２０の部分は、溶接ビードＷを設けない。

そして、他方のコア２ｂのサイドプレート１６を溶接用スペーサ１８に当接させて溶接する。このときの溶接ビードＷも液体排出孔２０の部分には設けない。そして、その液体排出孔２０に合わせてプラグ取付用ボス２１を嵌め込み、その外周を溶接する。なお、溶接用スペーサ１８は、他方のコア２ｂにも溶接しておき、一対の溶接用スペーサ１８をつきあわせた状態で、その外周を埋めるように溶接するようにしてもよい。

その後、下部ヘッダータンク３や下側サイドヘッダータンク５を溶接するので、その際の溶接ビードＷによって液体排出孔２０が塞がれない。

このように、液体排出孔２０にプラグ取付用ボス２１を設けて溶接するので、溶接ビードＷで液体排出孔２０が埋まって液体を排出できなくなくなってしまうことがない。溶接時には、プラグ取付用ボス２１によって液体排出孔２０の連通が確保されるので、溶接が容易となって作業性が格段に向上する。

このように構成した熱交換器１においては、ダミー層１４を設けているので、コア２ａ，２ｂを真空ろう付したり、溶接したりするときのハンドリングなどで各流体通路１１，１２，１３が傷つかない。

ダミー層１４の内部に流体が流通しないことから、その周囲はサイドバー１７でほぼ密閉状に覆われている。しかし、完全に密閉状態にしておくと真空ろう付の際やコア２ａ，２ｂの内部の圧力を逃がしたいときなど等に問題があり、何らかの隙間が設けられている。このため、水を用いた圧力試験時、結露等によってダミー層１４内に水が溜まる。この水は、図１に矢印で示すように、サイドプレート１６の下端側に設けた貫通孔１６ａから排出され、一対のコア２ａ，２ｂ間に設けた溶接用スペーサ１８で囲まれた空間に流れ込む。

そして、プラグ２２を外しておけば、溶接用スペーサ１８の下側角部に設けた液体排出孔２０から水を排出することができる。なお、より確実に水を排出するために熱交換器１を傾けてもよい。このため、熱交換器１に氷点下以下の流体Ａ，Ｂ，Ｃを流通させても、水が凍ってしまうことはない。

また、水を排出しないときには、プラグ取付用ボス２１をプラグ２２で塞ぐことで、異物の侵入を防ぐことができるので、熱交換器１の品質を保つことができる。

したがって、本実施形態にかかる熱交換器１によると、ダミー層１４のサイドプレート下端側にダミー層１４内の水を排出する貫通孔１６ａを設け、溶接用スペーサ１８の下側角部に貫通孔１６ａから流れてきた水を排出する液体排出孔２０を設けたことにより、簡単な構成でダミー層１４内の水を確実に排出できる。このため、凍った水によって熱交換器１が損傷するのを効果的に防止することができる。

また、本実施形態では、熱交換器１は、プレートフィン型熱交換器とした。このため、チューブプレート１９が一次伝熱面として、また、チューブプレート１９間にろう付されたコルゲートフィン１５は、二次伝熱面としての役割を果たすと共に、内圧に対して強度部材となっている。

（その他の実施形態）
本発明は、上記実施形態について、以下のような構成としてもよい。

すなわち、上記実施形態では、溶接用スペーサ１８の先端１８ａを斜めにカットして液体排出孔２０を形成するようにしているが、図１０（ａ）に示すように、下側の水平に延びる溶接用スペーサ１８はカットせず、右側の上下に延びる溶接用スペーサ１８の長さを短くして生じた隙間１８ｂを利用して液体排出孔２０を形成するようにしてもよい。これは、下側サイドヘッダータンク５がコア２の下端にない場合に有効である。また、図１０（ｂ）に示すように、右側の上下に延びる溶接用スペーサ１８はカットせず、下側の水平に延びる溶接用スペーサ１８の長さを短くして生じた隙間１８ｃを利用して液体排出孔２０を形成するようにしてもよい。これは、下部ヘッダータンク３が内側にずれた場合に有効である。いずれの場合にもプラグ取付用ボス２１を設けるのが望ましい。このように溶接用スペーサ１８を構成する棒状部材同士に隙間１８ｂ，１８ｃを設けるという簡単な構成で、この隙間１８ｂ，１８ｃからダミー層１４から流れ込んだ水を排出することができる。

上記実施形態では、液体排出孔２０は、１つのみ設けているが、例えば反対側の角部にも設けてもよい。

上記実施形態では、熱交換器１は、アルミニウム合金で構成しているが、例えばステンレス合金等の別の金属で構成してもよい。

上記実施形態では、プラグ取付用ボス２１を設けてビードＷによって液体排出孔２０が塞がれないようにしているが、プラグ取付用ボス２１を設けずに溶接で塞がないようにして液体排出孔２０が外気と連通するようにしてもよい。その場合も何らかの閉塞部材を着脱可能に設けてもよい。

なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物や用途の範囲を制限することを意図するものではない。

以上説明したように、本発明は、複数の流体を流通させる２種類以上の通路が交互に積層配置された複数のコアが溶接された熱交換器について有用である。

１ 熱交換器
２ コア
３ 下部ヘッダータンク
４ 上部ヘッダータンク
５ 下側サイドヘッダータンク
６ 上側サイドヘッダータンク
１１ 第１流体通路
１２ 第２流体通路
１３ 第３流体通路
１４ ダミー層
１５ コルゲートフィン
１６ サイドプレート
１６ａ 貫通孔
１７ サイドバー
１８ 溶接用スペーサ
１９ チューブプレート
２０ 液体排出孔
２１ プラグ取付用ボス（筒状部材）
２２ プラグ（閉塞部材）

Claims (5)

1. 温度の異なる複数の流体を流通させる２種類以上の通路が交互に積層配置された複数のコアが溶接された熱交換器であって、
   上記複数のコアの下側全体を覆って該複数のコア内に流体を流通させる下部ヘッダータンクと、
   少なくとも各コアの互いに溶接される側面に設けられ、上記複数の流体が流通しないダミー層と、
   上記ダミー層のサイドプレート周縁に全周にわたり固着された溶接用スペーサと、
   上記ダミー層のサイドプレート下端側に貫通形成され、該ダミー層内の液体を上記溶接用スペーサによって形成された空間内に排出する貫通孔と、
   上記溶接用スペーサの下側角部に形成され、上記空間内の液体を排出する液体排出孔とを備えている
   ことを特徴とする熱交換器。
2. 請求項１に記載の熱交換器において、
   上記溶接用スペーサは、複数の棒状部材からなり、
   上記液体排出孔は、一対の棒状部材同士の隙間として形成されている
   ことを特徴とする熱交換器。
3. 請求項２に記載の熱交換器において、
   上記液体排出孔は、それぞれ斜めにカットされた一対の棒状部材の先端に形成され、上記コアの下側角部に向かって延びている
   ことを特徴とする熱交換器。
4. 請求項１乃至３のいずれか１つに記載の熱交換器において、
   上記液体排出孔の外側周縁には、筒状部材が固着され、その内部が該液体排出孔に連通している
   ことを特徴とする熱交換器。
5. 請求項１乃至４のいずれか１つに記載の熱交換器において、
   上記筒状部材には、上記液体排出孔を塞ぐ閉塞部材を着脱可能となっている
   ことを特徴とする熱交換器。

Images