JP2016223648A - 熱交換器、熱交換モジュールおよび熱交換器の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な構造で製造性が良好であり、効率よく熱交換を行うことが可能な熱交換器等を提供する。【解決手段】 伝熱プレート１には、第１の孔である複数の孔５が設けられる。孔５の周縁部には、少なくとも伝熱プレート１の一方の面方向に突出する突起３が形成される。熱交換器１０は、複数枚の伝熱プレート１が積層されて構成される。それぞれの伝熱プレート１における孔５（突起３）の配置はほぼ一致する。このため、複数枚の伝熱プレート１を重ねると、それぞれの伝熱プレート１の孔５（突起３）の位置がそろう。ここで、孔５が連続することで流路７が形成される。また、突起３と伝熱プレート１で流路７と区画され、伝熱プレート１同士の積層間隔に応じた空間が熱媒体用空間９となる。【選択図】図３

Description

本発明は、効率よく熱交換を行うことが可能な熱交換器等に関するものである。

従来から、熱媒体同士の熱交換を行う熱交換器が用いられている。熱媒体同士の熱交換を効率よく行うためには、互いの熱交換可能な面積を広くとる方法がある。

このような、熱交換器としては、多数の細径管を用い、細径管を縦横に配置して、細径管内を流れる熱媒体と、細径管外の熱媒体との熱交換を行う熱交換器がある（特許文献１）。

特開２００５−２３３５９７号公報

しかし、特許文献１のような熱交換器は、多数の細径管を用いるため、部品コストが高く、また、組立コストも高い。また、細径管同士の隙間が広いため、熱交換効率が低い。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、簡易な構造で製造性が良好であり、効率よく熱交換を行うことが可能な熱交換器等を提供することを目的とする。

前述した目的を達成するため、第１の発明は、複数の伝熱プレートからなる熱交換器であって、前記伝熱プレートは、複数の第１の孔を有し、前記第１の孔の周縁部には、少なくとも前記伝熱プレートの一方の方向に突出する略筒状の突起が形成され、複数の前記伝熱プレートが、互いの前記第１の孔の位置がそろうように、隙間をあけて積層され、前記突起と、隣り合う他の前記伝熱プレートとが接合され、前記突起と前記第１の孔によって流路が形成され、孔内を流れる第１の熱媒体と、前記伝熱プレート間に存在する第２の熱媒体とが、熱交換することを特徴とする熱交換器である。

前記伝熱プレートの平面視において、前記第１の孔が最密に配置されることが望ましい。

前記伝熱プレートの前記突起以外の部位に、第２の孔が形成されてもよい。

前記伝熱プレートの前記突起以外の部位に、凸部または凹部が形成されてもよい。

前記伝熱プレートの前記突起以外の部位に、フィン材が接合されてもよい。

前記突起の外周面にフィン材が接合されてもよい。

第１の発明によれば、複数の伝熱プレートに形成された内部に孔を有する突起によって流路を形成するため、従来のような細径管等の管体を用いる必要がない。このため、部品点数を大幅に削減することができる。

また、伝熱プレートが流路に対するフィンとして機能するため、流路内の熱媒体と流路外の熱媒体との熱交換効率が高い。

また、伝熱プレートに第２の孔を形成することで、流路の外部の熱媒体が、伝熱プレートの表裏に移動することができる。このため、例えば、流路を流れる熱媒体に対する流路外を流れる熱媒体の流れを、互いが直交する方向ではなく、並行流や対向流とすることもできる。

また、伝熱プレートに凹凸を形成することで、流路外の熱媒体との接触面積が増加し、熱媒体が流体である場合に、凹凸による乱流を発生することで、より高い熱交換効率を得ることができる。

また、伝熱プレート間にフィン材を接合することで、流路内の熱媒体と、伝熱プレート間の熱媒体との熱交換効率を高めることができる。

また、突起の外周にフィン材を接合することで、流路内の熱媒体と、伝熱プレート間の熱媒体との熱交換効率を高めることができる。

第２の発明は、第１の発明にかかる熱交換器を用い、前記熱交換器がケースに挿入され、前記ケースの内部には、蓄熱材が充填され、前記流路に熱媒体が循環することを特徴とする熱交換モジュールである。

前記熱交換器には、ヘッダが取り付けられ、前記ヘッダは、２種類以上の前記第１の熱媒体がそれぞれ混ざり合うことないように、流路が区分けられ、複数の前記第１の孔によって形成された複数の流路に、２種類以上の前記第１の熱媒体が循環してもよい。

前記第２の熱媒体が蓄熱材であってもよい。

第２の発明によれば、熱媒体と蓄熱材とを効率よく熱交換することができる。

また、複数種類の第１の熱媒体を、それぞれ同時に第２の熱媒体と熱交換させることができる。

第２の熱媒体が蓄熱材であれば、蓄熱材と第１の熱媒体とを熱交換させて、蓄熱された熱を利用することができる。

第３の発明は、複数の伝熱プレートを用い、前記伝熱プレートは、複数の孔を有し、前記孔の周縁部には、少なくとも前記伝熱プレートの一方の方向に突出する略筒状の突起が形成され、複数の前記伝熱プレートの互いの前記孔の位置がそろうように、前記伝熱プレート同士を隙間をあけて積層して、前記突起と、隣り合う他の前記伝熱プレートとを一括して接合することを特徴とする熱交換器の製造方法である。

第３の発明によれば、高い熱交換効率の熱交換器を容易に得ることができる。

本発明によれば、簡易な構造で製造性が良好であり、効率よく熱交換を行うことが可能な熱交換器等を提供することができる。

熱交換器１０を示す分解斜視図。 熱交換器１０を示す組立斜視図。 熱交換器１０の部分断面図であり、図２のＡ−Ａ線断面図。 （ａ）〜（ｄ）は、突起３と伝熱プレート１との接合形態を示す図。 熱交換モジュール２０を示す断面図。 熱交換器１０ａの部分断面図。 熱交換器１０ｂの部分断面図。 熱交換器１０ｃの部分断面図。 熱交換器１０ｄを示す組立斜視図。

（実施形態１）
以下、本発明の実施の形態にかかる熱交換器１０について説明する。図１は、熱交換器１０を示す分解斜視図であり、図２は、組立斜視図である。熱交換器１０は、複数の伝熱プレート１から構成される。なお、図では伝熱プレート１が５枚である例を示すが、伝熱プレート１の積層数は図示した例には限られない。

伝熱プレート１は、例えば銅やアルミニウムやステンレスなどの金属製の板状部材である。伝熱プレート１には、第１の孔である複数の孔５が設けられる。孔５の周縁部には、少なくとも伝熱プレート１の一方の面方向に突出する略筒状の突起３が形成される。突起３は、略同一の高さで形成される。

なお、伝熱プレート１に対する孔５（突起３）の配置は、図示した例には限定されないが、平面視において孔５が最密に配置される（中央およびその周囲に正六角形をなす互いに等間隔の連続配置）ことが望ましい。また、隣り合う突起３同士は所定の間隔で離れていてもよく、接していてもよい。

伝熱プレート１は、例えば、一枚の板部材に対して、バーリング加工によって孔５（突起３）を形成することで製造することができるが、ダイカストや他の方法で製造してもよい。この場合、伝熱プレート１の平板部と突起３とを一体で製造することができる。また、例えば筒状の突起３を別体で製造して、孔５を有する板部材に接着その他の方法で接合してもよい。伝熱プレート１平板部と突起３を一体として製造する場合には、突起３あるいは管体を別体で製造し、板部材に接合する場合に比べて、突起３あるいは管体と板部材間の熱抵抗を小さくすることができ、高い熱交換効率を得ることができる。

図３は、図２のＡ−Ａ線部分断面図である。熱交換器１０は、複数枚の伝熱プレート１が積層されて構成される。なお、突起３の形態としては、図示したように、下部が湾曲するようにしてもよく、または、略直角に起立するようにしてもよい。

複数枚の伝熱プレート１は、互いに略同一の形状及びサイズであり、突起３の突出方向が同一方向に向くように積層される。それぞれの伝熱プレート１における孔５（突起３）の配置はほぼ一致する。このため、複数枚の伝熱プレート１を重ねると、それぞれの伝熱プレート１の互いの孔５（突起３）の位置がそろう。また、突起３の先端が隣り合う他の伝熱プレート１と接するように接合される。したがって、伝熱プレート１は、突起３の高さに応じた隙間をあけて積層される。

ここで、孔５と突起３が一列に連続することで流路７が形成される。流路７は、第１の熱媒体である流体が流れる部位である。また、伝熱プレート１同士の積層間隔に応じた空間が熱媒体用空間９となる。すなわち、流路７と熱媒体用空間９とは互いに空間的に区画される。熱媒体用空間９は、第２の熱媒体が充填または流れる空間である。

ここで、それぞれの伝熱プレート１同士は、接着、ロウ付け（ブレージング）などの方法で接合される。例えば、接着剤を所定の部位に塗布して複数の伝熱プレート１を隙間をあけて積層し、突起３と、隣り合う他の前記伝熱プレート１とを加熱等によって一括して接着してもよく、または、ブレージング材等を用いて、炉内で一括して接合してもよい。

図４（ａ）〜図４（ｄ）は、接合部の形態の例を示す図である。例えば、図４（ａ）に示すように、突起３の端面の接触部に点状の接合部１１を設けてもよい。または、図４（ｂ）に示すように、流路７の内面に、それぞれの突起内面にまたがるように接合部１１を設けてもよい。または、図４（ｃ）に示すように、突起３の外面（熱媒体用空間９側）に接合部１１を設けてもよい。または、図４（ｄ）に示すように、突起３の先端部の外面と、この突起３と接触する隣り合う突起３の下面との間に接合部１１を設けてもよい。

このように、流路７と熱媒体用空間９とが確実に区分されて、伝熱プレート１同士が確実に接合されれば、接合部１１の形成位置および形態は、いずれの形態等であってもよい。なお、伝熱プレート１の表面を、あらかじめ粗面化処理しておくこともできる。このようにすることで、伝熱プレート１同士の接合強度を高めることができる。

次に、熱交換器１０の使用方法について説明する。図５は、熱交換器１０を用いた熱交換モジュール２０を示す図である。熱交換器１０は、ケース２５に収容される。ケース２５には、蓄熱材２７が充填される。すなわち、熱交換器１０の熱媒体用空間９には、蓄熱材２７が充填される。

熱交換器１０の両側にはヘッダ２３ａ、２３ｂが接続される。ヘッダ２３ａ、２３ｂは、内部が空洞であり、それぞれチューブ２９ａ、２９ｂが接続される。ヘッダ２３ａは、伝熱プレート１における突起３の突出方向とは逆側（以後、伝熱プレート１の裏側）に接続され、内部空間と流路７とが連通する。また、ヘッダ２３ｂは、伝熱プレート１における突起３の突出方向（以後、伝熱プレート１の表側）に接続され、内部空間と流路７とが連通する。

この状態で、チューブ２９ａ、２９ｂを、図示を省略したポンプ等に接続し、内部に熱媒体（水、油、エアなど）を循環させる。例えば、チューブ２９ａからヘッダ２３ａへ熱媒体を流すと、熱媒体は、ヘッダ２３ａで分岐されて、熱交換器１０の各流路７へ流れる。熱媒体は、流路７を流れる間に、伝熱プレート１を介して、蓄熱材２７と熱交換を行う。この際、伝熱プレート１の突起３以外の部位が、フィンとして機能する。このため、蓄熱材２７と熱交換器１０との接触面積が極めて大きく、高い熱交換効率を得ることができる。

流路７を流れた熱媒体は、ヘッダ２３ｂで合流し、チューブ２９ｂへ流出する。チューブ２９ｂへ流出した熱媒体は、エンジンやモータなどの発熱部や、冷却水、排気ガス、またはエアなどの他の熱媒体等と熱交換を行い、再度熱交換モジュール２０へ循環する。

例えば、エンジン等の始動直後に、過冷却状態の蓄熱材２７を、図示を省略した発核装置を用いて相変化させることで、蓄熱材２７に蓄熱された熱を放出させることができる。これを、熱交換器１０を流れる熱媒体と熱交換させることで、エンジン等の始動直後から、即座に蓄熱されていた熱を、暖房等に利用することができる。

なお、ヘッダ２３ａ、２３ｂの内部を、複数の流路に区分してもよい。例えば、ヘッダ２３ａ、２３ｂには、それぞれ複数のチューブが接続されて、異なる熱媒体を流すこともできる。この場合、複数の流路７に対し、熱媒体がそれぞれ混ざり合わないように、それぞれ独立して別々の熱媒体を流すことができる。

このように、本実施の形態によれば、複数の伝熱プレート１によって、流路７と熱媒体用空間９とに区分される。このため、流路７に熱媒体を流すことで、流路７の第１の熱媒体と、熱媒体用空間９内（伝熱プレート１間）に存在する第２の熱媒体である蓄熱材２７と効率よく熱交換を行うことができる。

また、従来のように、流路ごとに管体を用いる必要がないため、部品点数少なく、伝熱プレート１をフィン材として機能させることもできる。例えば、従来の多数の細径管に対して、狭いピッチでフィン材を接合することは困難であるが、本発明では容易に一定の間隔で伝熱プレート１を積層することができる。したがって、低コストで製造性にも優れた熱交換器１０を得ることができる。

また、伝熱プレート１同士の間隔を狭くすることができるため、一般的に熱伝導率の悪い蓄熱材２７を用いても、高い効率で熱交換を行うことができる。このため、短時間に多量の熱を蓄熱材２７から外部へ放出させることができる。

なお、熱交換器１０の使用方法として、熱交換モジュール２０の例を示したが、本発明はこれに限られない。例えば、熱媒体用空間９に対して、蓄熱材２７に代えて、他の熱媒体を充填してもよく、また、熱媒体用空間９に対して、他の熱媒体を流してもよい。この場合、流路７を流れる熱媒体の流れ方向と、熱媒体用空間９を流れる熱媒体の流れ方向とが互いに直交する。

（実施形態２）
次に、第２の実施の形態について説明する。図６は、熱交換器１０ａを示す断面図である。なお、以下の説明において、熱交換器１０等と同様の機能を奏する構成については、図１〜図５と同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

熱交換器１０ａは、熱交換器１０とほぼ同様の構成であるが、伝熱プレート１の突起３以外の部位に、第２の孔である孔１５が設けられる点で異なる。すなわち、孔１５は、伝熱プレート１同士の間の熱媒体用空間９を連通する。

なお、孔１５は、伝熱プレート１の全て同じ位置になくてもよい。すなわち、孔１５は、一列に揃う必要はない。また、全ての突起３同士の間に孔１５が形成されなくてもよく、一部の突起３同士の間のみに設けてもよい。

熱交換器１０ａを用いて、熱媒体用空間９へ熱媒体を流すと、熱媒体は、伝熱プレート１に平行な方向だけでなく、伝熱プレート１を貫通する方向にも流れる。すなわち、流路７を流れる熱媒体の流れ方向に対して、熱媒体用空間９を流れる熱媒体の流れ方向を、互いに直交させるだけでなく、対向または並行する方向とすることができる。また、熱媒体用空間９を流れる熱媒体が孔１５を通過する際に乱流が生じるため、効率よく熱交換を行うことができる。

第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、孔１５によって、熱媒体用空間９を貫通する方向に熱媒体を流すことができるため、より効率よく熱交換を行うことができる。

（実施形態３）
次に、第３の実施の形態について説明する。図７は、熱交換器１０ｂを示す断面図である。熱交換器１０ｂは、熱交換器１０とほぼ同様の構成であるが、伝熱プレート１の突起３以外の部位に、凹凸部１７が設けられる点で異なる。

凹凸部１７は、伝熱プレート１の表側または裏側に、凸状または凹状に形成される。なお、凹凸部１７の凸高さまたは凹深さは、突起３よりも低く、伝熱プレート１間（熱媒体用空間９）には隙間が形成される。すなわち、凹凸部１７同士は接触しない。

なお、凹凸部１７は、伝熱プレート１の全て同じ位置になくてもよい。すなわち、凹凸部１７は、一列に揃う必要はない。また、全ての突起３同士の間に凹凸部１７が形成されなくてもよく、一部の突起３同士の間のみに設けてもよい。また、凹凸部１７の断面形状は図示した例に限られず、他の形状であってもよい。また、伝熱プレート１の厚みが変わるようにして、一方の面のみに凸部または凹部を設けてもよく、凹凸の向きを逆にしてもよい。

熱交換器１０ｂを用いて、熱媒体用空間９へ熱媒体を流すと、凹凸部１７によって、伝熱プレート１と熱媒体用空間９を流れる熱媒体との接触面積が増加する。また、熱媒体用空間９を流れる熱媒体に乱流を生じさせることができる。このため、効率よく熱交換を行うことができる。

第３の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。また、凹凸部１７による熱媒体と伝熱プレート１との接触面積の増加と、熱媒体の乱流の効果によって、より効率よく熱交換を行うことができる。

（実施形態４）
次に、第４の実施の形態について説明する。図８は、熱交換器１０ｃを示す断面図である。熱交換器１０ｃは、熱交換器１０とほぼ同様の構成であるが、伝熱プレート１の突起３以外の部位に、フィン材１９が設けられる点で異なる。

熱媒体用空間９には、フィン材１９が設けられる。フィン材１９は、伝熱プレート１の表側と裏側に接着やロウ付け等で接合される。すなわち、フィン材１９は一対の伝熱プレート１で挟み込まれて接触する。なお、フィン材１９は、図示した様な波形状には限られない。

熱交換器１０ｃを用いて、熱媒体用空間９へ熱媒体を流すと、フィン材１９によって、伝熱プレート１と熱媒体用空間９を流れる熱媒体との接触面積が増加する。このため熱媒体と伝熱プレートとの熱伝達効率が向上する。

第４の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。また、フィン材１９による熱媒体と伝熱プレート１との接触面積の増加によって、より効率よく熱交換を行うことができる。

（実施形態５）
次に、第５の実施の形態について説明する。図９の上図は、熱交換器１０ｄを示す斜視図であり、下図は上図のＢ部拡大図である。熱交換器１０ｄは熱交換器１０と略同様であるが、突起３の外周にフィン材２１が設けられる点で異なる。

突起３の外周面には、板状のフィン材２１が設けられる。フィン材２１は、突起３の外周面に接着やロウ付け等で接合される。なお、フィン材２１は、図示した様な形状には限られない。また、フィン材２１は、孔５の中心から放射状に形成されなくてもよく、伝熱プレート１に平行な方向であってもよい。

熱交換器１０ｄを用いて、熱媒体用空間９へ熱媒体を流すと、フィン材２１によって、突起３と熱媒体用空間９を流れる熱媒体との接触面積が増加する。このため熱媒体と伝熱プレートとの熱伝達効率が向上する。

第５の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。また、フィン材１９による熱媒体と伝熱プレート１との接触面積の増加によって、より効率よく熱交換を行うことができる。

以上、添付図を参照しながら、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の技術的範囲は、前述した実施の形態に左右されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

たとえば、各実施形態で示した構成は、互いに組み合わせることができることは言うまでもない。

また、上述した各実施形態では、全ての突起３が一方の方向にのみ突出する例を示したが、一部の突起３を伝熱プレート１の逆側に突出させてもよい。

１………伝熱プレート
３………突起
５………孔
７………流路
９………熱媒体用空間
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ………熱交換器
１１………接合部
１５………孔
１７………凹凸部
１９………フィン材
２０………熱交換モジュール
２１………フィン材
２３ａ、２３ｂ………ヘッダ
２５………ケース
２７………蓄熱材
２９ａ、２９ｂ………チューブ

Claims (10)

1. 複数の伝熱プレートからなる熱交換器であって、
   前記伝熱プレートは、複数の第１の孔を有し、
   前記第１の孔の周縁部には、少なくとも前記伝熱プレートの一方の方向に突出する略筒状の突起が形成され、
   複数の前記伝熱プレートが、互いの前記第１の孔の位置がそろうように、隙間をあけて積層され、前記突起と、隣り合う他の前記伝熱プレートとが接合され、
   前記突起と前記第１の孔によって流路が形成され、孔内を流れる第１の熱媒体と、前記伝熱プレート間に存在する第２の熱媒体とが、熱交換することを特徴とする熱交換器。
2. 前記伝熱プレートの平面視において、前記第１の孔が最密に配置されることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
3. 前記伝熱プレートの前記突起以外の部位に、第２の孔が形成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記伝熱プレートの前記突起以外の部位に、凸部または凹部が形成されることを特徴とする請求項１から請求項３に記載の熱交換器。
5. 前記伝熱プレートの前記突起以外の部位に、フィン材が接合されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の熱交換器。
6. 前記突起の外周面にフィン材が接合されることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の熱交換器。
7. 請求項１から請求項６のいずれかに記載の熱交換器を用い、
   前記熱交換器がケースに挿入され、前記ケースの内部には、前記第２の熱媒体が充填され、前記流路に前記第１の熱媒体が循環することを特徴とする熱交換モジュール。
8. 前記熱交換器には、ヘッダが取り付けられ、
   前記ヘッダは、２種類以上の前記第１の熱媒体がそれぞれ混ざり合うことないように、流路が区分けられ、
   複数の前記第１の孔によって形成された複数の流路に、２種類以上の前記第１の熱媒体が循環することを特徴とする請求項７に記載の熱交換モジュール
9. 前記第２の熱媒体が蓄熱材であることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の熱交換モジュール
10. 複数の伝熱プレートを用い、
    前記伝熱プレートは、複数の孔を有し、前記孔の周縁部には、少なくとも前記伝熱プレートの一方の方向に突出する略筒状の突起が形成され、
    複数の前記伝熱プレートの互いの前記孔の位置がそろうように、前記伝熱プレート同士を隙間をあけて積層して、前記突起と、隣り合う他の前記伝熱プレートとを一括して接合することを特徴とする熱交換器の製造方法。

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