JP2017223427A - 熱交換器用金属プレートおよび熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】一方の流体が熱交換器内部で漏洩した場合に、この漏洩した一方の流体が他方の流体へ混合することを簡単な構造を用いて防止することが可能な、熱交換器用金属プレートおよび熱交換器。
【解決手段】熱交換器用金属プレート２０Ｄは、外周領域２１と、外周領域２１の内側に形成され、外周領域２１よりも薄肉の薄肉領域２２と、薄肉領域２２から金属プレート２０Ｄの厚み方向に突出するように設けられた伝熱フィン２５とを備えている。外周領域２１には、第１の流体Ｆ_１が流入するとともに薄肉領域２２から離間して配置された入口側開口２３Ａが形成されている。入口側開口２３Ａの周囲に、入口側開口２３Ａ及び薄肉領域２２から独立した溝２８が形成され、溝２８の一端２８ａが外周領域２１の周囲まで延びている。
【選択図】図２

Description

本発明は、熱交換器用金属プレートおよび熱交換器に関する。

一般に、熱交換器は、熱エネルギーの利用や除熱を要する機器などに幅広く利用されている。その中で、高性能熱交換器として代表的なものとして、プレート型熱交換器が知られている。このようなプレート型熱交換器においては、プレス加工やハーフエッチング加工などで部分的に薄肉に形成された金属プレートを複数枚積み重ね、この金属プレート間に、熱交換流体の対向する或いは並行する流路を形成するようになっている。また、プレート型熱交換器においては、温度の異なる２つの熱交換流体間で伝熱効率を高めるために、熱交換流体が通る流路に複数の伝熱フィンを設け、伝熱面積を増やしている。

特開２０１４−１５２９６３号公報

しかしながら、特に熱交換流体として高圧流体を用いる熱交換器においては、金属プレートのうち高圧流体の入口流路近傍（特に高圧流体用の配管が接続された側から遠い方の金属プレート近傍）が最も圧力負荷が大きく、接合不良の発生しやすい箇所となっている。このため、例えば金属プレートの高圧流体の入口流路近傍で接合不良が発生した場合、高圧流体が金属プレート同士の間から漏洩してしまうおそれがある。

これに対して従来、漏洩した一方の流体が他方の流体用の流路に混入しないように、２つの流体用の基板間に介在層を設けた構造であるマイクロチャネル熱交換器が知られている（例えば特許文献１参照）。しかしながら、特許文献１に記載された熱交換器において、２つの基板の間に別途介在層を設置する必要があるため、基板の枚数が増加してしまうという問題がある。

本発明はこのような点を考慮してなされたものであり、一方の流体が熱交換器内部で漏洩した場合に、この漏洩した一方の流体が他方の流体へ混合することを簡単な構造を用いて防止することが可能な、熱交換器用金属プレートおよび熱交換器を提供することを目的とする。

本発明は、熱交換器用金属プレートであって、外周領域と、前記外周領域の内側に形成され、前記外周領域よりも薄肉の薄肉領域と、前記薄肉領域から前記金属プレートの厚み方向に突出するように設けられた伝熱フィンとを備え、前記外周領域には、流体が流入又は流出するとともに前記薄肉領域から離間して配置された開口が形成され、前記開口の周囲に、前記開口及び前記薄肉領域から独立した溝が形成され、前記溝の一端が前記外周領域の周囲まで延びていることを特徴とする熱交換器用金属プレートである。

本発明は、前記溝の他端は、前記開口と前記薄肉領域との間に位置していることを特徴とする熱交換器用金属プレートである。

本発明は、前記溝の他端は、前記開口に対して前記金属プレートの短手方向側方に位置していることを特徴とする熱交換器用金属プレートである。

本発明は、前記溝の他端は、前記開口に対して前記薄肉領域の反対側に位置していることを特徴とする熱交換器用金属プレートである。

本発明は、一対の固定板と前記一対の固定板の間に互いに積層して配置された複数の熱交換器用金属プレートとを備え、前記複数の熱交換器用金属プレートのうち少なくとも一枚の熱交換器用金属プレートは、前記熱交換器用金属プレートであることを特徴とする熱交換器である。

本発明は、前記一対の固定板のうち少なくとも一つの固定板に隣接する前記熱交換器用金属プレートは、前記熱交換器用金属プレートであることを特徴とする熱交換器である。

本発明は、前記一対の固定板のうち少なくとも一つの固定板の近傍に、前記複数の熱交換器用金属プレートの間から漏洩する流体を検知する漏洩検知器が設けられていることを特徴とする熱交換器である。

本発明によれば、一方の流体が熱交換器内部で漏洩した場合に、この漏洩した一方の流体が他方の流体へ混合することを簡単な構造を用いて防止することができる。

図１は、本発明の第１の実施の形態による熱交換器を示す分解斜視図。 図２（ａ）（ｂ）は、それぞれ本発明の第１の実施の形態による金属プレートを示す平面図。 図３は、本発明の第１の実施の形態による金属プレートを示す部分拡大平面図（図２（ｂ）のIII部拡大図）。 図４は、互いに接合された一対の金属プレートを示す断面図（図３のIV−IV線断面に対応する図）。 図５は、本発明の第１の実施の形態による金属プレートを示す部分拡大平面図（図２（ｂ）のＶ部拡大図）。 図６（ａ）−（ｄ）は、それぞれ金属プレートに形成される溝の変形例を示す部分拡大平面図。 図７は、本発明の第１の実施の形態による熱交換器を使用している状態を示す概略断面図。 図８は、本発明の第２の実施の形態による熱交換器を示す分解斜視図。 図９は、本発明の第２の実施の形態による熱交換器を使用している状態を示す概略断面図。

（第１の実施の形態）
以下、本発明の第１の実施の形態について、図１乃至図７を参照して説明する。なお、以下の各図において、同一部分には同一の符号を付しており、一部詳細な説明を省略する場合がある。

熱交換器の構成
まず、図１により、本実施の形態による熱交換器の概略について説明する。図１は、本実施の形態による熱交換器を示す分解斜視図である。

図１に示すように、本実施の形態による熱交換器（プレート型熱交換器）１０は、一方の固定板１１と、一方の固定板１１から離間して設けられた他方の固定板１２と、一方の固定板１１と他方の固定板１２との間に互いに積層して配置された複数（図１では４枚）の熱交換器用金属プレート（金属薄板状プレート）２０Ａ〜２０Ｄとを備えている。

このうち、複数の金属プレート２０Ａ〜２０Ｄは、第１の流体Ｆ_１用の金属プレート２０Ａ、２０Ｂと、第２の流体Ｆ_２用の金属プレート２０Ｃ、２０Ｄとからなっている。各金属プレート２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄは、溶融点に近い温度で隣接する金属プレート２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄに圧着されることにより、接触面でプレートを構成する金属原子を相互に拡散させ、互いに接合されている（拡散接合）。あるいは、金属プレート２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄは、ロウ材によって互いに接合されていても良い。一方の固定板１１と他方の固定板１２とは、図示しない連結手段で互いに連結されており、これにより一方の固定板１１と金属プレート２０Ａとが互いに密着し、他方の固定板１２と金属プレート２０Ｄとが互いに密着している。

一方の固定板１１および他方の固定板１２は、それぞれ平面略矩形状を有している。このうち一方の固定板１１には、流入管１３Ａ、１３Ｂおよび流出管１４Ａ、１４Ｂが接続されている。これに対して他方の固定板１２は、開口等が形成されることなく、平坦な形状を有している。

流入管１３Ａおよび流出管１４Ａは、それぞれ第１の流体Ｆ_１が流入および流出するものである。第１の流体Ｆ_１は、図示しないコンプレッサー又はポンプによって、流入管１３Ａから熱交換器１０に流入し、金属プレート２０Ａ、２０Ｂ内で循環しながら熱交換を行い、流出管１４Ａから流出するようになっている。また、流入管１３Ｂおよび流出管１４Ｂは、それぞれ第２の流体Ｆ_２が流入および流出するものである。第２の流体Ｆ_２は、図示しないコンプレッサー又はポンプによって、流入管１３Ｂから熱交換器１０に流入し、金属プレート２０Ｃ、２０Ｄ内で循環しながら熱交換を行って、流出管１４Ｂから流出するようになっている。

第１の流体Ｆ_１および第２の流体Ｆ_２は、少なくとも流入管１３Ａ、１３Ｂに流入する時点では、互いに温度が異なっている。第１の流体Ｆ_１および第２の流体Ｆ_２としては、二酸化炭素、空気等の気体であっても良く、水等の液体であっても良い。第１の流体Ｆ_１および第２の流体Ｆ_２は、同一種類の流体を用いても良く、互いに異なる種類の流体を用いても良い。なお、本実施の形態においては、第１の流体Ｆ_１として高温高圧冷媒（Ｒ７４４（二酸化炭素）等）が用いられ、第２の流体Ｆ_２として低温低圧流体（水等）が用いられる場合を例にとって説明する。

他方の固定板１２の近傍には、高温高圧の第１の流体Ｆ_１の漏洩を検知するための漏洩検知器１５が設けられている。漏洩検知器１５は、他方の固定板１２の近傍における、金属プレート２０Ｃ、２０Ｄの間から漏洩する第１の流体Ｆ_１を検知するものである。この漏洩検知器１５は、例えば電気抵抗、圧力、温度等が通常時から変化したことに基づいて第１の流体Ｆ_１の漏洩を検知するものであっても良い。漏洩検知器１５は、金属プレート２０Ａ〜２０Ｄ及び／又は他方の固定板１２に密着していても良く、これらから離間していても良い。なお、追加の漏洩検知器を他の箇所にも設けても良い。例えば、他方の固定板１２に対して漏洩検知器１５の反対側となる位置に追加の漏洩検知器を設け、この追加の漏洩検知器によって第２の流体Ｆ_２の漏洩を検知しても良い。

このように、熱交換器１０においては、金属プレート２０Ａ、２０Ｂの間を通過する第１の流体Ｆ_１と、金属プレート２０Ｃ、２０Ｄの間を通過する第２の流体Ｆ_２との間で、熱交換が行われるようになっている。なお、金属プレート２０Ａ〜２０Ｄの枚数は、図１では便宜上４枚の場合を示しているが、これに限らず、例えば２０枚以上２００枚以下程度としても良い。また、複数の金属プレートのうちの一部が本実施の形態による金属プレート２０Ａ〜２０Ｄと異なる構成のものであっても良い。

なお、このような熱交換器１０は、例えば給湯器のヒートポンプユニット、空調設備、冷蔵設備、冷凍設備、車載ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）クーラー、化学プラント等に用いることができる。

金属プレートの構成
次に、図２乃至図５を参照して、本実施の形態による金属プレートの構成について説明する。なお、以下においては、第２の流体Ｆ_２（低温低圧流体）用の一対の金属プレート２０Ｃ、２０Ｄについて説明する。

図２（ａ）（ｂ）に示すように、一対の金属プレート２０Ｃ、２０Ｄは、それぞれ平面略矩形形状であり、長手方向と短手方向とを有している。図２（ａ）（ｂ）において、長手方向はＹ方向に平行であり、短手方向はＹ方向に直交するＸ方向に平行である。

金属プレート２０Ｃ、２０Ｄは、それぞれ外周領域２１と、外周領域２１の内側に形成された薄肉領域（ハーフエッチング領域）２２とを有している。このうち外周領域２１は、各金属プレート２０Ｃ、２０Ｄの外周全域に沿って環状に形成されている。この外周領域２１は、ハーフエッチングが施されておらず、金属プレート２０Ｃ、２０Ｄ全体の厚みと同一の厚みを有している。

また、薄肉領域２２は、外周領域２１よりも薄肉となっており、金属プレート２０Ｃ、２０Ｄの一面側のみに形成されている。この場合、薄肉領域２２は、当該一面側から例えばハーフエッチング加工を施すことにより形成されている。なお、「ハーフエッチング」とは、被エッチング材料をその厚み方向に途中までエッチングすることをいう。薄肉領域２２の深さは、例えば、外周領域２１の厚みの４０％〜７０％程度とされても良い。このように、金属プレート２０Ａ〜２０Ｄの薄肉領域２２が（ハーフ）エッチングにより形成されるので、流体の流路をプレスによって形成する場合と比べて、熱交換器１０をコンパクトかつ高効率なものとすることができる。これにより、冷媒量の削減も含め、エネルギー効率を高めることができる。

薄肉領域２２のうち、金属プレート２０Ｃ、２０Ｄの一対の角部近傍には、それぞれ入口側開口２３Ｂ、出口側開口２４Ｂが形成されている。この入口側開口２３Ｂ、出口側開口２４Ｂは、第２の流体Ｆ_２が通過するとともに、薄肉領域２２に連通している。

また、外周領域２１のうち、金属プレート２０Ｃ、２０Ｄの他の一対の角部近傍には、それぞれ入口側開口２３Ａ、出口側開口２４Ａが形成されている。この入口側開口２３Ａ、出口側開口２４Ａは、第１の流体Ｆ_１が通過するものである。したがって、入口側開口２３Ａ、出口側開口２４Ａは、金属プレート２０Ｃ、２０Ｄの薄肉領域２２とは連通することなく、薄肉領域２２から離間して配置されている。他方、入口側開口２３Ａ、出口側開口２４Ａは、金属プレート２０Ａ、２０Ｂ（図１参照）の薄肉領域２２に連通している。

これらの入口側開口２３Ａ、２３Ｂ、出口側開口２４Ａ、２４Ｂは、金属プレート２０Ｃ、２０Ｄを貫通するように形成される。なお、入口側開口２３Ａ、２３Ｂ、出口側開口２４Ａ、２４Ｂは、薄肉領域２２を片面側からハーフエッチングにより形成する際、薄肉領域２２と同時に両面側からエッチングにより形成されても良い。

薄肉領域２２には、複数の伝熱フィン２５がそれぞれＺ方向（金属プレート２０Ｃ、２０Ｄの厚み方向）に突出して設けられている。各伝熱フィン２５が設けられている箇所の厚みは、外周領域２１の厚みと同一である。一方、各伝熱フィン２５は、外周領域２１および他の伝熱フィン２５からそれぞれ平面方向（Ｘ方向およびＹ方向）に離間して配置されている。このため、各伝熱フィン２５は島状に独立して配置されており、各伝熱フィン２５の周囲には、第２の流体Ｆ_２が通過するための流路２６が形成されている。なお、図１および図２（ａ）（ｂ）において、便宜上、一部の伝熱フィン２５のみを示しているが、実際には、薄肉領域２２の略全域に亘って伝熱フィン２５が配置されている。

図３に示すように、各伝熱フィン２５は、平面略Ｓ字形状を有している。この伝熱フィン２５は、第２の流体Ｆ_２の主流方向Ｄ（Ｙ方向）に沿って一定の間隔を隔てて多数配置されている。また、伝熱フィン２５は、第２の流体Ｆ_２の主流方向Ｄ（Ｙ方向）に対して垂直な方向（Ｘ方向）にも一定の間隔で平行に配置されている。この伝熱フィン２５は、その長手方向両端を渦や旋回流などの乱れが生じないような流線型にそれぞれ成形しており、流体抵抗を最小にするように構成されている。なお、各伝熱フィン２５の形状は、平面円形状、平面長円形状、または平面多角形形状としても良い。

本実施の形態において、複数の伝熱フィン２５は、互いに線対称な形状を有する２種類の伝熱フィン２５ａ、２５ｂを複数組合せることによって構成されている。このうち伝熱フィン２５ａは、Ｘ方向マイナス側およびＹ方向マイナス側から、Ｘ方向プラス側およびＹ方向プラス側へ向かって延びる略Ｓ字形状を有している。一方、伝熱フィン２５ｂは、Ｘ方向プラス側およびＹ方向マイナス側から、Ｘ方向マイナス側およびＹ方向プラス側へ向かって延びる略Ｓ字形状を有している。伝熱フィン２５ａおよび２５ｂは、それぞれＸ方向に沿って一列に配置されており、伝熱フィン２５ａの列と伝熱フィン２５ｂの列とは、Ｙ方向に沿って交互に配置されている。複数の伝熱フィン２５は、これら一組の伝熱フィン２５ａ、２５ｂの位置をＸ方向およびＹ方向にそれぞれ所定量だけずらして多数配置するように構成され、いわゆる千鳥状の配列（デルタ配列）となっている。本明細書中、これら２種類の伝熱フィン２５ａ、２５ｂを合わせて、伝熱フィン２５と称する。伝熱フィン２５の幅は、金属プレート２０Ｃ、２０Ｄの材料の厚みや流体によって適宜異ならせても良い。具体的には、各伝熱フィン２５のうち最も幅の広い箇所で例えば０．３ｍｍ以上１．０ｍｍ以下としても良い。

第２の流体Ｆ_２は、Ｘ方向に互いに隣接する一対の伝熱フィン２５間の流路２６を通過した後、より下流側（Ｙ方向マイナス側）に位置する他の伝熱フィン２５の上流側（Ｙ方向プラス側）の端部で分岐され、この伝熱フィン２５とＸ方向に互いに隣接する一対の伝熱フィン２５間の流路２６を通過する。その後、伝熱フィン２５に沿って流れた第２の流体Ｆ_２は、伝熱フィン２５の下流側（Ｙ方向マイナス側）の端部で合流する。これにより、流路２６における急激な曲がりによる渦形成や旋回流に起因する圧力損失を最小限に抑え、流路面積の変化、すなわち、流路２６の拡大や縮小を抑えることができ、拡流や縮流による圧力損失を小さく抑えることができる。流路２６の幅は、金属プレート２０Ｃ、２０Ｄの材料の厚みや流体によって適宜異ならせても良く、例えば０．２ｍｍ以上３．０ｍｍ以下としても良い。

図２（ａ）（ｂ）および図３に示すように、外周領域２１のうち薄肉領域２２側に位置する縁部２７が、縁部２７に隣接する伝熱フィン２５の形状に沿って波形状又はジグザグ形状となっている。すなわち、外周領域２１の縁部２７には、薄肉領域２２側に張り出す凸部２１ａと、外周領域２１側に引っ込む凹部２１ｂとが、第２の流体Ｆ_２の主流方向Ｄ（Ｙ方向）に沿って複数個繰り返し形成されている。また、波形状又はジグザグ形状の縁部２７は、略Ｓ字状の伝熱フィン２５の形状に合わせた形状となっている。すなわち、縁部２７は、各伝熱フィン２５の外形形状に沿って湾曲しており、これにより、縁部２７と伝熱フィン２５との間の流路２６が略一定の幅となっている。

次に、図４を参照して、接合された状態の金属プレート２０Ｃ、２０Ｄについて説明する。図４は、金属プレート２０Ｃ、２０Ｄ同士が接合された状態を示している。

図４に示すように、金属プレート２０Ｃ、２０Ｄは、薄肉領域２２が形成された面同士を互いに対向させるように配置されている。また、一対の金属プレート２０Ｃ、２０Ｄの薄肉領域２２および複数の伝熱フィン２５は、それぞれ互いに鏡面対称となるように形成されている。このため、金属プレート２０Ｃ、２０Ｄを互いに接合した際、薄肉領域２２同士が一致し、対応する各伝熱フィン２５同士が一致するように接合される。このとき、金属プレート２０Ｃ、２０Ｄの薄肉領域２２同士によって第２の流体Ｆ_２が流れる流路２６が形成される。

流路２６の高さｈ（Ｚ方向の距離）は、例えば０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下とすることが好ましい。このように、流路２６の高さｈを抑えることにより、熱交換器１０をコンパクトにすることができるとともに、熱交換の効率を高めることができる。

図５は、金属プレート２０Ｄの部分拡大平面図である。図５に示すように、金属プレート２０Ｄの入口側開口２３Ａの周囲に、平面視略直線状の溝２８が形成されている。この溝２８は、仮に入口側開口２３Ａの周縁で金属プレート２０Ｃ、２０Ｄが互いに剥離してしまった場合に、第１の流体Ｆ_１（高温高圧冷媒）を熱交換器１０の外部へ排出させるとともに、漏洩検知器１５（図１参照）を用いて第１の流体Ｆ_１の漏洩を検知するために用いられる。

溝２８は、薄肉領域２２を片面側からハーフエッチングにより形成する際、同時にハーフエッチングにより形成される。このため、溝２８は、薄肉領域２２と略同一の深さに形成される。溝２８は底面を有し、この底面の断面形状は、略半円、略半楕円等、湾曲した弧状となっている。溝２８の幅は、例えば０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下としても良い。溝２８の深さは、例えば０．０５ｍｍ以上１．４ｍｍ以下としても良い。溝２８の幅及び深さをこの範囲内とすることにより、漏洩した第１の流体Ｆ_１を熱交換器１０の外部へ確実に排出するとともに、漏洩検知器１５によって第１の流体Ｆ_１の漏洩を確実に検知することができる。

また溝２８は、入口側開口２３Ａ及び薄肉領域２２の両方から独立しており、平面視において、入口側開口２３Ａ及び薄肉領域２２からそれぞれ離間して配置されている。このため、通常時（第１の流体Ｆ_１の非漏洩時）、溝２８は、入口側開口２３Ａ及び薄肉領域２２のいずれとも連通しない。一方、仮に入口側開口２３Ａの周縁で金属プレート２０Ｃ、２０Ｄが互いに剥離した場合には、入口側開口２３Ａからの第１の流体Ｆ_１が、溝２８を介して外周領域２１の外方へ排出されるようになっている。

溝２８は、上述したように略直線状であり、一端２８ａと他端２８ｂとを有している。このうち一端２８ａは、外周領域２１の周囲まで延びており、具体的には、外周領域２１の長手方向縁部２１ｃ（長辺）に終端している。一方、溝２８の他端２８ｂは、入口側開口２３Ａと薄肉領域２２との間に位置している。この場合、入口側開口２３Ａから漏洩した第１の流体Ｆ_１が、溝２８の他端２８ｂから一端２８ａまで流れ、熱交換器１０の外部に排出される。また溝２８の他端２８ｂが、入口側開口２３Ａと薄肉領域２２とが最も接近する箇所の近傍に位置するので、第１の流体Ｆ_１が薄肉領域２２に流入することをより確実に防止することができる。

本実施の形態において金属プレート２０Ｄの溝２８は、薄肉領域２２が形成された面と同一の面に形成されているが、これに限られるものではない。金属プレート２０Ｄのうち薄肉領域２２が形成されていない側の面に形成されていても良い。また、溝２８は、金属プレート２０Ｄだけでなく、金属プレート２０Ｃの入口側開口２３Ａの周囲に更に設けられていても良い（図２（ａ）の二点鎖線参照）。この場合、金属プレート２０Ｃの溝２８は、金属プレート２０Ｄの溝２８に対応する位置に設けられ、金属プレート２０Ｃ、２０Ｄを互いに接合した際、双方の溝２８が一つの一体化された溝を構成しても良い。この場合、溝の断面積を広くし、溝から排出する第１の流体Ｆ_１の量を増やすことができる。さらに、溝２８は、金属プレート２０Ｄの出口側開口２４Ａの周囲に更に設けられていても良い（図２（ｂ）の二点鎖線参照）。この場合、仮に出口側開口２４Ａの周縁で金属プレート２０Ｃ、２０Ｄが剥離した場合においても、漏洩する第１の流体Ｆ_１を熱交換器１０の外部へ排出することができる。

また、熱交換器１０が複数の金属プレート２０Ｄを有する場合、溝２８は、複数の金属プレート２０Ｄの全てに設けられていなくても良い。溝２８は、複数の金属プレート２０Ｄのうち、他方の固定板１２に隣接する金属プレート２０Ｄを含む１枚以上の金属プレート２０Ｄに設けられ、それ以外の金属プレート２０Ｄに設けられていなくても良い。一般に、第１の流体Ｆ_１が高圧である場合、流入管１３Ａから最も遠い位置にある他方の固定板１２に隣接する金属プレート２０Ｄの入口側開口２３Ａ付近が最も圧力負荷が大きい領域である。このため、この領域付近は、金属プレート２０Ｄの接合不良が最も発生しやすい箇所であると考えられる。このため、他方の固定板１２に隣接する金属プレート２０Ｄに溝２８を設けておくことにより、漏洩した第１の流体Ｆ_１を効果的に排出することができる。

次に、図６（ａ）−（ｄ）を参照して、溝２８の各種変形例について説明する。

図６（ａ）において、溝２８は、外周領域２１の長手方向縁部２１ｃ（長辺）に対して略平行かつ直線状に延びている。溝２８の一端２８ａは、外周領域２１の短手方向縁部２１ｄ（短辺）まで延びている。溝２８の他端２８ｂは、入口側開口２３Ａに対して金属プレート２０Ｄの短手方向側方であって、出口側開口２４Ｂ側に位置している。図６（ａ）に示す変形例によれば、漏洩検知器１５が外周領域２１の短手方向縁部２１ｄ側に設けられている場合にも、第１の流体Ｆ_１の漏洩を検知することができる。

図６（ｂ）において、溝２８は、入口側開口２３Ａの周囲に沿って湾曲した弧状に延びている。溝２８の一端２８ａは、外周領域２１の短手方向縁部２１ｄ（短辺）まで延びている。溝２８の他端２８ｂは、入口側開口２３Ａと薄肉領域２２との間に位置している。図６（ｂ）に示す変形例によれば、溝２８の他端２８ｂが、入口側開口２３Ａの周囲で薄肉領域２２に最も近接する箇所に設けられているので、第１の流体Ｆ_１が薄肉領域２２に流入することを確実に防止することができる。

図６（ｃ）において、溝２８は、外周領域２１の長手方向縁部２１ｃ（長辺）に対して略平行かつ直線状に延びている。溝２８の一端２８ａは、外周領域２１の短手方向縁部２１ｄ（短辺）まで延びている。溝２８の他端２８ｂは、入口側開口２３Ａに対して薄肉領域２２の反対側に位置している。一般に入口側開口２３Ａから同心円状に金属プレート２０Ｃと金属プレート２０Ｄとが剥がれていく。このため、図６（ｃ）に示す変形例のように、薄肉領域２２側とは逆側に溝２８を設けても漏洩を検知することが可能となる。図６（ｃ）に示す変形例は、とりわけ入口側開口２３Ａと薄肉領域２２との間の接合強度が必要な構造や、入口側開口２３Ａと薄肉領域２２との間の幅が狭い構造に適している。

図６（ｄ）において、溝２８は、外周領域２１の長手方向縁部２１ｃ（長辺）および短手方向縁部２１ｄ（短辺）に対して斜めかつ直線状に延びている。溝２８の一端２８ａは、外周領域２１のコーナー部２１ｅまで延びている。溝２８の他端２８ｂは、入口側開口２３Ａに対して薄肉領域２２の反対側に位置している。一般に入口側開口２３Ａから同心円状に金属プレート２０Ｃと金属プレート２０Ｄとが剥がれていく。このため、図６（ｄ）に示す変形例のように、薄肉領域２２側とは逆側に溝２８を設けても漏洩を検知することが可能となる。図６（ｄ）に示す変形例は、とりわけ入口側開口２３Ａと薄肉領域２２との間の接合強度が必要な構造や、入口側開口２３Ａと薄肉領域２２との間の幅が狭い構造に適している。

本実施の形態において、金属プレート２０Ｃ、２０Ｄは、熱伝導性の良い金属が好ましく、例えばステンレス、鉄、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、チタンなど、種々選択可能である。また、金属プレート２０Ｃ、２０Ｄの厚みは、それぞれ例えば０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ以下としても良い。

なお、第１の流体Ｆ_１用の一対の金属プレート２０Ａ、２０Ｂの構成は、第２の流体Ｆ_２用の一対の金属プレート２０Ｃ、２０Ｄの構成とそれぞれ略同一であっても良い。あるいは、金属プレート２０Ａ、２０Ｂの伝熱フィン２５の形状及び／又は配置は、金属プレート２０Ｃ、２０Ｄの伝熱フィン２５の形状及び／又は配置と異なっていても良い。また、金属プレート２０Ａ、２０Ｂには、金属プレート２０Ｄと同様の溝２８が設けられていても良く、あるいは溝２８が設けられていなくても良い。

本実施の形態の作用
次に、このような構成からなる熱交換器の作用について述べる。

まず、図１に示す熱交換器１０において、流入管１３Ａに第１の流体Ｆ_１を導入するとともに、流入管１３Ｂに第２の流体Ｆ_２を導入する。この場合、第１の流体Ｆ_１の温度と第２の流体Ｆ_２の温度とは互いに異なっている。

次に、第１の流体Ｆ_１は、金属プレート２０Ａ、２０Ｂ間の薄肉領域２２に形成された流路２６を通過し、熱交換器１０の流出管１４Ａから流出する。同様に、第２の流体Ｆ_２は、金属プレート２０Ｃ、２０Ｄ間の薄肉領域２２に形成された流路２６を通過し、熱交換器１０の流出管１４Ｂから流出する。流出管１４Ａ、１４Ｂから流出する時点で、相対的に低温の流体である第２の流体Ｆ_２の温度は流入時よりも上昇し、相対的に高温の流体である第１の流体Ｆ_１の温度は流入時よりも低下している。この場合、金属プレート２０Ｂと金属プレート２０Ｃとが互いに接合されているので、これら金属プレート２０Ｂ、２０Ｃを介して、第１の流体Ｆ_１と第２の流体Ｆ_２との間で熱交換が効率的に行なわれる。

このようにして熱交換器１０を使用している間、高温高圧の第１の流体Ｆ_１が継続的に流入管１３Ａに流入する。この第１の流体Ｆ_１は、各金属プレート２０Ａ〜２０Ｄの入口側開口２３Ａを順次通過して、金属プレート２０Ｃ、２０Ｄの薄肉領域２２によって形成された各流路２６に流入する。このときの熱交換器１０の概略断面を図７に示す。このように高温高圧の第１の流体Ｆ_１が流入することにより、金属プレート２０Ｃ、２０Ｄの間の入口側開口２３Ａに高い負荷が加わる。仮に、入口側開口２３Ａの周囲で金属プレート２０Ｃ、２０Ｄの接合が不十分であると、入口側開口２３Ａの周囲で金属プレート２０Ｃ、２０Ｄが剥離するおそれがある（図７の位置Ｐ参照）。この場合、金属プレート２０Ｃ、２０Ｄの間に形成された隙間から第１の流体Ｆ_１が浸入してしまう。金属プレート２０Ｃ、２０Ｄの間に第１の流体Ｆ_１が浸入した場合、浸入した第１の流体Ｆ_１は、金属プレート２０Ｃ、２０Ｄの薄肉領域２２同士によって形成された流路２６に到達し、流路２６内の第２の流体Ｆ_２と混合してしまうおそれがある。

これに対して本実施の形態によれば、金属プレート２０Ｄの入口側開口２３Ａの周囲に、溝２８が形成されている。したがって、金属プレート２０Ｃ、２０Ｄの間に第１の流体Ｆ_１が浸入した場合であっても、この第１の流体Ｆ_１が溝２８を介して熱交換器１０の外部へと排出される。これにより、第１の流体Ｆ_１と第２の流体Ｆ_２とが混合してしまう不具合を防止することができる。さらに、漏洩した第１の流体Ｆ_１を漏洩検知器１５によって検知することにより、第１の流体Ｆ_１の漏洩を発見することができ、熱交換器１０を迅速に修理したり交換したりすることができる。

以上説明したように本実施の形態によれば、入口側開口２３Ａの周囲に、入口側開口２３Ａ及び薄肉領域２２から独立した溝２８が形成され、溝２８の一端２８ａが外周領域２１の周囲まで延びている。これにより、第１の流体Ｆ_１が熱交換器１０の内部で漏洩した場合であっても、漏洩した第１の流体Ｆ_１が第２の流体Ｆ_２へ混合することを防止し、かつ第１の流体Ｆ_１の漏洩を検知することができる。また、溝２８は、外周領域２１のうち入口側開口２３Ａの周囲に形成されているので、金属プレート２０Ｃ、２０Ｄの間に別途介在層等を設ける必要がなく、漏洩した第１の流体Ｆ_１の排出を簡単な構造で実現することができる。また、溝２８は、薄肉領域２２を形成する際にハーフエッチングで同時に形成されるので、溝２８を形成するための特別な製造工程が必要となることもない。

（第２の実施の形態）
次に、図８および図９を参照して本発明の第２の実施の形態について説明する。図８および図９は本発明の第２の実施の形態を示す図である。図８および図９に示す第２の実施の形態は、熱交換器１０Ａが２種類の金属プレート２０Ｂ、２０Ｄによって構成されている点が異なるものであり、他の構成は上述した第１の実施の形態と略同一である。図８および図９において、第１の実施の形態と同一部分には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

図８に示すように、本実施の形態による熱交換器（プレート型熱交換器）１０Ａは、一方の固定板１１と、一方の固定板１１から離間して設けられた他方の固定板１２と、一方の固定板１１と他方の固定板１２との間に互いに積層して配置された複数（図１では４枚）の熱交換器用金属プレート（金属薄板状プレート）２０Ｂ、２０Ｄとを備えている。

本実施の形態においては、一方の固定板１１と他方の固定板１２との間で、金属プレート２０Ｂと金属プレート２０Ｄとが順番に繰り返し配置されている。金属プレート２０Ｂは、第１の流体Ｆ_１用の金属プレートであり、金属プレート２０Ｄは、第２の流体Ｆ_２用の金属プレートである。各金属プレート２０Ｂ、２０Ｄの構成は、第１の実施の形態における金属プレート２０Ｂ、２０Ｄの構成とそれぞれ略同様である。

本実施の形態において、金属プレート２０Ｂの表面（薄肉領域２２が形成された面）は、金属プレート２０Ｄの裏面（薄肉領域２２が形成されていない面）に直接接合されている。この場合、金属プレート２０Ｂの薄肉領域２２と金属プレート２０Ｄの裏面とによって第１の流体Ｆ_１が流れる流路２６が形成される。同様に、金属プレート２０Ｄの表面（薄肉領域２２が形成された面）は、金属プレート２０Ｂの裏面（薄肉領域２２が形成されていない面）に直接接合されている。この場合、金属プレート２０Ｄの薄肉領域２２と金属プレート２０Ｂの裏面とによって第２の流体Ｆ_２が流れる流路２６が形成される。

図９は、使用時における熱交換器１０Ａの概略断面を示す図である。図９に示すように、高温高圧の第１の流体Ｆ_１は、各金属プレート２０Ｂ、２０Ｄの入口側開口２３Ａを順次通過して、各金属プレート２０Ｂの薄肉領域２２によって形成された流路２６に流入する。第１の流体Ｆ_１が流入することにより、金属プレート２０Ｄの入口側開口２３Ａに高い負荷が加わり、入口側開口２３Ａの周囲で金属プレート２０Ｂ、２０Ｄが剥離するおそれがある。（図９の位置Ｐ参照）。この場合、金属プレート２０Ｂ、２０Ｄの間に形成された隙間から第１の流体Ｆ_１が浸入することが考えられる。

本実施の形態によれば、金属プレート２０Ｄの入口側開口２３Ａの周囲に、溝２８が形成されている。したがって、金属プレート２０Ｂ、２０Ｄの間に第１の流体Ｆ_１が浸入した場合であっても、この第１の流体Ｆ_１が溝２８を介して熱交換器１０の外部へ排出される。これにより、第１の流体Ｆ_１と第２の流体Ｆ_２とが混合してしまう不具合を防止することができる。

上記実施の形態および変形例に開示されている複数の構成要素を必要に応じて適宜組合せることも可能である。あるいは、上記実施の形態および変形例に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。

１０、１０Ａ 熱交換器
１１ 一方の固定板
１２ 他方の固定板
２０Ａ〜２０Ｄ 金属プレート
２１ 外周領域
２２ 薄肉領域
２３Ａ、２３Ｂ 入口側開口
２４Ａ、２４Ｂ 出口側開口
２５ 伝熱フィン
２６ 流路
２７ 縁部
２８ 溝

Claims (7)

1. 熱交換器用金属プレートであって、
   外周領域と、
   前記外周領域の内側に形成され、前記外周領域よりも薄肉の薄肉領域と、
   前記薄肉領域から前記金属プレートの厚み方向に突出するように設けられた伝熱フィンとを備え、
   前記外周領域には、流体が流入又は流出するとともに前記薄肉領域から離間して配置された開口が形成され、
   前記開口の周囲に、前記開口及び前記薄肉領域から独立した溝が形成され、前記溝の一端が前記外周領域の周囲まで延びていることを特徴とする熱交換器用金属プレート。
2. 前記溝の他端は、前記開口と前記薄肉領域との間に位置していることを特徴とする請求項１記載の熱交換器用金属プレート。
3. 前記溝の他端は、前記開口に対して前記金属プレートの短手方向側方に位置していることを特徴とする請求項１記載の熱交換器用金属プレート。
4. 前記溝の他端は、前記開口に対して前記薄肉領域の反対側に位置していることを特徴とする請求項１記載の熱交換器用金属プレート。
5. 一対の固定板と
   前記一対の固定板の間に互いに積層して配置された複数の熱交換器用金属プレートとを備え、
   前記複数の熱交換器用金属プレートのうち少なくとも一枚の熱交換器用金属プレートは、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の熱交換器用金属プレートであることを特徴とする熱交換器。
6. 前記一対の固定板のうち少なくとも一つの固定板に隣接する前記熱交換器用金属プレートは、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の熱交換器用金属プレートであることを特徴とする請求項５記載の熱交換器。
7. 前記一対の固定板のうち少なくとも一つの固定板の近傍に、前記複数の熱交換器用金属プレートの間から漏洩する流体を検知する漏洩検知器が設けられていることを特徴とする請求項５又は６記載の熱交換器。

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