JP2018096581A - Heat exchanger and manufacturing method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、熱交換器及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a heat exchanger and a manufacturing method thereof.
従来、複数の流路層を拡散接合することによって製造される熱交換器が知られている(例えば、下記特許文献1参照)。しかしながら、従来の熱交換器では、流路が流路層の片面にしか形成されていないため、高温流体と低温流体の間で熱エネルギーを交換するために、高温流体の流路が形成された流路層とは別に低温流体の流路が形成された流路層が必要であった。 Conventionally, a heat exchanger manufactured by diffusion bonding a plurality of flow path layers is known (for example, see Patent Document 1 below). However, in the conventional heat exchanger, since the flow path is formed only on one side of the flow path layer, the flow path of the high temperature fluid is formed in order to exchange heat energy between the high temperature fluid and the low temperature fluid. In addition to the channel layer, a channel layer in which a channel for low-temperature fluid is formed is necessary.
また、従来の熱交換器では、拡散接合時に加えられる圧力によって流路が押し潰されないように、流路の幅が非常に狭く設定されているので、高温流体の流路と低温流体の流路の間に形成される伝熱部の面積が小さい。したがって、熱の交換効率が悪かった。 In addition, in the conventional heat exchanger, the width of the flow path is set to be very narrow so that the flow path is not crushed by the pressure applied during diffusion bonding, so the flow path for the high temperature fluid and the flow path for the low temperature fluid The area of the heat transfer part formed between is small. Therefore, the heat exchange efficiency was poor.
また、従来の熱交換器では、1つの流路層に複数の流路が形成されているが、各流路を仕切る線状の隔壁によって流体の流れが規制され、単位時間当たりの流量が少ないので、熱の交換効率が悪かった。 Further, in the conventional heat exchanger, a plurality of flow paths are formed in one flow path layer, but the flow of fluid is restricted by the linear partition walls that partition the flow paths, and the flow rate per unit time is small. So the heat exchange efficiency was bad.
下記特許文献1は、流路となる溝をエッチングで形成することも開示している。しかしながら、流路層の片面にエッチングで流路を形成する場合、流路の深さを流路層の厚さの50%以上に設定すると、流路層に歪みが発生し、拡散接合に適した接合面が得られないという問題があった。一方、流路の深さを流路層の厚さの50%未満に設定した場合、残部(流路の底面と流路層の底面との間に形成される伝熱部)の厚さは流路層の厚さの50%以上になるため、熱の交換効率が悪かった。 The following Patent Document 1 also discloses that a groove to be a flow path is formed by etching. However, when a channel is formed on one side of the channel layer by etching, if the channel depth is set to 50% or more of the channel layer thickness, the channel layer is distorted and suitable for diffusion bonding. There was a problem that a bonded surface could not be obtained. On the other hand, when the depth of the flow path is set to be less than 50% of the thickness of the flow path layer, the thickness of the remaining portion (the heat transfer portion formed between the bottom surface of the flow path and the bottom surface of the flow path layer) is Since it became 50% or more of the thickness of the flow path layer, the heat exchange efficiency was poor.
本発明が解決しようとする課題は、小型で熱の交換効率の良い熱交換器及びその製造方法を提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide a small-sized heat exchanger with high heat exchange efficiency and a method for manufacturing the heat exchanger.
本発明は、上記課題を解決するため、流路層を備え、前記流路層が、前記流路層の一面に設けられる高温流体の流路、前記流路層の他面に設けられる低温流体の流路、前記高温流体の流路において互いに間隔を置いて設けられる柱状の第1突起、及び前記低温流体の流路において前記第1突起と同じ位置に設けられる柱状の第2突起を有することを特徴とする熱交換器を提供する。
また、本発明は、流路層を形成する工程を含み、前記工程において、板状の基材の両面を同時にエッチングすることによって、前記流路層の一面に設けられる高温流体の流路、前記流路層の他面に設けられる低温流体の流路、前記高温流体の流路において互いに間隔を置いて設けられる柱状の第1突起、及び前記低温流体の流路において前記第1突起と同じ位置に設けられる柱状の第2突起を形成することを特徴とする熱交換器の製造方法を提供する。
In order to solve the above problems, the present invention includes a flow path layer, and the flow path layer is a flow path of a high-temperature fluid provided on one surface of the flow path layer, and a low-temperature fluid provided on the other surface of the flow path layer. , A columnar first protrusion provided at an interval in the high temperature fluid flow path, and a columnar second protrusion provided at the same position as the first protrusion in the low temperature fluid flow path. A heat exchanger characterized by the above is provided.
Further, the present invention includes a step of forming a flow path layer, and in the step, the flow path of the high-temperature fluid provided on one surface of the flow path layer by simultaneously etching both surfaces of the plate-like base material, The flow path of the low temperature fluid provided on the other surface of the flow path layer, the columnar first protrusions provided at intervals in the flow path of the high temperature fluid, and the same position as the first protrusions in the flow path of the low temperature fluid The manufacturing method of the heat exchanger characterized by forming the column-shaped 2nd protrusion provided in is provided.
本発明の熱交換器は、流路層の一面に高温流体の流路が設けられ、流路層の他面に低温流体の流路が設けられる。すなわち、1つの流路層に高温流体の流路と低温流体の流路が設けられるため、熱交換器の小型化を図ることが可能である。また、本発明の熱交換器は、高温流体の流路において互いに間隔を置いて設けられる柱状の第1突起、及び低温流体の流路において第1突起と同じ位置に設けられる柱状の第2突起を有する。これらの突起は、柱状であるため、流体の流れを妨げず、熱の交換効率の向上に寄与する。特に、流路層と他の層とを拡散接合する場合には、これらの突起が他の層を支える柱として機能するため、拡散接合時の加圧によって流路が押し潰されることがなく、流路として機能し得る空間を確保することが可能である。したがって、熱の交換効率を向上させるために、流路の幅を従来よりも格段に拡大することが可能である。
本発明の熱交換器の製造方法は、流路層の両面に形成される流路が板状の基材の両面を同時にエッチングすることによって形成されるため、流路層の歪みを抑制することが可能である。特に、流路層と他の層を拡散接合する場合には、流路層の歪みが非常に小さいので、拡散接合に適した接合面を得ることが可能である。また、突起を流路内に容易に形成し得るという利点がある。
In the heat exchanger of the present invention, a flow path for the high-temperature fluid is provided on one surface of the flow path layer, and a flow path for the low-temperature fluid is provided on the other surface of the flow path layer. That is, since the flow path for the high temperature fluid and the flow path for the low temperature fluid are provided in one flow path layer, it is possible to reduce the size of the heat exchanger. Further, the heat exchanger of the present invention includes a columnar first protrusion provided at a distance from each other in the flow path of the high temperature fluid, and a columnar second protrusion provided at the same position as the first protrusion in the flow path of the low temperature fluid. Have Since these protrusions are columnar, they do not hinder the flow of fluid and contribute to the improvement of heat exchange efficiency. In particular, when diffusion bonding the flow path layer and other layers, since these protrusions function as pillars supporting the other layers, the flow path is not crushed by pressure during diffusion bonding, It is possible to secure a space that can function as a flow path. Therefore, in order to improve the heat exchange efficiency, the width of the flow path can be significantly increased as compared with the conventional case.
The manufacturing method of the heat exchanger of the present invention suppresses distortion of the flow path layer because the flow paths formed on both surfaces of the flow path layer are formed by simultaneously etching both surfaces of the plate-like substrate. Is possible. In particular, when the flow path layer and other layers are diffusion bonded, since the distortion of the flow path layer is very small, it is possible to obtain a bonding surface suitable for diffusion bonding. Moreover, there exists an advantage that protrusion can be easily formed in a flow path.
以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明するが、本発明の技術的範囲は以下の説明の内容に限定されるものではない。 Hereinafter, although an embodiment of the present invention is described based on an example, the technical scope of the present invention is not limited to the contents of the following description.
図1に示したように、本実施例に係る熱交換器は、流路層10、隔壁層20、上蓋30及び下蓋40を有し、それらが積層された積層体である。
As shown in FIG. 1, the heat exchanger according to the present embodiment has a
流路層10は、板状の基材に流体の流路が形成された層である。図2及び図3に示したように、流路層10は、高温流体の流路10a、低温流体の流路10b、高温流体の入口10c及び出口10d、低温流体の入口10e及び出口10f、第1突起10g、第2突起10h、第3突起10i、第4突起10j、第5突起10k、第6突起10l、伝熱部10m、第1隔離部10n、第2隔離部10o、第3隔離部10p並びに第4隔離部10qを有する。
The
高温流体という用語は、低温流体よりも温度の高い流体を意味し、低温流体という用語は、高温流体よりも温度が低い流体を意味する。 The term hot fluid means a fluid that has a higher temperature than the cold fluid, and the term cold fluid means a fluid that has a lower temperature than the hot fluid.
高温流体の流路10aは、流路層10の一面に設けられる。低温流体の流路10bは、流路層10の他面(一面の反対側の面)に設けられる。図2及び図3に示したように、これらの流路10a,10bの幅(w1,w2)は、流体の流量を増加させるため、流路層10の幅(W1,W2)の50%以上であることが好ましい。そのように設定することによって、流体の流量が増加し、また、高温流体と低温流体が交差する部分(高温流体の流路10aと低温流体の流路10bとの間に形成される伝熱部10m)の面積が増大するため、熱の交換効率を向上させることができる。
The
これらの流路10a,10bの幅(w1,w2)を流路層10の幅(W1,W2)の50%未満に設定することも、また、それによって流路層10の一面及び/又は他面に複数の流路を設けることも可能である。しかしながら、その場合には、流体の流量が減少し、また、伝熱部10mの面積も小さくなるため、熱の交換効率が低下する。
It is also possible to set the width (w1, w2) of these
図5に示したように、高温流体の流路10aの深さ(D1)は、流路層10の厚さ(T1)の25%以上であることが好ましい。低温流体の流路10bの深さ(D2)も、同様に、流路層10の厚さ(T1)の25%以上であることが好ましい。そのように設定することによって、伝熱部10mの厚さ(T2)が50%以下になるので、熱の交換効率を向上させることができる。もっとも、熱の交換効率をさらに向上させるために、これらの流路10a,10bの深さ(D1,D2)を、流路層10の厚さ(T1)の30%以上、35%以上又は40%以上に設定することがさらに好ましい。本実施例では、これらの流路10a,10bの深さ(D1,D2)を流路層10の厚さ(T1)の40%に設定している。それにより、伝熱部10mの厚さ(T2)は、流路層10の厚さ(T2)の20%であるため、熱の交換効率が非常に良好である。
As shown in FIG. 5, the depth (D1) of the
図2及び図4に示したように、高温流体の入口10c及び出口10dは、流路層10を貫通する長穴である。図2に示したように、高温流体の入口10c及び出口10dの幅は、高温流体の流路10aの幅と等しいことが好ましい。そのように設定することによって、高温流体の流量を増加させることができる。高温流体の入口10c及び出口10dの幅を高温流体の流路10aの幅よりも狭く又は広く設定することも可能である。
As shown in FIGS. 2 and 4, the high-temperature fluid inlet 10 c and
図3及び図6に示したように、低温流体の入口10e及び出口10fは、流路層10を貫通する長穴である。図3に示したように、低温流体の入口10e及び出口10fの幅は、低温流体の流路10bの幅と等しいことが好ましい。そのように設定することによって、低温流体の流量を増加させることができる。低温流体の入口10e及び出口10fの幅を低温流体の流路10bの幅よりも狭く又は広く設定することも可能である。
As shown in FIGS. 3 and 6, the
図2及び図4に示したように、第1突起10gは、柱状であり、高温流体の流路10aにおいて互いに間隔を置いて設けられる。本実施例では、第1突起10gの形状が円柱であるが、流体の流速の低下をより少なくするために、第1突起10gの形状を楕円柱又は流線形としても良い。
As shown in FIGS. 2 and 4, the
図3及び図4に示したように、第2突起10hは、柱状であり、低温流体の流路10bにおいて第1突起10gと同じ位置に設けられる。本実施例では、第2突起10hの形状が円柱であるが、流体の流速の低下をより少なくするために、第2突起10hの形状を楕円柱又は流線形としても良い。
As shown in FIGS. 3 and 4, the
第1突起10g及び第2突起10hは、柱状であるため、各流路10a,10bにおいて流体の流れを妨げず、熱の交換効率の向上に寄与する。特に、流路層10と他の層(例えば、隔壁層20)とを拡散接合する場合には、図9及び図10に示したように、第1突起10g及び第2突起10hが他の層を支える柱として機能するため、拡散接合時の加圧によって流路10a,10bが押し潰されることがなく、流路10a,10bとして機能し得る空間を確保することができる。したがって、熱の交換効率を向上させるために、上記したように、流路10a,10bの幅を従来よりも格段に拡大することができる。また、第1突起10gと第2突起10hが伝熱部10mを挟んで同じ位置に設けられているため、流路層10に他の層を接合するときに、他の層を支持する強度を高めることができる。
Since the
上記した第1突起10g及び第2突起10hは、伝熱部10mから突出するように設けられている。これに対し、第3突起10i、第4突起10j、第5突起10k及び第6突起10lは、伝熱部10m以外の部分から突出するように設けられている。
The
すなわち、図3及び図6に示したように、第3突起10iは、低温流体の流路10bにおいて低温流体の入口10e付近、すなわち、低温流体の入口10eと高温流体の流路10aとの間に形成される第1隔離部10nの真下に設けられる。第4突起10jは、低温流体の流路10bにおいて低温流体の出口10f付近、すなわち、低温流体の出口10fと高温流体の流路10aとの間に形成される第2隔離部10oの真下に設けられる。
That is, as shown in FIGS. 3 and 6, the
図2及び図4に示したように、第5突起10kは、高温流体の流路10aにおいて高温流体の入口10c付近、すなわち、高温流体の入口10cと低温流体の流路10bとの間に形成される第3隔離部10pの真上に設けられる。第6突起10lは、高温流体の流路10aにおいて高温流体の出口10d付近、すなわち、高温流体の出口10dと低温流体の流路10bとの間に形成される第4隔離部10qの真上に設けられる。
As shown in FIGS. 2 and 4, the
上記した第1隔離部10n及び第2隔離部10oは、図7に示したように、低温流体が高温流体の流路10aに進入することを防ぐ部分である。一方、第3隔離部10p及び第4隔離部10qは、図5に示したように、高温流体が低温流体の流路10bに進入することを防ぐ部分である。
The
図1に示したように、隔壁層20は、流路層10と他の流路層10’との間に配置される。隔壁層20は、流路層10の低温流体の流路10bと他の流路層10’の高温流体の流路とを仕切る層である。
As shown in FIG. 1, the
他の流路層10’は、上記した流路層10と同じ構成要素を有する。すなわち、他の流路層10’は、少なくとも高温流体の流路、低温流体の流路、高温流体の入口及び出口、低温流体の入口及び出口、第1突起、第2突起、伝熱部、第1隔離部、第2隔離部、第3隔離部並びに第4隔離部を有する。他の流路層10’と他の層(例えば、隔壁層20)とを拡散接合する場合には、他の流路層10’は、第3突起、第4突起、第5突起及び第6突起をさらに有することが好ましい。
The
図1及び図8に示したように、隔壁層20は、板状であり、流路層10に形成される流体の入口10c,10eと他の流路層10’に形成される流体の入口を連通させる長穴20a,20cを有し、また、流路層10に形成される流体の出口10d,10fと他の流路層10’に形成される流体の出口を連通させる長穴20b,20dを有する。
As shown in FIGS. 1 and 8, the
隔壁層20の厚さは、流路層10の高温流体の流路10aと流路層10の低温流体の流路10bとの間に形成される伝熱部10mの厚さと等しい又は伝熱部10mの厚さよりも薄いことが好ましい。そのように設定することによって、流路層10の低温流体の流路10bと他の流路層10’の高温流体の流路との間でも効率よく熱の交換を行うことができる。
The thickness of the
ここで図10を参照すると、流路層10、他の流路層10’及び隔壁層20を重ね合わせたときに、流路層10に形成された第3突起10iは、第1隔離部10nと隔壁層20との間に介在し、流路層10に形成された第4突起10jは、第2隔離部10oと隔壁層20との間に介在している。一方、図9を参照すると、他の流路層10’に形成された第5突起10k’は、第3隔離部10p’と隔壁層20との間に介在し、他の流路層10’に形成された第6突起10l’は、第4隔離部10q’と隔壁層20との間に介在している。この構成によれば、拡散接合するときに、第1隔離部10n、第2隔離部10o、第3隔離部10p’及び第4隔離部10q’が第3突起10i、第4突起10j、第5突起10k’及び第6突起10l’にそれぞれ支持され、それにより、第1隔離部10n、第2隔離部10o、第3隔離部10p’及び第4隔離部10q’に圧力が十分加わるため、隔壁層20との良好な接合が得られる。したがって、接合不良による流体の漏洩を効果的に防止することができる。
Referring now to FIG. 10, when the
図1に示したように、上蓋30は、最上の流路層10の上に配置され、最上の流路層10の高温流体の流路10aを覆う役割を果たす層である。図1及び図11に示したように、上蓋30は、高温流体の供給管、高温流体の排出管、低温流体の供給管、及び低温流体の排出管が接続される穴30a,30b,30c,30dを有する。
As shown in FIG. 1, the
図1に示したように、下蓋40は、最下の流路層10’’の下に配置され、最下の流路層10’’の低温流体の流路を覆う役割を果たす層である。図1及び図12に示したように、下蓋40は、穴等が何も形成されていない板状体である。なお、高温流体の供給管、高温流体の排出管、低温流体の供給管、及び低温流体の排出管の一部又は全部を接続するための穴を下蓋40に形成しても良いし、それらの一部又は全部を接続するための穴を上蓋及び下蓋によって形成される面以外の面に形成しても良い。例えば、他の実施例では、図13に示したように、低温流体の排出管を接続するための穴51が熱交換器の正面に形成され、高温流体の排出管を接続するための穴52が熱交換器の左側面に形成されている。
As shown in FIG. 1, the
上記のように構成される熱交換器では、高温流体が上蓋30の穴30a及び高温流体の入口10cを通って高温流体の流路10aに流入し、その後、高温流体の出口10d及び上蓋30の穴30bを通って排出される。一方、低温流体は、上蓋30の穴30c及び低温流体の入口10eを通って低温流体の流路10bに流入し、その後、低温流体の出口10f及び上蓋30の穴30dを通って排出される。本実施例に係る熱交換器によれば、高温流体及び低温流体の流量が従来よりも増加し、さらに伝熱部10mの面積が従来よりも格段に広いため、熱の交換効率が非常に良い。また、1つの流路層10に高温流体の流路10aと低温流体の流路10bが設けられるため、熱交換器の小型化を図ることが可能である。
In the heat exchanger configured as described above, the high temperature fluid flows into the high temperature
次に、好ましい製法について説明する。 Next, a preferable production method will be described.
本実施例の熱交換器は、流路層10、隔壁層20、上蓋30、及び下蓋40を提供し、それらを重ね合わせて拡散接合することによって製造されることが好ましい。但し、接合方法は、拡散接合法に限定されない。
The heat exchanger of the present embodiment is preferably manufactured by providing the
流路層10は、板状の基材の両面を同時にエッチングすることによって製造されることが好ましい。本実施例では、このエッチングによって、高温流体の流路10a、低温流体の流路10b、第1突起10g、第2突起10h、第3突起10i、第4突起10j、第5突起10k、第6突起10l、伝熱部10m、第1隔離部10n、第2隔離部10o、第3隔離部10p及び第4隔離部10qが形成される。この方法によれば、基材の片面にエッチングをする場合と比較して、流路層10の歪みを非常に小さくすることができる。特に、流路層10と他の層を拡散接合する場合には、流路層10の歪みが非常に小さいので、拡散接合に適した接合面を得ることができる。また、突起10g,10h,10i,10j,10k,10lを流路10a,10b内に容易に形成し得るという利点もある。
The
10,10’,10’’ 流路層
10a 高温流体の流路
10b 低温流体の流路
10c 高温流体の入口
10d 高温流体の出口
10e 低温流体の入口
10f 低温流体の出口
10g 第1突起
10h 第2突起
10i 第3突起
10j 第4突起
10k,10k’ 第5突起
10l,10l’ 第6突起
10m 伝熱部
10n 第1隔離部
10o 第2隔離部
10p,10p’ 第3隔離部
10q,10q’ 第4隔離部
20 隔壁層
20a,20b,20c,20d 長穴
30 上蓋
30a,30b,30c,30d,51,52 穴
40 下蓋
w1 高温流体の流路の幅
w2 低温流体の流路の幅
W1,W2 流路層の幅
D1 高温流体の流路の深さ
D2 低温流体の流路の深さ
T1 流路層の厚さ
T2 伝熱部の厚さ
10, 10 ', 10''
Claims (9)
前記流路層の一面に設けられる高温流体の流路、
前記流路層の他面に設けられる低温流体の流路、
前記高温流体の流路において互いに間隔を置いて設けられる柱状の第1突起、及び
前記低温流体の流路において前記第1突起と同じ位置に設けられる柱状の第2突起
を有することを特徴とする熱交換器。 A flow path layer, the flow path layer comprising:
A flow path of high-temperature fluid provided on one surface of the flow path layer,
A flow path of a low-temperature fluid provided on the other surface of the flow path layer;
Column-shaped first protrusions provided at intervals in the high-temperature fluid flow path, and column-shaped second protrusions provided at the same position as the first protrusion in the low-temperature fluid flow path. Heat exchanger.
前記流路層と前記他の流路層との間に配置される隔壁層
をさらに備え、
前記隔壁層の厚さが、前記流路層の高温流体の流路と前記流路層の低温流体の流路の間に形成される伝熱部の厚さと等しい又は前記伝熱部の厚さよりも薄いことを特徴とする請求項1に記載の熱交換器。 Another flow path layer having the same components as the flow path layer, and a partition layer disposed between the flow path layer and the other flow path layer,
The thickness of the partition wall layer is equal to the thickness of the heat transfer section formed between the flow path of the high-temperature fluid in the flow path layer and the flow path of the low-temperature fluid in the flow path layer, or from the thickness of the heat transfer section The heat exchanger according to claim 1, wherein the heat exchanger is also thin.
前記流路層に設けられる低温流体の入口及び出口
をさらに備え、
前記高温流体の入口及び出口の幅が前記高温流体の流路の幅と等しく、前記低温流体の入口及び出口の幅が前記低温流体の流路の幅と等しいことを特徴とする請求項1に記載の熱交換器。 A high-temperature fluid inlet and outlet provided in the flow path layer; and a low-temperature fluid inlet and outlet provided in the flow path layer,
The width of the hot fluid inlet and outlet is equal to the width of the hot fluid flow path, and the width of the cold fluid inlet and outlet is equal to the width of the cold fluid flow path. The described heat exchanger.
前記流路層に設けられる低温流体の入口及び出口、
前記流路層と同じ構成要素を有する他の流路層、
前記流路層と前記他の流路層との間に配置される隔壁層、
前記低温流体の入口と前記高温流体の流路との間に形成される第1隔離部と前記隔壁層との間に介在する第3突起、
前記低温流体の出口と前記高温流体の流路との間に形成される第2隔離部と前記隔壁層との間に介在する第4突起、
前記他の流路層の高温流体の入口と低温流体の流路との間に形成される第3隔離部と前記隔壁層との間に介在する第5突起、並びに
前記他の流路層の高温流体の出口と低温流体の流路との間に形成される第4隔離部と前記隔壁層との間に介在する第6突起
をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の熱交換器。 High temperature fluid inlet and outlet provided in the channel layer,
Low temperature fluid inlet and outlet provided in the flow path layer,
Another flow path layer having the same components as the flow path layer,
A partition layer disposed between the flow path layer and the other flow path layer;
A third protrusion interposed between the first isolation part formed between the inlet of the low-temperature fluid and the flow path of the high-temperature fluid and the partition layer;
A fourth protrusion interposed between the second separator and the partition layer formed between the outlet of the low-temperature fluid and the flow path of the high-temperature fluid;
A fifth protrusion interposed between the partition wall layer and a third separator formed between the inlet of the high-temperature fluid of the other flow path layer and the flow path of the low-temperature fluid; and 2. The heat exchange according to claim 1, further comprising a sixth protrusion interposed between a fourth separator formed between the outlet of the high temperature fluid and the flow path of the low temperature fluid and the partition wall layer. vessel.
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