JP2019002662A - Heat exchanger and method for producing the same - 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、流路が形成される金属板を含む複数の金属板が拡散接合によって積層された構造を有する熱交換器が知られている(例えば、下記特許文献1参照)。この種の熱交換器では、一般に圧延によって製造された金属板が用いられている。しかしながら、圧延では、製品の表面の疵(例えば、ロールについた疵の金属板への転写による疵)の発生を完全に防止することが困難であるため、斯かる金属板は、表面に疵を有する。一方、拡散接合は、母材を溶かすことなく接合するため、表面疵は拡散接合後にも残存することがある。そのため、流路内の圧力が高い場合に、流体が表面疵を通って漏出するおそれがある。 Conventionally, a heat exchanger having a structure in which a plurality of metal plates including a metal plate in which a flow path is formed is laminated by diffusion bonding is known (see, for example, Patent Document 1 below). In this type of heat exchanger, a metal plate manufactured by rolling is generally used. However, in rolling, it is difficult to completely prevent generation of wrinkles on the surface of the product (for example, wrinkles due to transfer of wrinkles on a roll to a metal plate). Have. On the other hand, since diffusion bonding is performed without melting the base material, surface defects may remain after diffusion bonding. Therefore, when the pressure in a flow path is high, there exists a possibility that a fluid may leak through a surface flaw.
本発明が解決しようとする課題は、流体の漏出を減少させ得る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 heat exchanger that can reduce fluid leakage and a method of manufacturing the same.
本発明は、上記課題を解決するため、流路が形成される金属板を含む複数の金属板が拡散接合によって積層された構造を有する熱交換器であって、流体が前記金属板の表面疵を通って漏出することを減少させる手段を有することを特徴とする熱交換器及びその製造方法を提供する。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention is a heat exchanger having a structure in which a plurality of metal plates including a metal plate in which a flow path is formed is laminated by diffusion bonding, and the fluid is a surface plate of the metal plate. Provided is a heat exchanger characterized by having means for reducing leakage through the air and a method for manufacturing the same.
本発明によれば、流体が金属板の表面疵を通って漏出することを減少させる手段を有するため、流体が漏出し難い熱交換器を提供することが可能になる。 According to the present invention, it is possible to provide a heat exchanger in which the fluid is difficult to leak because it has means for reducing the leakage of the fluid through the surface ridge of the metal plate.
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、それらが拡散接合によって積層された構造を有する。流路層10、隔壁層20、上蓋30及び下蓋40の基材は、圧延によって製造された金属板である。斯かる金属板は、図2に示したように、例えば、幅(W)が約10μm、深さ(D)が約5μmの微細な表面疵50を有する場合がある。
As shown in FIG. 1, the heat exchanger according to the present embodiment has a
流路層10は、流体を流す凹部が形成された層である。図3及び図4に示したように、流路層10は、高温流体を流す凹部10a、低温流体を流す凹部10b、高温流体の入口となる穴10c、高温流体の出口となる穴10d、低温流体の入口となる穴10e、低温流体の出口となる穴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、第4隔離部10q及び溝10r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.
凹部10aは、流路層10の一面に設けられている。凹部10bは、流路層10の他面(一面の反対側の面)に設けられている。本実施例では、1つの流路層に高温流体を流す凹部と低温流体を流す凹部が設けられているが、1つの流路層に高温流体を流す凹部のみを設け、別の流路層に低温流体を流す凹部を設けてもよい。
The
図3及び図5に示したように、穴10c及び穴10dは、流路層10を貫通する長穴である。図3及び図6に示したように、穴10e及び穴10fも流路層10を貫通する長穴である。
As shown in FIGS. 3 and 5, the
図3及び図5に示したように、第1突起10gは、柱状であり、凹部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よい。
As shown in FIGS. 3 and 5, the
図4及び図5に示したように、第2突起10hは、柱状であり、凹部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よい。
As shown in FIGS. 4 and 5, the
第1突起10g及び第2突起10hは、柱状であるため、各凹部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10及び図11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凹部10a,10bが押し潰されることがなく、流路(流体の通り路)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、凹部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(凹部10aと凹部10bとの間に形成される部分)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4及び図7に示したように、第3突起10iは、凹部10bにおいて穴10e付近、すなわち、穴10eと凹部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、凹部10bにおいて穴10f付近、すなわち、穴10fと凹部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. 4 and 7, the
図3及び図5に示したように、第5突起10kは、凹部10aにおいて穴10c付近、すなわち、穴10cと凹部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、凹部10aにおいて穴10d付近、すなわち、穴10dと凹部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. 3 and 5, the
上記した第1隔離部10n及び第2隔離部10oは、図8に示したように、低温流体が凹部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6に示したように、高温流体が凹部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の凹部10bと他の流路層10’の高温流体を流す凹部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を流す凹部、低温流体を流す凹部、高温流体の入口となる穴、高温流体の出口となる穴、低温流体の入口となる穴、低温流体の出口となる穴、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、第4隔離部及び溝を有する。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9に示したように、隔壁層20は、流路層10に形成される穴10c,10eと他の流路層10’に形成される流体の入口となる穴を連通させる長穴20a,20cを有し、また、流路層10に形成される穴10d,10fと他の流路層10’に形成される流体の出口となる穴を連通させる長穴20b,20dを有する。
As shown in FIGS. 1 and 9, the
隔壁層20の厚さは、凹部10aと凹部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の凹部10bと他の流路層10’の高温流体を流す凹部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11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10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出を効果的に防止することができる。
Referring now to FIG. 11, 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の凹部10a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、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’’の低温流体を流す凹部を覆う役割を果たす層である。図1及び図13に示したように、下蓋40には、穴等が何も形成されていない。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14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及び穴10cを通って凹部10aに流入し、その後、穴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及び穴10eを通って凹部10bに流入し、その後、穴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、凹部10a,10bの幅が従来よりも格段に広いため、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に高温流体を流す凹部10aと低温流体を流す凹部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
図3及び図4に示したように、溝10rは、流路層10の縁の内側に、縁に沿って形成されている。溝10rの深さ(D)は、基材の表面疵50の深さよりも深い。例えば、幅が約10μm、深さが約5μmの表面疵50に対して、幅(W)が0.1〜0.2mm、深さ(D)が0.1〜0.2mmの溝10rが形成されるが、溝10rの寸法は適宜設定し得る。このような溝10rが形成されることによって、凹部等から流出する流体(液体)を溝10rの中に溜めることができ、また、溝10rと流路層10の縁との間の部分が流体(液体)を堰き止めるため、流体(液体)が表面疵50を通って漏出することを効果的に減少させることができる(図15参照)。
As shown in FIGS. 3 and 4, the
本実施例では、溝10rが流路層10にのみ形成されているが、隔壁層20、上蓋30及び下蓋40にも同様の溝を形成してもよい。
In the present embodiment, the
上記したように溝10rは、流体が金属板(基材)の表面疵50を通って漏出することを減少させる手段であるが、斯かる手段は、溝10rのように、金属板の接合面(拡散接合時に他の層に接合される面)に形成され、表面疵50の深さよりも深い深さを有する溝に限定されない。
As described above, the
例えば、図16に示したように、その手段が金属板(基材)の接合面を被覆する金属薄膜60であってもよい。この場合、流路層10の表面がめっきによって銀やニッケル等の金属薄膜60で被覆される。この例では、金属薄膜60が表面疵50の中に充填されるので、流体が表面疵50を通って漏出することを効果的に減少又は防止することができる(図16参照)。なお、その手段は、上述した溝10rと金属薄膜60の組み合わせであってもよい。
For example, as shown in FIG. 16, the means may be a metal
その手段のさらに別の形態としては、金属板(基材)の接合面に付着されるインサート金属70が挙げられる。従来、インサート金属は、拡散接合を促進する目的で使用されているが、本発明では、インサート金属を表面疵をなくす目的で使用する。インサート金属70は、融点が流路層10等よりも低い金属の中から適宜選択される。この例では、インサート金属70が拡散接合時に溶けて表面疵50の中に充填されるので、流体が表面疵50を通って漏出することを効果的に減少又は防止することができる(図17参照)。なお、その手段は、上述した溝10rとインサート金属70の組み合わせであってもよい。
Still another form of the means includes an
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。
The heat exchanger according to the present embodiment is manufactured by providing the
流路層10は、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、凹部10a、凹部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、第4隔離部10q及び溝10r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を凹部10a,10b内に容易に形成し得るという利点もある。
The
溝10rは、流路(10a〜10f,20a〜20d)が形成される金属板(10,20)を含む複数の金属板(10,20,30,40)を拡散接合する前に形成される。他の実施例では、拡散接合する前に、めっきによって、全部又は一部の金属板の接合面を金属薄膜60で被覆する。なお、金属板の接合面に溝10rを形成した後、めっきによって、接合面を金属薄膜60で被覆してもよい。さらに別の実施例では、拡散接合する前に、全部又は一部の金属板の接合面にインサート金属70を付着させる。なお、金属板の接合面に溝10rを形成した後、接合面にインサート金属70を付着させてもよい。
The
10,10’,10’’ 流路層
10a,10b 凹部
10c,10d,10e,10f 穴
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
10r,10r’ 溝
20 隔壁層
20a,20b,20c,20d 長穴
30 上蓋
30a,30b,30c,30d,51,52 穴
40 下蓋
50 表面疵
60 金属薄膜
70 インサート金属
10, 10 ', 10''
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Citations (2)
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JPH06126471A (en) * | 1992-10-22 | 1994-05-10 | Komatsu Ltd | Resistance diffusion joining method |
JP2011247464A (en) * | 2010-05-26 | 2011-12-08 | Thermal Engineering & Development Co Ltd | Laminated heat exchanger |
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2017
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