JP2019152344A - プレートの組合体、熱交換器用金属プレートおよび熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】流体間の熱交換効率を高めることが可能な、プレートの組合体を提供する。【解決手段】プレートの組合体３０は、第１の熱交換器用金属プレート２０Ａと、第２の熱交換器用金属プレート２０Ｂとを備えている。第１の熱交換器用金属プレート２０Ａは、第１外側領域３１と、第１メッシュ領域３２とを有し、第１メッシュ領域３２は、複数の第１貫通孔３３と、複数の第１周縁部３４とを有している。第２の熱交換器用金属プレート２０Ｂは、第２外側領域３１と、第２メッシュ領域３２とを有し、第２メッシュ領域３２は、複数の第２貫通孔３３と、複数の第２周縁部３４とを有している。第１メッシュ領域３２の第１貫通孔３３と第２メッシュ領域３２の第２貫通孔３３とが、互いに平面方向にずれている。【選択図】図２

Description

本実施の形態は、プレートの組合体、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、車載用の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、プレス加工などで凹凸状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。

例えば、特許文献１−４には、プレス成型した複数の波状の板を互いに積層し、これらをケーシングに取り付けることにより作製された熱交換器が開示されている。

特開２００６−２８４１６５号公報 特開２０１０−２４３１２５号公報 特開２０１３−１１３２４３号公報 特開２０１３−１１３５２３号公報

しかしながら、上述した従来の熱交換器は、排ガス側流路の内部にプレス成形した波状の板（プレートフィン）を配置することで、排ガスとの接触面積を増やし、熱交換効率を高めている。とりわけ従来の熱交換器は、ディーゼルエンジン車の排ガスから熱を回収するために用いられることが主流であることから、排ガス中の煤などの詰まりを懸念し、板間に一定程度の隙間が必要とされている。しかしながら、近年では、このような熱交換器はガソリンエンジン車の燃費を向上させるためにも用いられるようになってきており、ガソリンエンジン車の場合は煤の影響も小さいことから、熱交換器の流路を微細化することが求められている。

また、車載用の熱交換器には耐圧性、耐振動性が要求され、より熱交換効率が高く、信頼性の高い熱交換器が求められている。従来は、積層したフィンとプレートをケーシングにより固定する製造方法が主流であったが、冷却水側と排気ガス側で接続構造が異なることもあり、部品点数が増加する傾向にあった。

本開示はこのような点を考慮してなされたものであり、金属プレート間を流れる流体の熱交換効率を高めることが可能な、プレートの組合体、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。

本実施の形態によるプレートの組合体は、プレートの組合体であって、第１の熱交換器用金属プレートと、前記第１の熱交換器用金属プレートに積層された第２の熱交換器用金属プレートと、を備え、前記第１の熱交換器用金属プレートは、第１外側領域と、前記第１外側領域の内側に形成された第１メッシュ領域と、を有し、前記第１メッシュ領域は、複数の第１貫通孔と、前記第１貫通孔の周囲に位置する複数の第１周縁部とを有し、前記第２の熱交換器用金属プレートは、第２外側領域と、前記第２外側領域の内側に形成された第２メッシュ領域と、を有し、前記第２メッシュ領域は、複数の第２貫通孔と、前記第２貫通孔の周囲に位置する複数の第２周縁部とを有し、前記第１メッシュ領域の前記第１貫通孔と前記第２メッシュ領域の前記第２貫通孔とが、互いに平面方向にずれている。

本実施の形態によるプレートの組合体において、各第１貫通孔及び各第２貫通孔は、それぞれ平面正六角形形状であっても良い。

本実施の形態によるプレートの組合体において、前記複数の第１周縁部は第１交点で接続され、各第１周縁部は前記第１交点に向けて幅が細くなっていても良い。

本実施の形態によるプレートの組合体において、前記複数の第２周縁部は第２交点で接続され、各第２周縁部は前記第２交点に向けて幅が細くなっていても良い。

本実施の形態によるプレートの組合体において、前記第１の熱交換器用金属プレートの前記第１メッシュ領域と、前記第２の熱交換器用金属プレートの前記第２メッシュ領域は、それぞれエッチングにより形成されても良い。

本実施の形態によるプレートの組合体において、前記第１の熱交換器用金属プレートと前記第２の熱交換器用金属プレートとは、ロウ付け接合又は拡散接合により互いに接合されていても良い。

本実施の形態による熱交換器用金属プレートは、熱交換器用金属プレートであって、外側領域と、前記外側領域の内側に形成されたメッシュ領域と、を備え、前記メッシュ領域は、複数の貫通孔と、前記貫通孔の周囲に位置する周縁部とを有する。

本実施の形態による熱交換器は、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を備え、前記複数の熱交換器用金属プレートは、前記プレートの組合体を含む。

本実施の形態によれば、金属プレート間を流れる流体の熱交換効率を高めることができる。

図１は、一実施の形態による熱交換器を示す概略斜視図。 図２は、一実施の形態による熱交換器を示す分解斜視図。 図３（ａ）（ｂ）は、それぞれ一実施の形態による一対の金属プレートを示す平面図。 図４は、互いに接合された一対の金属プレートの組合体を示す平面図。 図５は、互いに接合された一対の金属プレートの組合体を示す拡大平面図。 図６（ａ）（ｂ）は、それぞれ他の一対の金属プレートを示す平面図。 図７は、互いに接合された複数の金属プレート間を流れる流体を示す概略断面図。

以下、一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および図２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概略斜視図であり、図２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、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（金属薄板状プレート）２０を備えている。

図２は、熱交換器１０のうちの一部（４枚）の金属プレート２０（２０Ａ〜２０Ｄ）を示している。図２に示すように、複数の金属プレート２０（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とを含んでいる。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（ロウ付け接合）。

図１を参照すると、複数の金属プレート２０（２０Ａ〜２０Ｄ）には、流入部１３Ａ、１３Ｂおよび流出部１４Ａ、１４Ｂが接続されている。このうち流入部１３Ａおよび流出部１４Ａは、金属プレート２０の側面（金属プレート２０の最も広い主面に対して垂直な面）にそれぞれ連結されている。流入部１３Ａおよび流出部１４Ａは、複数の金属プレート２０の積層体に対して互いにＸ方向に対向する位置に配置されている。一方、流入部１３Ｂおよび流出部１４Ｂは、最も外側に位置する金属プレート２０の主面（金属プレート２０の最も広い面）にそれぞれ連結されている。流入部１３Ｂおよび流出部１４Ｂは、複数の金属プレート２０の積層体に対して互いにＺ方向に対向する位置に配置されている。

流入部１３Ａおよび流出部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、流入部１３Ａから熱交換器１０に流入し、金属プレート２０Ａ、２０Ｂ内で流過しながら熱交換を行い、流出部１４Ａから流出するようになっている。また、流入部１３Ｂおよび流出部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、流入部１３Ｂから熱交換器１０に流入し、金属プレート２０Ｃ、２０Ｄ内で流過しながら熱交換を行って、流出部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、少なくとも流入部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として高温高圧流体（排ガス等）が用いられ、第２の流体Ｆ_２として低温低圧流体（冷却水等）が用いられる場合を例にとって説明する。

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、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、例えば車載用熱交換器であり、具体的には、車載ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）クーラー、車載用排熱回収器、電気自動車用ヒートポンプエアコン熱交換器等に用いることができる。また、熱交換器１０は、車載用以外では、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、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６を参照して、本実施の形態による金属プレート２０Ａ〜２０Ｄの構成について説明する。

まず、図２乃至図５により、第１の流体Ｆ_１（高温高圧流体）用の一対の金属プレート２０Ａ、２０Ｂについて説明する。

図２および図３（ａ）（ｂ）に示すように、一対の金属プレート２０Ａ、２０Ｂは、それぞれ平面視で角が丸みを帯びた略矩形形状を有し、長手方向と短手方向とを有している。図２および図３（ａ）（ｂ）において、長手方向はＸ方向に平行であり、短手方向はＸ方向に直交するＹ方向に平行である。なお、金属プレート２０Ａ、２０Ｂの厚み方向は、Ｘ方向およびＹ方向に直交するＺ方向に平行である。

金属プレート２０Ａ、２０Ｂは、それぞれ外側領域３１と、外側領域３１の面方向内側に形成されたメッシュ領域３２とを有している。このうち外側領域３１は、各金属プレート２０Ａ、２０Ｂの短手方向（Ｙ方向）両側に沿って形成されている。この外側領域３１は、エッチングが施されておらず、金属プレート２０Ａ、２０Ｂ全体の厚みと同一の厚みを有している。

また、メッシュ領域３２は、メッシュ状に形成された領域であり、各金属プレート２０Ａ、２０Ｂの長手方向（Ｘ方向）全域に沿って延びている。メッシュ領域３２は、正六角形を隙間なく並べたハニカム構造状に形成されている。すなわちメッシュ領域３２は、隙間なく並べられた複数の平面正六角形の貫通孔３３と、貫通孔３３の周囲に位置する複数の周縁部３４とを有している。

このうち貫通孔３３は、それぞれ金属プレート２０Ａ、２０Ｂを厚み方向（Ｚ方向）に貫通している。この貫通孔３３は、各金属プレート２０Ａ、２０Ｂに対して例えばエッチング加工を施すことにより貫通形成されている。また、周縁部３４は、貫通孔３３を構成する正六角形の各辺に対応する部分であり、各貫通孔３３の周囲には、それぞれ周縁部３４が６つずつ配置されている。周縁部３４は、エッチングが施されておらず、金属プレート２０Ａ、２０Ｂ全体の厚みと同一の厚みを有している。また、隣接する周縁部３４同士は交点３５で接続されており、各交点３５にはそれぞれ３本の周縁部３４が接続されている。各交点３５は、正六角形の各頂点に対応する部分であり、各貫通孔３３の周囲には、それぞれ交点３５が６つずつ配置されている。交点３５は、エッチングが施されておらず、金属プレート２０Ａ、２０Ｂ全体の厚みと同一の厚みを有している。このように、金属プレート２０Ａ、２０Ｂのメッシュ領域３２がエッチングにより形成されるので、金属プレート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。

外側領域３１のうち、金属プレート２０Ａ、２０Ｂの対角線上にある一対の角部近傍には、それぞれ平面円形状の入口側開口２３Ｂ、出口側開口２４Ｂが形成されている。入口側開口２３Ｂ、出口側開口２４Ｂは、金属プレート２０Ａ、２０Ｂのメッシュ領域３２とは連通することなく、メッシュ領域３２から離間して配置されている。この入口側開口２３Ｂ、出口側開口２４Ｂは、金属プレート２０Ｃ、２０Ｄ（図２および図６（ａ）（ｂ）参照）の薄肉領域２２に連通している。金属プレート２０Ａの入口側開口２３Ｂ、出口側開口２４Ｂと、金属プレート２０Ｂの入口側開口２３Ｂ、出口側開口２４Ｂとは、金属プレート２０Ａ、２０Ｂを接合したときに重なり合う位置に設けられている。

また、外側領域３１のうち、金属プレート２０Ａ、２０Ｂの対角線上にある他の一対の角部近傍には、それぞれ入口側切欠部２３Ａ、出口側切欠部２４Ａが形成されている。この入口側切欠部２３Ａ、出口側切欠部２４Ａは、第１の流体Ｆ_１が流入および流出するものである。この入口側切欠部２３Ａ、出口側切欠部２４Ａは、金属プレート２０Ａ、２０Ｂのメッシュ領域３２と連接している。より詳細には、金属プレート２０Ａ、２０Ｂを積層した状態で、金属プレート２０Ａの入口側切欠部２３Ａ、出口側切欠部２４Ａは、隣接する金属プレート２０Ｂのメッシュ領域３２と連通する。また、金属プレート２０Ｂの入口側切欠部２３Ａ、出口側切欠部２４Ａは、隣接する金属プレート２０Ａのメッシュ領域３２と連通する。

これらの入口側切欠部２３Ａ、入口側開口２３Ｂ、出口側切欠部２４Ａ、出口側開口２４Ｂは、金属プレート２０Ａ、２０Ｂを貫通するように、例えばエッチングにより形成されている。なお、入口側切欠部２３Ａ、出口側切欠部２４Ａは、金属プレート２０Ａ、２０Ｂの長手方向（Ｘ方向）外側に向けて切り欠かれている。すなわち、入口側切欠部２３ＡはＸ方向マイナス側に開口し、出口側切欠部２４ＡはＸ方向プラス側に開口している。このように、入口側切欠部２３Ａ、出口側切欠部２４Ａが切り欠きにより形成されているので、金属プレート２０Ａ〜２０Ｄを互いに積層した後、流入部１３Ａ、流出部１４Ａを金属プレート２０Ａ〜２０Ｄの入口側切欠部２３Ａ、出口側切欠部２４Ａにそれぞれ嵌め込んで取り付けることができる。

次に、図４および図５により、接合された状態の金属プレート２０Ａ、２０Ｂについて説明する。図４は、金属プレート２０Ａ、２０Ｂ同士が接合された状態を示す平面図であり、図５は図４の部分拡大図である。

図４に示すように、金属プレート２０Ａ、２０Ｂ同士は、互いに接合されることによりプレートの組合体３０を構成している。金属プレート２０Ａ、２０Ｂは、その主面同士を互いに対向させるように接合されている。このとき一対の金属プレート２０Ａ、２０Ｂの略矩形状の外周同士が互いに一致するように重なり合う。また、一対の金属プレート２０Ａ、２０Ｂの外側領域３１同士およびメッシュ領域３２同士は、互いに重なり合う。このとき、金属プレート２０Ａのメッシュ領域３２の貫通孔３３と、金属プレート２０Ｂのメッシュ領域３２の貫通孔３３とが、互いに平面方向（ＸＹ平面方向）にずれて配置されている。

すなわち図５に示すように、金属プレート２０Ａの貫通孔３３と金属プレート２０Ｂの貫通孔３３とがＸ方向にずれている。このため、平面視で金属プレート２０Ａの各貫通孔３３内に、それぞれ金属プレート２０Ｂの２つの交点３５が配置される。同様に、平面視で金属プレート２０Ｂの各貫通孔３３内に、それぞれ金属プレート２０Ａの２つの交点３５が配置される。この場合、金属プレート２０Ａと金属プレート２０Ｂとは、貫通孔３３のＸ方向の長さの半分だけずれている。すなわち、金属プレート２０ＡのＹ方向に延びる周縁部３４と、金属プレート２０ＢのＹ方向に延びる周縁部３４とが、平面視で略同一直線上に位置している。しかしながら、これに限られるものではなく、金属プレート２０Ａの貫通孔３３と金属プレート２０Ｂの貫通孔３３とが、Ｘ方向およびＹ方向の少なくとも一方に少しでもずれていれば良い。

このように金属プレート２０Ａ、２０Ｂを互いに接合した際、金属プレート２０Ａの貫通孔３３と金属プレート２０Ｂの貫通孔３３とが平面方向にずれるため、金属プレート２０Ａ、２０Ｂの貫通孔３３同士が互いに連通する。また、金属プレート２０Ａの互いに隣接する貫通孔３３同士が互いに連通し、金属プレート２０Ｂの互いに隣接する貫通孔３３同士が互いに連通する。これにより、金属プレート２０Ａ、２０Ｂの貫通孔３３によって第１の流体Ｆ_１が流れる流路３６が形成される。

図５に示すように、各周縁部３４は、各交点３５に向けて幅が細くなっており、周縁部３４の両端には、交点３５の中心に向けて丸く凹む凹部３７がそれぞれ形成されている。この場合、各交点３５の周囲には、それぞれ３つの凹部３７が形成されている。このように、貫通孔３３の角部を貫通孔３３の外側に向けて広げることにより、流路３６における第１の流体Ｆ_１の流路抵抗を小さくすることができる。

なお、周縁部３４の長さ（交点３５の中心同士の距離）Ｌは、金属プレート２０Ａ、２０Ｂの厚みの１．０倍以上、望ましくは１．０ｍｍ以上１０ｍｍ以下としても良く、周縁部３４の最大幅Ｗは、金属プレート２０Ａ、２０Ｂの厚みの０．５倍以上３．０倍以下、望ましくは０．２ｍｍ以上２．０ｍｍ以下としても良い。また、各金属プレート２０Ａ、２０Ｂにおける貫通孔３３の数は、外周領域３１を除いたエリアでの開口率が６０％以上９８％以下になるように適宜配置しても良い。

本実施の形態によるプレートの組合体３０において、金属プレート２０Ａが、第１の熱交換器用金属プレートに対応し、金属プレート２０Ａの外側領域３１、メッシュ領域３２、貫通孔３３、周縁部３４および交点３５が、それぞれ第１外側領域、第１メッシュ領域、第１貫通孔、第１周縁部および第１交点に対応する。同様に、金属プレート２０Ｂが、第２の熱交換器用金属プレートに対応し、金属プレート２０Ｂの外側領域３１、メッシュ領域３２、貫通孔３３、周縁部３４および交点３５が、それぞれ第２外側領域、第２メッシュ領域、第２貫通孔、第２周縁部および第２交点に対応する。

なお、本実施の形態において、各メッシュ領域３２の貫通孔３３の平面形状が正六角形である場合を例にとって説明したが、これに限られるものではない。貫通孔３３の平面形状は、例えば三角形（正三角形）、四角形（正方形）等の多角形形状としても良い。また、本実施の形態において、各メッシュ領域３２の複数の貫通孔３３が互いに同一形状からなる場合を例にとって説明したが、これに限らず、一部の貫通孔３３の形状が他の貫通孔３３の形状と異なっていても良い。

次に、図２および図６（ａ）（ｂ）により、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および図６（ａ）（ｂ）に示すように、一対の金属プレート２０Ｃ、２０Ｄは、それぞれ平面視で角が丸みを帯びた略矩形形状であり、長手方向と短手方向とを有している。図６（ａ）（ｂ）において、長手方向はＸ方向に平行であり、短手方向はＸ方向に直交するＹ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。

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％以上７０％以下とされても良い。このように、金属プレート２０Ｃ、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の対角線上にある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の対角線上にある他の一対の角部近傍には、それぞれ入口側切欠部２３Ａ、出口側切欠部２４Ａが形成されている。この入口側切欠部２３Ａ、出口側切欠部２４Ａは、第１の流体Ｆ_１が流入および流出するものである。この入口側切欠部２３Ａ、出口側切欠部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。

これらの入口側切欠部２３Ａ、入口側開口２３Ｂ、出口側切欠部２４Ａ、出口側開口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、入口側切欠部２３Ａ、入口側開口２３Ｂ、出口側切欠部２４Ａ、出口側開口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。なお、入口側切欠部２３Ａ、出口側切欠部２４Ａは、金属プレート２０Ｃ、２０Ｄの長手方向（Ｘ方向）端部においてそれぞれ外側に向けて平面略半円状に切り欠かれている。入口側切欠部２３Ａは、Ｘ方向マイナス側に開口し、出口側切欠部２４Ａは、Ｘ方向プラス側に開口している。

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。

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（Ｘ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（Ｘ方向）に対して垂直な方向（Ｙ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、流体抵抗を低減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、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、Ｙ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（Ｘ方向マイナス側）に位置する他の伝熱フィン２５の上流側（Ｘ方向プラス側）の端部で分岐され、この伝熱フィン２５とＹ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（Ｘ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の最小幅（伝熱フィン２５間の最短距離）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。

外周領域２１のうち薄肉領域２２側には、長手方向縁部２７と横方向縁部２８とが形成されている。このうち長手方向縁部２７は、第２の流体Ｆ_２の主流方向（Ｘ方向）に沿って直線状に延びている。なお、長手方向縁部２７は、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しても良い。また、横方向縁部２８は、外周領域２１のうち主流方向に直交する方向（Ｙ方向）に沿って湾曲して形成されている。すなわち横方向縁部２８は、湾曲部２８ａを有しており、湾曲部２８ａは、平面方向内側に向けて湾曲して長手方向縁部２７に接続されている。

また、薄肉領域２２のうち、入口側開口２３Ｂ、出口側開口２４Ｂの周囲に、複数の整流部２９が設けられている。この整流部２９は、互いに間隔を隔てて複数（この場合は４つ）配置されている。各整流部２９は、それぞれ薄肉領域２２から金属プレート２０Ｃ、２０Ｄの厚み方向（Ｚ方向に）に突出している。すなわち各整流部２９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、各整流部２９は、外周領域２１および他の整流部２９からそれぞれ離間して配置されている。このため、各整流部２９は島状に独立して配置されており、入口側開口２３Ｂからの第２の流体Ｆ_２又は出口側開口２４Ｂへ向かう第２の流体Ｆ_２は、各整流部２９の周囲を通過するようになっている。このように、整流部２９は、入口側開口２３Ｂから流出する第２の流体Ｆ_２又は出口側開口２４Ｂへ向かう第２の流体Ｆ_２を整流する役割を果たす。これにより、第２の流体Ｆ_２を薄肉領域２２内で均一に流すことができ、第１の流体Ｆ_１と第２の流体Ｆ_２との間の熱交換効率をより高めることができる。

図２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接合されている。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。

金属プレート２０Ｃ、２０Ｄを積層した状態での流路２６の高さ（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。

本実施の形態において、上述した金属プレート２０Ａ〜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２０Ａ〜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。

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、流入部１３Ａに第１の流体Ｆ_１（例えば排ガス）を導入するとともに、流入部１３Ｂに第２の流体Ｆ_２（例えば冷却水等）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。

この際、第１の流体Ｆ_１は、金属プレート２０Ａ、２０Ｂのメッシュ領域３２同士によって形成された流路３６を通過し、熱交換器１０の流出部１４Ａから流出する。この間、流入部１３Ａから流入した第１の流体Ｆ_１は、各金属プレート２０Ａ、２０Ｂの入口側切欠部２３Ａから、金属プレート２０Ａ、２０Ｂのメッシュ領域３２間の流路３６に流入する。その後、第１の流体Ｆ_１は、メッシュ領域３２間の流路３６を通過し、各金属プレート２０Ａ、２０Ｂの出口側切欠部２４Ａを介して、流出部１４Ａから流出する。

すなわち、図７に示すように、金属プレート２０Ａ、２０Ｂが積層された状態で、金属プレート２０Ａの貫通孔３３と金属プレート２０Ｂの貫通孔３３とが、互いに平面方向にずれて配置されている。このため、互いにずれた金属プレート２０Ａの貫通孔３３と金属プレート２０Ｂの貫通孔３３とによって、第１の流体Ｆ_１の流路３６が形成され、この流路３６に沿って第１の流体Ｆ_１が流される。この場合、第１の流体Ｆ_１は、流路３６内で金属プレート２０Ａ、２０Ｂの平面方向（ＸＹ平面方向）だけでなく、厚み方向（Ｚ方向）にも流される。これにより、第１の流体Ｆ_１と金属プレート２０Ａ、２０Ｂとの接触面積が増加し、熱交換効率を高めることができる。なお、図７においては、第１の流体Ｆ_１用の金属プレート２０Ａ、２０Ｂが交互に６枚積層され、６枚の金属プレート２０Ａ、２０Ｂの積層体の両側に、それぞれ金属プレート２０Ｃ、２０Ｄが配置されている場合を示している。

一方、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の流出部１４Ｂから流出する。この間、流入部１３Ｂから流入した第２の流体Ｆ_２は、各金属プレート２０Ｃ、２０Ｄの入口側開口２３Ｂから、金属プレート２０Ｃ、２０Ｄ間の薄肉領域２２に形成された流路２６に流入する。その後、第２の流体Ｆ_２は、薄肉領域２２の流路２６を通過し、各金属プレート２０Ｃ、２０Ｄの出口側開口２４Ｂを介して、流出部１４Ｂから流出する。

すなわち、図７に示すように、金属プレート２０Ｃ、２０Ｄが積層された状態で、金属プレート２０Ｃ、２０Ｄの伝熱フィン２５間に第２の流体Ｆ_２の流路２６が形成され、この流路２６に沿って第２の流体Ｆ_２が流される。

このようにして、第１の流体Ｆ_１と第２の流体Ｆ_２との熱交換が促進される。流出部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２０Ａ、２０Ｂと金属プレート２０Ｃ、２０Ｄとが互いに接合されているので、これらの金属プレート２０Ａ〜２０Ｄ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。

このように本実施の形態によれば、金属プレート２０Ａのメッシュ領域３２の貫通孔３３と、金属プレート２０Ｂのメッシュ領域３２の貫通孔３３とは、互いに平面方向にずれて配置されている。これにより、第１の流体Ｆ_１が金属プレート２０Ａ、２０Ｂ間の流路３６内で平面方向（Ｘ方向、Ｙ方向）及び厚み方向（Ｚ方向）に流されるので、第１の流体Ｆ_１と金属プレート２０Ａ、２０Ｂとの接触面積が増加し、熱交換効率を高めることができる。

また、本実施の形態によれば、金属プレート２０Ａのメッシュ領域３２の貫通孔３３と、金属プレート２０Ｂのメッシュ領域３２の貫通孔３３は、それぞれ平面正六角形形状となっているので、第１の流体Ｆ_１と金属プレート２０Ａ、２０Ｂとの接触面積が増加し、熱交換効率を高めることができる。

また、本実施の形態によれば、金属プレート２０Ａ〜２０Ｄは、エッチング加工により形成されるので、流路２６、３６を微細に形成することができる。このため、プレス加工で作製したプレートの流路よりも単位断面積あたりの伝熱面積を大きくすることができ、熱交換性能を高めることができる。さらに、金属プレート２０Ａ〜２０Ｄは、ロウ付け接合又は拡散接合により接合されているので、熱交換器１０の耐圧性及び耐振動性を高めることができる。さらに、金属プレート２０Ａ〜２０Ｄを固定するためのケーシングを用いる必要がなく、熱交換器１０の部品点数を削減し、コンパクトに構成することができる。

また、本実施の形態によれば、各周縁部３４は、各交点３５に向けて幅が細くなっている。これにより、貫通孔３３の角部近傍における各交点３５の体積を減らし、流路３６全体における第１の流体Ｆ_１の流路抵抗を小さくすることができる。

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
１３Ａ、１３Ｂ 流入部
１４Ａ、１４Ｂ 流出部
２０Ａ〜２０Ｄ 金属プレート
２１ 外周領域
２２ 薄肉領域
２３Ａ 入口側切欠部
２３Ｂ 入口側開口
２４Ａ 出口側切欠部
２４Ｂ 出口側開口
２５ 伝熱フィン
２６ 流路
３０ プレートの組合体
３１ 外側領域
３２ メッシュ領域
３３ 貫通孔
３４ 周縁部
３５ 交点
３６ 流路

Claims (8)

1. プレートの組合体であって、
   第１の熱交換器用金属プレートと、
   前記第１の熱交換器用金属プレートに積層された第２の熱交換器用金属プレートと、を備え、
   前記第１の熱交換器用金属プレートは、第１外側領域と、前記第１外側領域の内側に形成された第１メッシュ領域と、を有し、
   前記第１メッシュ領域は、複数の第１貫通孔と、前記第１貫通孔の周囲に位置する複数の第１周縁部とを有し、
   前記第２の熱交換器用金属プレートは、第２外側領域と、前記第２外側領域の内側に形成された第２メッシュ領域と、を有し、
   前記第２メッシュ領域は、複数の第２貫通孔と、前記第２貫通孔の周囲に位置する複数の第２周縁部とを有し、
   前記第１メッシュ領域の前記第１貫通孔と前記第２メッシュ領域の前記第２貫通孔とが、互いに平面方向にずれている、プレートの組合体。
2. 各第１貫通孔及び各第２貫通孔は、それぞれ平面正六角形形状である、請求項１記載のプレートの組合体。
3. 前記複数の第１周縁部は第１交点で接続され、各第１周縁部は前記第１交点に向けて幅が細くなっている、請求項１又は２記載のプレートの組合体。
4. 前記複数の第２周縁部は第２交点で接続され、各第２周縁部は前記第２交点に向けて幅が細くなっている、請求項１乃至３のいずれか一項記載のプレートの組合体。
5. 前記第１の熱交換器用金属プレートの前記第１メッシュ領域と、前記第２の熱交換器用金属プレートの前記第２メッシュ領域は、それぞれエッチングにより形成される、請求項１乃至４のいずれか一項記載のプレートの組合体。
6. 前記第１の熱交換器用金属プレートと前記第２の熱交換器用金属プレートとは、ロウ付け接合又は拡散接合により互いに接合されている、請求項１乃至５のいずれか一項記載のプレートの組合体。
7. 熱交換器用金属プレートであって、
   外側領域と、
   前記外側領域の内側に形成されたメッシュ領域と、を備え、
   前記メッシュ領域は、複数の貫通孔と、前記貫通孔の周囲に位置する周縁部とを有する、熱交換器用金属プレート。
8. 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を備え、
   前記複数の熱交換器用金属プレートは、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のプレートの組合体を含む、熱交換器。