JP2020180727A

JP2020180727A - 熱交換器

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Publication number: JP2020180727A
Application number: JP2019082990A
Authority: JP
Inventors: 貴之廣瀬; Takayuki Hirose; 正三越智; Shozo Ochi; 裕蛯原; Yutaka Ebihara
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2019-04-24
Filing date: 2019-04-24
Publication date: 2020-11-05
Anticipated expiration: 2039-04-24
Also published as: JP7241290B2

Abstract

【課題】冷媒流路を流れる冷媒の圧力が高くなっても、連通穴の周辺部分の膨張変形を抑制し、膨張変形に対して高い剛性を備える熱交換器を提供すること。【解決手段】熱交換器１０が、複数の金属プレートが積層され、金属プレート間に冷媒が流れる流路部が形成された積層プレート１１と、金属プレートの積層方向の両端面に設けられ、流路部と連通する連通穴１４が形成された一対のエンドプレート１２と、連通穴１４の周囲に積層プレート１１および一対のエンドプレート１２を上記積層方向に貫通するよう設けられた補強部材１６と、を備える。【選択図】図３

Description

本開示は、熱交換器に関する。

近年、空気調和装置等に用いられる熱交換器を小型化および軽量化するための開発が進んでいる。例えば、複数の冷媒流路を形成した金属プレート同士を貼り合わせ、それを積層した金属プレート積層構造が採用されている（例えば、特許文献１参照）。

そして、積層する金属プレートには、熱伝導率の良いアルミニウム、あるいはアルミニウム合金を用いることが主流となってきている。

特許第４１２２５７８号公報

上述した従来技術における金属プレートは非常に薄く、アルミニウムは非常に軟らかい。そのため、冷媒流路を流れる冷媒の圧力が高くなると、金属プレートは、流路膨張によって金属プレートの積層方向における膨張変形が大きくなる。

特に、金属プレートの端部には冷媒流路を形成する連通穴が形成されるが、この連通穴が設けられる部分において膨張変形が大きくなる。

熱交換器の性能を規定されたサイズで確保するため、非常に多くの金属プレートを積層しなければならない場合があるが、積層する金属プレートの枚数が多くなるほど膨張変形が大きくなり、熱交換器として成立しなくなるという課題がある。

本開示は、このような従来の課題を解決するものであり、冷媒流路を流れる冷媒の圧力が高くなっても、連通穴の周辺部分の膨張変形を抑制し、膨張変形に対して高い剛性を備える熱交換器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本開示の一態様にかかる熱交換器は、複数の金属プレートが積層され、金属プレート間に冷媒が流れる流路部が形成された積層プレートと、金属プレートの積層方向の両端面に設けられ、流路部と連通する連通穴が形成された一対のエンドプレートと、連通穴の周囲に積層プレートおよび一対のエンドプレートを上記積層方向に貫通するよう設けられた補強部材と、を備える。

本開示の熱交換器によれば、冷媒流路を流れる冷媒の圧力が高くなっても、連通穴の周辺部分の膨張変形を抑制し、膨張変形に対して高い剛性を備える熱交換器を提供することができる。

本開示の実施形態における流路プレートの一例を示す斜視図図１に示した流路プレートの接合箇所のＡ−Ａ線断面の一部を示す図本実施の形態に係る熱交換器の一例を示す斜視図本開示の実施の形態の補強部材を示す拡大模式図実施例１の補強部材の配置を示す模式図実施例２の補強部材の配置を示す模式図実施例３の補強部材の配置を示す模式図比較例２の補強部材の配置を示す模式図比較例３の補強部材の配置を示す模式図

以下、本開示の実施の形態における熱交換器について、図面を参照しながら説明する。一般に、熱交換器は、温度差のある２つ流体の間で熱エネルギーを交換する機能を有しており、空気調和装置や各種冷凍機器等に用いられている。

図１は、本開示の実施形態における流路プレート１の一例を示す斜視図である。図２は、図１に示した流路プレート１の接合箇所のＡ−Ａ線断面の一部を示す図である。図３は、本実施の形態に係る熱交換器１０の一例を示す斜視図である。

流路プレート１は、互いに平行に延びる複数の溝部７を有する２枚の金属プレート４を、各溝部７が対向するように貼り合わせることによって構成される。

流路プレート１は、流路部２と、連通穴３と、ヘッダ部５とを有する。流路部２は、図２に示すように、各溝部７が対向することによって形成された冷媒の流路となる部分である。

連通穴３は、金属プレート４の長手方向の両端に形成され、流路部２とそれぞれ連通することにより、連通穴３と流路部２との間で冷媒が移動する。

また、連通穴３は、流路プレート１を積層することにより、図３に示す積層プレート１０を構成した場合に、流路プレート１の各連通穴３が互いに連通し、冷媒が各連通穴３を通過可能となる。

ヘッダ部５は、連通穴３の周囲を囲うように環状に、金属プレート４から突出するよう形成されている。ヘッダ部５が金属プレート４から突出することにより、流路プレート１を積層した場合、流路プレート１の間に空気が流れる隙間を設けることを可能としている。

また、図２に示すように、接合部６は、向かい合わせた金属プレート４の溝部７の両側で、例えばロウ付けにより接合された部分である。図２には、ロウ付けに用いられたロウ８が示されている。

図３に示すように、この熱交換器１０は、流路プレート１が積層された積層プレート１１と、積層プレート１１を積層方向の両側から挟むように覆う一対のエンドプレート１２と、を有する。

各エンドプレート１２は、例えば矩形状の形状を有し、積層プレート１１に対して、例えばロウ付けにより接合される。各エンドプレート１２は、熱交換器１０の剛性を保つために設けられる。

また、各エンドプレート１２は、積層プレート１１が接合される側とは反対側の長手方向の両端部に、一対の連結部１３を有する。

連結部１３は、冷媒を通す配管が連結される部分である。各連結部１３は、積層プレート１１が接合される側とは反対側に突出している。また、各連結部１３は、例えば矩形の形状を有しており、平面視において、２つの連結部１３が対向する側の辺以外の各連結部１３の辺は、エンドプレート１２の本体部分の外周の辺と一致している。

また、各連結部１３には、連通穴１４が形成されており、図１に示した流路プレート１の連通穴３と連通して、冷媒を通す流路を形成している。

さらに、各連結部１３は、連通穴１４の周囲であって、各連通部１３の外周よりも内側の部材配置領域１５に補強部材１６を備える。

補強部材１６は、コの字形状を有している。また、補強部材１６は、連通穴１４の周囲に、積層プレート１１および一対のエンドプレート１２を金属プレート４の積層方向に貫通するよう設けられる。

補強部材１６には、例えば構造用鋼が用いられる。また、補強部材１６は、連結部１３と摩擦攪拌接合で接合するのが好ましい。

摩擦攪拌接合は、ロウ材の融点よりも大幅に低い温度で接合できるので、ロウ付け部分を再溶融することなく、接合強度を高くすることが可能になる。

さらに、摩擦攪拌接合は、固定治具等を用いることなく補強部材１６と連結部１３とを直接接合できるので、金属プレート４の積層方向においても長手方向においても、熱交換器１０のサイズを大きくすることがない。

この場合、連結部１３（エンドプレート１２）と、積層プレート１１とに補強部材１６を入れ込む開口を設け、その開口に補強部材１６を入れ込む。そして、補強部材１６の上面（表面）と連結部１３の上面（表面）とを摩擦攪拌接合する。摩擦攪拌接合の接合ツールにより両者の上面に渡って凹部ができる。凹部は、スライス状の波打った形状である。なお、連結部１３の内部と補強部材１６とは接合されない。

上記は、補強部材１６の上面と連結部１３の上面との間の接合であったが、下面も同様に接合するのが好ましい。

また、上記のように、連通穴１４の周囲に補強部材１６を配置することで、冷媒が連通穴１４を含む流路を流れる際の圧力が高くなっても、連結穴３、１４の周辺部分の膨張変形を抑制することができる。

図４は、本開示の実施の形態の補強部材１６を示す拡大模式図である。金属プレート４の積層方向と垂直な面で切断した補強部材１６の断面は、部材配置領域１５の面積の２５％以上の面積を有することが望ましい。

補強部材１６の断面が、部材配置領域１５の面積の２５％以上の面積を有していると、連結穴３、１４の周辺部分の膨張変形を十分に抑制することができる。

また、補強部材１６の形状は、コの字形状に限定されない。ただし、補強部材１６は、連通穴１４の中心点Ｐを通り、エンドプレート１２の長手方向に平行な線１７、および、短手方向に平行な線１８に関してそれぞれ線対称となる形状を有していることが好ましい。

補強部材１６が、このような形状を有している場合、連通穴３、１４の周囲にかかる高い圧力を均等に分散することができる。

以上、本開示の実施の形態について説明したが、実施の形態は上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、上記実施の形態における要旨を逸脱しない範囲内で、種々の変形がなされてもよいことは勿論である。

つぎに、本開示の実施例と比較例とを比較することにより、本開示の実施例における効果について説明する。以下に、本開示の実施例をシミュレーション結果に基づき説明するが、本開示の実施例はこれらに限定されるものではない。

また、実施例１〜実施例３、比較例１〜比較例３のシミュレーションを行うにあたり、補強部材１６以外の構成部材の寸法や材料の物性値は、全て同じものとした。

図５Ａ〜図５Ｃはそれぞれ、実施例１〜３の補強部材１６の配置を示す模式図である。図５Ｄ、および、図５Ｅは、比較例２、および、比較例３の補強部材１６の配置を示す模式図である。

なお、比較例１は、補強部材１６を配置していないので図示していない。また、シミュレーションによって求めた値は、後述する表１に示した。

（実施例１）
実施例１の補強部材１６は、弾性率が２００ＧＰａである構造用鋼である。また、補強部材１６は、図５Ａに示すように、連結部１３の連通穴１４を挟んだ両側に一対配置されている。

具体的には、補強部材１６は、コの字状の形状を有し、コの字の凹部が対向するよう配置されている。連結部１３は、縦２５ｍｍ、横２０ｍｍ、厚み４ｍｍの大きさを有する。また、連通穴１４の直径は１０ｍｍである。

連結部１３には、弾性率が７１ＧＰａのアルミニウムが用いられている。そして、金属プレート４の積層方向と垂直な面で切断した補強部材１６の断面の面積は、部材配置領域１５の面積の６７％を占めている。

このような熱交換器１０の構造において、冷媒が連通穴１４に圧力を与えた場合の連通穴１４の周辺部分となる連結部１３の最大変形量を、有限要素法による線形構造解析を行って計算した。

なお、補強部材１６による連通穴１４の膨張変形の抑制効果を簡単に明らかにするため、シミュレーションでは、エンドプレート１２の一部を含む１つの連結部１３と補強部材１６のみをモデル化した。実施例２、実施例３、および比較例１〜比較例３のシミュレーションにおいても同様のモデル化を行った。

（実施例２）
実施例２の補強部材１６も、弾性率が２００ＧＰａである構造用鋼である。また、実施例２の補強部材１６の形状は、図５Ｂに示すように、円形状である。補強部材１６は、連通穴１４の周りに４つ配置されている。

金属プレート４の積層方向と垂直な面で切断した４つの補強部材１６の断面の合計面積は、部材配置領域１５の面積の６７％を占めている。このような熱交換器１０の構造において、冷媒が連通穴１４に圧力を与えた場合の連結部１３の最大変形量を求めた。

（実施例３）
実施例３の補強部材１６も、弾性率が２００ＧＰａである構造用鋼である。また、実施例３の補強部材１６の形状は、図５Ｃに示すように、扇状である。補強部材１６は、連通穴１４の周りに２つ配置されている。

２つの補強部材１６は、扇の中心側が対向するよう配置されている。また、金属プレート４の積層方向と垂直な面で切断した２つの補強部材１６の断面の合計面積は、部材配置領域１５の面積の６７％を占めている。この熱交換器１０の構造において、冷媒が連通穴１４に圧力を与えた場合の連結部１３の最大変形量を求めた。

（比較例１）
比較例１の熱交換器１０は、補強部材１６を配置していない。この熱交換器１０の構造において、冷媒が連通穴１４に圧力を与えた場合の連結部１３の最大変形量を求めた。

（比較例２）
比較例２の補強部材１６も、弾性率が２００ＧＰａである構造用鋼である。また、比較例２の補強部材１６の形状は、図５Ｄに示すように、円弧状である。補強部材１６は、連通穴１４の周りに２つ配置されている。

２つの補強部材１６は、円弧の中心側が対向するよう配置されている。また、金属プレート４の積層方向と垂直な面で切断した２つの補強部材１６の断面の合計面積は、部材配置領域１５の面積の２３％を占めている。この熱交換器１０の構造において、冷媒が連通穴１４に圧力を与えた場合の連結部１３の最大変形量を求めた。

（比較例３）
比較例３の補強部材１６も、弾性率が２００ＧＰａである構造用鋼である。また、比較例３の２つの補強部材１６は、図５Ｅに示すように、一方がＬ字形状で他方が逆Ｌ字状である。２つの補強部材１６は、連通穴１４の周りに配置されている。

２つの補強部材１６は、Ｌ字または逆Ｌ字の短い方の辺が内側に延びるように配置されている。また、金属プレート４の積層方向と垂直な面で切断した２つの補強部材１６の断面の合計面積は、部材配置領域１５の面積の６７％を占めている。この熱交換器１０の構造において、冷媒が連通穴１４に圧力を与えた場合の連結部１３の最大変形量を求めた。

（評価）
表１は、実施例１〜実施例３、比較例１〜比較例３のシミュレーション結果を示したものである。

表１には、部材配置領域１５の面積に対する補強部材１６の断面積の割合、連結部１３の最大変形量、比較例１に対する最大変形量の低減率が示されている。なお、比較例１については、補強部材１６が配置されていないので、部材配置領域１５の面積に対する補強部材１６の断面積の割合は記載されていない。

実施例１〜実施例３では、比較例１に対する最大変形量の低減率が９３〜９４％となっている。

熱交換器１０を規定されたサイズにするためには、連結部１３の最大変形量が０．２００ｍｍ以下であることが要求される。実施例１〜実施例３のいずれも最大変形量が０．２００ｍｍ以下であるという条件を満たしている。

したがって、実施例１〜実施例３の補強部材１６は、連結部１３の膨張変形を抑制できることがわかる。

なお、比較例２でも、最大変形量が比較例１と比べて約９４％低減している。しかし、最大変形量が０．２０８ｍｍとなっているため、熱交換器１０を規定されたサイズにすることができない。そのため、比較例２の補強部材１６は、熱交換器１０に用いるのは適切ではない。

比較例３では、最大変形量については０．１１６ｍｍと小さいく、比較例１と比べて約９６％低減している。しかし、シミュレーションの結果では、連通穴１４の周辺部にかかる応力が局所的に大きくなり、アルミニウムからなる連結部１３が塑性変形する可能性がある。そのため、比較例２の補強部材１６は、熱交換器１０に用いるのは適切ではない。

比較例３の補強部材１６は、補強部材１６が、連通穴１４の中心点Ｐを通り、エンドプレート１２の長手方向に平行な線１７、および、短手方向に平行な線１８に関してそれぞれ線対称となる形状を有していないため、連通穴１４にかかる高い圧力を均等に分散できなかったためと考えられる。

なお、ここでは、連結部１３の膨張変形のシミュレーション結果について示したが、図１に示した連通穴３の周辺の金属プレート４の部分についても膨張変形が抑制される。

本開示の熱交換器は、空気調和装置等の熱交換器に利用可能である。

１流路プレート
２流路部
３連通穴
４金属プレート
５ヘッダ部
６接合部
７溝部
８ロウ
１０熱交換器
１１積層プレート
１２エンドプレート
１３連結部
１４連通穴
１５部材配置領域
１６補強部材
１７エンドプレートの長手方向に平行な線
１８エンドプレートの短手方向に平行な線
Ｐ中心点

Claims

複数の金属プレートが積層され、金属プレート間に冷媒が流れる流路部が形成された積層プレートと、
前記金属プレートの積層方向の両端面に設けられ、前記流路部と連通する連通穴が形成された一対のエンドプレートと、
前記連通穴の周囲に前記積層プレートおよび前記一対のエンドプレートを前記積層方向に貫通するよう設けられた補強部材と、
を備える熱交換器。
前記一対のエンドプレートは、矩形状の形状を有し、前記一対のエンドプレートの長手方向の両端部において前記積層方向に突出する連結部を備え、前記連結部には、前記連通穴が形成されている請求項１に記載の熱交換器。
前記連結部は矩形状の形状を有し、平面視において、前記両端部にある連結部の対向する側の辺以外の辺は、前記一対のエンドプレートの本体部分の外周の辺と一致する請求項２に記載の熱交換器。
前記補強部材は、前記連結部における前記連通穴の周囲の領域に設けられ、前記積層方向と垂直な面で切断した前記補強部材の断面は、前記周囲の領域の面積の２５％以上の面積を有する請求項２または３に記載の熱交換器。
前記補強部材は、前記一対のエンドプレートの長手方向に平行な線、および、短手方向に平行な線に関してそれぞれ線対称となる形状を有している請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱交換器。
前記補強部材の表面と当該補強部材が設けられた前記一対のエンドプレートの表面とに渡って凹部があり、前記補強部材と当該補強部材が設けられた前記一対のエンドプレートとは接合されている請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱交換器。