JP2020502470A

JP2020502470A - 熱交換器

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Publication number: JP2020502470A
Application number: JP2019534270A
Authority: JP
Inventors: コンラッド・アニキール
Original assignee: アルファ−ラヴァル・コーポレート・アーベー
Priority date: 2016-12-23
Filing date: 2017-12-21
Publication date: 2020-01-23
Also published as: CN110088558A; KR20190099466A; CN110088558B; JP2022008275A; EP3339793B1; EP3339793A1; DK3339793T3; WO2018115253A1; PL3339793T3; EP3559584A1; EP3559584B1; US20190368829A1; KR20210059794A

Abstract

本開示は、熱交換プロセスに関係するものである第1の作動流体用の第1の熱交換流路と、熱交換プロセスに関係するものである第2の作動流体用の第2の熱交換流路とを有する熱交換器コア(2)を備える熱交換器(1)に関する。熱交換器(1)は、第1の熱交換流路および第2の熱交換流路のうちの少なくとも一方に、またはそこから作動流体を運ぶためのダクトを備えるヘッダ(3、4、5、6)をさらに有し、ヘッダ(3、4、5、6)は、ヘッダ−コア接合部(46)に沿って熱交換器コア(2)に溶接される。熱交換器コア(2)は、少なくとも部分的にヘッダ−コア接合部(46)に沿って延在する溝(60、60a、60b)を有し、溝(60、60a、60b)の断面は、丸みの付いた形状を有し、溝(60、60a、60b)の深さ(61)は、溝(60、60a、60b)の幅(62)の半分より大きい。本開示は、こうした熱交換器(1)の製造方法にも関する。

Description

本開示は、熱交換プロセスに関係するものである第1の作動流体用の第1の熱交換流路と、熱交換プロセスに関係するものである第2の作動流体用の第2の熱交換流路とを有する熱交換器コアを備える熱交換器に関する。熱交換器は、第1の熱交換流路および第2の熱交換流路のうちの少なくとも一方に、またはそこから作動流体を運ぶためのダクトを備えるヘッダをさらに備え、ヘッダは、ヘッダ−コア接合部に沿って熱交換器コアに溶接される。本開示は、こうした熱交換器を製造する方法にも関する。この熱交換器は、小型の設計が所望される高圧環境に特に適している。

熱交換器の頑丈さおよびコスト効率を高めることは、概して常に所望されている。熱交換器のコスト効率の改善の一例が特開昭５９−２００１９７号公報に開示されており、これには、管板側に凹部を提供することにより、塑性加工された管板の幅を短縮することができ、機械加工の量を減らすことができるということが示されている。知られている熱交換器はその所期の使用には申し分ないが、それでもなお、こうした熱交換器は、頑丈さおよびコスト効率の改善という点では改良の余地がある。

特開昭５９−２００１９７号公報

本開示の一目的は、頑丈さおよび/またはコスト効率を少なくとも部分的に改善した熱交換器、およびこうした熱交換器の製造方法を提供することである。この目的は、独立請求項に記載の特徴によって達成される。

本開示は、熱交換プロセスに関係するものである第1の作動流体用の第1の熱交換流路と、熱交換プロセスに関係するものである第2の作動流体用の第2の熱交換流路とを有する熱交換器コアを備える熱交換器に関する。熱交換器は、第1の熱交換流路および第2の熱交換流路のうちの少なくとも一方に、またはそこから作動流体を運ぶためのダクトを有するヘッダをさらに備え、ヘッダは、ヘッダ−コア接合部に沿って熱交換器コアに溶接される。熱交換器コアは、少なくとも部分的にヘッダ−コア接合部に沿って延在する溝を有し、溝の断面は丸みの付いた形状を有し、溝の深さは溝幅の半分より大きい。

本開示は、複数の熱交換流路を有する熱交換器コアと、複数の熱交換流路に、またはそこから作動流体を運ぶためのヘッダとを備える、熱交換器の製造方法にも関する。方法は、熱交換器コアを準備するステップと、少なくとも部分的にヘッダ−コア接合部となる部分に沿って、熱交換器コアに溝を機械加工するステップであって、溝の断面が丸みの付いた形状を有し、溝の深さが溝幅の半分より大きい、ステップと、熱交換器コアにヘッダを溶接して、前記ヘッダ−コア接合部を形成するステップとを含む。

少なくとも部分的にヘッダ−コア接合部に沿って延在する溝であって、溝の断面が丸みの付いた形状を有し、溝の深さが溝幅の半分より大きい溝を提供することにより、いくつかの利点が得られる。

たとえば、熱交換器のヘッダ−コア接合部は、局部的な屈曲により、高いピーク応力を有する傾向にあり、疲労、応力腐食割れ、クリープ、サーマルラチェットなどの非即時的な損傷メカニズムでは、局部的な高応力は通常は有害である。しかし、丸みの付いた形状を有し、溝の深さが溝幅の半分より大きい、溝の特定の断面形状では、たとえば円形の断面形状をもつ溝と比較して、溝に比較的大きい内側表面積が与えられる。内表面が大きくなることにより、より大きい区域にわたって応力をより広く分散することができ、それにより、著しく低いピーク応力値を得ることができる。前記非即時的な損傷メカニズムに対応するための、硬化または肉盛りを伴う非線形材料などの他の解決策は費用がかかり、複雑であるので、これにより、熱交換器の製造コストを低減することが可能になる。

従属請求項に記載の特徴のうちの1つまたはいくつかを実施することにより、別の利点が得られる。

たとえば、溝の断面は、実質的な楕円形状、またはより具体的には実質的な半楕円形状もしくは楕円の半分の形状を有してもよい。楕円形状により、溝の断面形状が丸みの付いた所望の形になるとともに、溝の内側表面積が比較的大きくなって、応力が有利に分散される。

別法として、溝の断面は、実質的な放物線形状または実質的な双曲線形状などの、他の特定の形状を有してもよい。以下では、楕円形状に関係する特定の例について論じるが、各例は、放物線形状および双曲線形状にも等しく適用可能であることが企図されている。

ヘッダは、熱交換器コアの作動流体入口表面または作動流体出口表面の周りに取り付けることができ、溝は、前記作動流体入口表面または作動流体出口表面に形成することができる。熱交換器コアの作動流体入口表面または作動流体出口表面に形成された溝を有することにより、コアをコスト効率的に製造することが可能になる。

溝の楕円形状の中心は、前記入口表面または出口表面の平面よりも楕円形状の長半径の25%下に対応する位置から、前記入口表面または出口表面の平面よりも楕円形状の長半径の25%上に対応する位置までの範囲、具体的には、前記入口表面または出口表面の平面よりも楕円形状の長半径の10%下に対応する位置から、前記入口表面または出口表面の平面よりも楕円形状の長半径の10%上に対応する位置までの範囲に位置付けることができ、より具体的には、溝の楕円形状の中心は、前記入口表面または出口表面の平面と実質的に重なり得る。溝の楕円断面形状が所望されるが、楕円断面形状の中心は、前記入口表面または出口表面の平面から上方または下方にオフセットされてもよい。正確な位置は、具体的な状況に依存し得る。

楕円形状の長半径と短軸の間の関係は、0.6〜1.5、具体的には0.7〜1.3、より具体的には0.9〜1.1の範囲であり得る。溝の内表面を大きくするために、溝の断面は、溝幅の半分より大きい深さを有するものとする。溝の幅を保った状態で溝の深さを深くすると内表面がさらに大きくなるが、幅に対して深さが大きすぎると、溝の中の半径があまりに小さくなり、それにより、結果として生じるピーク応力レベルが再び上昇する。したがって、0.6〜1.5、具体的には0.7〜1.3、より具体的には0.9〜1.1の範囲の、楕円形状の長半径と短軸の間の関係が、有利な選択に相当すると考えられる。

楕円形状の長半径は、ヘッダ壁部の厚みの50%〜150%、具体的には75%〜125%の範囲でもよい。溝のサイズは、予想される応力レベルに適合するように選択されることが好ましい。

溝は、金属切削機器を使用して機械加工によって形成されてもよい。このプロセスにより、コアをコスト効率的に製造することが可能になる。

溝は、ヘッダ−コア接合部の全体の長さの少なくとも50%、具体的には少なくとも75%、より具体的には少なくとも95%に沿って、最も具体的にはヘッダ−コア接合部の全長に沿って延在することができる。ヘッダ−コア接合部での応力レベルは、ヘッダの形およびサイズなどの多くの要因に依存する。ヘッダの具体的な設計に応じて、溝の長さおよび溝の場所は変動してもよい。ヘッダ−コア接合部の全体の長さの一部に沿って延在する溝を用いると、ヘッダ−コア接合部の全長に沿って延在する溝と比較して、製造コストを低減することが可能になる。溝の長さが長くなると、すなわち溝がヘッダ−コア接合部のより長い長さに沿って延在すると、ヘッダ−コア接合部のより長い部分に沿ってピーク応力が低減され、したがって全体的なピーク応力が低減される。

溶接ヘッダ−コア接合部の付け根面は、前記入口表面または出口表面の平面より上に突出し得ない。この設計により、ヘッダによって封入される区域のコア材料を最初に取り除くことなく、ヘッダ−コア接合部を溶接することが可能になる。

熱交換器コアは、互いに平行に配置されて好ましくは固相接合、ろう付け、またはこれら2つの方法の組合せによって互いに接合される、複数の積層プレートで作ることができる。積層プレートの熱交換器コアは非常に小型で頑丈に作ることができ、したがって、高圧用途においては、積層プレート熱交換器コアが有利になる。

第1の熱交換流路および第2の熱交換流路のそれぞれは、熱交換器コアの作動流体入口表面と作動流体出口表面の間に延在する複数の流れ導管を備えることができる。熱交換器を通る複数の流れ経路に作動流体を分配することにより、熱交換器の効率が向上する。

複数の流れ導管は、個々の積層プレートの側部表面の開チャネルによって形成されてもよい。開チャネルは、当初は平坦なプレートを押圧する技法およびエッチングする技法を使用して、コスト効率的に製造される。

熱交換器は、拡散接合された熱交換器でもよい。拡散接合された熱交換器コアは非常に小型で頑丈に作ることができ、したがって、高圧用途においては、拡散接合された熱交換器コアが有利になる。

第1の熱交換流路および第2の熱交換流路の作動流体入口表面および作動流体出口表面のそれぞれは、そこに溶接された個々のヘッダを備えることができる。入口および出口ごとの個々のヘッダにより、単純で頑丈なヘッダの設計が可能になる。

特定の有利な一実施形態では、溝の断面の丸みの付いた形状は、ヘッダ−コア接合部において有限の曲率半径を画定する。それにより、ヘッダ−コア接合部での急な屈曲が避けられる。これにより、ヘッダ−コア接合部での応力が緩和され、より大きい区域にわたって応力が分散されることになる。

このように、曲率半径がなめらかに変化して、応力の集中を分散する。逆に、連続的でない形状、すなわち直線を使用すると、曲率半径が(無限大の半径から、曲がりを生じさせる有限の半径へと)急に変化するので、構造的な不連続性が生じることになる。したがって、蓄えられたエネルギーは、直線が半円形プロファイルに接する狭い帯域に分散されることになり、それにより、やはり鋭いピーク応力が生じる。

対照的に、特にヘッダ−コア接合部の場所において、なめらかな湾曲部または円弧形状を使用すると、蓄えられた同じエネルギーは、半円形プロファイルの1つの面の全域に分散される。湾曲部または円弧形状の中心は、ヘッダ−コア接合部になってもよく、または別法としてヘッダ−コア接合部より上でもよく、下でもよい。応力の分散に関連して、シェルと平坦な端部の間で歪み(変形)を有利に分散することができ、すなわち、ピーク応力は、溝の湾曲部に沿って移動され得る。

溝の幅は、ヘッダ−コア接合部と作動流体入口表面または作動流体出口表上の最近傍点との間の想像線に沿った距離として定義することができ、溝の深さは、想像線と溝の断面の中の最遠点との間の距離として定義することができる。最遠点は、溝の底部とみなされる。

丸みの付いた形状は、ヘッダ−コア接合部から、ヘッダ−コア接合部から最遠点までの距離の少なくとも10%に沿って、好ましくはヘッダ−コア接合部から最遠点までの距離の少なくとも20%に沿って、より好ましくはヘッダ−コア接合部から最遠点までの距離の少なくとも50%に沿って、最も好ましくはヘッダ−コア接合部から最遠点までの距離全体に、連続的な湾曲部を画定する。

このように、応力は、溝の中の大きい表面にわたってさらに分散され得る。溝の最も重要な部分は、ヘッダ−コア接合部に隣り合う場所であり、ヘッダ−コア接合部と溝の底部の間に位置付けられる区域は、溝の底部と、溝と作動流体入口表面または作動流体出口表面との間の移行部との間の区域よりも重要である。

さらに、連続的な湾曲部は、ヘッダ−コア接合部から溝の深さに向かって小さくなる曲率半径を画定してもよい。このように、曲率半径は、実質的な半楕円形状などの、溝の深さに向かってますます急になる曲げをもつ形状を形成してもよい。この文脈において、溝の深さと幅の間の関係は、0.6〜1.5、具体的には0.7〜1.3、より具体的には0.9〜1.1の範囲でもよく、かつ/または溝の深さは、ヘッダ壁部の厚みの50%〜150%、具体的には75%〜125%の範囲でもよい。

適用可能な別の領域は、本明細書に提供される説明から明らかになろう。

以下の詳細な説明では、以下の図が参照される。

一実施形態例の熱交換器の斜視図である。熱交換器のレイアウトの一例の側面図である。熱交換器のレイアウトの別の例の側面図である。熱交換器のレイアウトのさらに別の例の側面図である。一実施形態例のコアの斜視図である。図3の一実施形態例のコアの斜視図である。図4の一部の拡大図である。一実施形態例の熱交換器の一部の斜視図である。一実施形態例の熱交換器コアの側面図である。一実施形態例の熱交換器コアの側面図である。一実施形態例の熱交換器コアの側面図である。一実施形態例の溝の断面を示す図である。一実施形態例の溝の断面を示す図である。一実施形態例の溝の断面を示す図である。一実施形態例の溝の断面を示す図である。方法のフローチャートである。一実施形態例の溝のFEMシミュレーションを示す図である。一実施形態例の溝のFEMシミュレーションを示す図である。

これ以降、本開示を説明し、限定するものではない添付の図面と合わせて、本開示の種々の態様を説明する。同様の呼称は同様の要素を示し、説明される態様の変形形態は、具体的に示されている実施形態に限定されず、本開示の他の変形形態にも応用可能である。

図面のうちの図1には、本開示の一実施形態例による熱交換器の斜視図が概略的に示してある。熱交換器1は、実質的に長方形の熱交換器コア2と、コア2の4つの個々の面に溶接された4つのヘッダ3、4、5、6とを備え、コアの対向する2つの面7、8には、いかなるヘッダも存在しない。

コア2は、熱交換プロセスに関係するものである第1の作動流体用の第1の熱交換流路と、熱交換プロセスに関係するものである第2の作動流体用の第2の熱交換流路とを有する。作動流体は、冷媒、天然ガス、油、水、これらの混合物、または任意の所望の適した流体および流体の混合物でもよい。流体は、添加剤も含んでもよい。熱交換器全体の目的は、一方の作動流体と別の作動流体の間で熱を移動させることである。その結果、熱交換器から出て行くときの作動流体間の温度差は、熱交換器に入るときの作動流体間の温度差よりも一般に小さくなる。各流路は、ストリームと表記される場合もある。

各ヘッダ3、4、5、6は、通常、流体入口連結部10または流体出口連結部11とヘッダ内の中空空間との間で作動流体を運ぶ働きをし、この中空空間は、ヘッダの内側面、およびヘッダが取り付けられているコアの面によって画定される。したがって、ヘッダはダクトを形成して、流体入口連結部10または流体出口連結部11と、コア2を通って延在しコア2の面において終わる複数の流れ導管との間で、作動流体が流れることを可能にする。

図2aには、ヘッダのない面7から見た図1の熱交換器1が概略的に示してある。コア2は長方形の中心部分として示されており、コア2の個々の面に取り付けられた4つのヘッダ3、4、5、6が示されている。各ヘッダ3、4、5、6は、流体入口連結部または流体出口連結部10、11、12、13を備える。

熱交換器を通る熱交換流路は、非常に多種多様であり得る。たとえば、図2aの実施形態例によれば、熱交換器は、コア2の1つの面にある第1のヘッダ3からコア2の反対側の第2のヘッダ5へと延在する、第1の作動流体用の第1の熱交換流路15と、コア2の1つの面にある第3のヘッダ6からコア2の反対側の第4のヘッダ4へと延在する、第2の作動流体用の第2の熱交換流路16とを有し、第1の熱交換流路15と第2の熱交換流路16は、コア1の中で交差する流れ導管を有する。この実施形態例では、各ヘッダは、第1の熱交換流路および第2の熱交換流路のうちの一方に、またはそこから作動流体を運ぶための、単一のダクトを備える。

図2bには、コア2の対向する面に取り付けられた2つだけのヘッダ3、5を有する熱交換器の、代替の実施形態例が示してある。さらに、各ヘッダ3、5は、各ヘッダ3、5の中に2つのダクトを画定する内部隔壁17、18と、それぞれのダクトに関連付けられる個々の流体連結部10a、10b、12a、12bとを有する。熱交換器1は、第1の流体連結部10aから、コア2の一方の面にある第1のヘッダ3の第1のダクトを介し、コア2の反対側の第2のヘッダ5の第2のダクトを介して第2の流体連結部12bへと延在する、第1の作動流体用の第1の熱交換流路15を有する。熱交換器1は、第2の流体連結部10bから、コア2の一方の面にある第1のヘッダ3の第2のダクトを介し、コア2の反対側の第2のヘッダ5の第1のダクトを介して第1の流体連結部12aへと延在する、第2の作動流体用の第2の熱交換流路16をさらに有する。ここでは、各ヘッダは、第1の熱交換流路と第2の熱交換流路の両方に、またはそこから作動流体を運ぶための、2つのダクトを備える。このように、熱交換器は、コア2の単一の面に複数の流体連結部を有してもよく、ヘッダは、異なるタイプの作動流体を任意の方向に運ぶ複数のダクトを有してもよい。

図2cには、コア2の対向する2つの面に取り付けられた4つのヘッダ3、4、5、6を有する熱交換器の、さらに代替の一実施形態例が示してある。各ヘッダ3、4、5、6は、単一のダクトを画定する。熱交換器1は、コア2の一方の面にある第1のヘッダ3の第1の流体連結部10からコア2の反対側の第2のヘッダ6の第2の流体連結部13へと延在する、第1の作動流体用の第1の熱交換流路15を有する。熱交換器1は、第1のヘッダ3と同じ面に位置付けられた第3のヘッダ3の第3の流体連結部11から第2のヘッダ6と同じ面に位置付けられた第4のヘッダ5の第4の流体連結部12へと延在する、第2の作動流体用の第2の熱交換流路16をさらに有する。ここでは、各ヘッダは、第1の熱交換流路および第2の熱交換流路のうちの一方に、またはそこから作動流体を運ぶための、単一のダクトを備える。

添付の特許請求の範囲に記載の範囲内においてさらに多くの熱交換レイアウトが考えられ、熱交換器は、コアに、かつ/またはコアから作動流体を運ぶための、少なくとも1つのヘッダを備える。

図3に示すように、本開示の一実施形態例による熱交換器コア2は、互いに平行に配置されて固相接合、ろう付け、またはこれら2つの方法の組合せによって互いに接合された、複数の積層プレート30で作られてもよい。向き合って配置された2つのエンドプレート31が、積層体の端部を形成する。プレート30は、通常は鋼、ステンレス鋼、または適した金属合金で作られる。各プレート30は、その接触表面において互いに接合されて、非常に頑丈で強い、実質的に一体の単一の固体金属コアを形成する。その結果、この熱交換器コアは複数のプレートから製造されているといえども、完成したコアは、内部にチャネルを有する固体金属ブロックにより似ている。

たとえば、高温条件においてプレートを互いに押圧し、それによって各プレートの上表面と下表面の間で金属結晶粒の成長を引き起こすことにより、拡散接合を実施することができる。別法として、または固相接合と組み合わせて、互いに平行に配置される複数の積層プレート30は、たとえば銅またはニッケルであるフィラー材料を積層体の各プレート30の間に配置し、次いで銅またはニッケルで真空ろう付けするものであるろう付けによって互いに接合されてもよい。

図4には、一実施形態例の熱交換器のコアを形成するプレート積層体の組成が概略的に示してあり、この熱交換器は、積層体の中に交互に配置される、2つの異なるタイプのプレート30を有する。第1の群のプレート30aは、コア2の第1の対の対向面34、35の間に延びる、縦方向に延在するチャネル32を備え、第2の群のプレート30bは、コア2の第2の対の対向面36、37の間に延びる、横方向に延在するチャネル33を備える。図4に示すように、チャネル32は、コアのある面からコアの反対側まで実質的にまっすぐ通っていてもよいが、当然、湾曲した経路、ジグザグの経路などの多くの変形形態が考えられる。

チャネル32、33は、たとえば、プリント回路熱交換器(PCHE)として一般に知られている、化学エッチングによって形成されてもよい。別法として、チャネルは、プレートに溝またはチャネルを形成する突出部を有する押圧ダイにプレートを押圧することにより、金属プレートに形成されてもよい。

図5には、図4の例示的なプレート積層体の隅部分の拡大図が示してあり、第1の群のプレートおよび第2の群のプレートのプレート30a、30bが交互に配置されている。図5に示すように、隣接するプレートの相互作用によってコアを通る流れ導管が形成され、この場合、あるプレートの開チャネル32、33が、隣接する上方プレートと相互に作用して前記開チャネルを閉じ、閉じた流れ導管を形成する。あるプレートに、隣接するプレートの開チャネルと向き合う開チャネルを設けて閉じた流れ導管を形成するなど、多くの代替の設計が考えられる。

図3および図4の実施形態では、チャネル32、33は、各プレート30の両縁部までいっぱいに延在する。プレート30を積層した後、すべてのプレート30の縁部によってコア2の面34、35、36、37が画定され、したがって、積層体の、エンドプレート31によって覆われていない面が、複数の流れ導管の入口表面または出口表面を画定する。したがって、図3および図4の熱交換器コア2の第1の熱交換流路および第2の熱交換流路のそれぞれは、熱交換器コア2の作動流体入口表面と作動流体出口表面の間に延在する、複数の流れ導管を備える。

熱交換器は、特に、非常に高圧で高温の作動流体に耐えるように構成される。この理由から、熱交換器1の少なくとも1つのヘッダは、ヘッダ−コア接合部に沿って熱交換器コアに溶接される。ヘッダは、その辺縁の、コアの面との接触表面全体に沿って溶接される。

局部的な屈曲により、熱交換器のヘッダ−コア接合部に沿って著しい応力が生じる場合がある。ヘッダ−コア接合部での高いピーク応力を低減するためのコスト効率的な手法の1つは、熱交換器コアに、少なくとも部分的にヘッダ−コア接合部に沿って延在する溝を提供することである。

図6には、本開示の一実施形態例による熱交換器の一部の断面斜視図が示してある。熱交換器は、ヘッダ−コア接合部46に沿ってコア2に溶接されたヘッダ3を備え、ヘッダ3は、流体入口連結部または流体出口連結部10を備える。図示されているコア2は、作動流体入口表面または作動流体出口表面45の間でコア2を通って延在する複数のチャネル32を有する。作動流体入口表面または作動流体出口表面45には、ヘッダ−コア接合部46の全長に沿って溝60が形成される。ヘッダ−コア接合部46において隅部が尖るのを避けることにより、ピーク応力が低減される。したがって、溝60の断面は、むしろ丸みの付いた形状を有する。さらに、溝の深さが溝幅の半分より大きくなる溝60の断面を選択することにより、溝60の内側に比較的大きい内表面が形成され、それにより、ピーク応力をさらに低減することが可能になる。

図7には、第1の群のプレートおよび第2の群のプレートから交互に積層された複数のプレート30a、30bと、コア2の対向する面に位置付けられた2つのエンドプレート31とを有するコア2の一実施形態例の側面図が、概略的に示してある。第1の群のプレート30aは、その中に形成される複数のチャネル32を有して、流れ導管への前側からのアクセスを可能にする。第2の群のプレート30bは、その中に形成される複数のチャネル33を有する。チャネル32への開口を有する、図示されているコア表面は、熱交換器コア2の作動流体入口表面または作動流体出口表面45を画定する。

プレートを組み立ててコアにした後、製造プロセスの適したステップでは、溶接されるヘッダ−コア接合部の付け根面となる部分に沿って溝が形成される。有利には、溝は、フライス盤などの金属切削機器を使用して機械加工され得る。図7の実施形態では、溝はヘッダ−コア接合部となる部分の全長に沿って延在するが、特定の状況では、ヘッダ−コア接合部に沿った溝の、より短いセグメントが使用されてもよい。たとえば、場合によっては、溝はヘッダ−コア接合部の隅部区域40では省かれてもよい。まとめると(in all)、溝は、ヘッダ−コア接合部の全体の長さの少なくとも50%、具体的には少なくとも75%、より具体的には少なくとも95%に沿って、最も具体的にはヘッダ−コア接合部の全長に沿って延在してもよい。溝は、ヘッダ−コア接合部の辺のうちの1つの少なくとも中間に、すなわち隅部区域40同士の間の中ほどの領域において延在してもよく、かつ/またはピーク応力が最も大きくなる、ヘッダ−コア接合部の、入口連結部または出口連結部10、11、12、13に最も近い部分において延在してもよい。普通、入口連結部または出口連結部10、11、12、13はヘッダ3、4、5、6の中央に位置付けられており、したがって、ヘッダ−コア接合部の辺の中心と入口連結部または出口連結部に最も近い部分は同じになる。入口表面または出口表面が長方形の場合、溝は、少なくともヘッダ−コア接合部の長辺に存在してもよい。溝は、溝が存在しているヘッダ−コア接合部の各辺において、入口連結部または出口連結部の直径に少なくとも等しい長さに沿って延在してもよい。

図8は図7に対応するが、斜線部として示した、溶接ヘッダ−コア接合部の付け根面41を追加で備えている。この図には、溝が、ヘッダ−コア接合部の内側で、ヘッダ−コア接合部と実質的に面一で位置付けられることが示してある。したがって、熱交換器1の完成品の状態では、ヘッダ3、4、5、6は熱交換器コア2の作動流体入口表面または作動流体出口表面の周りに取り付けられており、溝60は、前記作動流体入口表面または作動流体出口表面45に形成される。

図9には、図8の実施形態例と実質的に同一のコア構造を有するが、図示してある単一のコア表面に2つの作動流体入口表面または作動流体出口表面45a、45bが形成される、代替の実施形態が概略的に示してある。それぞれの作動流体入口表面または作動流体出口表面45a、45bは個々のヘッダを有し、そのヘッダは、熱交換器コア2の作動流体入口表面または作動流体出口表面45a、45bの周りの、溶接ヘッダ−コア接合部の付け根面41a、41bに沿って取り付けられる。これは、図2cに示した熱交換器に対応する。

図10には、溝60の断面形状、および溶接ヘッダ−コア接合部46の付け根面41に対する溝60の位置をさらに明確に示す目的で、図8の破断部A-Aに沿った部分が概略的に示されている。図10に示されている下方部分はコア2のエンドプレート31に対応し、上方部分はヘッダ3の側壁に対応し、これは、溶接部47によって熱交換器コア2の作動流体入口表面または作動流体出口表面45の周りに溶接されて、ヘッダ−コア接合部46を形成する。

溝の断面は、丸みの付いた形状、すなわち尖った隅部のない形状を有する。溝の断面は、溝60の幅62の半分より大きい深さ61を有する。これにより、隅部が尖るのを依然として避けながら、溝に比較的大きい表面積が与えられるので、このことは有利である。表面積が大きいと、その表面にわたって応力をよりよく分散することができるので応力が低減し、隅部が尖っていると、応力が集中し得る。

図10の実施形態例によれば、溝60の断面は実質的に楕円形状である。これは、溝が、楕円に似た形状の一部をたどるということを意味する。開示されている例では、溝は、楕円の半分を実質的にたどる、すなわち実質的に半楕円形状をもつ。溝60の断面は、純粋な楕円形状とはわずかに異なっていてもよい。たとえば、溝の断面の楕円形状は、約3〜6個もしくは約4〜5個などのいくつかの円セグメント(円弧)、またはbスプライン、または一連の曲線によって近似されてもよい。

以下の表には、種々のタイプの溶接ヘッダ−コア接合部で実施されたシミュレーションの結果が示してあり、この結果は、ヘッダ3とコア2の間の移行区域においてヘッダ−コア接合部46の内表面に生じる相当(ミーゼス)応力の最大値を示す。相当(ミーゼス)応力の最大値は、ピーク応力とも呼ばれることがある。

シミュレーションにおいてヘッダ−コア接合部の区域に印加された応力が、図15および図16に可視化されている。図15には、溝の深さが溝幅の半分に対応する、丸みの付いた形状を有する溝60を使用したシミュレーション結果が示してある。図16には、丸みの付いた形状をもつ、同様の幅の溝60を使用したシミュレーション結果が示してあり、溝の深さは溝幅の半分より大きく、半楕円形状の溝の形態をとる。上の表を参照すると、深い溝を使用した最大応力は、浅い溝と比較して20%超小さくなる。

溝なしのヘッダ−コア接合部は、ヘッダ壁部をコアの平坦な表面に単純に溶接することによって形成され、したがって、直角の隅部が形成される。シミュレーション結果では、半楕円の断面形状の溝60を有するヘッダ−コア接合部46が、半円形の断面形状の溝60を有するヘッダ−コア接合部よりも大幅に低い最大ピーク応力をもつことが確認される。また、この結果は、丸みの付いた断面を有し、溝の深さ61が溝60の幅62の半分より大きい溝60を有するヘッダ−コア接合部46もまた、半円形の断面形状の溝60を有するヘッダ−コア接合部よりも小さい最大ピーク応力を示すということを、強く示している。

楕円形状の長半径(溝60の深さ61)と短軸(溝60の幅62)の間の関係は、たとえば0.6〜1.5、具体的には0.7〜1.3、より具体的には0.9〜1.1の範囲に設定されてもよい。溶接ヘッダ−コア接合部および楕円の溝を有する、モデル化された熱交換器の応力シミュレーションの以下の表では、概して、1.0あたりの関係を有利であるとみなし得ることが確認される(e1=溝の幅;e2=溝の深さ)。

熱交換器コア2の作動流体入口表面または作動流体出口表面45に単純に溝60を提供することの一利点は、溶接ヘッダ−コア接合部46の付け根面41が前記入口表面または出口表面45の平面より上に突出しないので、たとえば機械加工によって作動流体入口表面または作動流体出口表面45を低くする必要なしに、バット溶接のヘッダ−コア接合部46を実現できるということである。これは、バット溶接のヘッダ−コア接合部46が、単に溝によって完成され得るということを意味する。

ヘッダ4と溝60の間の変わり目が面一になるのを可能にするために、溝は、ヘッダをコア2に組み付けて締結した後に溝60の外側辺縁部65がヘッダ壁部の内縁部66に実質的に重なるように位置付けられることが好ましい。

溝の深さおよび幅は、ヘッダの肉厚、すなわちヘッダ−コア接合部に隣り合うヘッダの壁部の厚みに従って選択されることが好ましい。たとえば、楕円形状の長半径61は、ヘッダ−コア接合部46の区域でのヘッダ壁部の厚み70の50%〜150%、具体的には75%〜125%の範囲に設定されてもよい。ヘッダ壁部の厚みは、通常は5〜75ミリメートルの範囲である。したがって、別法として、絶対数でいえば、楕円形状の長半径は、2.5〜112.5ミリメートルの範囲、具体的には5〜100ミリメートルの範囲、より具体的には10〜75ミリメートルの範囲に設定されてもよい。

図11に示してあるように、一実施形態例によれば、溝60の実質的な楕円形状の中心67は、前記入口表面または出口表面45の平面68と実質的に重なるように設定されてもよい。しかし、溝60はより浅く作られてもよく、より深く作られてもよい。より浅い楕円形状の溝60が図12の実施形態例に示してあり、溝60の実質的な楕円形状の中心67は、前記入口表面または出口表面45の平面68よりも、楕円形状の長半径の約25%に対応する距離だけ上に位置付けられている。さらに、より深い楕円形状の溝60が図13の実施形態例に示してあり、溝60の実質的な楕円形状の中心67は、前記入口表面または出口表面45の平面68よりも、楕円形状の長半径の約25%に対応する距離だけ下に位置付けられている。したがって、溝の楕円形状の中心は、前記入口表面または出口表面の平面よりも楕円形状の長半径の25%下に対応する位置から、前記入口表面または出口表面の平面よりも楕円形状の長半径の25%上に対応する位置までの範囲、具体的には前記入口表面または出口表面の平面よりも楕円形状の長半径の10%下に対応する位置から、前記入口表面または出口表面の平面よりも楕円形状の長半径の10%上に対応する位置までの範囲に位置付けられてもよい。

本開示は、複数の熱交換流路を有する熱交換器コア2と、複数の熱交換流路に、またはそこから作動流体を運ぶためのヘッダ3、4、5、6とを備える、熱交換器1の製造方法にも関する。方法は、図14にも示されている以下のステップS1〜S3を含む。方法は、以下のステップを含む。
S1)熱交換器コア2を準備するステップ。これは、たとえば化学エッチングまたは押圧により、一体化したチャネル32、33を備える金属プレート30、30a、30bを製造し、続いて、固相接合および/またはろう付けによって各プレートを接合して、一体化した流れ導管を有する単一の固体コアを形成するものであってもよい。
S2)少なくとも部分的にヘッダ−コア接合部46となる部分に沿って、熱交換器コア2に溝60を機械加工するステップであって、溝60の断面が丸みの付いた形状を有し、溝の深さが溝幅の半分より大きい、ステップ。
S3)熱交換器コア2にヘッダ3、4、5、6を溶接して、前記ヘッダ−コア接合部46を形成するステップ。

特許請求の範囲に述べられている参照符号は、特許請求の範囲によって保護される主題の範囲を限定するものと理解されるべきではなく、それらの唯一の機能は、特許請求の範囲をより理解しやすくすることである。

本発明は、その趣旨または本質的な特性から逸脱しない限り、他の特定の形態で具体化されてもよい。上記の例の種々の特徴をうまく組み合わせて、種々の他の代替手段を形成してもよいことを理解されたい。したがって、説明された実施形態は、すべての点において単に例示的なものであり、限定的なものではないとみなされるべきである。したがって、本発明の範囲は、前述の説明によってではなく、添付の特許請求の範囲によって示される。特許請求の範囲の均等物の意味および範囲に含まれるあらゆる変更は、特許請求の範囲に記載の範囲に含まれることになる。

1 熱交換器
2 熱交換器コア
3 ヘッダ
4 ヘッダ
5 ヘッダ
6 ヘッダ
7 面
8 面
10 流体入口連結部または流体出口連結部
10a 第1の流体連結部
10b 第2の流体連結部
11 流体入口連結部または流体出口連結部
12 流体入口連結部または流体出口連結部
12a 第1の流体連結部
12b 第2の流体連結部
13 流体入口連結部または流体出口連結部
15 第1の熱交換流路
16 第2の熱交換流路
17 内部隔壁
18 内部隔壁
30 プレート
30a 第1の群のプレート
30b 第2の群のプレート
31 エンドプレート
32 チャネル
33 チャネル
34 面
35 面
36 面
37 面
40 隅部区域
41 付け根面
41a 付け根面
41b 付け根面
45 作動流体入口表面または作動流体出口表面
45a 作動流体入口表面または作動流体出口表面
45b 作動流体入口表面または作動流体出口表面
46 ヘッダ−コア接合部
47 溶接部
60 溝
60a 溝
60b 溝
61 深さ
62 幅
65 外側辺縁部
66 内縁部
67 中心
68 平面
70 厚み

Claims

熱交換プロセスに関係するものである第1の作動流体用の第1の熱交換流路、および前記熱交換プロセスに関係するものである第2の作動流体用の第2の熱交換流路を有する熱交換器コア(2)と、
前記第1の熱交換流路および前記第2の熱交換流路のうちの少なくとも一方に、またはそこから作動流体を運ぶためのダクトを備え、ヘッダ−コア接合部(46)に沿って前記熱交換器コア(2)に溶接される、ヘッダ(3、4、5、6)とを備え、
前記熱交換器コア(2)が、少なくとも部分的に前記ヘッダ−コア接合部(46)に沿って延在する溝(60、60a、60b)を有し、前記溝(60、60a、60b)の断面が、丸みの付いた形状を有し、前記溝(60、60a、60b)の深さ(61)が、前記溝(60、60a、60b)の幅(62)の半分より大きい、
熱交換器(1)。
前記ヘッダ(3、4、5、6)が、前記熱交換器コア(2)の作動流体入口表面または作動流体出口表面(45、45a、45b)の周りに取り付けられ、前記溝(60、60a、60b)が、前記作動流体入口表面または作動流体出口表面(45、45a、45b)に形成される、請求項1に記載の熱交換器(1)。
前記溝(60)の断面が、実質的な楕円形状、実質的な放物線形状、または実質的な双曲線形状のうちの1つである特定の形状を有する、請求項1または2に記載の熱交換器(1)。
前記特定の形状が楕円形状であり、前記溝(60、60a、60b)の前記楕円形状の中心(67)が、作動流体入口表面または作動流体出口表面(45、45a、45b)の平面(68)よりも前記楕円形状の長半径の25%下に対応する位置から、前記作動流体入口表面または作動流体出口表面の前記平面(68)よりも前記楕円形状の前記長半径の25%上に対応する位置までの範囲に位置付けられ、具体的には、前記溝(60、60a、60b)の前記楕円形状の中心(67)が、前記作動流体入口表面または作動流体出口表面(45、45a、45b)の前記平面(68)と実質的に重なる、請求項3に記載の熱交換器(1)。
前記特定の形状が楕円形状であり、前記楕円形状の長半径と短軸の間の関係が、0.6〜1.5、具体的には0.7〜1.3、より具体的には0.9〜1.1の範囲である、請求項3または4に記載の熱交換器(1)。
前記特定の形状が楕円形状であり、前記楕円形状の長半径が、前記ヘッダの壁部の厚み(70)の50%〜150%、具体的には75%〜125%の範囲である、請求項3から5のいずれか一項に記載の熱交換器(1)。
前記溝(60、60a、60b)が、金属切削機器を使用して機械加工によって形成される、請求項1から6のいずれか一項に記載の熱交換器(1)。
前記溝(60、60a、60b)が、前記ヘッダ−コア接合部(46)の全体の長さの少なくとも50%、具体的には少なくとも75%、より具体的には少なくとも95%に沿って、最も具体的には前記ヘッダ−コア接合部(46)の全長に沿って延在する、請求項1から7のいずれか一項に記載の熱交換器(1)。
溶接された前記ヘッダ−コア接合部(46)の付け根面(41)が、作動流体入口表面または作動流体出口表面(45、45a、45b)の平面(68)より上に突出しない、請求項2から8のいずれか一項に記載の熱交換器(1)。
前記熱交換器コア(2)が、複数の積層プレート(30、30a、30b)で作られ、前記複数の積層プレート(30、30a、30b)が、互いに平行に配置されるとともに、好ましくは固相接合、ろう付け、またはこれら2つの方法の組合せによって、互いに接合される、請求項1から9のいずれか一項に記載の熱交換器(1)。
前記第1の熱交換流路および前記第2の熱交換流路のそれぞれが、前記熱交換器コア(2)の作動流体入口表面(45、45a、45b)と作動流体出口表面(45、45a、45b)の間に延在する複数の流れ導管を備える、請求項1から10のいずれか一項に記載の熱交換器(1)。
前記複数の流れ導管が、個々の積層プレート(30、30a、30b)の側部表面の開チャネル(32、33)によって形成される、請求項11に記載の熱交換器(1)。
前記熱交換器(1)が、拡散接合された熱交換器である、請求項1から12のいずれか一項に記載の熱交換器(1)。
前記第1の熱交換流路および前記第2の熱交換流路の作動流体入口表面および作動流体出口表面(45、45a、45b)のそれぞれが、そこに溶接された個々のヘッダ(3、4、5、6)を備える、請求項3から13のいずれか一項に記載の熱交換器(1)。
前記溝(60)の前記断面の前記丸みの付いた形状により、前記ヘッダ−コア接合部(46)において有限の曲率半径が画定される、請求項1から14のいずれか一項に記載の熱交換器(1)。
前記溝の前記幅(62)が、前記ヘッダ−コア接合部(46)と作動流体入口表面または作動流体出口表面(45)上の最近傍点との間の想像線に沿った距離として定義され、前記溝の前記深さ(61)が、前記想像線と前記溝(60)の前記断面の中の最遠点との間の距離として定義される、請求項2から15のいずれか一項に記載の熱交換器(1)。
前記丸みの付いた形状が、前記ヘッダ−コア接合部(46)から前記最遠点までの距離の少なくとも10%に沿って、好ましくは前記ヘッダ−コア接合部(46)から前記最遠点までの距離の少なくとも20%に沿って、より好ましくは前記ヘッダ−コア接合部(46)から前記最遠点までの距離の少なくとも50%に沿って、最も好ましくは前記ヘッダ−コア接合部(46)から前記最遠点までの距離全体に、前記ヘッダ−コア接合部(46)から連続的な湾曲部を画定する、請求項16に記載の熱交換器(1)。
前記連続的な湾曲部が、前記ヘッダ−コア接合部(46)から前記溝(60、60a、60b)の前記最遠点に向かって小さくなる曲率半径を画定する、請求項17に記載の熱交換器(1)。
前記溝(60、60a、60b)の前記深さ(61)と前記幅(62)との間の関係が、0.6〜1.5、具体的には0.7〜1.3、より具体的には0.9〜1.1の範囲である、請求項1から18のいずれか一項に記載の熱交換器(1)。
前記溝の前記深さ(61)が、前記ヘッダの壁部の厚み(70)の50%〜150%、具体的には75%〜125%の範囲である、請求項1から19のいずれか一項に記載の熱交換器(1)。
複数の熱交換流路を有する熱交換器コア(2)と、前記複数の熱交換流路に、またはそこから作動流体を運ぶためのヘッダ(3、4、5、6)とを備える、熱交換器(1)の製造方法であって、
熱交換器コア(2)を準備するステップと、
少なくとも部分的にヘッダ−コア接合部(46)となる部分に沿って、前記熱交換器コア(2)に溝(60、60a、60b)を機械加工するステップであって、前記溝(60、60a、60b)の断面が、丸みの付いた形状を有し、前記溝(60、60a、60b)の深さ(61)が、前記溝(60、60a、60b)の幅(62)の半分より大きい、ステップと、
前記熱交換器コア(2)に前記ヘッダ(3、4、5、6)を溶接して、前記ヘッダ−コア接合部(46)を形成するステップと
を含む、方法。