JP2862213B2 - 熱交換器 - Google Patents

熱交換器

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JP2862213B2 JP2506990A JP50699090A JP2862213B2 JP 2862213 B2 JP2862213 B2 JP 2862213B2 JP 2506990 A JP2506990 A JP 2506990A JP 50699090 A JP50699090 A JP 50699090A JP 2862213 B2 JP2862213 B2 JP 2862213B2
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    • F28F3/02Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、一方の流体フローから他方の流体フローへ
熱を伝導するために使用されるタイプの熱交換器に関す
る。これらの流体フローは、両方が液体であっても、両
方が気体であっても、一方が液体で他方が気体であって
もよく、又は、一方のもしくは両方の流体フローが、液
体と気体との混合物であってもよい。
熱交換器は、多くの製造プロセスと製造物とにおいて
非常に重要である。熱交換器の設計に関する懸案の問題
は、その効率と堅牢性との間の兼ね合いの問題である。
一般的に、この効率は、横断面積の小さい管又は導管の
形に作られた、より肉薄の一次プレートを使用すること
によって改善される(一次プレートとは、2つの異なっ
た流体の流れを直接的に隔てるプレートである)。しか
し、このことは壊れ易さをもたらす場合が多い。過度の
壊れ易さは、熱交換器の多くの用途(例えば自動車)に
とって受入れ難いものである。従って、熱交換器の熱交
換率、耐久性、又は、その両方を改善するために、熱交
換器内に二次プレートを使用することが一時的な慣例で
ある。
二次プレートの典型的な形状は、一方の流体フローの
流れの中に又はこの流れを通って延びる一連のフィン
(fin)から成り、これらのフィンは、その流体フロー
の流れを他方の流体の1つ以上のフロー流れから区分す
る1つ以上の一次プレートに接着されている。こうした
フィン付きの装置の一例が米国特許第2,471,582号に記
載され、この特許では、拡張金網(expanded metal)と
して知られる材料から形成された少なくとも1つの熱伝
導フィンをその外側表面に有する管を、一方の流体が通
過する。この拡張金網は公知の工業用材料であり、金属
プレート内に複数のスリットを形成し、このプレートを
広げることによって作られる網目から成る。このタイプ
の熱交換器は、必然的に非常に嵩張るものとならざるを
得ない。前記フィンを一次表面に接着するための手段
(例えば蛸付け)が、使用可能な材料を制限する可能性
があり、腐食の問題を生じさせる可能性がある。流体フ
ローの流れは直交流又は向流であることが可能である
が、後者の場合には、均一なフローを得るために特別な
分配器部分が必要となる。
より小形であり且つ広範囲の構造材料が使用可能な熱
交換器を提供する最近の発明の1つは、プリント回路熱
交換器(Printed Circuit Heat Exchanger)(PCHE)
(米国特許第4,665,975号)であり、この熱交換器で
は、複数の平らなプレートに熱伝達通路が光化学エッチ
ングされ、これらのプレートが互いに拡散接合され、立
体ブロックを形成する。この熱交換器は非常に高い温度
と圧力において作動することが可能である。このプレー
トフィン熱交換器(plate−fin heat exchanger)で
は、流体フローの流れは、直交流と向流のどちらである
ことも可能である。しかし、この熱交換器内のプレート
は全て一次プレートであり、従って、様々な目的のため
の材料(例えば気体フロー)の使用が非効率的なものと
なる。
二次プレートの使用は、その結果として不可避的にそ
の装置がより一層複雑になり且つ体積が増大するが故
に、二次プレートに固有の問題を生じさせる。一般的に
工業上の諸条件においてはスペースが重要な要素である
が故に、こうした余分な体積は望ましくない。従って、
サイズを過度に増大させることなしに熱伝導特性の改善
と強度の増強とをもたらす二次プレートを有する熱交換
器が必要とされている。
本発明によれば熱交換器は、2つの平行な無孔の一次
プレートの表面である一次表面によって範囲が画定され
た流体通路を含む熱交換器であって、前記一次プレート
が、前記一次表面の間に、流体通路に沿って延びる有孔
の少なくとも2つの二次プレートを有しており、前記各
二次プレートが平らであり、且つ無孔の縁部を有するこ
とと、前記すくなくとも2つの二次プレートが隣接する
プレートの孔が互い違いになるように積み重ねられ、熱
伝導通路が前記2つの一次表面の間に延びて形成される
ように互いに隣接する二次プレートと一次プレートとが
接触し、他の二次プレートと無接触状態にある前記二次
プレートの区域が二次表面を形成し、前記二次プレート
の前記無孔縁部が結合して流体通路の封止縁部を形成す
ることとを特徴とする。
本発明の1つの形状では、熱交換器が、直交流又は向
流のどちらかの状態で交互の通路内を流れながら熱交換
することが求められる第1の流体と第2の流体を伴っ
た、互いに積み重ねられた複数の流体通路から形成され
る。そうした装置では、最も外側の通路を除いて、各一
次プレートが、2つの隣接する通路毎に1つの一次表面
を与えることが好ましい。
2つの一次プレートの間に配置された有孔の二次プレ
ートの使用は、良く知られている。例えばGB−A−1450
460では、複数のワイヤメッシュのスクリーンが導管内
の流体フローに対して垂直方向に取り付けられ、GB−A
−1359659では、熱交換器の2つの平行な流体流路が、
2つの流路部分を各々に有する要素の積み重ねによって
形成され、前記流路部分の各々が一連のスラットの間に
形成された流路を有している。前記流路は、隣接する前
記要素で互い違いにされており、その結果として、曲が
りくねった流体通路が形成される。上記の従来技術の特
許文献の両方では、その流体フローが二次プレートに対
して垂直方向であり、従って、流体フローに対する大き
な抵抗が生じ、その結果として大きな圧力降下が起こ
る。
EP−A−0164098では、拡張金網(又は、この代わり
に、好ましくは三つの側部上に打抜かれ且つ斜めに外向
きに曲げられたタブを有するタブ付きシートか、又は、
このタブ付きシートと組み合わされた、拡張金網)から
作られた複数の二次シートが、一次シートの間に積み重
ねられている熱交換器が記載されている。これらの二次
シートの相対的な配置(即ち、これらの二次シートが、
そのシート孔が重なり合う形で配置されるのか、又は、
別の状態に配置されるか)は、明らかではない。しか
し、その意図は、(拡張工程によって形成された)拡張
金網の曲がったウェブ、又は、タブが、流体フローを一
次プレートに向けて案内し、その結果として熱伝達を改
善するということのようである。この配置は、不可避的
に大きな寄生抗力を生じさせ、その結果として、そのプ
レートの間を通過する流体の圧力降下を増大させる。こ
れとは対照的に、本発明の二次プレートは流体フローの
全体的な方向に平行である。互いに違いになった孔の間
を流体が通過することを可能にする流体フローの全体的
方向の偏向の結果として、高度に3次元的であり且つ強
力な局部的な流れ方向の渦が形成される。こうした渦は
境界層を薄くし、非常に高い伝達速度を与える。更に、
この渦は、各表面要素の下流に激しい伴流が形成される
ことを防止し、その結果圧力降下が比較的小さいものと
なる。
本発明の二次プレートの孔は、流体経路に対してある
角度で設置されることが好ましい。その結果として得ら
れる熱交換器は、同等の性能を有する従来の熱交換器に
比べて著しく小形である。
上記の二次プレートは、拡張金網から形成されること
も、打抜きやエッチングやその他の手段によって穿孔さ
れることも可能である。
以下では、本発明の幾つかの実施例が、添付図面を参
照しながら、非限定的な実施例として説明されるだろ
う。
図1は、本発明による熱交換器の流体フロー流路の一
部分切断した展開斜視図である。
図2は、図1に示した流体フロー流路の二次プレート
の部分的な平面図である。
図2a、図2b、図2cは、それぞれに、図2のA−A、B
−B、C−C線の断面図である。
図3は、図2と一致する平面図であり、図3a、図3b、
図3c、図3dは、二次プレートを通過する4つの流体フロ
ー通路を示す、図3の1−1、2−2、3−3、4−4
線に沿った断面図である。
図4aは、二次プレートの代替形状の平面図である。
図4bは、図4aのF−F線に沿った立面断面図である。
図5aは、二次プレートの更に別の形状の平面図であ
る。
図5bは、図5aのG−G線に沿った立面図である。
図6aは、二次プレートの別の形状の平面図である。
図6bは、図6aのD−D線に沿った立面図である。
図7aは、二次プレートの別の形状の平面図である。
図7bは、図7aのE−E線に沿った立面図である。
図8は、本発明で使用するための二次プレートの平面
図である。
図9aは、本発明で使用するための二次プレートの別の
形状の平面図である。
図9bは、図9aの二次プレートから形成された熱交換器
の一部分の端部図である。
図10a、図10bは、それぞれに本発明の実施例で使用す
るための二次プレートと一次プレートの平面図である。
図11aは、図10aの二次プレートを発展させた平面図で
ある。
図11bは、図10aのF−F線に沿った立面断面図であ
る。
図12は、本発明による熱交換器の一部分切断した斜視
図である。
本発明による熱交換器で使用するための流体フロー流
路(図1)は、2つの無孔の一次プレート10を有する。
これらの一次プレート10の間に、無孔の縁部21を有する
有孔の(孔11を有する)2つ以上の二次プレート12が配
置される。これらの二次プレートは対称的に且つ同一の
形に穿孔され、孔11が互い違いになるように積み重ねら
れる(図2、図2a、図2b、図2cも参照のこと)。その構
造は、図2a、図2b、図2cに示されるように、一次プレー
ト10と二次プレート12とが密着接触するような構造であ
り、2つの一次プレート10の間に伝導通路19(図2a)を
形成するために、この接触を、例えば、その接触点のは
んだ付け又は拡散接合によって強化することも可能であ
る。前記無孔の縁部は、流体の通過を防ぐために互いに
封止され、流体通路の封止縁部を形成する。他方の二次
プレート12と接触していない二次プレート12の区域が、
二次表面22を構成する。
熱交換器の使用時には、図1に示されるような液体フ
ロー流路が、熱交換器の一部を形成し、第1の流体が一
次プレート10と縁部21との間に形成された流体フロー通
路13を通って(矢印14によって示されるように)流れ、
第2の流体がプレート10の外側を流れる。図3、図3a、
図3b、図3c、図3dの15、16、17、18に示されるような、
流体通路13を通過する複数の流体フロー経路があるだろ
う。
図1〜3に示されるように、二次プレート12は平らな
拡張金網から形成される。
本発明の別の形状(図4a、図4b)では、二次プレート
110が、そのプレート内に形成された複数の斜線状の孔1
1を有し、一方、更に別の形状(図5a、図5b)では、二
次プレート120が、そのプレート内に形成された複数の
山形の孔121を有する。更に代りの形状(図6a、図6b)
では、二次プレート20が、そのプレート内に形成された
複数の円形の孔31を有する。
上記の本発明の実施例の全てで、孔11、31、111、121
は(円形孔31の流体フロー流れ方向の対角先端を除い
て)流体フローに対して角度をなす。その結果として、
高度に3次元的であり且つ強力である、局部的な流れ方
向の渦が形成される。こうした渦は境界層を薄くし、非
常に高い熱伝達速度を与える。更に、この渦は、表面要
素の下流に激しい伴流が形成されることを防止する。
更に別の形状の二次プレート40(図7a、図7b)は、そ
のプレート内に形成された正方形又は長方形の孔41の形
の孔を有する。本発明のこの形状では、孔41が流体フロ
ーに沿って配置される。
二次プレート50の1つの形状(図8)は、そのプレー
ト内に形成された孔51と、そのプレートの角に隣接した
区画53を除いて、そのプレートの全周に延びる無孔の縁
部52とを有する。複数の二次プレート50が、無孔の一次
プレート(図示されていない)の間で互いに積み重ねら
れ、管寄せ54が、例えば、縁部のない区間53に接着によ
って固定されて、流体の流入と流出とを可能にする。
本発明の更に別の形状(図9a)では、1つの連続的な
材料シート62が、同一の大きさの有孔の二次プレート60
を幾つか有しており、これらの二次プレート60が無孔部
分61によって隔てられる。その後でシート62が、二次プ
レート60が互いに接触するまで、無孔部分61の中心に沿
って折り畳まれる(第9b参照)。この形状の構造の場合
には、隣接し合うそれぞれの二次プレート60が、互いに
重なり合わない孔を持つべきであることが留意されなけ
ればならない。
この実施例の代りの形状(図示されていない)では、
60で示されるような幾つかの有孔の二次プレートが互い
に隣接して形成され、61のような無孔部分によって隔て
られ、一方、無孔の一次プレートが一定の間隔を置いて
配置される。このシートが折り畳まれると、隣接する一
次プレートは、流体通路を形成するために互いに接合し
た縁部を有している。
本発明に使用するための更に別の形状のプレート(図
10a、図10b)では、孔71と無孔縁部72と2つの組のポー
ト73、74とを有する二次プレート70が形成され、ポート
73は孔71から隔てられ、ポート74は孔71と連結してい
る。一次プレート75も、そのプレート内にポート73、74
を有する。隣り合う一次プレート75の間の二次プレート
70が、孔71と連結するポート73又は74のどちらか一方を
有し、一方、1つのプレート75を共用する別の二次プレ
ート70が、連結されたポートの73又は74の他の一組を有
するように、一連の一次プレート75と二次プレート70と
が順番に積み重ねられ、互いに接着される。従って、一
次プレート75の端部の適切なポートにノズルを接続する
ことによって、2つの流体が、隣接する熱交換器区域を
通過することが可能である。
図10aと図10bに関連して説明されたタイプのプレート
の部分変更例(図11a、図11b)では、縁部部分72内の溝
80が、封止ストリップ81を有する。このようなプレート
(及び、それに対応する一次プレート75)から形成され
る熱交換器は、これらのプレートを互いに締め付けるこ
とによって形成される。このタイプの熱交換器区域の設
計には、プレートの有孔部分が熱接触するように注意が
払われなければならない。このタイプの構造は、例えば
清浄化又は交換のために、プレートの取り外しを容易に
可能にする。
例えば自動車ラジエータとして適した、本発明による
典型的な熱交換器(図12)では、液体フロー管90が、上
記のような多プレート層有孔部分によって置き換えられ
る。
冷却(又は加熱)気体フローは、92に示されるよう
に、液体フローに対して直角方向に前記多層部分を通過
させられる。
本発明を使用する多くの代替方法が可能であることが
理解されるだろう。

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】2つの平行な無孔の一次プレート(10)の
    表面である一次表面によって範囲が画定された流体通路
    (13、15、16、17、18)を含む熱交換器であって、前記
    一次プレートが、前記一次表面の間に、流体通路(13、
    15、16、17、18)に沿って延びる有孔(12)の少なくと
    も2つの二次プレート(12)を有しており、前記各二次
    プレート(12)が平らであり、且つ無孔の縁部(21)を
    有することと、前記少なくとも2つの二次プレート(1
    2)が隣接するプレートの孔(11)が互い違いになるよ
    うに積み重ねられ、熱伝導通路(19)が前記2つの一次
    表面(10)の間に延びて形成されるように互いに隣接す
    る二次プレート(12)と一次プレート(10)とが接触
    し、他の二次プレートと無接触状態にある前記二次プレ
    ート(12)の区域が二次表面(22)を形成し、前記二次
    プレートの前記無孔縁部(21)が結合して流体通路(1
    3、15、16、17、18)の封止縁部を形成することとを特
    徴とする熱交換器。
  2. 【請求項2】互いに積み重ねられた複数の流体通路を有
    することを特徴とする請求項1に記載の熱交換器。
  3. 【請求項3】互いに積み重ねられた隣接する流体通路を
    流れる2つの流体フローが、互いに平行であることを特
    徴とする請求項2に記載の熱交換器。
  4. 【請求項4】互いに積み重ねられた隣接する流体通路を
    流れる2つの流体フローが、互いに垂直であることを特
    徴とする請求項2に記載の熱交換器。
  5. 【請求項5】前記二次プレート(12)が。平らな拡張金
    網から形成されることを特徴とする請求項1から4のい
    ずれか一項に記載の熱交換器。
  6. 【請求項6】前記二次プレート(12)が、打抜きによっ
    て形成されることを特徴とする請求項1から4のいずれ
    か一項に記載の熱交換器。
  7. 【請求項7】前記二次プレート(12)が、エッチングに
    よって形成されることを特徴とする請求項1から4のい
    ずれか一項に記載の熱交換器。
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