JP3054888U - プレートフィン型熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ヘッダ部の熱応力を低減して耐久性を高め
ることができ、ヘッダ部を薄肉にしても、高圧流体の
圧力に耐えることができ、これにより、熱交換器全体の
軽量化が可能であり、斜流路部の圧損を低減してコア
における流速分布の均一化ができ、フィンの加工性を
高めてコストダウンを図ることができるプレートフィン
型熱交換器を提供する。 【解決手段】 高圧側コンポーネント１０が、２枚の隔
離板１２とその間のコア部１４ａと斜流路部１４ｂとか
らなり、ヘッダ部１２ａが斜流路部に設けられている。
隔離板１２の外周部１２ｂとヘッダ部１２ａが相互に接
合され、ヘッダ部内部にヘッダ管１６が挿入されてい
る。また、低圧側コンポーネント１０は、高圧側コンポ
ーネントの隔離板１２の間に挟持されたコア部２４ａと
斜流路部２４ｂとからなり、斜流路部は外部に連通して
いる。斜流路部は、コア部よりもフィン幅が広く、かつ
断面形状が台形のストレートフィンで構成されている。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【考案の属する技術分野】

本考案は、高圧の低温空気を常圧の高温ガスが加熱するプレートフィン型熱交 換器に関する。

【０００２】

【従来の技術】

プレートフィン型熱交換器は、基本的には空気流路を形成するフィン部と高温 側流路部とが交互に積層された構造を有しおり、熱交換器コアの単位体積あたり の伝熱面積が大きく、コンパクト化である特徴を有している。

【０００３】 図９は、従来のプレートフィン型熱交換器の構造を示している。（ａ）のバー ・アンド・プレート方式は、最も基本的な構造であり、航空機用に広く用いられ ている。また、（ｂ）のドローン・カップ方式は、ヘッダ部分をプレートと一体 でカップ状に成形して管路を形成するものであり、一部の自動車用熱交換器に用 いられている。（ｃ）のフォームド・プレート・フィン方式は、成形した板を管 路に用いるものであり、自動車用ラジエータ等に用いられている。更に（ｄ）の チューブ・アンド・フィン方式も、（ｃ）の方式と同様の構成のものである。

【０００４】

【考案が解決しようとする課題】

上述した従来のプレートフィン型熱交換器では、図９の各方式からもわかるよ うに、低温流体と高温流体が互いに直交して流れるようになっていた。そのため 、構造的には簡単であるが、伝熱部（熱交換器コア）の熱応力が大きくなりやす く、かつ伝熱面積を大きくするためにはヘッダ部を多数設ける必要がある問題点 があった。

【０００５】 更に、この問題点を解決するために、図１０に模式的に示すヘッダ付きのプレ ートフィン型熱交換器が提案され、一部で実施されていた。この図において、１ ，２はヘッダ、３ａ，３ｂは斜流路部、４はコア部、５，６は低圧高温流体（高 温ガス）の流入／流出口、７は高圧低温流体（低温空気）、８は低圧高温流体（ 高温ガス）である。 この図に示すように、熱交換器のコア部４を隔壁を隔てたフィンで互いに平行 （対向流又は並行流）に構成し、コア部の入口側及び出口側に斜流路部３ａ，３ ｂを設け、高圧流体７をヘッダ１を介して供給し、低圧流体８をヘッダなしで斜 流路部及びコア部に流すようになっている。

【０００６】 かかる構成により、コア部４における低温流体と高温流体の流れを平行流にし てコア部の熱応力を低減することができ、かつヘッダからの流れを斜流路部３ａ を介してコア部に分散供給できるので、コア部の流路面積が大きい場合でも、ヘ ッダ部の必要数を少なく（例えば１組に）できる。 しかし、この構成では、ヘッダが熱交換器の外部にあるため部分的に加熱又は 冷却されやすく、大きな熱応力がヘッダ部に発生し、耐久性が低下する問題点が あった。また、高圧流体７の圧力がヘッダ１に直接作用するため、ヘッダ１を厚 肉にする必要があり、ヘッダ部を含む熱交換器全体の重量が大きく（重く）なる 問題点があった。 更に、従来のプレートフィン型熱交換器では、ヘッダ部の強度不足を補うため に、斜流路部３ａ，３ｂのフィン幅を狭く（少なくともコア部と同等以下に）し ていた。そのため、斜流路部３ａ，３ｂの圧損が大きくなり、コア部における流 速分布が不均一になる問題点があった。 更にまた、この斜流路部３ａ，３ｂのフィン強度を高めるために矩形フィンで 構成していたため、加工が困難であり、熱交換器全体のコストアップの要因にな っていた。

【０００７】 本考案は、上述した種々の問題点を解決するために創案されたものである。す なわち、本考案の目的は、ヘッダ部の熱応力を低減して耐久性を高めることが でき、ヘッダ部を薄肉にしても、高圧流体の圧力に耐えることができ、これに より、熱交換器全体の軽量化が可能であり、斜流路部の圧損を低減してコアに おける流速分布の均一化ができ、フィンの加工性を高めてコストダウンを図る ことができるプレートフィン型熱交換器を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】

本考案によれば、高圧流体が流れる高圧側コンポーネント（１０）と低圧流体 が流れる低圧側コンポーネント（２０）とが交互に積層されたプレートフィン型 熱交換器であって、高圧側コンポーネントは、２枚の隔離板（１２）とその間に 挟持されたコア部（１４ａ）と斜流路部（１４ｂ）とからなり、高圧流体用のヘ ッダ部（１２ａ）が斜流路部に設けられ、２枚の隔離板の外周部（１２ｂ）が気 密に接合され、かつ隣接する高圧側コンポーネントのヘッダ部（１２ａ）が相互 に接合され、かつヘッダ部内部に高圧流体用のヘッダ管（１６）が挿入されてお り、低圧側コンポーネントは、高圧側コンポーネントの隣接する隔離板（１２） の間に挟持されたコア部（２４ａ）と斜流路部（２４ｂ）とからなり、該斜流路 部は外部に連通している、ことを特徴とするプレートフィン型熱交換器が提供さ れる。

【０００９】 上記本考案の構成によれば、ヘッダ部（１２ａ）を斜流路部（１４ｂ）に設け たので、外気によるヘッダの部分的加熱又は冷却がほとんどなく、ヘッダ部を斜 流路部の温度に近づけることができ、熱応力を低減し耐久性を高めることができ る。 また、２枚の隔離板の外周部（１２ｂ）が気密に接合され、かつヘッダ部（１ ２ａ）が隣接する別のヘッダ部（１２ａ）に接合されることにより、２枚の隔離 板の間に平板状の気密空間が形成されている。この気密空間は、２枚の隔離板と その間に挟持されたコア部（１４ａ）と斜流路部（１４ｂ）とがロー付け等で強 固に接合されているので、薄い肉厚で高い内圧に耐えることができる。更に、高 圧流体用のヘッダ管（１６）は、ヘッダ部内部に挿入されているので、ヘッダ管 自体には高圧流体の圧力が作用せず、熱交換器の自重（例えば２００ｋｇ前後） を吊り下げるだけの比較的薄い肉厚にすることができる。従って、ヘッダ部全体 を薄肉にしても、高圧流体の圧力に耐えることができ、これにより、熱交換器全 体の軽量化が可能となる。

【００１０】 本考案の好ましい実施形態によれば、前記斜流路部（１４ｂ，２４ｂ）は、コ ア部（１４ａ，２４ａ）よりもフィン幅が広いストレートフィンで構成されてい る。また、前記斜流路部（１４ｂ，２４ｂ）は、断面形状が台形のストレートフ ィンで構成されている。更に、前記斜流路部（１４ｂ，２４ｂ）は、コア部（１ ４ａ，２４ａ）よりもフィン幅が広く、かつ断面形状が台形のストレートフィン で構成してもよい。 上述したように、ヘッダ部（１２ａ）を斜流路部（１４ｂ）に設けたことによ り、ヘッダ部が薄肉のまま十分な強度を有するので、斜流路部（１４ｂ，２４ｂ ）でその強度を補う必要がない。従って、斜流路部（１４ｂ，２４ｂ）にコア部 （１４ａ，２４ａ）よりもフィン幅が広いストレートフィンを用いることにより 、斜流路部の圧損を低減し、コア部における流速分布を均一化することができる 。更にまた、この斜流路部のフィン強度を下げることができるので、矩形フィン の代わりに台形フィンを用いることにより、加工コストの高いワイヤカットにお いて複数枚を重ね切りすることができ、コストダウンを図ることができる。

【００１１】

【考案の実施の形態】

以下、本考案の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図にお いて、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。 図１（Ａ）は、本考案のプレートフィン型熱交換器の第１実施形態を示す斜視 図である。この図に示すように、本考案のプレートフィン型熱交換器は、高圧流 体（この図で高圧空気）が流れる高圧側コンポーネント１０と、低圧流体（この 図で常圧の燃焼ガス）が流れる低圧側コンポーネント２０と、から構成される。 すなわち、このプレートフィン型熱交換器は、高圧側コンポーネント１０と低圧 側コンポーネント２０とが交互に積層されている。

【００１２】 また、図１（Ｂ）に示すように、本考案のプレートフィン型熱交換器のコア部 １４ａ，２４ａには、一定ピッチでオフセットしているオフセットフィンが用い られている。このオフセットフィンは、断続面フィンの１種であり、流れの境界 面が積極的に寸断されるため、熱伝達率が高い特徴がある。従って、かかるオフ セットフィンを用いることにより、コア部１４ａ，２４ａにおける熱交換率を高 めることができる。

【００１３】 図２は、図１のプレートフィン型熱交換器の部分平面図であり、（Ａ）は高圧 側コンポーネント１０、（Ｂ）は低圧側コンポーネント２０を示している。また 、図３は、図２（Ａ）のＡ−Ａ線における断面図であり、一部の部品を分離して 示している。 図２及び図３に示すように、高圧側コンポーネント１０は、２枚の隔離板１２ と、その間に挟持されたコア部１４ａと斜流路部１４ｂとからなる。また、低圧 側コンポーネント２０は、高圧側コンポーネント１０の隣接する隔離板１２の間 に挟持され、高圧側と同様にコア部２４ａと斜流路部２４ｂで構成されている。 なお、低圧側の斜流路部２４ｂは、外部にそのまま連通している。 図２において、コア部１４ａ，２４ａは前述したオフセットフィンで構成され ている。また、斜流路部１４ｂ，２４ｂは、図４（Ａ）に模式的に示すように、 コア部よりもフィン幅が広いストレートフィンで構成されている。また、この斜 流路部１４ｂ，２４ｂは、断面形状が台形のストレートフィンで構成されている 。 従って、斜流路部１４ｂ，２４ｂにコア部１４ａ，２４ａよりもフィン幅が広 いストレートフィンを用いることにより、斜流路部１４ｂ，２４ｂの圧損を低減 し、コア部１４ａ，２４ａにおける流速分布を均一化することができる。更にま た、従来の矩形フィンの代わりに台形フィンを用いることにより、図４（Ｂ）に 模式的に示すように、加工コストの高いワイヤカットにおいて複数枚を重ね切り することができ、コストダウンを図ることができる。

【００１４】 また、図２及び図３に示すように、高圧流体用のヘッダ部１２ａが斜流路部に 設けられている。このヘッダ部１２ａは、斜流路部に位置する２枚の隔離板１２ の一部を外方（図３で上下方向）にプレス等で押し出し成形されている。更に、 図３に示すように、２枚の隔離板の外周部１２ｂが溶接等で気密に接合され、か つ隣接する高圧側コンポーネント１０のヘッダ部１２ａの内端面が溶接等で相互 に接合されている。この接合は、ＴＩＧ，レーザ等による溶接の他、ロー付け等 であってもよい。この構成により、２枚の隔離板１２の間にヘッダ部１２ａと外 周部１２ｂで連結された複数の平板状の気密空間が形成される。

【００１５】 更に、２枚の隔離板１２とその間に位置するコア部１４ａ及び斜流路部１４ｂ とは、炉内ロー付け等により一体に接合されている。この構成により、２枚の隔 離板１２がコア部１４ａ及び斜流路部１４ｂのフィンにより狭いピッチで接合さ れるので、２枚の隔離板１２、及びコア部１４ａ及び斜流路部１４ｂに薄い材料 を用いた場合でも、高い内圧（例えば１０ａｔａ以上）に耐えることができる。 なお、低圧側コンポーネント２０のコア部２４ａと斜流路部２４ｂも、炉内ロー 付け等により一体に接合するのがよい。これにより、プレートフィン型熱交換器 全体を一体化でき、よう強度を高めることができる。

【００１６】 図２及び図３に示すように、本考案のプレートフィン型熱交換器では、更に、 ヘッダ部１２ａの内部に高圧流体用のヘッダ管１６が挿入されている。このヘッ ダ管１６の周囲には複数の貫通穴が設けられ、高圧流体７（例えば高圧低温空気 ）を貫通穴を通して複数の高圧側コンポーネント１０にそれぞれ供給し、かつ排 出するようになっている。 貫通穴の形状は、好ましくは軸方向に長いスリット穴であるのがよい。かかる スリット穴にすることにより、ヘッダ管１６に作用する軸方向力を容易に支持す ることができる。なお、図３では、プレートフィン型熱交換器の中間部分を示し ているが、図示しない端部において、ヘッダ管１６の一方を盲板で塞ぎ、かつこ のヘッダ管１６を高圧側コンポーネント１０に連結するのがよい。かかる構成に より、高圧流体用のヘッダ管１６は、ヘッダ部内部に挿入されているので、ヘッ ダ管自体には高圧流体の圧力が作用せず、熱交換器の自重（例えば２００ｋｇ前 後）を吊り下げるだけの比較的薄い肉厚にすることができる。従って、ヘッダ部 全体を薄肉にしても、高圧流体の圧力に耐えることができ、これにより、熱交換 器全体の軽量化が可能となる。

【００１７】 図５は、図１のコア部と斜流路部の構成図である。上述したように、高圧側コ ンポーネント１０は、図示しない２枚の隔離板１２の間に平板状の気密空間が形 成されており、ヘッダ管１６からヘッダ部の斜流路部１４ｂを介して高圧流体を 供給し、コア部１４ａで熱交換し、再度斜流路部１４ｂを介してヘッダ管１６か ら排出される。 一方、低圧側の斜流路部２４ｂは外部にそのまま連通しているので、外部から 低圧流体８を斜流路部２４ｂに流入させ、コア部２４ａで高圧側のコア部１４ａ と熱交換し、再度斜流路部２４ｂを介して外部に排出することができる。なお、 低圧流体８は、例えばガスタービンの高温排ガスであり、常圧又は常圧に近い低 圧であるのがよい。

【００１８】 図６は、本考案のプレートフィン型熱交換器の第２実施形態を示す斜視図であ り、図７は、図６の部分分解図である。また、図８は、図６のプレートフィン型 熱交換器の説明図である。 上述した第１実施形態では、高圧流体７用のヘッダ部１２ａ及びヘッダ管１６ が斜流路部に設けられていたが、隔離板１２、斜流路部は、互いに対称ではなか った。また、特にヘッダ部１２ａ及びヘッダ管１６は斜流路部の一方に寄って位 置し、斜流路部における流れがスムースになるようになっていた。 これに対して、図６乃至図８の第２実施形態では、隔離板及び斜流路部が対称 形に形成されており、より熱応力を下げ、かつ製作部品の共通化が図りやすくコ ストダウンが可能になっている。なお、その他の構成は、第１実施形態と同様で ある。

【００１９】 なお、本考案は上述した実施形態に限定されず、本考案の要旨を逸脱しない範 囲で種々変更できることは勿論である。

【００２０】

【考案の効果】

上述した本考案のプレートフィン型熱交換器によれば、ヘッダ部を斜流路部に 設けたので、外気によるヘッダの部分的加熱又は冷却がほとんどなく、ヘッダ部 を斜流路部の温度に近づけることができ、熱応力を低減し耐久性を高めることが できる。 また、２枚の隔離板の間に平板状の気密空間が形成され、この気密空間が薄い 肉厚で高い内圧に耐えることができ、更に、高圧流体用のヘッダ管が、ヘッダ部 内部に挿入されているので、ヘッダ管自体には高圧流体の圧力が作用せず、熱交 換器の自重（例えば２００ｋｇ前後）を吊り下げるだけの比較的薄い肉厚にする ことができる。従って、ヘッダ部全体を薄肉にしても、高圧流体の圧力に耐える ことができ、これにより、熱交換器全体の軽量化が可能となる。

【００２１】 更に、ヘッダ部が薄肉のまま十分な強度を有するので、斜流路部でその強度を 補う必要がなく、斜流路部にコア部よりもフィン幅が広いストレートフィンを用 いることにより、斜流路部の圧損を低減し、コア部における流速分布を均一化す ることができる。更にまた、この斜流路部のフィン強度を下げることができるの で、矩形フィンの代わりに台形フィンを用いることにより、加工コストの高いワ イヤカットにおいて複数枚を重ね切りすることができ、コストダウンを図ること ができる。

【００２２】 従って、本考案のプレートフィン型熱交換器は、ヘッダ部の熱応力を低減し て耐久性を高めることができ、ヘッダ部を薄肉にしても、高圧流体の圧力に耐 えることができ、これにより、熱交換器全体の軽量化が可能であり、斜流路部 の圧損を低減してコアにおける流速分布の均一化ができ、フィンの加工性を高 めてコストダウンを図ることができる、等の優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案のプレートフィン型熱交換器の第１実施
形態を示す斜視図である。

【図２】図１のプレートフィン型熱交換器の部分平面図
である。

【図３】図２のＡ−Ａ線における断面図である。

【図４】斜流路部１４ｂ，２４ｂのフィン形状を示す図
である。

【図５】図１のコア部と斜流路部の構成図である。

【図６】本考案のプレートフィン型熱交換器の第２実施
形態を示す斜視図である。

【図７】図６の部分分解図である。

【図８】図６のプレートフィン型熱交換器の説明図であ
る。

【図９】従来のプレートフィン型熱交換器の模式図であ
る。

【図１０】従来のヘッダ付きのプレートフィン型熱交換
器の構成図である。

【符号の説明】

１，２ ヘッダ ３ａ，３ｂ 斜流路部 ４ コア部 ５，６ 低圧高温流体（高温ガス）の流入／流出口 ７ 高圧低温流体（低温空気） ８ 低圧高温流体（高温ガス） １０ 高圧側コンポーネント １２ 隔離板 １２ａ ヘッダ部 １２ｂ 外周部 １４ａ コア部 １４ｂ 斜流路部 １６ ヘッダ管 １６ａ 高圧管 １６ｂ 盲部材 ２０ 低圧側コンポーネント ２４ａ コア部 ２４ｂ 斜流路部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者 伊藤 勝規 神奈川県横浜市磯子区新中原町１番地 石 川島播磨重業株式会社 技術研究所内 (72)考案者 芳村 幸宏 神奈川県横浜市磯子区新中原町１番地 石 川島播磨重業株式会社 技術研究所内

Claims (4)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 高圧流体が流れる高圧側コンポーネント
   （１０）と低圧流体が流れる低圧側コンポーネント（２
   ０）とが交互に積層されたプレートフィン型熱交換器で
   あって、 高圧側コンポーネントは、２枚の隔離板（１２）とその
   間に挟持されたコア部（１４ａ）と斜流路部（１４ｂ）
   とからなり、高圧流体用のヘッダ部（１２ａ）が斜流路
   部に設けられ、 ２枚の隔離板の外周部（１２ｂ）が気密に接合され、か
   つ隣接する高圧側コンポーネントのヘッダ部（１２ａ）
   が相互に接合され、かつヘッダ部内部に高圧流体用のヘ
   ッダ管（１６）が挿入されており、 低圧側コンポーネントは、高圧側コンポーネントの隣接
   する隔離板（１２）の間に挟持されたコア部（２４ａ）
   と斜流路部（２４ｂ）とからなり、該斜流路部は外部に
   連通している、ことを特徴とするプレートフィン型熱交
   換器。
2. 【請求項２】 前記斜流路部（１４ｂ，２４ｂ）は、コ
   ア部（１４ａ，２４ａ）よりもフィン幅が広いストレー
   トフィンで構成されている、ことを特徴とする請求項１
   に記載のプレートフィン型熱交換器。
3. 【請求項３】 前記斜流路部（１４ｂ，２４ｂ）は、断
   面形状が台形のストレートフィンで構成されている、こ
   とを特徴とする請求項１に記載のプレートフィン型熱交
   換器。
4. 【請求項４】 前記斜流路部（１４ｂ，２４ｂ）は、コ
   ア部（１４ａ，２４ａ）よりもフィン幅が広く、かつ断
   面形状が台形のストレートフィンで構成されている、こ
   とを特徴とする請求項１に記載のプレートフィン型熱交
   換器。