JP3764703B2 - 熱交換器 - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、分散電源用改質器などに利用する熱交換器に関し、特に、熱交換器をモジュール化し、交換熱量、流量、圧力損失、サイズなどに対応させて組み合わせることにより、それぞれの仕様に応じて容易に、安価に製造できるようにした熱交換器に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
内部流における層流熱伝達率は、流路断面寸法が小さくなると増大することが知られている。また、流路断面寸法が小さくなると単位面積あたりの熱交換に供することができる表面積も増大する。この熱伝達率の増大と熱交換表面積の増大により熱交換器の性能を大きく向上させることができる。従ってマイクロチャネルのような流路断面寸法が小さな熱交換器を利用すると、例えば分散電源用改質器における熱交換器や、半導体素子冷却用のヒートシンク、あるいは空調機器における熱交換器などを小型、かつ高性能に作成することが可能となる。
【0003】
そのため例えば特開平2000−249486号公報には、図11に示したように、高温用流路プレート110と低温用流路プレート111における流路112、113が互いに直交するよう打ち抜きで作成し、互いの流路プレート110、111間に隔壁プレート114を挟んで積層した積層式熱交換器が示されている。
【0004】
また特開平2000−161889号公報には、図12に示したように、第1の流路プレート120に高温用流路121を、第2の流路プレート122に低温用流路123をそれぞれ略U字状の折り返し形状で形成し、互いの流路プレート120、122間に隔壁プレート124を挟んで積層した積層式熱交換器が示されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらこれら特開平2000−249486号公報、特開平2000−161889号公報に示された装置は、いずれも熱交換器における交換熱量、流量、圧力損失、サイズなどの仕様を決めてから熱交換器に使用するプレートのサイズ、流路形状、ヘッダー形状などを決定し、流体の供給、排出口を取り付けて熱交換器を構成していた。そのため、例えば多数の熱交換器で構成される分散電源用改質器などにおいては、装置ごとに熱交換器のサイズなどを決定するため、貫通孔を形成するための打ち抜き用の型が多数必要となってコスト高になり、また、使用している熱交換器の熱交換性能をアップさせたい場合などは、再度新たな熱交換器を製作する必要があった。
【0006】
そのため本発明においては、熱交換効率が高く、交換熱量、流量、圧力損失、サイズなどの仕様に応じて容易に、安価に製造できるようにした熱交換器を提供することが課題である。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため請求項1に記載した発明は、
流体用流路プレートと、該流体用流路プレートの流路へ流体の供給又は排出を行うヘッダープレートと、前記流体用流路プレートに流路を形成させる中間プレートとを積層すると共に、前記ヘッダープレートのヘッダー貫通孔へ流体を供給又は排出する貫通孔を各プレートに形成した積層流路ユニットを有する熱交換器において、
前記積層流路ユニットを高温流体用と低温流体用とに用意して交互に複数積層してモジュールを構成し、該モジュール端部に、前記積層流路ユニットの貫通孔への流体供給口又は排出口を兼ねた連結機構を設け、前記モジュール側部に、前記貫通孔に繋がる側部孔を設け、連結機構方向と側部孔方向へ複数モジュールを組み合わせて構成したことを特徴とする。
【0008】
このように、積層流路ユニットを複数積層して構成したモジュールの端部に連結機構を設けてモジュールを連結し、さらにモジュールの側部に、貫通孔と繋げた側部孔を設けて側部孔方向へもモジュールを連結して熱交換器を構成することによって、モジュールを連結して熱交換器を構成することによって、交換熱量、流量、圧力損失、サイズなどの仕様に応じた熱交換器を容易に、安価に形成でき、さらに、熱交換器性能をアップしたい場合など、熱交換器モジュールを追加することによって簡単に性能アップが可能となる。また、設置場所の形状が限定されている場合なども、その設置場所に合った形状を熱交換器モジュールの組み合わせによって得ることができるというメリットもある。
【0011】
そして請求項2に記載した発明は、
前記連結機構方向と側部孔方向へ複数モジュールを組み合わせて構成した熱交換器における端部の各モジュールの高温流体供給口同士と排出口同士、低温流体供給口同士と排出口同士をそれぞれ結合して流体の供給又は排出を行う集合管を有する集合管ヘッダーを設けたことを特徴とする。
【0012】
このように、熱交換器の端部の各モジュールにおける流体供給口同士をそれぞれ結合して流体の供給又は排出を行う集合管を有する集合管ヘッダーを設けることにより、複数に分離した流体を一つの集合管で分配供給もしくは集積してからの排出が可能となるため、熱交換器コストが低くなる。また、複数の集合管をつなぐことにより、流体の圧力損失を増加させることなく任意形状の熱交換器を構成できる。
【0013】
また請求項3に記載した発明は、
前記高温流体用と低温流体用とに用意した積層流路ユニットのヘッダープレートにおけるヘッダー貫通孔は、各プレートに設けた高温流体と低温流体を供給又は排出する、異なった貫通孔から高温流体と低温流体を別個に受け取れるように形成したことを特徴とする。
【0014】
このように積層流路ユニットのヘッダープレートにおけるヘッダー貫通孔を、高温流体用と低温流体用とで異なった貫通孔から流体を受け取れるようにすることにより、各流体用流路プレート毎に異なった流体を確実に供給、排出することができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を例示的に詳しく説明する。但し、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りはこの発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【0016】
図1は本発明になる熱交換器のモジュールを構成する積層流路ユニットの一実施形態を示した概略構成図、図2は本発明になる熱交換器を構成するモジュールの第1実施形態の概略構成図、図3は本発明になる熱交換器を構成する第1実施形態の最下端モジュールの概略構成図、図4は本発明になる熱交換器を第1実施形態のモジュールの連結で構成した場合の概略構成図、図5は本発明になる熱交換器を構成するモジュールの第2実施形態の概略構成図、図6は本発明になる熱交換器を構成する第2実施形態の最下端モジュールの概略構成図、図7は本発明になる熱交換器を第2実施形態のモジュールを組み合わせて連結して構成した場合の概略構成図、図8は第2実施形態のモジュールの連結で構成した熱交換器上端に設けた流体の供給又は排出を行う集合管を有する集合管ヘッダーの構成の一例を示した図、図9は同じく第2実施形態のモジュールの連結で構成した熱交換器下端に設けた流体の供給又は排出を行う集合管を有する集合管ヘッダーの構成の一例を示した図である。
【0017】
図中1は端部プレート、2は中間プレート、3、5はヘッダープレート、4は流体用流路プレート、6は端部プレート1上に設けられて高温又は低温流体の供給口又は排出口を兼ねると共に、端部プレート1、中間プレート2、ヘッダープレート3、5、流体用流路プレート4などを積層して構成した積層流路ユニットをさらに積層して図2に示したモジュールを構成したとき、互いのモジュールを連結するための連結機構、7は連結機構6から供給された流体をヘッダープレート3、5に設けられたヘッダー用貫通孔8、10に供給又は排出するための貫通孔、9は流体用流路プレート4に形成された流路、図2における20は前記端部プレート1、中間プレート2、ヘッダープレート3、5、流体用流路プレート4などを積層して構成した積層流路ユニットをさらに積層したモジュール、21は別のモジュール20の上端に設けた連結機構6を差し込む下端側の連結機構、図3における30は最下端のモジュールで、31はこの最下端のモジュール30の下側に設けた高温又は低温流体の供給口又は排出口としての供給/排出管、図5に示した50は前記図1に示したモジュール20の側部にモジュール内の貫通孔7と繋げた側部孔51を設けたモジュール、図6における60は前記図2に示したモジュール30の側部にモジュール内の貫通孔7と繋げた側部孔61を設けたモジュール、図8、図9における80、81、90、91は流体の供給又は排出を行う集合管で、これら集合管は集合管ヘッダー82、92に設けられる。
【0018】
本発明における熱交換器は、図1に示したように貫通孔7、ヘッダー用貫通孔8、10、流体用流路9などを打ち抜きで形成した中間プレート2、ヘッダープレート3、5、流体用流路プレート4を積層して積層流路ユニットを構成し、さらにこの積層流路ユニットを高温流体用と低温流体用とに用意して積層して第1実施形態の図2においては20で、図3においては30で示したようにモジュール化する。そして、このモジュール20、30の上端部には、高温又は低温流体の供給口又は排出口を兼ねると共に他のモジュールの連結機構への差込口となる連結機構6を有する端部プレート1を配し、下端部には、図2のモジュール20においては高温又は低温流体の供給口又は排出口を兼ねると共に他のモジュールにおける連結機構6の受け口となる連結機構21を、図3のモジュール30においては同じく高温又は低温流体の供給口又は排出口となる供給/排出管31を設ける。そして図4に示したように、複数のモジュール201、202、30を、連結機構211と62、及び212と63で連結し一体化して熱交換器としたものである。
【0019】
このように構成した熱交換器において、図4に示した各モジュール201、202、30の内部においては、例えば図1に示した41を高温流体用流路プレート、42を低温流体用流路プレートとした場合、端部プレート1の連結機構を兼ねた高温流体の供給口61から高温流体を供給すると、その高温流体は各プレートの貫通孔71からヘッダープレート3のヘッダー用貫通孔81に供給され、高温流体用流路プレート41の流路9を通り、ヘッダープレート3のヘッダー用貫通孔82、貫通孔72を通って高温流体の排出口62から排出される。一方低温流体は、端部プレート1の連結機構を兼ねた低温流体の供給口63から低温流体を供給すると、その低温流体は各プレートの貫通孔73からヘッダープレート5のヘッダー用貫通孔101に供給され、低温流体用流路プレート42の流路9を通り、ヘッダープレート5のヘッダー用貫通孔102、貫通孔74を通って低温流体の排出口64から排出される。
【0020】
そして、高温流体用流路プレート41を流れる高温流体と低温流体用流路プレート42を流れる低温流体との間で熱交換が行われるわけであるが、各モジュール201、202、30間の連結機構211、62、212、63を通してこれらの高温流体と低温流体は各モジュール201、202、30にも供給されるから、全く同じようにして各モジュール201、202、30の内部に設けた積層流路ユニットで熱交換が行われる。そのため、熱交換が非常に効率的に行われ、かつ、交換熱量、流量、圧力損失、サイズなどの仕様に応じてモジュールを組み合わせることにより、必要な仕様に対応した熱交換器を容易に、安価に形成でき、さらに、熱交換器性能をアップしたい場合など、モジュールを追加することによって簡単に性能アップが可能となる。
【0021】
以上が本発明になる第1実施形態の熱交換器の構成であるが、次いで図5乃至図9に示した第2実施形態の熱交換器に付いて説明する。この第2実施形態の熱交換器は図5、図6に示したように、前記図2、図3に示したモジュール20、30の側部にモジュールの各プレートに設けた貫通孔7と繋がるように51、61で示した側部孔を設け、図7に示したように、図5に示した50で示したモジュールを上段に、図2に示した20のモジュールを中段に、図6に60で示したモジュールを下段に配して組み合わせて連結したものである。
【0022】
そしてこの第2実施形態においては、上段に用いるモジュール50と中段に用いるモジュール60における側部孔51、61は、その配置位置によって設ける位置が異なってくる。すなわち図7に示したように、図5に示したモジュール501、502、503を上段に、図6に示したモジュール601、602、603を下段に、図2に示した20のモジュールを中段にそれぞれ1つずつ配した場合、501、601のモジュールにおける側部孔51、61は、501のモジュールが図5における511〜514を、601のモジュールが図6における611〜614を配し、右側に配した502、602のモジュールにおける側部孔51、61は、502のモジュールが図5における513、514を、602のモジュールが図6における613〜614を配し、左側に配した503、603のモジュールにおける側部孔51、61は、503のモジュールが図5における511、512を、603のモジュールが図6における611〜612を配することになる。
【0023】
そして、例えば図5に示したモジュール50と図6に示したモジュール60を縦横に配す場合はさらに、図5、図6に示したように全ての側部孔511〜518、611〜618を配したモジュールと、例えば501〜506、601〜606を配したモジュール、501、502、505、506、601、502、605、606を配したモジュールと夫々3種類のモジュールを用意することになる。すなわちモジュール50、60を上段と下段に1列ずつ配した場合は夫々2種類のモジュールを用意し、縦横に立体的に配した場合は3種類のモジュールを用意することで、どのような構成の熱交換器をも構成できることになる。
【0024】
そしてこのようにモジュールを縦横に立体的に配した場合、上段と下段に配したモジュールの高温流体と低温流体の供給口と排出口6と31が、それぞれモジュールの数だけ生じることになり、それぞれの供給口と排出口への流体の供給と排出が非常に煩雑になる。そのため、それを解消するために設けたのが図8、図9に示した82、92の集合管ヘッダーである。
【0025】
この図8、図9に示した集合間ヘッダー82、92は、図5に示したモジュール50を上段に9つ、図6に示したモジュール6を下段に9つ配した場合を1例に示したもので、それぞれにおける高温又は低温流体の供給口又は排出口を兼ねた連結機構6、31に結合して用いられる。それぞれの流体の供給口又は排出口との対応はそれぞれの図の下に示し、今流体Aを高温流体、流体Bを低温流体とすると、図8の集合管80は高温流体の供給集合管に、集合管81は低温流体の排出集合管に、図9の集合管90は低温流体の供給集合管に、集合管91は高温流体の排出集合管になる。
【0026】
そしてそれぞれのモジュールは、前記したようにその配置位置によって側部孔51を設ける位置が異なり、例えばモジュール501、601はそれぞれ全ての側部孔511〜518、611〜618が設けられ、角のモジュール504、506、507、509、604、606、607、609においては例えば511、512、515、516、611、612、615、616が、中間のモジュール502、503、505、508、602、603、605、608においては例えば511〜516、611〜616が配される。
【0027】
そのためこの集合管ヘッダー82、92を用いると、高温流体供給用集合管801によってモジュール501〜506のモジュールに高温流体が供給され、高温流体供給用集合管802によってモジュール507〜509のモジュールに高温流体が供給される。また、低温流体排出用集合管811によってモジュール504〜506のモジュールの低温流体が排出され、低温流体供給用集合管812によってモジュール501〜503、507〜509のモジュールの低温流体が排出される。そして同様に低温流体供給用集合管901によってモジュール601〜606のモジュールに低温流体が供給され、低温流体供給用集合管902によってモジュール607〜609のモジュールに低温流体が供給される。また、高温流体排出用集合管911によってモジュール604〜606のモジュールの高温流体が排出され、高温流体供給用集合管912によってモジュール601〜603、607〜609のモジュールの高温流体が排出される。
【0028】
以上が本発明になる第2実施形態の熱交換器における集合管ヘッダーの構成であるが、モジュールの組み合わせは図8、図9に示した9つの場合に限らず、もっと多くのモジュールを組み合わせた場合や少ないモジュールで構成した場合も同様に集合管を配することにより、少ない供給/排出管によって流体の供給、排出が可能であり、熱交換器コストが低くできると共に、複数の集合管をつなぐことにより、流体の圧力損失を増加させることなく任意形状の熱交換器を構成できる。
【0029】
なお、前記した図1における積層流路ユニットを構成する流体用流路プレート4を打ち抜きで構成し、ヘッダープレート3、5と中間プレート2によって流路9を構成すると説明したが、この流路9は打ち抜きだけでなく、例えば図10に示したように、平板100、101に流体流路102、103を切削加工、加圧成型、エッチングなどで形成したものを用いても良い。この場合、平板100上の流路102の上面に中間プレートをおいて流体流路102を形成するようにすればよいから、それだけ熱効率がよいものが得られる。
【0030】
又以上の説明では、図1に示した流体用流路プレート4における流路9を3つで示し、積層流路ユニットを2つ積層した場合を示したが、流路9の数はいくつでも良く、また積層流路ユニットもいくつ積層しても良い。さらに以上の説明では、本発明を単に熱交換器として説明してきたが、例えば図1に示した高温流体用流路プレート41の流路9に燃焼触媒を、低温流体用流路プレート42の流路9に改質触媒を設け、高温流体用流路プレート41に燃焼ガスを送り込んで燃焼触媒で燃焼させ、低温流体用流路プレート42に原料ガスを送り込んで改質触媒で改質させる改質反応装置などに応用できることも自明である。この場合各モジュールを、改質反応装置、改質させるガスなどに混入する水蒸気の発生装置、熱の回収装置、改質で生じたCOガスの燃焼装置など用いて一体型とした改質器システムとすることも可能である。また、半導体素子冷却用のヒートシンク、あるいは空調機器における熱交換器などに利用しても良い。
【0031】
【発明の効果】
以上記載の如く請求項1に記載した本発明によれば、積層流路ユニットを複数積層して構成したモジュールの端部に連結機構を設けてモジュールを連結し、さらにモジュールの側部に、貫通孔と繋げた側部孔を設けて側部孔方向へもモジュールを連結して熱交換器を構成することによって、交換熱量、流量、圧力損失、サイズなどの仕様に応じた熱交換器を容易に、安価に形成でき、さらに、熱交換器性能をアップしたい場合など、熱交換器モジュールを追加することによって簡単に性能アップが可能となる。また、設置場所の形状が限定されている場合なども、その設置場所に合った形状を熱交換器モジュールの組み合わせによって得ることができるというメリットもある。
【0033】
そして請求項2に記載した本発明によれば、熱交換器の端部の各モジュールにおける流体供給口同士をそれぞれ結合して流体の供給又は排出を行う集合管を有する集合管ヘッダーを設けることにより、複数に分離した流体を一つの集合管で分配供給もしくは集積してからの排出が可能となるため、熱交換器コストが低くなる。また、複数の集合管をつなぐことにより、流体の圧力損失を増加させることなく任意形状の熱交換器を構成できる。
【0034】
さらに請求項3に記載した本発明によれば、積層流路ユニットのヘッダープレートにおけるヘッダー貫通孔を、高温流体用と低温流体用とで異なった貫通孔から流体を受け取れるようにすることにより、各流体用流路プレート毎に異なった流体を確実に供給、排出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明になる熱交換器のモジュールを構成する積層流路ユニットの一実施形態を示した概略構成図である。
【図2】 本発明になる熱交換器を構成するモジュールの第1実施形態の概略構成図である。
【図3】 本発明になる熱交換器を構成する第1実施形態の最下端モジュールの概略構成図である。
【図4】 本発明になる熱交換器を第1実施形態のモジュールの連結で構成した場合の概略構成図である。
【図5】 本発明になる熱交換器を構成するモジュールの第2実施形態の概略構成図である。
【図6】 本発明になる熱交換器を構成する第2実施形態の最下端モジュールの概略構成図である。
【図7】 本発明になる熱交換器を第2実施形態のモジュールを組み合わせて連結して構成した場合の概略構成図である。
【図8】 第2実施形態のモジュールの連結で構成した熱交換器上端に設けた流体の供給又は排出を行う集合管を有する集合管ヘッダーの構成の一例を示した図である。
【図9】 第2実施形態のモジュールの連結で構成した熱交換器下端に設けた流体の供給又は排出を行う集合管を有する集合管ヘッダーの構成の一例を示した図である。
【図10】 積層流路をエッチングなどで構成する場合の説明図である。
【図11】 従来の熱交換器の一例概略を示した図である。
【図12】 従来の熱交換器の一例概略を示した図である。
【符号の説明】
6 高温又は低温流体の供給口又は排出口を兼ねた連結機構
20 モジュール
21 高温又は低温流体の供給口又は排出口を兼ねた連結機構
【発明の属する技術分野】
本発明は、分散電源用改質器などに利用する熱交換器に関し、特に、熱交換器をモジュール化し、交換熱量、流量、圧力損失、サイズなどに対応させて組み合わせることにより、それぞれの仕様に応じて容易に、安価に製造できるようにした熱交換器に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
内部流における層流熱伝達率は、流路断面寸法が小さくなると増大することが知られている。また、流路断面寸法が小さくなると単位面積あたりの熱交換に供することができる表面積も増大する。この熱伝達率の増大と熱交換表面積の増大により熱交換器の性能を大きく向上させることができる。従ってマイクロチャネルのような流路断面寸法が小さな熱交換器を利用すると、例えば分散電源用改質器における熱交換器や、半導体素子冷却用のヒートシンク、あるいは空調機器における熱交換器などを小型、かつ高性能に作成することが可能となる。
【0003】
そのため例えば特開平2000−249486号公報には、図11に示したように、高温用流路プレート110と低温用流路プレート111における流路112、113が互いに直交するよう打ち抜きで作成し、互いの流路プレート110、111間に隔壁プレート114を挟んで積層した積層式熱交換器が示されている。
【0004】
また特開平2000−161889号公報には、図12に示したように、第1の流路プレート120に高温用流路121を、第2の流路プレート122に低温用流路123をそれぞれ略U字状の折り返し形状で形成し、互いの流路プレート120、122間に隔壁プレート124を挟んで積層した積層式熱交換器が示されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらこれら特開平2000−249486号公報、特開平2000−161889号公報に示された装置は、いずれも熱交換器における交換熱量、流量、圧力損失、サイズなどの仕様を決めてから熱交換器に使用するプレートのサイズ、流路形状、ヘッダー形状などを決定し、流体の供給、排出口を取り付けて熱交換器を構成していた。そのため、例えば多数の熱交換器で構成される分散電源用改質器などにおいては、装置ごとに熱交換器のサイズなどを決定するため、貫通孔を形成するための打ち抜き用の型が多数必要となってコスト高になり、また、使用している熱交換器の熱交換性能をアップさせたい場合などは、再度新たな熱交換器を製作する必要があった。
【0006】
そのため本発明においては、熱交換効率が高く、交換熱量、流量、圧力損失、サイズなどの仕様に応じて容易に、安価に製造できるようにした熱交換器を提供することが課題である。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため請求項1に記載した発明は、
流体用流路プレートと、該流体用流路プレートの流路へ流体の供給又は排出を行うヘッダープレートと、前記流体用流路プレートに流路を形成させる中間プレートとを積層すると共に、前記ヘッダープレートのヘッダー貫通孔へ流体を供給又は排出する貫通孔を各プレートに形成した積層流路ユニットを有する熱交換器において、
前記積層流路ユニットを高温流体用と低温流体用とに用意して交互に複数積層してモジュールを構成し、該モジュール端部に、前記積層流路ユニットの貫通孔への流体供給口又は排出口を兼ねた連結機構を設け、前記モジュール側部に、前記貫通孔に繋がる側部孔を設け、連結機構方向と側部孔方向へ複数モジュールを組み合わせて構成したことを特徴とする。
【0008】
このように、積層流路ユニットを複数積層して構成したモジュールの端部に連結機構を設けてモジュールを連結し、さらにモジュールの側部に、貫通孔と繋げた側部孔を設けて側部孔方向へもモジュールを連結して熱交換器を構成することによって、モジュールを連結して熱交換器を構成することによって、交換熱量、流量、圧力損失、サイズなどの仕様に応じた熱交換器を容易に、安価に形成でき、さらに、熱交換器性能をアップしたい場合など、熱交換器モジュールを追加することによって簡単に性能アップが可能となる。また、設置場所の形状が限定されている場合なども、その設置場所に合った形状を熱交換器モジュールの組み合わせによって得ることができるというメリットもある。
【0011】
そして請求項2に記載した発明は、
前記連結機構方向と側部孔方向へ複数モジュールを組み合わせて構成した熱交換器における端部の各モジュールの高温流体供給口同士と排出口同士、低温流体供給口同士と排出口同士をそれぞれ結合して流体の供給又は排出を行う集合管を有する集合管ヘッダーを設けたことを特徴とする。
【0012】
このように、熱交換器の端部の各モジュールにおける流体供給口同士をそれぞれ結合して流体の供給又は排出を行う集合管を有する集合管ヘッダーを設けることにより、複数に分離した流体を一つの集合管で分配供給もしくは集積してからの排出が可能となるため、熱交換器コストが低くなる。また、複数の集合管をつなぐことにより、流体の圧力損失を増加させることなく任意形状の熱交換器を構成できる。
【0013】
また請求項3に記載した発明は、
前記高温流体用と低温流体用とに用意した積層流路ユニットのヘッダープレートにおけるヘッダー貫通孔は、各プレートに設けた高温流体と低温流体を供給又は排出する、異なった貫通孔から高温流体と低温流体を別個に受け取れるように形成したことを特徴とする。
【0014】
このように積層流路ユニットのヘッダープレートにおけるヘッダー貫通孔を、高温流体用と低温流体用とで異なった貫通孔から流体を受け取れるようにすることにより、各流体用流路プレート毎に異なった流体を確実に供給、排出することができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を例示的に詳しく説明する。但し、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りはこの発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【0016】
図1は本発明になる熱交換器のモジュールを構成する積層流路ユニットの一実施形態を示した概略構成図、図2は本発明になる熱交換器を構成するモジュールの第1実施形態の概略構成図、図3は本発明になる熱交換器を構成する第1実施形態の最下端モジュールの概略構成図、図4は本発明になる熱交換器を第1実施形態のモジュールの連結で構成した場合の概略構成図、図5は本発明になる熱交換器を構成するモジュールの第2実施形態の概略構成図、図6は本発明になる熱交換器を構成する第2実施形態の最下端モジュールの概略構成図、図7は本発明になる熱交換器を第2実施形態のモジュールを組み合わせて連結して構成した場合の概略構成図、図8は第2実施形態のモジュールの連結で構成した熱交換器上端に設けた流体の供給又は排出を行う集合管を有する集合管ヘッダーの構成の一例を示した図、図9は同じく第2実施形態のモジュールの連結で構成した熱交換器下端に設けた流体の供給又は排出を行う集合管を有する集合管ヘッダーの構成の一例を示した図である。
【0017】
図中1は端部プレート、2は中間プレート、3、5はヘッダープレート、4は流体用流路プレート、6は端部プレート1上に設けられて高温又は低温流体の供給口又は排出口を兼ねると共に、端部プレート1、中間プレート2、ヘッダープレート3、5、流体用流路プレート4などを積層して構成した積層流路ユニットをさらに積層して図2に示したモジュールを構成したとき、互いのモジュールを連結するための連結機構、7は連結機構6から供給された流体をヘッダープレート3、5に設けられたヘッダー用貫通孔8、10に供給又は排出するための貫通孔、9は流体用流路プレート4に形成された流路、図2における20は前記端部プレート1、中間プレート2、ヘッダープレート3、5、流体用流路プレート4などを積層して構成した積層流路ユニットをさらに積層したモジュール、21は別のモジュール20の上端に設けた連結機構6を差し込む下端側の連結機構、図3における30は最下端のモジュールで、31はこの最下端のモジュール30の下側に設けた高温又は低温流体の供給口又は排出口としての供給/排出管、図5に示した50は前記図1に示したモジュール20の側部にモジュール内の貫通孔7と繋げた側部孔51を設けたモジュール、図6における60は前記図2に示したモジュール30の側部にモジュール内の貫通孔7と繋げた側部孔61を設けたモジュール、図8、図9における80、81、90、91は流体の供給又は排出を行う集合管で、これら集合管は集合管ヘッダー82、92に設けられる。
【0018】
本発明における熱交換器は、図1に示したように貫通孔7、ヘッダー用貫通孔8、10、流体用流路9などを打ち抜きで形成した中間プレート2、ヘッダープレート3、5、流体用流路プレート4を積層して積層流路ユニットを構成し、さらにこの積層流路ユニットを高温流体用と低温流体用とに用意して積層して第1実施形態の図2においては20で、図3においては30で示したようにモジュール化する。そして、このモジュール20、30の上端部には、高温又は低温流体の供給口又は排出口を兼ねると共に他のモジュールの連結機構への差込口となる連結機構6を有する端部プレート1を配し、下端部には、図2のモジュール20においては高温又は低温流体の供給口又は排出口を兼ねると共に他のモジュールにおける連結機構6の受け口となる連結機構21を、図3のモジュール30においては同じく高温又は低温流体の供給口又は排出口となる供給/排出管31を設ける。そして図4に示したように、複数のモジュール201、202、30を、連結機構211と62、及び212と63で連結し一体化して熱交換器としたものである。
【0019】
このように構成した熱交換器において、図4に示した各モジュール201、202、30の内部においては、例えば図1に示した41を高温流体用流路プレート、42を低温流体用流路プレートとした場合、端部プレート1の連結機構を兼ねた高温流体の供給口61から高温流体を供給すると、その高温流体は各プレートの貫通孔71からヘッダープレート3のヘッダー用貫通孔81に供給され、高温流体用流路プレート41の流路9を通り、ヘッダープレート3のヘッダー用貫通孔82、貫通孔72を通って高温流体の排出口62から排出される。一方低温流体は、端部プレート1の連結機構を兼ねた低温流体の供給口63から低温流体を供給すると、その低温流体は各プレートの貫通孔73からヘッダープレート5のヘッダー用貫通孔101に供給され、低温流体用流路プレート42の流路9を通り、ヘッダープレート5のヘッダー用貫通孔102、貫通孔74を通って低温流体の排出口64から排出される。
【0020】
そして、高温流体用流路プレート41を流れる高温流体と低温流体用流路プレート42を流れる低温流体との間で熱交換が行われるわけであるが、各モジュール201、202、30間の連結機構211、62、212、63を通してこれらの高温流体と低温流体は各モジュール201、202、30にも供給されるから、全く同じようにして各モジュール201、202、30の内部に設けた積層流路ユニットで熱交換が行われる。そのため、熱交換が非常に効率的に行われ、かつ、交換熱量、流量、圧力損失、サイズなどの仕様に応じてモジュールを組み合わせることにより、必要な仕様に対応した熱交換器を容易に、安価に形成でき、さらに、熱交換器性能をアップしたい場合など、モジュールを追加することによって簡単に性能アップが可能となる。
【0021】
以上が本発明になる第1実施形態の熱交換器の構成であるが、次いで図5乃至図9に示した第2実施形態の熱交換器に付いて説明する。この第2実施形態の熱交換器は図5、図6に示したように、前記図2、図3に示したモジュール20、30の側部にモジュールの各プレートに設けた貫通孔7と繋がるように51、61で示した側部孔を設け、図7に示したように、図5に示した50で示したモジュールを上段に、図2に示した20のモジュールを中段に、図6に60で示したモジュールを下段に配して組み合わせて連結したものである。
【0022】
そしてこの第2実施形態においては、上段に用いるモジュール50と中段に用いるモジュール60における側部孔51、61は、その配置位置によって設ける位置が異なってくる。すなわち図7に示したように、図5に示したモジュール501、502、503を上段に、図6に示したモジュール601、602、603を下段に、図2に示した20のモジュールを中段にそれぞれ1つずつ配した場合、501、601のモジュールにおける側部孔51、61は、501のモジュールが図5における511〜514を、601のモジュールが図6における611〜614を配し、右側に配した502、602のモジュールにおける側部孔51、61は、502のモジュールが図5における513、514を、602のモジュールが図6における613〜614を配し、左側に配した503、603のモジュールにおける側部孔51、61は、503のモジュールが図5における511、512を、603のモジュールが図6における611〜612を配することになる。
【0023】
そして、例えば図5に示したモジュール50と図6に示したモジュール60を縦横に配す場合はさらに、図5、図6に示したように全ての側部孔511〜518、611〜618を配したモジュールと、例えば501〜506、601〜606を配したモジュール、501、502、505、506、601、502、605、606を配したモジュールと夫々3種類のモジュールを用意することになる。すなわちモジュール50、60を上段と下段に1列ずつ配した場合は夫々2種類のモジュールを用意し、縦横に立体的に配した場合は3種類のモジュールを用意することで、どのような構成の熱交換器をも構成できることになる。
【0024】
そしてこのようにモジュールを縦横に立体的に配した場合、上段と下段に配したモジュールの高温流体と低温流体の供給口と排出口6と31が、それぞれモジュールの数だけ生じることになり、それぞれの供給口と排出口への流体の供給と排出が非常に煩雑になる。そのため、それを解消するために設けたのが図8、図9に示した82、92の集合管ヘッダーである。
【0025】
この図8、図9に示した集合間ヘッダー82、92は、図5に示したモジュール50を上段に9つ、図6に示したモジュール6を下段に9つ配した場合を1例に示したもので、それぞれにおける高温又は低温流体の供給口又は排出口を兼ねた連結機構6、31に結合して用いられる。それぞれの流体の供給口又は排出口との対応はそれぞれの図の下に示し、今流体Aを高温流体、流体Bを低温流体とすると、図8の集合管80は高温流体の供給集合管に、集合管81は低温流体の排出集合管に、図9の集合管90は低温流体の供給集合管に、集合管91は高温流体の排出集合管になる。
【0026】
そしてそれぞれのモジュールは、前記したようにその配置位置によって側部孔51を設ける位置が異なり、例えばモジュール501、601はそれぞれ全ての側部孔511〜518、611〜618が設けられ、角のモジュール504、506、507、509、604、606、607、609においては例えば511、512、515、516、611、612、615、616が、中間のモジュール502、503、505、508、602、603、605、608においては例えば511〜516、611〜616が配される。
【0027】
そのためこの集合管ヘッダー82、92を用いると、高温流体供給用集合管801によってモジュール501〜506のモジュールに高温流体が供給され、高温流体供給用集合管802によってモジュール507〜509のモジュールに高温流体が供給される。また、低温流体排出用集合管811によってモジュール504〜506のモジュールの低温流体が排出され、低温流体供給用集合管812によってモジュール501〜503、507〜509のモジュールの低温流体が排出される。そして同様に低温流体供給用集合管901によってモジュール601〜606のモジュールに低温流体が供給され、低温流体供給用集合管902によってモジュール607〜609のモジュールに低温流体が供給される。また、高温流体排出用集合管911によってモジュール604〜606のモジュールの高温流体が排出され、高温流体供給用集合管912によってモジュール601〜603、607〜609のモジュールの高温流体が排出される。
【0028】
以上が本発明になる第2実施形態の熱交換器における集合管ヘッダーの構成であるが、モジュールの組み合わせは図8、図9に示した9つの場合に限らず、もっと多くのモジュールを組み合わせた場合や少ないモジュールで構成した場合も同様に集合管を配することにより、少ない供給/排出管によって流体の供給、排出が可能であり、熱交換器コストが低くできると共に、複数の集合管をつなぐことにより、流体の圧力損失を増加させることなく任意形状の熱交換器を構成できる。
【0029】
なお、前記した図1における積層流路ユニットを構成する流体用流路プレート4を打ち抜きで構成し、ヘッダープレート3、5と中間プレート2によって流路9を構成すると説明したが、この流路9は打ち抜きだけでなく、例えば図10に示したように、平板100、101に流体流路102、103を切削加工、加圧成型、エッチングなどで形成したものを用いても良い。この場合、平板100上の流路102の上面に中間プレートをおいて流体流路102を形成するようにすればよいから、それだけ熱効率がよいものが得られる。
【0030】
又以上の説明では、図1に示した流体用流路プレート4における流路9を3つで示し、積層流路ユニットを2つ積層した場合を示したが、流路9の数はいくつでも良く、また積層流路ユニットもいくつ積層しても良い。さらに以上の説明では、本発明を単に熱交換器として説明してきたが、例えば図1に示した高温流体用流路プレート41の流路9に燃焼触媒を、低温流体用流路プレート42の流路9に改質触媒を設け、高温流体用流路プレート41に燃焼ガスを送り込んで燃焼触媒で燃焼させ、低温流体用流路プレート42に原料ガスを送り込んで改質触媒で改質させる改質反応装置などに応用できることも自明である。この場合各モジュールを、改質反応装置、改質させるガスなどに混入する水蒸気の発生装置、熱の回収装置、改質で生じたCOガスの燃焼装置など用いて一体型とした改質器システムとすることも可能である。また、半導体素子冷却用のヒートシンク、あるいは空調機器における熱交換器などに利用しても良い。
【0031】
【発明の効果】
以上記載の如く請求項1に記載した本発明によれば、積層流路ユニットを複数積層して構成したモジュールの端部に連結機構を設けてモジュールを連結し、さらにモジュールの側部に、貫通孔と繋げた側部孔を設けて側部孔方向へもモジュールを連結して熱交換器を構成することによって、交換熱量、流量、圧力損失、サイズなどの仕様に応じた熱交換器を容易に、安価に形成でき、さらに、熱交換器性能をアップしたい場合など、熱交換器モジュールを追加することによって簡単に性能アップが可能となる。また、設置場所の形状が限定されている場合なども、その設置場所に合った形状を熱交換器モジュールの組み合わせによって得ることができるというメリットもある。
【0033】
そして請求項2に記載した本発明によれば、熱交換器の端部の各モジュールにおける流体供給口同士をそれぞれ結合して流体の供給又は排出を行う集合管を有する集合管ヘッダーを設けることにより、複数に分離した流体を一つの集合管で分配供給もしくは集積してからの排出が可能となるため、熱交換器コストが低くなる。また、複数の集合管をつなぐことにより、流体の圧力損失を増加させることなく任意形状の熱交換器を構成できる。
【0034】
さらに請求項3に記載した本発明によれば、積層流路ユニットのヘッダープレートにおけるヘッダー貫通孔を、高温流体用と低温流体用とで異なった貫通孔から流体を受け取れるようにすることにより、各流体用流路プレート毎に異なった流体を確実に供給、排出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明になる熱交換器のモジュールを構成する積層流路ユニットの一実施形態を示した概略構成図である。
【図2】 本発明になる熱交換器を構成するモジュールの第1実施形態の概略構成図である。
【図3】 本発明になる熱交換器を構成する第1実施形態の最下端モジュールの概略構成図である。
【図4】 本発明になる熱交換器を第1実施形態のモジュールの連結で構成した場合の概略構成図である。
【図5】 本発明になる熱交換器を構成するモジュールの第2実施形態の概略構成図である。
【図6】 本発明になる熱交換器を構成する第2実施形態の最下端モジュールの概略構成図である。
【図7】 本発明になる熱交換器を第2実施形態のモジュールを組み合わせて連結して構成した場合の概略構成図である。
【図8】 第2実施形態のモジュールの連結で構成した熱交換器上端に設けた流体の供給又は排出を行う集合管を有する集合管ヘッダーの構成の一例を示した図である。
【図9】 第2実施形態のモジュールの連結で構成した熱交換器下端に設けた流体の供給又は排出を行う集合管を有する集合管ヘッダーの構成の一例を示した図である。
【図10】 積層流路をエッチングなどで構成する場合の説明図である。
【図11】 従来の熱交換器の一例概略を示した図である。
【図12】 従来の熱交換器の一例概略を示した図である。
【符号の説明】
6 高温又は低温流体の供給口又は排出口を兼ねた連結機構
20 モジュール
21 高温又は低温流体の供給口又は排出口を兼ねた連結機構
Claims (3)
- 流体用流路プレートと、該流体用流路プレートの流路へ流体の供給又は排出を行うヘッダープレートと、前記流体用流路プレートに流路を形成させる中間プレートとを積層すると共に、前記ヘッダープレートのヘッダー貫通孔へ流体を供給又は排出する貫通孔を各プレートに形成した積層流路ユニットを有する熱交換器において、
前記積層流路ユニットを高温流体用と低温流体用とに用意して交互に複数積層してモジュールを構成し、該モジュール端部に、前記積層流路ユニットの貫通孔への流体供給口又は排出口を兼ねた連結機構を設け、前記モジュール側部に、前記貫通孔に繋がる側部孔を設け、連結機構方向と側部孔方向へ複数モジュールを組み合わせて構成したことを特徴とする熱交換器。 - 前記連結機構方向と側部孔方向へ複数モジュールを組み合わせて構成した熱交換器における端部の各モジュールの高温流体供給口同士と排出口同士、低温流体供給口同士と排出口同士をそれぞれ結合して流体の供給又は排出を行う集合管を有する集合管ヘッダーを設けたことを特徴とする請求項1に記載した熱交換器。
- 前記高温流体用と低温流体用とに用意した積層流路ユニットのヘッダープレートにおけるヘッダー貫通孔は、各プレートに設けた高温流体と低温流体を供給又は排出する、異なった貫通孔から高温流体と低温流体を別個に受け取れるように形成したことを特徴とする請求項1に記載した熱交換器。
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