JP4354795B2 - 熱交換器用エレメントおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、対向する一対の金属板の周縁を閉塞し、内部に熱交換媒体の流通する偏平流路が形成され、その偏平流路が波形に曲折されたものに関する。

多数の金属板を積層して、交互に加熱流体と被加熱流体とを各金属板間に流通させた再生器用熱交換器が各種知られている。さらにそれらの金属板の表面を波形に曲折し、伝熱面積を向上させたドロンカップ型の熱交換器も知られている。そのドロンカップ型の熱交換器のエレメントは、皿状金属板の両端部にヘッダー部を設け、それらの間に波形伝熱部を設けたものである。そしてエレメント内に第１の熱交換媒体を流通させ、その外面側に第２の熱交換媒体を流通させて、両者間に熱交換を行うものである。

従来のドロンカップ型の熱交換器のエレメントは、波形伝熱部における波の高さ（振幅）を大きくとることができなかった。なぜならば、波形伝熱部の両側には平坦なヘッダー部が存在するため、波形伝熱部とヘッダー部との境に亀裂を起こすおそれがあるからである。
即ち、波の高さを高くするとその分だけ金属板をヘッダー部に対して大きな絞り加工をすることになり、その境目に亀裂が生じ易い。そのため、従来の波形伝熱部を有するエレメントは、波の高さを比較的低いものにせざるを得なかった。その結果、波形伝熱部の伝熱面積が比較的小さいものとなり、熱交換性能の向上を余り期待できなかった。

そこで本発明は、波の高さを充分高くしつつ、ヘッダー部との境に亀裂が生じることがない熱交換器用エレメントおよびその製造方法を提供することを課題とする。

請求項１に記載の本発明は、金属板のプレス成形体で、対向する一対の金属板の周縁をフランジ状に形成して、その周縁を互いに閉塞し、内部に熱交換媒体の流通する偏平流路を形成すると共に、その偏平流路の流路方向の両端部に一対のヘッダー部(3) を設け、そのヘッダー部(3)間に多数の並列された波形に曲折された波形伝熱部(4)を設けた熱交換器用エレメントの製造方法において、
前記対向する一対の金属板は、一枚の金属板をその側部で折返して重ね合わせ、その折返し縁(16)を前記フランジ状に形成し、
その波形伝熱部(4) の各波をその波の稜線方向両側へ連続して、一対のヘッダー部(3) の全幅に延在し、ヘッダー部(3) の各波はその稜線を直線状の直線波(14)にし、一対のヘッダ部 (3)間の波形伝熱部(4) の各波はその稜線を蛇行状に曲折した曲波(13)にし、
そのヘッダー部(3) は、各波がその進行方向の一方向へのみ断面Ｓ字状に倒して平坦に押し潰し、そこに金属板の板厚３枚分の同一方向の重合部(5) を一定ピッチで形成し、各重合部(5)間に板厚１枚分の非重合部を存在させると共に、重合部(5)の内面側と非重合部の内面側とを面一の平面に形成し、
そのヘッダー部(3)の高さを前記周縁のフランジより高く且つ、一対のヘッダ部(3) 間の波形伝熱部(4)の振幅の高さより低く形成し、そのヘッダー部(3) の一方の端縁と波形伝熱部(4)との境を傾斜面(19)に形成し、ヘッダー部(3) の他方の端縁にフランジ部(8)を形成し、
前記折り返されて対向する一対の前記金属板のフランジ部(8)どうしを、前記内面側の前記面一の平面で接触して、そのフランジ部(8)を一体に溶着固定したことを特徴とする熱交換器用エレメントの製造方法である。

請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の熱交換器用エレメントの製造方法において、前記ヘッダー部(3) の波形を略横断面矩形波状に形成すると共に、その一方側の第１立ち上がり面(6) を傾斜面とし且つ、稜線を平坦面とすると共に、その稜線に対して他方側の第２立ち上がり面(7) を垂直に形成する工程と、
そのヘッダー部(3) の波形面を前記傾斜方向へ押し倒して、押し潰し、互いに圧接された偏平な断面Ｓ字状の重合部(5) を形成させる工程と、
を有する熱交換器用エレメントの製造方法である。
請求項３に記載の本発明は、請求項１または請求項２により形成された熱交換器用エレメントである。

本発明の熱交換器用エレメントの製造方法は、金属板のプレス成形体からなり、波形伝熱部４の波の高さを高くしても、ヘッダー部３との境部に波形加工に伴う伸びが生じることがなく、波形伝熱部４の高さを高くしても亀裂が生じない。そのため、波形伝熱部４の波の高さが高く伝熱面積の大きなコンパンクトなエレメントを提供できる。
また、ヘッダー部３の重合部５はそこに延在する各波が進行方向の一方側へのみ断面Ｓ字状に倒されて平坦に押し潰され、その高さが周縁のフランジより高く、波形伝熱部より低く形成され、ヘッダ部３の端縁にフランジ部８を形成したものであるから、その重合部５の構造を単純化し、その縁のフランジ部８を溶着するとき漏れの生じ難いヘッダー部３を形成できる。
しかも、その縁のフランジ部８は、重合部５の内面側と非重合部の内面側とを面一の平面に形成し、折り返されて対向する一対の前記金属板のそのフランジ部８どうしを、その内面側の面一の平面で接触して、そのフランジ部８を一体に溶着固定したから、さらに漏れの生じ難いヘッダー部３を形成できる。
また、対向する一対の金属板は、一枚の金属板をその側部で折返して重ね合わせ、その折返し縁をフランジ状に形成したものであるから、部品点数が最小で済むと共に、接合部が少なく、信頼性の高い熱交換器用エレメントを製造できる。
さらに、ヘッダー部３の一方の端縁と波形伝熱部４との境が傾斜面１９に形成されているため、ヘッダー部３と波形伝熱部４との境目を流体が円滑に流通できる。またヘッダー部(3) の各波の稜線が直線であるから、その波を押し潰し易く、製造の容易なエレメントとなると共に、ヘッダ部３間の波形伝熱部４の各波はその稜線を蛇行状に曲折した曲波１３にしたので、伝熱面積が大きく、蛇行による攪拌により熱交換性能のよいエレメントを提供できる。

上記構成のエレメントを製造する方法において、
ヘッダー部(3) の波形の一方側の第１立ち上がり面(6) を傾斜面とし且つ、稜線を平坦面とすると共に、その稜線に対して他方側の第２立ち上がり面(7) を垂直に形成する工程と、
そのヘッダー部(3) の波形面を前記傾斜方向へ押し倒して、押し潰し、互いに圧接された偏平な断面Ｓ字状の重合部(5) を形成させる工程と、
その第１立ち上がり面６が押し倒されるように押し潰して、ヘッダー部３の重合部５を形成したものである。
この製造方法によれば、無理なくヘッダー部３に断面Ｓ字状の重合部５を形成することができる。

次に、図面に基づいて本発明の実施の形態につき説明する。
図１は本発明の熱交換器用エレメントの平面図であり、図２は図１のII部拡大斜視図であって一部を分解したもの、図３は図１の III− III矢視断面図である。また、図４は本エレメントの製造工程を示すものであり、（Ａ）はその第１工程の平面図、（Ｂ）は同第１工程の斜視略図、（Ｃ）はその第２工程の斜視略図、（Ｄ）は（Ｃ）のＤ−Ｄ矢視略図である。

この熱交換器用エレメントは、排熱回収用再生器として最適なものであるが、本発明はそれに限らず各種熱交換器のエレメントとして用いることができる。
この熱交換器は図１及び図２に示す如く、一対の出入口９を除いて周縁が閉塞された一対の金属板１，金属板２からなり、その両側にヘッダー部３が位置し、それらの間に波形伝熱部４を有する。そして一対の金属板１，金属板２間に偏平な流路を形成したものである。この例では、一枚の金属板を折り返して郵便封筒状にし、一対の金属板１，金属板２を対向させ、その継目に接合部17を形成し、全体を偏平にすると共に、その両側のフランジ部８を溝形材11を介して接合し、対角位置に一対の偏平孔15を形成して、そこに出入口９を設けたものある。

そして両側に位置するヘッダー部３間に波形伝熱部４が形成される。その波形伝熱部４の夫々の波の稜線は蛇行状に曲折された曲波13に形成されている。そして一対の対向する金属板１，２の波形は互いにその位相が180 度位置ずれしており、その稜線が互いに交差する。また、その波形伝熱部４の各波はその稜線方向に向かい、それらがヘッダー部３の全幅に連続的に延在する。なお、ヘッダー部３では各波の稜線は直線状となる直線波14を形成する。
次に、エレメントの両側に位置するヘッダー部３では、その直線波14は、夫々の波形がその波の進行方向の一方側へ断面Ｓ字状に倒されて平坦に押し潰され、そこに金属板の板厚３枚分の重合部５が断続的に形成されたものである。

このような波形伝熱部４およびヘッダー部３は、図４及び図５に示す手順により形成することができる。
即ち、先ず、図４（Ａ）及び（Ｂ）の如く、金属板をその全幅に渡って波形に曲折する。その金属板の両側部においては、前述の如く、波の稜線12が直線状に形成された直線波14で、それらの中間においては稜線12がその平面方向に曲折する曲波13となる。夫々の高さ、即ち、振幅は同一であり、それらのピッチも同一である。曲波13と直線波14とは連続する。このような曲波13及び直線波14は、プレス機械により一体に形成することもできるが、順送りプレスによって一つずつ形成してもよい。その場合には、より振幅の大きな波を形成できる。波形伝熱部４およびヘッダー部３の各波の断面形状は矩形波であってもサインカーブ波であってもよい。
なお、図４の（Ａ）は金属板の要部平面図であり、（Ｂ）はその斜視図である。

このように全幅で曲折された金属板の両側部の波を押し倒して押し潰し、図４（Ｃ）の如く重合部５を形成する。それと共に、その重合部５の縁部を立ち下げ、その先端縁にフランジ部８を形成するものである。
この例において、直線波14は図５（Ａ）の如く、各波の一方側の第１立ち上がり面６が角θ傾斜し、他方側の第２立ち上がり面７が垂直に予め形成される。次いで、直線波14の振幅がなくなるように直線波14の上下両側から押し潰し、中心線上に図５（Ｂ）の如く押し潰した重合部５を形成する。第１立ち上がり面６のみが角θ傾斜していることにより、上下に押し潰すことで、簡単に図５（Ｂ）の如く押し潰し重合部５を形成できる。

そのとき、図５（Ａ）における波のａ部分とｂ部分は引き伸ばされ、ｃ部分がｂ部分とｄ部分との間に挟持され、それらにより断面Ｓ字状の偏平な重合部５を形成する。また、ｄ部分とｅ部分とは引き伸ばされる。そしてそれらで形成する重合部５の平面は、波形伝熱部４の曲波13の波の高さの中間位置に位置し、重合部５と曲波13との境は傾斜面19となる（図４（Ｃ））。
また、重合部５の側端には傾斜面18を介してフランジ部８が図４（Ｃ）の如く形成される。そして上下一対の金属板１，２により、対向する重合部５間にヘッダー部３が形成されるものである。

次いで、図２の如く上下一対のフランジ部８が重ね合わせられ、そこに溝形材11が嵌着される。溝形材11の溝幅は、図３の如く上下一対のフランジ部８の合計の厚さに整合する。そして、溝形材11の上下からシーム溶接等によりフランジ部８を溝形材11と共に一体に溶着してエレメントを完成する。
なお、図１においてエレメントの上下両端（平面方向の両縁）は、図２の如く折り返されて折り返し縁16を形成するものである。その折り返し縁16には、波形は形成されていない。そして袋状の両端縁は、その平面の中央で図１の如く重ね合わされ、その重ね合わせ部が接合されて接合部17を構成する。

このようなエレメントの各ヘッダー部３の折り返し部に偏平孔15が形成され、そこに一対の出入口９が設けられる。そして一方の出入口９から被加熱流体をヘッダー部３内に流入し、それが波形伝熱部４をその波の稜線方向に流通して他方側のヘッダー部３に導かれ、出入口９から外部に導かれる。
波形伝熱部４は、前述の如く、その平面方向に曲折する波が上下で互いに交差する。そしてエレメント内を流通する被加熱流体は、波形伝熱部４内を平面的に蛇行し、各波の交差部で攪拌されつつ移動する。そしてエレメントの外面側には高温の排ガス等が、各波の稜線方向に流通し、それと被加熱流体との間に熱交換が行われる。
なお、このようなエレメントは多数積層され、各エレメント間に前記の高温の排気ガス等が流通する。そして被加熱流体は図示しないマニホールドを介し、夫々のエレメントの出入口９に導かれる。

次に、図７（Ａ）波形は、本発明のヘッダー部３に予め形成される図５（Ａ）の波形との比較例である。このような図７（Ａ）の波形の直線波14を押し潰すと図７（Ｂ）の如く、断面Ω状に形成されその曲折部が多くなる。するとその曲折部が潰れにくくなり、全体としての板厚が厚くなると共に、上下一対の金属板を溶接する際、溶接が難しくなることが、本発明者らの実験により確かめられた。

本発明の熱交換器用エレメントの平面図。 図１におけるII部拡大斜視説明図。 図１の III− III矢視断面図。 本発明のエレメントのヘッダー部３の製造方法を示すものであって、（Ａ）はその第１工程を示すの平面図、（Ｂ）は同第１工程を示す斜視略図、（Ｃ）はその第２工程の斜視略図、（Ｄ）は（Ｃ）のＤ−Ｄ矢視略図。

ヘッダー部３の成形手順を示す断面図であって、（Ａ）はその第１工程、（Ｂ）は同第２工程を示す説明図。 図１のVI−VI矢視略図。 図５（Ａ）に比較される通常の波形と、それを押し潰した重合部５の断面説明図。

符号の説明

１ 金属板
２ 金属板
３ ヘッダー部
４ 波形伝熱部
５ 重合部
６ 第１立ち上がり面
７ 第２立ち上がり面
８ フランジ部
９ 出入口

11 溝形材
12 稜線
13 曲波
14 直線波
15 偏平孔
16 折り返し縁
17 接合部
18 傾斜面
19 傾斜面

Claims (3)

1. 金属板のプレス成形体で、対向する一対の金属板の周縁をフランジ状に形成して、その周縁を互いに閉塞し、内部に熱交換媒体の流通する偏平流路を形成すると共に、その偏平流路の流路方向の両端部に一対のヘッダー部（３）を設け、そのヘッダー部（３）間に多数の並列された波形に曲折された波形伝熱部（４）を設けた熱交換器用エレメントの製造方法において、
   前記対向する一対の金属板は、一枚の金属板をその側部で折返して重ね合わせ、その折返し縁（１６）を前記フランジ状に形成し、
   その波形伝熱部（４）の各波をその波の稜線方向両側へ連続して、一対のヘッダー部（３）の全幅に延在し、ヘッダー部（３）の各波はその稜線を直線状の直線波（１４）にし、一対のヘッダ部（３）間の波形伝熱部（４）の各波はその稜線を蛇行状に曲折した曲波（１３）にし、
   そのヘッダー部（３）は、各波がその進行方向の一方向へのみ断面Ｓ字状に倒して平坦に押し潰し、そこに金属板の板厚３枚分の同一方向の重合部（５）を一定ピッチで形成し、各重合部（５）間に板厚１枚分の非重合部を存在させると共に、重合部（５）の内面側と非重合部の内面側とを面一の平面に形成し、
   そのヘッダー部（３）の高さを前記周縁のフランジより高く且つ、一対のヘッダ部（３）間の波形伝熱部（４）の振幅の高さより低く形成し、そのヘッダー部（３）の一方の端縁と波形伝熱部（４）との境を傾斜面（１９）に形成し、ヘッダー部（３）の他方の端縁にフランジ部（８）を形成し、前記折り返されて対向する一対の前記金属板のフランジ部（８）どうしを、前記内面側の前記面一の平面で接触して、そのフランジ部（８）を一体に溶着固定したことを特徴とする熱交換器用エレメントの製造方法。
2. 請求項１に記載の熱交換器用エレメントの製造方法において、
   前記ヘッダー部（３）の波形を略横断面矩形波状に形成すると共に、その一方側の第１立ち上がり面（６）を傾斜面とし且つ、稜線を平坦面とすると共に、その稜線に対して他方側の第２立ち上がり面（７）を垂直に形成する工程と、
   そのヘッダー部（３）の波形面を前記傾斜方向へ押し倒して、押し潰し、互いに圧接された偏平な断面Ｓ字状の重合部（５）を形成させる工程と、
   を有する熱交換器用エレメントの製造方法。
3. 請求項１または請求項２により形成された熱交換器用エレメント。

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