JP4369223B2

JP4369223B2 - 熱交換器用エレメント

Info

Publication number: JP4369223B2
Application number: JP2003435536A
Authority: JP
Inventors: 公昭中野; 俊行堀内; 卓也岩本
Original assignee: T.RAD CO., L T D.
Current assignee: T.RAD CO., L T D.
Priority date: 2003-12-26
Filing date: 2003-12-26
Publication date: 2009-11-18
Anticipated expiration: 2023-12-26
Also published as: JP2005195191A

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。

また、内部流体の出入口をヘッダー部の縁に位置させた場合、そこから波形伝熱部の各部に均一に内部流体を流すことが難しかった。
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と共に、波形伝熱部の各部に均一に内部流体を流すことができる構造の簡単な熱交換器用エレメント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、平面が方形の対向する一対の金属板の周縁が閉塞されて、内部に熱交換媒体の流通する偏平流路が形成されると共に、その偏平流路の両端部にヘッダー部(3) が設けられ、そのヘッダー部(3) 間に隣接して多数の並列された波形に曲折された波形伝熱部(4) を有する熱交換器用エレメントにおいて、
波形伝熱部(4) の各波がその波の稜線方向へ連続して、ヘッダー部(3) の全幅に延在し、
前記対向する一対の金属板の流路方向の両端部の平面方形の全面に各波の稜線が直線状の直波(14)に形成される直波部を有すると共に、その両直波部の間の前記波形伝熱部(4) は、その各波の稜線が蛇行状の曲波(13)に形成されて、前記直波(14)のピッチおよび振幅が曲波(13)のそれらに等しく且つ連続して形成され、
そのヘッダー部(3) は、前記直波部内で、そこに延在する各波が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) を有し、
その重合部(5) は、その出入口(9) に近いほど長く各波が押し潰されて、そのヘッダー部(3) の横断面が広く形成され、その直波部の押し潰された直波と、潰されていない直波との境が傾面(19)に形成され、
前記ヘッダー部(3) の前記波の並列方向の端部位置に、前記熱交換媒体の出入口(9) が設けられた熱交換器用エレメントである。

さらに、上記構成において、
前記直波(14)の各波の稜線を、平面視で出入口(9) の開口面とのなす角が鋭角となるようにまたは、その稜線と開口面とが平行になるようにすることができる（請求項２）。

本発明の熱交換器用エレメントは、波形伝熱部４の各波がその稜線方向に連続してヘッダー部３の全幅に延在し、そのヘッダー部３において各波が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が形成されたものである。そのため、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、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の波の押し潰された重合部５は、その出入口に近いほど各波の押し潰し長さが長くなって、そのヘッダー部の横断面積が広く形成されているから、エレメントの波形伝熱部４の各部に均一に内部流体を流通させ、熱交換を促進することができる。逆にいうと、各横断面が均一の場合には、波形伝熱部４の各部に流通する流体は不均一に流通するが、本発明ではヘッダー部の各断面を変えて、各部の流量を均一にできる。しかも、部品点数を増加させることなくそれを実現できる。

さらに、前記波形伝熱部４の各波をその稜線が蛇行状に曲折した曲波13とし、ヘッダー部３の各波をその稜線が直線状の直波14とし、
エレメントの両側にヘッダー部３を形成したので、そのヘッダー部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り得る。また、ヘッダー部３が両側に位置されているため、エレメント内の熱交換媒体の流れを単純化し、性能の良い熱交換器用エレメントを提供できる。
しかも、そのヘッダー部３は、直線波部の一部を押し潰したものであるため、その押し潰しの境を、無理なく変形することが可能である。それと共に、押し潰された直波14と、潰されていない直波14との境が傾面19に形成され、ヘッダー部の流体を、その傾斜面および潰されていない直波を介して曲波に円滑に導くことができる。

上記構成において、直波14の稜線を出入口９に対して鋭角に形成したものでは、内部流体を押し潰しのない部分の直波14に無理なくに案内させて、それを波形伝熱部４に円滑に導くことができる。また、直波14を出入口９に平行に配置したものでは、波形伝熱部４の波の振幅（高さ）をさらに大きくでき、伝熱面積を大きくできる。

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矢視断面図であり、図４は図１のIV−IV矢視断面図、図５は図１のＶ−Ｖ矢視断面図、図６は図１のVI−VI矢視断面図である。また、図７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、その両側に直角三角形の一対のヘッダー部３が180 度回転対称に位置し、それらの間に波形伝熱部４を有する。なお、この波形伝熱部４は図１において、その平面が平面平行四辺形となり、その両側辺が傾斜する。

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は、平面が方形部分とその両側に配置された一対の直角三角形とを有する。その平面方形部分の夫々の波の稜線はその稜線が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、それらがその両側の平面直角三角形の部分および、同様に平面直角三角形のヘッダー部３の全幅に連続的に延在する。なお、ヘッダー部３および平面直角三角の波形伝熱部４では、夫々の波の稜線が直線状となる直波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を構成する平面直角三角形の範囲では、その直波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ている。

このような波形伝熱部４およびヘッダー部３は、図７及び図８に示す手順により形成することができる。
即ち、先ず、図７（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と直波14とは連続する。このような曲波13及び直波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７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平面直角三角形の範囲で、波を押し倒して押し潰し、（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、直波14は図８（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、前記範囲で直波14の振幅がなくなるように直波14の上下両側から押し潰し、中心線Ｓ上に図８（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８（Ｂ）の如く押し潰し重合部５を形成できる。

そのとき、図８（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と直波14又は曲波13との境は傾面となる。
また、重合部５の側端には傾面18を介してフランジ部８が形成される。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。なお、その接合部17の内面には対向する金属板の曲波が接触する。

このようなエレメントの各ヘッダー部３の折り返し部に一対の偏平孔が形成され、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。
このとき、各ヘッダー部３は平面三角形に形成され、その出入口９に近いほどその流路断面積が大きくなる。実験の結果、このようにヘッダー部３を形成することにより、波形伝熱部４の各部に内部流体が均一に流通することが分かった。これは、出入口９から流入する流体の運動エネルギーの影響と、各部における分流・合流により、出入口９から遠いほど流量が減少することによるものと思われる。

波形伝熱部４の平面直角三角形の部分では、内部流体である被加熱流体が直線的に進行し、平面方形の部分では、その波形の稜線に沿って流通する。その波形の稜線は対向する一対の金属板で互いに交差するため、被加熱流体は、その波形伝熱部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９は本発明のエレメントの第２の実施の形態を示す平面図であり、これが図１のエレメントと異なる点は、一対の出入口９の位置および、それに伴う波形伝熱部４の両側の平面直角三角形の配置である。この例ではヘッダー部３およびそれに隣接する平面直角三角形の波形伝熱部が平面の中心線に対して線対称に配置されているものである。そして一対の出入口９は、一つの辺に開口する。内部流体は図９の矢印の如く流通するものであり、熱交換の作用・効果は図１と同じである。

次に、図１０は本発明のエレメントの第３の実施の形態を示す平面図であり、これが図１のエレメントと異なる点は、直波14の稜線が傾斜している点である。そして対向する一対の金属板でその傾斜方向が逆向きに形成され、互いに対向する金属板の各稜線が交差するものである。その交差により内部流体が攪拌される。なお、図１１は図１０のXI−XI断面矢視図である。

次に、図１２は本発明のエレメントの第４の実施の形態を示す平面図であり、これが図１のエレメントと異なる点は、波形伝熱部４の全範囲で、その波の稜線が蛇行した曲波13であり、平面直角三角形状のヘッダー部３の部分のみ、押し潰し前の波の稜線が直波14である。このように形成することにより、熱交換性能をより向上できる。なお、図１３は図１２のXIII−XIII矢視断面図である。

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。図１のIV−IV矢視断面図。図１のＶ−Ｖ矢視断面図。図１のVI−VI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。本発明の熱交換器用エレメントの第２の実施の形態を示す平面図。本発明の熱交換器用エレメントの第３の実施の形態を示す平面図。図１０のXI−XI矢視断面図。本発明の熱交換器用エレメントの第４の実施の形態を示す平面図。図１２のXIII−XIII矢視断面図。

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 直波
16 折り返し縁
17 接合部
18 傾面
19 傾面

Claims

平面が方形の対向する一対の金属板の周縁が閉塞されて、内部に熱交換媒体の流通する偏平流路が形成されると共に、その偏平流路の両端部にヘッダー部(3) が設けられ、そのヘッダー部(3) 間に隣接して多数の並列された波形に曲折された波形伝熱部(4) を有する熱交換器用エレメントにおいて、
波形伝熱部(4) の各波がその波の稜線方向へ連続して、ヘッダー部(3) の全幅に延在し、
前記対向する一対の金属板の流路方向の両端部の平面方形の全面に各波の稜線が直線状の直波(14)に形成される直波部を有すると共に、その両直波部の間の前記波形伝熱部(4) は、その各波の稜線が蛇行状の曲波(13)に形成されて、前記直波(14)のピッチおよび振幅が曲波(13)のそれらに等しく且つ連続して形成され、
そのヘッダー部(3) は、前記直波部内で、そこに延在する各波が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) を有し、
その重合部(5) は、その出入口(9) に近いほど長く各波が押し潰されて、そのヘッダー部(3) の横断面が広く形成され、その直波部の押し潰された直波と、潰されていない直波との境が傾面(19)に形成され、
前記ヘッダー部(3) の前記波の並列方向の端部位置に、前記熱交換媒体の出入口(9) が設けられた熱交換器用エレメント。
請求項１において、
前記直波(14)の各波の稜線は、平面視で出入口(9) の開口面とのなす角が鋭角となるようにまたは、その稜線と開口面とが平行に形成された熱交換器用エレメント。