JP5773353B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、２つの流体の間で熱の交換を行う熱交換器に関する。なお、本明細書中において、熱の交換を行う２つの流体のうち一方を第一の流体と呼び、他方を第二の流体と呼ぶものとする。

熱交換器については、従来から数多くのアイデアが提供されてきた。熱交換器について問題となる点は、主に熱交換率、耐熱性、耐圧性、液漏れ、製造コスト等である。

上述の問題点を克服するものとして提案されてきたアイデアの例を、以下に示す。例えば、特許文献１は、アルミニウム平板とフィンとを積層し空気を冷却液によって熱交換する、耐圧性に優れ、液漏れがなく、熱交換率のよい熱交換器を開示している。

また、特許文献２は、排ガスの流れ方向を軸として水を蛇行もしくは螺旋状に流通させる配管等を備える、排ガスを有効に利用できる熱交換器を開示している。

また、特許文献３は、金属性の外管の内部に当該外管の長手方向に沿って金属性の内管を挿着させ、当該内管の内壁面の最低不凍結温度を大幅に低下させることを可能にした熱交換器を開示している。

また、特許文献４は、外管と内管とを互いに螺旋状にねじり合わせて熱交換率を向上させた熱交換器を開示している。

また、特許文献５は、第２の内管の外周面に第１の内管を螺旋状に巻きつけて一体化し、低コストで高い熱交換率を実現した熱交換器を開示している。

また、特許文献６は、冷却管を外周面から取り囲んで冷却液室を区画形成し、レイアウト性の向上および軽量化を図った熱交換器を開示している。

また、特許文献７は、複数層の円盤状の伝熱面を介して第１の流路と第２の流路を交互に配置し、それらの流路を並列的に連結させ、円盤状の伝熱面を中心軸周りに回転させ、隣接する伝熱面に対する相対的な位置を変更することにより、流路の壁面上に対する炭酸カルシウムの付着を抑制することを図った熱交換器を開示している。

特開平６−２７３０８５ 特開２００６−１２７７８４ 特開２００１−２６３９６９ 特開２０１０−３８４２９ 特開２００９−２４９６９ 特開２０００−３８９６３ 特開２０１０−７１５５３

ところで、上述の熱交換器における熱交換率の向上に対しては未だに高い要求があり、数多くの企業や個人等が鋭意研究を続けているところである。

そこで、本発明は、耐熱性、耐圧性、液漏れ、熱交換率等に関し高いパフォーマンスを示す熱交換器を低い製造コストでかつコンパクトに提供することを目的とする。

本発明は、上記の目的に鑑みて想到されたものであり、
積層されたｎ枚（ｎは５≦ｎを満たす任意の自然数である定数）のプレートを有する積層プレートアセンブリを備え、
前記ｎ枚のプレートのうち互いに隣接する２枚のプレートは各々、当該２枚のプレートの間に中空部を形成し、
前記ｎ枚のプレートのうち前記積層の方向の一方の端部から他方の端部に向かう方向に数えて（２ｘ−１）番目（ｘは２ｘ≦ｎを満たす任意の自然数である変数）のプレートと２ｘ番目のプレートとの間に形成される２以上の第１の中空部のうち、前記積層の方向の前記一方の端部に最も近い第１の中空部は前記積層プレートアセンブリの外部に通じる第１の開口部を備え、
前記２以上の第１の中空部のうち、前記積層の方向の前記他方の端部に最も近い第１の中空部は前記積層プレートアセンブリの外部に通じる第２の開口部を備え、
前記２以上の第１の中空部のうち互いに隣接する２つの第１の中空部を各々連結し、当該２つの第１の中空部のうち前記積層の方向の前記一方の端部に近い第１の中空部を通過した流体を当該２つの第１の中空部のうち前記積層の方向の前記他方の端部に近い第１の中空部へと流れ込ませる第１のバイパスを備え、
前記ｎ枚のプレートのうち前記積層の方向の前記一方の端部から前記他方の端部に向かう方向に数えて２ｙ番目（ｙは２ｙ＋１≦ｎを満たす任意の自然数である変数）のプレートと（２ｙ＋１）番目のプレートとの間に形成される２以上の第２の中空部のうち、前記積層の方向の前記一方の端部に最も近い第２の中空部は前記積層プレートアセンブリの外部に通じる第３の開口部を備え、
前記２以上の第２の中空部のうち、前記積層の方向の前記他方の端部に最も近い第２の中空部は前記積層プレートアセンブリの外部に通じる第４の開口部を備え、
前記２以上の第２の中空部のうち互いに隣接する２つの第２の中空部を各々連結し、当該２つの第２の中空部のうち前記積層の方向の前記他方の端部に近い第２の中空部を通過した流体を当該２つの第２の中空部のうち前記積層の方向の前記一方の端部に近い第２の中空部へと流れ込ませる第２のバイパスを備え、
前記第１の中空部と前記第２の中空部との間を流体が流れることがないように前記第１の中空部と前記第２の中空部とが互いに分離されており、
前記１以上の第１のバイパスの各々は、前記積層の方向において当該第１のバイパスにより互いに連結される２つの第１の中空部の間に位置する第２の中空部の外側面上に沿うように配置され、
前記１以上の第２のバイパスの各々は、前記積層の方向において当該第２のバイパスにより互いに連結される２つの第２の中空部の間に位置する第１の中空部の内側を貫通するように配置される
熱交換器を提供する（第１の実施態様）。

また、上記の第１の実施態様において、
前記積層プレートアセンブリを内部に収容し、前記積層の方向に延伸する中空管形状のケーシングを備え、
前記ケーシングの中空部は前記積層プレートアセンブリにより、前記積層の方向における前記一方の端部側に位置する中空部と前記他方の端部側に位置する中空部とに分離され、
前記第１の開口部は前記ケーシングの壁面を貫通する第３のバイパスを介して前記ケーシングの外部に連結され、
前記第２の開口部は前記ケーシングの壁面を貫通する第４のバイパスを介して前記ケーシングの外部に連結され、
前記第３の開口部は、前記ケーシングの中空部のうち前記一方の端部側に位置する中空部に対し開口し、
前記第４の開口部は、前記ケーシングの中空部のうち前記他方の端部側に位置する中空部に対し開口する
構成が採用されてもよい（第２の実施態様）。

また、上記の第２の実施態様において、
前記１以上の第１のバイパスの各々の壁面の一部は、前記ケーシングの壁面である
構成が採用されてもよい（第３の実施態様）。

また、上記の第２または第３の実施態様において、
前記ケーシング内に前記積層の方向に流体の流れを生じさせるファンを備える
構成が採用されてもよい（第４の実施態様）。

また、上記の第２乃至４のいずれかの実施態様において、
前記ケーシングの中空部のうち前記一方の端部側に位置する中空部と前記他方の端部側に位置する中空部との間を連結するように前記積層プレートアセンブリの内部を積層の方向に貫通し、前記第４の開口部を介して連結される前記第２の中空部を除く前記第１の中空部、前記第１のバイパス、前記第２の中空部および前記第２のバイパスのいずれとの間においても流体が流れることがないように分離されている流路を形成する管状体を備える
構成が採用されてもよい（第５の実施態様）。

また、上記の第１乃至５のいずれかの実施態様において、
前記ｎ枚のプレートのうち前記積層の方向の一方の端部から他方の端部に向かう方向に数えて（２ｐ−１）番目（ｐは（２ｐ−１）≦ｎを満たす任意の自然数である変数）に位置する２以上のプレートのうち少なくとも互いに隣接する２つのプレートは同一の形状を有し、
前記同一の形状を有する２つのプレートは、前記積層の方向に見て当該形状が一致する位置から前記積層の方向に延伸する一の軸の周りに所定角度だけ回転された状態で積層されている
構成が採用されてもよい（第６の実施態様）。

また、上記の第１乃至６のいずれかの実施態様において、
前記ｎ枚のプレートのうち前記積層の方向の一方の端部から他方の端部に向かう方向に数えて２ｑ番目（ｑは２ｑ≦ｎを満たす任意の自然数である変数）に位置する２以上のプレートのうち少なくとも互いに隣接する２つのプレートは同一の形状を有し、
前記同一の形状を有する２つのプレートは、前記積層の方向に見て当該形状が一致する位置から前記積層の方向に延伸する一の軸の周りに所定角度だけ回転された状態で積層されている
構成が採用されてもよい（第７の実施態様）。

また、上記の第６または７の実施態様において、
前記ｎ枚のプレートの各々に関し、当該プレートの外縁を前記一の軸の方向に投影した形状は、前記一の軸の周りに前記所定角度だけ回転させる前と後との形状が一致する形状である
構成が採用されてもよい（第８の実施態様）。

また、上記の第１乃至８のいずれかの実施態様において、
ｎ＝２ｍ（ｍは２≦ｍを満たす任意の自然数である定数）であり、
前記２枚のプレートのうち前記積層の方向の一方の端部から他方の端部に向かう方向に数えて（２ｒ−１）番目（ｒはｒ≦ｍを満たす任意の自然数である変数）に位置するプレートと、前記２枚のプレートのうち前記積層の方向の一方の端部から他方の端部に向かう方向に数えて２ｒ番目に位置するプレートとは互いに固着されることにより前記第１の中空部を形成するとともに、前記積層の方向の一方の端部から他方の端部に向かう方向に数えて各々ｒ番目に位置するプレートセットを構成し、
前記プレートセットのうち前記積層の方向の一方の端部から他方の端部に向かう方向に数えてｓ番目（ｓは（ｓ＋１）≦ｍを満たす任意の自然数である変数）に位置するプレートセットと、前記プレートセットのうち前記積層の方向の一方の端部から他方の端部に向かう方向に数えて（ｓ＋１）番目に位置するプレートセットとは、当該２枚のプレートセットの間に配置された封止材に対する当該２枚のプレートセットの圧着により前記第２の中空部を形成する
構成が採用されてもよい（第９の実施態様）。

また、上記の第１乃至９のいずれかの実施態様において、
前記第１の中空部および前記第２の中空部のうち少なくとも１の中空部に関し、当該中空部の中央から外縁に向かう方向に延伸し、当該中空部を流れる流体の流れを規制して当該流体の流路を長くする仕切り板を備える
構成が採用されてもよい（第１０の実施態様）。

本発明の第１の実施態様にかかる熱交換器によれば、例えば第一の流体の流路を構成するバイパスがプレートの外側に、また第二の流体の流路を構成するバイパスがプレートの内側に配置されているため、第一の流体をプレートの積層方向に概ね垂直に流入、流出させ、第二の流体をプレートの積層方向に沿って流入、流出させるなど、流体の流入出の方向の自由度が高い。

また、本発明の第２の実施態様にかかる熱交換器によれば、中空管形状のケーシングを備えているので、積層プレートアセンブリをケーシング内の所定位置に配置することで、容易にその位置決めをすることができる。

また、本発明の第３の実施態様にかかる熱交換器によれば、ケーシングの壁面の一部が第１のバイパスの壁面の一部を兼ねるので、例えば外側面に対し内側から開口するように空間を形成するプレート群をケーシング内に配置することで第１のバイパスを形成することができ、バイパス形成のコストを削減することができる。

また、本発明の第４の実施態様にかかる熱交換器によれば、ファンにより、ケーシング内において積層の方向に流体の流れを生じさせることができる。

また、本発明の第５の実施態様にかかる熱交換器によれば、ケーシングの一方の端部が開口していない場合であっても、第２の中空部を通ってケーシングの軸方向の一方の端部から他方の端部へと流れる流体が積層プレートアセンブリの内部を積層の方向に貫通する管状体を通って一方の端部へと流れることができ、流体間の熱交換を行うことができる。

また、本発明の第６または第７の実施態様にかかる熱交換器によれば、複数のプレートの各々が積層の方向を軸として互いに適切な角度で回転した位置関係に配置されることで流路の形成が行われる。従って、例えば所定角度だけずれた位置に流入口および流出口を配置した同一形状のプレートを当該所定角度だけ軸周りに回転させて積層することにより、容易に直接的に配置された中空部間に流路を形成することができる。

また、本発明の第８の実施態様にかかる熱交換器によれば、積層の方向を軸とし所定角度だけ互いに回転させた複数のプレートが軸方向に見た時に同一形状となって重なるため、その形状が同一となるようにプレートを回転させ積層することにより、容易にそれらのプレート間の位置決めを行うことができる。

また、本発明の第９の実施態様にかかる熱交換器によれば、例えば溶接等の固着により一体化されたプレートセットを任意の枚数だけ積層させ、それらを積層方向内側に圧着することで、熱交換器を実現することができる。従って、プレートセットの枚数を変更することで、容易に熱交換効率を変更することができる。

また、本発明の第１０の実施態様にかかる熱交換器によれば、流体が仕切り板を迂回するように中空部内を流れるため、高い熱交換効率を得ることができる。

図１は、本発明の実施形態にかかる熱交換器内の流体の流れのイメージを概念的に示した図である。 図２は、本発明の実施形態にかかる熱交換器の積層プレートアセンブリ内における流体の流れを示した図である。 図３は、本発明の実施形態にかかる熱交換器の積層プレートアセンブリを構成する２種類のプレートのうちの一方の断面図および平面図である。 図４は、本発明の実施形態にかかる熱交換器の積層プレートアセンブリを構成する２種類のプレートのうちのもう一方の断面図および平面図である。 図５は、本発明の実施形態にかかる熱交換器の積層プレートアセンブリを構成するプレートセットの断面の概略を表す図である。 図６は、本発明の実施形態にかかる熱交換器の積層プレートアセンブリを構成するプレートの一変形例の斜視図である。 図７は、本発明の実施形態にかかる熱交換器の積層プレートアセンブリの一変形例における流体の流れを示した図である。 図８は、本発明の実施形態の一変形例にかかる熱交換器内の流体の流れのイメージを概念的に示した図である。 図９は、本発明の実施形態の一変形例にかかる熱交換器の積層プレートアセンブリ内における流体の流れを示した図である。

（実施形態）
以下、本発明の一具体例である実施形態を、図面を用いて説明する。図１は、本実施形態にかかる熱交換器１の概略を示すとともに、その中を流れる流体の流れの様子を概念的に示した断面図である。

熱交換器１は、積層された複数枚のプレートを有する積層プレートアセンブリ１１と、積層プレートアセンブリ１１を内部に収納し当該積層の方向に延伸する中空管形状のケーシング１２とを備えている。

積層プレートアセンブリ１１は、図２に示されるように積層された複数枚のプレート１１１、流体の流れが流路から漏れることを防ぐための封止材１１２、複数枚のプレート１１１を中心軸の位置において締結する固着具１１３を有している。封止材１１２は中心軸から見て内側のリング状凹部１１１５１に配置されるＯリング１１２１と、プレート１１１の外縁部に沿って設けられた切り欠き１１１５２に配置される弾性体紐１１２２とにより構成される。封止材１１２の素材は例えばシリコンゴムであるがそれに限られない。

なお、プレート１１１の枚数は任意に変更可能であり、図１においては８枚のプレート１１１が用いられ、図２においては６枚のプレート１１１が用いられる。

各々の図において、左右方向がプレート１１１の積層の方向である。以下、特に断ることなく積層の方向というとき、各々の図における右側から左側へ向かう方向を意味するものとする。

上述したように、積層プレートアセンブリ１１を構成するプレート１１１の枚数は任意に変更可能であるが、以下、特に断る場合を除き、積層プレートアセンブリ１１には６枚のプレート１１１が用いられているものとする。また、それらのプレート１１１を互いに区別する必要がある場合、積層の方向に１番目のプレート１１１をプレート１１１−１、２番目のプレート１１１をプレート１１１−２、・・・、６番目のプレート１１１をプレート１１１−６、のように枝符号を付す。

プレート１１１は、例えばステンレス製であり、いずれも同じ直径の略円盤形状を有している点で共通しているが、積層の方向において奇数番目のプレート１１１と偶数番目のプレート１１１とではその形状が異なっている。以下、奇数番目のプレート１１１を右側プレート１１１、偶数番目のプレート１１１を左側プレート１１１と呼ぶ。

図３は右側プレート１１１の形状を示した断面図および平面図である。右側プレート１１１は、略円盤形状の中心位置に積層の方向に貫通するように設けられた貫通孔１１１１と、略円盤形状の外縁部に略矩形状に積層の方向に貫通するように設けられた切り欠き１１１２と、例えば略円盤形状の半径方向に細長く、積層の方向に貫通するように設けられた貫通孔１１１３とを有している。

貫通孔１１１１は固着具１１３の挿入を受け入れる。切り欠き１１１２は図３の平面図における背面側から手前側に向かい流れてくる第一の流体の流路である第１のバイパスの一部を構成する。貫通孔１１１３は図３の平面図における手前側から背面側に流れていく第二の流体の流路である第２のバイパスの一部を構成する。

右側プレート１１１は、図３の断面図に示されるように、貫通孔１１１１の外縁部から積層の方向と逆方向にリング状に隆起した内壁１１１４と、右側プレート１１１の外縁部から積層の方向と逆方向にリング状に隆起した外壁１１１５を有している。外壁１１１５の積層の方向に見た手前側面には、積層の方向に陥没する凹部１１１５１が積層の方向に見た場合にリング状となるように右側プレート１１１の外縁に沿って設けられている。凹部１１１５１にはＯリング１１２１が配置される。

また、外壁１１１５には、右側プレート１１１の外縁部の積層の方向に見た手前側角部を削るように、積層の方向に貫通しない切り欠き１１１５２が設けられている。切り欠き１１１５２は積層の方向に見た場合、全体として略リング状であるが、切り欠き１１１２において分断されている。切り欠き１１１５２には弾性体紐１１２２が配置される。

内壁１１１４と外壁１１１５との間には、図３の平面図における手前方向に開口する中空部１１１６が形成される。中空部１１１６は、図３の平面図における手前側から背面側へと流れる第二の流体の流路となる。

さらに、右側プレート１１１には、内壁１１１４と外壁１１１５を連結するように半径方向に延伸する仕切り壁１１１７が設けられている。仕切り壁１１１７は図３の平面図における手前側から背面側へと流れる第二の流体が直接、貫通孔１１１３に流れ入ることを妨げる。仕切り壁１１１７により、第二の流体は、図３の平面図における矢印の方向、すなわち積層の方向を軸とする軸周りに円弧を描くように流れた後、貫通孔１１１３に流れ入ることになる。

ところで、プレート１１１−１には仕切り壁１１１７が設けられていない。これは、プレート１１１−１より第二の流体の上流側にプレート１１１が存在しないため、仕切り壁１１１７が不要であるためである。ただし、プレート１１１−１が仕切り壁１１１７を有していてもよい。その場合、プレート１１１−１と他の右側プレート１１１とを同じ形状とすることができるので、量産の際にそれらの製造コストを下げることができる。

図４は左側プレート１１１の形状を示した断面図および平面図である。左側プレート１１１は、略円盤形状の中心位置に積層の方向に貫通するように設けられた貫通孔２１１１と、略円盤形状の外縁部に略矩形状に積層の方向に貫通するように設けられた切り欠き２１１２と、例えば略円盤形状の半径方向に細長く、積層の方向に貫通するように設けられた貫通孔２１１３とを有している。

貫通孔２１１１は固着具１１３の挿入を受け入れる。切り欠き２１１２は図４の平面図における背面側から手前側に向かい流れてくる第一の流体の流路である第１のバイパスの一部を構成する。貫通孔２１１３は図４の平面図における手前側から背面側に流れていく第二の流体の流路である第２のバイパスの一部を構成する。

左側プレート１１１は、図４の断面図に示されるように、貫通孔２１１１の外縁部から積層の方向と逆方向にリング状に隆起した内壁２１１４と、左側プレート１１１の外縁部から積層の方向と逆方向に隆起した外壁２１１５を有している。外壁２１１５は積層の方向に見て概ねリング状をなすが、切り欠き２１１２の位置と、その位置から左側プレート１１１の略円盤形状の中心右周りに約２０度の位置と、切り欠き２１１２の位置から左側プレート１１１の略円盤形状の中心右周りに約１８０度の位置において分断されている。

図４の平面図に示されるように、切り欠き２１１２から左側プレート１１１の中心右周り約２０度の位置には、外壁２１１５を半径方向に貫通するように切り欠き２１１８が設けられている。切り欠き２１１８は図４の平面図において、左側プレート１１１の手前側から、さらに手前側に配置されている他の左側プレート１１１へと流れていく第一の流体の流路である第１のバイパスの一部を構成する。

また、切り欠き２１１２から左側プレート１１１の中心右周り約１８０度の位置には、外壁２１１５を半径方向に貫通するように切り欠き２１１９が設けられている。切り欠き２１１９は図４の平面図における左側プレート１１１の手前側を矢印の方向に流れる第一の液体の流路を確保するために設けられている。

内壁２１１４と外壁２１１５との間には、図４の平面図における手前方向に開口する中空部２１１６が形成される。中空部２１１６は、図４の平面図における背面側から手前側へと流れる第一の流体の流路となる。

さらに、左側プレート１１１には、貫通孔２１１３の外縁を取り囲むように積層の方向の反対方向に隆起した仕切り壁２１１７が設けられている。仕切り壁２１１７は内壁２１１４とともに図４の平面図における手前側から背面側へと貫通孔２１１３を通って流れる第二の流体と、図４の平面図における背面側から中空部２１１６に流れ込み、切り欠き２１１８から手前側に流れ出る第一の流体とが混ざり合わないようにそれらの流路を仕切るとともに、第一の流体が中空部２１１６において矢印の方向、すなわち積層の方向を軸とする軸周りに円弧を描くように流れるように導く役割を果たす。

互いに隣接する右側プレート１１１と左側プレート１１１は、それらの貫通孔１１１１と貫通孔２１１１および貫通孔１１１３と貫通孔２１１３が各々連結するように積層の方向に見た場合の位置決めが行われた後、右側プレート１１１の背面（図３の平面図における背面）と、左側プレート１１１の手前面（図４の平面図における手前面）との接触面間の流体の通過を封止するように、例えば溶接による固着が行われている。図５はそのように固着された右側プレート１１１と左側プレート１１１とにより構成されるプレートセット２０の断面図である。なお、図５において溶接位置をＷで示している。

以下、プレートセット２０を互いに区別する必要がある場合、積層の方向に１番目のプレートセット２０をプレートセット２０−１、２番目のプレートセット２０をプレートセット２０−２、３番目のプレートセット２０をプレートセット２０−３のように枝符号を付す。

これら複数のプレートセット２０は積層の方向に重ね合わされ、ケーシング１２により積層の方向の外側から内側に押さえつけられるように挟み込まれることによってケーシング１２内の所定位置に固定される（図１参照）。その際、封止材１１２が隣接するプレートセット２０間に挟み込まれそれらのプレートセット２０に対し圧着され、その結果、プレートセット２０の接触面間が封止される。

ケーシング１２は積層プレートアセンブリ１１を積層の方向に挟み込むために、積層の方向の上流側に配置される管状体の右側管１２１と、積層の方向の下流側に配置される管状体の左側管１２２と、右側管１２１と積層プレートアセンブリ１１の上流側端部外縁との間に配置されるリング状体のスペーサリング１２３と、左側管１２２と積層プレートアセンブリ１１の下流側端部外縁との間に配置されるリング状体のスペーサリング１２４と、スペーサリング１２３およびスペーサリング１２４を介して積層プレートアセンブリ１１を挟み込んだ状体で右側管１２１と左側管１２２との接合をロックするリング状体であるロックリング１２５を備えている。

スペーサリング１２３には、積層プレートアセンブリ１１において積層の方向の上流側端部に位置するプレートセット２０の内部（中空部２１１６）から流れ出る第一の流体をケーシング１２の壁面を貫通する貫通孔を介してケーシング１２の外部へと導く第３のバイパスの一部を構成する切り欠き１２３１が設けられている。

スペーサリング１２４には、積層プレートアセンブリ１１において積層の方向の下流側端部に位置するプレートセット２０の内部（中空部２１１６）へと積層プレートアセンブリ１１の外部から第一の流体を流れ入れるために、ケーシング１２の壁面を貫通する貫通孔を介してケーシング１２の外部へと通じる第４のバイパスの一部を構成する切り欠き１２４１が設けられている。

なお、スペーサリング１２３と右側管１２１との接触面間、スペーサリング１２４と積層プレートアセンブリ１１との接触面間、スペーサリング１２４と左側管１２２との接触面間には、それぞれ、それらの接触面間を流体が通過しないように封止材として機能する例えばシリコンゴム製のＯリングが配置されている。

また、スペーサリング１２３の切り欠き１２３１に通じるようにケーシング１２の壁面に設けられた貫通孔の外側には、積層プレートアセンブリ１１から第一の流体を流し出すための流路である第３のバイパスの一部を形成する管状体である流出管１２７が取り付けられている。同様に、スペーサリング１２４の切り欠き１２４１に通じるようにケーシング１２の壁面に設けられた貫通孔の外側には、積層プレートアセンブリ１１へと第一の流体を流し入れるための流路である第４のバイパスの一部を形成する管状体である流入管１２６が取り付けられている。

なお、図１においては、流入管１２６および流出管１２７はケーシング１２の外側面上の積層の方向に延伸する同一直線上に配置されているように示されているが、実際には積層の方向に見た場合の流入管１２６と流出管１２７の位置は異なっていてもよい。１枚のプレートセット２０における第一の流体の流入口を構成する切り欠き２１１２と流出口を構成する切り欠き２１１８との間の角度が約２０度であるため、例えば積層プレートアセンブリ１１を構成するプレートセット２０が３枚である場合、第一の流体の流入口と流出口の位置は積層の方向に見て約６０度ずれることになる。

ところで、複数の積層されたプレートセット２０が右側管１２１および左側管１２２により外縁部においてのみ積層の方向の内側に締め付け固定される場合、何らかの原因でその中心軸付近において積層の方向に膨らむような変形を生じやすい。そのような変形が生じると、右側プレート１１１の仕切り壁１１１７とそれに対向する左側プレート１１１の背面との間に隙間が生じ、第二の流体の一部がプレートセット２０の間に形成された中空部１１１６で図３の平面図における矢印で示されるような円弧を描く流れをしないでその隙間から直接、貫通孔１１１３に流れてしまい、十分な熱交換効率が得られなくなり望ましくない。そのような問題を回避するため、積層プレートアセンブリ１１を積層の方向に見た場合の中央付近には固着具１１３が取り付けられ、固着具１１３により複数のプレートセット２０が積層の方向の内側に向けて締め付けられるようになっている。

固着具１１３は例えばステンレス製のボルトとナットである。積層プレートアセンブリ１１を積層の方向に見た場合の中央付近には、積層の方向に貫通する貫通孔が生じている。この貫通孔は、右側プレート１１１の貫通孔１１１１と、左側プレート１１１の貫通孔２１１１が連結されて生じたものである。固着具１１３のボルトが積層プレートアセンブリ１１に生じている貫通孔に通された後、ナットにより締め上げられることにより、複数のプレートセット２０の中央付近における積層の方向の固定が行われる。

以上が熱交換器１の構成の説明である。

続いて、熱交換器１において第一の流体と第二の流体との間で熱交換が行われる様子を説明する。

第一の流体と第二の流体は互いに温度差を持つ流体である。以下、例として、第一の流体が相対的に低温であり、第二の流体が相対的に高温であるものとする。

第一の流体は、流入管１２６に対し外部から所定の圧力で圧入される（図１参照）。流入管１２６に圧入された第一の流体は、流入管１２６、スペーサリング１２４の切り欠き１２４１、プレート１１１−６の切り欠き２１１２により構成される第４のバイパスを通って、プレート１１１−６とプレート１１１−５との間の中空部２１１６（第１の中空部）に流れ込む。

図２に示されるように、プレート１１１−６とプレート１１１−５との間の中空部２１１６（第１の中空部）に流れ込んだ第一の流体は、その中空部２１１６の中を約３４０度の円弧を描くように流れた後、プレート１１１−６の切り欠き２１１８、プレート１１１−５の切り欠き１１１２、プレート１１１−４の切り欠き２１１２により構成される第１のバイパスを通って、プレート１１１−４とプレート１１１−３との間の中空部２１１６（第１の中空部）に流れ込む。

プレート１１１−４とプレート１１１−３との間の中空部２１１６に流れ込んだ第一の流体は、その中空部２１１６の中を約３４０度の円弧を描くように流れた後、プレート１１１−４の切り欠き２１１８、プレート１１１−３の切り欠き１１１２、プレート１１１−２の切り欠き２１１２により構成される第１のバイパスを通って、プレート１１１−２とプレート１１１−１との間の中空部２１１６（第１の中空部）に流れ込む。

プレート１１１−２とプレート１１１−１との間の中空部２１１６に流れ込んだ第一の流体は、その中空部２１１６の中を約３４０度の円弧を描くように流れた後、プレート１１１−２の切り欠き２１１８、プレート１１１−１の切り欠き１１１２、スペーサリング１２３の切り欠き１２３１、流出管１２７により構成される第３のバイパスを通って熱交換器１の外部へ流れ出す（図１参照）。

なお、第４のバイパスおよび第１のバイパスは、その壁面の一部がケーシング１２の壁面の一部により構成されている。

一方、第二の流体は、ケーシング１２内の積層プレートアセンブリ１１から見て積層の方向の上流側から下流側に向かい加圧されて流れるように供給される。積層の方向に上流側から加圧されて流れてきた第二の流体は、図２に示されるように、プレート１１１−１の貫通孔１１１３、プレート１１１−２の貫通孔２１１３により構成されるバイパスを通って、プレート１１１−２とプレート１１１−３との間の中空部１１１６（第２の中空部）に流れ込む。

プレート１１１−２とプレート１１１−３との間の中空部１１１６（第２の中空部）に流れ込んだ第二の流体は、その中空部１１１６の中を約３４０度の円弧を描くように流れた後、プレート１１１−３の貫通孔１１１３、プレート１１１−４の貫通孔２１１３により構成される第２のバイパスを通って、プレート１１１−４とプレート１１１−５との間の中空部１１１６（第２の中空部）に流れ込む。

プレート１１１−４とプレート１１１−５との間の中空部１１１６（第２の中空部）に流れ込んだ第二の流体は、その中空部１１１６の中を約３４０度の円弧を描くように流れた後、プレート１１１−５の貫通孔１１１３、プレート１１１−６の貫通孔２１１３により構成されるバイパスを通って、ケーシング１２内の積層プレートアセンブリ１１から見て下流側に流れ出す。

上記のように、第一の流体が第１のバイパスにより直列的に連結された複数の中空部２１１６（第１の中空部）内の流路を順次流れると同時に、第二の流体が第２のバイパスにより直列的に連結された複数の中空部１１１６（第２の中空部）内の流路を順次流れる間、各プレート１１１を介して第二の流体から第一の流体への熱伝導が行われる。その結果、第一の流体と第二の流体の間の熱交換が行われる。

なお、上述のような第一の流体および第二の流体のための流路が形成されるためには、図２に示されるように、プレートセット２０−１に対しプレートセット２０−２が、またプレートセット２０−２に対しプレートセット２０−３が、各々、積層の方向の中心軸（プレートセット２０の中心を通る軸）の周りに左方向に約２０度、ずれるように配置される必要がある。

以上のように、熱交換器１によれば、第二の流体の流路を形成している管の途中に熱交換器１を咬ませるように配置するとともに、第二の流体の流れの方向に対し概ね垂直方向に開口する流入管１２６に対し第一の流体を圧入することで、第一の流体と第二の流体との間の熱交換を行うことができる。従って、例えば第二の流体の流路を形成している管の外に熱交換器を設ける場合と比較し、その配管がシンプルであるとともに、熱交換器１の配置に多くの空間を要することもない。

なお、第一の流体は第二の流体の流れの方向に対し概ね垂直方向に開口する流出管１２７から流れ出てくる。そのため、第一の流体の循環流路を熱交換器１に対し接続する際、循環流路の取り回しも容易である。

さらに、熱交換器１に用いるプレートセット２０の数を変更することで容易に熱交換器１の熱交換能力を変更することができる。また、熱交換器１の組み立ては複数のプレートセット２０を積層し、それらを固着具１１３で固定した後、ケーシング１２内に設置するだけでよく、短時間で簡単にその組み立て、分解、掃除等を行うことができる。

（変形例）
上述した実施形態は、本発明の技術的思想の範囲内で様々に変形が可能である。以下にそのような変形の例を示す。

上述した実施形態においては、図４に示されるように、左側プレート１１１の外壁２１１５に切り欠き２１１９が設けられている。この切り欠き２１１９は中空部２１１６の中における第一の流体の流路を確保するために設けられているが、例えば貫通孔２１１３の半径方向の長さを短くする等により第一の流体の流路が十分に確保される場合、切り欠き２１１９は設けられなくてもよい（図６参照）。

また、上述した実施形態においては、第一の流体および第二の流体の流路を長くとることでそれらの流体の流速が一定の場合における熱交換が行われる時間を長くし、熱交換器１の熱交換能力が高められている。このように流体の流路を長くとれば、熱交換能力を高めることができる一方、流体が流れる際の抵抗も高くなる。従って、例えば第一の流体の粘性が高いような場合、その圧入に要する力が高圧となり過ぎることがある。そのような場合、第一の流体の抵抗を小さくするために、左側プレート１１１と右側プレート１１１の形状を図７に示すような形状に変更し、プレートセット２０における第一の流体の流入口の位置と流出口の位置がプレートセット２０の中心軸周りに約１８０度ずれるような構成が採用されてもよい。

また、ケーシング１２内に、上述の積層の方向に第二の流体の流れを生じさせるファンを備えるように熱交換器１を構成してもよい。そのような構成の熱交換器１によれば、当該ファンの回転により第二の流体に流れが生じるため、例えば外部に第二の流体を圧入する装置を配置することが困難な場合であっても熱交換を行うことができる。

なお、本明細書中における「ファン」は、各種プロペラ、羽根車、コンプレッサ等も含む広い意味での流体加圧装置であるものとする。

また、プレート１１１とケーシング１２は積層の方向に見た場合、略円盤状の形状を有するものとしたが、その形状は任意に変更可能である。例えば、プレート１１１とケーシング１２を積層の方向に見た場合の形状を概ね正十八角形とすると、互いに隣接するプレートセット２０の位置決めを行う際、積層の方向に見て同じ形状位置となるように配置したそれらのプレートセット２０の一方を、正十八角形の対応する頂点が一つ分ずれるように積層の方向の中心軸周りに回転させれば正確に２０度のずれを実現することができる。

このように、プレートセット２０間をずらす角度と同様の角度だけ中心軸周りに回転させると同じ形状となるようにプレート１１１の形状を定めることにより、プレートセット２０間の位置決めが容易となる。その際、プレート１１１は正多角形に限られず、所定角度だけ回転させると同じ形状となる如何なる形状が採用されてもよい。

なお、上述した実施形態においては、隣接するプレートセット２０間は中心軸周りに約２０度回転して配置されるものとしたが、その角度は任意に変更可能である。その角度を小さくすると、第一の流体の流路である第２のバイパスの断面積が小さくなる一方、第一の流体および第二の流体の流路を長くすることができ、熱変換能力を高めることができる。一方、その角度を大きくすると、熱変換能力は下がるが、第２のパイパスの断面積を広くすることができるため、例えば第二の流体の粘性が高い場合に望ましい。

また、上述した実施形態においては、第一の流体は流入管１２６から流入し、流出管１２７から熱交換器１の外へ流出するものとしたが、その流れの方向は逆であってもよい。すなわち、第一の流体が流出管１２７から圧入され、流入管１２６から流れ出るように、第一の流体の循環流路の熱交換器１に対する接続がおこなわれてもよい。

同様に、第二の流体の流れの方向を上述した実施形態におけるものと逆としてもよい。すなわち、図１における左側から右側へと第二の流体が流れるように、第二の流体に対する加圧が行われてもよい。

なお、第一の流体と第二の流体の温度差が熱交換器１における特定部分において不必要に大きくなることは熱膨張比率の差による熱交換器１の破損などをもたらす等の理由で望ましくない。その点、熱交換器１においては、隣接するプレート１１１の間に形成される中空部を直列的に連結することにより第一の流体および第二の流体の流路が形成されており、それらの流路内を流れる第一の流体の流れの方向と、第二の流体の流れの方向とを互いに逆にすることが可能であるため、互いにプレート１１１を介して接するそれら２種類の流体の温度差を流路の全領域において小さくすることができる。

例えば、第一の流体が相対的に低温であり、第二の流体が相対的に高温である場合、流入管１２６から流入されたばかりの第一の流体は、熱を奪われて低温化された第二の流体との間で熱交換を行い、流出管１２７近くに流れ至った第一の流体は、熱を奪って高温化した状体でまだ低温化されていない高温の第二の流体との間で熱交換を行うことになる。従って、互いにプレート１１１を介して接する第一の流体と第二の流体との温度差が平均化され、局所的に大きい温度差が生じることがないため安全である。

また、上述した実施形態における熱交換器１の各構成部の素材は任意に変更可能である。例えば、封止材としてシリコンゴム以外の素材が採用されてもよい。また、プレート１１１やケーシング１２、固着具１１３の素材として、ステンレス以外の素材が採用されてもよい。例えば、プレート１１１に銅などの熱伝導率が高い素材を採用することで熱交換率を高めることができる。

また、固着具１１３は、ボルトおよびナットによって構成されるものとしたが、積層プレートアセンブリ１１を軸方向に締結することが可能な他のいかなる固着のための器具が用いられてもよい。さらに、プレートセット２０が変形するおそれがない場合には、固着具１１３は設けられなくてもよい。

また、上述した実施形態においては、隣接する右側プレート１１１の背面と左側プレート１１１の手前面との接触面（の端部）が溶接により固着されるものとしたが、それらの固着の方法は溶接に限られず、流体を封止可能な他の如何なる固着の方法が採用されてもよい。例えば、接着により接触面が互いに固着されてもよい。

また、隣接する右側プレート１１１の背面と左側プレート１１１の手前面との接触面を固着させプレートセット２０を構成することに代えて、プレートセット２０間の封止と同様に、Ｏリング等の封止材を右側プレート１１１の背面と左側プレート１１１の手前面との間に配置し、それらの封止材を右側プレート１１１と左側プレート１１１で挟み込み、封止材をそれらに圧着させることで、それらの間の封止を行う構成が採用されてもよい。

また、隣接するプレートセット２０の間を封止材の圧着により封止する代わりに、それらを溶接や接着剤等による固着により封止する構成が採用されてもよい。

また、ケーシング１２に積層プレートアセンブリ１１を収容する代わりに、例えば第１のバイパスを形成するための壁面を設けるとともに、第二の流体を積層プレートアセンブリ１１に流入させる流入管をプレート１１１−１の貫通孔１１１３に、また積層プレートアセンブリ１１から流出する第二の流体を受容する流出管をプレート１１１−６の貫通孔２１１３に、各々連結する構成が採用されてもよい。そのような変形例にかかる左側プレート１１１の斜視図を図６に示す。

また、上述した実施形態における第一の流体の流路の配置、第二の流体の流路の配置は各々変更可能である。例えば、第１のバイパスはプレート１１１の外縁部に、第２のバイパスはプレート１１１の内側を貫くように配置されるものとしたが、それらの配置は任意に変更可能である。

例えば、図８はそのような流体の流路の配置を上述した実施形態から変更した一変形例を示している。図８に示す変形例においては、ケーシング１２の一方が開口せず、壁に対しその管状体の軸が垂直となるように設置されている。このような場合、図８における左方向に第二の流体が流れることができないため、貫通孔１１１１および貫通孔２１１１の内側にパイプを配置し、そのパイプを第二流体の流路としている。

なお、貫通孔１１１１および貫通孔２１１１の内側にパイプを配置した場合、貫通孔１１１３および貫通孔２１１３を通り円弧を描きながら流れるべき第二の流体が貫通孔１１１１および貫通孔２１１１へと迂回する心配がないので、図９に示すように、貫通孔１１１１と貫通孔１１１３及び貫通孔２１１１と２１１３の各々を繋ぎ一つの貫通孔にすることもできる。これにより貫通孔１１１３および貫通孔２１１３の面積が増え、第二の流体に関する流体抵抗を下げることができる。

また、第一の流体は中空部２１１６の中を、第二の流体は中空部１１１６の中を円弧を描くように流れるものとしたが、例えば渦巻き状の流路や蛇行する流路など、他の様々な形状の流路がそれらの中空部の中に構成されてもよい。また、第一の流体および第二の流体の熱交換器１における流入、流出の位置やその方向も任意に変更可能である。

また、上述した実施形態においては例として、第一の流体が相対的に低温であり、第二の流体が相対的に高温であるものとしたが、これらは逆であってもよい。

また、本願における流体とは液体、気体を含む全ての流体である。

本発明は、熱交換を要する様々な装置に適用が可能であり、かつ量産可能であるため、いわゆる製造業や小売業等のサービス業において利用可能である。

１…熱交換器、１１…積層プレートアセンブリ、１２…ケーシング、２０…プレートセット、１１１…プレート、１１２…封止材、１１３…固着具、１２１…右側管、１２２…左側管、１２３…スペーサリング、１２４…スペーサリング、１２５…ロックリング、１２６…流入管、１２７…流出管

Claims (10)

1. 積層されたｎ枚（ｎは５≦ｎを満たす任意の自然数である定数）のプレートを有する積層プレートアセンブリを備え、
   前記ｎ枚のプレートのうち互いに隣接する２枚のプレートは各々、当該２枚のプレートの間に中空部を形成し、
   前記ｎ枚のプレートのうち前記積層の方向の一方の端部から他方の端部に向かう方向に数えて（２ｘ−１）番目（ｘは２ｘ≦ｎを満たす任意の自然数である変数）のプレートと２ｘ番目のプレートとの間に形成される２以上の第１の中空部のうち、前記積層の方向の前記一方の端部に最も近い第１の中空部は前記積層プレートアセンブリの外部に通じる第１の開口部を備え、
   前記２以上の第１の中空部のうち、前記積層の方向の前記他方の端部に最も近い第１の中空部は前記積層プレートアセンブリの外部に通じる第２の開口部を備え、
   前記２以上の第１の中空部のうち互いに隣接する２つの第１の中空部を各々連結し、当該２つの第１の中空部のうち前記積層の方向の前記一方の端部に近い第１の中空部を通過した流体を当該２つの第１の中空部のうち前記積層の方向の前記他方の端部に近い第１の中空部へと流れ込ませる第１のバイパスを備え、
   前記ｎ枚のプレートのうち前記積層の方向の前記一方の端部から前記他方の端部に向かう方向に数えて２ｙ番目（ｙは２ｙ＋１≦ｎを満たす任意の自然数である変数）のプレートと（２ｙ＋１）番目のプレートとの間に形成される２以上の第２の中空部のうち、前記積層の方向の前記一方の端部に最も近い第２の中空部は前記積層プレートアセンブリの外部に通じる第３の開口部を備え、
   前記２以上の第２の中空部のうち、前記積層の方向の前記他方の端部に最も近い第２の中空部は前記積層プレートアセンブリの外部に通じる第４の開口部を備え、
   前記２以上の第２の中空部のうち互いに隣接する２つの第２の中空部を各々連結し、当該２つの第２の中空部のうち前記積層の方向の前記他方の端部に近い第２の中空部を通過した流体を当該２つの第２の中空部のうち前記積層の方向の前記一方の端部に近い第２の中空部へと流れ込ませる第２のバイパスを備え、
   前記第１の中空部と前記第２の中空部との間を流体が流れることがないように前記第１の中空部と前記第２の中空部とが互いに分離されており、
   前記１以上の第１のバイパスの各々は、前記積層の方向において当該第１のバイパスにより互いに連結される２つの第１の中空部の間に位置する第２の中空部の外側面上に沿うように配置され、
   前記１以上の第２のバイパスの各々は、前記積層の方向において当該第２のバイパスにより互いに連結される２つの第２の中空部の間に位置する第１の中空部の内側を貫通するように配置される
   熱交換器。
2. 前記積層プレートアセンブリを内部に収容し、前記積層の方向に延伸する中空管形状のケーシングを備え、
   前記ケーシングの中空部は前記積層プレートアセンブリにより、前記積層の方向における前記一方の端部側に位置する中空部と前記他方の端部側に位置する中空部とに分離され、
   前記第１の開口部は前記ケーシングの壁面を貫通する第３のバイパスを介して前記ケーシングの外部に連結され、
   前記第２の開口部は前記ケーシングの壁面を貫通する第４のバイパスを介して前記ケーシングの外部に連結され、
   前記第３の開口部は、前記ケーシングの中空部のうち前記一方の端部側に位置する中空部に対し開口し、
   前記第４の開口部は、前記ケーシングの中空部のうち前記他方の端部側に位置する中空部に対し開口する
   請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記１以上の第１のバイパスの各々の壁面の一部は、前記ケーシングの壁面である
   請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記ケーシング内に前記積層の方向に流体の流れを生じさせるファンを備える
   請求項２または３に記載の熱交換器。
5. 前記ケーシングの中空部のうち前記一方の端部側に位置する中空部と前記他方の端部側に位置する中空部との間を連結するように前記積層プレートアセンブリの内部を積層の方向に貫通し、前記第４の開口部を介して連結される前記第２の中空部を除く前記第１の中空部、前記第１のバイパス、前記第２の中空部および前記第２のバイパスのいずれとの間においても流体が流れることがないように分離されている流路を形成する管状体を備える
   請求項２乃至４のいずれかに記載の熱交換器。
6. 前記ｎ枚のプレートのうち前記積層の方向の一方の端部から他方の端部に向かう方向に数えて（２ｐ−１）番目（ｐは（２ｐ−１）≦ｎを満たす任意の自然数である変数）に位置する２以上のプレートのうち少なくとも互いに隣接する２つのプレートは同一の形状を有し、
   前記同一の形状を有する２つのプレートは、前記積層の方向に見て当該形状が一致する位置から前記積層の方向に延伸する一の軸の周りに所定角度だけ回転された状態で積層されている
   請求項１乃至５のいずれかに記載の熱交換器。
7. 前記ｎ枚のプレートのうち前記積層の方向の一方の端部から他方の端部に向かう方向に数えて２ｑ番目（ｑは２ｑ≦ｎを満たす任意の自然数である変数）に位置する２以上のプレートのうち少なくとも互いに隣接する２つのプレートは同一の形状を有し、
   前記同一の形状を有する２つのプレートは、前記積層の方向に見て当該形状が一致する位置から前記積層の方向に延伸する一の軸の周りに所定角度だけ回転された状態で積層されている
   請求項１乃至６のいずれかに記載の熱交換器。
8. 前記ｎ枚のプレートの各々に関し、当該プレートの外縁を前記一の軸の方向に投影した形状は、前記一の軸の周りの一の方向に前記所定の角度だけ回転させる前と後との形状が一致する形状である
   請求項６または７に記載の熱交換器。
9. ｎ＝２ｍ（ｍは２≦ｍを満たす任意の自然数である定数）であり、
   前記２枚のプレートのうち前記積層の方向の一方の端部から他方の端部に向かう方向に数えて（２ｒ−１）番目（ｒはｒ≦ｍを満たす任意の自然数である変数）に位置するプレートと、前記２枚のプレートのうち前記積層の方向の一方の端部から他方の端部に向かう方向に数えて２ｒ番目に位置するプレートとは互いに固着されることにより前記第１の中空部を形成するとともに、前記積層の方向の一方の端部から他方の端部に向かう方向に数えて各々ｒ番目に位置するプレートセットを構成し、
   前記プレートセットのうち前記積層の方向の一方の端部から他方の端部に向かう方向に数えてｓ番目（ｓは（ｓ＋１）≦ｍを満たす任意の自然数である変数）に位置するプレートセットと、前記プレートセットのうち前記積層の方向の一方の端部から他方の端部に向かう方向に数えて（ｓ＋１）番目に位置するプレートセットとは、当該２枚のプレートセットの間に配置された封止材に対する当該２枚のプレートセットの圧着により前記第２の中空部を形成する
   請求項１乃至８のいずれかに記載の熱交換器。
10. 前記第１の中空部および前記第２の中空部のうち少なくとも１の中空部に関し、当該中空部の中央から外縁に向かう方向に延伸し、当該中空部を流れる流体の流れを規制して当該流体の流路を長くする仕切り板を備える
    請求項１乃至９のいずれかに記載の熱交換器。

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