JP6324118B2 - 熱交換器用プレートおよび熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、例えば自動車等に用いられ、効率よく熱交換を行うことが可能な熱交換器等に関するものである。

従来から、例えば、車内の暖房を行うために、蓄熱材や排熱を用いて暖房装置内を循環する熱媒体を加熱して、高温の熱媒体とエアとを熱交換させながら、温風を車内に送風する方法がある。このような暖房システムにおいては、蓄熱材や排熱と熱媒体とを効率よく熱交換する必要がある。

このような、蓄熱装置としては、蓄熱材収容ケース内に熱交換用のフィン壁を設けたものがある（特許文献１）。

特開２０１２−４７３７０号公報

しかし、従来の熱交換器は、例えば蓄熱材等と熱媒体との熱交換を効率よく行うため、熱伝導性の良い金属ケースで形成される。しかし、金属製のケースでは、熱が外部に逃げてしまうため、熱を有効に利用することが困難であった。

また、このようなケースは、加工部位が多く、ろう付けなどの作業が必要となることから、製造性が悪い。また、ろう材が蓄熱材に溶け出すため、熱性能の劣化の恐れがある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、簡易な構造で製造性が良好であり、効率よく熱交換を行うことが可能な熱交換器用プレート及びこれを用いた熱交換器を提供することを目的とする。

前述した目的を達成するため、第１の発明は、熱交換器用のプレートであって、樹脂製の本体部と、前記本体部に設けられる流体通過用の孔と、前記本体部の外周に設けられる壁部と、前記壁部の上面または下面の少なくともいずれかに設けられるシール部と、前記本体部に設けられる熱交換部と、を具備し、前記本体部を積層させて、前記壁部同士を前記シール部によって封止することで、前記熱交換部同士の間に流路を形成可能であり、前記熱交換部は、蓄熱材が封入された蓄熱材ケースであり、前記蓄熱材ケースは、一対のケース部材を対向させて配置し、前記本体部によって、前記ケース部材同士の合わせ部が封止されることを特徴とする熱交換器用プレートである。

前記ケース部材は、ステンレス製またはアルミニウム製であることが望ましい。

前記蓄熱材ケースには、内部の蓄熱材の発核装置が設けられ、前記発核装置の動作部が、前記本体部を貫通して、前記壁部の外部に設けられてもよい。

前記本体部には、複数の前記孔が設けられ、前記孔の少なくとも一部には、前記本体部の上面側に起立する筒状部が設けられ、前記孔の残部には、前記本体部の下面側に起立する筒状部が設けられ、前記筒状部にはシール部が設けられ、前記筒状部と前記壁部の高さは略同一であり、前記本体部を積層する際に、互いの前記筒状部同士が対向するように積層可能であってもよい。

第１の発明によれば、熱交換器用プレートが、積層可能な樹脂製のプレートであるため、プレートを積層させて熱交換器を形成した際に、外部に対する断熱性が良好である。また、構造が簡易であり、プレートを積層することで、熱交換器を構成することができるため、製造性にも優れる。

また、蓄熱材ケースを配置することで、蓄熱材と熱媒体との熱交換を行うことができる。この際、蓄熱材ケースの周囲の封止を、本体部を構成する樹脂で行うことができる。このため、ろう付け等が不要である。なお、ケース部材は、金属製であるため、熱媒体との熱交換効率は良好である。

また、蓄熱材ケースに発核装置を設けることで、任意のタイミングで、熱を放出することができる。

第２の発明は、熱交換器であって、第１の発明にかかる熱交換器用プレートを、複数枚積層させて、前記壁部同士を前記シール部で封止することで、前記熱交換部同士の間に流路が形成され、前記蓄熱材ケース間が流路となることを特徴とする熱交換器である。

前記本体部には、複数の前記孔が設けられ、前記孔の少なくとも一部には、前記本体部の上面側に起立する筒状部が設けられ、前記孔の残部には、前記本体部の下面側に起立する筒状部が設けられ、前記筒状部と前記壁部の高さは略同一であり、前記筒状部同士が対向するように前記本体部が積層され、前記筒状部同士の間がシールされてもよい。

第２の発明によれば、熱交換器用プレートを複数枚積層することで構成されるため、構造が簡易であり、外部との断熱性も優れた熱交換器を得ることができる。

また、蓄熱材を設けることで、蓄熱材の潜熱を利用した熱交換器を得ることができる。また、筒状部を表裏面の両者に千鳥状に形成し、これらを組み合わせることで、二つの互いに独立した流路を形成することができる。このため、２種類の熱媒体同士の熱交換を行うこともできる。

本発明によれば、簡易な構造で製造性が良好であり、効率よく熱交換を行うことが可能な熱交換器用プレート及びこれを用いた熱交換器を提供することができる。

熱交換器用プレート１を示す斜視図。 熱交換器用プレート１を示す平面図。 熱交換器用プレート１を示す断面図であり、図２のＡ−Ａ線断面図。 （ａ）〜（ｃ）は、ケース部材５ａ、５ｂの接合方法を示す図であり、図３のＢ部の拡大図。 発核装置を設けた際の構造を示す図。 熱交換器１０を示す図。 熱交換器用プレート１ａを示す斜視図。 熱交換器用プレート１ａ示す平面図。 熱交換器用プレート１ａを示す断面図であり、（ａ）は、図８のＧ−Ｇ線断面図、（ｂ）は、図８のＨ−Ｈ線断面図。 熱交換器１０ａを示す図。 熱交換器用プレート１ｂを示す斜視図。 熱交換器用プレート１ｂを示す断面図であり、（ａ）は、図９（ａ）に対応する図、（ｂ）は、図９（ｂ）に対応する図。 熱交換器１０ｂを示す図。

（実施形態１）
以下、本発明の実施の形態にかかる熱交換器用プレート１について説明する。図１は、熱交換器用プレート１を示す斜視図であり、図２は、平面図である。熱交換器用プレート１は、主に、本体部３、蓄熱材ケース５、シール部材１１等から構成される。

本体部３は、樹脂製の部材である。本体部３は、例えば、耐熱性に優れるポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）で構成される。本体部３は、略矩形の板状部材であり、外周部に壁部９が形成される。壁部９は、本体部の表裏面の両側に突出する部位である。壁部９で囲まれた内部には、複数の流通孔７が複数形成される。流通孔７は、本体部３を貫通する孔であり、後述する熱媒体（流体）が通過する部位である。

壁部９には、表裏面を貫通する貫通孔１３が複数形成される。貫通孔１３は、固定部材が挿通される部位である。壁部９の上面側であって、貫通孔１３の内周側には、環状にシール部材１１が設けられる。シール部材１１は、例えばＯリングなどの部材である。すなわち、壁部９の上面にシール部が形成される。

なお、本体部３自体が密着性に優れれば、シール部材１１がなくても、壁部９の上面がシール部となり得る。また、壁部９の上面側のみではなく、下面側または両面にシール部を形成してもよい。以下の説明では、シール部材を用いて各部のシールを行う方法について説明するが、他の方法で各部のシール性を確保してもよい。

本体部３の略中央には、熱交換部である蓄熱材ケース５が設けられる。流通孔７は、蓄熱材ケース５を挟むように蓄熱材ケース５の両側に形成される。図３は、図２のＡ−Ａ線断面図である。

図３に示すように、蓄熱材ケース５は、一対のケース部材５ａ、５ｂが対向して配置されて構成される。ケース部材５ａ、５ｂは、金属製であり、例えばアルミニウム（アルミニウム合金含む）またはステンレス製である。ケース部材５ａ、５ｂの外周部には、フランジ状の合わせ部１７がそれぞれ設けられる。ケース部材５ａ、５ｂそれぞれの合わせ部１７が封止されることで、箱形状が形成される。蓄熱材ケース５の内部には、蓄熱材１５が封入される。

蓄熱材１５は、一時的に熱を蓄えることができればよく、例えば、パラフィンや関東商事社製の「パッサーモ」（商品名）等を使用することができる。また、蓄熱材１５は、潜熱蓄熱材を用いることもできる。例えば、酢酸ナトリウム３水塩や硫酸ナトリウム１０水塩などを用い、物質の相変化に伴う潜熱を蓄熱することができる。特に、過冷却型蓄熱材は、凝固点温度以下になっても相変化（結晶化）が起きない状態を保ち、液体にある衝撃や振動や摩擦といったエネルギーを加えることで結晶の種を生成し、今まで不規則に浮遊していた分子やイオンが突如、種結晶に向かって結合（凝固）を始めて、一気に凝固熱を周囲に放出するものである。

なお、図３に示すように、壁部９の厚み（高さ）は、蓄熱材ケース５の厚み（高さ）よりも厚い（高い）。したがって、後述するように、壁部９同士が接触するように熱交換器用プレート１を積層した際にも、蓄熱材ケース５同士の間には空間が形成される。

図４は、図３のＢ部における、ケース部材５ａ、５ｂの封止工程を示す図である。図４（ａ）に示すように、ケース部材５ａ、５ｂの外縁部には、それぞれ合わせ部１７が設けられる。

図４（ｂ）に示すように、ケース部材５ａ、５ｂを対向させて合わせ部１７同士を密着させた状態で、プレス治具１９によって挟み込む（図中矢印Ｃ）。さらに、図４（ｃ）に示すように、この状態の合わせ部１７を覆うように、樹脂２１射出成型する。樹脂２１は、本体部３を構成する樹脂である。すなわち、蓄熱材ケース５は、本体部３と一体化される。この際、合わせ部１７を覆うように樹脂２１が射出されるため、合わせ部１７が開くことがなく、確実にケース部材５ａ、５ｂを封止することができる。

なお、ケース部材５ａ、５ｂの形状や封止方法は図示した例には限られない。ケース部材５ａ、５ｂの外周部が、本体部３を構成する樹脂によって封止され、本体部３と蓄熱材ケース５とが一体化できれば、いずれの方法も適用可能である。

なお、蓄熱材ケース５内に発核装置を設けることもできる。発核装置は、蓄熱材ケース５内部で動作し、蓄熱材１５の相変化のトリガーとなる装置である。例えば、蓄熱材１５に対して衝撃を加えることで、任意のタイミングで蓄熱材１５を相変化させ、凝固熱を得ることができる。

図５は、発核装置を動作させる動作部２５の構造の一例を示す図である。合わせ部１７の間には管体２３が設けられる。管体２３および合わせ部１７は、樹脂２１によって封止されて一体化される。管体２３には、発核装置を動作させるための動作部２５が挿通される。すなわち、管体２３によって、動作部２５が蓄熱材ケース５の内外を貫通する。なお、管体２３の内面と棒状の動作部２５の間は、シール部材によってシールされる。

このように、発核装置の動作部２５を、合わせ部１７の間から蓄熱材ケース５の外部に引き出すことで、蓄熱材ケース５の外部から動作部２５によって、発核装置を動作させることができる。例えば、動作部２５の往復動作または回転動作によって、蓄熱材１５に衝撃等を付与することができる。なお、以下の説明では、発核装置等に関する構成については、図示および説明を省略する。

次に、熱交換器用プレート１を用いた熱交換器について説明する。図６は、熱交換器１０を示す断面図である。熱交換器１０は、複数枚の熱交換器用プレート１が積層されて構成される。熱交換器用プレート１は、壁部９の上下面が互いに接触するように積層される。この際、対向する壁部９同士の間には、シール部材１１が配置されるため、熱交換器用プレート１の壁部９で囲まれた空間が封止される。

なお、熱交換器１０の最上段および最下段には、カバー部材２７が設けられる。すなわち、カバー部材２７で熱交換器用プレート１が挟み込まれる。カバー部材２７は、樹脂製である。カバー部材２７は、シール部材１１を介して壁部９と密着する。したがって、熱交換器１０の上下面を覆い、カバー部材２７および熱交換器用プレート１の壁部９で囲まれた空間が密閉される。

また、カバー部材２７には、熱交換器用プレート１の貫通孔１３に対応した位置に孔が形成される。したがって、熱交換器用プレート１の貫通孔１３とカバー部材２７の孔とが直線状に配列する。貫通孔１３には、カバー部材２７の上下面に貫通するように固定部材３３が設けられて、固定される。すなわち、固定部材３３によって、カバー部材２７および熱交換器用プレート１が固定される。

一方のカバー部材２７には流入口２９が設けられる。他方のカバー部材２７には流出口３１が設けられる。流入口２９および流出口３１は、熱交換器用プレート１の流通孔７に対応する部位に形成される。

流入口２９より熱媒体（例えば水やオイル、エアなど）を流すと（図中矢印Ｄ）、熱媒体は、流通孔７を流れながら、流出口３１から排出される（図中矢印Ｆ）。この際、熱媒体が、蓄熱材ケース５の間を流れる（図中矢印Ｅ）。蓄熱材ケース５は、金属製であるため、比較的熱伝導性が高い。したがって、蓄熱材ケース５の近傍を流れる際に、熱媒体と蓄熱材１５との間で熱交換が行われる。例えば、蓄熱材が潜熱を発した際には、熱媒体を温めることができる。

一方、熱交換器用プレート１の本体部３およびカバー部材２７は樹脂製であるため、熱媒体の熱が外部に逃げることを抑制することができる。なお、熱交換器用プレート１の積層数等は図示した例には限られない。

本実施の形態によれば、熱交換器用プレート１の構造が簡易であり、熱交換器用プレート１を積層することで、熱交換器を構成することができるため、構造が簡易で組立作業性にも優れる熱交換器を得ることができる。

また、熱交換器用プレート１が樹脂製であるため、熱交換器用プレート１を積層させて熱交換器１０を形成した際に、外部に対する断熱性が良好である。また、本体部３が樹脂製であるため、例えば射出成型によって、流通孔７等の形成が容易である。また、樹脂製であるため軽量である。

また、蓄熱材ケース５を配置することで、蓄熱材１５と熱媒体との熱交換を行うことができる。この際、蓄熱材ケース５の周囲の封止を、本体部３を構成する樹脂２１で行うことができる。このため、ろう付け等が不要であり、製造性も良好である。

また、壁部９の厚みが、蓄熱材ケース５の厚みよりも厚いため、壁部９同士が接触するように熱交換器用プレート１を積層した際にも、蓄熱材ケース５同士の間には流路を確保することができる。

（実施形態２）
次に、第２の実施の形態について説明する。図７は、第２の実施の形態にかかる熱交換器用プレート１ａを示す斜視図であり、図８は、平面図である。また、図９（ａ）は、図８のＧ−Ｇ線断面図、図９（ｂ）は、図８のＨ−Ｈ線断面図である。なお、以下の説明において、図１〜図６に示した構成と同一機能を奏する構成については、図１〜図６と同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

熱交換器用プレート１ａは、熱交換器用プレート１とほぼ同様の構成であるが、流通孔７の態様が異なる。熱交換器用プレート１ａでは、流通孔７は、本体部３の四隅近傍に形成される。また、流通孔７が形成される部位には、筒状部３５が形成される。なお、流通孔７は、本体部３の中心に対して対称な位置に形成される。

図９（ａ）に示すように、本体部３の辺に沿った隣り合う流通孔７同士は、筒状部３５の形成方向が上下逆方向となる。すなわち、上方に突出した筒状部３５と下方に突出した筒状部３５とが隣り合うように形成される。筒状部３５の高さは、壁部９の高さとほぼ一致する。また、筒状部３５の上面または下面の少なくとも一方にはシール部材３７が形成される。

図９（ｂ）に示すように、本体部３の対角線上に対向する流通孔７同士は、筒状部３５の形成方向が同一方向となる。図示した例では、両者が上方に向けて配置される。なお、他の対角線上で対向する流通孔７は、両者が下方に向けて配置される。

図１０は、図９（ｂ）に対応した、熱交換器用プレート１ａを用いた熱交換器１０ａを示す断面図である。熱交換器１０ａでは、熱交換器用プレート１ａが、９０°づつ回転させた状態で積層される。この際、流通孔７の位置が一致し、筒状部３５の端面同士が対向するように配置される。筒状部３５の端面同士の間には、シール部材３７が設けられるため、一対の筒状部３５が連続して柱状に形成される。

なお、本実施形態では、カバー部材２７に代えて、カバー部材２７ａ、２７ｂが用いられる。カバー部材２７ａには、流入口２９および流出口３１が形成される。カバー部材２７ｂは、流入口等の孔が形成されない。

流入口２９より熱媒体を流すと（図中矢印Ｉ）、熱媒体は、流通孔７を流れながら、流出口３１から排出される（図中矢印Ｋ）。この際、熱媒体が、蓄熱材ケース５の間を流れる（図中矢印Ｊ）。蓄熱材ケース５は、金属製であるため、比較的熱伝導性が高い。したがって、蓄熱材ケース５の近傍を流れる際に、熱媒体と蓄熱材１５との間で熱交換が行われる。

ここで、カバー部材２７ａに流入口２９および流出口３１をそれぞれ一つずつ形成すると、熱媒体が、流れる層と流れない層とが形成される。図示した例では、最上段の熱交換器用プレート１ａと上から２段目の熱交換器用プレート１ａの間には、熱媒体が流れるが、同２段目と３段目の熱交換器用プレート１ａの間には、熱媒体が流れない。このようにしてしても、蓄熱材ケース５は、少なくとも一方の面が熱媒体と接するため、熱交換を行うことができる。

第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、熱交換器用プレート１ａは、対角線上に筒状部３５が上面または下面に形成されるため、熱交換器用プレート１ａを９０°回転させて積層することで、熱交換経路を形成することができる。

(実施形態３）
次に、第３の実施の形態について説明する。図１１は、第３の実施の形態にかかる熱交換器用プレート１ｂを示す斜視図であり、図１２（ａ）は、図９（ａ）に対応する断面図、図１２（ｂ）は、図９（ｂ）に対応する断面図である。

熱交換器用プレート１ｂは、熱交換器用プレート１ａとほぼ同様の構成であるが、蓄熱材ケース５に代えて、熱伝導材３９が設けられる点で異なる。熱交換部である熱伝導材３９は、金属製であり、例えば、アルミニウム（アルミニウム合金含む）またはステンレス製である。

熱伝導材３９は、本体部３と一体化される。すなわち、熱伝導材３９の外周部が、本体部３に埋設される。熱伝導材３９の厚みは、壁部９の厚みよりも薄い。なお、筒状部３５等の配置は、熱交換器用プレート１ａと同様である。

図１３は、図１２（ａ）に対応した、熱交換器用プレート１ｂを用いた熱交換器１０ｂを示す断面図である。熱交換器１０ｂは、熱交換器用プレート１ｂが、９０°づつ回転させた状態で積層される。すなわち、筒状部３５の端面同士が対向するように配置され、前述したように、二つの独立した流路が形成される。

カバー部材２７ｃは、カバー部材２７ｂとほぼ同様であるが、流入口２９ａ、２９ｂが一対形成され、さらに、対応する流出口（図示省略）が一対形成される。すなわち、対応する流入口と流出口が、熱交換器１０ｂの対角線上に形成される。

一方の流入口２９ａから熱媒体を流入させると（図中矢印Ｌ）、筒状部３５同士が連結された層には、熱媒体が流入しないが、筒状部３５の背面側同士が対向する層に熱媒体が流入する（図中矢印Ｍ）。さらに、図示を省略する流出口から流出する。

また、他方の流入口２９ｂから熱媒体を流入させると（図中矢印Ｎ）、筒状部３５同士が連結された層には、熱媒体が流入しないが、筒状部３５の背面側同士の対向する熱媒体が層に流入する（図中矢印Ｏ）。さらに、図示を省略する流出口から流出する。

それぞれの流入口２９ａ、２９ｂからの熱媒体は、互いに独立した経路を通過するため、互いに混じりあうことがない。また、それぞれの熱媒体は、熱伝導材３９によって、熱交換が行われる。すなわち、熱交換器１０ｂは、二つの熱媒体同士の熱交換を行うことができる。なお、熱伝導材３９の上下面には、壁部９よりも低いフィンや凹凸を形成して、熱媒体との接触面積を増加させてもよい。

第３の実施形態によれば、第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、二つの熱媒体をそれぞれ流すことで、二つの熱媒体同士の熱交換を効率よく行うことができる。

なお、図１０等に示す熱交換器１０ａにおいて、カバー部材２７ａに、さらに一対の流入口２９および流出口３１を設ければ、熱交換器１０ｂと同様に、前述した熱媒体の流れない層間にも熱媒体をさらに流すこともできる。この場合には、同じ熱媒体を用いてもよく、異なる熱媒体を用いることもできる。例えば、二つの異なる熱経路をそれぞれの対角線上の流入口２９および流出口３１に別々に接続して、同一の熱交換器１０ａの内部で、互いに独立した熱交換流路を構成することもできる。

また、熱交換器用プレート１ａ、１ｂを互いに回転させずに積層すれば、熱交換器１０と同様の構成とすることもできる。

また、熱交換器１０ａ、１０ｂにおいて、流入口２９と流出口３１とを同一面（図では上面）に形成しなくてもよく、一方の面に流入口を形成し、他方の面に流出口を形成してもよい。また、二つの熱媒体を流す場合には、それぞれの熱媒体の流入口及び流出口を、上下面にそれぞれ分けて配置してもよい。

以上、添付図を参照しながら、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の技術的範囲は、前述した実施の形態に左右されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１、１ａ、１ｂ………熱交換器用プレート
３………本体部
５………蓄熱材ケース
５ａ、５ｂ………ケース部材
７………流通孔
９………壁部
１１………シール部材
１３………貫通孔
１５………蓄熱材
１７………合わせ部
１９………プレス治具
２１………樹脂
２３………管体
２５………動作部
２７、２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄ………カバー部材
２９………流入口
３１………排出口
３３………固定部材
３５………筒状部
３７………シール部材
３９………熱伝導材

Claims (6)

1. 熱交換器用のプレートであって、
   樹脂製の本体部と、
   前記本体部に設けられる流体通過用の孔と、
   前記本体部の外周に設けられる壁部と、
   前記壁部の上面または下面の少なくともいずれかに設けられるシール部と、
   前記本体部に設けられる熱交換部と、
   を具備し、
   前記本体部を積層させて、前記壁部同士を前記シール部によって封止することで、前記熱交換部同士の間に流路を形成可能であり、
   前記熱交換部は、蓄熱材が封入された蓄熱材ケースであり、
   前記蓄熱材ケースは、一対のケース部材を対向させて配置し、前記本体部によって、前記ケース部材同士の合わせ部が封止されることを特徴とする熱交換器用プレート。
2. 前記ケース部材は、ステンレス製またはアルミニウム製であることを特徴とする請求項１記載の熱交換器用プレート。
3. 前記蓄熱材ケースには、内部の蓄熱材の発核装置が設けられ、前記発核装置の動作部が、前記本体部を貫通して、前記壁部の外部に設けられることを特徴とする請求項１または請求項２記載の熱交換器用プレート。
4. 前記本体部には、複数の前記孔が設けられ、前記孔の少なくとも一部には、前記本体部の上面側に起立する筒状部が設けられ、前記孔の残部には、前記本体部の下面側に起立する筒状部が設けられ、
   前記筒状部にはシール部が設けられ、
   前記筒状部と前記壁部の高さは略同一であり、
   前記本体部を積層する際に、互いの前記筒状部同士が対向するように積層可能であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の熱交換器用プレート。
5. 熱交換器であって、
   請求項１に記載された熱交換器用プレートを、複数枚積層させて、前記壁部同士を前記シール部で封止することで、前記熱交換部同士の間に流路が形成され、
   前記蓄熱材ケース間が流路となることを特徴とする熱交換器。
6. 前記本体部には、複数の前記孔が設けられ、前記孔の少なくとも一部には、前記本体部の上面側に起立する筒状部が設けられ、前記孔の残部には、前記本体部の下面側に起立する筒状部が設けられ、
   前記筒状部と前記壁部の高さは略同一であり、
   前記筒状部同士が対向するように前記本体部が積層され、前記筒状部同士の間がシールされることを特徴とする請求項５記載の熱交換器。

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