JP7241290B2 - Heat exchanger - Google Patents
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Description
本開示は、熱交換器に関する。 The present disclosure relates to heat exchangers.
近年、空気調和装置等に用いられる熱交換器を小型化および軽量化するための開発が進んでいる。例えば、複数の冷媒流路を形成した金属プレート同士を貼り合わせ、それを積層した金属プレート積層構造が採用されている(例えば、特許文献1参照)。 BACKGROUND ART In recent years, efforts have been made to reduce the size and weight of heat exchangers used in air conditioners and the like. For example, a metal plate laminated structure is adopted in which metal plates forming a plurality of coolant flow paths are bonded together and laminated (see, for example, Patent Document 1).
そして、積層する金属プレートには、熱伝導率の良いアルミニウム、あるいはアルミニウム合金を用いることが主流となってきている。 It has become mainstream to use aluminum or an aluminum alloy with good thermal conductivity for the metal plates to be laminated.
上述した従来技術における金属プレートは非常に薄く、アルミニウムは非常に軟らかい。そのため、冷媒流路を流れる冷媒の圧力が高くなると、金属プレートは、流路膨張によって金属プレートの積層方向における膨張変形が大きくなる。 The metal plates in the above prior art are very thin and aluminum is very soft. Therefore, when the pressure of the coolant flowing through the coolant channel increases, the expansion deformation of the metal plate in the stacking direction of the metal plate increases due to the channel expansion.
特に、金属プレートの端部には冷媒流路を形成する連通穴が形成されるが、この連通穴が設けられる部分において膨張変形が大きくなる。 In particular, communication holes that form coolant flow paths are formed at the ends of the metal plate, and expansion deformation is large at portions where the communication holes are provided.
熱交換器の性能を規定されたサイズで確保するため、非常に多くの金属プレートを積層しなければならない場合があるが、積層する金属プレートの枚数が多くなるほど膨張変形が大きくなり、熱交換器として成立しなくなるという課題がある。 In some cases, a large number of metal plates must be stacked in order to ensure the performance of the heat exchanger at a specified size. There is a problem that it will not be established as
本開示は、このような従来の課題を解決するものであり、冷媒流路を流れる冷媒の圧力が高くなっても、連通穴の周辺部分の膨張変形を抑制し、膨張変形に対して高い剛性を備える熱交換器を提供することを目的とする。 The present disclosure is intended to solve such conventional problems, and even if the pressure of the refrigerant flowing through the refrigerant flow path increases, the expansion deformation of the peripheral portion of the communication hole is suppressed, and the rigidity against expansion deformation is high. It is an object to provide a heat exchanger comprising
上記目的を達成するために、本開示の一態様にかかる熱交換器は、複数の金属プレートが積層され、金属プレート間に冷媒が流れる流路部が形成された積層プレートと、金属プレートの積層方向の両端面に設けられ、流路部と連通する連通穴が形成された一対のエンドプレートと、連通穴の周囲に積層プレートおよび一対のエンドプレートを上記積層方向に貫通するよう設けられた補強部材と、を備える。 In order to achieve the above object, a heat exchanger according to one aspect of the present disclosure includes a laminated plate in which a plurality of metal plates are laminated, and a flow path portion through which a refrigerant flows is formed between the metal plates; A pair of end plates provided on both end faces in the direction and having communication holes communicating with the flow channel, and a reinforcement provided around the communication holes so as to penetrate the laminated plate and the pair of end plates in the lamination direction. and a member.
本開示の熱交換器によれば、冷媒流路を流れる冷媒の圧力が高くなっても、連通穴の周辺部分の膨張変形を抑制し、膨張変形に対して高い剛性を備える熱交換器を提供することができる。 According to the heat exchanger of the present disclosure, even if the pressure of the refrigerant flowing through the refrigerant passage increases, the expansion deformation of the peripheral portion of the communication hole is suppressed, and a heat exchanger having high rigidity against expansion deformation is provided. can do.
以下、本開示の実施の形態における熱交換器について、図面を参照しながら説明する。一般に、熱交換器は、温度差のある2つ流体の間で熱エネルギーを交換する機能を有しており、空気調和装置や各種冷凍機器等に用いられている。 Hereinafter, heat exchangers according to embodiments of the present disclosure will be described with reference to the drawings. In general, heat exchangers have the function of exchanging thermal energy between two fluids having a temperature difference, and are used in air conditioners, various refrigeration equipment, and the like.
図1は、本開示の実施形態における流路プレート1の一例を示す斜視図である。図2は、図1に示した流路プレート1の接合箇所のA-A線断面の一部を示す図である。図3は、本実施の形態に係る熱交換器10の一例を示す斜視図である。
FIG. 1 is a perspective view showing an example of a
流路プレート1は、互いに平行に延びる複数の溝部7を有する2枚の金属プレート4を、各溝部7が対向するように貼り合わせることによって構成される。
The
流路プレート1は、流路部2と、連通穴3と、ヘッダ部5とを有する。流路部2は、図2に示すように、各溝部7が対向することによって形成された冷媒の流路となる部分である。
The
連通穴3は、金属プレート4の長手方向の両端に形成され、流路部2とそれぞれ連通することにより、連通穴3と流路部2との間で冷媒が移動する。
The
また、連通穴3は、流路プレート1を積層することにより、図3に示す積層プレート10を構成した場合に、流路プレート1の各連通穴3が互いに連通し、冷媒が各連通穴3を通過可能となる。
3 is configured by stacking the
ヘッダ部5は、連通穴3の周囲を囲うように環状に、金属プレート4から突出するよう形成されている。ヘッダ部5が金属プレート4から突出することにより、流路プレート1を積層した場合、流路プレート1の間に空気が流れる隙間を設けることを可能としている。
The
また、図2に示すように、接合部6は、向かい合わせた金属プレート4の溝部7の両側で、例えばロウ付けにより接合された部分である。図2には、ロウ付けに用いられたロウ8が示されている。
Also, as shown in FIG. 2, the
図3に示すように、この熱交換器10は、流路プレート1が積層された積層プレート11と、積層プレート11を積層方向の両側から挟むように覆う一対のエンドプレート12と、を有する。
As shown in FIG. 3, this
各エンドプレート12は、例えば矩形状の形状を有し、積層プレート11に対して、例えばロウ付けにより接合される。各エンドプレート12は、熱交換器10の剛性を保つために設けられる。
Each
また、各エンドプレート12は、積層プレート11が接合される側とは反対側の長手方向の両端部に、一対の連結部13を有する。
Each
連結部13は、冷媒を通す配管が連結される部分である。各連結部13は、積層プレート11が接合される側とは反対側に突出している。また、各連結部13は、例えば矩形の形状を有しており、平面視において、2つの連結部13が対向する側の辺以外の各連結部13の辺は、エンドプレート12の本体部分の外周の辺と一致している。
The connecting
また、各連結部13には、連通穴14が形成されており、図1に示した流路プレート1の連通穴3と連通して、冷媒を通す流路を形成している。
A
さらに、各連結部13は、連通穴14の周囲であって、各連通部13の外周よりも内側の部材配置領域15に補強部材16を備える。
Further, each connecting
補強部材16は、コの字形状を有している。また、補強部材16は、連通穴14の周囲に、積層プレート11および一対のエンドプレート12を金属プレート4の積層方向に貫通するよう設けられる。
The reinforcing
補強部材16には、例えば構造用鋼が用いられる。また、補強部材16は、連結部13と摩擦攪拌接合で接合するのが好ましい。
Structural steel, for example, is used for the reinforcing
摩擦攪拌接合は、ロウ材の融点よりも大幅に低い温度で接合できるので、ロウ付け部分を再溶融することなく、接合強度を高くすることが可能になる。 Friction stir welding can join at a temperature significantly lower than the melting point of the brazing material, so that the joining strength can be increased without remelting the brazed portion.
さらに、摩擦攪拌接合は、固定治具等を用いることなく補強部材16と連結部13とを直接接合できるので、金属プレート4の積層方向においても長手方向においても、熱交換器10のサイズを大きくすることがない。
Furthermore, since the friction stir welding can directly join the reinforcing
この場合、連結部13(エンドプレート12)と、積層プレート11とに補強部材16を入れ込む開口を設け、その開口に補強部材16を入れ込む。そして、補強部材16の上面(表面)と連結部13の上面(表面)とを摩擦攪拌接合する。摩擦攪拌接合の接合ツールにより両者の上面に渡って凹部ができる。凹部は、スライス状の波打った形状である。なお、連結部13の内部と補強部材16とは接合されない。
In this case, an opening for inserting the reinforcing
上記は、補強部材16の上面と連結部13の上面との間の接合であったが、下面も同様に接合するのが好ましい。
Although the upper surface of the reinforcing
また、上記のように、連通穴14の周囲に補強部材16を配置することで、冷媒が連通穴14を含む流路を流れる際の圧力が高くなっても、連結穴3、14の周辺部分の膨張変形を抑制することができる。
In addition, by arranging the reinforcing
図4は、本開示の実施の形態の補強部材16を示す拡大模式図である。金属プレート4の積層方向と垂直な面で切断した補強部材16の断面は、部材配置領域15の面積の25%以上の面積を有することが望ましい。
FIG. 4 is an enlarged schematic diagram showing the reinforcing
補強部材16の断面が、部材配置領域15の面積の25%以上の面積を有していると、連結穴3、14の周辺部分の膨張変形を十分に抑制することができる。
If the cross-section of the reinforcing
また、補強部材16の形状は、コの字形状に限定されない。ただし、補強部材16は、連通穴14の中心点Pを通り、エンドプレート12の長手方向に平行な線17、および、短手方向に平行な線18に関してそれぞれ線対称となる形状を有していることが好ましい。
Further, the shape of the reinforcing
補強部材16が、このような形状を有している場合、連通穴3、14の周囲にかかる高い圧力を均等に分散することができる。
When the reinforcing
以上、本開示の実施の形態について説明したが、実施の形態は上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、上記実施の形態における要旨を逸脱しない範囲内で、種々の変形がなされてもよいことは勿論である。 Although the embodiments of the present disclosure have been described above, the embodiments are not limited to the above embodiments, and various modifications may be made without departing from the gist of the above embodiments. Good, of course.
つぎに、本開示の実施例と比較例とを比較することにより、本開示の実施例における効果について説明する。以下に、本開示の実施例をシミュレーション結果に基づき説明するが、本開示の実施例はこれらに限定されるものではない。 Next, the effects of the examples of the present disclosure will be described by comparing the examples of the present disclosure with comparative examples. Examples of the present disclosure will be described below based on simulation results, but the examples of the present disclosure are not limited to these.
また、実施例1~実施例3、比較例1~比較例3のシミュレーションを行うにあたり、補強部材16以外の構成部材の寸法や材料の物性値は、全て同じものとした。
Further, in conducting the simulations of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3, the dimensions and material properties of the constituent members other than the reinforcing
図5A~図5Cはそれぞれ、実施例1~3の補強部材16の配置を示す模式図である。図5D、および、図5Eは、比較例2、および、比較例3の補強部材16の配置を示す模式図である。
5A to 5C are schematic diagrams showing the arrangement of reinforcing
なお、比較例1は、補強部材16を配置していないので図示していない。また、シミュレーションによって求めた値は、後述する表1に示した。
In Comparative Example 1, the reinforcing
(実施例1)
実施例1の補強部材16は、弾性率が200GPaである構造用鋼である。また、補強部材16は、図5Aに示すように、連結部13の連通穴14を挟んだ両側に一対配置されている。
(Example 1)
The reinforcing
具体的には、補強部材16は、コの字状の形状を有し、コの字の凹部が対向するよう配置されている。連結部13は、縦25mm、横20mm、厚み4mmの大きさを有する。また、連通穴14の直径は10mmである。
Specifically, the reinforcing
連結部13には、弾性率が71GPaのアルミニウムが用いられている。そして、金属プレート4の積層方向と垂直な面で切断した補強部材16の断面の面積は、部材配置領域15の面積の67%を占めている。
Aluminum having a modulus of elasticity of 71 GPa is used for the connecting
このような熱交換器10の構造において、冷媒が連通穴14に圧力を与えた場合の連通穴14の周辺部分となる連結部13の最大変形量を、有限要素法による線形構造解析を行って計算した。
In such a structure of the
なお、補強部材16による連通穴14の膨張変形の抑制効果を簡単に明らかにするため、シミュレーションでは、エンドプレート12の一部を含む1つの連結部13と補強部材16のみをモデル化した。実施例2、実施例3、および比較例1~比較例3のシミュレーションにおいても同様のモデル化を行った。
In addition, in order to simply clarify the effect of suppressing the expansion deformation of the
(実施例2)
実施例2の補強部材16も、弾性率が200GPaである構造用鋼である。また、実施例2の補強部材16の形状は、図5Bに示すように、円形状である。補強部材16は、連通穴14の周りに4つ配置されている。
(Example 2)
The reinforcing
金属プレート4の積層方向と垂直な面で切断した4つの補強部材16の断面の合計面積は、部材配置領域15の面積の67%を占めている。このような熱交換器10の構造において、冷媒が連通穴14に圧力を与えた場合の連結部13の最大変形量を求めた。
The total area of the cross sections of the four reinforcing
(実施例3)
実施例3の補強部材16も、弾性率が200GPaである構造用鋼である。また、実施例3の補強部材16の形状は、図5Cに示すように、扇状である。補強部材16は、連通穴14の周りに2つ配置されている。
(Example 3)
The reinforcing
2つの補強部材16は、扇の中心側が対向するよう配置されている。また、金属プレート4の積層方向と垂直な面で切断した2つの補強部材16の断面の合計面積は、部材配置領域15の面積の67%を占めている。この熱交換器10の構造において、冷媒が連通穴14に圧力を与えた場合の連結部13の最大変形量を求めた。
The two reinforcing
(比較例1)
比較例1の熱交換器10は、補強部材16を配置していない。この熱交換器10の構造において、冷媒が連通穴14に圧力を与えた場合の連結部13の最大変形量を求めた。
(Comparative example 1)
The
(比較例2)
比較例2の補強部材16も、弾性率が200GPaである構造用鋼である。また、比較例2の補強部材16の形状は、図5Dに示すように、円弧状である。補強部材16は、連通穴14の周りに2つ配置されている。
(Comparative example 2)
The reinforcing
2つの補強部材16は、円弧の中心側が対向するよう配置されている。また、金属プレート4の積層方向と垂直な面で切断した2つの補強部材16の断面の合計面積は、部材配置領域15の面積の23%を占めている。この熱交換器10の構造において、冷媒が連通穴14に圧力を与えた場合の連結部13の最大変形量を求めた。
The two reinforcing
(比較例3)
比較例3の補強部材16も、弾性率が200GPaである構造用鋼である。また、比較例3の2つの補強部材16は、図5Eに示すように、一方がL字形状で他方が逆L字状である。2つの補強部材16は、連通穴14の周りに配置されている。
(Comparative Example 3)
The reinforcing
2つの補強部材16は、L字または逆L字の短い方の辺が内側に延びるように配置されている。また、金属プレート4の積層方向と垂直な面で切断した2つの補強部材16の断面の合計面積は、部材配置領域15の面積の67%を占めている。この熱交換器10の構造において、冷媒が連通穴14に圧力を与えた場合の連結部13の最大変形量を求めた。
The two reinforcing
(評価)
表1は、実施例1~実施例3、比較例1~比較例3のシミュレーション結果を示したものである。
Table 1 shows the simulation results of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3.
表1には、部材配置領域15の面積に対する補強部材16の断面積の割合、連結部13の最大変形量、比較例1に対する最大変形量の低減率が示されている。なお、比較例1については、補強部材16が配置されていないので、部材配置領域15の面積に対する補強部材16の断面積の割合は記載されていない。
Table 1 shows the ratio of the cross-sectional area of the reinforcing
実施例1~実施例3では、比較例1に対する最大変形量の低減率が93~94%となっている。 In Examples 1 to 3, the reduction rate of the maximum deformation amount compared to Comparative Example 1 is 93 to 94%.
熱交換器10を規定されたサイズにするためには、連結部13の最大変形量が0.200mm以下であることが要求される。実施例1~実施例3のいずれも最大変形量が0.200mm以下であるという条件を満たしている。
In order to make the heat exchanger 10 a specified size, the maximum amount of deformation of the connecting
したがって、実施例1~実施例3の補強部材16は、連結部13の膨張変形を抑制できることがわかる。
Therefore, it can be seen that the reinforcing
なお、比較例2でも、最大変形量が比較例1と比べて約94%低減している。しかし、最大変形量が0.208mmとなっているため、熱交換器10を規定されたサイズにすることができない。そのため、比較例2の補強部材16は、熱交換器10に用いるのは適切ではない。
Also in Comparative Example 2, the maximum deformation amount is reduced by about 94% as compared with Comparative Example 1. However, since the maximum amount of deformation is 0.208 mm, the
比較例3では、最大変形量については0.116mmと小さいく、比較例1と比べて約96%低減している。しかし、シミュレーションの結果では、連通穴14の周辺部にかかる応力が局所的に大きくなり、アルミニウムからなる連結部13が塑性変形する可能性がある。そのため、比較例2の補強部材16は、熱交換器10に用いるのは適切ではない。
In Comparative Example 3, the maximum deformation amount is as small as 0.116 mm, which is reduced by about 96% compared to Comparative Example 1. However, the simulation results show that the stress applied to the peripheral portion of the
比較例3の補強部材16は、補強部材16が、連通穴14の中心点Pを通り、エンドプレート12の長手方向に平行な線17、および、短手方向に平行な線18に関してそれぞれ線対称となる形状を有していないため、連通穴14にかかる高い圧力を均等に分散できなかったためと考えられる。
In the reinforcing
なお、ここでは、連結部13の膨張変形のシミュレーション結果について示したが、図1に示した連通穴3の周辺の金属プレート4の部分についても膨張変形が抑制される。
Although the simulation result of the expansion deformation of the connecting
本開示の熱交換器は、空気調和装置等の熱交換器に利用可能である。 The heat exchanger of the present disclosure can be used for heat exchangers such as air conditioners.
1 流路プレート
2 流路部
3 連通穴
4 金属プレート
5 ヘッダ部
6 接合部
7 溝部
8 ロウ
10 熱交換器
11 積層プレート
12 エンドプレート
13 連結部
14 連通穴
15 部材配置領域
16 補強部材
17 エンドプレートの長手方向に平行な線
18 エンドプレートの短手方向に平行な線
P 中心点
REFERENCE SIGNS
Claims (5)
前記金属プレートの積層方向の両端面に設けられ、前記流路部と連通する連通穴が形成された一対のエンドプレートと、
前記連通穴の周囲に前記積層プレートおよび前記一対のエンドプレートを前記積層方向に貫通するよう設けられた補強部材と、
を備え、
前記一対のエンドプレートは、矩形状の形状を有し、前記一対のエンドプレートの長手方向の両端部において前記積層方向に突出する連結部を備え、前記連結部には、前記連通穴が形成されており、
前記補強部材は、前記連結部の前記連通穴を挟んだ両側に一対配置され、
前記補強部材は、コの字状の形状を有し、コの字の凹部が対向するよう配置されている、または、扇状を有し、扇の中心側が対向するよう配置されている熱交換器。 a laminated plate in which a plurality of metal plates are laminated, and a channel portion for flowing a coolant is formed between the metal plates;
a pair of end plates provided on both end surfaces of the metal plate in the stacking direction and having communication holes communicating with the flow channel;
a reinforcing member provided around the communication hole so as to penetrate the lamination plate and the pair of end plates in the lamination direction;
with
The pair of end plates has a rectangular shape, and includes connecting portions protruding in the stacking direction at both ends in the longitudinal direction of the pair of end plates, and the connecting portions are formed with the communicating holes. and
A pair of the reinforcing members are arranged on both sides of the communicating hole of the connecting portion,
A heat exchanger in which the reinforcing member has a U-shaped shape and is arranged so that the concave portions of the U-shape face each other, or has a fan shape and is arranged so that the center sides of the fan face each other. .
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