JP7394656B2

JP7394656B2 - 熱交換コア

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Publication number: JP7394656B2
Application number: JP2020031627A
Authority: JP
Inventors: 浩一谷本; 伸英原; 博之中拂; 陽一上藤; 拓央小田; 駿作江口; 雅哉畑中; 達也亀山
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2020-02-27
Filing date: 2020-02-27
Publication date: 2023-12-08
Anticipated expiration: 2040-02-27
Also published as: WO2021172377A1; US20230072688A1; JP2021134990A; CN115135951A

Description

本開示は、熱交換コアに関する。

特許文献１には、アルミニウム押出扁平多穴管を用いてなる熱交換器が開示されている。かかる熱交換器では、複数の流路の隣り合うものの間に存在する内部隔壁部のうち、扁平形状の長手方向の両端部に位置する内部隔壁部は、それぞれ、他の内部隔壁部よりも厚さが厚くされている。

特開２０１７－３６９０６号公報

ところで、熱交換器では、熱交換器に大きな温度変動がある場合には熱伸びを拘束することによる応力が発生し、複数の第１流路と複数の第２流路とを隔てる隔壁が損傷する虞がある。

本開示の少なくとも一実施形態は、上述する事情に鑑みてなされたもので、複数の第１流路と複数の第２流路とを隔てる隔壁の損傷リスクを低減できる熱交換コアを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本開示に係る熱交換コアは、
基準平面に沿って配列された複数の第１流路により形成される第１流路列と、
前記基準平面に交差するように設けられ、前記複数の第１流路を互いに隔てる複数の第１区画壁と、
前記第１流路列に対して前記基準平面の直交方向における隣りに配置され、前記基準平面に沿って配列された複数の第２流路により形成される第２流路列と、
前記基準平面に交差するように設けられ、前記複数の第２流路を互いに隔てる複数の第２区画壁と、
前記基準平面の前記直交方向において前記第１流路列と前記第２流路列との間に位置し、前記複数の第１流路と前記複数の第２流路とを隔てる隔壁と、
を備え、
（ａ）前記直交方向に関する断面係数は、前記隔壁の方が、前記第１区画壁又は前記第２区画壁のいずれか一方よりも大きい、
又は、
（ｂ）前記隔壁の構成材料は、前記第１区画壁又は前記第２区画壁のいずれか一方の構成材料よりも大きな破断強度を有する。

本開示の熱交換コアによれば、（ａ）基準平面の直交方向に関する断面係数は、隔壁の方が、第１区画壁又は第２区画壁のいずれか一方よりも大きいことで、隔壁に発生する応力の方が、第１区画壁又は第２区画壁のいずれか一方に発生する応力よりも小さくなり、第１区画壁又は第２区画壁のいずれか一方が隔壁よりも優先的に破損する。これにより、隔壁に発生する応力が解放され、隔壁の損傷リスクが低減される（隔壁の損傷リスクを低減できる）。また、（ｂ）隔壁の構成材料は、第１区画壁又は第２区画壁のいずれか一方の構成材料よりも大きな破断強度を有することで、第１区画壁又は第２区画壁のいずれか一方が隔壁よりも優先的に破損する。これにより、隔壁に発生する応力が解放され、隔壁の損傷リスクが低減される（隔壁の損傷リスクを低減できる）。

本開示の少なくとも一実施形態による熱交換コアを概略的に示す図である。図１に示した熱交換コアのＩＩ－ＩＩ線断面図である。図１に示した熱交換コアのＩＩＩ－ＩＩＩ線断面図である。図１に示した熱交換コアのＩＶ－ＩＶ線断面図である。図１に示した熱交換コアのＶ－Ｖ線断面図である。図３に示した熱交換コアの流路断面を示す拡大図である。熱伸びによって生じる曲げに対する剛性の考え方を説明するための図である。第１区画壁又は第２区画壁が有する亀裂起点部を示す図である。

以下、添付図面を参照して本開示の実施の形態による熱交換コア１について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

［熱交換コア１］
本開示の実施形態による熱交換コア１は、単独で、又は熱交換器に組み込まれて用いられる構成要素であり、熱交換コア１に供給される第１流体と第２流体との間で熱交換が行われる。熱交換コア１に供給される第１流体及び第２流体はそれぞれ液体であってもよいし気体であってもよいが、通常は両者の温度は異なっている。図１に示すように、例えば、熱交換コア１は、直方体形状とすることができるが、これに限定されるものではない。

図２及び図３に示すように、本開示の実施形態による熱交換コア１は、第１流路列２、複数の第１区画壁３、第２流路列４、複数の第２区画壁５及び隔壁６を備えている。

図３に示すように、第１流路列２は、基準平面ＲＰに沿って配列された複数の第１流路２１により形成されている。例えば、第１流路列２は複数であって、例えば、図１に示すように熱交換コア１が直方体形状である場合、基準平面ＲＰは直方体の長手方向に沿って設定され、複数の第１流路列２はこの基準平面ＲＰに対して平行に設定される。

図４に示すように、複数の第１区画壁３は、基準平面ＲＰに交差するように設けられ、複数の第１流路２１を互いに隔てている。例えば、複数の第１区画壁３は互いに平行且つ等間隔に設けられ、複数の第１流路２１を平行且つ等間隔に配列している。

図３に示すように、第２流路列４は、第１流路列２に対して基準平面ＲＰの直交方向における隣りに配置され、基準平面ＲＰに沿って配列された複数の第２流路４１により形成されている。例えば、第２流路列４は複数であって、例えば、図１に示すように熱交換コア１が直方体形状である場合、複数の第２流路列４のそれぞれは基準平面ＲＰの直交方向（図３においてＹ方向）に複数の第１流路列２のそれぞれと交互に配列される。

図５に示すように、複数の第２区画壁５は、基準平面ＲＰに交差するように設けられ、複数の第２流路４１を互いに隔てている。例えば、複数の第２区画壁５は互いに平行且つ第１区画壁３と同じ間隔で設けられ、複数の第２流路４１を平行且つ第１流路２１と同じ間隔で配列しているが、これに限られるものではない。

図３に示すように、隔壁６は、基準平面ＲＰの直交方向において第１流路列２と第２流路列４との間に位置し、複数の第１流路２１と複数の第２流路４１とを隔てている。例えば、隔壁６は複数であって、例えば、図１に示すように熱交換コア１が直方体形状である場合、複数の隔壁６は基準平面ＲＰの直交方向（図３においてＹ方向）に平行且つ等間隔に配列される。

図４及び図５に示すように、複数の第１流路列２のそれぞれが複数の第１流路２１により形成され、複数の第２流路列４のそれぞれが複数の第２流路４１により形成されている場合、複数の第１流路列２のそれぞれの一端部と他端部、及び複数の第２流路列４のそれぞれの一端部と他端部にそれぞれ中間流路が設けられる。図４に示すように、複数の第１流路列２のそれぞれの一端部（上端部）に設けられた中間流路６１（以下「第１中間流路６１」という）は第１流路２１の延在方向における第１流路２１の一端部において複数の第１流路２１に連通する。図５に示すように、複数の第２流路列４のそれぞれの一端部（上端部）に設けられた中間流路６２（以下「第２中間流路６２」という）は第２流路４１の延在方向における第２流路４１の一端部において複数の第２流路４１に連通する。図示しないが、複数の第１流路列２のそれぞれの他端部（下端部）に設けられた中間流路（以下「第３中間流路」という）は、第１流路２１の延在方向における第１流路２１の他端部において複数の第１流路２１に連通する。複数の第２流路列４のそれぞれの他端部（下端部）に設けられた中間流路（以下「第４中間流路」という）は、第２流路４１の延在方向における第２流路４１の他端部において複数の第２流路４１と連通する。

図４及び図５に示すように、複数の第１中間流路６１はそれぞれ第１ヘッダ流路７１に連通し、複数の第２中間流路６２はそれぞれ第２ヘッダ流路７２に連通する。また、複数の第３中間流路はそれぞれ第３ヘッダ流路７３に連通し、複数の第４中間流路はそれぞれ第４ヘッダ流路７４に連通する。

図４に示すように、第１ヘッダ流路７１は、複数の第１流路列２の一端部（上端部）において複数の第１中間流路６１の延在方向と直交する方向に延在し、複数の第１中間流路６１を介して複数の第１流路２１に連通する。図５に示すように、第２ヘッダ流路７２は複数の第２流路列４の一端部（上端部）において複数の第２中間流路６２の延在方向と直交する方向に延在し、複数の第２中間流路６２を介して複数の第２流路４１に連通する。図示しないが、第３ヘッダ流路７３は、複数の第１流路列２の他端部（下端部）において複数の第３中間流路の延在方向と直交する方向に延在し、複数の第３中間流路を介して複数の第１流路２１に連通する。第４ヘッダ流路７４は、複数の第２流路列４の他端部（下端部）において複数の第４中間流路の延在方向と直交する方向に延在し、複数の第４中間流路を介して複数の第２流路４１に連通する。

図１に示すように、熱交換コア１を直方体形状とする場合、例えば、第１ヘッダ流路７１、第２ヘッダ流路７２、第３ヘッダ流路７３及び第４ヘッダ流路７４は、直方体の同一平面において四隅に位置する。第１流体と第２流体とが互いに向かい合う方向に流れる熱交換コア１（以下「対向流の熱交換コア１」という）では第１ヘッダ流路７１が第１流体を第１流路２１に供給するための流路となり、第２ヘッダ流路７２が第２流体を第１流路２１から排出するための流路となる。また、第３ヘッダ流路７３が第１流体を第１流路２１から排出するための流路となり、第４ヘッダ流路７４が第２流体を第２流路４１に供給するための流路となる。尚、第１流体と第２流体とが同じ方向に流れる熱交換コア１（以下「並流の熱交換コア１」という）では、第２ヘッダ流路７２が第２流体を第２流路４１に供給するための流路となり、第４ヘッダ流路７４が第２流体を第２流路４１から排出するための流路となる。

例えば、第１ヘッダ流路７１、第２ヘッダ流路７２、第３ヘッダ流路７３及び第４ヘッダ流路７４は、直方体の外側に設けることができるが、これに限られるものではない。図１に示すように、例えば、第１ヘッダ流路７１、第２ヘッダ流路７２、第３ヘッダ流路７３及び第４ヘッダ流路７４を直方体の外側に設ける場合、第１ヘッダ部１１、第２ヘッダ部１２、第３ヘッダ部１３及び第４ヘッダ部１４のそれぞれが直方体の幅方向外側に張り出すように設けられる。そして、これら第１ヘッダ部１１、第２ヘッダ部１２、第３ヘッダ部１３、第４ヘッダ部１４のそれぞれに第１ヘッダ流路７１、第２ヘッダ流路７２、第３ヘッダ流路７３、第４ヘッダ流路７４のそれぞれが設けられる。

［基準平面ＲＰの直交方向に関する断面係数］
図６に示すように、基準平面ＲＰの直交方向に関する断面係数は、隔壁６の方が、第１区画壁３又は第２区画壁５のいずれか一方よりも大きい。例えば、基準平面ＲＰの直交方向に関する断面係数は、第１区画壁３と第２区画壁５とで同一であるが、異なるものであってもよい。

例えば、隔壁６の厚さｂを３、高さｈを１とし、第１区画壁３及び第２区画壁５の厚さｂを０．４、高さｈを１とすると、隔壁６の断面係数は０．５となり、第１区画壁３及び第２区画壁５の断面係数Ｚは０．０４となる。そして、隔壁６に発生する応力と第１区画壁３又は第２区画壁５に発生する応力は、断面係数Ｚに反比例し、隔壁６に発生する応力が第１区画壁３又は第２区画壁５に発生する応力よりも小さい。これにより、同じ加重が加わっても隔壁６に発生する応力は第１区画壁３又は第２区画壁５に発生する応力よりも小さくなる。これにより、隔壁６よりも第１区画壁３又は第２区画壁５が優先して破損する。

［構成材料］
隔壁６の構成材料は、第１区画壁３又は第２区画壁５のいずれか一方の構成材料よりも大きな破断強度を有する。例えば、第１区隔壁３又は第２区隔壁５のいずれか一方を隔壁６よりも脆性の低い構成材料とすることで、隔壁６の構成材料が第１区隔壁３又は第２区隔壁５のいずれか一方の構成材料よりも大きな破断強度を有するものとする。また、例えば、第１区隔壁３又は第２区隔壁５のいずれか一方をラティス構造（格子構造）とすることで、隔壁の構成材料が第１区画壁３又は第２区隔壁５のいずれか一方の構成材料よりも大きな破断強度を有するものとしてもよい。また、例えば、第１区画壁３と第２区画壁５の構成材料は同一の破断強度を有するが、異なる破断強度を有するものでもよい。

上述した本開示の実施形態による熱交換コア１によれば、（ａ）基準平面ＲＰの直交方向における断面係数は、隔壁６の方が、第１区画壁３又は第２区画壁５のいずれか一方よりも大きいことで、隔壁６に発生する応力の方が、第１区画壁３又は第２区画壁５のいずれか一方に発生する応力よりも小さくなり、第１区画壁３又は第２区画壁５のいずれか一方が隔壁６よりも優先的に破損する。これにより、隔壁６に発生する応力が解放され、隔壁６の損傷リスクが低減される（隔壁６の損傷リスクを低減できる）。また、（ｂ）隔壁６の構成材料は、第１区画壁３又は第２区画壁５のいずれか一方の構成材料よりも大きな破断強度を有することで、第１区画壁３又は第２区画壁５のいずれか一方が隔壁６よりも優先的に破損する。これにより、隔壁６に発生する応力が解放され、隔壁６の損傷リスクが低減される（隔壁６の損傷リスクを低減できる）。

［隔壁６の厚さ］
図６に示すように、熱交換コア１は、隔壁６は第１区画壁３又は第２区画壁５のいずれか一方よりも大きな壁の厚さ（以下「壁厚」という）を有する。ここで、「壁厚」は第１流路２１の延在方向と直交する方向の壁の厚さをいい、図６では隔壁６の壁厚がｔ１、第１区画壁３の壁厚がｔ２、第２区画壁５の壁厚がｔ３で示される。そして、隔壁６の壁厚をｔ１、第１区画壁３の壁厚ｔ２、第２区画壁５の壁厚ｔ３とすると、隔壁６の壁厚ｔ１＞第１区画壁３の壁厚ｔ２、又は、隔壁６の壁厚ｔ２＞第２区画壁５の壁厚ｔ３となる。尚、第１区画壁３の壁厚ｔ２と第２区画壁５の壁厚ｔ３は同一であってもよいし、異なっていてもよい。

このような構成によれば、隔壁６と第１区画壁３又は第２区画壁５との壁厚に差をつけることで、上記の断面係数の大小を実現できる。また、第１流体と第２流体とに圧力差がある場合であっても、隔壁６の壁厚を相対的に大きくしていることから、圧力差に起因した隔壁６の損傷リスクを低減できる。

［亀裂起点部３１（５１）］
図８に示すように、熱交換コア１は、第１区画壁３又は第２区画壁５のいずれか一方は、亀裂起点部３１（５１）を有する。例えば、亀裂起点部３１（５１）は、亀裂、孔、切り欠き、スリット等であり、これらを組み合わせたものも含まれる。例えば、第１区画壁３は亀裂と穴を組み合わせた亀裂起点部３１を有し、第２区画壁５はスリットによる亀裂起点部５１を有する。

このような構成によれば、基準平面ＲＰの直交方向に関する断面係数は、亀裂起点部３１（５１）を有する第１区画壁３又は第２区画壁５のいずれか一方よりも隔壁６の方が大きくなる。これにより、第１区画壁３又は第２区画壁５のいずれか一方に発生する応力よりも隔壁６に発生する応力の方が小さくなり、第１区画壁３又は第２区画壁５のいずれか一方が隔壁６よりも優先的に破損する。例えば、第１区画壁３の亀裂起点部３１又は第２区画壁５の亀裂起点部５１から亀裂が生じることで、第１区画壁３又は第２区画壁５のいずれか一方が隔壁６よりも先に破損する。

［流路の連通］
図８に示すように、熱交換コア１は、亀裂起点部３１（５１）を介して、隣り合う一対の第１流路２１又は第２流路４１が互いに連通する。

このような構成によれば、隣り合う一対の第１流路２１又は第２流路４１において亀裂起点部３１（５１）を介して流体が移動することで、隣り合う一対の第１流路２１又は第２流路４１において圧力分布の均一化を図ることができる。

本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

上記各実施形態に記載の内容は、例えば、以下のように把握される。

（１）一の態様に係る熱交換コア１は、
基準平面ＲＰに沿って配列された複数の第１流路２１により形成される第１流路列２と、
前記基準平面ＲＰに交差するように設けられ、前記複数の第１流路２１を互いに隔てる複数の第１区画壁３と、
前記第１流路列２に対して前記基準平面ＲＰの直交方向における隣りに配置され、前記基準平面ＲＰに沿って配列された複数の第２流路４１により形成される第２流路列４と、
前記基準平面ＲＰに交差するように設けられ、前記複数の第２流路４１を互いに隔てる複数の第２区画壁５と、
前記基準平面ＲＰの前記直交方向において前記第１流路列２と前記第２流路列４との間に位置し、前記複数の第１流路２１と前記複数の第２流路４１とを隔てる隔壁６と、
を備え、
（ａ）前記直交方向に関する断面係数（＝直交方向に関する断面二次モーメントと言い換えても大小関係は同じ。）は、前記隔壁６の方が、前記第１区画壁３又は前記第２区画壁５のいずれか一方よりも大きい、
又は、
（ｂ）前記隔壁６の構成材料は、前記第１区画壁３又は前記第２区画壁５のいずれか一方の構成材料よりも大きな破断強度を有する。

本開示に係る熱交換コア１によれば、（ａ）基準平面ＲＰの直交方向に関する断面係数は、隔壁６の方が、第１区画壁３又は第２区画壁５のいずれか一方よりも大きいことで、隔壁６に発生する応力の方が第１区画壁３又は第２区画壁５のいずれか一方に発生する応力よりも小さくなり、第１区画壁３又は第２区画壁５のいずれか一方が隔壁６よりも優先的に破損する。これにより、隔壁６に発生する応力が解放され、隔壁６の損傷リスクが低減される（隔壁６の損傷リスクを低減できる）。また、（ｂ）隔壁６の構成材料は、第１区画壁３又は第２区画壁５のいずれか一方の構成材料よりも大きな破断強度を有することで、第１区画壁３又は第２区画壁５のいずれか一方が隔壁６よりも優先的に破損する。これにより、隔壁６に発生する応力が解放され、隔壁６の損傷リスクが低減される（隔壁６の損傷リスクを低減できる）。

（２）別の態様に係る熱交換コア１は、（１）に記載の熱交換コア１であって、
前記隔壁６は、前記第１区画壁３又は前記第２区画壁５のいずれか一方よりも大きな厚さを有する。

このような構成によれば、隔壁６と区画壁（第１区画壁３又は第２区画壁５）との壁厚に差をつけることで、上記（１）（ａ）の断面係数の大小関係を実現できる。また、第１流体と第２流体とに圧力差がある場合であっても、隔壁６の壁厚を相対的に大きくしていることから、圧力差に起因した隔壁６の損傷リスクを低減できる。

（３）さらに別の態様に係る熱交換コア１は、（１）又は（２）に記載の熱交換コア１であって、
前記第１区画壁３又は前記第２区画壁５のいずれか一方は、亀裂起点部３１（５１）を有する。
例えば、亀裂起点部３１（５１）は、亀裂、孔、切り欠き、スリット等であり、これらを組み合わせたものも含まれる。

このような構成によれば、基準平面ＲＰの直交方向に関する断面係数は、亀裂起点部３１（５１）を有する第１区画壁３又は第２区画壁５のいずれか一方よりも隔壁６の方が大きくなる。これにより、第１区画壁３又は第２区画壁５のいずれか一方に発生する応力よりも隔壁６に発生する応力の方が小さくなり、第１区画壁３又は第２区画壁５のいずれか一方が隔壁６よりも優先的に破損する。

（４）さらに別の態様に係る熱交換コア１は、（３）に記載の熱交換コア１であって、
前記亀裂起点部３１（５１）を介して、隣り合う一対の前記第１流路２１又は前記第２流路４１が互いに連通する。

このような構成によれば、隣り合う一対の第１流路２１又は第２流路４１において亀裂起点部を介して流体が移動することで、隣り合う一対の第１流路２１又は第２流路４１において圧力分布の均一化を図ることができる。

１熱交換コア
１１第１ヘッダ部
１２第２ヘッダ部
１３第３ヘッダ部
１４第４ヘッダ部
２第１流路列
２１第１流路
３第１区画壁
３１亀裂起点部
４第２流路列
４１第２流路
５第２区画壁
５１亀裂起点部
６隔壁
６１第１中間流路
６２第２中間流路
７１第１ヘッダ流路
７２第２ヘッダ流路
７３第３ヘッダ流路
７４第４ヘッダ流路
ＲＰ基準平面

Claims

基準平面に沿って配列された複数の第１流路により形成される第１流路列と、
前記基準平面に交差するように設けられ、前記複数の第１流路を互いに隔てる複数の第１区画壁と、
前記第１流路列に対して前記基準平面の直交方向における隣りに配置され、前記基準平面に沿って配列された複数の第２流路により形成される第２流路列と、
前記基準平面に交差するように設けられ、前記複数の第２流路を互いに隔てる複数の第２区画壁と、
前記基準平面の前記直交方向において前記第１流路列と前記第２流路列との間に位置し、前記複数の第１流路と前記複数の第２流路とを隔てる隔壁と、
を備え、
前記隔壁の構成材料は、前記第１区画壁又は前記第２区画壁のいずれか一方の構成材料よりも大きな破断強度を有する
熱交換コア。
前記隔壁は、前記第１区画壁又は前記第２区画壁のいずれか一方よりも大きな厚さを有する
請求項１に記載の熱交換コア。
基準平面に沿って配列された複数の第１流路により形成される第１流路列と、
前記基準平面に交差するように設けられ、前記複数の第１流路を互いに隔てる複数の第１区画壁と、
前記第１流路列に対して前記基準平面の直交方向における隣りに配置され、前記基準平面に沿って配列された複数の第２流路により形成される第２流路列と、
前記基準平面に交差するように設けられ、前記複数の第２流路を互いに隔てる複数の第２区画壁と、
前記基準平面の前記直交方向において前記第１流路列と前記第２流路列との間に位置し、前記複数の第１流路と前記複数の第２流路とを隔てる隔壁と、
を備え、
（ａ）前記直交方向に関する断面係数は、前記隔壁の方が、前記第１区画壁又は前記第２区画壁のいずれか一方よりも大きい、
又は、
（ｂ）前記隔壁の構成材料は、前記第１区画壁又は前記第２区画壁のいずれか一方の構成材料よりも大きな破断強度を有する、
また、前記第１区画壁又は前記第２区画壁のいずれか一方は、亀裂起点部を有する
熱交換コア。
前記亀裂起点部を介して、隣り合う一対の前記第１流路又は前記第２流路が互いに連通する
請求項３に記載の熱交換コア。