JPH09512895A - 熱交換器とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、伝熱壁を介して２つの媒体間の熱交換を行なうための熱回収式熱交換器に関する。本発明によれば、伝熱壁が成形パターンを有するシートからなりかつこれが繰り返し折り畳まれて多層パッケージ（１２）を形成したもので、当該パッケージは、シートを折った後に成形することにより、２つの対向側部に２つの媒体のための接続ポート（２２−２５）と連通する相互に異なる流路を有するパッケージを形成するようにケーシング（１５，２１）内に収容されたもので、前記シートはケーシングに対してパッケージの底部及び頂部と２つの端部で、２つの媒体間での漏れを防止するようにシールされている。また、本発明は、このような熱交換器の製造方法に関する。

Description

【発明の詳細な説明】 熱交換器とその製造方法 本発明は、伝熱壁を介して２つの媒体間の熱交換を行なうための熱回収式熱交 換器と、その熱交換器の製造方法に関する。 熱交換器は、温度の異なる２つの流れ媒体間の熱伝達に使用されている。従来 のいわゆる熱回収式の熱交換器では、熱が高温媒体から仕切壁を介してより低温 の媒体に伝達される。その構成は、１つの媒体が流れる内管と、他の媒体が流れ る外管とからなっている。この形式の熱交換器は、チューブアンドシェルと称さ れる熱交換器である。また、一般的な媒体の分離は、多かれ少なかれ平坦な分離 プレートにより行なわれている。この形式の熱交換器は、プレート熱交換器と称 されている。 熱交換器が熱伝達作用を行なう場合には、伝熱面積はできるだけ大きいことが 重要である。これは、媒体の流れを多数の平行な部分流れに分割することにより 達成され、この平行な流れは、所定容積内で大きな伝熱表面積を有するユニット に形成されている相互に並列の通路内を移動する。流れを平行な流れに分離する 装置は、製造が複雑で高価になる。内部流れの漏れをシールすることに対する仕 様も厳しくなっている。 蒸発又は凝縮される場合以外は、媒体は、熱交換器を通過する場合に熱変化す る。熱い媒体の温度は概して減少し、より低温の媒体の温度は概して増大する。 媒体間の温度差が小さいときに重要なことは、高温流体の最も高温部分（開始部 ）が低温流体の最も高温部分（終端部）を加熱し、高温流体の最も低温部分（終 端部）が低温流体の最も低温部分（開始部）を加熱するように熱交換器内で幾何 学的な流れになることである。このような熱交換器内で幾何学的な交差流れを作 るように使用す ると、低温流体の流出温度が高温流体の流出温度よりも高くなるというような熱 交換状態を達成することができる。このような状態は、熱交換器を通って同一方 向に媒体が移動する幾何学的な流れを用いる、つまり平行流の熱交換器には不可 能である。 熱交換器内で最適な熱移動を達成するには、各媒体と仕切壁との間の熱伝達が 可能な限り良好に行なわれる必要がある。これは、仕切壁と接触する媒体中に、 乱流の発生、良好な混合、渦が充満した流れを作るような仕切壁を設計すること によって達成される。ここに、熱交換器の設計時に考慮すべき３つの重要な目的 があるが、これらのうち少なくとも１つあるいは好ましくは３つすべて達成され るべきである。 これら目的とは、 １）大きな全伝熱表面積をもつように、複数の通路を相互に並列関係とする手 法を用い、流れを複数の平行通路に分配するように構成すること、 ２）熱交換器の伝熱壁が良好に伝熱する乱流の発生に寄与すること、 ３）熱交換器内で媒体が交差流となること。 これら目的は、達成が困難である。特に、目的番号１と３は、高価なケーシン グを用いることなく達成することは困難であることが証明されている。 本発明は、３つの目的すべてを同時に達成し得る、コストの低減を保持した熱 交換器に関する。 本発明は、添付図面を参照して一実施の形態によりより詳細に記載されるが、 ここに、 図１は、本発明による熱交換器の製造の重要な工程を示す斜視図、 図２は、媒体の内部流れを示すため完全に閉鎖されていない状態で示 された本発明による熱交換器の斜視図、 図３は、同熱交換器内の伝熱壁の一部の斜視図、 図４は、完全に閉鎖されていない状態で示された僅かに相違する実施の形態の 本発明による熱交換器の斜視図である。 本発明による熱交換器は、好ましくは、図１に示すように、完成すれば伝熱壁 として機能する金属、プラスチックあるいは他の適当な材料の１枚の連続したシ ート１から作られている。図１における参照番号２と３は、ローラを示し、その 間に前記シートが矢印４の方向に送られる。前記ローラの表面は、傾斜した畝状 突部と溝５，６のパターンを有するように形成されている。さらに、当該ローラ は、同ローラの軸線に平行に伸延する畝状突部と溝７，８も形成されている。各 畝状突部７は、対向するローラ上の溝８と対応している。したがって、前記シー トがローラ間を通過するとき、畝状突部７と溝８は、シートに折れ線９を形成す る。各ローラの外周面に沿って連続して１つの畝状突部７が１つの溝８に受け入 れられるために、複数の折れ線９がシートの対向する側の一方と他方にそれぞれ プレスされることになる。これは、折れ線でシートを簡単に折り、多数の平行な 層を有するパッケージ１０を作ることになる。前記ローラ上の傾斜したパターン ５，６は、図１の円で囲まれた拡大部１１に最適に図示されている波形状の溝を 付与する。シートは、適当な厚さのパッケージ１０が得られるように、適当な長 さに切断される。図１において、最終的に完成したパッケージは符号１２で表さ れている。パッケージ１２の両端部は、カバー部材１３により閉塞されているが 、このカバー部材１３は、例えば、パッケージ１２の両端部を合成物内に浸漬す ることにより形成するようになっており、この合成物は、当初柔らかく、爾後化 学反応や冷却により硬化するものである。符号１４は、シール部材であり、この シール部材は、パッケージの一面、例えば底部 に取り付けられている。図示していないが、対応するシール部材がパッケージの 反対側にも取り付けられている。符号１５は、箱状のケーシング全体を示し、こ の中にパッケージ１２が矢印１６で示すように置かれることになる。このように パッケージがケーシング内に置かれると、シール部材１４は、ケーシングの底部 に対して押圧され、カバー部材１３がケーシングの端壁１７，１８に対してシー ルされる。好ましくは、パッケージ１２の幅Ｂは、実質的にケーシングの側壁１ ９，２０間のスペースと対応し、パッケージ１２の高さＨは、実質的にケーシン グの高さに対応することである。前記ケーシング１５は、図１においてケーシン グ１５の上部開口に一致するような形状の蓋２１を有している。ケーシング１５ の角部には、接続ポート２２−２５が設けられている。接続ポート２２と２５は 、それぞれ一方の媒体の入り口ポートと出口ポートとして機能し、接続ポート２ ３と２４は、それぞれ他方の媒体の入り口ポートと出口ポートとして機能する。 パッケージ１２がケーシング１５内に位置するときに前記蓋２１が嵌合されると 、蓋は、パッケージ１２の頂部面をシールする。シール部材１４とカバー部材１ ３は、２つの媒体が混合状態になることを防止し、これにより媒体は、パッケー ジ１２の各側部や折り曲げられたシートの各側部で分離状態とされる。パッケー ジの上部を明確に示すために、僅かに上昇させている図２は、２つの媒体の流れ 経路を示している。媒体の一方の流れの方向は矢印２６により、また媒体の他方 を矢印２７で示している。図３に最も明確に表されているように、折られたシー トの１つの層における波形は、次の層の波形と交差して伸延されている。隣接す る層の対向面に形成されたこれら交差した波形は、各層間を流れる媒体に乱流を 生じさせる。これは、かなりの量に対して２つの媒体間の有効な熱交換に寄与す る。 例示されたシートは、波形状のパターンが付与されているが、本発明 の保護範囲内で、層間の内部で乱流を作るような他の形状の成形パターンも使用 することができる。例示された成形パターンは、ローラ手段により作られたが、 この成形パターンは、スタンプ手段によっても形成できる。上述したように、カ バー部材１３は、凝固するような合成物により作られている。しかしながら、パ ッケージの両端部に対して押し付けられる中程度の柔軟層をもつ分離蓋のような カバー部材１３で作ることも本発明の範囲内である。パッケージの両端部と外部 ケーシングの両端壁との間に柔軟な材料の層を使用することも可能である。この ケーシング１５と蓋２１は、有効に媒体の流れを分離したりシールしたりする手 段を構成するパッケージ１２上のシール１３，１４と共に外殻を形成している。 しかしながら、図示されているシールは、非常に単純で安価な方法で作られてい る。シール用合成物あるいは他の柔軟な材料の適用は、高い精度あるいは幾何学 的に正確さを必要とせず作ることができる。シールの効果は、そこで適当な材料 が使用されると、良好な嵌合のみによっても、あるいは半田付けや溶接によって も達成され得る。 図４によれば、上述した例と比較すると、蓋２１を有するケーシング１５は、 パッケージ１２の周りの外殻を形成しているが、ここの外殻は断面形状が直角の 箱２８により形成されている。この箱の一側には一方の媒体用の入り口ポート２ ９と出口ポート３０が設けられ、他側には他方の媒体用の入り口ポート３１と出 口ポート３２が設けられている。この例では、パッケージ１２は、箱の１つの開 口端を通って挿入され、この箱は、蓋３４，３５により閉塞されるケーシング３ ３を形成している。この蓋３４，３５は、これら自体かあるいは中間のシール層 のいずれかによりパッケージ１２の端部に対してシールするように構成されてい る。図４における下方の蓋３４には、例えば蓋に注がれた液体シール合成物が固 着されているが、この液体シール合成物は、集合体２８，１２が浸 漬された後に凝固するようなものである。他方の蓋３５は、前記集合体２８，１ ２が反転された後に、同様な方法で固着される。この種のモールディングは、図 １，２に示されている例にも使用され得る。適当なシール用合成物を使用すると き、蓋は、モールディング工程で型として使用するのみで、モールディング後に 取り除いても良い。 シートの成形パターンは、少なくとも３つの目的がある。１つは、媒体が内部 層の空間内で流れるように、折られたシート内の連続する層間に所定の距離ある いはピッチを確立することである。また、成形パターンは、前述したような流れ の乱れを作る。 上述した単純なパターンは、前記両目的を果たす。上述したようにシートを折 り曲げた後、傾斜した波形は、畝状突部が交差する方式で形成する。この畝状突 部は、他の曲げとの間に所定の空間を維持したり、曲がりくねった、上述したよ うに熱が壁に伝達するのを促進するように媒体に乱流を誘発する流路を作る。 この熱交換器の構成によれば、２つの媒体の流れは、多数の平行な溝を越える とき乱され、次の位置では異なった状態に置かれる。前記成形パターンの第３の 目的は、各溝内部及び各溝を越える横方向流れに等しく分配することを達成する ことである。このように２つの媒体間に確立された本質的に交差流のパターンは 、それら入り口と出口ポートが前記流れ方向に延長部として存在していないとき も同等に流す。 もし、横方向流れに対する抵抗が、溝内での縦方向流れの抵抗よりも低いなら ば、この種流れの横方向広がりは、有効性を発揮する。このような結果は、シー トの長手方向延在部に対して波形の角度が４５°以下の場合、換言すれば、流れ の指向方向に対して波形の角度が４５°以上の場合ならば、提案した単純な波形 状シートで得られる。 上記例として使用されている単純な波形状パターンは、図１に示すよ うに、螺旋状にカットされたローラ間で簡単に製造される。これは、また層間の 空間を保つ目的、乱流を発生させたり、上述した流れの横方向分配する目的を果 たすには適している。前述したように、他のスタンプされた多数のパターンも使 用できる。シートの折り曲げを容易にするために、波形は、好ましくは図１に示 すように、中断され、適当に離間した間隔の折れ線により置き換えられる。パタ ーンの他の重要性は、熱交換器の主要部内に著しく高い長手方向流れの抵抗を生 じることなく、有効な流れの横方向の分配を与えるために、シートの主要部とは 異なるパターンとし、入り口及び出口の面積（シートの両外部）を提供すること である。熱交換器の伝熱部分での流れ抵抗の低減は、大部分そこでの熱移動の減 少を伴ない、好ましくない。 本発明は、上述した例に限定されるものではなく、本発明の保護範囲を逸脱す ることなく次の請求の範囲の枠内でその記述により変更可能である。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９６年６月１８日 【補正内容】 請求の範囲 １． ２つの媒体間を横切る伝熱壁を、成形パターンを有する１枚のシートから 形成し、当該シートは繰り返し折り畳んで多層のパッケージを形成し、当該パッ ケージは外部ケーシング内に収容され、前記シートは、折った後に成形すること により前記パッケージの２つの対向側部に２つの媒体のための接続ポート（２２ −２５；２９−３２）を有する相互に異なる流路を形成してなる熱交換を行なう ための熱回収式熱交換器において、 前記シートのパターンは、当該シートの長手方向延在部に対して所定の傾斜角 で波形状に伸延するように形成され、かつ畝状突部を横切るようにしてシートの 折り畳み状態を形成し、前記シートの長手方向側端部に形成された前記パッケー ジの端部はシール層（１３）により覆われ、前記端部間に伸延された前記パッケ ージの相互に対向する両側部は、前記端部間に伸延するシール部材（１４）が設 けられ、前記パッケージは、前記外部ケーシング（１５，２１；２８，３４，３ ５）の大きさに適合し得るようになっており、そして当該外部ケーシング内に配 置されるとき、当該パッケージと外部ケーシングとの間を前記両シールにより取 り囲み、これにより各媒体が連通される接続ポート（２２−２５；２９−３２） の連通状態の下で折り畳まれたシートの両側部の内の一方が他方から分離される ようにしたことを特徴とする熱回収式熱交換器。 ２． 前記シートの波形は、当該シートの好ましい折り曲げのために、折れ線（ ９）により適当間隔で断たれるように置き換えられていることを特徴とする請求 の範囲１に記載の熱交換器。 ３． 前記シートの長手方向延在部に対する波形の角度は、４５°以下であり、 当該シートのパケットの端部方向の流れ抵抗が当該方向と直交 する方向より指向する流れ方向で高くなり、前記シートのパッケージの中央部で の流れ抵抗が指向する流れ方向で低いことを特徴とする請求の範囲１又は２に記 載の熱交換器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)， ＡＭ，ＡＴ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｃ Ａ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＫ ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ， ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，Ｌ Ｔ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ， ＳＩ，ＳＫ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，Ｕ Ｓ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 伝熱壁を介して２つの媒体間の熱交換を行なうための熱回収式熱交換器に おいて、 ａ）媒体を分離する伝熱壁は、外部ケーシング（１５，２１；２８，３４，３ ５）内に設けられ、１枚の成形パターンを有するシートから構成されかつこれが 繰り返し折り畳まれて多層パッケージを形成している、 ｂ）前記シートは、折った後に成形することにより、２つの対向側部に２つの 媒体のための接続ポート（２２−２５；２９−３２）を有する相互に異なる流路 を形成している、 ｃ）前記シートはケーシングに対してパッケージ（１２）の底部及び頂部と２ つの端部で、２つの媒体間の漏れを防止するようにシールされている、 ことを特徴とする熱回収式熱交換器。 ２． 前記シートのパターンは、当該シートの長手方向延在部に対して所定の傾 斜角で波形状伸延するように形成されていることを特徴とする請求の範囲１に記 載の熱交換器。 ３． 前記シートの波形は、当該シートの折り曲げを容易にするために、適当な 間隔で中断され、折れ線により置き換えられることを特徴とする請求の範囲２に 記載の熱交換器。 ４． 前記シートの長手方向延在部に対する波形の傾斜角は、４５°以下である ことを特徴とする請求の範囲２又は３に記載の熱交換器。 ５． 前記シートのパターンは、当該シートのパケットの端部方向の流れ抵抗が 当該方向と直交する方向より高くなり、前記シートのパッケージの中央部での流 れ抵抗が指向する流れ方向で低いことを特徴とする請求の範囲１乃至４のいずれ か１つに記載の熱交換器。 ６． 前記パッケージの両端部でのシールは、前記ケーシングの２つの対向する 側壁と一致するようにしたことを特徴とする請求の範囲１乃至５のいずれか１つ に記載の熱交換器。 ７． 分離された伝熱壁を介して２つの媒体間で熱伝達を行なうための熱回収式 熱交換器の製造方法において、 ａ）多層パッケージを形成するため伝熱材料の１枚の成形パターンを有するシ ート（１）を繰り返し折り、ケーシング（２０，２１；２８，３４，３５）内に 前記パッケージを収納する、 ｂ）前記シート、つまり直角に折られた端部の長手方向端部を蓋形成部材（１ ２）とともにシールする、 ｃ）前記折られたシートにより形成されたパッケージ（１２）をケーシング内 に収容しかつ前記ケーシングに対して底部及び頂部で前記パッケージをシールし 、当該シート２つの対向側面が２つの空間に対向し、該空間はケーシング内で互 いに分離し前記媒体の一方の入り口部と出口部として設けられている、 ことを特徴とする熱交換器の製造方法。 ８． シートに付与される望ましいパターンの形状に対応し、シートに折り曲げ 線を作るために軸方向に畝状突部（７）と溝（８）を有する適切な畝状突部と凹 部（５，６）を有する少なくとも２つの成形ローラ間に連続的にシートを送り込 むことにより当該シートにスタンプすることによりシート（１）に成形パターン を形成するようにしたことを特徴とする請求の範囲７に記載の熱交換器の製造方 法。 ９． 前記蓋形成シール部材は、凝固しうる合成物をモールドすることにより形 成したことを特徴とする請求の範囲７又は８に記載の熱交換器の製造方法。