JPS5937435B2 - laminated heat exchanger - Google Patents

laminated heat exchanger

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JPS5937435B2
JPS5937435B2 JP59580A JP59580A JPS5937435B2 JP S5937435 B2 JPS5937435 B2 JP S5937435B2 JP 59580 A JP59580 A JP 59580A JP 59580 A JP59580 A JP 59580A JP S5937435 B2 JPS5937435 B2 JP S5937435B2
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JP
Japan
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heat exchanger
laminate
thermal
bolt
coefficient
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JP59580A
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Japanese (ja)
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JPS5697796A (en
Inventor
紀元 松田
健次郎 笠井
政男 寺崎
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/08Elements constructed for building-up into stacks, e.g. capable of being taken apart for cleaning
    • F28F3/083Elements constructed for building-up into stacks, e.g. capable of being taken apart for cleaning capable of being taken apart

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、空気分離装置、ヘリウム冷凍機、液化機等の
低温システムに使用する積層熱交換器の改良に関するも
のであり、きわめてかさの小さいコンパクトな熱交換器
を必要とする限定されたスペースに設置する場合に好適
である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to an improvement in a laminated heat exchanger used in low temperature systems such as air separation equipment, helium refrigerators, and liquefiers, and requires a compact heat exchanger with extremely small bulk. It is suitable for installation in a limited space.

低温システムに適用される熱交換器の要求の一つには、
如何にコンパクトにできるか、即ち、単位体積当りの伝
熱面積をどの位大きくできるかということにある。
One of the requirements for heat exchangers applied to low temperature systems is
The key is how compact it can be made, that is, how large the heat transfer area per unit volume can be.

熱交換器をコンパクトにするということは、熱交換器自
体が安価にできるようになるという利点の他に、熱交換
器を収納する機器を含めたシステム全体がコンパクトで
安価になるという波及効果を持っており、その経済的効
果は大きい。
Making the heat exchanger more compact not only has the advantage of making the heat exchanger itself cheaper, but also has the ripple effect of making the entire system, including the equipment that houses the heat exchanger, more compact and cheaper. The economic impact is significant.

そして、この熱交換器のコンパクト化に対する要求は、
特に小型のヘリウム冷凍機において強く、多くの研究者
や技術者達によって単位体積当りの伝熱面積が大きい積
層形態交換器の適用が試みられている。
The demand for compact heat exchangers is
This is especially true for small-sized helium refrigerators, and many researchers and engineers are attempting to apply stacked exchangers that have a large heat transfer area per unit volume.

第1図、第2図は従来の積層熱交換器を示し、1は、伝
熱板2とスペーサ3とを交互に接合し配置した積層体で
、積層体1の両端にはそれぞれヘッダー4,4Aが配置
されて積層熱交換器を構成している。
1 and 2 show a conventional laminated heat exchanger. Reference numeral 1 denotes a laminated body in which heat exchanger plates 2 and spacers 3 are alternately bonded and arranged, and headers 4 are provided at both ends of the laminated body 1, respectively. 4A are arranged to constitute a laminated heat exchanger.

伝熱板2としては、一般的に熱伝導性のよいアルミニウ
ムや銅製の多孔板やスクリーン等が用いられている。
As the heat transfer plate 2, a perforated plate or screen made of aluminum or copper, which has good thermal conductivity, is generally used.

一方、スペーサ3には熱交換器を流れる流体の高温流路
5、低温流路6を形成するための孔があけられ図示の矢
印のように流体が流されるようになっている。
On the other hand, the spacer 3 has holes for forming a high temperature flow path 5 and a low temperature flow path 6 for the fluid flowing through the heat exchanger, so that the fluid flows as shown by the arrows in the figure.

このスペーサ3は、熱交換器における長手方向(積層方
向)の熱の移動を防止し、熱交換効率をよくするため、
熱伝導性の低い材料を用いるのが一般的で、ネオプレン
、プラスチック、樹脂含浸紙等が使われている。
This spacer 3 prevents heat transfer in the longitudinal direction (laminated direction) in the heat exchanger and improves heat exchange efficiency.
Materials with low thermal conductivity are commonly used, such as neoprene, plastic, and resin-impregnated paper.

このように、伝熱板2には金属材料が用いられ、スペー
サ3に非金属材料が用いられる場合、両者の接合方法と
しては通常接着固定が一般的である。
In this way, when a metal material is used for the heat exchanger plate 2 and a non-metallic material is used for the spacer 3, bonding and fixing is generally used as a method for joining the two.

」二記従来の積層熱交換器を低温システムに適用した場
合、次のような問題があった。
2. When conventional laminated heat exchangers were applied to low-temperature systems, there were the following problems.

通常、空気分離装置やヘリウム冷凍機に適用する熱交換
器は極低温下で使用されるので、装置を停止、起動する
たびに、常温から極低温までの温度変化の繰り返えしく
サーマルサイクル)を受ける。
Usually, heat exchangers applied to air separation equipment and helium refrigerators are used at extremely low temperatures, so each time the equipment is stopped and started, the temperature changes repeatedly from room temperature to extremely low temperatures (thermal cycle). receive.

そして、サーマルサイクルを受けると伝熱板2とスペー
サ3の熱膨張係数の差によって接着層にひずむが発生す
る。
When subjected to a thermal cycle, distortion occurs in the adhesive layer due to the difference in thermal expansion coefficients between the heat exchanger plate 2 and the spacer 3.

この接着層のひずむがあまり大きくなり、または、ひず
みの蓄積が許容限界を超えると接着層が剥離して流体漏
れを生じるようになる。
If the strain on the adhesive layer becomes too large or the accumulation of strain exceeds a permissible limit, the adhesive layer will peel off and fluid leakage will occur.

これを防止するための手段として、ヘッダ4,4A間を
金属製ボルトで締め付ける方法が行われた。
As a means to prevent this, a method of tightening metal bolts between the headers 4 and 4A has been used.

この方法によれば、接着層の剥離をある程度防止できる
が、金属製ボルトに比べてプラスチックスペーサの熱膨
張係数が著しく大きいので、常温(300°K)からヘ
リウム温度(4,5°K)まで温度降下すると両者の熱
収縮量に大きな差を生じ、収縮量の大きい積層体は引張
作用を受け、伝熱板とスペーサ間で剥離を生じるように
なる。
According to this method, peeling of the adhesive layer can be prevented to some extent, but since the coefficient of thermal expansion of the plastic spacer is significantly larger than that of metal bolts, it is possible to prevent the peeling of the adhesive layer from room temperature (300°K) to helium temperature (4.5°K). When the temperature drops, a large difference occurs in the amount of thermal contraction between the two, and a laminate with a large amount of shrinkage is subjected to a tensile action, causing separation between the heat exchanger plate and the spacer.

また、金属製ボルトを使う場合、ボルトの熱伝導性がよ
いため、ボルトを介して高温端から低温端へ移動する熱
量も無視できず、これが熱交換器の効率を低下させる原
因になるという問題があった。
Additionally, when using metal bolts, because the bolts have good thermal conductivity, the amount of heat transferred from the high-temperature end to the low-temperature end through the bolts cannot be ignored, and this causes the problem of reducing the efficiency of the heat exchanger. was there.

本発明の目的は、サーマルサイクルを受けても接着層に
歪を生じさせることなく、接着層の剥離が生じないよう
にした積層熱交換器を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a laminated heat exchanger that does not cause distortion in the adhesive layer and does not cause peeling of the adhesive layer even when subjected to thermal cycles.

本発明の積層熱交換器は、比較的熱伝導係数の低い材料
からなるスペーサと比較的熱伝導係数の高い金属製多孔
板またはスクリーン等から形成された伝熱板とが交互に
積み重ねられて1個の積層体に形成されるとともに、上
記積層体に高温流体の通路および低温流体の通路を形成
するための少なくとも2個の穴が形成され、積層体の両
端にそれぞれ配置されたヘラグー間をボルトにより固定
してなり、上記ボルトを、熱伝導性が低く、かつ熱膨張
係数が上記積層体とほぼ同等の材料により構成したもの
である。
The laminated heat exchanger of the present invention is constructed by alternately stacking spacers made of a material with a relatively low coefficient of thermal conductivity and heat transfer plates formed of metal perforated plates or screens with a relatively high coefficient of thermal conductivity. At least two holes are formed in the laminate to form a high-temperature fluid passage and a low-temperature fluid passage, and bolts are formed between the heat sinks disposed at both ends of the laminate. The bolt is made of a material that has low thermal conductivity and has a coefficient of thermal expansion that is approximately the same as that of the laminate.

以下、本発明の積層熱交換器の一実施例を第3図ないし
第6図により説明する。
Hereinafter, one embodiment of the laminated heat exchanger of the present invention will be described with reference to FIGS. 3 to 6.

8,8Aはヘッダーでそれぞれ4個のブラケツ)7が固
定され、9はブラケット7部分に貫通されてヘッダー8
゜8A間に積層体1を挟着するボルトであり、ナツト1
0により固定されるようになっている。
8 and 8A are headers, each with four brackets) 7 are fixed, and 9 is passed through the bracket 7 part and is attached to the header 8.
It is a bolt that clamps the laminate 1 between ゜8A, and the nut 1
It is fixed at 0.

積層体1の構成は従来の第1図、第2図と同様で、伝熱
板2は熱伝導性の高い金属が用いられ、スペーサ3は熱
伝導性の低い非金属材料、例えばネオプレン、プラスチ
ック等が用いられている。
The structure of the laminate 1 is the same as the conventional one shown in FIGS. 1 and 2, in which the heat transfer plate 2 is made of a metal with high thermal conductivity, and the spacer 3 is made of a non-metallic material with low thermal conductivity, such as neoprene or plastic. etc. are used.

矢印は高低温流体のそれぞれの流れ方向を示し、11は
その流路の孔である。
The arrows indicate the respective flow directions of the high-temperature fluid, and 11 is the hole in the flow path.

いま、第5図に示す如く、伝熱板2の板厚を!、スペー
サ3の板厚をδとして熱交換器が全体一様な温度T。
Now, as shown in Figure 5, the thickness of the heat transfer plate 2! , the temperature T at which the entire heat exchanger is uniform, where the thickness of the spacer 3 is δ.

から高温端がT1、低温端がT2なる温度直線勾配に冷
却された場合の熱収縮量△Lが(1)式のように近似さ
れる。
The amount of thermal contraction ΔL when the temperature is cooled to a linear temperature gradient of T1 at the high temperature end and T2 at the low temperature end is approximated as shown in equation (1).

、、、1.、。但し、α、:伝熱板の熱
膨張係数 α2ニスペーサの熱膨張係数 N:伝熱板またはスペーサ枚数 一方、ヘッダー8,8Aを結合するボルト9も両端のヘ
ッダー8,8Aの温度の影響を受けて高温端がT1、低
温端がT2になる直線温度勾配になったとすると、その
ときの熱収縮量△L′は次の(2)式のように近似され
る。
,,,1. ,. However, α: Coefficient of thermal expansion of heat exchanger plate α2 Coefficient of thermal expansion of spacer Assuming that the temperature becomes a linear temperature gradient such that the high temperature end is T1 and the low temperature end is T2, the amount of thermal contraction ΔL' at that time is approximated by the following equation (2).

但し、L:初期のヘッダ間距離 α:ボルトの熱膨張係数 (1)式、(2)式においてΔLと△L′とが等しくな
るようにすれば、接着層に対する長手方向の熱歪は解消
される。
However, L: Initial distance between headers α: Coefficient of thermal expansion of bolt If ΔL and ΔL' are made equal in equations (1) and (2), thermal strain in the longitudinal direction of the adhesive layer can be eliminated. be done.

これよりαを求めると、となる。Calculating α from this results in the following.

即ち、(3)式を満足するようにボルト9の材質を選定
すれば、積層体における熱歪をほとんどOにすることが
できる。
That is, if the material of the bolt 9 is selected so as to satisfy equation (3), the thermal strain in the laminate can be reduced to almost zero.

伝熱板2の熱膨張係数α7とスペーサ3の熱膨張係数α
2を比較すれば、一般には、α、〈α2の関係にある。
Thermal expansion coefficient α7 of heat exchanger plate 2 and thermal expansion coefficient α of spacer 3
2, generally there is a relationship of α, <α2.

したがって、ボルト9の熱変形量と積層体1の熱変形量
をほぼ同じにするには、ボルト9とスペーサ3と同材料
で製作しこれに金属製の芯線を埋設するのがその一つの
方法である。
Therefore, one way to make the amount of thermal deformation of the bolt 9 and the amount of thermal deformation of the laminate 1 almost the same is to make the bolt 9 and the spacer 3 from the same material and embed a metal core wire therein. It is.

第6図はこのボルトを示し、ボルト9の母材15は、単
一成分のプラスチックのみに限定せず、ガラス繊維入り
のもの、炭素繊維入りのもの等を含む高分子系材料から
なり、金属性材料の芯線16が埋め込よれた複数材料か
ら形成され、ボルト9の熱膨張係数は積層体1のそれと
ほぼ同等に選定されている。
FIG. 6 shows this bolt, and the base material 15 of the bolt 9 is not limited to single-component plastic, but is made of polymeric materials including those containing glass fibers, those containing carbon fibers, and metals. The bolt 9 is made of a plurality of materials in which a core wire 16 of a flexible material is embedded, and the coefficient of thermal expansion of the bolt 9 is selected to be approximately the same as that of the laminate 1.

14はナツト10とねじ結合するためのねじ部である。Reference numeral 14 denotes a threaded portion for threaded connection with the nut 10.

このように本実施例の積層熱交換装置は構成されている
ので、ボルトの熱変形量と積層体の熱変形量とがほぼ等
しくなるため、伝熱板とスペーサ間の接着層が熱歪を受
けることなく、シたがって、剥離の発生を防止できる。
Since the laminated heat exchange device of this embodiment is configured in this way, the amount of thermal deformation of the bolts and the amount of thermal deformation of the laminate are approximately equal, so that the adhesive layer between the heat exchanger plate and the spacer prevents thermal strain. Therefore, the occurrence of peeling can be prevented.

上記実施例は、ボルト材料の内部に芯線を埋設した場合
について述べたが、芯線を埋設する代りにボルトの材料
を、その熱膨張係数がスペーサ3の熱膨張係数よりも小
さくなるようにして(3)式を満足するようにしても同
等の効果が得られる。
In the above embodiment, the core wire is buried inside the bolt material, but instead of burying the core wire, the bolt material is made so that its coefficient of thermal expansion is smaller than that of the spacer 3 ( The same effect can be obtained even if the formula 3) is satisfied.

以上記述した如く本発明の積層熱交換器は、サーマルサ
イクルを受けても接着層に歪を生じさせることなく接着
層の剥離を防止できる効果を有するものである。
As described above, the laminated heat exchanger of the present invention has the effect of preventing peeling of the adhesive layer without causing distortion in the adhesive layer even when subjected to thermal cycles.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は従来の積層熱交換器の正面図、第2図は第1図
の■−■矢視部のスペーサと伝熱板との接合面部分の平
面図、第3図は本発明の積層熱交換器の一実施例の正面
図、第4図は第3図の平面図、第5図は第4図の■−■
矢視断面拡大図、第6図は第3図のボルトの拡大断面図
である。 1・・・・・・積層体、2・・・・・・伝熱板、3・・
・・・・スペーサ、4.4A、8,8A・・・・・・ヘ
ッダー、9・・・・・・ボルト、10・・・・・・ナツ
ト。
Fig. 1 is a front view of a conventional laminated heat exchanger, Fig. 2 is a plan view of the joint surface between the spacer and the heat exchanger plate in the direction of the ■-■ arrow in Fig. A front view of an embodiment of a laminated heat exchanger, Fig. 4 is a plan view of Fig. 3, and Fig. 5 is a plan view of Fig. 4.
FIG. 6 is an enlarged sectional view of the bolt shown in FIG. 3. 1... Laminated body, 2... Heat exchanger plate, 3...
...Spacer, 4.4A, 8,8A...Header, 9...Bolt, 10...Nut.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 比較的熱伝導係数の低い材料からなるスペーサと比
較的熱伝導係数の高い金属性多孔板またはスクリーン等
から形成された伝熱板とが交互に積み重ねられて1個の
積層体に形成されるとともに、上記積層体に高温流体の
通路および低温流体の通路を形成するための少なくとも
2個の穴が形成され、積層体の両端にそれぞれ配置され
たヘッダー間をボルトにより固定したものにおいて、上
記ボルトを、熱伝導性が低く、かつ熱膨張係数が上記積
層体とほぼ同等の材料により構成したことを特徴とする
積層熱交換器。 2 上記ボルトを、金属製の芯線が埋め込まれた高分子
系材料からなる上記積層体とほぼ同等の熱変形量を有す
る複合材料から形成した特許請求の範囲第1項記載の積
層熱交換器。
[Claims] 1. Spacers made of a material with a relatively low coefficient of thermal conductivity and heat transfer plates formed of a metal porous plate or screen with a relatively high coefficient of thermal conductivity are alternately stacked to form a single spacer. The laminate is formed with at least two holes for forming a high-temperature fluid passage and a low-temperature fluid passage in the laminate, and headers arranged at both ends of the laminate are fixed by bolts. A laminated heat exchanger according to the present invention, wherein the bolt is made of a material having low thermal conductivity and a coefficient of thermal expansion substantially equal to that of the laminated body. 2. The laminated heat exchanger according to claim 1, wherein the bolt is formed from a composite material having approximately the same amount of thermal deformation as the laminated body made of a polymer material in which a metal core wire is embedded.
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JPS5697796A JPS5697796A (en) 1981-08-06
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