WO2018002963A1 - 熱交換器 - Google Patents

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木村　洋一
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日新ネオ株式会社
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    • F28F2265/26—Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction for allowing differential expansion between elements

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger that controls the temperature of a fluid.
  • a heat exchanger is a device that controls the temperature by bringing two objects of different temperatures into contact with each other and heating or cooling one of them, and is used in industries such as boilers, steam generators, food manufacturing, chemical manufacturing, and refrigerated storage. Widely used for applications.
  • a heat exchanger is provided in the middle of the piping to control the temperature of the fluid flowing through the piping.
  • a plate-shaped body is formed with a flow channel communicating with piping, and a cylindrical pin-shaped heat conductor having a higher thermal conductivity than the body is embedded in the periphery of the flow channel, and a plate-like shape is formed on both sides of the body. Laminate the heat transfer plate and heater plate.
  • the heat exchange fluid in the flow path can be heated from the heater plate via the heat transfer plate and the body, and at that time, the heat conductivity is improved by the heat conductor, and high heat exchange efficiency is realized. It is possible.
  • the cylindrical pin-shaped heat conductor is fitted and attached to the hole formed in the body without a gap, so depending on the material of the heat conductor and the body.
  • the cylindrical pin-shaped heat conductor is fitted and attached to the hole formed in the body without a gap, so depending on the material of the heat conductor and the body.
  • the material of the heat conductor and the body could not absorb the difference in thermal expansion between the two, and there was a risk that cracks would occur in the flow path due to the resulting stress.
  • the problem to be solved is that in the structure in which the heat conductor is fitted in the hole of the body of the heat exchanger, the difference in thermal expansion between the body and the heat conductor cannot be absorbed without lowering the heat exchange efficiency. There is a possibility that cracks may occur in the road.
  • the present invention can absorb the thermal expansion difference between the body and the heat conductor without reducing the heat exchange efficiency.
  • a heat transfer member that exchanges heat with the heat exchange fluid through the body, the heat transfer member being in contact with an outer surface of the body;
  • a member main body having a contact surface; and a plurality of wall-like heat conductors that protrude from the contact surface of the member main body and are disposed inside the body, wherein the body avoids the flow path.
  • a plurality of wall-like heat conductors are respectively fitted to each other by insertion, and are provided with a plurality of slit-like holes that are arranged inside, and each heat conductor is smaller than the fitted holes.
  • a heat exchanger that is formed and defines a gap between the holes.
  • the heat exchanger of the present invention can absorb the thermal expansion difference between the body and the heat conductor through the gap in the structure in which the heat conductor is fitted into the hole of the body of the heat exchanger, and the flow path is cracked. Can be prevented. Moreover, by making the heat conductor wall-like, it is possible to prevent the heat exchange efficiency from being lowered even if the heat conductor is made smaller than the hole.
  • FIG. 5 is a sectional view taken along line VV in FIG. 4.
  • 3A and 3B show a body used in the heat exchanger of FIG. 3, in which FIG. 3A is a bottom view, and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along line VI-VI in FIG.
  • the heat-transfer plate used for the heat exchanger of FIG. 3 is shown, (A) is a top view, (B) is a side view.
  • (A) is a top view
  • (B) is sectional drawing. It is a conceptual diagram which shows a part of flow path provided in the body of the heat exchanger of FIG. It is a table
  • (A) is a flow rate of 10 L / min
  • (B) is 1 L / min. This is the case for min.
  • (A) is the graph which plotted the result of FIG. 10 (A)
  • (B) is the graph which plotted the result of FIG. 10 (B).
  • the heat conductor is walled for the purpose of absorbing the difference in thermal expansion between the body and the heat conductor without lowering the heat exchange efficiency. This was realized by forming the hole portion of the body into a slit shape and forming the heat conductor smaller than the hole portion.
  • the heat exchanger includes a body having a flow path for circulating the heat exchange fluid, and a heat transfer member that exchanges heat with the heat exchange fluid via the body, and the heat transfer member Includes a member main body having a contact surface that contacts the outer surface of the body, and a plurality of wall-like heat conductors that protrude from the contact surface of the member main body and are arranged inside the body.
  • the body includes a plurality of slit-shaped holes that allow a plurality of wall-like heat conductors to be fitted by insertion at positions avoiding the flow path and arranged inside. Each heat conductor is formed smaller than the hole to which it is fitted, and defines a gap between the heat conductor.
  • the heat conductor is formed to have a shorter dimension in the insertion direction than the hole, thereby defining a gap.
  • the heat conductor can also have a smaller cross-sectional shape in the direction intersecting the insertion direction.
  • the hole is provided through the body, and the heat transfer member is provided in a pair with the body interposed therebetween.
  • the heat conductors corresponding to each other are inserted from both sides of the hole, and the gap is formed between the corresponding heat conductors. It is good also as a structure which divides. However, only one heat transfer member can be provided. In this case, the hole need not be provided through the body.
  • the heat conductor may be formed integrally with the member body. However, the heat conductor may be formed separately from the member main body, and the contact surface of the member main body may be in contact with the heat conductor.
  • the flow path may include a parallel path arranged in parallel and a folded-back path that connects the parallel paths, and the heat conductor may be positioned between the parallel paths along the parallel path of the flow path. .
  • the folding path may be a bent shape having corners inside the folded shape.
  • the folding path may have a curved shape with no corners outside the folded shape.
  • Heat exchange unit] 1 is a perspective view of a heat exchange unit having a heat exchanger according to Embodiment 1 of the present invention
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the heat exchange unit.
  • the heat exchange unit 1 of the present embodiment is provided in the middle of the pipes 3a and 3b through which the heat exchange fluid flows, and is used in a state of being fixed to a wall or the like, for example.
  • the heat exchange unit 1 causes the heat exchange fluid flowing in from the upstream pipe 3a to flow out into the downstream pipe 3b through the inside.
  • the heat exchange unit 1 controls or adjusts the temperature of the heat exchange fluid by heating or cooling.
  • the heat exchange fluid is heated by the heat exchange unit 1.
  • the heat exchange fluid is not particularly limited.
  • These are corrosive acids, alkalis such as ammonia, potassium hydroxide and sodium hydroxide, solutions or gases such as metal salts such as chlorinated silicon, and high purity water.
  • These heat exchange fluids are used as raw materials for reaction with other substances or as chemicals in a reaction process such as an etching solution, and are controlled to an appropriate temperature by the heat exchange unit 1 during use.
  • the heat exchange unit 1 of the present embodiment is configured by housing a heat exchanger 7 in a case 5.
  • a heat insulating material (not shown) is wound around the heat exchanger 7. It is also possible to omit the case 5 and use the heat exchanger 7 alone.
  • Heat exchanger 3 is a side view of the heat exchanger 7 used in the heat exchange unit 1 of FIG. 1, FIG. 4 is a plan view thereof, and FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line VV of FIG.
  • the heat exchanger 7 includes a body 9, a pair of heat transfer plates 11, a pair of heater plates 13, and a pair of pressing plates 15, and heat transfer is performed on both sides of the body 9.
  • the plate 11, the heater plate 13, and the pressing plate 15 are laminated in this order, and the whole is fastened by bolts 17 and nuts 19.
  • FIG. 6 shows a body 9 used in the heat exchanger 7 of FIG. 3, (A) is a plan view, and (B) is a cross-sectional view taken along line VI-VI of (A).
  • the body 9 is formed in a planar rectangular plate shape as shown in FIGS. Fastening holes 21 are formed in the four corners of the body 9 in the plate thickness direction.
  • the material of the body 9 is made of a material that is stable against the heat exchange fluid. That is, in the temperature range where heat exchange is performed, a material that does not react with the inner surface of the flow path 23 of the body 9 described later and the heat exchange fluid or a material that does not elute components from the inner surface of the flow path 23 is selected. .
  • the reactivity (corrosiveness) of the heat exchange fluid varies depending on the material and contact temperature of the inner surface of the flow path 23, and the allowable range of purity after heat exchange varies depending on the use and properties of the heat exchange fluid. It cannot be specified in general. For example, metal halides and etching agents used in semiconductor manufacturing use high-purity substances, and thus purity reduction due to heat exchange treatment is not allowed. However, in the case of a heat exchanger for turbines, changes in the purity of the heat exchange fluid due to the heat exchange process are often not a problem.
  • the material of the body 9 is appropriately selected from metals such as iron, carbon steel, stainless steel, aluminum, and titanium, synthetic resins such as fluorine resin and polyester, ceramics, and the like.
  • the body 9 has a channel 23 and a plurality of holes 25 formed therein.
  • the flow path 23 circulates the heat exchange fluid and is formed in a closed cross-sectional shape from one end to the other end in the longitudinal direction of the body 9.
  • the flow path 23 is formed in a concave groove shape, and its opening is closed by a lid 29.
  • the channel 23 is formed on one side surface of the body 9 by cutting or etching, and the lid 29 is attached to the opening of the channel 23 by welding or the like.
  • the lid 29 is made of the same material as that of the body 9 but can be made of a different material.
  • the flow path 23 of the present embodiment has a wave shape that is folded back and forth between the ends of the body 9 in a plan view.
  • the flow path 23 includes a parallel path 31 arranged in parallel along the width direction of the body 9 and a folded-back path 33 that connects between the adjacent parallel paths 31.
  • the parallel path 31 is arranged in the longitudinal direction of the body 9 with an equally spaced gap.
  • the parallel paths 31 at both ends are formed shorter than the other parallel paths 31 and communicate with the connection ports 39 at both ends via the bent portions 35 and the communication paths 37 along the longitudinal direction.
  • a joint 41 for connecting to the pipes 3a and 3b is attached to the connection port 39, respectively.
  • the folding path 33 is formed along the longitudinal direction of the body 9, and has a bent portion 35 between the parallel path 31.
  • the bent portion 35 has a corner 43 on the inner side of the folded shape of the folded path 33, and has a curved surface 45 having no corner on the outer side of the folded shape (see FIG. 9).
  • the turn-back path 33 can cause the heat exchange fluid to generate a turbulent flow due to the corner 43 on the downstream side of the bent portion 35 and improve the heat exchange efficiency. That is, in the heat exchange fluid, the heat transfer between the low density portion and the high density portion becomes active, and the heat transfer fluid can be efficiently transferred between the inner surface of the flow path 23. In addition, the return path 33 suppresses the occurrence of excessive resistance due to excessive turbulence due to the curved surface 45 of the bent portion 43.
  • a hole 25 is formed at a position avoiding the flow path 23 as shown in FIGS.
  • a plurality of holes 25 are provided between the parallel paths 31 of the flow paths 23 through the body 9 in the plate thickness direction, and heat conductors 51 described later are respectively inserted into the holes 25. ing.
  • Each hole 25 extends in the width direction of the body 9 along the parallel path 31 from the inner side of the return path 33 of the flow path 23 in a plan view, and in the width direction rather than the dimension in the longitudinal direction of the body 9. It has a slit shape with large dimensions. Both end portions of the hole portion 25 are formed in an arc shape. The closer the hole 25 and the flow path 23 are, the better. However, it is necessary not to impair the strength, function, etc. of the body 9 that partitions the hole 25 and the flow path 23.
  • FIG. 7 shows the heat transfer plate 11
  • (A) is a bottom view
  • (B) is a side view
  • FIG. 8 shows the relationship between the hole of the body and the heat conductor of the heat transfer plate
  • (A) Is a plan view
  • (B) is a cross-sectional view.
  • the pair of heat transfer plates 11 are heat transfer members of the present embodiment, and exchange heat with the heat exchange fluid via the body 9.
  • Each heat transfer plate 11 includes a plate main body 49 that is a member main body and a heat conductor 51.
  • a pair of heat-transfer plate 11 is the same structure, only one side is demonstrated fundamentally.
  • the plate body 49 is formed in a planar rectangular plate shape corresponding to the body 9.
  • the plate body 49 of this embodiment has a smaller plate thickness than the body 9.
  • fastening holes 53 pass through in the plate thickness direction.
  • the material of the plate body 49 is metal, synthetic resin, ceramics, etc. having higher thermal conductivity than the body 9.
  • One side surface of the plate body 49 is a contact surface 49 a that contacts the outer surface 9 a of the body 9.
  • a plurality of thermal conductors 51 are provided on the contact surface 49a.
  • the heat conductor 51 has a wall shape that protrudes from the contact surface 49 a of the plate body 49 and is installed inside the body 9.
  • the heat conductor 51 of this embodiment is formed integrally with the plate body 49 and is made of the same material as the plate body 49. Therefore, the heat conductor 51 is made of a material having higher heat conductivity than the body 9.
  • the body 9 is made of stainless steel, and the plate body 49 and the heat conductor 51 are made of aluminum.
  • the heat conductor 51 can be formed separately from the plate body 49.
  • the heat conductor 51 may be made of a material different from that of the plate body 49.
  • the heat conductors 51 are respectively inserted into the hole portions 25 of the body 9, thereby arranging the heat conductors 51 inside the body 9.
  • Each heat conductor 51 is formed smaller than the inserted hole 25.
  • the dimension in the insertion direction is formed short, and a gap G1 in the insertion direction is defined in the hole 25.
  • the heat conductors 51 corresponding to each other of the pair of heat transfer plates 11 sandwiching the body 9 are inserted into the same hole 25 of the body 9 from both sides, and the corresponding heat conductors 51 are inserted.
  • a gap G1 is defined between them. The gap G1 makes it possible to absorb the difference in thermal expansion between the body 9 and the heat conductor 51.
  • the cross-sectional shape of the heat conductor 51 in the cross direction with respect to the insertion direction is slightly smaller than the hole portion 25 of the body 9 in a plan view.
  • the gaps G2 and G3 that can absorb the difference in thermal expansion between the body 9 and the heat conductor 51 are provided together with the gap G1.
  • the gap G2 is a gap in the width direction of the body 9, and the gap G3 is a gap in the longitudinal direction of the body 9.
  • the gaps G2 and G3 are smaller than the gap G1, and the gap G3 is smaller than the gap G2.
  • the gaps G2 and G3 can be omitted. It is also possible to omit the gap G1 and provide one or both of the gaps G2 and G3.
  • each of the pair of heater plates 13 is a heating element of the present embodiment, and is formed of a mica heater.
  • the heater plate 13 is not limited to a mica heater, and a ceramic heater such as an alumina heater or another heater may be used.
  • a pair of heater plate 13 is the same structure, only one side is demonstrated fundamentally.
  • the heater plate 13 is formed in the same shape as the plate body 49 of the heat transfer plate 11. However, the heater plate 13 is thinner than the plate body 49. The thickness of the heater plate 13 is arbitrarily set according to the capacity of the heater.
  • the heater plate 13 is connected to a power supply wiring 55 and generates heat up to a set temperature by energization control.
  • the heater plate 13 is superimposed on the other side surface of the heat transfer plate 11 and heats the heat exchange fluid in the flow path 23 via the heat transfer plate 11 and the body 9.
  • Fastening holes are formed at the four corners of the heater plate 13, similarly to the heat transfer plate 11 and the body 9.
  • a cooling plate may be used instead of the heater plate 13.
  • a Peltier element using the Peltier effect can be used.
  • the pair of presser plates 15 are formed in the same shape as the plate body 49 of the heat transfer plate 11, and can be formed of, for example, metals, synthetic resins, ceramics, or the like. Fastening holes (not shown) are formed at the four corners of the presser plate 15 as in the heat transfer plate 11 and the like. These presser plates 15 are stacked on the heater plates 13 on both sides, and are fastened by bolts 17 and nuts 19 on the outer side of the laminated structure of the heat exchanger 7.
  • the bolts 17 are inserted through the pair of pressing plates 15, the pair of heater plates 13, the pair of heat transfer plates 11, the fastening holes 21 and 53 of the body 9, and the head portion 57 is positioned on the one pressing plate 15.
  • the nut 19 positioned on the other pressing plate 15 is screwed to the tip of the male screw portion 59.
  • the case 5 is configured by attaching a box-like portion 63 on a plate-like base portion 61.
  • the material of the case 5 is not particularly limited, but is made of a metal such as stainless steel in this embodiment.
  • the base portion 61 is formed in a rectangular plate shape, and a fixing hole 65 is formed. With this fixing hole 65, the heat exchange unit 1 can be fixed to a wall or the like.
  • the material of the base portion 61 is metal or the like, and is stainless steel in this embodiment.
  • plate-like mounting plates 67a and 67b for mounting the box-shaped portion 63 are erected.
  • One mounting plate 67a is formed higher than the other mounting plate 67b, and a recess 69 for supporting the wiring 55 of the heat exchanger 7 is formed at the upper end.
  • an intermediate plate 71 bent in a raised shape is attached by screws 73.
  • the middle plate 71 is made of a metal or the like, similar to the base portion 61, and is formed of stainless steel in this embodiment.
  • a heat exchanger 7 is attached on the intermediate plate 71. In this embodiment, the heat exchanger 7 is not directly in contact with the intermediate plate 71 using the bolts 17 and nuts 19 that fasten the body 9, the heat transfer plate 11, and the holding plate 15 of the heat exchanger 7. .
  • the nut 19 abuts against the intermediate plate 71 and the tip of the male screw portion 59 of the bolt 17 protruding from the nut 19 passes through the intermediate plate 71, and a fixing nut 75 is screwed into the tip of the male screw portion 59.
  • plate-like pedestals 77 are erected on both sides of the middle plate 71 in the longitudinal direction.
  • a concave portion 79 is formed at the upper end of the pedestal portion 77, and the joint 41 of the heat exchanger 7 is placed and supported by the concave portion 79.
  • the box-shaped portion 63 is attached to the attachment plates 67a and 67b of the base portion 61 with screws 81.
  • the box-shaped part 63 is made of metals or the like, like the base part 61, and is stainless steel in this embodiment.
  • the box-shaped part 63 is formed with a slit 83 for inserting the joint 41 of the heat exchanger 7 and a slit 85 for inserting the wiring 55 of the heat exchanger 7.
  • the wiring 55 is held by a clamp member 87 attached to the side surface of the box-shaped portion 63 after being pulled out from the slit 85.
  • Heat exchange, etc. When the heat exchange fluid flowing through the pipes 3a and 3b is set to a desired temperature by the heat exchange unit 1, first, the heater plate 13 of the heat exchanger 7 is heated by energization control. When the heater plate 13 generates heat, the heat is transmitted to the heat transfer plate 11. Heat is transferred from the heat transfer plate 11 to the body 9 through the plate body 49 and the heat conductor 51. The heat exchange fluid is heated by heat exchange between the body 9 and the heat exchange fluid flowing in the flow path 23 (see FIG. 5).
  • the heat conductivity can be improved by the heat conductor 51 reaching the inside of the body 9, and high heat exchange efficiency can be realized.
  • the return path 33 of the flow path 23 causes turbulent flow due to the corners 43 in the heat exchange fluid on the downstream side of the bent portion 35, and the density of the heat exchange fluid is low.
  • the heat transfer between the part and the part having a high density becomes active, and it is possible to efficiently transfer the heat between the heat exchange fluid and the inner surface of the flow path 23, thereby realizing higher heat exchange efficiency. .
  • the wall-shaped heat conductor 51 is located along the parallel path 31 of the flow path 23 where turbulent flow occurs, heat can be efficiently transferred between the heat exchange fluid and the inner surface of the flow path 23.
  • the part to be moved can be effectively heated, and higher heat exchange efficiency is realized.
  • the heat exchanger 7 of a present Example since the heat conductor 51 is formed in the wall shape, compared with the conventional cylindrical pin-shaped heat conductor, the heat exchanger 7 as a whole is heated.
  • the surface area of the conductor 51 can be increased up to about four times according to the size, and not only the heat exchange efficiency is reduced, but also high heat exchange efficiency is realized.
  • the heat transfer plate 11 expands so as to fill the gaps G1, G2, and G3.
  • the difference in thermal expansion can be absorbed.
  • the gaps G2 and G3 are filled, the degree of adhesion between the heat conductor 51 and the hole 25 of the body 9 is increased, and the heat exchange efficiency can be adjusted.
  • the heat exchange fluid flow rate is 10 L / min
  • the heater plate set temperature is 100 ° C, 200 ° C, 300 ° C, 400 ° C, 500 ° C.
  • the temperature of the exchange fluid was measured.
  • Example 1 was compared with Comparative Example when the flow rate of the heat exchange fluid was 1 L / min.
  • FIG. 10 is a chart showing the measurement results of Example 1 and the comparative example in comparison, where (A) shows the case where the flow rate of the heat exchange fluid is 10 L / min, and (B) shows the case where it is 1 L / min. Show. 11A and 11B are graphs plotting the results of FIGS. 10A and 10B, respectively.
  • Example 1 when the flow rate is 10 L / min, there is no significant difference between Example 1 and the comparative example. Therefore, in the comparative example, a heat conversion rate equivalent to that of Example 1 is obtained at a flow rate of 10 L / min.
  • the heat conversion rate is the ratio of the outlet temperature to the temperature of the heater plate (the same applies hereinafter).
  • Example 1 and Comparative Example are applied when the flow rate is 1 L / min, the Comparative Example is at 100 ° C. to 400 ° C. with respect to Example 1 as shown in FIGS. 10 (B) and 11 (B). It can be seen that the heat conversion rate has dropped. In particular, at a set temperature of 300 ° C., the heat conversion rate has dropped significantly until it falls below 70%.
  • FIG. 12 is a graph showing a comparison of heat conversion rates at different flow rates of the heat exchange fluid for Example 1.
  • the broken line is a line with a heat change rate of 90%.
  • the heat conversion rate is any case when the flow rate is 0.5 L / min, 1 L / min, 5 L / min, 10 L / min, 20 L / min, 30 L / min. It is over 90%.
  • Example 1 Since the response of the comparative example was about 50 seconds at any flow rate, in Example 1, the response can be greatly improved by realizing a high heat exchange rate.
  • Example 1 as shown in FIGS. 13A to 13C, the case temperature is 60 ° C. to 70 ° C. as in the comparative example, although the heat insulating material is smaller than that in the comparative example. It was stable. Therefore, Example 1 has confirmed that the heat exchange efficiency was improving rather than the comparative example.
  • the heat exchanger 7 of the present embodiment includes a body 9 having a flow path 23 for circulating the heat exchange fluid and a heat transfer plate 11 that exchanges heat with the heat exchange fluid via the body 9. .
  • the heat transfer plate 11 includes a plate main body 49 having a contact surface 49 a that contacts the outer surface 9 a of the body 9, and a plurality of wall-shaped heat conductors that protrude from the contact surface 49 a of the plate main body 49 and are disposed inside the body 9. 51.
  • the body 9 includes a plurality of slit-shaped hole portions 25 that allow a plurality of wall-shaped heat conductors 51 to be fitted by insertion at positions avoiding the flow path 23 to be arranged inside.
  • Each of the heat conductors 51 is formed smaller than the hole 25 into which the heat conductor 51 is fitted, and defines a gap G1, G2, or G3 between the heat conductor 51 and the hole 25.
  • the difference in thermal expansion between the body 9 and the heat conductor 51 is defined as the gap G1, It can be absorbed by G2 or G3, and cracks can be prevented from occurring in the flow path 23.
  • the heat conductor 51 is formed into a wall shape, so that the heat exchange efficiency can be prevented from being lowered even if the heat conductor 51 is made smaller than the hole 25, and heat exchange is also performed. It is also possible to improve efficiency.
  • the heat conductor 51 of the present embodiment is formed to have a shorter dimension in the insertion direction than the hole portion 25 to partition the gap G1. Therefore, the gap G1 can reliably absorb the difference in thermal expansion between the heat conductor 51 and the body 9.
  • the heat conductor 51 is formed to have a smaller cross-sectional shape in the direction intersecting the insertion direction than the hole portion 25 to partition the gaps G2 and G3, so that the thermal expansion of the heat conductor 51 and the body 9 is achieved.
  • the holes 25 are provided through the body 9, the heat transfer plates 11 are provided in pairs with the body 9 in between, and the heat conductors 51 corresponding to each other in the pair of heat transfer plates 11 are the same. Inserted from both sides of the hole 25, the gap G1 is defined between the corresponding heat conductors 51.
  • the heat transfer plates 11 can be arranged on both sides of the body 9 to reliably perform heat exchange.
  • the heat conductor 51 of this embodiment is formed integrally with the plate body 49, it can be easily assembled to the body 9.
  • the flow path 23 includes a parallel path 31 arranged in parallel and a folded-back path 33 that connects the parallel paths 31, and the heat conductor 51 extends between the parallel paths 31 along the parallel path 31 of the flow path 23. Located in.
  • the wall-shaped heat conductor 51 can be effectively arranged with respect to the flow path 23.
  • the folding path 33 since the folding path 33 has a bent shape with the corners 43 inside, the turbulent flow caused by the corners 43 is generated in the heat exchange fluid on the downstream side, and the density of the heat exchange fluid is reduced.
  • the heat transfer between the low part and the high density part becomes active, and it is possible to efficiently transfer heat between the heat exchange fluid and the inner surface of the flow path 23, thereby realizing higher heat exchange efficiency.
  • the wall-shaped heat conductor 51 is located along the parallel path 31 of the flow path 23 where turbulent flow occurs, heat can be efficiently transferred between the heat exchange fluid and the inner surface of the flow path 23.
  • the part to be moved can be effectively heated, and higher heat exchange efficiency is realized.
  • the folding path 33 has a bent shape having a curved surface 45 having no corners outside the folded shape, excessive turbulent flow can be prevented and pressure loss of the heat exchange fluid can be suppressed.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view of a heat exchanger according to Embodiment 2 of the present invention.
  • the description corresponding to that of the first embodiment is omitted by using the same reference numerals or the same reference numerals with A added thereto.
  • the heat conductor 51A is provided only on one heat transfer plate 11Aa of the pair of heat transfer plates 11Aa and 11Ab.
  • the heat transfer plate 11Ab does not have a heat conductor and is composed of only a plate-like plate body 49.
  • the heat conductor 51A extends in the longitudinal direction with respect to the first embodiment, and a gap G1 in the insertion direction is defined between the heat conductor 51A and the other heat transfer plate 11Ab.
  • FIG. 15 is a conceptual diagram showing a part of the flow path of the body of the heat exchanger according to the third embodiment of the present invention.
  • the same reference numerals are used for the components corresponding to those in the first embodiment, or redundant description is omitted using the same reference numerals with B added thereto.
  • the outer side of the folded shape of the folded portion 33B of the flow path 23B is a curved shape having no corners as a whole.
  • the turbulent flow is generated by the inner corner 43 of the folded shape of the folded path 33B, and the excessively turbulent flow is more reliably prevented by the curved shape having no corner as a whole outside the folded shape. can do. For this reason, in this embodiment, it is possible to reliably generate turbulent flow while minimizing the pressure loss of the heat exchange fluid.
  • the third embodiment can achieve the same operational effects as the first embodiment.
  • FIG. 16 is a side view, partly in section, of a heat exchange unit having a heat exchanger according to Embodiment 4 of the present invention.
  • the same reference numerals are used for the components corresponding to those in the first embodiment, or the same reference numerals are denoted by C, and redundant description is omitted.
  • the description of case 5 is omitted.
  • the heat exchanging unit 1 ⁇ / b> C has a reflecting material 89 arranged around the heat exchanger 7.
  • the reflector 89 has a mirror-like inner surface 89 a facing the heat exchanger 7, and reflects the radiant heat from the heat exchanger 7 to improve the heat exchange efficiency of the heat exchanger 7.
  • the reflective material 89 can be formed of a metal plate or foil. However, the reflective material 89 can also be constituted by the case 5. In this case, the inner surface of the case 5 may be finished to a mirror surface.
  • Example 4 the heat exchange efficiency of the heat exchanger 7 can be further improved.
  • the fourth embodiment can achieve the same effects as those of the first embodiment.
  • FIG. 17 is a cross-sectional view showing a heat transfer plate used in the heat exchanger according to Embodiment 5 of the present invention.
  • the description corresponding to that in the first embodiment is omitted by using the same reference numerals or the same reference numerals with D added thereto.
  • the heat transfer plate 11D is made of copper and has a silver coating 91 formed on the surface thereof.
  • the heat transfer plate 11D In the case of forming the heat transfer plate 11D with metals, it is common to use aluminum as a material. However, the melting point of aluminum is relatively low at 660 ° C., and there is a limit to increasing the temperature of the heat exchanger.
  • the heat transfer plate 11D is formed of copper having a relatively high melting point of 1080 ° C., so that it is possible to cope with a high temperature of the heat exchanger.
  • copper is a contaminant in some applications such as semiconductor manufacturing processes
  • the surface 91 of the heat transfer plate 11D formed of copper is coated with silver as a non-contaminant.
  • the non-contaminating substance is not limited to silver, and an appropriate one according to the use of the heat exchanger may be adopted.
  • Heat exchanger 9 Body 9a: Outer surface 11: Heat transfer plate (heat transfer member) 23: Channel 25: Hole 31: Parallel path 33: Return path 43: Corner 49: Plate body (member body) 49a: Contact surface 51: Thermal conductor G1, G2, G3: Gap

Abstract

熱交換器のボディの孔部に熱伝導体を嵌合させる構造において、熱交換効率を下げずにボディと熱伝導体との熱膨張差を吸収可能とする熱交換器を提供する。　被熱交換流体を流通させる流路２３を有するボディ９と、ボディ９を介して被熱交換流体との間で熱交換を行う伝熱プレート１１とを備える。伝熱プレート１１は、ボディ９の外面に接触する接触面４９ａを有するプレート本体４９と、プレート本体４９の接触面４９ａから突出してボディ９の内部に配置された複数の壁状の熱伝導体５１とを備える。ボディ９は、流路２３を避けた位置で複数の壁状の熱伝導体５１をそれぞれ挿入により嵌合させて内部への配置を行わせる複数のスリット状の孔部２５を備える。各熱伝導体５１は、嵌合している孔部２５よりも小さく形成されて、孔部２５との間に隙間Ｇ１、Ｇ２又はＧ３を区画する。

Description

熱交換器
　本発明は、流体の温度を制御する熱交換器に関する。
　熱交換器は、温度の異なる２つの物体を接触させて一方の物体を加熱或は冷却して温度を制御する装置であり、ボイラー、蒸気発生器、食品製造や化学薬品製造、冷蔵保管といった産業用として広く使用されている。
　流体の温度を制御する際は、例えば、配管の途中に熱交換器を設けて配管を流れる流体の温度を制御する。
　この種の従来の熱交換器としては、例えば国際公開第ＷＯ２０１３／１８００４７号に記載のものがある。この熱交換器では、板状のボディに配管と連通した流路を形成すると共に流路周辺にボディよりも熱伝導率の良い円柱ピン状の熱伝導体を埋め込み、且つボディの両側に板状の伝熱プレート及びヒータープレートを積層する。
　これにより、ヒータープレートから伝熱プレート及びボディを介して流路内の被熱交換流体を加熱することができ、その際に熱伝導体によって熱伝導率を向上させ、高い熱交換効率を実現することが可能となっている。
　しかし、かかる従来の熱交換器では、熱交換効率の観点から円柱ピン状の熱伝導体がボディに形成された孔部に隙間なく嵌合して取り付けられるため、熱伝導体及びボディの材質によっては両者間の熱膨張差を吸収できず、それによる応力で流路にクラックが生じるおそれがあった。
　解決しようとする問題点は、熱交換器のボディの孔部に熱伝導体を嵌合させる構造において、熱交換効率を下げずにボディと熱伝導体との熱膨張差を吸収できず、流路にクラックが生じるおそれがあった点である。
　本発明は、熱交換器のボディの孔部に熱伝導体を嵌合させる構造において、熱交換効率を下げずにボディと熱伝導体との熱膨張差を吸収可能とするために、被熱交換流体を流通させる流路を有するボディと、前記ボディを介して前記被熱交換流体との間で熱交換を行う伝熱部材とを備え、前記伝熱部材は、前記ボディの外面に接触する接触面を有する部材本体と、該部材本体の接触面から突出して前記ボディの内部に配置された複数の壁状の熱伝導体とを備え、前記ボディは、前記流路を避けた位置で前記複数の壁状の熱伝導体をそれぞれ挿入により嵌合させて前記内部への配置を行わせる複数のスリット状の孔部を備え、各熱伝導体は、嵌合している孔部よりも小さく形成されて該孔部との間に隙間を区画する熱交換器を提供する。
　本発明の熱交換器は、熱交換器のボディの孔部に熱伝導体を嵌合させる構造において、ボディと熱伝導体との熱膨張差を隙間により吸収することができ、流路にクラックが生じることを防止できる。しかも、熱伝導体を壁状とすることで、熱伝導体を孔部より小さくしても熱交換効率が下がることを防止できる。
本発明の実施例１に係る熱交換器を有する熱交換ユニットの斜視図である。 図１の熱交換ユニットの分解斜視図である。 図１の熱交換ユニットの用いられる熱交換器の側面図である。 図３の熱交換器の平面図である。 図４のＶ－Ｖ線に沿った断面図である。 図３の熱交換器に用いられるボディを示し、（Ａ）は底面図、（Ｂ）は（Ａ）のＶＩ－ＶＩ線に沿った断面図である。 図３の熱交換器に用いられる伝熱プレートを示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は、側面図である。 図３の熱交換器のボディの孔部と伝熱プレートの熱伝導体との関係を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。 図３の熱交換器のボディに設けられた流路の一部を示す概念図である。 実施例１と比較例との被熱交換流体の設定温度に対する出口温度を対比して示す図表であり、（Ａ）は被熱交換流体の流量が１０Ｌ／ｍｉｎの場合、（Ｂ）は１Ｌ／ｍｉｎの場合である。 （Ａ）は図１０（Ａ）の結果をプロットしたグラフ、（Ｂ）は図１０（Ｂ）の結果をプロットしたグラフである。 実施例１に係り、被熱交換流体の異なる流量での設定温度に対する出口温度を比較して示すグラフである。 実施例１に係る加熱時のレスポンスを示すグラフであり、（Ａ）は被熱交換流体の流量が６Ｌ／ｍｉｎの場合、（Ｂ）は被熱交換流体の流量が１０Ｌ／ｍｉｎの場合、（Ｃ）は被熱交換流体の流量が２０Ｌ／ｍｉｎの場合である。 本発明の実施例２に係る熱交換器の断面図である。 本発明の実施例３に係る熱交換器のボディの流路の一部を示す概念図である。 本発明の実施例４に係る熱交ユニットを概略的に示す断面図である。 本発明の実施例５に係る熱交換器に用いられる伝熱プレートを示す断面図である。
　熱交換器のボディの孔部に熱伝導体を嵌合させる構造において、熱交換効率を下げずにボディと熱伝導体との熱膨張差を吸収可能とするという目的を、熱伝導体を壁状にし、ボディの孔部をスリット状にし、熱伝導体を孔部よりも小さく形成することによって実現した。
　具体的には、熱交換器は、被熱交換流体を流通させる流路を有するボディと、ボディを介して被熱交換流体との間で熱交換を行う伝熱部材とを備え、伝熱部材は、ボディの外面に接触する接触面を有する部材本体と、部材本体の接触面から突出してボディの内部に配置された複数の壁状の熱伝導体とを備える。ボディは、流路を避けた位置で複数の壁状の熱伝導体をそれぞれ挿入により嵌合させて内部への配置を行わせる複数のスリット状の孔部を備える。各熱伝導体は、嵌合している孔部よりも小さく形成されて孔部との間に隙間を区画する。
　基本的に、熱伝導体は、孔部よりも挿入方向での寸法が短く形成されて隙間を区画する。ただし、熱伝導体は、挿入方向に交差する方向の断面形状を小さくすることも可能である。
　孔部は、ボディを貫通して設けられ、伝熱部材は、ボディを挟んで一対設けられ、相互に対応する熱伝導体が孔部の両側から挿入されて、対応する熱伝導体間に隙間を区画する構造としてもよい。ただし、伝熱部材は、一つのみ設けることも可能である。この場合、孔部は、ボディを貫通して設ける必要はない。
　熱伝導体は、部材本体に一体に形成してもよい。ただし、熱伝導体を部材本体と別体に形成し、部材本体の接触面が熱伝導体に接触する構造とすることも可能である。
　流路は、並列に配置された並列路と、該並列路をつなぐ折り返し形状の折り返し路とを備え、熱伝導体は、流路の並列路に沿って並列路間に位置する構造としてもよい。
　折り返し路は、折り返し形状の内側を角を有する屈曲形状としてもよい。
　また、折り返し路は、折り返し形状の外側を角のない湾曲形状としてもよい。
　　［熱交換ユニット］
　図１は、本発明の実施例１に係る熱交換器を有する熱交換ユニットの斜視図、図２は、同熱交換ユニットの分解斜視図である。
　本実施例の熱交換ユニット１は、被熱交換流体を流通させる配管３ａ、３ｂの途中に設けられ、例えば壁等に固定した状態で用いられる。この熱交換ユニット１は、上流側の配管３ａから流入する被熱交換流体を、内部を通して下流側の配管３ｂへと流出させる。その際に、熱交換ユニット１は、被熱交換流体を加熱又は冷却によって温度制御又は温度調整する。本実施例では、熱交換ユニット１によって被熱交換流体を加熱するようになっている。
　被熱交換流体は、特に限定されるものではないが、例えば、塩酸、硫酸、硝酸、クロム酸、リン酸、弗酸、酢酸、過塩素酸、臭化水素酸、弗化珪酸、ホウ酸等の腐食性を有する酸類、アンモニア、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム等のアルカリ類、及び塩素化珪素等の金属塩類等の溶液又は気体、さらには高純度水等である。これらの被熱交換流体は、他の物質との反応原料として、又はエッチング液等の反応工程の薬液として使用されるものであり、使用に際して熱交換ユニット１によって適度な温度に制御される。
　本実施例の熱交換ユニット１は、ケース５に熱交換器７を収容して構成されている。ケース５に熱交換器７を収容する際は、熱交換器７の周囲に図示しない断熱材が巻かれる。なお、ケース５を省略して熱交換器７単体で用いることも可能である。
　　［熱交換器］
　図３は、図１の熱交換ユニット１に用いられる熱交換器７の側面図、図４は、同平面図、図５は、図４のＶ－Ｖ線に沿った断面図である。
　熱交換器７は、図３～図５のように、ボディ９と、一対の伝熱プレート１１と、一対のヒータープレート１３と、一対の押さえプレート１５とを備え、ボディ９の両側で伝熱プレート１１、ヒータープレート１３、押さえプレート１５が順に積層されて全体がボルト１７、ナット１９によって締結されている。
　図６は、図３の熱交換器７に用いられるボディ９を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＶＩ－ＶＩ線に沿った断面図である。
　ボディ９は、図５及び図６のように、平面矩形の板状に形成されている。ボディ９の四隅には、締結孔２１が板厚方向に貫通形成されている。ボディ９の材質は、被熱交換流体に対して安定な材質からなる。すなわち、熱交換が行われる温度領域において、後述するボディ９の流路２３の内面と被熱交換流体が反応することがない材質或は流路２３の内面から成分が溶出しない材質が選択される。
　被熱交換流体の反応性（腐食性）は、流路２３の内面の材質及び接触温度などにより異なり、また、被熱交換流体の用途、性状によっても熱交換後の純度の許容範囲が異なるため一概に特定することはできない。例えば、半導体の製造に使用される金属ハロゲン化物やエッチング剤では高純度の物質が使用されるため、熱交換処理による純度の低下は許されない。しかし、タービン用の熱交換器であれば熱交換処理による被熱交換流体の純度の変化は問題とされない場合が多い。
　本実施例において、ボディ９の材質は、鉄、炭素鋼、ステンレス鋼、アルミニウム、チタン等の金属類、弗素樹脂、ポリエステルなどの合成樹脂類、セラミックス類等から適宜選択して使用される。
　ボディ９には、流路２３及び複数の孔部２５が形成されている。流路２３は、被熱交換流体を流通させるものであり、ボディ９の長手方向一端から他端へ渡って閉断面状に形成されている。本実施例では、流路２３が凹溝状に形成され、その開口部が蓋２９によって閉止されている。流路２３は、ボディ９の一側面上に切削やエッチング等によって形成され、蓋２９は、流路２３の開口部に溶接等によって取り付けられる。なお、蓋２９は、ボディ９と同一の材質で形成されているが、異なる材質とすることも可能である。
　本実施例の流路２３は、平面視においてボディ９の端部間で複数回折り返された波形状になっている。具体的には、流路２３は、ボディ９の幅方向に沿って並列に配置された並列路３１と、隣接する並列路３１間をつなぐ折り返し形状の折り返し路３３とを備えている。
　並列路３１は、ボディ９の長手方向に等間隔の隙間を空けて配置されている。両端の並列路３１は、他の並列路３１よりも短く形成され、屈曲部３５を介して長手方向に沿った連通路３７を介して両端の接続口３９に連通する。接続口３９には、それぞれ配管３ａ及び３ｂと接続するためのジョイント４１が取り付けられている。
　折り返し路３３は、ボディ９の長手方向に沿って形成され、並列路３１との間に屈曲部３５を有する。屈曲部３５は、折り返し路３３の折り返し形状の内側において角４３を有し、折り返し形状の外側において角の無い湾曲面４５を有している（図９参照）。
　従って、折り返し路３３は、屈曲部３５の下流側において被熱交換流体に角４３による乱流を生じさせ、熱交換効率を向上することができる。つまり、被熱交換流体は、密度が低い部分と密度が高い部分の間の熱移動が活発になり、且つ流路２３の内面との間で効率よく熱移動させることが可能となる。また、折り返し路３３は、屈曲部４３の湾曲面４５により過度の乱流による過度の抵抗が生じることを抑制している。
　かかる流路２３を避けた位置に、図４～図６のように孔部２５が形成されている。本実施例では、流路２３の並列路３１間でボディ９を板厚方向に貫通して複数の孔部２５が設けられ、後述する熱伝導体５１を孔部２５にそれぞれ挿入させるようになっている。
　各孔部２５は、平面視において、流路２３の折り返し路３３の内側から並列路３１に沿ってボディ９の幅方向に延びており、ボディ９の長手方向での寸法よりも幅方向での寸法が大きいスリット状である。孔部２５の両端部は、円弧状に形成されている。なお、孔部２５と流路２３との間は、近いほど良いが、孔部２５と流路２３とを区画するボディ９の強度や機能等を損なわないことが必要である。
　図７は、伝熱プレート１１を示し、（Ａ）は底面図、（Ｂ）は側面図、図８は、ボディの孔部と伝熱プレートの熱伝導体との関係を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。
　図５及び図７のように、一対の伝熱プレート１１は、それぞれ本実施例の伝熱部材であり、ボディ９を介して被熱交換流体との間で熱交換を行う。各伝熱プレート１１は、部材本体であるプレート本体４９と、熱伝導体５１とを備えている。なお、一対の伝熱プレート１１は、同一構成であるため、基本的に一方についてのみ説明する。
　プレート本体４９は、ボディ９に対応した平面矩形の板状に形成されている。本実施例のプレート本体４９は、ボディ９よりも板厚が小さい。プレート本体４９の四隅には、ボディ９と同様、締結孔５３が板厚方向に貫通している。
　プレート本体４９の材質は、ボディ９よりも熱伝導率の高い金属類、合成樹脂類、セラミックス類等である。このプレート本体４９は、一側面がボディ９の外面９ａに接触する接触面４９ａとなっている。接触面４９ａには、複数の熱伝導体５１が設けられている。
　熱伝導体５１は、プレート本体４９の接触面４９ａから突出してボディ９の内部に設置される壁状となっている。本実施例の熱伝導体５１は、プレート本体４９と一体に形成され、プレート本体４９と同一の材質からなっている。従って、熱伝導体５１は、ボディ９よりも熱伝導率が高い材料からなる。例えば、ボディ９をステンレス鋼により形成し、プレート本体４９及び熱伝導体５１をアルミニウムにより形成する。
　なお、熱伝導体５１をプレート本体４９と別体に形成することも可能である。この場合、熱伝導体５１をプレート本体４９とは異なる材質にしてもよい。
　上記のように熱伝導体５１は、それぞれボディ９の孔部２５に挿入され、これによってボディ９の内部への配置が行われる。各熱伝導体５１は、挿入された孔部２５よりも小さく形成されている。本実施例においては、図８（Ｂ）のように、挿入方向での寸法が短く形成されて孔部２５内に挿入方向の隙間Ｇ１を区画する。さらに詳しくは、本実施例では、ボディ９を挟む一対の伝熱プレート１１の相互に対応する熱伝導体５１がボディ９の同一の孔部２５に両側から挿入され、それら対応する熱伝導体５１間に隙間Ｇ１を区画する。かかる隙間Ｇ１により、ボディ９と熱伝導体５１との熱膨張差を吸収可能とする。
　また、本実施例では、図８（Ａ）のように、平面視において熱伝導体５１がボディ９の孔部２５よりも挿入方向に対する交差方向での断面形状が僅かに小さく形成されており、隙間Ｇ１と共にボディ９と熱伝導体５１との熱膨張差を吸収可能とする隙間Ｇ２及びＧ３を有する。
　隙間Ｇ２は、ボディ９の幅方向での隙間であり、隙間Ｇ３は、ボディ９の長手方向の隙間である。隙間Ｇ２及びＧ３は、隙間Ｇ１よりも小さく、隙間Ｇ３は、隙間Ｇ２よりも小さい。なお、隙間Ｇ２及びＧ３を省略することも可能である。また、隙間Ｇ１を省略して、隙間Ｇ２及びＧ３の何れか一方又は双方を設けることも可能である。
　図２、図３及び図５のように、一対のヒータープレート１３は、それぞれ本実施例の発熱体であり、マイカヒーターからなる。ただし、ヒータープレート１３は、マイカヒーターに限定されるものではなく、アルミナヒーター等のセラミックヒーターや他のヒーターを用いてもよい。なお、一対のヒータープレート１３は、同一構成であるため、基本的に一方についてのみ説明する。
　ヒータープレート１３は、伝熱プレート１１のプレート本体４９と同一形状に形成されている。ただし、ヒータープレート１３は、プレート本体４９よりも板厚が小さい。ヒータープレート１３の板厚の設定は、ヒーターの容量等に応じて任意に行われる。
　ヒータープレート１３には、給電用の配線５５が接続されており、通電制御によって設定温度まで発熱する。本実施例において、ヒータープレート１３は、伝熱プレート１１の他側面上に重ね合わされており、伝熱プレート１１及びボディ９を介して流路２３内の被熱交換流体を加熱する。ヒータープレート１３の四隅には、伝熱プレート１１及びボディ９と同様、締結孔（図示せず）が形成されている。
　なお、被熱交換流体の冷却を行う場合は、ヒータープレート１３に代えて、冷却プレートを用いればよい。冷却プレートとしては、例えば、ペルチェ効果を利用したペルチェ素子等を用いることが可能である。
　一対の押さえプレート１５は、それぞれ伝熱プレート１１のプレート本体４９と同一形状に形成され、例えば、金属類、合成樹脂類、セラミックス類等によって形成することができる。押さえプレート１５の四隅には、伝熱プレート１１等と同様、締結孔（図示せず）が形成されている。これら押さえプレート１５は、両側のヒータープレート１３上に重ねられ、熱交換器７の積層構造の外側においてボルト１７及びナット１９による締結を行わせる。
　ボルト１７は、一対の押さえプレート１５、一対のヒータープレート１３、一対の伝熱プレート１１、及びボディ９の締結孔２１、５３等を挿通し、ヘッド部５７が一方の押さえプレート１５上に位置し、雄ねじ部５９の先端に他方の押さえプレート１５上に位置するナット１９が螺合されている。
　　［ケース］
　ケース５は、図１～図３のように、板状のベース部６１上に箱状部６３が取り付けられて構成されている。ケース５の材質は、特に限定されるものではないが、本実施例においてステンレス鋼等の金属類からなる。
　ベース部６１は、矩形板状に形成され、固定用孔６５が形成されている。この固定用孔６５により、熱交換ユニット１が壁等に固定可能となっている。ベース部６１の材質は、金属類等であり、本実施例においてステンレス鋼となっている。
　ベース部６１の幅方向の両側には、箱状部６３を取り付けるための板状の取付板６７ａ及び６７ｂが立設されている。一方の取付板６７ａは、他方の取付板６７ｂよりも高く形成され、上端に熱交換器７の配線５５を支持する凹部６９が形成されている。
　このベース部６１上には、底上げ状に屈曲した中板７１がねじ７３によって取り付けられている。中板７１は、ベース部６１と同様、金属類等からなり、本実施例においてステンレス鋼で形成されている。この中板７１上には、熱交換器７が取り付けられている。本実施例では、熱交換器７のボディ９、伝熱プレート１１、押さえプレート１５を締結するボルト１７及びナット１９を利用し、熱交換器７が直接中板７１に接触しないようになっている。
　具体的には、ナット１９が中板７１に当接すると共にナット１９から突出するボルト１７の雄ねじ部５９の先端が中板７１を挿通し、その雄ねじ部５９の先端に固定用のナット７５が螺合されている。
　中板７１の長手方向の両側には、板状の台座部７７が立設されている。台座部７７の上端には、凹部７９が形成されており、凹部７９によって熱交換器７のジョイント４１を載置させて支持する。
　この状態で、箱状部６３がベース部６１の取付板６７ａ及び６７ｂにねじ８１によって取り付けられている。箱状部６３は、ベース部６１と同様、金属類等からなり、本実施例においてステンレス鋼となっている。
　箱状部６３は、熱交換器７のジョイント４１を挿通するためのスリット８３及び熱交換器７の配線５５を挿通するためのスリット８５が形成されている。配線５５は、スリット８５から引き出された後、箱状部６３の側面に取り付けられたクランプ部材８７によって保持されている。
　　［熱交換等］
　熱交換ユニット１によって配管３ａ、３ｂを流れる被熱交換流体を所望の温度にする際は、まず熱交換器７のヒータープレート１３を通電制御により発熱させる。ヒータープレート１３が発熱すると、その熱が伝熱プレート１１に伝達される。伝熱プレート１１からは、プレート本体４９及び熱伝導体５１を介してボディ９に熱が伝達される。そして、ボディ９とその流路２３内を流れる被熱交換流体との間で熱交換が行われることで、被熱交換流体が加熱されることになる（図５参照）。
　このとき、熱交換器７では、ボディ９の内部に至る熱伝導体５１によって熱伝導率を向上させ、高い熱交換効率を実現することができる。
　また、本実施例では、図９のように、流路２３の折り返し路３３が屈曲部３５の下流側において被熱交換流体に角４３による乱流を生じさせ、被熱交換流体の密度が低い部分と密度が高い部分の間の熱移動が活発になり、且つ被熱交換流体と流路２３の内面との間で効率よく熱移動させることが可能となり、より高い熱交換効率が実現される。
　さらに、本実施例では、壁状の熱伝導体５１が乱流が生じる流路２３の並列路３１に沿って位置するため、被熱交換流体と流路２３の内面との間で効率よく熱移動させる部分を効果的に加熱することができ、より高い熱交換効率が実現される。
　また、本実施例の熱交換器７では、熱伝導体５１が壁状に形成されていることにより、従来のように円柱ピン状の熱伝導体と比較して、熱交換器７全体として熱伝導体５１の表面積をサイズに応じて約４倍まで拡大することが可能となり、熱交換効率の低下がないばかりか高い熱交換効率が実現される。
　かかる熱交換時には、伝熱プレート１１及びボディ９が熱によって膨張するが、その熱膨張差を図８に示す隙間Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３の存在により吸収することが可能であり、流路２３にクラックが生じることを防止できる。
　具体的には、伝熱プレート１１がボディ９よりも熱膨張係数の高い材料で形成されている場合でも、伝熱プレート１１が隙間Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３を埋めるように膨張することでボディ９との熱膨張差を吸収することができる。しかも、隙間Ｇ２、Ｇ３が埋められることで熱伝導体５１とボディ９の孔部２５との密着度が高まり、熱交換効率を調整可能とする。
　　［熱変換率］
　実施例１と比較例との間で設定温度に対する出口温度を比較した。比較例は、実施例１の壁状の各熱伝導体５１に代えて、国際公開第ＷＯ２０１３／１８００４７号に倣って複数の円柱ピン状の熱伝導体を採用したものである。
　出口温度としては、被熱交換流体の流量を１０Ｌ／ｍｉｎとし、ヒータープレートの設定温度を１００℃、２００℃、３００℃、４００℃、５００℃とした場合の熱交換器の出口での被熱交換流体の温度を測定した。
　同様に、被熱交換流体の流量を１Ｌ／ｍｉｎとした場合についても、実施例１と比較例とを比較した。
　比較結果を図１０及び図１１に示す。図１０は、実施例１と比較例との測定結果を対比して示す図表であり、（Ａ）は被熱交換流体の流量が１０Ｌ／ｍｉｎの場合、（Ｂ）は１Ｌ／ｍｉｎの場合を示す。図１１（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）の結果をプロットしたグラフである。
　図１０（Ａ）及び図１１（Ａ）のように、流量が１０Ｌ／ｍｉｎの場合は、実施例１と比較例との間で顕著な差異は見られない。従って、比較例は、流量が１０Ｌ／ｍｉｎにおいて実施例１と同等の熱変換率が得られるものとなっている。なお、熱変換率は、ヒータープレートの温度に対する出口温度の割合である（以下同じ。）。
　かかる実施例１と比較例とを流量が１Ｌ／ｍｉｎの場合に適用すると、図１０（Ｂ）及び図１１（Ｂ）のように、比較例が実施例１に対して１００℃～４００℃において熱変換率が落ち込んでいることがわかる。特に設定温度３００℃においては、熱変換率が７０％を下回るまで著しく落ち込んでいる。
　従って、比較例では、被熱交換流体の流量が変化すると熱変換率を維持できなかったのに対し、実施例１では、被熱交換流体の流量に拘わらず、高い熱交換効率の実現によって高い熱変換率を維持することができている。
　このことは、図１２からも明らかである。図１２は、実施例１について異なる被熱交換流体の流量での熱変換率を比較して示すグラフである。図１２において、破線は、熱変化率９０％のラインである。図１２のように、実施例１では、流量が０．５Ｌ／ｍｉｎ、１Ｌ／ｍｉｎ、５Ｌ／ｍｉｎ、１０Ｌ／ｍｉｎ、２０Ｌ／ｍｉｎ、３０Ｌ／ｍｉｎのときの何れの場合においても熱変換率が９０％を上回っている。
　　［レスポンス］
　実施例１の熱交換器７を用い、ヒータープレート１３の温度を２００℃とし、流量を６Ｌ／ｍｉｎ、１０Ｌ／ｍｉｎ、２０Ｌ／ｍｉｎとした場合について、出口温度が１００℃から上昇して２００℃付近で安定するまでに要した時間をレスポンスとして計測した。図１３（Ａ）～（Ｃ）は、それぞれ流量が６Ｌ／ｍｉｎ、１０Ｌ／ｍｉｎ、２０Ｌ／ｍｉｎの結果である。
　図１３（Ａ）～（Ｃ）のように、流量が６Ｌ／ｍｉｎの場合は、レスポンスが１１秒、流量が１０Ｌ／ｍｉｎの場合は、レスポンンスが１０．５秒、流量が２０Ｌ／ｍｉｎの場合は、レスポンスが５．７秒であった。
　比較例は、何れの流量でもレスポンスが５０秒程度であったため、実施例１では、高い熱交換率の実現によりレスポンスを大幅に向上することができている。
　また、実施例１では、図１３（Ａ）～（Ｃ）のように、断熱材を比較例よりも少なくしているにも拘わらず、比較例と同様にケース温度が６０℃～７０℃で安定していた。従って、実施例１は、比較例よりも熱交換効率が向上していることが確認できた。
　　［実施例１の効果］
　本実施例の熱交換器７は、被熱交換流体を流通させる流路２３を有するボディ９と、ボディ９を介して被熱交換流体との間で熱交換を行う伝熱プレート１１とを備える。伝熱プレート１１は、ボディ９の外面９ａに接触する接触面４９ａを有するプレート本体４９と、プレート本体４９の接触面４９ａから突出してボディ９の内部に配置された複数の壁状の熱伝導体５１とを備える。ボディ９は、流路２３を避けた位置で複数の壁状の熱伝導体５１をそれぞれ挿入により嵌合させて内部への配置を行わせる複数のスリット状の孔部２５を備える。各熱伝導体５１は、嵌合している孔部２５よりも小さく形成されて、孔部２５との間に隙間Ｇ１、Ｇ２又はＧ３を区画する。
　従って、本実施例の熱交換器７は、熱交換器７のボディの孔部２５に熱伝導体５１を嵌合させる構造において、ボディ９と熱伝導体５１との熱膨張差を隙間Ｇ１、Ｇ２又はＧ３により吸収することを可能とし、流路２３にクラックが生じることを防止できる。
　しかも、本実施例の熱交換器７では、熱伝導体５１を壁状とすることで、熱伝導体５１を孔部２５より小さくしても熱交換効率が下がることを防止できるばかりか熱交換効率を向上することも可能となる。
　結果として、本実施例では、高い熱変換率を維持しながら被熱交換流体の異なる流量に対応することができ、且つ熱交換器７のヒーター温度に対する熱交換流体の温度変化のレスポンスも著しく向上できる。
　本実施例の熱伝導体５１は、それぞれ孔部２５よりも挿入方向での寸法が短く形成されて隙間Ｇ１を区画する。従って、隙間Ｇ１によって熱伝導体５１とボディ９との熱膨張差を確実に吸収可能とする。
　また、本実施例では、熱伝導体５１が孔部２５よりも挿入方向に対する交差方向での断面形状が小さく形成されて隙間Ｇ２及びＧ３を区画するので、熱伝導体５１及びボディ９の熱膨張差の吸収時に隙間Ｇ２、Ｇ３が埋められることで、熱伝導体５１とボディ９との密着度が高まり、熱交換効率を調整可能とする。
　本実施例では、孔部２５がボディ９を貫通して設けられ、伝熱プレート１１がボディ９を挟んで一対設けられ、一対の伝熱プレート１１の相互に対応する熱伝導体５１が同一の孔部２５の両側から挿入されて、対応する熱伝導体５１間に隙間Ｇ１を区画する。
　従って、本実施例では、ボディ９の両側に伝熱プレート１１を配置して確実に熱交換を行うことができる。
　本実施例の熱伝導体５１は、プレート本体４９に一体に形成されているので、ボディ９への組み付けを容易に行わせることができる。
　流路２３は、並列に配置された並列路３１と、並列路３１をつなぐ折り返し形状の折り返し路３３とを備え、熱伝導体５１は、流路２３の並列路３１に沿って並列路３１間に位置する。
　従って、本実施例では、流路２３に対して壁状の熱伝導体５１を効果的に配置することができる。
　また、本実施例では、折り返し路３３が折り返し形状の内側が角４３を有する屈曲形状であるので、下流側において被熱交換流体に角４３による乱流を生じさせ、被熱交換流体の密度が低い部分と密度が高い部分の間の熱移動が活発になり、且つ被熱交換流体と流路２３の内面との間で効率よく熱移動させることが可能となり、より高い熱交換効率が実現される。
　さらに、本実施例では、壁状の熱伝導体５１が乱流が生じる流路２３の並列路３１に沿って位置するため、被熱交換流体と流路２３の内面との間で効率よく熱移動させる部分を効果的に加熱することができ、より高い熱交換効率が実現される。
　また、本実施例では、折り返し路３３が折り返し形状の外側において角のない湾曲面４５を有する屈曲形状であるので、過度の乱流を防止して被熱交換流体の圧力損失を抑制できる。
　図１４は、本発明の実施例２に係る熱交換器の断面図である。実施例２は、実施例１と対応する構成部分に同符号又は同符号にＡを付した符号を用いて重複した説明を省略する。
　本実施例の熱交換器７Ａは、一対の伝熱プレート１１Ａａ、１１Ａｂの一方の伝熱プレート１１Ａａにのみ熱伝導体５１Ａを設けたものである。伝熱プレート１１Ａｂは、熱伝導体を有さず、板状のプレート本体４９のみからなっている。
　熱伝導体５１Ａは、実施例１に対して長手方向に延設されており、他方の伝熱プレート１１Ａｂとの間に挿入方向の隙間Ｇ１が区画されている。
　かかる実施例２においても、実施例１と同様の作用効果を奏することができる。
　図１５は、本発明の実施例３に係る熱交換器のボディの流路の一部を示す概念図である。実施例３は、実施例１と対応する構成部分に同符号又は同符号にＢを付した符号を用いて重複した説明を省略する。
　本実施例では、流路２３Ｂの折り返し部３３Ｂの折り返し形状の外側を、全体として角のない湾曲形状としたものである。
　従って、実施例３では、折り返し路３３Ｂの折り返し形状の内側の角４３によって乱流を発生させると共に、折り返し形状の外側の全体としての角のない湾曲形状によって、より確実に過度の乱流を防止することができる。このため、本実施例では、被熱交換流体の圧力損失を最小限に抑えつつ、乱流を確実に発生させることが可能となる。
　その他、実施例３でも、実施例１と同様の作用効果を奏することができる。
　図１６は、本発明の実施例４に係る熱交換器を有する熱交換ユニットの一部を断面にした側面図である。実施例４は、実施例１と対応する構成部分に同符号又は同符号にＣを付した符号を用いて重複した説明を省略する。なお、図１６では、ケース５の記載を省略している。
　熱交換ユニット１Ｃは、熱交換器７の周囲に反射材８９を配置したものである。反射材８９は、熱交換器７に対向する内面８９ａが鏡面状になっており、熱交換器７からの放射熱を反射して熱交換器７の熱交換効率を向上させる。
　反射材８９は、金属製の板や箔等で形成することができる。ただし、反射材８９は、ケース５によって構成することも可能である。この場合、ケース５の内面を鏡面に仕上げればよい。
　従って、実施例４では、熱交換器７の熱交換効率を、より向上することができる。その他、実施例４でも、実施例１と同様の作用効果を奏することができる。
　図１７は、本発明の実施例５に係る熱交換器に用いられる伝熱プレートを示す断面図である。実施例５は、実施例１と対応する構成部分に同符号又は同符号にＤを付した符号を用いて重複した説明を省略する。
　伝熱プレート１１Ｄは、銅によって形成すると共に表面に銀のコーティング９１を形成したものである。
　金属類で伝熱プレート１１Ｄを形成する場合は、材料としてアルミニウムを用いるのが一般的である。しかし、アルミニウムの融点は、６６０℃と相対的に低く、熱交換器の高温化に限界がある。
　これに対し、本実施例では、融点が１０８０℃と相対的に高い銅によって伝熱プレート１１Ｄを形成するため、熱交換器の高温化に対応できる。ただし、銅は、半導体製造工程等の一部用途において汚染物質であるため、本実施例では、銅によって形成した伝熱プレート１１Ｄの表面に非汚染物質としての銀によるコーティング９１を施している。なお、非汚染物質は、銀に限られるものではなく、熱交換器の用途に応じた適切なものを採用すればよい。
７：熱交換器
９：ボディ
９ａ：外面
１１：伝熱プレート（伝熱部材）
２３：流路
２５：孔部
３１：並列路
３３：折り返し路
４３：角
４９：プレート本体（部材本体）
４９ａ：接触面
５１：熱伝導体
Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３：隙間
 
 

Claims (8)

  1. 　被熱交換流体を流通させる流路を有するボディと、
    　前記ボディを介して前記被熱交換流体との間で熱交換を行う伝熱部材とを備え、
    　前記伝熱部材は、前記ボディの外面に接触する接触面を有する部材本体と、該部材本体の接触面から突出して前記ボディの内部に配置された複数の壁状の熱伝導体とを備え、
    　前記ボディは、前記流路を避けた位置で前記複数の壁状の熱伝導体をそれぞれ挿入により嵌合させて前記内部への配置を行わせる複数のスリット状の孔部を備え、
    　各熱伝導体は、嵌合している孔部よりも小さく形成されて該孔部との間に隙間を区画する、
    　ことを特徴とする熱交換器。
  2. 　請求項１記載の熱交換器であって、
    　前記熱伝導体は、それぞれ前記孔部よりも挿入方向での寸法が短く形成されて前記隙間を区画する、
    　ことを特徴とする熱交換器。
  3. 　請求項１又は２記載の熱交換器であって、
    　前記孔部は、前記ボディを貫通して設けられ、
    　前記伝熱部材は、前記ボディを挟んで一対設けられ、相互に対応する熱伝導体が前記孔部の両側から挿入されて該対応する熱伝導体間に前記隙間を区画する、
    　ことを特徴とする熱交換器。
  4. 　請求項１～３の何れか一項に記載の熱交換器であって、
    　前記熱伝導体は、前記部材本体に一体に形成されている、
    　ことを特徴とする熱交換器。
  5. 　請求項１～４の何れか一項に記載の熱交換器であって、
    　前記熱伝導体は、それぞれ前記孔部よりも前記挿入方向に対する交差方向での断面形状が小さく形成されて前記隙間を区画する、
    　ことを特徴とする熱交換器。
  6. 　請求項１～５の何れか一項に記載の熱交換器であって、
    　前記流路は、並列に配置された並列路と、該並列路をつなぐ折り返し形状の折り返し路とを備え、
    　前記熱伝導体は、前記流路の並列路に沿って前記並列路間に位置する、
    　ことを特徴とする熱交換器。
  7. 　請求項６記載の熱交換器であって、
    　前記折り返し路は、前記折り返し形状の内側が角を有する屈曲形状である、
    　ことを特徴とする熱交換器。
  8. 　請求項７記載の熱交換器であって、
    　前記折り返し路は、前記折り返し形状の外側が角のない湾曲形状である、
    　ことを特徴とする熱交換器。
     
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