JP7538991B2

JP7538991B2 - 熱交換器

Info

Publication number: JP7538991B2
Application number: JP2020095828A
Authority: JP
Inventors: 拓也奥村; 健二名越; 憲昭山本
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2020-06-02
Filing date: 2020-06-02
Publication date: 2024-08-23
Anticipated expiration: 2040-06-02
Also published as: JP2021188844A; EP4160130A4; CN115885150A; WO2021245986A1; EP4160130A1

Description

本発明はプレートフィン積層型の熱交換器に関する。

特許文献１は、従来のプレートフィン積層型の熱交換器を示す。このプレートフィン積層型の熱交換器は、図７、図８に示すように、冷媒等の第１流体が流れる流路を有するプレートフィン１０１を積層したプレートフィン積層体１０２と、前記プレートフィン積層体１０２の両側部に積層配置したエンドプレート１０３と、前記プレートフィン積層体１０２の流路を流れる前記第１流体が流入出する流入出管１０４、１０５と、を備え、前記プレートフィン積層体１０２の各プレートフィン積層間に第２流体を流して、前記第１流体と前記第２流体との間で熱交換する。そして、前記プレートフィン積層体１０２の第１流体流路の出入り口部分となるヘッダ領域１０６の周縁適所に貫通孔１０７を設け、補強プレート１０８を介して前記貫通孔１０７にボルト１０９を通しヘッダ領域部分を連結固定している。

国際公開第２０１８／０７４３４２号

本開示は、上記ヘッダ領域部分の連結固定構成を簡素化しつつ、連結固定の強度不足による変形を抑制したプレートフィン積層型の熱交換器を提供する。

本開示におけるプレートフィン積層型の熱交換器は、ヘッダ領域部分の周縁適所に設けた貫通孔に筒部を設け、前記筒部同士を嵌合してロー付けすることによりヘッダ領域を連結固定した構成としている。

本開示による熱交換器は、補強プレートやボルトを使用することなく筒部同士の接合による簡素な構成でヘッダ領域部分の連結強度を向上させ、プレートフィン積層体の変形を抑制して信頼性の高い熱交換器とすることができる。

実施の形態１におけるプレートフィン積層型の熱交換器の外観を示す斜視図同熱交換器のヘッダ領域を示す拡大斜視図同熱交換器のヘッダ領域を示す拡大断面図同熱交換器のヘッダ領域の要部拡大断面図図４のＡ部の拡大断面図実施の形態１における熱交換器のプレートフィンの分解斜視図従来のプレートフィン積層型熱交換器の斜視図従来のプレートフィン積層型熱交換器のヘッダ領域連結固定前の状態を示す斜視図

（本開示の基礎となった知見等）
発明者らが本開示に想到するに至った当時、本発明者らは特許文献１に記載されたプレートフィン積層型の熱交換器を提案している。この熱交換器は、流路を流れる冷媒等の第１流体が集まるヘッダ領域１０６が第１流体の圧力で変形しやすいので、当該ヘッダ領域１０６の外面に補強プレート１０８をあてがってボルト１０９により連結固定しているが、補強プレート１０８やボルト１０９を必要とするため構成が複雑で熱交換器全体の重量が増加するとともに、それらを組み立てる作業が必要となって生産性が低下する、という課題があった。

発明者らはこのような課題に鑑み、これらの課題を解決するため本開示の主題を構成するに至った。

そこで本開示は、ヘッダ領域部分の連結固定構成を簡素化しつつ、ヘッダ領域部分の変形を抑制し信頼性の高い熱交換器を提供する。

以下、図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、または、変形例においても実質的に同一の構成に対しては同じ符号を付して、重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が必要以上に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、本発明の熱交換器は、以下の実施形態に記載したプレートフィン積層型熱交換器の構成に限定されるものではなく、以下の実施形態において説明する技術的思想と同等の熱交換器の構成を含むものである。

また、以下で説明する実施形態は、本発明の一例を示すものであって、実施形態において示される構成、機能、動作などは、例示であり、本開示を限定するものではない。
（実施の形態１）
以下、本開示の熱交換器に係る実施の形態１について、図１～図６を用いて説明する。

［１－１．構成］
図１は実施の形態１のプレートフィン積層型熱交換器（以下、単に熱交換器と称する）１の外観を示す斜視図、図２は同プレートフィン積層型熱交換器のヘッダ領域を示す拡大斜視図、図３は同プレートフィン積層型熱交換器のヘッダ領域を示す拡大断面図、図４は同プレートフィン積層型熱交換器のヘッダ領域の要部拡大断面図、図５は図４のＡ部の拡大断面図、図６は同実施の形態１におけるプレートフィン積層型熱交換器のプレートフィンの分解斜視図である。

図１～図６に示すように、本実施形態の熱交換器１は、第１流体である冷媒が流入する流入管（入口ヘッダ）２と、長方形の板状である複数のプレートフィン３を積層して構成されたプレートフィン積層体４と、プレートフィン３の中の流路を流れた冷媒を排出する流出管（出口ヘッダ）５とを有している。

また、プレートフィン積層体４の積層方向の両側（図１では上側及び下側）には、プレートフィン３と平面視が略同一形状のエンドプレート６ａ、６ｂが設けられている。エンドプレート６ａ、６ｂは、剛性を有する板材で形成されており、例えばアルミニウム、アルミニウム合金、ステンレスなどの金属材を研削により金属加工して形成されている。

なお、上記エンドプレート６ａ、６ｂ、複数のプレートフィン３は積層された状態でロー付け接合し一体化している。これらは、他の耐熱性のある固定方法、例えば化学的な接合部材を用いて接合されていてもよい。

また、本実施形態では、上記プレートフィン３を積層して構成したプレートフィン積層体４はその長手方向両端部を連結固定した形となっており、その構成は後述する。

なお、前記プレートフィン３は、図６に示すように流路７となる凹溝を有する一対の長尺状のプレート３ａ、３ｂをロー付け接合して構成してあり、上記接合によって連絡路８を介し流路７に繋がる流入用ヘッダ流路９、流出用ヘッダ流路１０を備えている。上記プレート３ａ、３ｂに設けた流路７は長手方向に沿って配置して端部でＵターンさせ、一端側に往き流路７ａに繋がる流入用ヘッダ流路９並びに戻り流路７ｂに繋がる流出用ヘッダ流路１０を纏めて設け、往き流路７ａと戻り流路７ｂとの間に両流路を流れる第１流体の熱移動を抑制するスリット１１が形成してある。そして、前記プレートフィン３を既述したようにエンドプレート６ａ、６ｂとともに積層しロー付けしてプレートフィン積層体４を構成し、前記プレートフィン積層体４の流入用ヘッダ流路９、流出用ヘッダ流路１０に前記流入管２、流出管５を接続して熱交換器を構成している。

次に、上記プレートフィン積層体４両端部の連結固定構成について説明する。本実施の形態の熱交換器は、プレートフィン３の流入用ヘッダ流路９、流出用ヘッダ流路１０が位置するヘッダ領域Ｘの周縁部に貫通孔１２が設けてあり、上記貫通孔１２に筒部１３を立設形成し、この筒部１３を図４、図５に示すように積層方向に隣接する他のプレートフィン３の筒部１３と嵌合させてロー付けすることによりヘッダ領域Ｘを連結固定している。上記筒部１３、１３はプレート３ａ、３ｂにあらかじめ塗布形成してあるロー材のロー付け面とは反対側の面に突出形成してあり、この筒部１３、１３同士を嵌合させることによりいずれか一方の筒部内周面のロー付け面のロー材が溶融固化して筒部１３、１３同士が一体化し、複数のプレートフィン３を積層して構成したプレートフィン積層体４のヘッダ領域Ｘを連結固定する。

また、各プレートフィン３のヘッダ領域Ｘとは反対側の端部も図示はしないが前記と同様の貫通孔１２を設けて筒部１３が形成してあり、この筒部１３、１３同士を嵌合させてロー付けし、各プレートフィン３を積層して構成したプレートフィン積層体４の端部を連結固定している。

上記貫通孔１２に立設した筒部１３は、図６に示すように、前記流入用ヘッダ流路９、流出用ヘッダ流路１０を取り囲むように設けてある。この例では上記各筒部１３は流入用ヘッダ流路９、流出用ヘッダ流路１０の略中心線上、具体的には流出用ヘッダ流路１０と流出用ヘッダ流路１０それぞれの略中心線上にその筒部外周がオーバーラップする範疇に入るように設けてある。そして、上記両筒部１３、１３同士の嵌合クリアランスは０．２ｍｍ以下、好ましくは０．２ｍｍ～０．１ｍｍとしてある。

また、嵌合させる筒部１３、１３同士はその少なくともいずれか一方、この例では図面上方側のプレート３ａの筒部１３は先すぼまりのテーパ状に形成してある。

［１－２．動作］
以上のように構成された熱交換器１について、以下その動作、作用について説明する。

本実施の形態の熱交換器は、例えば冷凍システムに組み込まれて蒸発条件で使用される時、流入管２から第１流体である気液二相状態の冷媒がプレートフィン積層体４の流入用ヘッダ流路９内に流入する。流入用ヘッダ流路９内に流入した冷媒は、各プレートフィン３の連絡路８を介して往き流路７ａ群へ流れる。各プレートフィン３の往き流路７ａ群に流れた冷媒はＵターンし戻り流路７ｂを介して気相状態で流出管５より冷凍システムの冷媒回路へと流出する。そして、上記往き流路７ａを流れる際に冷媒は、前記プレートフィン積層体４のプレートフィン積層間隔を通り抜ける空気（第２流体）と熱交換する。

この時、上記往き流路７ａ群と戻り流路７ｂとの間の熱移動をスリット１１によって抑制するので、高い熱交換効率を発揮する。なお、上記熱交換器を凝縮器として使用する場合、第１流体の流れは逆向きになり、流入管２、流入用ヘッダ流路９は流出管、流出用ヘッダ流路となり、流出管５、流出用ヘッダ流路１０は流入管、流入用ヘッダ流路となる。

ここで上記熱交換器は、ヘッダ流路９の開口面積が他の流路に比べて大きいため、ヘッダ領域Ｘ部分に応力が集中して積層方向に大きく変形しようとするが、本実施の形態の熱交換器はヘッダ領域Ｘ部分が強固に連結固定されており、変形が抑制され信頼性の高い熱交換器として使用することができる。

詳述すると、本実施の形態の熱交換器は、プレートフィン３を形成する各プレート３ａ、３ｂのヘッダ領域Ｘ部分に筒部１３、１３をそれぞれ設け、この筒部１３、１３同士を嵌合させロー付けして隣接するプレートフィン３のヘッダ領域Ｘを連結固定している。

これにより、各プレートフィン３の筒部１３、１３同士が嵌合した状態で積層方向に円柱状に繋がり、しかも上記筒部１３、１３同士がロー材で接合されて固形化したロー材による接合強度が加わることで堅牢なものとなる。よって、ヘッダ領域部分の連結強度を大きく向上させ、プレートフィン積層体の剛性を向上させて信頼性の高い熱交換器とすることができる。

また、ヘッダ領域部分の連結強度を確保するための補強プレートやボルト等を不要とせず、補強プレートやボルト等を用いたものに比べその構成を簡素化することができる。

しかも、作業性も向上し、生産性を高めることができる。すなわち、貫通孔１２をガイドピン治具に挿入させて各プレート３ａ、３ｂを積層し、そのまま溶融炉に入れてロー付けするだけでヘッダ領域Ｘを連結固定することができ、従来のロー付け作業とは別に補強プレートとボルトを用いて組み立てる工数が削減でき、その作業性は大幅に向上する。よって、生産性が大きく向上する。

また、本実施の形態の熱交換器では、上記筒部１３、１３は流入用ヘッダ流路９、流出用ヘッダ流路１０をそれぞれ取り囲むように設けているので、多くの第１流体が集中して各プレート３ａ、３ｂの流入用ヘッダ流路９、流出用ヘッダ流路１０の周り、すなわちヘッダ領域Ｘ部分に高い圧力が加わっても、ヘッダ領域Ｘ部分全体の耐圧性を流入用ヘッダ流路９周り、流出用ヘッダ流路１０の周りそれぞれを略均等に向上させることができる。この例では上記流出用ヘッダ流路１０と流出用ヘッダ流路１０それぞれの略中心線上に各筒部１３の少なくとも筒部外周がオーバーラップする範疇に入るように各筒部１３を設けているので、流出用ヘッダ流路１０及び流出用ヘッダ流路１０それぞれの略中心線上付近を筒部１３により連結することになり、ヘッダ領域Ｘ部分の耐圧性をより均等かつ確実に向上させ変形を防止することができる。

また、上記一対のプレート３ａ、３ｂに設けた筒部１３、１３の少なくとも一方はテーパ状としているので、嵌合し合った筒部１３、１３に寸法公差があっても筒部１３、１３同士は少なくともその一部が確実に接触してロー材で両者を確実に固定することができる。したがって、ヘッダ領域Ｘ部分の連結強度は強固なものとなり、耐圧性をより確実に向上させることができる。

また、上記両筒部１３、１３同士の嵌合クリアランスは０．２ｍｍ以下、この例では０．２ｍｍ～０．１ｍｍの範囲になるようにしているから、筒部１３、１３同士間にはその全周に溶融したロー材が略均一に廻り込んで固化する。したがって、ロー材を含む筒部１３、１３同士の接合部強度が確実に向上し、ヘッダ領域Ｘ部分の耐圧性向上を更に確実なものとすることができる。

（他の実施の形態）
以上のように、本発明において開示する技術の一例として、実施の形態１を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。また、上記実施の形態１で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。

そこで、以下、他の実施の形態を例示する。

実施の形態１では、第１流体が流れる流路をＵターンさせて一端側に往き流路７ａに繋がる流入用ヘッダ流路９並びに戻り流路７ｂに繋がる流出用ヘッダ流路１０を纏めて設け熱交換器を例示したが、上記流路７は直線状としてプレートフィン３の一端に流入用ヘッダ流路９、他端に流出用ヘッダ流路１０を設け、その流入用ヘッダ流路９、流出用ヘッダ流路１０を取り囲むように筒部１３、１３を設けて連結固定する構成としてもよい。

また、プレートフィン３を構成する一対のプレート３ａ、３ｂに設けた筒部１３、１３は断面円形の筒部としたが、これは六角筒等の多角形筒や楕円形筒等どのような形状としてもよい。また、図６に示すようにスリット１１の途中に設けた筒部１３ａのように切れ目のある非連続な筒部であってもよいものである。

また、上記筒部１３、１３はその少なくとも一方をテーパ状としたものを例示したが、ともにテーパ状でなくてもよい。また、筒部１３、１３の両方をテーパ状としてもよく、この場合は双方のテーパ角を若干異なるものとしておくのが好ましい。或いは図示しないが、筒部１３、１３の一方の先端部をネスティング加工したものであってもよい。

［１－３．効果等］
以上のように、本開示の熱交換器は、冷媒等の第１流体が流れる流路を有するプレートフィンを積層したプレートフィン積層体と、前記プレートフィン積層体の両側部に積層配置したエンドプレートと、前記プレートフィン積層体の流路を流れる前記第１流体が通過する流入用ヘッダ流路及び流出用ヘッダ流路と、を備え、前記プレートフィン積層体の各プレートフィン積層間に第２流体を流して、前記第１流体と前記第２流体との間で熱交換する熱交換器であって、前記プレートフィンは一対のプレートをロー付けしてそれらの間に流路を形成した構成とするとともに、前記流路に繋がる流入用ヘッダ流路及び流出用ヘッダ流路を設けたヘッダ領域部分の周縁適所に筒部を設け、前記筒部同士を嵌合させロー付けしてヘッダ領域を連結固定した構成としてある。

これにより、補強プレートやボルトを使用することなく簡素な構成でヘッダ領域部分の連結強度を向上させ、プレートフィン積層体の剛性を向上して信頼性の高い熱交換器とすることができる。

また、本開示の熱交換器は上記のような構成と効果を有するが、前記筒部は流入用ヘッダ流路、流出用ヘッダ流路を取り囲むように設けるのが好ましく、これによりヘッダ領域部分の耐圧性向上をより確実なものとすることができる。

また、本開示の熱交換器は、前記各熱交換器において、前記筒部は一対のプレートに設けた各筒部の少なくとも一方をテーパ状或いはネスティング加工した形状としておくのが好ましく、これにより筒部同士の接合を確実なものとしてヘッダ領域部分の耐圧性をより確実に向上させることができる。

また、本開示の熱交換器は、前記筒部同士の嵌合クリアランスを０．２ｍｍ以下としておくのが好ましく、これにより前記と同様筒部同士の接合を確実なものとしてヘッダ領域部分の耐圧性向上を更に確実なものとすることができる。

以上、本発明に係るプレートフィン積層型の熱交換器について、上記実施の形態を用いて説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。つまり、今回開示した実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではなく、本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれるものである。

本開示の熱交換器は、簡素な構成でヘッダ領域部分の連結強度を向上させ、プレートフィン積層体の剛性を向上させて信頼性の高い熱交換器とすることができる。よって、家庭用及び業務用エアコン等に用いる熱交換器や各種冷凍機器等に幅広く利用でき、その産業的価値は大なるものがある。

１熱交換器
２流入管
３プレートフィン
３ａ、３ｂプレート
４プレートフィン積層体
５流出管
６ａ、６ｂエンドプレート
７流路
７ａ往き流路
７ｂ戻り流路
８連絡路
９流入用ヘッダ流路
１０流出用ヘッダ流路
１１スリット
１２貫通孔
１３筒部

Claims

冷媒等の第１流体が流れる流路を有するプレートフィンを積層したプレートフィン積層体と、前記プレートフィン積層体の両側部に積層配置したエンドプレートと、前記プレートフィン積層体の流路を流れる前記第１流体が通過する流入用ヘッダ流路及び流出用ヘッダ流路と、を備え、前記プレートフィン積層体の各プレートフィン積層間に第２流体を流して、前記第１流体と前記第２流体との間で熱交換する熱交換器であって、前記プレートフィンは一対のプレートをロー付けしてそれらの間に流路を形成した構成とするとともに、前記流路に繋がる流入用ヘッダ流路及び流出用ヘッダ流路を設けたヘッダ領域部分の周縁適所であり且つ前記ヘッダ流路から離れた位置に筒部を設け、前記筒部同士を嵌合させロー付けしてヘッダ領域を連結固定した熱交換器。
前記筒部は流入用ヘッダ流路、流出用ヘッダ流路を取り囲むように設けた請求項１に記載の熱交換器。
前記筒部は一対のプレートに設けた各筒部の少なくとも一方がテーパ状或いはネスティング加工した形状である請求項１または２に記載の熱交換器。
前記筒部同士の嵌合クリアランスは０．２ｍｍ以下とした請求項１から３のいずれか１項に記載の熱交換器。