JPH04227481A - 熱交換器要素とその製作法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一般にプレート・フィ
ン熱交換器として知られる型式の熱交換器に関し、殊に
そのような熱交換器のための完全性の高い熱交換器要素
の構造と製造に関する。

【０００２】

【従来の技術】プレート・フィン熱交換器に関する一般
情報は、例えば、英国ヨークシャ県ボストン・スパー（
Ｂｏｓｔｏｎ　　Ｓｐａ）にある英国図書館（Ｂｒｉｔ
ｉｓｈＬｉｂｒａｒｙ）から入手できる、ヘミスフェア
出版社（ＨｅｍｉｓｐｈｅｒｅＰｕｂｌｉｓｈｉｎｇ　
　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）の発行する、アール・エル
・ウェブ（Ｒ．Ｌ．Ｗｅｂｂ）著１９８３年刊行「小型
熱交換器（Ｃｏｍｐａｃｔ　　Ｈｅａｔ　　Ｅｘｃｈａ
ｎｇｅｒ）」に見られる。より広範な案内書は、英国ハ
ーウェル（Ｈａｒｗｅｌｌ）のハーウェル研究所、熱伝
達・流体流れ業務部（Ｈｅａｔ　　Ｔｒａｎｓｆｅｒ　
　ａｎｄ　　Ｆｌｕｉｄ　　Ｆｌｏｗ　　Ｓｅｒｖｉｃ
ｅ）が１９８７年に発行したエム・エー・テイラー（Ｍ
．Ａ．Ｔａｉｌｏｒ）編「プレート・フィン熱交換器−
その規格と使い方の手引き（Ｐｌａｔｅ−ＦｉｎＨｅａ
ｔ　　Ｅｘｃｈａｎｇｅｒｓ−Ａ　　Ｇｕｉｄｅ　　ｔ
ｏ　　ｔｈｅｉｒ　　Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ　　
ａｎｄ　　Ｕｓｅ」初刊に示される。

【０００３】プレート・フィン熱交換器要素のコア層は
、熱交換流体が通って流れる熱交換器マトリックスの隣
り合わせのプレートの間の空間である。コア層は、熱交
換流体が通過する時、熱交換過程を助ける、いわゆるフ
ィン要素を含む。或る熱交換器形態においては、入口領
域と出口領域の間に延在する個別の流体流路を画成する
ように、コア層を縦方向に走る隔壁を効果的にフィン要
素が構成する。他の形態では、フィン要素は、入口領域
と出口領域の間で熱交換流体が迂回して流れる不連続要
素である。

【０００４】プレート・フィン熱交換器要素は、要素の
流体入口からの熱交換流体の流れをコア層の幅にわたっ
て均等に配分するための効果的な構造を必要とする。ま
た、コア層の幅にわたって流体を集めて、それを要素の
出口に向けて集中させる構造も必要である。両方の型式
の構造は類似しており、以下の説明および請求の範囲で
は、ディストリビュータおよびコレクタと称する。

【０００５】プレート・フィン熱交換器要素にディスト
リビュータとコレクタを設ける公知の仕方は、要素の入
口および出口領域に波形板をろう付けすることであり、
入口からフィンを含む主熱交換領域に、またフィンから
出口に、流れを運ぶように波形が配置される。これはプ
レート・フィン熱交換器の製作に広く行き渡る慣行に一
致しており、多数の部品を多層のサンドイッチに組立て
て、それらをろう付けして完全な熱交換器マトリックス
を製作する工程に依存している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来製作さ
れたプレート・フィン型式の要素と比較して、完全性が
高く、複雑性が減じ、製作費の安い、熱交換器のための
要素を与えることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の一局面によれば
、熱交換器要素は：熱交換流体の流れを通すコア層と；
該コア層に連通する流体入口および出口装置と；を有し
、該コア層は：熱交換表面を含む主熱交換領域と；流れ
制止表面を含み、コア層の範囲にわたって流体流を分配
するように、主熱交換領域と該入口装置の間に延在する
ディストリビュータ領域と；を含み、該熱交換器要素は
：選択された箇所にて拡散結合によって結合される少な
くとも２個の一体型金属板を含み、少なくとも１個の一
体型板は、拡散結合されていない箇所の少なくとも幾つ
かで超塑性変形されて、コア層を形成し、該主熱交換領
域の熱交換表面と同時にディストリビュータ領域の流れ
制止表面を中に画成するようになっている。

【０００８】ディストリビュータ領域の流れ制止表面は
、少なくとも１個の超塑性変形された板の波形において
、入口装置から主熱交換領域に熱交換流体を運ぶように
配置された波形、を含む。この場合、１個の熱交換器要
素を作るのに必要な板の最小数は２個である。

【０００９】必要あれば、該少なくとも１個の超塑性変
形されたシートは、主熱交換領域にて熱交換表面を画成
するように変形されたその一部分と、ディストリビュー
タ領域にて流れ制止表面を画成するように変形されたそ
のもう一つの部分との間の比較的変形されない遷移部分
を有することができる。

【００１０】代りに、選択された箇所にて拡散結合によ
って結合された最小限２個の金属シートを用いて、コア
層の横方向範囲にわたって流体流を分配する有効な仕方
は、少なくとも１個の超塑性変形されたシートの片側か
ら外方に突き出て、その端を隣接するシートに拡散結合
された、超塑性変形された中空の突起の配列を含む流れ
制止表面を、ディストリビュータ領域に組込むことであ
る、と判明した。

【００１１】しかし、望ましくは、熱交換器要素は、選
択された個所にて拡散結合により結合された少くとも３
個の一体型金属シートを含み、ディストリビュータ領域
の流れ制止表面は超塑性変形された中空の突起の第１と
第２の組を含み、第１の組の中空突起は該少なくとも１
個の超塑性変形されたシートの第１の側から外方に突き
出ており、第２の組の中空突起は該少なくとも１個の超
塑性変形されたシートの第２の側から外方に突き出てい
て、突起の先端が２個の隣接シートに拡散結合されてい
る。

【００１２】コア層は付加的に、主熱交換領域およびデ
ィストリビュータ領域と一体に形成された流体コレクタ
領域を含むことが望ましく、コレクタ領域は、コア層の
範囲にわたって流体を集めてそれを集中させて流体出口
装置に通すように、主熱交換領域と出口装置の間に延在
する。

【００１３】本発明はまた前記熱交換器要素を含む熱交
換器マトリックスを包含する。

【００１４】本発明のいま一つの局面によれば、熱交換
器要素の製造方法は以下の段階を含む：（ａ）完成した
要素内で熱交換媒体の流れを通すための拡張コア層を形
成するように超塑性変形されることのできる少なくとも
１個の金属シートを含む少なくとも２個の金属シートを
、重ね合わせるために選択すること；（ｂ）シートの拡
散結合が生じない個所を画成するために、少なくとも１
個のシートの選択された界面区域に拡散結合防止の防止
剤を塗り、コア層の主熱交換領域における熱交換表面と
、コア層のための流体入口および出口装置と、主熱交換
領域および流体入口装置の間の流れディストリビュータ
領域における流れ制止表面とを画成するように該界面区
域が選択されること；（ｃ）シートを重ね合わせ、拡散
結合防止の防止剤のない個所にてシートを拡散結合する
ために、重なりの厚さにわたって熱と圧力を加えること
； （ｄ）でき上がった拡散結合構造を冷却すること；（ｅ
）拡散結合防止剤とシートの間の粘着結合を破るために
、適当な流体を注入することにより、構造内部を加圧す
ること； （ｆ）該少なくとも１個の金属シートを超塑性変形させ
るために、構造を加熱し、内部を加圧して、それにより
、主熱交換領域の熱交換表面および流れディストリビュ
ータ領域の流れ制止表面を同時に生ずること。

【００１５】望ましくは、上記方法の段階（ｅ）と（ｆ
）の間に、次のような継続する付加的段階が挿入される
：生じた構造から、不活性ガスを用いて汚染物を一掃す
ること；構造物を排気すること。

【００１６】本発明による熱交換器要素は、流れディス
トリビュータ領域の他に、主熱交換領域と出口装置の間
に延在する流れコレクタ領域を有することが望ましい。 そのような場合，所要の流れコレクタ領域に流れ制止表
面を画成するように、前記製造方法の段階（ｂ）におい
て拡散結合防止の防止剤を塗らなければならず、それに
より加熱・加圧段階（ｆ）の間に、主熱交換領域の熱交
換表面および流れディストリビュータ領域の流れ制止表
面と同時に、流れコレクタ領域の流れ制止表面が形成さ
れる。

【００１７】

【実施例】例えば、図１Ａおよび図１Ｂに図解されるよ
うに、公知の簡単な型式のプレート・フィン熱交換器要
素１は、前後の金属面板２、４、端板６、８、および側
板１０、１２を有する。これらは、熱交換流体１８のた
めの入口窓１４と出口窓１６を有する矩形平面図形の囲
いを形成する。囲いは３個の領域に別けられる。つまり
、主熱交換領域２０と；入口窓１４と主熱交換領域２０
の間にある入口流れディストリビュータ領域２２と；主
熱交換領域と出口窓１６の間にある出口流れコレクタ領
域２４と：である。

【００１８】主熱交換領域２０は、要素の縦方向に延在
する流体流路３０の平行な系列から成る。前後の金属面
板２、４の間にはさまれて、波形の頂線が面板に接する
個所でろう付けまたは溶接により固定される波形板金コ
ア層の平行な波形の間の空間が流路３０を構成する。隣
合せの流路間の隔壁を形成する波形の部分が連続するフ
ィンの特性を現わすことができる。

【００１９】同様に、入口と出口の流れディストリビュ
ータおよびコレクタ領域２２、２４はそれぞれ流路３０
の横方向に延在する流路を有し、これらも、ろう付けま
たは溶接によって固定される波形板金部材の波形によっ
て形成される。前記のように、ディストリビュータおよ
びコレクタの流路３２、３４はココア層の幅にわたって
流れを分配または集合する。主熱交換領域２０の流体の
縦の流れと、入口および出口のディストリビュータおよ
びコレクタ領域２２、２４の横の流れとの間の単純な遷
移は、波形板の合致個所３５にて斜め継ぎして行われる
。

【００２０】２種類の異なる流体回路間で熱交換するこ
とのできる完全な熱交換器マトリックスは、多数の熱交
換器要素１を重ね合せて、ろう付け結合することによっ
て、作ることができる。熱交換器マトリックスにおいて
、面板２、４は通常、分離板と称せられる。それらはマ
トリックス内の隣合せのコア層を分離する役目を有し、
隣合せのコア層は１個の共通の分離板の両側にろう付け
されるからである。

【００２１】熱交換器マトリックスは、少なくとも２種
類の異なる流体回路間で熱交換する能力を有するべきで
ある。これは最も簡単には、マトリックス内の隣合せの
要素を異なる流体回路に所属させることによって、為さ
れることができる。つまり、異なる流体回路内の要素が
相互の間に入る。これには当然、同じ流体回路に属する
これら要素の入口および出口の窓が相互に整合していて
、図１Ａの入口および出口マニホールド２６、２８のよ
うな共通のマニホールドから流体を受入れ、または送出
することができる。しかし、異なる流体回路の要素の入
口および出口の窓は、異なる入口および出口マニホール
ドが同一空間を占有しないように整合位置から外れてい
なければならない。

【００２２】図１Ｃから図１Ｅまでは、単に他の公知の
熱交換器の例を示すもので、基本的に図１Ａおよび図１
Ｂの構造と類似するが、ディストリビュータおよびコレ
クタ領域の形態が異なる。つまり、図１Ｃから図１Ｅま
での主熱交換領域２６は全て縦方向の平行通路から成る
。図１Ｃにおいて、熱交換器要素４０は、図１Ａのよう
に要素の側面にある入口および出口窓１４、１６を有す
るが、ディストリビュータおよびコレクタの通路４２、
４４は横および縦の両方向に対して交差する角度を有し
ているから、通路を形成する波形板の斜め継ぎは不必要
である。図１Ｄにおいて、要素４５の上、下端の極限に
入口および出口窓４６、４８が設けられ、流れの旋回お
よび分配／集中は、図示のように斜め継ぎされた２個の
部分を含む波形板部材によってなされる。最後に、図１
Ｅは、要素の上、下端の中央に設けられた入口および出
口窓５２、５４に出入りする流体の分配および集合を得
るために、斜め継ぎ結合される３個の波形板部分を含む
ディストリビュータおよびコレクタ領域を有する要素５
０を示す。

【００２３】普通は、上記熱交換器要素の様々な部品は
アルミニウムまたはステンレス鋼で作られる。

【００２４】熱交換器要素のコア層のフィンおよびディ
ストリビュータまたはコレクタの単純な波形板の設計で
さえも、かなりの製作上の複雑性と経費を伴うことが、
上記から明らかであろう。熱交換効率を高くする不連続
のフィン部材を含む設計では、各コア層に必要な構成部
品の数は多くなり、製作上の複雑性と経費はそれ相応に
高くなる。

【００２５】この問題は本発明による実施例によって大
幅に解消される。すなわち、選択された個所にて拡散結
合され、次にコア層内に熱交換領域およびディストリビ
ュータ／コレクタ領域を同時に作るために、ただ一回の
超塑性成形操作を受けた、平らな金属板の重なりから熱
交換要素を製作することである。

【００２６】この製作過程が、図２Ａおよび図２Ｂを参
照して、以下に説明される。図２Ａにおいて、２枚の板
の間に、特にその目的で設けられた溝、つまり通路の中
にパイプの端（図示せず）を捕促するように、３枚のチ
タン板６０、６２、６４が重ね合せられる。パイプ（図
示せず）は２枚の板の間から突き出るように配置される
。

【００２７】３枚の板を重ね合せる前に、完成熱交換器
要素のコア層となる真中の板６２に、太い黒線６６の模
様で示すように、防止剤がその密着面に塗布されている
。これらは、防止剤のない小さな円形区域６７、６７′
を包囲する防止剤区域を示す。防止剤層の厚さは、もち
ろん、判り易くするために誇張されている。防止剤は、
バインダと溶剤に混ぜた酸化イットリウムを含み、例え
ば、米国の会社、ＧＴＥサービス社（ＧＴＥ　　Ｓｅｒ
ｉｃｅ　　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）によって販売され
る″Ｓｔｏｐｙｔ　　６２Ａ″として知られる防止剤で
ある。

【００２８】後述するように、究極的に３枚の板を防止
剤塗布個所にて剥離することが確実にできるように、公
知のシルクスクリーン印刷法によって、所要の模様に、
防止剤が塗布される。パイプは防止剤の一区域につなが
ることに注目すべきである。１対のチタン製フレーム６
９Ａ、６９Ｂが板６０、６４の片側に１個づつ置かれ、
その外周をめぐって、６８Ａ、６８Ｂにて溶接される。 次に、パイプ（図示せず）によって設けられた入口を除
いて密封するように、３枚の板の重なりがその周囲をめ
ぐって、７３にて溶接される。この組立体はオートクレ
ーブの中に入れられ、防止剤から溶剤を加熱除去するた
めに、加熱される。防止剤のどの区域も、パイプに戻る
他の防止剤の区域を通る経路から隔離されないように考
慮されているので、溶剤はパイプから排気される。必要
あれば、板の片側の、パイプに連通している防止剤区域
を、さもないと連通しなかったであろう板の反対側の防
止剤区域に接続するために、中央板６２の厚みを通して
周囲に１個以上の小さな穴を設ける。

【００２９】そのあと、組立体の内部をアルゴンで掃気
し、次にパイプ（図示せず）を介して排気し、パイプを
密封する。

【００３０】この組立体を再びオートクレーブに入れて
、約９２５℃に加熱する。オートクレーブ内のアルゴン
圧力を約３００ｐｓｉ（約２１ｋｇ／ｃｍ２　）にまで
上げ、この温度で約２時間、放置する。ついで、温度と
圧力を大気状態にまで下げ、組立体を取り出せば、拡散
結合は完了している。

【００３１】次に段階はクラッキングであり、これは拡
散結合圧力がもたらした、非拡散結合区域の粘着結合を
はがすために、防止剤を含む区域に、パイプから圧力の
かかったアルゴンを導入することである。

【００３２】クラッキングは工程のこの時点で行われる
。それは、この金属が常温で弾性を有し、生ずる最小限
の伸びは弾性限界を越えないからである。そのため、手
順の終りで圧力を除くと、構造は元の形状をとり戻す。

【００３３】もしも普通の拡散結合・超塑性成形温度に
構造体がある間にクラッキングが試みられると、全体に
わたった同時変形ではなく、構造体の長手方向に進行性
の塑性変形を生ずる重大な恐れがある。そのような状況
下では、破壊がしばしば生ずる。

【００３４】アルゴンは防止剤を含む区域に注意深く導
入され、防止剤をたどって進み、結局、構造体の反対端
に達する。

【００３５】最初、ガスは各板の片側に沿ってのみ進行
し、反対端に達した時、中央板６２の厚みを貫く穴を見
つけて、反対側の防止剤層を介して戻るようにされる。 いずれにもせよ、拡散結合段階中にかけられた圧力によ
って生じた、防止剤と板の間の粘着を破るような圧力に
内圧が高まる前に、ガスが構造体内部の全長を進行する
ように保証する必要がある。

【００３６】構造体を熱交換器要素に形成し終えるため
に、図２Ｂに示すように、適当な形状の組型７０、７２
の中に構造体を置き、全体をオートクレーブ内に配置し
、つぎにチタン構造体の汚染を避けるようにオートクレ
ーブを排気する。型の内壁と構造体の外面とによって画
成される空間も、後述する理由によりゼロ気圧に減圧さ
れる。

【００３７】型と構造体を再び約９２５℃の温度まで加
熱し、ついで、防止剤を含む区域で３枚の板を引き離し
、外側の板６０、６４の離れた部分をそれぞれの型半部
７０、７２に押しつけるように、前記のように構造体内
部にアルゴンを導入する。外側板６０、６４に拡散結合
された中央板６２の部分６７、６７′は、外側板が拡張
して型にはまって行くにつれて、相互に引張り合い、図
３に示す形のコア層を生じる。このコア層は、板６２の
各側から外方に突き出た２組の中空突起３００を含む。 図３から明らかなように、板６２の第１の側の各突起は
、板の第２の側の４個の対向する突起から等距離にある
。突起の先端３０２、３０２′は、隣接する外側板６０
、６４に拡散結合され、当然、図２の防止剤なし区域６
７、６７′に相当する。中央板６２が成形されている間
にその両側にかかるガス圧が等しい、という事実により
、生じた中空形がふくれたり、つぶれたりする傾向はな
い。外側板６０、６４はそれらが型の壁に接触して、前
記のように、型の形状をとる時点まで、真空空間を移動
しているので、外側板６０、６４は上記のようにならな
い。

【００３８】変形しつつある板の部分の移動量は、超塑
性伸張を必要とする程度である。「超塑性」なる語は、
金属成形技術における標準語であり、これ以上の説明を
しない。

【００３９】薄くなって行く金属を、破壊することなく
超塑性成形を完成させるために、所要のひずみ率を得る
予め計算された頻度にて、一定体積のパルスの系列の形
でガスが導入される。これは、例えば、引用によって本
明細書に取り入れられる、パーガモンプレス社（Ｐｅｒ
ｇａｍｏｎ　　Ｐｒｅｓｓ）１９７０年発行、Ｒ．Ｉ．
ジャフ（Ｊａｆｆｅ）とＮ．Ｅ．プロミセル（Ｐｒｏｍ
ｉｓｅｌ）共著「チタンの科学、技術および応用（Ｔｈ
ｅ　　Ｓｃｉｅｎｃｅ、Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　　ａｎ
ｄ　　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　　ｏｆ　　Ｔｉｔａｎ
ｉｕｍ）」の６１５〜６２３頁に教示される。この方法
は、手順中の任意の時点で許容限最大の伸張速度を得る
ひずみ率をチタンが受けることを保証する。ガス、パル
スの適用頻度は、従って、板の伸張中に変わることがあ
る。

【００４０】また上記出版物の教示によれば、適切なひ
ずみ率がチタンにかけられることを保証するように選ば
れた、連続の、しかし変化する流量でアルゴンが導入さ
れることができる。しかし本発明の発明者は、ガスのパ
ルスが一定の容積であるパルス流が所要のひずみ率をよ
り容易に達成することができること、を発見した。

【００４１】成形が完了した時、構造体を室温にまで冷
却する間に、構造体内部のガス圧と不活性ふんい気を保
持する。ついで、構造体をオートクレーブから取り出し
、配管を取外すと、作動中に完成熱交換器構造体の中で
熱交換関係に入る流体の供給源につなげる状態になる。

【００４２】つぎに、図４Ａないし図４Ｃを参照すると
、図２とは異なり、黒い、または網目を画かれた区域が
、防止剤の存在でなく、その不在を示す。図２に示す処
分自在の外方部分およびチタン・フレームが図４では省
略されている。

【００４３】適用される防止剤模様は、各場合とも、熱
交換器の拡散結合される外縁を画成する防止剤不在の周
囲帯８０を含む。これは図２にも示される。

【００４４】図４Ａには、図３に示すコア構造を生ずる
のに必要なスクリーン印刷された防止剤模様を設けられ
た、図２の６０のような金属板の平面図が示される。板
６４（図４には示されず）にも同様な模様が設けられる
が、当然、図２および図３に示すように、防止剤の不在
を示す点６７′は板６０の同様な点６７からはずれてい
て、所要な形のコア層を生ずる。

【００４５】図４Ａにおいては、図４Ｂ、図４Ｃと共通
して、完成熱交換器の入口および出口マニホールドが破
線で示される。図４Ａにおいて、この特定の熱交換器要
素のための防止剤模様によって画成される入口窓８２は
要素の側面にある。完成熱交換器において、流体は入口
マニホールドから入り、超塑性変形されたコア層の板６
２（図３）にある中空突起３００の外面の偏向効果によ
って、曲りくねった矢印が示すようにコア層の全体にわ
たって分布される。出口窓８４から出口マニホールドに
出るために、熱交換領域の他端にて、流体流が徐々に集
合または集中する。この特定の実施例においては、当然
、ディストリビュータ／コレクタ領域と主熱交換領域の
間には認識できるような境界はない。それは、３つの領
域全体で、同じ型式のコア構造が用いられているからで
ある。

【００４６】熱交換器要素のかど８６、８７の近くのコ
ア層に滞留領域が生じないように、これらのかどにまで
コア層が連続していない。代りに、板のどれにも防止剤
が施こされない。３角形区域が設けられる。これらの区
域では、板は拡散結合され、製作の膨張段階中に、コア
層は拡張されない。都合によっては、完成要素を最終熱
交換器マトリックスに組込む前に、３角形区域８８、８
９を切り取ることができる。

【００４７】要素の出口端における流体流の集合または
集中は、コレクタ領域にもドット・コアを用いることに
よって特に助けられるわけではないことは、当然理解さ
れるであろう。図４Ａに示す特定の実施例において、要
素の主体を通過後の熱交換流体の集合は、拡張されない
無空の区域８９と拡張されたコア構造の間の境界７８に
沿って生ずる。

【００４８】本発明によれば、熱交換およびディストリ
ビュータ／コレクタ領域の全ての内部流体偏向・熱交換
表面を１回の超塑性成形作業で形成して、同じ拡張コア
層構造が、要素の主熱交換部分におけるフィン部材と、
入口および出口に近いディストリビュータ／コレクタ部
材との機能を適切に果すコア層を得ることにより、一体
型プレート・フィン形熱交換器要素を製作することがで
きる。図４Ａの形態は、図１Ａおよび図１Ｂに示す形態
と同じ目的を、しかも、より簡単に達成することに注目
すべきである。

【００４９】理由は明らかであるが、図４Ａに示すよう
な防止剤模様によって作られた、図３の６２のようなコ
ア層は「ドット・コア」と呼ばれる。

【００５０】図４Ｂおよび図４Ｃに示すように、ドット
・コアの入口ディストリビュータおよび出口コレクタを
主熱交換領域の他の型式のフィン部材ならびに他の型式
の入口および出口の窓配置と組合せることが容易にでき
る。超塑性変形させようとする金属板の密着面のスクリ
ーン印刷模様を変えさえすればよいことである。

【００５１】すなわち、図４Ｂにおいて、防止剤は熱交
換要素の端にある中央入口窓９０を画成する。３角形の
入口ディストリビュータ領域９４は、予め成形された部
品をろう付けまたは溶接により結合する必要なしに、図
１Ｅに示す従来技術の構造と同じ流体配分機能を達成す
る、ドット・コア構造を含む。

【００５２】ドット・コアの入口ディストリビュータ領
域９４は主熱交換領域９６の直線形連続熱交換表面（フ
ィン相当品）に移行する。ライン９８は実際に３枚重ね
の外側板の一つの１１２の内面に付けた防止剤帯域を表
わす。外側板の他方の一つの内面にも同様に防止剤帯域
が設けられるが、平面図ではこれらの帯域は第１の外側
板の内面の帯域の間に位置する。拡散結合と超塑性成形
の後の製品の断面が図５に示される。コア層１００を作
る中央板は実効上、フィン部材１０６、１０８として作
用する波形の間の流体流路１０２、１０４を画成する波
形板部材となるが、この波形板部材は拡散結合区域９８
、９８′において上、下の面板部材１１０、１１２と一
体になって、一体型構造を形成する。

【００５３】出口窓１１４の近くで、直線形フィン部材
はいま一つの３角形ドット・コアのコレクタ領域１１６
に移行する。

【００５４】図４Ｃも、図１Ｄに示す従来技術の形態と
同じ効果を得るように配置されたドット・コアのディス
トリビュータ領域１２０とコレクタ領域１２２を示す。 主熱交換領域１２４の防止剤模様および結果として生ず
るコア層構造は図４Ｂおよび図５に示すものと類似して
いるが、防止剤模様に波またはよじれが取り入れられて
、拡張コア層に類似形の通路（フィン部材）を生ずる点
が異なる。これは乱流を助長し、図４Ｂおよび図５によ
って作られた真直ぐな伝熱表面に比べて伝熱性を高める
。

【００５５】図４の三つの場合の全てにおいて、流れの
配分および集中は、マトリックスのドット・コア型式に
影響され、特定の設計または寸法の熱交換要素のための
寸法および圧力降下の要求に合うようにスクリーン印刷
模様を変更することによって、防止剤不在のドットのピ
ッチとサイズ、従ってコア層の中空突起のピッチとサイ
ズを容易に変えることができる。

【００５６】我々は、ドット・コアの仕組みがコア層に
わたって流体流を均等化する非常に有効な方法であるこ
とを発見したが、ドット・コアのディストリビュータお
よびコレクタ領域の代りに、図１に示すものにならった
模様を付して、図５に似た、本発明によって他の部品と
一体形成された波形コア層のディストリビュータおよび
コレクタ領域を用いることができるであろうと考えられ
る。この場合、ディストリビュータまたはコレクタ領域
と主熱交換領域の入口または出口端との間に、比較的変
形のない遷移部分を設ける必要があるかも知れない。こ
れは、二つの型式の領域を画成する部分の間に、均一に
施こされた防止剤の１本の帯域を設けることにより、ス
クリーン印刷段階で容易に得られるであろう。そのよう
な無変形の遷移部分は実効上、二つの領域の間のヘッダ
ー空間を与えるであろう。

【００５７】適当な防止剤模様が設けられた４枚以上の
重ね板は、より複雑なコア層を作ることができる。図６
および図７はそのようなコア層の２例を示す。図６は、
中間の２枚の板が２層のドット・コア構造に超塑性成形
されている４枚板重ねであり、図７は、中間の２枚が２
層の直線波形構造を含む、いま一つの４枚板重ねである
。

【００５８】任意の型式のドット・コア、直線、波状ま
たは不連続のフィン、あるいはディストリビュータ／コ
レクタ部材が、通常の超塑性成形上のひずみ／寸法制限
を受けつつ、また拡散結合の制限的パラメータの下で、
本発明によって製作されることができること、を強調す
べきである。どのような型式のフィンおよび／ディスト
リビュータ／コレクタ部材が設計に用いられるとしても
、本発明は、重ねられた同じ超塑性変形自在の連続板か
らそれらを同時に成形することを可能にする。このこと
は、全ての場合にディストリビュータ部材とフィン部材
との間に連続的な移行があることを意味し、予め成形さ
れた薄膜、板または他の部品をろう付けまたは溶接によ
って結合する必要がない。その結果、機械的完全性の高
い、極小型熱交換器を製作することができる。

【００５９】その高い機械的完全性の故に，超塑性成形
／拡張結合技法によって製作される熱交換器要素の重要
な属性は、その内部と外部の間の高い圧力差に耐える能
力である。これは、拡散結合された継手が母材と同じ強
度特性を示すからである。さらに、拡張結合された継手
は冶金学的に周囲の金属と同じであるから、要素構造の
他部よりも、化学的侵攻性の熱交換媒体による攻撃を受
けやすいことはない。図２ないし図７を参照しつつ説明
した熱交換器要素は、図８に示すような単純な型式の熱
交換器マトリックスに、容易に使用することができる。 この型式のマトリックスでは、個別の同形の要素８００
が相互に隔地される。第１の熱交換媒体（例えば、高圧
の高温ガス）が要素８００を通って流れ、第２の媒体（
例えば、周囲温度の水）が要素間の空間８０２を通して
圧送される。１次熱交換表面を与える要素の面板８０４
を介して、二つの媒体間で熱交換がなされ、内部の拡張
コア構造が第１の熱交換媒体の流路における２次交換表
面またはフィンを与える。　　以上の説明は、完成熱交
換要素における平らな外側板のみに言及したけれども、
超塑性成形段階中に適当な形状の型を用いるならば、波
形、曲線形または他の形状を有してはならない理由はな
い。例えば、図８に示す型式の熱交換器マトリックスに
用いるために、面板８０４の外面に、立上ったドット、
直線うね、またはひし形の配列を盛上げることによって
、熱伝達特性を高めることができるであろう。そのよう
な盛上げは型内での要素の最終成形と同時に行われる。

【００６０】図９は第２の単純型式の熱交換器を示し、
これにも、拡散結合され、超塑性成形された熱交換器要
素８００がマトリックス内で横並びに配置され、相互に
隔地される。細部は図８について既に説明したことと同
じであるが、相互に、また要素８００の面板に結合され
た、縦方向に波形をもつ板９０２（挿入拡大図参照）を
含むハニカム型フィン構造９００が一体型要素８００の
間の各空間に満たされている点が異なる。波形板９０２
によって形成される縦方向通路９０４の壁は、第２の熱
交換媒体の流路に２次熱交換表面またはフィンを与える
。各フィン構造９００は、従来のろう付け技法または活
性拡散結合によって容易に製作し得る。その代りに、望
ましければ、要素８００と同じ方法を用いてもよい。 完成熱交換器マトリックスはフィン構造９００の両側を
要素８００の面板８０４にろう付け、または活性拡散結
合することにより得られる。

【００６１】上記の説明は、３枚以上の金属板の重ねか
ら製作された熱交換要素に焦点を合わせていた。しかし
、１枚の面板と１枚の拡張波形コア板だけを含む単純要
素も成形することができるであろう。超塑性成形段階中
、コア板の外面が拡張当接するための適当な形態のダイ
表面が必要であろう。そのような要素の一例１００が示
され、この場合、平らな面板１００２と拡散波形コア板
１００４を含む。このような要素は図１１に示すような
マトリックスに、ろう付けまたは活性拡散結合によって
結合される。ここでは、分離板として働く面板１００２
によって、隣合せのコア層１００４が相互から隔離され
る。隣合せのコア層１００４は異なる熱交換媒体Ｍ１　
、Ｍ２　を運ぶであろうから、分離板１００２は１次熱
交換表面となり、内部の拡張コア層１００４は両熱交換
媒体の流路における、２次熱交換表面またはフィンを与
えるであろう。

【００６２】図３および図６に示す型式の「ドット・コ
ア」構造は、２次の板のみから成る要素には適当でない
ように見られる。それにもかかわらず、２枚の拡散結合
された一体型板を含む熱交換要素が、ドット・コア型式
の構造を有することは可能であろう。ディストリビュー
タおよび／または主熱交換領域は、超塑性変形されたコ
ア板の片側のみから外方に突き出た、超塑性成形された
中空突起の配列を含むであろう。よって突起の先端は、
隣りの面板に拡散結合され、コア板の他の側は、所要の
輪郭を有する型の表面に拡張当接されることによって成
形される。

【００６３】チタンの金属板を特に超塑性変形自在と見
なし、本発明の実施に使用し得るとして述べてきたけれ
ども、それに制限することを意図しない。公知のように
、アルミニウムやステンレス鋼のような他の材料も超塑
性変形が可能であり、適切な工程パラメータを守ること
により、本発明に使用することができる。

【００６４】さらに、前記熱交換要素はディストリビュ
ータおよびコレクタとされた領域を組込んでいるが、特
にコレクタとされた領域のない要素も、本発明の範囲内
に入るものと見なすべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１Ａないし図１Ｅは、熱交換器要素の４種類
の異なる型式のディストリビュータ／コレクタ形態の説
明図、図１Ｂは図１Ａのｂ−ｂ線に沿う断面図である。

【図２】図２Ａおよび図２Ｂは、本発明の一局面によっ
て熱交換器要素を形成する工程における段階の説明図で
ある。

【図３】図２Ａおよび図２Ｂにおいて製作された熱交換
器要素の部分切断斜視図である。

【図４】図４Ａないし図４Ｃは、熱交換器要素のコア層
内の熱交換領域およびディストリビュータ／コレクタ領
域の様々な仕組みを画成するために、スクリーン印刷さ
れた防止剤模様を施こされた平らな金属板の平面図であ
る。

【図５】

【図６】

【図７】図５〜図７は本発明によって得られる幾つかの
コア層形態の断面図である。

【図８】

【図９】図８および９は、図５に示す型式の熱交換器要
素を共に組込んだ、２種類の異なる熱交換器マトリック
スの部分的側断面図である。

【図１０】本発明によって製作することのできる、いま
一つの型式の熱交換器要素の側断面図である。

【図１１】図１０に示す型式の熱交換器要素を組込んだ
熱交換器マトリックスの部分的側断面図である。

【符号の説明】

６０　　　　外側板 ６２　　　　コア層板 ６４　　　　外側板 ９０　　　　入口 ９４　　　　ディストリビュータ領域 ９６　　　　主熱交換領域 ９８　　　　拡散結合区域（防止剤なし帯域）１００　
　コア層 １０２　　流路 １０６　　フィン部材 １１０　　外側板 １１２　　外側板

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　熱交換流体の流れを通すコア層と；該
   コア層に連通する流体入口および出口装置と；を含み、
   該コア層が：熱交換表面を含む主熱交換領域と；流れ制
   止表面を含み、コア層の範囲にわたって流体流を分配す
   るように、主熱交換領域と該入口装置の間に延在するデ
   ィストリビュータ領域と；を含む熱交換器要素であって
   ：選択された箇所にて拡散結合によって結合される少な
   くとも２個の一体型金属板を含み、少なくとも１個の該
   一体型板は、拡散結合されていない箇所の少なくとも幾
   つかにて超塑性変形されて該コア層を形成し、該主熱交
   換領域の熱交換表面と同時に該ディストリビュータ領域
   の流れ制止表面を中に画成するようになっている、熱交
   換器要素。
2. 【請求項２】　　該ディストリビュータ領域の流れ制止
   表面は、少なくとも１個の超塑性変形された板の波形に
   おいて、該入口装置から該主熱交換領域に熱交換流体を
   運ぶように配置された波形、を含む、請求項１の熱交換
   器要素。
3. 【請求項３】　　２個の一体型板を含み、その１個は該
   コア層を含む、請求項２の熱交換器要素。
4. 【請求項４】　　該少なくとも１個の超塑性変形された
   板は、該主熱交換領域に熱交換表面を画成するように変
   形されたその一部と、該ディストリビュータ領域に流れ
   制止表面を画成するように変形されたその他部との間に
   、比較的変形されない遷移部分を有している、請求項１
   ないし３の任意の項の熱交換器要素。
5. 【請求項５】　　選択された箇所にて拡散結合によって
   結合された少なくとも２個の一体型金属板を含み、該デ
   ィストリビュータ領域の流れ制止表面は、該少なくとも
   １個の超塑性変形された片側から外方に突き出る超塑性
   成形された中空の突起の配列を含み、該突起の先端と隣
   接板に拡散結合されている、請求項１の熱交換器要素。
6. 【請求項６】　　選択された箇所にて拡散結合により結
   合された少なくとも３個の一体型金属板を含み、該ディ
   ストリビュータ領域の流れ制止表面は超塑性成形された
   中空突起の第一と第二の組を含み、該中空突起の第一の
   組は、該少なくとも１個の超塑性変形された板の第一の
   側から外方に突き出ており、該中空突起の第二の組は、
   該少なくとも１個の超塑性変形された板の第二の側から
   外方に突き出ており、該突起の先端は２個の隣接板に拡
   散結合されている、請求項１の熱交換器要素。
7. 【請求項７】　　該コア層は、該主熱交換領域と該ディ
   ストリビュータ領域に一体に形成されて流れ制止表面を
   含むコレクタ領域を付加的に有し、該コレクタ領域は、
   該コア層の全体から流体流を集めて、流体出口装置を通
   して流れるように集中させるために、該主熱交換領域と
   該出口装置の面に延在している、請求項１ないし６の任
   意の項の熱交換器要素。
8. 【請求項８】　　請求項１ないし７の任意の項の熱交換
   器要素を有する熱交換器マトリックス。
9. 【請求項９】　　熱交換器要素の製作法であって：ａ．
   少なくとも２枚の金属板を重ね合わせるために選択し、
   該金属板の少なくとも１枚は、完成要素に熱交換流体の
   流れを通すための拡張されたコア層を形成するために、
   超塑性変形されることが可能である段階と；ｂ．該板の
   少なくとも１枚の選択された界面区域に拡散結合防止の
   ための防止剤を塗ることにより該板の拡散結合が生じな
   い箇所を画成し、該コア層の主熱交換領域の熱交換表面
   と、該コア層のための流体入口および出口と、該主熱交
   換領域および該流体入口装置の間の流れディストリビュ
   ータ領域の流れ制止表面とを画成するように該界面区域
   が選択される段階と； ｃ．該板を重ね合わせ、重なりの厚みにわたって熱と圧
   力をかけて、拡散防止剤のない箇所で該板を拡散結合す
   る段階と； ｄ．でき上がった拡散結合された構造を冷却する段階と
   ； ｅ．該拡散結合防止剤と該板の間の粘着結合を剥がすた
   めに、適当な流体を注入することにより、該構造の内部
   を加圧する段階と； ｆ．該少なくとも１枚の金属板を超塑性変形するために
   該構造を加熱しその内部を加圧し、それにより、該主熱
   交換領域の熱交換表面と該流れディストリビュータ領域
   の流れ制止表面を同時に製作する段階：を含む製作法。
10. 【請求項１０】　　不活性流体を用いて、該でき上がっ
    た構造から汚染物を掃除する段階と該構造を排気する段
    階、の継続する付加的な段階が該段階ｅと該段階ｆの間
    に挿入される、請求項９による製作法。
11. 【請求項１１】　　該主熱交換領域と該出口装置の間に
    延在する流れコレクタ領域の流れ制止表面を画成するよ
    うに拡散結合防止剤を塗り、それにより、該加熱・加圧
    段階ｆの間に、該主熱交換領域の熱交換表面および該流
    れディストリビュータ領域の流れ制止表面と同時に、該
    流れコレクタ領域の流れ制止表面が製作される、請求項
    ９または１０の製作法。