JP2009008314A - 熱交換用プレート及び熱交換ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】 プレートの両端部所定範囲に熱交換用流体のスムーズな通過を重視した凹凸パターンを配置すると共に、中間の主伝熱部における流体の流れ方向を適切に規制して、熱交換器への適用状態で主伝熱部表裏における各熱交換用流体の流れ関係を確実に向流とする熱交換用プレートを提供する。
【解決手段】 プレートにおける平行な二辺の各近傍にプレート各辺方向に連続する流路を作る凹凸パターンからなる流体案内部１１、１２を配設する一方、この流体案内部に挟まれた中間部分を主伝熱部１５とし、この主伝熱部１５にプレートの別の二辺と平行な仕切り用隆起部１８を複数設けることで、プレート表側に沿って流れる熱交換用流体の挙動について、流体案内部１１、１２で流体を各辺方向へ進行させ、流体案内部から主伝熱部各部に対して均等に流入させられることに加え、主伝熱部１５で流体が最短経路を通るのを防いで主伝熱部全体を伝熱に有効活用できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複数重ね合せ（並列）状態で一体化されて熱交換ユニットを構成する金属薄板製の熱交換用プレートに関し、特に、複数一体化された状態において気体の熱交換用流体を熱交換用プレート間でスムーズに通過させられると共に、熱交換対象となる液体の熱交換用流体を熱交換用プレート間の隙間全域にスムーズに導いてプレートの熱伝達能力を十分発揮させられ、二つの熱交換用流体間の熱交換を効率よく進行させられる熱交換用プレートに関する。

冷凍サイクルの凝縮器やラジエータ等の気液間で熱交換を行わせる熱交換器は、空気等の気体の熱交換用流体の大量導入で熱交換器内部を流れる液体の熱交換用流体を加熱又は冷却するものであり、伝熱部における気液双方の熱交換用流体に対する速やかで確実な熱伝達と共に、気体側流路における気体の熱交換用流体のスムーズな通過が求められる。従来のこうした熱交換器としては、特に気体側の熱伝達効率をフィンにより高めるフィンチューブタイプのものが一般的に用いられていた。その一例として、特開２０００−２４９４７９号公報に示されるものがある。

一方、熱交換器の使用にあたり、熱交換性能を確保しつつ熱交換器のコンパクト化を図りたい場合には、従来からプレート式熱交換器が多く採用されていた。このプレート式熱交換器は、複数の略板状の熱交換用プレートを平行に所定間隔で重ね合せ、各プレート間をそれぞれ流路とし、各流路にはプレート一枚おきに高温と低温の各熱交換用流体を交互に流して、各プレートを介して熱交換させる構造である。こうした従来のプレート式熱交換器の例としては、特開２００２−２５７４８８号公報に示されるものがある。
特開２０００−２４９４７９号公報 特開２００２−２５７４８８号公報

従来の熱交換器は前記各特許文献に示される構成となっており、前記特許文献１に基づく構造の熱交換器、すなわち、ラジエータ等の、フィンチューブタイプの熱交換器は、チューブやフィン等のレイアウトの関係上、熱交換を行う気体と液体の両熱交換用流体同士が直交流をなす流れ関係となるのが一般的であり、各熱交換用流体間でより効率よく熱交換を行える向流の流れ関係を得る構成とすることは難しく、さらなる熱交換効率向上にはフィンやチューブ形状の改良に頼るほか無かったが、こうしたフィンやチューブ形状の改良では、熱交換効率の向上は極わずかしか望めないという課題を有していた。これに加え、チューブ周囲に配置されるフィンにより気体側との伝熱面積を確保していることで、装置の占有するスペースが大きくなり、また、構造が複雑になるという課題を有していた。

一方、前記特許文献２に示されるようなプレート式熱交換器は、熱交換効率向上やコンパクト化が図りやすい構造であることから、気液間での熱交換への適用も期待されている。こうしたプレート式熱交換器において、気体と液体との間での熱交換を企図する場合、液体に比べ気体の熱伝達率が低いことを考慮して、より熱交換を効率よく進行させられるよう、各熱交換用流体の流れる向きの関係を向流とするのが望ましい。プレート式熱交換器では、流入出口部のレイアウトによって各熱交換用流体の流れを見かけ上は向流に近い状態に設定できるが、実際のプレート上での流れは、流入口部側からそのまま流出口部側へほぼ直進となる最も抵抗の少ない最短流路を採ることが多く、特に矩形状プレートで向流の関係を設定する場合、いずれかの熱交換用流体の流入出口部をプレートの隅部等に配置せざるを得ないことから、流入口部や流出口部から流れ方向に直交する向きに離れた端部は最短の流路から外れた部位となって熱交換用流体が到達しにくくなるなど、プレートの伝熱面全体に熱交換用流体を行渡らせるのが難しく、また本来の向流の流れ関係とはほど遠い状態になってしまうという課題を有していた。

このため、プレート式熱交換器の場合、確実に向流の流れ関係を得ることができない上、各熱交換用流体と伝熱面との接触、熱伝達を有効に行わせられる面積を十分確保できないことで、熱交換効率の向上が十分に図れないため、気液間の熱交換用の熱交換器として用いるには、技術的に成熟しコストも比較的小さいフィンチューブタイプの熱交換器に対するメリットが小さく、これを置換えるまでには至っていなかった。

本発明は前記課題を解消するためになされたもので、プレート表面のうち熱交換用流体の流入出口部近傍部分に、流体のスムーズな通過を重視した凹凸パターンを配置すると共に、主伝熱部における流体の流れ方向を適切に規制可能として、熱交換器への適用状態で主伝熱部表裏における各熱交換用流体の流れ関係を向流とした状態を実現でき、気液間の熱交換に適用すると熱交換効率を大きく高められる熱交換用プレート、及びこれを複数一体化した熱交換ユニットを提供することを目的とする。

本発明に係る熱交換用プレートは、所定の凹凸パターンを有する金属製略板状体で形成され、同じ形状の面同士を向い合わせにして複数枚重ね合せた状態で接合一体化されて熱交換器要部を構成し、表面に接する一の熱交換用流体と裏面に接する他の熱交換用流体との間で熱交換を行わせる熱交換用プレートにおいて、当該プレート形状を矩形又は方形状とされ、プレート端部の平行をなす第一の辺と第二の辺の各近傍におけるプレート所定範囲部分を、プレート中央部分における凹凸パターンとは別の凹凸パターンを備える流体案内部とされ、また、当該流体案内部に挟まれた前記プレート中央部分を主伝熱部とされ、当該主伝熱部が、プレート表面側で前記第一及び第二の各辺と異なる第三及び第四の辺に平行な向きに連続して隆起する凸条状とされる仕切り用隆起部を、前記第一及び第二の辺と平行となる向きに所定間隔で複数設けられ、且つ前記仕切り用隆起部をプレートの複数枚重ね合せ状態で隣合うプレートの仕切り用隆起部と当接可能となる隆起高さとしてそれぞれ形成されてなり、前記各流体案内部が、プレート表面側に所定隆起形状とされる多数の隆起部と、前記表面側で前記隆起部隆起方向と逆向きに凹んだ凹形状として多数形成される凹部とを備え、前記各隆起部及び凹部が、各プレート端辺と平行又は直角をなす向きへ直線状に配列され、プレート表面側における一方の流体案内部の前記第三及び第四の辺側の各端部のいずれか一方又は両方を一の熱交換用流体の流出口部として形成され、且つ他方の流体案内部の前記第三及び第四の辺側の各端部のいずれか一方又は両方を一の熱交換用流体の流入口部として形成され、プレート裏面側における一方の流体案内部の前記第一の辺に沿った端部を他の熱交換用流体の流入口部として形成され、且つ他方の流体案内部の前記第二の辺に沿った端部を他の熱交換用流体の流出口部として形成されるものである。

このように本発明によれば、プレートにおける第一及び第二の辺の各近傍所定範囲に、所定形状の流体案内部を配設する一方、この流体案内部に挟まれた中間部分を主伝熱部とし、この主伝熱部にプレートの第三及び第四の辺と平行な仕切り用隆起部を複数設けると共に、流体案内部にはプレート各辺方向に直線状に連続する流路をなす凹凸パターンを設定して、プレート表面側に沿って流れる熱交換用流体の挙動について、流体案内部で熱交換用流体を第一及び第二の各辺方向へ滞りなく進行可能とし、且つ中間の主伝熱部で熱交換用流体の流れる向きを前記第三及び第四の辺と平行をなす向きに規制することにより、プレートを複数一体化した状態で各プレート間に各熱交換用流体を導入した場合、一の熱交換用流体を流体案内部全体に行渡らせられ、各流体案内部が主伝熱部各部に対して一の熱交換用流体を第一及び第二の各辺方向について均等に流入出させることに加え、主伝熱部で一の熱交換用流体が最短経路を通るのを防ぎつつ流体案内部側へ導くことができ、主伝熱部全体で各熱交換用流体の流れ関係を向流とすることができ、且つ主伝熱部のほぼ全てを有効な伝熱部分として寄与させられ、プレートを介した各熱交換用流体間での伝熱量を十分確保でき、各熱交換用流体間で効率よく熱交換が行える。そして、一の熱交換用流体を液体、他の熱交換用流体を気体とした場合に、気体の熱交換用流体を適切にプレート裏面に沿って進ませる状態を確保して、プレートを介した気液間での熱交換を問題なく進行させることができ、気液間での熱交換における効率向上が確実に図れることとなる。

また、本発明に係る熱交換用プレートは必要に応じて、一部又は全ての前記隆起部が、プレートの複数枚重ね合せ状態で隣合うプレートの対向する隆起部と隆起部同士で当接可能として形成されると共に、一部又は全部の前記凹部が、当該凹部裏側の凸部分をプレートの複数枚重ね合せ状態で隣合うプレートの対向する凸部分と当接可能とする形状として形成され、且つ、プレート表面側における前記隆起部の隆起高さに対し、前記凹部の凹み深さをより大きくして形成されるものである。

このように本発明によれば、プレート表面側におけるプレート間隔を規定する隆起部の高さと、プレート裏面側におけるプレート間隔を規定する凹部裏側の隆起部分の高さ、すなわち、凹部の凹み深さをそれぞれ異ならせ、プレートを重ね合せて一体化した状態でプレート表面側と裏面側とでプレート間隔を変えることにより、他の熱交換用流体を気体の熱交換用流体とすると、気体側流路をなすプレート表側におけるプレート間隔を大きくして気体側流路断面積が液体側より大きくなるようにすることができ、熱伝達率の小ささから通過流量を大きくするのが望ましい他の熱交換用流体としての気体のプレート裏面間における流れをさらにスムーズにして熱交換効率をより一層向上させられる。

また、本発明に係る熱交換ユニットは、同じ形状の面同士を向い合わせにして重ね合せた状態で接合一体化される複数の熱交換用プレートを備え、各プレート間の隙間が一つおきにプレート表面間の第一隙間部とプレート裏面間の第二隙間部とをなし、前記第一隙間部に流通する一の熱交換用流体と前記第二隙間部に流通する他の熱交換用流体との間で、熱交換用プレートを介して熱交換させる熱交換ユニットにおいて、前記熱交換用プレートが、矩形又は方形状とされ、プレート端部の平行をなす第一の辺と第二の辺の各近傍におけるプレート所定範囲部分を、プレート中央部分における凹凸パターンとは別の凹凸パターンを備える流体案内部とされ、また、当該流体案内部に挟まれた前記プレート中央部分を主伝熱部とされ、当該主伝熱部が、プレート表面側で前記第一及び第二の各辺と異なる第三及び第四の辺に平行な向きに連続して隆起する凸条状とされる仕切り用隆起部を、前記第一及び第二の辺と平行となる向きに所定間隔で複数設けられ、且つ前記仕切り用隆起部をプレートの複数枚重ね合せ状態で隣合うプレートの仕切り用隆起部と当接可能となる隆起高さとしてそれぞれ形成されてなり、前記各流体案内部が、プレート表面側に所定隆起形状とされる多数の隆起部と、前記表面側で前記隆起部隆起方向と逆向きに凹んだ凹形状として多数形成される凹部とを備え、前記各隆起部及び凹部が、各プレート端辺と平行又は直角をなす向きへ直線状に配列され、前記熱交換用プレートが、プレート表面側における一方の流体案内部の前記第三及び第四の辺側の各端部のいずれか一方又は両方を一の熱交換用流体の流出口部として形成され、且つ他方の流体案内部の前記第三及び第四の辺側の各端部のいずれか一方又は両方を一の熱交換用流体の流入口部として形成されると共に、プレート裏面側における一方の流体案内部の前記第一の辺に沿った端部を他の熱交換用流体の流入口部として形成され、且つ他方の流体案内部の前記第二の辺に沿った端部を他の熱交換用流体の流出口部として形成されるものである。

このように本発明によれば、熱交換用プレートの第一及び第二の辺の各近傍所定範囲に流体案内部を配設する一方、この流体案内部に挟まれた中間部分を主伝熱部とし、この主伝熱部にプレートの第三及び第四の辺と平行な仕切り用隆起部を複数設けると共に、流体案内部にはプレート各辺方向に直線状に連続する流路をなす凹凸パターンを設定して、各熱交換用プレートの表面間の隙間のうち、流体案内部に挟まれる領域で一の熱交換用流体を第一及び第二の各辺方向へ滞りなく進行可能とし、且つ主伝熱部に挟まれる領域で一の熱交換用流体の流れる向きを前記第三及び第四の辺と平行をなす向きに規制することにより、各プレート間に各熱交換用流体を導入した際、一の熱交換用流体を流体案内部全体に行渡らせられ、各流体案内部が主伝熱部各部に対して一の熱交換用流体を第一及び第二の各辺方向について均等に流入出させることに加え、主伝熱部で一の熱交換用流体が最短経路を通るのを防ぎつつ流体案内部側へ導くことができ、主伝熱部全体で各熱交換用流体の流れ関係を向流とすることができ、且つ主伝熱部のほぼ全てを有効な伝熱部分として寄与させられ、プレートを介した各熱交換用流体間での伝熱量を十分確保でき、各熱交換用流体間で効率よく熱交換が行える。そして、一の熱交換用流体を液体、他の熱交換用流体を気体とした場合に、気体の熱交換用流体をスムーズにプレート裏面間に大量導入できる状態を確保して、問題なく気液間での熱交換を進行させられ、気液間での熱交換における効率向上が確実に図れることとなる。

また、本発明に係る熱交換ユニットは必要に応じて、前記各熱交換用プレートが、少なくとも前記流体案内部における隆起部同士、凹部裏側の隆起部分同士、並びに前記主伝熱部の仕切り用隆起部同士をそれぞれ当接させた状態で、当該当接部分を拡散接合させて一体化されてなるものである。

このように本発明によれば、熱交換用プレートを複数重ね合せた状態で、隣合うプレートの隆起部同士、凹部分の裏面側にあたる隆起部分同士、並びに、主伝熱部の仕切り用隆起部同士をそれぞれ当接させて拡散接合で一体化し、プレートの縁部以外の各部位においても多数の接合部位を生じさせることにより、熱交換用プレート相互間の結びつきをより強固なものとし、熱交換用プレート各部が表裏両側の別のプレートから確実に支持される状態としてその強度を大幅に向上させられ、プレート間隔の変化を抑え、プレート間に導入される熱交換用流体同士の圧力差が大きい状態にも対応できる耐圧性能を得られることとなり、各熱交換用流体の圧力設定を熱交換効率を重視したものとしても問題が生じにくく、無理なく性能向上が図れる。

以下、本発明の一実施形態を図１ないし図７に基づいて説明する。本実施形態では、プレートを複数枚重ね合せて一体化させた状態で、プレート表面側に液体の熱交換用流体、プレート裏面側に気体の熱交換用流体をそれぞれ接触させて熱交換を行わせる熱交換器に適用する場合の例について説明する。図１は本実施形態に係る熱交換用プレートの概略構成図、図２は本実施形態に係る熱交換用プレートにおける主伝熱部の縦断面図、図３は本実施形態に係る熱交換用プレートの流体案内部表面での流体流動状態説明図、図４は本実施形態に係る熱交換用プレートの重ね合せ過程説明図、図５は本実施形態に係る熱交換用プレートの複数一体化状態の正面、左側面及び平面を表す概略斜視図、図６は本実施の形態に係る熱交換用プレートの複数一体化状態の正面、右側面及び底面を表す概略斜視図、図７は本実施形態に係る熱交換用プレートにおける主伝熱部の複数重ね合せ状態断面図である。

前記各図において本実施形態に係る熱交換用プレート１０は、矩形状の金属製略板状体で形成され、プレート端部の平行な二つの長辺である第一の辺１０ａと第二の辺１０ｂの各近傍におけるプレート所定範囲部分を、所定の凹凸パターンを備える流体案内部１１、１２とされ、この流体案内部１１、１２を除くプレート中央部分を主伝熱部１５とされてなる構成である。

前記流体案内部１１、１２は、熱交換用プレート１０において、矩形状のプレートの各辺のうち長辺である前記第一の辺１０ａと第二の辺１０ｂの近傍で前記各辺１０ａ、１０ｂの略全長にわたる範囲に所定の幅でそれぞれ配置される構成である。この流体案内部１１、１２は、プレート表面に所定配列状態で多数形成される隆起部１３及び凹部１４からなる凹凸パターンを備えており、この流体案内部１１、１２上での隆起部１３及び凹部１４は、それぞれの所定ピッチでの各配列方向が矩形状のプレート各辺に対し平行又は直角をなす向きとなるようにして形成される。

前記各隆起部１３は、円形の平坦部分として形成される頂部を備える一方、この頂部以外の外周面を頂部側から見て末広がりとなる回転対称形の曲面形状とされてなる構成であり、プレート上にプレート端辺と平行又は直角となる直交二方向へ同一の所定ピッチでそれぞれ配置されるマトリクス配列とされる。

前記凹部１４は、底部及びその上側で周囲の各隆起部１３の外周面と連続する回転対称形の曲面からなる内周面を有して、プレートの表面側における隆起部１３隆起方向と逆向きに凹んだ凹形状として形成される構成であり、前記隆起部１３同様マトリクス配列となり、隆起部１３に対しては各隆起部１３を四隅とする最小の正方形領域の中心にちょうど配置される位置関係となる。

前記主伝熱部１５は、プレートの短辺である前記第三の辺１０ｃと第四の辺１０ｄに平行な向きへ凸条状に連続してプレート表面側へ隆起する形状とされる仕切り用隆起部１８を、長辺方向、すなわち、前記第一及び第二の各辺１０ａ、１０ｂと平行となる向きに、所定間隔で複数配設される構成であり、プレートの組合わせ一体化状態で隣合うプレートの仕切り用隆起部１８同士が当接し、プレート表面の主伝熱部１５間に挟まれた流路をこれら仕切り用隆起部１８で第一及び第二の各辺１０ａ、１０ｂと平行となる向きに複数仕切る仕組みである。この仕切り用隆起部１８を除く、主伝熱部１５における残りの凹凸パターンとしては、表面側で直交する二方向にそれぞれ異なる所定ピッチで並ぶ格子状配列状態として多数成型される凹部１６と、この凹部１６の配置に対し前記二方向にそれぞれ半ピッチ分ずつずれたちょうど中間の各位置で、凹部１６と逆向きの隆起形状をなす凸当接部１７ａ又は凹部１６と同じ向きの凹形状をなす凹当接部１７ｂのいずれかとして形成される当接部１７とを備える構成である。

この主伝熱部１５では、プレート同士を同じ形状の面同士向い合わせて複数枚重ね合せて一体化した状態で、表面側において仕切り用隆起部１８同士が当接すると共に、当接部１７における凸当接部１７ａと凹当接部１７ｂとが当接し、また、裏面側において各凹部１６の裏側隆起部分１９同士が当接する仕組みとなっており、表面側で互いに当接する凸当接部１７ａと凹当接部１７ｂの各高さが異なっていることで、凸当接部１７ａと凹当接部１７ｂが当接するプレート表面同士の間隔が、凹部１６の裏側隆起部分１９同士が当接するプレート裏面同士の間隔に比べて小さくなる。

この熱交換用プレート１０の流体案内部１１、１２及び主伝熱部１５における各凹凸パターンにおいては、表面側形状をそのまま裏返した凹凸が裏面側に表れる状態となっているが、流体案内部１１、１２における隆起部１３と凹部１４の裏側の隆起部分の各隆起高さ、及び主伝熱部１５における表側凸部分と裏側凸部分の各隆起高さの関係については、いずれも裏側における隆起高さを表側より大きく設定している。これは、プレートの複数一体化状態で、液体の熱交換用流体が接触するプレート表面間の間隔に対し、気体の熱交換用流体が接触するプレート裏面間の間隔をより大きくして、気体と液体の各熱交換用流体間の熱交換において、熱伝達率のより小さい気体の熱交換用流体を大量に導入してプレートとの接触を十分確保できるようにするためのものである。

こうしてプレートの複数一体化状態でのプレート間隔をプレート表側より裏側で大きくするように、プレート裏側における各凸部分の隆起高さを表側より大きく設定していることで、流体案内部１１、１２の各凹凸パターンはそれぞれ表裏で若干異なる形状となっているが、この他、熱交換の条件によっては、表裏の凸部分の隆起高さを一致させた表裏同パターン形状とすることもでき、使用目的によって使い分けられる。

なお、前記熱交換用プレート１０は、伝熱面となる流体案内部１１、１２及び主伝熱部１５以外の周端部分等の形状は、他のプレートとの接合部分となると共に各熱交換用流体の流入出口部となる開口部分を生じさせる平坦部分や壇状部分を含むフランジ部とされるなど、公知のプレート式熱交換器に用いる熱交換用プレートと同じであり、詳細な説明は省略する。

この熱交換用プレート１０は、流体案内部１１、１２及び主伝熱部１５を同様に備える別のプレートと、同じ形状の面同士を向い合わせ、流体案内部１１、１２における隆起部１３の頂部同士や凹部１４の裏側隆起部分同士を当接させると共に、主伝熱部１５における仕切り用隆起部１８や他の凹凸パターンをなす各凸部分（図７参照）の頂部同士を当接させた複数並列状態で一体化され、当接箇所以外の各プレート間に熱交換用流体が流通可能な隙間を有する熱交換ユニット５０を構成するものであり、さらにプレート要部を外部から隔離するシェルや熱交換用流体の供給、排出手段等と組合わせて熱交換器をなし、プレート表面側で接する前記一の熱交換用流体としての液体の熱交換用流体と、裏面側で接する前記他の熱交換用流体としての気体の熱交換用流体との間で熱交換を行わせることとなる。

熱交換ユニットの状態では、通常、各熱交換用流体の流入出口となる開口部分を除くプレートの外縁部はプレート端部同士を直接接合して一体化するか、プレート端部間に所定の封止材を介在させて、開口部分以外で各隙間部が外部に対し水密維持状態で隔離され、且つ隙間部同士も互いに完全に隔離された状態とされるが、ラジエータのように、気体の熱交換用流体を空気とする場合には、第二隙間部５２を挟むプレートの組について、外部に対し完全に気密を確保した接合状態とする必要はなく、一体化状態を維持可能な程度の簡略な接合構造でかまわない。そして、第二隙間部５２に対しては、外部のシェル等で空気の流出入方向とその流入出位置が一定となるよう適宜案内、規制することで、問題なく各熱交換用流体間の熱交換が行えることとなる。

この熱交換用プレート１０を重ね合せた状態では、プレートの表面同士に挟まれた隙間である各第一隙間部５１における流体案内部１１、１２位置で、当接する頂部を除く表面各部がそれぞれ所定の間隔で対向する状態となっており、これら対向する表面間に生じている隙間がなす熱交換用流体の流路は、各隆起部１３や凹部１４の配列方向に沿って流路断面積を周期的に大小変化させつつ連続することとなる。

一方、プレートを隔てた反対側の、プレート裏面同士に挟まれた隙間である第二隙間部５２における流体案内部１１、１２位置においても、凹部１４裏側の隆起部分の高さが前記隆起部１３の高さより大きい点以外はほぼ同じ状態となっており、前記同様、熱交換用流体の流路が、凹凸の配列方向に沿って流路断面積を周期的に大小変化させつつ連続している。これら第一隙間部５１と第二隙間部５２の形状及び大きさは、プレートの凸部分の高さが異なる表裏面を同じ面同士向い合わせる形で重ねられているために、凹凸位置が互いに各配列方向へ半ピッチ分ずれていることと合わせて、大きく異なったものとなっている。

また、この熱交換用プレート１０は、プレート表面側における流体案内部１１の第三の辺１０ｃ側の端部を、液体の熱交換用流体の流出口部５４として形成されると共に、流体案内部１２の第四の辺１０ｄ側の端部を、液体の熱交換用流体の流入口部５３として形成されており、熱交換用プレート１０が複数重ね合せて一体化された状態で、流体案内部１１の第三の辺１０ｃ側の端部間及び流体案内部１２の第四の辺１０ｄ側の端部間に第一隙間部５１に連通する開口がそれぞれ生じることとなる。一方、熱交換用プレート１０は、プレート裏面側における流体案内部１１の第一の辺１０ａに沿った端部を、気体の熱交換用流体の流入口部５５として形成されると共に、流体案内部１２の第二の辺１０ｂに沿った端部を、気体の熱交換用流体の流出口部５６として形成されており、熱交換用プレート１０が複数重ね合せて一体化された状態で、第一の辺１０ａに沿う端部間及び第二の辺１０ｂに沿う端部間に第二隙間部５２に連通する開口がそれぞれ生じることとなる。

熱交換用プレート１０が複数重ね合せて一体化された状態では、これら開口のうち流入口となる開口から各熱交換用流体が各プレート間の隙間に導入される一方、流出口となる他方の開口から各熱交換用流体が取出されて、それぞれの熱交換用流体がプレート間の隙間を一つおきに流通することとなる。

なお、複数プレートを一体化した状態において前記開口となる部位の設定位置がプレート上で対称の位置関係である場合、同一形状の別のプレートと同じ面同士を左右を逆にして向い合わせて並列一体化できるが、開口部位の設定位置が対称関係でない場合には、プレートの周端部形状が対称関係にある二種類のプレートを用意して組合わせる必要がある。

次に、本実施形態に係る熱交換用プレートの拡散接合による複数一体化工程について説明する。複数の熱交換用プレート１０について、流体案内部１１、１２及び主伝熱部１５を同様に備える別のプレートと、同じ形状の面同士が向い合う状態で重ね合せる過程を繰返し（図４参照）、あらかじめ設定された枚数分、熱交換用プレート１０を重ね合せる。この重ね合せた状態の熱交換用プレート１０を拡散接合用の容器内部に収容し、各プレートの端部同士や、流体案内部１１、１２における隆起部１３の頂部同士や凹部１４の裏側隆起部分同士、また、主伝熱部１５における仕切り用隆起部１８や他の凹凸パターンをなす各凸部分の頂部同士などの当接部分について、拡散接合でまとめて接合状態とする。

拡散接合工程については、一般的な拡散接合の場合と同様、熱交換用プレート１０を収容した接合用容器内の空間を真空状態又は低圧力状態にすると共に、重ね合せた各熱交換用プレート１０に端部から重ね合せ方向に押圧力を加え、各プレート同士の接触部分が接触を保つ中で、プレート各部を加熱、昇温させて、少なくとも各プレート同士の接触部分を拡散接合の生じうる所定温度に到達させ、この所定温度を保持すると、当接部分のごく微小な領域において拡散接合が始り、押圧力を受けるプレート材の接合相手側への拡散に伴って接合が進行し、当接部分同士が接合した状態を得られることとなる。プレート同士の拡散接合が十分に進んだ後、プレートの一定温度保持を停止し、一体化した熱交換用プレート１０を冷却した後、接合用容器内空間を減圧前の圧力まで復帰させ、熱交換用プレート１０の一体化で得られた熱交換ユニット５０を接合用容器から取出せば、拡散接合工程の完了となる。

続いて、本実施の形態に係る熱交換用プレートを用いた熱交換器におけるプレート間の熱交換用流体流れ状態について説明する。前提として、熱交換用プレート１が複数重ね合されて一体化され、熱交換ユニット５０として熱交換器要部を構成する状態で、液体の熱交換用流体の所定の供給・排出手段によって、プレート表面側の各第一隙間部５１に対し、流体案内部１２の第四の辺１０ｄ側の端部における開口から液体の熱交換用流体が流入可能とされ、流体案内部１１の第三の辺１０ｃ側の端部における開口から液体の熱交換用流体が流出可能とされてなり、また、外部に存在する空気流に伴い、プレート裏面側の各第二隙間部５２に対し、気体の熱交換用流体としての空気が、第一の辺１０ａ側の開口から流入し、第二の辺１０ｂ側の開口から流出する状態とされるものとする。そして、この熱交換ユニット５０をなす状態では、第一隙間部５１を挟むプレートの組について、液体の熱交換用流体の流入出口となる開口部分を除くプレートの外縁部はプレート端部同士を直接接合して一体化され、開口部分以外で各第一隙間部５１が外部及び第二隙間部５２に対し水密維持状態で完全に隔離された状態とされているものとする。

前記第一隙間部５１における流体案内部１２間の領域において、液体の熱交換用流体は流体案内部１２へ上向きに導入され、その勢いでまず流体案内部１２を流入口部５３側から縦方向に進行し、さらに横方向に向きを変えて進んで主伝熱部１５の隙間に至ることとなる（図３参照）。熱交換用流体は各隆起部１３や凹部１４の配列方向に沿って連続する流路を、抵抗無く縦、さらに横に進みながら主伝熱部１５の端部へスムーズに、且つプレート縦方向について均等に到達できる。こうして熱交換用流体が主伝熱部１５端部に偏りなく到達できることで、熱交換用プレート１０の主伝熱部１５における表裏面各部に熱交換用流体がもれなくスムーズに行渡ることとなる。

主伝熱部１５では、複数配設された仕切り用隆起部１８が、液体の熱交換用流体の流れる向きをこの仕切り用隆起部１８と平行な向きに規制し、液体の熱交換用流体が流体案内部１２の流入口部５３から流体案内部１１の流出口部５４に向けて最短経路を通るのを防ぎながら、この液体の熱交換用流体を流体案内部１２側からもう一方の流体案内部１１側へ一様に導くことができる。

一方、第一隙間部５１における流体案内部１１間の領域では、液体の熱交換用流体が主伝熱部１５から流体案内部１１側へ進入した後、まず横方向にそのまま進行し、さらに縦方向に向きを変えて進んで流出口部５４に至り、第一隙間部５１から外部に流出する。熱交換用流体は各隆起部１３や凹部１４の配列方向に沿って連続する流路を、抵抗無く横、さらに縦に進みながら端部の流出口部５４までスムーズに到達できる。こうして熱交換用流体を主伝熱部１５端部から偏りなく受入れて滞りなく速やかに流出させられることで、熱交換用流体の滞りに伴う主伝熱部１５における流れの偏りなどの悪影響を確実に防止できることとなる。

この他、反対側の第二隙間部５２でも、各流体案内部１１、１２位置を気体の熱交換用流体が進行するものの、この気体の熱交換用流体は、前記第一隙間部５１における液体の熱交換用流体の場合とは異なり、第一の辺１０ａ側から横方向に導入されて流体案内部１１間の領域に流入したら、そのまま流体案内部１１を流入口部５５側から横方向に進んで主伝熱部１５に到達する。そして、気体の熱交換用流体は主伝熱部１５を横方向に進んで別の流体案内部１２に達し、さらに流体案内部１２をそのまま横方向へ進んで第二の辺１０ｂ側の流出口部５６に至り、第二隙間部５２から外部へ流出することとなる。

こうして流体案内部１１、１２において液体の熱交換用流体の流路における圧力損失を抑えて、第一隙間部５１で液体の熱交換用流体をスムーズ且つ均一に主伝熱部１５側に向わせられることに加え、主伝熱部１５で各仕切り用隆起部１８により液体の熱交換用流体が最短経路を通るのを防いで、液体の熱交換用流体が主伝熱部１５全体に広く行渡る状態が得られ、主伝熱部１５のほぼ全てを有効な伝熱部分として寄与させられる。一方、第二隙間部５２では気体の熱交換用流体が流体案内部１１側から他の流体案内部１２側へ前記液体の熱交換用流体とはちょうど逆向きに流れることにより、主伝熱部１５全体で液体と気体の各熱交換用流体が正しく向流の流れ関係となり、この主伝熱部１５においてプレートと各流体間の熱伝達が促され、二つの熱交換用流体の間で効率よく熱交換が行えることとなる。

さらに、第一隙間部５１や第二隙間部５２の流体案内部１１、１２部分においても、これらを各熱交換用流体が通過する間に、流れ関係は向流とはならないもの各熱交換用流体間でプレートを介して熱交換がなされることとなり、主伝熱部１５部分での熱交換と合わせて、プレート全体での熱交換効率が大きく向上する。

このように、本実施の形態に係る熱交換用プレートにおいては、プレートにおける第一及び第二の辺１０ａ、１０ｂの各近傍所定範囲に、所定形状の流体案内部１１、１２を配設する一方、この流体案内部１１、１２に挟まれた中間部分を主伝熱部１５とし、この主伝熱部１５にプレートの第三及び第四の辺１０ｃ、１０ｄと平行な仕切り用隆起部１８を複数設けると共に、流体案内部１１、１２にはプレート各辺方向に直線状に連続する流路をなす凹凸パターンを設定して、プレート表面側に沿って流れる熱交換用流体の挙動について、流体案内部１１、１２で熱交換用流体を第一及び第二の各辺方向へ滞りなく進行可能とし、且つ中間の主伝熱部１５で熱交換用流体の流れる向きを前記第三及び第四の辺１０ｃ、１０ｄと平行をなす向きに規制することにより、プレートを複数一体化した状態で各プレート間に各熱交換用流体を導入した場合、液体の熱交換用流体を流体案内部１２全体に行渡らせられ、各流体案内部１２が主伝熱部１５各部に対して液体の熱交換用流体を第一及び第二の各辺方向について均等に流入させることに加え、主伝熱部１５で液体の熱交換用流体が最短経路を通るのを防ぎつつ流体案内部１１側へ導くことができ、主伝熱部１５全体で各熱交換用流体の流れ関係を向流とすることができ、且つ主伝熱部１５のほぼ全てを有効な伝熱部分として寄与させられ、プレートを介した各熱交換用流体間での伝熱量を十分確保でき、各熱交換用流体間で効率よく熱交換が行える。

なお、前記実施形態に係る熱交換用プレートにおいて、一の熱交換用流体の流入出部位としての流入口部５３及び流出口部５４をプレートの対角位置に配置する構成としているが、これに限らず、同一辺上に位置する各流体案内部の端部に流入口部と流出口部をそれぞれ配置し、プレートに対し同じ一つの辺側から一の熱交換用流体を流入出させる構成とすることもできる。また、流入出口部は一つずつに限らず、一方の流体案内部の両端に流入口部を配設すると共に、他方の流体案内部の両端に流出口部を配設して、流入出口部を二箇所ずつとすることもできる。

また、前記実施形態に係る熱交換用プレートにおいて、流体案内部と主伝熱部を設ける点以外については任意の構成とすることができ、流体流入出部位の配置に応じてプレートの周縁部形状や開口孔を適宜設定することにより、プレート周縁部同士を互いに溶接やろう付けしたり、隆起部の頂部を含むプレート同士の当接部分を拡散接合したりなどで、複数のプレートを直接連結、一体化して構成される熱交換器や、ガスケットを各プレート間に配設しつつ複数のプレートを重ねた状態で外部からの押圧を継続的に付与して一体構成とされるプレート式熱交換器等の熱交換用プレートとして用いることができる。

また、前記実施形態に係る熱交換用プレートにおいて、複数プレートの一体化を行う場合には、拡散接合で全てのプレートをまとめて一体化するようにしているが、これに限らず、第一隙間部を挟む二枚の組をまず一体化してプレート組とした後、このプレート組同士を互いに接合して全てのプレートを一体化するようにしてもよく、拡散接合によらずに接合一体化が行えることとなる。

本発明の一実施形態に係る熱交換用プレートの概略構成図である。 本発明の一実施形態に係る熱交換用プレートにおける主伝熱部の概略縦断面図である。 本発明の一実施形態に係る熱交換用プレートの流体案内部表面での流体流動状態説明図である。 本発明の一実施形態に係る熱交換用プレートの重ね合せ過程説明図である。 本発明の一実施形態に係る熱交換用プレートの複数一体化状態の正面、左側面及び平面を表す概略斜視図である。 本発明の一実施形態に係る熱交換用プレートの複数一体化状態の正面、右側面及び底面を表す概略斜視図である。 本発明の一実施形態に係る熱交換用プレートにおける主伝熱部の複数重ね合せ状態断面図である。

符号の説明

１０ 熱交換用プレート
１０ａ （第一の）辺
１０ｂ （第二の）辺
１０ｃ （第三の）辺
１０ｄ （第四の）辺
１１、１２ 流体案内部
１３ 隆起部
１４ 凹部
１５ 主伝熱部
１６ 凹部
１７ 当接部
１７ａ 凸当接部
１７ｂ 凹当接部
１８ 仕切り用隆起部
１９ 裏側隆起部分
５０ 熱交換ユニット
５１ 第一隙間部
５２ 第二隙間部
５３、５５ 流入口部
５４、５６ 流出口部

Claims (4)

1. 所定の凹凸パターンを有する金属製略板状体で形成され、同じ形状の面同士を向い合わせにして複数枚重ね合せた状態で接合一体化されて熱交換器要部を構成し、表面に接する一の熱交換用流体と裏面に接する他の熱交換用流体との間で熱交換を行わせる熱交換用プレートにおいて、
   当該プレート形状を矩形又は方形状とされ、プレート端部の平行をなす第一の辺と第二の辺の各近傍におけるプレート所定範囲部分を、プレート中央部分における凹凸パターンとは別の凹凸パターンを備える流体案内部とされ、また、当該流体案内部に挟まれた前記プレート中央部分を主伝熱部とされ、
   当該主伝熱部が、プレート表面側で前記第一及び第二の各辺と異なる第三及び第四の辺に平行な向きに連続して隆起する凸条状とされる仕切り用隆起部を、前記第一及び第二の辺と平行となる向きに所定間隔で複数設けられ、且つ前記仕切り用隆起部をプレートの複数枚重ね合せ状態で隣合うプレートの仕切り用隆起部と当接可能となる隆起高さとしてそれぞれ形成されてなり、
   前記各流体案内部が、プレート表面側に所定隆起形状とされる多数の隆起部と、前記表面側で前記隆起部隆起方向と逆向きに凹んだ凹形状として多数形成される凹部とを備え、前記各隆起部及び凹部が、各プレート端辺と平行又は直角をなす向きへ直線状に配列され、
   プレート表面側における一方の流体案内部の前記第三及び第四の辺側の各端部のいずれか一方又は両方を一の熱交換用流体の流出口部として形成され、且つ他方の流体案内部の前記第三及び第四の辺側の各端部のいずれか一方又は両方を一の熱交換用流体の流入口部として形成され、
   プレート裏面側における一方の流体案内部の前記第一の辺に沿った端部を他の熱交換用流体の流入口部として形成され、且つ他方の流体案内部の前記第二の辺に沿った端部を他の熱交換用流体の流出口部として形成されることを
   特徴とする熱交換用プレート。
2. 前記請求項１に記載の熱交換用プレートにおいて、
   一部又は全ての前記隆起部が、プレートの複数枚重ね合せ状態で隣合うプレートの対向する隆起部と隆起部同士で当接可能として形成されると共に、
   一部又は全部の前記凹部が、当該凹部裏側の凸部分をプレートの複数枚重ね合せ状態で隣合うプレートの対向する凸部分と当接可能とする形状として形成され、
   且つ、プレート表面側における前記隆起部の隆起高さに対し、前記凹部の凹み深さをより大きくして形成されることを
   特徴とする熱交換用プレート。
3. 同じ形状の面同士を向い合わせにして重ね合せた状態で接合一体化される複数の熱交換用プレートを備え、各プレート間の隙間が一つおきにプレート表面間の第一隙間部とプレート裏面間の第二隙間部とをなし、前記第一隙間部に流通する一の熱交換用流体と前記第二隙間部に流通する他の熱交換用流体との間で、熱交換用プレートを介して熱交換させる熱交換ユニットにおいて、
   前記熱交換用プレートが、矩形又は方形状とされ、プレート端部の平行をなす第一の辺と第二の辺の各近傍におけるプレート所定範囲部分を、プレート中央部分における凹凸パターンとは別の凹凸パターンを備える流体案内部とされ、また、当該流体案内部に挟まれた前記プレート中央部分を主伝熱部とされ、
   当該主伝熱部が、プレート表面側で前記第一及び第二の各辺と異なる第三及び第四の辺に平行な向きに連続して隆起する凸条状とされる仕切り用隆起部を、前記第一及び第二の辺と平行となる向きに所定間隔で複数設けられ、且つ前記仕切り用隆起部をプレートの複数枚重ね合せ状態で隣合うプレートの仕切り用隆起部と当接可能となる隆起高さとしてそれぞれ形成されてなり、
   前記各流体案内部が、プレート表面側に所定隆起形状とされる多数の隆起部と、前記表面側で前記隆起部隆起方向と逆向きに凹んだ凹形状として多数形成される凹部とを備え、前記各隆起部及び凹部が、各プレート端辺と平行又は直角をなす向きへ直線状に配列され、
   前記熱交換用プレートが、プレート表面側における一方の流体案内部の前記第三及び第四の辺側の各端部のいずれか一方又は両方を一の熱交換用流体の流出口部として形成され、且つ他方の流体案内部の前記第三及び第四の辺側の各端部のいずれか一方又は両方を一の熱交換用流体の流入口部として形成されると共に、プレート裏面側における一方の流体案内部の前記第一の辺に沿った端部を他の熱交換用流体の流入口部として形成され、且つ他方の流体案内部の前記第二の辺に沿った端部を他の熱交換用流体の流出口部として形成されることを
   特徴とする熱交換ユニット。
4. 前記請求項３に記載の熱交換ユニットにおいて、
   前記各熱交換用プレートが、少なくとも前記流体案内部における隆起部同士、凹部裏側の隆起部分同士、並びに前記主伝熱部の仕切り用隆起部同士をそれぞれ当接させた状態で、当該当接部分を拡散接合させて一体化されてなることを
   特徴とする熱交換ユニット。

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