JP2009532660A - 最外伝熱板の外側に設けられた補強板を含むプレート熱交換器 - Google Patents

Abstract

本発明は、複数のプレートを有するプレート熱交換器に関する。プレートは、主伸張面と平行に延び、かつ、いくつかの伝熱板および補強板（２）を含む。それら伝熱板は、互いに横に設けられ、第１のプレート空間と第２のプレート空間とを有するプレートパッケージを形成する。各伝熱板は、プレートパッケージを貫通するポート（８）を形成する４つのポートホールを有する。伝熱板は、プレートパッケージの一方の側に最外伝熱板を有し、プレートパッケージの反対の側に最外伝熱板を有する。プレートパッケージ内のプレート空間のうちの２つは、それぞれの最外伝熱板によって外側を囲まれたそれぞれの最外プレート空間をプレートパッケージのそれぞれの側に形成する。補強板は、第１の伝熱板の外側に設けられる。補強板（２）は、伸張面と平行に延在し、かつ、補強パターン（２１）を有するメインゾーン（２０）を有し、補強パターン（２１）は、ポート（８）のうちの２つの近くに設けられ、伝熱板から外方に延びる少なくとも１つのくぼみ（２２）を有する。

Description

本発明は、請求項１の前提記載部分によるプレートを含むプレートパッケージを有するプレート熱交換器に関する（米国特許第４９８７９５５号参照）。

永久的に接合され、たとえば、ろう付けされたプレート熱交換器の多くの用途では、高い強度が必要である。このことは、プレート熱交換器を通して運ばれる媒体の一方または両方の作動圧力が高いときか、または媒体の一方または両方の作動圧力が時間の経過と共に変化するときに重要である。プレート熱交換器は、配送される前に圧力試験を受ける。圧力試験に関連する塑性変形ができるだけ小さくなるようなプレート熱交換器の強度および剛性を実現することが望ましい。

強度を高くする要件を満たすために、より厚い端部または補強板、すなわち、プレートパッケージ内の最外位置に配置された２枚のプレートを使用することが公知である。これらの補強板は、アダプタプレートまたはフレームおよび圧力板と呼ばれることもある。シート、座金、または厚い平板を補強板として使用することも公知である。このようなシート、座金、または厚い平板をフレームおよび／または圧力板の外側に設けることもできる。このような追加のプレート、座金などの欠点は、プレート熱交換器を作製する際、たとえば、プレート熱交換器をろう付けする際により多くの構成部材を取付ける必要があるため、製造がより複雑になることである。

より多くの材料を有するより厚い補強板の他の欠点は、この補強板については熱的「スローネス」が増すことである。補強板の熱的スローネスがこのように増すと、プレート熱交換器の熱疲労性能が、特に補強板の内側の最も近くに設けられた伝熱板で低下する。このような伝熱板は、より薄い材料で製造されるため、媒体の温度により高速に適応し、その結果、伝熱板と補強板との間に望ましくない温度差が生じ、したがって、熱に応じた応力が発生する。

さらに、補強板が厚くなると、材料の消費量が増し、したがって、プレート熱交換器のコストが増大するという欠点がある。

米国特許第４９８７９５５号は、主伸張面と平行に複数のプレートを有するプレート熱交換器を開示している。プレートは、複数の伝熱板と少なくとも１枚の補強板とを含む。各伝熱板は、互いに横に設けられ、第１の媒体用の第１のプレート空間と、第２の媒体用の第２のプレート空間とを有するプレートパッケージを形成する。各伝熱板は、プレートパッケージを貫通して延びるポートを形成する４つのポートホールを有する。伝熱板は、プレートパッケージの一方の側の最外伝熱板と、プレートパッケージの反対の側の最外伝熱板とを有する。プレートパッケージ内の２つのプレート空間は、外側をそれぞれの最外伝熱板によって囲まれたそれぞれの最外プレート空間をプレートパッケージのそれぞれの側に形成する。補強板は、最外伝熱板の外側で最外伝熱板の横に設けられる。
米国特許第４９８７９５５号

本発明の目的は、上述の欠点を解消し、強度の高いプレート熱交換器を提供することである。さらに、本発明の目的は、低コストで製造することのできるプレート熱交換器である。特に、本発明の目的は、強度の高い永久的に接合されたプレート熱交換器である。

この目的は、冒頭に定義されたプレート熱交換器によって実現されるが、補強板が伸張面と平行に延びるメインゾーンを有し、そのメインゾーンは、２つのポートの近くに設けられ、かつ、プレートパッケージから外向きに延びる少なくとも１つのくぼみを有する補強パターンを有し、くぼみは伸張面に沿って細長く伸び、かつ、伸張面に対して垂直方向に見える、ことを特徴とする。補強パターンを有する１枚のそのような補強板は、完全に平面状の板より薄くすることができ、同時にプレートパッケージに作用する力に抵抗することができる。特に、このような補強パターンは、任意の媒体の圧力が高いために伝熱板を外側に変形する傾向がある力に反作用することができる。有利なことに、くぼみは、伝熱板を外側に変形させる傾向のあるこの力に垂直な平面内を延びる。くぼみは、補強板の圧縮成形に関連して得ることができる。くぼみは、幅より長さの方が大きく、伝熱板を外側に変形させる傾向があるこの力に垂直な平面内でかなりの長さとすることができる。

本発明の一実施態様によれば、プレート熱交換器は互いに永久的に接合される。各プレートは、ろう付けおよび／または溶接のような金属材料の溶融によって互いに永久的に接合されることが好ましい。各プレートを互いに接着することもできることに留意されたい。本発明を、ガスケットを備え、締め付けボルトのような適切な締め付け部材によって伝熱板同士が互いに圧縮されるプレート熱交換器に適用することもできることに留意されたい。

本発明の他の実施態様によれば、補強パターンは、補強板が最外伝熱板に対して定められた位置に配置させられるように、補強板の横に設けられた最外伝熱板のプレスパターンと協働するように構成される。このように、プレート熱交換器をろう付けする前に、補強板を、たとえば溶接によって最外伝熱板に取り付ける必要がないため、プレート熱交換器の製造が容易になる。定められた位置のために、補強板を最外伝熱板およびプレートパッケージに対して所望の位置にロックすることができる。

本発明の他の実施態様によれば、くぼみはほぼ直線状の延長部を有する。この直線状延長部は、上記したように、伝熱板を変形させる傾向のある力に垂直な平面に平行に延びる。この平面は、伸張面に垂直であるかまたはほぼ垂直である。

本発明の他の実施態様によれば、くぼみは２つのポートの間を延びる。特にポート同士の間には、プレートパッケージから外方に伸張面に対して法線方向に作用する力が出現する。この領域内のくぼみは、このような力に効率的に反作用することができる。

本発明の他の実施態様によれば、補強パターンは、伝熱板から外方に延在するいくつかのくぼみを有する。有利なことに、少なくとも１つのくぼみはほぼ直線状の延長部を有する。すべてのまたはいくつかのくぼみは有利なことに、ほぼ直線状であり、互いにほぼ平行に延びる。さらに、少なくとも１つのくぼみは、２つのポートの間を延びてよい。

本発明の他の実施態様によれば、メインゾーンはほぼ平面状の延長部であり、補強プレートは平面状延長部から外方に延びる。

本発明の他の実施態様によれば、メインゾーンは、補強板の面積の少なくとも大部分を形成する面積を有する。補強板の面積は、伝熱板の面積よりいくらか小さくてよい。

本発明の他の実施態様によれば、補強板は、２つのポートのそれぞれのポートに対して同心の少なくとも２つのポートホールを有する。したがって、補強板のポートホールは、プレート熱交換器のポートの一部を形成してよい。これらのポートの入口および／または出口を、プレートパッケージの、補強板から離れる方向を向いた側に配置できるため、補強板が連続的なものであってよく、すなわち、ポートホールを有さなくてもよいことにも留意されたい。

本発明の他の実施態様によれば、補強板は、それぞれのポート対の近くに設けられ、それぞれ伝熱板から外方に延びる少なくとも１つのくぼみを有する、２つの補強パターンを有する。この場合、補強板は、プレートパッケージのポートのそれぞれのポートに対して同心の少なくとも４つのポートホールを有することができる。

本発明の他の実施態様によれば、各伝熱板は、伝熱ゾーンと、伝熱ゾーンの周りを延びる外縁部ゾーンとを有し、補強板は、外縁部ゾーン内に収まるようなサイズを有する。外縁部ゾーンは、伸張面から外方に延びる周囲フランジを有してよい。したがって、この実施態様によれば、補強板の面積は、伝熱板の面積より小さく、その場合、補強板は有利なことに、伝熱板によって構成されるフランジを有さないという点でほぼ平面状であってよい。しかし、補強板が基本的に伝熱板と同じ面積を有し、伝熱板と同様に周囲フランジを備えてよいことに留意されたい。

本発明の他の実施態様によれば、プレートは、第２の最外伝熱板の外側に設けられた他の補強板を含み、この補強板は、伸張面と平行に延び、かつ、補強パターンを有するメインゾーンを有し、補強パターンはポートのうちの２つの近くに設けられ、伝熱板から外方に延びる少なくとも１つのくぼみを有する。したがって、プレートパッケージは、ポートの周りのゾーンを補強する補強板を両側に有してよい。この、他の補強板は基本的に、上述の補強板と同じ構成を有してよい。

次に、本発明について、様々な実施形態を説明することによって、添付の図面を参照して詳しく説明する。

図１〜４は、本発明によるプレート熱交換器の第１の実施形態を開示している。プレート熱交換器は、それぞれ主伸張面ｐとほぼ平行に延びる複数のプレートを有する。プレートは、第１の実施形態では、複数の伝熱板１と少なくとも１枚の補強板２とを含む。第１の実施形態では、プレート熱交換器は４枚の補強板２を有している。さらに、プレートは、それら伝熱板１の各側に設けられたフレームプレート３および圧力板４を含む。伝熱板１は、第１の媒体用の第１のプレート空間５と、第２の媒体用の第２の空間６とを有するプレートパッケージを形成している。プレート空間５、６は、１つおきに第１のプレート空間５が配置され、残りのプレート空間が第２のプレート空間６になるように交互に設けられている（図４参照）。

各伝熱板１（図５参照）は４つのポートホール７を有し、ポートホール７はプレートパッケージを貫通して延び、それぞれ第１のプレート空間５および第２のプレート空間６に対する２つの媒体用の入口および出口を形成するポート８を形成している。入口および出口は、概略的に示された入口および出口管９に連結されている。各伝熱板１は、伝熱ゾーン１０と、内側伝熱ゾーン１０の周りを延びる外縁部ゾーン１１とを有している。外縁部ゾーン１１は、伸張面ｐから外方に延びる周囲フランジを有するか、または形成している。さらに、フレームプレート３および圧力板４は、伸張面ｐから外方に延びるフランジを有するか、または形成するそのような外縁部ゾーン１１を有している。第１の実施形態では、各補強板２は、外縁部ゾーン１１内に収まるようなサイズを有している。

さらに、各伝熱板１は、伝熱ゾーン１０上の山および谷の少なくとも１つの波形の形をしたプレスパターン１３（図５参照）を基本的に公知のように有している。図５に開示されたプレスパターン１３は、概略的なものであり、このようなパターンの一例に過ぎない。伝熱板１が様々な構成のプレスパターンを有してよいことに留意されたい。

伝熱板１は、プレートパッケージの一方の側に最外伝熱板１’を有し、プレートパッケージの反対の側に最外伝熱板１”を有している。さらに、伝熱板１、１’、１”はプレートパッケージのそれぞれの側に最外プレート空間（図４の参照番号６）を形成している。２つの最外プレート空間は、それぞれ最外伝熱板１’および最外伝熱板１”によって外側を囲まれている。それぞれ最外伝熱板１’および１”の外側に補強板２が設けられている。

第１の実施形態では、フレームプレート３は最外伝熱板１’のすぐ外側に設けられ、圧力板４は最外伝熱板１”のすぐ外側に設けられている。フレームプレート３および圧力板３は、第１の実施形態では熱的機能を有さず、すなわち、媒体が最外伝熱板１’とフレームプレート３との間、または最外伝熱板１”と圧力板４との間を運ばれることはない。したがって、フレームプレート３および圧力板４はほぼ平面状であってよく、すなわち、伝熱板１上に設けられるプレスパターン１３はなくてもよい。

すべてのプレート、すなわち、補強板２、フレームプレート３、伝熱板１、１’、１”、および圧縮板４は、好ましくはろう付け、溶接、ろう付けと溶接の組み合わせのような金属材料の溶融によって、互いに永久的に連結される。さらに、入口および出口管９をプレート、より厳密には補強板２にろう付けすることもできる。各プレートは、接着によって互いに永久的に連結することもできる。各プレートを解除可能な継手によって互いに連結することもでき、それでは、各プレートを締め付けボルトによって互いに圧縮することができることに留意されたい。

第１の実施形態では、補強板２は、それぞれフレームプレート３のすぐ外側および圧力板４のすぐ外側に設けられている。各補強板２は、伸張面ｐと平行に延びるメインゾーン２０を有している。メインゾーン２０は補強パターン２１を有し、補強パターン２１はポート８のうちの２つのポートの近くに設けられ、プレートパッケージから外方に延びる少なくとも１つ、第１の実施形態では４つの細長いくぼみ２２を有しているが、くぼみ２２の断面形状を概略的に示す図４を参照されたい。実際には、断面形状はより平滑であってよく、たとえば半円形状に近いものにすることができる。補強パターン２１は、補強板２の圧縮成形に関連して得るのが有利である。補強板２は、フレームプレート３の横に設けられ、それぞれのポート８に対して同心の２つのポートホールを有している。圧力板４の横に設けられる補強板２は連続しており（図４参照）、すなわち、ポートホールを有さない。

くぼみは必ずしも細長くする必要はなく、伸張面ｐの法線方向から見て、ほぼ円形または方形を有してよいことに留意されたい。くぼみ２２は、伝熱板１、１’、１”を外側に変形させる傾向があるこの力に垂直な平面内に一定の延長部を有することが必須である。くぼみ２２は、第１の実施形態では、上述の法線方向から見たときに幅より長さの方がかなり大きい、細長く、ほぼ直線状の延長部を有している。さらに、細長いくぼみ２２は互いにほぼ平行に延びている。第１の実施形態では少なくとも３つの細長いくぼみ２２が２つのポート８間を延びている。１つまたはいくつかの細長いくぼみ２２が、開示された直線状形状とは異なる延長部を有してよいことに留意されたい。たとえば、１つまたはいくつかの細長いくぼみ２２は、２つまたは３つ以上の部分で滑らかに湾曲するかまたは傾斜していてよい。

動作時には、プレートパッケージ、特に外側の伝熱板１、１’、１”を外方に押す傾向がある圧力がプレート熱交換器の内部で生じる。細長いくぼみ２２は、内部の力が生じさせがちな外方への湾曲に対して垂直の、またはほぼ垂直の、あるいは比較的大きい角度で延在する平面に沿って延在するため、細長いくぼみ２２によってこのような外側への湾曲が防止または低減される。

補強パターン２１は、補強板２の最も近くに設けられたプレート、すなわち第１の実施形態ではフレームプレート３および圧力板４のプレスパターンの突起および／またはくぼみと協働するように構成することが有利である。このような協働のために、補強板２は、プレート熱交換器の製造に関連して最も近くに設けられたプレートに対して定められた位置に配置させることができる。このように、補強板を事前に、たとえばプレート熱交換器をろう付けする前に、最も近くに設けられたプレートに、たとえば点溶接によって取り付ける必要はなくなる。

図６〜８は、４枚の補強板２の代わりに２枚の補強板２を有する点で第１の実施形態とは異なる第２の実施形態を開示している。すべての実施形態において、ほぼ同じ機能を有する部材が同じ参照番号で指定されることに留意されたい。第２の実施形態の補強板２は、第１の実施形態のものより大きく、すべての４つのポート８を含むゾーンにわたって延びている。さらに、第２の実施形態では、入口および出口管９のうちの２つがプレート熱交換器の一方の側から延び、入口および出口管９のうちの２つがプレート熱交換器の他方の反対側から延びている。補強板２は、フレームプレート３の横に設けられ、それぞれのポート８に対して同心の４つのポートホールを有している。補強板２は、圧力板４（図８参照）の横に設けられ、連続しており、すなわちポートホールを有していない。

図９〜１１は、プレートパッケージの一方の側にフレームプレートも形成する補強板３２と、プレートパッケージの他方の反対側に圧力板も形成する補強板４２とを有するという点で第１および第２の実施形態と異なる第３の実施形態を開示している。第３の実施形態の補強板３２、４２は、第２の実施形態よりいくらか大きく、伸張面から外方に延びるフランジを形成するそれぞれの縁部ゾーン１１も有している。補強板３２は、それぞれのポートに対して同心の４つのポートホールを有し、一方、補強板４２（図１１参照）は連続しており、すなわちポートホールを有していない。さらに、各補強パターン２１の細長いくぼみ２２は、第３の実施形態では、いくらか傾斜した端部を有する他の構成を受け入れている。

本発明は、上述の実施形態に限定されず、特許請求の範囲内で変更し修正することができる。

本発明の第１の実施形態によるプレート熱交換器の側面図である。 図１のプレート熱交換器の正面図である。 図１のプレート熱交換器の正面図である。 図２の線ＩＶ−ＩＶに沿った断面図である。 図１のプレート熱交換器の伝熱板の正面図である。 本発明の第２の実施形態によるプレート熱交換器の側面図である。 図６のプレート熱交換器の正面図である。 図６のプレート熱交換器の正面図である。 本発明の第３の実施形態によるプレート熱交換器の側面図である。 図９のプレート熱交換器の正面図である。 図９のプレート熱交換器の正面図である。

Claims (17)

1. 各プレートが主伸張面（ｐ）と平行に延び、かつ、複数の伝熱板（１）および少なくとも１枚の補強板（２、３２、４２）を含む、複数のプレートを有するプレート熱交換器であって、
   前記伝熱板（１）が、互いに横に設けられ、第１の媒体用の第１のプレート空間（５）と第２の媒体用の第２のプレート空間（６）とを有するプレートパッケージを形成し、
   前記各伝熱板が、前記プレートパッケージを貫通して延びるポート（８）を形成する４つのポートホール（７）を有し、
   前記伝熱板（１）が、前記プレートパッケージの一方の側に最外伝熱板（１’）を有し、前記プレートパッケージの反対の側に最外伝熱板（１”）を有し、
   前記プレートパッケージ内の前記プレート空間（５、６）のうちの２つが、それぞれの前記最外伝熱板（１’、１”）によって外側を囲まれたそれぞれの最外プレート空間を前記プレートパッケージのそれぞれの側に形成し、
   前記補強板（２、３２、４２）が、前記最外伝熱板（１’、１”）のうちの１つの外側に設けられるプレート熱交換器において、
   前記補強板（２、３２、４２）は、前記伸張面（ｐ）と平行に延在し、かつ、補強パターン（２１）を有するメインゾーン（２０）を有し、前記補強パターン（２１）は、前記ポート（８）のうちの２つの近くに設けられ、かつ、前記プレートパッケージから外方に延在する少なくとも１つのくぼみ（２２）を有し、前記くぼみは、前記伸張面（ｐ）に沿って細長く伸び、かつ、前記伸張面（ｐ）に対して垂直方向に見えることを特徴とするプレート熱交換器。
2. 前記プレートは互いに永久的に接合されることを特徴とする、請求項１に記載のプレート熱交換器。
3. 前記プレートは、金属材料を溶融させることによって互いに永久的に接合されることを特徴とする、請求項２に記載のプレート熱交換器。
4. 前記補強パターン（２１）は、前記補強板（２）が前記最外伝熱板（１’、１”）に対して定められた位置に配置させられるように、前記補強板（２）の横に設けられた前記最外伝熱板（１’、１”）のプレスパターン（１３）と協働するように構成されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載のプレート熱交換器。
5. 前記くぼみ（２２）はほぼ直線状の延長部を有することを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載のプレート熱交換器。
6. 前記くぼみ（２２）は前記２つのポートの間を延びることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載のプレート熱交換器。
7. 前記補強パターン（２１）は、前記伝熱板（１）から外方に延びるいくつかのくぼみ（２２）を有することを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載のプレート熱交換器。
8. 少なくとも１つの前記くぼみ（２２）はほぼ直線状の延長部を有することを特徴とする、請求項７に記載のプレート熱交換器。
9. 少なくとも１つの前記くぼみ（２２）は、前記２つのポート（８）の間を延びることを特徴とする、請求項７および８のいずれか１項に記載のプレート熱交換器。
10. 前記メインゾーン（２０）はほぼ平面状の延在部であり、前記補強パターン（２１）は前記平面状延在部から外方に延びることを特徴とする、請求項１から９のいずれか１項に記載のプレート熱交換器。
11. 前記メインゾーン（１０）は、前記補強板（２）の面積のうちの少なくともより大きい部分を形成する面積を有することを特徴とする、請求項１から１０のいずれか１項に記載のプレート熱交換器。
12. 前記補強板（２、３２、４２）は、前記２つのポート（８）のそれぞれのポート（８）に対して同心の少なくとも２つのポートホールを有することを特徴とする、請求項１から１１のいずれか１項に記載のプレート熱交換器。
13. 前記補強板（２）は、それぞれのポート（８）対の近くに設けられ、それぞれ前記伝熱板（１）から外方に延在する少なくとも１つのくぼみ（１２）を有する、２つの補強パターン（１１）を有することを特徴とする、請求項１から１２のいずれか１項に記載のプレート熱交換器。
14. 前記補強板（２）は、前記プレートパッケージの前記ポート（８）のそれぞれのポート（８）に対して同心の少なくとも４つのポートホールを有することを特徴とする、請求項１３に記載のプレート熱交換器。
15. 各伝熱板（１）は、伝熱ゾーン（１０）と、前記伝熱ゾーン（１０）の周りを延びる外縁部ゾーン（１１）とを有し、前記補強板（２）は、前記外縁部ゾーン（１１）内に収まるようなサイズを有することを特徴とする、請求項１から１４のいずれか１項に記載のプレート熱交換器。
16. 前記外縁部ゾーン（１１）は、前記伸張面（ｐ）から外方に延びる周囲フランジを有することを特徴とする、請求項１５に記載のプレート熱交換器。
17. 前記プレートは、前記第２の最外伝熱板（１”）の外側に設けられたさらに別の補強板（２、４２）を含み、前記別の補強板（２、４２）は、前記伸張面（ｐ）と平行に延在し、かつ、補強パターン（２１）を有するメインゾーン（２０）を有し、前記補強パターン（２１）は、前記ポート（８）のうちの２つの近くに設けられ、かつ、前記伝熱板（１）から外方に延在する少なくとも１つのくぼみ（２２）を有することを特徴とする、請求項１から１６のいずれか１項に記載のプレート熱交換器。

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