JP2011517763A - プレート熱交換器 - Google Patents
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Abstract
プレート熱交換器は、金属シートで形成され、かつ第1のプレート隙間(4)および第2のプレート隙間(5)を有するプレートパッケージを形成するように互いに永久的に接合された複数の伝熱プレート(1)を有する。各伝熱プレートは、伝熱領域と複数のポートホール領域とを形成するパターンを有する。各伝熱プレートは、主延長面(p)に沿って延びている。各領域は、伝熱プレートの一方の側で、主延長面から離れた位置の一次レベル(p’)と主延長面から反対側に離れた位置の二次レベル(p”)との間を延びている。各伝熱プレートは、一次レベル(p’)と二次レベル(p”)との間の距離によって規定される深さ(d)を有する。この深さは1.0mm以下である。
Description
本発明は、請求項1の前提記載部分によるプレート熱交換器に関する。
多くの熱交換器の用途では、高い、あるいは非常に高い設計圧力を実現すること、すなわちプレート間隙を通って流れる媒体の一方または両方の圧力を高く、あるいは非常に高くすることができるようにすることが望ましい。たとえば、ろう付けによって永久的に接合された伝熱プレートを有する上記で定義された種類のプレート熱交換器において、このような高い圧力を実現できるようにすることも望ましい。このような高い設計圧力を、外部の補強部材を設けずに実現することは困難である。
このようなプレート熱交換器の脆弱な領域は、ポートホール領域、すなわち、ポートホールのすぐ周りの領域である。このような領域が、今日使用されているプレート熱交換器内の設計圧力を決定する。しかし、ポートホール領域のある構成が設計圧力を向上させるけれども、この構成がプレート熱交換器の他の領域の強度を向上させることはなく、それゆえに、単にこの問題を他へ移したに過ぎない。
非常に高い設計圧力を必要とする用途の一例は、冷却剤として二酸化炭素を有する冷却循環路内の蒸発器用および凝縮器用のプレート熱交換器である。二酸化炭素は、この場合、フレオンのような従来の冷却剤と比べて環境面で非常に有利である。
本発明の目的は、高い設計圧力を有するプレート熱交換器、より正確には、熱交換器内を流れる少なくとも1つの媒体の圧力を非常に高くすることのできるプレート熱交換器を提供することである。
この目的は、冒頭に規定されたプレート熱交換器であって、深さが1.0mm以下であることを特徴とするプレート熱交換器によって実現される。
伝熱プレートの深さがこのように浅いと、プレートおよびプレート熱交換器の強度が改善される。伝熱プレートの深さが浅いと、伝熱領域上の山や谷などの波形部材の間の距離を短くすることができる。波形部材間の距離がこのように短いと、プレートパッケージ内の互いに隣接する伝熱プレート間の接触領域または接合領域同士の間の距離も、相対的に短くなる。したがって、深さが浅いと、接合領域間の距離が短くなり、その結果、伝熱領域上でそのような接合領域の数が増える。
本発明の一実施態様によれば、この深さは0.9mm以下であり、より好ましくは0.85mm以下であり、さらに好ましくは0.80mm以下である。
本発明の別の実施態様によれば、各伝熱プレートは、成形の前に、0.2≦t≦0.4mmの範囲の金属シート厚さtを有する。有利なことに、金属シート厚さは約0.3mmである。
本発明のさらに別の実施態様によれば、ろう付け材料は、プレート熱交換器の伝熱領域に対するろう付け体積を有しており、第1の隙間および第2の隙間はプレート熱交換器の伝熱領域に対する隙間体積を有しており、隙間体積に対するろう付け体積の割合は少なくとも0.05である。このように、ろう付け材料の体積が比較的大きいため、伝熱プレート間の接合強度が向上し、これによりプレート熱交換器の強度が向上する。
本発明のさらに別の実施態様によれば、各伝熱プレートは長手方向の中心線を規定しており、伝熱領域は、伝熱プレートのうちの1つにおける山が、隣接する伝熱プレートの谷に当接して複数の接合領域を形成するように配置された山および谷を有する。有利なことに、山および谷は、中心線に対して傾斜角度αを形成する少なくとも1つの延長線に沿って延びており、傾斜角度αは20°≦α≦70°の範囲である。傾斜角度αは約45°であることが好ましい。このような傾斜角度では、最大数の接合領域が形成され、したがって、プレートパッケージおよびプレート熱交換器の強度が高くなる。
本発明のさらに別の実施態様によれば、各山および谷の延長線は、中心線の一方の側で正の傾斜角度αを形成し、中心線の他方の側で、対応する負の傾斜角度を形成し、山および谷は中心線の所で接合領域を形成する。中心線の所にこのような接合領域を設けると、この領域における強度が高くなる。
本発明のさらに別の実施態様によれば、山は、互いにある距離離して配置されており、かつ互いに平行に延びている。有利なことに、伝熱領域上の互いに隣接する山同士の間の距離は4mm未満である。互いに隣接する山同士の間の距離がこのように短いと、上述のように有利であり、伝熱領域の所に多数の接合領域が設けられる。有利なことに、この距離は約3mmであってよい。
本発明のさらに別の実施態様によれば、ポートホール領域は、第1のポートホール領域と、第2のポートホール領域と、第3のポートホール領域と、第4のポートホール領域とを有する。
本発明について、添付の図面を参照して様々な実施形態を説明することによって詳しく説明する。
図1および図2は、複数の伝熱プレート1と、最も外側の伝熱プレート1の近くに設けられた第1の端部プレート2と、反対側の最も外側の別の伝熱プレート1の近くに設けられた第2の端部プレート3と、を有するプレート熱交換器を示している。
伝熱プレート1は、金属シートを成形することによって作製され、互いに近くに設けられている。第1の端部プレート2、第2の端部プレート3および伝熱プレート1は、ろう付け材料によりろう付けされることによって、互いに永久的に接合され、プレートパッケージを構成している。図6に示すように、プレートパッケージは、第1の媒体用の第1のプレート隙間4と、第2の媒体用の第2のプレート隙間5と、を形成し、または有している。第1および第2の媒体は任意の適切な伝熱媒体であってよい。たとえば、第1および/または第2の媒体は、二酸化炭素であってよい。
開示されている実施形態のプレート熱交換器は、4つのポートホールS1、S2、S3、S4を有している。ポートホールS1は、連結管11に連結されており、第1のプレート隙間4と連通している。ポートホールS2は、連結管12に連結されており、第1のプレート隙間4と連通している。ポートホールS3は、連結管13に連結されており、第2のプレート隙間5と連通している。ポートホールS4は、連結管14に連結されており、第2のプレート隙間5と連通している。プレート熱交換器は、開示されたものと異なる数、たとえば2つ、3つ、5つ、6つ、7つまたは8つのポートホールを有していても良いことに留意されたい。開示されているように、連結管は、第1の端部プレート2、および/または第2の端部プレート3から延びている。
開示されている実施形態では、各伝熱プレート1は、図3のように、2つの長辺縁部15および2つの短辺縁部16を含む長方形状を有している。長手方向の中央軸xは、2つの長辺縁部15間を長辺縁部15に沿って平行に延び、かつ短辺縁部16を横切って延びている。各伝熱プレート1はまた、図6のように、主延長面pに沿って延びている。
図3および図4を見ると分かるように、各伝熱プレート1は、第1の媒体と第2の媒体との間の主要な伝熱が生じる伝熱領域20と、複数のポートホール領域21〜24とを有している。開示されている実施形態では、ポートホール領域21〜24は、第1のポートホール領域21と、第2のポートホール領域22と、第3のポートホール領域23と、第4のポートホール領域24とを有している。各ポートホール領域21〜24は、伝熱プレート1を通じてそれぞれのポートホールを囲んでいる。各ポートホールは、ポートホール縁部25によって規定されている。
すべての領域20〜24は、伝熱プレート1の一方の側では、主延長面pから離れた位置の一次レベルp’と主延長面pから反対側に離れた位置の二次レベルp”との間を延びている。図6を参照されたい。図6に示されているように、伝熱プレート1の一方の側に関して、一次レベルp’は伝熱プレート1の上部レベルを形成し、二次レベルp”は伝熱プレート1の下部レベルを形成している。したがって、一次レベルp’は、二次レベルp”と比べて、第1の端部プレート2のより近くに配置されている。各伝熱プレート1は、長辺縁部15および短辺縁部16に沿って、伝熱プレート1の周りを延びているフランジ26も有している。図6を見ると分かるように、フランジ26は、主延長面pから二次レベルp”よりもより遠くまで延びている。
各伝熱プレート1は、金属シート厚さtを有する金属シートを成形することによって作られる。金属シート厚さtは、変えられても良く、かつ伝熱プレート1の形成後にいくらか変化することがあることに留意されたい。金属シート厚さtは、成形前では、0.2≦t≦0.4mmの範囲である。有利なことに、金属シート厚さtは、成形前に0.3mmまたは約0.3mmであってよい。
各伝熱プレート1は、図6のように、深さdも有している。深さdは、一次レベルp’と二次レベルp”との間の距離によって定められる。深さdは、1.0mm以下、好ましくは0.90mm以下、より好ましくは0.85mm以下、最も好ましくは0.80mm以下であって良い。
図3、図6および図7を見ると分かるように、伝熱領域20は、1枚の伝熱プレート1の山27が隣接する伝熱プレート1の谷27’に当接して、図7に実線で示された伝熱プレート1と図7に点線で示された隣接する伝熱プレート1との間に複数の接合領域28を形成するように配置された山27および谷27’の波形を有している。山27は、互いに距離r離れた位置に配置され、互いに平行に、かつ谷27’に平行に延びている。
山27および谷27’は、図7のように、中心線xに対して傾斜角度αを形成する延長線eに沿って延びている。傾斜角度αは、20°≦α≦70°の範囲であってよい。有利なことに、傾斜角度αは、45°または約45°であってよい。開示されている実施形態では、各々の山27および谷27’の延長線eは、中心線xの一方の側で正の傾斜角度αを形成し、中心線xの他方の側で対応する負の傾斜角度αを形成する。図7を見ると分かるように、山27および谷27’はまた、中心線xの所に接合領域29を形成する。さらに、互いに隣接する伝熱プレート1のフランジ26間に、接合領域30が形成されている。図7のように、互いに隣接する山27同士の間、または隣接する山27のそれぞれの中心延長線e間の距離rは、4mm未満であってよく、あるいは約3mmまたは3mmであってよい。
上述のように、プレート熱交換器は、ろう付け工程の前に、伝熱プレート1間に導入されるろう付け材料によってろう付けされる。ろう付け材料は、プレート熱交換器の伝熱領域20に関してろう付け体積を有する。プレート熱交換器の第1の隙間4および第2の隙間5は、プレート熱交換器の伝熱領域20に関して隙間体積を有する。プレート熱交換器が高い強度を有するように、互いに隣接する伝熱プレート1間に上述の接合領域28、29を形成する十分に多い量のろう付け材料を与えると有利である。したがって、隙間体積に対するろう付け体積の割合は、少なくとも0.05、少なくとも0.06、少なくとも0.08または少なくとも0.1であってよい。
各ポートホール領域21〜24は、環状の平坦な領域31と、環状の平坦な領域31上に配置されてポートホール縁部25に沿って分布した1組の内側部分32と、を有している。内側部分32は、主延長面pに対して垂直方向に、環状の平坦な領域31からずれている。各ポートホール領域21〜24は、内側部分32から離れた位置に、環状の平坦な領域31上に配置されかつ領域31に沿って分布した1組の外側部分33も有している。ポートホール縁部25に隣接する内側部分32は、外側部分33と同じレベルまで延びるかあるいは同じレベルに配置されている。一方、環状の平坦な領域31は、内側部分32および外側部分33とは異なるレベルに配置されている。より具体的には、第1のポートホール領域21および第2のポートホール領域22の内側部分32および外側部分33は、二次レベルp”まで延びるか、あるいは二次レベルp”に配置されている。一方、第1のポートホール領域21および第2のポートホール領域22の環状の平坦な領域31は一次レベルp’に配置されている。さらに、第3のポートホール領域23および第4のポートホール領域24の内側部分32および外側部分33は、一次レベルp’まで延びるか、あるいは一次レベルp’に配置されている。一方、第3のポートホール領域23および第4のポートホール領域24の環状の平坦な領域31は二次レベルp”に配置されている。各内側部分32はそれぞれのレベルp’、p”に平坦な延長部を有し、各外側部分33はそれぞれのレベルp’、p”に平坦な延長部を有している。このことは、第1および第2のポートホール領域21、22の内側部分32および外側部分33の平坦な延長部が二次レベルp”に位置し、一方で、第3のポートホール領域23および第4のポートホール領域24の内側部分32および外側部分33の平坦な延長部が一次レベルp’に位置していることを意味する。
このプレートパッケージでは、伝熱プレート1は、1枚おきに主延長面p内で180°回転させられている。このことは、一方の伝熱プレート1の内側部分32が隣接する伝熱プレート1のそれぞれの内側部分32に隣接しかつ接合されていることを意味する。同様に、一方の伝熱プレート1の外側部分33は、隣接する伝熱プレート1のそれぞれの外側部分33に隣接しかつ接合されている。より具体的には、ある伝熱プレート1の第1のポートホール領域21の内側部分32および外側部分33は、プレートパッケージ内の隣接する伝熱プレート1の第3のポートホール領域23のそれぞれの内側部分32および外側部分33に接合されている。同様に、ある伝熱プレート1の第2のポートホール領域22の内側部分32および外側部分33は、開示されている実施形態のプレートパッケージ内の隣接する伝熱プレート1の第4のポートホール領域24のそれぞれの内側部分32および外側部分33に接合されている。
図5を見ると分かるように、各内側部分32は、ポートホール縁部25まで延びてポートホール縁部25に隣接する内部41を有している。さらに、各内側部分32は、内部41に隣接して、かつ少なくとも180°の角度の延長部を有する外側セグメント42を有している。外側セグメント42は環状の平坦な部分31に隣接している。外側セグメント42は、連続的な輪郭と半径Rとを有している。半径Rは、実質的に一定であり、0.8R≦R≦1.2Rの範囲内、より具体的には0.9R≦R≦1.1Rの範囲内、さらに具体的には0.95R≦R≦1.05Rの範囲内であってよい。
さらに、各外側部分33は、環状の平坦な領域31に隣接して少なくとも90°、少なくとも120°、または少なくとも150°の角度の延長部を有する内側セグメント45を有している。内側セグメント45も、好ましくは、連続的な輪郭を有し、一定もしくは実質的に一定で、かつ0.8R≦R≦1.2Rの範囲、より具体的には0.9R≦R≦1.1Rの範囲、さらに具体的には0.95R≦R≦1.05Rの範囲内の半径R’を有してよい。
図4を見ると分かるように、各ポートホール領域21〜24の内側部分32と外側部分33はどちらも、それぞれのポートホールの周りに一様に分布している。具体的には、内側部分32は、互いに隣接する内側部分32間に、等しい内側の角距離を有している。外側部分33は、互いに隣接する内側部分33間に、等しい外側の角距離を有している。さらに、第1のポートホール領域21および第3のポートホール領域23の外側部分33は、この2つのポートホール領域21および23の内側部分32に対して、第1の相対的な周方向位置を有している。第2のポートホール領域22および第4のポートホール領域24の外側部分33は、この2つのポートホール領域22および24の内側部分32に対して、第2の相対的な周方向位置を有している。図4を見ると分かるように、第1の相対的な周方向位置は、第2の相対的な周方向位置に対して、周方向にずれており、すなわち周方向変位部を含んでいる。周方向変位部は、開示されている実施形態では、互いに隣接する外側部分33間の等しい外側の角距離の2分の1または約2分の1に等しい。
開示されている実施形態では、各ポートホール領域21〜24は、9個の内側部分32と、18個の外側部分33とを有している。これは内側部分32および外側部分33の適切な数である。開示されている実施形態では、内側の角距離は外側の角距離の約2倍である。しかし、内側部分32の数および外側部分33の数は開示された数と異なっていても良いことに留意されたい。
図8および図9のように、4本の連結管11〜14の各々は、それぞれのポートホール領域21〜24の1つに接合されており、平坦な部材50を有している。各々の平坦な部材50は、それぞれの連結管11〜14に取り付けられるか、あるいは連結管11〜14と一体的になっている、プレートパッケージに接合された取り付けフランジを形成している。すべての平坦な部材50は、端部プレート2、3の一方と、最も外側の伝熱プレート1の1つとの間に設けられている。具体的には、開示されている実施形態では、各々の平坦な部材50は、最も外側の伝熱プレート1の一方と第1の端部プレート2との間に設けられている。平坦な部材50は、最も外側の伝熱プレート1および第1の端部プレート2にろう付けされている。図1、図8および図9を見ると分かるように、第1の端部プレート2の各ポートホールの周りの領域は、隆起部2aで隆起しており、それぞれの平坦な部材50のための空間を形成している。第1および第2のポートホールS1およびS2に関して、平坦な部材50は、それぞれ第1のポートホール領域21および第2のポートホール領域22の所で最も外側の伝熱プレート1の環状の平坦な領域31に当接しかつ接合された、平坦あるいは実質的に平坦な底面51を有している。したがって、図8のように、環状の平坦な領域31は一次レベルp’に位置している。
第3および第4のポートホールS3、S4に関しては、各々の平坦な部材50は、平坦な底面51から突き出てプレートパッケージの方へ向けられた環状の突起52を有している。環状の突起52は、それぞれ第3のポートホール領域23および第4のポートホール路領域24の所で、最も外側の伝熱プレート1の環状の平坦な領域31にぴったりと当接している。したがって、図9のように、環状の平坦な領域31は二次レベルp”に位置している。したがって、すべてのポートホールS1〜S4に対して、平坦な部材50がしっかりと、かつぴったりと当接している。
第2の端部プレート3と他方の最も外側の伝熱プレート1との間に、補強座金53を形成する平坦な部材53が設けられている。平坦な部材53は、連結管11〜14の一部を形成することはなく、それぞれのポートホールを覆っている。ポートホールS1、S2に対する平坦な部材53は、平坦な部材50と同様に、他方の最も外側の伝熱プレート1の環状の平坦な領域31にぴったりと当接しかつ接合された、平坦あるいは実質的に平坦な底面51を有している。ポートホールS3およびS4に対する平坦な部材53は、他方の最も外側の伝熱プレート1の環状の平坦な領域にぴったりと当接しかつ接合された環状の突起52を含む平坦な底面51を有している。さらに、第2の端部プレート3は、各ポートホールの周りに隆起部3aを有している。
第2の端部プレート3における代替部材または補助部材として入口および/または出口が設けられる場合、1つまたは複数の平坦な部材53は、平坦な部材50を有するそれぞれの連結管で置き換えられても良いことに留意されたい。
図10および図11は、連結管11〜15が雄ねじ55を有しており、かつ平坦な部材50が連結管11〜15にろう付けされるということのみが、図8および図9に開示されている実施形態とは異なる他の実施形態を開示している。このように、平坦な部材50は、最も外側の伝熱プレート1と第1の端部プレート2との間に配置されても良い。連結管11〜15は、その後、プレート熱交換器のろう付けに関連して、平坦な部材50にろう付けすべきそれぞれのポートホール内に導入される。
本発明は、開示された実施形態に限定されず、以下の特許請求の範囲内で変形し修正することができる。
Claims (15)
- 金属シートの成形によって作られると共に互いに近くに設けられ、第1のプレート隙間(4)および第2のプレート隙間(5)を有するプレートパッケージを形成するようにろう付け材料によって互いに永久的に接合された複数の伝熱プレート(1)を有し、
各々の前記伝熱プレート(1)が、伝熱領域(20)と、ポートホール縁部(25)によって規定されるそれぞれのポートホールを囲む複数のポートホール領域(21〜24)と、を形成するパターンを有し、
各々の前記伝熱プレート(1)が主延長面(p)に沿って延びており、
前記領域(20〜24)が、前記伝熱プレート(1)の一方の側で、前記主延長面(p)から離れた位置の一次レベル(p’)と前記主延長面(p)から反対側に離れた位置の二次レベル(p”)との間を延びており、
各々の前記伝熱プレート(1)が、前記一次レベル(p’)と前記二次レベル(p”)との間の距離によって規定される深さ(d)を有する、プレート熱交換器において、
前記深さ(d)が1.0mm以下であることを特徴とする、プレート熱交換器。 - 前記深さ(d)が0.90mm以下である、請求項1に記載のプレート熱交換器。
- 前記深さ(d)が0.85mm以下である、請求項1に記載のプレート熱交換器。
- 前記深さ(d)が0.80mm以下である、請求項1に記載のプレート熱交換器。
- 各々の前記伝熱プレート(1)は、成形の前に、0.2≦t≦0.4mmの範囲の金属シート厚さtを有する、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。
- 前記金属シート厚さtは約0.3mmである、請求項5に記載のプレート熱交換器。
- 前記ろう付け材料は前記プレート熱交換器の前記伝熱領域(20)に対するろう付け体積を有しており、前記第1の隙間(4)および前記第2の隙間(5)は前記プレート熱交換器の前記伝熱領域(20)に対する隙間体積を有しており、前記隙間体積に対する前記ろう付け体積の割合は少なくとも0.05である、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。
- 各々の前記伝熱プレート(1)は長手方向の中心線(x)を規定しており、前記伝熱領域(20)は、前記伝熱プレート(1)のうちの1つにおける山(27)が、隣接する伝熱プレート(1)の谷(27’)に当接して複数の接合領域(28)を形成するように配置された山(27)および谷(27’)を有する、請求項1から7のいずれか1項に記載のプレート熱交換器。
- 前記山(27)および前記谷(27’)は、前記中心線に対して傾斜角度αを形成する少なくとも1つの延長線(e)に沿って延びており、前記傾斜角度αは20°≦α≦70°の範囲である、請求項8に記載のプレート熱交換器。
- 前記傾斜角度αは約45°である、請求項9に記載のプレート熱交換器。
- 各々の前記山(27)および前記谷(27’)の前記延長線(e)は、前記中心線(x)の一方の側で正の傾斜角度αを形成し、前記中心線(x)の他方の側で、対応する負の傾斜角度αを形成し、前記山(27)および前記谷(27’)は前記中心線(x)の所で接合領域(29)を形成している、請求項9または10に記載のプレート熱交換器。
- 前記山(27)は、互いに距離(r)だけ離して配置されており、かつ互いに平行に延びている、請求項8から11のいずれか1項に記載のプレート熱交換器。
- 前記伝熱領域(20)上で互いに隣接する前記山(27)同士の間の前記距離(r)は4mm未満である、請求項12に記載のプレート熱交換器。
- 前記伝熱領域(20)上で互いに隣接する前記山(27)同士の間の前記距離(r)は約3mmである、請求項13に記載のプレート熱交換器。
- 前記ポートホール領域(21〜24)は、第1のポートホール領域(21)と、第2のポートホール領域(22)と、第3のポートホール領域(23)と、第4のポートホール領域(24)とを有する、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。
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