JP2012127597A

JP2012127597A - プレート式熱交換器

Info

Publication number: JP2012127597A
Application number: JP2010280725A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Yokoi; 政博横井; Kazuaki Isono; 一明磯野; Kunihiro Morishita; 国博森下; Keisuke Tanaka; 啓祐田中
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-12-16
Filing date: 2010-12-16
Publication date: 2012-07-05
Anticipated expiration: 2030-12-16
Also published as: JP5545198B2

Abstract

【課題】２種類の流体の混合を確実に回避する漏洩流体排出機能を確保しつつ、低コスト化、小型化が可能なプレート式熱交換器を提供することを目的とする。
【解決手段】４個の配管口が開口され、平面部には複数の凸部が形成されている第１の伝熱プレートおよび第３の伝熱プレートと、４個の配管口が開口され、平面部には溝状の凹部が形成されている第２の伝熱プレートおよび第４の伝熱プレートとを備えているプレート式熱交換器。第１から第４の伝熱プレートがこの順番で複数段にわたり接合されてなる積層体には、積積層方向に貫通する排出口が設けられており、第１の伝熱プレートの凸部と第２の伝熱プレートの凹部が形成する第１の隙間と、第３の伝熱プレートの凸部と第４の伝熱プレートの凹部が形成する第２の隙間は、排出口と連絡している。
【選択図】図３

Description

この発明は、プレート式熱交換器に関し、特に２種類の流体流路が伝熱プレートを境として交互に形成されているプレート式熱交換器に関する。

複数枚の伝熱プレートから構成されるプレート式熱交換器は、給湯機や湯沸し器等の種々の機器に採用されている。プレート式熱交換器には、隣接する伝熱プレートの間に、向きの異なる流路が交互に形成されている。それぞれの流路には熱交換させるべき２種類の流体が流通する。

特許文献１は３層プレートユニットから構成されるプレート式熱交換器を開示している。この３層プレートユニットは、部分的な接合防止層を介して１枚のプレート状に接合一体化された同一形状の３枚の伝熱プレートから構成されている。

このプレート式熱交換器では、プレート間に部分的に接合防止層を形成することで、各プレートは全面的に気液密に接合されることが無い。各プレート間には確実に漏洩流体の通路が形成されているので、伝熱プレート外への漏洩流体排出機能が確保されている。漏洩流体排出機能により、隣接する２種類の流体の流路を仕切る伝熱プレートに割れ等の欠陥が生じて流体が漏洩しても、漏洩流体は確実に伝熱プレートの外に排出されて、２種類の流体の混合が確実に回避される。

漏洩流体排出機能は３枚の伝熱プレートを１枚のプレート状に接合一体化した３層プレートユニットが確保している。３層プレートユニットの構成で熱交換器を成立させるには膨大なプレート枚数が必要である。この方式はコストが高くなるため、熱交換器の小型化には向かない。

伝熱プレートには複数の凹凸形状が形成されている。同一形状の３枚の伝熱プレートを１枚のプレート状に接合一体化する際、複数の凹凸形状をもった伝熱プレートは形状的な要因により均一に密着することが難しい。複数の凹凸形状をもった同一形状の伝熱プレートを重ね合わせると、複数の凹凸形状を形成する斜面部がまず密着する。その状態では複数の凹凸形状の頂点は隙間が空いた状態になる。３枚の伝熱プレートが均一に密着できないと２種類の流体の熱交換が不充分になるため、熱交換器として必要な伝熱性能が確保されない。

３枚の伝熱プレートを均一に密着させるために、同一形状の伝熱プレートを重ね合わせるのでは無く、重ね合わせることで全面が均一に密着する様に別々形状に形成された３枚の伝熱プレートを接合一体化することが考えられる。この方式では、３枚の伝熱プレートを別々の金型にて加工する必要が生じる。金型製作時またはプレート加工時の寸法にばらつきがあると、複数の凹凸形状の斜面部及び頂点を全面均一に密着させることは非常に困難である。

特開２００１−９９５８７号公報

本発明は上記の如き課題に鑑みてなされたもので、伝熱プレートの基本構成を改良し、２種類の流体の混合を確実に回避する漏洩流体排出機能を確保しつつ、低コスト化、小型化が可能なプレート式熱交換器を提供することを目的とする。

本願に関わるプレート式熱交換器は、４個の配管口が開口され、平面部には複数の凸部が形成されている第１の伝熱プレートと、第１の伝熱プレートに対向し、４個の配管口が開口され、平面部には溝状の凹部が形成されている第２の伝熱プレートと、第２の伝熱プレートに対向し、４個の配管口が開口され、平面部には複数の凸部が形成されている第３の伝熱プレートと、第３の伝熱プレートに対向し、４個の配管口が開口され、平面部には溝状の凹部が形成されている第４の伝熱プレートとを備えている。第１の伝熱プレートと第２の伝熱プレートと第３の伝熱プレートと第４の伝熱プレートがこの順番で複数段にわたり接合されてなる積層体には、積積層方向に貫通する排出口が設けられており、第１の伝熱プレートの凸部と第２の伝熱プレートの凹部が形成する第１の隙間と、第３の伝熱プレートの凸部と第４の伝熱プレートの凹部が形成する第２の隙間は、排出口と連絡している。

本発明による２層プレートユニット構成によれば、２種類の流体の混合を確実に回避する漏洩流体排出機能を確保しつつ、熱交換器の低コスト化、小型化に対して効果を奏する。

プレート式熱交換器の全体構成を示す斜視図である。プレート式熱交換器の一部を拡大表示した斜視図である。プレート式熱交換器に形成された流路を説明するための分解斜視図である。４種類の伝熱プレートの構成を表す斜視図である。第１のプレートユニットの構成を示す拡大斜視図である。第２のプレートユニットの構成を示す拡大斜視図である。プレートユニットの断面を表す斜視図である。積層体の断面を示す分解斜視図である。配管部の構造を示す断面図である。配管部の構造を示す別の断面図である。排出口の構造を示す斜視図である。

本発明に関わるプレート式熱交換器の実施の形態を図に基づいて説明する。図１に本実施の形態に関わるプレート式熱交換器の全体斜視図を示す。プレート式熱交換器１０は積層体２０と、流入口配管１１０、１１２と流出口配管１１１、１１３とから構成されている。積層体２０は複数枚の伝熱プレートを接合したものである。積層体２０には上端から下端まで積層方向に貫通する排出口３０が２箇所設けられている。流入口配管１１０は積層体２０の四隅の一角である配管部３１に接続されている。同様に、流出口配管１１１は配管部３２に、流入口配管１１２は配管部３３に、流出口配管１１３は配管部３４に、それぞれ接続されている。

図２にプレート式熱交換器の部分拡大図を示す。積層体２０は複数枚の積層された伝熱プレートから構成されている。この図の例では、ＳＵＳプレートからなる伝熱プレートが２８枚にわたって積層されている。伝熱プレートの平面部１３０には多数のボス状の凸部１１５と直線状の凸部１１６が全面をカバーするように整列して形成されている。凸部１１５は伝熱プレートの全面に縦横に形成され、直線状の凸部１１６は伝熱プレートの長手方向に一文字に形成されている。排出口３０は凸部１１６と連絡している。２種類の流体の流路を仕切る伝熱プレートに割れ等の欠陥が生じて流体が漏洩した場合、漏洩液体は排出口３０から流出する。

図３にプレート式熱交換器の分解斜視図を示す。流体１０８は流入口配管１１０から流入し、流出口配管１１１から流出する。流体１０９は流入口配管１１２から流入し、流出口配管１１３から流出する。例えば、流体１０８には液化二酸化炭素が用いられ、流体１０９には水が用いられる。積層体２０は、交互に複数段にわたって積層された第１のプレートユニット１０６と第２のプレートユニット１０７から構成されている。第１のプレートユニット１０６と第２のプレートユニット１０７の数は等しく、シート状の銅箔をろう材に用いて一体化されている。

第１のプレートユニット１０６は、シート状の銅箔をろう材に用いて、伝熱プレート１０２と伝熱プレート１０３を１枚のプレート状に接合一体化したものである。伝熱プレート１０２と伝熱プレート１０３の間には通常流体が流れない。同様に、第２のプレートユニット１０７は、シート状の銅箔をろう材に用いて、伝熱プレート１０４と伝熱プレート１０５を１枚のプレート状に接合一体化したものである。伝熱プレート１０４と伝熱プレート１０５の間には通常流体は流れない。

第１のプレートユニット１０６と第２のプレートユニット１０７の間には多数の凸部１１５が存在するため流路が形成されている。この図の例では、上段が第１のプレートユニット１０６の場合、流体１０８が左側から右側に向かって流れる。上段が第２のプレートユニット１０７の場合、流体１０９が右側から左側に向かって流れる。第１のプレートユニット１０６と第２のプレートユニット１０７を境として２種類の流体１０８と流体１０９が流通するので、流体１０８と流体１０９の間で熱交換が行なわれる。

積層体２０の一番下の伝熱プレートには、空いている４隅の穴を塞ぐために小さな板が４箇所に付いている。なお、プレート式熱交換器１０では、流入口配管１１０と流出口配管１１１が積層体２０の上側（表層）に取り付けられ、流入口配管１１２と流出口配管１１３は積層体２０の下側に取り付けられることもある。

図４は伝熱プレートと銅箔の関係を説明するための分解斜視図である。４種類の伝熱プレート１０２〜１０５はこの順番に従って、順次複数段にわたって積層される。伝熱プレート１０２と伝熱プレート１０４は配管部３１〜３４の構造が異なるが、基本は同じ形状である。伝熱プレート１０３と伝熱プレート１０５は配管部３１〜３４の構造が異なるが、基本は同じ形状である。伝熱プレート１０２〜１０５はＳＵＳプレートをプレス加工等で成型して得られる。配管部３１〜３４には配管口が開口されている。

伝熱プレート１０２〜１０５の配管部３１〜３４では、配管部周辺に形成される凹凸形状が異なっており、２種類の流体１０８と流体１０９を混合させない様な構造となっている（図９、１０参照）。プレート式熱交換器は、伝熱プレート１０２〜１０５と銅箔４０と流入口配管１１０、１１２と流出口配管１１１、１１３を全て組み立ててから製品状態で一度に接合する。接合一体化する際、銅箔４０は溶融する。伝熱プレートが２８枚の場合、銅箔４０は２７枚必要である。図の例では銅箔４０には、配管部３１〜３４に対応する孔が設けられているが、必ずしも必要ではない。

第１のプレートユニット１０６の詳細構造を図５に基づいて説明する。伝熱プレート１０２の平面部１１４には、ボス状の凸部１１５と直線状の凸部１１６がプレス加工等で形成されている。伝熱プレート１０３の平面部１１６には、横（幅）方向に向かう多数の凹部（溝）１１７がプレス加工等で形成されている。凹部１１７のピッチは凸部１１５のピッチと同じであるため、プレート１０２とプレート１０３を重ねると、凹部１１７の上に凸部１１５が重なる。排水口３０は、伝熱プレート１０２と伝熱プレート１０３のそれぞれに設けられている。

第２のプレートユニット１０７の詳細構造を図６に基づいて説明する。伝熱プレート１０４の平面部１１４には、ボス状の凸部１１５と直線状の凸部１１６がプレス加工等で形成されている。伝熱プレート１０５の平面部１１６には、横（幅）方向に向かう多数の凹部（溝）１１７がプレス加工等で形成されている。凹部１１７のピッチは凸部１１５のピッチと同じであるため、伝熱プレート１０４と伝熱プレート１０５を重ねると、凹部１１７の上に凸部１１５が重なる。排水口３０は、伝熱プレート１０４と伝熱プレート１０５のそれぞれに設けられている。

第１のプレートユニット１０６の機能を図７に基づいて説明する。伝熱プレート１０２と伝熱プレート１０３は、銅箔を用いて、１枚のプレート状に接合一体化される際に、各々の平面部１１４と平面部１１６が接合面となり、密着される。伝熱プレートに形成されている複数の凸部１１５及び凹部１１７は、１枚のプレート状に接合一体化される際に、各々反対側に突出しており、プレートユニット１０６内で複数の隙間１１８を形成する。同様にプレートユニット１０７内でも複数の隙間１１８が形成される。隙間１１８は漏洩流体を集約する流路として機能する。

平面部１１４と平面部１１６は流体１０８と流体１０９を熱交換させる伝熱部となる。平面部１１４と平面部１１６を接合面とする構成のため、伝熱プレートが金型製作時またはプレート加工時に寸法ばらつきが発生しても接合面は均一に密着する。均一な接合面は熱交換器の伝熱性能を確保することに対しても効果を奏する。なお端から端に横断する凸部１１５及び凹部１１７は必ずしも縦方向及び横方向に配設されている必要性は無く、複数の隙間１１８が全体に繋がれば、斜め方向でも良い。

図８に積層体の断面拡大図を示す。この図では、２枚の第１のプレートユニット１０６の間に１枚の第２のプレートユニット１０７が挟持されている。上段の第１のプレートユニット１０６と中段の第２のプレートユニット１０７の間には、流体１０８が流れる流路が形成されている。中段の第２のプレートユニット１０７と下段の第１のプレートユニット１０６との間には、流体１０９が流れる流路が形成されている。このように、熱交換させるべき２種類の流体１０８と流体１０９が流通する流路は交互に形成されている。

伝熱プレートに形成されている複数の凸部１１５の頂点１２０及び凹部１１７の頂点１２１により第１のプレートユニット１０６と第２のプレートユニット１０７は複数個所で接合一体化される。複数個所が接合一体化されることで、流体１０８と流体１０９によりプレートユニット１０６、１０７にかかる流体圧力に対し、積層体は耐圧性能を確保することが出来る。

プレート式熱交換器１０の流入口の構造を図９に基づいて説明する。流体１０８はプレート式熱交換器１０の配管部３１に設けられた流入口配管１１０よりプレート式熱交換器１０の内部に流入し、流出口配管１１１より流出する。流入口配管１１０の配管部３１と流出口配管１１１の配管部３２の構造は基本的に同じである。

図１０は流体１０９に関する流路断面図を示す。４種類の伝熱プレートの配管部３３の構造により、流入口配管１１２より流入された流体１０９は流出口配管１１３から流出する。流入口配管１１２の配管部３３と流出口配管１１３の配管部３４の構造は基本的に同じである。配管部の構造により、２種類の流体１０８と流体１０９は基本的には混合することは無い。

伝熱プレート１０２〜１０５は、流体１０８および流体１０９と接触している。プレート熱交換器が長年使用されるうちに、伝熱プレートが流体１０８または流体１０９により腐食され、伝熱プレートに亀裂が発生することがある。本願に関わるプレート式熱交換器１０では亀裂から漏洩した流体１０８及び流体１０９は排出口３０から排出される。この排出作用を図１１を用いて説明する。図８で示したようにプレートユニット１０６、１０７には、複数の隙間１１８が形成されている。隙間１１８は漏洩流体１２２の流路として機能する。伝熱プレートの亀裂からプレートユニットの隙間に浸入した漏洩流体１２２は銅箔を腐食する。銅箔が腐食すると、銅箔に流体が形成され、最終的に漏洩流体１２２は亀裂箇所に一番近い隙間１１８に流出する。

伝熱プレートに形成されている複数の凸部１１５、１１６及び凹部１１７は伝熱プレートの平面部１１４と平面部１１６に対し、端から端に横断する形で縦方向及び横方向に１本または複数配置されている。複数の隙間１１８は漏洩流体１２２の経路として、全ての隙間が縦横に横断する全体の隙間１１８として繋がっている。

排出口３０は、全体の隙間１１８と連絡している。これにより、伝熱プレート１０２〜１０５に割れ等の欠陥が生じて流体が漏洩しても、漏洩流体１２２は第１のプレートユニット１０６と第２のプレートユニット１０７に形成された全体の隙間１１８に排出される。全体の隙間１１８と繋がっている排出口３０から漏洩流体は確実に熱交換器外に排出されるので２種類の流体１０８と流体１０９の混合が回避される。

１０プレート式熱交換器、１０２〜１０５伝熱プレート、１０６第１のプレートユニット、１０７第２のプレートユニット、１０８流体、１０９流体、１１０流入口配管、１１１流出口配管、１１２流入口配管、１１３流出口配管

Claims

４個の配管口が開口され、平面部には複数の凸部が形成されている第１の伝熱プレートと、
第１の伝熱プレートに対向し、４個の配管口が開口され、平面部には溝状の凹部が形成されている第２の伝熱プレートと、
第２の伝熱プレートに対向し、４個の配管口が開口され、平面部には複数の凸部が形成されている第３の伝熱プレートと、
第３の伝熱プレートに対向し、４個の配管口が開口され、平面部には溝状の凹部が形成されている第４の伝熱プレートとを備え、
第１の伝熱プレートと第２の伝熱プレートと第３の伝熱プレートと第４の伝熱プレートがこの順番で複数段にわたり接合されてなる積層体には、積積層方向に貫通する排出口が設けられており、
第１の伝熱プレートの凸部と第２の伝熱プレートの凹部が形成する第１の隙間と、第３の伝熱プレートの凸部と第４の伝熱プレートの凹部が形成する第２の隙間は、排出口と連絡していることを特徴とするプレート式熱交換器。
第４の伝熱プレートと第１の伝熱プレートの間には第１の流路が形成され、第２の伝熱プレートと第３の伝熱プレートの間には第１の流路とは独立した第２の流路が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のプレート式熱交換器。
２本の流出口配管と２本の流入口配管が表層の第１の伝熱プレートに設けられていることを特徴とする請求項２に記載のプレート式熱交換器。