JP2012512378A - 半島部上の高圧ポート - Google Patents

Abstract

少なくとも２つの媒体の間で熱交換するためのろう付けしたプレート熱交換器（４００）であって、前記媒体の少なくとも１つは少なくとも５０バールの作動圧力を有することができ、熱交換器（４００）は、プレスされたパターンの隆起部および溝を備える複数の熱交換プレート（１００；２００）を備える。それらは、流体チャネルを通って流れる熱を交換する媒体のための前記流体チャネルを形成するように適合される。前記プレート（１００；２００）はさらに、前記流体チャネルと流体連通を可能にするように配置されるポート開口部（１２０、１３０；２２０；３００、３１０）と、前記熱交換プレート（１００；２００）の周囲に延びるスカート（１４０）とを備える。隣接するプレート（１００；２００）のスカート（１４０）は、前記流体チャネルを密封する接続を得るために、重なる形態で互いに接触するように配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体チャネルを通って流れる熱を交換する媒体のための流体チャネルを形成するように適合されたプレスされたパターンの隆起部および溝を備える複数の熱交換プレートを備える熱交換器であって、そのプレートはさらに、前記流体チャネルと流体連通を可能にするように配置される少なくとも４つのポート開口部と、熱交換プレートの周囲に沿って延び、流体チャネルを密封するスカートとを備える、熱交換器に関する。

ヒートポンプの分野において、近年、冷却剤として二酸化炭素を使用する傾向がある。なぜなら、二酸化炭素は、優れたＣＯＰ値、すなわち、高温適用での効率性を与えることが知られているからである。さらに、二酸化炭素は、今日一般に使用されている冷却剤と比べて、環境にほとんど影響を与えない。

二酸化炭素を使用することに関する１つの問題は、その作動圧力が高いことである。他の一般に使用されている冷却剤は４０バールまでの圧力で作動するが、二酸化炭素系は約１４０バールの圧力に耐えることができなければならない。この高圧により、かかる圧力に耐えることができる熱交換器を使用する必要性がある。二酸化炭素適用のための熱交換器の比較的普通の種類は「二重パイプ」熱交換器であり、それは、パイプの間の熱伝達を可能にするように相互接続される２つの平行なパイプを備える。通常、小さな直径を有するパイプが高圧媒体のために使用される、一方、大きな直径を有するパイプが低圧媒体のために使用される。熱交換領域を増加させるために、１つより多い小さな直径のパイプが、大きな直径を有するパイプに相互接続され得、小さな直径のパイプが、大きな直径のパイプのパイプ壁内に埋め込まれる均一な設計が存在する。二重パイプの熱交換器は、耐圧に対する能力に関して優れた特性を有するが、熱交換能力対重量に関しては非効率である。

通常のヒートポンプ適用、すなわち、一般に使用される冷却剤が使用される適用に関して、１つの一般的な種類の熱交換器は、コンパクトなろう付けした熱交換器（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｂｒａｚｅｄ Ｅｘｃｈａｎｇｅｒ（ＣＢＥ））である。この種類の熱交換器は、コスト、性能、材料の必要性および空間の必要性に関して効果的であるが、ＣＢＥは、現在までで、高圧（すなわち約５０バールを越える圧力）に対して低い能力を示している。

ＣＢＥは、通常、複数の熱交換プレートを備え、それらの全ては、プレスされたパターンの隆起部および溝ならびに隣接するプレートのプレスされたパターンの隆起部と溝との間の相互作用により形成される流体チャネルと流体連通するポート開口部が設けられる。隣接するプレートのプレスされたパターンは、１つのプレートの隆起部が隣接するプレートの溝と接触するように配置される。ろう付け操作の間、接触点は互いにろう付けされて、隣接するプレートの隆起部および溝のパターンによって形成される流体チャネルに十分な強度を与える。隆起部と溝との間の相互作用によって形成される流体チャネルは、熱交換プレートの周囲に設けられるスカートを相互作用することによって側方で密封される。

ＣＢＥの圧縮試験により、熱交換器が特に破損しやすい１つの位置はポート開口部であるか、またはポート開口部の間の熱交換領域であることが示された。この理由は明確である。接触点密度は、プレート間の接触点がない、ポート開口部の表面領域に起因して、ポート開口部付近で低いからである。低い接触点密度にも関わらず、均一の圧力のために同じ力が、接触点を介して移動されなければならない。

本発明の目的は、熱交換器が二酸化炭素適用に使用され得るように十分な高圧に耐えることができるＣＢＥを提供することである。

本発明によれば、この問題および他の問題は、熱交換器に含まれる熱交換プレートの熱交換面の全体領域の外側に延びる半島部上に少なくとも１つのポート開口部を設けることによって解決される。前記半島部は、少なくとも１００°にわたってスカートに近接して囲まれる。

以下に添付の図面を参照して本発明を記載する。

図１は、本発明の第１の実施形態による熱交換プレートの斜視図である。 図２は、本発明の第２の実施形態による熱交換プレートの平面図である。 図３は、本発明の第３の実施形態による熱交換プレートの斜視図である。 図４は、第３の実施形態による複数の熱交換プレートから製造された熱交換器の斜視図である。 図５は、本発明の第４の実施形態による熱交換プレートの斜視図である。

図１を参照すると、熱交換プレート１００は、当業者に周知のようにプレスされたパターン（図示せず）の隆起部および溝が設けられている、熱交換領域１１０を備える。プレート１００が当業者に周知のように互いに積み重ねられると、その隣接するプレートの隆起部および溝のパターンは、隣接するプレートの溝と接触する１つのプレートの隆起部の間の接触に起因して、プレートの間に流体チャネルを提供するように適合される。熱交換器１００はまた、少なくとも２つの低圧ポート開口部１２０および２つの高圧開口部１３０を備える。ポート開口部は、以下に記載するように隆起部および溝のパターンによって形成される流体チャネルと選択的に流体連通する。スカート１４０は、熱交換領域１１０を囲み、隣接するプレートの２つのスカートが、隣接するスカートの間の重なり合う係合によってかかる隣接するプレートの間で密封を形成するために相互作用するように配置されるので、プレスされたパターンの隆起部および溝によって形成される流体チャネルを密封する。

図１に見られ得るように、高圧ポート１３０は、熱交換領域１１０から外側に延びる「半島部」１５０上に配置される。半島部１５０は、約１８０°の角度αでスカート１４０に近接して囲まれる。

角αを図２により明確に定義する。図２は、スカート１４０が、プレスされたパターンの隆起部および溝が設けられているプレート部１６０によって囲まれていることを示していることを除いて、図１に示すものと実質的に同じ実施形態を示す。プレート部１６０の隆起部および溝１６５、１６６は、それぞれ、隣接するプレートの対応するプレート部１６０の隆起部および溝と接触するように適合されるので、スカート１４０によって形成される密封の強度を増大させる。

図３は、本発明による熱交換プレート２００のなおさらなる実施形態を示す。半島部２１０は、熱交換プレート２００の長さ軸に対して平行な方向に延び、高圧ポート２２０はかかる半島部上に位置する。スカート１４０は、約１８０°で高圧ポート２２０を近接して囲むことに留意されたい。

複数の熱交換プレート１００または２００から熱交換器を製造するために、所望の数の熱交換プレートが互いに積み重ねられる。熱交換プレート１００または２００は同じ設計とは限らず、その積み重ねにおいて１つおきのプレートがその隣接するプレートの鏡像であり、高圧ポートおよび低圧ポートの両方を囲む領域の高さを変化させることによって、各流体チャネルと連通するポート開口部を決定することが可能である。熱交換器において流体連通を決定する方法は当業者に周知であるので、本明細書では全体を詳細に論じない。

熱交換プレートが、熱交換器を形成するために適切な方法で積み重ねられた後、プレートパッケージ全体がろう付け操作に供される。すなわち、プレートパッケージが炉に入れられ、プレート間に配置されるろう付け材料を溶融するのに十分な温度まで加熱される。ろう付け材料が溶融した後、ろう付け材料はプレートが互いに近接する領域に集中させられる（ろう付け材料の集中は毛細管力に起因する）。従って、熱交換器がろう付け材料を凝固させるのに十分冷却された後、プレートはろう付け接続によって結合される。

内圧が熱交換プレートに加えられるときはいつでも、プレートは反対方向に力を受けるので、隣接するプレートの隆起部と溝との間のろう付け接続は引張応力に供される。スカート１４０はプレートの熱交換部分にほぼ垂直に配置されるので、反対方向にプレートを押す力により、スカートの間のろう付け接続において剪断応力が生じる。しかしながら、力が伝わる領域は、プレート間の接触点と比べて、重なっているスカートに関して著しく大きいので、スカートは、プレート間の接触点より大きな力を移動させることができる。

図４において、複数の熱交換プレート２００を備える熱交換器４００を示す。スカート１４０が、熱交換プレートの周囲端部を形成することが明確に見られ得る。また、スカート１４０が、高圧ポート開口部１３０の周囲のハーフパイプ状の密封を形成するためにどのように相互しているかが明確である。

高圧ポート開口部１３０周囲のスカート１４０によって形成されるハーフパイプ状の密封は、ポート開口部周囲を非常に高強度にする。ポートの表面積から発生する力は、重なっているスカートの間の接続を介して移動される。

すなわち、高圧ポート開口部１３０の半島部の位置は、大部分のポート開口部がスカート１４０に近接して存在するという事実によってポートの強度を増大させる。上記のように、隣接するプレートのスカート１４０は、プレート間の密封された接続を形成するように重なっている。高圧ポート開口部の周囲で、重なっているスカートは、重なっているスカートの「ハーフパイプ」を形成する。重なっているスカートのかかるハーフパイプ状の配置は非常に強度が強いことが証明されており、例えば、プレスされたパターンの熱交換領域の間の接触点より非常に効果的な方法で力を吸収できる。

本発明の別の態様において、高圧ポートは半島部に配置されるだけでなく、図５において、本発明のこの特徴を具現化しているさらなる実施形態による熱交換プレートを示す。この実施形態において、高圧ポート３００および低圧ポート３１０の両方は、半島部３２０、３３０にそれぞれ配置される。半島部の定義は、プレートを囲んでいるスカートが、９０°より大きい角度でポート開口部を近接して囲んでいる部分である。

多くの改変が、添付の特許請求の範囲に規定されるような本発明の範囲内で可能であることに留意されたい。１つのかかる改変は、スカート１４０は、熱交換器全体のみを囲むように配置される必要がないことである。熱交換プレートの任意の部分にスカートを設けることも可能である。例えば、スカートは、開口部が熱交換器内に形成されるように配置されてもよく、プレート部が、熱交換器の平面に対してほぼ垂直方向に延びる任意の配置、および隣接するプレートのかかるプレート部が、スカート１４０に関して上に記載されるように隣接するプレートの対応するプレート部と重なるように設計される配置は、特許請求の範囲の表現のスカートとみなされる。

Claims (2)

1. 少なくとも２つの媒体の間で熱交換するためのろう付けしたプレート熱交換器（３００）であって、前記媒体の少なくとも１つは少なくとも５０バールの作動圧力を有することができ、熱交換器（４００）は、流体チャネルを通って流れる熱を交換する媒体のための前記流体チャネルを形成するように適合されたプレスされたパターンの隆起部および溝を備える複数の熱交換プレート（１００；２００）を備え、前記プレート（１００；２００）はさらに、前記流体チャネルと流体連通を可能にするように配置されるポート開口部（１２０、１３０；２２０；３００、３１０）と、前記熱交換プレートの周囲に延びるスカート（１４０）とを備え、隣接するプレートのスカートは、前記流体チャネルを密封する接続を得るために、重なる形態で互いに接触するように配置され、前記ポート開口部（１２０、１３０；２２０；３００、３１０）の少なくとも１つは、少なくとも１００°にわたって前記スカート（１４０）によって囲まれる半島部（１５０）上に位置する、ろう付けした熱交換器（３００）。
2. 前記スカート（１４０）は、少なくとも１２０°にわたって前記半島部（１５０）上に設けられた少なくとも１つの前記ポート開口部（１２０、１３０；２２０；３００、３１０）を囲む、請求項１に記載のろう付けした熱交換器（３００）。

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