JP2016099063A - プレート式熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】外側フランジ同士の接合を容易に確実に行うことができるプレート式熱交換器を提供する。
【解決手段】各伝熱プレート１，２は、外周部に沿って設けられる外側フランジ５，１２と、この外側フランジの内側に段差をもって設けられる内側フランジ６，１３とを備える。伝熱プレート１は、隣接する伝熱プレート２と外側フランジ５，１２同士が重ね合わされ、一方の伝熱プレート２の外側フランジ１２の外周縁が他方の伝熱プレート１の外側フランジ５の外周縁よりも内側に配置される。前記一方の伝熱プレート２の外側フランジ１２の外周縁に沿って、隅肉溶接継手３にて外側フランジ５，１２同士がレーザ溶接により接合される。
【選択図】図４

Description

本発明は、プレート式熱交換器に関するものである。

周知のとおり、プレート式熱交換器は、伝熱プレートを複数枚重ね合わせて構成される。下記特許文献１に開示されるプレート式熱交換器は、伝熱プレート（１４）の外周部（３８）に、外側フランジとしての外縁部（４８）と、内側フランジとしての内縁部（５０）と、その間を約４５度の角度で連接する相互連結部（５２）とを有する。伝熱プレート（１４）は、隣接する片方の伝熱プレート（１４）と、外縁部（４８）同士を重ね合わされて、へり溶接継手（５８）で接合される一方、隣接するもう片方の伝熱プレート（１４）と、内縁部（５０）同士を重ね合わされて、フレア溶接継手（６０）で接合される。

しかしながら、伝熱プレート（１４）の板厚が薄く、且つ大型ワークになるほど、伝熱プレート（１４）の外縁部（４８）同士を確実に重ね合わせて、へり溶接するのは容易ではない。大型ワークの板厚が薄いと撓みを生じる上、溶接時に熱変形も生じるので、外縁部（４８）同士の当接が確保されにくい。また、熱変形した板材の端面にレーザ溶接のレーザビームを当てるのも容易ではない。

なお、従来、外側フランジ同士を隅肉溶接継手で接合したものはなく、隅肉溶接継手で接合するにしても、レーザ溶接をどの程度施せばよいのか、特に、外側フランジ同士の接合面の溶け込み幅（図６に示すように溶接後の断面を観察した場合に外側フランジ同士の当接面における溶接幅ｄ）をどの程度確保するのが適切なのかについて、明確な基準がない。外側フランジ同士を隅肉溶接継手で接合するに際し、伝熱プレートを構成する板材の強度（板厚）との関係で、外側フランジ同士の接合面の溶け込み幅を規定して、十分な強度で確実に接合することが望まれる。

特表２０１３−５２８７８０号公報（図４）

そこで、本発明が解決しようとする課題は、外側フランジ同士の接合を容易に確実に行うことができるプレート式熱交換器を提供することにある。また、好ましくは、外側フランジ同士を隅肉溶接継手で接合するに際し、明確な判断基準の下、十分な強度で確実に接合することにある。

本発明は、前記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、伝熱プレートが複数枚重ね合わされ、隣接する伝熱プレート間を流体流路とし、隣接する流体流路に熱交換すべき二流体が流れるように組み立てられるプレート式熱交換器であって、前記各伝熱プレートは、外周部に沿って設けられる外側フランジと、この外側フランジの内側に段差をもって設けられる内側フランジとを備え、少なくとも積層方向両端部の伝熱プレート以外の前記各伝熱プレートは、隣接する片方の伝熱プレートと前記外側フランジ同士が重ね合わされると共に、一方の伝熱プレートの外側フランジの外周縁が他方の伝熱プレートの外側フランジの外周縁よりも内側に配置され、前記一方の伝熱プレートの外側フランジの外周縁に沿って隅肉溶接継手にて外側フランジ同士がレーザ溶接により接合されたことを特徴とするプレート式熱交換器である。

請求項１に記載の発明によれば、隣接する伝熱プレートは、外側フランジ同士が重ね合わされると共に、一方の伝熱プレートの外側フランジの外周縁が他方の伝熱プレートの外側フランジの外周縁よりも内側に配置され、一方の伝熱プレートの外側フランジの外周縁に沿って隅肉溶接継手にて外側フランジ同士がレーザ溶接により接合される。従来のへり溶接継手で接合するのと比較して、外側フランジ同士の接合を容易で確実に行える。

請求項２に記載の発明は、前記外側フランジ同士がレーザ溶接にて接合される一対の伝熱プレートは、前記内側フランジ同士が離隔して平行に配置されると共に、前記外側フランジ同士は外方へ行くに従って互いに近接する方向に傾斜して形成され、一方の伝熱プレートの外側フランジの外周縁が他方の伝熱プレートの外側フランジの板面に接触された状態で、前記一方の伝熱プレートの外側フランジの外周縁に沿って隅肉溶接継手にて外側フランジ同士がレーザ溶接により接合された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である。

請求項２に記載の発明によれば、外側フランジ同士がレーザ溶接にて接合される一対の伝熱プレートは、内側フランジ同士が離隔して平行に配置されると共に、外側フランジ同士は外方へ行くに従って互いに近接する方向に傾斜して形成されるので、一方の伝熱プレートの外側フランジの外周縁を、他方の伝熱プレートの外側フランジの板面に、容易に確実に接触させることができる。これにより、一方の伝熱プレートの外側フランジの外周縁に沿って、隅肉溶接継手にて外側フランジ同士をレーザ溶接により容易に確実に接合することができる。

請求項３に記載の発明は、前記外側フランジの幅方向の断面において、前記外側フランジ同士の接合面の溶け込み幅をｄ、前記外側フランジの板厚をｔとしたとき、ｄ≧０．８ｔの関係になるようにレーザ溶接されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のプレート式熱交換器である。

請求項３に記載の発明によれば、詳細は後述するが、ｄ≧０．８ｔの関係になるように、外側フランジ同士を隅肉溶接継手でレーザ溶接することで、伝熱プレート同士を十分な強度で確実に接合することができる。

請求項４に記載の発明は、前記外側フランジの幅方向の断面において、前記他方の板面に生じる裏波の幅をｄ´、前記外側フランジの板厚をｔとしたとき、ｄ´≧０．８ｔの関係になるようにレーザ溶接にて貫通溶接されたことを特徴とする請求項３に記載のプレート式熱交換器である。

請求項４に記載の発明によれば、外側フランジ同士の溶接部の裏波の幅ｄ´を確認して、ｄ´≧０．８ｔの関係にあるか否かにより、溶接不良がないか否かを容易に確認することができる。

請求項５に記載の発明は、前記各伝熱プレートは、隣接するもう片方の伝熱プレートと、前記内側フランジ同士が重ね合わされて、その重ね合わせ部の外周部がレーザ溶接にて接合されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のプレート式熱交換器である。

請求項５に記載の発明によれば、内側フランジ同士をフレア溶接継手により、容易に確実に接合することができる。

さらに、請求項６に記載の発明は、前記各伝熱プレートは、隣接するもう片方の伝熱プレートと、前記内側フランジ同士が重ね合わされて、その重ね合わせ部の一方の板面から他方の板面へ向けて、レーザ溶接にて接合されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のプレート式熱交換器である。

請求項６に記載の発明によれば、内側フランジ同士を重ね溶接継手により、容易に確実に接合することができる。

本発明のプレート式熱交換器によれば、外側フランジ同士の接合を容易に確実に行うことができる。また、好ましくは、外側フランジ同士を隅肉溶接継手で接合するに際し、明確な判断基準の下、十分な強度で確実に接合することも可能となる。

本発明の一実施例のプレート式熱交換器を構成する二種類の伝熱プレートの一例を示す概略図である。 図１の左上部の積層状態を示す概略斜視図であり、第一伝熱プレートの上に第二伝熱プレートを重ね合わせて溶接後、さらにその上に第一伝熱プレートを重ね合わせようとする状態を示している。 図１の右上部の積層状態を示す概略斜視図であり、第一伝熱プレートの上に第二伝熱プレートを重ね合わせて溶接後、さらにその上に第一伝熱プレートを重ね合わせようとする状態を示している。 図１の各伝熱プレートを交互に重ね合わせてレーザ溶接しつつプレート式熱交換器を製造する際の概略断面図であり、図２の第一対応位置を示している。 図４の左下部の拡大図であり、溶接前の状態を示している。 図４の左下部の拡大図であり、溶接後の状態を示している。 図４の左下部の拡大図であり、好適なレーザビーム照射位置を示している。 図４の左下部の変形例の拡大図であり、溶接前の状態を示している。 図４の他の変形例を示す図である。

以下、本発明の具体的実施例を図面に基づいて詳細に説明する。ここでは、複数枚の伝熱プレートを上下に重ね合わせてプレート式熱交換器を製造する場合について説明するが、これは説明の便宜上であって、プレート式熱交換器の姿勢（特に使用時の姿勢）を限定する趣旨ではない。

図１は、本発明の一実施例のプレート式熱交換器を構成する二種類の伝熱プレート１，２の一例を示す概略図である。

本実施例のプレート式熱交換器は、第一伝熱プレート１と第二伝熱プレート２とが交互に複数枚（典型的には四枚以上）重ね合わされて構成される。各伝熱プレート１，２は、上下に重ね合わされて、所要箇所をレーザ溶接されつつ組み立てられる。各伝熱プレート１，２は、略矩形の金属板から構成され、板面には適宜の凹凸や穴がプレス加工され、後述する外側フランジ５，１２の幅寸法を除き、各部が互いに対応した寸法で形成されている。

各伝熱プレート１，２を構成する金属板として、好ましくは、厚さ１ｍｍ以下の薄板が用いられ、より好ましくは、厚さ０．２〜０．５ｍｍ（本実施例では０．３ｍｍ）の薄板が用いられる。

図２は、図１の左上部の積層状態を示す概略斜視図であり、第一伝熱プレート１の上に第二伝熱プレート２を重ね合わせて溶接後、さらにその上に第一伝熱プレート１を重ね合わせようとする状態を示している。また、図３は、図１の右上部の積層状態を示す概略斜視図であり、第一伝熱プレート１の上に第二伝熱プレート２を重ね合わせて溶接後、さらにその上に第一伝熱プレート１を重ね合わせようとする状態を示している。なお、各図において、符号３は、隅肉溶接継手による溶接部（溶け込み部）を示し、符号４は、重ね溶接継手による溶接部（溶け込み部）を示している。

以下、図１から図３に基づき、各伝熱プレート１，２について、具体的に説明する。

まず、第一伝熱プレート１について説明する。第一伝熱プレート１は、外周部に沿って設けられる外側フランジ５と、この外側フランジ５の内側に段差をもって設けられる内側フランジ６と、両フランジ５，６を連接する連接壁７とを備える。外側フランジ５と内側フランジ６とは、平板状で平行に配置され、これらフランジ５，６に対し好ましくは垂直に、連接壁７が設けられる。

第一伝熱プレート１は略矩形状であるため、外側フランジ５は略矩形枠状とされる。外側フランジ５は、第一伝熱プレート１の外周部に沿って、所定の幅寸法で形成される。外側フランジ５の内周縁には、外側フランジ５の板面に対し略垂直に屈曲されて、連接壁７が設けられる。そして、外側フランジ５から所定寸法だけ延出した連接壁７の端部には、連接壁７に対し略垂直に屈曲されて、内側フランジ６が設けられる。内側フランジ６は、連接壁７に沿って、外周部が少なくとも略矩形枠状に形成される。つまり、内側フランジ６は、それより内側の領域と連続的に同一平面に形成される箇所があるにしても、外周部には連接壁７に沿って連続的に、少なくとも所定の幅寸法を確保した帯状の部分を有する。

図面上、第一伝熱プレート１は、水平な外側フランジ５に対し、連接壁７が垂直下方へ延出して形成され、連接壁７の下端部に、内側フランジ６が水平に形成される。このようにして、内側フランジ６は、外側フランジ５より下方において、外側フランジ５と平行に配置される。

内側フランジ６の内側には、四つのノズルフランジ８（８Ａ，８Ｂ）と熱交換部９とが設けられる。本実施例では、略矩形枠状の内側フランジ６の内側領域の内、四隅にノズルフランジ８が設けられ、それ以外の箇所が熱交換部９とされる。図１において、第一伝熱プレート１は、左上部と右下部の各ノズルフランジ８Ａが互いに同一の構成とされ、右上部と左下部の各ノズルフランジ８Ｂが互いに同一の構成とされる。各伝熱プレート１，２の左上部と右下部を、それぞれ第一対応位置Ａといい、右上部と左下部を、それぞれ第二対応位置Ｂということがある。

ノズルフランジ８は、典型的には略円形状に形成され、中央部に円形状のノズル穴１０が形成されている。第一伝熱プレート１は、プレス成形により、ノズル穴１０が貫通形成されると共に、これ以外の箇所に凹凸が屈曲形成されて、外側フランジ５、連接壁７、内側フランジ６、ノズルフランジ８および熱交換部９が一体形成される。

第一伝熱プレート１は、第一対応位置Ａにおいて、ノズルフランジ８Ａが、外側フランジ５と同じ高さに形成される。つまり、第一伝熱プレート１は、第一対応位置Ａのノズルフランジ８Ａが、内側フランジ６よりも、上方へ突出して形成され、外側フランジ５と同一平面に配置される。

第一伝熱プレート１は、第二対応位置Ｂにおいて、ノズルフランジ８Ｂが、内側フランジ６と同じ高さに形成される。つまり、第一伝熱プレート１は、第二対応位置Ｂのノズルフランジ８Ｂが、内側フランジ６と同一平面に配置され、内側フランジ６と連続的に形成される。なお、第一対応位置Ａと第二対応位置Ｂの各ノズルフランジ８やノズル穴１０の大きさは、同一に形成される。

内側フランジ６より内側領域には、ノズルフランジ８を除いた箇所に、適宜の凹凸が形成されて熱交換部９とされる。この凹凸の形状は、特に問わないが、図示例の場合、ヘリンボーン１１とされている。具体的には、図１の平面視で略逆Ｖ字形状に、凹凸が等間隔に形成されており、その各凹凸は断面略半円形状（各凹部または各凸部の延出方向と直交した断面で見た場合に略半円形状）とされている。よって、図２および図３に示すように、熱交換部９の断面は波形となる。ヘリンボーン１１の下方への凹部の最下部は、内側フランジ６と同じ高さに配置され、上方への凸部の最上部は、外側フランジ５と同じ高さに配置されている。

なお、ヘリンボーン１１の端部を内側フランジ６に接触するように構成し、内側フランジ６内の流路をなくすことで、ノズル穴１０間の流体のショートパスを防止することができる。つまり、内側フランジ６とヘリンボーン１１の端部との間に、圧力損失の少ない流路が形成されると、熱交換すべき流体の一部が、熱交換部９の外周部をショートパスするおそれがあるので、そのような不都合を防止することができる。

次に、第二伝熱プレート２について説明する。第二伝熱プレート２も、第一伝熱プレート１と同様に、外周部に沿って設けられる外側フランジ１２と、この外側フランジ１２の内側に段差をもって設けられる内側フランジ１３と、両フランジ１２，１３を連接する連接壁１４とを備える。外側フランジ１２と内側フランジ１３とは、平板状で平行に配置され、これらフランジ１２，１３に対し好ましくは垂直に、連接壁１４が設けられる。

第二伝熱プレート２は略矩形状であるため、外側フランジ１２は略矩形枠状とされる。外側フランジ１２は、第二伝熱プレート２の外周部に沿って、所定の幅寸法（ここでは第一伝熱プレート１の外側フランジ５よりも短い幅寸法）で形成される。外側フランジ１２の内周縁には、外側フランジ１２の板面に対し略垂直に屈曲されて、連接壁１４が設けられる。そして、外側フランジ１２から所定寸法（ここでは第一伝熱プレート１の連接壁７と同一の高さ）だけ延出した連接壁１４の端部には、連接壁１４に対し略垂直に屈曲されて、内側フランジ１３が設けられる。内側フランジ１３は、連接壁１４に沿って、外周部が少なくとも略矩形枠状に形成される。つまり、内側フランジ１３は、それより内側の領域と連続的に同一平面に形成される箇所があるにしても、外周部には連接壁１４に沿って連続的に、少なくとも所定の幅寸法（ここでは第一伝熱プレート１の内側フランジ６と同一の幅寸法）を確保した帯状の部分を有する。

図面上、第二伝熱プレート２は、水平な外側フランジ１２に対し、連接壁１４が垂直上方へ延出して形成され、連接壁１４の上端部に、内側フランジ１３が水平に形成される。このようにして、内側フランジ１３は、外側フランジ１２より上方において、外側フランジ１２と平行に配置される。

ところで、第一伝熱プレート１と第二伝熱プレート２とは、内側フランジ６，１３の大きさが互いに同一とされると共に、連接壁７，１４の大きさも互いに同一とされる。そして、前述したとおり、第二伝熱プレート２の外側フランジ１２の幅寸法は、第一伝熱プレート１の外側フランジ５の幅寸法よりも短い。従って、第二伝熱プレート２の外寸は、第一伝熱プレート１の外寸よりも一回り小さく形成される。そして、両伝熱プレート１，２の内側フランジ６，１３や連接壁７，１４の位置を揃えて、外側フランジ５，１２同士を重ね合わせると、第一伝熱プレート１の外側フランジ５の外周縁よりも内側に、第二伝熱プレート２の外側フランジ１２の外周縁が配置される。外側フランジ５，１２の幅方向で見た場合、第一伝熱プレート１の外側フランジ５の外端面と、第二伝熱プレート２の外側フランジ１２の外端面との離隔距離Ｘは、各伝熱プレート１，２の板厚ｔ以上であるのが好ましい（図５）。それにより、第二伝熱プレート２の外周縁に沿った隅肉溶接を有効に実施することができる。

なお、第一伝熱プレート１の外側フランジ５の幅寸法Ｄ１は、板厚ｔに対して３ｔ≦Ｄ１≦１５ｔの関係になるように設定するのが好ましい（図４）。第一伝熱プレート１の外側フランジ５の幅寸法Ｄ１を、板厚ｔの３倍以上にすることで、隅肉溶接を有効に実施することができる。また、第一伝熱プレート１の外側フランジ５の幅寸法Ｄ１を、板厚の１５倍以下にすることで、連接壁７，１４からの外側フランジ５，１２の突出幅を小さくして、各伝熱プレート１，２が大型ワーク化しても、外側フランジ５，１２の撓みや歪みを最小限に止めることができ、同時に軽量化を図ることもできる。

内側フランジ１３の内側には、四つのノズルフランジ１５（１５Ａ，１５Ｂ）と熱交換部１６とが設けられる。本実施例では、略矩形枠状の内側フランジ１３の内側領域の内、四隅にノズルフランジ１５が設けられ、それ以外の箇所が熱交換部１６とされる。図１において、第二伝熱プレート２は、左上部と右下部の第一対応位置Ａの各ノズルフランジ１５Ａが互いに同一の構成とされ、右上部と左下部の第二対応位置Ｂの各ノズルフランジ１５Ｂが互いに同一の構成とされる。また、第一伝熱プレート１と第二伝熱プレート２とを揃えて（つまり内側フランジ６，１３や連接壁７，１４の位置を揃えて）重ね合わせた際、各伝熱プレート１，２のノズルフランジ８，１５およびノズル穴１０，１７は、それぞれ互いに対面して配置され、しかも互いに同一の大きさで形成されている。

ノズルフランジ１５は、典型的には略円形状に形成され、中央部に円形状のノズル穴１７が形成されている。第二伝熱プレート２は、プレス成形により、ノズル穴１７が貫通形成されると共に、これ以外の箇所に凹凸が屈曲形成されて、外側フランジ１２、連接壁１４、内側フランジ１３、ノズルフランジ１５および熱交換部１６が一体形成される。

第二伝熱プレート２は、第一対応位置Ａにおいて、ノズルフランジ１５Ａが、外側フランジ１２と同じ高さに形成される。つまり、第二伝熱プレート２は、第一対応位置Ａのノズルフランジ１５Ａが、内側フランジ１３よりも、下方へ突出して形成され、外側フランジ１２と同一平面に配置される。

第二伝熱プレート２は、第二対応位置Ｂにおいて、ノズルフランジ１５Ｂが、内側フランジ１３と同じ高さに形成される。つまり、第二伝熱プレート２は、第二対応位置Ｂのノズルフランジ１５Ｂが、内側フランジ１３と同一平面に配置され、内側フランジ１３と連続的に形成される。なお、第一対応位置Ａと第二対応位置Ｂの各ノズルフランジ１５やノズル穴１７の大きさは、同一に形成される。

内側フランジ１３より内側領域には、ノズルフランジ１５を除いた箇所に、適宜の凹凸が形成されて熱交換部１６とされる。この凹凸の形状は、特に問わないが、図示例の場合、ヘリンボーン１８とされている。具体的には、図１の平面視で略Ｖ字形状に、凹凸が等間隔に形成されており、その各凹凸は断面略半円形状（各凹部または各凸部の延出方向と直交した断面で見た場合に略半円形状）とされている。よって、図２および図３に示すように、熱交換部１６の断面は波形となる。ヘリンボーン１８の下方への凹部の最下部は、外側フランジ１２と同じ高さに配置され、上方への凸部の最上部は、内側フランジ１３と同じ高さに配置されている。

図４は、両伝熱プレート１，２を交互に重ね合わせてレーザ溶接しつつプレート式熱交換器を製造する際の概略断面図であり、図２の第一対応位置Ａを示している。また、図５から図７は、図４の左下部の拡大図であり、図５は溶接前、図６は溶接後、図７は好適なレーザビーム照射位置を示している。

図４の下方二枚の伝熱プレート１，２と図５および図６に示すように、図示例では、まず、第一伝熱プレート１の上面に第二伝熱プレート２を重ね合わせて、所要箇所を上方からレーザ溶接して接合している。この際、両伝熱プレート１，２は、内側フランジ６，１３や連接壁７，１４の位置を揃えて重ね合わされる。つまり、両伝熱プレート１，２は、外側フランジ５，１２の内周縁の位置を揃えて重ね合わされる。第二伝熱プレート２の外側フランジ１２の幅寸法は、第一伝熱プレート１の外側フランジ５の幅寸法よりも短いので、両伝熱プレート１，２を揃えて外側フランジ５，１２を重ね合わせた状態では、第二伝熱プレート２の外周縁が、第一伝熱プレート１の外周縁よりも所定距離Ｘだけ内側に配置される（図５）。この所定距離Ｘは、前述したとおり、各伝熱プレート１，２の板厚ｔ以上を確保される。このようにして、両伝熱プレート１，２は、外側フランジ５，１２同士が当接されると共に、第一対応位置Ａのノズルフランジ８Ａ，１５Ａ同士も当接される。なお、第一伝熱プレート１の上面に第二伝熱プレート２を重ね合わせた場合、第二対応位置Ｂのノズルフランジ８Ｂ，１５Ｂ同士は、ノズル穴１０，１７の軸方向（プレート面と直交方向）に離隔して配置される（図３）。また、両伝熱プレート１，２は、熱交換部９，１６のヘリンボーン１１，１８が、交差した状態に配置される（図１）。

両伝熱プレート１，２は、第二伝熱プレート２の外周縁に沿って連続的に（つまり環状に）、外側フランジ５，１２同士がレーザ溶接にて、隅肉溶接継手で接合される（溶接部３）。つまり、第二伝熱プレート２の外側フランジ１２の外周縁に沿って、第二伝熱プレート２の外側フランジ１２の外周部と、第一伝熱プレート１の外側フランジ５の幅方向中途部との間が溶接される。その際、レーザビームは、上方から下方へ向けて、且つ、各伝熱プレート１，２の外周側から内周側へ傾けた状態で照射される。

水平に配置された伝熱プレート１，２に対するレーザビームの入射角度（図７における角度α）は、水平方向（プレート面と平行方向）に対して、１５度以上９０度未満とされる。これにより、第二伝熱プレート２の外側フランジ１２の外周縁において、隅肉溶接継手の実施が確実に行える。なお、レーザビームは、先端側へ行くに従って外側フランジ５，１２の幅方向内側に傾ける以外に、外側フランジ５，１２の周方向（溶接時の進行方向）両側にもたとえば３０度以内の角度で傾けてもよい。

外側フランジ５，１２同士を重ね合わせて隅肉溶接を実施する場合、上板、つまり幅寸法の短い上側の外側フランジ１２に、レーザビームのスポット中心（スポット径中心）を合わせるのが好ましい。本実施例では、第二伝熱プレート２の外側フランジ１２の外周部の角部周辺（具体的には第二伝熱プレート２の外側フランジ１２の外端面１２ａか、そこから板厚ｔ程度の所定範囲内の上面１２ｂ）に、レーザビームのスポット中心がくるようにするのが好ましい。特に、図７に示すように、第二伝熱プレート２の外側フランジ１２の外端面１２ａの上端縁に、レーザビームＬＢのスポット中心がくるようにするのがよい。この際、スポット径を、第二伝熱プレート２の板厚ｔよりも大きくすることで、レーザビームの一部が直接に第二伝熱プレート２にも当たるようにするのがよい。

このようにして、上板（第二伝熱プレート２の外側フランジ１２）の一部を溶融させて、重力で下板（第一伝熱プレート１の外側フランジ５）と混合して一体化することができる。また、隅肉溶接しようとする上下の板材（外側フランジ１２，５）にバランスよくエネルギーを分配することができ、また、下板（第一伝熱プレート１の外側フランジ５）に穴があくのが防止される。

また、外側フランジ５，１２同士を隅肉溶接継手で接合する際、レーザビーム照射側となる第二伝熱プレート２の外側フランジ１２の外端面１２ａまたは上面１２ｂに、レーザビームの焦点を合わせてレーザ溶接するのが好ましい。これにより、重ね合わせ部の厚さ方向でビーム幅が変化し難く、比較的細く安定した溶接幅で接合することができる。但し、場合により、焦点位置を、前記重ね合わせ部の表面から、上方へずらすなどしてもよい。

外側フランジ５，１２の幅寸法を揃えて外端面においてへり溶接継手で接合する場合と比較して、本実施例では外側フランジ５，１２の幅寸法を変えて隅肉溶接継手で接合するため、レーザビームの狙い裕度を広く取れ、安定した品質で溶接可能である。

なお、外側フランジ５（１２）と内側フランジ６（１３）とを連接する連接壁７（１４）は、各フランジ５，６（１２，１３）に対し垂直に設けられるので、伝熱プレート１（２）の積層方向の強度を確保し易い。これにより、たとえば、伝熱プレート１，２の溶接時に積層方向に治具で押え付けても、伝熱プレート１，２が撓みにくく、ひいては適正に溶接しやすい。また、プレート式熱交換器の使用時の耐圧性も向上する。

また、第一伝熱プレート１の上面に第二伝熱プレート２を重ね合わせた状態で、両伝熱プレート１，２は、第一対応位置Ａにおいてノズルフランジ８Ａ，１５Ａ同士が重ね合わされるが、そのノズルフランジ８Ａ，１５Ａのノズル穴１０，１７を取り囲むように連続的に（つまり環状に）、ノズルフランジ８Ａ，１５Ａ同士がレーザ溶接にて、重ね溶接継手で接合される（溶接部４）。この際、ノズルフランジ８Ａ，１５Ａ内における溶接位置は、特に問わず、ノズルフランジ８Ａ，１５Ａの外周側の設定領域、内周側の設定領域、またはこれらの中間領域のいずれでもよい。いずれにしても、好ましくはノズル穴１０，１７と同心円状に溶接される。なお、ノズルフランジ８Ａ，１５Ａには、内外二箇所以上で溶接してもよく、その場合も、好ましくは同心円状に溶接される。

なお、第一対応位置Ａおよび第二対応位置Ｂにおけるノズルフランジ８，１５同士の溶接や、後述するその他の重ね溶接継手の箇所について、レーザビームの入射角度をプレート面と直交方向に対して±３０度の範囲に設定するのが好ましい。この際、鉛直線に対し、周方向いずれの方向にレーザビームを傾けてもよい。±３０度の範囲とする理由は、鉛直線に対し３０度以上にレーザビームを傾け過ぎると、レーザビームによる熱が材料内に入りにくくなるためである。

外側フランジ５，１２同士を隅肉溶接継手で接合する際、図６に示すように、外側フランジ５，１２の幅方向の断面において、外側フランジ５，１２同士の接合面（第一伝熱プレート１の外側フランジ５上面＝第二伝熱プレート２の外側フランジ１２下面）の溶け込み幅をｄ、外側フランジ５，１２の板厚をｔとしたとき、ｄ≧０．８ｔの関係になるようにレーザ溶接するのが好ましい。つまり、溶接後の溶け込み部３についてｄ≧０．８ｔの関係が得られるように、たとえば、レーザビームのスポット径（材料表面におけるビーム径）、および／または、照射エネルギー（レーザの出力と時間（レーザをパルス発振する場合はパルス幅と周波数））を調整する。

ｄ≧０．８ｔの関係を確保する理由は、次のとおりである。前提として、圧力容器の材料について、０．８σ_ａ＝τ_ａの関係式は知られている（圧力容器構造規格（平成元年労働省告示第六十六号）第八条）。ここで、σ_ａは許容引張応力であり、τ_ａは許容せん断応力である。さて、プレート式熱交換器が圧力容器という訳ではないし、前記関係式が溶接に関するものという訳でもないが、最も強度が要求される圧力容器としてプレート式熱交換器を構成できれば安心である。たとえば、プレート式熱交換器を蒸発器として使用する場合には、伝熱プレート１，２間で冷媒の気化・膨張が生じるため、溶接部にも優れた強度が望まれるからである。伝熱プレート１，２間に生じる力をＰとして、外側フランジ５，１２同士の接合面の溶け込み幅ｄにおいて、引張応力（σ＝Ｐ／ｄ）が生じ、各伝熱プレート１，２の板厚方向において、せん断応力（τ＝Ｐ／ｔ）が生じる。これらを前記関係式（０．８σ_ａ＝τ_ａ）に適用すると、０．８ｔ＝ｄの関係となる。従って、板厚ｔの強度と同等以上で溶接するには、ｄ≧０．８ｔを満たせばよいことになる。たとえば、各伝熱プレート１，２の板厚が０．３ｍｍの場合、外側フランジ５，１２同士の接合面の溶け込み幅ｄは０．２４ｍｍ以上を確保するのが好ましい。

また、同様の理由から、外側フランジ５，１２の幅方向の断面において、重ね合わせ部の裏面に生じる裏波の幅をｄ´、外側フランジ５，１２の板厚をｔとしたとき、ｄ´≧０．８ｔの関係になるようにレーザ溶接にて貫通溶接されるのが好ましい。つまり、溶接後の裏波についてｄ´≧０．８ｔの関係が得られるように、たとえば、レーザビームのスポット径、および／または、照射エネルギーを調整する。なお、前述したとおり、本実施例では、レーザビームの焦点位置を、外側フランジ５，１２の重ね合わせ部の表面またはそれより上方に配置して溶接するので、通常、ｄ≧ｄ´の関係にもある。照射エネルギーが材料の溶融に消費されるのに伴って、重ね合わせ部の表面から裏面に向かって漸次溶融量が減少するからである。

このような構成の場合、外側フランジ５，１２同士の溶接部の裏波の幅ｄ´を確認して、ｄ´≧０．８ｔの関係にあるか否かにより、溶接不良がないか否かを容易に確認することができる。つまり、溶接後の外観検査において、ｄ´≧０．８ｔであれば良品と判定し、ｄ´＜０．８ｔであれば不良品と判定することができる。

なお、ｄ≧０．８ｔの関係になるように、また好ましくはさらにｄ´≧０．８ｔの関係になるように、レーザ溶接で接合することは、外側フランジ５，１２同士の溶接に限らず、第一対応位置Ａおよび第二対応位置Ｂにおけるノズルフランジ８，１５同士の溶接など、その他の重ね溶接継手の箇所にも適用可能である。

以上のようにして、第一伝熱プレート１の上面に第二伝熱プレート２をレーザ溶接した後、図４の中央二枚の伝熱プレート２，１に示すように、第二伝熱プレート２の上面に第一伝熱プレート１を重ね合わせて溶接する。この際、両伝熱プレート２，１は、揃えて、つまり互いの中心を一致させて重ね合わされる。これにより、両伝熱プレート２，１は、内側フランジ１３，６同士が当接されると共に、図３から分かるように、第二対応位置Ｂのノズルフランジ１５Ｂ，８Ｂ同士も当接される。なお、第二伝熱プレート２の上面に第一伝熱プレート１を重ね合わせた場合、第一対応位置Ａのノズルフランジ１５Ａ，８Ａ同士は、ノズル穴１７，１０の軸方向（プレート面と直交方向）に離隔して配置される（図４）。また、両伝熱プレート２，１は、熱交換部１６，９のヘリンボーン１８，１１が、交差した状態に配置される。

両伝熱プレート２，１は、外周部に沿って連続的に（つまり環状に）、内側フランジ１３，６同士がレーザ溶接にて、フレア溶接継手で接合される（溶接部１９）。つまり、内側フランジ１３，６同士の重ね合わせ部の外周部がレーザ溶接される。また、第二対応位置Ｂのノズルフランジ１５Ｂ，８Ｂ同士は、前述した第一対応位置Ａのノズルフランジ１５Ａ，８Ａ同士の場合と同様に、重ね溶接継手で接合される。なお、内側フランジ１３，６同士を重ね合わせて外周部をフレア溶接する際、レーザビームのビーム照射角度は、プレート面と平行方向（水平）に対して、±５度の範囲に止めるのが好ましい。

その後、前述したのと同様に、第一伝熱プレート１の上面に、第二伝熱プレート２を重ね合わせて溶接し、その第二伝熱プレート２の上面に、第一伝熱プレート１を重ね合わせて溶接することを、所望枚数だけ繰り返せばよい。

以上のようにして、第一伝熱プレート１と第二伝熱プレート２とを交互に重ね合わせて、所要箇所をレーザ溶接しつつプレート式熱交換器を構成する。つまり、各伝熱プレート１，２は、積層方向両端部の伝熱プレートを除き、隣接する片方の伝熱プレートと、外側フランジ５，１２同士が重ね合わされて、その重ね合わせ部がレーザ溶接される一方、隣接するもう片方の伝熱プレートと、内側フランジ６，１３同士が重ね合わされて、その重ね合わせ部がレーザ溶接される。また、その際、第一対応位置Ａで重ね合わされるノズルフランジ８Ａ，１５Ａ同士がレーザ溶接されると共に、第二対応位置Ｂで重ね合わされるノズルフランジ８Ｂ，１５Ｂ同士がレーザ溶接される。

このようにして、各伝熱プレート１，２は互いに重ね合わされ、隣接する伝熱プレート１，２間を流体流路とし、隣接する流体流路に熱交換すべき二流体が流れるように組み立てられる。具体的には、第一伝熱プレート１の上面と第二伝熱プレート２の下面との間の第一流路に、第一流体が通される一方、第二伝熱プレート２の上面と第一伝熱プレート１の下面との間の第二流路に、第二流体が通される。この際、第一流体と第二流体とが対向流になるように通すのが好ましい。なお、各ノズル穴１０，１７が、流体の出入口として機能する。

ところで、図示しないが、伝熱プレート１，２の積層方向両端部には、平板状のエンドプレートが重ね合わされて溶接される。この際、積層方向の端部に配置された伝熱プレート（第一伝熱プレート１または第二伝熱プレート２）が、その外側フランジ５（１２）（または内側フランジ６（１３））を、平板状のエンドプレートに重ね合わされて外周部を溶接される。

一方のエンドプレートには、ノズル穴１０，１７と対応した四隅に貫通穴が形成されると共に、その貫通穴に管（ニップル）の端部がはめ込まれて設けられる。他方のエンドプレートには、ノズル穴１０，１７と対応した四隅が閉塞されている。二つの流体を熱交換しようとする際、一方のエンドプレートの前記管を二流体の出入口として、左上部と右下部の二つの第一対応位置Ａの内、一方から第一流体を供給して他方から排出させ、右上部と左下部の二つの第二対応位置Ｂの内、一方から第二流体を供給して他方から排出させればよい。この際、前述したとおり、第一流体と第二流体とが対向流になるように流すのが好ましい。たとえば、第一流体を第一流路の左上部から右下部へ流す場合、第二流体を第二流路の左下部から右上部へ流すのがよい。

図８は、前記実施例の変形例を示す図であり、図４と同様に、各伝熱プレート１，２の外周部を示している。ここでは、前記実施例と相違する箇所を中心に説明し、前記実施例と同様の箇所については説明を省略する。また、前記実施例と同等の箇所には同一の符号を付して説明する。

前記実施例では、各伝熱プレート１，２の外側フランジ５，１２は、内側フランジ６，１３と平行に（つまり水平に）形成されたが、本変形例では、次のように構成される。すなわち、外側フランジ５，１２同士がレーザ溶接にて接合される一対の伝熱プレート１，２は、図８に示すように、内側フランジ６，１３同士が離隔して平行に配置されると共に、外側フランジ５，１２同士は外方へ行くに従って互いに近接する方向に傾斜して形成される。この傾斜角度は適宜に設定されるが、各伝熱プレート１，２について、好ましくは、外側フランジ５，１２が内側フランジ６，１３に対し２度以上の角度（たとえば２度〜５度）で、外方へ行くに従って内側フランジ面から離隔する方向へ傾斜するよう形成される。

本変形例でも、第二伝熱プレート２の外側フランジ１２の幅寸法は、第一伝熱プレート１の外側フランジ５の幅寸法よりも短い。それ故、第二伝熱プレート２の外側フランジ１２の外周縁は、第一伝熱プレート１の外側フランジ５の外周縁よりも内側に配置される。そして、前述したように、各外側フランジ５，１２が同等角度で傾斜して形成されていることに伴い、第二伝熱プレート２の外側フランジ１２の外周縁が第一伝熱プレート１の外側フランジ５の板面に接触された状態で、第二伝熱プレート２の外側フランジ１２の外周縁に沿って隅肉溶接継手にて外側フランジ５，１２同士がレーザ溶接により接合される。なお、伝熱プレート１，２を単に重ね合わせた状態では、図８のような状態になるが、そこからさらに外側フランジ５，１２の板面同士を重ね合わせるように治具で締め付けて溶接することで、外側フランジ５，１２同士を略重合させて一体化するのがよい。

本変形例のプレート式熱交換器によれば、外側フランジ５，１２同士がレーザ溶接にて接合される一対の伝熱プレートは、内側フランジ６，１３同士が離隔して平行に配置されると共に、外側フランジ５，１２同士は外方へ行くに従って互いに近接する方向に傾斜して形成されるので、第二伝熱プレート２の外側フランジ１２の外周縁を、第一伝熱プレート１の外側フランジ５の板面に、容易に確実に接触させることができる。これにより、第二伝熱プレート２の外側フランジ１２の外周縁に沿って、隅肉溶接継手にて外側フランジ５，１２同士をレーザ溶接により容易に確実に接合することができる。

図９は、前記実施例の他の変形例を示す図であり、図４と対応する。
前記実施例では、第二伝熱プレート２の上面に第一伝熱プレート１を重ね合わせて、内側フランジ１３，６同士の重ね合わせ部の外周部をフレア溶接継手で接合したが、本変形例では、第二伝熱プレート２の上面に第一伝熱プレート１を重ね合わせて、内側フランジ１３，６同士の重ね合わせ部を、重ね溶接継手で接合している（溶接部１９´）。その他の構成は、前記実施例と同様のため、説明を省略する。

本発明のプレート式熱交換器は、前記実施例（変形例を含む）の構成に限らず適宜変更可能である。特に、次のような構成を備えれば、その他の構成は適宜に変更可能である。すなわち、伝熱プレート１，２が複数枚重ね合わされ、隣接する伝熱プレート１，２間を流体流路とし、隣接する流体流路に熱交換すべき二流体が流れるように組み立てられるプレート式熱交換器であって、各伝熱プレート１，２は、外周部に沿って設けられる外側フランジ５，１２と、この外側フランジ５，１２の内側に段差をもって設けられる内側フランジ６，１３とを備え、少なくとも積層方向両端部の伝熱プレート以外の各伝熱プレート（つまり積層方向両端部の伝熱プレート間に挟まれた各伝熱プレート）１，２は、隣接する片方の伝熱プレートと外側フランジ５，１２同士が重ね合わされると共に、一方の伝熱プレート２の外側フランジ１２の外周縁が他方の伝熱プレート１の外側フランジ５の外周縁よりも内側に配置され、一方の伝熱プレート２の外側フランジ１２の外周縁に沿って隅肉溶接継手にて外側フランジ５，１２同士がレーザ溶接により接合されるのであれば、これ以外の構成は適宜に変更可能である。

たとえば、外側フランジ５，１２同士が重ね合わされる一対の伝熱プレート１，２は、一方の伝熱プレート２の外側フランジ１２の外周縁が他方の伝熱プレート１の外側フランジ５の外周縁よりも内側に配置されて隅肉溶接されるのであれば、その他の箇所の大きさ、形状、熱交換部９，１６の構成は、適宜に変更可能である。

また、前記実施例において、重ね合わされた一対の外側フランジ５，１２同士は、隅肉溶接されると共に、所望により、それより内側において、さらに重ね溶接されてもよい。

また、前記実施例では、第二伝熱プレート２の外側フランジ１２の幅寸法（ひいては第二伝熱プレート２の外寸）を、第一伝熱プレート１の外側フランジ５の幅寸法（ひいては第一伝熱プレート１の外寸）よりも小さくしたが、これとは逆に、第一伝熱プレート１を第二伝熱プレート２よりも小さくして、第二伝熱プレート２の外側フランジ１２に第一伝熱プレート１の外側フランジ５を重ね合わせて、第一伝熱プレート１の外側フランジ５の外周部に沿って隅肉溶接を行ってもよい。

また、前記実施例において、各伝熱プレート１，２は、内側フランジ６，１３同士を重ね溶接継手またはフレア溶接継手で接合できるのであれば、内側フランジ６，１３の大きさは必ずしも同一でなくてもよい。ノズルフランジ８，１５についても同様に、場合により大きさを変えてもよい。

また、ノズルフランジ８，１５（ノズル穴１０，１７）の位置は、伝熱プレート１，２の四隅に限らず、適宜に設定される。さらに、ノズルフランジ８，１５（ノズル穴１０，１７）の個数も、少なくとも四つあればよい。ノズルフランジ８，１５（ノズル穴１０，１７）の個数を増やすことで、二流体の熱交換に限らず、三流体の熱交換を可能としたり、一流体について複数の出入口を設けたりできる。

また、前記実施例において、第一対応位置Ａと第二対応位置Ｂを入れ替えてもよい。つまり、図１における各伝熱プレート１，２について、左上部と右下部のノズルフランジ８Ａ，１５Ａの構成と、右上部と左下部のノズルフランジ８Ｂ，１５Ｂの構成とを入れ替えてもよい。

また、前記実施例では、各流体の入口と出口とが、略矩形状の伝熱プレート１，２の対角線上に配置されたが、これに限らず、たとえば略矩形状の伝熱プレート１，２の長辺に沿った位置に配置されてもよい。つまり、第一対応位置Ａおよび第二対応位置Ｂは、それぞれ伝熱プレート１，２の対角線上に配置される以外に、伝熱プレート１，２の一辺の両端部に第一対応位置Ａが配置され、もう一辺の両端部に第二対応位置Ｂが配置されてもよい。そして、前記実施例では、第一伝熱プレート１と第二伝熱プレート２との二種類の伝熱プレートを交互に用いて構成したが、場合により、一種類の伝熱プレートを用いて、１８０度反転させつつ重ね合わせて組み立ててもよい。但し、この場合も、両伝熱プレート１，２は、外側フランジ５，１２の幅寸法を変えて、隅肉溶接を実施可能とされる。

また、前記実施例では、外側フランジ５（１２）と内側フランジ６（１３）とを連接する連接壁７（１４）は、各フランジ５，６（１２，１３）に対し垂直に設けたが、場合により多少傾斜して設けてもよい。

さらに、前記実施例では、隅肉溶接継手や重ね溶接継手の箇所は、レーザ溶接による貫通溶接を行ったが、非貫通溶接など、各種のシーム溶接を行ってもよい。

１ 第一伝熱プレート
２ 第二伝熱プレート
３ （外側フランジの）溶接部
４ （ノズルフランジの）溶接部
５ （第一伝熱プレートの）外側フランジ
６ （第一伝熱プレートの）内側フランジ
７ （第一伝熱プレートの）連接壁
８ （第一伝熱プレートの）ノズルフランジ
９ （第一伝熱プレートの）熱交換部
１０ （第一伝熱プレートの）ノズル穴
１１ （第一伝熱プレートの）ヘリンボーン
１２ （第二伝熱プレートの）外側フランジ
１３ （第二伝熱プレートの）内側フランジ
１４ （第二伝熱プレートの）連接壁
１５ （第二伝熱プレートの）ノズルフランジ
１６ （第二伝熱プレートの）熱交換部
１７ （第二伝熱プレートの）ノズル穴
１８ （第二伝熱プレートの）ヘリンボーン
１９，１９´ （内側フランジの）溶接部
Ａ 第一対応位置
Ｂ 第二対応位置

Claims (6)

1. 伝熱プレートが複数枚重ね合わされ、隣接する伝熱プレート間を流体流路とし、隣接する流体流路に熱交換すべき二流体が流れるように組み立てられるプレート式熱交換器であって、
   前記各伝熱プレートは、外周部に沿って設けられる外側フランジと、この外側フランジの内側に段差をもって設けられる内側フランジとを備え、
   少なくとも積層方向両端部の伝熱プレート以外の前記各伝熱プレートは、隣接する片方の伝熱プレートと前記外側フランジ同士が重ね合わされると共に、一方の伝熱プレートの外側フランジの外周縁が他方の伝熱プレートの外側フランジの外周縁よりも内側に配置され、前記一方の伝熱プレートの外側フランジの外周縁に沿って隅肉溶接継手にて外側フランジ同士がレーザ溶接により接合された
   ことを特徴とするプレート式熱交換器。
2. 前記外側フランジ同士がレーザ溶接にて接合される一対の伝熱プレートは、前記内側フランジ同士が離隔して平行に配置されると共に、前記外側フランジ同士は外方へ行くに従って互いに近接する方向に傾斜して形成され、
   一方の伝熱プレートの外側フランジの外周縁が他方の伝熱プレートの外側フランジの板面に接触された状態で、前記一方の伝熱プレートの外側フランジの外周縁に沿って隅肉溶接継手にて外側フランジ同士がレーザ溶接により接合された
   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。
3. 前記外側フランジの幅方向の断面において、前記外側フランジ同士の接合面の溶け込み幅をｄ、前記外側フランジの板厚をｔとしたとき、ｄ≧０．８ｔの関係になるようにレーザ溶接された
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のプレート式熱交換器。
4. 前記外側フランジの幅方向の断面において、前記他方の板面に生じる裏波の幅をｄ´、前記外側フランジの板厚をｔとしたとき、ｄ´≧０．８ｔの関係になるようにレーザ溶接にて貫通溶接された
   ことを特徴とする請求項３に記載のプレート式熱交換器。
5. 前記各伝熱プレートは、隣接するもう片方の伝熱プレートと、前記内側フランジ同士が重ね合わされて、その重ね合わせ部の外周部がレーザ溶接にて接合された
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のプレート式熱交換器。
6. 前記各伝熱プレートは、隣接するもう片方の伝熱プレートと、前記内側フランジ同士が重ね合わされて、その重ね合わせ部の一方の板面から他方の板面へ向けて、レーザ溶接にて接合された
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のプレート式熱交換器。

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