JP2019184113A - プレート式熱交換器及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プレート式熱交換器の蛇腹状の伝熱板を一つの単位構成体から形成する。【解決手段】ハウジング内を放熱側11と受熱側16の２室に仕切り、放熱側11には加熱処理作業を終えた排熱風を導入する放熱側入口12とその放熱側出口を設け、前記受熱側16には供給エアーを供給する受熱側入口とその受熱側出口18を設け、前記２室を仕切る伝熱板15が蛇腹形状に配設、形成されたプレート式熱交換器である。前記伝熱板15は複数の同一の略矩形形状の金属製プレート15eを使用して、それぞれの前記金属製プレート15eの長辺側の側縁部同士を相互に接合固定することにより前記伝熱板を蛇腹形状に形成した。【選択図】図２

Description

本発明は、例えば乾燥炉や加熱炉等への熱風送風機による熱風供給に際し、当該乾燥炉等から排出される排熱風による熱を再利用して、前記乾燥炉等への供給エアーを予備加熱することのできるプレート式熱交換器の改良に関するものである。
この予備加熱された供給エアーを前記熱風送風機により再度所望温度に加熱して前記乾燥炉等へ熱風供給を行うことができることとなり、省エネ・省資源等に寄与するものとなる。

従来のこの種のプレート式熱交換器においては、箱型のハウジング内を放熱側と受熱側の２室に仕切り、放熱側には乾燥や加熱処理作業を終えた排熱風を供給する放熱側入口とその放熱側出口を設け、前記受熱側には外気等の供給エアーを供給する受熱側入口とその受熱側出口を設け、前記２室を仕切る伝熱板が１枚の金属製シートを蛇腹形状に折り畳み成形したものから形成されていたものである。

上記従来のプレート式熱交換器とその使用例を図３に示している。
図３（Ａ）がその使用例を示し、図３（Ｂ）は、プレート式熱交換器のＳ−Ｓ線断面図を図示している。
この図にある通り、熱風送風機５０の吐出口５１から約２００°Ｃの熱風が例えば乾燥炉５２内へ供給され、乾燥炉５２内で各種の乾燥処理を行った後に、乾燥炉５２の排出口５３から排熱風が排出される。

この排熱風は、配管を介して、プレート式熱交換器６０の放熱側入り口６１から供給され、放熱側出口６２から外界に排出される。
他方、供給エアーとなる外気は、上記プレート式熱交換器６０の受熱側入り口６３から導入され、受熱側出口６４から配管を介して前記熱風送風機５０の供給口へと供給される。

上記供給エアーは、受熱側入り口６３から受熱側出口６４までの間を流通する間に排熱風の熱により予備加熱されることとなり、その後配管を介して熱風送風機５０の供給口へと送られ、熱風送風機５０により再加熱されて上記乾燥炉５２内へと供給されることとなるのである。

上記プレート式熱交換器６０の内部には、図３（Ｂ）に示す断面図から解る通り、ハウジング６０ｈを受熱側６７と放熱側６６の２室に区分する伝熱板６５が蛇腹形状に配設されている。
この伝熱板６５は、１枚の肉薄の金属製シートを蛇腹形状に折り畳んで成形したものから形成されている。

上記伝熱板６５の熱伝導により、放熱側６６の排熱風の熱が受熱側６７の供給エアーの加熱に利用されることとなるのである。
下記特許文献１に記載のプレート式熱交換器においても、その基本構成は、上記熱交換器と同様のものである。

そして、この特許文献に記載の熱交換器では、簡単に分解可能とし、清掃等の保守作業を簡単に行える様にすることをその課題としている。

その構成は、平板（伝熱体）が交互に反対方向に折り返えされ、該平板間に第１流路と第２流路とが交互に多層形成され、ケーシングの前記平板の折返し線と平行な前板と、後板の内、前記前板側に前記第２流路に連通する高温流体入口と高温流体出口とが設けられ、前記後板側に前記第１流路に連通する低温流体入口と低温流体出口とが設けられ、前記伝熱体の端部に対峙する側板と前記伝熱体との間には該伝熱体側から前記端部全域を覆う側板シール部材、剛性を有する押え板が介設され、該押え板と前記側板間には付勢手段が設けられ、該付勢手段は前記押え板を介して前記側板シール部材を前記伝熱体の端部に押圧し、該側板シール部材は前記第１流路、前記第２流路の端部を気密に閉塞することができるものである。

特開２０１２−１１７６８１号公報

上記従来のプレート式熱交換器においては、その熱交換を行う伝熱体（伝熱板）として熱伝導率の高い肉薄の金属製シートを蛇腹状に、つまり交互に反対方向に繰り返し折り返して蛇腹形状に成形したものが使用されている。

この蛇腹形状に成形する成型方法としては、例えば、アルミニウム製板材のロール巻きした材料を連続成形して量産を行うのであるが、量産を行うには向いているものの、ユーザーの使用目的に合致するような製品を作製する際には、ユーザーからの要望に適合させるべく、伝熱板の縦横寸法、厚さの変更、素材の変更、伝熱板に付加する凹凸形状の変更、並びに、圧力損失の条件等を考慮に入れると、従来の量産方式の製造方法では対応できないのが現状である。

そこで、本発明においては、上記ユーザーからの多種多様な要望に適合させるべく、上記伝熱板の改良を行うことがその課題となる。
この課題を解決すべく鋭意研究を重ね、この伝熱板を一つの単位構成体から形成し、この単位構成体（エレメント）の厚みやサイズ変更、材質変更、及び表面に形成する凹凸等の形状変更等を容易に行うことができないかと創案を進め、本発明に至ったものである。

上記課題を解決するために、本発明の第１のものにおいては、ハウジング内を放熱側と受熱側の２室に仕切り、放熱側には加熱処理作業を終えた排熱風を導入する放熱側入口とその放熱側出口を設け、前記受熱側には供給エアーを供給する受熱側入口とその受熱側出口を設け、前記２室を仕切る伝熱板が１枚の金属製シートを蛇腹形状に折り畳み成形したものからなるプレート式熱交換器において、前記伝熱板を複数の略矩形形状の金属製プレートから形成し、それぞれの前記金属製プレートの長辺側の側縁部同士を相互に接合固定することにより前記伝熱板を蛇腹形状に形成したことを特徴とするプレート式熱交換器である。

本発明の第２のものは、上記第１の発明において、前記金属製プレートが中央の平面部と、この平面部の長辺側の両側でそれぞれ反対方向に斜めに起立する起立部と、これらの起立部の外側の接合平面部とからなり、前記接合平面部でそれぞれの金属製プレートが相互に接合固定されて、蛇腹形状の伝熱板が形成されることを特徴とするプレート式熱交換器である。

本発明の第３のものは、上記第１又は第２の発明において、前記それぞれの金属製プレートの放熱側又は受熱側に複数の突出部を形成したことを特徴とするプレート式熱交換器である。

本発明の第４のものは、上記第１乃至第３のそれぞれの発明において、前記それぞれの金属製プレートの長辺側の両側縁部同士の接合固定が、金属製又は合成ゴム製の固定部材による固定、金属製プレートの両側縁部同士の加締めによる固定、溶接着による固定、接着材による固定、又は、一方の金属製プレートの側縁部を他方の金属製プレートの側縁部に巻き付けて加締めることによる固定であることを特徴とするプレート式熱交換器である。

本発明の第５のものは、上記第４の発明において、記それぞれの金属製プレートの長辺側の側縁部の接合固定に際し、シーリング材を介在させて固定したことを特徴とするプレート式熱交換器である。

本発明の第６のものは、上記それぞれの発明において、前記伝熱板の前記接合固定縁部間の間隔を適宜保持するための間隔保持部材を、前記伝熱板の接合固定縁部に対応するハウジングの側面部内側に配設したことを特徴とするプレート式熱交換器である。

本発明の第７のものは、ハウジング内を放熱側と受熱側の２室に仕切り、放熱側には加熱処理作業を終えた排熱風を導入する放熱側入口とその放熱側出口を設け、前記受熱側には供給エアーを供給する受熱側入口とその受熱側出口を設け、前記２室を仕切る伝熱板が１枚の金属製シートを蛇腹形状に折り畳み成形したことからなるプレート式熱交換器の製造方法において、前記伝熱板を形成するために、複数の略矩形形状の金属製プレートを使用し、これらの金属製プレートの長辺側の側縁部同士を相互に接合固定することにより前記伝熱板を蛇腹形状に形成することを特徴とするプレート式熱交換器の製造方法である。

本発明の第１のものにおいては、プレート式熱交換器において、その伝熱板を複数の略矩形形状の金属製プレートから形成し、それぞれの前記金属製プレートの長辺側の側縁部同士を相互に接合固定することにより前記伝熱板を蛇腹形状に形成したものであり、同じ略矩形形状の金属製プレートを一単位として、これを複数枚準備して、その長辺側の側縁部同士を順次接合固定することによって蛇腹形状の伝熱板が容易に形成することができる。

従って、ユーザーの希望する所望のサイズの熱交換器を容易に作成することが可能となるのである。
換言すれば、基本単位となる金属製プレートをユーザーの希望する厚み、サイズ及び形態を採用することにより、所望サイズ及び所望性能のプレート式熱交換器として製作することが容易にできることとなるのである。

本発明の第２のものにおいては、上記金属製プレートの形態をより限定したものであって、即ち、前記金属製プレートが中央の平面部と、この平面部の長辺側の両側でそれぞれ反対方向に斜めに起立する起立部と、これらの起立部の外側の接合平面部とからなり、前記接合平面部でそれぞれの金属製プレートが相互に接合固定されて、蛇腹形状の伝熱板が形成されるものである。
上記金属製プレートの形態をより限定し、これを連続的に接合固定することにより容易に所望の蛇腹形状に形成できるようにしたものである。

本発明の第３のものにおいては、前記金属製プレートの表又は裏側に、つまり、放熱側又は受熱側に複数の突出部を形成したことを限定するものであり、これらの突出部の形成により金属製プレートの熱交換効率が向上することとなる。

本発明の第４のものにおいては、上記金属製プレートの長辺側の側縁部同士の接合固定方法について種々具体化したものである。

本発明の第５のものにおいては、上記金属製プレートの長辺側の側縁部同士の接合固定に際し、シーリング材を介在させたことを特定したものである。その効果はエアー漏れ等の防止である。

本発明の第６のものにおいては、前記伝熱板の前記接合固定縁部間の間隔を適宜保持するための間隔保持部材を、前記伝熱板の接合固定縁部に対応するハウジングの側面部内側に配設したことを特徴とするものである。保形性と強度向上のためである。

本発明の第７のものにおいては、上記第１の発明と同様の効果を発揮するものであって、プレート式熱交換器について製造方法として本発明を特定したものである。権利強化のためである。

本発明のプレート式熱交換器に係る一実施形態を示し、その（Ａ）が透視正面図、その（Ｂ）が透視右側面図である。 上記実施形態に係る透視平面図である。 従来のプレート式熱交換器とその使用例を示しており、その（Ａ）がその使用例を示し、その（Ｂ）がプレート式熱交換器のＳ−Ｓ線横断面を示している。

以下、添付の図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明のプレート式熱交換器に係る一実施形態を示し、その（Ａ）が透視正面図、その（Ｂ）が透視右側面図である。
図２は、上記実施形態に係る透視平面図である。

本発明に係るプレート式熱交換器１０（以下、単に「熱交換器１０」という。）は、上下に長い箱型形状を有し、その内部には伝熱板１５が蛇腹形状に配設されている。
後に詳説するが、この伝熱板１５は略矩形形状の金属製プレート１５ｅを一つのエレメント（単位構成体）としてこの一つの単位構成体としての金属製プレート１５ｅの長辺側縁部を相互に接合固定して蛇腹形状に配設されるのである。

上記伝熱板１５の配設により、熱交換器１０のハウジング１０ｈは、前記伝熱板１５により放熱側１１と受熱側１６の２室に区分される。
ハウジング１０ｈの上方部の放熱側１１には、乾燥炉や加熱炉等から排出される排熱風の放熱側入口１２が設けられ、ハウジング１０ｈの下方部の放熱側１１には、排熱風の放熱側出口１３が設けられている。

他方、ハウジング１０ｈの下方部の受熱側１６には、外気等の供給エアーを導入する受熱側入口１７が設けられ、ハウジング１０ｈの上方部には、前記受熱側入口１７から導入された供給エアーの受熱側出口１８が設けられている。
これにより、受熱側入口１７から供給された供給エアーは、ハウジング１０ｈの受熱側流路を流通する間に前記排熱風の熱を吸収して予備加熱されることとなる。

この予備加熱された供給エアーは、上記受熱側出口１８から配管を介して図示はしていないが、熱風送風機の供給口に供給され、所望温度に再度加熱されて上記乾燥炉や加熱炉等に供給され、適宜必要な乾燥処理作業等を連続して行うことができることとなるのである。

このように、乾燥・加熱等処理済みの排熱風の熱を再利用して供給エアーを予備加熱し、前記乾燥炉等への供給エアーの加熱に利用することにより省エネ・省資源に寄与することとなるのである。

図中、３０は固定架台を示し、このプレート式熱交換器１０は、縦型に配置できる。
しかし、この配置形態は、横置きに配置することもでき、設置環境に応じて縦横変更して配置することができる。適宜固定架台の取り付け位置を変更し、その設置姿勢を適宜選択することができるからである。

ここで、一つの単位構成体としての上記エレメントである金属製プレート１５ｅの形態について説明する。
この金属製プレート１５ｅは、本実施形態においては、肉薄の０．３ｍｍ厚の銅板を使用している。

その形状は略矩形形状を有し、図２の透視平面図から解る通り、中央の平面部１５ｃと、その両側でそれぞれ反対方向に斜めに起立する斜め起立部１５ｓ、１５ｓと、これら斜め起立部１５ｓからそれぞれ外側に延長する接合平面部１５ｔ、１５ｔとから成る。
従って、これらの接合平面部１５ｔ、１５ｔは、それぞれの金属性プレート１５ｅの長辺側の両側縁部が該当する。

これらの隣り合う接合平面部１５ｔ、１５ｔ同士が相互に接合固定され、これら複数枚の金属製プレート１５ｅにより適切により簡単に蛇腹形状に形成される。
この実施形態では、図２から解る通り、１０枚の金属製プレート１５ｅを使用し、それぞれの金属製プレート１５ｅの長辺側の側縁部同士が順次接合固定されて蛇腹形状に形成されるのである。

個々の金属製プレート１５ｅの接合平面部１５ｔ同士は、固定金具２０によってそれぞれ固定されている。
この固定金具２０は、帯状の金具をその長手方向中央部で二つ折りして加締めて固定される。
この固定金具２０による加締め固定に際して、上記金属製プレート１５ｅと固定金具２０との間に各種のシール材又はシーリング材を介在させて加締め固定することも自由である。

上記金属製プレート１５ｅの中央の平面部１５ｃには、図１（Ａ）及び図２から解る通り、沢山の突出部１５ｐを整列させて設けている。
これらの突出部１５ｐは、伝熱板１５の熱交換効率を向上させるために設けたものである。
突出部１５ｐの形状、大きさ、数等は適宜設計変更することができる。例えば波型の突出部として形成することもできる。その突出形状又は形態は全く自由である。

上記金属製プレート１５ｅの使用枚数は自由に設定することができ、当該金属製プレートの縦横サイズ、厚み、上記突出部形状やその数も自由に設計変更することができる。
上記斜め起立部１５ｓの起立角度の変更等により、金属製プレート１５ｅの間隔も適宜設定することができる。

それぞれの金属製プレート１５ｅの両側縁部の接合平面部の幅も適宜設定することができ、この幅に応じて固定金具２０の形態を適宜決定することができる。
この固定金具２０の代わりとしては、合成ゴム製の固定部材による固定、金属製プレート自体の両側縁部同士を直接加締めて固定する方法、溶接着による固定、接着材による固定、又は、一方の金属製プレートの側縁部を他方の金属製プレートの側縁部に巻き付けて加締めることによる固定等々、各種の固定方法を採用することができる。

更に、この実施形態においては、蛇腹形状に形成された伝熱板１５の両長辺側の接合縁部の間に間隔を保持することのできる櫛歯形状の仕切金具２１をハウジング１０ｈの内面に設けている（図１（Ｂ）及び図２参照）。

この仕切金具２１は、蛇腹形状の伝熱板１５の接合固定縁部間の間隔を保持する間隔保持部材として機能する金具である。また、この場所は熱交換を行う場所ではないのでエァーを流したくない部分でもあり、それ故、この仕切金具２１は、その役目も担うものである。
この仕切金具２１は、ハウジング１０ｈの内面の上下方向に所定間隔を開けて複数設けている（図２参照）。

次に、上記実施形態に係る熱交換器１０の性能試験結果を以下に提示する。

上記実験に使用した金属製プレートは、板厚０．３ｍｍの銅板を使用した。
また、放熱側の入口温度Ｔ１は、上記実施形態に係る熱交換器１０の放熱側入口１２の温度を示し、その出口温度Ｔ２は、同じく放熱側出口１３の温度を示し、受熱側の入口温度Ｔ３は、上記実施形態に係る熱交換器１０の受熱側入口１７の温度を示し、その受熱側出口温度Ｔ４は、同じく受熱側出口１８での温度を示している。

上記表１が示す実験結果にある通り、供給風量が略１．０ｍ^３／ｍｉｎから３．５ｍ^３／ｍｉｎの範囲、温度Ｔ１が６０°Ｃから２００°Ｃの範囲で、熱交換効率として略６０％前後の実績を得ることができた。
この結果は、従来のプレート式熱交換器でも最高で５０％程度の交換効率であったが、略６０％程度と格段に良好な結果を示している。
その理由としては、伝熱板を各エレメントから構成することにより、その設計の自由度が広がり、そのエレメント間の間隔、中央の平面部の面積等々の諸設定により、当該熱交換効率を向上させることができるものと考えている。

尚、上記試験では供給側風量と受熱側風量を同量にして実験をしたが、勿論のこととして、現実の製品としては、供給側風量と受熱側風量に異差があっても何の問題なく使用することができる。
表中に記載した「全差圧」というのは、供給側風量と受熱側風量が熱交換器内部を通過するときの圧力損失を意味している。

この圧力損失が低いほど使い勝手の良い熱交換器と言えるのである。
また、本発明においては、突出部１５ｐの形状を変えたり、伝熱板１５の金属製プレート１５ｅ同士の間隔を狭めることにより、熱交換器内部を通過するときの風量の圧力損失値は増えるのであるが、熱交換器の熱交換効率の値は略７０％程度までも向上させることが可能となるものである。

上記試験結果に示された熱交換効率は、上記した通り、従来の熱交換器の効率以上の実績を示すものである。
従って、従来の熱交換器と比較すれば、その装置の製造に当たり、少量多品種の需要を満たし、ユーザーの要望に細かく対応したサイズと能力を備え、短納期で安価なプレート式熱交換器を提供することができることとなるのである。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明においては以下の通り種々設計変更することができる。
本発明の中心的特徴は、伝熱板として、基本単位体としての１枚の同じサイズ、同じ形状、同じ形態の金属製プレートを順次接合して蛇腹状に形成した点である。

これにより、所望サイズ・性能等の伝熱板を形成してプレート式熱交換器を製作することができる。
従って、当該金属製プレート以外の構成については、適宜必要に応じて設計変更することができる。

上記実施形態では、金属製プレートとして銅板を使用したが、アルミニウム、アクリル樹脂、ステンレス等その他の金属製板材、有機系樹脂板を使用することができ、そのサイズ、厚みも適宜自由に設計することができる。
蛇腹形状に接合固定する、その接合固定の（折り畳み）数も自由に設定することができる。
この折り畳み回数に適合するように、仕切金具の歯数も決定することができる。

金属製プレートの長辺側の接合縁部同士の接合固定手段も上記した通り自由に設計変更することができる。
ハウジングの外周面に断熱材を外装することも自由であり、設置環境に合致させて、縦置き、横置き等自由に設置することもできる。
設置に際しては、その設置環境に応じて各種の固定架台を用いて、縦置き又は横置き等自由に設置することができるからである。

放熱側入口１２、放熱側出口１３、受熱側入口１７、及び、受熱側出口１８においては、
供給エアー又は供給される排熱風はその入口と出口で直角に曲がり通過するので、この部分での圧力損失も無視ができないため、その圧力損失を最小限にするための工夫を凝らしている。

即ち、図１（Ａ）に示した通り、上記直角部分にアールを付けたり、傾斜面にて案内するような末広がりの形状としている。
更には、その内部に案内板（図２中、符号２５）を設けて、風量が左右に広がるような手段を設けることが極めて好ましい実施形態となるものである。

以上、本発明においては、蛇腹状の伝熱板をエレメント化し、このエレメント板を複数枚順次接合固定することにより蛇腹形状にハウジング内に配設することができ、これにより所望のサイズ・所望性能のプレート式熱交換器を製作することができ、ユーザーの要望に細かく対応できるプレート式熱交換器を提供できたものである。

１０ プレート式熱交換器
１０ｈ ハウジング
１１ 放熱側
１２ 放熱側入口
１３ 放熱側出口
１５ 伝熱板
１５ｃ 平面部
１５ｐ 突出部
１５ｓ 斜め起立部
１５ｔ 接合平面部
１５ｅ 金属製プレート
１６ 受熱側
１７ 受熱側入口
１８ 受熱側出口
２０ 固定金具
２１ 仕切金具
２５ 案内板
３０ 固定架台

Claims (7)

1. ハウジング内を放熱側と受熱側の２室に仕切り、放熱側には加熱処理作業を終えた排熱風を導入する放熱側入口とその放熱側出口を設け、前記受熱側には供給エアーを供給する受熱側入口とその受熱側出口を設け、前記２室を仕切る伝熱板が１枚の金属製シートを蛇腹形状に折り畳み成形したものからなるプレート式熱交換器において、
   前記伝熱板を複数の略矩形形状の金属製プレートから形成し、
   それぞれの前記金属製プレートの長辺側の側縁部同士を相互に接合固定することにより前記伝熱板を蛇腹形状に形成したことを特徴とするプレート式熱交換器。
2. 前記金属製プレートが中央の平面部と、この平面部の長辺側の両側でそれぞれ反対方向に斜めに起立する起立部と、これらの起立部の外側の接合平面部とからなり、
   前記接合平面部でそれぞれの金属製プレートが相互に接合固定されて、蛇腹形状の伝熱板が形成され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。
3. 前記それぞれの金属製プレートの放熱側又は受熱側に複数の突出部を形成したことを特徴とする請求項１又は２に記載のプレート式熱交換器。
4. 前記それぞれの金属製プレートの長辺側の両側縁部同士の接合固定が、金属製又は合成ゴム製の固定部材による固定、金属製プレートの両側縁部同士の加締めによる固定、溶接着による固定、接着材による固定、又は、一方の金属製プレートの側縁部を他方の金属製プレートの側縁部に巻き付けて加締めることによる固定であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のプレート式熱交換器。
5. 前記それぞれの金属製プレートの長辺側の側縁部の接合固定に際し、シーリング材を介在させて固定したことを特徴とする請求項４に記載のプレート式熱交換器。
6. 前記伝熱板の前記接合固定縁部間の間隔を適宜保持するための間隔保持部材を、前記伝熱板の接合固定縁部に対応するハウジングの側面部内側に配設したことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載のプレート式熱交換器。
7. ハウジング内を放熱側と受熱側の２室に仕切り、放熱側には加熱処理作業を終えた排熱風を導入する放熱側入口とその放熱側出口を設け、前記受熱側には供給エアーを供給する受熱側入口とその受熱側出口を設け、前記２室を仕切る伝熱板が１枚の金属製シートを蛇腹形状に折り畳み成形したことからなるプレート式熱交換器の製造方法において、
   前記伝熱板を形成するために、複数の略矩形形状の金属製プレートを使用し、
   これらの金属製プレートの長辺側の側縁部同士を相互に接合固定することにより前記伝熱板を蛇腹形状に形成することを特徴とするプレート式熱交換器の製造方法。