JP4524052B2 - プレート型熱交換器及びそれ用の部分的にオフセットした波形フィン - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波形の方向（波形の主要な全体方向）を規定する形式のプレート型熱交換器用の部分的にオフセットした波形フィンであって、隣り合う複数個の波形の列を含み、各列が前記波形の方向（主要な全体方向）に対して略横断しており且つ２つの隣り合う列に関して長手方向にオフセットしており、波形の各列が、波形クレストと波形トラフとによって交互に接続される一連の波形脚部を含む、前記波形フィンに関する。
【０００２】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】
『鋸歯状波形（セレーテッド・コルゲーション）』として一般的に知られている、このタイプの波形フィンは、製造容易であり且つ比較的小さな容量で大きな熱交換領域を提供する利点を有するろう付けプレート型の熱交換器に広く使用されている。これらの熱交換器では、流体流れは、並流や向流やクロスフローであり得る。
【０００３】
添付図面の図１は、本発明の適用される従来構造から成る先の熱交換器の一例を斜視的に且つ部分破断して描いてある。特にこれは極低温の熱交換器であり得る。
【０００４】
図示した熱交換器１は、遠回りの熱交換関係を有して配置されるべき多数の流体用通路を間に画成する、全部同じような平行な矩形プレート２の積み重ね（スタック）から成る。図示例では、これらの通路は、連続的且つ周期的である、第１流体用の通路３と第２流体用の通路４と第３流体用の通路５である。
【０００５】
通路３〜５の各々は、境界を定める閉塞バー６によって縁取りされており、入口／出口開口７を対応流体用にフリーのままにしている。各通路に配置されているのは、波形スペーサーピース、即ち、波形フィン８であり、加圧流体の使用時にプレート変形を回避するために、特に、ろう付け作業中に、プレート間のスペーサーピースとして作用すると同時に熱交換フィンとして作用し、また、流体の流れを案内する機能を奏する。
【０００６】
プレート、閉塞バー、及び波形スペーサーピースの積み重ねは、通常アルミニウムか又はアルミニウム合金で形成され、炉内ろう付けによって単一作業で組み立てられる。
【０００７】
次いで、全体形状が半円筒の流体入口／出口ボックス９は、対応列の入口／出口開口をキャップするために、先のように作られた熱交換器本体に溶接され、そして、流体を運ぶ及び移すためのパイプ１０９と連結される。
【０００８】
様々なタイプの波形スペーサーピース８が現存する。図２には、『鋸歯状波形』として知られている従来の波形スペーサーピースが描かれている。
【０００９】
この鋸歯状波形は、波形の主要な全体方向Ｄ１を有しており、また、該方向Ｄ１に垂直な方向Ｄ２に配向された、全部似ている９Ａ、９Ｂ、９Ｃ等のような隣接する波形９の非常に多数の列を含む。
【００１０】
説明の都合上、図２に示すように、方向Ｄ１及び方向Ｄ２は水平であると仮定する。
【００１１】
各列の波形３は、皺形状（crinkled shape）を有しており、非常に多くの矩形の波形脚部１０を含み、その各々は方向Ｄ２に直角をなす鉛直平面の面内に包含される。通路における方向Ｄ１の流体流れの全体方向Ｆに関して、脚部の各々は、先端エッジ１１及び後端エッジ１２を有する。脚部は、上方エッジ伝いに扁平且つ水平な矩形のクレスト（波頂部）１３によって、その隣が、上方エッジ伝いに扁平且つ水平な矩形のトラフ（波くぼ）１４によって、というように交互に接続される。
【００１２】
列９は、方向Ｄ２に関して相互にオフセットしており、それは、一の方向、次は他の方向というように交互である。隣り合う２つの脚部１０を隔てる距離ｐを『ピッチ』と呼ぶことにより（この場合、波形を形成する薄いシート材料の厚さｅを無視する）、オフセットは、ｐ／２となる。
【００１３】
従って、各列９は、長さがｐ／２の直線セクション１５でクレスト１３によって、そして、同一長さｐ／２を具えた直線セクション１６でトラフ１４によって、次の列９と接続される。オフセットしている平面は、鉛直平面Ｐ_AB、Ｐ_BC等であり、上方から見た場合にオフセットしている平面は、１７で示される。
【００１４】
尚、方向Ｄ１に関する各列９の長さは、『ｌ』で示され、この長さは、『鋸歯長さ（serration length）』と名付けられ、波形の高さは、『ｈ』で示される。
【００１５】
実際上、波形の各部分の形状は、上述した理論的形状とは幾分異なる場合があり、特に、小さな面１０、１３、１４の扁平度やこれらの面の垂直度や矩形度の点では異なり得る。
【００１６】
添付図面の図３〜図５はそれぞれ、図２の垂直平面III-IIIによる図解的断面図、概ねオフセット平面Ｐによる図解的断面図、波形の水平中間平面Ｑによる図解的断面図である。これらの図は、従来の鋸歯状波形の不都合を描いている。
【００１７】
何が起きるかといえば、全体方向Ｄ１における所定の流体流れが列９、例えば、列９Ａの中で有益な広い通路断面（図３）を有するものの、この平面が次の列９の脚部１０（この場合、列９Ｂの脚部１０Ｂ）の存在のために各平面Ｐで減少する、ということである。
【００１８】
従って、鋸歯状波形の特徴的なオフセットは、相当な圧力低下をもたらす。この効果を制限するために、熱効率の観点からは最適ではないが、相対的に長い鋸歯長さ『ｌ』を採用する必要がある。
【００１９】
本発明の目的は、１の列から次の列のオフセットによって鋸歯状波形に起きる圧力低下を低減若しくは無くすに等しくすることである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記形式の部分的にオフセットした波形フィンにおいて、少なくとも幾つかの波形脚部が、少なくとも１つのエッジに、高さの少なくとも一部にわたるノッチを有することを特徴とする。
【００２１】
本発明の他の主題は、上記のような波形フィンを含むプレート型熱交換器である。流体の循環のための扁平な全体形状の複数個の通路を画成する平行プレートの積み重ねと、これらの通路の境界を定める閉塞バーと、通路内に配設される波形フィンと、を含む形式の、このプレート型熱交換器は、波形フィンの少なくとも幾つかが上記定義に係る、ということを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下には、本発明の幾つかの実施態様を、図６〜図１７を参照して説明する。
【００２３】
図６の実施態様において、各脚部１０は、その単一の先端エッジ１１にノッチ１８を含む。このノッチ１８は、トラフ１４から中間高さ（即ち、レベルｈ／２）まで延びている。
【００２４】
図６〜図１３の各々において、２つの列の波形９Ａ及び９Ｂは、斜視的に描かれている。波形コンポーネントは、それが属する列に関係するように接尾辞Ａ、Ｂが付与されている。
【００２５】
図７の実施態様は、長さｈ／２を有するノッチ１８が脚部１０の先端エッジ１１に沿って中間部分にある、という点でのみ図６の実施態様とは異なる。
【００２６】
図８の実施態様は、クレスト１３及びトラフ１４に影響を及ぼすことなくノッチ１８が長さｈを有して先端エッジ全高さにわたって延びている、という点でのみ前記実施態様とは異なる。
【００２７】
図９の実施態様は、脚部１０も後端エッジ１２の全高さにわたってノッチ２１を有し、これらのノッチ２１がクレスト１３及びトラフ１４のいずれにも影響を及ぼさない、という点でのみ前記実施態様とは異なる。
【００２８】
図１０の波形フィンは、各脚部の後端エッジ１２に沿って中間部分に長さｈ／２のノッチ２１が追加されている、という点でのみ図７の実施態様とは異なる。代替案として、ノッチ１８及び２１は、ｈ／２とは異なった長さを有することができ、ｈよりも短い長さを有することができる。
【００２９】
図１１の波形フィンの実施態様において、各脚部１０は、先端エッジにノッチ１８を、後端エッジにノッチ２１を有しており、これらの２つのノッチは、ｈ／２とｈの間であるような同一高さを有すると共に同一垂直位置を有するが、しかしながら、該ノッチは、１の脚部から他の脚部に関して鉛直方向にオフセットしている。従って、列９Ａ又は９Ｂにおいて、１の脚部から次の脚部に関して、ノッチ１８、２１は、波形のクレスト１３の近くに、次は、トラフ１４の近くに、というように交互になっている。
【００３０】
図１２の実施態様は、ノッチ１８、２１が、クレスト１３の中に、次は、トラフ１４の中に、というように交互に、それらを弱めるように続いている、という点でのみ図９の実施態様とは異なる。そのように弱めることは、交換器の隣接プレートにろう付けされるフィンの領域が減少するので、圧力下での流体の搬送という場合に不都合があるかもしれない。
【００３１】
そうであるので、或る適用の場合に、図１３に示すような変更態様では、１つの列９から次の列に関してｐ／２よりも小さいオフセットを採用することが好ましい、と言い得る。従って、これによれば、高い機械的強度という利点がもたらされるが、他方、それは熱効率の損失を生じさせる。
【００３２】
図１４及び図１５に示すように、上述したフィン８の様々な実施態様の総てにおいて、ノッチ１８か又は１８及び２１（或いは２１）は、オフセットライン１７の領域で２次元の流体流れを助長する。従って、フィンの各溝（チャネル）からやって来る流体の流れは、部分的に再混合される。従って、熱交換の効率が向上する。
【００３３】
図１１の場合のように、ノッチ１８及び２１の間に鉛直方向のオフセットがある場合、流体流れには３次元の効果がもたらされ、これは熱交換を更に助長する。
【００３４】
図１６は、従来の鋸歯状波形を通る流体流れを示し、図１７は、本発明に係る鋸歯状波形を通る流体流れを示す。両図を比較することによって、次のことが分かる。ノッチ１８で（又は、後端エッジのみがノッチ形成される場合にはノッチ２１で、或いは、対向するノッチ１８及び２１で）画成される通路断面２２が、２つの脚部１０の間に画成される各チャネルの通路断面２３の半分に少なくとも等しいならば、オフセットライン１７の通路での制限による圧力低下は、大幅に低減される。要するに、ライン１７の横断時における絞り（throttling）がなくなる。
【００３５】
上記フィンは、プレート型熱交換器に通常使用される様々の材料（アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、ステンレススチール、チタニウム）で形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の適用される従来構造から成る先の熱交換器の一例を斜視的に且つ部分破断して描いた図である。
【図２】図２は、鋸歯状波形として知られている従来の波形スペーサーピースを示す斜視図である。
【図３】図３は、図２の垂直平面III-IIIによる図解的断面図である。
【図４】図４は、概ねオフセット平面Ｐによる図解的断面図である。
【図５】図５は、波形の水平中間平面Ｑによる図解的断面図である。
【図６】図６は、本発明に係る波形フィンの斜視図である。
【図７】図７は、図６と同様の図であるが、本発明に係る波形フィンの他の実施態様を示す斜視図である。
【図８】図８は、図６と同様の図であるが、本発明に係る波形フィンの更に他の実施態様を示す斜視図である。
【図９】図９は、図６と同様の図であるが、本発明に係る波形フィンの別の実施態様を示す斜視図である。
【図１０】図１０は、図６と同様の図であるが、本発明に係る波形フィンの更に別の実施態様を示す斜視図である。
【図１１】図１１は、図６と同様の図であるが、本発明に係る波形フィンのほかの実施態様を示す斜視図である。
【図１２】図１２は、図６と同様の図であるが、本発明に係る波形フィンの更にほかの実施態様を示す斜視図である。
【図１３】図１３は、図６と同様の図であるが、本発明に係る波形フィンの違う実施態様を示す斜視図である。
【図１４】図１４は、図５と同様の図であるが、図６〜８のそれらに似た波形フィンに関係する図である。
【図１５】図１５は、図１４と同様の図であるが、図９〜１１のそれらに似た波形フィンに関係する図である。
【図１６】図１６は、本発明に係る波形フィンの特性を示す図５の詳細図である。
【図１７】図１７は、本発明に係る波形フィンの特性を示す図１４の詳細図である。
【符号の説明】
９Ａ、９Ｂ…列
１０…脚部
１１…先端エッジ
１２…後端エッジ
１３…クレスト
１４…トラフ
１７…オフセットライン
１８、２１…ノッチ
２２、２３…通路断面

Claims (7)

1. 波形の方向（Ｄ１）を規定する形式のプレート型熱交換器用の部分的にオフセットした波形フィンであって、
   隣り合う複数個の波形の列（９）を含み、各波形の列が前記波形の方向に対して横断しており且つ２つの隣り合う前記各波形の列に関して長手方向（Ｄ２）にオフセットしており、前記各波形の列が、波形の方向（Ｄ１）及び長手方向（Ｄ２）を含むフィンの全体平面に直角な高さを有し、波形クレスト（１３）と波形トラフ（１４）とによって交互に接続される一連の波形脚部（１０）を含む、前記波形フィンであって、
   少なくとも幾つかの長手方向（Ｄ２）に隣接する波形脚部（１０）は、下流端以外の前記各波形の列において、少なくとも先端又は後端のエッジ（１１，１２）に、高さの一部にわたりノッチ（１８、２１）を有し、前記ノッチ（１８、２１）は、互いに対してフィンの全体平面に直角な方向にオフセットしている、ことを特徴とする波形フィン。
2. 前記波形脚部（１０）はオフセットしたノッチ（１８）を少なくもその先端のエッジ（１１）に有する、ことを特徴とする請求項１記載の波形フィン。
3. 前記波形脚部（１０）はオフセットしたノッチ（２１）を少なくもその後端のエッジ（１２）に有する、ことを特徴とする請求項１又は２記載の波形フィン。
4. ノッチ（１８，２１）により画定される通路断面（２２）は隣接する脚部（１０）の間に画定される各チャネルの通路断面の半分に少なくとも等しい、ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の波形フィン。
5. ノッチ（１８、２１）は、隣接する波形クレスト（１３）及び／又は隣接する波形トラフ（１４）へとつながっていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の波形フィン。
6. 前記複数個の波形の列の１の波形の列から次の波形の列へのオフセットは、波形のピッチの半分（ｐ／２）よりも小さいことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の波形フィン。
7. 流体の循環のための扁平な全体形状の複数個の通路（３〜５）を画成する平行プレートの積み重ねと、これらの通路の境界を定める閉塞バー（６）と、通路内に配設される波形フィン（８）と、を含む形式のプレート型熱交換器において、
   波形フィンの少なくとも幾つかは、前記請求項１から６のいずれか１項記載のものであることを特徴とするプレート型熱交換器。

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