JP4666463B2 - 熱交換用プレート - Google Patents

Description

本発明は金属薄板を成形して得られ、複数並列状態で一体化して熱交換器とされる熱交換用プレートに関し、特に、複数一体化された状態において熱交換を行う熱交換用流体を表裏各面でスムーズに流しつつ、各熱交換用流体の性質の違いに対応して適切に熱伝達を行わせて熱交換効率を高められる熱交換用プレートに関する。

高温流体と低温流体との間で熱の授受（熱交換）を行わせる熱交換器の使用にあたり、熱伝達率を大きくして熱交換性能を高めたい場合には、従来からプレート式の熱交換器が多く用いられていた。このプレート式の熱交換器は、複数の略板状のプレートを平行に所定間隔で重ね合せ、各プレート間をそれぞれ流路として、各流路にはプレート一枚おきに高温流体と低温流体を交互に流して、各プレートを介して熱交換させる構造である。このような従来のプレート式の熱交換器の一例として、特開平３−９１６９５号公報に記載されるものがある。

このような従来のプレート式の熱交換器では、プレート間を一定間隔に保つと共に流体の通路部として区画する弾性素材製のガスケットが各プレート間に配設されている。ただし、各プレート間を流れる各熱交換用流体の圧力が高い場合、流体圧力でガスケットが変形し、流体同士の隔離を維持できなくなったり、プレート間隔が変ったりして熱交換を有効に行えなくなる危険性があるため、ガスケットの耐えうる圧力範囲でしか熱交換用流体を用いることができないという問題があった。

このため、近年、弾性素材製ガスケット等を用いず、所定間隔で配置された金属薄板製の各プレート端部を互いに溶接で直接接合して、各プレートの表裏両側に熱交換用流体の流路となる隙間部を形成しつつプレートを一体化する構成の熱交換器が提案されており、特に本発明者の発明した例として、金属薄板製のプレートを複数並列状態とし、各プレート間に隙間を生じさせつつ各プレート周端同士を熱交換用流体流通用の開口部分を除き溶接して各プレートを一体化し、さらに各プレートの一の開口部分側端部に終端板を一体に溶接して一の開口部分周囲を終端板で取囲んだ状態とした熱交換ユニットが、特開２００３−１９４４９０号公報に開示されている。

一方、こうしたプレート式熱交換器の伝熱面形状としては、従来からヘリンボーンタイプの凹凸パターン形状が多く用いられていたが、この形状では圧力損失の低減と耐圧強度確保の両立が難しかったことから、近年、別の凹凸パターン形状が種々提案されており、例えば、特開２００２−２５７４８８号公報に示されるものがあった。

この従来の熱交換器におけるプレートは、シール部の内側部分に、プレートの厚さ方向に山状で上端部が平坦となるように、かつ上面から見て方型形状に形成される伝熱面要素を複数備える構成となっており、このプレートが複数枚積層されて一つの熱交換器をなす仕組みとなっている。
特開平３−９１６９５号公報 特開２００３−１９４４９０号公報 特開２００２−２５７４８８号公報

従来の熱交換器（熱交換ユニット）は前記各特許文献に示される構成となっており、前記特許文献１、２におけるプレートにも応用可能な凹凸パターン形状を有する、前記特許文献３に示された従来のプレートは、熱交換器を構成するにあたり、交互に上下反転して積層され、プレートにおける伝熱面要素の上端部と、これに隣合うプレートの流路交差部分とが接触するようになっており、伝熱面要素の出張り方向を同じ向きに合わせて積層されていることで、プレートを挟む各流路の形状は同一となる。

一般に熱交換器で熱交換を行わせる二つの流体は、異なる物質であり、その性質はもとより熱交換時における圧力や流量等の使用条件も全く違うものとなっているため、熱交換の際にはそれぞれの流体に応じた伝熱を考慮するのが望ましいが、プレート表裏の流路形状が同じである場合、プレートに対する伝熱条件がほぼ同じとなり、各流路を流れる二つの熱交換用流体について熱的には等しい条件で対応せざるを得ないこととなり、プレートを挟んで熱交換を行う二つの熱交換用流体の温度や性質等の違いに対応した最適な伝熱条件を与えることはできず、効率のよい熱交換が行いにくいという課題を有していた。

本発明は前記課題を解消するためになされたもので、伝熱部分の凹凸パターン形状を最適化して、プレート表裏を流れる各流体の性質の違いに対応可能とし、各流体に対する熱伝達性能を十分に確保し、高い熱交換効率を得られる熱交換用プレートを提供することを目的とする。

本発明に係る熱交換用プレートは、所定の凹凸パターンを有する金属製略板状体で形成され、同じ面同士を向い合わせにした一対をさらに複数組重ねた状態で一体化されて熱交換器を構成し、表面側で接する一の熱交換用流体と裏面側で接する他の熱交換用流体との間で熱交換を行わせる熱交換用プレートにおいて、前記凹凸パターンとして、一方の面側に略正円錐台状又は略正多角錐台状に隆起した状態として形成され、プレート面上の各方向へそれぞれパターン化された所定配置状態として多数成型される主隆起部と、当該各主隆起部のそれぞれ最も近い距離で隣合う同士における対向する錐面間の各中間部分で、主隆起部の対向する錐面にそれぞれ交わる斜面をなす平面及び／又は曲面を表面に有し、且つ主隆起部の頂部より低い所定高さの頂部を一又は複数有する隆起形状に形成される多数の中間隆起部とを備え、前記各主隆起部が、それぞれ最も近い距離で隣合って中間に前記中間隆起部を介在させる他の主隆起部を、周囲四方にそれぞれ等間隔で隣接させる配置関係で並べられる、等ピッチのマトリクス配列とされてなり、前記各中間隆起部と隣合う他の中間隆起部との間で、且つ前記各主隆起部と中間隆起部を介在させずに隣合う形となる若干離れた別の主隆起部との間となる部位に、隆起高さ方向について最低高さ位置となる非隆起部分が存在し、当該非隆起部分が周囲を中間隆起部及び主隆起部に取囲まれて凹部をなすものである。

このように本発明によれば、金属製略板状体に主隆起部と中間隆起部が多数配置される凹凸パターンを形成して熱交換用プレートとし、同形状の他プレートと同じ面同士を向い合わせにし、且つ前記主隆起部の頂部同士、又は主隆起部と中間隆起部に挟まれた凹部の裏面側にあたる凸部同士を当接させた複数並列状態で一体化すると、プレート上における隆起部の並び方向のそれぞれについて同じ凹凸形状の繰返しとなる面形状に応じた隙間が、プレートの表裏でそれぞれ異なった形状及び大きさとなってプレート間にあらわれることにより、各隙間が互いに異なる流路をなすこととなり、それぞれ異なった伝熱性能を発揮でき、各流路を各熱交換用流体の性状に対応させればプレートと各流体との熱伝達を極めて効率的に進行させられ、熱交換用流体間で効率よく熱交換が行える。また、各隆起部に挟まれた隙間が、各隆起部の配列方向へそれぞれ拡大縮小を繰返しながら直線状に連続し、且つ互いに交わる略網状構造の流路をなすこととなり、熱交換用流体の流れ関係が並流、向流、及び直交流いずれの場合も熱交換用流体の流れに略同じ挙動を与えてほぼ等しい伝熱性能が得られ、各熱交換用流体の流れがいずれの向きの組合わせであっても低圧力損失でスムーズに熱伝達を行わせることができ、熱交換器設計の自由度を高くでき、汎用性に優れる。

また、本発明に係る熱交換用プレートは必要に応じて、前記主隆起部が、略正円錐台状とされると共に、前記中間隆起部が曲面で形成されるものである。
このように本発明によれば、主隆起部を略正円錐台状とすると共に、中間隆起部表面を曲面とし、プレートを曲面の組合わせで形成することにより、圧力損失を抑えられ、熱交換用流体の滑らかな流動及びスムーズな熱伝達を実現して熱交換効率を向上させられる。さらに、曲面を用いることでプレートに加わる力を分散させることができ、強度を向上させて流体の高い圧力に対応でき、成形性についても向上する。加えて、熱交換用流体の一方として海水をプレート間に導入した場合、曲面部分には生物系汚れが付着しにくく、長期にわたり性能低下が起りにくい。

また、本発明に係る熱交換用プレートは必要に応じて、前記主隆起部が、略正多角錐台状とされると共に、前記中間隆起部が平面の組合わせで形成されるものである。
このように本発明によれば、主隆起部を略正多角錐台状とすると共に、中間隆起部の表面を平面状とし、プレートを平面の組合わせで形成することにより、プレート伝熱面の設計が容易となり、各熱交換用流体に対応した適切な熱交換特性を容易に付与できる上、プレート製作が容易となってコストダウンが図れる。

また、本発明に係る熱交換用プレートは必要に応じて、前記中間隆起部が、当該中間隆起部を錐面間に介在させる二つの主隆起部の並び方向と直交する向きに、主隆起部の頂部高さの１／２より低い略山型隆起部分を二つ以上並べて配置した形状とされてなるものである。
このように本発明によれば、中間隆起部の隆起高さを小さくして流路形状を表裏で変え、隆起した側の隙間の中間隆起部位置における流路を他方の隙間側よりも大きくすることにより、表裏の各隙間を通過する熱交換用流体の流量や通過速度を大きく異ならせることができ、熱交換を行わせる二つの流体の熱交換器に対する流入出量が大きく異なっている場合にも適切に対応して熱伝達をロス無く行わせることができ、熱交換効率の向上が図れる。さらに、隆起した側と反対側の隙間の中間隆起部位置では狭い流路が形成されることとなり、この部分では流体の流速が大となり、熱伝達が効率よく進行して熱交換能力をより一層高められる。

また、本発明に係る熱交換用プレートは、所定の凹凸パターンを有する金属製略板状体で形成され、同じ面同士を向い合わせにした一対をさらに複数組重ねた状態で一体化されて熱交換器を構成し、表面側で接する一の熱交換用流体と裏面側で接する他の熱交換用流体との間で熱交換を行わせる熱交換用プレートにおいて、前記凹凸パターンとして、一方の面側に略正円錐台状又は略正多角錐台状に隆起した状態として形成され、プレート面上の各方向へそれぞれパターン化された所定配置状態として多数成型される主隆起部と、当該各主隆起部のそれぞれ最も近い距離で隣合う同士における対向する錐面間の各中間部分で、主隆起部の対向する錐面にそれぞれ交わる斜面をなす平面及び／又は曲面を表面に有し、且つ主隆起部の頂部より低い所定高さの頂部を一又は複数有する隆起形状に形成される多数の中間隆起部とを備え、前記各主隆起部が、それぞれ最も近い距離で隣合って中間に前記中間隆起部を介在させる他の主隆起部を、周囲に六つ配置される配置関係で並べられる、等ピッチの千鳥状配列とされてなり、前記各中間隆起部と隣合う他の中間隆起部との間で、且つ前記各主隆起部と中間隆起部を介在させずに隣合う形となる若干離れた別の主隆起部との間となる部位に、隆起高さ方向について最低高さ位置となる非隆起部分が存在し、当該非隆起部分が周囲を中間隆起部に取囲まれて凹部をなすものである。

このように本発明によれば、金属製略板状体に主隆起部と中間隆起部が多数配置される凹凸パターンを形成して熱交換用プレートとし、同形状の他プレートと同じ面同士を向い合わせにし、且つ前記主隆起部の頂部同士、又は各中間隆起部に挟まれた凹部の裏面側にあたる凸部同士を当接させた複数並列状態で一体化すると、プレート上における隆起部の並び方向のそれぞれについて同じ凹凸形状の繰返しとなる面形状に応じた隙間が、プレートの表裏でそれぞれ異なった形状及び大きさとなってプレート間にあらわれることにより、各隙間が互いに異なる流路をなすこととなり、それぞれ異なった伝熱性能を発揮でき、各流路を各熱交換用流体の性状に対応させればプレートと各流体との熱伝達を極めて効率的に進行させられ、熱交換用流体間で効率よく熱交換が行える。また、各隆起部に挟まれた隙間が、各隆起部の配列方向へそれぞれ拡大縮小を繰返しながら直線状に連続し、且つ互いに交わる略網状構造の流路をなすこととなり、熱交換用流体の流れ関係が並流、向流、及び直交流いずれの場合も熱交換用流体の流れに略同じ挙動を与えてほぼ等しい伝熱性能が得られ、各熱交換用流体の流れがいずれの向きの組合わせであっても低圧力損失でスムーズに熱伝達を行わせることができ、熱交換器設計の自由度を高くでき、汎用性に優れる。

（本発明の第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態を図１ないし図５に基づいて説明する。図１は本実施の形態に係る熱交換用プレートの概略構成図、図２は図１のＡ−Ｂ部分拡大図、図３は図２のＣ−Ｃ断面図、Ｄ−Ｄ断面図、及びＥ−Ｅ断面図、図４は図２のＦ−Ｆ断面図及びＧ−Ｇ断面図、図５は本実施の形態に係る熱交換用プレートの並列組合わせ状態におけるプレート間の一方の隙間及び他方の隙間の構成説明図である。

前記各図において本実施の形態に係る熱交換用プレート１０は、矩形状の金属製略板状体で形成され、プレス成型される凹凸パターンとして、一方の面側に円錐台状に隆起した状態として形成され、等ピッチの所定配列状態として多数成型される主隆起部１１と、隣合う主隆起部１１の錐面間の各中間部分で、主隆起部１１の対向する錐面に交わる曲面を有し、且つ主隆起部１１の頂部１１ａより低い所定高さの頂部１２ａを有する隆起形状に形成される中間隆起部１２とを備える構成である。

凹凸パターンをなす円錐台状の各主隆起部１１は、周囲四方にそれぞれ前記中間隆起部１２を介在させつつ他の主隆起部１１を各々等間隔で隣接させる配置関係で多数並べられたマトリクス配列とされ、プレートにおける各主隆起部１１の配列のうち、各主隆起部１１間に中間隆起部１２が介在する向きの配列方向が、矩形状のプレートの各辺に対し４５°傾いた状態の凹凸パターンとなっているが、熱交換用プレート１０の凹凸パターンはこの他、前記主隆起部１１の配列方向がプレート各辺に対し平行又は直角、あるいは任意角度の傾きをなす凹凸パターンとして形成される構成でもかまわない。

熱交換用プレート１０では、各主隆起部１１と中間隆起部１２を介在させずに隣合う形となる若干離れた別の主隆起部１１との間に、隆起高さ方向について最低高さ位置となる非隆起部分がそれぞれ存在しており、この非隆起部分が周囲を主隆起部１１の錐面及び中間隆起部１２の斜面に取囲まれて凹部１３をなす構成である。この凹部１３に対し、主隆起部１１の錐面と中間隆起部１２の斜面との交線位置は隆起高さ方向に高い位置に存在している。プレートを曲面の組合わせで形成していることから、プレートに加わる力を分散させることができ、強度を向上させて流体の高い圧力に対応でき、且つ成形性についても向上する。

この熱交換用プレート１０は、同形状の別のプレートと同じ面同士を向い合わせ、前記主隆起部１１の頂部１１ａ同士、又は主隆起部１１と中間隆起部１２とに囲まれた各凹部１３の裏側の凸部分同士を当接させた複数並列状態で一体化され、当接箇所以外の各プレート間に熱交換用流体が流通可能な隙間を有する熱交換器を構成するものであり、プレート表面側で接する一の熱交換用流体と裏面側で接する他の熱交換用流体との間で熱交換を行わせる。このプレートを一体化させた状態でプレートの凸状部分同士が接することから、強度が大きくプレート間に高い圧力が加わっても変形しにくく、プレート間隔の変化が抑えられ、熱交換用流体同士の圧力差が大きい状態にも対応できる。

プレートを重ね合せた状態では、各隆起部１１、１２の隆起した側の隙間１４で、主隆起部１１より隆起高さの低い中間隆起部１２同士、及びさらに低い凹部１３同士がそれぞれ所定の間隔で対向する状態となっており、これら中間隆起部１２間と凹部１３間に生じている各隙間が連通して直線状の流路をなしている。これらの流路は中間隆起部１２間より凹部１３間で流路断面積が大きくなっており、各流路は拡大、縮小を繰返しながら直線状に連続し、且つ互いに交差・連通している（図５参照）。

一方、各隆起部１１、１２の隆起側と反対側の隙間１５においては、中間隆起部１２裏側部分間の隙間が主隆起部１１裏側部分間に生じる空間同士を連通させる状態となっており、直線状の流路が形成される。これらの流路は中間隆起部１２裏側部分間より主隆起部１１裏側部分間で流路断面積が大きくなっており、各流路は拡大、縮小を繰返しながら主隆起部１１の並んだ方向に直線状に連続し、且つ互いに交差・連通している（図５参照）。通常、このプレートを重ね合せた状態において、プレート各辺は水平又は垂直方向にそれぞれ一致させて支持されることから、プレート間の主な流路部分、すなわち、プレートの各凹部分と中間隆起部１２に沿って連続する隙間部分は斜めに傾くこととなる。

これら隙間１４と隙間１５の形状及び大きさは、プレートが表裏で非対称形状であり、且つ同じ面同士を向い合わせて重ねられているために、互いに異なったものとなっている。各隙間１４、１５は、その形状及び大きさに基づいて互いに異なる伝熱特性をそれぞれ有することになるが、あらかじめ熱交換を行わせる二つの流体の性質を考慮して、これに合わせた伝熱特性となるように、各隙間の形状及び大きさがプレート凹凸形状の調整により設定される。そして、これら各隙間１４、１５に、その特性に合った性質を有する方の熱交換用流体がそれぞれ導入されるよう、熱交換器全体の構造も設定される。

次に、本実施の形態に係る熱交換用プレートを用いた熱交換器の使用状態について説明する。熱交換用プレート１０が複数並列状態で一体に組合わされたユニット化状態では、各隆起部１１、１２の隆起した側の隙間１４に一方の熱交換用流体を流入・流出させる一方、前記隙間１４と熱交換用プレート１０を隔てて位置する各隆起部１１、１２の隆起側と反対側の隙間１５に、他の熱交換用流体を流通させると、二つの熱交換用流体の間で熱交換が行えることとなる。

各プレート間の隙間１４、１５が各隆起部形状に対応して、各隆起部１１、１２の並ぶ各方向のそれぞれについて直線状に連続する状態となっており、隙間１４、１５にそれぞれ流通させる二つの熱交換用流体の流れ関係が並流、向流、又は直交流のいずれの場合でも、流れについて熱交換用流体に略同じ条件を与えられ、二つの流体がいずれの向きの組合わせであっても、流路における圧力損失を抑えてスムーズに隙間１４、１５を流通させられ、効率よく熱交換が行えることとなる。

例えば、熱交換用流体が互いに向流となる流れ関係で流通している場合、各隆起部１１、１２が隆起している表面側の隙間１４では、各隆起部１１、１２の並ぶ斜め各方向へ向け、隆起高さの最も低い凹部１３間と中間の高さの中間隆起部１２間を主とする流体流路が連続し、これを熱交換用流体が流下する状態となっている他、各隆起部１１、１２の隆起側と反対側の裏面側隙間１５では、主隆起部１１裏側の凹部分間と中間隆起部１２裏側部分の間を主とする流体流路が斜めに連続し、これを他の熱交換用流体が流れる状態となっており、それぞれ熱交換用流体が斜めに進みながら自然に合流、分岐して熱交換用プレート１０の表裏面各部にもれなくスムーズに行渡ることとなる。

こうして熱交換用流体がプレート全体に広く行渡ることでプレートと各流体間の熱伝達が促されることに加え、プレート間で拡大、縮小を繰返して連続する独特な形状を有し、且つプレート表裏両側において各熱交換用流体の性質を十分に考慮した熱伝達特性に設定された各流路を熱交換用流体は通過してきており、熱交換用プレート１０と各熱交換用流体間では効率よく熱伝達が進行し、流体間での熱交換効率が大きく向上する。

このように、本実施の形態に係る熱交換用プレートにおいては、金属製略板状体に略円錐台状の主隆起部１１と曲面状の中間隆起部１２が多数配置される凹凸パターンを形成して熱交換用プレート１０とし、同形状の他プレートと同じ面同士を向い合わせにし、且つ前記主隆起部１１の頂部１１ａ同士、並びに又は主隆起部１１と中間隆起部１２に挟まれた凹部１３の裏面側にあたる凸部同士を当接させた複数並列状態で一体化すると、同じ凹凸形状の繰返しとなる面形状に応じたプレート間の隙間１４、１５が、プレートの表裏でそれぞれ異なった形状及び大きさとなってプレート間に存在することから、各隙間１４、１５が互いに諸特性、特に伝熱特性の異なる流路をなすこととなり、各隙間１４、１５を各熱交換用流体の性質にそれぞれ対応させた形状とすることが容易となり、流体の性質に対応した流路とすることでプレートと各流体との熱伝達を極めて効率的に進行させられ、熱交換用流体間で効率よく熱交換が行える。また、プレートを曲面の組合わせで形成していることから、圧力損失を抑えられ、熱交換用流体の滑らかな流動及びスムーズな熱伝達を実現して熱交換効率を向上させられる。さらに、熱交換用流体の一方として海水をプレート間に導入した場合、曲面部分には生物系汚れが付着しにくく、長期にわたり性能低下が起りにくい。

なお、前記実施の形態に係る熱交換用プレートにおいて、凹凸パターン形状を有する伝熱部分以外については任意の構成とすることができ、プレートの周縁部形状や開口孔を適宜設定することにより、プレート端部を互いに溶接で直接接合することで複数のプレートを一体化して構成されるプレート式熱交換器や、ガスケットを各プレート間に配設した状態で複数のプレートを密着一体化させて構成されるプレート式熱交換器等の熱交換用プレートとして用いることができる。

また、前記実施の形態に係る熱交換用プレートにおいて、主隆起部１１の配置は、一主隆起部１１に対し四方に中間隆起部１２を介在させつつ主隆起部１１をそれぞれ配置した構成としているが、これに限らず、例えば図６に示すように、一主隆起部１６に対し周囲に六つの主隆起部１６がそれぞれ中間隆起部１７や凹部１８を介在させる形で配置されて、各主隆起部１６及びその頂部１６ａが千鳥状配列となるパターンなど、一主隆起部の隣合う他の主隆起部の配置数を種々設定したパターン形状とする構成とすることもでき、プレート間の隙間がなす流体流路がそこに導入される熱交換用流体の特性に適切に対応するものとなるように細かく調整できることとなる。

（本発明の第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態を図７及び図８に基づいて説明する。図７は本実施の形態に係る熱交換用プレートの要部拡大説明図、図８は図７のＨ−Ｈ断面図、Ｉ−Ｉ断面図、及びＪ−Ｊ断面図である。
前記各図において本実施の形態に係る熱交換用プレート２０は、前記第１の実施形態同様、矩形状の金属製略板状体上にプレス成型される凹凸パターンとして、一方の面側に円錐台状の隆起形状として多数成型される主隆起部２１を備える一方、主隆起部２１間に中間隆起部を設けず、主隆起部２１が錐面同士を直接交わらせた形状に形成される構成を有するものである。

凹凸パターンをなす円錐台状の各主隆起部２１は、周囲四方においてそれぞれ他の主隆起部２１と互いに錐面同士交わるような配置関係で多数並べられた等ピッチのマトリクス配列とされている。そして、熱交換用プレート２０では、各主隆起部２１と錐面を交わらせることなく隣合う別の主隆起部２１との間に、隆起高さ方向について最低高さ位置となる非隆起部分がそれぞれ存在しており、この非隆起部分が周囲を主隆起部２１の錐面に取囲まれて凹部２３をなす構成である。この凹部２３に対し、主隆起部２１の錐面同士の交線２２位置は隆起高さ方向上側に存在している。

前記第１の実施形態同様、この熱交換用プレート２０は、同形状の別のプレートと同じ面同士を向い合わせ、前記主隆起部２１の頂部２１ａ同士、又は主隆起部２１に囲まれた各凹部２３の裏側の凸部分同士を当接させた複数並列状態で一体化され、当接箇所以外の各プレート間に熱交換用流体が流通可能な隙間を有する熱交換器を構成するものであり、プレート表面側で接する一の熱交換用流体と裏面側で接する他の熱交換用流体との間で熱交換を行わせる。

プレートを重ね合せた状態では、当接箇所以外の各プレート間に生じている各隙間が熱交換用流体の流路をなし、これらの流路は凹部２３間や主隆起部２１裏側部分間でそれぞれ流路断面積を大きくするなど、プレート表裏でそれぞれ拡大、縮小を繰返しながら各方向へ連続しており、プレート表裏の二つの熱交換用流体の流れ関係によらず、流路における圧力損失を抑えて各流体をスムーズに隙間へ流通させられ、流体間の熱交換を効率よく行わせることができる。

また、これら各隙間の形状及び大きさは、プレートが表裏で非対称形状であり、且つ同じ面同士を向い合わせて重ねられているために、互いに異なったものとなっており、これら各流路を熱交換用流体が通過することで、熱交換用プレート２０と各熱交換用流体間では効率よく熱伝達が進行し、流体間での熱交換効率が大きく向上する。

（本発明の第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態を図９ないし図１３に基づいて説明する。図９は本実施の形態に係る熱交換用プレートの概略構成図、図１０は図９のＫ−Ｌ部分拡大図、図１１は図１０のＭ−Ｍ断面図、Ｎ−Ｎ断面図、及びＯ−Ｏ断面図、図１２は図１０のＰ−Ｑ−Ｒ−Ｓ−Ｔ−Ｕ線組合せ断面図、及びＶ−Ｖ断面図、図１３は本実施の形態に係る熱交換用プレートの並列組合わせ状態におけるプレート間の一方の隙間及び他方の隙間の構成説明図である。

前記各図において本実施の形態に係る熱交換用プレート３０は、矩形状の金属製略板状体で形成され、プレス成型される凹凸パターンとして、一方の面側に略四角錐台状に隆起した状態として形成され、略四角錐台の各錐面を隣接する他の略四角錐台状部分の錐面と対向させる所定配列状態として等ピッチで多数成型される主隆起部３１と、隣合う主隆起部３１の対向する錐面間の各中間部分で、主隆起部３１の頂部高さの１／２より低い略山型隆起部分を二つ配置した形状とされてなる中間隆起部３２とを備える構成である。

凹凸パターンをなす略四角錐台状の各主隆起部３１は、周囲四方にそれぞれ前記中間隆起部３２を介在させつつ他の主隆起部３１を各々等間隔で隣接させる配置関係で多数並べられたマトリクス配列とされる構成であり、前記第１の実施形態同様、各主隆起部３１の配列のうち、各主隆起部３１間に中間隆起部３２が介在する向きの配列方向を、略矩形状のプレートの各辺に対しほぼ４５°傾いた（各主隆起部３１の稜線３１ｂ配列方向が熱交換プレート３０各辺に対し平行又は直角となる）凹凸パターンとされている。

前記中間隆起部３２は、この中間隆起部３２を錐面間に介在させる二つの主隆起部３１の並び方向と直交する向きに二つの略山型隆起部分を並べた形状として形成され、いずれの隆起部分も主隆起部３１の頂部高さの１／２より低い高さとされる構成である。また、プレート上には、各主隆起部３１と中間隆起部３２を介在させずに隣合う形となる若干離れた別の主隆起部３１との間に、隆起高さ方向について最低高さ位置となる非隆起部分がそれぞれ存在しており、この非隆起部分が周囲を主隆起部３１の錐面及び中間隆起部３２の斜面に取囲まれて凹部３３をなす構成である。この凹部３３に対し、主隆起部３１の錐面と中間隆起部３２の斜面との交線位置は隆起高さ方向に高い位置に存在している。

この熱交換用プレート３０は、前記第１の実施形態同様、同形状の別のプレートと同じ面同士を向い合わせ、前記主隆起部３１の頂部３１ａ同士、又は主隆起部３１と中間隆起部３２とに囲まれた各凹部３３の裏側の凸部分同士を当接させた複数並列状態で一体化され、当接箇所以外の各プレート間に熱交換用流体の流通可能な隙間３４、３５が生じている熱交換器を構成するものである。熱交換用プレート３０を重ね合せた状態では、各隆起部３１、３２の隆起した側の隙間３４において、中間隆起部３２同士の対向する間隔が凹部３３同士の対向する間隔と比べ若干小さい程度となっている。これら中間隆起部３２間と凹部３３間にそれぞれ生じる各隙間が連通した流路は、流路断面積の大きさの変化が小さく、この流路は小幅の拡大、縮小を繰返しながら直線状に連続し、且つ互いに交差・連通している（図１３参照）。

一方、各隆起部３１、３２の隆起側と反対側の隙間３５においても、中間隆起部３２裏側と主隆起部３１裏側の隙間が連通して熱交換用流体の流路を形成しているが、これらの流路は中間隆起部３２裏側部分で主隆起部３１裏側部分に比べて流路断面積が著しく小さい状態となっており、各流路は変化幅の大きな拡大、縮小を繰返しながら主隆起部３１の並ぶ向きに直線状に連続し、且つ互いに交差・連通している（図１３参照）。前記第１の実施形態同様、このプレートを重ね合せた状態において、通常プレート各辺は水平又は垂直方向にそれぞれ一致させて支持されることから、プレート間の主な流路部分、すなわち、プレートの各凹部分と中間隆起部３２に沿って連続する隙間部分は斜めに傾くこととなる。

これら隙間３４と隙間３５の形状及び大きさは、プレートが表裏で非対称形状であり、且つ同じ面同士を向い合わせて重ねられているために、互いに大きく異なったものとなっており、各隙間３４、３５は互いに異なる伝熱特性をそれぞれ有することとなる。各隙間の形状及び大きさは二つの熱交換用流体の性質に合わせた伝熱特性となるようにプレート凹凸形状の調整で設定される。また、これら各隙間３４、３５に、その特性に合った性質を有する方の熱交換用流体がそれぞれ導入されるよう、熱交換器全体の構造も設定される。

次に、本実施の形態に係る熱交換用プレートを用いた熱交換器の使用状態について説明する。前記第１の実施形態同様、熱交換用プレート３０が複数並列状態で一体に組合わされたユニット化状態では、各隆起部３１、３２の隆起した側の隙間３４に一方の熱交換用流体を流入・流出させる一方、前記隙間３４と熱交換用プレート３０を隔てた反対側の隙間３５に他方の熱交換用流体を流通させると、二つの熱交換用流体の間で熱交換が行えることとなる。各プレート間の隙間３４、３５は、各隆起部３１、３２に対応した形状で、各隆起部３１、３２の並ぶ各方向にそれぞれ連続する状態となっており、隙間３４、３５にそれぞれ流通させる二つの熱交換用流体の流れ関係が並流、向流、又は直交流のいずれの場合でも、流れについて熱交換用流体に略同じ条件を与えられ、二つの流体がいずれの向きの組合わせであっても、流路における圧力損失を抑えてスムーズに隙間３４、３５を流通させられ、効率よく熱交換が行える。

例えば、熱交換用流体が互いに向流となる流れ関係で流通している場合、各隆起部３１、３２が隆起している表面側の隙間３４では、各隆起部３１、３２の並ぶ斜め各方向に向け、凹部３３間と中間隆起部３２間を主とする流体流路が連続し、これを熱交換用流体が流下する状態となっている。他方、各隆起部３１、３２の隆起側と反対側の裏面側隙間３５では、主隆起部３１裏側の凹部分間と中間隆起部３２裏側部分間を主とする流体流路が斜めに連続し、これを他の熱交換用流体が流れる状態となっており、それぞれ熱交換用流体が斜めに進みながら自然に合流、分岐して熱交換用プレート３０の表裏面各部にもれなくスムーズに行渡ることとなり、プレートと各流体間の熱伝達が促される。

前記第１の実施形態同様、熱交換用流体は隙間３４、３５のそれぞれ拡大、縮小を繰返して連続する独特な形状で、且つプレート表裏両側で各流体の性質に基づく熱伝達特性を十分に考慮した流路を通過する。特に、中間隆起部３２の隆起高さが小さいことにより、隙間３４の中間隆起部３２位置における流路は隙間３５側よりも大きく、隙間３４、３５の流量が大きく異なる状態を許容することができ、熱交換を行わせる二つの流体の体積流量が著しく異なっている場合（例えば、各流体が液相と気相のものであるなど）にも適切に対応して、プレートと熱交換用流体との間の熱伝達を促せることとなる。さらに、隙間３５の中間隆起部３２部分における間隔は非常に小さく、狭い流路が形成されているので、隙間３５のこの部分を流れる熱交換用流体の流速は大となり、プレートと熱交換用流体との間の熱伝達を効率よく進行させられる。こうして最適化された流路に各熱交換用流体を通過させつつ、熱交換用プレート３０との間で熱伝達を適切に行わせることで、流体間でロス無く効率よく熱交換を行わせることができる。

このように、本実施の形態に係る熱交換用プレートにおいては、主隆起部３１を略四角錐台状とすると共に、中間隆起部３２の斜面を平面状とし、プレートを平面の組合わせで形成する一方、中間隆起部３２の隆起高さを小さくして流路形状を表裏で変え、隆起した側の隙間の中間隆起部３２位置における流路を他方の隙間側よりも大きくすることから、表裏の各隙間を通過する熱交換用流体の流量や通過速度を大きく異ならせることができ、熱交換を行わせる二つの流体の熱交換器に対する流入出量が大きく異なっている場合にも適切に対応して熱伝達を無理なく行わせることができ、熱交換効率の向上が図れる。

なお、前記実施の形態に係る熱交換用プレートにおいては、主隆起部３１を略四角錐台状に形成する構成としているが、これに限らず、主隆起部を五角錐や六角錐等、他の多角錐台状に形成し、且つ錐面の数に応じて主隆起部の配置関係を調整して形成した凹凸パターンとすることもできる。

また、前記実施の形態に係る熱交換用プレートにおいては、略四角錐台状をなす各主隆起部３１の配列のうち、各主隆起部３１間に中間隆起部３２が介在する向きの配列方向が、略矩形状のプレートの各辺に対しほぼ４５°傾いた凹凸パターンを用いる構成としているが、これに限らず、主隆起部３１における中間隆起部３２が介在する向きの配列方向がプレートの各辺に対し平行又は直角、あるいは任意角度の傾きをなす凹凸パターンを採用する構成とすることもできる。

本発明の第１の実施形態に係る熱交換用プレートの概略構成図である。 図１のＡ−Ｂ部分拡大図である。 図２のＣ−Ｃ断面図、Ｄ−Ｄ断面図、及びＥ−Ｅ断面図である。 図２のＦ−Ｆ断面図及びＧ−Ｇ断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る熱交換用プレートの並列組合わせ状態におけるプレート間の一方の隙間及び他方の隙間の構成説明図である。 本発明の他の実施形態に係る熱交換用プレートの要部拡大説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る熱交換用プレートの要部拡大説明図である。 図７のＨ−Ｈ断面図、Ｉ−Ｉ断面図、及びＪ−Ｊ断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る熱交換用プレートの概略構成図である。 図９のＫ−Ｌ部分拡大図である。 図１０のＭ−Ｍ断面図、Ｎ−Ｎ断面図、及びＯ−Ｏ断面図である。 図１０のＰ−Ｑ−Ｒ−Ｓ−Ｔ−Ｕ線組合せ断面図、及びＶ−Ｖ断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る熱交換用プレートの並列組合わせ状態におけるプレート間の一方の隙間及び他方の隙間の構成説明図である。

符号の説明

１０、２０、３０ 熱交換用プレート
１１、１６、２１、３１ 主隆起部
１１ａ、２１ａ、３１ａ 頂部
１２、１７、３２ 中間隆起部
１２ａ 頂部
１３、１８、２３、３３ 凹部
１４、１５、３４、３５ 隙間
１６ａ 頂部
２２ 交線
３１ｂ 稜線

Claims (5)

1. 所定の凹凸パターンを有する金属製略板状体で形成され、同じ面同士を向い合わせにした一対をさらに複数組重ねた状態で一体化されて熱交換器を構成し、表面側で接する一の熱交換用流体と裏面側で接する他の熱交換用流体との間で熱交換を行わせる熱交換用プレートにおいて、
   前記凹凸パターンとして、一方の面側に略正円錐台状又は略正多角錐台状に隆起した状態として形成され、プレート面上の各方向へそれぞれパターン化された所定配置状態として多数成型される主隆起部と、
   当該各主隆起部のそれぞれ最も近い距離で隣合う同士における対向する錐面間の各中間部分で、主隆起部の対向する錐面にそれぞれ交わる斜面をなす平面及び／又は曲面を表面に有し、且つ主隆起部の頂部より低い所定高さの頂部を一又は複数有する隆起形状に形成される多数の中間隆起部とを備え、
   前記各主隆起部が、それぞれ最も近い距離で隣合って中間に前記中間隆起部を介在させる他の主隆起部を、周囲四方にそれぞれ等間隔で隣接させる配置関係で並べられる、等ピッチのマトリクス配列とされてなり、
   前記各中間隆起部と隣合う他の中間隆起部との間で、且つ前記各主隆起部と中間隆起部を介在させずに隣合う形となる若干離れた別の主隆起部との間となる部位に、隆起高さ方向について最低高さ位置となる非隆起部分が存在し、当該非隆起部分が周囲を中間隆起部及び主隆起部に取囲まれて凹部をなすことを
   特徴とする熱交換用プレート。
2. 前記請求項１に記載の熱交換用プレートにおいて、
   前記主隆起部が、略正円錐台状とされると共に、前記中間隆起部が曲面で形成されることを
   特徴とする熱交換用プレート。
3. 前記請求項１に記載の熱交換用プレートにおいて、
   前記主隆起部が、略正多角錐台状とされると共に、前記中間隆起部が平面の組合わせで形成されることを
   特徴とする熱交換用プレート。
4. 前記請求項１ないし３のいずれかに記載の熱交換用プレートにおいて、
   前記中間隆起部が、当該中間隆起部を錐面間に介在させる二つの主隆起部の並び方向と直交する向きに、主隆起部の頂部高さの１／２より低い略山型隆起部分を二つ以上並べて配置した形状とされてなることを
   特徴とする熱交換用プレート。
5. 所定の凹凸パターンを有する金属製略板状体で形成され、同じ面同士を向い合わせにした一対をさらに複数組重ねた状態で一体化されて熱交換器を構成し、表面側で接する一の熱交換用流体と裏面側で接する他の熱交換用流体との間で熱交換を行わせる熱交換用プレートにおいて、
   前記凹凸パターンとして、一方の面側に略正円錐台状又は略正多角錐台状に隆起した状態として形成され、プレート面上の各方向へそれぞれパターン化された所定配置状態として多数成型される主隆起部と、
   当該各主隆起部のそれぞれ最も近い距離で隣合う同士における対向する錐面間の各中間部分で、主隆起部の対向する錐面にそれぞれ交わる斜面をなす平面及び／又は曲面を表面に有し、且つ主隆起部の頂部より低い所定高さの頂部を一又は複数有する隆起形状に形成される多数の中間隆起部とを備え、
   前記各主隆起部が、それぞれ最も近い距離で隣合って中間に前記中間隆起部を介在させる他の主隆起部を、周囲に六つ配置される配置関係で並べられる、等ピッチの千鳥状配列とされてなり、
   前記各中間隆起部と隣合う他の中間隆起部との間で、且つ前記各主隆起部と中間隆起部を介在させずに隣合う形となる若干離れた別の主隆起部との間となる部位に、隆起高さ方向について最低高さ位置となる非隆起部分が存在し、当該非隆起部分が周囲を中間隆起部に取囲まれて凹部をなすことを
   特徴とする熱交換用プレート。

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