JP4738116B2 - クロスフローコア式プレート型熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、クロスフローコア式プレート型熱交換器に関する。

特開昭６１−１９０２８８号公報は、従来の代表的なクロスフローコア式プレート型熱交換器を開示している。該公報は、伝熱板を積層したコアを有し、伝熱板内に流れを折り返すための連結溝状穴を有する。しかし、後述する本発明の側板をもたない。２種の流れが伝熱板を隔てて直交することにより熱交換を行っている。
特開昭６１−１９０２８８号公報

従来型のプレート型熱交換器はつぎの問題を有していた。
（イ）１形式の熱交換器のコアで１つの性能しか出せない。
（ロ）流れの圧力を高圧にできず、高圧構造にできない。
（ハ）コアまで分解しないと掃除ができない。

本発明の目的は、１つのコアで側板を取り替えるだけで複数の性能が得られ、容易に高圧流体に対応することができる、コア内を含み熱交換器の物理的洗浄が可能な、クロスフローコア式プレート型熱交換器を提供することにある。

上記課題は、本発明により、以下のように達成される。
（１） 角型の伝熱板を積層した、１段ごとに９０度異なった方向に開口のある４側面をもつコアと、
コアの４側面のうちの対向する２面に着脱可能に装着される第１の側板と、
コアの４側面のうちの、前記２面と直交する対向２面に着脱可能に装着される第２の側板と、
からなり、
前記第１、第２の側板は、流れを反転させるための溝と、流れを流入・排出するための溝、の何れかの溝を有し、
前記コアの直交する側面に対して前記第１、第２の側板を選択して装着することで、コアの構造を同一に保持したまま前記第１、第２の側板を取り替えるだけで、３種類の異なる性能に切替え可能であり、
該３種類の性能は、
前記第１、第２の側板の両方の側板が流れを反転させるための溝を有する側板からなる時に得られる性能と、
前記第１、第２の側板の両方の側板が流れを流入・排出するための溝を有する側板からなる時に得られる性能と、
前記第１、第２の側板の一方の側板が、流れを反転させるための溝を有する側板からなり、前記第１、第２の側板の他方の側板が、流れを流入・排出するための溝を有する側板からなる時に得られる性能と、
を含むマルチユース・クロスフローコア式プレート型熱交換器。

上記（１）のマルチユース・クロスフローコア式プレート型熱交換器によれば、着脱可能に貼付される第１、第２の側板を用いたので、コアを取り替えずに、側板だけを取り替えることによって容易に複数の性能が得られる。従来方式と異なり本発明ではパッキンが不要である、また、コア内に折り返し流路を設ける従来方式に比べて折り返し部を側板に設けるのでコアの圧力がかかる部分の面積が小になる、等の理由により、高圧の流体の使用が許され、流体の圧力が高くてもそのまま使用できる。また、着脱可能な側板をコアから離脱させることにより、側板自体およびコア内の物理的洗浄が容易である。
上記（１）のマルチユース・クロスフローコア式プレート型熱交換器によれば、側板に流れを反転させるための溝と、流れを流入・排出するための溝の何れかの溝を集約でき、側板を取り替えることによって、複数の性能を容易に出すことができる。

本発明のマルチユース・クロスフローコア式プレート型熱交換器１０は、角型伝熱板１１の相対する二辺に側壁１２を設けたエレメント１３（図１）を、隣接エレメント１３を９０度ずらして積み上げ接合した、開口部１４が一段ごと９０度異なる積層コア１５（図２）を構成し、角型伝熱板１１を隔てて直交し流れる異なった流体１６、１７の間で熱交換を行わせる熱交換器である。

コア１５の一つの側面１８Ａを、反転溝１９Ａ付き側板２０Ａ（図３）で覆い、開口１４からの流れを反転し、次の開口１４に繋ぐ。次に、相対する側面１８Ｂを一段ずらした溝１９Ａを持つ側板２０Ｂで覆い、流れを反転流で繋ぐことで、帯状の長い伝熱面を持つ流路１６Ｘ（図２、図４）を得る。

また、残り二面１８Ｃ、１８Ｄについても同様の作業を行う。すなわち、コア１５の一つの側面１８Ｃを、反転溝１９Ａ付き側板２０Ｃ( 図３）で覆い、開口１４からの流れを反転し、次の開口１４に繋ぐ。次に、相対する側面１８Ｄを一段ずらした溝１９Ｄを持つ側板２０Ｄで覆い、流れを反転流で繋ぎ、帯状の長い伝熱面を持つ流路１６Ｙ（図２、図４）を得る。

これによって、先の流路１６Ｘと伝熱板１１を介し直交する同じ長さの流路１６Ｙを得る。コア１５の上下面に、二つの流路１６Ｘ、１６Ｙと繋がる給入、排出の機能をもつ端板２３（図５）を設けることで、熱回収率の高い熱交換器１０Ａ（図６）を構成する。
積層コア１５に反転溝１９Ａ付き側板２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄを組み合わせることで低コストで容易に反転流を持つ構造を得る。

また、積層コア１５（図７）の開口を有する4 面１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄを、給排口を持つ溝付き側板２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄ（図８）で覆い、給排分配プレート２６を装備すると、積層コア１５に対し、側板２１と給排分配プレート２６がヘダーを構成し、一般に使用されている直交する単純流の熱交換器１０Ｂ（図９、１０）となる。

また、積層コア１５の相対する二面１８Ａ、１８Ｂを反転溝付き側板２０Ａ、２０Ｂ、それに直交する二面１８Ｃ、１８Ｄに給排口１９Ｂを持つ溝付き側板２１Ｃ、２１Ｄで覆う事（図１１）により、長い反転流と多層の単流の間で熱交換を行わせる事ができ、前記２機種とは、異なった性能を持つ熱交換器１０Ｃ（図１２、１３）となる。

このように、標準品として作られた、積層コア１５と、二種の側板２０型と２１型、または２０Ｃ、２０Ｄを目的に合わせ、使い分ける事により、三種の性能を得ることができる。これを可能とした積層コア１５と側板を組み合わせる構造システムにある。

また、この構造において、側板２０型と２１型に若干の追加工、或いは給排分配プレート２６の選択により、反転流も、多層の単流束も分割することが可能であり、これにより、性能選択の自由度は更に広がる。

つぎに、本発明の作用、効果を説明する。
積層コア１５の層空間を、従来のような連結管や溶接板金加工で繋ぐことに換えて、反転溝１９Ａ付き側板２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄを採用することで、熱媒体の流れを容易に繋ぐことが出来た。これにより、従来のプレート型熱交換器と同様、伝熱板１１を介した二条の長い反転流を形成する熱交換器１０Ａとなり、また、反転溝付側板２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄに給排口２４、２５を設けることで、単純流の熱交換器にも使用できる。

積層コア１５と側板２０型と２１型で構成するこの熱交換器１０は、積層コア１５の直交する二方向に対し、側板の種類を選択適用することで、反転流と反転流、単純流と単純流、および反転流と単純流、の互いに異なる三つの熱交換機能を持ち、三種の性能を使い分けることができる。その上、反転流と単純流の組み合わせにおいては、一次、二次の熱媒体の選び方で目的性能が異なり、二種の性能となるので、一つの製品で、目的に応じた四種の性能を提供することができる。

また、側板及び分配プレート２６の仕様を変更することで、反転流は流路長を、単純流はその流数を分割する事が可能で、一台の機器で複数の目的に対応可能である。

また、積層コア１５の側壁１２は金属接合であり、また、積層間は圧力は平均化され、側板の受圧面積は縮小され、テンションボルトにより締め付けれるので、耐圧性も優れている。

また、単純な構造で組立型にしたことで、洗浄等メンテナンス性に優れる。化学洗浄のみならず、側板を外せば物理的洗浄も可能である。
また、単純で汎用性に富んだ構造であり、低コストで、標準品として製作可能で、量産性にも優れている。

また、本機は、設計上での柔軟性にも富んでおり、目的に応じ自由な設計も可能である。
また、構造上、内部は温度も均等化され、偏分布も無く、全体温度を低く抑えることができる。圧力も平均化され、低く抑えることができる。高温高圧の流体に対応可能となる。
また、近年、燃料電池、マイクロガスタービンに代表される小型の発電設備や空調設備それに発熱を伴う電子装置等小型の熱交換器を必要とすることが非常に増えている。また、放出熱量を十分抑えることができず、地球環境上では社会問題になってきている。それに対し、当発明品は、それら様々なニーズ対し、柔軟に、経済的に適用できる。

さらに、以下の（ｉ）、（ii）、（iii)、（iv）の作用、効果がある。
（ｉ）多目的（マルチユース）使用可能な汎用標準型熱交換器である。
すなわち、標準品でありながら、２種類の側板２０型と２１型の選択により異なった三つの特性が選べ、流れの様式に対する一次系、二次系の適応の仕方、また、流れ方向の選択の仕方で異なった性能が得られるので、種々の目的に対応可能なマルチユース熱交換器となる。
特に、反転流と単純流の組み合わせ性能は、従来のプレート型熱交換器では対応しえなかった性能であり、熱交換器適用の領域を更に広げることになる。
また、反転溝付側板２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄに追加工し、適合した給排分配プレート２６を設ける事で、反転流を２〜３段に分割でき、単純流の場合もヘダー部を分割する事で分割使用することができる。
また、複数の機器を直列、並列に結び、システム化する事で、更に用途の巾が広がる。

（ii）さらに、設計に対する柔軟性も高く、個別品、標準品に関わりなく、目的に応じた性能設計が可能で適用範囲は更に広がる。
・ 性能に関係する設計因子
流路寸法（流路巾、高さ及び長さ）、伝熱板の形状（正方形、短径）と枚数、伝熱板の材料（銅、ステンレス等）と板厚、目的に応じた一次系、二次系の流れを決める構造の設定、ディンプル、フイン等伝熱板に対する性能向上加工の自由度が上がる。
・ 低コスト品の設計
中温、低圧の一般用途には隔壁、側板に樹脂系材料を使用し、接着剤にて接合でき、低コスト品となる。

（iii)伝熱板積層コアの特性が生かされ、安定した保守性能が期待できる。
・ 一次系、二次系の流体で各部の温度が平均化され、温度差による局部歪は小さい。
・ 熱交換部がコアに集約され一塊となっているので、外部放熱、吸熱も小さく、対処も容易である。
・ 伝熱板を介する以外、一次系、二次系の流体が接合する部分が無いので、両者が混合する恐れは少ない。
・ 標準型では、コアの開口部の上下の伝熱板端部と面タッチでシールされているが、はめ込み式で仕切る事も可能である。目的に応じ設計を行う。
・ 側板を外すと両端が開いた真直ぐの角通路群からなり、洗浄性に優れている。

（iv）基本形は極小型から中型まで標準品として、幅広い寸法（サイズ）および容量の領域を網羅できる。部品点数も少なく、単純な構造から低価格の標準品として、量産性に優れている。

本発明の、反転流直交型熱交換の場合の、クロスフローコア式プレート型熱交換器のコアエレメントの斜視図である。 本発明の、反転流直交型熱交換の場合の、クロスフロー伝熱積層コアの斜視図である。 本発明の、反転流直交型熱交換の場合の、クロスフローコア式プレート型熱交換器の反転溝付側板の斜視図である。 本発明の、反転流直交型熱交換の場合の、クロスフローコア式プレート型熱交換器の給排口付上部端板の斜視図である。 本発明の、反転流直交型熱交換の場合の、クロスフローコア式プレート型熱交換器の積層コアの、熱媒体の流れを示す、断面図である。 本発明の、反転流直交型熱交換の場合の、クロスフローコア式プレート型熱交換器の組み立て品の外観を示す斜視図である。 本発明の、単流直交型熱交換の場合の、クロスフロー伝熱積層コアの斜視図である。 本発明の、単流直交型熱交換の場合の、クロスフローコア式プレート型熱交換器の給排孔加工溝付側板の斜視図である。 本発明の、単流直交型熱交換の場合の、クロスフローコア式プレート型熱交換器の積層コアの、熱媒体の流れを示す、断面図である。 本発明の、単流直交型熱交換の場合の、クロスフローコア式プレート型熱交換器の組み立て品の外観を示す斜視図である。 本発明の、反転流と単流の直交する熱交換の場合の、クロスフロー伝熱積層コアの、反転溝付側板と給排孔加工溝付側板を積層コアから分解して示した、分解斜視図である。 本発明の、反転流と単流の直交する熱交換の場合の、クロスフロー伝熱積層コアの、熱媒体の積層コア内流れを示す、断面図である。 本発明の、反転流と単流の直交する熱交換の場合の、クロスフロー伝熱積層コアの、組立品の外観を示す斜視図である。

符号の説明

１０ クロスフローコア式プレート型熱交換器
（１０Ａ 反転流直交型、１０Ｂ 単純流直交型、１０Ｃ 反転流と単純流直交型）
１１ 角型伝熱板
１２ 側壁
１３ エレメント
１４ 開口部
１５ 積層コア
１６ 反転流
１７ 単純流
１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄ 側面
１９Ａ 反転溝
１９Ｂ 給排口付き溝
２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ 反転溝をもつ側板
２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄ 給排口付き溝をもつ側板
２３ 端板
２４ 給排分配プレート
２５、２６ 給排口

Claims (1)

1. 角型の伝熱板を積層した、１段ごとに９０度異なった方向に開口のある４側面をもつコアと、
   コアの４側面のうちの対向する２面に着脱可能に装着される第１の側板と、
   コアの４側面のうちの、前記２面と直交する対向２面に着脱可能に装着される第２の側板と、
   からなり、
   前記第１、第２の側板は、流れを反転させるための溝と、流れを流入・排出するための溝、の何れかの溝を有し、
   前記コアの直交する側面に対して前記第１、第２の側板を選択して装着することで、コアの構造を同一に保持したまま前記第１、第２の側板を取り替えるだけで、３種類の異なる性能に切替え可能であり、
   該３種類の性能は、
   前記第１、第２の側板が両方とも流れを反転させるための溝を有する側板からなる時に得られる性能と、
   前記第１、第２の側板が両方とも流れを流入・排出するための溝を有する側板からなる時に得られる性能と、
   前記第１、第２の側板の一方の側板が、流れを反転させるための溝を有する側板からなり、前記第１、第２の側板の他方の側板が、流れを流入・排出するための溝を有する側板からなる時に得られる性能と、
   を含むマルチユース・クロスフローコア式プレート型熱交換器。

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