JP5243623B2 - プレート式熱交換器 - Google Patents

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Description

本発明は、請求項1の前提部分のプレート式熱交換器に関する。
そのようなプレート式熱交換器は、特許文献1に開示されている。
多くの熱交換器の用途において、高いもしくは非常に高い設計圧力を達成すること、つまり第1及び第2のプレート間隙を通って流れている媒体の一方または両方からの高圧または超高圧を許容できることが望ましい。たとえばろう付けによって恒久的に接合された複数の熱交換器プレートを有する前述の種類のプレート式熱交換器内で、そのような高圧を許容できることが望ましい。そのような高い設計圧力は外部の補強構成要素を設けることなしに達成することは困難である。
欧州特許第1456593B号明細書
ろう付けされているプレート式熱交換器の強度は、隣接している熱交換器プレートの間の複数の接合領域によって少なくとも部分的に定められる。これらの接合領域の分布は、高い設計圧力を実現できるようにするために重要である。従来技術のプレート式熱交換器では複数の尾根と谷とのパターンが原因で、熱交換器プレートの中心線に沿った領域は熱伝導領域のその他の部分よりも接合領域が少なくなりがちである。そのため、その中心領域はプレート式熱交換器の全強度と設計圧力とに悪影響を及ぼす。熱交換器プレートの中心線に沿った領域において支持部分が少ないというこの問題は、複数の尾根と谷とのいわゆる低θパターンにおいて特に顕著であり、この場所では該中心線に対する複数の尾根の傾斜角度が小さい。
非常に高い設計圧力が必要な用途の一例は、冷媒として二酸化炭素を有している冷却回路内のエバポレータとコンデンサ用のプレート式熱交換器である。二酸化炭素は、この状況においては環境の観点からフレオン(商標)などの従来の冷媒に比べて非常に有利である。
本発明の目的は、高い設計圧力を有しているプレート式熱交換器、より正確には流通する媒体の少なくとも一方からの非常に高い圧力を許容するプレート式熱交換器を提供することである。より具体的には、本発明の目的は、各熱交換器プレートの中心線に沿った領域でプレート式熱交換器の強度を改善することである。
この目的は請求項1に規定されたプレート式熱交換器によって達成されており、該プレート式熱交換器は、各接続部分が、湾曲している経路から外向きに熱交換器プレートの中心線に沿って延びている突起を有しており、各接続部分の各突起は熱交換器プレートの中心線の位置でそれぞれの中心の接合領域を構成していることを特徴としている。各尾根の各接続部分の、そのような突起によって、複数の中心の接合領域が各熱交換器プレートの熱伝導領域上で一様に分布された複数の接合領域の一部を構成するように中心の接合領域を配置することが出来る。したがって、複数の支持点も熱交換領域にわたって一様に分布され、それによってプレート式熱交換器の一様な強さが保証される。これは、高い設計圧力を達成するために重要な条件である。
本発明の一実施態様によれば、各接続部分は凸状の側部と凹状の側部とを有しており、凸状の側部と凹状の側部との間に測定される幅を有しており、その幅は熱交換器プレートの中心線の位置で最大値を有している。したがって、その接続部分の幅は突起の位置で最大である。したがって、その幅は、熱交換器プレートの中心線からの距離が長くなる所ほど減少する。
本発明のさらなる実施態様によれば、熱交換器プレートの中心の接合領域を含む複数の接合領域は、熱交換器プレートの中心線に垂直に延びている複数の横断線に沿って配置されており、該中心の接合領域の各々は複数の横断線のそれぞれ1つの上に位置している。複数の接続部分は、該中心の接合領域を含む複数の接合領域が複数の横断線に沿って実質的に等距離に配置されるように構成されていることが有利である。言い換えると、該中心の接合領域とそれに隣接している接合領域との間の距離は、任意の2つの隣接している接合領域の横断線に沿った距離に等しいか、またはほぼ等しい。
本発明のさらなる実施態様によれば、突起は2つの対向しているサイドラインと前向きのフロントラインとによって画定されており、該2つのサイドラインはほぼ真っ直ぐであって、フロントラインの方に向かって互いに向けて集まっている。
本発明のさらなる実施態様によれば、傾斜角度αは10°以上、45°未満である。したがって、熱伝導領域のV字構成によって形成されるパターンはいわゆる低θパターンであって、比較的低い熱伝導と比較的低い流れ抵抗によって特徴付けられる。斜角度αは、40°未満、35°未満、または30°未満でさえあることが有利である。
本発明のさらなる実施態様によれば、各々の熱交換器プレートのパターンは熱伝導領域のそれぞれの端に2つの分配領域を有しており、分配領域の各々は2つのポートホールを囲んでいる。分配領域の各々は、熱交換器プレートの中心線の一方の側で該中心線に対する正の傾斜角度αを成して延びる第1の線を有している第1の部分と、該中心線の他方の側で該中心線に対する、対応する負の傾斜角度α(傾斜角度αは45°より大きい)を成して延びる第2の線を有している第2の部分と、を備えているV形状に構成されている複数の尾根および谷を有していることが有利である。したがって、その分配領域のV字構成によって形成されるパターンはいわゆる高θパターンであって、比較的高い熱伝導と比較的高い流れ抵抗によって特徴付けられる。そのような、高θパターンは、媒体の改善された分配に貢献する。
本発明のさらなる実施態様によれば、複数の尾根と複数の谷とは、熱交換器プレートの一方の側では、主要な伸張平面から離れている1次高さと、その主要な伸張平面から離れており該主要な伸張平面の反対側の2次高さとの間を延びており、熱交換器プレートの各々は、1次高さと2次高さとの間の距離によって定められている1.0mm以下の深さを有している。複数の熱交換器プレートのそのような深さは、熱交換器プレート並びにプレート式熱交換器の強度を改善する。複数の熱交換器プレートが浅いことによって、熱伝導領域上の尾根と谷の間の距離を短くすることが可能になり、したがって、隣接している熱交換器プレートの間の複数の接合領域の間の距離を短くすることが可能になる。その結果、浅さによって、複数の接合領域の間の距離が短くなり、したがって、熱伝導領域にわたってそのような接合領域の数が多くなる。
本発明のさらなる実施態様によれば、複数の尾根は相互に距離をおいて配置され、互いに平行に延びており、熱伝導領域上の隣接している尾根の間の距離は4mm未満である。隣接している尾根の間のそのような短い距離は、前述のように有利であって、熱伝導領域の接合領域の数を多くすることに貢献する。この距離は約3mmであることが有利である。
本発明のさらなる実施態様によれば、熱交換器プレートの各々は、成形前に、0.2≦t≦0.4mmの範囲にある金属シートの厚さtを有している。
本発明のさらなる実施態様によれば、ろう付け材料はプレート式熱交換器の熱伝導領域に対するろう付けの体積を有しており、複数の第1の間隙と複数の第2の間隙とは、プレート式熱交換器の熱伝導領域に対する間隙の容積を有しており、ろう付けの体積の間隙の容積に対する割合は少なくとも0.05である。ろう付け材料のそのような比較的大きな体積によって、熱交換器プレート間の接合の強度が増し、したがってプレート式熱交換器の強度が増す。
本発明のさらなる態様によれば、複数の分配領域は第1のポートホールと、第2のポートホールと、第3のポートホールと、第4のポートホールとを有している。プレートパッケージ内の主要な伸張平面内では1つおきの熱交換器プレート1は180°回転していることが有利である。
本発明によるプレート式熱交換器の側面図である。 図1のプレート式熱交換器の平面図である。 図1のプレート式熱交換器の熱交換器プレートの平面図である。 図1のプレート式熱交換器の熱伝導領域の位置の何枚かの熱交換器プレートを通した断面図である。 図3の熱交換器プレートの熱伝導領域の一部の平面図である。
本発明を、様々な実施形態の説明により、そして添付の図面を参照して、厳密に説明する。
図1および図2は、複数の熱交換器プレート1と、複数の熱交換器プレート1の最も外側の1つに隣接して設けられている第1の端部プレート2と、その反対の最も外側にある別の熱交換器プレート1に隣接して設けられている第2の端部プレート3とを有しているプレート式熱交換器を示している。
複数の熱交換器プレート1は、金属シートを成形して製造され、互いに並べて設けられている。第1の端部プレート2、第2の端部プレート3、および複数の熱交換器プレート1は、ろう付け材料を使ったろう付けによって恒久的に互いに接合されてプレートパッケージを構成している。プレートパッケージは、図4に示しているように第1の媒体用の複数の第1のプレート間隙4と第2の媒体用の複数の第2のプレート間隙5とを定めるか、または備えている。第1の媒体と第2の媒体は任意の適切な熱伝導媒体であってもよい。たとえば、第1の媒体と第2の媒体の少なくとも一方は、二酸化炭素であってもよい。
開示されている複数の実施形態のプレート式熱交換器は、4つのポートホールS1、S2、S3、およびS4を有しており、ポートホールS1は接続パイプ11に接続されていて第1のプレート間隙4に通じており、ポートホールS2は接続パイプ12に接続されていて第1のプレート間隙4に通じており、ポートホールS3は接続パイプ13に接続されていて第2のプレート間隙5に通じており、ポートホールS4は接続パイプ14に接続されていて第2のプレート間隙5に通じている。ただし、プレート式熱交換器のポートホールの数は、たとえば2つ、3つ、5つ、6つ、7つ、8つなど、開示されている数とは異なっていてもよい。複数の接続パイプは、開示されているように第1の端部プレート2から延びているか、または第2の端部プレート3から延びているかの少なくともいずれかであるように設けられている。
各熱交換器プレート1は、開示されている複数の実施形態では、図3に示しているように2つの長い側縁15と2つの短い側縁16とを備えている長方形である。長さ方向の中心の軸線xは、2つの長い側縁15の間を、それらに平行に、かつ2つの短い側縁16に対して横断方向に延びている。また各熱交換器プレート1は、図4に示しているように、主要な伸張平面pに沿って延びている。プレートパッケージ内において、1つおきの熱交換器プレート1は主要な伸張平面pにて180°回転している。
図3から分かるように、各熱交換器プレート1は、第1の媒体と第2の媒体の間の熱伝導の主要な部分が行われる所である熱伝導領域20と、第1の分配領域21と、第2の分配領域22とを有している。開示されている複数の実施形態において、第1の分配領域21は第1のポートホール23と第2のポートホール23とを含んでいて囲んでいる。第2の分配領域22は第3のポートホール23と第4のポートホール23を含んでいて囲んでいる。各ポートホール23はポートホールの縁25によって画定されている。
ただし、他の実施形態の熱交換器プレート1は、別個の2つの分配領域なしに構成されていてもよい。
図4に示しているように、それらの領域20〜22の全ては、熱交換器プレート1の片側では、主要な伸張平面pから離れている1次高さp’と、主要な伸張平面pから離れていて主要な伸張平面pの裏側にある2次高さp”との間を延びている。熱交換器プレート1の片側に関して、図4から分かるように、1次高さp’は熱交換器プレート1の上側の高さを構成しており、2次高さp”は熱交換器プレート1の下側の高さを構成している。したがって、1次高さp’は2次高さp”よりも第1の端部プレート2により近くに配置されている。各熱交換器プレート1は、2つの長い側縁15と2つの短い側縁16とに沿って熱交換器プレート1の周囲を延びているフランジ26も有している。図4から分かるように、フランジ26は主要な伸張平面pから2次高さp”よりもさらに遠くに延びている。
各熱交換器プレート1は、金属シート厚さtを有している金属シートを成形することによって作られている。ただし、金属シート厚さtは変化してもよく、熱交換器プレート1の成形後にいくらか変化してもよい。成形前の金属シートの厚さtは、0.2≦t≦0.4mmの範囲であってもよい。成形前の金属シート厚さtは、0.3mmまたは約0.3mmであることが有利だろう。
各熱交換器プレート1は図4に示しているように深さdを有している。深さdは、1次高さp’と2次高さp”との間の距離によって定められている。深さdは、1.0mm以下であってもよく、0.90mm以下であることが好ましく、0.85mm以下であることがより好ましく、0.80mm以下であることが最も好ましい。
図3および図5から分かるように、熱伝導領域20は複数の尾根27と複数の谷27’からなる波形を有していて、それらが、任意の一つの熱交換器プレート1における複数の尾根27が、該熱交換器プレートと隣接している1つの熱交換器プレートにおける複数の谷27’に突き当たって、任意の一つの熱交換器プレート1とこれに隣接している熱交換器プレート1との間に複数の接合領域28を構成するように配置されている。複数の接合領域28は、中心線xに垂直に延びている複数の横断線yに沿って配置されている。
複数の尾根27と複数の谷27’とは、図5に示しているように、中心線xに対して傾斜角度αを成して延びる線eに沿って延びている。傾斜角度αは45°未満であって、10°≦α≦45°の範囲にある。傾斜角度αは、40°未満、35°未満、または30°未満でさえ有利かもしれない。開示している複数の実施形態において、各々の尾根27と谷27’が延びる線eは中心線xに関して一方の側で正の傾斜角度αを成し、中心線xに関して他方の側で、対応する負の傾斜角度αを成している。また、図5から分かるように複数の尾根27と複数の谷27’は、中心線xの位置で複数の接合領域29を構成している。さらに、複数の接合領域30が、隣接している熱交換器プレート1のフランジ26どうしの間に構成されている。
複数の尾根27は互いからの距離rの位置に配置されており、相互に平行に、かつ谷27’に対しても平行に延びている。図5に示しているように、隣接している尾根27の間の距離r、すなわち隣接している尾根27のそれぞれの中心の延在線eの間の距離rは、4mm未満であってもよく、約3mmまたは3mmであってもよい。
したがって、複数の尾根27と複数の谷27’の各々は、中心線xの一方の側で延在線eが中心線xに対する正の傾斜角度αを成している第1の部分31と、中心線xの他方の側で延在線eが中心線xに対する、対応する負の傾斜角度αを成している第2の部分32と、第1の部分31と第2の部分32とを接続し湾曲している経路に沿って延びている接続部分33と、を備えているV形状の構成を有している。接続部分33は、図3および図5に示しているように、中心線xが接続部分33を通って延びるように中心線xの位置に配置されている。
各接続部分33は、湾曲している経路35から外側へ向かって中心線xに沿って延びている突起34を有している。複数の接続部分33の突起34はそれぞれ中心線xの位置で、複数の、中心の接合領域29のうちの一つを構成している。したがって、その接合領域29は、湾曲している経路35に隣接または概ね隣接して突起34上に位置している。さらに、中心の接合領域29の各々は複数の横断線yのうちの1つの上に位置している。
さらに、図3および図5から分かるように、各接続部分33は凹状の側部と凸状の側部とを有している。第1の部分31、第2の部分32、および接続部分33を有している各尾根27は幅がwである。凹状の側部と凸状の側部の間で測定される接続部分33の幅wは、中心線xの位置で最大の値を有している。接続部分33の突起34は、2つの対向しているサイドライン36、37および前向きのフロントライン38によって画定されている。フロントライン38は湾曲しているのに対して、2つのサイドライン36、37は真っ直ぐまたは概ね真っ直ぐである。2つのサイドライン36、37は互いに平行または概ね平行に延びていてもよいし、開示している複数の実施形態、特に図5に示しているように、フロントライン38の方に向かって互いに向けて集まっていてもよい。
複数の接続部分33は、複数の接合領域28、29、つまり複数の接合領域28および複数の、中心の接合領域29の両方が複数の横断線yに沿ってほぼ等距離に配置されるように構成されている。その結果、全ての接合領域28、29に関して、隣接している接合領域28と29の間の距離は等しいか、またはほとんど等しい。これは、各接合領域28、29を囲んでいる領域Aが、全ての接合領域28、29について面積が等しいか、またはほぼ等しいことを意味している。領域Aは図5においては、複数の接合領域28、29のうちの3つの周りにひし形の領域として示している。その結果、任意の一つの、中心の接合領域29によって支持される負荷は、その他の任意の一つの接合領域28によって支持されている負荷に等しいか、またはほぼ等しい。
各分配領域21、22は熱伝導領域20から分離されている。熱伝導領域20は、2つの分配領域21、22の間の中間に位置しており、図3から分かるように尾根27の幅w程度の幅を有しているそれぞれの狭い遷移領域39によって分配領域21、22から分離されている。また、分配領域21、22はV字構成に配置されている複数の尾根27および谷27’を有しており、それらは、熱伝導領域20の対応している構成とは傾斜角度αがより大きいこと、より具体的には45°よりも大きいこと、好ましくは50°よりも大きいこと、または55°よりもなお大きいことが異なる。さらに、分配領域21、22の複数の尾根27の接続部分には突起は設けられていない。対応している中心の接合領域は、該接続部分の湾曲している経路上に配置されている。
独立している分配領域が存在しない実施形態の場合は、遷移領域も存在しない。熱伝導領域20の複数の尾根および谷からなるパターンは、熱交換器プレート1全体にわたって同じV字構成で延びている、つまり、傾斜の角度αは熱交換器プレート1全体にわたって等しいか、またはほぼ等しい。したがって、この実施形態において、複数のポートホール23は熱伝導領域20を通って延びている。
前述のように、プレート式熱交換器は、ろう付け操作の前に複数の熱交換器プレート1の間に導入されているろう付け材料によってろう付けされている。該ろう付け材料はプレート式熱交換器の熱伝導領域20に対するろう付けの体積を有している。プレート式熱交換器の複数の第1の間隙4と複数の第2の間隙5とは、プレート式熱交換器の熱伝導領域20に対する間隙の容積を有している。プレート式熱交換器の高い強度を得るために、隣接している熱交換器プレート1の間に前述の接合領域28、29を構成するために、十分に大量なろう付け材料を提供することが有利である。その結果、間隙の容積に対するろう付けの体積の割合は、少なくとも0.05、少なくとも0.06、少なくとも0.08、または少なくとも0.1であってもよい。
本発明は、開示した実施形態には限定されておらず、以下の特許請求の範囲内で変更したり修正したりしてもよい。

Claims (16)

  1. 金属シートを成形することで作られ、互いに隣接して設けられており、複数の第1のプレートの間隙(4)と複数の第2のプレートの間隙(5)とを有しているプレートパッケージを構成するようにろう付け材料によって互いに恒久的に接合されている複数の熱交換器プレート(1)を有し、
    前記熱交換器プレート(1)の各々は主要な伸張平面(p)に沿って延びており、長さ方向の中心線(x)を定めており、
    前記熱交換器プレート(1)の各々は熱伝導領域(20)を構成しているパターンと複数のポートホール(23)とを有しており、
    前記熱伝導領域(20)は複数の尾根(27)と複数の谷(27’)とを有しており、複数の尾根(27)および複数の谷(27’)は、任意の一つの前記熱交換器プレート(1)における複数の前記尾根(27)が、該熱交換器プレートと隣接している一つの熱交換器プレート(1)における複数の前記谷(27’)に突き当たって複数の接合領域(28、29)を構成するように配置されており、
    複数の前記尾根(27)と複数の前記谷(27’)の各々は、前記中心線(x)の一方の側で前記中心線(x)に対する正の傾斜角度αを成して延びる第1の線を有している第1の部分(31)と、前記中心線(x)の他方の側で前記中心線(x)に対する、対応する負の傾斜角度αを成して延びる第2の線を有している第2の部分(32)と、前記第1の部分(31)と前記第2の部分(32)とを接続し、湾曲している経路に沿って延びている接続部分(33)と、を備えているV形状の構成を有しており、
    前記接続部分(33)の各々は、前記湾曲している経路(35)から外側へ向かって中心線(x)に沿って延びている突起(34)を有しており、複数の前記接続部分(33)の突起(34)はそれぞれ前記中心線(x)の位置で、中心の接合領域(29)を構成していることを特徴とする、プレート式熱交換器。
  2. 前記接続部分(33)の各々は凸状の側部と凹状の側部とを有しており、前記凸状の側部と前記凹状の側部との間で計測された幅(w)を有しており、前記幅(w)は前記中心線(x)の位置で最大値を有している、請求項1に記載のプレート式熱交換器。
  3. 前記中心の接合領域(29)を含む前記複数の接合領域(28、29)は、前記中心線(x)に垂直に延びている複数の横断線(y)に沿って配置されており、前記中心の接合領域(29)の各々は複数の前記横断線(y)のうちの1つの上に位置している、請求項2に記載のプレート式熱交換器。
  4. 複数の前記接続部分(33)は、前記中心の接合領域(29)を含む前記複数の接合領域(28、29)が複数の前記横断線(y)に沿ってほぼ等距離に配置されるように構成されている、請求項3に記載のプレート式熱交換器。
  5. 前記突起(34)は、2つの対向しているサイドライン(36、37)と前向きのフロントライン(38)とによって画定されており、該2つのサイドライン(36、37)はほぼ真っ直ぐであって、前記フロントライン(38)の方に向かって互いに向けて集まっている、請求項1から4のいずれか1項に記載のプレート式熱交換器。
  6. 前記傾斜角度αは10°以上、45°未満である、請求項1から5のいずれか1項に記載のプレート式熱交換器。
  7. 前記傾斜角度αは40°未満である、請求項6に記載のプレート式熱交換器。
  8. 前記傾斜角度αは35°未満である、請求項6に記載のプレート式熱交換器。
  9. 前記傾斜角度αは30°未満である、請求項6に記載のプレート式熱交換器。
  10. 各々の前記熱交換器プレートの前記パターンは、前記熱伝導領域(20)のそれぞれの端に2つの分配領域(21、22)を有しており、前記分配領域(21、22)の各々は2つのポートホール(23)を囲んでいる、請求項1から9のいずれか1項に記載のプレート式熱交換器。
  11. 前記分配領域(21、22)の各々は、前記中心線(x)の一方の側で前記中心線(x)に対する正の傾斜角度αを成して延びる第1の線を有している第1の部分(31)と、前記中心線(x)の他方の側で前記中心線(x)に対する、対応する負の傾斜角度αを成して延びる第2の線を有している第2の部分(32)と、前記第1の部分(31)と前記第2の部分(32)とを接続し、湾曲している経路に沿って延びている接続部分(33)と、を備えているV形状に構成されている複数の尾根(27)および谷(27’)を有しており、前記傾斜角度αは45°より大きい、請求項10に記載のプレート式熱交換器。
  12. 複数の前記尾根(27)は互いに対して距離(r)に配置され、互いに対して平行に延びており、前記熱伝導領域(20)上の隣接している前記尾根(27)の間の前記距離(r)は4mm未満である、請求項1から11のいずれか1項に記載のプレート式熱交換器。
  13. 複数の前記尾根と複数の前記谷とは、前記熱交換器プレートの一方の側では、前記主要な伸張平面(p)から離れている1次高さ(p’)と、前記主要な伸張平面(p)から離れており前記主要な伸張平面(p)の反対側の2次高さ(p”)との間を延びており、前記熱交換器プレート(1)の各々は、前記1次高さ(p’)と前記2次高さ(p”)との間の距離によって定められている1.0mm以下の深さ(d)を有している、請求項1から12のいずれか1項に記載のプレート式熱交換器。
  14. 前記熱交換器プレート(1)の各々は、前記成形前に、0.2≦t≦0.4mmの範囲にある金属シートの厚さtを有している、請求項1から13のいずれか1項に記載のプレート式熱交換器。
  15. 前記ろう付け材料は、該プレート式熱交換器の前記熱伝導領域(20)に対するろう付けの体積を有しており、複数の前記第1の間隙(4)と複数の前記第2の間隙(5)とは、該プレート式熱交換器の前記熱伝導領域(20)に対する間隙の容積を有しており、前記ろう付けの体積の前記間隙の容積に対する割合は少なくとも0.05である、請求項1から14のいずれか1項に記載のプレート式熱交換器。
  16. 前記2つの分配領域(21、22)は第1のポートホール(23)と、第2のポートホール(23)と、第3のポートホール(23)と、第4のポートホール(23)とを有している、請求項1から15のいずれか1項に記載のプレート式熱交換器。
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