JP5779800B2 - プレート式熱交換器とその製造方法・ - Google Patents

Description

この発明は所定の間隔を空けて矩形で平板状の熱交換伝熱プレート２，３を多層に重ね、その一層おきに異なった熱交換流体を互いに逆方向に流すプレート式熱交換器１に関し、特に従来から熱交換流体を流す流路として必要であった隙間を構成する伝熱プレートのへリンボーンパターン、コルゲートパターン等の波形、或いは、畝状模様や凹凸突起パターンの成形に代えて、前記凹凸や前記波形が意図する大きさの連続した隙間を具現することが出来る高さ、疎密、形状および構成のプレートフイン５で作ったブロック即ちプレートフイン・ブロック４を別の部材として、平板状の伝熱プレート２，伝熱プレート３の央部伝熱面Dの間に挟み、積層させたものである。

従来のプレート式熱交換器は、矩形で平板状の伝熱プレート央部伝熱面Dに、プレス成型で多数の凹凸突起、畝状模様、又はへリンボーンパターン、コルゲートパターンの波形等を付けたものを、該凹凸又は波形を背中合わせに、或いは交差させ、又は突き合わせて組み合わせ、周囲を柔軟なガスケット６を介して密閉することで、それらの連続した凹凸断面の隙間が流路A、流路Bとして熱交換流体の流路を形成するようにしたものである。

この矩形で平板状の伝熱プレートを多層に重ね合わせたものは、その伝熱プレートに設けられた波形、凹凸突起等で生じる連続した隙間でその流路を構成する事は、伝熱面積が増加し、夫々優れた伝熱係数と耐圧強度が上がる。

然しながら従来の伝熱プレート央部の伝熱面Dに、凹凸や波形等を設けたプレート式熱交換器は、熱交換流体が流れるときに生じる圧力損失が大きい欠点がある。

これに対して特許文献には平板状の伝熱プレート央部の伝熱面Dに伝熱流体を流す別の部材を挟んだプレート式熱交換器についての記載がある。

複数の伝熱プレートを積層してプレート式熱交換器を構成する伝熱プレートは、央部の伝熱面Dに密着する多数の逆U字状の凹溝を設け、所定の幅で交互に多数の切り起こし片を形成した部材のインナーフインで流路を構成している。
特開２００３−１８５３７５号公報（特許文献１）
流体を高い作動圧力を導入しても充分に機械的強度を確保するために、流路を金属製棒状形材で形成している。
特開２０１０−２５６００６号（特許文献２）

特開２００３−１８５３７５号 特開２０１０−２５６００６号

即ち、従来のプレート式熱交換器には以下の課題がある。

第一の課題は伝熱プレートに凹凸等で構成された連続した隙間が薄く且つ小さい為に、熱交換流体が流れ難く運転に際して圧力損失が大きい。即ちエネルギー効率が悪い。

第二にプレス成型で付与する凹凸等はそのプレート素材に強度が要る。寿命が短い。

第三に大きな金型が要る。

第四に成型に強力なプレス機が要る。

第五にプレートの凹凸等の為にメンテナンスが大変である。

第六に過酷なプレス成型によって伝熱プレートが劣化し、局部腐食が早くなる。
等の課題がある。

第七にプレス成型というものは全て一つの金型で、一つの成型品しか出来ないのが宿命である。従って従来から成型品に見合った金型とプレス機が必要であり、そのため需要に合わせて装置が大型化していた
これに対して以下の特許文献では
特許文献１の記載では多数の逆U字状の凹溝を設け、凸部が角形にプレスされた部材は自由な隙間で流路を取ることが出来るが、この隙間を流れる伝熱流体の流れは乱れて圧力抵抗が大きいばかりでなく、コストが掛かる欠点がある。

特許文献２の記載では、断面がコの字、エの字、Tの字等の押出し型材を適宜切り揃えて伝熱プレート間に並べ、流路としたものでこの流路の耐圧強度は強力であるが重量と、コストが掛かる欠点がある。

そして決定的な問題点は一組毎のプレートの伝熱面が大きく取れないため、流路を多数回折り返さねばならないことである。このため該流路を通過させるのに圧力損失が大きくなる欠点がある。即ち多数回、積層しなくてはならない。

この発明の課題は、伝熱プレート２と伝熱プレート３との間に伝熱流体の流路を構成するため、相対向する伝熱プレート２、伝熱プレート３の央部の伝熱面Ｄに作成していた 状模様や凹凸又はヘリボーンタイプの波形を設けるのではなく、従来提案されなかった他の部材、即ちプレートフイン５は、厚さが０・３〜１０ｍｍ、高さ５〜５０ｍｍ、間隔１〜２０ｍｍで、伝熱面上直角に並ぶ様に構成したプレートフイン・ブロック４を、流路の平坦な央部の伝熱面Ｄに差し挟むことによって、容易に熱交換流体が最良とされる伝熱流路ＡとＢを設計して構成できるようにすることである。

上記課題を解決するためにこの発明は、図３、図４、図５、図６、図７、図９に示すように央部の伝熱面D、即ち凹凸の無い平板状伝熱プレート２と伝熱プレート３の間に、新らしく設計されたプレートフイン５で成るプレートフイン・ブロック４を挟み、これを多数組み合わせて積層させ、流路A、流路Bとして熱交換流体の流路を形成するようにしたものである。

そして周囲の密閉ラインを柔軟なガスケット６で密閉して成るプレート式熱交換器１であって、前記流路A、Bを構成する央部伝熱面Dの所定の空間に挟まれたプレートフイン・ブロック４は、上下の平板状の伝熱プレート２と伝熱プレート３とで挟まれ、締め付けられることによって、従来の隙間に相当する流路とすることを特徴とするプレート式熱交換器である。

また第七の問題に対してこの発明では、部材を分割成型して後で組み立てができる構成である。

上に述べたように、この発明に係るプレート式熱交換器１によれば、組み合わせられた伝熱プレート２と伝熱プレート３、及び伝熱プレート３と伝熱プレート4との間の央部伝熱面Dに、別途設けられたプレートフイン・ブロック４を挟むことによって、伝熱プレート２と伝熱プレート３と、平板状プレートフイン５又は波形フイン１３が自由に組み合わせられ、流路の容積、伝熱係数の設定がし易くなり効率が上がる効果がある。

また上記構成のプレート式熱交換器１によると、２枚の伝熱プレート２．３の央部伝熱面Dに挟まれて固定されたプレートフイン・ブロック４は、セットされた伝熱プレート２、伝熱プレート３の流路の熱交換流体を裁いて流すばかりでなく該プレートフイン・ブロック４は伝熱プレート２，３との密着による良好な熱伝導で集熱機能、熱の拡散機能等が充分に発揮される効果がある。
このときのプレートフイン・ブロック４のプレートフイン5は、平板状の伝熱プレート２．３と同じ材質の板から、より厚い板、高さ、更には末広がりに増肉厚された伝熱端１２の伝熱台G付きの伝熱端１２のものまで、より適したものが自由に選択できる。

即ち、プレートフイン５は、その帯状長方形の長辺、即ち、央部の伝熱面Ｄに当接する帯状長方形フインの伝熱性接着剤やロウ付けをすることが出来る帯状長方形フインの伝熱板１２は、図１０（イ）に示すように、台形に増肉厚された伝熱台 は、伝熱面積を拡大するものである。また、伝熱板１２を、図１０（ロ）に示す様に 型にしてもよい。

この発明では、図１のプレートフイン5が、図８に示す波形プレートフイン１３に替わることで、同じ容積でプレートフイン５の面積が大きくなり、更に伝熱係数を上げる効果がある。

従来からプレート式熱交換器は処理される熱交換流体と伝熱プレートの組み合わせ等によって腐食や、スケールの堆積が免れないので定期的に全部材を分解、取り外して手入れをしていたが、これら従来のプレート式熱交換器はプレス加工によって設けた凹凸や波形がメンテナンスの作業能率を阻害していた。

この発明によると別途に装着したプレートフイン・ブロック４を着脱することで手入れや、差し替えなどのメンテナンス作業が容易にできる効果がある。

そして最大の効果は、主役の効果はプレートフイン・ブロック４のプレートフイン５となる素材は、大きな機械、例えば大きなプレス機を必要とせず、簡単な手段で作ることが出来、その例として、板材を切って並べたもの、テープ状の板、コイル状の板を例示できる。

更に、央部の伝熱面Dが平坦のために入口部材E、出口部材Fと、２〜３に分割成型が出来、金型、プレス機も従来の１／３程度の容量で良いことである。

図１は、この発明の具体例で、実施例１のフレーム板をはずして、伝熱プレート２とプレートフイン・ブロック４をしめす正面図である。（流路Ａを示す）。 図２は、実施例１の伝熱プレートを外し、プレート３をしめす正面図である 図３（イ）は、図１のａ−ａ線縦断側面図である。図３（ロ）は、図３（イ）の流路Ｂに高いプレートフイン・ブロック４’を用いた縦断側面図である。 図４は、図１の伝熱プレート２の上から取外したプレートフイン・ブロック４を単独で示す斜視図である（流路Ａを示す）。図５は、図２の伝熱プレート３の上から取外したプレートフイン・ブロック４を単独で示す斜視図である。（流路Ｂを示す） 図６（イ）は実施例１の連結部材７、（ロ）は貫通連結部材１４で一体化、即ちブロック化されたプレートフイン・ブロック４の態様を示す説明図である。図６（ロ）中、１４は貫通連結部材を示すもので１カ所以上用いられる。図６（ハ）は図６（ロ）の貫通連結部材１４と連結シート１６とを用いた説明図である。 図７は図１のａ−ａ線断面斜視図である。そしてプレートフイン５の伝熱端１２を伝熱プレートにロウ付 して一体化し、ブロックとした説明図である。図７（ロ）は伝熱面Ｄの上に乗ったプレートフイン・ブロック４とプレートフイン・ブロック４’に搭載された連結部材７の位置関係Ｈを示す斜視図である。そして伝熱面Ｄと、伝熱面Ｄ’に挟まれたフインブロック４が流路Ａであり伝熱面Ｄ’と伝熱面Ｄとで挟まれたフインブロック４’が流路Ｂを構成する。 図８は図１のプレートフインを全部波形フイン１３に置き換えた例を示す正面図である。 図９（イ）は図８の波形フイン１３のブロック４を示す斜視説明図である。図９（ロ）図８の央部伝熱面Ｄの両側に位置する波形フイン１３の端部の態様を示すもので、介在する伝熱面Ｄを省略して直接端部同士の突き当てを示した斜視説明図である 図１０ は帯状長方形のプレートフイン５の伝熱端１２に裾広がりの伝熱台Ｇを設ける態様を示す説明図である。図中プレートフイン素材５⇒伝熱端１２の加熱軟化、Ｇ１⇒成型、Ｇ２⇒仕上げ、Ｇ３⇒伝熱台Ｇとなっている。図１０（ロ）は伝熱端１２を 曲げたものである。 図１１は実施例１〜４の伝熱プレート２を、入口部材Ｅと出口部材Ｆ及び央部伝熱面Ｄとして３分割したところを示す正面図である。 図１２は央部伝熱面Ｄを２分割したところを示す正面図である

以下実施例によって本発明の詳細を図面について説明するが、本発明がこれらの実施例やプレート式熱交換器のプレートフイン・ブロック４に限定するものではなく同一又は類似の目的で他の用途の流路を構成する積層体として適用できることは当然である。

以下この実施例では、同一構成要素には同一符号を付してその説明を省略する。

この発明の実施形態の実施例を図１〜１２に基づいて説明する。

この実施例は図３に示すようにプレート式熱交換器１において、熱交換流体の流路Aを構成する例えばチタン製の伝熱プレート２と、伝熱プレート３（上部のフレーム板等の記載は説明の為省略）の間に別途チタン製のプレートフイン・ブロック４が設けられることを特徴とする。

このプレートフイン・ブロック４を構成するプレートフイン５は、伝熱プレート２．３と同じ材質であるチタン製のテープ状の薄板から作られたもので、その並び形は図１〜７に示すようにプレートフイン・ブロック４の中を通る伝熱流体の速さ（熱交換率が良い流量）に対応した並列の間隔、及び高さ、角度で置かれ、その端部（底部及び又は、頂部）或いは胴部で、図６（イ）（ロ）に示すプレートフイン５を結ぶ１本以上の連結部材７、又は貫通連結部材１４又は図６（ハ）に示す連結シート１６で一体化、即ちブロック化されている。

図１に示す、伝熱プレート２はその央部の伝熱面Dに熱交換流体が伝熱流路Aに入る流路の入口８と、流路の出口９の付近の伝熱（熱交換）流体が流れ易く熱交換がし易いので、プレートフイン１０の付近は狭く密に（１ｍｍ〜３ｍｍ）、反対に離れた位置にあるプレートフイン１１は疎らに（５ｍｍ〜１０ｍｍ）に並べられている。（図２は逆）
そして図１、図２、図６（イ）、（ロ）、（ハ）、図７（イ）、（ロ）、図８に示すように連結部材７、貫通連結部材１４、或いは例えば厚さ０．３ｍｍの連結シート１６で一体化即ちブロック化されている。

そしてそのプレートフイン・ブロック４の高さは同じ流体であれば通常同じとしている。

伝熱プレート３は、図２に示すように入口８’と、出口９’とが、図１の伝熱プレート２と粗密が互いに逆に積層されている。

同時に熱交換流体を流すプレートフイン５の疎密も図３、図４、図５に示すようにも互いに逆に設けられている。図1、図2、図３、図７、図８の６はガスケットである。

この実施例は図７（イ）に示すように連結部材７の代わりにプレートフイン５をブロック化して挟むのではなくプレートフイン５を伝熱プレート２の上、その位置に伝熱端１２をロウ付け又は伝熱性接着剤で一体化し、ブロックとしたものである。

そしてこれを実施例１のように多層に積層した例である。

然しながらプレートフイン・ブロック４は予め連結部材７、貫通連結部材１４、或いは連結シート１６で一体化されても良い。

この実施例は図８,９（イ）、（ロ）に示すようにプレートフイン・ブロック４の全体が波形プレートフイン１３で作られたものである。

この波形フイン１３によると、伝熱面積が増えるばかりでなく乱流を生じて伝熱効率が上がる。更に図９（ロ）に示すように伝熱プレート２側の波形フイン１３と、伝熱プレート３側の波形フイン１３との端面が互いに突き合った状態で積層されることで、その間に挟まれた伝熱プレート２、３の強度が保たれ、薄い伝熱プレートでも変形させずに積層される。

実施例３と同様に伝熱プレート２、３の強度が保たれる例として図７（ロ）に示すように各段のプレートフイン・ブロック４の連結部材７の対向、対称の位置又は積層の位置を同じか又は近接させて積層することである。Hは連結部材７の位置関係を示すものである。
これによって伝熱プレート２．３の両側辺にあるフイン４．４は互いに突き合った状態で積層され、薄い伝熱面Dであっても変形したり破壊されたりする懸念が少なく、伝熱効率が良くなる。逆に突き会った状態がズレルと、間にある伝熱プレート２〜３（図示しない）に剪断力が働き、変形し易く、且つ壊れやすくなる。

この実施例は気体と液体との熱交換である。

図３（ロ）に示す流路Bに、気体を液化することができるアンモニアガスを熱交換流体として流し、流路Aに吸熱、冷却用の熱交換流体として冷水を流す例である。

このとき密度の低いアンモニア側の伝熱プレート３のプレートフイン・ブロック４のフイン５'は高く、表面積を増やし、大きな容量で流れるようにすることができる。

即ちこのように１個の部品となったプレートフイン・ブロック４は流路Aの伝熱流体の理想的な流れを設定する機能を持つことが出来る。

この実施例は図示しないがプレート式熱交換器１において、熱交換流体の流路A又は流路Bの何れか一方に波形プレートフイン１３のブロックを使用したことを特徴とする。

この実施例は図１１〜１２に示すように伝熱プレート２を入口部材E、出口部材Fとして分割してブレス成型したものである。 そして間にある央部伝熱面Dは平坦で簡単な形状の為、ベンダー等の機械で別途製作し、後で溶接して接続し一体化することができる。図１２は伝熱プレート２で入口部材Ｅ、出口部材Ｆとして２分割してプレス成型したものである。

これによって流路の流れの方向での長さが自由に設計製作することができる。

勿論此処に収まるプレートフイン・ブロック４の流路方向の長さも設定できる。

A 流路
B 流路
A' 流路
B' 流路
C. 空所
D, 伝熱面
E, 入口部材
F. 出口部材
G. 伝熱台
G1, 加熱軟化
G2, 台状に成型
G3, 伝熱台の当接面の仕上げ
G4, Ｌ型の伝熱端
Ｈ． 連結部材の位置
１.プレート式熱交換器
２.伝熱プレート
３.伝熱プレート
３’.伝熱プレート（高い）
４.プレートフイン・ブロック
４’．プレートフイン・ブロック
５.プレートフイン
５’．プレートフイン
６．ガスケット
７．連結部材
８．入口
９．出口
８’．入口
９’．出口
１０．隙間が密なプレートフイン
１１．隙間が疎なプレートフイン
１２．伝熱端
１３．波形プレートフイン
１４．貫通連結部材
１５．組み合わせた波形フインの端部
１６．連結シート

Claims (4)

1. 平板状の伝熱プレート２と伝熱プレート３とは、全く同じ構造のものであって、これらを組合わせる場合、これ等伝熱プレート２と３とを各々一枚ずつ互いに逆方向にして且つ所定の間隔を設けて積層して組み合わせ、熱交換流体の流路Ａと、その対向流である流路Ｂとを構成し、これを、その周囲を柔軟なガスケットで密閉し、多層に積層して成るプレート式熱交換器１であって、熱交換流体を流す流路Ａと流路Ｂとを構成する平板状央部伝熱面Ｄの空間に、プレートフイン・ブロック４を挿入設置し、平板状伝熱プレート２，３の央部の伝熱面 Ｄで、該プレートフィン・ブロック４をブロック化手段により、一体化してブロック体とすることを特徴とするプレート式熱交換器。
2. 請求項１に記載のプレートフイン・ブロック４、及び該ブロック４を構成するプレートフイン・ブロック５は、いずれも平面として平行直線状又は波形であるプレート式熱交換器。
3. 請求項１または２に記載の式熱交換器に於いて、プレートフイン・ブロック４は、その端部又は央部に、一ヶ所以上プレートフイン・ブロック４を横断する連結部材７及び又は貫通連結部材１４を設けて一体化したプレート式熱交換器。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の式熱交換器に於いて、プレートフイン・ブロック４を構成するプレートフイン・ブロック５は、伝熱端１２がおのおの連結シート１６、又は一つの伝熱プレート２及び伝熱プレート３に、ロウ付け又は伝熱性接着剤で接合されているプレート式熱交換器。

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