JP6655195B2 - プレート熱交換器のための伝熱プレートおよびプレート熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも第１の流体と第２の流体との間の熱交換のためのプレート熱交換器用の伝熱プレートであって、前記伝熱プレートは、第１の端部帯域、前記第１の端部帯域に隣接する中央主帯域、前記中央主帯域に隣接する第２の端部帯域、および前記第１の端部帯域、前記中央主帯域および前記第２の端部帯域上に延在する波形のリッジおよび谷を備える伝熱領域と、前記第１の端部帯域、前記中央主帯域および前記第２の端部帯域に沿って通り抜けて延在する長手中心軸と、を備え、前記リッジおよび前記谷はそれぞれの連続線に沿って延在する伝熱プレートに関する。

本発明は、複数の伝熱プレートを備えるプレート熱交換器にも関する。プレート熱交換器は、任意の種類の流体のためのプレート熱交換器であり得る。特に、プレート熱交換器は、蒸発器または凝縮器であり得る。

プレート熱交換器では、プレート熱交換器のプレートの隙間に流入する流体が、伝熱領域全体にわたって効率的に分配されることを保証することが重要である。特に、伝熱領域全体の使用を可能にするために、伝熱領域の長辺側縁部（long side edges）に向かう流体の分配が不可欠である。

プレートの隙間に流入する流体のこのような適切な分配を達成するために、２つの覗き窓が位置する少なくともの１つ端部帯域に、長手中心軸に対する緩やかな傾斜角度を有する波形のリッジおよび谷を設けることが知られている。このような傾斜角度は、流体を長辺側縁部に向かって外側に押し出すだろう。

しかしながら、端部帯域上の波形のこのような緩やかな傾斜は、端部帯域からより最適化された熱伝達のために波形のより急な傾斜を有する中央主帯域への移行において流体の流れが妨げられるという点で不利である。

特許文献１は、流体間の熱交換のための直線流路（straight flow channels）を備えないプレート熱交換器を開示する。熱交換器は、ピッチ付きのリッジおよび溝のプレスパターン（pressed pattern）が設けられた多数の伝熱プレートを備える。伝熱プレートは、隣接するプレートのリッジと溝との間の接点での接触により互いに距離が保たれている。接点は、伝熱プレートの長さに沿って直線が形成されないように配置される。

特許文献２は、エボルベントグラフ（evolvent graphs）に沿って延在するリッジおよび溝を有する伝熱プレートを備える円形のプレート熱交換器を開示する。

特許文献３は、伝熱プレートのそれぞれの端部帯域において２つの覗き窓を有する長方形の伝熱プレートを備えるプレート熱交換器を開示する。波形のリッジおよび谷が中央帯域上に設けられている。リッジおよび谷は、それぞれの連続曲線を延在させる。

国際公開第２０１５／０８２３４８号 米国特許第７０１３９６３号 米国特許第２７７７６７４号

本発明の目的は、上述した問題を克服すること、およびプレート熱交換器においてプレート隙間を通る流体の改善された流れと、実質的に伝熱領域全体にわたるプレート隙間内の流体の改善された分配と、を提供することである。

この目的は、最初に定義された伝熱プレートであって、前記連続線が湾曲しているか、または少なくとも部分的に湾曲しており、前記長手中心軸との傾斜角度を形成すること、および前記長手中心軸における前記傾斜角度は、前記第１の端部帯域における前記連続線の各々または実質的にその各々において、前記中央主帯域における前記連続線の各々と比べて緩やかであることを特徴とする伝熱プレートによって達成される。

このような伝熱プレートでは、第１の端部帯域における長手中心軸線に対するより緩やかな傾斜から、中央主帯域におけるより急な傾斜まで、波形の傾斜を変化させることが可能である。この傾斜の変化は連続的なものとすることができ、それによって傾斜の急激な全変化を回避することができる。したがって、第１の流体は、第１の端部帯域から中央主帯域へと滑らかに流れることが可能となる。

第１の端部帯域における緩やかな傾斜は、伝熱領域の全幅にわたる第１の流体の適切な分配を保証する。第１の端部帯域では、第１の流体を伝熱領域の長辺側縁部に向かって外側に押し出す流動抵抗が比較的大きくなるだろう。

中央主帯域におけるより急な傾斜は、中央主帯域における最適または維持された熱伝達を保証することができる。中央主帯域における流動抵抗は、第１の端部帯域の流動抵抗と比べて小さいことがあり得る。第１の端部帯域から中央主帯域への流動抵抗の連続的な減少を達成することができる。

したがって、リッジおよび谷は、長手中心軸に対して傾斜している。リッジおよび谷は、少なくとも中央主帯域上で長手中心軸を横切ることがあり得る。

リッジおよび谷はそれぞれの連続線に沿って延在するので、リッジおよび谷の方向の急激な変化がない。従来技術で長手中心軸において乱れまたはバイパスを生じさせた、いわゆる矢印パターン（arrow pattern）を回避することができる。

リッジおよび谷の連続的な湾曲した延在部は、伝熱プレートの強度の向上にも寄与する。

本発明の実施形態によれば、前記伝熱領域上を前記長手中心軸と平行に延在する任意の長手方向線における傾斜角度は、前記長手方向線における前記第１の端部帯域での前記連続線の各々において、前記長手方向線における前記中央主帯域（Ｂ）での前記連続線（１６）の各々と比べて緩やかである。

本発明の実施形態によれば、前記伝熱領域は、第１の長辺側縁部と、第２の長辺側縁部と、を有し、少なくとも前記中央主帯域の前記リッジおよび前記谷は、前記第１の長辺側縁部から前記第２の長辺側縁部まで延在する。

本発明の実施形態によれば、前記伝熱領域は、前記第１の端部帯域を区切る第１の短辺側縁部（short side edge）と、前記第２の端部帯域を区切る第２の短辺側縁部と、を有する。

本発明の実施形態によれば、前記伝熱プレートは、前記第１の端部帯域上に位置する２つの覗き窓と、前記第２の端部帯域上に位置する２つの覗き窓と、を備える。長手中心軸は、第１の端部帯域上の２つの覗き窓の間、および第２の端部帯域上の２つの覗き窓の間に延在することができる。

第１の端部帯域における一方の覗き窓は、第１の流体のための入口によって備えられてもよく、第１の端部帯域における他方の覗き窓は、第２の流体のための出口によって備えられてもよい。

対応する様式では、第２の端部帯域における一方の覗き窓は、第２の流体のための入口によって備えられてもよく、第２の端部帯域における他方の覗き窓は、第１の流体のための出口によって備えられてもよい。

本発明の実施形態によれば、隣接する前記リッジまたは前記リッジのピーク（peaks）間の距離は、前記伝熱領域上で等しい。隣接する谷間の距離も伝熱領域上で等しくてもよいということになる。リッジおよび谷の等距離の位置決めも有利であり、プレート熱交換器において、伝熱プレートのリッジと隣接する伝熱プレートの谷との間の接点の均一な分配に寄与する。同様に、リッジおよび谷の等距離の位置決めは、プレート熱交換器において、伝熱プレートの谷と隣接する伝熱プレートのリッジとの間の接点の均一な分配に寄与する。

本発明の実施形態によれば、前記伝熱プレートが、前記伝熱領域を包囲する外縁領域を備える。外縁領域は、伝熱領域の延在面に対して傾斜したフランジを形成することができる。このようなフランジは、プレート熱交換器において隣接する伝熱プレートの対応するフランジに隣接することができる。

本発明の実施形態によれば、前記連続線は、少なくとも１つの楕円形または卵形の延在部を有し、特に少なくとも一つの円形の延在部を有する。したがって、連続線は、楕円形、円形または楕円形リングの一部であり得る。

本発明の実施形態によれば、前記連続線が、前記伝熱領域の外側に位置する少なくとも１つの共通の中心点を有する。連続線が楕円形の延在部を有する場合、それらは伝熱領域の外側に２つの共通の中心点を有する。

本発明の実施形態によれば、前記傾斜角度は、前記第２の端部帯域における前記連続線の各々、または実質的にその各々において、前記中央主帯域における前記連続線の各々と比べて緩やかである。この実施形態は、第１の端部帯域から中央主帯域に流れる第１の流体の場合と同様に、第２の端部帯域から中央主帯域に流れる第２の流体に対して同じ利点を提供する。

本発明の実施形態によれば、前記伝熱プレートは、前記第１の端部帯域および前記中央主帯域の第１の部分を備える第１の半体と、前記第２の端部帯域および前記中央主帯域の第２の部分を含む第２の半体と、を備え、前記第１の半体と前記第２の半体とは、分割線に沿って互いに隣接する。

本発明の実施形態によれば、前記第１の半体上の前記連続線は、楕円形の延在部、特に円形の延在部とともに延在し、楕円形の延在部、特に円形の延在部を備える前記第２の半体に続く。

本発明の実施形態によれば、第１の半体上の連続線は、伝熱領域の第１の側部の外側に位置する第１の共通の中心点、または少なくとも１つの第１の共通の中心点を有し、第２の半体上の連続線は、伝熱領域の第２の側部の外側に位置する第２の共通の中心点、または少なくとも１つの第２の共通中心点を有する。

本発明の実施形態によれば、前記分割線における前記連続線は、前記分割線に対して垂直に延在する。

この目的は、上述の様々な実施形態による複数の伝熱プレートを備える最初に定義したプレート熱交換器によっても達成される。

本発明の実施形態によれば、前記伝熱プレートは、前記プレート熱交換器内で交互に配置された第１の伝熱プレートおよび第２の伝熱プレートを備え、前記第１の伝熱プレートの傾斜角度は、前記第２の伝熱プレートの傾斜角度と比較して、逆の符号であるものの等しい。

本発明はここで、様々な実施形態の説明を通して、および本明細書に添付された図面を参照してより詳細に説明される。

本発明の第１の実施形態によるプレート熱交換器の平面図を概略的に開示する。 図１の線II-IIに沿った縦断面図を概略的に開示する。 図１のプレート熱交換器の伝熱プレートの平面図を概略的に開示する。 図１のプレート熱交換器の別の伝熱プレートの平面図を概略的に開示する。 第２の実施形態によるプレート熱交換器のための伝熱プレートの平面図を概略的に開示する。 第２の実施形態によるプレート熱交換器のための別の伝熱プレートを概略的に開示する。

図１および図２は、複数の伝熱プレート１を備えるプレート熱交換器を開示する。プレート熱交換器において第１のプレート隙間２および第２のプレート隙間３を形成するために、伝熱プレート１が互いに隣接して設けられている。第１のプレート隙間２および第２のプレート隙間３は、プレート熱交換器において交互に設けられている。

プレート熱交換器は、第１の流体のための第１の入口４および第１の出口５を備える。プレート熱交換器は、第２の流体のための第２の入口６および第２の出口７も備える。第１の流体は、第１のプレート隙間２を通過し、第２の流体は第２のプレート隙間３を通過する。

プレート熱交換器は、２つ以上の流体、例えば３つの流体のために構成されてもよく、流体はそれぞれのプレート隙間を通過することに留意されたい。この場合、プレート熱交換器は、第３の入口および第３の出口も備えることができる。

長手中心軸ｘは、プレート熱交換器に沿って、伝熱プレート１の各々に沿って延在している。

開示されたプレート式熱交換器では、伝熱プレート１は、例えばろう付け、溶接、接着などの任意のふさわしい接合技術によって、互いと永久に接合される。

しかし、プレート熱交換器は、タイボルト（tie bolts）（図では開示されない）を利用して一緒に保持される伝熱プレート１を備えてもよく、第１のプレート隙間２および第２のプレート隙間３を互いにおよび周囲の環境から遮断するために、ガスケット（図では開示されない）が伝熱プレート１の間に設けられることに留意されたい。

図３は、プレート熱交換器の伝熱プレート１のうちの１つを開示する。伝熱プレート１は、角が丸い長方形または概して長方形であり、図２に示す延在面ｐと平行に延在している。

伝熱プレート１は、第１の端部帯域Ａ、第１の端部帯域Ａに隣接する中央主帯域Ｂ、および中央主帯域Ｂに隣接する第２の端部帯域Ｃを備える伝熱領域１０を備える。

長手中心軸ｘは、第１の端部帯域Ａ、中央主帯域Ｂおよび第２の端部帯域Ｃに沿って通り抜けて延在している。伝熱プレート１は、第１の端部帯域Ａ上に、長手中心軸ｘのそれぞれの側に設けられた２つの覗き窓１１と、第２の端部帯域Ｃ上に、長手中心軸ｘのそれぞれの側に設けられた２つの覗き窓１２とを備える。

３つの流体の場合、上述したように、伝熱プレート１は、第１の端部帯域Ａ上に３つの覗き窓１１と、第２の端部帯域Ｃに３つの覗き窓１２とを備えることができる。

第１の端部帯域Ａ上の２つの覗き窓１１は、第１の入口４および第２の出口７によって備えられることができる。第２の端部帯域Ｃ上の２つの覗き窓１２は、第１の出口５および第２の入口６によって備えられることができる。

伝熱プレート１は、伝熱領域１０、すなわち第１の端部帯域Ａ、中央主帯域Ｂおよび第２の端部帯域Ｃを包囲する外縁領域１３も備える。

開示されたプレート熱交換器において、外縁領域１３は、図２に示す伝熱領域１０の延在面ｐに対して傾斜したフランジを形成する。伝熱プレート１の外縁領域１３のフランジは、プレート熱交換器において隣接する伝熱プレート１の外縁領域１３の対応するフランジに隣接し、接合され得る。

伝熱領域１０は、波形のリッジ１４および谷１５を備える。波形は、第１の端部帯域Ａ、中央主帯域Ｂおよび第２の端部帯域Ｃ上に延在している。

リッジ１４および谷１５は、湾曲しているか、または連続的に湾曲しており、長手中心軸ｘとの傾斜角度αを形成するそれぞれの連続線１６に沿って延在している。連続線１６は、リッジ１４および谷１５のピーク（peak）に沿って延在している。

第１の実施形態では、連続線１６は、伝熱領域１０の全長に沿って湾曲している。

伝熱領域１０は、第１の長辺側縁部１７（long side edge）、第２の長辺側縁部１８、第１の短辺側縁部１９（short side edge）および第２の短辺側縁部２０を有する。少なくとも中央主帯域Ｂのリッジ１４および谷１５は、第１の長辺側縁部１７から第２の長辺側縁部１８まで延在している。第１の短辺側縁部１９は、第１の端部帯域Ａを区切る。第２の短辺側縁部２０は、第２の端部帯域Ｃを区切る。

隣り合うリッジ１４または隣り合うリッジ１４のピーク間の距離ｄは、伝熱領域１０または伝熱領域１０全体で等しい。距離ｄは、伝熱領域１０上の隣接する谷１５間で連続線１６と同じことになる。

図３から分かるように、長手中心軸ｘにおける傾斜角度αは、第１の端部帯域Ａにおける連続線１６において、中央主帯域Ｂにおける連続線１６と比べて緩やかである。

これは、伝熱領域１０上を長手中心軸ｘと平行に延在する任意の長手方向線２１に対しても有効である。結果として、上記長手方向線２１における傾斜角度αは、上記任意の長手方向線２１における第１の端部帯域Ａでの連続線１６の各々において、上記任意の長手方向線２１における中央主帯域Ｂでの連続線１６の各々と比べて緩やかである。

第１の実施形態では、連続線１６は、円形の延在部を有し、すなわちそれらは円の一部を形成する。伝熱領域１０上の連続線１６の全ては、伝熱領域１０の外側、図３では長手中心軸ｘの左側に位置する共通の中心点２２を有する。

図４は、図１および図２に示すプレート熱交換器内に含まれる別の伝熱プレート１を開示する。図４の伝熱プレート１は、図３の伝熱プレート１と同一であるが、伝熱領域は、連続線１６が伝熱領域１０の外側の長手中心軸ｘの右側に位置する共通の中心点２２を有するように１８０°逆転されている。

言い換えれば、プレート熱交換器の伝熱プレート１は、図３に示す第１の伝熱プレート１と、図４に示す第２の伝熱プレート１とを備える。第１の伝熱プレート１および第２の伝熱プレート１は、プレート熱交換器において交互に配置される。図３および図４から分かるように、第１の伝熱プレート１の傾斜角度αは、第２の伝熱プレート１の傾斜角度αと比較して、逆の符号であるものの等しい。

共通の中心点２２は、概略的にのみ示されており、実際には、それらは図３および図４に示されているものと比べて、伝熱プレート１からより遠いことに留意されたい。

図５および図６は、第２の実施形態による２つの伝熱プレート１であって、傾斜角度αが、第２の端部帯域Ｃにおいても中央主帯域Ｂと比べて緩やかであるという点において第１の実施形態の伝熱プレート１とは異なる伝熱プレート１を開示する。

連続線１６は、伝熱領域１０の第１の半体上に円形の延在部を有し、伝熱領域１０の第２の半体上に別の円形の延在部を有する。第１の半体は第１の端部帯域Ａおよび中央主帯域Ｂの第１の部分を備える。第２の半体は、第２の端部帯域Ｃおよび中央主帯域Ｂの第２の部分を備える。

第１の半体および第２の半体は、分割線２４に沿って互いと隣接している。分割線２４では、連続線１６が分割線２４を横切って連続的に延在している。連続線１６の各々は、分割線２４を横切るときに分割線２４に対して垂直または実質的に垂直である。図５および図６から分かるように、分割線２４は、長手中心軸ｘに対して傾斜している。分割線２４の傾斜角度は、長手中心軸ｘに対して４５°であり得る。

図５の伝熱プレート１の第１の半体上の連続線１６は、伝熱領域１０の外側、図５では長手中心軸ｘの左側に位置する共通の中心点２２を備える円形の延在部を有する。図５の伝熱プレート１の第２の半体上の連続線１６は、伝熱領域１０の外側、図５では長手中心軸ｘの右側に位置する共通の中心点２２を備える円形の延在部を有する。この場合にも、共通の中心点２２は概略的にのみ示されており、実際には、それらは図に示されているものと比べて、伝熱プレート１からより遠くに位置することに留意されたい。

第２の実施形態においても、プレート熱交換器の伝熱プレート１は、図５に示す第１の伝熱プレート１と、図６に示す第２の伝熱プレート１とを備え、第１の伝熱プレート１および第２の伝熱プレート１は、プレート式熱交換器において交互に配置される。また、図５および図６は、第１の伝熱プレート１の傾斜角度αが、第２の伝熱プレート１の傾斜角度αと比較して、逆の符号であるものの等しいことを示す。

本発明は、開示された実施形態に限定されるものではなく、以下の特許請求の範囲内で変更および修正されてもよい。

１ 伝熱プレート
２ 第１のプレート隙間
３ 第２のプレート隙間
４ 第１の入口
５ 第１の出口
６ 第２の入口
７ 第２の出口
１０ 伝熱領域
１１ 覗き窓
１２ 覗き窓
１３ 外縁領域
１４ リッジ
１５ 谷
１６ 連続線
１７ 第１の長辺側縁部
１８ 第２の長辺側縁部
１９ 第１の短辺側縁部
２０ 第２の短辺側縁部
２１ 長手方向線
２２ 共通の中心点
２４ 分割線

Claims (14)

1. 少なくとも第１の流体と第２の流体との間の熱交換のためのプレート熱交換器用の伝熱プレート（１）であって、前記伝熱プレート（１）は、
   第１の端部帯域（Ａ）、
   前記第１の端部帯域（Ａ）に隣接する中央主帯域（Ｂ）、
   前記中央主帯域（Ｂ）に隣接する第２の端部帯域（Ｃ）、および
   前記第１の端部帯域（Ａ）、前記中央主帯域（Ｂ）および前記第２の端部帯域（Ｃ）上に延在する波形のリッジ（１４）および谷（１５）を備える伝熱領域（１０）と、
   前記第１の端部帯域（Ａ）、前記中央主帯域（Ｂ）および前記第２の端部帯域（Ｃ）に沿って通り抜けて延在する長手中心軸（ｘ）と、を備え、
   前記リッジ（１４）および前記谷（１５）はそれぞれの連続線（１６）に沿って延在し、
   前記伝熱領域（１０）は、第１の長辺側縁部（１７）と、第２の長辺側縁部（１８）と、を有し、少なくとも前記中央主帯域（Ｂ）の前記リッジ（１４）および前記谷（１５）は、前記第１の長辺側縁部（１７）から前記第２の長辺側縁部（１８）まで延在し、
   前記連続線（１６）が少なくとも部分的に湾曲して前記長手中心軸（ｘ）との傾斜角度（α）を形成すること、および前記長手中心軸（ｘ）における前記傾斜角度（α）は、実質的に前記第１の端部帯域（Ａ）における前記連続線（１６）の各々において、前記中央主帯域（Ｂ）における前記連続線（１６）の各々と比べて緩やかである、伝熱プレート（１）。
2. 前記伝熱領域（１０）上を前記長手中心軸（ｘ）と平行に延在する任意の長手方向線（２１）における傾斜角度は、前記長手方向線（２１）における前記第１の端部帯域（Ａ）での前記連続線（１６）の各々において、前記長手方向線（２１）における前記中央主帯域（Ｂ）での前記連続線（１６）の各々と比べて緩やかである、請求項１に記載の伝熱プレート（１）。
3. 前記伝熱領域（１０）は、前記第１の端部帯域（Ａ）を区切る第１の短辺側縁部（１９）と、前記第２の端部帯域（Ｃ）を区切る第２の短辺側縁部（２０）と、を有する、請求項１または２に記載の伝熱プレート（１）。
4. 前記伝熱プレート（１）は、前記第１の端部帯域（Ａ）上に位置する２つの覗き窓（１１）と、前記第２の端部帯域（Ｃ）上に位置する２つの覗き窓（１２）と、を備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載の伝熱プレート（１）。
5. 隣接する前記リッジ（１４）間の距離（ｄ）は、前記伝熱領域（１０）上で等しい、請求項１〜４のいずれか一項に記載の伝熱プレート（１）。
6. 前記伝熱プレート（１）が、前記伝熱領域（１０）を包囲する外縁領域（１３）を備える、請求項１〜５のいずれか一項に記載の伝熱プレート（１）。
7. 前記連続線（１６）は、少なくとも１つの楕円形または卵形の延在部を有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の伝熱プレート（１）。
8. 前記連続線（１６）が、前記伝熱領域（１０）の外側に位置する少なくとも１つの共通の中心点（２２）を有する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の伝熱プレート（１）。
9. 前記傾斜角度（α）は、実質的に前記第２の端部帯域（Ｃ）における前記連続線（１６）の各々において、前記中央主帯域（Ｂ）における前記連続線（１６）の各々と比べて緩やかである、請求項１〜８のいずれか一項に記載の伝熱プレート（１）。
10. 前記伝熱プレート（１）は、
    前記第１の端部帯域（Ａ）および前記中央主帯域（Ｂ）の第１の部分を備える第１の半体と、
    前記第２の端部帯域（Ｃ）および前記中央主帯域（Ｂ）の第２の部分を含む第２の半体と、を備え、
    前記第１の半体と前記第２の半体とは、分割線（２４）に沿って互いに隣接する、請求項９に記載の伝熱プレート（１）。
11. 前記第１の半体上の前記連続線（１６）は、楕円形の延在部、特に円形の延在部を有し、前記第２の半体上の前記連続線（１６）は、楕円形の延在部、特に円形の延在部を有する、請求項１０に記載の伝熱プレート。
12. 前記分割線（２４）における前記連続線（１６）は、前記分割線（２４）に対して垂直に延在する、請求項１０および１１のいずれか一項に記載の伝熱プレート（１）。
13. 請求項１〜１２のいずれか一項に記載の複数の伝熱プレート（１）を備えるプレート熱交換器。
14. 前記伝熱プレート（１）は、前記プレート熱交換器内で交互に配置された第１の伝熱プレート（１）および第２の伝熱プレート（１）を備え、前記第１の伝熱プレート（１）の傾斜角度（α）は、前記第２の伝熱プレート（１）の傾斜角度（α）と比較して、逆の符号であるものの等しい、請求項１３に記載のプレート熱交換器。

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