JP6660882B2 - 熱交換板および熱交換板を備える板式熱交換器 - Google Patents

Description

本願は、２０１４年１月２９日に提出された“Ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｐｌａｔｅ ａｎｄ ｐｌａｔｅ−ｔｙｐｅ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ ｈａｖｉｎｇ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｐｌａｔｅ”という発明の名称の中国特許出願第２０１４１００４３０３２．Ｘ号明細書の優先権を主張するものであり、その全内容を参照によって本願に援用する。

本発明は、熱交換器の分野に関する。特に、本発明は熱交換プレートと、熱交換プレートを有するプレート式熱交換器とに関する。

近年、プレート式熱交換器は、空調機器、冷蔵庫、冷水器、およびヒートポンプ等の機器において広く使用されてきた。一般に、プレート式熱交換器は、ろう付け、フル溶接、セミ溶接等によって、または解体可能な方法で相互に結合された複数の熱交換プレートを含み、プレート間の空間が熱交換流体を循環させるための経路を形成する。熱交換流体がこの経路を通って流れると、それは熱交換プレートと接触し、それによって熱交換が実現する。

図１（ａ）は、逆Ｖ字型パターンを有するタイプの熱交換プレートを示している。図が示すように、熱交換プレートはプレート本体を有し、凹凸の逆Ｖ字型パターンがプレート本体の表面全体にわたって設けられている。このような熱交換プレートは、プレート本体の表面全体にわたって流体を良好に分散でき、したがって、高い熱交換効率を実現できる。しかしながら、このような熱交換プレートは、例えばろう付け、フル溶接、またはセミ溶接等によって、または解体可能な方法により取り付けられるとき、隣接する熱交換プレート上の逆Ｖ字型パターンが反対方向に取り付けられ、すなわち、隣接する２枚の熱交換プレート上の逆Ｖ字型パターンの相互に対応するセットには取付時に２つの取付接点のみがあり、その結果、プレート式熱交換器の強度は高くない。さらに、このような熱交換プレートは薄すぎてはならず、そうでなければ、強度が要求を満たせないという問題が同様に発生し、その結果、プレート式熱交換器全体の信頼性が低下する。

図１（ｂ）は、「ディンプル」パターンを有する、他のタイプの一般的な熱交換プレートを示している。この図が示すように、熱交換プレートはプレート本体を有し、プレート本体の表面全体にわたって複数の突起と窪みとが設けられ、複数の突起と窪みとは相互に離間されている。複数のこのような熱交換プレートが取り付けられるとき、隣接する熱交換プレート上の複数の突起が相互に接触する。それゆえ、逆Ｖ字型パターンを有する熱交換プレートと比較して、突起と窪みとの間の移行曲面がより合理的であり、取付接点の分布もより合理的であり、そのため、プレート型熱交換器全体がより高い強度を有する。さらに、熱交換プレートの厚さはそれに対応して縮小されてよく、それによってコスト削減の目的が達成される。しかしながら、この熱交換プレートの流体分散は、上述の逆Ｖ字型パターンを有する熱交換プレートのそれより劣る。

それゆえ、熱交換プレートを組み立てることによって得られるプレート式熱交換器に関するニーズがあり、特に、熱交換器の結合強度を保証でき、良好な熱交換効率を確保しながら熱交換プレートの製造コストを削減でき、それによってプレート式熱交換器の製造コストが低減化されることが望ましい。

それゆえ、本発明は、良好な熱交換効率を有することができ、それと同時に、取付接点をより合理的に分散させることのできる熱交換プレートを提供する。それゆえ、複数の熱交換プレートが組み立てられると、確実な強度のプレート式熱交換器を実現でき、熱交換プレートをより薄型化でき、それによって熱交換プレートの製造コストを削減できる。

本発明によれば、熱交換プレートが提供され、これはプレート本体を含み、プレート本体の表面上に複数の窪みおよび突起が設けられ、複数の窪みおよび突起は第一の方向に交互に配置され、かつ第一の方向に垂直な第二の方向にも交互に配置され、および複数の突起の最上部は第一の方向に細長い形状を有する。

このような構造的配置により、熱交換流体が長手方向にプレート本体を通過して流れるとき、長手方向への迂回路が減り、それによって横方向の分散が改善され、これは横方向の流れにとってより有益である。さらに、突起の長い形状は渦の発生にとってより有益である。それゆえ、熱交換効率が向上する。これに加えて、突起が長い形状であることから、複数の熱交換プレートがろう付け、セミ溶接、またはフル溶接等により、または解体可能な方法で取り付けられるとき、取付接触面積が増大し、突起と窪みとの間の移行曲面は応力の分散にとってより有益であり、それによって、熱交換器が良好な強度を確実に有するようにすることができ、熱交換プレートの厚さをそれに応じて縮小し、コスト削減を実現できる。

１つの実施形態において、相互に隣接する突起および窪みは、それらの間の傾斜面によって移行的に接続され、その一方で隣接する窪みは、それらの間の曲面溝によって移行的に接続され、曲面溝の底部は窪みの底部より高い。

１つの実施形態において、突起の長尺方向に隣接する３つの窪みまたは突起により形成される三角形の頂角は５０°〜１６０°の範囲である。本発明者らは、このような配置が流体分散をさらに改善でき、渦の生成に有益であり、それによって熱交換効率が向上することを発見した。

好ましくは、頂角は７０°〜１５０°の範囲である。

１つの実施形態において、各突起は第一の縁と第二の縁とを有し、第一の縁および／または第二の縁は曲線または直線の形状である。

１つの実施形態において、各突起は第三の縁と第四の縁とを有し、第三の縁と第四の縁との間の挟角の角度範囲は０°〜１８０°である。

１つの実施形態において、突起の最上部の形状は

である。

好ましくは、挟角の角度範囲は２０°〜１１０°である。

好ましい実施形態において、第一の縁と第二の縁との両方が弓形であり、および第一の縁の曲率は第二の縁の曲率より小さい。

他の好ましい実施形態において、第一の縁は直線の形状であり、その一方で第二の縁は弓形である。

１つの実施形態において、複数の窪みの底部は丸い形状または多角形の形状を有する。

１つの実施形態において、第一の方向は長手方向と鋭角をなすか、長手方向と鈍角をなすか、長手方向に平行であるか、または長手方向に垂直である。

他の実施形態において、熱交換プレートは、少なくとも２つの熱交換プレートユニットを含み、任意の２つの隣接する交換プレートユニットにおいて第一の方向の向きは逆Ｖ字型形状を形成する。

本発明はまた、熱交換器も提供し、これは重複した状態で相互に結合された複数の上述のような熱交換プレートを含み、熱交換流体が流れるための経路がプレート間の空間に形成される。１つの実施形態において、複数の熱交換プレートはろう付け、セミ溶接、またはフル溶接によって相互に結合される。１つの実施形態において、複数の熱交換プレートが解体可能な方法で相互に結合される。

添付の図面を参照しながら以下に本発明を詳しく説明するが、図中の同じ符号は同一の構造または構成要素を示す。

先行技術の２つのプレート式熱交換プレートを示す。 本発明のある実施形態による熱交換プレートの一部の斜視図を示し、複数の突起および窪みがプレート本体の表面上に設けられている。 それぞれ、本発明の各種の実施形態による熱交換プレートのプレート本体の表面上に窪みおよび突起を配置するための各種の方法を示す。 本発明の実施形態による熱交換プレートの例示的な配置を示し、それぞれ第一の方向の向きが長手方向と鋭角をなすか、長手方向と鈍角をなすか、逆Ｖ字型を形成するか、または長手方向に平行である。 本発明による熱交換プレートの概略取付図を示す。 コンピュータシミュレーション結果であり、本発明のある実施形態による複数の熱交換プレート間の経路における熱交換流体の流れの、熱交換流体が経路内を流れるときのモードを示し、熱交換流体は長手方向に熱交換プレートを通過して流れ、窪み内で渦を形成する。

図２（ａ）および（ｂ）は、本発明のある例示的な実施形態による熱交換プレートの一部の斜視図を示す。図３〜９はそれぞれ、本発明の各種の実施形態による熱交換プレートのプレート本体の表面上に窪みおよび突起を配置する方法を示す。図が示すように、本発明による熱交換プレート１は、プレート本体１１を含み、プレート本体１１の表面上に複数の窪み１２と突起１３とが設けられ、複数の窪み１２と突起１３とは第一の方向Ｓ１に交互に配置され、かつ第一の方向に垂直な第二の方向Ｓ２にも交互に配置され、および複数の突起１３の最上部は第一の方向Ｓ１に細長い形状を有する。

このような構造的配置により、熱交換流体が長手方向Ｌにプレート本体を通過して流れるとき、長手方向の迂回路が減り、それによって横方向の分散が改善され、これは横方向の流れにとってより有益である。さらに、突起の長い形状は渦の生成にとってより有益である。それゆえ、熱交換効率が向上する。これに加えて、突起の長い形状により、複数の熱交換プレートがろう付け、セミ溶接、またはフル溶接等により、または解体可能な方法で取り付けられたときに、取付接触面積が増大し、突起と窪みとの間の移行曲面は応力の分散にとってより有益であり、したがって、熱交換器が良好な強度を確実に有するようにすることができ、熱交換プレートの厚さをそれに対応して縮小し、コスト削減を実現できる。

理解すべき点として、本発明は、熱交換流体が長手方向にプレート本体を通過して流れる用途に限定されない。熱交換流体はまた、プレート本体を横または斜め方向に通過して流れる可能性もある。熱交換流体がプレート本体を横または斜め方向に通過して流れる場合、熱交換効率は、渦の位置は変化するものの、依然として向上できる。

これに加えて、複数の窪み１２と突起１３とは第一の方向Ｓ１および第二の方向Ｓ２に交互に配置されるが、複数の窪み１２と突起１３とは必ずしも第一の方向Ｓ１または第二の方向Ｓ２に直線状に交互に配置されなくてもよい点を指摘するべきである。換言すれば、第一の方向Ｓ１に交互に配置された窪み１２と突起１３とは、例えば図９において例として示されているように、第二の方向Ｓ２には互い違いの位置を有していてもよい。

１つの実施形態において、相互に隣接する突起１３と窪み１２とは、それらの間の傾斜面１４によって移行的に接続され、その一方で隣接する窪み１２は、それらの間の曲面溝１５によって移行的に接続され、曲面溝１５の底部は窪み１２の底部より高い。本発明者らは、このような構造的配置が上述の流体分散効果を増大できることを発見した。

１つの実施形態において、図３において例として示されているように、第一の方向Ｓ１に隣接する３つの窪み１２ａ、１２ｂ、および１２ｃにより形成される三角形の頂角αは５０°〜１６０°の範囲である。好ましくは、頂角αは７０°〜１５０°の範囲である。本発明者らは、このような配置が渦の生成および分散にとってより有益であり、したがって、熱交換効率をさらに向上できることを発見した。

１つの実施形態において、各突起１３は第一の縁ａ１および第二の縁ａ２を有し、第一の縁ａ１および／または第二の縁ａ２は曲線または直線の形状であってもよい。例えば、図３が示すように、第一の縁ａ１と第二の縁ａ２との両方が弓形であり、第一の縁ａ１の曲率は第二の縁ａ２の曲率より小さい。例えば、図４が示すように、第一の縁ａ１は直線の形状であり、その一方で第二の縁ａ２は弓形である。当然のことながら、当業者であればわかるように、「弓形」という用語は、本明細書で使用されるかぎり、曲率は異なるが曲げ方向は同じである多数の弧状部分により形成される実質的に弓形の形状を含み、この場合、「曲率」とは略平均の曲率を意味する。

図３〜８は、突起の最上部の形状に使用できるいくつかの形状を示しており（すべてではない）、例えば

である。当然のことながら、第二の縁ａ２が直線の形状である場合と比較して、第二の縁ａ２が弓形である場合により強力な渦を提供できる。

１つの実施形態において、各突起１３は第三の縁ａ３および第四の縁ａ３を有し、第三の縁ａ３と第四の縁ａ４との間の挟角βの角度範囲は０°〜１８０°である。例えば、図３が示すように、ａ３およびａ４は、第一の縁ａ１および第二の縁ａ２に弓形の移行部によって接続されて、突起１３の最上部の長い構造を形成し、その一方で第三の縁ａ３および第四の縁ａ４は挟角βを形成し、挟角βの範囲は０°〜１８０°である。好ましい実施形態において、挟角βの角度範囲は２０°〜１１０°である。

１つの実施形態において、窪み１２の底部は丸い形状または多角形の形状を有する。

当然のことながら、突起１３の長手方向の長さＣは、実際の要求事項に応じて調節できる。

図１０ａ〜１０ｄは、本発明の実施形態による熱交換プレートの例示的な配置を示す。上述の図３〜９に示されている例では、第一の方向Ｓ１および第二の方向Ｓ２はそれぞれ横方向Ｔおよび長手方向Ｌに平行であるが、例えば図１０ａ〜１０ｄにおいて示されるように、窪み１２と突起１３とはプレート本体１１上に斜めに配置されてもよく、それぞれ第一の方向Ｓ１の向きは長手方向Ｌと鋭角をなすか、長手方向Ｌと鈍角をなすか、逆Ｖ字型を形成するか、または長手方向Ｌに平行である。

使用中、まず、本発明のある実施形態による複数の熱交換プレートがろう付け、フル溶接、またはセミ溶接等によって、または解体可能な方法によって相互に結合され、熱交換流体の流れのための経路がプレート間の空間に形成され、それによって本発明によるプレート式熱交換器が形成される。本発明の熱交換プレート１の構造に基づき、取付中に、熱交換プレート１の片面は、突起１３が隣接する熱交換プレート１’の突起１３’と接触した状態で取り付けられ、反対面は窪み１２が別の隣接する熱交換プレート１’’の窪み１２’’と接触した状態で取り付けられ、これは図１１に示されている。それゆえ、同じ熱交換プレートの２つの面に２つの異なる流体分散モードが実質的に形成され、突起が相互に接触する状態で取り付けられる面では、流体充填量がより少ない。このような非対称の流体分散モードによって、より良好な流体調整および性能調整モードを提供できる。さらに、圧力低下は、窪みが相互に接触した状態で取り付けられる面においてより低いため、システムの電力消費を削減できる。

図１２は、熱交換流体が本発明のある実施形態によるプレート式熱交換器内に流れるときに経路内で流体が流れるモードをシミュレーションによって示しており、熱交換流体は熱交換プレートを長手方向に通過して流れる。当然のことながら、熱交換流体はまた、横または斜め方向に熱交換プレートを通過して流れてもよい。熱交換流体が本発明のある実施形態による複数の熱交換プレート間の経路を通って長手方向に流れると、長い突起１３より低い領域、すなわち窪み１２内に渦が形成される。そこからわかるように、本発明のある実施形態による熱交換プレートにおいて、長い突起構造を提供し、横方向Ｔに隣接する３つの窪み１２または突起１３により形成される三角形の頂角αの範囲を５０°〜１６０°に設定することにより、より強力な熱交換流体の渦を発生させることができ、それによって熱交換効率を高めることができ、その一方で長い突起構造により取付中の結合強度が確保され、すわなち、プレート式熱交換器全体の強度が確保される。

本発明を各種の実施形態に関連して説明したが、この説明から、本明細書中の構成要素および構造を様々な方法で組み合わせ、変更し、および改良することができ、このような組合せ、変更形態、および改良形態は本発明の範囲に含まれることが理解され得る。

Claims (15)

1. プレート本体を含み、前記プレート本体の表面上に複数の窪みおよび突起が設けられている熱交換プレートであって、前記複数の窪みおよび突起は第一の方向に交互に配置され、かつ前記第一の方向に垂直な第二の方向にも交互に配置され、および前記複数の突起の最上部は前記第一の方向に細長い形状を有し、
   前記第一の方向は、熱交換流体の流れを分散させるように、前記熱交換プレートの前記長手方向と鋭角、鈍角または直角をなす、熱交換プレート。
2. 相互に隣接する突起および窪みは、それらの間の傾斜面によって移行的に接続され、その一方で隣接する窪みは、それらの間の曲面溝によって移行的に接続され、前記曲面溝の底部は前記窪みの底部より高い、請求項１に記載の熱交換プレート。
3. 前記突起の長尺方向に隣接する３つの窪みまたは突起により形成される三角形の頂角は５０°〜１６０°の範囲である、請求項１または２に記載の熱交換プレート。
4. 前記頂角が７０°〜１５０°の範囲である、請求項３に記載の熱交換プレート。
5. 各突起はそれぞれ前記第一の方向に延在する第一の縁と第二の縁とを有し、前記第一の縁および／または前記第二の縁は曲線または直線の形状である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱交換プレート。
6. 各突起はそれぞれ前記第一の縁と前記第二の縁とに接続する第三の縁と第四の縁とを有し、前記第三の縁と前記第四の縁との間の挟角の角度範囲は０°〜１８０°である、請求項５に記載の熱交換プレート。
7. 前記突起の前記最上部の形状は、
   前記第一の縁および前記第二の縁が、同心の弓形であってかつ前記第一の縁の曲率が前記第二の縁の曲率よりも小さく、
   または、前記第一の縁が直線でありかつ前記第二の縁が前記第一の縁と反対側に曲率中心がある弓形であり、
   または、前記第一の縁および前記第二の縁がいずれも弓形であってかつそれぞれの曲率中心が互いに対して反対側にあり、
   または、前記第一の縁および前記第二の縁が、いずれも直線の形状であり、
   または、前記第一の縁および前記第二の縁がいずれも弓形であってかつそれぞれの曲率中心が互いの側にあり、
   または、前記第一の縁が前記第二の縁の側に曲率中心がある弓形であり、かつ前記第二の縁が直線の形状である、請求項６に記載の熱交換プレート。
8. 前記挟角の前記角度範囲は２０°〜１１０°である、請求項６に記載の熱交換プレート。
9. 前記第一の縁と前記第二の縁との両方が弓形であり、および前記第一の縁の曲率は前記第二の縁の曲率より小さい、請求項８に記載の熱交換プレート。
10. 前記第一の縁は直線の形状であり、その一方で前記第二の縁は弓形である、請求項８に記載の熱交換プレート。
11. 前記複数の窪みの前記底部は丸い形状または多角形の形状を有する、請求項７〜１０のいずれか一項に記載の熱交換プレート。
12. 前記熱交換プレートは、少なくとも２つの熱交換プレートユニットを含み、任意の２つの隣接する交換プレートユニットにおける２つの前記第一の方向の向きは熱交換流体が流れる方向に対して逆Ｖ字型形状を形成する、請求項１に記載の熱交換プレート。
13. 重複した状態で相互に結合された複数の請求項１〜１２のいずれか一項に記載の熱交換プレートを含み、熱交換流体が流れるための経路が前記プレート間の空間に形成される、プレート式熱交換器。
14. 前記複数の熱交換プレートはろう付け、セミ溶接、またはフル溶接によって相互に結合される、請求項１３に記載のプレート式熱交換器。
15. 前記複数の熱交換プレートが解体可能な方法で相互に結合される、請求項１３に記載のプレート式熱交換器。

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