JPH033824Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 産業上の利用分野 本考案は、プレート型熱交換器、殊に支持部材
から弾性支持された複数の熱伝導プレートを備
え、少なくとも該熱交換器に流入する直前と直後
において、熱の授受にあたる各流体の流動方向が
相互に直交する浮動プレート型熱交換器に関す
る。

更に詳細には、この考案に係る熱交換器は、主
に熱回収の分野での利用を主目的としており、例
えば処理部から流出する高温流体と、処理部へ流
入する低温流体との間で行う熱交換に与かる。従
つて、例えば、汎用パツケージボイラー（1T／
Ｈ〜10T／Ｈの蒸発量をもつもの）等の小型空気
予熱手段として有利に利用し得るものである。

従来の技術 上述のような分野で有利に利用される熱交換器
として、熱交換プレートが支持部材に弾性支持さ
れている浮動プレート型熱交換器が既に特開昭59
−500580号公報に開示されている。この公開特許
公報に開示されている浮動プレート型熱交換器の
概略的な構成を第６図に示す。

即ち、第６図は浮動プレート型熱交換器の１ユ
ニツトの構成を一部省略斜視図にて示すものであ
る。図示の浮動プレート型熱交換器は、一対の矩
形端部壁１０と、それら矩形端部壁１０の各隅に
端部が取り付けられて矩形端部壁を結合して筐体
を形成する条材１２を支持構造体としている。

熱交換媒体たる複数の矩形プレート１４は、矩
形端部壁１０の間に、該端部壁１０と平行に相互
に離隔して配置されている。各矩形プレート１４
の一方の面には、隣接する各矩形プレート対の間
に間隙を生ぜしめてチヤンネルを形成する複数の
デインプル１６が設けられており、それらデイン
プル１６は略長円形で、各矩形プレートの一方の
面に突出するように互に平行に形成される。

第７図(a)および(b)は、上述のような熱交換器を
構成する熱交換プレートの形態を示したものであ
る。

第７図(a)および(b)に示すように、隣接する矩形
プレート間でデインプル１６が互いに直交するよ
うに配置されており、また各矩形プレートはデイ
ンプルの長径方向と平行な縁部が直角に折り返さ
れて、各矩形プレートの直下のチヤンネルの側壁
を形成するように構成されている。このとき、デ
インプルは矩形プレート面に垂直な方向の力に対
する支持構造体としても機能する。

また、各デインプルは、これが突出するチヤン
ネル内での流体の流動方向に長い長円形に形成さ
れ、流体の流れに大きな抵抗を与えないように構
成されている。従つて、第７図(a)では矢印Ｘの方
向に流体が流れ、また第７図(b)では矢印Ｙの方向
に流体が流れることが有利である。第７図(c)はこ
のような熱交換器の熱交換プレート部分のプレー
ト平面に垂直な断面図である。

また、第６図には図示していないが、矩形プレ
ート１４の各々の間には弾性を有するセパレータ
が配置され、矩形プレート１４はその各々の面に
対して垂直な方向に弾性支持され間隔を保ちつつ
位置を決められている。この弾性支持により、矩
形プレート面に対して垂直な方向での熱膨張は吸
収され、熱交換器外穀の熱変形等を防止するよう
に構成されている。

更に、第６図に示すように、各矩形プレート１
４の隅にはＬ型の断面を有するシールストリツプ
１８が当接され、その外側と条材１２の内面との
間には弾性金属薄板を１回以上渦巻状に巻いたロ
ールスプリング２０が間挿されている。また、そ
のロールスプリング２０の外側にはストツパ２２
が配置され、ロールスプリング２０の脱落を防止
している。

かくして、ロールスプリング２０により、シー
ルストリツプ１８の外面とコーナ部材１２の内面
との間がシールされると共に、矩形プレート１４
面と平行な方向の熱膨張が吸収されるように構成
されている。

以上のような構成の浮動プレート型熱交換器
は、各矩形プレート１４の間に形成される互いに
直交するチヤンネルの内、同一方向の全チヤンネ
ルに、例えば高温流体を流し、それと直交する方
向の全チヤンネルに例えば低温流体を流すことに
より、両流体の間で矩形プレートを介して熱交換
がなされる。

上述のような、特開昭59−500580号公報に開示
される浮動プレート型熱交換器は、熱による変形
あるいはそれに起因する破損が極めて少なく、ま
た、組み立ても容易であるという特徴を備えてい
る。

考案が解決しようとする問題点 このような浮動プレート型熱交換器をより有利
に利用すべく、本件実用新案登録出願人により、
既にいくつかの構造上の改善が提案されている
が、これらはいずれも第６図に示された浮動プレ
ート型熱交換器を根本的に改善するものではなか
つた。

即ち、上述の如き従来の浮動プレート型熱交換
器においては、熱の授受にあたる各流体は矩形プ
レートを介して互いに直角に流動している（この
ような方式を、以下直交流式と記す）。しかしな
がら、温度の異なる２種の流体がプレートを介し
て互いに対向する方向に流れる向流式熱交換器に
比較し、直交流式熱交換器は原理的に達成するこ
とできる温度効率がかなり低く、１基の直交流式
熱交換器ユニツトでは、単に伝熱面積を拡大した
だけでは、求める熱交換量が得られない場合が多
い。

そこで、実際の使用にあたつては、直交流型熱
交換器は複数のユニツトをダクトで結んで多段と
して使用することが一般的である。第９図(a)およ
び(b)に、多段型熱交換器の構成を概略的に示す
が、第９図(a)に示すように２個の熱交換ユニツト
４０をダクト４１で結ぶ、あるいは、第９図(b)に
示すように３個の熱交換ユニツトを２本のダクト
４１で結ぶ等の構成を採ることによつて必要な熱
交換量を得ている。

しかしながら、このような構成は熱交換器の外
形寸法あるいは重量を拡大するので、その利用に
おいて不利なことはいうまでもない。また、多段
型の熱交換器を流体が流通する際には、各段の伝
熱素子間に流体が出入りする際の収縮及び拡散の
ために流体の動圧損失が大きくなるので、熱交換
器としての効率は更に低下する。更に、熱交換に
あたる流体が気体である場合は、ダクト内を通過
する際の摩擦圧力損失も無視し得ないものであ
る。

この点について詳述すると、「日本機械学会」
伝熱工学資料（184〜190頁）によれば、熱交換器
において、交換熱量Ｑを平均温度差Δt_nを用いて
表せば次式のようになる。

Ｑ＝KFΔt_n ……(1) このとき Ｆ：電熱面積（m²） Ｑ：単位時間当りの熱交換量（Kcal／ｈ） Ｋ：係数 従つて、式(1)において係数Ｋが分かれば、Ｑあ
るいは所要伝熱面積Ｆの関係が確定する。

第３図は、同様の資料による向流式熱交換器に
おける温度差の変化を示すものであり、これに基
づくと、高温流体Ｗと低温度流体W′との温度差
Δt_nは熱交換器端部における各流体の温度t₁，t₁′，
t₂，t₂′の関数として次式のように与えられる。

Δt_n＝Δ₁−Δ₂／2303log₁₀（Δ₁／Δ₂） ……(2) このとき、Δ₁，Δ₂は第３図に示す如く、両流
体の入口、出口にける温度差である。

更に、この直交流式熱交換器を複数接続して多
段構成とした場合は、次式によつてΔt_nを求める
ことができる。

Δt_n＝Ψ（t₁−t₂′）（t₂−t₁′）／2.303log₁₀t₁−t₂
′／t₂−t₁′……(3) 即ち、向流式のΔt_nに修正係数Ψを乗じて求め
ることができるが、この修正係数Ψは、第４図に
示した直交流式熱交換器において、熱交換にあた
る両流体ともに混合しない場合の修正係数を示す
グラフから知ることができる。

一方、この浮動プレート型熱交換器はボイラや
加熱炉の空気予熱器として使用される場合が多い
が、この場合の実際の熱流量比Ｒは0.8程度であ
り、もし低温側の温度効率を0.8程度にしようと
すると修正係数は、第４図に従つて0.65となる。
即ち、この直交流式の熱交換器と同一の熱交換量
を目標にして設計される向流式熱交換器の伝熱面
積は65％である。

一方、完全な直交流式熱交換器を多段型に構成
して、所望の熱交換量を得るためには、第４図に
於けるηを小さくすることにより修正係数の改善
を目ざすこととなる。即ち、温度効率0.8を保つ
為には２段熱交換器として各段を0.4とすれば良
く、この場合の補正係数を第４図によつて求める
と、ψ＝0.96を夫々得ることができる。即ち、伝
熱面積は0.65／0.95と減少することができる。

しかし、向流型熱交換器に比しては依然として
１／0.96＝1.04だけ面積が大きいく、また多段型
であるが故に生ずる数々の問題については既に述
べた通りである。

このように、浮動プレート型熱交換器は、従来
の技術の欄において述べたような各種の改善を重
ねても、向流式熱交換器に比しては依然として不
利である。

そこで、本考案の目的は、熱による変形あるい
は破損がなく組み立てが容易であるという従来の
浮動プレート型の熱交換器の利点を維持しつつ、
熱交換効率の高い向流式熱交換器を実現すると共
に、小型熱交換器にも適用し得る構造の簡単な向
流式交換器を実現することを目的としている。

問題点を解決するための手段 即ち、本考案に従い、平行に離隔する一対の長
方形の壁部材と、該一対の壁部材の各隅部を結合
する４本の柱状のコーナポストとによつて形成さ
れる筐体と、前記壁部材面上で該面の一部を残し
て該面を封止すべく延長されている２枚のシール
プレートと、該シートプレートと前記壁部材によ
つて画成される空間内に、前記壁部材に平行に且
つ前記シールストリツプに密着して格納された３
枚以上の互いに離隔した浮動プレートと、該浮動
プレート相互の間に画成されるチヤンネル内で、
該浮動プレート相互の間隙を維持するスペーサ手
段と、該チヤンネル内での流体の流動を制御する
手段とを備え、互いに隣接するチヤンネルに、各
浮動プレートの表裏で温度の異なる流体が流さ
れ、該流体間で前記各浮動プレートを介して熱交
換がなされる浮動プレート型熱交換器であつて、
前記チヤンネルの長辺の少なくとも２／３以上に
相当する区間において温度の異なる流体が互いに
反対の方向に流通するように構成されていること
を特徴とする上記向流式浮動プレート型熱交換器
が提供される。

また、前記スペーサ手段は、前記浮動プレート
の各々に設けられた略長円形で該浮動プレートの
表および／または裏に向かつて突出する複数の長
円形のデインプルである。これらのデインプルは
相互に隣接する浮動プレートの間隙を形成する。
更に、前記デインプルを有効に配置することによ
り前記流体の流動を制御する手段を形成すること
が有利である。このとき、前記壁部材の長辺側か
ら流体が流入しあるいは流出するチヤネル内に設
けられた前記デインプルが、前記壁部材の流体流
出側の長辺と、流体の下流側で15゜乃至45゜の範囲
の角度を成すように構成されていることが好まし
い。

作 用 本考案によつて提供される浮動プレート型熱交
換器は、浮動プレートを積層して交互に形成され
るチヤンネルの水平断面が長方形であり、流体が
該長方形の短辺から流入して対向位置にある短辺
から流出するチヤンネルと、該チヤンネルの下流
側の長辺の一部から流体が流入し対向する長辺の
上流側から流出するチヤンネルとを備えている。

従つて、この長辺側から流入あるいは流出する
流体は、流入から流出までの間のある期間は、短
辺側から流入および流出する気体と反対の向きに
流動し、向流式の熱交換が実現される。

上述のような、本考案に従う向流式浮動プレー
ト型熱交換器は、その組み立て構造は、特開昭59
−500580号公報に開示されている直交流式浮動プ
レート型熱交換器と同様の形式を採用している。

本考案では、浮動プレートが支持構造に弾性を
有する材料を介して弾性支持されているので、浮
動プレート型の特質である熱変形あるいはそれに
起因する破損に対して有利な構成を依然として保
持していると共に、この形式の構成においてすで
に提案された各種の改善をいずれも適用すること
ができる。

即ち、このような浮動プレート型熱交換器をよ
り有利に利用すべく、既に本件実用新案登録出願
人により、矩形プレートの間隙を保つ部材をより
確実に固定する構造（昭和60年実用新案登録願第
087335号）、あるいは、例えば第８図に矩形プレ
ート２４によつて画成されるチヤンネルの断面を
以つて示すように、各矩形プレート２４に形成さ
れるデインプル２６を各矩形プレートの面の表裏
に形成し、隣接する矩形プレートのデインプルの
底面を互いに当接することによつて、各矩形プレ
ートの間隔を拡大し、各チヤンネルの厚さを増す
構造（昭和60年実用新案登録願第087336号）、ま
た、矩形プレートによつて形成される熱交換部と
該熱交換部の支持構造との間に断熱材を配して、
支持構造への熱影響を排すると共に熱の回収効率
を高めた構造（昭和60年実用新案登録願第087337
号）、更に、前記した矩形プレートの集合体を、
リブ部材と矩形プレートに設けたデインプルとを
組み合わせて構成する構造（昭和60年実用新案登
録願第087338号）、また更に、各矩形プレートの
縁部に屈曲防止構造を備えて矩形プレートの曲げ
剛性を高める構造（昭和60年実用新案登録願第
087339号）などが提案されており、本件実用新案
登録出願にかかる向流式浮動プレート型熱交換器
にはこれらの改善をいずれも適用することができ
る。

更に、本考案に従う熱交換器は、その熱交換部
を長方形とし、その長辺側から流入する流体につ
いて、その流入範囲と流出範囲をシールプレート
によつて制限することによつて、前記長方形の熱
交換部の中央付近において相互の流体の流動方向
を向流化している。

また、熱交換に流入直後および流出直前の流体
は、熱交換器内で向流部分に向かつてあるいは向
流部分から流動方向を90゜転じる。このとき、第
５図に点線で囲つて示した(a)部および(b)部では、
流体が充分に流通しない。そこで、本考案に従つ
て、チヤンネル内に流体の拡散・整流手段を設け
ることが有利である。

この整流手段は、熱交換プレートに形成され、
各チヤンネル内に突出するデインプルの配列およ
び方向を調整することによつて、容易かつ有効に
チヤンネル内に形成することができる。。

即ち、浮動プレートに形成されたデインプル
は、チヤンネル内に突出しており、また、その形
状は略長円形なので、流体の流動方向とデインプ
ルの長径方向が一致したときが最も流体の流動に
対する抵抗が少ない。そこで、チヤンネル内での
流体の好ましい流動パターンに従つて、デインプ
ルの配列および方向を決定することによつて、デ
インプルを流体の拡散・整流手段としても機能さ
せることができる。このようなデインプルを備え
た浮動プレートは、従来公知の一般的な鋼板材料
をプレス成形すること等により容易に作製するこ
とができる。

このような、本考案に従い、熱交換効率の高い
浮動プレート型熱交換器が提供される。

実施例 以下に、本考案の好ましい態様を挙げて、本考
案についてより具体的に詳述するが、以下に示さ
れるものは、本考案の一実施例にすぎず、本考案
の技術的範囲を何等制限するものではない。

第１図は、本考案の好ましい態様を斜視図にて
示すものであり、幅380mm、長さ1245mmの寸法の
熱交換面を備えた交流式浮動プレート型熱交換器
の構成を示している。

第１図に示されるように、壁部材１０１および
１０２は、底面が略正方形のコーナポスト１０
３，１０４，１０５，１０６によつて各隅部を結
合されて筐体を形成しており、この筐体が熱交換
器の支持構造体となつている。

この筐体の、壁部材１０１の長辺に接する側の
側面は、互いに対向する１対の鉄製シールプレー
ト１０９によつて封止されている。このシールプ
レート１０９の図中で右側には、後述する流体の
流入口１０７が設けられている。また、第１図で
は見えないが、シールプレート１０９と対向して
いるもう一方のシールプレートには、図中で左側
に流出口が設けられている。

このような形態は、第１図に示した熱交換器の
水平断面図たる第２図ａにおいてより明白であ
る。尚、第２図ａでは、第１図と同じ要素には同
じ参照番号を付している。

図示の如く、浮動プレート１１０ａは、各コー
ナポスト１０３，１０４，１０５，１０６によつ
て、ゴム製のパツキング材１１２を介して支持さ
れている。即ち、浮動プレート１１０ａの熱膨張
がパツキング材１１２によつて吸収されるように
構成している。

また、本実施例における浮動プレート１１０ａ
は、各々複数のデインプル１１１ａを備えてい
る。

第２図ａは、浮動プレートの長辺側から流入あ
るいは流出する流体の流通するチヤネル内におけ
るデインプルの向きおよび配列を示している。各
デインプルは略長円形の形状であり、流体の流動
方向がデインプルの長径方向と一致したときが最
も抵抗が少ないことはいうまでもない。そこで、
チヤネル内での流体の望ましい流動方向に沿つて
デインプルの向きと配列を検討した結果、第２図
ａに示した配列および向きが望ましい態様の一つ
であることが判明した。

即ち、第２図において、デインプル１１１ａは
空気側通路に、斜めに張り出され、図に示される
ように浮動プレートの中心線から流入口１０７側
に角度αを成して互いに平行に設けられている。
ここで角度αは、デインプルの形状、大きさ、な
らびに浮動プレートの大きさにより決定される
が、一般にα＝15〜45゜の範囲にあるときに、低
い流通抵抗と有効な整流効果とが両立される。ま
た、これらのデインプルは、向流内を空気が均一
に流れるよう、チヤンネル内の流体を拡散する機
能も果たす。即ち、側面から流体が流入あるいは
流出するこのチヤンネルでは、第５図に示すよう
に流体が斜めにシヨートパスして、有効な向流部
が形成され難い。従つて、このデインプルの如き
整流手段の装備が不可欠である。

一方、浮動プレートの短辺側から流入し、対向
位置にある短辺側から流出する流体のチヤンネル
内には、格別の整流手段は必要ないが、隣接する
浮動プレートとの間隙を確保するために、やはり
浮動プレートにデインプルを設けておくことが好
ましい。この浮動プレート１１０ｂ上ではデイン
プル１１１ｂは総て流体の流動方向にその長径を
揃えており、専ら流体の流動を妨げないように構
成されている。

以上のように作製された、本考案に従う向流式
浮動プレート型熱交換器の構造は極めて簡明であ
り、小型の熱交換器にも有利に適用することがで
きる。

考案の効果 以上説明したように、本考案に従う熱交換器
は、機能に忠実な簡明な構成となつているので、
特に従来、構造が複雑なために適用の憚られてい
た小型熱交換器にも有利に適用し得る。また、こ
のような構造の単純化によつて犠性にされた機能
はなく、従来の向流式熱交換器の備える多くの利
点はそのまま保持されている。

前述のような、向流式熱交換器は熱交換効率が
高く、この形式の熱交換器の適用範囲が広がるこ
とは当分野において極めて大きな進歩である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本考案に従う向流式浮動プレート型
熱交換器の好ましい態様を示す斜視図であり、第
２図ａおよびｂは、第１図に示した向流式浮動プ
レート型熱交換器の各浮動プレートに形成された
デインプルの配列と方向の一態様を示すものであ
り、第３図は、向流式熱交換器における流体の温
度変化を示すグラフであり、第４図は、直交流式
熱交換器における修正係数を算出するためのグラ
フであり、第５図は、長方形のチヤンネル内での
流体の流動形態の概略を示す図であり、第６図
は、従来の直交流式浮動プレート型熱交換器の構
造を示す一部切り欠き斜視図であり、第７図ａ，
ｂおよびｃは、第６図に示された直交流式浮動プ
レート型熱交換器の浮動プレートの形態を示す図
であり、第７図ａおよびｂは各浮動プレートの外
形を、第７図ｃは積層された浮動プレートの断面
を示しており、第８図は、既に提案されている浮
動プレート型熱交換器に対する一提案を説明する
図であり、浮動プレートの断面を示すものであ
り、第９図ａおよびｂは、直交流式浮動プレート
型熱交換器を多段型とした場合の接続形態を示す
ものであり、第９図ａは２段の、第９図ｂは３段
型の構成を示す図である。 主な参照番号、１０……矩形端部壁、１２……
コーナ部材、１４，２４……矩形プレート、１
６，２６……デインプル、１８……シールストリ
ツプ、２０……ロールスプリング、２２……スト
ツパ、３１……上向きデインプル、３２……下向
きデインプル、４０……直交流式熱交換ユニツ
ト、４１……ダクト、１０１，１０２……壁部
材、１０３，１０４，１０５，１０６……コーナ
ポスト、１０７……流入口、１０８……流出口、
１０９……シールプレート、１１０ａ，１１０ｂ
……浮動プレート、１１１ａ，１１１ｂ……デイ
ンプル、１１２……パツキング材。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 (1) 平行に離隔する一対の長方形の壁部材と、該
   一対の壁部材の各隅部を結合する４本の柱状の
   コーナポストとによつて形成される筐体と、 前記壁部材の長辺と前記コーナポストによつ
   て画成される１対の面上で該面の一部を残して
   該面を封止すべく延長されている２枚のシール
   プレートと、 該シールプレートと前記壁部材によつて画成
   される空間内に、前記コーナポストに弾性支持
   され、前記シールプレートに密着して前記壁部
   材に平行に格納された３枚以上の互いに離隔し
   た浮動プレートと、 該浮動プレート相互の間に画成されるチヤン
   ネル内で、該浮動プレート相互の間隙を維持す
   るスペーサ手段と、 該チヤンネル内での流体の流動を制御する手
   段とを備え、 互いに隣接するチヤンネルに、各浮動プレー
   トの表裏で温度の異なる流体が流され、該流体
   間で前記各浮動プレートを介して熱交換がなさ
   れる浮動プレート型熱交換器であつて、 前記チヤンネルの長辺方向の所定区間におい
   て温度の異なる流体が互いに反対の方向に流通
   するように構成されていることを特徴とする上
   記向流式浮動プレート型熱交換器。 (2) 前記スペーサ手段は前記浮動プレートの各々
   に設けられた略長円形で該浮動プレートの表お
   よび／または裏に向かつて突出する複数の長円
   形のデインプルであることを特徴とする実用新
   案登録請求の範囲第１項に記載の向流式浮動プ
   レート型熱交換器。 (3) 前記デインプルを有効に配置することにより
   前記流体の流動を制御する手段を形成している
   ことを特徴とする実用新案登録請求の範囲第１
   項あるいは第２項に記載の向流式浮動プレート
   型熱交換器。 (4) 前記壁部材の長辺側から流体が流入しあるい
   は流出するチヤネル内に設けられた前記デイン
   プルが、前記壁部材の流体流出側の長辺と、流
   体の下流側で15゜乃至45゜の範囲の角度を成すよ
   うに構成されていることを特徴とする特許請求
   の範囲第３項に記載の向流式浮動プレート型熱
   交換器。 (5) 前記浮動プレートが、該浮動プレートの隅部
   において、弾性を有する材料を介して前記コー
   ナポストに押圧されることにより弾性支持され
   ていることを特徴とする実用新案登録請求の範
   囲第１項乃至第４項のいずれかに記載の向流式
   浮動プレート型熱交換器。