JPH06257979A - プレート形熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】気体と気体との熱交換の効率の高いプレート形
熱交換器を提供する。 【構成】山部２３と谷部２４とを形成した２枚の伝熱板
２５と２６とを重ねてその全周囲の周辺部及び谷部２４
を接着させて山部２３で形成される空間をジグザグ状の
第１の気体の通路とする伝熱エレメント２１，２１ａを
交互にずらして、隣接する伝熱エレメント２１，２１ａ
の山部２３と谷部２４とが対向するように並べて伝熱エ
レメント２１，２１ａ間の蛇行状の空間を第２の気体の
通路３８とし、第２の気体は通路３８を蛇行しながら早
い流速で流れることにより、熱伝達率を高めて熱交換の
効率を向上させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、気体と気体とがプレー
トからなる伝熱板を介しての熱交換を行なうプレート形
熱交換器に関する。

【０００２】

【従来の技術】プレートを伝熱板として流体と流体とが
熱交換するプレート形熱交換器はあらゆる分野で使用さ
れている。この場合、伝熱板には伝熱促進用の凹凸を付
け、流体の通路を形成する伝熱板間の密閉にはパッキン
類又はろう付等で行ない、伝熱板間の流体の流路への流
体の出入口は伝熱板を貫通する形で設けている。この種
のプレート形熱交換器として図８に示すものが知られて
いる。図８において伝熱エレメント１は２枚の図示しな
い伝熱促進用の凹凸をつけた伝熱板３の周囲をろう付等
で密閉して伝熱板間を第１の流体の通路として構成され
ている。そして伝熱エレメント１は複数並列に配設して
伝熱エレメント群４を構成し、さらに伝熱エレメント群
４を各伝熱エレメント分群４ａ，４ｂに２分し、各伝熱
エレメント分群４ａ，４ｂの上部にはそれぞれ伝熱エレ
メント１内に連通する入口ヘッダ５と出口ヘッダ６とを
設けている。なお、伝熱エレメント群４の下部には各伝
熱エレメント１内に連通する連絡ヘッダ７を設けてい
る。

【０００３】上記の伝熱エレメント群４は外箱１０に収
納、設置され、外箱１０には伝熱エレメント群４の上方
及び下方にそれぞれ第２の流体の流体入口１１と第２の
流体の流体出口１２とが設けられている。なお、入口ヘ
ッダ５には外箱１０を貫通して第１の流体が流入する入
口管１３が、また出口ヘッダ６には外箱１０を貫通して
第２の流体が排出する出口管１４が接続して設けられて
いる。

【０００４】このような構成により、入口管１３から流
入した第１の流体は入口ヘッダ５から伝熱エレメント分
群４ａの各伝熱エレメント１内を流れ、連絡ヘッダ７に
てＵターンして伝熱エレメント分群４ｂの各伝熱エレメ
ント１を流れた後、出口ヘッダ６から出口管１４を経て
外部に排出される。一方、第２の流体は流体入口１１か
ら流入して伝熱エレメント群４の伝熱エレメント１間を
流れて流体出口１２から排出される。

【０００５】このような第１の流体と第２の流体の流れ
により、第１の流体と第２の流体とは伝熱エレメント群
４の伝熱エレメント１の伝熱板３を介して熱交換する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来のプ
レート形熱交換器では、第１の流体が流れる伝熱エレメ
ント群４の各伝熱エレメント１に第１の流体を出入させ
る入口ヘッダ５，出口ヘッダ６，連絡ヘッダ７等を伝熱
エレメント１の伝熱板３に取付けているので、第１と第
２の流体とが熱量に比して流体体積が大きい場合、第２
の流体は流体体積が大きくても外箱１０内を流れ、この
ため構造上問題がないが、伝熱エレメント１の２枚の伝
熱板間を流れる第１の流体は、特に伝熱エレメント１の
出入口の部分での圧力損失が大きくなり、流体の体積の
大きな流体を用いることは困難であった。すなわち、換
言すれば液体と液体との熱交換や液体と気体との熱交換
を行なわせるプレート形熱交換器は容易に設計製作が可
能であったが、気体と気体との熱交換器の設計は困難で
あるという問題がある。

【０００７】また、伝熱エレメント群４を構成する伝熱
エレメント１間の第２の流体が流れる間隔は、第１の流
体を伝熱エレメント群４の各伝熱エレメント１に流すた
め、入口ヘッダ５，出口ヘッダ６，連絡ヘッダ７を設け
るために一定以下小さくすることができないので、伝熱
を向上させるために第２の流体の流速を大きくすること
が困難であるという問題がある。

【０００８】本発明の目的は、気体と気体との熱交換を
熱交換気体の流速を適度に高め、熱交換の効率のよいプ
レート形熱交換器を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明によれば２枚の伝熱板を重ねてその周囲を閉
鎖し、伝熱板間にＵターン部を有するジグザグ状に設け
る第１の気体の通路を、その隣接する通路のＵターン部
までの境界部は２枚の伝熱板を接合させ、かつその通路
の形状は伝熱板を山状にして形成し、通路の一方の端部
に第１の気体の入口、他方の端部に第１の気体の出口を
備える伝熱エレメントと、この伝熱エレメントを一つお
きにずらして隣接する伝熱エレメントのそれぞれの境界
部と通路の中央部とを向い合わせ、かつＵターン部の通
路の外壁を接触させるか、又は近接させて並列に配設
し、隣接する伝熱エレメント間を第２の気体の通路とす
る伝熱エレメント集合体と、この集合体を収納，設置
し、第２の気体の入口と出口とを備える外箱と、伝熱エ
レメントの第１の気体の入口と出口とにそれぞれ接続し
て外箱を貫通して設けられる入口管と出口管とを備えて
プレート形熱交換器を構成するものとする。

【００１０】上記において、伝熱エレメントの第１の気
体の入口側と出口側の通路の少なくとも一方の長さを隣
接する通路の長さより短かくして入口管と出口管との少
なくとも一方の長さを長くするものとする。また、隣接
する伝熱エレメント間の第２の気体の通路に突出する複
数の突起を伝熱板に設けるものとする。

【００１１】

【作用】伝熱エレメントは、２枚の伝熱板の周囲を閉鎖
し、この伝熱板間に第１の気体がＵターンしながら流れ
るジグザグ状の通路を、その隣接する通路の境界部は２
枚の伝熱板を接合して形成し、かつその通路の形状は２
枚の伝熱板を山状にして形成し、さらに通路の一方の端
部と他方の端部とにそれぞれ第１の気体の入口と出口と
を有して形成される。そして伝熱エレメント集合体は、
前記伝熱エレメントを一つおきにずらし、隣接する伝熱
エレメントは通路の中央部と境界部とを向き合わせ、か
つＵターン部の外壁を接触させて、並列に配して構成さ
れる。なお、通路の中央部と境界部とを向き合わせるこ
とにより、隣接する伝熱エレメント間には蛇行状の間隔
が形成され、この間隔は第２の気体の通路となる。

【００１２】この伝熱エレメント集合体は第２の気体の
入口と出口とを備える外箱に、外箱を貫通する入口管，
出口管を各伝熱エレメントに取付けて収納，設置され
る。ここで第２の流体は外箱の入口から流入し、前記伝
熱エレメント間の前記蛇行状の通路を流れて外箱の出口
から排出される。この際、隣接する伝熱エレメント間を
流れる第２の気体の流速は、伝熱エレメント間の間隔に
左右される。したがって隣接する伝熱エレメントのＵタ
ーン部の外壁を接触させた場合には伝熱エレメント間の
間隔が最も小さくなり、流速が最高になる。なお、第２
の気体の流量が比較的大きい場合、Ｕターン部を接触さ
せる代りに近接させて適切な流速が得られる。

【００１３】このようにして第１の気体は外箱を貫通し
て設けられた入口管から伝熱エレメント内のジグザグ状
の通路をＵターンしながら流れて外箱を貫通して設けら
れた出口管から排出される。一方、第２の気体は外箱の
入口から流入して伝熱エレメント間の蛇行状の通路を早
い流速で流れるので、熱伝達率が高くなり、熱交換の効
率が向上する。

【００１４】なお、伝熱エレメントの第１の気体の入口
側と出口側との少なくとも一方の通路の長さを隣接する
通路の長さより短かくして入口管と出口管との少なくと
も一方の長さを長くすることにより、第１と第２の気体
の温度差が大幅に大きいとき、伝熱エレメントと外箱と
の熱膨脹歪みは長い入口管や出口管が前記熱膨脹歪みに
応じて曲がることにより吸収される。この際、入口管や
出口管に生じる応力の大きさは、これらの長さを適切に
することにより、小さくすることができる。

【００１５】なお、隣接する伝熱エレメント間の第２の
気体の通路に突出する突起を伝熱エレメントの伝熱板に
設けることにより、第２の気体はこの突起により流れが
乱されて熱伝達率がさらに高くなる。

【００１６】

【実施例】以下図面に基づいて本発明の実施例について
説明する。図１は本発明の実施例によるプレート形熱交
換器の断面図、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。図
１，図２においてプレート形熱交換器２０は後述する伝
熱エレメント２１，２１ａとからなる伝熱エレメント集
合体３５，伝熱エレメント２１，２１ａに接続される第
１の気体の入口管３１，出口管３２を収納，設置し、第
２の気体の流体入口４４と流体出口４５とを備える外箱
３９とを主要構成部として構成される。ここで、伝熱エ
レメント２１は山部２３と谷部２４とを有して形成され
た２枚の伝熱板２５と２６とを向い合わせて重ね、その
周囲の周辺部２７と谷部２４をろう付け等により接着
し、伝熱板２５と２６との対向する山部２３で形成され
る部分を第１の気体の通路２８とする。

【００１７】図３は上記の入口管，出口管を備えた伝熱
エレメント２１の平面図であり、伝熱エレメント２１の
２枚の伝熱板２５，２６の上部を切欠いて凸部２５ａ，
２６ａを持たせ、全周囲の周辺部２７は接着されてい
る。そして接着された谷部２４は対向する周辺部２７
ａ，２７ｂから交互に伸び、周辺部２７ａから伸びる谷
部２４の末端ｄと周辺部２７ｂとの間及び周辺部２７ｂ
から伸びる谷部２４の末端ｄと周辺部２７ａとの間は第
１の気体の通路２８のＵターン部２８ａとなる。なお、
３１は第１の気体の入口管、３２は第１の気体の出口管
である。

【００１８】図４は伝熱エレメント２１の部分切断斜視
図であり、前記通路２８のＵターン部２８ａは伝熱板２
５，２６の山部で囲まれた形状を有している。したがっ
て、第１の気体の通路２８は図３に示すようにＵターン
部２８ａを有して谷部２４で区切られるジグザグ状の通
路、すなわち第１の気体が矢印のように流れる通路を形
成している。

【００１９】なお、伝熱エレメント２１の最下段の通路
２８の接着した周辺部には図４に示すように周辺部を貫
通して第１の気体の入口管３１が取付けられている。な
お、伝熱エレメント２１の伝熱板２５，２６の凸部２５
ａ，２６ａが接着した周辺部には入口管３１と同じ要領
で出口管３２（図３参照）が取付けられている。このよ
うな伝熱エレメント２１は図１に示すように並列に並
べ、伝熱エレメント２１は一つおきに平行方向にずら
し、このずらした伝熱エレメントを伝熱エレメント２１
ａとすれば、隣接する伝熱エレメント２１，２１ａの山
部２３と谷部２４とを対向するように配するとともに通
路２８のＵターン部２８ａの外壁は接触するように配設
して伝熱エレメント集合体３５を形成している。

【００２０】ここで、伝熱エレメント集合体３５の伝熱
エレメント２１と２１ａとの間は第２の気体が流れる通
路３８となる。ここで通路３８は、前述のように山部２
３と谷部２４とが対向しているので、蛇行状の通路とな
る。なお、最外側の伝熱エレメント２１の伝熱板２５，
２６のそれぞれに沿って伝熱板２５，２６と同じ形状の
流路形成板３６，３７を設けて第２の気体の通路３８を
形成している。

【００２１】流路形成板３６と３７とを備えた伝熱エレ
メント集合体３５は図１，図２に示すように外箱３９に
収納，設置される。なお、伝熱エレメント集合体３５の
一つおきにずれる伝熱エレメント２１，２１ａの入口管
３１及び出口管３２は外箱３９を貫通して設けられ、入
口管３１を包み、入口４０を備える入口ヘッダ４１と、
出口管３２を包み、出口４２を備える出口ヘッダ４３が
外箱３９に取付けられている。なお、破線２４は伝熱エ
レメント２１ａに隣接した伝熱エレメント２１の谷部、
破線２７ｃは伝熱エレメント２１の周辺部である。

【００２２】また外箱３９には伝熱エレメント集合体３
５の上方に第２の気体が流入する第２の気体の気体入口
４４と、伝熱エレメント集合体３５の下方に第２の気体
が排出する第２の気体の気体出口４５とが設けられてい
る。このような構成により、図１，図２において第１の
気体は入口４０から入口ヘッダ４１に流入し、入口ヘッ
ダ４１から各入口管３１を経て伝熱エレメント集合体３
５の各伝熱エレメント２１，２１ａの通路２８を流れ、
Ｕターン部２８ａでＵターンしながらジグザグ状に流れ
て出口管３２から排出され、出口ヘッダ４３に集められ
て出口４２から外部に排出される。

【００２３】一方、第２の気体は気体入口４４から外箱
３９内に流入し、伝熱エレメント集合体３５の隣接する
伝熱エレメント２１，２１ａの伝熱板２５と２６とで形
成する蛇行状の第２の気体の通路３８及び最外側に形成
される第２の気体の通路３８を流れて気体出口４５から
外部に排出される。このようにジグザグ状に伝熱エレメ
ント２１，２１ａの通路２８を流れる第１の気体は、伝
熱エレメント２１，２１ａ間の通路３８及び流路形成板
による通路３８とを蛇行しながら早い流速で流れて高い
熱伝達率が得られる第２の気体と伝熱板２５，２６を介
して熱交換する。なお伝熱エレメント２１，２１ａの相
接するＵターン部２８ａの部分は第２の気体の通路はな
いが、伝熱エレメントの伝熱板による熱伝導により熱交
換の役目を果している。

【００２４】なお、第２の気体の流量が比較的多い場
合、Ｕターン部２８ａを接触させずに近接させて適切な
第２の気体の流速が得られる場合は、近接させてもよ
い。また、伝熱エレメント２１，２１ａの通路２８のＵ
ターン部２８ａより外側の部分は、内側に形成される蛇
行状の通路３８より広い通路が生じるが、必要ならばそ
の部分を充填材により充填することにより、その部分を
流れる第２の気体の流量規制を行なえば、熱交換性能の
低下を防ぐことができる。

【００２５】ここで、伝熱エレメント２１，２１ａに接
続する出口管３２を図２に示すように充分に長くするこ
とにより、温度差の大きい第１と第２の流体との熱交換
時、伝熱エレメント２１，２１ａと外箱３９との間の熱
膨脹歪みは出口管３２の曲がりにより吸収される。なお
出口管３２に生じる応力の大きさは、伝熱板２５，２６
の凸部２５ａ，２６ａの幅を変えることにより、この部
分の通路２８の長さを変えて出口管３２の長さを大きく
すれば小さくできる。

【００２６】上記のように出口管３２の長さを長くして
熱交換時の伝熱エレメントと外箱との間の熱膨脹歪みを
吸収するプレート形熱交換器を使用する具体例として下
記のものがある。オンサイト形燃料電池発電装置におけ
る原燃料ガスと改質ガスとの熱交換において、改質器か
ら改質される改質ガスは約６５０℃の高温を有して図
１，図２に示すプレート形熱交換器２０の第２の気体の
気体入口４４から外箱３９内に流入し、第２の気体の通
路３８を流れて流体出口４５から外部に排出される。

【００２７】一方、改質ガスにより加熱される約２００
℃の原燃料ガスは入口４０から入口ヘッダ４１に流入
し、このヘッダから入口管３１を経て伝熱エレメント２
１，２１ａの通路２８を流れて出口管３２を経て出口ヘ
ッダ４３に集められ、出口４２から外部に排出される。
このような改質ガスと原燃料ガスとは伝熱エレメントに
より熱交換されるが、外箱３９の温度と伝熱エレメント
２１，２１ａの平均温度を比べると、伝熱エレメントの
方が温度が低い。そしてこの温度差は対数平均温度差に
ほぼ等しく、この場合では約１７０℃に達している。こ
のような大きな温度差による伝熱エレメントと外箱との
間の熱膨脹歪みは本発明による出口管３２の長さを長く
することにより吸収でき、出口管３２に大きな応力が生
ぜず、数千回の繰返し応力にも耐えることができる。

【００２８】なお、本実施例では出口管３２のみその長
さを長くしているが、出口管３２の代りに入口管３１が
接続する伝熱エレメント２１，２１ａの一部を切欠いて
入口管３１の長さを長くすることや出口管３２，入口管
３１の両方を長くすることにより、伝熱エレメント２
１，２１ａと外箱３９との間の熱膨脹歪みを吸収しても
よい。

【００２９】図５は本発明の異なる実施例によるプレー
ト形熱交換器の断面図である。図５において伝熱エレメ
ント２１，２１ａの伝熱板２５と２６とを方形状にし、
伝熱エレメント２１，２１ａの通路２８に接続する出口
管３２の長さを短かくした他は図１，図２に示すものと
同じである。このような構成により伝熱エレメント２
１，２１ａのジグザグ状の通路２８を流れる第１の気体
と、隣接する伝熱エレメント２１，２１ａ間や流路形成
板３６，３７による通路３８を流れる第２の気体との熱
交換の効果は前述と同じである。ここで、熱交換時の伝
熱エレメント２１，２１ａと外箱３９との間の熱膨脹歪
みの吸収はこれらの間で行なわれ、入口管３１と出口管
３２とには応力が生じるので、第１の気体と第２の気体
との温度差が大幅に大きくなく、伝熱エレメントと外箱
との間の熱膨脹歪みが少ないときに使用される。

【００３０】なお、前述のプレート形熱交換器におい
て、伝熱エレメント２１，２１ａの伝熱板２５，２６と
流路形成板３６，３７との山部２３に複数の突起４７を
図６及び図６のＢ矢視図である図７に示すように設ける
ことにより、第２の気体の流れは突起４７により乱され
て熱伝達率が高くなり、熱交換の効率が向上する。ま
た、第２の気体が流れる通路３８に通路幅を満たすアル
ミナ製のボール等の物体を挿入して第２の気体の流れを
乱して熱伝達率を向上させてもよい。

【００３１】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば前述の構成により、第１の気体と第２の気体と
の熱交換において、第２の気体は、この気体が通路を流
れる流速を適切な程度まで高くすることができるととも
に通路が蛇行しているので、高い熱伝達率を得ることが
でき、熱交換の効率を向上することができる。

【００３２】なお、伝熱エレメントの通路に接続する第
１の気体の入口管と出口管との少なくとも一方を長くす
ることにより、熱交換時の伝熱エレメントと外箱との間
の熱膨脹歪みを入口管や出口管の曲げにより吸収でき、
入口管や出口管の応力を小さくできる。また、伝熱エレ
メント間の第２の気体の通路に突起を設けることにより
第２の気体の流れが乱されて熱伝達率が高くなり、熱交
換の効率が向上する。

【００３３】また、伝熱エレメント集合体の伝熱エレメ
ント間の第２の気体の通路幅を狭くして流速を高め、伝
熱を促進しているので、伝熱エレメント集合体はコンパ
クトにすることができ、費用，スペースの点で従来のプ
レート形熱交換器より有利である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例によるプレート形熱交換器の断
面図

【図２】図１のＡ−Ａ断面図

【図３】図１の入口管，出口管を備えた伝熱エレメント
の平面図

【図４】図３の伝熱エレメントの部分切断斜視図

【図５】本発明の異なる実施例によるプレート形熱交換
器の断面図

【図６】本発明の他の異なる実施例によるプレート形熱
交換器の部分断面図

【図７】図６のＢ矢視部分図

【図８】従来のプレート形熱交換器の断面図

【符号の説明】

２０ プレート形熱交換器 ２１ 伝熱エレメント ２１ａ 伝熱エレメント ２３ 山部 ２４ 谷部 ２５ 伝熱板 ２６ 伝熱板 ２７ 周辺部 ２８ 第１の気体の通路 ３１ 第１の気体の入口管 ３２ 第１の気体の出口管 ３５ 伝熱エレメント集合体 ３８ 第２の気体の通路 ３９ 外箱 ４４ 第２の気体の気体入口 ４５ 第２の気体の気体出口 ４７ 突起

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】２枚の伝熱板を重ねてその周囲を閉鎖し、
   伝熱板間にＵターン部を有するジグザグ状に設ける第１
   の気体の通路を、その隣接する通路のＵターン部までの
   境界部は２枚の伝熱板を接合し、かつその通路の形状は
   伝熱板を山状にして形成し、通路の一方の端部に第１の
   気体の入口、他方の端部に第１の気体の出口を備える伝
   熱エレメントと、この伝熱エレメントを一つおきにずら
   して隣接する伝熱エレメントのそれぞれの境界部と通路
   の中央部とを向い合わせ、かつＵターン部の通路の外壁
   を接触させるか、又は近接させて並列に配設し、隣接す
   る伝熱エレメント間を第２の気体が流れる通路とする伝
   熱エレメント集合体と、この集合体を収納，設置し、第
   ２の気体の入口と出口とを備える外箱と、伝熱エレメン
   トの第１の気体の入口と出口とにそれぞれ接続して外箱
   を貫通して設けられる入口管と出口管とを備えたことを
   特徴とするプレート形熱交換器。
2. 【請求項２】請求項１記載のものにおいて、伝熱エレメ
   ントの第１の気体の入口側と出口側の通路の少なくとも
   一方の長さを隣接する通路の長さより短かくして入口管
   と出口管の少なくとも一方の長さを長くしたことを特徴
   とするプレート形熱交換器。
3. 【請求項３】請求項１又は２記載のものにおいて、隣接
   する伝熱エレメント間の第２の気体の通路に突出する複
   数の突起を伝熱板に設けたことを特徴とするプレート形
   熱交換器。