JPWO2018198420A1 - プレート式熱交換器 - Google Patents

Abstract

プレート式熱交換器は、積層された複数の伝熱プレートを用いて熱交換を行う。各伝熱プレートは、プレート本体と、第１媒体用流入部と、第１媒体用流出部と、第２媒体用流入部と、第２媒体用流出部と、流路を形成する突部とを備える。第１媒体用流入部と第１媒体用流出部のうちの少なくとも一方は、突部が接するプレート本体の一端側にある２つの角部のうちの一角部に配置してある。第２媒体用流入部と第２媒体用流出部のうちの少なくとも一方は、突部が離隔するプレート本体の他端側にある２つの角部のうちの一角部に配置してある。

Description

本発明は、プレート式熱交換器に関する。

媒体を用いて熱交換を行うプレート式熱交換器が知られている。例えば、同様にプレス加工した金属板を複数積層し、積層された第１金属板と第２金属板との間の積層空間および、積層された第２金属板と第３金属板との間の積層空間に媒体を流して熱交換を行うプレート式熱交換器が知られている（例えば、特許文献１〜４）。

プレート式熱交換器は、積層空間に流した媒体とそれを挟む一対の金属板との間で熱交換を行うように構成される。具体的には、１層目の金属板および２層目の金属板が１層目の金属板および２層目の金属板の間の第１積層空間に流れる媒体と熱交換を行い、２層目の金属板および３層目の金属板が２層目の金属板および３層目の金属板の間の第２積層空間に流れる媒体と熱交換を行い、３層目の金属板および４層目の金属板が３層目の金属板および４層目の金属板の間の第３積層空間を流れる媒体と熱交換を行う。

上述したようなプレート式熱交換器では、第１積層空間に形成された流路と第２積層空間に形成された流路とが同様の距離を有する流路となる。そのため、複数の金属板間での略均一な熱交換をすることができる。

特開平５−２８０８８３公報 特開２０１１−１４９６６７公報 特開２０００−２４１０９４公報 特開２００９−１８６１４２公報

しかしながら、熱交換機構の多様化を考慮した場合、熱容量の異なる複数の媒体を用いて熱交換を行う状況も考えられる。また、熱伝導率の異なる複数種類の媒体を用いる状況も考えられる。上述したような従来のプレート式熱交換器の場合、一方の媒体の熱容量が低くとも、熱容量が大きい他方の媒体に依存して熱交換器の熱交換効率が抑制される虞がある。また、一方の媒体の熱伝導率が高くとも、熱伝導率が低い他方の媒体に依存して熱交換器の熱交換効率が抑制される虞がある。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、熱交換を行う複数の媒体で熱容量が異なる場合であっても、熱伝導率の異なる複数の媒体を熱交換に用いる場合であっても、一方の媒体に依存した熱交換効率の抑制を低減することが可能なプレート式熱交換器を提供することを目的とする。

本発明の一側面にかかるプレート式熱交換器は、積層された複数の伝熱プレートを用いて熱交換を行う。複数の伝熱プレートは、熱交換を行う第１伝熱プレートと、第１伝熱プレートとの間に第１媒体を流す第１積層空間を設けて積層され、熱交換を行う第２伝熱プレートとを備える。第１伝熱プレートおよび第２伝熱プレートはそれぞれ、熱交換を行う矩形状のプレート本体と、第１媒体を流入出させるための第１媒体用流入部および第１媒体用流出部、または第２媒体を流入出させるための第２媒体用流入部および第２媒体用流出部と、プレート本体の軸長方向の一端側に接して他端側から離隔し、積層方向に突出し、第１媒体または第２媒体の流路を形成する突部とを備える。第１媒体用流入部および第１媒体用流出部のうちの少なくとも一方は、突部が接するプレート本体の一端側にある２つの角部のうちの一角部に配置してある。第２媒体用流入部および第２媒体用流出部のうちの少なくとも一方は、突部が離隔するプレート本体の他端側にある２つの角部のうちの一角部に配置してある。第１伝熱プレートの一端側と第２伝熱プレートの他端側とが接するよう積層してある。

本発明の一側面によれば、熱交換を行う複数の媒体で熱容量が異なる場合であっても、熱伝導率の異なる複数の媒体を熱交換に用いる場合であっても、一方の媒体に依存した熱交換効率の抑制を低減することができる。

実施の形態１に係るプレート式熱交換器の構成を表わす説明図である。 実施の形態１に係る各伝熱プレートの形状を記した上面視図である。 実施の形態１に係るプレート式熱交換器における複数の伝熱プレートの積層状態を説明する説明図である。 実施の形態２に係る各伝熱プレートの形状を記した上面視図である。 実施の形態３に係るプレート式熱交換器における複数の伝熱プレートの積層状態を説明する説明図である。 実施の形態４に係る各伝熱プレートの形状を記した上面視図である。 実施の形態５に係るプレート式熱交換器１の第１媒体用流入部４と、第１媒体用流出部５と、第２媒体用流入部６と、第２媒体用流出部７との位置を表す説明図である。 実施の形態５に係る第１冷媒と第２冷媒の流路長と温度関係を表わす図である。

以下、添付図面を参照して、本願が開示するプレート式熱交換器の実施の形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態は一例であり、これらの実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るプレート式熱交換器１の構成を表わす説明図である。プレート式熱交換器１は、複数枚の伝熱プレート２，２，２・・・を厚さ方向に積層した熱交換器である。プレート式熱交換器１は、積層した伝熱プレート２と伝熱プレート２との間の積層空間を流路として第１媒体または第２媒体を流すことによって、第１媒体および第２媒体との間で熱交換を行う。図１中の矢印は、各積層空間での媒体の流れ方向を表す。

プレート式熱交換器１では、積層した隣接する第１伝熱プレート２と第２伝熱プレート２との間の第１積層空間を流路として第１媒体を流し、積層した隣接する第２伝熱プレート２と第３伝熱プレート２との間の第２積層空間を流路として第２媒体を流し、積層した隣接する第３伝熱プレート２と第４伝熱プレート２との間の第３積層空間を流路として第１媒体を流し、積層した隣接する第４伝熱プレート２と第５伝熱プレート２との間の第４積層空間を流路として第２媒体を流す。つまりプレート式熱交換器１では、一の積層空間では第１媒体が流れ、厚さ方向に一の積層空間と隣接する二の積層空間では第２媒体が流れ、厚さ方向に二の積層空間と隣接する三の積層空間では第１媒体流れ、積層方向で交互に異なる媒体が流れるように構成してある。図１の一例では、最上部の第１伝熱プレート２とその下方に隣接する第２伝熱プレート２との間の第１積層空間を流路として、第１媒体が図面の右から左へ流れ、第２伝熱プレート２とその下方に隣接する第３伝熱プレート２との間の第２積層空間を流路として、第２媒体が左から右へと流れ、第３伝熱プレート２とその下方に隣接する第４伝熱プレート２との間の第３積層空間を流路として、第１媒体が右から左へと流れるというように、積層方向で交互に異なる媒体が流れるように構成してある。

各伝熱プレート２は、矩形状のプレート本体を有する板状部材であり、第１媒体および第２媒体との間で熱交換を行う。例えば各伝熱プレート２は、材料としてステンレス、鉄、アルミ、銅等を有し、プレス加工で製造された部材である。

第１媒体および第２媒体は、外部の部材と伝熱プレート２との間の熱輸送を行うものであり、水、油、ＣＯ_２、ＨＦＣ冷媒、等の液体または気体または気液混合媒体である。例えば第１媒体は、第２媒体の素材とは異なる素材を用い、第１媒体の熱伝導率が第２媒体の熱伝導率よりも高くなるように構成される。

図２は、実施の形態１に係る各伝熱プレート２の形状を記した上面視図である。各伝熱プレート２は、２つの突部８，９と、第１媒体用流入部４と，第１媒体用流出部５と、第２媒体用流入出部６と、第２媒体用流出部７と、ヘリンボーン凹凸部３とをプレート本体に備える。

２つの突部８，９はそれぞれ、積層された隣接する他の伝熱プレート２との間で積層空間を確保すべく、プレス加工によって一の伝熱プレート２の表面から一方側へ突出するよう構成してある。つまり２つの突部８，９はそれぞれ、積層方向に突出し、後述する第１媒体または第２媒体の流路を形成するよう構成してある。

各突部８，９の裏面側は、各突部８，９が突出する一方側へ窪んだ窪み形状となっている。図２には、矩形板状の伝熱プレート２に対して軸長方向に延出した直線状の突部８，９が示してある。一方の突部８は、伝熱プレート２の一端側に接しているが他端側から離隔しており、他方の突部９は、伝熱プレート２の他端側に接しているが一端側から離隔している。

２つの突部８，９は、伝熱プレート２を三分割する位置に配置してある。より詳細に述べると、軸長方向に延出する２つの突部８，９は、伝熱プレート２を三等分する位置から軸短方向の一端側へ偏倚した位置に配置してある。突部８，９が有する積層方向の高さについては、後で詳細に述べる。

第１媒体用流入部４、第１媒体用流出部５はそれぞれ、一方側に積層された他の伝熱プレート２との間に形成された一の積層空間に第１媒体を流入出させるための開口部である。第１媒体用流入部４から一の積層空間内に第１媒体が流入し、第１媒体用流出部５から一の積層空間外へ第１媒体が流出するように構成してある。第１媒体用流入部４と第１媒体用流出部５のうちの一方は、矩形板状の伝熱プレート２の一の対角線上にある一の角部に配置してあり、第１媒体用流入部４と、第１媒体用流入部５とのうちの他方は、矩形板状の伝熱プレート２の一の対角線上にある他の角部に配置してある。

第２媒体用流入部６、第２媒体用流出部７はそれぞれ、他方側に積層された他の伝熱プレート２との間に形成された他の積層空間に第２媒体を流入出させるための開口部である。第２媒体用流入部６から他の積層空間内に第２媒体が流入し、第２媒体用流出部７から他の積層空間外へ第２媒体が流出するように構成してある。第２媒体用流入部６と、第２媒体用流出部７とのうちの一方は、矩形板状の伝熱プレート２の他の対角線上にある一の角部に配置してあり、第２媒体用流入部６と第２媒体用流出部７とのうちの他方は、矩形板状の伝熱プレート２の他の対角線上にある他の角部に配置してある。

ヘリンボーン凹凸部３は、一の積層空間に流れる第１媒体および他の積層空間に流れる第２媒体との熱交換効率を高めるべく、突部８，９を跨いだヘリンボーン形状で表面に凹凸している。言い換えると、２つの突部８，９によって三分割されるようにヘリンボーン凹凸部３が配置してある。

ヘリンボーン凹凸部３は、プレート式熱交換器１の厚さ方向、言い換えると積層方向に向けて凹凸するよう構成してある。またヘリンボーン凹凸部３は、伝熱プレート２の一端側から他端側に向けて先細りとなるような∨字型となるヘリンボーン形状としてある。

ヘリンボーン凹凸部３と一方側に積層された他の伝熱プレート２との間には、第１媒体の流速を考慮し、プレート式熱交換器１の厚さ方向に隙間を設けてある。同様に、ヘリンボーン凹凸部３と他方側に積層された他の伝熱プレート２との間には、第２媒体の流速を考慮し、プレート式熱交換器１の厚さ方向に隙間を設けてある。

伝熱プレート２が上述したようなヘリンボーン凹凸部３を有する場合、一の積層空間を規定する一方の伝熱プレート２の凹凸形状および一の積層空間を規定する他方の伝熱プレート２の凹凸形状によって、一の積層空間の厚さ方向の隙間が狭まる。一の積層空間に流れる媒体は、狭まった隙間において流速が大きくなる。したがって、一の積層空間を流れる媒体と伝熱プレート２との熱交換効率を更に高めることが可能となる。

図３は、実施の形態１に係るプレート式熱交換器１における複数の伝熱プレート２，２の積層状態を説明する説明図である。プレート式熱交換器１が備える複数の伝熱プレート２，２，・・・のうちの２つの伝熱プレート２，２の積層状態を例として模式的に示してある。図３では、積層される厚み方向とは異なる板状の平面方向に１８０°反転させた状態の２つの伝熱プレート２，２が右側部分に示してあり、その２つの伝熱プレート２，２を積層した状態が中央部分に示してあり、その積層した状態のＡ―Ａ断面で切断した状態が左側部分に示してある。

図１および図３に示してあるように、実施の形態１に係るプレート式熱交換器１では、同一板状の伝熱プレート２複数が交互に、平面方向へ１８０°反転させて配置される。

第１伝熱プレート２と１８０°反転させて積層した第２伝熱プレート２とは、図１で示してあるように、第１伝熱プレート２の第１媒体用流入部４と第２伝熱プレート２の第１媒体用流入部４とが厚さ方向の隙間を開けて対向するよう積層され、第１伝熱プレート２の第１媒体用流出部５と第２伝熱プレート２の第１媒体用流出部５とが厚さ方向の隙間を開けて対向するよう積層される。一方、第１伝熱プレート２の第２媒体用流入部６と第２伝熱プレート２の第２媒体用流入部６とが接合され、第１伝熱プレート２の第２媒体用流出部７と第２伝熱プレート２の第２媒体用流出部７とが接合される。また、第２伝熱プレート２と第３伝熱プレート２とは、第２伝熱プレート２の第２媒体用流入部６と第３伝熱プレート２の第２媒体用流入部６とが厚さ方向の隙間を開けて対向するよう積層され、第２伝熱プレート２の第２媒体用流出部７と第３伝熱プレート２の第２媒体用流出部７とが厚さ方向の隙間を開けて対向するよう積層され、第２伝熱プレート２の第１媒体用流入部４と第３伝熱プレート２の第１媒体用流入部４とが接合され、第２伝熱プレート２の第１媒体用流出部５と第３伝熱プレート２の第１媒体用流出部５とが接合される。続いて積層される第４伝熱プレート２、第５伝熱プレート２、・・・に対し、同様の１８０°反転配置が繰り返してある。

上述したような伝熱プレート２の１８０°反転配置が繰り返してあるプレート式熱交換器１では、厚さ方向の隙間を開けて対向する第１媒体用流入部４から第１媒体が第１伝熱プレート２と第２伝熱プレート２との間の第１積層空間へ流入する。一方、第１伝熱プレート２の第２媒体用流入部６と第２伝熱プレート２の第２媒体用流入部６との接合および第１伝熱プレート２の第２媒体用流出部７と第２伝熱プレート２の第２媒体用流出部７との接合によって、第１積層空間に第２媒体は流入出しない。

上述したような伝熱プレート２の１８０°反転配置が繰り返してあるプレート式熱交換器１では、厚さ方向の隙間を開けて対向する第２媒体用流入部６と、第２媒体用流出部７から第２媒体が第２伝熱プレート２と第３伝熱プレート２との間の第２積層空間へ流入出する。一方、第２伝熱プレート２の第１媒体用流入部４と第３伝熱プレート２の第１媒体用流入部４との接合および第２伝熱プレート２の第１媒体用流出部５と第３伝熱プレート２の第１媒体用流出部５との接合によって、第２積層空間に第１媒体は流入出しない。

プレート式熱交換器１では、上述したような伝熱プレート２の１８０°反転配置が繰り返されることによって、第１媒体が流入出するが第２媒体が流入出しない第１媒体用流入出型の積層空間と第２媒体が流入出するが第１媒体が流入出しない第２媒体用流入出型の積層空間とが、プレート式熱交換器１の厚さ方向に交互で現れるように構成される。

上述したような第１媒体用流入出型の積層空間では、第１伝熱プレート２の第１媒体用流入部４と第２伝熱プレート２の第１媒体用流入部４とが対向した一方の対向部が形成され、第１伝熱プレート２の第１媒体用流出部５と第２伝熱プレート２の第１媒体用流出部５とが対向した他方の対向部が形成される。第１媒体が流入出する一方の第１媒体用流入出部４，５の対向部が、矩形の伝熱プレート２の一対角線上において一端側にある一角部に位置し、他方の第１媒体用流入部４，第１媒体用流出部５の対向部が、この一角部と同一対角線上にある他端側の他角部に位置する。図１の一例では、伝熱プレート２の一端側に接して他端側から離隔する直線状の突部８と伝熱プレート２の他端側に接して一端側から離隔する直線状の突部９と伝熱プレート２の外周と２つの第１媒体用対向部とによってＳ字型の流路が規定され、２つの対向部は、そのＳ字型の流路の両端側に位置する。そのためプレート式熱交換器１では、第２媒体と比較して熱伝導率が高い又は熱容量が小さい第１媒体に対し、伝熱プレート２の軸長方向の一端側から他端側へ向かった後に他端側から一端側へ向かって更に一端側から他端側へと向かう折返流路が形成される。

上述したような第２媒体用流入出型の積層空間では、第１伝熱プレート２の第２媒体用流入出部６と第２伝熱プレート２の第２媒体用流入出部７とが対向した一方の対向部が形成され、第１伝熱プレート２の第２媒体用流入出部７と第２伝熱プレート２の第２媒体用流入出部６とが対向した他方の対向部が形成される。第２媒体が流入出する一方の第２媒体用流入出部６，７の対向部が、矩形の伝熱プレート２の他対角線上において一端側にある一角部に位置し、他方の第２媒体用流入出部６，７の対向部が、この一角部と同一対角線上にある他端側の他角部に位置する。図１の一例では、伝熱プレート２の一端側に接して他端側から離隔する直線状の突部８と伝熱プレート２の他端側に接して一端側から離隔する直線状の突部９と伝熱プレート２の外周と２つの第２媒体用対向部とによって、Ｓ字型の流路の中央を占めるＺ字型流路が規定され、２つの対向部は、そのＺ字型流路の両端に位置する。そのためプレート式熱交換器１では、第１媒体と比較して熱伝導率が低い又は熱容量が大きい第２媒体に対し、一端側から他端側へと向かった後に他端側から一端側へと折り返すことなく伝熱プレート２の軸長方向の一端側から他端側へ向かう非折返流路が形成される。

上述したように、２つの突部８，９は、軸長方向に延出する２つの突部８，９は、伝熱プレート２を三等分する位置から軸短方向の一端側へ偏倚した位置に配置してある。そのため、図３の左側部分に示してあるように、伝熱プレート２の１８０°反転配置が繰り返された積層構造において、一の伝熱プレート２の下面に他の伝熱プレート２の２つの突部８，９が接触する。この接触によって、Ｓ字型の折返流路の形成精度を高めることが可能となる。またこの接触によって、Ｚ字型の非折返流路の形成精度を高めることが可能となる。

同様の容積を有する積層空間中において、第１媒体が流れることになるＳ字型の折返流路の両端間距離と比較し、Ｓ字型の折返流路の一部であって第２媒体が流れることになるＺ字型の非折返流路の両端間距離は短くなる。また、第１媒体が流れることになるＳ字型の折返流路の一端からＳ字型流路に沿って他端へ向かうベクトルの変化量と比較し、Ｓ字型の折返流路の一部であって第２媒体が流れることになるＺ字型の非折返流路の一端からＺ字型流路に沿って他端へ向かうベクトルの変化量は小さくなる。そのため、第１媒体と比較して熱伝導率が低い又は熱容量が大きい第２媒体の流速を第１媒体の流速と比較して大きくすることができる。したがって、実施の形態１に係るプレート式熱交換器１は、熱交換を行う複数の媒体で熱容量が異なる場合であっても、熱伝導率の異なる複数の媒体を熱交換に用いる場合であっても、一方の媒体に依存した熱交換効率の抑制を低減することができる。

実施の形態１に係るプレート式熱交換器１では、上述したように、第１媒体が流れる第１媒体用流路と第２媒体が流れる第２媒体流路とを別々に形成している。具体的には、第１積層空間に第１媒体用流路が形成され、伝熱プレート２を介して第１積層空間に隣接する第２積層空間に第２媒体流路が形成される。そのため、第１媒体と第２媒体とが混ざることがない。また実施の形態１に係るプレート式熱交換器１では、第１媒体用流路において流入部から流出部へ向かう道のりが第２媒体用流路において流入部から流出部へ向かう道のりよりも長くなり、第１媒体用流路において流入部から流出部へ向かうベクトルの変化量が第２媒体用流路において流入部から流出部へ向かうベクトルの変化量よりも大きくなるよう形成してある。そのため、熱伝導率が高い方または熱容量が小さい方の第１媒体の流速よりも、熱伝導率が低い方または熱容量が大きい方の第２媒体の流速が大きくなるように構成することが可能となる。

実施の形態１に係るプレート式熱交換器１では、上述したように、複数の異なる形状の伝熱プレートを使用せずとも、同一形状の伝熱プレート２を１８０°反転させて複数積層させた１８０°反転配置を用いて媒体流速、ベクトル変化量、または道のりを第１媒体と第２媒体とで変化させる構成を実現した。したがって、実施の形態１に係るプレート式熱交換器１は、製造コストの削減にも寄与することができる。

実施の形態１では、各伝熱プレート２が２つの突部８，９を有する一例について説明していた。しかしながら本発明は、上記一例に限定されない。各伝熱プレート２が３つ以上の突部８，９を有するように構成しても良い。そうすることにより、流路の道のりを更に長くすることができ、熱交換効率の抑制を更に低減することができる。

実施の形態１では、プレス加工によって表面から一方側へ突出した２つの突部８，９を各伝熱プレート２が一体的に有する一例について説明していた。しかしながら本発明は、上記一例に限定されない。積層された他の伝熱プレート２との間で積層空間を確保すべく、各伝熱プレート２が別体として２つの突部８，９を有する構成としてもよい。例えば、伝熱プレート２と伝熱プレート２との間に２つの突部８，９を設けた枠状プレートを設けるように構成しても良い。そうすることにより、プレート式熱交換器１の製造に対する柔軟性が増加する。

実施の形態１では、ヘリンボーン凹凸部３と積層された一方側の他の伝熱プレート２および積層された他方側の他の伝熱プレート２との間には、プレート式熱交換器１の厚さ方向に隙間を設ける一例について説明していた。しかしながら本発明は、上記一例に限定されない。熱交換効率の向上を考慮し、隙間を設けないようヘリンボーン凹凸部３の厚さ方向の凹凸を大きくしてもよい。また、熱交換効率の低下または媒体流速の増加等を考慮するような場合には、ヘリンボーン凹凸部３の厚さ方向の凹凸をより小さくしてもよい。更なる熱交換効率の低下または媒体流速の増加等を考慮するような場合には、ヘリンボーン凹凸部３を設けない構成を採用してもよい。

実施の形態１では、軸長方向に延出する直線状の突部８，９を伝熱プレート２に設ける一例について説明していた。しかしながら本発明は、上記一例に限定されない。第１媒体が流れることになる流路の一端から他端へ向かうベクトルの変化量と第２媒体が流れることになる流路の一端から他端へ向かうベクトルの変化量とが異なるように構成すれば、曲線状の突部８，９を設けても良い。

実施の形態１では、軸長方向に延出する２つの突部８，９を伝熱プレート２に設ける一例について説明していた。しかしながら本発明は、上記一例に限定されない。第１媒体が流れることになる流路の一端から他端へ向かうベクトルの変化量と第２媒体が流れることになる流路の一端から他端へ向かうベクトルの変化量とが異なるように構成すれば、３つ以上の突部を設けるようにしても良い。例えば、３つ以上で奇数の突部を設ける場合、一端側に接するが他端側から離隔する突部と他端側に接するが一端側から離隔する突部とが交互に並設されるようにし、最近接の突部が端部に接している一角部に第１媒体用流入出部４を配置し、伝熱プレート２の軸短方向に位置する別の角部に第１媒体用流入出部５を配置すれば良い。また例えば、３つ以上で偶数の突部を設ける場合、一端側に接するが他端側から離隔する突部と他端側に接するが一端側から離隔する突部とが交互に並設されるようにし、最近接の突部が端部に接している一角部に第１媒体用流入出部４を配置し、その角部に対して伝熱プレート２上の対角線上に位置する別の角部に第１媒体用流入出部５を配置すれば良い。

実施の形態１では、伝熱プレート２の軸長方向の一端側から他端側に向けて先細りとなるような∨字型となるヘリンボーン形状のヘリンボーン凹凸部３を各伝熱プレート２に設ける一例について説明していた。しかしながら本発明は、上記一例に限定されない。伝熱プレート２の軸短方向の一側端から他側端へ向けて先細りとなるような∨字型となるヘリンボーン形状のヘリンボーン凹凸部３を各伝熱プレート２に設けてもよい。

実施の形態２．
実施の形態１に係るプレート式熱交換器１では、図２に示すように、第１媒体用流入部４と、第１媒体用流出部５および第２媒体用流入部６と、第２媒体用流出部７とが略同一開口面積を有する構成について例示していた。しかしながら実施の形態２に係るプレート式熱交換器１では、第１媒体用流入部４、第１媒体用流出部５および第２媒体用流入部６と第２媒体用流出部７の開口面積が異なる構成について、図４を用いて説明する。実施の形態２にかかるプレート式熱交換器１について、実施の形態１に係るプレート式熱交換器１と同様の構成については説明を省略する。

図４は、実施の形態２に係る各伝熱プレート２の形状を記した上面視図である。各伝熱プレート２は、２つの突部８，９と、第１媒体用流入部４と、第１媒体用流出部５と、第２媒体用流入部６、第２媒体用流出部７と、ヘリンボーン凹凸部３とを備える。

実施の形態２では、各第１媒体用流入部４，第１媒体用流出部５の開口面積が各第２媒体用流入部６，第２媒体用流入部７の開口面積よりも小さい。その他の構成については、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。

第１媒体用流入部４および第２媒体用流出部７に最近接する突部８は、伝熱プレート２の一端側から離隔しているが他端側に接している。突部８の接触構造および突部８の離隔構造によって、第１媒体用流入部４近傍における第１媒体の流路は第２媒体用流出部７近傍における第２媒体の流路よりも小さくなる。しかしながら実施の形態２では、第１媒体用流入部４の開口面積を第２媒体用流入部７の開口面積よりも小さくしているため、第１媒体用流入部４および第１媒体用流出部５の第１媒体の圧力損失と、第２媒体用流入部６および第２媒体用流出部７における第２媒体の圧力損失との差を抑制することが可能となる。

第１媒体用流出部５および第２媒体用流入出部６に最近接する突部９は、伝熱プレート２の一端側に接しているが他端側から離隔している。突部９の接触構造および突部９の離隔構造によって、第１媒体用流出部５近傍における第１媒体の流路は第２媒体用流入部６近傍における第２媒体の流路よりも小さくなる。しかしながら実施の形態２では、第１媒体用流入部５の開口面積を第２媒体用流出部６の開口面積よりも小さくしているため、第１媒体用流入部５における第１媒体の圧力損失と第２媒体用流出部６における第２媒体の圧力損失との差を抑制することが可能となる。そのため、実施の形態２に係るプレート式熱交換器１は、熱伝導率または熱容量の異なる複数の媒体を用いる場合であっても、圧力損失との差を抑制しつつ、一方の媒体に依存した熱交換効率の抑制を低減することができる。

実施の形態３．
実施の形態１に係るプレート式熱交換器１では、図１および図３に示すように、複数の伝熱プレート２，２，・・・を交互に１８０°反転させるよう積層する構成について例示していた。しかしながら実施の形態３に係るプレート式熱交換器１では、複数の伝熱プレート２，２，・・・の少なくとも一部を１８０°反転することなく同方向のまま積層する構成について、図５を用いて説明する。実施の形態３にかかるプレート式熱交換器１について、実施の形態１に係るプレート式熱交換器１と同様の構成については説明を省略する。

図５は、実施の形態３に係るプレート式熱交換器１における複数の伝熱プレート２，２，・・・の積層状態を説明する説明図である。プレート式熱交換器１が備える複数の伝熱プレート２，２，・・・に含まれる少なくとも２つの伝熱プレート２，２の積層状態を例として模式的に示してある。図５では、積層される厚み方向とは異なる板状の平面方向に１８０°反転させることなく同方向の状態の２つの伝熱プレート２，２が右側部分に示してあり、その２つの伝熱プレート２，２を積層した状態が中央部分に示してあり、その積層した状態のＢ―Ｂ断面で切断した状態が左側部分に示してある。

実施の形態３に係るプレート式熱交換器１では、同一形状の２つの伝熱プレート２，２が同一方向で積層されることによって、下側の伝熱プレート２が有する２つの突部８，９は、上側の伝熱プレート２に接触しない。言い換えると、下側の伝熱プレート２が有する２つの突部８，９と上側の伝熱プレート２との間に隙間が形成される。そのため、２つの突部８，９による伝熱プレート２の軸短方向の流路分断が抑制され、媒体用流出部から媒体用流入部へ向かう流れが促される。

第２媒体を流す流路を形成する積層空間に対し、上述したような同一方向積層構造を用いた場合、第１媒体よりも熱伝導率の低いまたは熱容量の大きい第２媒体の流速を更に増加させることが可能となる。したがって、実施の形態３に係るプレート式熱交換器１は、熱伝導率または熱容量の異なる複数の媒体を用いる場合であっても、一方の媒体に依存した熱交換効率の抑制を更に低減することが可能となる。

実施の形態４．
実施の形態１に係るプレート式熱交換器１では、図２に示すように、各伝熱プレート２が２つの突部８，９を備える構成について例示していた。しかしながら実施の形態４に係るプレート式熱交換器１では、各伝熱プレート２が１つの突部８を備える構成について、図６を用いて説明する。実施の形態４にかかるプレート式熱交換器１について、実施の形態１に係るプレート式熱交換器１と同様の構成については説明を省略する。

図６は、実施の形態４に係る各伝熱プレート２の形状を記した上面視図である。伝熱プレート２は、１つの突部８と、第１媒体用流入部４と、第１媒体用流出部５と、第２媒体用流入部６、第２媒体用流出部７と、ヘリンボーン凹凸部３とを備える。

実施の形態４では、伝熱プレート２の軸長方向の一端から離隔して他端に接する突部８が１つ配置してある。突部８と離隔してある一端の側の軸短方向の一方の角部に第２媒体用流入部６が配置してあり、他方の角部に第２媒体用流出部７が配置してある。突部８と接する他端の側の単軸方向の一方の角部に第１媒体用流入部４が配置してあり、他方の角部に第１媒体用流出部５が配置してある。

上述したような実施の形態４では、図６にも示してあるように、第１媒体が流れることになる∪字型の折返流路が形成され、∪字型の折返流路の一部であって第２媒体が流れることになるＩ字型の非折返流路が形成される。∪字型の折返流路の道のりの両端間距離と比較し、Ｉ字型の非折返流路の道のりの両端間距離は短くなる。また、第１媒体が流れることになる∪字型の折返流路の一端から他端へ向かうベクトルの変化量と比較し、∪字型の折返流路の一部であって第２媒体が流れることになるＩ字型の非折返流路の一端から他端へ向かうベクトルの変化量は小さくなる。そのため、第１媒体と比較して熱伝導率が低いまたは熱容量が大きい第２媒体の流速を第１媒体の流速と比較して大きくすることができる。したがって、実施の形態４に係るプレート式熱交換器１は、熱交換を行う複数の媒体で熱容量が異なる場合であっても、熱伝導率の異なる複数の媒体を熱交換に用いる場合であっても、一方の媒体に依存した熱交換効率の抑制を低減することができる。

実施の形態５．
図７は、実施の形態５に係るプレート式熱交換器１の第１冷媒および第２媒体用流入出部の構成を表わす説明図である。プレート式熱交換器１の伝熱プレート２における第１媒体用流入部４、第１媒体用流出部５、第２媒体用流入部６および第２媒体用流出部７の位置を模式的に示してある。図７では、１層目の伝熱プレート２を平面方向に１８０°反転させ、２層目の伝熱プレートを同方向に配置し、３層目の伝熱プレートを平面方向に１８０°反転させるように、奇数層目は１８０°反転させ、偶数層目は同方向に積層させた積層状態を示している。また、図７の左側には伝熱プレート２の軸長方向の一端に第１媒体用流入部４および第２冷媒用流入部６を配置し、軸長方向の他端に第１媒体用流出部５および第２冷媒用流出部７を配置した場合の図を、図７の右側には伝熱プレート２の軸長方向の一端に第１媒体用流入部４および第２冷媒用流出部７を配置し、軸長方向の他端に第１媒体用流出部５および第２冷媒用流入部６を配置した場合の図を示してある。

実施の形態５に係る図７の左側および右側に示すプレート式熱交換器１では、奇数層目の積層空間では伝熱プレート２の軸長方向の一端側から他端側へ向かった後に他端側から一端側へ向かって更に一端側から他端側へと向かう折返流路が形成され、偶数層目の積層空間では伝熱プレート２の軸長方向の一端側から他端側へ向かう非折返流路が形成される。また、図７の左側に示すプレート式熱交換器１において第１媒体は第１媒体用流入部４から流入し、直線状の突部８に沿って流れながら、第２媒体用流入部６から流入する第２媒体と熱交換し、直線状の突部８に沿って折り返し、第２媒体用流出部７から流出する第２媒体と熱交換し、第１媒体用流出部５から流出する。また、図７の右側に示すプレート式熱交換器１において、第１媒体は第１媒体用流入部４から流入し、直線状の突部８に沿って流れながら、第２媒体用流出部７から流出する第２媒体と熱交換し、直線状の突部８に沿って折り返し、第２媒体用流入部６から流入する第２媒体と熱交換し、第１媒体用流出部５から流出する。

図８は、図７に示す実施の形態５に係るプレート式熱交換器１の第１媒体および第２媒体の流路長における温度分布を模式的に示した図である。図７の左側に示すプレート式熱交換器１において第１媒体の温度と第２媒体の温度差は第２媒体用流入部６において最も大きくなり、また平均温度差ΔＴは次式に沿って規定される。ここで、Ｔ_１は第１媒体の第１媒体用流入部４における温度、Ｔ_２は第１媒体の第１媒体用流出部５における温度、ｔ_１は第２媒体の第２媒体用流入部６における温度、ｔ_２は第２媒体の第２媒体用流出部７における温度である。

図７の右側に示すプレート式熱交換器１において第１媒体の温度と第２媒体の温度差は第２媒体用流入部６において最も大きくなり、また平均温度差ΔＴは次式に沿って規定される。

上述したように温度差と第１媒体の出口温度と第２媒体の出口温度とが図７の左側に示すプレート式熱交換器１と図７の右側に示すプレート式熱交換器１とで異なるため、熱交換器の設定温度を変更することができ、目標温度に応じた自由度の高い設計が可能となる。

本発明は、以上のように説明し且つ記述した特定の詳細、および代表的な実施の形態に限定されるものではない。当業者によって容易に導き出すことのできる変形例、および効果も発明に含まれる。したがって、特許請求項の範囲、およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１ プレート式熱交換器、２ 伝熱プレート、３ ヘリンボーン凹凸部、４ 第１媒体用流入部、５ 第１媒体用流出部、６ 第２媒体用流入部、７ 第２媒体用流出部、８ 突部、９ 突部

本発明の一側面にかかるプレート式熱交換器は、積層された複数の伝熱プレートを用いて熱交換を行う。複数の伝熱プレートは、熱交換を行う第１伝熱プレートと、第１伝熱プレートとの間に第１媒体を流す第１積層空間を設けて積層され、熱交換を行う第２伝熱プレートと、第２伝熱プレートとの間に第２媒体を流す第２積層空間を設けて積層され、熱交換を行う第３伝熱プレートとを備える。第１伝熱プレート、第２伝熱プレートおよび第３伝熱プレートはそれぞれ、熱交換を行う矩形状のプレート本体と、第１媒体を流入出させるための第１媒体用流入部および第１媒体用流出部、または第２媒体を流入出させるための第２媒体用流入部および第２媒体用流出部と、プレート本体の軸長方向の一端側に接して他端側から離隔し、積層方向に突出し、第１媒体または第２媒体の流路を形成する突部とを備える。第１媒体用流出部は、第１媒体用流入部に対し対角の位置に配置され、第２媒体用流出部は、第２媒体用流入部に対し対角の位置に配置されている。

本発明の一側面にかかるプレート式熱交換器は、積層された複数の伝熱プレートを用いて熱交換を行う。複数の伝熱プレートは、熱交換を行う第１伝熱プレートと、第１伝熱プレートとの間に第１媒体を流す第１積層空間を設けて積層され、熱交換を行う第２伝熱プレートと、第２伝熱プレートとの間に第２媒体を流す第２積層空間を設けて積層され、熱交換を行う第３伝熱プレートとを備える。第１伝熱プレート、第２伝熱プレートおよび第３伝熱プレートは同一形状であり、それぞれ、熱交換を行う矩形状のプレート本体と、第１媒体を流入出させるための第１媒体用流入部および第１媒体用流出部、または第２媒体を流入出させるための第２媒体用流入部および第２媒体用流出部と、プレート本体の軸長方向の一端側に接して他端側から離隔し、積層方向に突出し、第１媒体または第２媒体の流路を形成する突部とを備える。第１媒体用流出部は、第１媒体用流入部に対し対角の位置に配置され、第２媒体用流出部は、第２媒体用流入部に対し対角の位置に配置されている。

Claims (9)

1. 積層された複数の伝熱プレートを用いて熱交換を行うプレート式熱交換器において、
   前記複数の伝熱プレートは、
   前記熱交換を行う第１伝熱プレートと、
   前記第１伝熱プレートとの間に第１媒体を流す第１積層空間を設けて積層され、前記熱交換を行う第２伝熱プレートとを備え、
   前記第１伝熱プレートおよび前記第２伝熱プレートはそれぞれ、
   前記熱交換を行う矩形状のプレート本体と、
   前記第１媒体を流入出させるための第１媒体用流入部および第１媒体用流出部、または第２媒体を流入出させるための第２媒体用流入部および第２媒体用流出部と、
   前記プレート本体の軸長方向の一端側に接して他端側から離隔し、積層方向に突出し、前記第１媒体または前記第２媒体の流路を形成する突部とを備え、
   前記第１媒体用流入部および前記第１媒体用流出部のうちの少なくとも一方は、前記突部が接する前記プレート本体の前記一端側にある２つの角部のうちの一角部に配置してあり、
   前記第２媒体用流入部および前記第２媒体用流出部のうちの少なくとも一方は、前記突部が離隔する前記プレート本体の前記他端側にある２つの角部のうちの一角部に配置してあり、
   前記第１伝熱プレートの前記一端側と前記第２伝熱プレートの前記他端側とが接するよう積層してある
   ことを特徴とするプレート式熱交換器。
2. 前記第１伝熱プレートが備える前記第１媒体用流入部と前記第２伝熱プレートが備える前記第１媒体用流入部とが、間隔を空けて対向し、
   前記第１伝熱プレートが備える前記第２媒体用流入部と前記第２伝熱プレートが備える前記第２媒体用流入部とが接合し、
   前記第２伝熱プレートが備える前記第２媒体用流出部と前記第３伝熱プレートが備える前記第２媒体用流出部とが、間隔を空けて対向し、
   前記第２伝熱プレートが備える前記第１媒体用流出部と前記第３伝熱プレートが備える前記第１媒体用流出部とが接合する
   ことを特徴とする請求項１に記載のプレート式熱交換器。
3. 前記第１積層空間内における前記第２伝熱プレートの前記突部に沿った前記第２伝熱プレートの前記第１媒体用流入部から前記第１媒体用流出部までの間の道のりは、前記第２積層空間内における前記第３伝熱プレートの前記突部に沿った前記第３伝熱プレートの前記第２媒体用流入部から前記第２媒体用流出部の間の道のりよりも長い
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のプレート式熱交換器。
4. 前記第１積層空間内における前記第２伝熱プレートの前記突部に沿った前記第２伝熱プレートの前記２つの第１媒体用流入出部のうちの一方から他方へ向かう速度ベクトルの変化量は、前記第２積層空間内における前記第３伝熱プレートの前記突部に沿った前記第３伝熱プレートの前記２つの第２媒体用流入出部のうちの一方から他方へ向かう速度ベクトルの変化量よりも大きい
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のプレート式熱交換器。
5. 前記第１積層空間内における前記第１媒体の流速は、前記第２積層空間内における前記第２媒体の流速よりも小さい
   ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のプレート式熱交換器。
6. 前記第１伝熱プレート、前記第２伝熱プレート、および前記第３伝熱プレートはそれぞれ、
   前記プレート本体の前記軸長方向の前記他端側に接して前記一端側から離隔し、前記積層方向に突出し、前記第１媒体または前記第２媒体の流路を形成する他の突部を備え、
   前記第１媒体用流入部と前記第１媒体用流出部とのうちの他方は、前記他の突部が接する前記プレート本体の前記他端側にある２つの角部のうちの他角部に配置してあり、
   前記第２媒体用流入部と前記第２媒体用流出部のうちの他方は、前記他の突部が離隔する前記プレート本体の前記一端側にある２つの角部のうちの他角部に配置してある
   ことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載のプレート式熱交換器。
7. 前記第１伝熱プレート、前記第２伝熱プレート、および前記第３伝熱プレートはそれぞれ、
   前記プレート本体の前記軸長方向の前記一端側から前記他端側に向けて先細りとなるような∨字型となるヘリンボーン形状のヘリンボーン凹凸部３を備え、
   前記突部は、前記リンボーン凹凸部３を分割するよう配置してある
   ことを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載のプレート式熱交換器。
8. 前記複数の伝熱プレートは、前記第３伝熱プレートとの間に第３積層空間を設けて積層され、前記熱交換を行う第４伝熱プレートを更に備え、
   前記第３伝熱プレートの前記一端側と前記第４伝熱プレートの前記一端側とが接するよう積層してある
   ことを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載のプレート式熱交換器。
9. 前記第１媒体用流入部の開口面積と、第１媒体用流出部の開口面積は、前記第２媒体用流入部の開口面積と、前記第２媒体用流出部の開口面積よりも小さい
   ことを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載のプレート式熱交換器。

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