WO2024024466A1 - プレート積層型熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】　プレート積層型熱交換器における各段間の偏流傾向を抑制すること。 【解決手段】　プレート１、２の積層方向の一方の端部に第１流体３の入口１０が形成され、他方の端部に第１流体３の出口１１が形成され、入口１０は第１連通孔７に連結され、出口１１は第２連通孔８に連結されている場合、前記一方の端部の第２連通孔８から出口１１へのバイパスを形成する。

Description

プレート積層型熱交換器

　本発明は、プレート積層型熱交換器に関し、特に流体が流通する流通路の各段の偏流を抑制する構造に関する。

　従来型のプレート積層型熱交換器として、プレートの積層方向の一枚おきに第１流体が流通する第１流路と、第２流体が流通する第２流路とが交互に形成されたものが存在する。
　図１３Ａ及び図１４Ａは、従来のプレート積層型熱交換器の一例であって、それぞれ第１流体の入口と出口の配置が異なる。
　図１３Ａの熱交換器は、プレートの積層方向の一方の端部に第１流体の入口が形成され、他方の端部に第１流体の出口が配置されている（Ｉ字型の出入り口配置）。
　図１４Ａの熱交換器は、プレートの積層方向の一方の端部に、第１流体の入口及び出口が配置されている（Ｕ字型の出入り口配置）。

　図１３ＡのＩ字型の出入り口配置の場合、流体の慣性に起因して、図１３Ｂに例示したように、各段間の流量分布に偏り（偏流）が生じる傾向がある。
　また、図１４ＡのＵ字型の出入り口配置の場合、コア内部の流路長の影響が支配的な状態においては、図１４Ｂに例示したような偏流傾向が生じ、慣性の影響が支配的な条件においては、その逆の偏流傾向が生じる。
　そこで本発明は、Ｉ字型またはＵ字型の出入り口配置のプレート積層型熱交換器における各段間の偏流傾向を抑制することを課題とする。

　上記課題を解決するための第１の発明は、皿状の多数のプレート１、２が積層されて、
　プレート１、２の積層方向の一枚おきに第１流体３が流通する第１流路４と、第２流体５が流通する第２流路６とが交互に形成され、
　各プレート１、２には、互いに離間して第１連通孔７と第２連通孔８とが設けられており、
　第１流体３が第１連通孔７から第１流路４を介して第２連通孔８に導かれるコア９を有するプレート積層型熱交換器において、
　プレート１、２の積層方向の一方の端部に第１流体３の入口１０が形成され、他方の端部に第１流体３の出口１１が形成され、
　入口１０は第１連通孔７に連結され、出口１１は第２連通孔８に連結され、
　前記一方の端部の第２連通孔８から出口１１へのバイパスがコア９の内部または外部を通って形成されたプレート積層型熱交換器である。

　上記課題を解決するための第２の発明は、皿状の多数のプレート１、２が積層されて、
　プレート１、２の積層方向の一枚おきに第１流体３が流通する第１流路４と、第２流体５が流通する第２流路６とが交互に形成され、
　各プレート１、２には、互いに離間して第１連通孔７と第２連通孔８とが設けられており、
　第１流体３が第１連通孔７から第１流路４を介して第２連通孔８に導かれるコア９を有するプレート積層型熱交換器において、
　プレート１、２の積層方向の一方の端部に第１流体３の入口１０が形成され、他方の端部に第１流体３の出口１１が形成され、
　入口１０は第１連通孔７に連結され、出口１１は第２連通孔８に連結され、
　入口１０から前記他方の端部の第１連通孔７へのバイパスがコア９の内部または外部を通って形成されたプレート積層型熱交換器である。

　上記課題を解決するための第３の発明は、皿状の多数のプレート１、２が積層されて、
　プレート１、２の積層方向の一枚おきに第１流体３が流通する第１流路４と、第２流体５が流通する第２流路６とが交互に形成され、
　各プレート１、２には、互いに離間して第１連通孔７と第２連通孔８とが設けられており、
　第１流体３が第１連通孔７から第１流路４を介して第２連通孔８に導かれるコア９を有するプレート積層型熱交換器において、
　プレート１、２の積層方向の一方の端部に、第１流体３の入口１０及び出口１１が形成され、
　入口１０は第１連通孔７に連結され、出口１１は第２連通孔８に連結され、
　プレート１、２の積層方向の他方の端部の第２連通孔８から出口１１へのバイパスがコア９の内部または外部を通って形成されたプレート積層型熱交換器である。

　上記課題を解決するための第４の発明は、皿状の多数のプレート１、２が積層されて、
　プレート１、２の積層方向の一枚おきに第１流体３が流通する第１流路４と、第２流体５が流通する第２流路６とが交互に形成され、
　各プレート１、２には、互いに離間して第１連通孔７と第２連通孔８とが設けられており、
　第１流体３が第１連通孔７から第１流路４を介して第２連通孔８に導かれるコア９を有するプレート積層型熱交換器において、
　プレート１、２の積層方向の一方の端部に、第１流体３の入口１０及び出口１１が形成され、
　入口１０は第１連通孔７に連結され、出口１１は第２連通孔８に連結され、
　入口１０からプレート１、２の積層方向の他方の端部の第１連通孔７へのバイパスがコア９の内部または外部を通って形成されたプレート積層型熱交換器である。

　上記課題を解決するための第５の発明は、上記第１の発明に記載のプレート積層型熱交換器であり、かつ上記第２の発明に記載のプレート積層型熱交換器でもあるプレート積層型熱交換器である。

　上記課題を解決するための第６の発明は、上記第３の発明に記載のプレート積層型熱交換器であり、かつ上記第４の発明に記載のプレート積層型熱交換器でもあるプレート積層型熱交換器である。

　上記第１の発明は、プレート１、２の積層方向の一方の端部に第１流体３の入口１０が形成され、他方の端部に第１流体３の出口１１が形成されたプレート積層型熱交換器において、前記一方の端部の第２連通孔８から出口１１へのバイパスがコア９の内部または外部を通って形成されたものである。
　一方の端部の入口１０から他方の端部の出口１１へ直接つなぐ流路を主流路とし、一方の端部の第２連通孔８から出口１１へのバイパスを経て出口１１に至る流路を副流路とする。
　このようにすると、副流路においては、前記一方側の段の方が、第２連通孔８を通る距離が短く、コア９内部の流路長が短くなるので、それに起因する偏流傾向と、主流路における慣性に起因する偏流傾向とが相殺され、各段間の偏流が抑制される。

　上記第２の発明は、プレート１、２の積層方向の一方の端部に第１流体３の入口１０が形成され、他方の端部に第１流体３の出口１１が形成されたプレート積層型熱交換器において、入口１０から前記他方の端部の第１連通孔７へのバイパスがコア９の内部または外部を通って形成されたものである。
　一方の端部の入口１０から他方の端部の出口１１へ直接つなぐ流路を主流路とし、入口１０から前記他方の端部の第１連通孔７へのバイパスを経て出口１１に至る流路を副流路とする。
　このようにすると、副流路における第１流体３の慣性に起因する偏流傾向と主流路における慣性に起因する偏流傾向とが相殺され、各段間の偏流が抑制される。

　上記第３の発明に記載の発明は、プレート１、２の積層方向の一方の端部に、第１流体３の入口１０及び出口１１が形成されたプレート積層型熱交換器において、プレート１、２の積層方向の他方の端部の第２連通孔８から出口１１へのバイパスがコア９の内部または外部を通って形成されたものである。
　一方の端部の入口１０から出口１１へ直接つながる流路を主流路とし、プレート１、２の積層方向の他方の端部の第２連通孔８からバイパスを経て出口１１に至る流路を副流路とする。
　このようにすると、副流路における第１流体３の慣性に起因する偏流傾向と主流路における流路長に起因する偏流傾向とが相殺され、各段間の偏流が抑制される。

　上記第４の発明は、プレート１、２の積層方向の一方の端部に、第１流体３の入口１０及び出口１１が形成されたプレート積層型熱交換器において、入口１０からプレート１、２の積層方向の他方の端部の第１連通孔７へのバイパスがコア９の内部または外部を通って形成されたものである。
　一方の端部の入口１０から出口１１へ直接つながる流路を主流路とし、入口１０からプレート１、２の積層方向の他方の端部の第１連通孔７へのバイパスを経て出口１１に至る流路を副流路とする。
　このようにすると、副流路における第１流体３の慣性に起因する偏流傾向と主流路における慣性に起因する偏流傾向とが相殺され、各段間の偏流が抑制される。

　上記第５の発明は、上記第１の発明に記載のプレート積層型熱交換器であり、かつ上記第２の発明に記載のプレート積層型熱交換器でもあるプレート積層型熱交換器である。
　第１の発明と第２の発明の効果を併せ持つため、副流路における偏流傾向が流路長に起因する場合、慣性に起因する場合、いずれであっても、主流路の偏流傾向と相殺され、各段間の偏流が抑制される。

　上記第６の発明は、上記第３の発明に記載のプレート積層型熱交換器であり、かつ上記第４の発明に記載のプレート積層型熱交換器でもあるプレート積層型熱交換器である。
　第３の発明と第４の発明の効果を併せ持つため、主流路における偏流傾向が流路長に起因する場合、慣性に起因する場合、いずれであっても、副流路の偏流傾向と相殺され、各段間の偏流が抑制される。

本発明の第１の実施例のプレート積層型熱交換器の断面図であり、図１ＣのＡ－Ａ矢視断面図。 同熱交換器の流路の概略図。 図１Ａの平面図。 本発明の第１の実施例の他の例を示す断面図。 同熱交換器の流路の概略図。 本発明の第２の実施例のプレート積層型熱交換器の断面図。 同熱交換器の流路の概略図。 本発明の第２の実施例の他の例を示す断面図。 同熱交換器の流路の概略図。 本発明の第３の実施例のプレート積層型熱交換器の断面図。 同熱交換器の流路の概略図。 本発明の第３の実施例の他の例を示す断面図。 同熱交換器の流路の概略図。 本発明の第４の実施例のプレート積層型熱交換器の断面図。 同熱交換器の流路の概略図。 本発明の第４の実施例の他の例を示す断面図。 同熱交換器の流路の概略図。 本発明の第５の実施例のプレート積層型熱交換器の断面図。 同熱交換器の流路の概略図。 本発明の第５の実施例の他の例を示す断面図。 同熱交換器の流路の概略図。 本発明の第６の実施例のプレート積層型熱交換器の断面図。 同熱交換器の流路の概略図。 本発明の第６の実施例の他の例を示す断面図。 同熱交換器の流路の概略図。 従来の第１のプレート積層型熱交換器であって、そのコア９の上下に分離して、入口１０と出口１１が配置された略図。 同熱交換器のコア９における各段の流路分布を示すグラフ。 従来の第２のプレート積層型熱交換器であって、そのコア９の上端側のみに、入口１０と出口１１が配置された略図。 同熱交換器のコア９における各段の流路分布を示すグラフ。

　次に、図面に基づいて本発明の各実施の形態につき説明する。
　第１の実施例～第６の実施例のプレート積層型熱交換器で共通する構成は、次の通りである。
　外周縁が立ち上げられた皿状の多数のプレート１、２が積層されて、コア９を構成する。プレート１、２の積層方向の一枚おきに第１流体３が流通する第１流路４と、第２流体５が流通する第２流路６とが交互に形成されている。各プレート１、２には、互いに離間して第１連通孔７と第２連通孔８とが設けられている。第１連通孔７と第２連通孔８は、コア９の第１流路４の各段とつながっている。
　第１流体３は、第１連通孔７から第１流路４を介して第２連通孔８に導かれる。第２流体５は、第２流路６内を流通する。そして、第１流体３と第２流体５との間に熱交換が行われる。
　第１流路４は、中空となっている。この第１流路４のように流路が中空の場合、その流通抵抗は小さいので、一般的には段間の偏流が生じやすい。第１流路４には、熱伝達向上のために突起を形成しても良いが、その場合も流路抵抗は比較的小さいので、一般的には段間に偏流が生じる傾向がある。
　なお、例えば、第１流体３は水、冷媒等であり、第２流体５はオイル等である。
　この例では、各プレート１、２の平面形状は方形（図１Ｃに示す如く、角に丸みを帯びるものを含む）に形成されているが、この平面形状は方形に限らず、任意の形状を取ることができる。

　図１Ａは、第１の実施例のプレート積層型熱交換器の断面図であり、図１Ｂはその流路の概略図であり、図１Ｃは図１Ａの平面図である。
　第１の実施例の熱交換器は、図１Ａ、図１Ｂに記載の如く、プレート１、２の積層方向の一方の端部に第１流体３の入口１０が形成され、他方の端部に第１流体３の出口１１が形成されている（Ｉ字型の出入り口配置）。入口１０は第１連通孔７に連結され、出口１１は第２連通孔８に連結されている。入口１０と出口１１を直接つなぐ流路は、第１流体３の主流路となる。

　また、プレート１、２の積層方向の一方の端部の第２連通孔８から連通路１３および第１バイパス１２ａからなるバイパスが形成されている。このバイパスを経て出口１１に至る流路が副流路となる。

　第１の実施例では、主流路において入口１０から流入した第１流体３は、慣性により、第１連通孔７を、プレート１、２の積層方向の一方の端部から他方の端部まで流下し、前記他方の端部の近傍の第１流路４の段に流量が偏る傾向がある。
　一方で、副流路においては、前記一方側の段の方が、第２連通孔８を通る距離が短く、コア９内部の流路長が短くなるので、それに起因する偏流傾向は、主流路における偏流傾向の逆になる。
　よって、主流路における慣性に起因する偏流傾向と、副流路における流路長に起因する偏流傾向とが相殺され、各段間の偏流が抑制される。

　図２Ａは、第１の実施例の他の例を示す断面図であり、図２Ｂはその流路の概略図である。図１Ａの熱交換器では第１バイパス１２ａがコア９の内側に形成されているが、図２Ａの熱交換器では第１バイパス１２ａがコア９の外側に形成されている。
　第１バイパス１２ａがコア９の内側にあっても、外側にあっても、バイパスとしての機能は変わらないので、本発明が発揮する効果に差異はない。
　第１バイパス１２ａは、一例として、同図に示すように、パイプにより形成することもできる。

　図３Ａは、本発明の第２の実施例のプレート積層型熱交換器の断面図であり、図３Ｂは、同熱交換器の流路の概略図である。
　この実施例も、第１の実施例と同じく、Ｉ字型の出入り口配置をとるプレート積層型熱交換器となっている。第２の実施例と第１の実施例とは、バイパスの形成位置が異なる。
　第２の実施例では、入口１０から連絡路１３および第２バイパス１２ｂからなるバイパスが形成されている。このバイパスを経て、プレート１、２の積層方向の他方の端部の第１連通孔７に至る流路が副流路となる。
　この例の第２バイパス１２ｂは、コア９の外部に形成されているが、図４Ａ、図４Ｂのように、コア９の内部に形成されていてもよい。
　主流路を流通する第１流体３の慣性に起因する偏流傾向は、第１の実施例と同様である。
　一方、副流路における第１流体３の慣性に起因する偏流傾向は、主流路における偏流傾向とは逆である。
　よって、主流路における慣性に起因する偏流傾向と、副流路における慣性に起因する偏流傾向とが相殺され、各段間の偏流が抑制される。

　図５Ａは、本発明の第３の実施例のプレート積層型熱交換器の断面図であり、図５Ｂは、同熱交換器の流路の概略図である。
　第３の実施例は、プレート１、２の積層方向の一方の端部に、第１流体３の入口１０及び出口１１が形成されている（Ｕ字型の出入り口配置）。入口１０は第１連通孔７に連結され、出口１１は第２連通孔８に連結されている。入口１０と出口１１を直接つなぐ流路は、第１流体３の主流路となる。
　この実施例では、図５Ａに記載の如く、プレート１、２の積層方向の他方の端部の第２連通孔８から第３バイパス１２ｃおよび連絡路１３からなるバイパスが形成されている。このバイパスを経て出口１１に至る流路が副流路となる。
　この例では、図５Ａに示す如く、第３バイパス１２ｃがコア９の内部に形成されているが、図６Ａ、図６Ｂに示すように、コア９の外部に形成されていてもよい。
　主流路において、コア内部の流路長の影響が支配的な場合、入口１０から流入した第１流体３は、コア内部の流路長がより短い前記一方の端部の近傍の第１流路４の段に流量が偏る傾向がある。
　一方、副流路における第１流体３の慣性に起因する偏流傾向は、主流路における偏流傾向とは逆である。
　よって、主流路における流路長に起因する偏流傾向と、副流路における慣性に起因する偏流傾向とが相殺され、各段間の偏流が抑制される。

　図７Ａは、本発明の第４の実施例のプレート積層型熱交換器の断面図であり、図７Ｂは、同熱交換器の流路の概略図である。
　第４の実施例は、第３の実施例と同様、Ｕ字型の出入り口配置を取る。入口１０は第１連通孔７に連結され、出口１１は第２連通孔８に連結されている。
　この例では、図７Ａに示す如く、入口１０から連絡路１３および第４バイパス１２ｄからなるバイパスが形成されている。このバイパスを経てプレート１、２の積層方向の他方の端部の第１連通孔７に至る流路が副流路となる。
　第４バイパス１２ｄは、図７Ａ、図７Ｂに示す如く、コア９の内部に形成されているが、図８Ａ、図８Ｂに示すように、コア９の外部に形成されていてもよい。
　主流路において、第１流体３の慣性の影響が支配的な場合、入口１０から流入した第１流体３は、第１連通孔７を、プレート１、２の積層方向の一方の端部から他方の端部まで流下し、他方の端部の近傍の第１流路４の段に流量が偏る傾向がある。
　一方、副流路における第１流体３の慣性に起因する偏流傾向は、主流路における偏流傾向とは逆である。
　よって、主流路における慣性に起因する偏流傾向と、副流路における慣性に起因する偏流傾向とが相殺され、各段間の偏流が抑制される。

　図９Ａは、本発明の第５の実施例のプレート積層型熱交換器の断面図であり、図９Ｂは、同熱交換器の流路の概略図である。
　第５の実施例は、第１の実施例および第２の実施例と同様、Ｉ字型の出入り口配置を取る。入口１０は第１連通孔７に連結され、出口１１は第２連通孔８に連結されている。
　この例では、図９Ａに示す如く、プレート１、２の積層方向の一方の端部の第２連通孔８から連通孔１３および第１バイパス１２ａからなるバイパスが形成されるとともに、入口１０から連絡路１３および第２バイパス１２ｂからなるバイパスが形成されている。
　第１バイパス１２ａ，第２バイパス１２ｂは、図９Ａ、図９Ｂに示す如く、コア９の内部に形成されているが、図１０Ａ、図１０Ｂに示すように、コア９の外部に形成されていてもよい。
　第１の実施例と、第２の実施例のバイパス１２ａ、１２ｂを併せ持つため、副流路における偏流傾向が流路長に起因する場合、慣性に起因する場合、いずれであっても、主流路の偏流傾向と相殺され、各段間の偏流が抑制される。

　図１１Ａは、本発明の第６の実施例のプレート積層型熱交換器の断面図であり、図１１Ｂは、同熱交換器の流路の概略図である。
　第６の実施例は、第３の実施例および第４の実施例と同様、Ｕ字型の出入り口配置を取る。入口１０は第１連通孔７に連結され、出口１１は第２連通孔８に連結されている。
　図１１Ａに示す如く、プレート１、２の積層方向の他方の端部の第２連通孔８から第３バイパス１２ｃおよび連絡路１３からなるバイパスが形成されるとともに、入口１０から連絡路１３および第４バイパス１２ｄからなるバイパスが形成されている。
　第３バイパス１２ｃ，第４バイパス１２ｄは、図１１Ａ、図１１Ｂに示す如く、コア９の内部に形成されているが、図１２Ａ、図１２Ｂに示すように、コア９の外部に形成されていてもよい。
　第３の実施例と、第４の実施例のバイパス１２ｃ、１２ｄを併せ持つため、主流路における偏流傾向が流路長に起因する場合、慣性に起因する場合、いずれであっても、副流路の偏流傾向と相殺され、各段間の偏流が抑制される。

　本発明は、プレート積層型熱交換器に幅広く適用可能であり、特に車両用のオイルクーラに好適である。また、電動車両の電池用チラーや、空調機の蒸発器等にも適用可能である。

　１、２　プレート
　３　第１流体
　４　第１流路
　５　第２流体
　６　第２流路
　７　第１連通孔
　８　第２連通孔
　９　コア
　１０　入口
　１１　出口
　１２ａ　第１バイパス路
　１２ｂ　第２バイパス路
　１２ｃ　第３バイパス路
　１２ｄ　第４バイパス路
　１３　連絡路
　１４　カバープレート
　１５　ベースプレート
 

Claims (6)

1. 　皿状の多数のプレート（１、２）が積層されて、
   　プレート（１、２）の積層方向の一枚おきに第１流体（３）が流通する第１流路（４）と、第２流体（５）が流通する第２流路（６）とが交互に形成され、
   　各プレート（１、２）には、互いに離間して第１連通孔（７）と第２連通孔（８）とが設けられており、
   　第１流体（３）が第１連通孔（７）から第１流路（４）を介して第２連通孔（８）に導かれるコア（９）を有するプレート積層型熱交換器において、
   　プレート（１、２）の積層方向の一方の端部に第１流体（３）の入口（１０）が形成され、他方の端部に第１流体（３）の出口（１１）が形成され、
   　入口（１０）は第１連通孔（７）に連結され、出口（１１）は第２連通孔（８）に連結され、
   　前記一方の端部の第２連通孔（８）から出口（１１）へのバイパスがコア（９）の内部または外部を通って形成されたプレート積層型熱交換器。
2. 　皿状の多数のプレート（１、２）が積層されて、
   　プレート（１、２）の積層方向の一枚おきに第１流体（３）が流通する第１流路（４）と、第２流体（５）が流通する第２流路（６）とが交互に形成され、
   　各プレート（１、２）には、互いに離間して第１連通孔（７）と第２連通孔（８）とが設けられており、
   　第１流体（３）が第１連通孔（７）から第１流路（４）を介して第２連通孔（８）に導かれるコア（９）を有するプレート積層型熱交換器において、
   　プレート（１、２）の積層方向の一方の端部に第１流体（３）の入口（１０）が形成され、他方の端部に第１流体（３）の出口（１１）が形成され、
   　入口（１０）は第１連通孔（７）に連結され、出口（１１）は第２連通孔（８）に連結され、
   　入口（１０）から前記他方の端部の第１連通孔（７）へのバイパスがコア（９）の内部または外部を通って形成されたプレート積層型熱交換器。
3. 　皿状の多数のプレート（１、２）が積層されて、
   　プレート（１、２）の積層方向の一枚おきに第１流体（３）が流通する第１流路（４）と、第２流体（５）が流通する第２流路（６）とが交互に形成され、
   　各プレート（１、２）には、互いに離間して第１連通孔（７）と第２連通孔（８）とが設けられており、
   　第１流体（３）が第１連通孔（７）から第１流路（４）を介して第２連通孔（８）に導かれるコア（９）を有するプレート積層型熱交換器において、
   　プレート（１、２）の積層方向の一方の端部に、第１流体（３）の入口（１０）及び出口（１１）が形成され、
   　入口（１０）は第１連通孔（７）に連結され、出口（１１）は第２連通孔（８）に連結され、
   　プレート（１、２）の積層方向の他方の端部の第２連通孔（８）から出口（１１）へのバイパスがコア（９）の内部または外部を通って形成されたプレート積層型熱交換器。
4. 　皿状の多数のプレート（１、２）が積層されて、
   　プレート（１、２）の積層方向の一枚おきに第１流体（３）が流通する第１流路（４）と、第２流体（５）が流通する第２流路（６）とが交互に形成され、
   　各プレート（１、２）には、互いに離間して第１連通孔（７）と第２連通孔（８）とが設けられており、
   　第１流体（３）が第１連通孔（７）から第１流路（４）を介して第２連通孔（８）に導かれるコア（９）を有するプレート積層型熱交換器において、
   　プレート（１、２）の積層方向の一方の端部に、第１流体（３）の入口（１０）及び出口（１１）が形成され、
   　入口（１０）は第１連通孔（７）に連結され、出口（１１）は第２連通孔（８）に連結され、
   　入口（１０）からプレート（１、２）の積層方向の他方の端部の第１連通孔（７）へのバイパスがコア（９）の内部または外部を通って形成されたプレート積層型熱交換器。
5. 　請求項１に記載のプレート積層型熱交換器であり、かつ請求項２に記載のプレート積層型熱交換器でもあるプレート積層型熱交換器。
6. 　請求項３に記載のプレート積層型熱交換器であり、かつ請求項４に記載のプレート積層型熱交換器でもあるプレート積層型熱交換器。
    

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