JP2015519535A - サーマルドリル加工された孔を備えるプレート熱交換器 - Google Patents

Abstract

本発明は、プレートパッケージ（Ｐ）を含むプレート熱交換器（１）に関し、プレートパッケージ（Ｐ）は、少なくとも２つの構造の複数の熱交換プレート（Ａ、Ｂ）であって、互いに連結されるとともに、熱交換プレート（Ａ、Ｂ）間にプレート間隙（３、４）を形成する熱交換プレート（Ａ、Ｂ）のスタック（２）を形成するよう互いに交互に配置される、熱交換プレート（Ａ、Ｂ）を含む。プレート間隙（３、４）は、少なくとも２つの異なる流体を受容するよう構成される。少なくとも１つの貫通孔（２０）が、プレートパッケージ（Ｐ）の外面とプレートパッケージ（Ｐ）内部のコンパートメント（５）との間に延在するよう設けられ、コンパートメント（５）は、プレート間隙（３、４）のいずれかによって少なくとも部分的に形成されており、少なくとも１つの貫通孔（２０）が、サーマルドリル加工によって形成される。

Description

本発明は、概して、サーマルドリル加工によって形成される少なくとも１つの貫通孔を有するプレート熱交換器に関するものである。本発明はまた、プレート熱交換器に少なくとも１つの貫通孔を設けるための方法に関するものでもある。

熱交換器、特にプレート熱交換器は、例えば少なくとも１つの流入部と少なくとも１つの流出部との間で１つ以上の流体をガイドするための内部チャネルシステムを提供するための薄壁構造のものである。

一般的なプレート熱交換器は、プレートパッケージを形成するよう構成された複数の薄手の熱交換プレートによって形成される。プレートパッケージは、多数の第１および第２の熱交換プレートによって形成される。これら熱交換プレートは、取り外し不可能に互いに連結されてもよく、かつ各対の隣接する第１および第２の熱交換プレートの間に第１のプレート間隙が形成されるとともに各対の隣接する第２および第１の熱交換プレートの間に第２のプレート間隙が形成されるように隣り合って配置される。第１のプレート間隙および第２のプレート間隙は、互いから切り離されており、かつプレートパッケージ内で交互に並んで設けられる。実質的に熱交換プレートのそれぞれは、少なくとも第１のポートホールと第２のポートホールとを有しており、第１のポートホールは、第１のプレート間隙への第１の流入チャネルを形成し、かつ第２のポートホールは、第１のプレート間隙からの第１の流出チャネルを形成する。

上述の取り外し不可能な連結は、溶着、ろう付け、接合または接着によって実現されてもよい。そのようにして取り外し不可能に連結されたプレート熱交換器において、流入部または流出部のポジションは、第１および第２のポートホールに左右される。また熱交換プレートの表面形状も、パネル間隙を通る流れを最適化して熱効率を最大にするために、流入部および流出部のポジションに左右される。熱交換プレートの利用可能な熱伝達面を最大化するために、常に、ポートホールのサイズを小さくする取り組みが広く行われている。

取り外し不可能に連結されたプレート熱交換器によって形成される薄壁で仕切られた層構造は、付加的な流入部または流出部やセンサなどの追加を非常に困難なものとする。なぜなら、付加的な流入部または流出部やセンサなどのポジションは、プレート熱交換器に形成されるポートホールおよび流入チャネルまたは流出チャネルに制限されるからである。

取り外し不可能に連結されたプレート熱交換器への接続部またはインターフェースの形成にも多くの問題がある。その１つとして：プレートパッケージを形成するためにそれらプレートを連結する前に個々のプレートに所定のパターンを準備して／プレスすることによってその側面に孔を形成することがほぼ不可能なことが挙げられる。もしプレートパッケージに孔をドリル加工またはねじ切りで形成するならば、切り屑の発生を避けることはできず、切り屑はプレートパッケージに入り込んだりプレートパッケージに混入したりする。取り外し不可能に連結されたプレート熱交換器の横断面は非常に複雑であるため、切り屑を取り除くことはほぼ不可能である。また、プレート熱交換器の下流に配置されるコンプレッサなどのデバイス内に混入する恐れもある。個々のプレートの横部分によって形成されるその側面における薄手の物品は、ねじ切り接続部を許容するほどの十分な厚さがない。取り外し不可能に連結されるプレート熱交換器の複雑でありかつ不規則な層構造は、加工に関して信頼できない材料をもたらし、かつ流入ポートまたは流出ポートにおいてその内部構造を潰してしまうことがある。一般的に、取り外し不可能に連結されたプレート熱交換器に密閉のための面を形成することさえ困難である。さらに、取り外し不可能な連結がろう付けによって実現される場合、ろう付け構造を損なうことなく溶接ボルトなどの接続部をはんだ付けまたは溶着をすることは困難である。さらには、１つ以上のプレート間隙をカバーする大きな孔を形成することも非常に難しい。

こうした例示的な問題により、さらなる流入部または流出部やセンサ、プローブ、固定手段などの接続部をプレート熱交換器に、特に取り外し不可能に連結されたプレート熱交換器に取り付けることは非常に難しい。これは、特に大量生産されるプレート熱交換器において特に顕著である。

本発明の目的は、上述の問題に取り組む、少なくとも１つの貫通孔を有するプレート熱交換器を提供することである。

本発明の別の目的は、プレート熱交換器において、本質的に任意に貫通孔を位置決めできる方法を提供することである。

さらに、この方法は、高度の信頼性および再現性が要求される大量生産に適用可能であるべきである。

この目的は、プレートパッケージを備えるプレート熱交換器であって、当該プレートパッケージが、互いに連結されるように、かつ熱交換プレート同士の間にプレート間隙を形成する熱交換プレートのスタックを形成するよう互いに交互に配置されるように少なくとも２つの構造体からなる複数の熱交換プレートを含み、当該プレート間隙は、少なくとも２つの異なる流体を受容するよう構成される、プレート熱交換器によって達成される。このプレート熱交換器は、少なくとも１つの貫通孔が、プレートパッケージの外面とプレートパッケージ内部のコンパートメントとの間に延在するよう構成され、当該コンパートメントが複数のプレート間隙のいずれかによって少なくとも部分的に形成され、かつ少なくとも１つの貫通孔がサーマルドリル加工によって形成されることに特徴付けられる。

フロードリル加工、摩擦ドリル加工またはフォームドリル加工としても知られるサーマルドリル加工は、材料の塑性再成型加工を提供する非切削法である。形成される孔に本質的に対応する直径を伴う円形断面を有するピン状のツールが回転することによって、孔が形成される。回転中にツールは、高速回転によって引き起こされる摩擦を受けて孔を形成する。発生した熱が、材料を、形成および穿孔に十分なほど鍛延(malleable)する。ツールの先端が基材の下面を穿孔すると、変位させられる材料が、ツールの送り方向へ流動し始める。ある程度変位させられた材料は、ワークピースの上面周りにカラーを形成してもよい。材料の残りの部分はワークピースの下面にスリーブ状のブッシュを形成してもよい。形成されたスリーブは、特に強度が高く、例えば別の工程でねじ切りされてもよい。

サーマルドリル加工は、驚くべきことに、プレート熱交換器などの薄壁のハニカム状構造に適用できることが判明している。さらに、サーマルドリル加工は、プレート熱交換器の内部の狭い通路の流れの制御されない抑制や遮断を引き起こし得る切り屑の混入がない非切削法である。また、発生した切り屑が、プレート熱交換器の下流に配置されるコンプレッサなどのデバイスにとって問題をもたらすリスクもない。ハニカム状構造と切り屑を発生しない厳しい制限とを組み合わせることは、従来、連結されたプレート熱交換器への孔の形成を非常に複雑なものとしてしまうため、実際に可能であれば基本的に避けられていた。これは特に大量生産のプレート熱交換器の場合に顕著である。

サーマルドリル加工を用いることにより、取り外し不可能に連結されたプレート熱交換器の内部へのアクセスに関して完全に新しい可能性が提供される。これは、プレート熱交換器内部の運転状況のモニタリングおよび把握を向上させるためのセンサやカメラなどの機器の挿入にも関与する。またそれにより、流体供給のための流入部および流出部ひいてはそのために使用される導管の位置決めに関して完全に新しい可能性が提供される。実際に、サーマルドリル加工は、プレート熱交換器における貫通孔の位置決めを本質的に任意に可能にする。さらに、サーマルドリル加工によって、１つ以上のプレート間隙へのアクセスを提供する大きな孔の形成が可能となる。

コンパートメントは、共通チャネルを介して互いに連通状態にある複数のプレート間隙を備えてもよく、このものにおいて、少なくとも１つの貫通孔が共通チャネルを規定する壁部分に設けられる。そのため、当該壁部分は、共通チャネルの円周包囲表面またはその長手方向端部表面であってもよい。共通チャネルは、一例として、プレートパッケージを通過してあるいはプレートパッケージに沿って延在する流入または流出チャネルであってもよい。

少なくとも１つの貫通孔は、温度センサ、圧力センサ、光学センサなどのセンサ、排出プラグなどのプラグもしくは検査鏡、および導管のためのコネクタからなる群に含まれる構成要素を受容するよう構成されてもよい。適用可能な構成要素がこれらの例に限定されないことを理解されたい。

少なくとも１つの貫通孔の長手方向軸線は、熱交換プレートの長手方向の広がりの基本平面(general plane)と略平行に延在するように構成されてもよい。

少なくとも１つの貫通孔は、プレートパッケージの外周側壁を規定する壁部分に配置されてもよく、当該側壁は、熱交換プレートの長手方向表面の広がりの基本平面に対して略直交して延在する。

少なくとも１つの貫通孔は、１つ以上のプレート間隙へのアクセスを可能にする直径を有してもよい。

少なくとも１つの貫通孔は、プレートパッケージの一部を形成する上端プレートまたは下端プレートに設けられてもよい。

プレートパッケージにおける熱交換プレートは、ろう付け、溶着、接着または接合によって互いに取り外し不可能に連結されてもよい。

少なくとも１つの貫通孔が、貫通孔の長手方向軸線と同心の長手方向の広がりを有するスリーブを規定する長手方向包囲表面を備えてもよく、かつ当該スリーブは、コンパートメントの内部に面する自由縁部を有してもよい。スリーブは、ねじ切りに使用されても、またはブッシュ、ライニングもしくはコネクタなどを受容するために使用されてもよい。スリーブはまた、１つ以上のプレート間隙を通るチャネルを提供するよう使用されてもよく、それによってプレートパッケージの内部構造への改良されたアクセスが提供され、例えばセンサの挿入が可能となる。

コンパートメントの反対側を向く少なくとも１つの貫通孔の開口は、サーマルドリル加工中に形成される円周カラーを備えてもよい。そうした円周カラーは、貫通孔に挿入される構成要素の接続のために使用されてもよい。

少なくとも１つの貫通孔は、ねじ切り部分を備えてもよい。

プレート熱交換器は、少なくとも１つの貫通孔の開口の中またはその周りに設けられるブラケットをさらに備えてもよい。そうしたブラケットは、貫通孔に挿入される構成要素の取り付けのために使用されてもよい。

プレートパッケージのスタックは、多数の第１の熱交換プレートと多数の第２の熱交換プレートとを含んでもよく、これら熱交換プレートは、各対の隣接する第１の熱交換プレートと第２の熱交換プレートとの間に第１のプレート間隙が形成されるとともに各対の隣接する第２の熱交換プレートと第１の熱交換プレートとの間に第２のプレート間隙が形成されるように、互いに連結されかつ隣り合って配置される。第１のプレート間隙および第２のプレート間隙は、互いから切り離されてもよく、かつ少なくとも１つのプレートパッケージ内で交互に隣り合うよう設けられてもよい。

共通チャネルは、サーマルドリル加工によって形成される複数の貫通孔を備えてもよく、貫通孔の少なくとも２つが共通チャネルへ少なくとも２つの異なる流体のうち第１の流体を供給するために設けられる。

少なくとも２つの異なる流体のうちの第１の流体は、少なくとも２つの貫通孔に接続されるマニホールドを介して前記共通チャネルに供給される。

これにより、以下で説明する多数の利点が提供される。ろう付けされたプレート熱交換器に関して、冷却剤である第１の流体のための流入ポートの直径は、高すぎる圧力損失を避けるために特定の範囲の流速を維持するべく構成される。これは、その効率性および能力を維持するために２つの段階的利用がなされる際に非常に重要となる。従来の解決法では、第１の流体は、個々の熱交換プレートそれぞれにおけるポートホールによって形成される共通チャネルを構成する流入チャネルの一端を介して供給されていた。これは、個々の熱交換プレートそれぞれにおけるポートの切り口のデザインを、当該ポートに対して供給される第１の流体の流れに基づいて寸法決めする必要があることを意味する。また、その流れは熱交換プレートの最大数に対して比例するため、熱交換プレートの最大数はよく考慮しなければならない。ポートサイズが、プレート熱交換器に対する圧力抵抗に強く影響することはよく知られており、ポートサイズは大きくすればするほど悪化する。プレート熱交換器の設計圧力は、一般的には３から４．５の範囲の係数で破裂圧力を分けることによって通常は固定されている。係数の値は、圧力容器の許容本体の要件に応じて、かつさらに設計温度に応じて主に固定される。最も低い係数を実現可能にする本体は、圧力循環耐久試験を要求する。これは、プレート熱交換器のポート領域を設計する際に多大な努力を必要とする。一例として、いわゆるＣＯ_２トランスクリティカルガスクーラーにおいて、設計圧力は約１２０バールとされ、かつ破裂圧力は最良の場合で３６０バール、最悪の場合で５４０バールとされる。

ろう付け後にプレートパッケージにサーマルドリル加工される複数の貫通孔を設けて、それら貫通孔を介して第１の流体を供給することによって、各熱交換プレートのポートの切り口はより小さくされ得る。なぜなら、これら孔の各々が、プレートパッケージへ供給される全流量の一部を処理しさえすればよいからである。これは、プレートパッケージのポート領域をより強固なものとする。さらに別の利点として、より小さなポートホールは、熱伝達のために、個々の熱交換プレートの領域をより大きなものとすることが挙げられる。

本発明の別の態様によれば、本発明は、プレート熱交換器に貫通孔を提供する方法であって、プレートパッケージを備えるプレート熱交換器であって、プレートパッケージが、互いに連結されるともに、熱交換プレート間にプレート間隙を形成する熱交換プレートのスタックを形成するよう互いに交互に配置される少なくとも２つの構造の複数の熱交換プレートを含み、当該プレート間隙が少なくとも２つの異なる流体を受容するよう構成された、プレート熱交換器を提供するステップと；プレートパッケージの外面とプレートパッケージ内部のコンパートメントとの間に延在する少なくとも１つの貫通孔をサーマルドリル加工によって設けるステップと；を含み、当該コンパートメントはプレート間隙のいずれかによって少なくとも部分的に形成される、方法に関するものである。

以下、添付の概略的な図面を参照して、例示的に本発明の実施形態について説明する。

典型的なプレート熱交換器の概略側面図である。 図１のプレート熱交換器の概略正面図である。 プレート熱交換器の典型的なプレートパッケージの流入チャネルまたは流出チャネルに沿った極めて概略的な断面図である。 プレート熱交換器の第１および第２の熱交換プレートの一例を極めて概略的に示す図である。 プレート熱交換器の第１および第２の熱交換プレートの一例を極めて概略的に示す図である。 貫通孔のさまざまなポジションを例示する、プレート熱交換器のプレートパッケージを極めて概略的に示す第１の実施形態の図である。 サーマルドリル加工および後続の熱ねじ切り加工中の、貫通孔の形成を概略的に示す図である。 サーマルドリル加工および後続の熱ねじ切り加工中の、貫通孔の形成を概略的に示す図である。 サーマルドリル加工および後続の熱ねじ切り加工中の、貫通孔の形成を概略的に示す図である。 サーマルドリル加工および後続の熱ねじ切り加工中の、貫通孔の形成を概略的に示す図である。 サーマルドリル加工によって形成される貫通孔の概略断面図である。 プレート熱交換器のプレートパッケージの極めて概略的な平断面図である。

図１から図３には、プレート熱交換器１の典型的な例が図示される。プレート熱交換器１はプレートパッケージＰを含み、当該プレートパッケージＰは、互いに隣り合って配置されてスタック２を形成する複数の圧縮成型された熱交換プレートＡ、Ｂによって形成される。熱交換プレートは、この実施形態では、以下では第１の熱交換プレートＡ（図３、図４および図６参照）および第２の熱交換プレートＢ（図３、図５および図６）と称される２つの異なる熱交換プレートを含む。プレートパッケージＰは、実質的に同じ数の第１の熱交換プレートＡと第２の熱交換プレートＢとを含む。

図３から明らかなように、熱交換プレートＡ、Ｂは、各対の隣接する第１の熱交換プレートＡと第２の熱交換プレートＢとの間に第１のプレート間隙３が形成されるとともに各対の第２の熱交換プレートＢと第１の熱交換プレートＡとの間に第２のプレート間隙４が形成されるように、隣り合って設けられる。そのため、第２のプレート間隙が個々の第１のプレート間隙３を形成するごとに、残りのプレート間隙が個々の第２のプレート間隙４を形成する、つまり第１および第２のプレート間隙３および４はプレートパッケージ内に交互に設けられる。さらに、第１および第２のプレート間隙３および４は、実質的に完全に互いから切り離されている。

それゆえプレートパッケージＰの内部には複数のコンパートメント５が形成される。一例として、第１のコンパートメント５１が、第１のプレート間隙３のいずれかによって少なくとも部分的に形成され、かつ第２のコンパートメント５２が、第２のプレート間隙４のいずれかによって少なくとも部分的に形成される。

プレートパッケージＰはまた、上端プレート６と下端プレート７とを含む。これら上および下端プレートは、プレートパッケージＰの各面に設けられる。

プレート熱交換器１は、有利なことに、冷却剤回路（図示せず）内の蒸発器として作動するよう構成されてもよい。そうした蒸発器用途では、第１のプレート間隙３は、冷却剤などの第１の流体のための通路を形成してもよく、一方で第２のプレート間隙４は、冷却剤によって冷却されるよう適合された第２の流体のための通路を形成してもよい。

図１および図３に図示される実施形態において、熱交換プレートＡ、Ｂおよび上端プレートおよび下端プレート６、７は、互いに取り外し不可能に接続されている。そうした取り外し不可能な接続は、有利には、ろう付け、溶着、接着または接合によってなされてもよい。

特に図２、図４および図５から明らかなように、実質的に熱交換プレートＡ、Ｂのそれぞれは、４つのポートホール８を、つまり第１のポートホールと第２のポートホールと第３のポートホールと第４のポートホールとを有する。第１のポートホール８は、第１のプレート間隙３への第１の流入チャネル９を形成する。第１の流入チャネル９は、実質的にプレートパッケージＰ全体を通るように、つまりプレートＡ、Ｂとさらに上端プレート６を通るように延在している。第２のポートホール８は、第１のプレート間隙３からの第１の流出チャネル１０を形成する。流出チャネル１０もまた、プレートパッケージＰ全体を通るように、つまりプレートＡ、Ｂおよび上端プレート６のすべてを通るように延在している。第３のポートホール８は、第２のプレート間隙４への第２の流出チャネル１１を形成し、かつ第２のポートホール８は、第２のプレート間隙４からの第２の流出チャネル１２を形成する。さらに、これら２つのチャネル１１および１２は、実質的にプレートパッケージＰ全体を通って、つまりプレートＡ、Ｂと上端プレート６のすべてを通って延在する。

図示される実施形態においては、第１のプレート間隙３と連通する第１の流出チャネル９は、第１のコンパートメント５１の一部として考えられてもよい。第１のプレート間隙３と連通する第１の流出チャネル１０もまた、第１のコンパートメント５１の一部を形成するものと考えられてもよい。同様に図示される実施形態においては、第２のプレート間隙４と連通する第２の流出チャネル１１は、第２のコンパートメント５２の一部として考えられてもよい。第２のプレート間隙４と連通する第２の流出チャネル１２は、第２のコンパートメント５２の一部を形成するものとして考えられてもよい。

従来のこのタイプのプレート熱交換器では、第１のプレート間隙３は、第１の流入チャネル９または第１の流出チャネル１０を介して、つまり第１のコンパートメント５１を介してアクセスされる。同様に、第２のプレート間隙４は、第２の流入チャネル１１または第２の流出チャネル１２を介して、つまり第２のコンパートメント５２を介してアクセスされる。

従来のプレート熱交換器においては、センサなどの任意の機器がこれらチャネル９、１０、１１、１２の１つを介して挿入され、それにより機器はこれらチャネルの１つの長手方向に広がりに沿ってアクセス可能であった。しかしながら、これは、プレート熱交換器の内部のうち厳しく制限された領域へのアクセスしか可能にせず、特に個別の熱交換プレートＡ、Ｂの熱伝達面へのアクセスは不可能であった。そうした領域へのアクセスは手間がかかり、実用的な理由から、大量生産されるシステムの通常使用時には実現不可能である。

ここで本発明のより良い理解のために図６を参照すると、当該図面には、本発明の一実施形態を示す典型的なプレート熱交換器１の流入チャネル９；１１または流出チャネル１０；１２の概略断面図が示される。当該横断面は、流入または流出チャネル９；１０；１１；１２におけるかつそれらの周りの領域に限定されているが、同様の原理がプレート熱交換器１のプレートパッケージＰの任意の外壁部分にも適用可能である。

図６には、各対の隣接する第１の熱交換プレートＡと第２の熱交換プレートＢとの間に第１のプレート間隙３が形成されるとともに各対の第２の熱交換プレートＢと第１の熱交換プレートＡとの間に第２のプレート間隙４が形成されるように、隣接して設けられる複数の第１および第２の熱交換プレートＡ、Ｂが図示される。そのため、第２のプレート間隙が個々の第１のプレート間隙３を形成するごとに、残りのプレート間隙が個々の第２のプレート間隙４を形成する、つまり第１および第２のプレート間隙３、４はプレートパッケージＰ内に交互に設けられる。さらに、第１および第２のプレート間隙３および４は、実質的に完全に互いから切り離されている。

プレートパッケージＰの外周側壁１３は、複数の外側に延在するフランジ１４を備えており、フランジ１４のそれぞれは、隣接する一対の第１の熱交換プレートＡおよび第２の熱交換プレートＢの外側周縁部１５によって形成される。外周側壁１３は、第１および第２の熱交換プレートＡ、Ｂの基本平面１６に略直交するよう延在する。

図示される実施形態においては、複数の貫通孔２０がプレートパッケージＰの外周側壁１３に設けられている。貫通孔２０はサーマルドリル加工によって形成される。以下では、一方法としてのサーマルドリル加工について説明する。各貫通孔２０の長手方向軸線Ｌは、第１および第２の熱交換プレートＡ、Ｂの基本平面１６に本質的に平行に延在するよう構成される。

図示される実施形態において、第１のプレート間隙３のそれぞれは、プレートパッケージＰの外側から、流入チャネル１９；１１または流出チャネル１０；１２である貫通チャネルへ向けて延在する貫通孔２０を備える。図示されるパターン以外の孔パターンが使用され得ることを理解されたい。さらに、サーマルドリル加工によって、貫通孔２０がプレートパッケージＰの外周側壁１３に沿った任意のポジションに配置され得ることも理解されたい。

開示される実施形態においては、貫通孔２０は、それらの長手方向軸線Ｌとともに、隣接するフランジ１４からある程度外れるように設けられており、それによって貫通孔２０は、一対の熱交換プレートＡ、Ｂをともに形成する第１または第２の熱交換プレートＡ、Ｂのいずれかの一部を本質的に貫通するよう形成される。他のポジションでも実現可能であることも理解されたい。

プレートパッケージＰの外周側壁１３は本質的に滑らかであることを理解されたい。これは、複数の外側に延在するフランジ１４を外周側壁１３に平行に本質的に延在するように屈曲させることによってまたはフランジ１４を切断することによってなされてもよい。その断面が、プレートパッケージＰを構成する熱交換プレートＡ、Ｂの表面パターン２１に左右されることも理解されたい。

図６ではさらに貫通孔２０は上端プレート６に設けられており、それによりプレートパッケージＰの外側から、上端プレート６に最も近接するプレート間隙３；４への連通が可能となる。図示される実施形態においては、貫通孔２０は、第１のプレート間隙３内に、つまり第１のコンパートメント５１内に延在している。貫通孔２０の意図する使用に応じた任意のポジションも利用可能である。同様の原理が下端プレート７にも適用可能である。

また図６には、下端プレート７に設けられた貫通孔２０；２３が示される。貫通孔２０；２３は、下端プレート７に最も近接するプレート間隙３；４を通過して、それに続く第２のプレート間隙３；４へ延在する。図示される実施形態においては、貫通孔２０；２３の長手方向軸線Ｌは、２つの連結された熱交換プレートＡ、Ｂの間の連結部２２を通って延在する。他のポジションでも実現可能であることを理解されたい。

さらに図６には、１つ以上の第１または第２のプレート間隙３、４にアクセス可能な直径を有する貫通孔２０；２３の一実施形態が示される。この貫通孔２０；２３は、複数の熱交換プレートＡ、Ｂを横切って、結果的に２つ以上のプレート間隙３、３；４、４の間の仕切り壁２４を横切って広がる領域を伴うよう図示される。仕切り壁２４はそれ自体が熱交換プレートＡ、Ｂによって形成されるものである。

ここで図９を参照すると、プレート熱交換器のプレートパッケージＰの平断面図が極めて概略的に図示されている。

第１の流体を供給して分配するための共通チャネル９；１０；１１；１２は、サーマルドリル加工によって形成される複数の貫通孔２０を備える。第１の流体は、マニホールド５０を介して共通チャネル９；１０；１１；１２に供給される。マニホールド５０は、プレートパッケージＰの外壁５１に接続され、かつ貫通孔２０を介して共通チャネル９；１０；１１；１２と連通する。

第１の流体は、上記マニホールドに接続状態で配置されるノズルまたはバルブ（図示せず）を介して共通チャネル９；１０；１１；１２へ分配され得ることを理解されたい。

流体は、複数の貫通孔と接続される個々の導管（図示せず）またはマニホールド５０を介して貫通孔２０へ供給されてもよい。貫通孔は、必要な接続部を固定するためにねじ切りされてもよく、かつＯリングなどのガスケットでシールされてもよい。また、軟ろうが使用されてもよい。

これら貫通孔２０は列となるようにあるいは他のパターンで配置されてもよいことを理解されたい。同様の原理が第１の流体の流入ポートだけでなくプレートパッケージのポートにも適用可能であることも理解されたい。

フロードリル加工、摩擦ドリル加工またはフォームドリル加工としても知られるサーマルドリル加工は、ホールを形成するために使用される非切削法である。当該ホールは、貫通孔または止まり穴であってもよい。図７ａ〜図７ｃにはその工程が図示される。サーマルドリル加工は、材料の塑性再成型を実現する。形成される孔に本質的に対応する直径の円形断面を有するピン状ツール３０を回転させることにより孔２０が形成される（図７ａ参照）。ツール３０は、孔２０を形成するために、高い回転速度と相対的に高い軸線方向圧力とを伴って基材３２に係り合うコーン形状の自由端３１を有する。ツール３０は、一例としてWolfram carbideなどのカーバイドから形成されてもよい。回転中、ツール３０は、高速回転によって生じる摩擦を利用して孔を形成する（図７ｂ参照）。発生した熱は、基材３２を形成および穿孔に十分なほど鍛延する（可鍛なものとする）。ツール３０が軸線方向に進められると、材料の変位が引き起こされる（図７ｃ参照）。初めは、変位させられる材料はツール３０へ向けて上向きに流動する。ツール３０の自由端３１の先端が基材３２の下面３３を貫通すると、変位させられる材料は、ツールの送り方向に流れ始める。材料が軟化すると、軸線方向力が低減されて、送り速度が低減させられる。多少の変位させられた材料が、基材３２の上面３５周りにカラー３４を形成してもよい。その材料の残りが下面３３にスリーブ３６を形成する。カラー３４およびスリーブ３６は、形成される貫通孔２０と同心であり、かつ基材３２の厚さをわずかに超える長手方向の広がりＬを有する。加工硬化の程度は材料に左右される。結果として、形成されたスリーブ３６は非常に強く、かつ例えば別の工程でねじ切りされてもよい（図７ｄ参照）。ねじ切りはスリーブ３６の内部または外部のいずれかになされてもよい。ねじ切り部３７は、カラー３４、基材３２およびスリーブ３６の部分に限定されることを理解されたい。

標準的なドリル加工、ＮＣ加工およびＣＮＣ加工のすべてがサーマルドリル加工に適している。なお、その工程は、特化したツール３０が基材３２に係り合う際の速度および力に左右される。孔サイズ、材料および厚さなどのパラメータのすべてが適切な回転速度、送り速度、軸線方向力に影響することを理解されたい。例えば薄手の材料は、過大な圧力下では曲がったり潰れたりし得るため、変形を防ぐための適切なサポートが必要となる。予ドリル加工がなされた（すでにドリル加工がなされた）孔は、要求される軸線方向力を低減し得、そしてスリーブの下縁部に滑らかな仕上げをもたらし得る。なお予ドリル加工は、通常は、切り屑の形成に起因して熱交換器に適用される際のオプションにはならない。非切削法である熱ドリル加工により、取り外し不可能に連結されたプレートパッケージなどのプレート熱交換器あるいは熱交換器などの下流に設けられるデバイス内へ落ち込んで混入する可能性のある切り屑は発生しない。驚くべきことに、サーマルドリル加工は、プレート熱交換器１内の複数のプレート間隙３、３；４、４にまたがる直径を有する大きな孔２３を形成する場合にも優れていることが判明している。

スリーブ３６がねじ切りされる場合、それは、基本的にサーマルドリル加工と同じ原理を用いる（なお本質的な違いとしてその温度がはるかに低いことが挙げられる）サーマルタッピングを使用して形成されてもよい。サーマルタッピングは材料の塑性再成型を実現する。使用されるツール３８（図７ｄ参照）は、ねじ部３８ａを有しており、回転中に孔２０内に挿入される場合、孔の包囲表面における材料は、ツール３８のねじ溝およびねじ山へ向けて流動する。ゆえに、ねじ部は切り屑を残さずに冷間成型される。ねじの形状、深さおよび強度は選択されるツール３８によって決定されることを理解されたい。ねじ切りは非切削式の従来の塑性冷間成型によってなされてもよいことも理解されたい。

ここで図８を参照すると、サーマルドリル加工によって形成された貫通孔２０の概略断面図が示される。孔３０が切削材料に代えて変位材料によって形成される塑性再成型法であるサーマルドリル加工により、プレート間隙３；４とは反対側を向くよう意図された貫通孔２０の開口３９は、変位させられた材料からなる円周カラー３４を備えてもよい。カラー３４の形状を制御するためにサーマルドリル加工中に使用されるツール３０によってカラー３４に形状付けることは可能である。さらに、貫通孔２０は、それ自体の下面において、貫通孔２０の長手方向軸線Ｌと同軸の長手方向の広がりを有するスリーブ３６を規定する長手方向包囲表面を備える。スリーブ３６は自由縁部４０を有する。スリーブ３６は、塑性再成型法であるサーマルドリル加工の結果として生じる。貫通孔２０はねじ切りされてもよい。ねじ切りは、貫通孔２０の完全に内側にある包囲表面４１に沿って、つまりスリーブ３６のカラー３４の外縁部から自由縁部４０へ向けて形成されてもよい。あるいは、包囲表面４１の一部のみにねじ切り加工がなされる。カラー３４は、任意のデバイスのためまたはブラケットなどのための接続面として使用され得ることを理解されたい。

貫通孔２０は、温度センサ、圧力センサおよび光学センサなどのさまざまなタイプのセンサを受容するためまたは取り付けるために使用されてもよい。貫通孔２０はまた、排出プラグなどのプラグ（図示せず）または検査鏡を取り付けるために使用されてもよい。一般的な排出プラグとして、コンプレッサオイルのための排出プラグおよびシステムを空にするための排出プラグが挙げられる。貫通孔２０はまた、冷却／加熱能力の入れ替えのための別の流入部または流出部（図示せず）として使用されてもよい。

２つの流体の流動を可能にする第１および第２のプレート間隙３；４と４つのポートホール８とを有するプレート熱交換器に基づいて、本発明について大まかに説明した。本発明は、取り扱われる流体の数、プレート間隙の数およびポートホールの数に関連するさまざまな構造を有するプレート熱交換器にも適用できることを理解されたい。本発明はさらに、熱交換プレートに組み込まれた貫通孔として形成された１つ以上の流入チャネルまたは流出チャネルが省略されたプレート熱交換器にも適用できる。さらに、本発明はどのような種類の熱交換器にも適用できることも理解されたい。一例として、本発明はチューブアンドシェルタイプの熱交換器またはスパイラル熱交換器に適用されてもよい。

４つのポートホール８は、図示される実施形態においては、略矩形状の熱交換プレートＡ、Ｂのそれぞれのコーナー付近に設けられる。他のポジションを利用することもでき、そのため本発明は図示されかつ上述されたポジションに制限されるべきではないことを理解されたい。

本発明はまた、各対のプレートがカセットを形成するよう相互に取り外し不可能に連結された熱交換プレートを備えるプレート熱交換器（図示せず）にも適用できる。そうした解決法においては、ガスケットが個々のカセットの間に配置される。また、そうした実施形態では、個々のカセットを形成する熱交換プレートは、溶着によって取り外し不可能に連結されてもよい。本発明はまた、熱交換プレートと上端プレートと下端プレートとを貫通する締め付けボルトによってプレートパッケージが互いに保持されるプレート熱交換器（図示せず）に適用できる。そうしたプレート熱交換器においては、熱交換プレート同士の間にガスケットが使用される。

本発明は、本明細書で説明された実施形態に制限されるものではなく、その一部が上述される特許請求の範囲の記載の範囲内で変更され得るものである。

１ プレート熱交換器
２ 熱交換プレートのスタック
３ 第１のプレート間隙
４ 第２のプレート間隙
５ コンパートメント
６ 上端プレート
７ 下端プレート
８ ポートホール
９、１０、１１、１２ チャネル
１３ 外周側壁
１４ フランジ
１５ 外側周縁部
１６ 基本平面
１９ 流入チャネル
２０、２３ 貫通孔
２１ 表面パターン
２２ 連結部
２４ 仕切り壁
３０ ツール
３１ 自由端
３２ 基材
３３ 下面
３４ 円周カラー
３５ 上面
３６ スリーブ
３７ ねじ切り部
３９ 開口
４０ 自由縁部
４１ 長手方向包囲表面
４１ 包囲表面
５０ マニホールド
５１ 第１のコンパートメント
５２ 第２のコンパートメント

Claims (16)

1. プレートパッケージ（Ｐ）を含むプレート熱交換器（１）であって、
   前記プレートパッケージ（Ｐ）は、少なくとも２つの構造の複数の熱交換プレート（Ａ、Ｂ）であって、互いに連結されるとともに、前記熱交換プレート（Ａ、Ｂ）間にプレート間隙（３、４）を形成する熱交換プレート（Ａ、Ｂ）のスタック（２）を形成するよう互いに交互に配置される、熱交換プレート（Ａ、Ｂ）を含み、
   前記プレート間隙（３、４）は、少なくとも２つの異なる流体を受容するよう構成されており、少なくとも１つの貫通孔（２０）が、前記プレートパッケージ（Ｐ）の外面と前記プレートパッケージ（Ｐ）内部のコンパートメント（５）との間に延在するよう設けられており、前記コンパートメント（５）は、前記プレート間隙（３、４）のいずれかによって少なくとも部分的に形成されており、
   少なくとも１つの前記貫通孔（２０）が、サーマルドリル加工によって形成されることを特徴とするプレート熱交換器。
2. 前記コンパートメント（５）は、共通チャネル（９；１０；１１；１２）を介して互いに連通する複数のプレート間隙（３、４）を備えており、少なくとも１つの前記貫通孔（２０）は、共通チャネル（９；１０；１１；１２）を規定する壁部分に設けられることを特徴とする請求項１に記載のプレート熱交換器。
3. 少なくとも１つの前記貫通孔（２０）は、温度センサ、圧力センサおよび光学センサなどのセンサ、排出プラグなどのプラグまたは検査鏡ならびに導管のためのコネクタからなる群に含まれる構成要素を受容するよう構成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のプレート熱交換器。
4. 少なくとも１つの前記貫通孔（２０）の長手方向軸線（Ｌ）は、前記熱交換プレート（Ａ、Ｂ）の長手方向の表面の広がりからなる基本平面（１６）に略平行に延在するよう構成されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のプレート熱交換器。
5. 少なくとも１つの前記貫通孔（２０）は、前記プレートパッケージ（Ｐ）の外周側壁（１３）を規定する壁部分に配置されており、前記側壁は、前記熱交換プレート（Ａ、Ｂ）の長手方向の表面の広がりからなる基本平面（１６）に略直交するよう延在することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のプレート熱交換器。
6. 少なくとも１つの前記貫通孔（２０）は、１つ以上のプレート間隙（３、４）へのアクセスを提供する直径を有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のプレート熱交換器。
7. 少なくとも１つの前記貫通孔は、前記プレートパッケージ（Ｐ）の一部を形成する上端または下端プレート（６、７）に設けられることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のプレート熱交換器。
8. 前記プレートパッケージ（Ｐ）の前記熱交換プレート（Ａ、Ｂ）は、ろう付け、溶着、接着または接合によって取り外し不可能に連結されていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のプレート熱交換器。
9. 少なくとも１つの前記貫通孔（２０）は、前記貫通孔（２０）の長手方向軸線（Ｌ）と同軸の長手方向の広がりを有するスリーブ（３６）を規定する長手方向包囲表面（４１）を備えており、かつ、前記スリーブは、前記コンパートメント（５）の内部に面する自由縁部（４０）を有することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のプレート熱交換器。
10. 前記コンパートメント（５）の反対側に向けられた少なくとも１つの前記貫通孔（２０）の開口（３９）は、前記サーマルドリル加工中に形成される円周カラー（３４）を有することを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか一項に記載のプレート熱交換器。
11. 少なくとも１つの前記貫通孔（２０）は、ねじ切りされた部分（３７）を備えることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載のプレート熱交換器。
12. 少なくとも１つの前記貫通孔の開口内にまたはその周囲に配置されるブラケットをさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載のプレート熱交換器。
13. 前記プレートパッケージ（Ｐ）の前記スタック（２）は、複数の第１の熱交換プレート（Ａ）と複数の第２の熱交換プレート（Ｂ）とを含み、これら熱交換プレートは、各対の隣接する第１の熱交換プレート（Ａ）および第２の熱交換プレート（Ｂ）の間に第１のプレート間隙（３）が形成されるとともに各対の隣接する第２の熱交換プレート（Ｂ）および第１の熱交換プレート（Ａ）の間に第２のプレート間隙（４）が形成されるように、互いに連結されてかつ隣り合って配置されており、
    前記第１のプレート間隙（３）および前記第２のプレート間隙（４）は、少なくとも１つのプレートパッケージ（Ｐ）内で互いから切り離されておりかつ交互に隣り合って設けられることを特徴とする請求項１に記載のプレート熱交換器。
14. 前記共通チャネル（９；１０；１１；１２）は、サーマルドリル加工によって形成される複数の貫通孔（２０）を備えており、
    前記複数の貫通孔（２０）の少なくとも２つの貫通孔（２０）は、前記共通チャネル（９；１０；１１；１２）へ少なくとも２つの異なる流体のうちの第１の流体を供給するよう構成されることを特徴とする請求項２に記載のプレート熱交換器。
15. 前記少なくとも２つの異なる流体のうちの第１の流体は、前記少なくとも２つの貫通孔（２０）に接続されるマニホールド（５０）を介して前記共通チャネル（９；１０；１１；１２）へ供給されることを特徴とする請求項１４に記載のプレート熱交換器。
16. プレート熱交換器（１）に貫通孔（２０）を提供する方法であって、前記方法は、
    プレートパッケージ（Ｐ）を備えるプレート熱交換器（１）であって、前記プレートパッケージが、少なくとも２つの構造の複数の熱交換プレート（Ａ、Ｂ）であって、互いに連結されるとともに、前記熱交換プレート（Ａ、Ｂ）間にプレート間隙（３、４）を形成する熱交換プレートのスタック（２）を形成するよう互いに交互に配置される、複数の熱交換プレート（Ａ、Ｂ）を含み、前記プレート間隙（３、４）が少なくとも２つの異なる流体を受容するよう構成された、プレート熱交換器（１）を提供するステップと、
    前記プレートパッケージ（Ｐ）の外面と前記プレートパッケージ（Ｐ）内部のコンパートメント（５）との間に延在する少なくとも１つの貫通孔（２０）であって、前記コンパートメント（５）が前記プレート間隙（３、４）によって少なくとも部分的に形成される、少なくとも１つの貫通孔（２０）をサーマルドリル加工によって設けるステップと、
    を含むことを特徴とする方法。

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