JP4827909B2 - プレート式熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、流体からなる熱媒体と流体からなる被熱媒体との間で熱交換を行う熱交換器、特に複数枚の伝熱プレートが積層され、各伝熱プレートを境にして、熱媒体を流通させる第一空間と被熱媒体が流通する第二空間を交互に形成したプレート式熱交換器に関する。

この種のプレート式熱交換器、すなわち複数枚の伝熱プレートを積層して、第一流路と第二流路を形成するプレート式熱交換器は、熱交換効率が高く、流体相互の熱交換を行う目的で広く利用されている。

特に、空調分野では、伝熱プレートにその中心線との間に角度をもつ凸条または凹条の波形状を成形して、互いの波形状の角度による向きが逆向きとなるように交互に積層し、互いの波形状が交差して当接する部分をロウ付けにより恒久的に接合したプレート式熱交換器が広く用いられている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−３２６０７４号公報（図６）

しかしながら、積層される波形状の伝熱プレート相互がロウ付けにより恒久的に接合されるものにあっては、波形状が交差して当接する本来の接合部の周りに、波形状の稜線に沿って滞留したロウ材が固まってできるフィレットと呼ばれる歓迎されない接合部が生じ、このフィレットにより、流路が閉塞される。このため、第一空間と第二空間を流れる熱媒体および被熱媒体の実際の流路幅がフィレットの生成幅だけ狭くなる。

そして、熱媒体および被熱媒体は、フィレットを避けるように流れるため、局所的に流れが集中し、局所的に流速が上昇する。その結果、圧力の損失が増大する。

また、伝熱プレートに成形された凸条または凹条の波形状の角度が大きく（７０°〜８０°）なると、互いの波形状が交差して当接する本来の接合部の接触距離が長くなるため、その周りのフィレットの幅も広くなり、熱媒体および被熱媒体が流通する実際の流路幅が一層縮小し、局所的な流速の増大に繋がり、圧力損失が一層増大する。

更に、フィレットの面積の増大から伝熱面積が縮小し、またフィレットの後流部では熱媒体および被熱媒体の淀みが生じやすくなって伝熱面積を有効に利用できず、プレート式熱交換器の熱交換性能が低下する。

ところで、伝熱プレートの各フィレット間の波形状を平坦にすることで、熱媒体および被熱媒体が流通する流路面積を広くすることも考えられるが、この場合には伝熱面積が縮小し、プレート式熱交換器の熱交換性能を低下させるという新たな問題が発生する。
すなわち、接合部は、その存在によって流路幅が狭まり圧力損失の増大や伝熱面の縮小が起こる反面、隣接する伝熱プレート相互をつなぐ補強部分でもあり、内部流体の流れを乱して伝熱を促進する役割も果たしている。つまり、接合部が全く存在しないと強度不足、流れの攪拌効果の減少が起こる。

いずれにせよ、これまでは歓迎されない接合部であるフィレットの幅の増大による圧力損失の増加や熱交換性能の低下に対する問題解決法の提案はされていないのが実情である。

本発明の技術的課題は、熱交換性能の低下を抑えつつ、圧力損失の低減を可能ならしめるようにすることにある。

本発明に係るプレート式熱交換器は、下記の構成からなるものである。すなわち、プレートの両端部に開口部を有し、これら開口部が複数組並列に設置されて第一開口部と第二開口部に形成されるとともに、プレートの中心線から両側端にかけてこの中心線に対し所定の角度を有する凸条または凹条の波形状が横切るように成形された複数枚の伝熱プレートを備え、これら伝熱プレートが、互いの波形状の前記角度による向きが逆向きとなるように交互に積層されて、積層方向から見て互いの波形状が交差して当接する部分が互いにロウ付けにより接合され、また各伝熱プレート外周縁部においてもロウ付けにより接合されることで、流体からなる熱媒体が流通する第一空間と被熱媒体が流通する第二空間とが各伝熱プレートを境に画成され、さらに積層された伝熱プレートの第一開口部の縁部が一つおきに接合されることで、それらの間に第一開口部を介して第一空間と連通し熱媒体が流通する第一流路が形成され、また積層された伝熱プレートの第二開口部の縁部が、第一開口部の縁部の接合部とは積層方向で異なるように一つおきに接合されることで、それらの間に第二開口部を介して第二空間と連通し被熱媒体が流通する第二流路が形成され、これら第一流路と第二流路とで伝熱プレートを通して熱交換を行うプレート式熱交換器であって、積層方向で隣り合う伝熱プレートの少なくとも一方における波形状が交差して当接する接合部の中心から波形状の稜線に沿った両側に所定間隔を置いて、該接合部の当接面より凹陥する凹陥部を設けて、該凹陥部にロウ材を溜めてフィレットの発生を抑制するものである。

本発明のプレート式熱交換器によれば、積層方向で隣り合う伝熱プレートの少なくとも一方における波形状が交差して当接する接合部の中心から波形状の稜線に沿った両側に所定間隔を置いて、該接合部の当接面より凹陥する凹陥部を設けて、該凹陥部にロウ材を溜めてフィレットの発生を抑制するので、ロウ材が凹陥部に流れ込んで溜まり、フィレットの発生が抑制され、従来に比しフィレットの幅が縮小し、全流路幅に占めるフィレットの面積が減少する。このため、フィレット以外の流路に集中していた熱媒体および被熱媒体が分散、局所的な流速が減少し、圧力損失を低減させることができる。また、全流路幅に占めるフィレットの面積の減少により、伝熱面積の縮小を最小限に抑えることができ、熱交換性能の低下を抑えることができる。更に、フィレットの後流部で熱媒体および被熱媒体の淀みを生じにくくすることができ、伝熱面積を有効に利用することができる。つまり、熱交換性能の低下を抑えながら、圧力損失を低減することができ、省エネ効果が得られる。

実施形態１．
以下、図示実施形態により本発明を説明する。
図１は本発明の実施形態１に係るプレート式熱交換器を構成する伝熱プレートの波形状の接合部を示す斜視図、図２はその伝熱プレートの全体構成を示す平面図、図３はその積層された伝熱プレートをその接合部が分かるように積層方向より透過的に示す模式図、図４はその熱媒体および被熱媒体の出入口周辺を示す縦断面図である。

本実施形態のプレート式熱交換器は、図４のように複数枚の伝熱プレート１００が積層され、各伝熱プレート１００を境にして、熱媒体を流通させる第一空間１２と被熱媒体を流通させる第二空間１３が交互に形成されている。

これを更に詳述すると、伝熱プレート１００は、図１乃至図３のように両端部に開口部を有し、これら開口部が複数組並列に設置されて第一開口部１ａ，１ｂと第二開口部２ａ，２ｂに形成されるとともに、その中心線５０から両側端にかけてこの中心線５０との角度θが７０°〜８０°に設定された凸条７ａ又は凹条７ｂの波形状が横切るように成形されている。つまり、凸条７ａ又は凹条７ｂの波形状は、中心線５０上に屈曲部分が位置するようにくの字状に形成されており、中心線５０を境に両側の領域が鏡像関係となるように形成されている。そして、これら伝熱プレート１００が、互いの波形状の前記角度θによる向きが逆向きとなるように、面内での向きを交互に１８０°異ならせて積層され、積層方向から見て互いの波形状が交差して当接する部分がロウ付けによる本来の接合部８０となって互いに接合され、また各伝熱プレート外周縁部５においてもロウ付けにより接合されることで、流体からなる熱媒体が流通する第一空間１２と被熱媒体が流通する第二空間１３とが各伝熱プレート１００を境に画成されるようになっている。

また、図４のように積層された伝熱プレート１００の第一開口部１ａ，１ｂの縁部３ａ，３ｂが一つおきに接合されることで、それらの間に第一開口部１ａ，１ｂを介して第一空間１２と連通し、熱媒体が流通する第一流路が形成されるようになっている。すなわち、第一開口部１ａ，１ｂは第一流路のヘッダ１１Ａとして機能する。

また、積層された伝熱プレート１００の第二開口部２ａ，２ｂの縁部４ａ，４ｂが、前記第一開口部１ａ，１ｂの縁部３ａ，３ｂの接合部とは積層方向で異なるように一つおきに接合されることで、それらの間に第二開口部２ａ，２ｂを介して第二空間１３と連通し被熱媒体が流通する第二流路が形成されるようになっている。すなわち、第二開口部２ａ，２ｂは第二流路のヘッダ１１Ｂとして機能する。なお、図４では説明の都合上、ヘッダ１１Ａ，１１Ｂがいずれも第一空間１２に連なる第一流路に連通しているかのように示してあるが、実際には、奥行き方向（紙面直交方向）で位置の異なるヘッダ１１Ｂは第二空間１３に連なる第二流路とのみ連通していることは既述した通りである。

以上は、第一流路と第二流路とで伝熱プレート１００を通して熱交換を行うプレート式熱交換器の基本構成を示すものである。本実施形態では、さらに以下の構成を有している。すなわち、積層方向で隣り合う伝熱プレート１００の双方における波形状が交差して当接する部分に形成された接合部８０の中心８から０．５mm〜１．５mm間隔を置いた部分に、１．０mm〜３．０mmの幅で、接合部８０の当接面より０．２mm〜０．４mm凹陥する凹陥部１０を設けたものである。

波形状の稜線に沿って滞留したロウ材が固まってできる歓迎されない接合部であるフィレット９は、積層方向で隣接する伝熱プレート１００の波形状が交差して当接する本来の接合部８０の隙間の間隔が０．２mm以下となる場合に生じる。このため、本来の接合部８０の周りにフィレットを生じさせないためには、本来の接合部８０の周りの隣接伝熱プレート間の間隔を０．２mm以上に保つ必要がある。

本実施形態のプレート式熱交換器において、凹陥部１０の凹陥深さの下限値を０．２mmとしたのは、前述のように０．２mmよりも浅い凹陥部１０では、滞留したロウ材によって、積層方向で隣接する伝熱プレート１００相互が本来接合すべきでない部位で接合するフィレット９が発生するからである。また、凹陥部１０の凹陥深さの上限値を０．４mmとしたのは、製造上の限界からである。つまり、伝熱プレート１００の波形状はプレス成形されるが、波形状の凸条部に０．４mmよりも深い凹陥部１０を成形すると、伝熱プレート１００に割れが発生する可能性があるからである。

ところで、波形状の角度が７０°〜８０°では、凹陥部を設けない場合で、接合してしまうフィレットの生成幅は５〜７mmとなる。凹陥部１０の幅の上限値を３mmとしたのは、本来の接合部８０の幅が１mmの時、両サイドに３mmずつ凹陥部を設けないと、波角度が８０°の場合に両サイドに余分なフィレット９を生じてしまうからである。また、凹陥部１０の幅の下限値を１mmとしたのは、製造上の制約と、本来の接合部８０の幅が３mmの時、両サイドに１mmずつ凹陥部を設けないと、波角度が７０°の場合に両サイドに余分なフィレット９を生じてしまうからである。なお、本来の接合部８０の幅は、１mm程度あれば十分な強度（２０ＭＰa 程度）を得られることが本発明者等による実験の結果判明している。

このように本実施形態においては、接合部８０の中心８から０．５mm〜１．５mm間隔を置いた部分に、接合部８０の当接面より０．２mm〜０．４mm凹陥する凹陥部１０を設けているので、ロウ材が凹陥部１０に流れ込んで溜まり、フィレット９の発生が抑制される。このため、フィレット９が発生してもその幅が縮小し、全流路幅に占めるフィレット９の面積が減少して、フィレット９以外の流路に集中していた熱媒体および被熱媒体が分散され、局所的な流速が減少し、圧力損失を低減させることができる。

また、全流路幅に占めるフィレット９の面積の減少により、伝熱面積の縮小を最小限に抑えることができ、熱交換性能の低下を抑えることができる。

更に、フィレット９の面積の減少により、フィレット９の後流部で熱媒体および被熱媒体の淀みを生じにくくすることができ、伝熱面積を有効に利用することができる。つまり、熱交換性能の低下を抑えながら、圧力損失を低減することができ、省エネ効果が得られる。

ところで、フィレット９の生じる幅は、既述したように伝熱プレート１００の中心線５０に対する波形状の角度θに依存する。このため、フィレットの発生を抑制するには、凹陥部１０の幅を角度θ（７０°〜８０°）に応じて調整できるようにすればよい。

本実施形態においては、凹陥部１０の幅を、１．０mm〜３．０mmに設定して、角度θ（７０°〜８０°）に応じて調整するようにしているので、フィレット９の幅を自在に調節することができる。

実施形態２．
図５は本発明の実施形態２に係るプレート式熱交換器の積層された伝熱プレートをその接合部が分かるように積層方向より透過的に示す模式図であり、図中、前述の実施形態１のものに相当する部分には同一符号を付してある。なお、説明にあたっては前述の図１及び図４を参照するものとする。

本実施形態のプレート式熱交換器は、前述の実施形態１で説明した凹陥部１０を、積層方向で隣り合う伝熱プレート２００の一方にのみ設けたものである。すなわち、積層方向で隣り合う伝熱プレート２００の一方における波形状が交差して当接する本来の接合部８０の中心８から０．５mm〜１．５mm間隔を置いた部分に、接合部８０の当接面より０．２mm〜０．４mm凹陥する凹陥部１０を設けたものである。それ以外の構成は、全て前述の実施形態１と同一である。

本実施形態のプレート式熱交換器は、凹陥部１０を積層方向で隣り合う伝熱プレート２００の一方にのみ設けたものであるため、フィレット９の幅の縮小効果が前述の実施形態１のものより劣るものの、ほぼ同等の効果が得られる。このため、全流路幅に占めるフィレット９の面積が減少して、フィレット９以外の流路に集中していた熱媒体および被熱媒体が分散され、局所的な流速が減少し、圧力損失を低減させることができる。

また、全流路幅に占めるフィレット９の面積の減少により、前述の実施形態１のものと同様に伝熱面積の縮小を最小限に抑えることができ、熱交換性能の低下を抑えることができる。

更に、フィレット９の面積の減少により、前述の実施形態１のものと同様にフィレット９の後流部で熱媒体および被熱媒体の淀みを生じにくくすることができ、伝熱面積を有効に利用することができる。つまり、熱交換性能の低下を抑えながら、圧力損失を低減することができる。

本発明の実施の形態１に係るプレート式熱交換器を構成する伝熱プレートの波形状の接合部を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に係るプレート式熱交換器の伝熱プレートの全体構成を示す平面図である。 本発明の実施の形態１に係るプレート式熱交換器の積層された伝熱プレートをその接合部が分かるように積層方向より透過的に示す模式図である。 本発明の実施の形態１に係るプレート式熱交換器の熱媒体および被熱媒体の出入口周辺を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態２に係るプレート式熱交換器の積層された伝熱プレートをその接合部が分かるように積層方向より透過的に示す模式図である。

符号の説明

１ａ，１ｂ 第一開口部、２ａ，２ｂ 第二開口部、３ａ，３ｂ 第一開口部の縁部、４ａ，４ｂ 第二開口部の縁部、５ 外周縁部、７ａ 凸条、７ｂ 凹条、８ 接合部の中心、１０ 凹陥部、１２ 第一空間、１３ 第二空間、５０ 中心線、８０ 接合部、１００，２００ 伝熱プレート。

Claims (4)

1. プレートの両端部に開口部が形成され、これら開口部が複数組並列に設置されて第一開口部と第二開口部に形成されるとともに、プレートの中心線から両側端にかけて該中心線に対し所定の角度を有する凸条または凹条の波形状が横切るように成形された複数枚の伝熱プレートを備え、
   これら伝熱プレートが、互いの波形状の前記角度による向きが逆向きとなるように交互に積層されて、積層方向から見て互いの波形状が交差して当接する部分が互いにロウ付けにより接合され、また各伝熱プレート外周縁部においてもロウ付けにより接合されることで、流体からなる熱媒体が流通する第一空間と被熱媒体が流通する第二空間とが各伝熱プレートを境に画成され、
   さらに積層された伝熱プレートの前記第一開口部の縁部が一つおきに接合されることで、それらの間に該第一開口部を介して前記第一空間と連通し前記熱媒体が流通する第一流路が形成され、
   また積層された伝熱プレートの前記第二開口部の縁部が、前記第一開口部の縁部の接合部とは積層方向で異なるように一つおきに接合されることで、それらの間に該第二開口部を介して前記第二空間と連通し前記被熱媒体が流通する第二流路が形成され、
   これら第一流路と第二流路とで伝熱プレートを通して熱交換を行うプレート式熱交換器であって、
   前記積層方向で隣り合う伝熱プレートの少なくとも一方における前記波形状が交差して当接する接合部の中心から前記波形状の稜線に沿った両側に所定間隔を置いて、該接合部の当接面より凹陥する凹陥部を設けて、該凹陥部にロウ材を溜めてフィレットの発生を抑制することを特徴とするプレート式熱交換器。
2. 前記プレートの中心線に対する前記凸条または前記凹条の波形状の角度が７０°〜８０°に設定され、前記凹陥部は、前記接合部の中心から０．５mm〜１．５mm間隔を置いた部分に、前記接合部の当接面よりの凹陥深さが０．２mm〜０．４mmとなるように設定されてなることを特徴とする請求項１記載のプレート式熱交換器。
3. 前記凹陥部の幅を、１．０mm〜３．０mmに設定したことを特徴とする請求項２記載のプレート式熱交換器。
4. 前記凹陥部を、前記積層方向で隣り合う伝熱プレートの双方に形成したことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のプレート式熱交換器。

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