JP5249264B2 - プレート式熱交換器 - Google Patents

Description

この発明は、電気給湯機や産業用機器などに利用されるプレート式熱交換器に関するものである。

複数枚の伝熱プレートを積層し、この伝熱プレート間に熱交換媒体と被熱交換媒体の流路を形成し、それぞれの媒体間で熱交換を可能にするプレート式熱交換器が知られている。この種のプレート式熱交換器は、伝熱プレート上に伝熱面積拡大を目的として形成された凸状波形または凹状波形の波板形状部を有するとともに、伝熱プレートの四隅に熱交換媒体および被熱交換媒体の出入り口となる開口部を備えている。上記の伝熱プレートは、一般にステンレスやチタン等の薄板等からなる材料をプレス成形によって板厚方向に絞り成形することにより製作される。そのため上記の凸状波形または凹状波形の波板形状や四隅の開口部を含む張り出し形状の斜面部分は、材料の板厚を伸ばしながら成形されるため平面部と比較して減肉する。このような伝熱プレートは積層された状態で、ろう付接合などによって互いに密着接合することで各熱交換媒体通路の水密を確保している。また伝熱面内に形成された凹状波形および凸状波形の波板形状は、その頂点同士がろう付接合の接点として機能するため、伝熱面内は全面にわたり千鳥状に接点を有する。対して四隅の開口部周辺は熱交換媒体の出入り口として機能するため、伝熱面内に比べて接合点数が少なく広い空間を有している。そのため開口部周辺は水平面部分のエッジ同士が接点となってろう付接合される。

しかしながら、ブレージング形式のプレート式熱交換器において、凸状波形または凹状波形に形成された伝熱面内は、ろう付接合などで凸状波形または凹状波形の頂点同士を接合している場合が多く、耐圧強度は四隅の開口部周辺の耐圧強度よりも比較的に高い。その反面、四隅の開口部周辺は熱交換媒体や被熱交換媒体を熱交換器内に導入するノズル等の部品を配置する都合から平面状に成形されている場合が多く流路面と比較して耐圧強度は低い。そのためプレート式熱交換器に内圧が印加された場合において、伝熱面と四隅の開口部周辺との境界部分に高い応力が発生し熱交換器が破裂する恐れがあるといえる。この問題を解決するため、例えば特許文献１には、プレート積層体の最外面を構成する伝熱プレートの表裏両面に厚板の補強板を付加することにより、耐圧能力の向上を図るプレート式熱交換器が開示されている。

実開平５−７９２７４号公報

しかしながら、電気温水器のように熱交換媒体が比較的低い圧力で利用される機器においては、接合点の多い伝熱面に補強板が必要ない場合がある。このような場合、特許文献１に記載されているような、伝熱面と四隅の開口部周辺を２枚の厚板の補強板で狭持した全面補強構造ではプレート式熱交換器を過剰に補強している場合があり、熱交換器全体の重量増加を招く恐れがあった。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、プレート式熱交換器の耐圧強度の向上を図ることが可能であり、しかも従来と比べて軽量かつ低コストなプレート式熱交換器の提供を目的とするものである。

本発明におけるプレート式熱交換器は、両端に設けられた平面部の間に波板形状部が形成され、四隅の平面部に第１乃至第４の開口部が設けられた最表面伝熱プレートと、両端に設けられた平面部の間に波板形状部が形成された端板との間に、第１乃至第４の開口部に対応する４個の開口部が四隅に設けられた伝熱プレートを複数枚積層してなるプレート積層体と、第１の開口部の周辺および平面部と波板形状部との境界を覆うように、かつ第２の開口部の周辺を避けて、最表面伝熱プレートに配置された第１の補強プレート（Ａ）と、第３の開口部周辺および平面部と波板形状部との境界を覆うように、かつ第４の開口部の周辺を避けて、最表面伝熱プレートに配置された第１の補強プレート（Ｂ）と、端板の平面部および該平面部と波板形状部との境界部を覆うように配置された第２の補強プレートとを備えたものである。第１の開口部と第３の開口部には、第２の開口部と第４の開口部よりも、高圧が印加される。

本発明は、上述のような構成により、プレート式熱交換器の長期使用において印加される繰返し圧力による微小変形を抑制でき、その結果、プレート式熱交換器の耐圧能力を向上させ、長期間に渡って使用することが可能となる。また、従来の全面補強構造と比較して材料使用量を大幅に削減することが可能であり、プレート式熱交換器の低コスト化が可能となる。

本発明の実施の形態におけるプレート式熱交換器を表側から見た斜視図である。 本発明の実施の形態におけるプレート式熱交換器を表側から見た平面図である。 図３のＡ−Ａ線における断面図である。 本発明の実施の形態におけるプレート式熱交換器を裏側から見た斜視図である。 図４のＢ−Ｂ線における断面図である。

図１は、本実施の形態におけるプレート式熱交換器を表側から見た斜視図である。図２は、上記プレート式熱交換器を表側から見た平面図であり、図３は図２中のＡ−Ａ線における断面図である。また、図４は、上記プレート式熱交換器を裏側から見た斜視図であり、図５は図４中のＢ−Ｂ線における断面図である。以下、図１〜図５を参照して、本実施の形態におけるプレート式熱交換器について説明する。

プレート式熱交換器１００は、温水給湯機や温水床暖房機器等の様々の機器に適用されるものであり、プレート積層体１、表面補強プレート（第１の補強プレート）２１および裏面補強プレート（第２の補強プレート）４１、４２を備えるものである。このプレート積層体１は、伝熱プレート１１を所定枚数間隔をおいて積層して形成したものであり、伝熱プレート１１間には、熱交換媒体流路５１と被熱交換媒体流路５２とが交互に形成されている。

伝熱プレート１１は、両端に設けられた平面部１２の間に、凸状波形１３および凹状波形１４からなる波板形状部１５が形成されており、四隅の平面部１２には開口部１６〜１９が設けられている。プレート積層体１の最表面を形成する伝熱プレート１１の開口部１６〜１９周辺には、図３に示すように、突起部５３が形成されている。また、図４に示すように、プレート積層体１の裏面を形成する伝熱プレートである端板１０には四隅に開口部が設けられていないが、両端に設けられた平面部の間に波板形状部が形成されている点は、伝熱プレート１１と同様の構成である。

熱交換媒体は、開口部１６から流入し、熱交換媒体流路５１を通過して、開口部１７から流出する。一方、被熱交換媒体は、開口部１８から流入し、被熱交換媒体流路５２を通過して、開口部１９から流出する。また、各伝熱プレート１１の間隙と周縁部にはろう材を固着することで水密を確保している。

そして、図１〜図３に示すように、プレート積層体１の表面を形成する伝熱プレート１１には、伝熱プレート１１よりも小型の表面補強プレート２１が、上記開口部１６、１７の周辺３１から伝熱面の波板形状の頂点の一部分３２にろう付等で一体接合されている。また、図３および図４に示すように、プレート積層体１の裏面を形成する端板１０には、端板１０よりも小型の裏面補強プレート４１、４２が開口部の背面周辺３４から裏面伝熱面の波板形状の頂点の一部分３３に亘ってろう付等で永久に一体接合されている。表面補強プレート２１、裏面補強プレート４１、４２の板厚は、伝熱プレート１１および端板１０よりも厚く形成されている。

ここで、表面補強プレート２１および裏面補強プレート４１は、図３に示すように、伝熱プレート１１または端板１０の開口部周辺の平面部３１、４１から、伝熱面の波板形状の２〜３波分に亘って、ろう付接合などにより伝熱プレート１１または端板１０と一体接合されている。図３に図示されていない裏面補強プレート４２についても、裏面補強プレート４１と同様に端板１０に接合されている。

なお、本実施の形態では、図１に示すように、表面補強プレート２１は、伝熱プレート１１の開口部１６〜１９のうち、高圧が印加される開口部１６、１７周辺のみを覆うように形成しているが、全ての開口部１６〜１９を覆うように表面補強プレートを配置してもよい。

次に、本実施の形態におけるプレート式熱交換器１００に熱交換媒体および被熱交換媒体が流通する場合の作用について説明する。

プレート式熱交換器１００に両媒体が流通すると、熱交換媒体および被熱交換媒体そのものに水源等からの静圧が印加された状態、あるいは循環ポンプ等の機器によって動圧が印加された状態が周期的に発生するため、熱交換媒体の流通時と不通時にプレート熱交内部に圧力変動が加わる。また熱交換媒体流路５１と被熱交換媒体流路５２の間には圧力差が発生する。これらの圧力変動または圧力差はプレート式熱交換器１００を構成する伝熱プレート１１に微小な繰返し変形を発生させる。

特に伝熱プレート１１の四隅の開口部１６〜１９とその周辺部分はろう付接点間隔が広く圧力荷重に対しで変形しやすい低い剛性の構造となっている。これに対して、熱交換が行われる凸状波形１３および凹状波形１４の波板形状部１５が成形された伝熱面は、上下伝熱プレート１１の凸状波形または凹状波形の波板形状の頂点同士が接点となってろう付接合され、波板形状１波分の短いろう付接点間隔となるため、圧力荷重に対して変形しにくい高い剛性の構造となっている。この圧力変形に対して変形しやすい開口部周辺と変形しにくい伝熱面との境界部分３５は、他の部位と比較して非常に高い応力が伝熱プレート１１に発生するため、耐圧能力が低く繰返し変形によって破裂しやすい。

上記のように、伝熱面と開口部周辺で剛性が異なる境界部分３５を有する伝熱プレート１１に対して、上記のように厚板の表面補強プレート２１および裏面補強プレート４１、４２をろう付などの方法で伝熱プレートに一体接合することで境界部分３５の剛性が向上し変形および破裂を抑制し耐圧能力を向上させることが可能となる。

以上のようにプレート式熱交換器１００を構成すると、熱交換媒体流路５１に高圧がかかった場合でも、伝熱プレート開口部周辺と境界部分３５の破裂または変形が抑制される。しかも補強プレートの貼られていない凸状波形または凹状波形の波板形状を有する伝熱面は、伝熱プレートとろう付接点が十分に耐圧強度を保っているため、高圧が印加される場合でも板厚を厚くする必要がないので、比較的に伝熱プレート１１の板厚を薄くすることができ、その結果、プレート式熱交換器全体を軽量に製作することが可能となる。

また、開口部周辺を覆う表面補強板２１の形状を、伝熱プレート１１の開口部から立ち上がる突起形状５３に嵌合するような形状に成形することで、表面補強板２１と伝熱プレート１１の一体接合を行う際に、スポット溶接やカシメなどの仮止め工程を必要とせずに、伝熱プレート１１上に配置するだけで表面補強板２１の位置決めが可能となり、補強板の取付け工程を簡素化することができる。

なお、上述した実施の形態、構成要素の形容等はあくまで例示であって、これらの記載に本願発明の技術的範囲が限定されるものではないことは言うまでもない。

１ プレート積層体、 １０ 端板、 １１ 伝熱プレート、 １２ 平面部、 １３ 凸条波形、 １４ 凹条波形、 １５ 波板形状部、 １６〜１９ 開口部、 ２１ 表面補強プレート、 ３１〜３３ ろう付接点、 ３４ 裏面補強板のろう付面、 ３５ 境界部、 ４１,４２ 裏板補強板、 ５１ 熱交間媒体流路、 ５２ 被熱交換媒体流路、 ５３ 突起部。

Claims (4)

1. 両端に設けられた平面部の間に波板形状部が形成され、四隅の前記平面部に第１乃至第４の開口部が設けられた最表面伝熱プレートと、両端に設けられた平面部の間に波板形状部が形成された端板との間に、前記第１乃至第４の開口部に対応する４個の開口部が四隅に設けられている伝熱プレートを複数枚積層してなるプレート積層体と、
   前記第１の開口部の周辺および前記平面部と前記波板形状部との境界を覆うように、かつ前記第２の開口部の周辺を避けて、前記最表面伝熱プレートに配置された第１の補強プレート（Ａ）と、
   前記第３の開口部の周辺および前記平面部と前記波板形状部との境界を覆うように、かつ前記第４の開口部の周辺を避けて、前記最表面伝熱プレートに配置された第１の補強プレート（Ｂ）と、
   前記端板の平面部および該平面部と前記波板形状部との境界部を覆うように配置された第２の補強プレートとを備え、
   前記第１の開口部と前記第３の開口部には、前記第２の開口部と前記第４の開口部よりも、高圧が印加されるプレート式熱交換器。
2. 前記第１の補強プレート（Ａ）は、前記第１の開口部から立ち上がる突起部と嵌合するように設けられ、前記第１の補強プレート（Ｂ）は、前記第３の開口部から立ち上がる突起部と嵌合するように設けられてい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の補強プレート（Ａ，Ｂ）および前記第２の補強プレートは、前記最表面伝熱プレートおよび前記端板よりも板厚が厚いことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のプレート式熱交換器。
4. 前記第１の補強プレート（Ａ，Ｂ）および前記第２の補強プレートは、前記最表面伝熱プレートおよび前記端板とそれぞれろう付けによって接合されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のプレート式熱交換器。

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