JP5419719B2 - プレート式熱交換器及びヒートポンプ装置 - Google Patents

Description

本発明は、プレート式熱交換器に関するものである。

従来のプレート式熱交換器として、伝熱プレートの波の傾斜角度を部分的に変化させたもの（例えば、特許文献１）が知られている。

特開平８−９４２７６号公報

従来、プレート式熱交換器は、伝熱プレート面に多数の凹部と凸部とが交互に並んだ波形部が形成され、伝熱プレートの長手方向中心線と波形部との成す角度θによって、伝熱性能と圧力損失特性とが変化する。伝熱プレートの長手方向中心線と波形部との成す角度θが大きくなると、積層された伝熱プレート間を流れる流体の攪拌が加速されるとともに、上下プレートの接合点数が増加し、伝熱プレート間の流路面積が減少して流速が増加する。このため、伝熱性能が向上する。

しかし、同時に圧力損失が増加し、必要な流体の流量を確保できなくなるという課題がある。この点に関し、特許文献１では、圧力損失の低減のため、伝熱プレートの主伝熱面における長手方向中心線と波形部との成す角度を３０°以下（特許文献１ではプレート短辺方向基準の角度θ_１を６０°以上、つまり長手方向中心線を基準とすれば３０°以下）にしている。しかし、角度３０°以下の場合では、伝熱プレート面での流体攪拌効果が小さく、伝熱性能が小さくなるため、必要な熱交換能力を確保するためには、伝熱プレートの枚数を増加する必要がある。このため、プレート式熱交換器の重量増加や、使用材料増加によるコスト増加という課題がある。

本発明は、プレート式熱交換器の熱伝達向上のために波角度θを大きくしても、流体の圧力損失増加を抑制できるプレート式熱交換器の提供を目的とする。

この発明のプレート式熱交換器は、
複数枚の第１の伝熱プレートと複数枚の第２の伝熱プレートとが交互に積層され、
積層された伝熱プレートどうしの間には、
第１流体と第２流体とが前記伝熱プレートを介して熱交換するように、前記第１流体が流れる第１流路と前記第２流体が流れる第２流路とが積層方向に交互に形成され、
前記複数の伝熱プレートのそれぞれの伝熱プレートには、
凹部と凸部とが交互に並んだ波形状の波形部が形成され、
前記第１の伝熱プレートの前記凸部と、前記第１の伝熱プレートに対向する方向に盛り上がる前記第２の伝熱プレートの前記凸部とは、
互いに交差して当接し、
前記第２の伝熱プレートと当接する前記第１の伝熱プレートの前記凸部の当接部には、
前記第２の伝熱プレートに対向する方向に突起して前記第２の伝熱プレートの前記凸部と当接する突起部が形成されていることを特徴とする。

本発明により、長手方向中心線と波形部との成す角度θを大きくとることで熱交換率が良く、かつ、前記角度θが大きくとも流体の圧力損失増加を抑制できるプレート式熱交換器を提供できる。

実施の形態１の、プレート式熱交換器１００を示す図。 一般的なプレート式熱交換器における、上下プレートの接合面の概略図。 一般的なプレート式熱交換器における、波角度θと、上下プレートの接合部で形成されるフィレット長さとの関係を示す図。 一般的なプレート式熱交換器における、波角度θと、熱通過率、圧力損失との関係を示す図。 実施の形態１における、プレート式熱交換器１００の上下プレートの接合面の概略図。 実施の形態２における、プレート式熱交換器１００の上下プレートの接合面の概略図。

実施の形態１．
以下、図１〜図５を参照して、実施の形態１のプレート式熱交換器１００を説明する。実施の形態１のプレート式熱交換器１００の特徴は、後述の図５に示すように、相手の伝熱プレートの波形部１１ａと当接する波形部１２ａの頂点に突起部１３を設けた点である。この突起部１３を設けることによって波角度θを大きくしても接点の面積が拡大することがないので、接合部のロウ付けフィレットの長さ増加を抑制できる。よって、波角度θを大きくとった場合でも圧力損失を低減できるので、伝熱特性の向上と圧力損失の低減とを両立できる。

図１は、実施の形態１におけるプレート式熱交換器１００を示す図である。
（１）図１（ａ）は、プレート式熱交換器１００の側面図である。
（２）図１（ｂ）は、正面図（図１（ａ）のＸ矢視）である。図１（ａ）の矢印Ｘ方向がプレートの積層方向である。図１（ｂ）の補強用サイドプレート１は最も外側に位置し、流体出入口管を備えている。補強用サイドプレート１は、第１流体の流入管５、第１流体の流出管６、第２流体の流入管７、第２流体の流出管８を備えている。
（３）図１（ｃ）は、第１流体と第２流体との流路を構成する一方の伝熱プレート２（第１の伝熱プレート）を示す。
（４）図１（ｄ）は、波形状が伝熱プレート２と対向した形で置かれ、第１流体と第２流体の流路を構成するもう一方の伝熱プレート３（第２の伝熱プレート）を示す。伝熱プレート２と伝熱プレート３とを交互に並べることにより、第１流体と第２流体との流路が交互に繰り返し形成される。また、図１（ｄ）に示す角度θは、波角度を示す。以下、「波角度θ」という。波角度θは、図１（ｄ）に示すように、伝熱プレートの長手方向中心線２０と、伝熱プレートの波形部（波の進行方向）との成す角度である。プレート式熱交換器の波角度θは、一般的に「θ≒６６°」程度であり、接合点９は図１（ｆ）のように存在する。
（５）図１（ｅ）は、最も外側に位置する補強用サイドプレート４を示す。
（６）図１（ｆ）は、伝熱プレート２と伝熱プレート３を重ね合わせた状態を示した図である。図１（ｆ）は両者を重ねた状態における波形状の交差状態を示す図である。なお、図１（ｆ）では、上下プレートの接合点９を示している。

（プレート式熱交換器１００の構成）
図１に示したように、プレート式熱交換器１００では、複数枚の伝熱プレート２（第１の伝熱プレート）と複数枚の伝熱プレート３（第２の伝熱プレート）とが交互に積層されている。そして、積層された伝熱プレートどうしの間には、第１流体と第２流体とが伝熱プレートを介して熱交換するように、第１流体が流れる第１流路と第２流体が流れる第２流路とが積層方向に交互に形成されている。複数の伝熱プレート２、伝熱プレート３のそれぞれには、凹部と凸部とが交互に並んだ波形状の波形部が形成されている。後述の図２のように、伝熱プレート２の凸部３２と、伝熱プレート２に対向する方向に盛り上がる伝熱プレート３の凸部３１とは、互いに交差して交差部６０（当接部でもある）で当接する。そして、後述の図５のように、伝熱プレート３と当接する伝熱プレート２の凸部３２ａの当接部には、伝熱プレート３に対向する方向に突起して伝熱プレート３の凸部３１ａと交差部６０で当接する突起部１３が形成されている。

（凸部と凹部について）
後述の図２（ｂ）に示すように、伝熱プレートは凹部と凸部とが交互に並んだ波形状の波形部１１、１２が形成されているが、流路を形成する２枚の伝熱プレートについては、相手側のプレートに向かって盛り上がっている部分を凸部と呼び、相手側のプレートから離れる向きにへこむ部分を凹部と呼ぶこととする。

（ロウ付けフィレットの形成）
図２は、図１の上下プレート（上プレートと下プレート）の接合面におけるフィレットを示す概略図である。以下では、伝熱プレート２を下プレートとし、伝熱プレート３を上プレートとする。なお、これは一例であり、伝熱プレート２を上プレートとし、伝熱プレート３を下プレートとしても同じである。

図２（ａ）は、上下の伝熱プレートを重ね合わせた状態を示した平面図である。
図２（ａ）では、上下プレートの接点でのロウ付けフィレット１０（１６か所）を示している。
図２（ｂ）は、図２（ａ）における上下プレートに形成された波形状の接合部を一部を拡大した斜視図である。図２（ｂ）では、上プレートである伝熱プレート３を形成する波形部１１の一部、及び下プレートである伝熱プレート２を形成する波形部１２の一部を示している。

（波角度θとフィレット長さとの関係）
図３は、図１（ｄ）で示した波角度θを変えたときの、波の接合部（交差部６０）に形成されるフィレットの長さを観察した観察結果である。
図３（ａ）は、波角度θ（横軸）と、一つのフィレットにおけるロウ材長さ（縦軸）との関係を示す図である。
また図３（ｂ）は、図３（ａ）における「一つのフィレットにおけるロウ材長さ」の図示である。図３（ａ）によれば、波角度θが大きくなるほどフィレットが形成される接合部の長さが増加する傾向となることがわかる。これは、波角度θが大きくなるほど、上下プレート同士で波の重なる面積が増加するためである。

図４は、波角度θに対するプレート式熱交換器の熱通過率と圧力損失との関係を実験的に求めたグラフである。横軸は波角度θ、縦軸は熱通過率（左縦軸）及び圧力損失（右縦軸）である。波角度θが増加するにつれて熱通過率は波角度θの増加に伴いθ＝７０〜８０°で最大となる。また圧力損失は、波角度θの増加に伴い増加する。このような特性により、一般的に従来のプレート式熱交換器では、圧力損失増加を原因とする、流量低下や流体を搬送するポンプの入力増加等のため、波角度θを、「θ＝６０〜７０°」付近で用いているものが多かった。このため、図４からわかるように、十分な伝熱性能を引き出せていなかった。そこで、本実施の形態１のプレート式熱交換器１００では、図５に示す突起部１３を設けることで、圧力損失増加を抑制しつつ、伝熱特性の向上が可能である。

（突起部１３）
図５は、実施の形態１におけるプレート式熱交換器１００の接合面の概略図である。図５は上述した図２に対応する。
図５は、プレート式熱交換器１００における上下プレートの接合面の概略図である。
図５（ａ）は、上下の伝熱プレートを重ね合わせた状態を示している。図５（ａ）では、ロウ付けフィレット部１０ａを８か所示している。
図５（ｂ）は、上下プレートの接合点でのロウ付けフィレット部分を示す斜視図である。
図５（ａ）、（ｂ）に示すように、プレート式熱交換器１００では、上プレート（伝熱プレート３）を形成する波形部１１ａと、下プレート（伝熱プレート２）を形成する波形部１２ａとの接点（交差部６０）において、下プレートを形成する波形部１２ａの頂点に突起部１３を設けている。このように、接合部に突起部１３を設けることにより、波角度θを、熱通過率がピークとなる「θ＝７０〜８０°」程度に大きくしても接点（上プレートと下プレートとの接触部分）の面積は変化することがない。したがって、接合部（交差部６０）のロウ付けフィレット１０ａの長さの増大を抑制できる。これにより、圧力損失増加による流量低下や流体を搬送するポンプの入力増加を防止しつつ、伝熱特性については波角度θを７０〜８０°にすることによる流れの攪拌効果により熱通過率を最大とすることができるので、従来の課題を解決できる。

したがって、所定の熱交換能力（要求される熱交換能力）を、少ない伝熱プレート枚数で確保することが可能となり、プレート式熱交換器の軽量化や、使用材料低減により安価なプレート熱交換器の提供が可能となる。なお、ロウ付け時にロウ材である銅の表面張力によりフィレットが形成されるのに必要なプレート間隙間は５０μｍ程度が限界である。突起部１３の高さを５０μｍ以下とすることで突起部１３の周辺部にもフィレットが形成されるので、接合部の強度を確保できる。あるいは強度確保の点から突起部先端における曲率を５０μｍ以上に確保してもよい。

実施の形態２．
次に図６を参照して実施の形態２を説明する。図６は、実施の形態２のプレート式熱交換器１００の構成を示す図である。実施の形態２のプレート式熱交換器１００の部品構成は実施の形態１のプレート式熱交換器１００と同じである。図６は図５（ｂ）に対応する斜視図である。図６を参照して実施の形態２のプレート式熱交換器１００の接合面を説明する。

実施の形態１との相違は、伝熱プレート２の凸部３２ｂと、伝熱プレート３の凸部３１ｂとのうち少なくとも一方は、当接する当接部を頂上として、高さが凸部長さ方向に変化する点である。図６では伝熱プレート２の凸部３２ｂの頂上の高さが変化する場合を示した。図６のように、凸部３２ｂの稜線に相当する山の高さは、凸部長さ方向（Ｙ方向）に向かうに従って変化している。実施の形態２のプレート式熱交換器１００は実施の形態１のように突起部１３が形成されてもよいし、あるいは突起部１３が形成されず、稜線の高さ変化のみが施されても構わない。

具体的には、図６に示すように、下プレート（伝熱プレート２）を形成する波形部１２ｂは波頂部（頂上）の稜線が、範囲７０に示すように、波状に高さが変化しており、稜線の最も高い頂点と上プレート（伝熱プレート３）の波形部１１ｂとの接点部にロウ付けフィレット１０ｂが形成されることとなる。すなわち、凸部３２ｂの稜線の高さは、凸部３２ｂの長さ方向Ｙにおいて隣り合う接合部どうしの間隔が半波長となるような波状である。このように、下プレートを形成する波形部１２ｂの凸部３２ｂについて、波の頂部の稜線が凸部３２ｂの長さ方向（Ｙ方向）に波状に高さを変化させている。このため、波の角度θを７０〜８０°程度に大きくしても、接点（上プレートと下プレートとの接触部分）の面積の増加が小さく、接合部のロウ付けフィレット（１０ｂ）の長さの増加を抑制することができる。なお、伝熱プレート３にも同様の波状の加工を施してもよい。

これにより、従来の課題であった圧力損失増加による流量低下や流体を搬送するポンプの入力が増加を防止しつつ、伝熱特性については、波角度θを７０〜８０°範囲にすることによる流れの攪拌効果により熱通過率を最大とすることができので、従来の課題を解決できる。したがって、所定の熱交換能力を少ない伝熱プレート枚数で確保することが可能となり、プレート式熱交換器の軽量化や、使用材料低減により安価なプレート熱交換器の提供が可能となる。

以上の実施の形態１〜２に説明したプレート式熱交換器１００は、空調、発電、食品の加熱殺菌処理機器等、プレート式熱交換器を搭載した多くの産業、家庭用機器に利用可能である。例えば、圧縮機と、放熱器と、膨張機構と、蒸発器とが配管で接続されたヒートポンプ装置の前記放熱器、あるいは蒸発器、あるいはいずれにも利用することが可能である。

１ 補強用サイドプレート、２ 伝熱プレート、３ 伝熱プレート、４ 補強用サイドプレート、５ 第１流体の流入管、６ 第１流体の流出管、７ 第２流体の流入管、８ 第２流体の流出管、９ 上下プレートの接合点、１０，１０ａ，１０ｂ ロウ付けフィレット、１１，１１ａ，１１ｂ 上プレートの波形部、１２，１２ａ，１２ｂ 下プレートの波形部、１３ 突起部、２０ 長手方向中心線、２１ ロウ材長さＬ、３１，３１ａ 上プレートの凸部、３２，３２ａ 下プレートの凸部、４１，４１ａ 上プレートの凹部、４２，４２ａ 下プレートの凹部、６０ 交差部、１００ プレート式熱交換器。

Claims (6)

1. 複数枚の第１の伝熱プレートと複数枚の第２の伝熱プレートとが交互に積層され、
   積層された伝熱プレートどうしの間には、
   第１流体と第２流体とが前記伝熱プレートを介して熱交換するように、前記第１流体が流れる第１流路と前記第２流体が流れる第２流路とが積層方向に交互に形成され、
   前記複数の伝熱プレートのそれぞれの伝熱プレートには、
   凹部と凸部とが交互に並んだ波形状の波形部が形成され、
   前記第１の伝熱プレートの前記凸部と、前記第１の伝熱プレートに対向する方向に盛り上がる前記第２の伝熱プレートの前記凸部とは、
   互いに交差して当接し、
   前記第２の伝熱プレートと当接する前記第１の伝熱プレートの前記凸部の当接部には、
   前記第２の伝熱プレートに対向する方向に突起して前記第２の伝熱プレートの前記凸部と当接する突起部が形成されていると共に、
   前記第１の伝熱プレートの前記凸部と、前記第２の伝熱プレートの前記凸部とのうち少なくとも一方は、
   当接する当接部を高さの頂上として、高さが凸部長さ方向に向かうに従って変化することを特徴とするプレート式熱交換器。
2. 前記突起部の高さは、
   ５０μｍ以下であ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. 複数枚の第１の伝熱プレートと複数枚の第２の伝熱プレートとが交互に積層され、
   積層された伝熱プレートどうしの間には、
   第１流体と第２流体とが前記伝熱プレートを介して熱交換するように、前記第１流体が流れる第１流路と前記第２流体が流れる第２流路とが積層方向に交互に形成され、
   前記複数の伝熱プレートのそれぞれの伝熱プレートには、
   凹部と凸部とが交互に並んだ波形状の波形部が形成され、
   前記第１の伝熱プレートの前記凸部と、前記第１の伝熱プレートに対向する方向に盛り上がる前記第２の伝熱プレートの前記凸部とは、
   互いに交差して当接し、
   前記第２の伝熱プレートと当接する前記第１の伝熱プレートの前記凸部の当接部には、
   前記第２の伝熱プレートに対向する方向に突起して前記第２の伝熱プレートの前記凸部と当接する突起部が形成されていると共に、
   前記第１の伝熱プレートの前記凸部と、前記第２の伝熱プレートの前記凸部とのうち少なくとも一方は、
   当接する当接部を頂上として、高さが凸部長さ方向に、波状に、変化することを特徴とするプレート式熱交換器。
4. 積層された伝熱プレートどうしの間には、
   第１流体と第２流体とが前記伝熱プレートを介して熱交換するように、前記第１流体が流れる第１流路と前記第２流体が流れる第２流路とが積層方向に交互に形成され、
   前記複数の伝熱プレートのそれぞれの伝熱プレートには、
   凹部と凸部とが交互に並んだ波形状の波形部が形成され、
   前記第１の伝熱プレートの前記凸部と、前記第１の伝熱プレートに対向する方向に盛り上がる前記第２の伝熱プレートの前記凸部とは、
   互いに交差して当接し、
   前記第１の伝熱プレートの前記凸部と、前記第２の伝熱プレートの前記凸部とのうち少なくとも一方は、
   当接する当接部を高さの頂上として、高さが凸部長さ方向に向かうに従って波状に変化することを特徴とするプレート式熱交換器。
5. 前記第１の伝熱プレートの波形部と、前記第２の伝熱プレートの波形部とは、
   前記伝熱プレートの長手方向中心線と成す角度θが、７０°≦θ≦８０°の範囲にあることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のプレート式熱交換器。
6. 圧縮機と、第１の熱交換器と、膨張機構と、第２の熱交換器とが配管で接続されたヒートポンプ装置において、
   前記第１の熱交換器、前記第２の熱交換器の少なくともいずれかとして、
   請求項１または請求項３または請求項４のいずれかに記載のプレート式熱交換器を備えたことを特徴とするヒートポンプ装置。

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