JP5595064B2 - プレート式熱交換器及びヒートポンプ装置 - Google Patents

Description

この発明は、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は、上下プレートのＶ字形波部の頂点を一致させたものがある（例えば、例えば、特許文献１参照。）。

特開２００２−１０７０７４号公報（第６−８頁、第１図）

従来、プレート式熱交換器は、上下プレートをそれぞれのＶ字の波の接点をロウ付けにより接合する。上下プレートのＶ字の頂点の長手方向の寸法が大きいと短手方向の中心部付近は２点での接合となり、Ｖ字の頂点を一致させると１点の接合となる。中心部を２点で接合すると、これら接合点の短手方向の寸法（間隔）が小さくなり、接合点のロウ材が結合し、ロウ付け面積が不均一であったり未接合部が生じたりする。このような場合、上下プレートの接合強度が低下するため、熱交換器の耐圧強度が低下する。生産量が多いと、ロウ付け時に炉内やプレート熱交の温度分布が大きく、加熱され難いプレート中心部のロウは溶解が遅いため、ロウ付け面積が不均一になりやすい。
特許文献１のように上下プレートでＶ字形波の頂点を一致させ中心部を１点で接合すると、熱交換器では同一プレートを反転してプレートを積層する場合、積層時にプレートがずれＶ字の頂点が離れてしまいロウ付け面積が不均一または未接合となり、耐圧強度が低下するといった課題があった。

この発明のプレート式熱交換器は、
長辺と、短辺とを有する複数の矩形のプレートが積層されたプレート式熱交換器において、
各プレートは、
積層方向に変位する波形状であって、前記長辺方向の仮想基準線を境に進行方向が前記仮想基準線に対して略左右対称に形成されたことにより、前記積層方向から見た場合に前記仮想基準線上をＶ字の折り返し箇所とする複数のＶ字状の凹凸に見える、波形状が形成され、
積層方向において隣接する上側プレートと下側プレートとは、
前記Ｖ字の向きが互いに逆向きになるように積層されると共に、前記積層方向から見た場合に前記仮想基準線上には、上側プレートの波の底である底部、下側プレートの波の頂である頂部、上側プレートの波の頂である頂部、下側プレートの波の底である底部が、この順に繰り返し配置され、
前記積層方向から見た場合における前記仮想基準線上の隣り合う上側プレートの前記底部と上側プレートの前記頂部との距離ａは、
１ｍｍ≦ａ≦７ｍｍ
であることを特徴とする。

この発明により、耐圧強度が高い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の外観図。 実施の形態１の、伝熱プレートの正面図（ａ）、Ａ−Ａ断面図（ｂ）、Ａ−Ａ断面の拡大図（ｃ）。 実施の形態２の、伝熱プレートの正面図（ａ）、Ｂ−Ｂ断面図（ｂ）、Ｂ−Ｂ断面の拡大図（ｃ）。 実施の形態３の、Ｒ寸法が大きい伝熱プレートの正面図（ａ）、Ｒ寸法が小さい伝熱プレートの正面図（ｂ）。 実施の形態４の、伝熱プレートの第１の例の正面図（ａ）、伝熱プレートの第２の例の正面図（ｂ）。

実施の形態１．
図１、図２を参照して実施の形態１を説明する。図１は、実施の形態１におけるプレート式熱交換器１００の外観を示す図である。
図１（ａ）は側面図（ａ）であり、図１（ｂ）は正面図（ｂ）である。
図１（ｂ）に示す補強用サイドプレート１は、最も外側に位置し、流体出入口管を供えている。図１（ｂ）には、第１流体の流入管５、第２流体の流入管６、第１流体の流出管７、第２流体の流出管８が現われている。
図１（ｃ）は第１流体と第２流体の流路を構成する上側伝熱プレート２である。
図１（ｄ）は下側伝熱プレート３を示す。下側伝熱プレート３は波形状が上側伝熱プレート２と対向した形で置かれて第１流体と第２流体の流路を構成する。
上側伝熱プレート２と下側伝熱プレート３を交互に並べて積層することにより、第１流体と第２流体の流路が交互に繰り返し形成される。以下、上側伝熱プレート２と下側伝熱プレート３とを区別する必要の無い場合は単にプレートという場合がある。
図１（ｅ）は補強用サイドプレート４を示す。補強用サイドプレート４は最も外側に位置する。
図１（ｆ）は、上側伝熱プレート２と下側伝熱プレート３とを重ね合わせた状態を示した図である。

（プレート式熱交換器１００の基本構造）
図１に示すように、プレート式熱交換器１００は、四隅に流体の出入口となる通路孔（流入管５、流入管６、流出管７、流出管８）を設けた伝熱面にＶ字の波を持っている複数枚のプレートをＶ字が互いに交差するよう積層してなるプレート式熱交換器である。
各プレートは長辺と、短辺とを有する矩形の形状である。

上側伝熱プレート２、下側伝熱プレート３となる各プレートは、積層方向（図１（ａ）のＸ方向）に変位する波形状であって、長辺方向の仮想基準線１０１を境に波の進行方向２１が仮想基準線１０１に対して略左右対称に形成されたことにより、積層方向（Ｘ方向）から見た場合に仮想基準線１０１上をＶ字の折り返し箇所とする複数のＶ字状の凹凸に見える、波形状が形成されている。また、図１（ｆ）に示すように、積層方向において隣接する上側伝熱プレート２と下側伝熱プレート３とは、Ｖ字の向きが互いに逆向きになるように積層される。

図２は、上下プレートの積層状態を示す図である。図２（ａ）は、図１（ｆ）に相当する図であり、上側伝熱プレート２と下側伝熱プレート３とが積層された状態を示している。上側伝熱プレート２の波形状は実線で示している。下側伝熱プレート３の波形状は点線で示している。図２（ｂ）は図２（ａ）における断面ＡＡを示す。図２（ｃ）は図２（ｂ）の拡大図である。

図２（ａ）に示すように、積層方向において隣接する上側伝熱プレート２と下側伝熱プレート３とは、積層方向から見た場合に仮想基準線１０１上には、
上側伝熱プレート２の波の底である底部Ｐ（１）、
下側伝熱プレート３の波の頂である頂部Ｐ（２）、
上側伝熱プレート２の波の頂である頂部Ｐ（３）、
下側伝熱プレート３の波の底である底部Ｐ（４）、
が、この順に繰り返し配置される。
この状態において積層方向から見た場合における仮想基準線１０１上の隣り合う上側伝熱プレート２の波のＶ字頂点９（底部Ｐ（１）に相当）と、下側伝熱プレート３の波のＶ字頂点１０（頂部Ｐ（２）に相当）とをプレート長手方向にＶ字が交差するよう「所定の寸法ａ」だけずらして接合する。これにより、これら頂点を長手方向に重ねられるため、ロウ付け面積を一定にできるので、ロウ付け部の強度が向上し、量産でも安定した強度を持った熱交換器を提供できる。

（寸法ａの例）
（１）具体的には、寸法ａは１〜４ｍｍ（１ｍｍ≦ａ≦４ｍｍ）が効果的である。寸法ａを１ｍｍより短くするとプレート積層時に上プレートのＶ字頂点と下プレートのＶ字頂点との距離が離れ互いのＶ字が交差しないものがあり、ここでのロウ付け面積が小さくなる。１〜４ｍｍの範囲にするとロウ付け面積は大きくできる。１〜４ｍｍの範囲で寸法ａを調整して必要強度に応じたロウ付け面積に調整する。なお寸法ａは１〜７ｍｍの範囲で好適である。
（２）寸法ａを７ｍｍより大きくすると、Ｖ字の頂点で接合しないか、上プレートのＶ字の頂点が下プレートの狙いのＶ字の頂点と隣接するＶ字の頂点で形成されるロウ材と接合するため、ロウ付け面積を一定に保てなくなる。

寸法ａを１〜７ｍｍの範囲、さらに好ましくは１〜４ｍｍの範囲とするとロウ付け面積を一定に保つことが可能となる。

以上のように、伝熱面にＶ字の波を持っている複数枚のプレートをＶ字が互いに交差するよう積層してなるプレート式熱交換器１００において、上側伝熱プレート２の波のＶ字頂点９と下側伝熱プレート３のＶ字頂点１０とが所定の寸法ａだけずれて交差するよう接合した。ここで、寸法ａは、１ｍｍ≦ａ≦７ｍｍが好ましく、１ｍｍ≦ａ≦４ｍｍであればさらに好ましい。

（１）実施の形態１のプレート式熱交換器１００であれば、動作圧力の高いＣＯ_２が使用でき、炭化水素、低ＧＷＰ冷媒といった圧力損失の大きな流体の使用も可能となる。
（２）実施の形態１のプレート式熱交換器１００であれば、上下プレートのＶ字の波の頂点を長手方向で所定の寸法にずらすため、プレート積層時にこれらの頂点が離れずロウ付けを確実に行える。
（３）また、Ｖ字の重なりの部分が均一に構成でき、ロウ付け時にこの重なり部が毛細管力でロウ材の保持を容易にし、この部分のロウ付け面積を均一にできる。このため、プレート内のロウ付け面積のバラツキを抑制でき、熱交換器の強度が向上する。プレート内の強度が向上すると、プレートや補強用サイドプレートの板厚を低減でき、材料費が削減できる。
（４）また、Ｖ字部のロウ付け面積を一定にできるため、プレート内部の流体の速度分布が均一となり、よどみ領域が低減して有効伝熱面積が増加する。
（５）また、流体が流れる領域とよどみ領域での速度差を無くせるため圧力損失が低減できる。
（６）また、熱交換性能向上により、空調機の必要能力に対する熱交換器の必要プレート枚数を最小限に構成できる。
（７）また、熱交換効率の高いプレート熱交を提供することが可能となり、この熱交換器を搭載した空調機器によれば、安価な上に消費電力量が抑えられＣＯ２排出量も低減できる。
（８）加えて、よどみ領域低減により、熱交換器に滞留する冷凍機油、スラッジ、ゴミ詰まり等を抑制でき、その信頼性も向上する。

実施の形態２．
次に図２を参照して実施の形態２を説明する。以上の実施の形態１では、上側伝熱プレート２の波のＶ字頂点と下側伝熱プレート３のＶ字頂点とをプレート長手方向に所定の寸法ａだけずらして接合し、ロウ付け面積を調整するようにしたものである。実施の形態２では、上下プレートの波のＶ字頂点となる波の山部と底部との両方、あるいはいずれか一方を平らにして接合した場合について説明する。

図３は実施の形態２の上側伝熱プレート２、下側伝熱プレート３を示す図である。図３（ａ）は図２（ａ）と同じ状態を示している。図３（ａ）において「だ円」にみえる領域３１〜３４は、上下プレートの波のＶ字頂点となる波の山部と底部との両方に平坦部を設けた場合に、互いに接合される平坦部領域を示している。各だ円の内部が接合する。図３（ｂ）は、図３（ａ）のＢＢ断面である。図３（ｃ）は、図３（ｂ）の拡大図である。

図３に示したように、実施の形態２のプレート式熱交換器１００は、仮想基準線１０１上で隣り合う上側伝熱プレート２の底部Ｐ（１）と下側伝熱プレート３の頂部Ｐ（２）との少なくともいずれかは、平らな平坦部が形成せれたことを特徴とする。

上下プレートの波のＶ字頂点における波の底部（上側伝熱プレート２）あるいは波の頂部（下側伝熱プレート３）を平らにして接合すると、平らにした平坦部は相手のプレートに面で接合されるので、ロウ付け面積が不均一になり易いＶ字頂点部の面積を一定にできる。

また、上下プレートのＶ字部が面で接合されるため強度が向上する。ロウ付け面積の均一化と面接合により、量産でも安定した強度を持った熱交換器を提供できる。また、上下プレートの波のＶ字頂点の平坦部１１の面積を大きくすると強度が向上し、小さくすると圧力損失が低減するため、ＣＯ_２のような動作圧が大きく圧力損失の小さい流体では前者が適し、炭化水素や低ＧＷＰのような動作圧が小さく圧力損失の大きい流体では後者が適しており、使用する流体に応じてＶ字頂点の平面部の面積を調整してよい。これまで、上下プレートの波のＶ字頂点の両方を平らにして接合した場合について述べたが、上下プレートのいずれか一方を平らにしても同様の効果が得られる。

実施の形態３．
次に図４を参照して実施の形態３を説明する。実施の形態２では、上下プレートの波のＶ字頂点となる波の山部（下側伝熱プレート３の頂部）と底部（上側伝熱プレート２の底部）の両方またはいずれか一方を平らにして接合した場合を説明した。実施の形態３では、上下プレートの波のＶ字頂点のＶ字の折り返し部をＲ１〜４ｍｍの円弧で形成した場合を説明する。

図４（ａ），（ｂ）において実線は上側伝熱プレート２の波の底部の中心線１２（稜線に相当）を示し、破線は下側伝熱プレート３の波の山部の中心線１３（稜線に相当）を示す。実施の形態３のプレート式熱交換器１００では、図４（ａ）（ｂ）に示すように、各プレートの波形状は、積層方向から見た場合に、仮想基準線１０１の位置おける波の頂部Ｐ（２）と底部Ｐ（１）とのＶ字の折り返し箇所に相当するＶ字折り返し部１０２が、１ｍｍ≦Ｒ≦４ｍｍの範囲の半径Ｒの円弧で形成されていることを特徴とする。

図４（ａ）は、Ｒの大きい場合（例えばＲ＝４ｍｍ）を示し、図４（ｂ）は、Ｒの小さい場合（例えばＲ＝１ｍｍ）ある。上下プレートの波のＶ字頂点のＶ字の折り返し部１０２のＲ寸法を１〜４ｍｍで形成する。これにより、Ｖ字頂点でのロウ付け面積を小さくできる。

Ｒが４ｍｍを超えるとロウ付け面積が過大となり圧損が増加する。Ｖ字の頂点１点で上下プレートを接合するとき、波ピッチが小さくなると、頂点のロウ付け部が幅方向に隣接するロウ付け部とロウ材同士が溶着し流路を埋めてしまう。これを防ぐため、Ｖ字頂点のＲ寸法を１〜４ｍｍで形成すると有効である。
またプレートのＶ字の角度θ（図４（ａ））が大きくなると上下プレートのＶ字の重なり面積が幅方向に大きくなるため、波ピッチが小さい場合と同様の問題が生じるが、Ｒ寸法を小さくすることでこの問題を防げる。

このように波角度θや波ピッチの仕様によりＲ寸法を調整しても良い。Ｒ寸法が小さいと上下プレートのＶ字の重なり面積が小さいため、毛細管力を大きくできるため、ロウ材の集約が容易になりロウ付け面積のバラツキを抑制できる。実施の形態１と組合せるとロウ付け面積のバラツキ抑制に効果的である。

実施の形態４．
図５を参照して実施の形態４を説明する。実施の形態３では、上下プレートの波のＶ字頂点のＲ寸法を１〜４ｍｍとし、上下プレートを接合した場合を説明した。実施の形態４は、上下プレートのＶ字頂点でＶ字が細くなる方向に突出させた突出部を形成した場合を説明する。

図５（ａ），（ｂ）において実線は上側伝熱プレート２の波の底部の中心線１２（稜線に相当）を示し、破線は下側伝熱プレート３の波の山部の中心線１３（稜線に相当）を示す。図５（ａ）は上下プレートのＶ字頂点でＶ字が細くなる方向に突出部１０３を突出させた場合を示す。図５（ｂ）は上下プレートのいずれか一方において突出部１０３を突出させた場合を示す。

実施の形態４のプレート式熱交換器１００では、各プレートの波形状が、積層方向から見た場合に、仮想基準線１０１の位置おける波の頂部と底部とのＶ字の折り返し箇所に相当するＶ字折り返し部１０２（底部）、Ｖ字折り返し部１０２（頂部）の少なくとも一方が、Ｖ字の折り返し箇所の方向（Ｖ字が細くなる方向）に突出した突出部１０３を有することを特徴とする。

図５（ａ）のように上プレートの底部を形成するＶ字の頂点をＶ字が細くなる方向に突出部１０３を突出させ、下プレートのＶ字の頂点をＶ字が細くなる方向に突出部１０３を突出させると、プレート積層時に上下プレートのＶ字の頂点が所定の距離で重なる。このため、頂点が離れずロウ付け面積を一定にでき、ロウの集約による流路幅縮小も防げる。図５（ｂ）のように上下プレートの一方のみにＶ字の頂点をＶ字が細くなる方向に突出部１０３を突出させても（ａ）と同様の効果が得られる。

以上の実施の形態１〜４に説明したプレート式熱交換器は、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できる。

１ 補強用サイドプレート、２ 上側伝熱プレート、３ 下側伝熱プレート、４ 補強用サイドプレート、５ 第１流体の流入管、６ 第２流体の流入管、７ 第１流体の流出管、８ 第２流体の流出管、９ 上側伝熱プレートの波の底部のＶ字頂点、１０ 下側伝熱プレートの波の山部のＶ字頂点、１１ 上下プレートの波のＶ字頂点の平坦部、１２ 上側伝熱プレートの波の底部の中心線、１３ 下側伝熱プレートの波の山部の中心線、２１ 波の進行方向、１００ プレート式熱交換器、１０１ 仮想基準線、１０２ Ｖ字折り返し部、１０３ 突出部。

Claims (5)

1. 長辺と、短辺とを有する複数の矩形のプレートが積層されたプレート式熱交換器において、
   各プレートは、
   積層方向に変位する波形状であって、前記長辺方向の仮想基準線を境に進行方向が前記仮想基準線に対して略左右対称に形成されたことにより、前記積層方向から見た場合に前記仮想基準線上をＶ字の折り返し箇所とする複数のＶ字状の凹凸に見える、波形状が形成され、
   積層方向において隣接する上側プレートと下側プレートとは、
   前記Ｖ字の向きが互いに逆向きになるように積層され、
   前記積層方向から見た場合に、
   前記仮想基準線上において隣り合う、上側伝熱プレートの波の底部のなすＶ字のＶ字頂点と、下側伝熱プレートの波の頂部のなすＶ字のＶ字頂点とが、それぞれのＶ字が交差するように、前記仮想基準線の方向に所定の距離ａだけずらして接合されると共に、前記仮想基準線上には、上側プレートの波の底である底部、下側プレートの波の頂である頂部、上側プレートの波の頂である頂部、下側プレートの波の底である底部が、この順に繰り返し配置され、
   前記所定の距離ａは、
   １ｍｍ≦ａ≦７ｍｍ
   であり、
   各プレートの前記波形状は、
   前記積層方向から見た場合に、波の前記頂部を示す稜線と、波の前記底部を示す稜線との少なくとも一方が、前記Ｖ字の折り返し箇所においてＶ字が細くなる方向に突出する形状であることを特徴とするプレート式熱交換器。
2. 前記距離ａは、
   １ｍｍ≦ａ≦４ｍｍ
   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. 前記仮想基準線上で隣り合う上側プレートの前記底部と下側プレートの前記頂部との少なくともいずれかは、平らな平坦部が形成されたことを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載のプレート式熱交換器。
4. 各プレートの前記波形状は、
   前記積層方向から見た場合に、前記仮想基準線の位置おける波の前記頂部と前記底部とのＶ字の折り返し箇所に相当するＶ字折り返し部が、１ｍｍ≦Ｒ≦４ｍｍの範囲の半径Ｒの円弧で形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のプレート式熱交換器。
5. 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１〜４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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