JP5690532B2

JP5690532B2 - Shell and plate heat exchanger

Info

Publication number: JP5690532B2
Application number: JP2010203658A
Authority: JP
Inventors: 正人竹田; 佳彦上野; 洋一川津; 首代　英樹; 英樹首代; 宮崎　大輔; 大輔宮崎
Original assignee: Mayekawa Manufacturing Co
Current assignee: Mayekawa Manufacturing Co
Priority date: 2010-09-10
Filing date: 2010-09-10
Publication date: 2015-03-25
Anticipated expiration: 2030-09-10
Also published as: JP2012057900A

Description

本発明は、冷凍サイクルを構成する冷凍装置の蒸発器等に適用されて好適であると共に、プラズマアーク溶接に適したプレート端の形状をもつシェルアンドプレート式熱交換器に関する。 The present invention relates to a shell-and-plate heat exchanger which is suitable for being applied to an evaporator of a refrigeration apparatus constituting a refrigeration cycle and has a plate end shape suitable for plasma arc welding.

冷媒循環路に蒸発器、圧縮機、凝縮器及び膨張装置が介設されて冷凍サイクルを構成する冷凍装置においては、オゾン層破壊、地球温暖化防止の観点から、自然冷媒であるＮＨ_３やＣＯ_２等が注目されている。特に、ＮＨ_３は冷凍能力が大きいため、大型冷凍装置によく用いられている。しかし、ＮＨ_３は毒性があるため、ＮＨ_３を用いた冷凍サイクル構成機器に対して、ＣＯ_２を冷却負荷側の二次冷媒として用いる二次冷媒系を組み合わせた冷凍装置が多く用いられている。かかるＮＨ_３／ＣＯ_２冷凍装置は、例えば、特許文献１及び特許文献２に開示されている。 In a refrigeration system in which an evaporator, a compressor, a condenser, and an expansion device are interposed in a refrigerant circulation path to constitute a refrigeration cycle, NH ₃ and CO that are natural refrigerants are used from the viewpoint of ozone layer destruction and global warming prevention. ₂ etc. are attracting attention. In particular, since NH ₃ has a large refrigerating capacity, it is often used for a large-sized refrigerating apparatus. However, since NH ₃ is toxic, a refrigeration apparatus that combines a secondary refrigerant system that uses CO ₂ as a secondary refrigerant on the cooling load side is often used for refrigeration cycle components that use NH ₃ . . Such NH ₃ / CO ₂ refrigeration apparatuses are disclosed in, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2.

ＮＨ_３／ＣＯ_２冷凍装置においては、カスケードコンデンサとして用いられるＣＯ_２液化器の長手方向のサイズが大きくなり、冷凍ユニットのサイズもこれに合わせて大きくならざるを得ない。そのため、ＣＯ_２液化器は、搬入・据付け時に、冷蔵倉庫等のエレベータに乗せられないことがあり、その搬入・据付けに支障をきたすことがある。 In the NH ₃ / CO ₂ refrigeration apparatus, the size of the CO ₂ liquefier used as a cascade condenser increases in the longitudinal direction, and the size of the refrigeration unit must be increased accordingly. Therefore, the CO ₂ liquefier may not be placed on an elevator such as a refrigerated warehouse at the time of carry-in / installation, which may hinder the carry-in / installation.

一方、シェルアンドプレート式熱交換器は、表裏両面に特定の凹凸パターンをもつ多数のプレートを表裏交互に重ねることにより、表裏面に幾何学的構造の流路を形成させる。これにより、プレートの表裏面に２つの熱交換流体の該流路を交互に形成させ、２つの熱交換流体間でプレートを介して熱交換させるように構成されている。該流路では、流れる流体の強力な乱流が形成される。そのため、シェルアンドプレート式熱交換器は、優れた熱交換効率が得られると共に、長手方向のサイズを短縮でき、設置スペースを低減できる利点があり、冷凍装置の蒸発器や凝縮器等によく用いられている。以下、特許文献３（図４）に開示されたシェルアンドプレート式熱交換器の一構成例を図１２に基づいて説明する。 On the other hand, the shell-and-plate heat exchanger forms a geometrical flow path on the front and back surfaces by alternately stacking a large number of plates having specific uneven patterns on the front and back surfaces. Thereby, the flow paths of the two heat exchange fluids are alternately formed on the front and back surfaces of the plate, and heat is exchanged between the two heat exchange fluids via the plate. In the flow path, a strong turbulent flow of the flowing fluid is formed. Therefore, the shell-and-plate heat exchanger has the advantages of being able to obtain excellent heat exchange efficiency, shortening the size in the longitudinal direction, and reducing the installation space, and is often used for evaporators and condensers of refrigeration equipment. It has been. Hereinafter, a configuration example of the shell and plate heat exchanger disclosed in Patent Document 3 (FIG. 4) will be described with reference to FIG.

図１２において、このシェルアンドプレート式熱交換器１００は、中空容器１０２の内部にプレート重合体１０４が収容されている。プレート重合体１０４は、多数の伝熱エレメントであるプレート１０６が重ね合わされて構成されている。プレート相互間には、中空容器１０２の内部空間ｓ１に対して開放された通路Ａと、該内部空間ｓ１に対して閉じられた通路Ｂとが交互に形成されている。中空容器１０２の底部に設けられた入口管１０８から内部空間ｓ１に第１の熱交換流体ａが流入し、通路Ａを通って出口管１１０から中空容器１０２の外部に排出される。 In FIG. 12, the shell and plate heat exchanger 100 includes a plate polymer 104 accommodated in a hollow container 102. The plate polymer 104 is configured by overlapping a plurality of plates 106 which are heat transfer elements. Between the plates, a passage A opened to the internal space s1 of the hollow container 102 and a passage B closed to the internal space s1 are alternately formed. The first heat exchange fluid a flows into the internal space s1 from the inlet pipe 108 provided at the bottom of the hollow container 102, passes through the passage A, and is discharged from the outlet pipe 110 to the outside of the hollow container 102.

各プレート１０６には、プレート外周縁近傍で中心点に対して１８０度位相が異なる位置に、２個の孔１１２及び１１４が穿設され、これら孔を通して、プレート重合体１０４を貫通する方向に２本の流路が形成される。孔１１２に相対する位置の中空容器１０２の側壁に入口管１１６が設けられ、入口管１１６とは反対側の側壁で、孔１１４に相対する位置の側壁に出口管１１８が設けられている。第２の熱交換流体ｂが入口管１１６から流入し、第２の熱交換流体ｂは、孔１１２から通路Ｂを経て孔１１４に到り、出口管１１８から流出する。 Each plate 106 is provided with two holes 112 and 114 at positions that are 180 degrees out of phase with respect to the center point in the vicinity of the outer periphery of the plate, and through the holes, 2 holes 2 in a direction penetrating the plate polymer 104. A book channel is formed. An inlet pipe 116 is provided on the side wall of the hollow container 102 at a position opposite to the hole 112, and an outlet pipe 118 is provided on the side wall opposite to the inlet pipe 116 and at a position opposite to the hole 114. The second heat exchange fluid b flows from the inlet pipe 116, and the second heat exchange fluid b reaches the hole 114 from the hole 112 through the passage B and flows out from the outlet pipe 118.

第１の熱交換流体ａは、通路Ａを流れるとき、第２の熱交換流体ｂと熱交換してその一部が気化し、気液二相状態の第１の熱交換流体ａは、セパレータ１２０で気液分離される。第２の熱交換流体ｂは、通路Ｂを流れるとき、第１の熱交換流体ａと熱交換して凝縮し、アフタークーラ１２２で凝縮液と不凝縮性ガスに分離される。なお、プレート１０６の
外形は、通常、角形又は円形を有している。 When the first heat exchange fluid a flows through the passage A, the first heat exchange fluid a exchanges heat with the second heat exchange fluid b, and a part thereof is vaporized. The first heat exchange fluid a in the gas-liquid two-phase state is a separator. Gas-liquid separation is performed at 120. When the second heat exchange fluid b flows through the passage B, the second heat exchange fluid b exchanges heat with the first heat exchange fluid a and condenses, and is separated into a condensate and a noncondensable gas by the aftercooler 122. Note that the outer shape of the plate 106 is usually rectangular or circular.

図１３は、円形のプレートを用いたプレート重合体の構成例を示す。図１３において、円形のプレート１３０には、波形断面を有する直線状の波形凹凸１３２が形成されている。プレート１３０には、プレート外周縁１３６の近傍に、中心に対して１８０度位相を異ならせた２個の孔１３４，１３４が穿設されている。プレート１３０の外周縁１３６及び孔１３４の内周縁１３８は、波形凹凸１３２に連なった狭い環状の平坦面に形成されている。外周縁１３６の平坦面を形成する板状体と内周縁１３８の平坦面を形成する板状体とは、波形凹凸１３２の山と谷の段差分だけ高低差が設けられている。 FIG. 13 shows a structural example of a plate polymer using a circular plate. In FIG. 13, the circular plate 130 is formed with linear corrugated irregularities 132 having corrugated cross sections. In the plate 130, two holes 134 and 134 having a phase difference of 180 degrees with respect to the center are formed in the vicinity of the plate outer peripheral edge 136. The outer peripheral edge 136 of the plate 130 and the inner peripheral edge 138 of the hole 134 are formed on a narrow annular flat surface connected to the corrugated irregularities 132. The plate-like body forming the flat surface of the outer peripheral edge 136 and the plate-like body forming the flat surface of the inner peripheral edge 138 are provided with a height difference corresponding to the level difference between the peaks and valleys of the corrugated unevenness 132.

２枚のプレート１３０を互いの裏面同士を相対させて（凹凸パターンを背合わせにして）重ね合わせ、互いに当接した孔１３４の内周縁１３８同士を矢印ｕで示すように周溶接して、ペアプレート１４０を製造する。このとき、プレート１３０の外周縁１３６間は、プレート１３０に形成された波形凹凸１３２の山と谷の段差の２倍の隙間ｓを形成する。次に、多数のペアプレート１４０を重ね合わせ、各ペアプレート１４０の外周縁１３６同士を当接させ、当接面を矢印ｖで示すように周溶接する。こうして、プレート重合体１４２が形成される。プレート重合体１４２は、中空容器の内部に支持具によって固定される。 The two plates 130 are overlapped with their back surfaces facing each other (with the concavo-convex pattern back to back), and the inner peripheral edges 138 of the holes 134 in contact with each other are circumferentially welded as indicated by the arrow u, The plate 140 is manufactured. At this time, a gap s is formed between the outer peripheral edges 136 of the plate 130 that is twice the level difference between the peaks and valleys of the corrugated irregularities 132 formed on the plate 130. Next, a large number of pair plates 140 are overlaid, the outer peripheral edges 136 of each pair plate 140 are brought into contact with each other, and the contact surfaces are circumferentially welded as indicated by arrows v. Thus, the plate polymer 142 is formed. The plate polymer 142 is fixed inside the hollow container by a support.

このように、プレート重合体１４２は、プレート１３０の外周縁１３６と孔１３４の内周縁１３８とが、選択的に溶接される。即ち、重合方向に向かって外周縁と内周縁とが交互に溶接される。これによって、各プレート間に、中空容器の内部空間に開放された第１の流路と、中空容器の内部空間に対して遮断されると共に、孔１３４に連通し、孔１３４から中空容器の外部に連通した第２の流路が形成される。そして、第１の流路と第２の流路を流れる２つの熱交換流体をプレートを介して熱交換させる。 Thus, the outer periphery 136 of the plate 130 and the inner periphery 138 of the hole 134 are selectively welded to the plate polymer 142. That is, the outer peripheral edge and the inner peripheral edge are alternately welded in the polymerization direction. As a result, the first flow path opened to the internal space of the hollow container and the internal space of the hollow container are blocked between the plates and communicated with the hole 134, and from the hole 134 to the outside of the hollow container. A second flow path communicating with is formed. And two heat exchange fluids which flow through the 1st channel and the 2nd channel are heat-exchanged via a plate.

特許第４１８８９７１号特許公報Japanese Patent No. 4188971 特許第４４６５６８６号特許公報Japanese Patent No. 4465686 特開昭６４−８８０９９号公報（図４）JP-A-64-88099 (FIG. 4)

前述のように、ＮＨ_３／ＣＯ_２冷凍装置に組み込まれるＣＯ_２液化器の長手方向のサイズが大きくなり、冷凍ユニットのサイズがこれに制約されて小型化できないという問題がある。そのため、ＣＯ_２液化器の搬入・据付け時に、冷蔵倉庫等のエレベータに乗せられないことがあり、その搬入・据付けに支障をきたすことがある。 As described above, there is a problem that the size of the CO ₂ liquefier incorporated in the NH ₃ / CO ₂ refrigeration apparatus increases in the longitudinal direction, and the size of the refrigeration unit is restricted by this and cannot be reduced. For this reason, when the CO ₂ liquefier is carried in and installed, it may not be put on an elevator such as a refrigerated warehouse, which may hinder the carrying in and installation.

この問題を解決するため、長手方向のサイズが短く、設置スペースを低減できるシェルアンドプレート式熱交換器を用いるとよい。しかし、シェルアンドプレート式熱交換器は、プレート重合体を構成するプレート間を溶接する溶接箇所が多く、溶接工数が多くなる。そのため、どこかの溶接箇所に溶接不良が発生すると、熱交換流体の漏洩が生じるので、溶接時に、溶接不良を発生させないように注意する必要がある。 In order to solve this problem, it is preferable to use a shell-and-plate heat exchanger that has a short size in the longitudinal direction and can reduce installation space. However, the shell-and-plate heat exchanger has many welding locations where the plates constituting the plate polymer are welded, and the number of welding steps increases. For this reason, if a welding failure occurs at any welding location, leakage of the heat exchange fluid occurs, so care must be taken not to generate a welding failure during welding.

しかし、プレートは複雑な形状にプレス成形されるので、プレス成形後に歪が発生しやすく、この歪に起因して起こる変形により、プレート重合体の剛性が低下するおそれがある。また、スプリングバックが発生して、プレート外周縁又はプレート内周縁を形成する板状体に逆そりが発生し、該板状体間に隙間が発生するおそれがある。板状体間に隙間が発生すると、アーク溶接等を施す場合、アークによる材料への入熱が不安定となり、溶接不良が発生するおそれがある。 However, since the plate is press-molded into a complicated shape, distortion is likely to occur after press-molding, and the deformation caused by this distortion may reduce the rigidity of the plate polymer. Further, a springback may occur, causing reverse warping in the plate-like bodies forming the outer peripheral edge of the plate or the inner peripheral edge of the plate, and there is a possibility that a gap is generated between the plate-like bodies. When a gap is generated between the plate-like bodies, when arc welding or the like is performed, heat input to the material by the arc becomes unstable, and there is a possibility that poor welding occurs.

また、プレートの材料として、通常、耐食性があるステンレス鋼が用いられている。しかし、ＴＩＧ溶接等を用いると、ＴＩＧ溶接は熱集中性がそれほど良くなく、入熱量が多いため、材料によっては、プレートの母材が変質したり、あるいは熱劣化や、熱歪、熱応力が発生して、プレート重合体の強度が低下するおそれがある。 Further, stainless steel having corrosion resistance is usually used as a material for the plate. However, when TIG welding or the like is used, TIG welding is not so good in heat concentration and has a large amount of heat input. Therefore, depending on the material, the base material of the plate may be altered, or thermal deterioration, thermal distortion, and thermal stress may occur. It may occur and the strength of the plate polymer may decrease.

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、シェルアンドプレート式熱交換器を製造する際に、プレートのプレス成形後の歪やスプリングバック等に起因した溶接不良や、プレート母材の変質による劣化をなくすと共に、プレート重合体の強度を向上させることを目的とする。 In view of the problems of the prior art, the present invention, when manufacturing a shell-and-plate heat exchanger, has poor welding due to distortion after plate press forming, springback, etc., and deterioration due to alteration of the plate base material. The purpose is to improve the strength of the plate polymer.

かかる目的を達成するため、本発明は、
円筒形状を有する中空容器（１２）の内部に、表裏面に波形断面を有する凹凸が並列に形成されている多数のプレートが重ね合わされたプレート重合体（１４）を備え、
前記プレート重合体（１４）を構成する各プレート（１６）は、隣接したプレートに対面した位置にあって、該各プレート（１６）は、プレート外周縁（１６ａ）と、前記プレート重合体（１４）を貫通する流路を形成する孔（２２、２４）とを有し、前記外周縁（１６ａ）及び孔（２２、２４）を形成するプレート内周縁（２２ａ、２４ａ）は平坦な環状の板状体に形成され、これらを除く領域は、波形凹凸（１６ｂ）が形成されている板状体で構成されるとともに、
該板状体は、前記プレート外周縁及び孔を形成するプレート内周縁の,端側に向かって互いに接近する方向に傾斜したテーパ面（４６、４８）を有するように形成され、該板状体の、隣接したプレート同士のプレート外周縁及び前記プレートの内周縁のテーパ面端側ｗがプラズマアーク溶接によって固着されてなり、
前記中空容器（１２）の内部空間のプレート重合体（１４）上方の中空容器上部領域に、該中空容器（１２）長手方向にノズル管（３６）が配設され、該ノズル管（３６）の下部に、長手方向に配置され下方に開口した多数のノズル口（３８）より第２の冷媒をプレート重合体に向け噴出すように構成するとともにノズル口（３８）が中空容器（１２）の外部に導出された管路（４０）に、第２の冷媒液管（４２）が接続され該第２の冷媒液が前記ノズル管（３６）間を循環するように構成し、
一方前記孔（２２、２４）によってプレート重合体（１４）を貫通する方向に第１流路（２６）及び第２流路（２８）が形成されるとともに、前記中空容器の側壁の、第１の流路（２６）に相対する位置に、第１の冷媒が流入する入口管（３０）が、又第２の流路（２８）に相対する位置に第１の冷媒液が流出する出口管（３２）が設けられていることを特徴とするシェルアンドプレート式熱交換器に係り、好ましくは請求項２に記載したように前記出口管（３２）は中空容器（１２）の隔壁を貫通して第2の流路（２８）に接続させて構成したことを特徴とする請求項１記載のシェルアンドプレート式熱交換器にある。 In order to achieve this object, the present invention provides:
Inside the hollow container (12) having a cylindrical shape is provided with a plate polymer (14 ) in which a large number of plates having corrugated cross-sections formed in parallel on the front and back surfaces are superimposed,
Each plate (16) constituting the plate polymer (14) is in a position facing an adjacent plate, and each plate (16) includes a plate outer peripheral edge (16a) and the plate polymer (14). And the inner peripheral edge (22a, 24a) forming the outer peripheral edge (16a) and the hole (22, 24) are flat annular plates. The region excluding these is formed of a plate-like body on which corrugated irregularities (16b) are formed,
The plate-like body is formed so as to have tapered surfaces (46, 48) inclined in a direction approaching each other toward the end side of the outer periphery of the plate and the inner periphery of the plate forming the hole. The plate outer peripheral edge of adjacent plates and the tapered surface end side w of the inner peripheral edge of the plate are fixed by plasma arc welding,
A nozzle tube (36) is arranged in the longitudinal direction of the hollow container (12) in the upper region of the hollow container above the plate polymer (14) in the internal space of the hollow container (12), and the nozzle tube (36) The second refrigerant is jetted toward the plate polymer from a number of nozzle ports (38) arranged in the longitudinal direction and opened downward in the lower part, and the nozzle port (38) is located outside the hollow container (12). The second refrigerant liquid pipe (42) is connected to the pipe line (40) led to, and the second refrigerant liquid circulates between the nozzle pipes (36).
On the other hand, a first channel (26) and a second channel (28) are formed in the direction penetrating the plate polymer (14 ) by the holes (22, 24) , and the first side wall of the hollow container The inlet pipe (30) into which the first refrigerant flows in a position opposite to the flow path (26), and the outlet pipe from which the first refrigerant liquid flows out to a position opposite to the second flow path (28). (32) is provided. Preferably, the outlet pipe (32) penetrates the partition wall of the hollow container (12) as described in claim 2. The shell and plate heat exchanger according to claim 1, wherein the shell and plate heat exchanger is configured to be connected to the second flow path (28).

本発明装置では、プレートの外周縁や内周縁を形成する板状体に端側に向かって互いに接近する方向にテーパ面をもたせ、端側の固着時に、端側が確実に互いに当接し合い、かつ押圧し合うようにしたものである。これによって、プレートに発生した歪を押え込むことができ、かつスプリングバック等に起因した板状体の逆そりを解消できる。そのため、溶接不良をなくすことができると共に、板状体をテーパ面としたことにより、板状体が平行面である場合より、プレート重合体の剛性を高めることができる。 In the device of the present invention, the plate-like bodies forming the outer peripheral edge and the inner peripheral edge of the plate are provided with tapered surfaces in a direction approaching each other toward the end side, and the end sides reliably come into contact with each other when fixed on the end side, and They are pressed together. As a result, the distortion generated in the plate can be suppressed, and the reverse warp of the plate-like body due to the spring back or the like can be eliminated. Therefore, welding defects can be eliminated, and the rigidity of the plate polymer can be increased by making the plate-like body a tapered surface, compared to the case where the plate-like body is a parallel surface.

本発明装置において、プレート外周縁で板状体のテーパ面のテーパ角がプレート面に対して１．５〜２．０度であり、プレート内周縁で板状体のテーパ面のテーパ角がプレート面に対して１．０度以下であるとよい。プレート外周縁で板状体のテーパ角を１．５〜２．０度とすることにより、板状体に発生する逆そり防止効果が大きく、また、プレート重合体の剛性付与効果も大きくなる。一方、テーパ角が２．０度を超えると、溶接時に、板状体を押え冶具を用いて固定する際に、板状体を過荷重で圧接する必要が生じる。そのため、固着不良が生じやすくなると共に、不適合変形による残留応力が発生しやすい。 In the device of the present invention, the taper angle of the taper surface of the plate-like body is 1.5 to 2.0 degrees with respect to the plate surface at the outer peripheral edge of the plate, and the taper angle of the taper surface of the plate-like body is the plate inner peripheral edge. It is good to be 1.0 degree or less with respect to the surface. By setting the taper angle of the plate-like body to 1.5 to 2.0 degrees at the outer peripheral edge of the plate, the effect of preventing reverse warpage generated in the plate-like body is great, and the rigidity imparting effect of the plate polymer is also great. On the other hand, when the taper angle exceeds 2.0 degrees, it is necessary to press the plate-like body with an overload when fixing the plate-like body using a holding jig during welding. For this reason, defective fixing is likely to occur, and residual stress due to incompatible deformation is likely to occur.

プレート内周縁は、周長も短く、プレート内周縁周辺では歪の発生は少ないと考えられ、逆そり防止のみを考慮すればよい。そのため、板状体のテーパ角を１．０度以下とすることで、逆そりを効果的に防止でき、かつ板状体にテーパ角を付与することで、プレート重合体の剛性を増大できる。なお、逆そりが発生しなければ、テーパ角が零度でもよいが、逆そりを確実に防止するためには、テーパ角を０．１〜１．０度としたほうがよい。一方、プレート内周縁で、板状体のテーパ角が１．０度を超えると、プレート外周縁と同様の不具合いが生じる。 The inner peripheral edge of the plate has a short peripheral length, and it is considered that there is little distortion around the inner peripheral edge of the plate, and only prevention of reverse warping should be considered. Therefore, reverse warping can be effectively prevented by setting the taper angle of the plate-like body to 1.0 ° or less, and the rigidity of the plate polymer can be increased by giving the taper angle to the plate-like body. If the reverse warp does not occur, the taper angle may be zero degrees. However, in order to reliably prevent the reverse warp, the taper angle is preferably set to 0.1 to 1.0 degree. On the other hand, when the taper angle of the plate-like body exceeds 1.0 degree at the inner peripheral edge of the plate, the same problem as the outer peripheral edge of the plate occurs.

本発明装置において、プレート外周縁で板状体のプレート半径方向幅が２ｍｍ以上であり、かつプレート直径に対する該プレート半径方向幅の寸法比（プレート半径方向幅／プレート直径）が０．００４〜０．００９であるとよい。プレート半径方向幅を２ｍｍ以上とし、該寸法比≧０．００４とすることにより、プレート外周縁の固着に必要な強度と固着性能を板状体に与えることができると共に、プレート重合体の剛性を高めることができる。一方、プレート外周縁の固着強度及び固着性能の面では、寸法比＞０．００９とする必要はなく、逆に、０．００９を超えると、プレート間に形成される波形凹凸の形成領域が小さくなるので、流体間の熱伝達性能が低下する。 In the apparatus of the present invention, the plate radial width of the plate-like body is 2 mm or more at the outer periphery of the plate, and the dimensional ratio of the plate radial width to the plate diameter (plate radial width / plate diameter) is 0.004 to 0. .009. By setting the width in the radial direction of the plate to 2 mm or more and the dimensional ratio ≧ 0.004, the plate body can be provided with the strength and fixing performance necessary for fixing the outer periphery of the plate, and the rigidity of the plate polymer can be increased. Can be increased. On the other hand, in terms of the fixing strength and fixing performance of the outer periphery of the plate, it is not necessary to set the dimensional ratio> 0.009. Conversely, if it exceeds 0.009, the formation area of the corrugated irregularities formed between the plates is small. As a result, the heat transfer performance between fluids decreases.

本発明装置において、プレート外周縁及びプレート内周縁の板状体の端部がプラズマアーク溶接によって固着されているとよい。プラズマアーク溶接は、ＴＩＧ溶接等と比べて、アークの指向性が高く、アークをピンポイントで集中できる。そのため、ビード幅が狭く、熱集中性が良いため、溶接不良が発生せず、かつ高速溶接が可能である。また、溶接歪が少ないという利点がある。プレート重合体は、多数の溶接箇所があるので、プラズマアーク溶接を用い、高速溶接が可能になることで、プレート重合体の製造工期を短縮できるという利点がある。 In the apparatus of the present invention, the plate outer peripheral edge and the end of the plate inner peripheral edge of the plate may be fixed by plasma arc welding. Plasma arc welding has higher arc directivity than TIG welding and the like, and the arc can be concentrated at a pinpoint. Therefore, since the bead width is narrow and the heat concentration is good, welding failure does not occur and high-speed welding is possible. Further, there is an advantage that welding distortion is small. Since the plate polymer has a large number of welding points, plasma arc welding is used and high-speed welding is possible, which has the advantage that the manufacturing period of the plate polymer can be shortened.

また、プレートは複雑な形状に鍛造されるため、歪が発生する。そのため、溶接歪の発生が少ないプラズマアーク溶接を採用することで、歪の蓄積をなくすことができる。さらに、プラズマアーク溶接は、ＴＩＧ溶接等と比べて、入熱量が少ないので、母材の熱歪、熱応力の発生や、変質、劣化を低減できるという利点がある。 Further, since the plate is forged into a complicated shape, distortion occurs. Therefore, it is possible to eliminate the accumulation of strain by adopting plasma arc welding with less generation of welding strain. Furthermore, since plasma arc welding has a smaller amount of heat input than TIG welding or the like, there is an advantage that generation of thermal strain and thermal stress of the base material, alteration and deterioration can be reduced.

本発明装置において、第１の流体が液体であり、中空容器の内部空間に第１の流体が貯留され、前記プレート重合体の下部が第１の流体に浸漬するように配置され、中空容器の内部でプレート重合体の上方に第１の流体の少なくとも一部をプレート重合体に向けて散布する散布ノズルが配設されているとよい。この散布ノズルを設けることで、第１の流体と第２の流体との熱伝達性能を高めることができる。
これによって、中空容器への第１の流体の充填量を低減できる。また、本発明装置では、プレート外周縁にテーパ角を付与しているので、プレート表面に第１の流体の濡れ面が形成しやすくなり、これによって、一層熱伝達性能を向上できる。 In the apparatus of the present invention, the first fluid is a liquid, the first fluid is stored in the internal space of the hollow container, and the lower part of the plate polymer is disposed so as to be immersed in the first fluid. A spray nozzle for spraying at least a part of the first fluid toward the plate polymer may be disposed above the plate polymer. By providing this spray nozzle, the heat transfer performance between the first fluid and the second fluid can be enhanced.
Thereby, the filling amount of the first fluid into the hollow container can be reduced. Further, in the device of the present invention, since the taper angle is given to the outer peripheral edge of the plate, it becomes easy to form the wet surface of the first fluid on the plate surface, thereby further improving the heat transfer performance.

本発明装置において、第１の流体が冷媒液であり、冷媒循環路に圧縮機、凝縮器、減圧装置及び蒸発器が介設されて、冷凍サイクルを構成する冷凍装置に、満液式蒸発器として組み込まれているとよい。本発明のシェルアンドプレート式熱交換器は、熱伝達性能を向上できるので、冷凍サイクルを構成する冷凍装置に満液式蒸発器として用いれば、冷凍装置のＣＯＰを向上できる。
また、満液式蒸発器は、飽和状態の冷媒ガスを圧縮機に送るため、蒸発器出口側の冷媒の過熱度調整を必要としない。そのため、温度式膨張弁等の自動膨張弁を備える必要がなく、設備コストを低減できる。 In the apparatus of the present invention, the first fluid is a refrigerant liquid, and a compressor, a condenser, a pressure reducing device, and an evaporator are interposed in the refrigerant circulation path, and the full liquid evaporator is installed in the refrigeration apparatus constituting the refrigeration cycle. It is good to be incorporated as. Since the shell-and-plate heat exchanger of the present invention can improve the heat transfer performance, the COP of the refrigeration apparatus can be improved if it is used as a full liquid evaporator in the refrigeration apparatus constituting the refrigeration cycle.
Further, since the full-liquid evaporator sends the saturated refrigerant gas to the compressor, the superheat degree adjustment of the refrigerant on the evaporator outlet side is not required. Therefore, it is not necessary to provide an automatic expansion valve such as a temperature expansion valve, and the equipment cost can be reduced.

前記冷凍装置において、冷媒液がＮＨ_３であるとよい。ＮＨ_３は比熱比κ（＝ｃ_ｐ／ｃ_ｖ）が１．３１と他の冷媒より大きいため、過熱されると、膨張し、単位体積当りの循環重量が減少する。そのため、冷却性能が低下する。しかし、満液式蒸発器を備えた冷凍装置では、満液式蒸発器の出口側でＮＨ_３が過熱されないので、ＮＨ_３の劣化が生じない。また、本発明装置を用いれば、ＮＨ_３の循環量を低減しても、熱伝達性能を高く維持できるので、ＮＨ_３の循環量減少の影響を抑制できる。 In the refrigeration apparatus, the refrigerant liquid may be NH ₃ . NH ₃ has a specific heat ratio κ (= c _p / c _v ) of 1.31, which is larger than that of other refrigerants. Therefore, when heated, the NH ₃ expands and the circulation weight per unit volume decreases. Therefore, the cooling performance is reduced. However, in a refrigeration apparatus equipped with a full liquid evaporator, NH ₃ is not overheated on the outlet side of the full liquid evaporator, so that NH ₃ does not deteriorate. Further, if the apparatus of the present invention is used, even if the circulation amount of NH ₃ is reduced, the heat transfer performance can be maintained high, so that the influence of a decrease in the circulation amount of NH ₃ can be suppressed.

本発明装置によれば、中空容器と、該中空容器の内部に配設され、表裏面に流路形成用凹凸を有する多数のプレートが重ね合わされたプレート重合体とを備え、各プレートの同一部位に穿設された孔によってプレート重合体を貫通する流路が形成され、プレート外周縁及び該孔を形成するプレート内周縁を各プレート間で選択的に接合し、中空容器の内部空間に連通した第１の流体通路と、該内部空間に対して閉鎖され前記貫通流路に連通した第２の流体通路を各プレート間に交互に形成してなり、中空容器の内部空間から第１の流体通路を通る第１の流体と、前記貫通流路から第２の流体通路を通る第２の流体とをプレートを介して熱交換させるようにしたシェルアンドプレート式熱交換器において、プレート外周縁及びプレート内周縁が前記流路形成用凹凸を形成した部位と一体の平坦な環状の板状体で構成され、隣接したプレートに形成され対面した位置にあって互いに接合される板状体が、端側に向かって互いに接近する方向に傾斜したテーパ面を有するように形成され、該板状体の端側が互いに固着されてなるので、端側の固着時に、端側が確実に互いに溶接し合い、かつ押圧し合うようになり、これによって、プレートのプレス成形時に発生する歪や残留応力を押え込むことができ、かつ板状体の逆そりをなくすことができる。そのため、板状体の端部間の固着を常に問題なく行なうことができると共に、板状体にテーパ角をもたせることにより、プレート重合体の剛性を高めることができる。 According to the apparatus of the present invention, a hollow container and a plate polymer disposed inside the hollow container and overlaid with a large number of plates having flow path forming irregularities on the front and back surfaces, the same part of each plate A flow path penetrating the plate polymer is formed by the holes drilled in the plate, and the outer periphery of the plate and the inner periphery of the plate forming the hole are selectively joined between the plates and communicated with the internal space of the hollow container. A first fluid passage and a second fluid passage which is closed with respect to the internal space and communicates with the through-flow passage are alternately formed between the plates, and the first fluid passage is formed from the internal space of the hollow container. A shell-and-plate heat exchanger in which heat exchange is performed between the first fluid passing through the second fluid passage and the second fluid passing through the second fluid passage from the through flow path through the plate. The inner periphery is The plate-shaped body that is composed of a flat annular plate body integrated with the portion where the unevenness for forming the flow path is formed, is formed on the adjacent plate and is opposed to each other, toward the end side. It is formed to have tapered surfaces that are inclined in the direction of approaching each other, and the end sides of the plate-like body are fixed to each other, so that the end sides are reliably welded and pressed together when the end sides are fixed. Thus, distortion and residual stress generated during press forming of the plate can be suppressed, and reverse warping of the plate-like body can be eliminated. Therefore, it is possible to always fix the end portions of the plate-like body without any problem, and it is possible to increase the rigidity of the plate polymer by giving the plate-like body a taper angle.

本発明装置の一実施形態に係るシェルアンドプレート式熱交換器の正面視断面図である。It is front sectional drawing of the shell and plate type heat exchanger which concerns on one Embodiment of this invention apparatus. 前記シェルアンドプレート式熱交換器の側面視断面図である。It is a side view sectional view of the shell and plate type heat exchanger. 前記シェルアンドプレート式熱交換器のプレート外周縁を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the plate outer periphery of the said shell and plate type heat exchanger. 前記シェルアンドプレート式熱交換器のプレート内周縁を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the plate inner periphery of the said shell and plate type heat exchanger. プレート外周縁又はプレート内周縁の溶接手順を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the welding procedure of a plate outer periphery or a plate inner periphery. プレートの溶接端で逆そりが発生した状態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the state which the reverse warp generate | occur | produced at the welding end of the plate. プレート外周縁又はプレート内周縁のテーパ角が過大な場合を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the case where the taper angle of a plate outer periphery or a plate inner periphery is excessive. 前記シェルアンドプレート式熱交換器のプレート外周縁の実験データを示す線図である。It is a diagram which shows the experimental data of the plate outer periphery of the said shell and plate type heat exchanger. 前記シェルアンドプレート式熱交換器のプレート内周縁の実験データを示す線図である。It is a diagram which shows the experimental data of the plate inner periphery of the said shell and plate type heat exchanger. 前記シェルアンドプレート式熱交換器の別な実験データを示す線図である。It is a diagram which shows another experimental data of the said shell and plate type heat exchanger. 前記シェルアンドプレート式熱交換器の別な実験データを示す線図である。It is a diagram which shows another experimental data of the said shell and plate type heat exchanger. 従来のシェルアンドプレート式熱交換器の一構成例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the example of 1 structure of the conventional shell and plate type heat exchanger. プレート重合体の製造手順を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the manufacture procedure of a plate polymer.

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to embodiments shown in the drawings. However, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the component parts described in this embodiment are not intended to limit the scope of the present invention to that unless otherwise specified.

本発明装置をＮＨ_３／ＣＯ_２冷凍装置のＣＯ_２液化器に適応した一実施形態を図１〜図７に基づいて説明する。まず、図１及び図２により、本実施形態に係るＣＯ_２液化器１０の構成を説明する。ＣＯ_２液化器１０は、ＮＨ_３／ＣＯ_２冷凍装置に満液式蒸発器（カスケードコンデンサ）として組み込まれている。このＣＯ_２液化器１０では、一次冷媒であるＮＨ_３と、二次冷媒であるＣＯ_２とが熱交換され、ＮＨ_３が吸熱して蒸発し、一方ＣＯ_２が液化する。 One embodiment in which the device of the present invention is applied to a CO ₂ liquefier of an NH ₃ / CO ₂ refrigerating apparatus will be described with reference to FIGS. First, the configuration of the CO ₂ liquefier 10 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2. The CO ₂ liquefier 10 is incorporated as a full liquid evaporator (cascade condenser) in the NH ₃ / CO ₂ refrigeration apparatus. In the CO ₂ liquefier 10, NH ₃ as a primary refrigerant and CO _{2 as a} secondary refrigerant are heat-exchanged, and NH ₃ absorbs heat and evaporates, while CO ₂ is liquefied.

図１及び図２において、円筒形状を有する中空容器１２の内部にプレート重合体１４が収容されている。プレート重合体１４は、円板状の多数のプレート１６が重合されて円筒形状に形成されている。中空容器１２の底部に、ＮＨ_３冷媒液が流入する入口管１８が設けられ、中空容器１２の頂部に、気化したＮＨ_３冷媒ガスが流出する出口管２０が設けられている。 1 and 2, a plate polymer 14 is accommodated in a hollow container 12 having a cylindrical shape. The plate polymer 14 is formed in a cylindrical shape by superposing a large number of disk-like plates 16. An inlet pipe 18 into which the NH ₃ refrigerant liquid flows is provided at the bottom of the hollow container 12, and an outlet pipe 20 through which the vaporized NH ₃ refrigerant gas flows out is provided at the top of the hollow container 12.

図１３に示すプレート１３０のように、プレート１６の外形は、円形をなし、波形断面を有する直線状の凹凸が並列に形成されている。また、プレート１６は、その外周縁１６ａの近傍で、かつ中心点から１８０°位相がずれた位置に、孔２２及び２４が穿設されている。各プレート１６の外周縁１６ａ及び孔２２、２４の内周縁２２ａ、２４ａは平坦な環状の板状体に形成され、これらを除く領域は、波形凹凸１６ｂが形成されている。プレート重合体１４は、かかるプレート１６が多数重合されて構成されている。 Like the plate 130 shown in FIG. 13, the external shape of the plate 16 is circular, and linear unevenness | corrugation which has a waveform cross section is formed in parallel. The plate 16 has holes 22 and 24 in the vicinity of the outer peripheral edge 16a and at a position 180 degrees out of phase with the center point. The outer peripheral edge 16a of each plate 16 and the inner peripheral edges 22a and 24a of the holes 22 and 24 are formed in a flat annular plate-like body, and corrugated irregularities 16b are formed in the areas excluding these. The plate polymer 14 is configured by polymerizing a large number of such plates 16.

各プレート１６の同一部位に孔２２及び２４が穿設され、これら孔の内周縁２２ａ、２４ａが互いに接合されるため、プレート重合体１４には、プレート重合体１４を貫通する方向に流路２６及び２８が形成されている。中空容器１２の側壁には、孔２２に相対する位置に、ＣＯ_２冷媒が流入する入口管３０が設けられ、入口管３０は、中空容器１２の側壁を貫通して直接貫通流路２６に接続されている。また、孔２４に相対する位置にＣＯ_２冷媒液が流出する出口管３２が設けられ、出口管３２は中空容器１２の隔壁を貫通して貫直接通流路２８に接続されている。プレート重合体１４は、図示省略の支持具によって中空容器１４の内部に固定されている。 Since holes 22 and 24 are formed in the same part of each plate 16 and inner peripheral edges 22a and 24a of these holes are joined to each other, a flow path 26 is provided in the plate polymer 14 in a direction penetrating the plate polymer 14. And 28 are formed. In the side wall of the hollow container 12, an inlet pipe 30 into which CO ₂ refrigerant flows is provided at a position opposite to the hole 22, and the inlet pipe 30 passes through the side wall of the hollow container 12 and is directly connected to the through channel 26. Has been. Further, an outlet pipe 32 through which the CO ₂ refrigerant liquid flows out is provided at a position opposite to the hole 24, and the outlet pipe 32 passes through the partition wall of the hollow container 12 and is connected to the through-flow passage 28. The plate polymer 14 is fixed inside the hollow container 14 by a support (not shown).

図１３のプレート重合体１４２と同様に、各プレート１６間には、中空容器１２の内部空間ｓ１に開放された通路と、入口管３０から貫通流路２６、２８を経て出口管３２に至り、内部空間ｓ１に対して閉鎖された通路とが交互に形成されている。 Similar to the plate polymer 142 in FIG. 13, between each plate 16, the passage opened to the internal space s <b> 1 of the hollow container 12, and the inlet pipe 30 through the through flow passages 26 and 28 to the outlet pipe 32, The passages closed with respect to the internal space s1 are alternately formed.

中空容器１４の内部空間ｓ１の上部領域には、中空容器１２の長手方向にノズル管３６が配設され、該ノズル管３６の下部に、長手方向に配置され下方に開口した多数のノズル口３８が穿設されている。ノズル口３８が中空容器１２の外部に導出された管路４０には、ＮＨ_３冷媒液管４２が接続されている。また、入口管１８とＮＨ_３冷媒液管４２とを接続したＮＨ_３冷媒液管４４が設けられている。 In the upper region of the internal space s1 of the hollow container 14, a nozzle tube 36 is disposed in the longitudinal direction of the hollow container 12, and a plurality of nozzle ports 38 that are disposed in the longitudinal direction and open downward in the lower portion of the nozzle tube 36. Is drilled. An NH ₃ refrigerant liquid pipe 42 is connected to the pipe line 40 through which the nozzle port 38 is led out of the hollow container 12. Further, an NH ₃ refrigerant liquid pipe 44 connecting the inlet pipe 18 and the NH ₃ refrigerant liquid pipe 42 is provided.

かかる構成において、図示省略のＮＨ_３／ＣＯ_２冷凍装置の凝縮器から出たＮＨ_３冷媒液は、ＮＨ_３冷媒液管４２及び管路４０を介してノズル管３６に供給される。凝縮器の下流側のＮＨ_３冷媒循環路に中間冷却器やエコノマイザー冷却器が設けられている冷凍装置の場合には、これらの冷却器から出たＮＨ_３冷媒液が、ＮＨ_３冷媒液管４２を介してノズル管３６に供給される。ＮＨ_３冷媒液を、一旦ＮＨ_３冷媒液管４４を介して中空容器１２の内部空間ｓ１に供給し、内部空間ｓ１の下方領域に貯留されたＮＨ_３冷媒液Ｎを、ＮＨ_３冷媒液管４４及び４２を介してノズル管３６に循環するようにしてもよい。ノズル管３６に供給されたＮＨ_３冷媒液は、ノズル口３８からプレート重合体１４に噴霧される。 In such a configuration, the NH ₃ refrigerant liquid exiting from the condenser of the NH ₃ / CO ₂ refrigeration apparatus (not shown) is supplied to the nozzle pipe 36 via the NH ₃ refrigerant liquid pipe 42 and the conduit 40. In the case of a refrigeration apparatus in which an intermediate cooler or an economizer cooler is provided in the NH ₃ refrigerant circulation path downstream of the condenser, the NH ₃ refrigerant liquid discharged from these coolers is converted into an NH ₃ refrigerant liquid pipe. It is supplied to the nozzle tube 36 through 42. The NH ₃ refrigerant liquid is temporarily supplied to the internal space s1 of the hollow container 12 through the NH ₃ refrigerant liquid pipe 44, and the NH ₃ refrigerant liquid N stored in the lower region of the internal space s1 is supplied to the NH ₃ refrigerant liquid pipe 44. And 42 may be circulated to the nozzle tube 36. The NH ₃ refrigerant liquid supplied to the nozzle tube 36 is sprayed onto the plate polymer 14 from the nozzle port 38.

ノズル口３８からプレート重合体１４に噴霧されたＮＨ_３冷媒液は、内部空間ｓ１に開放されたプレート１６間の通路を通る。一方、ＣＯ_２冷媒は、入口管３０から貫通流路２６に流入し、内部空間ｓ１に対して閉鎖されたプレート１６間の通路を通り、貫通流路２８を経て出口管３２から流出する。ＮＨ_３冷媒液とＣＯ_２冷媒とは、プレート１６を介して互いに熱交換し、ＮＨ_３冷媒液は吸熱して気化し、出口管２０から流出する。一方、ＣＯ_２冷媒は液化し、出口管３２から流出する。 The NH ₃ refrigerant liquid sprayed on the plate polymer 14 from the nozzle port 38 passes through a passage between the plates 16 opened to the internal space s1. On the other hand, the CO ₂ refrigerant flows into the through channel 26 from the inlet pipe 30, passes through the passage between the plates 16 closed with respect to the internal space s 1, and flows out from the outlet pipe 32 through the through channel 28. The NH ₃ refrigerant liquid and the CO ₂ refrigerant exchange heat with each other via the plate 16, and the NH ₃ refrigerant liquid absorbs heat and vaporizes, and flows out from the outlet pipe 20. On the other hand, the CO ₂ refrigerant liquefies and flows out from the outlet pipe 32.

次に、図３及び図４により、プレート重合体１４の構成を説明する。図３は、先端部が互いに溶接されるプレート１６の外周縁１６ａを示す。外周縁１６ａは波形凹凸１６ｂと一体の平坦な環状の板状体をなす。該板状体は、プレート外方に向かって互いに接近するテーパ面４６を形成している。テーパ面４６は、プレート面に平行な面ｈに対して、テーパ角αをもつ。 Next, the configuration of the plate polymer 14 will be described with reference to FIGS. 3 and 4. FIG. 3 shows the outer peripheral edge 16a of the plate 16 whose tips are welded together. The outer peripheral edge 16a forms a flat annular plate that is integral with the corrugated irregularities 16b. The plate-like body forms tapered surfaces 46 that approach each other toward the outside of the plate. The taper surface 46 has a taper angle α with respect to a surface h parallel to the plate surface.

図４は、先端が互いに接合されるプレート１６の内周縁２２ａ又は２４ａを示す。内周縁２２ａ又は２４ａは、波形凹凸１６ｂと一体の平坦な環状の板状体をなすと共に、孔２２又は２４側に向かって互いに接近するテーパ面４８を形成している。テーパ面４８は、プレート面に平行な面ｈに対して、テーパ角βをもつ。 FIG. 4 shows the inner peripheral edge 22a or 24a of the plate 16 whose tips are joined together. The inner peripheral edge 22a or 24a forms a flat annular plate body integrated with the corrugated irregularities 16b, and forms a tapered surface 48 that approaches each other toward the hole 22 or 24 side. The tapered surface 48 has a taper angle β with respect to a surface h parallel to the plate surface.

図５に、外周縁１６ａ又は内周縁２２ａ、２４ａの溶接手順を示す。図５において、互いに接合される外周縁１６ａ又は内周縁２２ａ、２４ａを両側からプレート押え冶具５０，５０で挟み押圧する。そして、テーパ面４６、４６同士又はテーパ面４８、４８同士を接触させ固定した状態で、プラズマアーク溶接により、板状体の端部ｗを溶接する。 In FIG. 5, the welding procedure of the outer periphery 16a or the inner periphery 22a, 24a is shown. In FIG. 5, the outer peripheral edge 16a or the inner peripheral edges 22a, 24a to be joined to each other are sandwiched and pressed by plate pressing jigs 50, 50 from both sides. And the edge part w of a plate-shaped object is welded by plasma arc welding in the state which contacted and fixed taper surfaces 46 and 46 or taper surfaces 48 and 48.

プラズマアーク溶接は、ＴＩＧ溶接等と比べて、アークの指向性が高く、アークをピンポイントで集中できる。そのため、ビード幅が狭く、熱集中性が良いため、溶接不良がなく、かつ高速溶接が可能であると共に、歪の少ない溶接が可能になる。プレート重合体１４は、溶接箇所が多数あるので、プラズマアーク溶接を用い、高速溶接が可能になることで、プレート重合体１４の製造工期を短縮できるという利点がある。 Plasma arc welding has higher arc directivity than TIG welding and the like, and the arc can be concentrated at a pinpoint. Therefore, since the bead width is narrow and the heat concentration is good, there is no welding failure, high-speed welding is possible, and welding with less distortion is possible. Since the plate polymer 14 has a large number of welding locations, plasma arc welding is used and high-speed welding is possible, which has the advantage that the manufacturing period of the plate polymer 14 can be shortened.

また、プレート１６は複雑な形状に鍛造されるため、歪が発生しやすい。そのため、溶接歪が発生しにくいプラズマアーク溶接を採用することで、歪を低減できるという利点がある。さらに、プラズマアーク溶接は、ＴＩＧ溶接等と比べて、入熱量が少ないので、母材の熱歪、熱応力の発生や、変質、劣化を低減できるという利点がある。 Further, since the plate 16 is forged into a complicated shape, distortion is likely to occur. Therefore, there is an advantage that distortion can be reduced by adopting plasma arc welding in which welding distortion hardly occurs. Furthermore, since plasma arc welding has a smaller amount of heat input than TIG welding or the like, there is an advantage that generation of thermal strain and thermal stress of the base material, alteration and deterioration can be reduced.

従来、図６に示すように、プレート１６は、プレス成形後に発生する歪やスプリングバック等によって、板状体に逆そり５２が発生し、板状体間に隙間が発生する場合があった。プラズマアーク溶接は、アークがピンポイントで集中するため、逆そり５２が発生すると、アークによる材料への入熱が不安定となり、溶接不良が発生しやすい。
本実施形態では、プレート外周縁１６ａ又は内周縁２２ａ、２４ａをテーパ面４６又は４８とし、溶接時に、プレート押え冶具５０，５０で両側から押圧し、端部ｗを互いに当接かつ押圧し合うようにすることにより、この逆そり５２をなくすことができる。 Conventionally, as shown in FIG. 6, the plate 16 sometimes has a reverse warp 52 in the plate-like body due to distortion, springback, or the like that occurs after press molding, and a gap may be generated between the plate-like bodies. In the plasma arc welding, since the arc is concentrated at a pin point, if the reverse warp 52 occurs, heat input to the material by the arc becomes unstable, and a welding failure is likely to occur.
In the present embodiment, the outer peripheral edge 16a or the inner peripheral edge 22a, 24a of the plate is a tapered surface 46 or 48, and during welding, the plate pressing jigs 50, 50 are pressed from both sides so that the ends w come into contact with and press each other. Therefore, the reverse warp 52 can be eliminated.

即ち、プレート外周縁１６ａでは、板状体のテーパ角αを１．５度以上とすることで、外周縁１６ａの板状体端部ｗ間の接触を確実にし、逆そり５２を確実に防止できる。これによって、溶接不良を無くすことができる。また、テーパ面４６を形成することで、並行面の場合よりもプレート重合体１４の剛性を高めることもできる。 That is, at the plate outer peripheral edge 16a, the plate body has a taper angle α of 1.5 degrees or more to ensure contact between the plate-like body end portions w of the outer peripheral edge 16a and to prevent the reverse warp 52 reliably. it can. Thereby, welding defects can be eliminated. Further, by forming the tapered surface 46, the rigidity of the plate polymer 14 can be increased as compared with the parallel surface.

図７に示すように、テーパ角αが２．０度を超えると、溶接時に、プレート押え冶具５０，５０により、事前に板状体を過荷重で圧着する必要が生じる。このとき、板状体の押圧固定が不良になり、これによって、接着不良が生じたり、あるいは不適合変形による残留応力が発生するおそれがある。そのため、テーパ角αを１．５〜２．０度にするのがよい。 As shown in FIG. 7, when the taper angle α exceeds 2.0 degrees, it is necessary to press the plate-like body in advance with an overload by the plate pressing jigs 50 and 50 during welding. At this time, the pressing and fixing of the plate-like body becomes defective, which may result in poor adhesion or residual stress due to incompatible deformation. Therefore, the taper angle α is preferably set to 1.5 to 2.0 degrees.

また、テーパ面４６のプレート半径方向幅Ｗを少なくとも２ｍｍ確保し、かつプレート面直径に対するプレート半径方向幅Ｗの寸法比Ｐ（プレート半径方向幅Ｗ／プレート直径）が、Ｐ＝０．００４〜０．００９となるように設定している。プレート半径方向幅Ｗを２ｍｍ以上とし、Ｐ≧０．００４とすることにより、プレート外周縁１６ａの溶接に必要な強度と溶接による良好な接着性を付与することができると共に、プレート重合体１４の剛性を高めることができる。一方、外周縁１６ａの強度の面では、Ｐ＞０．００９とする必要はなく、逆に、Ｐ＞０．００９とすると、プレート間に形成される冷媒通路の領域が小さくなるので、冷媒間の熱伝達性能が低下する。 In addition, a plate radial direction width W of the tapered surface 46 is secured at least 2 mm, and a dimension ratio P of the plate radial direction width W to the plate surface diameter (plate radial direction width W / plate diameter) is P = 0.004-0. .009 is set. By setting the plate radial direction width W to 2 mm or more and P ≧ 0.004, the strength necessary for welding the plate outer peripheral edge 16a and good adhesion by welding can be provided, and the plate polymer 14 Stiffness can be increased. On the other hand, in terms of the strength of the outer peripheral edge 16a, it is not necessary to set P> 0.009. Conversely, if P> 0.009, the region of the refrigerant passage formed between the plates becomes small, so The heat transfer performance of is reduced.

プレート１６の内周縁２２ａ、２４ａは、周長も短く、プレート成形後の歪は少ない。そのため、テーパ面４８のテーパ角βは、１．０度以下とすることで、溶接時の逆そり５２を無くすことができる。逆そり５２が発生しなければ、テーパ角β＝０でもよい。しかし、プレート成形後の歪等を考慮すれば、逆そり５２を確実に無くすためには、テーパ角βを０．１以上とするのがよい。また、テーパ角βが１，０度を超えると、外周縁１６ａと同様に、前述した不具合いが生じるので、テーパ角β≦１．０とするのがよい。 The inner peripheral edges 22a and 24a of the plate 16 have a short peripheral length, and there is little distortion after forming the plate. Therefore, by setting the taper angle β of the tapered surface 48 to 1.0 ° or less, the reverse warp 52 during welding can be eliminated. If the reverse warp 52 does not occur, the taper angle β = 0 may be used. However, considering the distortion after plate forming, the taper angle β is preferably set to 0.1 or more in order to eliminate the reverse warp 52 with certainty. Further, when the taper angle β exceeds 1,0 degrees, the above-described problems occur as in the outer peripheral edge 16a. Therefore, it is preferable that the taper angle β ≦ 1.0.

また、本実施形態では、中空容器１２の内部空間ｓ１で、ノズル口３８からＮＨ_３冷媒液をプレート重合体１４に向けて噴射するようにしているので、ＮＨ_３冷媒液Ｎを中空容器１２の内部空間ｓ１に貯留するだけの方式より、ＮＨ_３冷媒液とＣＯ_２冷媒との熱交換効率を向上できる。さらに、本実施形態では、プレート１６の外周縁１６ａにテーパ面４６が形成されているので、平行面の場合よりもプレート１６にＮＨ_３冷媒液の濡れ面を形成しやすくなると共に、付着時間を長期化できる。そのため、ＮＨ_３冷媒液とＣＯ_２冷媒との熱交換効率をさらに向上できる。 Further, in the present embodiment, the hollow container 12 in the interior space s1, since so as to jetted from the nozzle orifice 38 the NH ₃ refrigerant liquid to the plate polymer 14, the NH ₃ refrigerant liquid N of the hollow vessel 12 The heat exchange efficiency between the NH ₃ refrigerant liquid and the CO ₂ refrigerant can be improved by the method of only storing in the internal space s1. Further, in this embodiment, since the tapered surface 46 is formed on the outer peripheral edge 16a of the plate 16, it is easier to form a wet surface of the NH ₃ refrigerant liquid on the plate 16 than in the case of a parallel surface, and the adhesion time is reduced. Can be extended. Therefore, the heat exchange efficiency between the NH ₃ refrigerant liquid and the CO ₂ refrigerant can be further improved.

また、本実施形態では、一次冷媒としてＮＨ_３を用い、ＣＯ_２液化器１０を満液式蒸発器としている。満液式蒸発器は、飽和冷媒ガスを圧縮機に送るので、蒸発器出口側の冷媒の過熱度調整を必要としない。そのため、温度式膨張弁等の自動膨張弁を備える必要がなく、設備コストを低減できる。 In the present embodiment, NH ₃ is used as a primary refrigerant, and the CO ₂ liquefier 10 is a full liquid evaporator. The full-liquid evaporator does not require adjustment of the superheat degree of the refrigerant on the outlet side of the evaporator because the saturated refrigerant gas is sent to the compressor. Therefore, it is not necessary to provide an automatic expansion valve such as a temperature expansion valve, and the equipment cost can be reduced.

また、ＮＨ_３は比熱比κ（＝ｃ_ｐ／ｃ_ｖ）が１．３１と他の冷媒より大きい。そのため、ＮＨ_３は過熱されると、膨張し、単位体積当りの循環重量が減少すると共に、冷却性能が低下する。本実施形態では、ＣＯ_２液化器１０が満液式であるため、ＮＨ_３が過熱されない。そのため、ＮＨ_３冷媒の劣化が生じない。また、前述のように、ＮＨ_３冷媒の循環重量が低減しても、熱伝達性能を高く維持できるので、ＮＨ_３冷媒の循環量低減の影響を抑制できる。 NH ₃ has a specific heat ratio κ (= c _p / c _v ) of 1.31, which is larger than that of other refrigerants. Therefore, when NH ₃ is overheated, it expands, the circulation weight per unit volume decreases, and the cooling performance decreases. In this embodiment, since the CO ₂ liquefier 10 is a full liquid type, NH ₃ is not overheated. Therefore, the NH ₃ refrigerant does not deteriorate. Further, as described above, even if the circulation weight of the NH ₃ refrigerant is reduced, the heat transfer performance can be maintained high, so that the influence of the reduction in the circulation amount of the NH ₃ refrigerant can be suppressed.

（実施例１）
プレート１６がステンレス製（ＳＵＳ３１６Ｌ）であり、プレート１６の直径が５００ｍｍ、貫通流路２６，２８の直径が１００ｍｍ、厚さ０．８ｍｍであり、このプレートを用いて、逆そり発生率及び溶接不良発生率を計測した結果を、図８及び図９に示す。図８はプレート外周縁の計測結果であり、図９はプレート内周縁の計測検出結果である。 Example 1
The plate 16 is made of stainless steel (SUS316L), the diameter of the plate 16 is 500 mm, the diameter of the through-flow passages 26 and 28 is 100 mm, and the thickness is 0.8 mm. The results of measuring the incidence are shown in FIGS. FIG. 8 shows the measurement result of the outer periphery of the plate, and FIG. 9 shows the measurement detection result of the inner periphery of the plate.

図８及び図９において、曲線イは逆そり発生率を示し、曲線ロは溶接不良発生率を示す。図８において、テーパ角αが１．８度以下では、テーパ角αの増加に対して、逆そり発生率及び溶接不良発生率は低下するが、テーパ角αが１．８度以上では、溶接不良発生率が増加し始めている。この理由は、テーパ角αが大きいと、溶接時にプレート押え冶具５０による板状体の固定に不良が発生し、これが溶接不良発生率の増加をもたらしているものと思料される。図８から、テーパ角α＝１．５〜２．０度のときに、溶接不良発生率を最も低減できることがわかる。 In FIGS. 8 and 9, the curve A indicates the reverse warp occurrence rate, and the curve B indicates the welding failure occurrence rate. In FIG. 8, when the taper angle α is 1.8 degrees or less, the reverse warpage occurrence rate and the welding failure occurrence rate decrease as the taper angle α increases, but when the taper angle α is 1.8 degrees or more, the welding is reduced. The defect rate is starting to increase. The reason for this is considered to be that when the taper angle α is large, a defect occurs in fixing the plate-like body by the plate pressing jig 50 during welding, which leads to an increase in the incidence of welding defects. From FIG. 8, it can be seen that when the taper angle α is 1.5 to 2.0 degrees, the welding failure occurrence rate can be reduced most.

図９も図８と略同様の傾向を示している。即ち、テーパ角βが０．６度以下では、テーパ角βの増加に対して、逆そり発生率及び溶接不良発生率は低下するが、テーパ角βが０．６度以上では、溶接不良発生率が増加し始めている。この理由は、プレート外周縁の場合と略同様の理由によると思料される。図９から、テーパ角β＝０．１〜１．０度のときに、溶接不良発生率を最も低減できることがわかる。 FIG. 9 shows the same tendency as FIG. That is, when the taper angle β is 0.6 degrees or less, the reverse warpage occurrence rate and the weld failure occurrence rate decrease as the taper angle β increases, but when the taper angle β is 0.6 degrees or more, welding failure occurs. The rate is starting to increase. The reason is considered to be substantially the same as the case of the outer periphery of the plate. From FIG. 9, it can be seen that when the taper angle β = 0.1 to 1.0 °, the welding failure occurrence rate can be reduced most.

（実施例２）
図１０は、実施例１と同じプレートを用い、このプレートで製造したプレート重合体１４において、前記寸法比Ｐ（プレート半径方向幅Ｗ／プレート直径Ｄ）の値と剛性との関係を実験により求めた結果を示す線図である。この実験データは、ＮＨ_３冷媒液の充填量を６０ｋｇとし、潤滑油としてＰＮ（相溶性油）を用い、蒸発温度が−１２〜―１３℃、凝縮温度が３３〜３５℃であり、連続３０分運転の平均値を求めたものである。 (Example 2)
FIG. 10 shows the relationship between the value of the dimension ratio P (plate radial direction width W / plate diameter D) and the rigidity of the plate polymer 14 manufactured using this plate using the same plate as in Example 1. It is a diagram which shows the result. In this experimental data, the filling amount of NH ₃ refrigerant liquid is 60 kg, PN (compatible oil) is used as the lubricating oil, the evaporation temperature is −12 to −13 ° C., the condensation temperature is 33 to 35 ° C., and the continuous 30 The average value of the minute operation is obtained.

剛性の求め方は、図３に示すように、ペアプレートの両側から荷重Ｆを加え、波形凹凸の山部ｍを互いに接触させた時に測定した力Ｆの値をもって剛性の指標とした。
図１０から、寸法比Ｐ＝０．００４〜０．００９のときに、プレート重合体１４の剛性及び熱伝達性能が、共に優れていることがわかる。 As shown in FIG. 3, the rigidity was obtained by applying a load F from both sides of the pair plate and using the value of the force F measured when the corrugated ridges m contact each other as an index of rigidity.
FIG. 10 shows that the rigidity and heat transfer performance of the plate polymer 14 are both excellent when the dimensional ratio P = 0.004 to 0.009.

（実施例３）
図１１は、ＮＨ_３／ＣＯ_２冷凍装置の満液式ＣＯ_２液化器において、熱伝達量を測定した結果を示す。図１１において、直線ハが、本実施形態のように、ＮＨ_３冷媒液の下部給液と上部散布を併用した場合であり、直線ニが下部給液のみの場合を示す。
図から、熱伝達性能が同一としたときの、必要冷媒充填重量の差を求める。例えば、熱伝達量Ｋ値がある量Ｋ_１（ｗ／ｍ^２ｋ）であるとき、必要冷媒充填重量は、上部散布併用の場合が５７ｋｇであり、下部給液のみの場合が６０ｋｇとなる。そのため、本実施形態のように、上部散布併用の場合、冷媒充填重量を５％削減できる。
なお、図２において、ＸがＮＨ_３冷媒液の充填重量が６０ｋｇのときの冷媒液面を示し、Ｙが充填重量が５０ｋｇのときの冷媒液面を示す。 (Example 3)
FIG. 11 shows the result of measuring the amount of heat transfer in the full liquid CO ₂ liquefier of the NH ₃ / CO ₂ refrigeration apparatus. In FIG. 11, a straight line C is a case where the lower liquid supply and the upper spraying of the NH ₃ refrigerant liquid are used together as in the present embodiment, and the straight line D shows a case where only the lower liquid supply is used.
From the figure, the difference in the required refrigerant charge weight when the heat transfer performance is the same is obtained. For example, when the heat transfer amount K value is a certain amount K ₁ (w / m ² k), the required refrigerant filling weight is 57 kg when the upper spraying is used together and 60 kg when only the lower liquid supply is used. Therefore, as in this embodiment, in the case of combined use with upper spraying, the refrigerant charging weight can be reduced by 5%.
In FIG. 2, X indicates the refrigerant liquid level when the filling weight of the NH ₃ refrigerant liquid is 60 kg, and Y indicates the refrigerant liquid level when the filling weight is 50 kg.

本発明によれば、溶接不良をなくし、剛性を高めたシェルアンドプレート式熱交換器を実現でき、特に、冷凍サイクルを構成する冷凍装置の蒸発器や凝縮器等に適用されて好適である。 According to the present invention, it is possible to realize a shell-and-plate heat exchanger that eliminates poor welding and has increased rigidity, and is particularly suitable for application to an evaporator, a condenser, or the like of a refrigeration apparatus that constitutes a refrigeration cycle.

１０，１００ＣＯ_２液化器
１２，１０２中空容器
１４，１０４，１４２プレート重合体
１６，１０６，１３０プレート
１６ａ、１３６プレート外周縁
１６ｂ、１３２波形凹凸
１８，３０，１０８，１１６入口管
２０、３２，１１０，１１８出口管
２２，２４，１１２，１１４，１３４孔
２２ａ、２４ａ、１３８プレート内周縁
２６，２８貫通流路
３６ノズル管
３８ノズル口
４０管路
４２，４４ＮＨ_３冷媒液管
４６，４８テーパ面
５０プレート押え冶具
５２逆そり
１２０セパレータ
１２２アフタークーラ
１４０ペアプレート
Ｆ荷重
ＮＮＨ_３冷媒液
Ｐ寸法比
Ｘ、ＹＮＨ_３冷媒液面
Ｗテーパ面幅
ａ第１の熱交換流体
ｂ第２の熱交換流体
ｍ山部
ｓ隙間
ｗ板状体端部 10, 100 CO ₂ liquefier 12, 102 Hollow container 14, 104, 142 Plate polymer 16, 106, 130 Plate 16a, 136 Plate outer peripheral edge 16b, 132 Corrugated irregularities 18, 30, 108, 116 Inlet tube 20, 32, 110, 118 Outlet pipe 22, 24, 112, 114, 134 Holes 22a, 24a, 138 Plate inner peripheral edge 26, 28 Through flow path 36 Nozzle pipe 38 Nozzle port 40 Pipe line 42, 44 NH ₃ refrigerant liquid pipe 46, 48 Taper Surface 50 Plate holding jig 52 Reverse warp 120 Separator 122 After cooler 140 Pair plate F Load N NH ₃ Refrigerant liquid P Size ratio X, Y NH ₃ Refrigerant liquid level W Tapered surface width a First heat exchange fluid b Second heat Exchange fluid m Mountain s Clearance w Plate body edge

Claims

円筒形状を有する中空容器（１２）の内部に、表裏面に波形断面を有する凹凸が並列に形成されている多数のプレートが重ね合わされたプレート重合体（１４）を備え、
前記プレート重合体（１４）を構成する各プレート（１６）は、隣接したプレートに対面した位置にあって、該各プレート（１６）は、プレート外周縁（１６ａ）と、前記プレート重合体（１４）を貫通する流路を形成する孔（２２、２４）とを有し、前記外周縁（１６ａ）及び孔（２２、２４）を形成するプレート内周縁（２２ａ、２４ａ）は平坦な環状の板状体に形成され、これらを除く領域は、波形凹凸（１６ｂ）が形成されている板状体で構成されるとともに、
該板状体は、前記プレート外周縁及び前記プレート内周縁（２２ａ、２４ａ）の,端側に向かって互いに接近する方向に傾斜したテーパ面（４６、４８）を有するように形成され、該板状体の、隣接したプレート同士のプレート外周縁及び前記プレート内周縁のテーパ面端側ｗがプラズマアーク溶接によって固着されてなり、
前記中空容器（１２）の内部空間のプレート重合体（１４）上方の中空容器上部領域に、該中空容器（１２）長手方向にノズル管（３６）が配設され、該ノズル管（３６）の下部に、長手方向に配置され下方に開口した多数のノズル口（３８）より第２の冷媒をプレート重合体に向け噴出すように構成するとともにノズル口（３８）が中空容器（１２）の外部に導出された管路（４０）に、第２の冷媒液管（４２）が接続され該第２の冷媒液が前記ノズル管（３６）間を循環するように構成し、
一方前記孔（２２、２４）によってプレート重合体（１４）を貫通する方向に第１流路（２６）及び第２流路（２８）が形成されるとともに、前記中空容器の側壁の、第１の流路（２６）に相対する位置に、第１の冷媒が流入する入口管（３０）が、又第２の流路（２８）に相対する位置に第１の冷媒液が流出する出口管（３２）が設けられていることを特徴とするシェルアンドプレート式熱交換器。 Inside the hollow container (12) having a cylindrical shape is provided with a plate polymer (14 ) in which a large number of plates having corrugated cross-sections formed in parallel on the front and back surfaces are superimposed,
Each plate (16) constituting the plate polymer (14) is in a position facing an adjacent plate, and each plate (16) includes a plate outer peripheral edge (16a) and the plate polymer (14). And the inner peripheral edge (22a, 24a) forming the outer peripheral edge (16a) and the hole (22, 24) are flat annular plates. The region excluding these is formed of a plate-like body on which corrugated irregularities (16b) are formed,
The plate-like body is formed so as to have tapered surfaces (46, 48) inclined in a direction approaching each other toward an end side of the outer peripheral edge of the plate and the inner peripheral edge (22a, 24a) of the plate. The plate outer peripheral edge of adjacent plates and the tapered surface end side w of the inner peripheral edge of the plate are fixed by plasma arc welding,
A nozzle tube (36) is arranged in the longitudinal direction of the hollow container (12) in the upper region of the hollow container above the plate polymer (14) in the internal space of the hollow container (12), and the nozzle tube (36) The second refrigerant is jetted toward the plate polymer from a number of nozzle ports (38) arranged in the longitudinal direction and opened downward in the lower part, and the nozzle port (38) is located outside the hollow container (12). The second refrigerant liquid pipe (42) is connected to the pipe line (40) led to, and the second refrigerant liquid circulates between the nozzle pipes (36).
On the other hand, a first channel (26) and a second channel (28) are formed in the direction penetrating the plate polymer (14 ) by the holes (22, 24) , and the first side wall of the hollow container The inlet pipe (30) into which the first refrigerant flows in a position opposite to the flow path (26), and the outlet pipe from which the first refrigerant liquid flows out to a position opposite to the second flow path (28). (32) A shell and plate type heat exchanger characterized by being provided.

前記出口管（３２）は中空容器（１２）の隔壁を貫通して第２の流路（２８）に接続させて構成したことを特徴とする請求項１記載のシェルアンドプレート式熱交換器。 The shell-and-plate heat exchanger according to claim 1, wherein the outlet pipe (32) is configured to pass through a partition wall of the hollow container (12) and be connected to the second flow path (28).

前記プレート外周縁で板状体のテーパ面のテーパ角がプレート面に対して１．５〜２．０度であり、前記プレート内周縁（２２ａ、２４ａ）は板状体のテーパ面のテーパ角がプレート面に対して１．０度以下であることを特徴とする請求項１に記載のシェルアンドプレート式熱交換器。 The taper angle of the tapered surface of the plate-shaped body at the outer peripheral edge of the plate is 1.5 to 2.0 degrees with respect to the plate surface, and the inner peripheral edges (22a, 24a) of the plate-shaped body are the taper angles of the tapered surface of the plate-shaped body. The shell and plate heat exchanger according to claim 1, wherein the angle is 1.0 degrees or less with respect to the plate surface.

前記プレート外周縁で板状体のプレート半径方向幅が２ｍｍ以上であり、かつプレート直径に対する該プレート半径方向幅の寸法比が０．００４〜０．００９であることを特徴とする請求項３に記載のシェルアンドプレート式熱交換器。 The plate radial width of the plate-like body is 2 mm or more at the outer peripheral edge of the plate, and the dimensional ratio of the plate radial width to the plate diameter is 0.004 to 0.009. The shell-and-plate heat exchanger described.

前記第１冷媒がＣＯ２冷媒であり、一方第２の冷媒として機能するＮＨ３冷媒の冷媒循環路に圧縮機、凝縮器、減圧装置及び蒸発器が介設されて、冷凍サイクルを構成する冷凍装置に、満液式蒸発器として組み込まれていることを特徴とする請求項１に記載のシェルアンドプレート式熱交換器。
The first refrigerant is a CO2 refrigerant, while a compressor, a condenser, a decompression device, and an evaporator are interposed in a refrigerant circulation path of an NH3 refrigerant that functions as a second refrigerant, to form a refrigeration apparatus that constitutes a refrigeration cycle. The shell and plate heat exchanger according to claim 1, wherein the shell and plate heat exchanger is incorporated as a full liquid evaporator.