JP5855611B2 - プレート熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前提記載部分によるプレート熱交換器に関する。

多くの熱交換器の用途では、高い、あるいは非常に高い設計圧力を実現すること、すなわちプレート間隙を通って流れる媒体の一方または両方の圧力を高く、あるいは非常に高くすることができるようにすることが望ましい。たとえば、ろう付けによって永久的に接合された伝熱プレートを有する上記で定義された種類のプレート熱交換器において、このような高い圧力を実現できるようにすることも望ましい。このような高い設計圧力を、外部の補強部材を設けずに実現することは困難である。

このようなプレート熱交換器の脆弱な領域は、ポートホール領域、すなわち、ポートホールのすぐ周りの領域である。このような領域が、今日使用されているプレート熱交換器内の設計圧力を決定する。しかし、ポートホール領域のある構成が設計圧力を向上させるけれども、この構成がプレート熱交換器の他の領域の強度を向上させることはなく、それゆえに、単にこの問題を他へ移したに過ぎない。

非常に高い設計圧力を必要とする用途の一例は、冷却剤として二酸化炭素を有する冷却循環路内の蒸発器用および凝縮器用のプレート熱交換器である。二酸化炭素は、この場合、フレオンのような従来の冷却剤と比べて環境面で非常に有利である。

本発明の目的は、高い設計圧力を有するプレート熱交換器、より正確には、熱交換器内を流れる少なくとも１つの媒体の圧力を非常に高くすることのできるプレート熱交換器を提供することである。

この目的は、冒頭に規定されたプレート熱交換器であって、深さが１．０ｍｍ以下であることを特徴とするプレート熱交換器によって実現される。

伝熱プレートの深さがこのように浅いと、プレートおよびプレート熱交換器の強度が改善される。伝熱プレートの深さが浅いと、伝熱領域上の山や谷などの波形部材の間の距離を短くすることができる。波形部材間の距離がこのように短いと、プレートパッケージ内の互いに隣接する伝熱プレート間の接触領域または接合領域同士の間の距離も、相対的に短くなる。したがって、深さが浅いと、接合領域間の距離が短くなり、その結果、伝熱領域上でそのような接合領域の数が増える。

本発明の一実施態様によれば、この深さは０．９ｍｍ以下であり、より好ましくは０．８５ｍｍ以下であり、さらに好ましくは０．８０ｍｍ以下である。

本発明の別の実施態様によれば、各伝熱プレートは、成形の前に、０．２≦ｔ≦０．４ｍｍの範囲の金属シート厚さｔを有する。有利なことに、金属シート厚さは約０．３ｍｍである。

本発明のさらに別の実施態様によれば、ろう付け材料は、プレート熱交換器の伝熱領域に対するろう付け体積を有しており、第１の隙間および第２の隙間はプレート熱交換器の伝熱領域に対する隙間体積を有しており、隙間体積に対するろう付け体積の割合は少なくとも０．０５である。このように、ろう付け材料の体積が比較的大きいため、伝熱プレート間の接合強度が向上し、これによりプレート熱交換器の強度が向上する。

本発明のさらに別の実施態様によれば、各伝熱プレートは長手方向の中心線を規定しており、伝熱領域は、伝熱プレートのうちの１つにおける山が、隣接する伝熱プレートの谷に当接して複数の接合領域を形成するように配置された山および谷を有する。有利なことに、山および谷は、中心線に対して傾斜角度αを形成する少なくとも１つの延長線に沿って延びており、傾斜角度αは２０°≦α≦７０°の範囲である。傾斜角度αは約４５°であることが好ましい。このような傾斜角度では、最大数の接合領域が形成され、したがって、プレートパッケージおよびプレート熱交換器の強度が高くなる。

本発明のさらに別の実施態様によれば、各山および谷の延長線は、中心線の一方の側で正の傾斜角度αを形成し、中心線の他方の側で、対応する負の傾斜角度を形成し、山および谷は中心線の所で接合領域を形成する。中心線の所にこのような接合領域を設けると、この領域における強度が高くなる。

本発明のさらに別の実施態様によれば、山は、互いにある距離離して配置されており、かつ互いに平行に延びている。有利なことに、伝熱領域上の互いに隣接する山同士の間の距離は４ｍｍ未満である。互いに隣接する山同士の間の距離がこのように短いと、上述のように有利であり、伝熱領域の所に多数の接合領域が設けられる。有利なことに、この距離は約３ｍｍであってよい。

本発明のさらに別の実施態様によれば、ポートホール領域は、第１のポートホール領域と、第２のポートホール領域と、第３のポートホール領域と、第４のポートホール領域とを有する。

本発明によるプレート熱交換器の側面図である。 図１のプレート熱交換器の平面図である。 図１のプレート熱交換器の伝熱プレートの平面図である。 図１のプレート熱交換器の伝熱プレートの他の平面図である。 図４の伝熱プレートのポートホール領域の一部の平面図である。 図１のプレート熱交換器の伝熱領域の所のいくつかの伝熱プレートの断面図である。 図１のプレート熱交換器の熱交換器の伝熱領域の一部の平面図である。 図１のプレート熱交換器のポートホールＳ１の一部の断面図である。 図１のプレート熱交換器のポートホールＳ３の一部の断面図である。 別の実施形態についての図８に示す断面と同様の断面図である。 さらに別の実施形態についての図９に示す断面と同様の断面図である。

本発明について、添付の図面を参照して様々な実施形態を説明することによって詳しく説明する。

図１および図２は、複数の伝熱プレート１と、最も外側の伝熱プレート１の近くに設けられた第１の端部プレート２と、反対側の最も外側の別の伝熱プレート１の近くに設けられた第２の端部プレート３と、を有するプレート熱交換器を示している。

伝熱プレート１は、金属シートを成形することによって作製され、互いに近くに設けられている。第１の端部プレート２、第２の端部プレート３および伝熱プレート１は、ろう付け材料によりろう付けされることによって、互いに永久的に接合され、プレートパッケージを構成している。図６に示すように、プレートパッケージは、第１の媒体用の第１のプレート隙間４と、第２の媒体用の第２のプレート隙間５と、を形成し、または有している。第１および第２の媒体は任意の適切な伝熱媒体であってよい。たとえば、第１および／または第２の媒体は、二酸化炭素であってよい。

開示されている実施形態のプレート熱交換器は、４つのポートホールＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４を有している。ポートホールＳ１は、連結管１１に連結されており、第１のプレート隙間４と連通している。ポートホールＳ２は、連結管１２に連結されており、第１のプレート隙間４と連通している。ポートホールＳ３は、連結管１３に連結されており、第２のプレート隙間５と連通している。ポートホールＳ４は、連結管１４に連結されており、第２のプレート隙間５と連通している。プレート熱交換器は、開示されたものと異なる数、たとえば２つ、３つ、５つ、６つ、７つまたは８つのポートホールを有していても良いことに留意されたい。開示されているように、連結管は、第１の端部プレート２、および／または第２の端部プレート３から延びている。

開示されている実施形態では、各伝熱プレート１は、図３のように、２つの長辺縁部１５および２つの短辺縁部１６を含む長方形状を有している。長手方向の中央軸ｘは、２つの長辺縁部１５間を長辺縁部１５に沿って平行に延び、かつ短辺縁部１６を横切って延びている。各伝熱プレート１はまた、図６のように、主延長面ｐに沿って延びている。

図３および図４を見ると分かるように、各伝熱プレート１は、第１の媒体と第２の媒体との間の主要な伝熱が生じる伝熱領域２０と、複数のポートホール領域２１〜２４とを有している。開示されている実施形態では、ポートホール領域２１〜２４は、第１のポートホール領域２１と、第２のポートホール領域２２と、第３のポートホール領域２３と、第４のポートホール領域２４とを有している。各ポートホール領域２１〜２４は、伝熱プレート１を通じてそれぞれのポートホールを囲んでいる。各ポートホールは、ポートホール縁部２５によって規定されている。

すべての領域２０〜２４は、伝熱プレート１の一方の側では、主延長面ｐから離れた位置の一次レベルｐ’と主延長面ｐから反対側に離れた位置の二次レベルｐ”との間を延びている。図６を参照されたい。図６に示されているように、伝熱プレート１の一方の側に関して、一次レベルｐ’は伝熱プレート１の上部レベルを形成し、二次レベルｐ”は伝熱プレート１の下部レベルを形成している。したがって、一次レベルｐ’は、二次レベルｐ”と比べて、第１の端部プレート２のより近くに配置されている。各伝熱プレート１は、長辺縁部１５および短辺縁部１６に沿って、伝熱プレート１の周りを延びているフランジ２６も有している。図６を見ると分かるように、フランジ２６は、主延長面ｐから二次レベルｐ”よりもより遠くまで延びている。

各伝熱プレート１は、金属シート厚さｔを有する金属シートを成形することによって作られる。金属シート厚さｔは、変えられても良く、かつ伝熱プレート１の形成後にいくらか変化することがあることに留意されたい。金属シート厚さｔは、成形前では、０．２≦ｔ≦０．４ｍｍの範囲である。有利なことに、金属シート厚さｔは、成形前に０．３ｍｍまたは約０．３ｍｍであってよい。

各伝熱プレート１は、図６のように、深さｄも有している。深さｄは、一次レベルｐ’と二次レベルｐ”との間の距離によって定められる。深さｄは、１．０ｍｍ以下、好ましくは０．９０ｍｍ以下、より好ましくは０．８５ｍｍ以下、最も好ましくは０．８０ｍｍ以下であって良い。

図３、図６および図７を見ると分かるように、伝熱領域２０は、１枚の伝熱プレート１の山２７が隣接する伝熱プレート１の谷２７’に当接して、図７に実線で示された伝熱プレート１と図７に点線で示された隣接する伝熱プレート１との間に複数の接合領域２８を形成するように配置された山２７および谷２７’の波形を有している。山２７は、互いに距離ｒ離れた位置に配置され、互いに平行に、かつ谷２７’に平行に延びている。

山２７および谷２７’は、図７のように、中心線ｘに対して傾斜角度αを形成する延長線ｅに沿って延びている。傾斜角度αは、２０°≦α≦７０°の範囲であってよい。有利なことに、傾斜角度αは、４５°または約４５°であってよい。開示されている実施形態では、各々の山２７および谷２７’の延長線ｅは、中心線ｘの一方の側で正の傾斜角度αを形成し、中心線ｘの他方の側で対応する負の傾斜角度αを形成する。図７を見ると分かるように、山２７および谷２７’はまた、中心線ｘの所に接合領域２９を形成する。さらに、互いに隣接する伝熱プレート１のフランジ２６間に、接合領域３０が形成されている。図７のように、互いに隣接する山２７同士の間、または隣接する山２７のそれぞれの中心延長線ｅ間の距離ｒは、４ｍｍ未満であってよく、あるいは約３ｍｍまたは３ｍｍであってよい。

上述のように、プレート熱交換器は、ろう付け工程の前に、伝熱プレート１間に導入されるろう付け材料によってろう付けされる。ろう付け材料は、プレート熱交換器の伝熱領域２０に関してろう付け体積を有する。プレート熱交換器の第１の隙間４および第２の隙間５は、プレート熱交換器の伝熱領域２０に関して隙間体積を有する。プレート熱交換器が高い強度を有するように、互いに隣接する伝熱プレート１間に上述の接合領域２８、２９を形成する十分に多い量のろう付け材料を与えると有利である。したがって、隙間体積に対するろう付け体積の割合は、少なくとも０．０５、少なくとも０．０６、少なくとも０．０８または少なくとも０．１であってよい。

各ポートホール領域２１〜２４は、環状の平坦な領域３１と、環状の平坦な領域３１上に配置されてポートホール縁部２５に沿って分布した１組の内側部分３２と、を有している。内側部分３２は、主延長面ｐに対して垂直方向に、環状の平坦な領域３１からずれている。各ポートホール領域２１〜２４は、内側部分３２から離れた位置に、環状の平坦な領域３１上に配置されかつ領域３１に沿って分布した１組の外側部分３３も有している。ポートホール縁部２５に隣接する内側部分３２は、外側部分３３と同じレベルまで延びるかあるいは同じレベルに配置されている。一方、環状の平坦な領域３１は、内側部分３２および外側部分３３とは異なるレベルに配置されている。より具体的には、第１のポートホール領域２１および第２のポートホール領域２２の内側部分３２および外側部分３３は、二次レベルｐ”まで延びるか、あるいは二次レベルｐ”に配置されている。一方、第１のポートホール領域２１および第２のポートホール領域２２の環状の平坦な領域３１は一次レベルｐ’に配置されている。さらに、第３のポートホール領域２３および第４のポートホール領域２４の内側部分３２および外側部分３３は、一次レベルｐ’まで延びるか、あるいは一次レベルｐ’に配置されている。一方、第３のポートホール領域２３および第４のポートホール領域２４の環状の平坦な領域３１は二次レベルｐ”に配置されている。各内側部分３２はそれぞれのレベルｐ’、ｐ”に平坦な延長部を有し、各外側部分３３はそれぞれのレベルｐ’、ｐ”に平坦な延長部を有している。このことは、第１および第２のポートホール領域２１、２２の内側部分３２および外側部分３３の平坦な延長部が二次レベルｐ”に位置し、一方で、第３のポートホール領域２３および第４のポートホール領域２４の内側部分３２および外側部分３３の平坦な延長部が一次レベルｐ’に位置していることを意味する。

このプレートパッケージでは、伝熱プレート１は、１枚おきに主延長面ｐ内で１８０°回転させられている。このことは、一方の伝熱プレート１の内側部分３２が隣接する伝熱プレート１のそれぞれの内側部分３２に隣接しかつ接合されていることを意味する。同様に、一方の伝熱プレート１の外側部分３３は、隣接する伝熱プレート１のそれぞれの外側部分３３に隣接しかつ接合されている。より具体的には、ある伝熱プレート１の第１のポートホール領域２１の内側部分３２および外側部分３３は、プレートパッケージ内の隣接する伝熱プレート１の第３のポートホール領域２３のそれぞれの内側部分３２および外側部分３３に接合されている。同様に、ある伝熱プレート１の第２のポートホール領域２２の内側部分３２および外側部分３３は、開示されている実施形態のプレートパッケージ内の隣接する伝熱プレート１の第４のポートホール領域２４のそれぞれの内側部分３２および外側部分３３に接合されている。

図５を見ると分かるように、各内側部分３２は、ポートホール縁部２５まで延びてポートホール縁部２５に隣接する内部４１を有している。さらに、各内側部分３２は、内部４１に隣接して、かつ少なくとも１８０°の角度の延長部を有する外側セグメント４２を有している。外側セグメント４２は環状の平坦な部分３１に隣接している。外側セグメント４２は、連続的な輪郭と半径Ｒとを有している。半径Ｒは、実質的に一定であり、０．８Ｒ≦Ｒ≦１．２Ｒの範囲内、より具体的には０．９Ｒ≦Ｒ≦１．１Ｒの範囲内、さらに具体的には０．９５Ｒ≦Ｒ≦１．０５Ｒの範囲内であってよい。

さらに、各外側部分３３は、環状の平坦な領域３１に隣接して少なくとも９０°、少なくとも１２０°、または少なくとも１５０°の角度の延長部を有する内側セグメント４５を有している。内側セグメント４５も、好ましくは、連続的な輪郭を有し、一定もしくは実質的に一定で、かつ０．８Ｒ≦Ｒ≦１．２Ｒの範囲、より具体的には０．９Ｒ≦Ｒ≦１．１Ｒの範囲、さらに具体的には０．９５Ｒ≦Ｒ≦１．０５Ｒの範囲内の半径Ｒ’を有してよい。

図４を見ると分かるように、各ポートホール領域２１〜２４の内側部分３２と外側部分３３はどちらも、それぞれのポートホールの周りに一様に分布している。具体的には、内側部分３２は、互いに隣接する内側部分３２間に、等しい内側の角距離を有している。外側部分３３は、互いに隣接する内側部分３３間に、等しい外側の角距離を有している。さらに、第１のポートホール領域２１および第３のポートホール領域２３の外側部分３３は、この２つのポートホール領域２１および２３の内側部分３２に対して、第１の相対的な周方向位置を有している。第２のポートホール領域２２および第４のポートホール領域２４の外側部分３３は、この２つのポートホール領域２２および２４の内側部分３２に対して、第２の相対的な周方向位置を有している。図４を見ると分かるように、第１の相対的な周方向位置は、第２の相対的な周方向位置に対して、周方向にずれており、すなわち周方向変位部を含んでいる。周方向変位部は、開示されている実施形態では、互いに隣接する外側部分３３間の等しい外側の角距離の２分の１または約２分の１に等しい。

開示されている実施形態では、各ポートホール領域２１〜２４は、９個の内側部分３２と、１８個の外側部分３３とを有している。これは内側部分３２および外側部分３３の適切な数である。開示されている実施形態では、内側の角距離は外側の角距離の約２倍である。しかし、内側部分３２の数および外側部分３３の数は開示された数と異なっていても良いことに留意されたい。

図８および図９のように、４本の連結管１１〜１４の各々は、それぞれのポートホール領域２１〜２４の１つに接合されており、平坦な部材５０を有している。各々の平坦な部材５０は、それぞれの連結管１１〜１４に取り付けられるか、あるいは連結管１１〜１４と一体的になっている、プレートパッケージに接合された取り付けフランジを形成している。すべての平坦な部材５０は、端部プレート２、３の一方と、最も外側の伝熱プレート１の１つとの間に設けられている。具体的には、開示されている実施形態では、各々の平坦な部材５０は、最も外側の伝熱プレート１の一方と第１の端部プレート２との間に設けられている。平坦な部材５０は、最も外側の伝熱プレート１および第１の端部プレート２にろう付けされている。図１、図８および図９を見ると分かるように、第１の端部プレート２の各ポートホールの周りの領域は、***部２ａで***しており、それぞれの平坦な部材５０のための空間を形成している。第１および第２のポートホールＳ１およびＳ２に関して、平坦な部材５０は、それぞれ第１のポートホール領域２１および第２のポートホール領域２２の所で最も外側の伝熱プレート１の環状の平坦な領域３１に当接しかつ接合された、平坦あるいは実質的に平坦な底面５１を有している。したがって、図８のように、環状の平坦な領域３１は一次レベルｐ’に位置している。

第３および第４のポートホールＳ３、Ｓ４に関しては、各々の平坦な部材５０は、平坦な底面５１から突き出てプレートパッケージの方へ向けられた環状の突起５２を有している。環状の突起５２は、それぞれ第３のポートホール領域２３および第４のポートホール路領域２４の所で、最も外側の伝熱プレート１の環状の平坦な領域３１にぴったりと当接している。したがって、図９のように、環状の平坦な領域３１は二次レベルｐ”に位置している。したがって、すべてのポートホールＳ１〜Ｓ４に対して、平坦な部材５０がしっかりと、かつぴったりと当接している。

第２の端部プレート３と他方の最も外側の伝熱プレート１との間に、補強座金５３を形成する平坦な部材５３が設けられている。平坦な部材５３は、連結管１１〜１４の一部を形成することはなく、それぞれのポートホールを覆っている。ポートホールＳ１、Ｓ２に対する平坦な部材５３は、平坦な部材５０と同様に、他方の最も外側の伝熱プレート１の環状の平坦な領域３１にぴったりと当接しかつ接合された、平坦あるいは実質的に平坦な底面５１を有している。ポートホールＳ３およびＳ４に対する平坦な部材５３は、他方の最も外側の伝熱プレート１の環状の平坦な領域にぴったりと当接しかつ接合された環状の突起５２を含む平坦な底面５１を有している。さらに、第２の端部プレート３は、各ポートホールの周りに***部３ａを有している。

第２の端部プレート３における代替部材または補助部材として入口および／または出口が設けられる場合、１つまたは複数の平坦な部材５３は、平坦な部材５０を有するそれぞれの連結管で置き換えられても良いことに留意されたい。

図１０および図１１は、連結管１１〜１５が雄ねじ５５を有しており、かつ平坦な部材５０が連結管１１〜１５にろう付けされるということのみが、図８および図９に開示されている実施形態とは異なる他の実施形態を開示している。このように、平坦な部材５０は、最も外側の伝熱プレート１と第１の端部プレート２との間に配置されても良い。連結管１１〜１５は、その後、プレート熱交換器のろう付けに関連して、平坦な部材５０にろう付けすべきそれぞれのポートホール内に導入される。

本発明は、開示された実施形態に限定されず、以下の特許請求の範囲内で変形し修正することができる。

Claims (8)

1. 金属シートの成形によって作られると共に互いに近くに設けられ、第１の媒体用の第１のプレート隙間（４）および第２の媒体用の第２のプレート隙間（５）を有するプレートパッケージを形成するようにろう付け材料によって互いに永久的に接合された複数の伝熱プレート（１）を有し、
   前記第１の媒体と前記第２の媒体の少なくとも一方が二酸化炭素であり、
   各々の前記伝熱プレート（１）が、伝熱領域（２０）と、ポートホール縁部（２５）によって規定されるそれぞれのポートホールを囲む複数のポートホール領域（２１〜２４）と、を形成するパターンを有し、
   各々の前記伝熱プレート（１）が主延長面（ｐ）に沿って延びており、
   前記伝熱プレートの前記領域（２０〜２４）が、前記伝熱プレート（１）の一方の側で前記主延長面（ｐ）から離れた位置の一次レベル（ｐ’）と前記主延長面（ｐ）から反対側に離れた位置の二次レベル（ｐ”）との間を延びており、
   各々の前記伝熱プレート（１）が、前記一次レベル（ｐ’）と前記二次レベル（ｐ”）との間の距離によって規定される深さ（ｄ）を有し、
   各々の前記伝熱プレート（１）は長手方向の中心線（ｘ）を規定しており、前記伝熱領域（２０）は、波形を形成する山（２７）および谷（２７’）であって、前記伝熱プレート（１）のうちの１つにおける山（２７）が隣接する伝熱プレート（１）の谷（２７’）に当接して複数の接合領域（２８）を形成するように配置された山（２７）および谷（２７’）を有する、プレート熱交換器において、
   前記深さ（ｄ）が０．９０ｍｍ以下であり、
   各々の前記伝熱プレート（１）は、成形の前に、０．２≦ｔ≦０．４ｍｍの範囲の金属シート厚さｔを有し、
   前記山（２７）および前記谷（２７’）は、前記中心線に対して傾斜角度αを形成する少なくとも１つの延長線（ｅ）に沿って延びており、前記傾斜角度αは２０°≦α≦７０°の範囲であり、
   各々の前記山（２７）および前記谷（２７’）の前記延長線（ｅ）は、前記中心線（ｘ）の一方の側で正の傾斜角度αを形成し、前記中心線（ｘ）の他方の側で、対応する負の傾斜角度αを形成し、前記山（２７）および前記谷（２７’）は前記中心線（ｘ）の所で接合領域（２９）を形成しており、
   前記山（２７）は、互いに距離（ｒ）だけ離して配置されており、かつ互いに平行に延びており、
   前記伝熱領域（２０）上で互いに隣接する前記山（２７）同士の間の前記距離（ｒ）は４ｍｍ未満である、プレート熱交換器。
2. 前記深さ（ｄ）が０．８５ｍｍ以下である、請求項１に記載のプレート熱交換器。
3. 前記深さ（ｄ）が０．８０ｍｍ以下である、請求項１に記載のプレート熱交換器。
4. 前記金属シート厚さｔは約０．３ｍｍである、請求項１から３のいずれか１項に記載のプレート熱交換器。
5. 前記ろう付け材料は前記プレート熱交換器の前記伝熱領域（２０）に対するろう付け体積を有しており、前記第１の隙間（４）および前記第２の隙間（５）は前記プレート熱交換器の前記伝熱領域（２０）に対する隙間体積を有しており、前記隙間体積に対する前記ろう付け体積の割合は少なくとも０．０５である、請求項１から４のいずれか１項に記載のプレート熱交換器。
6. 前記傾斜角度αは約４５°である、請求項１から５のいずれか１項に記載のプレート熱交換器。
7. 前記伝熱領域（２０）上で互いに隣接する前記山（２７）同士の間の前記距離（ｒ）は約３ｍｍである、請求項１から６のいずれか１項に記載のプレート熱交換器。
8. 前記ポートホール領域（２１〜２４）は、第１のポートホール領域（２１）と、第２のポートホール領域（２２）と、第３のポートホール領域（２３）と、第４のポートホール領域（２４）とを有する、請求項１から７のいずれか１項に記載のプレート熱交換器。

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