以下、本発明の具体的実施例を図面に基づいて詳細に説明する。ここでは、複数枚の伝熱プレートを上下に重ね合わせてプレート式熱交換器を製造する場合について説明するが、これは説明の便宜上であって、プレート式熱交換器の姿勢(特に使用時の姿勢)を限定する趣旨ではない。
図1は、本発明の一実施例のプレート式熱交換器を構成する二種類の伝熱プレート1,2の一例を示す概略図である。
本実施例のプレート式熱交換器は、第一伝熱プレート1と第二伝熱プレート2とが交互に複数枚(典型的には四枚以上)重ね合わされて構成される。各伝熱プレート1,2は、上下に重ね合わされて、所要箇所をレーザ溶接されつつ組み立てられる。各伝熱プレート1,2は、略矩形の金属板から構成され、板面には適宜の凹凸や穴がプレス加工され、互いに対応した外寸および板厚とされている。
各伝熱プレート1,2を構成する金属板として、従来の一般的なプレート熱交換器のものよりも薄いものを好適に用いることができる。具体的には、従来のプレート式熱交換器では、一般的に0.5〜1mmの厚さの伝熱プレートが用いられるが、本発明のプレート式熱交換器では、0.2〜0.5mm(本実施例では0.3mm)の厚さの伝熱プレート1,2を用いることもできる。
図2は、図1の左上部の積層状態を示す概略斜視図であり、第一伝熱プレート1の上に第二伝熱プレート2を重ね合わせて溶接後、さらにその上に第一伝熱プレート1を重ね合わせようとする状態を示している。また、図3は、図1の右上部の積層状態を示す概略斜視図であり、第一伝熱プレート1の上に第二伝熱プレート2を重ね合わせて溶接後、さらにその上に第一伝熱プレート1を重ね合わせようとする状態を示している。なお、各図において、符号3,4は、重ね溶接継手による溶接部(溶け込み部)を示している。
以下、図1から図3に基づき、各伝熱プレート1,2について、具体的に説明する。
まず、第一伝熱プレート1について説明する。第一伝熱プレート1は、外周部に沿って設けられる外側フランジ5と、この外側フランジ5の内側に段差をもって設けられる内側フランジ6と、両フランジ5,6を連接する連接壁7とを備える。外側フランジ5と内側フランジ6とは、平板状で平行に配置され、これらフランジ5,6に対し好ましくは垂直に、連接壁7が設けられる。
第一伝熱プレート1は略矩形状であるため、外側フランジ5は略矩形枠状とされる。外側フランジ5は、第一伝熱プレート1の外周部に沿って、所定の幅寸法で形成される。外側フランジ5の内周縁には、外側フランジ5の板面に対し略垂直に屈曲されて、連接壁7が設けられる。そして、外側フランジ5から所定寸法だけ延出した連接壁7の端部には、連接壁7に対し略垂直に屈曲されて、内側フランジ6が設けられる。内側フランジ6は、連接壁7に沿って、外周部が少なくとも略矩形枠状に形成される。つまり、内側フランジ6は、それより内側の領域と連続的に同一平面に形成される箇所があるにしても、外周部には連接壁7に沿って連続的に、少なくとも所定の幅寸法を確保した帯状の部分を有する。
図面上、第一伝熱プレート1は、水平な外側フランジ5に対し、連接壁7が垂直下方へ延出して形成され、連接壁7の下端部に、内側フランジ6が水平に形成される。このようにして、内側フランジ6は、外側フランジ5より下方において、外側フランジ5と平行に配置される。
内側フランジ6の内側には、四つのノズルフランジ8(8A,8B)と熱交換部9とが設けられる。本実施例では、略矩形枠状の内側フランジ6の内側領域の内、四隅にノズルフランジ8が設けられ、それ以外の箇所が熱交換部9とされる。図1において、第一伝熱プレート1は、左上部と右下部の各ノズルフランジ8Aが互いに同一の構成とされ、右上部と左下部の各ノズルフランジ8Bが互いに同一の構成とされる。各伝熱プレート1,2の左上部と右下部を、それぞれ第一対応位置Aといい、右上部と左下部を、それぞれ第二対応位置Bということがある。
ノズルフランジ8は、典型的には略円形状に形成され、中央部に円形状のノズル穴10が形成されている。第一伝熱プレート1は、プレス成形により、ノズル穴10が貫通形成されると共に、これ以外の箇所に凹凸が屈曲形成されて、外側フランジ5、連接壁7、内側フランジ6、ノズルフランジ8および熱交換部9が一体形成される。
第一伝熱プレート1は、第一対応位置Aにおいて、ノズルフランジ8Aが、外側フランジ5と同じ高さに形成される。つまり、第一伝熱プレート1は、第一対応位置Aのノズルフランジ8Aが、内側フランジ6よりも、上方へ突出して形成され、外側フランジ5と同一平面に配置される。
第一伝熱プレート1は、第二対応位置Bにおいて、ノズルフランジ8Bが、内側フランジ6と同じ高さに形成される。つまり、第一伝熱プレート1は、第二対応位置Bのノズルフランジ8Bが、内側フランジ6と同一平面に配置され、内側フランジ6と連続的に形成される。なお、第一対応位置Aと第二対応位置Bの各ノズルフランジ8やノズル穴10の大きさは、同一に形成される。
内側フランジ6より内側領域には、ノズルフランジ8を除いた箇所に、適宜の凹凸が形成されて熱交換部9とされる。この凹凸の形状は、特に問わないが、図示例の場合、ヘリンボーン11とされている。具体的には、図1の平面視で略逆V字形状に、凹凸が等間隔に形成されており、その各凹凸は断面略半円形状(各凹部または各凸部の延出方向と直交した断面で見た場合に略半円形状)とされている。よって、図2および図3に示すように、熱交換部9の断面は波形となる。ヘリンボーン11の下方への凹部の最下部は、内側フランジ6と同じ高さに配置され、上方への凸部の最上部は、外側フランジ5と同じ高さに配置されている。
なお、ヘリンボーン11の端部を内側フランジ6に接触するように構成し、内側フランジ6内の流路をなくすことで、ノズル穴10間の流体のショートパスを防止することができる。つまり、内側フランジ6とヘリンボーン11の端部との間に、圧力損失の少ない流路が形成されると、熱交換すべき流体の一部が、熱交換部9の外周部をショートパスするおそれがあるので、そのような不都合を防止するためである。
次に、第二伝熱プレート2について説明する。第二伝熱プレート2も、第一伝熱プレート1と同様に、外周部に沿って設けられる外側フランジ12と、この外側フランジ12の内側に段差をもって設けられる内側フランジ13と、両フランジ12,13を連接する連接壁14とを備える。外側フランジ12と内側フランジ13とは、平板状で平行に配置され、これらフランジ12,13に対し好ましくは垂直に、連接壁14が設けられる。
第二伝熱プレート2は略矩形状であるため、外側フランジ12は略矩形枠状とされる。外側フランジ12は、第二伝熱プレート2の外周部に沿って、所定の幅寸法(ここでは第一伝熱プレート1の外側フランジ5と同一の幅寸法)で形成される。外側フランジ12の内周縁には、外側フランジ12の板面に対し略垂直に屈曲されて、連接壁14が設けられる。そして、外側フランジ12から所定寸法(ここでは第一伝熱プレート1の連接壁7と同一の高さ)だけ延出した連接壁14の端部には、連接壁14に対し略垂直に屈曲されて、内側フランジ13が設けられる。内側フランジ13は、連接壁14に沿って、外周部が少なくとも略矩形枠状に形成される。つまり、内側フランジ13は、それより内側の領域と連続的に同一平面に形成される箇所があるにしても、外周部には連接壁14に沿って連続的に、少なくとも所定の幅寸法(ここでは第一伝熱プレート1の内側フランジ6と同一の幅寸法)を確保した帯状の部分を有する。
図面上、第二伝熱プレート2は、水平な外側フランジ12に対し、連接壁14が垂直上方へ延出して形成され、連接壁14の上端部に、内側フランジ13が水平に形成される。このようにして、内側フランジ13は、外側フランジ12より上方において、外側フランジ12と平行に配置される。
内側フランジ13の内側には、四つのノズルフランジ15(15A,15B)と熱交換部16とが設けられる。本実施例では、略矩形枠状の内側フランジ13の内側領域の内、四隅にノズルフランジ15が設けられ、それ以外の箇所が熱交換部16とされる。図1において、第二伝熱プレート2は、左上部と右下部の第一対応位置Aの各ノズルフランジ15Aが互いに同一の構成とされ、右上部と左下部の第二対応位置Bの各ノズルフランジ15Bが互いに同一の構成とされる。また、第一伝熱プレート1と第二伝熱プレート2とを揃えて重ね合わせた際、各伝熱プレート1,2のノズルフランジ8,15およびノズル穴10,17は、それぞれ互いに対面して配置され、しかも互いに同一の大きさで形成されている。
ノズルフランジ15は、典型的には略円形状に形成され、中央部に円形状のノズル穴17が形成されている。第二伝熱プレート2は、プレス成形により、ノズル穴17が貫通形成されると共に、これ以外の箇所に凹凸が屈曲形成されて、外側フランジ12、連接壁14、内側フランジ13、ノズルフランジ15および熱交換部16が一体形成される。
第二伝熱プレート2は、第一対応位置Aにおいて、ノズルフランジ15Aが、外側フランジ12と同じ高さに形成される。つまり、第二伝熱プレート2は、第一対応位置Aのノズルフランジ15Aが、内側フランジ13よりも、下方へ突出して形成され、外側フランジ12と同一平面に配置される。
第二伝熱プレート2は、第二対応位置Bにおいて、ノズルフランジ15Bが、内側フランジ13と同じ高さに形成される。つまり、第二伝熱プレート2は、第二対応位置Bのノズルフランジ15Bが、内側フランジ13と同一平面に配置され、内側フランジ13と連続的に形成される。なお、第一対応位置Aと第二対応位置Bの各ノズルフランジ15やノズル穴17の大きさは、同一に形成される。
内側フランジ13より内側領域には、ノズルフランジ15を除いた箇所に、適宜の凹凸が形成されて熱交換部16とされる。この凹凸の形状は、特に問わないが、図示例の場合、ヘリンボーン18とされている。具体的には、図1の平面視で略V字形状に、凹凸が等間隔に形成されており、その各凹凸は断面略半円形状(各凹部または各凸部の延出方向と直交した断面で見た場合に略半円形状)とされている。よって、図2および図3に示すように、熱交換部16の断面は波形となる。ヘリンボーン18の下方への凹部の最下部は、外側フランジ12と同じ高さに配置され、上方への凸部の最上部は、内側フランジ13と同じ高さに配置されている。
図4は、両伝熱プレート1,2を交互に重ね合わせてレーザ溶接しつつプレート式熱交換器を製造する際の概略断面図であり、図2の第一対応位置Aを示している。また、図5は、図4の左下部の拡大図である。
図4の下方二枚の伝熱プレート1,2と図5に示すように、図示例では、まず、第一伝熱プレート1の上面に第二伝熱プレート2を重ね合わせて、所要箇所を上方からレーザ溶接して接合している。この際、両伝熱プレート1,2は、揃えて、つまり互いの外周縁を一致させて重ね合わされる。これにより、両伝熱プレート1,2は、外側フランジ5,12同士が当接されると共に、第一対応位置Aのノズルフランジ8A,15A同士も当接される。なお、第一伝熱プレート1の上面に第二伝熱プレート2を重ね合わせた場合、第二対応位置Bのノズルフランジ8B,15B同士は、ノズル穴10,17の軸方向(プレート面と直交方向)に離隔して配置される(図3)。また、両伝熱プレート1,2は、熱交換部9,16のヘリンボーン11,18が、交差した状態に配置される(図1)。
両伝熱プレート1,2は、外周部に沿って連続的に(つまり環状に)、外側フランジ5,12同士がレーザ溶接にて、重ね溶接継手で接合される(溶接部3)。外側フランジ5,12の重ね合わせ部の外周端面においてへり溶接継手で接合する場合と比較して、本実施例では重ね溶接継手で接合するため、レーザビームの狙い裕度を広く取れ、安定した品質で溶接可能である。また、フィードバック制御に限らず、ティーチングプレイバック制御(初期のティーチングから位置修正しない方法)での製造も可能となる。
なお、外側フランジ5(12)と内側フランジ6(13)とを連接する連接壁7(14)は、各フランジ5,6(12,13)に対し垂直に設けられるので、伝熱プレート1(2)の積層方向の強度を確保し易い。これにより、たとえば、伝熱プレート1,2の溶接時に積層方向に治具で押え付けても、伝熱プレート1,2が撓みにくく、ひいては適正に溶接しやすい。また、プレート式熱交換器の使用時の耐圧性も向上する。
外側フランジ5,12内における溶接位置は、特に問わないが、好ましくは、外側フランジ5,12の内周端縁から設定寸法だけ外側の位置よりも内側においてなされる。言い換えれば、外側フランジ5,12の重ね合わせ部の表面(レーザビーム照射側の面)において、外側フランジ5,12の内周端縁から溶け込み部3の端部までの距離D2が、設定寸法以下であるのが好ましい。その設定寸法は、外側フランジ5,12(重ね合わせ部)の幅寸法D1の二分の一以下の寸法(すなわち、D2≦D1/2)であるのが好ましく、小さいほど好ましい(たとえばD1の三分の一以下の寸法(すなわち、D2≦D1/3)とする)。よって、溶接位置は、外側フランジ5,12の重ね合わせ部の内周端部であってもよい。これにより、プレート式熱交換器の使用時に生じる伝熱プレート1,2同士(外側フランジ5,12同士)が離隔する方向への負荷に耐えやすい構造とできる。なお、外側フランジ5,12には、内外二箇所以上で溶接してもよく、その場合、少なくとも内側の溶接が、外側フランジ5,12の内周端縁から設定寸法だけ外側の位置よりも内側においてなされる。
また、外側フランジ5,12の幅寸法D1は、後述する板厚tに対してD1≦15tの関係になるように設定するのが好ましい。連接壁7,14からの外側フランジ5,12の突出幅を小さくすることにより、各伝熱プレート1,2が大型ワーク化しても、外側フランジ5,12の撓みや歪みを最小限に止めることができ、同時に軽量化を図ることもできる。そして、D2≦D1/2(或いは、D2≦D1/3)およびD1≦15tの2つの条件を充足させることにより、D2の位置を外側フランジ5,12(重ね合わせ部)の内周端部の近傍に設定できるため、重ね合わせ部に対する内圧の作用を軽減することができる。
また、第一伝熱プレート1の上面に第二伝熱プレート2を重ね合わせた状態で、両伝熱プレート1,2は、第一対応位置Aにおいてノズルフランジ8A,15A同士が重ね合わされるが、そのノズルフランジ8A,15Aのノズル穴10,17を取り囲むように連続的に(つまり環状に)、ノズルフランジ8A,15A同士がレーザ溶接にて、重ね溶接継手で接合される(溶接部4)。この際、ノズルフランジ8A,15A内における溶接位置は、特に問わず、ノズルフランジ8A,15Aの外周側の設定領域、内周側の設定領域、またはこれらの中間領域のいずれでもよい。いずれにしても、好ましくはノズル穴10,17と同心円状に溶接される。なお、ノズルフランジ8A,15Aには、内外二箇所以上で溶接してもよく、その場合も、好ましくは同心円状に溶接される。
ところで、本実施例では、外側フランジ5,12同士を重ね溶接継手で接合する際、レーザビームは上方から下方へ向けて照射される。水平に配置された伝熱プレート1,2に対するレーザビームの入射角度は、鉛直方向(プレート面と直交方向)に対して、±30°の範囲が好ましい。この際、鉛直線に対し、周方向いずれの方向にレーザビームを傾けてもよい。±30°の範囲とする理由は、鉛直線に対し30°以上にレーザビームを傾け過ぎると、レーザビームによる熱が材料内に入りにくくなるためである。
後述するように、外側フランジ5,12の重ね合わせ部の表面(レーザビーム照射側の面)にレーザビームの焦点を合わせる場合、その焦点を定点にしてレーザビームを鉛直線に対し±30°の範囲で周方向いずれの方向に傾けてもよい。たとえば、鉛直線に対し、外側フランジ5,12の幅方向に±30°の範囲でレーザビームの入射を傾けてもよいし、これに代えてまたはこれに加えて、溶接時の進行方向に対して±30°の範囲でレーザビームの入射を傾けてもよい。
なお、レーザビームの入射角度をプレート面と直交方向に対して好ましくは±30°の範囲に設定することは、外側フランジ5,12同士の溶接に限らず、第一対応位置Aおよび第二対応位置Bにおけるノズルフランジ8,15同士の溶接など、その他の重ね溶接継手の箇所にも適用可能である。
外側フランジ5,12同士を重ね溶接継手で接合する際、重ね合わせ部の表面(レーザビーム照射側の面であり、図示例では第二伝熱プレート2の外側フランジ12の上面)に、レーザビームの焦点を合わせてレーザ溶接するのが好ましい。重ね合わせ部の表面に焦点を合わせてレーザ溶接することで、重ね合わせ部の厚さ方向でビーム幅が変化し難く、比較的細く安定した溶接幅で接合することができる。但し、場合により、焦点位置を、前記重ね合わせ部の表面から、上方へずらすなどしてもよい。
外側フランジ5,12同士を重ね溶接継手で接合する際、図5に示すように、外側フランジ5,12の幅方向の断面において、外側フランジ5,12同士の接合面(第一伝熱プレート1の外側フランジ5上面=第二伝熱プレート2の外側フランジ12下面)の溶け込み幅をd、外側フランジ5,12の板厚をtとしたとき、d≧0.8tの関係になるようにレーザ溶接するのが好ましい。つまり、溶接後の溶け込み部3についてd≧0.8tの関係が得られるように、たとえば、レーザビームのスポット径(材料表面におけるビーム径)、および/または、照射エネルギー(レーザの出力と時間(レーザをパルス発振する場合はパルス幅と周波数))を調整する。なお、貫通溶接する場合、溶接後、重ね合わせ部の表面の溶け込み幅d0と、裏面の溶け込み幅(裏波の幅)d´とは容易に計測できるので、両者の平均値として、つまりd=(d0+d´)/2により、接合面の溶け込み幅dを容易に知ることができる。
d≧0.8tの関係を確保する理由は、次のとおりである。前提として、圧力容器の材料について、0.8σa=τaの関係式は知られている(圧力容器構造規格(平成元年労働省告示第六十六号)第八条)。ここで、σaは許容引張応力であり、τaは許容せん断応力である。さて、プレート式熱交換器が圧力容器という訳ではないし、前記関係式が溶接に関するものという訳でもないが、最も強度が要求される圧力容器としてプレート式熱交換器を構成できれば安心である。たとえば、プレート式熱交換器を蒸発器として使用する場合には、伝熱プレート間で冷媒の気化・膨張が生じるため、溶接部にも優れた強度が望まれるからである。伝熱プレート1,2間に生じる力をPとして、外側フランジ5,12同士の接合面の溶け込み幅dにおいて、引張応力(σ=P/d)が生じ、各伝熱プレート1,2の板厚方向において、せん断応力(τ=P/t)が生じる。これらを前記関係式(0.8σa=τa)に適用すると、0.8t=dの関係となる。従って、板厚tの強度と同等以上で溶接するには、d≧0.8tを満たせばよいことになる。たとえば、各伝熱プレート1,2の板厚が0.3mmの場合、外側フランジ5,12同士の接合面の溶け込み幅dは0.24mm以上を確保するのが好ましい。
また、同様の理由から、外側フランジ5,12の幅方向の断面において、重ね合わせ部の裏面に生じる裏波の幅をd´、外側フランジの板厚をtとしたとき、d´≧0.8tの関係になるようにレーザ溶接にて貫通溶接されるのが好ましい。つまり、溶接後の裏波についてd´≧0.8tの関係が得られるように、たとえば、レーザビームのスポット径、および/または、照射エネルギーを調整する。なお、前述したとおり、本実施例では、レーザビームの焦点位置を、外側フランジ5,12の重ね合わせ部の表面またはそれより上方に配置して溶接するので、通常、d≧d´の関係にもある。照射エネルギーが材料の溶融に消費されるのに伴って、重ね合わせ部の表面から裏面に向かって漸次溶融量が減少するからである。
このような構成の場合、外側フランジ5,12同士の溶接部3の裏波の幅d´を確認して、d´≧0.8tの関係にあるか否かにより、溶接不良がないか否かを容易に確認することができる。つまり、溶接後の外観検査において、d´≧0.8tであれば良品と判定し、d´<0.8tであれば不良品と判定することができる。
なお、d≧0.8tの関係になるように、また好ましくはさらにd´≧0.8tの関係になるように、重ね溶接継手で接合することは、外側フランジ5,12同士の溶接に限らず、第一対応位置Aおよび第二対応位置Bにおけるノズルフランジ8,15同士の溶接など、その他の重ね溶接継手の箇所にも適用可能である。
以上のようにして、第一伝熱プレート1の上面に第二伝熱プレート2を重ね合わせて溶接した後、図4の中央二枚の伝熱プレート2,1に示すように、第二伝熱プレート2の上面に第一伝熱プレート1を重ね合わせて溶接する。この際、両伝熱プレート2,1は、揃えて、つまり互いの外周縁を一致させて重ね合わされる。これにより、両伝熱プレート2,1は、内側フランジ13,6同士が当接されると共に、図3から分かるように、第二対応位置Bのノズルフランジ15B,8B同士も当接される。なお、第二伝熱プレート2の上面に第一伝熱プレート1を重ね合わせた場合、第一対応位置Aのノズルフランジ15A,8A同士は、ノズル穴17,10の軸方向(プレート面と直交方向)に離隔して配置される(図4)。また、両伝熱プレート2,1は、熱交換部16,9のヘリンボーン18,11が、交差した状態に配置される。
両伝熱プレート2,1は、外周部に沿って連続的に(つまり環状に)、内側フランジ13,6同士がレーザ溶接にて、フレア溶接継手で接合される(溶接部19)。つまり、内側フランジ13,6同士の重ね合わせ部の外周部がレーザ溶接される。また、第二対応位置Bのノズルフランジ15B,8B同士は、前述した第一対応位置Aのノズルフランジ15A,8A同士の場合と同様に、重ね溶接継手で接合される。なお、内側フランジ13,6同士を重ね合わせて外周部をフレア溶接する際、レーザビームのビーム照射角度は、プレート面と平行方向(水平)に対して、±5°の範囲に止めるのが好ましい。
その後、前述したのと同様に、第一伝熱プレート1の上面に、第二伝熱プレート2を重ね合わせて溶接し、その第二伝熱プレート2の上面に、第一伝熱プレート1を重ね合わせて溶接することを、所望枚数だけ繰り返せばよい。
以上のようにして、第一伝熱プレート1と第二伝熱プレート2とを交互に重ね合わせて、所要箇所をレーザ溶接しつつプレート式熱交換器を構成する。つまり、各伝熱プレート1,2は、積層方向両端部の伝熱プレートを除き、隣接する片方の伝熱プレートと、外側フランジ5,12同士が重ね合わされて、その重ね合わせ部がレーザ溶接される一方、隣接するもう片方の伝熱プレートと、内側フランジ6,13同士が重ね合わされて、その重ね合わせ部がレーザ溶接される。また、その際、第一対応位置Aで重ね合わされるノズルフランジ8A,15A同士がレーザ溶接されると共に、第二対応位置Bで重ね合わされるノズルフランジ8B,15B同士がレーザ溶接される。
このようにして、各伝熱プレート1,2は互いに重ね合わされ、隣接する伝熱プレート1,2間を流体流路とし、隣接する流体流路に熱交換すべき二流体が流れるように組み立てられる。具体的には、第一伝熱プレート1の上面と第二伝熱プレート2の下面との間の第一流路に、第一流体が通される一方、第二伝熱プレート2の上面と第一伝熱プレート1の下面との間の第二流路に、第二流体が通される。この際、第一流体と第二流体とが対向流になるように通すのが好ましい。なお、各ノズル穴10,17が、流体の出入口として機能する。
ところで、図示しないが、伝熱プレート1,2の積層方向両端部には、平板状のエンドプレートが重ね合わされて溶接される。一方のエンドプレートには、ノズル穴10,17と対応した四隅に貫通穴が形成されると共に、その貫通穴に管(ニップル)の端部がはめ込まれて設けられる。他方のエンドプレートには、ノズル穴10,17と対応した四隅が閉塞されている。二つの流体を熱交換しようとする際、一方のエンドプレートの前記管を二流体の出入口として、左上部と右下部の二つの第一対応位置Aの内、一方から第一流体を供給して他方から排出させ、右上部と左下部の二つの第二対応位置Bの内、一方から第二流体を供給して他方から排出させればよい。この際、前述したとおり、第一流体と第二流体とが対向流になるように流すのが好ましい。たとえば、第一流体を第一流路の左上部から右下部へ流す場合、第二流体を第二流路の左下部から右上部へ流すのがよい。
図6は、前記実施例の変形例を示す図であり、図4と対応する。
前記実施例では、第二伝熱プレート2の上面に第一伝熱プレート1を重ね合わせて、内側フランジ13,6同士の重ね合わせ部の外周部をフレア溶接継手で接合したが、本変形例では、第二伝熱プレート2の上面に第一伝熱プレート1を重ね合わせて、内側フランジ13,6同士の重ね合わせ部を、外側フランジ5,12同士と同様に、重ね溶接継手で接合している(溶接部19´)。その他の構成は、前記実施例と同様のため、説明を省略する。
ところで、第一対応位置Aおよび第二対応位置Bにおいて、ノズルフランジ8,15同士の重ね合わせ部が、ノズル穴10,17の軸方向に離隔して配置される。たとえば、図4に示すように、第一対応位置Aでは、第一伝熱プレート1のノズルフランジ8Aの上面と、第二伝熱プレート2のノズルフランジ15Aの下面とは、重ね合わされるが、その第二伝熱プレート2のノズルフランジ15Aの上面と、その上方に配置される第一伝熱プレート1のノズルフランジ8Aの下面とは、離隔して配置される。また、図3に示すように、第二対応位置Bでは、第一伝熱プレート1のノズルフランジ8Bの上面と、第二伝熱プレート2のノズルフランジ15Bの下面とは、離隔して配置されるが、その第二伝熱プレート2のノズルフランジ15Bの上面と、その上方に配置される第一伝熱プレート1のノズルフランジ8Bの下面とは、重ね合わされる。
このように、第一対応位置Aおよび第二対応位置Bのいずれにおいても、ノズルフランジ8,15同士の重ね合わせ部が、ノズル穴10,17の軸方向に離隔して配置され、ノズルフランジ8,15間に隙間をあけて配置される箇所が生じる。従って、ノズルフランジ8,15同士を重ね合わせて溶接しようとする際、伝熱プレート1,2(特にノズルフランジ8,15)を治具で積層方向に押え付けると、伝熱プレート1,2(特にノズルフランジ8,15)が撓み、レーザビームの狙い位置がずれ、適正に溶接できないおそれがある。そこで、ノズル穴10,17の軸方向に離隔して配置されるノズルフランジ8,15間の隙間には、その隙間を形成する伝熱プレート1,2間の流体流路と、離隔した各ノズルフランジ8,15のノズル穴10,17との連通を確保しつつ、両ノズルフランジ8,15から互いに接触する突部20が形成されるか(図7,図8)、両ノズルフランジ8,15に当接するスペーサ21が設けられるのがよい(図9,図10)。突部20およびスペーサ21のいずれも、剛性を有して形成される。以下、具体例を説明するが、同様の機能を発揮する限り、突部20やスペーサ21の大きさや形状は、適宜に変更可能なことは言うまでもない。
図7は、ノズルフランジ8,15に突部20が設けられた伝熱プレート1,2の一例を示す概略図であり、伝熱プレート1,2の一部のみを示している。図7では、図2の第二伝熱プレート2の第一対応位置Aに相当する箇所を示しているが、その他のノズルフランジ8,15の構成も同様である。また、図8は、そのような伝熱プレート1,2の積層状態を示す概略断面図(図7におけるVIII−VIII断面図)であり、図4と対応する。
伝熱プレート1,2が重ね合わされる際、プレート面と直交方向に隙間をあけて対面して配置されるノズルフランジ8,15には、それぞれ互いに対応した位置に突部20が設けられ、互いの突部20が突き合わされて伝熱プレート1,2が重ね合わされる。この際、外側フランジ5,12同士を重ね合わせた際、互いの突部20が丁度当接するように、各突部20の高さが設定されている。また、突部20の存在によっても、両伝熱プレート1,2間の流体流路(熱交換部9,16間の隙間)と、突部20付きのノズルフランジ8,15のノズル穴10,17との連通は確保される。
本実施例では、突部20は、ノズル穴10,17を取り囲む位置に、且つ対面する両ノズルフランジ8,15で対応した位置に、周方向等間隔に複数個、設けられる。各突部20は、その形状を特に問わないが、好ましくは、ノズルフランジ8,15から略半球状に膨出するようにプレス成形されている。
具体的には、図8の中央二枚の伝熱プレート2,1に示すように、第一対応位置Aにおいて、第二伝熱プレート2のノズルフランジ15Aには、上方へ膨出して突部20が形成される一方、第一伝熱プレート1のノズルフランジ8Aには、下方へ膨出して突部20が形成されている。各突部20の高さは、内側フランジ13,6の高さに対応している。つまり、第二伝熱プレート2において、ノズルフランジ15Aから上方への突部20の上端部は、内側フランジ13と同一の高さに配置され、第一伝熱プレート1において、ノズルフランジ8Aから下方への突部20の下端部は、内側フランジ6と同一の高さに配置される。従って、各伝熱プレート2,1を重ね合わせた際、第二伝熱プレート2のノズルフランジ15Aに設けられた上方への突部20の上端部と、第一伝熱プレート1のノズルフランジ8Aに設けられた下方への突部20の下端部とが当接(図示例では理想的には点接触)される。
図示しないが同様に、第二対応位置Bにおいて、第一伝熱プレート1のノズルフランジ8Bには、上方へ膨出して突部20が形成される一方、第二伝熱プレート2のノズルフランジ15Bには、下方へ膨出して突部20が形成されている。そして、各伝熱プレート1,2を重ね合わせた際、第一伝熱プレート1のノズルフランジ8Bに設けられた上方への突部20の上端部と、第二伝熱プレート2のノズルフランジ15Bに設けられた下方への突部20の下端部とが当接される。
このようにして、ノズル穴10,17の軸方向に離隔して配置されるノズルフランジ8,15同士は、各ノズルフランジ8,15からの突部20の当接により、ノズルフランジ8,15に剛性を与えて確実に水平に維持できる。この際、ノズルフランジ8,15の剛性は、離隔して対面する両ノズルフランジ8,15からの突部20の突き合せだけでなく、ノズルフランジ8,15に突部20を形成すること自体によっても付与される。これにより、たとえば、伝熱プレート1,2同士の溶接時に積層方向に治具で押え付けても、伝熱プレート1,2(特にノズルフランジ8,15)が撓みにくく、レーザ溶接を容易に確実に行える。伝熱プレート1,2同士を積層方向に治具で押え付ける際、剛性の高い部分(つまり突部20が形成された箇所)を押え付けるのが好ましい。
図9は、ノズルフランジ8,15の隙間に設けられるスペーサ21の一例を示す概略斜視図である。また、図10は、そのようなスペーサ21を介した伝熱プレート1,2の積層状態を示す概略断面図であり、図4と対応する。なお、図10では、第一対応位置Aを示しているが、第二対応位置Bについても、離隔して対面配置されるノズルフランジ8,15間にスペーサ21を介在させることができる。
本実施例のスペーサ21は、周方向に波形(図示例では三角波状)に形成された円環状の部材から形成される。具体的には、円環状の金属板が、周方向に凹凸に屈曲されている。スペーサ21は、外径が、ノズル穴10,17よりも大径とされると共にノズルフランジ8,15よりも小径とされる一方、内径が、ノズル穴10,17よりも大径とされる。また、スペーサ21の波高(厚さ)は、ノズルフランジ8,15間の離隔寸法と対応している。
伝熱プレート1,2を重ね合わせて所要箇所を溶接しつつプレート式熱交換器を構成する際、前述したように、ノズルフランジ8,15間に隙間が生じる箇所があるが、そのノズルフランジ8,15間の隙間にスペーサ21を配置する。その際、略円形のノズルフランジ8,15に、略円環状のスペーサ21を、はめ込むよう配置する。好ましくは、ノズルフランジ8,15とスペーサ21とを同心に配置する。各伝熱プレート1,2を重ね合わせた際、スペーサ21は、下端部が下方のノズルフランジ15(8)に当接する一方、上端部が上方のノズルフランジ8(15)に当接して配置される。
このようにして、ノズル穴10,17の軸方向に離隔して配置されるノズルフランジ8,15同士は、スペーサ21により剛性を与えられて、水平に維持される。これにより、たとえば、伝熱プレート1,2同士の溶接時に積層方向に治具で押え付けても、伝熱プレート1,2(特にノズルフランジ8,15)が撓みにくく、レーザ溶接を容易に確実に行える。伝熱プレート1,2同士を積層方向に治具で押え付ける際、剛性の高い部分(つまりスペーサ21が配置された箇所)を押え付けるのが好ましい。
なお、ノズルフランジ8,15同士を溶接する際、スペーサ21も一緒に溶接してもよい。たとえば、図10において、第二伝熱プレート2と第一伝熱プレート1との間にスペーサ21が配置されて、内側フランジ13,6同士が溶接された後、その上方に第二伝熱プレート2を重ね合わせて、ノズルフランジ8,15同士を溶接するが、その際、ノズルフランジ8,15同士の重ね合わせ部の下方に配置されるスペーサ21も同時に溶接してもよい。それにより、伝熱プレート1,2間におけるスペーサ21の位置決めを容易に図ることができる。その他、ノズルフランジ8,15には、スペーサ21を位置決めするための凹部または凸部を形成してもよい。
図11は、ノズルフランジ8,15の隙間に設けられるスペーサ21の変形例を示す概略斜視図である。
本変形例のスペーサ21´は、周方向複数箇所に径方向に沿って切欠き22を形成された円環状の部材から形成される。具体的には、円環状の金属板が、断面山形に屈曲されると共に、周方向等間隔に径方向に沿って切欠き22が形成されている。各切欠き22は、図示例では、下方へ開口して、略矩形状に形成されている。スペーサ21´は、外径が、ノズル穴10,17よりも大径とされると共にノズルフランジ8,15よりも小径とされる一方、内径が、ノズル穴10,17よりも大径とされる。また、スペーサ21´の高さ(厚さ)は、ノズルフランジ8,15間の離隔寸法と対応している。その他の構成や取付方法などは、図9および図10のスペーサ21の場合と同様であるため、説明を省略する。
本発明のプレート式熱交換器は、前記実施例の構成に限らず適宜変更可能である。特に、次のような構成を備えれば、その他の構成は適宜に変更可能である。すなわち、伝熱プレート1,2が複数枚重ね合わされ、隣接する伝熱プレート1,2間を流体流路とし、隣接する流体流路に熱交換すべき二流体が流れるように組み立てられるプレート式熱交換器であって、各伝熱プレート1,2には、流体流路への流体の出入口としてのノズル穴10,17を形成されたノズルフランジ8,15が四箇所以上に設けられている。そして、重ね合わされた各伝熱プレート1,2は、積層方向両端部の伝熱プレートを除き、隣接する片方の伝熱プレートと、前記四箇所以上の内の二箇所以上の第一対応位置Aにおいてノズルフランジ8,15同士が重ね合わされる一方、隣接するもう片方の伝熱プレートと、前記四箇所以上の内の第一対応位置Aを除いた二箇所以上の第二対応位置Bにおいてノズルフランジ8,15同士が重ね合わされる。そして、ノズル穴10,17の軸方向に離隔して配置されるノズルフランジ8,15間の隙間には、その隙間を形成する伝熱プレート1,2間の流体流路と、離隔した各ノズルフランジ8,15のノズル穴10,17との連通を確保しつつ、両ノズルフランジ8,15に当接するスペーサ21(21´)が設けられるか、両ノズルフランジ8,15から互いに接触する突部20が形成されていれば、これ以外の構成は適宜に変更可能である。
たとえば、前記実施例では、外側フランジ5,12同士は、重ね溶接継手で接合される一方、内側フランジ6,13同士は、フレア溶接継手または重ね溶接継手で接合されたが、外側フランジ5,12同士の接合方法や内側フランジ6,13同士の接合方法は、適宜に変更可能である。
また、伝熱プレート1,2の大きさ、形状、熱交換部9,16の構成は、適宜に変更可能である。また、ノズルフランジ8,15(ノズル穴10,17)の位置は、伝熱プレート1,2の四隅に限らず、適宜に設定される。さらに、ノズルフランジ8,15(ノズル穴10,17)の個数も、少なくとも四つあればよい。ノズルフランジ8,15(ノズル穴10,17)の個数を増やすことで、二流体の熱交換に限らず、三流体の熱交換を可能としたり、一流体について複数の出入口を設けたりできる。
また、前記実施例において、第一対応位置Aと第二対応位置Bを入れ替えてもよい。つまり、図1における各伝熱プレート1,2について、左上部と右下部のノズルフランジ8A,15Aの構成と、右上部と左下部のノズルフランジ8B,15Bの構成とを入れ替えてもよい。
また、前記実施例において、各伝熱プレート1,2は、外側フランジ5,12同士を重ね溶接継手で接合できるのであれば、外側フランジ5,12の大きさ(言い換えれば伝熱プレート1,2の外寸)は必ずしも同一でなくてもよい。内側フランジ6,13同士を重ね溶接継手で接合する場合も同様である。ノズルフランジ8,15についても同様に、場合により大きさを変えてもよい。
また、前記実施例では、各流体の入口と出口とが、略矩形状の伝熱プレート1,2の対角線上に配置されたが、これに限らず、たとえば略矩形状の伝熱プレート1,2の長辺に沿った位置に配置されてもよい。つまり、第一対応位置Aおよび第二対応位置Bは、それぞれ伝熱プレート1,2の対角線上に配置される以外に、伝熱プレート1,2の一辺の両端部に第一対応位置Aが配置され、もう一辺の両端部に第二対応位置Bが配置されてもよい。そして、前記実施例では、第一伝熱プレート1と第二伝熱プレート2との二種類の伝熱プレートを交互に用いて構成したが、場合により、一種類の伝熱プレートを用いて、180°反転させつつ重ね合わせて組み立ててもよい。
また、前記実施例では、外側フランジ5(12)と内側フランジ6(13)とを連接する連接壁7(14)は、各フランジ5,6(12,13)に対し垂直に設けたが、場合により多少傾斜して設けてもよい。
さらに、前記実施例では、重ね溶接継手の箇所は、レーザ溶接による貫通溶接を行ったが、非貫通溶接など、各種のシーム溶接を行ってもよい。