JP6721520B2 - 熱交換器 - Google Patents

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Description

本発明は、プレート式熱交換器であって、凸部及び溝のプレス成形模様が施された複数の熱交換器プレートからなる1つの積層を有し、前記積層の中の前記複数のプレートは、1つの熱交換器プレートの複数の凸部と隣接する1つのプレートの複数の溝、及びその逆、との間に複数の接点が設けられることにより、互いからの距離を維持するように調整され、これにより、前記積層の中の隣接するすべての熱交換器プレートの間にプレート間流路が形成されており、前記プレート間流路への選択的流通を備えるために4つの開口部が配置され、前記開口部は2つずつ組んで同一の前記プレート間流路と流通するように配置され、前記の開口部の組の内の1つは残りの組よりも少なくとも2つ多いプレート間流路と流通する。
熱交換の技術において、プレート式熱交換器は過去10年程の間に多くのマーケットシェアを獲得していきているが、それは、プレート式熱交換器がコストパフォーマンス及び流体間の効率的な熱交換を提供するからである。
一般的なプレート式熱交換器は、凸部と溝のプレス成形模様が施され、1つの積層に配置された複数の熱交換器プレートを有し、それにより前記熱交換器プレートの間にプレート間流路が備わる。開口部と前記プレート間流路との選択的な流通は、前記開口部を取り囲む溝の中にガスケットを設けることにより、又はロウ付される熱交換器の場合には、前記開口部を取り囲む面を設け、隣接するプレートのそのような面を互いに接触させるか又は互いに接触させないようにすることによって行ってよい。前記開口部を取り囲む前記面が互いに接触する場合には、前記開口部と前記プレート間流路との間に流通はないであろう。一方、それらが接触しない場合には、前記開口部と前記プレート間流路との間に流通があるであろう。
ロウ付された熱交換器のすべての熱交換器プレートが互いに同一であり、前記開口部の内の2つを取り囲む前記面が高い高さに設けられ、他の2つの前記開口部を取り囲む前記面が低い高さに設けられる場合がある。熱交換器を形成するために積層するときは、プレートを1つおきにその平面で180度回転させて、低い高さにある面によって取り囲まれる1つの開口部を高い高さに設けられる開口部と隣接するようにする。それにより、前記開口部は上方の2つのプレートの間に形成されるプレート間空間と流通し、下方の2つのプレートの間のプレート間空間とは流通しないであろう。
同一のプレートで構成されるすべての熱交換器は対称である。すなわち、すべての一対のプレートの間のプレート間空間は同一である。
しかしながら、通常は、非対称の熱交換器が好まれる(対称な熱交換器が最適な選択となる唯一のケースは、同じ流体による2つの同じ流れが互いに熱交換すると考えられる場合である)。これまで、同一の熱交換器プレートから非対称の熱交換器が製造されたことはない。
非対称の熱交換器、すなわち熱交換すべき流体に対して異なる流面を有する熱交換器を製造するために、多くの異なるアプローチが用いられてきているが、これらのすべてはプレートの互いの距離を維持する凸部と溝のプレス成形模様の操作に関係している。例えば、1つおきの凸部はそれに隣接する凸部より低い高さを有して良いか、又は接触点の間の凸部はより低い高さを有して良い。いずれにしろ、プレートは異なった構成を有しなければならない。
特許文献1には、上述によるヘリンボーン模様が施された熱交換器プレートの積層を構成する非対称の熱交換器が開示されている。しかしながら、前記開口部を取り囲む前記面がすべて同じ高さであり、選択的な流れは、幾つかのプレートの間の前記開口部を取り囲む前記面の中にシーリングリングを設けることによって達成している。これは様々な度合の非対称性を施すのには良い機会を与えるが、シーリングリングは製造中に取り扱うのが大変である可能性があり、又シーリングリングは熱的バラストも構成する。これが、ロウ付特性の悪化を招く可能性、及び/又はより長いロウ付時間を必要とさせる可能性を生じさせる。
米国特許出願公開2007/261834A1号公報
本発明の目的は、特許文献1の熱交換器よりもはるかに少ないシーリングリングの使用で、非対称度合が大きい熱交換器を提供することである。
本発明によって、これら及びその他の目的は、上述したタイプのプレート式熱交換器によって達成することができる。前記開口部間の選択的な流通は、それぞれの熱交換器プレートの開口部を取り囲む面を様々な高さに設けることにより、隣接するプレートの前記面が互いに接触するか又は互いに接触しないようにすることで少なくとも部分的に達成される。
前記熱交換器の中に構成される熱交換器プレートは前記熱交換器を形成するために互いにロウ付されることが好ましい。
前記プレート間流路を密封するため、前記熱交換器プレートはそれぞれ前記熱交換器プレートの周囲に延びるスカートを備えて良い。隣接するプレートのスカートは、前記熱交換器を形成するために前記熱交換器プレートが積層配置されるときに互いに接触する。
本発明の1実施形態によると、幾つかの前記開口部と前記プレート間流路との間の選択的流通は、前記開口部を取り囲む前記面の間の隣接するプレート上にシーリングリングを設けることにより達成される。
本発明のもう1つの実施形態によると、前記選択的な流通は少なくとも幾つかの熱交換器プレートの少なくとも幾つかの開口部によって達成される。これらの開口部は十分大きいため、前記十分大きな開口部が設けられた前記熱交換器プレートの両側の上に設けられた熱交換器プレートの開口部を取り囲む面と面との接触を可能にする。
以下において添付された図面を参照して本発明を詳説する。
本発明の第1実施形態によるプレート式熱交換器の分解図である。 本発明の第1実施形態によるプレート式熱交換器の断面図である。 本発明の第1実施形態によるプレート式熱交換器の平面図である。 本発明の第2実施形態によるプレート式熱交換器の分解図である。 本発明の第2実施形態によるプレート式熱交換器の断面図である。 本発明の第2実施形態によるプレート式熱交換器の平面図である。 本発明の第3実施形態によるプレート式熱交換器の分解図である。 本発明の第3実施形態によるプレート式熱交換器の断面図である。 本発明の第3実施形態によるプレート式熱交換器の平面図である。 本発明の第4実施形態によるプレート式熱交換器の分解図である。 本発明の第4実施形態によるプレート式熱交換器の断面図である。 本発明の第4実施形態によるプレート式熱交換器の平面図である。 本発明の第5実施形態によるプレート式熱交換器の分解図である。 本発明の第5実施形態によるプレート式熱交換器の断面図である。 本発明の第5実施形態によるプレート式熱交換器の平面図である。
図1a、1b及び1cに示されるように、本発明の第1実施形態による熱交換器100は、幾つかの熱交換器プレート102a〜102jを有し、これらは凸部R及び溝Gのプレス成形模様が施され、熱交換器を形成するために積層に配置されている。それぞれのプレートをスカートSが取り囲んでいる。前記スカートSは、隣接するプレートのスカートと接触するように調整され、複数のプレートによって形成されるプレート間空間のための密封、さらに下方に作られる前記プレート間空間の形態を形成する。凸部R及び溝Gはヘリンボーン模様に配置されるのが好ましい。これによって、複数のプレートが、プレート1つおきにそれに隣接するプレートに関してその平面で180度回転して積層に配置されたときに、隣接するプレートの交差する凸部及び溝との間に接点が形成される。
さらに、複数の熱交換器プレートは、開口部102aa〜102ad、102ba〜102bd、・・・102ja〜102jdを備え、開口部102aa、102ab、102ba、102bb、102ca、102cb、102da、102db、102ha、102hb、102ia、102ib、102ja、102jb、102dc、102dd、102ec、102ed、102fc及び102fdを取り囲む面は高い高さに設置され、残りの開口部は低い高さに設置される。複数の熱交換器プレートが1つの層に積層されるときには、プレートは1つおきにその隣接するプレートに関して平面で180度回転させられる。この結果、口(ports)とプレート間流路との間の選択的な流通があるであろう。しかしながら、高い及び低い口(ports)の配置によりプレート間流路の内の幾つかは4つの開口部のすべてと流通するであろう。これは熱交換しようとする流体を混合させるが、これではもちろん非常に具合が悪い。これを避けるために、シーリングリング110が、開口部、102daと102ed、102dbと102ec、102gaと102hd及び102gbと102cを取り囲む面の間に配置される。
これは、1つの熱交換器を形成する。この熱交換器においては、開口部102aa及びそれに相当する他の複数のプレートの開口部が、熱交換器プレート、102bと102c、102eと102f、及び102hと102iの間のプレート間流路によって、開口部102ab及びそれに相当する他の複数のプレートの開口部と流通するであろう。開口部102ac及びそれに相当する複数の他のプレートの開口部は、プレート、102aと102b、102cと102d、102dと102e、102fと102g102gと102h、及び102iと102jの間のプレート間空間を通じて開口部102ad及びそれに相当する複数の隣接するプレートの開口部と流通するであろう。その結果、開口部102aa及び102abは、3つのプレート間流路を通じて流通するであろうし、開口部102ac及び102adは、6つのプレート間流路を通じて流通するであろう。これにより、非対称比率は1:2となる。
選択的に、第1実施形態の熱交換器100は、開始プレート104か終了プレート106の内の1つ又は両方を備えて良い。その複数の口が同じ高さを備えている開始又は終了プレートを使用することが要求される場合には、シーリングリング110を、開始又は終了プレートと、開始又は終了プレートと開口部を取り囲む面との間に隙間を生じさせている高さに設けられた開口部を取り囲む面との間に配置してよい。
本発明のもう1つの実施形態において、すべての開口部が相互に接触するように調整されたスカートを備えている。それにより、開口部とプレート間流路との間が密封される。その時、流通は、開口部とプレート間流路との間の流通が要求されるスカートの中に、開口部を切断することによって行うことが可能である。本発明のこの実施形態は、同一のプレートを使用することが可能である点で有利である。前記プレートとの間の唯一の違いは、開口部がスカートの中に切断又はドリルで貫通していることである。
図2a〜図2cには、本発明の第2実施形態を示す。図2a〜図2cにおいて、熱交換器200は幾つかの熱交換器プレート202a〜202fを有し、そのすべてに開口部P1〜P4が設けられている。ちょうど、第1実施形態のように、すべての熱交換器プレートは、プレート間流路という形態で複数のプレートが互いに距離を維持するために調整される凸部及び溝のプレス成形模様を表している。開口部の幾つかは高い高さや低い高さに設けられた面に取り囲まれ、熱交換器プレートの幾つか(202b及び202e)は、開口部であって、他の熱交換器プレートの開口部より著しく大きい開口部が設けられている。以下において、プレート間流路を、プレート202aと202bとの間の流路についてはa−bと表示し、プレート202bと202cとの間はb−cなどと表示することにする。それぞれのプレートの開口部P1及びP3は同一であり、これは開口部P2及びP4についても同様である。
図2cに示すように、熱交換器プレート202aの開口部P1は低い高さに設けられた面によって取り囲まれ、同じプレートの開口部P2は高い高さに設けられた面で取り囲まれている。「低い」及び「高い」によって、それぞれ面が最終プレート206から離れているか又は最終206に近づいているかを意味する。さらに、「低い」高さとは、高さが溝の高さよりも低いことを意味し、「高い」高さとは凸部の高さよりも高いことを意味する。これにより、開口部を取り囲む面は、開口部を取り囲む前記高い面と低い面とを備える2つの熱交換器プレートの間に大きな開口部を備える1枚のプレートを配置しているにもかかわらず、相互に接触することが可能となる。表示された例示的な実施形態においては、熱交換器プレート202bは大きな開口部を備え、プレート202cの開口部を取り囲む面がその開口部を取り囲む面に比べて対面に位置する、すなわちこのプレートの開口部P1を取り囲む面は高い位置にあり、開口部P2は低い高さに位置している。プレート202eの開口部は、プレート202dと比較して対面に位置する。
このことは、プレート202aの開口部P1を取り囲む面がプレート202cの開口部P1を取り囲む面と接触するであろう、一方、プレート202c及び202dの開口部P1を取り囲む面は互いに接触しないであろう、という結果をもたらす。開口部P2に関しては、プレート202aと202cのこの開口部を取り囲む面は互いに接触しないであろう、一方、プレート202cと202dの開口部P2を取り囲む面は接触するであろう。
それにより、開口部P1はプレート間流路c−dと流通するであろうし、一方、開口部P2はプレート間流路a−b、b−c、d−e及びe−fと流通するであろう。
図2a〜図2cの実施形態は単なる例示であることに注意頂きたい。非対称比率は1対5である。しかしながら、積層を、図2a〜図2cに表示されているものよりもより多くの熱交換器プレートで構成しようとするならば、非対称比率は2の値に近づくであろう。さらに、当業者ならば、第1実施形態に示したように、最初及び最終のプレート間流路に「単一の」流路を設けることが可能であることを理解するであろう。
図3a〜図3cには、本発明のさらに別の熱交換器の実施形態を示す。図3a〜図3cには、9つの熱交換器プレート302a〜302iを有する熱交換器300を示す。上述の実施形態の熱交換器プレートとちょうど同じように、すべての熱交換器プレートは、開口部P1〜P4並びに凸部R及び溝Gのプレス成形模様を有している。熱交換器プレートの間のプレート間空間はa−b、b−cなどと表示することにする。
熱交換器プレート302a〜302iの開口部は、後述する方法で様々な高さ、様々な直径の上に設けられた面に取り囲まれる。
図3a〜図3cに示す実施形態においては、プレート302aと302bの開口部を取り囲む大きな直径の上にある面を接触させることによって、開口部P1がプレート間空間a−bとの流通から締め出されている。開口部P1は、開口部を取り囲む小さな直径の上にある面の間の協働によって、プレート間空間b−cとの流通からも締め出されている。さらに、開口部P1は、プレート間空間c−d及びf−gと流通するであろうし、又、それぞれ、小さい、大きい、大きい及び小さい直径の上にある開口部を取り囲む面の間の協働によって、プレート間空間d−e、e−f、g−h及びh−iとの流通から締め出されるであろう。
他方、開口部P2は、プレート間空間a−b、b−c、d−e、e−f、g−h及びh−iと流通するであろうし、プレート間空間c−d及びf−gとの流通からは締め出されるであろう。プレート間空間と開口部P2との間の選択的な流通は、開口部P2を取り囲む面を接触させ又は非接触にさせることによってなされ、そのような面はすべて同じ直径の上に設けられる。
図4a〜図4cには、本発明の更なる実施形態を示す。この実施形態は低い流体抵抗及び低い熱交換率が要求される場合に主に実益がある。例えば、熱交換器がいわゆるサクションガス熱交換器、すなわち圧縮機に入ろうとしている冷媒と圧縮機から出る圧縮された冷媒との間の熱交換に使用される熱交換器として使用されるならば、この実施形態は興味を引くであろう。理論上は、入ってくる媒体と出ていく媒体との熱交換が効率的であろうと関係ないが、実際上、熱交換が余りにも効率的であると圧縮機はオーバーヒートする可能性がある。
図4a〜図4cには、本発明の熱交換器400を示す。熱交換器400は、幾つかの熱交換器プレート402a〜402iを含み、それぞれは、図1a〜図1cと共に開示している熱交換器プレートと同一である。さらに、熱交換器400は幾つかのシーリングリングSRを有する。シーリングリングの設置については以下で開示する。
上述のように、熱交換器400は非効率な熱交換をおこなうために構成される。これは、熱交換面を減少させるか又はその面一面の熱交換を減少させるかの2通りの方法によって達成してよい。熱交換器400においては、シーリングリングSRが配置され、それによって、開口部P1から、例えば互いに隣接する開口部P3への流路が存在するようになるであろう。図4bにおいては、開口部P1から熱交換器プレート402a、402b及び402cの間のプレート間流路への流れをブロックするためにシーリングリングSRが設けられていることが示されている。一方、開口部P1は、熱交換器プレート402c、402d及び402eの間のプレート間流路と流通するであろう、ということが示されている。開口部P2は、プレート402a,402b及び402cの間のプレート間流路と流通し、熱交換器プレート402c、402d及び402eの間のプレート間流路との流通からは締め出されるであろう。
図5a、図5b及び図5cに示されるように、本発明の第5実施形態の熱交換器500は、幾つかの熱交換器プレート502a〜502jを有し、それぞれ凸部Rと溝Gのプレス成形模様が施され、熱交換器を形成するために1つの積層に配置されている。それぞれのプレートをスカートSが取り囲んでいる。スカートSは、隣接するプレートのスカートと接触するように調整され、複数のプレートによって形成されるプレート間空間のための密封、さらに下方に作られるプレート間空間の形態を形成する。凸部R及び溝Gはヘリンボーン模様に配置されるのが好ましい。これによって、プレートが1つおきにそれに隣接するプレートに関してその平面で180度回転して積層に配置されたとき、複数のプレートと隣接するプレートが交差する凸部及び溝との間に接点が形成される。
さらに、熱交換器プレートは、開口部502aa〜502ad,502ba〜502bd・・・502ja〜502jdを有し、開口部502aa、502ab、502ba、502bb、502ca、502cb、502da、502db、502ec、502ed、502fa、502fb、502ga、502gb、502ha、502hb、502ia、502ib、502ja及び502jbを取り囲む面は、低い高さに設けられ、残りの開口部は高い高さに設けられている。複数の熱交換器プレートが1つの層に積層されるときには、プレートは1つおきにその隣接するプレートに関して平面で180度回転させられる。この結果、複数の口と複数のプレート間流路との間の選択的な流通があるであろう。しかしながら、高い及び低い口の配置によりプレート間流路の内の幾つかは4つの開口部のすべてと流通するであろう。これは熱交換しようとする流体を混合させるであろうが、これではもちろん非常に具合が悪い。これを避けるために、シーリングリング510が、開口部502ddと502ea、502eaと502fd、502fdと502ga及び502gaと502hdを取り囲む面の間に配置される。シーリングリング110も(表示していないが)、複数の口、502dcと502eb、502ebと502fc、502fcと502gb及び502gbと502hcとの間に配置される。
これは1つの熱交換器を形成する。この熱交換器においては、開口部502aa及びそれに相当する他の複数のプレートの開口部が、熱交換器プレート、502bと502c及び502hと502iの間のプレート間流路を通じて、開口部502ab及びそれに相当する他の複数のプレートの開口部と流通するであろう。開口部502ac及びそれに相当する複数の他のプレートの開口部は、プレート、502aと502b、502cと502d、502dと502e、502eと502f、502fと502g、502gと502h及び502iと502jの間のプレート間空間を通じて、開口部502ad及びそれに相当する複数の隣接するプレートの開口部と流通するであろう。その結果、開口部502aa及び502abは、2つのプレート間流路を通じて流通するであろうし、開口部502ac及び502adは、7つのプレート間流路を通じて流通するであろう。これにより、非対称比率が2:7となる。しかしながら、さらなる複数の熱交換器プレートを熱交換器プレート502a〜502jと同じように配置してその積層に設けることによって、この配置によって比率1:5に近づく比率が達成できる可能性がある。
選択的に、第5実施形態の熱交換器500は、開始プレート504か終了プレート506の内の1つ又は両方を備えて良い。その開口部が同じ高さに備えられた開始又は終了プレートを使用することが要求される場合には、シーリングリング510を、開始又は終了プレートと、開始又は終了プレートと開口部を取り囲む面との間に隙間を生じさせている高さに設けられた開口部を取り囲む面、との間に配置してよい。
図面には表示していないが、さらにもう1つの実施形態においては、熱交換器は幾つかの同一のプレートを有し、プレートは1つおきにそれに隣接するプレートに関してその平面で180度回転している。プレートは、複数のプレートの互いからの距離を維持するために調整される凸部と溝からなるヘリンボーン模様が施され、それによって隣接するプレートとの間でプレート間流路が形成される。開口部を取り囲む面をつぎのように配置することによってプレート間流路と開口部との選択的な流通を備えさせることができる。すなわち、隣接するプレートの開口部を取り囲むそのような複数の面を択一的に互いに接触するようにして、これにより、開口部を、当該開口部に属するプレートによって限定されるプレート間流路との流通から密封するか、又は互いに接触しないようにする。これによって、開口部とプレートによって限定されるプレート間流路との流通が可能となる。
今日に至るまで、同一の熱交換器プレートからは左右対称の熱交換器を製造することしかできなかったが、この実施形態により、3:1、3:3、5:1、5:3や任意の他の奇数で割られた任意の奇数についての非対称比率を達成することが可能である。
これは、1つのプレートの1つの開口部を取り囲む面から別のプレートの1つの開口部を取り囲む別の面へ延びるシーリングリングを設けることによって達成される。そのようなシーリングリングを設けることにより、開口部とプレート間流路の間に存在していたであろう、流通がブロックされる。
先の開口部から他の開口部に対する流通が遮断されているプレート間流路の間の流通を行うためには、他の口との流通を意図しているプレート間流路にドリルで、例えば穴をあけることが可能である。1つの大きな開口部を切ることもできる。それにより、その開口部を取り囲む面が互いに接触しようとしたり、互いには接触しなかったりすることで、他の開口部と、シーリングリングによって先の開口部との流通がブロックされていたプレート間流路との間の流通が備わる。
さらに、熱交換器プレートは、熱交換器を形成するために互いにロウ付してもよい。ロウ材料は、例えば、銅、ニッケル又は鉄ベースのロウ材に融点降下剤が含有されている、当業者には周知の任意のロウ材でよい。

Claims (4)

  1. プレート式熱交換器であって、凸部及溝のプレス成形模様が施された複数の熱交換器プレートからなる1つの積層を有し、前記積層の中の前記複数の熱交換器プレートは、1つの熱交換器プレートの複数の凸部と隣接する1つの熱交換器プレートの複数の溝、及び1つの熱交換器プレートの複数の溝と隣接する1つの熱交換器プレートの複数の凸部、との間の複数の接点が設けられることにより、互いからの距離を維持するように調整され、これにより、前記積層の中の隣接するすべての熱交換器プレートの間にプレート間流路が形成され、前記プレート間流路への選択的流通を備えるために4つの開口部が配置されており、前記開口部は、2つずつ組んで同一の前記プレート間流路と流通するように配置され、前記開口部の組の内の1組は残りの組よりも少なくとも2つ多いプレート間流路と流通し、前記開口部の間の前記選択的流通は、それぞれの熱交換器プレートの前記開口部を取り囲む面を様々な高さに設置して隣接する熱交換器プレートの前記面が互いに接触したり、互いに接触しなかったりすることによって、少なくとも部分的には達成される、プレート式熱交換器。
  2. 前記熱交換器プレートは、熱交換器を形成するために互いにロウ付される、請求項1に記載のプレート式熱交換器。
  3. 前記熱交換器プレートそれぞれが、前記熱交換器プレートの周囲に延びるスカートを備え、前記隣接する熱交換器プレートのスカートは、前記熱交換器プレートが前記熱交換器を形成するために前記積層の中に配置されたときに互いに接触する、請求項1または2に記載のプレート式熱交換器。
  4. 隣接する熱交換器プレートの上にある前記開口部を取り囲む前記面の間にシーリングリングを設けることによって、前記開口部の幾つかと前記プレート間流路との間の選択的流通が達成される、請求項1〜3のいずれか一項に記載のプレート式熱交換器。
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