JP6783836B2 - プレート重合体及び熱交換器 - Google Patents

Description

本開示は、プレート重合体及び該プレート重合体を備える熱交換器に関する。

プレート式熱交換器やシェルアンドプレート式熱交換器等に用いられるプレート重合体は、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重ね合わせて構成されている。プレート重合体は、各プレートの表裏面の一方の面に１つの熱交換流路を形成し、他方の面に別な熱交換流路を形成し、これら２つの熱交換流路を夫々流れる２つの熱交換流体をプレートを介して熱交換させるように構成されている。これによって、伝熱面積を増加できるため、優れた熱交換効率を得られることが知られている。
本出願人は、冷凍装置の蒸発器などに適用されるシェルアンドプレート式熱交換器において、プレート重合体を構成するプレートの形状を非円形とすることで、プレート重合体が収容される中空容器のコンパクト化を可能にした提案をしている（特許文献１及び２）。

プレートを楕円形など非円形の形状にすると、横方向の寸法が大きくなるため、熱交換流体（特に顕熱熱交換を行う顕熱流体の場合）が横方向の端側領域まで行き渡りにくくなり、伝熱面積が減少するため、熱交換性能が低下するおそれがある。そこで、特許文献３では、プレート面に分散部材と称される、横方向に延びる細長い流れ抑止部材を設けて熱交換流体を強制的に横方向へ流し、伝熱面積を増加させて熱交換性能を高めるようにしている。

特許第５７３３８６６号公報 特開２０１７−３１７５号公報 特表２００６−５２７８３５号公報

熱交換では、被熱交換流体が相変化しない顕熱熱交換と、被熱交換流体が相変化する潜熱熱交換とがある。冷凍装置の蒸発器などで、プレート式熱交換器を使い、ＣＯ_２のようなガス状冷媒を潜熱熱交換して凝縮させる場合、特許文献３に開示された流れ抑止部材がプレート面にあると、流れ抑止部材が液化した凝縮液の流れを阻害して凝縮液の滞留が起りやすくなる。この凝縮液の滞留がガス状冷媒の液化を阻害するため、熱交換性能が低下するおそれがある。

一実施形態は、プレート重合体を備える熱交換器において、顕熱熱交換及び潜熱熱交換において、熱交換性能を高めることができるようにすることを目的とする。

（１）一実施形態に係るプレート重合体は、
表裏面に凹凸部が形成され重ねて配置された複数のプレートと、
前記複数のプレートの間で前記複数のプレートの重合方向に沿って交互に形成され、第１熱交換流体が流れる第１熱交換流路及び第２熱交換流体が流れる第２熱交換流路と、
を備え、
前記複数のプレートの各々は、表裏面に貫通し前記第１熱交換流体が導入及び導出される２つの貫通孔を有し、
前記複数のプレートが形成するプレート面のうち前記第１熱交換流路を形成する２つのプレート面の少なくとも一方に形成され、前記２つの貫通孔の中心同士を結ぶ中心線に対して傾斜し、前記中心線に対して前記プレートの重合方向視で左右対称に配置された第１仕切堰と、
前記２つの貫通孔のうち少なくとも前記第１熱交換流体が導入される貫通孔側において前記中心線に沿って形成された流路と、
を備える。
なお、「前記中心線に対して前記プレートの重合方向視で左右対称に配置される」とは、第１熱交換流路を形成する２つのプレート面のどちらか一方又は両方に配置された第１仕切堰をプレートの重合方向から透視して視たとき、２つの貫通孔の中心同士を結ぶ中心線に対して左右対称に配置されることを意味する。

上記（１）の構成によれば、上記第１仕切堰は上記中心線に対して傾斜し、かつ該中心線に対して左右対称に配置されているので、上記２つの貫通孔の一方から第１熱交換流路に流入した第１熱交換流体は、第１仕切堰によってこれら貫通孔から離れる方向（プレート面の周辺方向）へ流れるように指向される。これによって、第１熱交換流体はプレート面の周辺領域まで拡散するので、第２熱交換流体との熱交換性能を高めることができる。
また、ガス状の第１熱交換流体が潜熱熱交換する場合でも、ガス状の第１熱交換流体が凝縮した凝縮液は上記中心線に沿って形成された流路（以下「中心流路」とも言う。）を通って出口側貫通孔に流れるため、ガス状冷媒の液化を阻害する凝縮液の滞留は起こらない。従って、熱交換性能の低下は起こらないため、熱交換性能を高めることができる。

（２）一実施形態では、前記（１）の構成において、
前記第１仕切堰は、前記２つの貫通孔の一方側に凹となる円弧状に延在する。
上記（２）の構成によれば、第１熱交換流体は一方の貫通孔側に凹となる円弧状に延在する第１仕切堰に沿ってプレート面の周辺方向へ流れるように指向されるので、伝熱面積を増加でき、第２熱交換流体との熱交換性能を高めることができる。

（３）一実施形態では、前記（１）の構成において、
前記第１仕切堰は、前記２つの貫通孔の一方側に凸となる円弧状に延在する。
上記（３）の構成によれば、第１熱交換流体は一方の貫通孔側に凸となる円弧状に延在する第１仕切堰に沿ってプレート面の周辺方向へ流れが指向されるので、伝熱面積を増加でき、第２熱交換流体との熱交換性能を高めることができる。

（４）一実施形態では、前記（１）の構成において、
前記第１仕切堰は、直線状に延在する。
上記（４）の構成によれば、第１熱交換流体は直線状に延在する第１仕切堰に沿ってプレート面の周辺方向へ流れるように指向されるので、伝熱面積を増加でき、第２熱交換流体との熱交換性能を高めることができる。

（５）一実施形態では、前記（１）〜（４）の何れかの構成において、
前記第１仕切堰は、複数の仕切堰が離散して並列に配置され、前記第１熱交換流体が前記複数の仕切堰間を蛇行する流路が形成される。
上記（５）の構成によれば、第１熱交換流体が蛇行する流路が形成されるので、伝熱面積を増加でき、第２熱交換流体との熱交換時間を長期化でき、これによって、熱交換性能を向上できる。

（６）一実施形態では、前記（１）〜（５）の何れかの構成において、
前記第１仕切堰は、前記第１熱交換流路を形成する前記２つのプレート面の各々に前記中心線に対して左右対称に形成され、
前記２つのプレート面に夫々形成された前記第１仕切堰は、前記重合方向視で重なり合うように配置される。
上記（６）の構成によれば、第１仕切堰が第１熱交換流路を形成する２つのプレート面に夫々形成され、かつ重合方向視で重なり合うように配置されるため、第１仕切堰の流れ抑止効果を高めることができる。

（７）一実施形態では、前記（１）〜（６）の何れかの構成において、
前記プレートの外縁は、長軸の長さが同一で楕円率が異なる２つの楕円で構成され、前記プレートの外縁の一方の半分は前記２つの楕円のうち短半径が小さい楕円で形成され、前記プレートの外縁の他方の半分は前記２つの楕円のうち短半径が大きい楕円で形成され、
前記２つの貫通孔のうち、前記長軸の中心点から遠い位置にある貫通孔に隣接したプレート面に前記第１熱交換流体を前記貫通孔に対して迂回させるための第２仕切堰を備える。

上記（７）の構成によれば、プレート重合体の形状をプレート重合体が収容される中空容器の形状に合わせることができるので、中空容器内面とプレート重合体との間に余分な空間をなくし、中空容器をコンパクト化できる。また、プレートの外縁に直線部分をなくすことができるので、プレート接合部の強度を向上でき、熱交換流体が高圧であってもプレート接合部からの熱交換流体の漏れを抑制できる。
また、例えば、熱交換後の第１熱交換流体を上記長軸の中心点から遠い位置にある貫通孔から導出させる場合に、該貫通孔に上記第２仕切堰を設けたことで、該貫通孔の上流側で第１熱交換流体の迂回流路を形成できる。これによって、第１熱交換流体の熱交換時間を長くでき熱交換性能を向上できる。

（８）一実施形態では、前記（１）〜（７）の何れかの構成において、
前記第１熱交換流路を形成する前記２つのプレート面において、前記凹凸部は複数の山谷を有する横断面を有し、かつ該山谷が直線状に延在する凹凸で構成され、
前記凹凸の延在方向の前記中心線に対する傾斜角は、前記第１仕切堰が設けられた領域の外側領域より前記第１仕切堰が設けられた領域のほうが大きい。
上記（８）の構成によれば、第１熱交換流体は上記凹凸部の延在方向に沿って流れ、かつ上記凹凸部の傾斜角は、上記のように中心線に対する傾斜角が設定されるので、第１熱交換流体はプレート面の周縁部側へ流れるように指向される。これによって、第１熱交換流体の流路を長くでき、伝熱面積を増加できるので、熱交換性能を向上できる。

（９）一実施形態では、前記（１）〜（８）の何れかの構成において、
前記複数のプレートのうち隣り合う一対のプレートは、前記２つの貫通孔の周縁部で接合してペアプレートを構成すると共に、隣り合う前記ペアプレート同士は、互いに対面するプレート面の外縁部で接合されている。
上記（９）の構成によれば、複数のプレートの各々の両側に交互に第１熱交換流路及び第２熱交換流路を形成したプレート重合体の製造を効率的に行うことができる。

（１０）一実施形態では、前記（９）の構成において、
前記複数のプレートは、同一形状の前記凹凸部を有した同一形状のプレートで構成され、
前記ペアプレートは、第１プレートと、前記中心線を中心に反転して前記第１プレートと反対向きに配置された第２プレートとで構成されている。
上記（１０）の構成によれば、プレート重合体を構成するすべてのプレートを同一形状とすることができるので、各プレートの製造工程を簡素化かつ低コスト化できる。

（１１）一実施形態に係る熱交換器は、
中空容器と、
前記中空容器の内部に配置された前記（１）〜（１０）の何れかの構成を有するプレート重合体と、
前記中空容器に前記第２熱交換流体を供給するための供給管と、
前記中空容器から第２熱交換流体を排出するための排出管と、
前記２つの貫通孔の一方に前記第１熱交換流体を導入するための導入管と、
前記２つの貫通孔の他方から前記第１熱交換流体を導出するための導出管と、
を備える。

上記（１１）の構成によれば、中空容器の内部に上記構成のプレート重合体を収容したことで、第１熱交換流体はプレート面の周辺領域まで拡散するので、第２熱交換流体との熱交換性能を高めることができる。また、ガス状の第１熱交換流体が潜熱熱交換する場合でも、ガス状の第１熱交換流体が凝縮した凝縮液は中心線に沿って形成された中心流路を通って出口側貫通孔に流れるため、ガス状冷媒の液化を阻害する凝縮液の滞留は起こらず、従って、熱交換性能を高めることができる。

（１２）一実施形態では、前記（１１）の構成において、
前記プレート重合体は、前記中空容器の内部で前記中心線が鉛直方向に沿うように配置される。
上記（１２）の構成によれば、下方に配置された貫通孔から流入した液状の第１熱交換流体が第２熱交換流体と顕熱熱交換を行う場合、第１仕切堰に沿ってプレート面全体に拡散するので、熱交換性能を向上できる。また、上方に配置された貫通孔からガス状の第１熱交換流体が流入したとき、ガス状の第１熱交換流体が凝縮した凝縮液は中心流路を通って出口側貫通孔にスムーズに流れるため、ガス状冷媒の液化を阻害する凝縮液の滞留は起こらず、従って、熱交換性能の低下を抑制できる。

（１３）一実施形態では、前記（１１）又は（１２）の構成において、
前記プレートの外縁は、長軸の長さが同一で楕円率が異なる２つの楕円で構成され、前記プレートの外縁の上半分は前記２つの楕円のうち短半径が小さい楕円で形成され、前記プレートの外縁の下半分は前記２つの楕円のうち短半径が大きい楕円で形成されている。
上記（１３）の構成によれば、上述のように、中空容器をコンパクト化できると共に、プレートの外縁に直線部分をなくすことができるので、プレート接合部の強度を向上でき、プレート接合部からの熱交換流体の漏れを抑制できる。

（１４）一実施形態では、前記（１３）の構成において、
前記２つの貫通孔のうち、前記長軸の中心点から遠い位置にある貫通孔が下方に配置され、前記長軸の中心点から近い位置にある貫通孔が上方に配置される。
上記（１４）の構成によれば、下方に配置された貫通孔から流入した液状の第１熱交換流体は、第１仕切堰に沿ってプレート面全体に拡散するので、熱交換性能を向上できる。また、上方に配置された貫通孔からガス状の第１熱交換流体が流入したとき、ガス状の第１熱交換流体が凝縮した凝縮液は中心流路を通って出口側貫通孔に流れるため、ガス状冷媒の液化を阻害する凝縮液の滞留は起こらず、従って、熱交換性能の低下を抑制できる。

幾つかの実施形態によれば、プレート重合体に形成される第１熱交換流路を流れる第１熱交換流体が、熱交換流体が相変化しない顕熱熱交換だけでなく、相変化する潜熱熱交換のときでも、また、プレート重合体が非円形プレートで構成されていても、熱交換性能の低下を抑制でき、熱交換性能を高めることができる。

プレート重合体の製造工程の一例を模式的に示す工程図である。 一実施形態に係るプレート重合体を構成するプレートの正面図である。 一実施形態に係るプレート重合体を構成するペアプレートの正面図である。 一実施形態に係るプレート重合体を構成するペアプレートの正面図である。 一実施形態に係る第１仕切堰を備えるプレート面を示す模式図である。 一実施形態に係る第１仕切堰を備えるプレート面を示す模式図である。 一実施形態に係る第１仕切堰を備えるプレート面を示す模式図である。 一実施形態に係る第１仕切堰を備えるプレート面を示す模式図である。 一実施形態に係るプレートの外郭形状を示す模式図である。 一実施形態に係る熱交換器の縦断面図である。 一実施形態に係る熱交換器の横断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載され又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一つの構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

図１は、プレート重合体１０の製造工程の一例を示す。なお、図１に示すプレート１２は、円形のプレートで構成されている。プレート重合体１０は、表裏面に凹凸部１４が形成された複数のプレート１２が重ねて配置されて構成される。各プレート１２の間には、凹凸部１４によって流路が形成される。即ち、プレートの重合方向に沿って交互に第１熱交換流路Ｆ_１と第２熱交換流路Ｆ_２とが形成され、第１熱交換流路Ｆ_１を流れる第１熱交換流体と第２熱交換流路Ｆ_２を流れる第２熱交換流体とは、各プレート１２を通して熱交換される。各プレート１２は、表裏面に貫通し第１熱交換流路Ｆ_１に連通する２つの貫通孔１６及び１８を有する。第１熱交換流体は貫通孔１６及び１８の一方から導入され、他方から導出される。

一実施形態では、図１に示すように、複数のプレート１２のうち隣り合う一対のプレート１２（１２ａ）及び１２（１２ｂ）は、プレート面のうち貫通孔１６及び１８の周縁を形成する周縁部１６ａ及び１８ａで溶接などによって接合して１個のペアプレート２０を構成する。１個のペアプレート２０を構成する一対のプレート１２（１２ａ）及び１２（１２ｂ）間には第２熱交換流路Ｆ_２が形成される。次に、隣り合うペアプレート同士は、互いに対面するプレート面の外縁部２０ａ（互いに接合される周縁部１６ａ及び１８ａの面と反対側の面の外縁部）が結合されてプレート重合体１０が製造される。ペアプレート２０を形成する一対のプレート１２（１２ａ、１２ｂ）の外側プレート面の間に第１熱交換流路Ｆ_１が形成される。この製造方法によれば、各プレート１２の両側に第１熱交換流路Ｆ_１と第２熱交換流路Ｆ_２とが交互に配置されるプレート重合体１０の製造を効率良く行うことができる。

一実施形態では、複数のプレート１２は、夫々同一形状の凹凸部１４を有した同一形状のプレートで構成される。図１に示すように、ペアプレート２０のうち一方のプレート１２（１２ｂ）は、２つの貫通孔１６及び１８の中心を通る中心線Ｃを中心に反転して他方のプレート１２（１２ａ）と反対向きに配置されている。
この実施形態によれば、プレート重合体１０を構成するすべてのプレート１２を同一形状とすることができるので、プレート１２の製造工程を簡素化かつ低コスト化できる。
なお、一実施形態では、プレート重合体１０において、各プレート１２に形成される２つの貫通孔は、夫々重合方向から視て重なり合うように配置される。これによって、プレート重合体１０に、第１熱交換流体が流れる２つの給排路を直線状に形成できる。

図２〜図４は、一実施形態に係るプレート１２を正面から見たプレート面を示す。図２は、第１熱交換流路Ｆ_１を形成する２つのプレートの一方のプレート面を示し、図３及び図４は、第１熱交換流路Ｆ _１ を形成する２つのプレート面を重合方向から視た図である。
仕切堰（第１仕切堰）２２は、第１熱交換流路Ｆ_１を形成する２つのプレート面の少なくとも一方に形成される。仕切堰２２は、２つの貫通孔１６及び１８の夫々の中心を結ぶ中心線Ｃに対して傾斜し、かつ中心線Ｃに対して左右対称に配置されている。この場合、仕切堰２２が一方のプレート面のみに左右対称に配置されていてもよいし、あるいは仕切堰２２が２つのプレート面に少なくとも部分的に配置され、プレート重合方向から視たとき、２つのプレート面を合わせて左右対称になるようにしてもよい。
また、２つの貫通孔１６及び１８のうち少なくとも第１熱交換流体が導入される貫通孔側に、中心線Ｃに沿う中心流路２４が形成される。

上記構成によれば、２つの貫通孔１６及び１８の一方から第１熱交換流路Ｆ_１に流入した第１熱交換流体は、仕切堰２２によって中心線Ｃから離れる方向（プレート面の周辺方向）へ流れるように指向される。これによって、第１熱交換流体はプレート面の周辺領域まで拡散するので、第２熱交換流体との伝熱面積を増加でき、熱交換性能を高めることができる。また、ガス状の第１熱交換流体が潜熱熱交換する場合でも、中心流路２４が形成されているため、ガス状の第１熱交換流体が第１熱交換流路Ｆ_１で凝縮した凝縮液は、導入される貫通孔の近くで滞留せずに、中心流路２４を通って出口側貫通孔に流れるため、ガス状流体の液化を阻害する凝縮液の滞留は起こらない。従って、熱交換性能を高く維持できる。従って、１種類のプレート重合体で顕熱熱交換及び潜熱熱交換の両方に対応できるため、プレート重合体１０の製造コストを削減できる。

仕切堰２２は、２つの貫通孔１６及び１８の一方の貫通孔側に凸又は凹となる円弧状に延在してもよいし、あるいは直線状に延在してもよい。いずれの形状でも、第１熱交換流体は、仕切堰２２によって中心線Ｃから離れる方向へ流れるように指向されるので、第２熱交換流体との熱交換時間を長く取ることができ、第２熱交換流体との熱交換性能を高めることができる。

図３及び図４は、一実施形態に係る仕切堰２２を備えるプレートを示す。この例では、図７に示すプレート重合体１０のように、各プレート１２は上下方向に沿って配置され、かつ貫通孔１６が下側に配置され、貫通孔１８が上側に配置されている。図３は、第１熱交換流体として例えば冷却水やブラインの顕熱流体が貫通孔１６から第１熱交換流路Ｆ_１に導入され、第２熱交換流体と顕熱熱交換を行った後、液状のまま貫通孔１８から導出する顕熱熱交換の場合を示す。図４は、第１熱交換流体として、ＣＯ_２などのガス状の潜熱流体が貫通孔１８から第１熱交換流路Ｆ_１に導入され、ＮＨ_３などの第２熱交換流体と潜熱熱交換を行い、液化して貫通孔１６から導出する場合を示す。図３及び図４において、矢印ａ及びｂは第１熱交換流体の流れ方向を示す。

この実施形態の仕切堰２２は、複数の仕切堰が貫通孔１６側に凹となる円弧状に延在し、かつ第１熱交換流路を形成する２つのプレート面に夫々中心線Ｃに対して左右対称に形成されている。さらに、２つのプレート面に夫々形成された仕切堰２２は、プレート重合方向視で重なり合うように配置されている。これによって、仕切堰２２の流れ抑止効果を高めることができる。
さらに、一実施形態では、２つのプレート面に夫々形成された仕切堰２２の端面が接するように配置されれば、仕切堰２２の流れ抑止効果をさらに高めることができる。

図３において、貫通孔１６から導入された顕熱流体は、仕切堰２２によってプレート面の周辺領域を含めプレート面全体を流れて貫通孔１８に導出している。図４も同様であるが、中心線Ｃに沿って上下方向に中心流路２４が形成されているので、ガス状の第１熱交換流体が貫通孔１８から第１熱交換流路Ｆ_１に導入され、潜熱熱交換する場合、第１熱交換流路Ｆ_１で凝縮した凝縮液は、貫通孔１６の近くで滞留せずに、中心流路２４を通ってスムーズに貫通孔１６に流れるため、ガス状流体の液化を阻害する凝縮液の滞留は起こらない。

図５Ａ〜図５Ｄは、他の幾つかの実施形態に係る仕切堰２２を備えるプレート面を示す。なお、これらの実施形態では、後述するように、プレート１２の外縁形状は、長軸３０の長さが同一で楕円率が異なる２つの楕円で構成されている。同図では、凹凸部１４の図示は省略されている。
図５Ａでは、複数の仕切堰が貫通孔１６に対して凸となる円弧状に延在している。図５Ｂでは、片側２列に配置された複数の仕切堰が、図３と同様に、貫通孔１６側に凹となる円弧状に延在している。また、図５Ａ及び図５Ｂに示す実施形態では、中心線Ｃに沿って貫通孔１６及び１８間に中心流路２４が形成されている。

図５Ｃでは、仕切堰２２は、複数の仕切堰が離散して並列に配置され、第１熱交換流体が複数の仕切堰間を蛇行する流路が形成されている。即ち、１つの仕切堰の一端に流体が迂回可能な流路が形成され、該仕切堰の外側にある仕切堰には、該仕切堰と反対側端に流体が迂回可能な流路が形成されている。従って、これら仕切堰の間を迂回可能な流路を形成できる。このように、第１熱交換流体が蛇行する流路が形成されているので、第２熱交換流体との熱交換時間を長く取ることができ、これによって、熱交換性能を向上できる。
さらに、図５Ｃに示す実施形態は、仕切堰２２を構成する各仕切堰は貫通孔１８から貫通孔１６へ向けて中心線Ｃから外側へ傾斜するように延在している。そして、貫通孔１６から第１熱交換流路Ｆ_１に導入された顕熱流体は、各仕切堰に沿って蛇行しながらプレート面の中央側から周辺領域へ流れる。これによって、第２熱交換流体との熱交換時間を長くすることができ、熱交換性能を向上できる。

図５Ｄに示す実施形態では、貫通孔１６側に凸となった円弧状の仕切堰２２を備えている。この仕切堰２２は、複数の仕切堰が離散して並列に配置され、第１熱交換流体が各仕切堰間を蛇行可能に配置されている。また、貫通孔１６及び１８の間に貫通孔１６に隣接して仕切堰２６が設けられ、仕切堰２２を構成する仕切堰と仕切堰２６との隙間が小さいために、貫通孔１６から第１熱交換流路Ｆ_１に導入された第１熱交換流体は、プレート面の外縁に沿って流れ、その後、プレート面の内側へ向かって仕切堰間を蛇行する。

一実施形態では、図６に示すように、プレート１２の外縁形状は、長軸３０の長さが同一で楕円率が異なる２つの楕円で構成される。即ち、プレート１２の外縁の一方の半分は２つの楕円のうち短軸３２の短半径が小さい楕円３４で形成され、プレートの外縁の他方の半分は２つの楕円のうち短軸３２の短半径が大きい楕円３６で形成されている。
これによって、プレート重合体１０の形状を後述する中空容器の形状に合わせることができるので、中空容器内面とプレート重合体１０との間に余分な空間をなくし、中空容器をコンパクト化できる。また、プレート１２の外縁に直線部分がないので、溶接などによって接合されるペアプレート間のプレート接合部の強度を向上でき、第１熱交換流体又は第２熱交換流体が高圧となっても、プレート接合部からの第１熱交換流体の漏れを抑制できる。

また、一実施形態では、２つの貫通孔１６及び１８のうち、長軸３０の中心点Ｏから遠い位置にある貫通孔１６に隣接したプレート面に第１熱交換流体を貫通孔１６に対して迂回させるための仕切堰（第２仕切堰）２６を備える。
この実施形態によれば、例えば、熱交換後の第１熱交換流体を貫通孔１６から導出させる場合に、仕切堰２６を備えることで、貫通孔１６の手前で第１熱交換流体を貫通孔１６から迂回させる流路を形成できる。これによって、第１熱交換流体の熱交換時間を長くでき熱交換性能を向上できる。

一実施形態では、図３及び図４に示すように、第１熱交換流路Ｆ_１を形成する２つのプレート面において、凹凸部１４は複数の山谷を有する横断面を有し、かつ該山谷が直線状に延在する凹凸で構成される。この凹凸の延在方向の中心線Ｃに対する傾斜角は、仕切堰２２の外側領域Ａより仕切堰２２が配置された領域Ｂのほうが大きい。
この実施形態によれば、第１熱交換流体は上記凹凸部の延在方向に沿って流れるので、凹凸部１４の中心線Ｃに対する傾斜角が上記のように設定されるため、第１熱交換流体はプレート面の周縁部側へ流れるように指向される。これによって、プレート面で第１熱交換流体の流路を長くできるので、熱交換性能を向上できる。即ち、図３に示すように、領域Ａでは、中心線Ｃに対する凹凸の延在方向の傾斜角が小さいために、第１熱交換流体は広く分散しながらプレート面の周辺方向へ流れる。これによって、伝熱面積を増加でき、熱交換性能を向上できる。また、領域Ｂでは、中心線Ｃに対する凹凸の延在方向の傾斜角が大きいために、第１熱交換流体は、仕切堰２２に沿って速やかにプレート面の周辺方向へ流れる。領域Ｂでは、プレート面の横方向の周縁までの距離が大きいために、第１熱交換流体が周辺方向へ流れる速度を大きくすることで、周縁への到達を早めることができる。

一実施形態に係るシェルアンドプレート式熱交換器４０（以下単に「熱交換器４０」とも言う。）は、図７に示すように、中空容器４２の内部にプレート重合体１０が収容されている。第２熱交換流体を供給する供給ライン４４と、中空容器４２から第１熱交換流体と熱交換した後の第２熱交換流体を排出する排出管４６とが中空容器４２に接続される。また、中空容器４２には、２つの貫通孔１６又は１８の一方から第１熱交換流体を導入し、他方から導出する２つの給排管４８及び５０が接続されている。中空容器４２にプレート重合体１０が収容される。各プレート１２に形成された貫通孔１６によって、プレート１２の重合方向に貫通路５２が形成され、各プレート１２に形成された貫通孔１８によって、プレート１２の重合方向に貫通路５４が形成される。
一実施形態では、各プレート１２において、貫通孔１６及び１８は、夫々プレート面の同じ位置に形成され、貫通孔１６及び１８は、直線状の貫通路を形成する。

供給ライン４４から供給された液状の第２熱交換流体が、熱交換器４０で顕熱熱交換又は潜熱熱交換する場合、顕熱熱交換後の液状流体は排出管４６（４６ａ）から排出され、潜熱熱交換後のガス状流体は排出管４６（４６ｂ）から排出される。
熱交換器４０が冷凍装置に用いられる凝縮器のとき、給排管４８から貫通路５２を介して導入された液状の第１熱交換流体（例えば、冷却水、ブライン等）は、プレート重合体１０でガス状の冷媒（第１熱交換流体）と顕熱熱交換し、顕熱熱交換後の液状の第１熱交換流体は貫通路５４を介して給排管５０から排出される。
熱交換器４０が冷凍装置に用いられる蒸発器のとき、第２熱交換流体（例えば、ＮＨ_３冷媒）は、供給ライン４４から中空容器４２に供給され、プレート重合体１０で潜熱熱交換してガス状となり、排出管４６（４６ｂ）から圧縮機（不図示）に排出される。
熱交換器４０がＮＨ_３／ＣＯ_２二元冷凍機に用いられる液溜器のとき、給排管５０から第１熱交換流体として導入されたガス状のＣＯ_２冷媒は、プレート重合体１０で潜熱熱交換し、潜熱熱交換後の液状のＣＯ_２冷媒は給排管４８から排出される。第２熱交換流体として供給ライン４４から中空容器４２に供給された液状のＮＨ_３冷媒は、中空容器４２に供給され、プレート重合体１０で潜熱熱交換してガス状となり、排出管４６（４６ｂ）から排出される。

熱交換器４０は、プレート重合体１０を備えることで、上述のように、第１熱交換流体と第２熱交換流体との熱交換性能を高めることができる。

一実施形態では、供給ライン４４は管路５６を介して中空容器４２の内部に設けられたノズル管５８に接続される。ノズル管５８は、中空容器内の上部でプレート重合体１０の重合方向に配置され、軸線方向に多数のノズル口６０が形成されている。ノズル口６０から第１熱交換流体がプレート重合体１０に向けて滴下される。また、中空容器４２の底部には溜まった油分を取り出すための取出口（不図示）が設けられる。

一実施形態では、図８に示すように、プレート重合体１０は、中空容器４２の内部で中心線Ｃが鉛直方向に沿うように配置される。これによって、貫通孔１６及び１８は中心線Ｃに沿って上下に配置され、下方に配置された貫通孔１６から液状の第１熱交換流体が導入され顕熱熱交換するときは、液状の第１熱交換流体は仕切堰２２に沿ってプレート面全体に拡散するので、熱交換性能を向上できる。また、上方に配置された貫通孔１８からガス状の第１熱交換流体が導入され潜熱熱交換するときは、ガス状の第１熱交換流体が第１熱交換流路Ｆ_１で凝縮した凝縮液は中心流路２４を通って出口側の貫通孔１６に速やかに流下するため、ガス状流体の液化を阻害する凝縮液の滞留は起こらず、従って、熱交換性能の低下を抑制できる。

一実施形態では、上述のように、プレート１２の外縁形状は、長軸３０の長さが同一で長軸３０を共有し、かつ楕円率が異なる２つの楕円で構成され、プレート１２の外縁の上半分は２つの楕円のうち短軸３２の短半径が小さい楕円３４で形成され、プレート１２の外縁の下半分は２つの楕円のうち短軸３２の短半径が大きい楕円３６で形成される。
これによって、プレート重合体１０の形状を中空容器４２の形状に合わせることができるので、中空容器内面とプレート重合体１０との余分な空間をなくし、中空容器４２をコンパクト化できる。また、プレート１２の外縁に直線部分がないので、プレート接合部の強度を向上でき、プレート接合部からの熱交換流体の漏れを防止できる。熱交換器４０が冷凍装置の蒸発器や液溜器に用いられ、かつ第１熱交換流体がガス状のＣＯ_２冷媒であって、第２熱交換流体がＮＨ_３冷媒であるとき、第１熱交換流路Ｆ_１及び第２熱交換流路Ｆ_２は４．０ＭＰａ付近の高圧に達する時もあるが、溶接などで接合されたプレート接合部の漏れを防止できる。

一実施形態では、貫通孔１６及び１８のうち、長軸３０の中心点Ｏから遠い位置にある貫通孔１６が下方に配置され、中心点Ｏから近い位置にある貫通孔１８が上方に配置される。
この実施形態によれば、下方に配置された貫通孔１６から流入した液状の第１熱交換流体は、仕切堰２２に沿ってプレート面全体に拡散するので、熱交換性能を向上できる。また、上方に配置された貫通孔１８からガス状の第１熱交換流体が流入したとき、ガス状の第１熱交換流体が凝縮した凝縮液は中心流路２４を通って出口側貫通孔１６に流れるため、ガス状流体の液化を阻害する凝縮液の滞留は起こらず、従って、熱交換性能の低下を抑制できる。

幾つかの実施形態によれば、熱交換流体が相変化しない顕熱熱交換だけでなく、相変化する潜熱熱交換のときでも、また、プレート重合体が非円形プレートで構成されていても、熱交換性能が低下しないプレート重合体を実現できる。従って、冷凍装置の蒸発器や凝縮器等の熱交換器に適用されるとき、１種類のプレート重合体で対応できるため、熱交換器の製造コストを削減できる。

１０ プレート重合体
１２（１２ａ、１２ｂ） プレート
１４ 凹凸部
１６、１８ 貫通孔
１６ａ、１８ａ 周縁部
２０ ペアプレート
２０ａ 外縁部
２２ 仕切堰（第１仕切堰）
２４ 中心流路
２６ 仕切堰（第２仕切堰）
３０ 長軸
３２ 短軸
３４、３６ 楕円
４０ 熱交換器
４２ 中空容器
４４ 供給ライン
４６（４６ａ、４６ｂ） 排出管
４８、５０ 給排管
５２、５４ 貫通路
５６ 管路
５８ ノズル管
６０ ノズル口
Ｃ 中心線
Ｆ_１ 第１熱交換流路
Ｆ_２ 第２熱交換流路
Ｏ 中心点

Claims (14)

1. 表裏面に凹凸部が形成され重ねて配置された複数のプレートと、
   前記複数のプレートの間で前記複数のプレートの重合方向に沿って交互に形成され、第１熱交換流体が流れる第１熱交換流路及び第２熱交換流体が流れる第２熱交換流路と、
   を備え、
   前記複数のプレートの各々は、表裏面に貫通し前記第１熱交換流体が導入及び導出される２つの貫通孔を有し、
   前記複数のプレートが形成するプレート面のうち前記第１熱交換流路を形成する２つのプレート面の少なくとも一方に形成され、前記２つの貫通孔の中心同士を結ぶ中心線に対して傾斜し、前記プレートの重合方向視で前記中心線に対して左右対称に配置された第１仕切堰と、
   前記２つの貫通孔のうち少なくとも前記第１熱交換流体が導入される貫通孔側の領域において前記中心線に沿って該中心線上を通るように形成された流路と、
   を備え、
   前記第１仕切堰は、前記２つの貫通孔のうち上方に位置する第１貫通孔から下方に位置する第２貫通孔に向かって、互いの間隔が狭くなるように前記流路の少なくとも一部を挟んで左右対称に配置された一対の仕切堰を含む
   ことを特徴とするプレート重合体。
2. 前記第１仕切堰は、前記２つの貫通孔の一方側に凹となる円弧状に延在することを特徴とする請求項１に記載のプレート重合体。
3. 前記第１仕切堰は、前記２つの貫通孔の一方側に凸となる円弧状に延在することを特徴とする請求項１に記載のプレート重合体。
4. 前記第１仕切堰は、直線状に延在することを特徴とする請求項１に記載のプレート重合体。
5. 前記第１仕切堰は、複数の仕切堰が離散して並列に配置され、前記第１熱交換流体が前記複数の仕切堰間を蛇行する流路が形成されることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載のプレート重合体。
6. 前記第１仕切堰は、前記第１熱交換流路を形成する前記２つのプレート面の各々に前記中心線に対して左右対称に形成され、
   前記２つのプレート面に夫々形成された前記第１仕切堰は、前記重合方向視で重なり合うように配置されることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載のプレート重合体。
7. 前記プレートの外縁は、長軸の長さが同一で楕円率が異なる２つの楕円で構成され、前記プレートの外縁の一方の半分は前記２つの楕円のうち短半径が小さい楕円で形成され、前記プレートの外縁の他方の半分は前記２つの楕円のうち短半径が大きい楕円で形成され、
   前記第２貫通孔は、前記第１貫通孔に比べて前記長軸の中心点から遠い位置にあり、
   前記流路と前記第２貫通孔との間に位置し、前記第１熱交換流体を前記第２貫通孔に対して迂回させるための第２仕切堰を備えることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載のプレート重合体。
8. 表裏面に凹凸部が形成され重ねて配置された複数のプレートと、
   前記複数のプレートの間で前記複数のプレートの重合方向に沿って交互に形成され、第１熱交換流体が流れる第１熱交換流路及び第２熱交換流体が流れる第２熱交換流路と、
   を備え、
   前記複数のプレートの各々は、表裏面に貫通し前記第１熱交換流体が導入及び導出される２つの貫通孔を有し、
   前記複数のプレートが形成するプレート面のうち前記第１熱交換流路を形成する２つのプレート面の少なくとも一方に形成され、前記２つの貫通孔の中心同士を結ぶ中心線に対して傾斜し、前記プレートの重合方向視で前記中心線に対して左右対称に配置された第１仕切堰と、
   前記２つの貫通孔のうち少なくとも前記第１熱交換流体が導入される貫通孔側において前記中心線に沿って形成された流路と、
   を備え、
   前記第１熱交換流路を形成する前記２つのプレート面において、前記凹凸部は複数の山谷を有する横断面を有し、かつ該山谷が直線状に延在する凹凸で構成され、
   前記凹凸の延在方向の前記中心線に対する傾斜角は、前記第１仕切堰と前記プレート面の周縁との間の外側領域より、隣り合う前記第１仕切堰によって挟まれた堰間領域のほうが大きいことを特徴とするプレート重合体。
9. 前記複数のプレートのうち隣り合う一対のプレートは、前記２つの貫通孔の周縁部で接合してペアプレートを構成すると共に、隣り合う前記ペアプレート同士は、互いに対面するプレート面の外縁部で接合されていることを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載のプレート重合体。
10. 前記複数のプレートは、同一形状の前記凹凸部を有した同一形状のプレートで構成され、
    前記ペアプレートは、第１プレートと、前記中心線を中心に反転して前記第１プレートと反対向きに配置された第２プレートとで構成されていることを特徴とする請求項９に記載のプレート重合体。
11. 中空容器と、
    前記中空容器の内部に配置された請求項１乃至１０の何れか一項に記載されたプレート重合体と、
    前記中空容器に前記第２熱交換流体を供給するための供給管と、
    前記中空容器から前記第２熱交換流体を排出するための排出管と、
    前記２つの貫通孔の一方に前記第１熱交換流体を導入するための導入管と、
    前記２つの貫通孔の他方から前記第１熱交換流体を導出するための導出管と、
    を備えることを特徴とする熱交換器。
12. 前記プレート重合体は、前記中空容器の内部で前記中心線が鉛直方向に沿うように配置されることを特徴とする請求項１１に記載の熱交換器。
13. 前記プレートの外縁は、長軸の長さが同一で楕円率が異なる２つの楕円で構成され、前記プレートの外縁の上半分は前記２つの楕円のうち短半径が小さい楕円で形成され、前記プレートの外縁の下半分は前記２つの楕円のうち短半径が大きい楕円で形成されていることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の熱交換器。
14. 前記２つの貫通孔のうち前記長軸の中心点から遠い位置にある貫通孔が下方に配置され、前記長軸の中心点から近い位置にある貫通孔が上方に配置されることを特徴とする請求項１３に記載の熱交換器。