JP6987074B2 - 伝熱プレートおよび複数のかかる伝熱プレートを備えるプレート熱交換器 - Google Patents

伝熱プレートおよび複数のかかる伝熱プレートを備えるプレート熱交換器 Download PDF

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Description

本発明は、伝熱プレートおよびその設計に関する。さらに本発明は、複数のかかる伝熱プレートを備えるプレート熱交換器に関する。
プレート熱交換器、すなわちPHEは、典型的には2つの端部プレートからなり、これらの端部プレート間には、複数の伝熱プレートが整列状態で、すなわちスタックまたはパックの形態で配置される。1つのチャネルが各対の伝熱プレート間に位置するように、平行な流れチャネルが伝熱プレート間に形成される。初期温度の異なる2つ流体が、一方の流体から他方の流体に伝熱するために各第2のチャネルを通り流れることができ、これらの流体は、伝熱プレートの入口ポート穴および出口ポート穴を通りこれらのチャネルに進入し、およびこれらのチャネルから退出する。
典型的には、伝熱プレートは、2つの端部領域と中間伝熱領域とを備える。これらの端部領域は、入口ポート穴および出口ポート穴と、伝熱プレートの中央延在面に対して稜部および谷部などの突出部およびくぼみ部の分散パターンを有して加圧成形された分散領域と、を備える。同様に、伝熱領域は、前記中央延在面に対して稜部および谷部などの突出部およびくぼみ部の伝熱パターンを有して加圧成形される。あるプレート熱交換器では、ある伝熱プレートの分散パターンおよび伝熱パターンの稜部および谷部が、隣接する伝熱プレートの分散パターンおよび伝熱パターンの稜部および谷部と接触領域において接触するように配置され得る。
伝熱プレートの分散領域の主な役割は、流体が伝熱領域に到達する前に、伝熱プレートの幅にわたってチャネルに進入する流体を拡散させることと、この流体が伝熱領域を通過した後に、その流体を収集しチャネルから出るように案内することと、である。対照的に、伝熱領域の主な役割は伝熱である。分散領域および伝熱領域は、主な役割が異なるため、分散パターンは伝熱パターンとは通常異なる。分散パターンは、比較的弱い流れ抵抗と、隣接し合う伝熱プレート間に比較的少数の、しかし広い接触領域をもたらす典型的にはいわゆるチョコレートパターンなどのより「目の大きな」パターン設計に関連した低い圧力降下と、をもたらすようなものであってもよい。伝熱パターンは、比較的強い流れ抵抗と、隣接し合う伝熱プレート間においてより多数の、しかしより小さな接触領域をもたらす図3において断面図で概略的に示す典型的にはいわゆる杉綾パターンなどのより「目の詰まった」パターン設計に関連した高い圧力降下と、をもたらすようなものであってもよい。既知の伝熱パターンは、既知の分散パターンよりもはるかにより効果的な伝熱をもたらすが、依然として改良の余地がある。
本発明の1つの目的は、熱交換器内に備えられる場合に、既知の伝熱プレートよりも高い流体間伝熱効果をもたらし得る伝熱プレートを提供することである。本発明の基本コンセプトは、中央延在面に対して非対称的な伝熱パターンを伝熱プレートに与えることである。本発明のもう1つの目的は、複数のかかる伝熱プレートを備える熱交換器を提供することである。上記の目的を達成するための伝熱プレートおよび熱交換器が、添付の特許請求の範囲において定義され、以下で論じられる。
本発明による伝熱プレートは長手方向中心軸を有し、頂部面、底部面、ならびに長手方向中心軸と頂部面および底部面との間の途中まで、ならびに長手方向中心軸と頂部面および底部面とに対して平行に延在する中央延在面を画定するか、またはこれらの頂部面、底部面、ならびに中央延在面の中に延在する。名称から明らかなように、頂部面および底部面は、伝熱プレートを画定し、すなわち伝熱プレートは、頂部面および底部面の完全に中に、ならびに頂部面と底部面との間にわたって、しかし頂部面および底部面を越えることなく延在する。伝熱プレートは、中央延在面に対して交互に配置された稜部および谷部の伝熱パターンを備える伝熱領域を備える。稜部の隣接し合う第1の稜部および第2の稜部が、伝熱プレートの長手方向中心軸に対して斜めに延在し、第1の頂部部分および第2の頂部部分をそれぞれ備え、谷部の隣接し合う第1の谷部および第2の谷部が、伝熱プレートの長手方向中心軸に対して斜めに延在し、第1の底部部分および第2の底部部分をそれぞれ備える。したがって、伝熱プレートの長手方向中心軸と、第1の稜部および第2の稜部ならびに第1の谷部および第2の谷部のそれぞれの延在部と、の間に、0度でない角度が存在する。第1の稜部および第2の稜部ならびに第1の谷部および第2の谷部は、平行および/または直線であってもよいが、そうである必要はなく、すなわち直線状延長部を有し得る。第1の谷部は、第1の稜部と第2の稜部との間に配置され、第2の稜部は、第1の谷部と第2の谷部との間に配置される。第1の谷部の第1の底部部分は、第1のフランクにより第1の稜部の第1の頂部部分に連結され、且つ第2のフランクにより第2の稜部の第2の頂部部分に連結される。第2の稜部の第2の頂部部分は、第3のフランクにより第2の谷部の第2の底部部分に連結される。第1の頂部部分および第2の頂部部分は、頂部面内に延在し、第1の底部部分および第2の底部部分は、底部面内に延在する。伝熱プレートは、第1のフランク、第2のフランク、および第3のフランクのうちの1つがフランクショルダを備えることを特徴とする。フランクショルダは、中央延在面から変位されたフランクショルダ面に配置されるか、またはフランクショルダ面内に延在する。第1の稜部および第2の稜部ならびに第1の谷部および第2の谷部を通る、ならびに第1の稜
部および第2の稜部ならびに第1の谷部および第2の谷部の長手方向延在部に対して垂直な断面を基準とした場合に、伝熱プレートと、第1の稜部および第2の稜部のそれぞれの第1の頂部部分から第2の頂部部分まで延在する第1の最短仮想直線と、により画定されたまたは囲まれた第1の領域が、伝熱プレートと、第1の谷部および第2の谷部のそれぞれの第1の底部部分から第2の底部部分まで延在する第2の最短仮想直線と、により画定されたまたは囲まれた第2の領域とは異なる。
したがって、第1のフランク、第2のフランク、および第3のフランクのうちの少なくとも1つが、ショルダを備える。しかし伝熱プレートは、第1のフランク、第2のフランク、および第3のフランクが、第1のショルダ面、第2のショルダ面、および第3のショルダ面にそれぞれ配置されているか、または第1のショルダ面、第2のショルダ面、および第3のショルダ面内にそれぞれ延在する第1のショルダ、第2のショルダ、および第3のショルダをそれぞれ備えるようなものであってもよい。この場合に、第1のフランク、第2のフランク、および第3のフランクのそれぞれが、それぞれのショルダと、上述のフランクショルダと、を備え、フランクショルダ面は、実際には第1のショルダ、第2のショルダ、および第3のショルダのうちの1つ、ならびに第1のショルダ面、第2のショルダ面、および第3のショルダ面のうちの対応する1つである。
当然ながら、頂部面、底部面、および中央延在面は、仮想のものである。
ショルダがショルダ面に配置されるまたはショルダ面内に延在するという表現は、ショルダの中心点がショルダ面内に配置されることを意味する。
稜部は、伝熱プレートの長手方向中心軸を基準とした場合に、伝熱領域の全体または一部にわたり斜めに延在する細長連続***部を意味する。同様に、谷部は、伝熱プレートの長手方向中心軸を基準とした場合に、伝熱領域の全体または一部にわたり斜めに延在する細長連続溝部を意味する。稜部および谷部は、相互に沿って延在し、共に典型的にはそれらの実質的に全長に沿って連続断面を有する。したがって、レッジまたはプラトーとも呼ばれ得るフランクおよびそれらのショルダもまた、細長である。ショルダは、フランクの実質的に全長に沿って延在してもよく、実質的にそれらの全長に沿って連続断面を有し得る。
伝熱パターンは、伝熱プレートの表面(おもてめん)により画定された第1の領域が、伝熱プレートの裏面により画定された第2の領域とは異なる点で、2次元的に見た場合に非対称である。当然ながら、伝熱パターンは、伝熱プレートの表面(おもてめん)と頂部面とにより囲まれた第1の体積が、伝熱プレートの裏面と底部面とにより囲まれた第2の体積とは異なる点で、さらに三次元的に見た場合にも非対称である。伝熱プレートが熱交換器内に設置されると、この非対称パターンおよびより具体的にはフランクのショルダが、熱交換器のチャネル内に増強された乱流をもたらす。さらに、フランクのショルダは、伝熱プレートの表面(ひょうめん)拡張と、したがってより広い伝熱領域とを結果的にもたらす。増強された乱流および増大された伝熱領域は、熱交換器を通り流れる流体同士の間により効率的な伝熱をもたらす。
第1のショルダ面、第2のショルダ面、および第3のショルダ面はいずれも、中央延在面から変位され得る。さらに、第1のショルダ面、第2のショルダ面、および第3のショルダ面は一致してもよく、すなわち第1のショルダ、第2のショルダ、および第3のショルダは、第1のフランク、第2のフランク、および第3のフランクのそれぞれの上に同様に位置決めされる。これらの実施形態は、伝熱プレートを収容するプレートパックの均一な強度ももたらし得るプレート対称性をもたらし得る。
第1のショルダ面、第2のショルダ面、および第3のショルダ面は、底部面と中央延在面との間に延在し得る。かかる一実施形態は、より広い第1の領域およびより狭い第2の領域に関連付けられ、伝熱パターンの非対称性に寄与し得る。第1のショルダ面、第2のショルダ面、および第3のショルダ面が、底部面に対してより近くに位置するほど、第1の領域はより広くなり、第2の領域はより狭くなる。
伝熱プレートは、第1のフランク、第2のフランク、および第3のフランクが、フランクが各々2つ以上のそれぞれのショルダを備えている場合よりも伝熱プレートの強度をより高め得る1つのみのそれぞれのショルダを備えるようなものであってもよい。
伝熱プレートは、前記断面を基準とした場合に、第1の稜部および第2の稜部が同一である、および/または第1の谷部および第2の谷部が同一であるようなものであってもよい。さらに、前記断面を基準とした場合に、第1のフランクおよび第3のフランクが同一であってもよく、第2のフランクが、第1のフランクおよび第3のフランクの鏡像であってもよい。これらの実施形態は、伝熱プレートを収容するプレートパックの均一な強度ももたらし得るプレート対称性をもたらし得る。
前記断面を基準とした場合に、第1の稜部および第2の稜部はそれぞれ、頂部面に対して垂直にならびに第1の頂部部分および第2の頂部部分のそれぞれの中心を通り延在する対称軸を有し得る。同様に、前記断面を基準とした場合に、第1の谷部および第2の谷部はそれぞれ、底部面に対して垂直にならびに第1の底部部分および第2の底部部分のそれぞれの中心を通り延在する対称軸を有し得る。
伝熱プレートは、第1の谷部が第1の稜部よりも幅広であるようなものであってもよい。また、伝熱プレートは、第1の谷部および第2の谷部が、第1の稜部および第2の稜部よりも幅広であるようなものであってもよい。より幅広の第1の谷部および第2の谷部は、より広い第1の領域およびより狭い第2の領域に関連し、伝熱パターンの非対称性に寄与し得る。
本発明による熱交換器は、本発明による複数の伝熱プレートを備える。伝熱プレートのうちの第1の伝熱プレートの表面(おもてめん)が、伝熱プレートのうちの第2の伝熱プレートの裏面に対面する。さらに、第2の伝熱プレートの表面(おもてめん)が、伝熱プレートのうちの第3の伝熱プレートの裏面に対面する。第2の伝熱プレートは、第2の伝熱プレートの中心を通り第2の伝熱プレートの中央延在面に対して垂直に延在する第2の伝熱プレートの中心軸を中心として、第1の伝熱プレートおよび第3の伝熱プレートに対して180度回転される。したがって、各第2の伝熱プレートが、基準配向に対して上下反転されるように、その中央延在面において180度回転される。
上記の熱交換器では、第2の伝熱プレートの伝熱パターンの谷部は、第1の伝熱プレートの伝熱パターンの稜部に当接して第1のチャネルを画定し得る。さらに、第2の伝熱プレートの伝熱パターンの稜部は、第3の伝熱プレートの伝熱パターンの谷部に当接して第2のチャネルを画定し得る。この場合に、第1のチャネルおよび第2のチャネルは、同一の体積を有する。
本発明による複数の伝熱プレートを備える本発明による代替的な熱交換器では、伝熱プレートのうちの第1の伝熱プレートの裏面が、伝熱プレートのうちの第2の伝熱プレートの裏面に対面する。さらに、第2の伝熱プレートの表面(おもてめん)が、伝熱プレートのうちの第3の伝熱プレートの表面(おもてめん)に対面する。第2の伝熱プレートは、第2の伝熱プレートの中心を通り第2の伝熱プレートの中央延在面に対して垂直に延在する第2の伝熱プレートの中心軸を中心として第1の伝熱プレートおよび第3の伝熱プレートに対して180度回転される。したがって、各第2の伝熱プレートは、基準配向に対して裏返るようにその横方向中心軸を中心として180度回転される。
上記の熱交換器では、第2の伝熱プレートの伝熱パターンの谷部は、第1の伝熱プレートの伝熱パターンの谷部に当接して第1のチャネルを画定し得る。さらに、第2の伝熱プレートの伝熱パターンの稜部は、第3の伝熱プレートの伝熱パターンの稜部に当接して第2のチャネルを画定し得る。この場合に、第1のチャネルおよび第2のチャネルは、異なる体積を有する。
本発明のさらに他の目的、特徴、態様、および利点が、以下の詳細な説明からおよび図面から明らかになるだろう。
以下、添付の概略図を参照として本発明がより詳細に説明される。
本発明による熱交換器の側面図である。 本発明による伝熱プレートの平面図である。 既知の伝熱パターンの概略断面図である。 線A-Aに沿った図2の伝熱プレートの概略部分断面図である。 第1の方式で積層された場合の本発明による伝熱プレート間に形成されたチャネルの概略図である。 第2の方式で積層された場合の本発明による伝熱プレート間に形成されたチャネルの概略図である。
図1を参照すると、ガスケット式プレート熱交換器2が図示される。ガスケット式プレート熱交換器2は、第1の端部プレート4と、第2の端部プレート6と、第1の端部プレート4と第2の端部プレート6との間のプレートパック10内にそれぞれ配置された複数の伝熱プレート8と、を備える。伝熱プレートは、いずれも図2および図4に示すタイプのものである。
伝熱プレート8同士は、ガスケット(図示略)により相互から分離される。伝熱プレートは、ガスケットと共に、一方の流体から他方の流体に伝熱するために2つの流体を交互に受領するように構成された平行なチャネルを形成する。このために、第1の流体が、各第2のチャネル内を流れるように配置され、第2の流体が、残りのチャネル内を流れるように配置される。第1の流体は入口12および出口14をそれぞれ通り、プレート熱交換器2に進入および退出する。同様に、第2の流体は入口および出口(図面では見えない)をそれぞれ通り、プレート熱交換器2に進入および退出する。これらのチャネルの漏れを防止するために、伝熱プレートは、相互に対して押圧されなければならず、それによりガスケットが伝熱プレート8同士の間にシールを形成する。このために、プレート熱交換器2は、第1の端部プレート4および第2の端部プレート6のそれぞれを相互に向かって押圧するために配置された複数の締め付け手段16を備える。
ガスケット式プレート熱交換器の設計および機能は周知であり、本明細書では詳細には説明しない。
次に、完成した伝熱プレートおよび伝熱プレートの断面を示す図2および図4を参照して、伝熱プレート8をさらに説明する。伝熱プレート8は、加圧成形ツールにて従来の様式で所望の構造が得られるように加圧成形された、実質的に矩形のステンレス鋼シートである。この伝熱プレート8は、頂部面Tと、底部面Bと、中央延在面C(図1をさらに参照)と、を画定し、これらの面は、相互に対しておよび図2の図面平面に対して平行である。中央延在面Cは、頂部面Tと底部面Bとの間においてそれぞれ途中まで延在する。伝熱プレートは、長手方向中心軸lおよび横方向中心軸tをさらに有する。
伝熱プレート8は、第1の端部領域18と、第2の端部領域20と、第1の端部領域18と第2の端部領域20との間に配置された伝熱領域22と、を備える。さらに、第1の端部領域18は、プレート熱交換器2の第1の流体用の入口12および第2の流体用の出口のそれぞれと連通するために配置された、第1の流体用の入口ポート穴24と第2の流体用の出口ポート穴26とを備える。さらに、第1の端部領域18は、いわゆるチョコレートパターンの形態の分散パターンを備える第1の分散領域28を備える。さらに同様に、第2の端部領域20は、プレート熱交換器2の第1の流体用の出口14および第2の流体用の入口のそれぞれと連通するために配置された、第1の流体用の出口ポート穴30および第2の流体用の入口ポート穴32を備える。さらに、第2の端部領域20は、いわゆるチョコレートパターンの形態の分散パターンを備える第2の分散領域34を備える。第1の端部領域および第2の端部領域の構造は同一であるが、横方向中心軸tに対して鏡像反転されたものである。
伝熱領域22は、いわゆる杉綾パターンの形態の伝熱パターンを備える。伝熱領域22は、稜部と谷部との間に境界を画定する中央延在面Cに対して交互に配置された直線状の稜部36および谷部38を備える。これらの稜部および谷部は、伝熱プレート8の長手方向中心軸lに対して斜めに延在し、対でV字形波形部を形成し、それらのV字形波形部の頂点が、伝熱プレート8の長手方向中心軸lに沿って配置される。図4は、長手方向中心軸lの一方の側における、それぞれ稜部36および谷部38のいくつかの長手方向延在部に対して垂直に見た、伝熱領域の一部分を通る断面を示す。図4では、第1の稜部36a、第2の稜部36b、第1の谷部38a、および第2の谷部38bを見ることができる。以降では、伝熱パターンは、図4を、ならびに第1の稜部、第2の稜部、第1の谷部、および第2の谷部を参照としてさらに説明される。しかし、伝熱領域の実質的に全体にわたり(伝熱プレートの伝熱領域と長手方向中心軸lとの境界の直近ではない)、稜部および谷部は、同一断面を有し、より具体的には図4に示す断面を有し、したがって以下の説明は、伝熱プレート8の伝熱領域22内の実質的にあらゆる位置のすべての稜部および谷部に該当する。
第1の稜部36aは第1の頂部部分40aを備え、第2の稜部36bは第2の頂部部分40bを備える。第1の頂部部分40aおよび第2の頂部部分40bはそれぞれ、頂部面T内に延在する。さらに、第1の谷部38aは第1の底部部分42aを備え、第2の谷部38bは第2の底部部分42bを備える。第1の底部部分42aおよび第2の底部部分42bはそれぞれ、底部面B内に延在する。
第1の稜部36aおよび第2の稜部36bはそれぞれ、幅wrを有し、第1の谷部および第2の谷部はそれぞれ、幅wvを有する。wrは、wvよりも小さい。第1の稜部および第2の稜部は、頂部面、底部面、および中央延在面に対して垂直に、ならびに第1の頂部部分および第2の頂部部分の各中心をそれぞれ通り延在する対称軸X1およびX2をそれぞれ有する。同様に、第1の谷部および第2の谷部は、頂部面、底部面、および中央延在面に対して垂直に、ならびに第1の底部部分および第2の底部部分の各中心をそれぞれ通り延在する対称軸X3およびX4をそれぞれ有する。
第1の頂部部分40aおよび第1の底部部分42aは、第1のショルダ面S1に位置するか、または第1のショルダ面S1内に延在する第1のショルダ46aを備える第1のフランク44aによって連結される。第2の頂部部分40bおよび第1の底部部分42aは、第2のショルダ面S2に位置するか、または第2のショルダ面S2内に延在する第2のショルダ46bを備える第2のフランク44bによって連結される。第2の頂部部分40bおよび第2の底部部分42bは、第3のショルダ面S3に位置するか、または第3のショルダ面S3内に延在する第3のショルダ46cを備える第3のフランク44cによって連結される。図4から明らかなように、第1のショルダ面S1、第2のショルダ面S2、および第3のショルダ面S3は、一致し、これは、第1のショルダ46a、第2のショルダ46b、および第3のショルダ46cが中央延在面Cに対して同一レベルに配置されることを意味する。
以降では、第1のショルダ面S1、第2のショルダ面S2、および第3のショルダ面S3は、集合的にショルダ面Sと呼ばれる。ショルダ面S、ならびにしたがって第1のショルダ、第2のショルダ、および第3のショルダは、中央延在面Cから変位され、より具体的には底部面Bと中央延在面Cとの間に配置される。
伝熱プレート8の表面(おもてめん)48(図2でも見ることができる)は、第1の稜部36aの第1の頂部部分40aから第2の稜部36bの第2の頂部部分40bまで延在する第1の最短仮想直線L1と共に、第1の領域A1を画定する。同様に、伝熱プレート8の裏面50は、第1の谷部38aの第1の底部部分42aから第2の谷部38bの第2の底部部分42bまで延在する第2の最短仮想直線L2と共に、第2の領域A2を画定する。第1の谷部および第2の谷部が第1の稜部および第2の稜部よりも幅広であり、第1のショルダ、第2のショルダおよび第3のショルダが頂部面よりも底部面のより近くに配置される結果として、第1の領域A1は、第2の領域A2よりも大きく、これにより伝熱パターンが非対称となる。
伝熱プレート8は、第1の伝熱プレート8a、第2の伝熱プレート8b、第3の伝熱プレート8c、および第4の伝熱プレート8dのそれぞれについて、図5および図6で概略的に示すように、第1の端部プレート4と第2の端部プレート6の間において2つの異なる方式で積層され得る。
伝熱プレートが図5に示すように積層される場合には、第1の伝熱プレート8aの表面48aは、第2の伝熱プレート8bの裏面50bに係合し、一方で第2の伝熱プレート8bの表面48bは、第3の伝熱プレート8cの裏面50cに係合し、第3の伝熱プレートの表面48cは、伝熱プレート8dの裏面50dに係合する。プレートパック10の全体にわたり、各伝熱プレートの伝熱領域22の谷部38および稜部36は、隣接する伝熱プレートの伝熱領域22の稜部36および谷部38のそれぞれに係合する。第1の伝熱プレート8aおよび第3の伝熱プレート8cはそれぞれ、同一の配向を有する一方で、第2の伝熱プレート8bおよび第4の伝熱プレート8dはそれぞれ、同一の配向を有する。さらに、第2の伝熱プレートおよび第4の伝熱プレートは、各プレート中心を通りおよび各伝熱プレートの中央延在面C(図2の図面平面)に対して垂直に延在する各中心軸c(図2に図示)を中心として、第1の伝熱プレートおよび第3の伝熱プレートに対して180度回転される。このように配置されることで、第1の伝熱プレート8aおよび第2の伝熱プレート8bは、第1のチャネル52を画定し、一方で第2の伝熱プレート8bおよび第3の伝熱プレート8cならびに第3の伝熱プレート8cおよび第4の伝熱プレート8dは、第2のチャネル54および第3のチャネル56をそれぞれ画定する。図5から明らかなように、第1のチャネル、第2のチャネル、および第3のチャネルはいずれも、同一体積を有する。
これらの稜部および谷部は、伝熱プレートの長手方向中心軸に対して斜めに延在するため、ある伝熱プレートの稜部および谷部は、隣接する伝熱プレートの谷部および稜部とそれぞれ交差および当接し、これらの伝熱プレートは、伝熱領域内の離間された領域または箇所にて相互に接触する。
伝熱プレートが図6に示すように積層される場合には、第1の伝熱プレート8aの裏面50aが、第2の伝熱プレート8bの裏面50bに係合し、一方で第2の伝熱プレート8bの表面48bが、第3の伝熱プレート8cの表面48cに係合し、第3の伝熱プレート8cの裏面50cが、第4の伝熱プレート8dの裏面50dに係合する。プレートパック10の全体にわたり、各伝熱プレートの伝熱領域22の稜部36および谷部38は、隣接する伝熱プレートの伝熱領域22の稜部36および谷部38のそれぞれに係合する。第1の伝熱プレート8aおよび第3の伝熱プレート8cはそれぞれ、同一の配向を有する一方で、第2の伝熱プレート8bおよび第4の伝熱プレート8dはそれぞれ、同一の配向を有する。さらに、第2の伝熱プレートおよび第4の伝熱プレートは、各プレート中心を通りおよび各伝熱プレートの中央延在面C(図2の図面平面)に対して垂直に延在する各中心軸c(図2に図示)を中心として第1の伝熱プレートおよび第3の伝熱プレートに対して180度回転される。このように配置されることで、第1の伝熱プレート8aおよび第2の伝熱プレート8bは、第1のチャネル58を画定し、一方で第2の伝熱プレート8bおよび第3の伝熱プレート8cならびに第3の伝熱プレート8cおよび第4の伝熱プレート8dは、第2のチャネル60および第3のチャネル62をそれぞれ画定する。図5から明らかなように、第1のチャネルおよび第3のチャネルは、同一体積を、および第2のチャネルよりも小さな体積を有する。
これらの稜部および谷部は、伝熱プレートの長手方向中心軸に対して斜めに延在するため、ある伝熱プレートの稜部および谷部は、隣接する伝熱プレートの稜部および谷部とそれぞれ交差および当接し、これらの伝熱プレートは、伝熱領域内の離間された領域または箇所にて相互に接触する。
したがって、本発明による伝熱プレートの場合には、すべてのチャネルが同一体積を有するか、または各第2のチャネルが第1の体積を有し、残りのチャネルが第2の体積を有し、第1の体積および第2の体積が、伝熱プレートの積層方式に応じて異なる、プレートパックを形成することが可能となる。さらに、本発明の伝熱プレートの伝熱パターン内において、稜部および谷部のそれぞれの頂部部分と底部部分との間にショルダが存在することにより、より強い乱流およびより広い伝熱領域が、ならびにしたがってより効率的な伝熱が、プレートパック内において実現可能となる。
当然ながら、本発明の伝熱プレートの測定値は、無数の方式において変更され得るものであり、2つの隣接し合う本発明の伝熱プレート間のチャネルの体積は、これらの測定値に左右される。非限定的な一例としては、図4による複数の伝熱プレートは、図5に示すように積層された場合にはチャネル体積Vを画定し、図6に示すように積層された場合にはチャネル体積Vsmallおよびチャネル体積Vlargeを画定する。ここで、Vlarge=1.15xVであり、Vsmall=0.85xVである。
本発明の上述の実施形態は、例としてのみ理解されたい。論じた実施形態は、本発明のコンセプトから逸脱することなく多数の様式で変更および組合せが可能である点が当業者には理解されよう。
一例としては、チョコレートタイプの上記に示した分散パターンおよび杉綾タイプの伝熱パターンは、単なる例である。当然ながら、本発明は、他のタイプのパターンとの関連においても適用可能である。例えば、伝熱パターンが、V字形波形部を備え、各波形部の頂点が、伝熱プレートのある長側面から別の長側面に向かって、これらの長側面に対して垂直にまたは非垂直に向いたものであることが可能である。
さらに、上述の実施形態では、伝熱プレートの伝熱パターンの実質的にすべての稜部、谷部、フランク、およびショルダが、同様であるかまたは相互に鏡像であるが、本発明の代替的な実施形態では相互に異なってもよい。例えば、代替的な一実施形態によれば、すべてのフランクが、ショルダを備えるわけではない。
さらに、上述の実施形態では、稜部は谷部よりも幅狭であるが、代替的な実施形態では、その逆であってもよく、または稜部および谷部が同一幅であってもよい。
上述の伝熱パターンのフランクは、それぞれ1つのショルダを備え、これらのショルダは、各フランク上に同様に位置決めされる。様々な様式が可能である。例えば、いくつかのまたは各フランクが、2つ以上のショルダを備えてもよく、および/またはショルダ同士が、フランク間においてそれぞれ異なって位置決めされてもよい。さらに、ショルダは、上述のものとは異なるショルダ面内に延在してもよく、またショルダ面は、伝熱プレートの中央延在面と頂部面との間に配置されてもよい。
上述のプレート熱交換器は平行対向流タイプのものであり、すなわち各流体用の入口および出口が、プレート熱交換器の同一半部上に配置され、流体同士が、伝熱プレート同士の間のチャネルを通り、対向方向に流れる。当然ながら、代わりとしてプレート熱交換器は、対角方向流タイプおよび/または同一方向流タイプのものであることが可能である。
上記のプレート熱交換器は、1つのみのプレートタイプを備える。当然ながら、代わりとしてプレート熱交換器は、2つ以上の異なるタイプの交互に配置された伝熱プレートを備えることが可能である。さらに、伝熱プレートは、ステンレス鋼以外の材料から作製されることが可能である。
本発明は、全溶接式プレート熱交換器、準溶接式プレート熱交換器、および真鍮付け式プレート熱交換器などの、ガスケット式プレート熱交換器以外のタイプのプレート熱交換器との関連で使用することが可能である。
本発明に関係しない詳細の説明は省かれている点と、図面は単なる概略図に過ぎず、縮尺通りに描かれていない点とを強調しておくべきであろう。また、図面の一部が他のものよりもさらに簡略化されている点を述べておくべきであろう。したがって、いくつかの構成要素が、ある図面では図示されるが別の図面では省略される場合がある。
2 ガスケット式プレート熱交換器
4 第1の端部プレート
6 第2の端部プレート
8 伝熱プレート
8a 第1の伝熱プレート
8b 第2の伝熱プレート
8c 第3の伝熱プレート
8d 第4の伝熱プレート
10 プレートパック
12 入口
14 出口
16 締め付け手段
18 第1の端部領域
20 第2の端部領域
22 伝熱領域
24 入口ポート穴
26 出口ポート穴
28 第1の分散領域
30 出口ポート穴
32 入口ポート穴
34 第2の分散領域
36 稜部
36a 第1の稜部
36b 第2の稜部
38 谷部
38a 第1の谷部
38b 第2の谷部
40a 第1の頂部部分
40b 第2の頂部部分
42a 第1の底部部分
42b 第2の底部部分
44a 第1のフランク
44b 第2のフランク
44c 第3のフランク
46a 第1のショルダ
46b 第2のショルダ
46c 第3のショルダ
48 表面
48a 表面
48b 表面
48c 表面
50 裏面
50a 裏面
50b 裏面
50c 裏面
50d 裏面
52 第1のチャネル
54 第2のチャネル
56 第3のチャネル
58 第1のチャネル
60 第2のチャネル
62 第3のチャネル
A1 第1の領域
A2 第2の領域
B 底部面
C 中央延在面
L1 第1の最短仮想直線
L2 第2の最短仮想直線
l 長手方向中心軸
S1 第1のショルダ面
S2 第2のショルダ面
S3 第3のショルダ面
T 頂部面
t 横方向中心軸
X1 対称軸
X2 対称軸
X3 対称軸
X4 対称軸

Claims (15)

  1. 長手方向中心軸(l)を有し、頂部面(T)、底部面(B)、ならびに前記頂部面(T)と前記底部面(B)との間の中間に、ならびに前記長手方向中心軸(l)と前記頂部面(T)および前記底部面(B)とに対して平行に延在する中央延在面(C)を画定し、前記中央延在面に対して交互に配置された直線状の稜部(36)および谷部(38)の伝熱パターンを備える伝熱領域(22)を備える、伝熱プレート(8)であって、前記稜部の隣接し合う第1の稜部および第2の稜部(36a、36b)が、前記伝熱プレートの前記長手方向中心軸(l)に対して斜めに延在し、第1の頂部部分(40a)および第2の頂部部分(40b)をそれぞれ備え、前記谷部の隣接し合う第1の谷部および第2の谷部(38a、38b)が、前記伝熱プレートの前記長手方向中心軸(l)に対して斜めに延在し、第1の底部部分(42a)および第2の底部部分(42b)をそれぞれ備え、前記第1の谷部は、前記第1の稜部と前記第2の稜部との間に配置され、前記第2の稜部は、前記第1の谷部と前記第2の谷部との間に配置され、前記第1の谷部の前記第1の底部部分は、第1のフランク(44a)により前記第1の稜部の前記第1の頂部部分に連結され、且つ第2のフランク(44b)により前記第2の稜部の前記第2の頂部部分に連結され、前記第2の稜部の前記第2の頂部部分は、第3のフランク(44c)により前記第2の谷部の前記第2の底部部分に連結され、前記第1の頂部部分および前記第2の頂部部分は、前記頂部面内に延在し、前記第1の底部部分および前記第2の底部部分は、前記底部面内に延在する、伝熱プレート(8)において、
    前記伝熱プレート(8)は、前記稜部(36)および谷部(38)の分散パターンを備える分散領域(28、34)を備え、前記分散パターンは前記伝熱パターンとは異なっており、前記分散領域(28、34)は、流体のための入口ポート孔(24、32)および出口ポート孔(26、30)を備えた端部領域(18、20)に配置されており、前記第1のフランク、前記第2のフランク、および前記第3のフランクのうちの少なくとも1つが、前記中央延在面から変位されたフランクショルダ面(S1、S2、S3)内に延在するフランクショルダ(46a、46b、46c)を備えることと、
    前記第1の稜部および前記第2の稜部ならびに前記第1の谷部および前記第2の谷部を通り、且つ前記第1の稜部および前記第2の稜部ならびに前記第1の谷部および前記第2の谷部の長手方向延在部に対して垂直な断面を基準とした場合に、前記伝熱プレート(8)は、前記伝熱プレートと、前記第1の稜部および前記第2の稜部のそれぞれの前記第1の頂部部分から前記第2の頂部部分まで延在する第1の最短仮想直線(L1)と、により囲まれた第1の領域(A1)と、前記伝熱プレートと、前記第1の谷部および前記第2の谷部のそれぞれの前記第1の底部部分から前記第2の底部部分まで延在する第2の最短仮想直線(L2)と、により囲まれた第2の領域(A2)と、を形成しており、前記第1の領域(A1)は前記第2の領域(A2)とは面積が異なることと、
    を特徴とする、伝熱プレート(8)。
  2. 前記第1のフランク(44a)、前記第2のフランク(44b)、および前記第3のフランク(44c)は、第1のショルダ(46a)、第2のショルダ(46b)、および第3のショルダ(46c)をそれぞれ備え、前記第1のショルダ、前記第2のショルダ、および前記第3のショルダは、第1のショルダ面(S1)、第2のショルダ面(S2)、および第3のショルダ面(S3)内にそれぞれ延在し、
    前記フランクショルダは、前記第1のショルダ、前記第2のショルダ、および前記第3のショルダのうちの1つであり、前記フランクショルダ面は、前記第1のショルダ面、前記第2のショルダ面、および前記第3のショルダ面のうちの1つである、請求項1に記載の伝熱プレート(8)。
  3. 前記第1のショルダ面(S1)、前記第2のショルダ面(S2)、および前記第3のショルダ面(S3)はいずれも、前記中央延在面(C)から変位されている、請求項2に記載の伝熱プレート(8)。
  4. 前記第1のショルダ面(S1)、前記第2のショルダ面(S2)、および前記第3のショルダ面(S3)は一致する、請求項2または3に記載の伝熱プレート(8)。
  5. 前記第1のショルダ面(S1)、前記第2のショルダ面(S2)、および前記第3のショルダ面(S3)は、前記底部面(B)と前記中央延在面(C)との間に延在する、請求項2から4のいずれか一項に記載の伝熱プレート(8)。
  6. 前記第1のフランク(44a)、前記第2のフランク(44b)、および前記第3のフランク(44c)は、1つのみのそれぞれのショルダ(46a、46b、46c)を備える、請求項2から5のいずれか一項に記載の伝熱プレート(8)。
  7. 前記断面を基準として、前記第1の稜部(36a)および前記第2の稜部(36b)は同一形状である、請求項1から6のいずれか一項に記載の伝熱プレート(8)。
  8. 前記断面を基準として、前記第1の谷部(38a)および前記第2の谷部(38b)は同一形状である、請求項1から7のいずれか一項に記載の伝熱プレート(8)。
  9. 前記断面を基準として、前記第1のフランク(44a)および前記第3のフランク(44c)は同一形状である、請求項1から8のいずれか一項に記載の伝熱プレート(8)。
  10. 前記断面を基準として、前記第2のフランク(44b)は、前記第1のフランク(44a)および前記第3のフランク(44c)の鏡像である、請求項1から9のいずれか一項に記載の伝熱プレート(8)。
  11. 前記断面を基準として、前記第1の谷部(38a)の幅(wv)は前記第1の稜部(36a)の幅(wr)よりも広い、請求項1から10のいずれか一項に記載の伝熱プレート(8)。
  12. 複数の、請求項1から11のいずれか一項に記載の伝熱プレート(8)を備える熱交換器(2)であって、前記伝熱プレートのうちの第1の伝熱プレート(8a)の表面(48a)が、前記伝熱プレートのうちの第2の伝熱プレート(8b)の裏面(50b)に対面し、前記第2の伝熱プレート(8b)の表面(48b)が、前記伝熱プレートのうちの第3の伝熱プレート(8c)の裏面(50c)に対面し、前記第2の伝熱プレートは、前記第2の伝熱プレートの中心を通り且つ前記第2の伝熱プレートの前記中央延在面(C)に対して垂直に延在する、前記第2の伝熱プレートの中心軸(c)を中心として、前記第1の伝熱プレートおよび前記第3の伝熱プレートに対して180度回転される、熱交換器(2)。
  13. 前記第2の伝熱プレート(8b)の前記伝熱パターンの前記谷部(38)は、前記第1の伝熱プレート(8a)の前記伝熱パターンの前記稜部(36)に当接して、第1のチャネル(52)を画定し、前記第2の伝熱プレートの前記伝熱パターンの前記稜部は、前記第3の伝熱プレート(8c)の前記伝熱パターンの前記谷部に当接して、第2のチャネル(54)を画定し、前記第1のチャネルおよび前記第2のチャネルは、実質的に同一の体積を有する、請求項12に記載の熱交換器(2)。
  14. 複数の、請求項1から11のいずれか一項に記載の伝熱プレート(8)を備える熱交換器(2)であって、前記伝熱プレートのうちの第1の伝熱プレート(8a)の裏面(50a)が、前記伝熱プレートのうちの第2の伝熱プレート(8b)の裏面(50b)に対面し、前記第2の伝熱プレートの表面(48b)が、前記伝熱プレートのうちの第3の伝熱プレート(8c)の表面(48c)に対面し、前記第2の伝熱プレートは、前記第2の伝熱プレートの中心を通り且つ前記第2の伝熱プレートの前記中央延在面(C)に対して垂直に延在する、前記第2の伝熱プレートの中心軸(c)を中心として、前記第1の伝熱プレートおよび前記第3の伝熱プレートに対して180度回転される、熱交換器(2)。
  15. 前記第2の伝熱プレート(8b)の前記伝熱パターンの前記谷部(38)は、前記第1の伝熱プレート(8a)の前記伝熱パターンの前記谷部に当接して、第1のチャネル(58)を画定し、前記第2の伝熱プレートの前記伝熱パターンの前記稜部(36)は、前記第3の伝熱プレート(8c)の前記伝熱パターンの前記稜部に当接して、第2のチャネル(60)を画定し、前記第1のチャネルおよび前記第2のチャネルは、異なる体積を有する、請求項14に記載の熱交換器(2)。
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