JP4981063B2 - プレート熱交換器用の手段 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前提部分による熱伝導プレートに関する。さらに、本発明は本発明の熱伝導プレートを備えたプレート熱交換器に関する。

日本特許公報第２００２−０８１８８３号は、同様な複数の熱伝導プレートを備えた熱交換器について記述している。以降では、「熱伝導プレート」という用語は、「プレート」と同義である。複数のプレートは、熱伝導プレートを斜めに横断して延びている複数の尾根と複数の谷とで構成したパターンを呈している。プレートスタックを形成する積み重ねは、複数のプレートが、プレートの複数の尾根と谷とが複数の接触点を経て、隣接しているプレートの複数の尾根と谷とに接続されるように互いに配置されることを必要とする。複数のプレートの相互の向きは、複数の接触点の所の相互接触で、隣接しているプレート同士の複数の尾根と谷との大きさに相互の相違があるように構成されている。相互に隣接している複数のプレートは、永続的に接続されたプレートスタックを形成するよう、複数の接触点で接続されている。

日本特許公報第２００２−０８１８８３号のように構成されている複数のプレートを備えた熱交換器の問題は、ポート領域の周囲の複数の接触点がスナップしがちなことである。「スナップ」という用語は、２つの相互に隣接しているプレートの間の永続的な接続が接触点で分離することを意味する。接触点の分離のおそれの程度にとりわけ影響する複数の要因は、プレート上の接触点の位置と、他の複数の接触点までの近さである。日本特許公報第２００２−０８１８８３号の実施形態におけるポート領域の周囲と多くの従来の複数のプレートでは、各ポート領域の周囲には、ポート領域の中心から様々な距離に複数の接触点が設けられている。その結果、いくつかの接触点が特定の接触点に対して他の接触点に対してよりも近くに位置しているため、ポートの周囲のそれぞれの接触点に作用している応力が異なる。したがって、互いに近くに配置されている複数の接触点は応力をそれらの間で分散させることが可能で、その結果、それぞれの接触点への応力の影響は少なくなることになる。これは、各ポート領域の周囲に位置していて、他の接触点に接近していない別の特定の接触点は、各ポート領域の周囲の他の接触点よりも分離しがちとなることを意味する。

ポートの周囲に複数の接触点を作る公知の技法は、多数の突起をポートの周囲の領域に押し付けることである。前記多数の突起は、ポートの中心からの半径方向の距離が同じ位置に配置されている。そのような実施形態の欠点は、それぞれの突起は、プレートに押し込むことができるように大きな表面を必要とすることである。これは、プレートの熱交換表面が前記多数の突起を押すための表面によって減少し、その結果プレートを通した熱伝導が減少することを意味している。

本発明の目的は、従来技術の前述の欠点をなくすか、少なくとも緩和することである。この目的は、本発明によれば、請求項１の特徴的な特性を有しているプレート熱交換器によって達成されている。

本発明のさらなる目的は、複数のプレートとプレートパッケージに作用する応力を手段に吸収させることである。

本発明のさらなる目的は、手段の構成によって手段とプレートスタックとの間の誤った組み立てのおそれを減少させることである。

本発明のさらなる目的は、手段が、手段とプレートの間にある媒体の総量を動作中に減少させるようにプレート内の隣接している多数の谷を密封することである。

請求項１の特徴部分の手段によってもたらされる利点は、手段が負荷をプレートパッケージから吸収することによって、前記手段が無い場合の熱交換器の耐用年数と疲労性能に比べて、熱交換器の耐用年数と疲労性能とを改善できることである。

請求項１の特徴部分の手段によってもたらされるさらなる利点は、手段の構成によって、製造工程中の誤った組み立てのおそれが減少することである。これは、手段の多数の凸部が、プレートスタック内の、手段が接触している隣接しているプレート内に嵌まるためである。

請求項１１の特徴部分による手段によってもたらされるさらなる利点は、熱交換器の動作中に手段とプレートスタックの最も外側のプレートとの間の媒体の量が減少し、それによって受動的で熱の伝導に寄与しない媒体の総量が減少することである。その結果、熱交換器の系内でのエネルギーの総使用が最適化される。

手段の複数の好ましい実施態様は、従属項２〜８によって示されている特徴もさらに有している。

本発明による手段の実施態様によれば、手段は隣接しているプレートスタック内の熱伝導プレートよりも厚い材料のプレートである。これによって、プレートはプレートパッケージ内で発生した負荷を吸収し、プレートパッケージ内の複数のプレートの変形を防止することができる。

本発明による手段の実施態様によれば、手段は端部プレートである。

本明細書の「端部プレート」という表現は、プレートパッケージの先頭のプレートおよび／または最後のプレートに接触するプレートを意味する。これは、プレートパッケージの先頭または最後のプレートに隣接している、圧力プレート、フレームプレート、カバープレート、アダプタプレート、補強プレート等の表現は、本明細書では「端部プレート」と同義であることを意味している。

本発明の手段による実施態様によれば、凸部は隣接しているプレートのパターンにおける谷に嵌まり、谷は一の長辺の所でのプレートの一のポート領域から対応している他の長辺へ斜めに延びている。したがって、前記プレートスタックに対して手段を誤って配置すると手段とプレートパッケージとが互いに関して摺動したり嵌め合わせが緩くなるため、即座にわかるので、手段とプレートパッケージとの間の誤った嵌め合わせのおそれが減少する。

手段は第１の表面と第２の表面とを有している。第１の表面はプレートスタックの隣接しているプレートの反対を向いている。第２の表面はプレートスタックの隣接しているプレートに向いている。手段はプレートスタックのプレートの周辺におおむね一致している外周辺を有している。これは、手段とプレートスタックのプレートとの接触時に、手段が、付属しているポート部分を含めてプレートの熱伝導表面全体をおおむね覆うことになることを意味している。

本発明による手段の実施態様によれば、第２の表面は隣接しているプレートのパターンの中に嵌まる第２の凸部を有している。手段が第２の凸部を有していることで、第１のポート領域と通じているさらなる谷を媒体の流れから遮断することができる。第１のポート領域は媒体が流れることが可能な多数の谷と通じている。それらを遮断することによって、動作中に手段と隣接しているプレートとの間の媒体の量を少なくすることができる。

本発明による手段の実施態様によれば、凸部は手段の第２の表面に沿って延びており、形状が長方形であって、該凸部が位置している谷の幅よりも長い。したがって、手段は固定され、隣接しているプレートに対して回転するのが防止される。

本発明による手段の実施態様によれば、複数の凸部は手段の第２の表面に沿って延びており、形状が長方形であって、それぞれの凸部が位置しているそれぞれの谷の幅よりも長い。少なくとも２つの凸部があるため、手段を隣接しているプレートに誤って嵌めることができない。誤った組み立ては、手段とプレートとが相対的に移動し、嵌め合わせが緩いことから明らかになろう。

本発明による手段の実施態様によれば、凸部は隣接している熱伝導プレートのパターンの中の複数の谷に嵌まり、媒体が、そのようにして閉鎖されている複数の谷内を流れるのを防止する。前述のように、複数の凸部は、凸部が挿入されている谷内の流れの防止を確実にするのを助け、それによって手段とプレートスタックとの間の媒体の量を減少させる。

本発明による手段の実施態様によれば、凸部は手段と隣接している熱伝導プレートとが相互に回転したり相互に摺動するのを防止するように、手段を、隣接している熱伝導プレートに固定する。凸部は複数の谷にはんだ付けによって固定されるのが有利である。溶接、接着剤、摩擦、およびボンディングなどの他の接続方法ははんだ付けの代わりとなる。

本発明による手段の実施態様によれば、手段は隣接している熱伝導プレートのポート領域の少なくとも一つおよび熱伝導表面を覆っている。前述のように、手段と、隣接しているプレートとは同様の周辺部分を有している。その結果、手段は、手段が接触しているプレートスタックの反対を向いているプレートスタックの隣接しているプレート上のプレート表面全体をおおむね覆っている。

本発明のさらなる目的は、積層されている同様な複数のプレートからなる永続的に接続されたプレートスタックを備えた熱交換器であって、熱交換器が耐圧性と耐疲労性を有するように、少なくとも一方の端部プレートがプレートスタックの先頭または最後のプレートに永続的に接続されている熱交換器を作ることである。

発明のさらなる目的は、少なくとも一方の端部プレートがプレスされたパターンを端部プレートの大きな複数の部分にわたって有している従来の永続的に接続されている熱交換器に比べて、製造コストが低い熱交換器を作ることである。

本発明によれば、請求項９に記載されている特徴を備えている前述の熱交換器によって前述のそして他の目的が達成される。

請求項９の特徴部分による熱交換器を使用して達成される利点は、手段が数個の凸部だけをそうでない平坦な平面から有しているため、熱交換器を作るための費用効果が高いことである。これは、プレスされたパターンを呈するために複雑なプレスツールを必要とする従来の手段に比べて、手段内に複数の凸部を設ける複雑な機械が製造工程に一切必要ないためである。

本発明の装置の好ましい複数の実施形態を本発明を理解するために必要な部分だけを示している添付の模式図を参照して以下でより詳細に説明する。

図１は、プレートスタック（２）と少なくとも１つの手段（２５）とを備えた熱交換器（３）を示している。熱交換器（３）には、媒体用のポート凹部（３２〜３５）を有する多数の入口ポートと出口ポートとが備わっている。プレートスタック（２）は、公知の接続方法によって互いに永続的に接続された多数のプレート（１）を有している。公知の接続方法としては、特に、はんだ付け、溶接、接着剤、ボンディングがある。

図２は本発明によるプレート（1）を示している。プレート（１）は第１及び第２の長辺（４と５）と、第１及び第２の短辺（６と７）と、複数の尾根（１０ａ〜ｄ）と複数の谷（１１ａ〜ｅ）を有するパターン（９）を備えた熱伝導表面（８）と、を有している。第１の角部分（１４）は第１の短辺（６）と第１の長辺（４）との間の接続部分に構成されている。第２の角部分（１５）は第１の短辺（６）と第２の長辺（５）との間の接続部分に構成されている。第１のポート領域（１２）は、第１の角部分（１４）に位置している。第２のポート領域（１３）は、第２の角部分（１５）に位置している。中心軸線（１８）は、プレート（１）を横断方向に横切って２つの長辺（４と５）の間を、それらに垂直に延びている。中心軸線（１８）は、プレート（１）を２つの同じ半分に分割している。２つの半分は、形状、パターン、及び外形について互いに鏡像である。これは、プレート（１）が全ての４つの角部分に４つのポート領域等を有していることを意味している。プレート（１）は中心軸線（１８）に関して対称であるため、この明細書ではプレートの半分に関係している技術的特徴のみに触れる。

プレート（１）は、同様のプレート（１）を備えているプレートスタック（２、図１を参照）内に積層されている。プレートスタック（２）内の一つおきのプレート（１）は熱伝導表面（８）と平行な面にて１８０°回転している。各プレート（１）は上側と下側とを有している。プレートスタック（２）内の全てのプレート（１）は、それぞれの下側が同じ方向に向くように互いの上に配置されている。そのような積層の結果、第１のプレート（１）のパターン（９）の上側が、回転している同様の第２のプレート（１）の下側のパターン（９）に接触することになる。

第１のポート領域（１２）は多数の尾根（１０ａ〜ｄ）と谷（１１ａ〜ｅ）とに通じている。中心軸線（１８）に対して両側におけるプレート（１）上の複数の尾根（１０ａ〜ｄ）と複数の谷（１１ａ〜ｅ）とは、原則的にすべて互いに平行である。

第１のポート領域（１２）に隣接しているそれぞれの尾根（１０ａ〜ｄ）の端部に接触点（１６ａ〜ｄ）が構成されている。複数の接触点（１６ａ〜ｄ）は、第１のポート領域（１２）の中心から半径方向に同じ距離におおよそ位置している。複数の接触点（１６ａ〜ｄ）は、ポート領域（１２）の周囲の円弧（１７）の範囲に沿っている。円弧（１７）の中心は、第１のポート領域（１２）の範囲内にある。

相互に隣接している２つのプレート（１）をプレートスタック（２、図１参照）内に積層することで、第１のプレート（１）上の第１の接触点（１６ａ）が、第１のプレート（１）上に回転させて配置された同様の第２のプレート（１）上の第１の谷（１１ａ）の下側に対して、接触する。これに対応して、第２、第３、及び第４の接触点（１６ｂ〜ｄ）は、第１の接触点（１６ａ）と第１の谷（１１ａ）の場合のように、同じプレート（１）の第２の谷（１１ｂ）の下側に対して接触することになる。

第２の尾根（１０ｂ）は、第１の接続部分（２４）によって第３の尾根（１０ｃ）に接続されている。第２の谷（１１ｂ）は、第２の尾根（１０ｂ）、第３の尾根（１０ｃ）、第１の尾根（１０ａ）、及び第２のポート領域（１３）に隣接している。第２の尾根（１０ｂ）は、第１の接続部分（２４）と第１のポート部分（１２）との間を延びている。その結果、第２のポート領域（１３）の一部の周囲を延びているだけでなく、プレート（１）の熱伝導表面（８）にも隣接している第２の谷（１１ｂ）が構成される。第２の谷（１１ｂ）は、第１のポート領域（１２）から第１の接続部分（２４）まで第２の尾根（１０ｂ）に初めは沿っている。その後、谷（１１ｂ）は、第２の長辺（５）まで第３の尾根（１０ｃ）に沿うように接続部分（２４）で強制的に向きが変更される。第２の谷（１１ｂ）が第２のポート領域（１３）の一部分の周囲に延びているため、その下側に、第２のポート領域（１３）の一部分の周囲に細長い区域が構成されることになる。前記の領域（１３）は第２、第３、及び第４の接触点（１６ｂ〜ｄ）に接続されている。第１の接続部分（２４）によって、複数の尾根（１０ａ〜ｄ）を互いに平行にすることができ、複数の接触点を複数の尾根（１０ｂ〜ｄ）上に第１のポート領域（１２）の中心から同じ半径方向の距離におおよそ配置することができる。これによって、第１のポート領域（１２）の周囲のそれぞれの接触点（１６ａ〜ｄ）に均等な応力を作用させることができる。

図３は、本発明によるプレート（１、図２を参照）パターン（９）の一部を示している。図３は、わかりやすくするために、１つの尾根（１０）と１つの谷（１１）だけを示しているが、本発明によるプレート（１）は多数の尾根と谷とを有している。図３では、尾根（１０）は、頂上部分（２１）と２つ側部（２２ａ、ｂ）とを有している。それぞれの側部（２２ａ、ｂ）は頂上部分（２１）に接続されている。谷（１１）は、両側部（２２ａ、ｂ）によって頂上部分（２１）に接続されている。頂上部分（２１）は、尾根（１０）と谷（１１）と同じ範囲である。尾根（１０）と同じ長さを持つアーチ状縁部分（２３ａ、ｂ）が、頂上部分（２１）に対して両側で、それぞれの側部（２２ａ、ｂ）を頂上部分（２１）に接続している。尾根（１０）と同じ長さを持つ第１の中心線（３０）が頂上部分（２１）に沿って位置している。谷（１１）と同じ長さを持つ第２の中心線（３１）が谷（１１）に沿って位置している。

各尾根（１０）は、尾根（１０）の幅が狭くなると、頂上部分（２１）の幅が狭くなるように、その大きさに従って幅が変化している。アーチ状縁部分（２３ａ、ｂ）の半径は、頂上部分（２１）の幅が狭くなると、半径が狭くなるように、それに応じて変化する。それぞれの谷（１１）の幅は、尾根（１０）とその頂上部分（２１）と同様に、その大きさに従って変化する。

各尾根（１０）と各谷（１１）の中心線（３０、３１）は、中心軸線（１８、図２参照）に対して両側で互いに平行である。

複数の尾根（１０）と複数の谷（１１）との幅が変化し、そのため単位幅あたりの容積が変化することで、従来のプレートでは媒体を作用させることが困難なプレート（１）の熱伝導表面の複数の部分に媒体を導くことができる。単位幅あたりの容積が、媒体を作用させることが困難な複数の領域で増加することで、プレート（１）のより多くの表面を熱伝導に用いることができる。

図４は手段（２５）を示している。手段（２５）は、プレートスタック（２）内の同様の複数のプレート（１）上に積層されているプレート（１、図１を参照）と同じ外周部分を対応して有している。手段（２５）は、第１の表面（２６）、第２の表面（２７、図面には不図示）、及びポート凹部（３２〜３５）を有している。第１の凸部（２８）と第２の凸部（２９）は第２の中心軸線（３６）に対して両側の第１の表面（２６）内に押し込まれている。この第２の中心軸線（３６）の位置は、本発明によるプレート（１、図２を参照）の中心軸線（１８）に対応している。それぞれの凸部（２８、２９）は、第２の表面（２７、図面には不図示）から突き出している。

手段（２５）は、プレートスタック（２、図１を参照）の先頭及び／又は最後のプレート（１）上に配置されている。第２の表面（２７、図面には示されていない）内の凸部（２８、２９）は、隣接しているプレート（１）のパターン（９、図２を参照）に嵌まるように形成されている。手段（２５）と隣接しているプレート（１）との接触時に、第１の凸部（２８）は、プレート（１）の第２の谷（１１ｂ）内に挿入される。第２の凸部（２９）は第５の谷（１１ｅ）内に挿入される。第２の谷（１１ｂ）と第５の谷（１１ｅ）の両方は、第１のポート領域（１２）に通じている。

本発明によるプレートスタック（２）では、動作中に手段（２５）と隣接しているプレート（１）との間に蓄積する媒体の量を減少させることができることが望ましい。両凸部（２８、２９）を第１のポート領域（１２）に通じている多数の谷（１１ｂ、１１ｅ）内に挿入することによって、これらの谷（１１ｂ、１１ｅ）内の媒体の、ポート領域（１２）から第２の長辺（５）への流れを防止することができる。その結果、熱伝導に貢献しない媒体が減少し、熱交換器（３）内の総熱伝導が最適化される。

本発明は、説明した複数の実施形態に限定されないが、部分的に前述したように、特許請求の範囲内で変形したり修正することができる。

手段とプレートスタックとを備えている熱交換器の図である。 熱伝導プレートの図である 熱伝導プレート上のパターンの一部の図である。 熱交換器で使用するための手段の図である。

Claims (9)

1. プレート熱交換器（３）用の永続的に接続された複数の熱伝導プレートを持っているプレートスタック（２）の熱伝導プレート（１）に隣接させられる手段（２５）であって、熱伝導プレート（１）は、第１の長辺（４）及び対向している第２の長辺（５）と、第１の短辺（６）及び対向している第２の短辺（７）と、複数の尾根（１０）と複数の谷（１１）で構成したパターン（９）を見せている熱伝導表面（８）と、第１及び第２のポート領域（１２と１３）と、を有し、前記第１のポート領域（１２）は前記第１の長辺（４）と前記第１の短辺（６）との交差点に形成された第１の角部分（１４）内に位置しており、前記第２のポート領域（１３）は前記第２の長辺（５）と前記第１の短辺（６）との交点に形成された第２の角部分（１５）内に位置しており、前記第１のポート領域（１２）は多数の尾根（１０ａ〜１０ｄ）と谷（１１ａ〜１１ｅ）に接続されており、複数の尾根（１０ａ〜１０ｄ）と複数の谷（１１ａ〜１１ｅ）とは、前記第１のポート領域（１２）から斜めに前記第２の長辺（５）に向かう大きさをおおむね有しており、多数の接触点（１６ａ〜１６ｄ）が前記第１のポート領域（１２）に直近の前記複数の尾根（１０ａ〜１０ｄ）上に位置しており、前記複数の接触点（１６ａ〜ｄ）は、少なくとも１つの接触点（１６ｂ、１６ｃ）が２つの接触点（それぞれ１６ａ、１６ｃ及び１６ｂ、１６ｄ）に隣接するように配置されており、前記複数の接触点（１６ａ〜１６ｄ）は、前記第１のポート領域（１２）の中心から半径方向に同じ距離におおむね位置し、さらに前記熱伝導プレート（１）は、複数の熱伝導プレート（１）からなるプレートスタック（２）の先頭または最後の熱伝導プレート（１）であり、隣接している手段（２５）が該熱伝導プレート（１）上の前記ポート領域（１２、１３）の少なくとも一つと前記熱伝導プレート（１）の熱伝導表面（８）の一部分とを覆っている手段（２５）において、
   該手段（２５）は第１の表面（２６）と第２の表面（２７）とを有し、前記第１の表面（２６）は隣接している熱伝導プレート（１）の反対を向いており、前記第２の表面（２７）は、隣接している熱伝導プレート（１）に向いていて、隣接している熱伝導プレート（１）のパターン（９）の谷（１１ａ〜１１ｅ）内に嵌まるように形成された少なくとも１つの第１の凸部（２８）を面内に有しており、前記谷（１１ａ〜１１ｅ）は一の長辺（４）の所の前記熱伝導プレート（１）の一のポート領域（１２）からその反対側の他の長辺（５）へ斜めに延びていることを特徴とする手段（２５）。
2. 前記手段（２５）は、隣接している前記プレートスタック（２）の熱伝導プレート（１）よりも厚い材料のプレートであることを特徴とする、請求項１に記載の手段（２５）。
3. 前記第２の表面（２７）は前記隣接している熱伝導プレート（１）の前記パターン（９）の中に嵌まる第２の凸部（２９）を有することを特徴とする、請求項１に記載の手段（２５）。
4. 前記第１の凸部（２８）又は前記第２の凸部（２９）は前記手段（２５）の前記第２の表面（２７）に沿って延びており、長さ方向に長方形であって、前記第１の凸部（２８）又は前記第２の凸部（２９）が位置している前記谷（１１ａ〜１１ｅ）の幅よりも長いことを特徴とする、請求項３に記載の手段（２５）。
5. 前記第１の凸部（２８）及び前記第２の凸部（２９）は前記手段（２５）の前記第２の表面（２７）に沿って延びており、長さ方向に長方形であって、前記第１の凸部（２８）及び前記第２の凸部（２９）のそれぞれが位置しているそれぞれの前記谷（１１ａ〜１１ｅ）の幅よりも長いことを特徴とする、請求項３に記載の手段（２５）。
6. 前記第１の凸部（２８）及び前記第２の凸部（２９）は前記隣接している熱伝導プレート（１）の前記パターン（９）内の前記谷（１１ａ〜１１ｅ）に嵌まり、媒体が閉鎖されている前記複数の谷（１１ａ〜１１ｅ）内を流れるのを防止することを特徴とする、請求項３に記載の手段（２５）。
7. 前記第１の凸部（２８）及び前記第２の凸部（２９）は、前記手段（２５）と前記熱伝導プレート（１）とが相互にピボット運動し又は相互に摺動するのを防止するように前記手段（２５）を前記隣接している熱伝導プレート（１）に固定することを特徴とする、請求項３に記載の手段（２５）。
8. 前記手段（２５）は、隣接している前記熱伝導プレート（１）の前記熱伝導表面（８）または前記ポート領域（１２、１３）の少なくとも一つを覆っていることを特徴とする、請求項１に記載の手段（２５）。
9. プレートスタック（２）と、請求項１〜８のいずれか１項に記載の少なくとも１つの手段（２５）とを有するプレート熱交換器（３）であって、前記プレートスタック（２）は多数の同様の熱伝導プレート（１）からなり、前記手段（２５）は前記プレートスタック（２）の先頭または最後の前記熱伝導プレート（１）に隣接しており、
   前記手段（２５）は第１の表面（２６）と第２の表面（２７）とを有し、前記第１の表面（２６）は前記隣接している熱伝導プレート（１）の反対を向いており、前記第２の表面（２７）は、前記隣接している熱伝導プレート（１）に向いていて、隣接している熱伝導プレート（１）のパターン（９）内に嵌まるように形成された少なくとも１つの第１の凸部（２８）を面内に有していることを特徴とするプレート熱交換器（３）。

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