JPH045920B2

JPH045920B2 -

Info

Publication number: JPH045920B2
Application number: JP57110551A
Authority: JP
Inventors: Ii Rosuman Aauin; Richaado Wagunaa Uiriamu
Original assignee: Rockwell International Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1982-06-26
Filing date: 1982-06-26
Publication date: 1992-02-04
Also published as: JPS599496A

Description

【発明の詳細な説明】本発明はプレート・フイン型熱交換器に関する
ものであつて、更に詳細には、向流又は並流を使
用したプレート・フイン型熱交換器用の単体面開
放プレートに関するものである。

プレート・フイン型熱交換器は、主にチヤンネ
ル−リブ構成を有している。この場合に、向流流
れを得ることができるが、入口及び出口に於いて
流体を分離せねばならないプレート積重体をマニ
フオールド構成（多岐構成）とすることは極めて
困難である。交差流熱交換器をマニフオールド構
成とすることは比較的簡単であり、従つてそれは
向流システムよりも低効率であり且つ種々の熱及
び機械的応力を発生させるにもかかわらず一層広
範に使用されている。

米国特許第3305010号（Campbell et al）は、
向流型熱交換器をマニフオールド構成とする場合
の問題を解決することを試みた１つの向流システ
ムを開示している。この特許に開示されている熱
交換器は、積み重ねられたプレートとフイン要素
とを有しており、且つ両端から異なつた温度の流
体を導入する為の複雑なマニフオールド手段を有
している。しかしながら、このCambellの特許
は、プレート及びフインの両方の機能を有するプ
レートを開示しておらず、且つプレートの平面内
に於いてプレートを内部的にマニフオールド構成
とする手段を開示するものではない。

別の向流システムを第１図に示してあり、これ
はフロリダ州マイアミに於いて1978年２月に開催
された第５回OTEC会議のプロシーデイングズ
288−320頁に記載されているAlfa−Lavalのもの
である。このAlfa−Laval概念は、主に、１組の
薄い金属プレートと、フレームと各部品を一体的
に保持する手段とから構成されている。これらの
プレートは水平担持棒の上部と下部との間に保持
され、且つ定着ボルト及び可動圧力プレートによ
つて固定のフレームプレートに対し圧接されるも
のである。フレームプレートには入口接続体及び
出口接続体へのノズルが設けられている。各プレ
ートはガスケツトでその周辺部が密封され、且つ
プレス成形された溝に固着される。プレートの角
部の各々に設けられた流れ用の開口には個々的に
ガスケツトが設けられており、従つてプレート間
の空間を交互の流れチヤンネルからなる２つの系
統に分割している。これらのチヤンネル系統を介
して、２つの媒体が通過され、前記薄いプレート
を介しての熱伝導により高温媒体が低温媒体へ熱
を供給する。この様なガスケツトを設けた構成と
することにより媒体間の相互の洩れの発生の危険
性を取除いている。このAlfa−Laval概念の基本
的要素であるプレートはプレス成形により形成さ
れた波型パターンを有している。これらの波型は
無数のプレートパターンの形状に構成することが
可能である。しかしながら、圧力降下と対流熱伝
達特性との間の注意深い損益分岐を考慮すること
によつて特定のパターンが決定される。

Alfa−Lavalのシステムに於けるガスケツトは
プレートのプレス成形された溝に固着されるもの
であり、且つ天然ゴム、ニトリル、ブチル、ネオ
プレン、ビトン等の様なエラストマーで通常構成
されるものである。この場合のガスケツトの物質
選定は使用条件に依存するものであるが、その上
限は約360psiであり約400°Fである。

本発明は上述した如きAlfa−Lavalのものとは
著しく異なるものであり、その幾つかの例を挙げ
ると、(1)Alfa−Laval方式ではガスケツトを必要
としており、それにより操作圧力及び温度が制限
される、(2)Alfa−Laval方式では接触フインが設
けられておらずまたプレート底部は基本的に平坦
ではないので、最適な熱伝達係数を得るために必
要なプレート間の接触を得ることができない、(3)
Alfa−Laval方式の入口部及び出口部は反対端に
設けられているがプレートの同じ側に設けられて
いるので、プレートを横切つて流れる流れの分布
状態が良くなく且つ熱伝達効率が悪い、(4)Alfa
−Laval方式に於いてはプレートの面を横切つて
流入する流れを駆動する手段が設けられておら
ず、従つてその本質的な効率の悪さを補正するこ
とが不可能である。更に、上述した先行技術は、
本発明の環状プレート構成体及びプレートセグメ
ントを何等示唆するものではない。

本発明は、以上の点に鑑みなされたものであつ
て、プレート・フイン型熱交換器に使用する内部
的にマニフオールド構成とした単体の面開放フイ
ンプレートを提供することを目的とする。内部的
にマニフオールド構成とした面開放型の単体フイ
ンプレートは、内部マニフオールド手段に隣接す
る側部開口を有しており、該マニフオールド手段
は複数個のチヤンネルに対し横断方向に設けられ
ており、且つ各チヤンネルは端部ポートに隣接し
ている。複数個の前記内部的にマニフオールド構
成とした面開放型単体フインプレートを交互に対
向させて積み重ねるこどが可能である。この内部
的にマニフオールド構成としたプレート積重体を
外部マニフオールドと結合させて、効率の良い低
価格の向流型熱交換器を構成することが可能であ
る。内部をマニフオールド構成とした面開放型単
体プレートの別の実施例に於いては一体的補助入
口マニフオールド及び出口マニフオールドを有し
ており、この様な構成とすることにより別体の外
部マニフオールドを設けることの必要性を取除い
ている。

本発明の目的とするところは、プレート・フイ
ン型熱交換器に使用する内部をマニフオールド構
成としたフインプレートを提供することである。
本発明の別の目的とするところは、プレート・フ
イン型熱交換器に使用する内部をマニフオールド
構成とした単体のフインプレートを提供すること
である。本発明の更に別の目的とするところは、
単一の金型から製造することの可能な熱交換器用
プレートを提供することである。本発明の更に別
の目的とするところは、高効率の向流型又は並流
型プレート・フイン熱交換器を提供することであ
る。本発明の更に別の目的とするところは、特に
流体流路の長さを増加すべく構成した内部マニフ
オールドへ流体を供給する外部乃至は補助マニフ
オールドを設けることによつて高効率とした点で
ある。本発明の更に別の目的とするところは、単
にプレートを逆転させ同様の１組のプレートを接
着（拡散接合、蝋付、溶接等）乃至はボルト締着
することによつて低価格の組立体を提供すること
である。本発明の別の目的とするところは、プレ
ート間の接触及び表面積を増加させることによつ
て熱伝達を向上させることが可能な複数個のフイ
ン形状を組込んだ面開放型フインプレートを提供
することである。本発明の別の目的とするところ
は、簡単化した補助的マニフオールドを有する熱
交換器を提供することである。本発明の更に別の
目的とするところは、内部をマニフオールド構成
としたプレート積重体用の簡単なマニフオールド
手段を提供することである。本発明の更に別の目
的とするところは、低価格であり且つ効率の良い
向流型又は並流型熱交換器を提供することであ
る。本発明の更に別の目的とするところは、機械
的な及び熱的な応力を比較的受けることのないプ
レートを有する熱交換器を提供することである。
本発明の更に別の目的とするところは、廉価に製
造可能な熱交換器を提供することである。

以下、添付の図面を参考に本発明の具体的実施
の態様について詳細に説明する。本発明に基づ
き、プレート・フイン型熱交換器に使用する内部
をマニフオールド構成（多岐構成）としたフイン
プレートが提供される。プレート１０は単体構成
とすることが望ましいが、複数個の構成部品を結
合させて単一のプレートとすることも可能であ
る。第２ａ図、第２ｂ図、第２ｃ図に示した如
く、基本的な単体のフインプレート１０は開放面
１２と、フインプレート１０の上端１７を介して
横断方向に配設された側部開口１４，１４を有し
ている。側部開口１４，１４は、内部マニフオー
ルド手段１６と一体的であり、それと隣接してお
り、且つそれによつて接続されている。閉塞端１
８は内部マニフオールド手段１６の後端に隣接す
ると共にそれの横方向に存在している。フイン２
２によつて形成されているチヤンネル２０は、マ
ニフオールド手段１６の前端に隣接すると共にそ
れの横断方向に延在しており、流体の流れを端部
開口２４に向かつて方向付けている。底部２６は
隣接するプレートのフイン２２に接続する為の熱
伝達表面を与えると共に流体を分離する手段及び
プレート積重体に於けるフインプレート１０を密
封的に接続する為の手段を与えている。注意すべ
きことは、このプレート積重体は高圧力及び低圧
力状態に対して使用することが可能であり、内部
的な洩れ流路は余り重要ではないということであ
る。プレートカバー１５は図示した如く固体物と
することも可能であり、一方単に別の基本的なフ
インプレート１０とすることも可能である。更
に、第２ｂ図は、マニフオールドフイン２８を示
しているが、これらのフインは所望により設ける
ことが可能なものである。しかしながら、これら
のマニフオールドフイン２８はプレートの支持力
を増加させ、且つ熱伝達の為の付加的な手段を与
えることとなる。

第２ｄ図は、内部をマニフオールド構成とした
複数個のフインプレート１０で構成した内部をマ
ニフオールド構成としたプレート積重体３０を示
している。好適実施形態に於いては、フインプレ
ートを交互に対向させて積み重ねる。各実施例に
関し注意すべきことは、フイン２２を垂直線上に
整列させて示してあるが、第７ｂ図に示す如くこ
れらを千鳥状の配置とすることも可能である。ま
た、好適実施例に於いては、これらのフインプレ
ートに対し同一のものを使用するが、所望の熱力
学的効果を得る為に交互のフインプレートに関す
る内部構成を変化させることが可能である。好適
実施形態に於いては、交互のフインプレートの側
部開口１４を介して第１流体を内部マニフオール
ド１６内に給送し、フイン２２によつて形成され
たチヤンネル２０に沿つて送給し、端部開口２４
を介して流出させる。第１流体よりも高温又は低
温の第２流体を同様に次のフインプレートの側部
開口１４を介して導入させて向流流れを形成させ
る。この様な流れの方法とすることが好適なもの
であるが、この流れを逆流することも本発明の範
囲内のものであり、即ち流体を端部開口２４を介
して流入させ、チヤンネル２０から内部マニフオ
ールド１６へ流動させて、側部開口１４から流出
させることも可能である。また、一方の流体を側
部開口１４を介して導入すると共に他方の流体を
隣接するフインプレートの端部開口２４を介して
導入させることによつて並流流れとすることも可
能である。注意すべきことであるが、この第１流
体及び第２流体は同一のものでも異なつたもので
も良く、また熱力学的条件に応じて２つ以上の流
体を使用することも可能である。

第３ａ図及び第３ｂ図は、内部マニフオールド
手段１６の２つの別の実施例を示している。この
マニフオールド手段１６は角度３３で決定される
テーパ形状を有することが可能である。第３ａ図
に示した如く、内部マニフオールド１６は２つの
側部開口１４，１４を有しており、テーパは流体
が中間点３２に到達するに従い狭くなつている。
中間点３２に、所望により、障壁３４を挿入する
ことが可能である。第３ｂ図に示した実施例に於
いては、内部マニフオールド１６は１個の側部開
口１４を有しており、テーパはフインプレートの
全幅に渡つて延在しており、それは閉塞側部２３
に到達するに従い狭くなつている。ここに於いて
は３種類の内部マニフオールド形状を示してある
が、側部開口１４からチヤンネル２０へ流体を送
給可能なその他の内部マニフオールド形状とする
ことも可能である。

第４ａ図、第４ｂ図及び第４ｃ図は、フイン２
２及びチヤンネル２０に関する種々の形状を示し
ている。第４ａ図に於いて、フイン２２とチヤン
ネル２０は基本的なフインプレート１０の主チヤ
ンネル２０内にランダムに配設されている。それ
と比較して、第４ｂ図及び第４ｃ図に於けるフイ
ン形状は整列し且つ間欠的なフイン形状を示して
いる。間欠的なフインの列は第４ｂ図に示した如
く交互に配置することも可能であり、また第４ｃ
図に示した如く整列して配置することも可能であ
る。チヤンネルの表面は、特定の設計条件に従つ
て滑かな表面とすることも可能でありまた粗い表
面とすることも可能である。また、如何なるフイ
ン形状を使用した場合に於いても、フインとチヤ
ンネルとは構造的な一体性を向上すべく構成さ
れ、且つ全体的な熱伝達特性を向上すべく構成さ
れるものである。更に、チヤンネルは深さ方向及
び幅方向の両方に於いてテーパを持たせることが
可能なものである。

第５図には複数個のチヤンネル及びフインの形
状を示してある。最も一般的なチヤンネル及びフ
インの形状はチヤンネル２０及びフイン２２で示
されたものである。しかしながら、角部を丸くし
たチヤンネル３６、Ｕ字形状チヤンネル３８、Ｖ
字形状チヤンネル４０、台形状チヤンネル４２等
の様な異なつた形状のチヤンネル及びそれに対応
する夫々のフイン形状を使用可能であることは勿
論である。本発明の重要な１特徴としては、チヤ
ンネルとフインとが一体となつて熱伝達特性及び
構造上の一体性を向上させるものであるが、チヤ
ンネルそれ自身は面開放型であり、従つて製造が
容易なものである。更に、注意すべきことである
が、チヤンネルそれ自身は滑かな表面であつても
粗い表面であつても良く、また波形状又は流れ状
態及び熱伝達特性を向上させることが可能なその
他の表面形状を用いることも可能である。

第６ａ図は、内部的且つ補助的にマニフオール
ド構成とした面開放型フインプレート６２の平面
を示している。フインプレート６２は基本的には
フインプレート１０と同一であるが、フインプレ
ート６２は、更に、閉塞端外部マニフオールド６
４と、開放端外部マニフオールド６６と、二対の
側部マニフオールド６８，７０とを有している。
側部マニフオールドの各対は、側部入口マニフオ
ールド６８と、対角線上に位置された側部閉塞マ
ニフオールド７０とを有している。外部マニフオ
ールドの全ては、一体的であり、且つフインプレ
ート１０に隣接している。外部マニフオールドは
矩形形状を有するものとして示されているが、フ
インプレートから且つフインプレートへ流体を送
給することが可能な任意の形状を使用可能である
ことは勿論である。

第６ｂ図は、内部的に且つ内側にマニフオール
ドを構成した面開放型のフインプレート６３の平
面を示している。プレート６３は、基本的にはフ
インプレート６２と同一であるが、フインプレー
ト６３は、更に、閉塞端補助マニフオールド６４
と、開放端補助マニフオールド６６と、二対の内
側側部マニフオールド６８，７０と、一対の内側
入口部６５とを有している。各対の内側側部マニ
フオールドは、側部入口マニフオールド６８と、
対角線上に位置された側部閉塞マニフオールド７
０とを有している。

第６ｃ図は、大略６７で示した如く内側にマニ
フオールドを形成したフインプレートの別の実施
例を示した斜視図である。フインプレート６７は
基本的にはフインプレート６３と同じであるが、
フインプレート６７は、内側各入口部６９と、一
対の内側角マニフオールドとを有しており、各対
は内側角入口部６９に位置された内側角入口マニ
フオールド７１と、入口マニフオールド７１と同
じ側であるがプレート６７の反対端に位置された
内側角出口マニフオールド７３とを有している。
熱交換用の流体がフインプレート６７に流入する
と、その流体は開放マニフオールド７１と入口部
６９とを通過して流れ、更に内部流れガイド７５
を通過し、フイン７９によつて形成されたチヤン
ネル７７を通過し、また開放端開口８１を流れ
て、内側角出口マニフオールド７３を介して流出
される。注意すべきことは、流れガイド７５はマ
ニフオールドフイン２８と類似しており、マニフ
オールドの長さが増加すると共にマニフオールド
のチヤンネル８３の幅が増加しているということ
を除いては同一の構造上及び熱力学的な目的を達
成するものである。この様な構成とすることによ
り、プレート６７の面全体に渡つて最適な流れ分
布を与えることが可能である。

フインプレート６７の全面に渡り最適な流れ分
布を与えることが可能な流れガイド７５の別の構
成としては、第６ｄ図に示した如く、流れガイド
７５をフイン７９と一体的に接続させて個々のチ
ヤンネル７７へ流体を供給する様に構成した流れ
ガイド７５を使用するものである。第６ｃ図に示
した１組の流れガイドの場合には、流れガイド７
５の間の間隔８３はフイン７９及びチヤンネル７
７への長さが増加すると共に増加している。フイ
ンプレート６７の残りの２つの角の各々には１つ
ずつ一対のタブ・マニフオールド８５及び８７が
設けられている。タブ・マニフオールド８５及び
８７は、フインプレートが交互に対向して積み重
ねられた場合にフインプレート６７に対する必要
な連続的流路を与える。

第７ａ図及び第７ｂ図と第８ａ図、第８ｂ図及
び第８ｃ図は、内部をマニフオールド構成とした
フインプレート及びプレートを積み重ねた組立て
体７２を示している。好適実施形態に於いては、
フインプレートを交互に対向させて積み重ねる。
第１流体を入口側部マニフオールド６８へ給送
し、そこで流体は側部開口１４を通過し且つ内部
マニフオールド手段１６を通過して、フイン２２
で形成されているチヤンネル２０を通過すべく方
向転換される。この第１流体は、次いで、端部開
口２４から流出し、開放端補助マニフオールド６
６内へ流入する。補助マニフオールド６６から流
出した第１流体は、次いで、任意の適宜の位置へ
給送される。第１流体よりも高温か又は低温の第
２流体が隣接するフインプレートへ夫々の側部入
口マニフオールド６８を介して送給される。次い
で、第１流体の流れと同様に、第２流体は入口開
口１４を介して内部マニフオールド１６へ流動さ
れ、次いでチヤンネル２０及びフイン２２に沿つ
て流される。そこから、第２流体は夫々の開放端
補助マニフオールド６６へ流出され、そこから適
宜の位置へ送給される。開放端補助マニフオール
ド６４と側部閉塞端マニフオールド７０は交互の
フインプレート間の連続的な２次マニフオールド
を形成する為に使用される。注意すべきことは、
側部マニフオールド及び端部マニフオールドは矩
形形状を有するものとして示されているが、所望
の効果を得る為に任意の機能的形状とすることが
可能である。更に、熱交換用の流体は液体又は気
体のどちらでも良く、又は液体と気体との混合流
体であつても良い。

第９ａ図は内部をマニフオールド構成とした面
開放型フインプレートの別の実施例を示したもの
である。フインプレート７４と７６は、楔形状を
しており、密封可能なマニフオールドを介して結
合されて環状構成体７２を形成している。注意す
べきことは、最も好適な環状構成体７２は円形の
ものであるが、任意の規則的な偶数個の側面を有
する環状幾何学構成体とすることも可能であり、
任意の環状幾何学的構成体は本発明の範囲内に入
るものである。代表的な環状構成体としては、正
方形、六角形、八角形等がある。最も好適な形態
に於いては、６個の相互接続されるフインプレー
トから構成されるものであるが、１個又はそれ以
上のフインプレート数に於いても同様に機能し得
るものである。更に、幾つかのフインプレートは
流体を送給することなく、単にスペーサ等として
機能することも可能である。好適実施形態に於い
ては、環状構成体７２は少なくとも１個の出口フ
インプレート７４と入口フインプレート７６とを
有している。動作について説明すると、第１流体
が側部入口マニフオールド８２を介して流入し、
側部開口８４を通つて、内部マニフオールド手段
８６に沿つて流れ、フイン９０によつて形成され
たチヤンネル８８に沿つて流れる。次いで、第１
流体は外側周辺部に於ける端部開口９２から流出
し開放２次マニフオールド領域７８へ流入するも
のであつて、そこには任意の回収手段を設けるこ
とが可能である。第１流体は、次いで、適宜の位
置へ給送される。第１流体よりも高温であるか又
は低温の第２流体が隣接するフインプレート７６
へ側部入口マニフオールド９４を介して流入さ
れ、側部開口９６を介し、且つ内部マニフオール
ド９８に沿つて流れ、フイン１０２によつて形成
されたチヤンネル１００に沿つて流れる。そこか
ら、第２流体は内側周辺部に設けられた出口開口
１０４を通つて流出し、夫々の開口端２次マニフ
オールド８０へ流出する。この特定の実施例に於
いては、第９ｂ図に示した如く、向流流れを発生
させる為の内部をマニフオールド構成としたプレ
ートの積重体で構成されている。この様な流れ
は、フインプレート７６の上にフインプレート７
４を交互に積み重ねることによつて得ることが可
能である。熱交換器の所望の容量に応じて任意の
数の環状構成体７２を積み重ねることが可能であ
る。環状構成体の積重体を完全なものとする為
に、リング形状をしたカバープレートを内部をマ
ニフオールド構成とした環状プレートの積重体の
最上部の環状構成体に密封状に接合させる。注意
すべきことは、このカバープレートは単に別の熱
伝達用環状構成体７２とすることが可能であると
いうことである。次いで、熱伝達用流体をプレー
ト・フイン型熱交換器へ送給し且つ該熱交換器か
ら送給させる為の従来の手段を取付ける。第９ｃ
図は、フインとチヤンネルとの近似的な相対的大
きさを示した部分拡大図である。

好適実施形態に於いては、環状構成体７２を複
数個の環状セグメントから構成する。一方、環状
構成体を単体構成とすることも可能であり、且つ
１種類以上の流体を送給すべく構成することも可
能である。更に、特定の設計パラメータが所望性
を表わしている場合には、環状構成体の積重体を
その軸周りに回転すべく構成することも可能であ
る。

第１０ａ図は内部且つ内側をマニフオールド構
成とした面開放型フインプレートの別の実施例を
示している。注意すべきことであるが、環状フイ
ンプレート１０６は円形形状をしているが、任意
の規則的な環状幾何学形状をしたプレートとする
ことも可能であり、この様な場合も本発明の範囲
内に入るものである。環状構成体７２はフインプ
レート１０６に類似しているが、環状構成体７２
の場合には複数個のフインプレートセグメントで
構成されていることに注意すべきである。一方、
第１０ａ図に示したフインプレートは単体の出口
プレートである。動作について説明すると、第１
流体が入口開口１０８を介して流入し内部マニフ
オールド手段１１０に沿つて流れる。そこから、
第１流体はフイン１１４で形成されたチヤンネル
１１２に沿つて流れるべく方向転換される。この
第１流体は、次いで、外側周辺部に於ける端部開
口１１６から流出し開放２次マニフオールド領域
１１８へ流出する。内側開口１２０が出口フイン
プレート１０６の外側周辺部に位置されており、
第２流体を次のプレートへ送給する為の手段を与
えている。第１０ｂ図は入口フインプレート１２
２を示している。前記第１流体よりも高温又は低
温の第２流体が開口１２０を介してフインプレー
ト１２２内に送給される。そこから、第２流体は
マニフオールド１２４に沿つて流れ、フイン１２
８で形成されたチヤンネル１２６に沿つて流れる
べく方向転換される。そこから、第２流体が内側
周辺部に形成された出口開口１３０を介して流出
し、夫々の開口端第２マニフオールド領域１３２
に流出する。内側開口１０８がフインプレート１
２２の内側周辺部に位置されており、第１流体を
次のプレートへ送給する為の手段を与えている。
この特定の実施例に於いて、入口フインプレート
１２２と出口フインプレート１０６とを交互に積
み重ねて所望のプレート積立て体高さになるまで
積み重ねることによつて内部をマニフオールド構
成としたプレートで環状形状の積重体を得ること
が可能である。注意すべきことは、所望により、
複数個の入口部及び出口部を各プレート内に位置
させることが可能であるということである。プレ
ート積重体を完成させる為に、リング形状をした
カバープレートを内部をマニフオールド構成とし
た環状プレート積重体の最上部プレートに密封状
に接続させる。注意すべきことは、このカバープ
レートを単に別の環状プレートとすることも可能
であり、又は別体の固体プレートとすることも可
能である。次いで熱伝達用の流体をプレート・フ
イン型熱交換器へ給送し、且つ該熱交換器から給
送させる為の従来の任意の送給手段を取付けるこ
とが可能である。

最終的な使用目的及び所望の熱伝達率に応じ
て、種々のプレート厚さ、チヤンネル及びフイン
の長さ及び幅の割合、及び種々の熱導伝性物質を
使用することが可能である。例えば、金属、セラ
ミツクス、ポリマー等を使用することが可能であ
るが、これらの物質に何等限定されるべきもので
はない。

上述したごとき構成とすることにより、熱交換
器の製造を初めて自動化させることが可能となる
ものである。そうすることにより、管内蔵シエル
及びプレート・フイン型熱交換器と比較して、切
削、蝋付、溶接、洩れ検査等に必要とされる作業
時間を減少することが可能である。更に、許容設
計のスケーリングによつて広範囲の寸法、物質及
び流体を使用することが可能である。以下に、従
来のものと比べIMPS（内部をマニフオールド構
成とした積重体）構成の熱効率の優秀性を概略説
明する。

第８ｃ図に示した構成によつて与えられる基本
的な技術的利点としては、基本的な向流熱交換器
構成に於いて全ての操作表面が隣接表面と同じ
ΔTでもつて動作することが可能であるというこ
とである。即ち、各流路（低温又は高温）は両側
に隣接する流路（高温又は低温）を有している。
プレート１０間の接合部１１はプレートからプレ
ートへの熱伝導を許容し、従つてAlfa−Laval概
念に於ける様な無接触結合に於けるものと比べて
著しく熱交換効率を向上させることが可能であ
る。本構成に於いては、冷却剤通路を調整して可
変流路面積を与えることが可能であり、その際に
幅及び高さを適当に変化させて壁及び支持部の厚
さを変化させることが可能である。基本的な熱交
換工程に於いて、最良の熱交換効率は純粋な摩擦
流れ工程の場合に得られる。波形状や、突出部又
は表面粗さ等による乱流がある場合には圧力効果
が生じ、全体的な熱伝達を実際的に減少させる。
熱交換器を小型化するということが基本的な要請
である場合には、ある程度の流れの圧力損失を犠
牲にして圧印加工、エツチング、ミリング等によ
つてIMPS構成に波型形状、表面粗さ、断続フイ
ン等を取入れることが可能である。単に加工方法
を変えることにより異なつた溝寸法形状が得られ
るという効果も本構成の１特徴である。

添付の図面に示した如く、本発明の内部をマニ
フオールド構成とした特徴により、流れの入口損
失を最小とし且つ内部マニフオールド構成によつ
てマニフオールド部分に於ける熱交換が可能であ
り、従つて与えられた長さの構成に於いて最高の
効率を与えることが可能である。

通常の場合に於いては、最良の熱効率は良好な
向流を与えることによつて得ることが可能であ
る。第１１図は並流と、交差流と向流の各場合の
基本的な比較を示している。十分な長さを与えた
場合に、並流の場合には効率が50％に近付いてお
り、交差流の場合には80％であり、向流の場合に
は90％にまで近付いていることが分る。多くのフ
イン・プレート型熱交換器は交差流型であるか
ら、本発明で提案されているものはこのことのみ
によつても10乃至15％の効率が向上されることを
意味している。

しかしながら、IMPS設計に於いては交差流又
は並流とした場合にも取扱うことが可能なもので
あつて、付加的に交差向流流体及び流路を用いる
ことも可能である。

３種類の異なつた熱交換器の例を第１２ａ図、
第１２ｂ図及び第１２ｃ図に示してある。これら
３つの構成例の全ては向流型のものであつて、上
述した如く、最良の熱伝達効率を得ることが可能
なものである。

第１２ａ図に於いて、波型形状をした壁を有し
ており、波形状は効果は乱流を付加することであ
つて、それにより熱伝達を向上させるものである
が、単なる摩擦損失ではなく流体力学的な水頭損
失に基づく大きな圧力効果を伴うものである。ま
た、高温側表面と低温側表面との間に於いて表面
配列と間隔が等しく整合されない限り、圧力損失
が生じ効率の悪い熱伝達が行なわれることとな
る。更に、この場合の構成に於いては組立体内に
於けるプレート間の熱伝導は生じない。

第１２ｂ図に於いては、向流型のリブ付フイン
プレートが図示されている。この場合にはフイン
表面を拡大することの効果が得られるが、プレー
ト間の熱伝導による効果は得られない。更に、流
路間の間隔はプレート間に於いて低圧力差のみ維
持可能なものであつて、従つて熱伝達率はプレー
ト毎に異なり、且つ与えられたプレート表面積に
於いても異なるものである。

本発明によつて提案されるプレート積重体構成
は第１２ｃ図に示してあり、この場合の熱交換器
は最適の向流状態を与えると共にフイン付構成と
したことにより拡大表面が得られており、且つ波
型形状は存在しない（最小圧力損失とすることが
可能である）。更に、主要な利点としては、プレ
ート積重体によつて密着した熱的接合が与えられ
ており、その為に（殆ど）全ての場合に於いて熱
効率的改善を与えるものである。高さの高い流路
の場合であつて、熱伝達係数が物質の熱伝導率と
平均特性高さとの比に比べて小さい場合（即ち、
N_Bｉ≦1.0）、プレートとプレートとが接触して
るということは、２つの隣接するプレートの間の
みならず直接熱的に接合された箇所から遠く離れ
た他のプレートからも金属の良好な熱伝導特性に
よつて恩恵を被るということを意味している。こ
の様に、熱伝導特性を改善することが可能である
という付加的な能力は、プレート積重体内に於け
る３次元的熱伝導から得られるものである。更
に、本構成に於いて良好な３次元的熱伝導特性が
得られることにより熱応力のピーク値を減少さ
せ、且つ熱交換器内の表面温度のピーク値を比例
的に減少させるものである。

プレートとプレートとの間を接触させることに
よる効果は次式の向上比で表わすことが可能であ
る。

δ＝Ｋ／hS′（Ｌ／Ｌ＋Ｗ） (1) 尚、Ｋは物質の伝導率であり、ｈ平均熱伝達係
数であり、Ｌはリブの幅であり、Ｗはチヤンネル
幅である。また、S′は近似的に壁の厚さＳにチヤ
ンネル高さの半分を加えたものである。上式から
理解される如く、δの値が1.0より大きいという
ことはプレートとプレートとの間を接続させるこ
とによる効果を表わすものである。実際上適切な
幾何学形状を与えることにより10倍程度の間での
δの値を得ることが可能である。このことは、熱
伝達係数を低く押えて圧力効果及び駆動力を節約
せんとする場合に特に重要なことである。

第１３図は各種の構成に対しS′と熱伝達係数と
の間の関係を示している。最高の熱伝達率条件の
場合を除いた全ての場合に、IMPSプレート積重
体を使用することによつて実際的な厚さを得るこ
とが可能であることが分る。

プレート間の単位表面積当たりのプレート積重
体熱交換器に対する全熱伝導率ｑ／Ａは次式で
（近似的に）表わすことが可能である。

ｑ／Ａ＝H_hΔT／（Hh／Hc）（Ｌ＋Ｗ／ｈ＋Ｗ）_h＋（
Ｌ＋Ｗ／ｈ＋Ｗ）_h＋Hh／Ｋ（Ｓ＋１／４（h_h＋h_c））上式を元にコンピユータ解析によつて更に詳細
な解析を行なうことが可能である。特定の駆動力
に対し、高温側と低温側の熱伝達係数（H_h及び
H_c）を特定した場合に、壁の熱流束は幾何学的
形状と物質選定とによつて最適化することが可能
である。

プレート積重体熱交換器によつて伝達される熱
と基準平面壁構成（式(2)、管内蔵シエル）との比
は次式の如く表わされる。

φ≡ｑ／Ａ／（ｑ／Ａ）₀＝（１＋Hh／Hc＋HhS／Ｋ）
／（Ｌ＋Ｗ／ｈ＋Ｗ）_h＋Hh／Hc（Ｌ＋Ｗ／ｈ＋Ｗ）_c＋
（Hh（Ｓ＋１／４（hh＋hc））／Ｋ）(3) 低温ｃ及び高温ｈ熱伝達係数が略等しく、且つ
高伝導率Ｋの壁である場合には、この比φは次式
の如くなる。

φ＝２／（１＋Ｌ／Ｗ／１＋ｈ／Ｗ）_c＋（HL／Ｗ／
１＋ｈ／Ｗ）_h(4) 但しH_h／H_c＝1.0 Ｋ＝∞ 次いで、低温側と高温側の幾何学形状が等し
く、且つリブの幅及びチヤンネルの幅が狭い場合
には、次式の如くなる。

φMAX＝（１＋ｈ／Ｗ）（φ最大値） (5) 従つて以下の説明から明らかな如く、上式が理
論的な熱交換向上比の限界を与えるものである。
尚、種々の場合の低温側及び高温側の熱伝達係数
や種々の場合の物質及び実際的な幾何学的形状に
対しては、上式(3)を使用するか又は正確なコンピ
ユータ解析を行なわねばならない。

プレート積重体とすることによつて得ることの
可能な最大の理論的熱向上比を第１４図から読取
ることが可能である。φの値は、例えば、高伝導
率の物質（銅又は銀）によつて得られる向上の割
合を表わしている。φ＝1.0の場合は、通常の
（例えば管内蔵シエル）基準熱交換器構成を表わ
している。その他の限界を表わすものとしては、
理論的な最高線と（典型的な）製造限界線を表わ
すものが付け加えられている。この図に示される
如く、同一の熱伝達係数（同じ駆動力）に対する
典型的な構成に於いて管内蔵シエル型の熱伝達係
数の３乃至４倍の値が典型的な値として得られて
いる。同一のパワー損失でもつてある予測的な状
況下に於いて基準の熱交換値よりも10倍以上のφ
の値を得ることが可能であると期待される。

第１５図はφの公称値が1.4、即ち管内蔵シエ
ルの場合よりも40％向上させた場合の復熱装置形
状をプレート積重体コンピユータ解析によつて決
定する場合の特定例を示したものである。図示し
た如くプレート積重体構成の場合には管内蔵シエ
ルの場合の値の50％へ必要とされる低温側熱伝達
係数を減少させることが可能である（元の駆動力
の25％）。

熱伝導率が低い物質の場合には、第１６図に示
した如く性能劣化が発生する。性能劣化係数Ψの
値が０≦Ψ≦0.1の範囲にある場合には、図示し
た如く性能劣化は最小である。このことは、選択
した物質を確保する為のプレート積重体熱交換器
の寸法決め及び厚さ値が積重体に於ける最低の熱
伝達係数（低温側又は高温側）と比べて満足のい
くものであることを意味している。

例えば低温側と高温側のプレート幾何学形状が
同一である場合には、幾つかの導出したパラメー
タを使用することが重要である（これらのパラメ
ータは、また、形状が同一でない場合にも導出す
ることが可能である）。これらのパラメータは以
下の如くである。

単位面積当たりの表面積 β＝２／Ｗ（１＋Ｗ／Ｈ） (6) 前部単位面積当たりの流れ面積 α＝１／（１＋Ｌ／Ｗ）（１＋Ｓ／Ｈ） (7) 単位体積当たりの重量 γ＝ρ〔１−１／（１＋Ｓ／Ｈ）（１＋Ｌ／Ｗ）〕(8
) これらのパラメータは、熱交換効率、駆動力、
及び重量（価格）等を決定する場合に重要なもの
である。

以上、本発明の具体的構成について詳細に説明
したが、本発明はこれら具体例に限定されるべき
ものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱するこ
となしに種々の変形が可能であることは勿論であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術のAlfa−Lavalの波型形状プ
レートを示した平面図、第２ａ図は内部をマニフ
オールド構成とした面開放型フインプレートの構
成を示した分解斜視図、第２ｂ図は内部をマニフ
オールド構成とした面開放型のフインプレートを
示した平面図、第２ｃ図は内部をマニフオールド
構成とした面開放型プレートの開放端側の側面
図、第２ｄ図は内部をマニフオールド構成とした
面開放型プレート積重体の１部切欠き斜視図、第
３ａ図は内部をマニフオールド構成とした面開放
型プレートの内部マニフオールドの１実施例を示
した説明図、第３ｂ図は内部をマニフオールド構
成とした面開放型プレートの内部マニフオールド
の別の実施例を示した説明図、第４ａ図はフイ
ン・チヤンネル構成の別の実施例を示した説明
図、第４ｂ図はフイン・チヤンネル構成の更に別
の実施例を示した説明図、第４ｃ図はフイン・チ
ヤンネル構成の更に別の実施例を示した説明図、
第５図は種々の形状のチヤンネル及びフインを示
した内部をマニフオールド構成とした面開放型フ
インプレートの正面図、第６ａ図は一体的外側側
部及び端部マニフオールドを有する内部をマニフ
オールド構成とした面開放型フインプレートを示
した平面図、第６ｂ図は一体的内側側部及び端部
マニフオールドを有する内部をマニフオールド構
成とした面開放型フインプレートを示した平面
図、第６ｃ図は一体的内側角マニフオールドを有
する内部をマニフオールド構成とした面開放型フ
インプレートの別の実施例を示した斜視図、第６
ｄ図は第６ｃ図に示したフインプレートの別の流
れガイドを示した部分斜視図、第７ａ図はフイン
とチヤンネルとの間の相対的な割合を示した拡大
部分斜視図、第７ｂ図は垂直方向に千鳥配列とし
たフインを示したプレート積重体の説明図、第８
ａ図は１個の内部的且つ外部的なマニフオールド
構成としたプレートを示した斜視図、第８ｂ図は
内部をマニフオールド構成とした面開放型プレー
トを一体的に接続し側部及び端部マニフオールド
を有する内部をマニフオールド構成とした面開放
型プレート積重体を示した斜視図、第８ｃ図はフ
インとチヤンネルとマニフオールド手段との相対
的割合を示した拡大部分斜視図、第９ａ図は各環
状構成体が複数個のプレートから構成される場合
の内部をマニフオールド構成とした面開放型環状
構成体の平面図、第９ｂ図は各リング構成体が複
数個のプレートから構成される場合の内部をマニ
フオールド構成とした環状面開放型リング構成体
の１部切断斜視図、第９ｃ図はフインとチヤンネ
ルとの相対的な割合を示した第９ａ図の拡大部分
斜視図、第１０ａ図は内部をマニフオールド構成
とした環状面開放型プレート用の出口プレートを
示した平面図、第１０ｂ図は内部をマニフオール
ド構成とした環状面開放型プレート用の入口プレ
ートを示した平面図、第１１図は流れの配列状態
が熱交換器の性能に与える影響を示したグラフ
図、第１２ａ図は向流型波型形状壁熱交換器の構
成を示した説明図、第１２ｂ図は向流型リブ付フ
インプレート熱交換器の構成を示した説明図、第
１２ｃ図は向流型プレート積重体熱交換器の構成
を示した説明図、第１３図は熱交換器壁厚さの限
界を示したグラフ図、第１４図は理論的向上比と
フインの高さと幅の比との関係を示したグラフ
図、第１５図は内部をマニフオールド構成とした
積重体（IMPSと略称）の全境膜係数とガス境膜
係数との関係を示したグラフ図、第１６図は性能
劣化とビオ数との関係を示したグラフ図、であ
る。符号の説明、１０……フインプレート、１２…
…開放面、１４……側部開口、１６……マニフオ
ールド手段、２０……チヤンネル、２２……フイ
ン、２４……端部開口、２６……底部。

Claims

【特許請求の範囲】１プレートの１側部に沿つてその一表面から立
設する閉塞端を設けて前記閉塞端に沿つて内部マ
ニフオールド領域を形成し、且つ前記一表面上に
立設し前記内部マニフオールド領域から前記閉塞
端の反対端部に形成した開放端に向かつて延在す
る複数個のフインを設けて複数個のチヤンネルを
形成し、前記複数個のフインの内で最も外側の一
対の外側フインの各々は前記内部マニフオールド
領域に対応して側部開口が形成されると共にそこ
から前記開放端へかけて連続的に延在しており、
前記プレートは前記閉塞端の中心と開放端の中心
とを結ぶ中心線に関して実質的に左右対称に形成
されており、前記内部マニフオールド領域が前記
閉塞端に沿つて設けられ両端において前記夫々の
側部開口に連通する細長い流路を形成しており、
前記流路の１側部が複数個のチヤンネルと連通し
ており、複数個の前記プレートを閉塞端と開放端
とを交互にして積み重ねたことを特徴とする熱交
換器。２特許請求の範囲第１項において、前記内部マ
ニフオールド領域が前記閉塞端の中心から前記各
側部開口に向かつて幅広となつていることを特徴
とする熱交換器。３特許請求の範囲第１項又は第２項において、
前記一対の外側フインを除き前記複数個のフイン
はその内の少なくとも一部が部分的に途中で切断
されていることを特徴とする熱交換器。４プレートの１側部に沿つてその一表面から立
設する閉塞端を設けて前記閉塞端に沿つて内部マ
ニフオールド領域を形成し、且つ前記一表面上に
立設し前記内部マニフオールド領域から前記閉塞
端の反対端部に形成した開放端に向かつて延在す
る複数個のフインを設けて複数個のチヤンネルを
形成し、前記複数個のフインの内で最も外側の一
対の外側フインの各々は前記内部マニフオールド
領域に対応して側部開口が形成されると共に前記
各外側フインは前記開放端へかけて連続的に延在
しており、前記プレートは前記各側部開口に対応
し前記閉塞端と対応する外側フインとに一体的に
連結して側部入口マニフオールドを有すると共に
前記閉塞端側において前記側部入口マニフオール
ドに関して対角線上の位置において対応する外側
フインに一体的に連結して側部閉塞マニフオール
ドを有しており、前記内部マニフオールド領域が
前記閉塞端に沿つて設けられ両端において前記
夫々の側部開口に連通する細長い流路を形成して
おり、前記流路の１側部が複数個のチヤンネルと
連通しており、複数個の前記プレートを閉塞端と
開放端とを交互にして積み重ねたことを特徴とす
る熱交換器。５特許請求の範囲第４項において、前記プレー
トは、前記閉塞端に関し前記内部マニフオールド
領域と反対側で且つ前記閉塞端と一体的に形成さ
れている第１補助マニフオールドと、前記開放端
側において前記一対の外側フインと一体的に形成
されている第２補助マニフオールドとを有するこ
とを特徴とする熱交換器。６特許請求の範囲第４項又は第５項において、
前記プレートは前記閉塞端の中心と前記開放端の
中心とを結ぶ中心線に関して左右対称に形成され
ていることを特徴とする熱交換器。７プレートに互いに離隔して位置し該プレート
を貫通する開口によつて一対の入口及び出口マニ
フオールドを形成し、前記各入口及び出口マニフ
オールドに連通して一対の内部マニフオールド領
域を形成し且つ前記一対の内部マニフオールド領
域間に延在して複数個のフインを設けて前記一対
の内部マニフオールド領域を連通する複数個のチ
ヤンネルを形成し、前記プレートは前記一対の内
部マニフオールド領域及び前記フイン及びチヤン
ネル以外の位置において前記一対の入口及び出口
マニフオールドと同一の位置関係を有し該プレー
トを貫通する開口によつて一対の接続用マニフオ
ールドが形成されており、前記各内部マニフオー
ルド領域は対応する前記入口又は出口マニフオー
ルドとの第１連結部から前記複数個のチヤンネル
の一端部との第２連結部へかけて幅広に形成され
ており、複数個の前記プレートを前記一対の入口
及び出口マニフオールドと前記一対の接続用マニ
フオールドとを交互にして積み重ねたことを特徴
とする熱交換器。８特許請求の範囲第７項において、前記各内部
マニフオールド領域内に複数個のマニフオールド
フインが設けられており、前記複数個のマニフオ
ールドフインの少なくとも幾つかは隣接するマニ
フオールドフインの間の距離が前記第１連結部か
ら第２連結部へ向けて幅広となつていることを特
徴とする熱交換器。９特許請求の範囲第８項において、前記マニフ
オールドフインは前記チヤンネル形成フインの延
長として形成されており、前記各内部マニフオー
ルド領域を横断して設けられていることを特徴と
する熱交換器。１０特許請求の範囲第７項乃至第９項の内のい
ずれか１項において、前記一対の入口及び出口マ
ニフオールド及び前記一対の接続用マニフオール
ドの各々が実質的に前記プレートの各角部に位置
していることを特徴とする熱交換器。１１少なくとも１個の実質的に扇形状の入口フ
インプレートと少なくとも１個の実質的に扇形状
の出口フインプレートとを有する環状構成体を複
数個積み重ねた熱交換器において、前記入口フイ
ンプレートはその外周端に沿つて外側閉塞端が形
成されると共に前記外側閉塞端に沿つてその半径
方向内側に細長い湾曲した流路としての第１内部
マニフオールド領域が形成されており、前記第１
内部マニフオールド領域はその１側部に形成した
第１側部開口を介して前記環状構成体を貫通して
設けられた第１入口マニフオールドに連通してお
り、前記入口フインプレートには第１内部マニフ
オールド領域から前記入口フインプレートの内周
端に形成された内側開放端へ放射状に延在する複
数個のフインを設けて複数個のチヤンネルを形成
してあり、一方前記出口フインプレートはその内
周端に沿つて内側閉塞端が形成されると共に前記
内側閉塞端に沿つてその半径方向外側に細長い湾
曲した流路としての第２内部マニフオールド領域
が形成されており、前記第２内部マニフオールド
領域はその１側部に形成した第２側部開口を介し
て前記環状構成体を貫通して設けられた第２入口
マニフオールドに連通しており、前記出口フイン
プレートには第２内部マニフオールド領域から前
記出口フインプレートの外周端に形成された外側
開放端へ放射状に延在する複数個のフインを設け
て複数個のチヤンネルを形成してあり、隣接する
２個の環状構成体間において一方の環状構成体の
入口フインプレート及び出口フインプレートが他
方の環状構成体の出口フインプレート及び入口フ
インプレートに積み重ねられることを特徴とする
熱交換器。１２特許請求の範囲第１１項において、前記各
環状構成体が単体構成を有することを特徴とする
熱交換器。１３特許請求の範囲第１２項において、前記第
１および第２入口マニフオールド領域は前記入口
及び出口フインプレート間に位置されており且つ
前記第１入口マニフオールド領域は前記第２入口
マニフオールド領域の半径方向外側に位置してい
ることを特徴とする熱交換器。１４特許請求の範囲第１２項又は第１３項の内
のいずれか１項において、前記第１側部開口は前
記第１内部マニフオールド領域の両側部に形成さ
れており且つ前記第２側部開口は前記第２内部マ
ニフオールド領域の両側部に形成されていること
を特徴とする熱交換器。１５第１環状プレートと第２環状プレートとを
積み重ねた熱交換器において、前記第１環状プレ
ートは内周端に沿つて内側閉塞端が形成されると
共に前記内側閉塞端に沿つてその半径方向外側に
細長い環状流路としての環状の第１内部マニフオ
ールド領域が形成されており、前記第１環状プレ
ートを貫通し且つ前記第１内部マニフオールド領
域に連通して第１内側開口が形成されており、前
記第１内部マニフオールド領域から前記第１環状
プレートの外周端に形成された外側開放端へ放射
状に延在して複数個のフインを設けて複数個のチ
ヤンネルを形成しており、更に前記第１環状プレ
ートはその外周端近傍に位置しそれを貫通し且つ
チヤンネルから分離された第１外側開口が形成さ
れており、一方前記第２環状プレートは外周端に
沿つて外側閉塞端が形成されると共に前記外側閉
塞端に沿つてその半径方向内側に細長い環状流路
としての環状の第２内部マニフオールド領域が形
成されており、前記第２環状プレートを貫通し且
つ前記第２内部マニフオールド領域に連通すると
共に前記第１外側開口と同一の位置関係で第２外
側開口が形成されており、前記第２内部マニフオ
ールド領域から前記第２環状プレートの内周端に
形成された内側開放端へ放射状に延在して複数個
のフインを設けて複数個のチヤンネルを形成して
おり、更に前記第２環状プレートはそれを貫通し
前記第１内側開口と同一の位置関係で且つチヤン
ネルから分離された第２内側開口が形成されてお
り、前記第１及び第２環状プレートを前記第１及
び第２内側開口と前記第１及び第２外側開口とを
整合させて積み重ねたことを特徴とする熱交換
器。