WO2000057121A1

WO2000057121A1 - Plate type heat exchanger

Info

Publication number: WO2000057121A1
Application number: PCT/JP2000/001762
Authority: WO
Inventors: Naoyuki Inoue; Toshio Matsubara
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1999-03-24
Filing date: 2000-03-23
Publication date: 2000-09-28
Anticipated expiration: 2001-09-24
Also published as: EP1085286A4; CN1297523A; EP1085286A1; CN1190644C

Description

明細書プレート式熱交換器技術分野

本発明は、プレート式熱交換器に係り、特に、低圧冷媒を用いる冷凍機の蒸発器、低温再生器、凝縮器のように、少なくとも一方の流体が低圧蒸気である場合、あるいは相変化して蒸気化、又は蒸気から液化させる場合に好適な、プレートを積層させてプレート間に交互に 2流体を流して熱交換させるプレート式熱交換器に関する。背景技術

従来のプレート式熱交換器を図 1 0および図 1 1 に示す。図 1 0はプレート式熱交換器を示す図であり、図 1 0 Aは正面図、図 1 0 Bは側面図である。また、図 1 1は図 1 0の分解説明図である。

図 1 0および図 1 1に示すように、従来のプレート式熱交換器においては、両端部に開口部 5を有する 2枚のプレート 3を内部に空間を形成するように重ね、周縁部を密閉して熱交換要素 2を形成し、この熱交換要素 2を上記開口部 5が互いに連通するように重ねて結合して熱交換構造体を構成し、これをシェル 2 0の内部に収容して熱交換要素 2の内外に流体を流して、互いに熱交換させるようにしている。

このようなプレート式熱交換器においては、プレートから構成される熱交換要素と共にシェルが必要であり、製作工数が複雑で部品の種類も多くなるという問題点を有していた。

図 1 2に、従来のプレート式熱交換器を利用した吸収器および蒸発器の例を示す。図 1 2に示す従来例では、蒸発器 2 1、吸収器 2 2が左右に配置されており、それぞれのプレート式熱交換器を別々に作成しており、吸収器と蒸発器の形状が異なり、部品の種類も多くなり、製作工数がおおきなものになる。

また、このような形式では、プレート間隙間をかなり大きくする必要があり、コンパクト化が難しいという問題があった。発明の開示

本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたもので、部品点数が少なくて製造や組立てが簡易にできて、コストを軽減することができるとともに、コンパクト化が可能となり、高い熱交換機能を有するプレート式熱交換器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第 1の態様は、凹凸を有し長手方向の両端に開口部を設けたプレートを、 2枚一組として周縁を重ね合わせて熱交換要素とし、該熱交換要素を開口部同士を合わせて複数重ね合せて形成され、前記熱交換要素を形成している 2枚のプレート間の空間を第 1流体の通路とし、該熱交換要素と要素との間の空間を前記第 1 流体と熱交換関係にある別流体（第 2流体）の通路とし、プレートが両流体の伝熱面となるプレート式熱交換器であって、前記熱交換要素と要素とを重ね合せると、その周縁部で互いに接触し、密封された第 2流体の通路が形成されることを特徴とするプレート式熱交換器としたものである。

前記プレート式熱交換器において、第 2流体は、プレート面上で、第 1流体の出入口の両端の開口部と別の位置に、出入口を設けるのがよく、該プレート式熱交換器を、熱交換要素の重ね方向に 2組並列に並べて構成し、一方の組から蒸気を発生させ、他方の組で凝縮又は吸収させるように第 2流体通路を連通させてプレート式熱交換器とすることができる本発明によれば、 1種類又は 2種類の部品から構成される熱交換要素の内外に凹凸により屈折した流路が形成され、シェルを用いずに外部流路が一挙に形成できると共に、異なつた温度の 2組の流体から熱交換する複雑なプレート式熱交換器を、少ない部品点数と簡単な製造工程により製作できる。

本発明の第 2の態様は、互いに向かい合う 2枚を一組として構成し、この 2枚の内側に密閉された空間を 2系統設け、それぞれの系統に出入口としての開口部をそれぞれ 2個持たせた熱交換要素を複数配備すると共に、前記 2系統の内側空間及び該空間の外側にそれぞれ別々に流体が流れるように構成したことを特徴とするプレート式熱交換器としたものである。

前記プレート式熱交換器において、複数配備された熱交換要素は、該熱交換要素と要素の間は連通し、該要素の周縁部で互いに接触し密封されるように構成することができ、その際、内側空間 2系統を左右に配置し、前記、要素間の連通部分を上下方向に複数個に分割することもできる。

また、本発明では、互いに向かい合うプレート 2枚を一組として構成され、この 2枚の内側に密閉された空間を 4系統設け、それぞれの系統に出入口としての開口部をそれぞれ 2個持たせた熱交換要素を複数配備すると共に、前記 4系統の内、第 1系銃と第 2系統及び第 3系統と第 4 系統の 2組づっを、それぞれ左右に配置し、前記 4系統の内側空間及び該空間の外側にそれぞれ別々に流体が流れるように構成したことを特徴とするプレート式熱交換器としたものである。

該プレート式熱交換器において、複数配備された熱交換要素は、左右に配置している第 1系統と第 2系統及び第 3系統と第 4系統の 2組づっのそれぞれの外側の熱交換要素と要素の間は連通しており、該要素の周縁部で互いに接触し密封されるように構成することができる。

このように構成することで、単一のプレート式熱交換器で、 2種類又は 4種類の熱交換を行うことができ、例えば、第 1の系統の外面には流体を液膜として流して、内部流体からの加熱により、液膜から蒸気を発生させ、第 2の系統を吸収器として利用した場合は、第 2の系統の外面に、内部流体による冷却で、前記蒸気を凝縮させることができる。又、第 2の系統を凝縮器として利用した場合は、外面に吸収溶液を液膜として流し、前記蒸気を吸収させることができる。図面の簡単な説明

図 1は本発明の第 1の態様におけるプレート式熱交換器の一例を示す図であり、図 1 Aは正面図、図 1 Bは図 1 Aの A— A断面図、図 1 Cは図 1 Aの B— B矢視図である。

図 2は本発明の第 1の態様におけるプレート式熱交換器の他の例を示す図であり、図 2 Aは側面断面図、図 2 Bは図 2 Aの A— A断面図、図 2 Cは図 2 Aの B— B断面図、図 2 Dは図 2 Aの C— C断面図である。図 3は本発明の第 2の態様におけるプレート式熱交換器の一例を示す図であり、図 3 Aは正面図、図 3 Bは平面図、図 3 Cは側面図である。図 4は本発明の第 2の態様におけるプレート式熱交換器の他の例を示す図であり、図 4 Aは正面図、図 4 Bは平面図、図 4 Cは側面図である。図 5は本発明の第 2の態様におけるプレート式熱交換器をシェル内に収容した例を示す概略構成図である。

図 6は本発明の第 2の態様におけるプレート式熱交換器の他の例を示す図であり、図 6 Aは正面図、図 6 Bは A— A断面図、図 6 Cは B— B 矢視図である。図 Ίは本発明の第 2の態様におけるプレート式熱交換器の他の例を示す図であり、図 7 Αは正面図、図 7 Βは A— Α断面図、図 7 Cは B— B 矢視図である。

図 8は本発明の第 2の態様におけるプレート式熱交換器の他の例を示す図であり、図 8 Aは正面図、図 8 Bは A— A断面図、図 8 Cは B— B 矢視図である。

図 9は本発明の第 2の態様におけるプレート式熱交換器の他の例を示す図であり、図 9 Aは正面図、図 9 Bは平面図、図 9 Cは側面図である。図 1 0は従来のプレート式熱交換器を示す図であり、図 1 0 Aは正面図、図 1 0 Bは側面図である。

図 1 1は従来のプレート式熱交換器の分解説明図である。

図 1 2は従来のプレート式熱交換器を吸収器及び蒸発器に適用した構成図である。発明を実施するための最良の形態

次に、本発明の第 1の態様におけるプレート式熱交換器を詳細に説明する。

本発明で用いるプレートは、凹凸部を有する 2枚のプレートを内部に空間を形成するように重ね、ぞの周縁部を単に重ねた時には、全周にわたって軽く接触し（線接触し）、重ね方向に力を加えていくと、その接触部の形状が変化して面接触となり、前記凹凸が接触するまで、力を加えると共に接触面が大きくなり、ろう接（ブレージング）で周縁を密封するのに好適な形状のものを用いることができる。

すなわち、前記のプレートは、ろう接の場合、プレート同士を密着させるため、力を加えながらろう接を実施するが、この力を加えたときに、周縁部が平行となり、さらにプレー卜の凹凸が接触するので好ましい。上記のような 2枚のプレートを、接触予定部にろう材を置きながら (塗りながら）重ねると、上記プレートの両端部に形成された開口部から上記空間の間に流体流路を有する熱交換要素が構成される。

本発明では、ろう接（ブレージング）以外に、間にガスケットを入れて外部から力を加える場合あるいは溶接で密閉する場合等も含む。

本発明のプレートの凹凸は、所定方向に延びる波状パターンとして形成することができ、 2次元的に屈曲する複雑な流路が比較的簡単な構成で形成できる。

前記熱交換要素からプレート式熱交換器とするには、所要枚数の熱交換要素を両端の開口部及び熱交換要素と要素間を密封して第 2流体の通路を形成する要素周縁閉止部を合せて重ね、熱交換要素の開口部及び要素周縁閉止部同士の重ね合わせ面にろう材をのせ、重ね方向に力を加えた状態で加熱ろう接することにより、熱交換要素同士が周縁部で密封し、シェルの役目を有するプレート式熱交換器を一挙に製造することができる。

このプレート両端の開口部の一方に、立上りを設けることにより、重ね合わせのときに、開口部の嵌め合いで位置決めを簡易にすることができる。これにより、熱交換要素を重ねるだけで熱交換要素同士の 2次元的な位置決めが自然に行われるので、製造工程が簡略化される。

以下、図 1及び図 2を参照して本発明の第 1の態様におけるプレート式熱交換器を詳細に説明する。

図 1はプレート式熱交換器の一例を示す図であり、図 1 Aは正面図、図 1 Bは図 1 Aの A— A断面図、図 1 Cは図 1 Aの B— B矢視図である。図 1では、プレート式熱交換器 1 は、 4つの熱交換要素 2を結合して構成されており、熱交換要素 2は、 2つのプレート 3を重ね合わせ、凹凸パターンの接触部と周縁部 4の間を溶接又はろう接することにより、固着して作成されている。そして 4つの上記熱交換要素 2が、両端の開口部 5の周縁立上り部 6 と、周縁の隆起部 7の接触部 8同士を重ね合せ. この部分を容接又はろう接することにより固着して組み立てられてプレ — ト式熱交換器が構成されている。これにより、熱交換要素 2の内部と熱交換要素 2同士の間の空間に連通する流路が形成されている。

また、熱交換要素 2の内部空間 1 1 には、開口部 5から第 1流体が流れ熱交換要素 2同士の間の空間 1 2には、例えば第 2流体である蒸気が蒸気通路 9から導入されて凝縮して液体として液通路 1 0から排出される。また、別に熱交換要素 2の外側には、第 2流体を流す流路を設け、蒸気通路 9からの蒸気を吸収して、液通路 1 0から排出してもよい。

このように、熱交換要素 2の外周縁に隆起部を設けて、この隆起部を接触させて閉止することにより、第 2流体流路である外側流路をシェルを用いずに、一挙に形成することができる。

図 2はプレート式熱交換器の他の例を示す図であり、図 2 Aは側面断面図、図 2 Bは図 2 Aの A— A断面図、図 2 Cは図 2 Aの B— B断面図、図 2 Dは図 2 Aの C— C断面図である。

図 2に示すプレート式熱交換器では、図 1 に示すプレート式熱交換器を 2つ並列 l a , 1 bに重ね合せて一つに形成しており、第 2流体の蒸気通路 9を両熱交換器 1 a , l b間を連通させている。

図 2に示す熱交換器は、吸収冷凍機の吸収器 1 bと蒸発器 1 aに適用したものであり、蒸気流路 9が、吸収器 1 bと蒸発器 1 aとで連通し、冷水 1 3 a、冷却水 1 4 a間は遮断され、液出口同士も遮断され、端面側から出入りする。

このようなブレート式熱交換器において、蒸発器 1 aでは熱交換要素の内部空間 1 1に冷水が開口部 1 3 aから入り、該空間 1 1内を通り、冷却されて 1 3 bから出て行く。一方、要素間の外側空間 1 2には、図示されていないが冷媒液が流下され、冷媒は冷水から熱を奪い、冷媒蒸気となり、外側空間 1 2から蒸気通路 9を通り、吸収器 1 bに至る。吸収器 1 bでは、内部空間 1 1 に冷却水が開口部 1 4 aから入り、空間 1 1内を通り、外側空間 1 2を通る吸収溶液を冷却して 1 4 bから出て行く。図示されていないが、外側空間 1 2を流下する吸収溶液は、蒸気通路 9から流れてくる冷媒蒸気を吸収して、蒸気通路 9の下に設けられた排出路 1 8から出て行く。

また、蒸発しなかった冷媒は、排出路 1 7で回収され、冷媒液として循環使用される。

なお、図 2において、図 1 と同一の符号は同一の部材又は要素を示している。符号 1 5は遮断板、符号 1 6は閉止板である。

図 2のプレート式熱交換器は、吸収冷凍機の再生器と凝縮器としても同様に適用することができる。

以上説明したように、本発明の第 1の態様によれば、 1種類又は 2種類の部品から構成される熱交換要素の内外に凹凸により屈折した流路が形成され、シェルを用いずに外部流路が一挙に形成できると共に、異なつた温度の 2組の流体から熱交換する複雑なプレート式熱交換器を、少ない部品点数と簡単な製造工程により、低コス卜で効率の良い熱交換性能を持つ熱交換器を提供することができる。

次に、本発明の第 2の態様におけるプレート式熱交換器を詳細に説明する。

本発明で用いるプレートは、凹凸部を有する 2枚のプレートを内部に空間を形成するように重ねた場合、 2枚の内側に 2又は 4つの分割した密閉された空間が形成され、該空間にはそれぞれ 2個づつの開口部を有し、その周縁部、分割部及び開口部を単に重ねた時には、全周にわたつて軽く接触し（線接触し）、重ね方向に力を加えていくと、その接触部の形状が変化して面接触となり、前記凹凸が接触するまで、力を加えると共に接触面が大きくなり、ろう接（ブレージング）で周縁及び分割部を密封するのに好適な形状のものを用いることができる。

すなわち、前記のプレートは、ろう接の場合、プレート同士を密着させるため、力を加えながらろう接を実施するが、この力を加えたときに、周縁及び分割部が平行となり、さらにプレートの凹凸が接触するので好ましい。

上記のような 2枚のプレートを、接触予定部にろう材を置きながら (塗りながら）重ねると上記プレー卜にそれぞれ 2個づつの開口部を有する独立した 2又は 4つの系統の内部空間に流体流路を有する熱交換要素が構成される。

本発明のプレー卜の凹凸は、所定方向に延びる波状パターンとして形成することができ、 2次元的に屈曲する複雑な流路が比較的簡単な構成で形成できる。

このプレートの一方の開口部に、たちあがりを設けることにより、重ね合わせのときに、開口部の嵌め合いで位置決めを簡易にすることができる。これにより、プレートを重ねるだけでプレート同士の 2次元的な位置決めが自然に行われるので、製造工程が簡略化される。

前記熱交換要素は、 2又は 4系統の内部空間に設けた 2つづつの開口部を、複数の熱交換要素間で接続し、流体流路を形成すると共に、該系銃の内部空間に対応する熱交換要素の外側に別々に流体を流すことにより、 2組又は 4組の流体を同時に熱交換するプレート式熱交換器とすることができる。

例えば、前記プレート式熱交換器において、第 1系統の内部流体を冷却水、外部流体を吸収溶液、第 2系統の内部流体を冷水、外部流体を冷媒液として、吸収冷凍機用のプレート式吸収器及び蒸発器とすることができ、また、第 1系統の内部流体を熱源流体（温水、蒸気など）、外部流体を吸収溶液、第 2系統の内部流体を冷却水、外部流体を冷媒凝縮液として、吸収冷凍機用のプレート式再生器及び凝縮器とすることができ、さらに、これらのプレート式吸収器及び蒸発器並びにプレート式再生器及び凝縮器を一つにした 4系統のプレート式熱交換器を用いれば、吸収冷凍機の吸収器、蒸発器、再生器、凝縮器を一つのプレート式熱交換器で構成することができる。

以下、図 3乃至図 9を参照して本発明の第 2の態様におけるプレート式熱交換器を詳細に説明する。

図 3は本発明のプレート式熱交換器の一例を示す図であり、図 3 Aは正面図、図 3 Bは平面図、図 3 Cは側面図である。

図 3において、符号 3はプレート、符号 2は熱交換要素であり、ここでは 3つの熱交換要素で構成されており、該熱交換要素 2は、内部空間 2 3が 2系統 2 3 a , 2 3 bで形成され、それぞれに開口部 2 4 ( 2 4 a , 2 4 b ) が上下に設けられており、 2系統の内部空間の間は密閉部 2 6で密閉されている。そして、熱交換要素 2間は開口部 2 4の開口立上り部 2 5で連結しており、該要素間には外部流路 2 7が形成されており、外部流路 2 7は該要素の外側を連通して設けられている。

図 3のプレート式熱交換器では、熱交換要素の内部空間に 2系統の流体が流れ、また、外面にも 2系統の流体が流れ、該 2系統間で蒸気の移動が生じ、例えば、蒸発器と吸収器あるいは再生器と凝縮器のように、 2種類の熱交換器を構成し、コンパクト化を図ったものである。

図 4はプレート式熱交換器の他の例を示す図であり、図 4 Aは正面図、図 4 Bは平面図、図 4 Cは側面図であり、このように熱交換要素を構成するプレート面上に凹凸の形状 3 1 , 3 2を設けることができる。 2系統間の密閉部 2 6に設けた凹凸形状 3 2は、外側の外部通路 2 7の蒸気移動をすみやかに行う整流板及び気液分離のェリミネ一夕としての作用をする。

図 5は本発明のプレート式熱交換器をシェル内に収容した-一例を示す概略構成図である。このように、シヱル 2 0に収容し、熱交換要素 2の内部空間 2 3 a， 2 3 bに対応する外側にそれぞれ流体の散布管 2 9が設置されている。

図 6は図 5のシェルに代えて、熱交換要素 2の周縁を密封 2 8 したものであり、図 6 Aは正面図、図 6 Bは A— A断面図、図 6 Cは B— B矢視図である。図 6では、例えば、溶液、冷媒の導入のための入口 3 3を上部に持ち、この入口 3 3を通して管 2 9 (図 5参照）でそれぞれの機器に溶液、冷媒を供給し、下部に溶液、冷媒の出口 3 4 , 3 5を別々に持つ。凝縮器として用いる場合、冷媒液の供給は不要である。

図 7は本発明の他のプレート式熱交換器の図を示し、図 7 Aは正面図、図 7 Bは A— A断面図、図 7 Cは B—B矢視図である。

図 8は本発明の他のプレート式熱交換器の図を示し、図 8 Aは正面図、図 8 Bは A— A断面図、図 8 Cは B— B矢視図である。

図 3乃至図 6に示すプレート式熱交換器においては、左右の機器の内側流体の 2系統の外側が、左右に連通し、 1系統になっているのに対し、図 7及び図 8に示すプレート式熱交換器においては、左右の機器の内側流体は 2系統であるが、外側を上下方向で分割し、分割された部分では左右に連通するようにしたものである。このように、外側の蒸気側の分割により、上下方向で圧力分布ができる。例えば、吸収冷凍機の蒸発器及び吸収器に適用すれば、多段の蒸発器及び吸収器が構成できる。図 7 及び図 8に示す例は、 4段化したものである。図 7に示す例においては、上下区分をプレー卜の成形部分 3 6で行つている。また、図 8に示す例においては、上下区分を板 3 7を挿入することで行っている。この図では、挿入した板 3 7は仕切り板の役目の他. エリミネ一夕の役目、さらには、プレート外側の流下液の液分配の役目をもさせている。

なお、多段化は、再生器及び凝縮器に対しても有効である。

図 9は本発明のプレート式熱交換器の更に他の例を示す図であり、図 6の発展形で、プレートの内側に内部流体の 4系統を左右に 2系統づっ設け、プレートの外側に蒸気通路を左右の 2系統を連通して設けた図であり、図 9 Aは正面図、図 9 Bは平面図、図 9 Cは側面図である。

図 9に示すプレート式熱交換器では、例えば、吸収冷凍機の再生器及び凝縮器並びに蒸発器及び吸収器に用いて、再生器 2 3 b及び凝縮器 2 3 aを上部の左右に、蒸発器 2 3 c及び吸収器 2 3 dを下部の左右に配置して示しているが、蒸発器、吸収器、凝縮器及び再生器を同一高さで、 4機器を並べても差し支えない。

このようにプレート式熱交換器を 4系統で構成することにより、吸収冷凍機の主要構成機器を一つのプレートですベて構成することができる以上説明したように、本発明の第 2の態様によれば、 1種類のプレートから構成される熱交換要素の内外に、 2系統又は 4系統の流路が形成されると共に、異なった温度の 2組又は 4組の流体から熱交換する複雑なプレート式熱交換器を、少ない部品点数と簡単な製造工程により、低コストで効率の良い熱交換性能を持つ熱交換器を提供することができる。産業上の利用の可能性

本発明は、プレートを積層させてプレート間に交互に 2流体を流して熱交換させるプレート式熱交換器であり、低圧冷媒を用いる冷凍機の蒸発器、低温再生器、凝縮器などに利用可能である。

Claims

請求の範囲

1 . 凹凸を有し長手方向の両端に開口部を設けたプレートを、 2枚一組として周縁を重ね合わせて熱交換要素とし、該熱交換要素を開口部同士を合わせて複数重ね合せて形成され、前記熱交換要素を形成している 2 枚のプレート間の空間を第 1流体の通路とし、該熱交換要素と要素との間の空間を前記第 1流体と熱交換関係にある別流体（第 2流体）の通路とし、プレートが両流体の伝熱面となるプレート式熱交換器であって、前記熱交換要素と要素とを重ね含わせると、その周縁部で互いに接触し、密封された第 2流体の通路が形成されることを特徴とするプレート式熱交換器。

2 . 前記第 2流体は、プレート面上で、第 1流体の出入口の両端の開口部と別の位置に、出入口が設けられることを特徴とする請求項 1記載のプレー卜式熱交換器。

3 . 請求項 2記載のプレート式熱交換器を、熱交換要素の重ね方向に 2 組並列に並べて構成し、一方の組から蒸気を発生させ、他方の組で凝縮又は吸収させるように第 2流体通路を連通させたことを特徴とするプレ一ト式熱交換器。

4 . 互いに向かい合うプレート 2枚を一組として構成し、この 2枚の内側に密閉された空間を 2系統設け、それぞれの系統に出入口としての開口部をそれぞれ 2個持たせた熱交換要素を複数配備すると共に、前記 2 系統の内側空間及び該空間の外側にそれぞれ別々に流体が流れるように構成したことを特徴とするプレート式熱交換器。

5 . 前記複数配備された熱交換要素は、該熱交換要素と要素の間は連通し、該要素の周縁部で互いに接触し密封されるように構成したことを特徴とする請求項 4記載のプレート式熱交換器。

6 . 前記複数配備された熱交換要素は、内側空間 2系統が左右に配置され、前記要素間の連通部分が上下方向に複数個に分割されていることを特徴とする請求 5項記載のプレート式熱交換器。

7 . 互いに向かい合うプレート 2枚を一組として構成し、この 2枚の内側に密閉された空間を 4系統設け、それぞれの系統に出入口としての開口部をそれぞれ 2個持たせた熱交換要素を複数配備すると共に、前記 4 系統の内、第 1系統と第 2系統及び第 3系統と第 4系統の 2組づっを、それぞれ左右に配置し、前記 4系統の内側空間及び該空間の外側にそれそれ別々に流体が流れるように構成したことを特徴とするプレート式熱交換器。

8 . 前記複数配備された熱交換要素は、左右に配置されている第 1系統と第 2系統及び第 3系統と第 4系統の 2組づつのそれぞれの外側の熱交換要素と要素の間は連通し、その周縁部で互いに接触し密封されるように構成したことを特徴とする請求項 7記載のプレート式熱交換器。