JP4856170B2 - プレート熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、複数の伝熱板のパッケージを貫通する入口流路を形成している貫通入口ポートを備えた伝熱板のパッケージと、１つおきのプレート隙間内の伝熱板と共に１つの流体用の第１の流路を区画しており、プレート隙間の残りのプレート隙間の各々において第２の流体用の第２の流路を区画している、伝熱板同士の間に配置された密封手段と、を有しているプレート熱交換器であって、入口流路が、第１の入口通路を経由して各第１の流路と連通しているとともに、密封手段によって各第２の流路との連通が密封されているプレート熱交換器に関する。

プレート熱交換器は、冷凍システム内で循環する冷媒を蒸発させる蒸発器として使用されることがよくある。通常、このような冷凍システムは、すべてが連続して連結された圧縮器、凝縮器、膨張弁、及び蒸発器を有している。この種のシステムで蒸発器として使用されるプレート熱交換器では、プレートは、ろう付けまたは溶接されることがよくある。しかし、隣接している伝熱板間の密封手段としてガスケットを使用することもできる。

上で引用した種類の冷凍システムに関連して生じる問題は、プレート熱交換器の入口流路に流入する冷媒が、伝熱板同士の間の隙間内の異なる蒸発流路に均一には分布しないことである。この理由の１つは、膨張弁を通過した後の冷媒は、入口流路に流入するときに既に部分的に膨張しており、入口流路全体に沿って通過する間、均質の液体／蒸気混合物の状態のままではなく、部分的に液体流及び蒸気流にそれぞれ分離される傾向があることである。

冷媒がプレート熱交換器内の異なる蒸発流路に均一に分布しないと、プレート熱交換器の各部が有効に利用されなくなる。さらに、冷媒は、不要に過熱される。さらに、いくつかの流路で液体冷媒が溢れる可能性があり、ある液体が出口に存在する恐れもある。

上述の種類のプレート熱交換器内で冷媒が均一に分布しない問題を回避するために、スウェーデン特許第８７０２６０８−４号明細書には、プレート熱交換器の入口流路と、冷媒用の蒸発流路を形成している各プレート隙間との間の各通路内に規制手段を配置することが提案されている。この規制手段は、穴を備えているとともにポートホールの周りの隣接した伝熱板対の間に配置されたリングまたは座金であってもよい。あるいは、規制手段は、複数の穴または孔を備えているとともにプレート熱交換器の入口流路に配置された管であってもよい。他の代替手段として、スウェーデン特許第８７０２６０８−４号明細書には、２枚の隣接した伝熱板の入口ポートを区画するプレート縁部を折り畳んで縁同士を当接させることによって規制手段を伝熱板の一体部として形成することも提案されている。しかし、狭い領域には、隣接したプレート間の流路に冷媒が流入するのを可能にする入口開口部が形成されている。

上述の種類の規制手段を備えたプレート熱交換器には、その製造時にいくつかの問題が生じる。別個のリングまたは座金を使用すると、プレート熱交換器を組み立てるときにリングまたは座金を正しい位置に配置するうえで問題が生じる。管の形をした規制手段は、プレート熱交換器に含まれる伝熱板の数に適合した長さを有さなければならず、また伝熱板同士の間の流路に至る入口通路に対して正しく位置させる必要があるという欠点を有する。プレートのポート縁部を折り畳むことも、スウェーデン特許第８７０２６０８−４号明細書で提案されているように、プレート隙間内に至る明確に定められた入口開口部を得ることが困難であるという事実のため、現実的でないことが示されてきている。

冷媒がプレート熱交換器内の異なる蒸発流路に均一に分布しないことと関連して生じる問題の他の解決策は、流入媒体を規制する明確に定められた流路を設けることである。このような規制手段を有するプレート熱交換器は国際公開第９５／００８１０号パンフレット及び国際公開第９７／１５７９７号パンフレットに開示されている。

国際公開第９５／００８１０号パンフレット及び国際公開第９７／１５７９７号パンフレットによるプレート熱交換器では、プレートパッケージに沿った入口流路及び出口流路が、連続する山及び谷を有する壁を備えたダクトを形成している。しかし、プレートパッケージに沿った流路のこの特定の形状は、流体の流れに悪影響を与え、流体を強制的に収縮及び膨張させて乱流及び逆流を生じさせ、隣接したプレート間の流路に流入する冷媒混合物の量及び質に影響を与え、圧力低下を引き起こす。特に、これはプレートパッケージに沿った冷媒入口流路にとって重大である。なぜなら、プレートパッケージに沿った冷媒の分布に悪影響が与えられるからである。

理想的には、冷媒をプレートパッケージに沿って分布させることによって、伝熱板間の各冷却流路内に同じ蒸気品質の冷媒を有する等しい質量流量を確保すべきである。しかし、実際には、流体がプレートパッケージに沿って進行するときに流体の物理的条件及び流体力学的条件が変化するため、このような性能を実現することはかなり困難である。

本発明の目的は、上に引用した欠点を無くすかまたは少なくとも軽減すること、及び製造するのが容易でかつ費用効果が高く、伝熱板が、伝熱板間の様々な蒸発流路に対して冷媒または蒸発させるべき他の液体の改善された均一な分布を得ることができるように形成されているプレート熱交換器を提供することである。

本発明によれば、この目的は、冒頭に述べた種類のプレート熱交換器であって、入口流路が、第１の流体用の入口ポート内に設けられている密封部材によって形成されたほぼ平滑な円筒形状を有しているとともに、第１の入口通路が、密封部材内に設けられていることを特徴とするプレート熱交換器によって実現される。

本発明によって、製造し組み立てるのが容易でかつ費用効果が高く、伝熱板が、伝熱板間の異なる蒸発流路に対して冷媒または蒸発させるべき他の液体の改善された均一な分布が得ることができるように形成されているプレート熱交換器を提供することができる。

特に、本発明によるほぼ円筒の形状を有している平滑な入口流路によって、プレート熱交換器の、改善された非常に有効な利用が可能になり、乱流、液体分離、液体蓄積、及び逆流が実質的に軽減されることでプレート熱交換器の熱性能が向上するとともに部分負荷でも安定性が高くなる。

本発明の好適な態様では、入口ポートは、より小さい直径を有し、入口ポートの周りのプレート構成要素は、伝熱板が入口ポートの縁部に沿って互いに密接に当接するように形成されており、伝熱板は、第２の流路及び第１の流路を密閉する第１の外側密封領域及び第２の内側密封領域を形成している。

本発明の他の好適な態様では、伝熱板は、パッケージを貫通する分布流路を形成している他のポートを備えており、第１の入口通路は、入口流路を分布流路と相互に連結させており、伝熱板は、分布流路を伝熱板同士の間の第１の流路と連結している少なくとも１つの第２の入口通路を備えている。

本発明のさらに他の態様では、第１及び第２の入口通路は、入口流路と分布流路との間、及び分布流路と第１の流路との間に、それぞれ絞り連通部を形成するような寸法を有している。

本発明の好適な態様では、第１の入口通路は、互いに当接し隣接している伝熱板によって伝熱板同士の間に形成されており、そのような互いに隣接している伝熱板の少なくとも１つに凹部または溝が形成されている。

本発明のさらに他の態様では、密封部材はカラーであり、カラーは、入口ポートの一体部であることが好ましい。本発明の他の好適な態様では、複数のカラーの対向している縁部は互いに当接している。

本発明のさらに他の態様では、複数の前記カラーの対向している縁部は、縁部同士の間で０ｍｍより大きい距離にわたって長穴を形成している
本発明のさらに他の態様では、２枚の互いに隣接している伝熱板は、異なる直径を有している入口ポートを有し、カラーの高さは、カラーの対向している縁部が重なり合うような高さである。入口ポートとカラーとの間の角度は９０°以上であることが好ましく、最も好ましい角度は９０°である。さらに、本発明の一態様によれば、カラーのすぐ後ろの隙間にチャンバが形成されている。

本発明のさらに他の好適な態様では、密封部材は、２枚の隣接した伝熱板間の隙間内の入口ポートの周りに設けられたリングであり、このリングは、リングの内周から外周まで半径方向に延びている少なくとも一対の対向する凹部を有し、かつ入口通路は、入口通路を受け入れる２つの隣接したリングの凹部によって設けられている。凹部は、第１の入口通路の形状に対応した形状を有していることが好ましい。

本発明の他の目的、特徴、利点及び好適な態様は、以下の詳細な説明を図面及び添付の特許請求の範囲と共に考慮したときにより明らかになろう。

次に、添付の図面を参照しながら、本発明の好適実施形態について以下により詳しく説明する。

図１には、冷却システム内の蒸発器として使用されるように構成された従来の単一回路プレート熱交換器１が示されている。プレート熱交換器１は、上部外側カバープレート３と下部外側カバープレート４との間に互いに積み重ねられており、かつ、ろう付け、接着、または溶接によって永久的に連結された多数の伝熱板２を有している。伝熱板２は、隣接している伝熱板の頂部がプレート隙間内で互いに交差しかつ当接するように延びている互いに平行な頂部の波形パターンを備えていることが好ましい。さらに、プレート熱交換器１は、２つの熱交換流体用の、第１及び第２の入口５及び６と、第１及び第２の出口７及び８とを有している。

もちろん、伝熱板の数はプレート熱交換器の所望の伝熱容量に応じて異なる。ろう付けによる連結時に、適切な数の伝熱板が、隣接している伝熱板同士の間に配置された薄いシート、円板、またはペーストの形をしたはんだによって互いに積み重ねられ、その後、パッケージ全体が炉内で、はんだが溶融するまで加熱される。

開放可能なプレート熱交換器の組み立て時に、適切な数のプレートが、隣接しているプレート同士の間に配置されたゴムガスケットなどの形をした密封要素によって互いに積み重ねられ、その後、パッケージ全体が、例えばボルトによって互いに固定される。

図２には、第２の入口連結部６と第１の出口連結部７とを有しているプレート熱交換器の一部に沿って延びている図１のプレート熱交換器の断面図が示されている。

伝熱板２は、貫通口９をさらに備えており、そこからわずかに離れた位置に他の入口ポート１０を備えている。プレート上のそれぞれの貫通口９及び１０は、互いに揃っており、そのため、貫通口９は出口流路１１を形成しており、入口ポート１０はプレートパッケージを貫通して延びている入口流路１２を形成している。出口流路１１は、一方の端部で第２の熱交換流体用の出口連結部７に連結されており、入口流路１２は、第１の熱交換流体用の入口連結部６に連結されている。

プレート熱交換器１は、従来のように、１つおきのプレート隙間内のそれぞれの伝熱板と共に、第２の熱交換流体用の第２の流路１３を区画しており、残りのプレート隙間において第１の熱交換流体用の第１の流路１４を区画している密封手段を伝熱板２同士の間に備えている。第２の流路１３は、互いに当接している２枚の伝熱板のポート同士の間の少なくとも１つの入口通路１５によって出口流路１１に連結されている。それぞれの第１の流路１４は、同様に入口流路１２と連通している。

図１及び図２のプレート熱交換器は、２つの伝熱流体用の１つの出口流路１１と１つの入口流路１２とを備えており、これらの流路は、伝熱板２の端部に配置されている。もちろん、プレート熱交換器は、いくつかの入口流路及び出口流路を備えていてもよく、一方、各流路の形状及び位置は自由に選択してもよい。例えば、プレート熱交換器は、６つのポートを有している３つの異なる流体用の二重回路熱交換器であってもよい。

図３は、公知の分布手段を備えているプレート熱交換器１の入口流路１２を示している。伝熱板２は、図２に示されている入口流路１２とは異なり入口流路１２の収縮部を備えている。従って、入口ポート１０は、より小さい直径を有し、入口ポート１０の周りのプレート構成要素は、伝熱板２が入口ポート１０の縁部に沿って互いに密接に当接するように形成されている。この構成によって、伝熱板２は、第２の流路１３及び第１の流路１４をそれぞれ密閉する第１の外側密封領域１６及び第２の外側密封領域１７を形成している。第２の密封領域１７は、入口ポート１０の周りのほぼ平坦な環状領域である。

第１の流路１４と入口流路１２との間の連通部は入口通路１５によって形成されている。２枚のプレートの少なくとも一方の、他方のプレートと向かい合う側での第２の内側密封領域１７は、少なくとも１つの狭い凹部または溝１８を備えており、内側密封領域１７のこの部分では２枚のプレートは当接することも相互連結されることもない。このことは、溝１８が、第１の入口流路１２を第１の流路１４と連結する第１の入口通路１５を形成していることを意味する。図３では、入口通路１５は、入口ポート１０の縁部に沿って互いに向かい合う２枚の隣接している伝熱板２の各々に設けられた互いに対向する溝によって形成されるダクトとして形成されている。

しかし、この構成は、プレート熱交換器を貫通する段差のある流路を形成しており、これは図３に示されている。内側密封領域１７は、上述の問題を生じさせる段差のある入口流路１２を形成している。

図４は、やはりプレート熱交換器を貫通する段差のある流路を形成している第２の公知の分布手段を備えた他のプレート熱交換器の入口流路１２を示している。各伝熱板２は、第１のポートを備えており、わずかな距離離れた位置に第２のポート１９を備えている。全ての第１の入口ポート１０は、揃えられており、プレートパッケージを貫通して延びている入口流路１２を形成しており、全ての第２のポート１９は、揃えられており、プレートパッケージを貫通して延びている入口流路１２に平行に延びている分布流路２０を形成している。

代替実施形態では、第２の溝２１は、分布流路２０を隣接している伝熱板２の間に形成された第１の流路１４と連結している第２の入口通路２２を形成している。

図５は、プレート熱交換器１が複数の伝熱板２の入口ポート１０内にカラー２３Ａの形をした密封部材２３を備えている本発明の第１の実施形態を示している。カラー２３Ａとポートとの間の角度は９０°であることが好ましい。カラー２３Ａによって、ほぼ円筒の形状を有している平滑な入口流路１２が形成されている。

隣接しているプレートの２つのカラー２３Ａの縁部間に、長穴２４を形成しているある距離を設けてもよい。この距離は、長穴２４の隙間を最小限に抑えるように伝熱板の圧縮深さに従って選択することができる。隙間が小さいほど、流路は平滑な円筒形の管に類似した流路になる。

プレートパッケージの圧縮時の、１つのカラー２３Ａの縁部と次のカラー２３Ａの縁部との干渉を回避するために、カラーの高さは、圧縮深さを超えないように、すなわち、カラー２３Ａの対向している縁部が０ｍｍより大きい距離にわたる長穴２４を縁部同士の間に形成するように選択してもよい。

しかし、図６には、異なる直径を有している入口ポート１０を有する２枚の隣接した伝熱板を設けるとともに、カラー２３Ａの対向している縁部が重なり合うようにカラー２３Ａの高さを選択することによって縁部同士の間の干渉を回避することも可能である。さらに、この場合、本発明によれば、入口ポート１０とカラー２３Ａとの間の角度は９０°より大きくてもよい。

カラー２３Ａのすぐ後ろの隙間に形成されているチャンバ２５は、長穴２４を通して冷媒を受け取るとともに、高圧のための力と運動量とのバランスをとる冷媒のセルとして機能することができる。このように、カラー２３Ａは、冷媒の圧縮によっては変形されず、プレートパッケージに沿った入口流路１２は、良好な機械的抵抗を有している。

本発明の一実施形態によるプレート熱交換器では、冷媒または蒸発すべき他の液体の進入流は、入口流路１２と分布流路２０との間に形成された第１の入口通路１５、１８を通過する際に第１の圧力降下及び部分的な蒸発を受ける。それから進入流は、伝熱板同士の間に形成された第１の流路１４に第２の溝２１を通って進入する前に分布流路内で圧力の均等化を受ける。

本発明の代替実施形態が図７及び図８に示されており、この場合、密封部材２３は、２枚の隣接した伝熱板の間の隙間内において、入口ポート１０の周りの、２枚の隣接した伝熱板２の間に挿入されたリング２６である。リング２６は、リングの内周から外周まで半径方向に延びている少なくとも一対の対向する凹部２７を有している。凹部は、入口通路１５の形状に対応しており、例えば、２枚の当接している伝熱板２の第２の密封領域１７内の１つまたはいくつかの溝１８が第１の入口通路１５を形成している。リング２６は、２枚の隣接した伝熱板間の隙間内の入口ポート１０の周りに設けられており、入口流路１５は、入口流路１５を受け入れる２つの隣接したリングの凹部２７によって設けられている。リングは、平滑な内側表面を有し、金属またはＰＴＦＥでできていることが好ましい。

冷媒が入口流路１２に流入した際に部分的に蒸発した場合、本発明は、液体／蒸気混合物が伝熱板同士の間に形成された蒸発流路に流入する前に液体／蒸気混合物の均質性を維持する。特に、本発明によるほぼ円筒の形状を有している平滑な入口流路１２によって、プレート熱交換器の、改善された非常に効果的な利用が実現され、乱流、液体分離、液体蓄積、及び逆流が実質的に軽減されることで、プレート熱交換器の熱性能が向上するとともに部分負荷でも安定性が高くなった。

当業者には、本発明の範囲及び要旨から逸脱せずに、本明細書に開示された発明に様々な置換及び修正を施すことができることが容易に明白であろう。

プレート熱交換器の斜視図である。 図１の線Ａ−Ａに沿った従来のプレート熱交換器の断面図である。 プレート熱交換器を貫通する段差のある流路を形成している公知の分布手段を備えたプレート熱交換器の入口流路の断面図である。 プレート熱交換器を貫通する段差のある流路を形成している第２の公知の分布手段を備えたプレート熱交換器の入口流路の斜視断面図である。 本発明の一実施形態に係る平滑な流路を備えたプレート熱交換器の入口流路の斜視図である。 本発明の他の実施形態に係る平滑な流路を備えたプレート熱交換器の入口流路の断面図である。 本発明のさらに他の実施形態に係るポートホールを囲んでいるリングによって平滑な流路を備えたプレート熱交換器の入口流路の斜視図である。 本発明に係る図７のリングの斜視図である。

Claims (10)

1. 複数の伝熱板（２）のパッケージを貫通する入口流路（１２）を形成している貫通入口ポート（１０）を備えた伝熱板のパッケージと、１つおきのプレート隙間内の該伝熱板と共に１つの流体用の第１の流路（１４）を区画しており、該プレート隙間の残りのプレート隙間の各々において第２の流体用の第２の流路（１３）を区画している、該伝熱板同士の間に配置された密封手段と、を有しているプレート熱交換器であって、該入口流路（１２）が、第１の入口通路（１５）を経由して各第１の流路（１４）と連通しているとともに、該密封手段によって各第２の流路（１３）との連通が密封されているプレート熱交換器（１）において、
   前記入口流路（１２）は、前記第１の流体用の前記入口ポート（１０）内に設けられている密封部材（２３）によって形成されたほぼ平滑な円筒形状を有しているとともに、前記第１の入口通路（１５）は、該密封部材（２３）内に設けられており、
   前記伝熱板（２）は、前記パッケージを貫通する分布流路（２０）を形成している他のポートを備えており、前記第１の入口通路（１５）は、前記入口流路（１２）を該分布流路（２０）と相互に連結させており、該伝熱板は、該分布流路を該伝熱板（２）同士の間の前記第１の流路（１４）と連結している少なくとも１つの第２の入口通路（２２）を備えており、
   前記第１及び前記第２の入口通路（１５、２２）は、前記入口流路（１２）と前記分布流路（２０）との間、及び該分布流路（２０）と前記第１の流路（１４）との間に、それぞれ絞り連通部を形成するような寸法を有しており、
   前記第１の入口通路（１５）は、互いに対向して当接している隣接した伝熱板によって該伝熱板同士の間に形成されており、そのような隣接している伝熱板（２）の少なくとも一方に凹部または溝（１８）が形成されていることを特徴とする、
   プレート熱交換器。
2. 前記密封部材（２３）はカラー（２３Ａ）であることを特徴とする、請求項１に記載のプレート熱交換器。
3. 前記カラー（２３Ａ）は、前記入口ポートの一体部であることを特徴とする、請求項２に記載のプレート熱交換器。
4. 複数の前記カラー（２３Ａ）の対向している縁部は互いに当接している、請求項２または３に記載のプレート熱交換器。
5. 複数の前記カラー（２３Ａ）の対向している縁部は、該縁部同士の間で０ｍｍより大きい距離にわたって長穴を形成している、請求項２または３に記載のプレート熱交換器。
6. ２枚の隣接している伝熱板は、異なる直径を有している入口ポート（１０）を有し、前記カラー（２３Ａ）の高さは、該カラー（２３Ａ）の前記対向している縁部が重なり合うような高さである、請求項２または３に記載のプレート熱交換器。
7. 前記入口ポート（１０）と前記カラー（２３Ａ）との間の角度は９０°以上であることを特徴とする、請求項２から６のいずれか１項に記載のプレート熱交換器。
8. 前記入口ポート（１０）と前記カラー（２３Ａ）との間の角度は９０°であることを特徴とする、請求項２から６のいずれか１項に記載のプレート熱交換器。
9. 前記密封部材（２３）は、２枚の隣接した伝熱板間の前記隙間内の前記入口ポート（１０）の周りに設けられたリング（２６）であり、該リングは、該リングの内周から外周まで半径方向に延びている少なくとも一対の対向する凹部（２７）を有し、かつ前記第１の入口通路（１５）は、該第１の入口通路（１５）を受け入れる２つの隣接したリングの該凹部（２７）によって設けられていることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載のプレート熱交換器。
10. 前記凹部（２７）は、前記第１の入口通路（１５）の形状に対応した形状を有していることを特徴とする、請求項９に記載のプレート熱交換器。

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