(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒形状を有する中空容器（１２）の内部に、表裏面に波形断面を有する凹凸が並列に形成されている多数のプレートが重ね合わされたプレート重合体（１４）を備え、
前記プレート重合体（１４）を構成する各プレート（１６）は、隣接したプレートに対面した位置にあって、該各プレート（１６）は、プレート外周縁（１６ａ）と、前記プレート重合体（１４）を貫通する流路を形成する孔（２２、２４）とを有し、前記外周縁（１６ａ）及び孔（２２、２４）を形成するプレート内周縁（２２ａ、２４ａ）は平坦な環状の板状体に形成され、これらを除く領域は、波形凹凸（１６ｂ）が形成されている板状体で構成されるとともに、
該板状体は、前記プレート外周縁及び前記プレート内周縁（２２ａ、２４ａ）の,端側に向かって互いに接近する方向に傾斜したテーパ面（４６、４８）を有するように形成され、該板状体の、隣接したプレート同士のプレート外周縁及び前記プレート内周縁のテーパ面端側ｗがプラズマアーク溶接によって固着されてなり、
前記中空容器（１２）の内部空間のプレート重合体（１４）上方の中空容器上部領域に、該中空容器（１２）長手方向にノズル管（３６）が配設され、該ノズル管（３６）の下部に、長手方向に配置され下方に開口した多数のノズル口（３８）より第２の冷媒をプレート重合体に向け噴出すように構成するとともにノズル口（３８）が中空容器（１２）の外部に導出された管路（４０）に、第２の冷媒液管（４２）が接続され該第２の冷媒液が前記ノズル管（３６）間を循環するように構成し、
一方前記孔（２２、２４）によってプレート重合体（１４）を貫通する方向に第１流路（２６）及び第２流路（２８）が形成されるとともに、前記中空容器の側壁の、第１の流路（２６）に相対する位置に、第１の冷媒が流入する入口管（３０）が、又第２の流路（２８）に相対する位置に第１の冷媒液が流出する出口管（３２）が設けられていることを特徴とするシェルアンドプレート式熱交換器。
【請求項２】
前記出口管（３２）は中空容器（１２）の隔壁を貫通して第２の流路（２８）に接続させて構成したことを特徴とする請求項１記載のシェルアンドプレート式熱交換器。
【請求項３】
前記プレート外周縁で板状体のテーパ面のテーパ角がプレート面に対して１．５〜２．０度であり、前記プレート内周縁（２２ａ、２４ａ）は板状体のテーパ面のテーパ角がプレート面に対して１．０度以下であることを特徴とする請求項１に記載のシェルアンドプレート式熱交換器。
【請求項４】
前記プレート外周縁で板状体のプレート半径方向幅が２ｍｍ以上であり、かつプレート直径に対する該プレート半径方向幅の寸法比が０．００４〜０．００９であることを特徴とする請求項３に記載のシェルアンドプレート式熱交換器。
【請求項５】
前記第１冷媒がＣＯ２冷媒であり、一方第２の冷媒として機能するＮＨ３冷媒の冷媒循環路に圧縮機、凝縮器、減圧装置及び蒸発器が介設されて、冷凍サイクルを構成する冷凍装置に、満液式蒸発器として組み込まれていることを特徴とする請求項１に記載のシェルアンドプレート式熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍サイクルを構成する冷凍装置の蒸発器等に適用されて好適であると共に、プラズマアーク溶接に適したプレート端の形状をもつシェルアンドプレート式熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
冷媒循環路に蒸発器、圧縮機、凝縮器及び膨張装置が介設されて冷凍サイクルを構成する冷凍装置においては、オゾン層破壊、地球温暖化防止の観点から、自然冷媒であるＮＨ３やＣＯ２等が注目されている。特に、ＮＨ３は冷凍能力が大きいため、大型冷凍装置によく用いられている。しかし、ＮＨ３は毒性があるため、ＮＨ３を用いた冷凍サイクル構成機器に対して、ＣＯ２を冷却負荷側の二次冷媒として用いる二次冷媒系を組み合わせた冷凍装置が多く用いられている。かかるＮＨ３／ＣＯ２冷凍装置は、例えば、特許文献１及び特許文献２に開示されている。
【０００３】
ＮＨ３／ＣＯ２冷凍装置においては、カスケードコンデンサとして用いられるＣＯ２液化器の長手方向のサイズが大きくなり、冷凍ユニットのサイズもこれに合わせて大きくならざるを得ない。そのため、ＣＯ２液化器は、搬入・据付け時に、冷蔵倉庫等のエレベータに乗せられないことがあり、その搬入・据付けに支障をきたすことがある。
【０００４】
一方、シェルアンドプレート式熱交換器は、表裏両面に特定の凹凸パターンをもつ多数のプレートを表裏交互に重ねることにより、表裏面に幾何学的構造の流路を形成させる。これにより、プレートの表裏面に２つの熱交換流体の該流路を交互に形成させ、２つの熱交換流体間でプレートを介して熱交換させるように構成されている。該流路では、流れる流体の強力な乱流が形成される。そのため、シェルアンドプレート式熱交換器は、優れた熱交換効率が得られると共に、長手方向のサイズを短縮でき、設置スペースを低減できる利点があり、冷凍装置の蒸発器や凝縮器等によく用いられている。以下、特許文献３（図４）に開示されたシェルアンドプレート式熱交換器の一構成例を図１２に基づいて説明する。
【０００５】
図１２において、このシェルアンドプレート式熱交換器１００は、中空容器１０２の内部にプレート重合体１０４が収容されている。プレート重合体１０４は、多数の伝熱エレメントであるプレート１０６が重ね合わされて構成されている。プレート相互間には、中空容器１０２の内部空間ｓ１に対して開放された通路Ａと、該内部空間ｓ１に対して閉じられた通路Ｂとが交互に形成されている。中空容器１０２の底部に設けられた入口管１０８から内部空間ｓ１に第１の熱交換流体ａが流入し、通路Ａを通って出口管１１０から中空容器１０２の外部に排出される。
【０００６】
各プレート１０６には、プレート外周縁近傍で中心点に対して１８０度位相が異なる位置に、２個の孔１１２及び１１４が穿設され、これら孔を通して、プレート重合体１０４を貫通する方向に２本の流路が形成される。孔１１２に相対する位置の中空容器１０２の側壁に入口管１１６が設けられ、入口管１１６とは反対側の側壁で、孔１１４に相対する位置の側壁に出口管１１８が設けられている。第２の熱交換流体ｂが入口管１１６から流入し、第２の熱交換流体ｂは、孔１１２から通路Ｂを経て孔１１４に到り、出口管１１８から流出する。
【０００７】
第１の熱交換流体ａは、通路Ａを流れるとき、第２の熱交換流体ｂと熱交換してその一部が気化し、気液二相状態の第１の熱交換流体ａは、セパレータ１２０で気液分離される。第２の熱交換流体ｂは、通路Ｂを流れるとき、第１の熱交換流体ａと熱交換して凝縮し、アフタークーラ１２２で凝縮液と不凝縮性ガスに分離される。なお、プレート１０６の
外形は、通常、角形又は円形を有している。
【０００８】
図１３は、円形のプレートを用いたプレート重合体の構成例を示す。図１３において、円形のプレート１３０には、波形断面を有する直線状の波形凹凸１３２が形成されている。プレート１３０には、プレート外周縁１３６の近傍に、中心に対して１８０度位相を異ならせた２個の孔１３４，１３４が穿設されている。プレート１３０の外周縁１３６及び孔１３４の内周縁１３８は、波形凹凸１３２に連なった狭い環状の平坦面に形成されている。外周縁１３６の平坦面を形成する板状体と内周縁１３８の平坦面を形成する板状体とは、波形凹凸１３２の山と谷の段差分だけ高低差が設けられている。
【０００９】
２枚のプレート１３０を互いの裏面同士を相対させて（凹凸パターンを背合わせにして）重ね合わせ、互いに当接した孔１３４の内周縁１３８同士を矢印ｕで示すように周溶接して、ペアプレート１４０を製造する。このとき、プレート１３０の外周縁１３６間は、プレート１３０に形成された波形凹凸１３２の山と谷の段差の２倍の隙間ｓを形成する。次に、多数のペアプレート１４０を重ね合わせ、各ペアプレート１４０の外周縁１３６同士を当接させ、当接面を矢印ｖで示すように周溶接する。こうして、プレート重合体１４２が形成される。プレート重合体１４２は、中空容器の内部に支持具によって固定される。
【００１０】
このように、プレート重合体１４２は、プレート１３０の外周縁１３６と孔１３４の内周縁１３８とが、選択的に溶接される。即ち、重合方向に向かって外周縁と内周縁とが交互に溶接される。これによって、各プレート間に、中空容器の内部空間に開放された第１の流路と、中空容器の内部空間に対して遮断されると共に、孔１３４に連通し、孔１３４から中空容器の外部に連通した第２の流路が形成される。そして、第１の流路と第２の流路を流れる２つの熱交換流体をプレートを介して熱交換させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特許第４１８８９７１号特許公報
【特許文献２】特許第４４６５６８６号特許公報
【特許文献３】特開昭６４−８８０９９号公報（図４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
前述のように、ＮＨ３／ＣＯ２冷凍装置に組み込まれるＣＯ２液化器の長手方向のサイズが大きくなり、冷凍ユニットのサイズがこれに制約されて小型化できないという問題がある。そのため、ＣＯ２液化器の搬入・据付け時に、冷蔵倉庫等のエレベータに乗せられないことがあり、その搬入・据付けに支障をきたすことがある。
【００１３】
この問題を解決するため、長手方向のサイズが短く、設置スペースを低減できるシェルアンドプレート式熱交換器を用いるとよい。しかし、シェルアンドプレート式熱交換器は、プレート重合体を構成するプレート間を溶接する溶接箇所が多く、溶接工数が多くなる。そのため、どこかの溶接箇所に溶接不良が発生すると、熱交換流体の漏洩が生じるので、溶接時に、溶接不良を発生させないように注意する必要がある。
【００１４】
しかし、プレートは複雑な形状にプレス成形されるので、プレス成形後に歪が発生しやすく、この歪に起因して起こる変形により、プレート重合体の剛性が低下するおそれがある。また、スプリングバックが発生して、プレート外周縁又はプレート内周縁を形成する板状体に逆そりが発生し、該板状体間に隙間が発生するおそれがある。板状体間に隙間が発生すると、アーク溶接等を施す場合、アークによる材料への入熱が不安定となり、溶接不良が発生するおそれがある。
【００１５】
また、プレートの材料として、通常、耐食性があるステンレス鋼が用いられている。しかし、ＴＩＧ溶接等を用いると、ＴＩＧ溶接は熱集中性がそれほど良くなく、入熱量が多いため、材料によっては、プレートの母材が変質したり、あるいは熱劣化や、熱歪、熱応力が発生して、プレート重合体の強度が低下するおそれがある。
【００１６】
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、シェルアンドプレート式熱交換器を製造する際に、プレートのプレス成形後の歪やスプリングバック等に起因した溶接不良や、プレート母材の変質による劣化をなくすと共に、プレート重合体の強度を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
かかる目的を達成するため、本発明は、
円筒形状を有する中空容器（１２）の内部に、表裏面に波形断面を有する凹凸が並列に形成されている多数のプレートが重ね合わされたプレート重合体（１４）を備え、
前記プレート重合体（１４）を構成する各プレート（１６）は、隣接したプレートに対面した位置にあって、該各プレート（１６）は、プレート外周縁（１６ａ）と、前記プレート重合体（１４）を貫通する流路を形成する孔（２２、２４）とを有し、前記外周縁（１６ａ）及び孔（２２、２４）を形成するプレート内周縁（２２ａ、２４ａ）は平坦な環状の板状体に形成され、これらを除く領域は、波形凹凸（１６ｂ）が形成されている板状体で構成されるとともに、
該板状体は、前記プレート外周縁及び孔を形成するプレート内周縁の,端側に向かって互いに接近する方向に傾斜したテーパ面（４６、４８）を有するように形成され、該板状体の、隣接したプレート同士のプレート外周縁及び前記プレートの内周縁のテーパ面端側ｗがプラズマアーク溶接によって固着されてなり、
前記中空容器（１２）の内部空間のプレート重合体（１４）上方の中空容器上部領域に、該中空容器（１２）長手方向にノズル管（３６）が配設され、該ノズル管（３６）の下部に、長手方向に配置され下方に開口した多数のノズル口（３８）より第２の冷媒をプレート重合体に向け噴出すように構成するとともにノズル口（３８）が中空容器（１２）の外部に導出された管路（４０）に、第２の冷媒液管（４２）が接続され該第２の冷媒液が前記ノズル管（３６）間を循環するように構成し、
一方前記孔（２２、２４）によってプレート重合体（１４）を貫通する方向に第１流路（２６）及び第２流路（２８）が形成されるとともに、前記中空容器の側壁の、第１の流路（２６）に相対する位置に、第１の冷媒が流入する入口管（３０）が、又第２の流路（２８）に相対する位置に第１の冷媒液が流出する出口管（３２）が設けられていることを特徴とするシェルアンドプレート式熱交換器に係り、好ましくは請求項２に記載したように前記出口管（３２）は中空容器（１２）の隔壁を貫通して第2の流路（２８）に接続させて構成したことを特徴とする請求項１記載のシェルアンドプレート式熱交換器にある。
【００１８】
本発明装置では、プレートの外周縁や内周縁を形成する板状体に端側に向かって互いに接近する方向にテーパ面をもたせ、端側の固着時に、端側が確実に互いに当接し合い、かつ押圧し合うようにしたものである。これによって、プレートに発生した歪を押え込むことができ、かつスプリングバック等に起因した板状体の逆そりを解消できる。そのため、溶接不良をなくすことができると共に、板状体をテーパ面としたことにより、板状体が平行面である場合より、プレート重合体の剛性を高めることができる。
【００１９】
本発明装置において、プレート外周縁で板状体のテーパ面のテーパ角がプレート面に対して１．５〜２．０度であり、プレート内周縁で板状体のテーパ面のテーパ角がプレート面に対して１．０度以下であるとよい。プレート外周縁で板状体のテーパ角を１．５〜２．０度とすることにより、板状体に発生する逆そり防止効果が大きく、また、プレート重合体の剛性付与効果も大きくなる。一方、テーパ角が２．０度を超えると、溶接時に、板状体を押え冶具を用いて固定する際に、板状体を過荷重で圧接する必要が生じる。そのため、固着不良が生じやすくなると共に、不適合変形による残留応力が発生しやすい。
【００２０】
プレート内周縁は、周長も短く、プレート内周縁周辺では歪の発生は少ないと考えられ、逆そり防止のみを考慮すればよい。そのため、板状体のテーパ角を１．０度以下とすることで、逆そりを効果的に防止でき、かつ板状体にテーパ角を付与することで、プレート重合体の剛性を増大できる。なお、逆そりが発生しなければ、テーパ角が零度でもよいが、逆そりを確実に防止するためには、テーパ角を０．１〜１．０度としたほうがよい。一方、プレート内周縁で、板状体のテーパ角が１．０度を超えると、プレート外周縁と同様の不具合いが生じる。
【００２１】
本発明装置において、プレート外周縁で板状体のプレート半径方向幅が２ｍｍ以上であり、かつプレート直径に対する該プレート半径方向幅の寸法比（プレート半径方向幅／プレート直径）が０．００４〜０．００９であるとよい。プレート半径方向幅を２ｍｍ以上とし、該寸法比≧０．００４とすることにより、プレート外周縁の固着に必要な強度と固着性能を板状体に与えることができると共に、プレート重合体の剛性を高めることができる。一方、プレート外周縁の固着強度及び固着性能の面では、寸法比＞０．００９とする必要はなく、逆に、０．００９を超えると、プレート間に形成される波形凹凸の形成領域が小さくなるので、流体間の熱伝達性能が低下する。
【００２２】
本発明装置において、プレート外周縁及びプレート内周縁の板状体の端部がプラズマアーク溶接によって固着されているとよい。プラズマアーク溶接は、ＴＩＧ溶接等と比べて、アークの指向性が高く、アークをピンポイントで集中できる。そのため、ビード幅が狭く、熱集中性が良いため、溶接不良が発生せず、かつ高速溶接が可能である。また、溶接歪が少ないという利点がある。プレート重合体は、多数の溶接箇所があるので、プラズマアーク溶接を用い、高速溶接が可能になることで、プレート重合体の製造工期を短縮できるという利点がある。
【００２３】
また、プレートは複雑な形状に鍛造されるため、歪が発生する。そのため、溶接歪の発生が少ないプラズマアーク溶接を採用することで、歪の蓄積をなくすことができる。さらに、プラズマアーク溶接は、ＴＩＧ溶接等と比べて、入熱量が少ないので、母材の熱歪、熱応力の発生や、変質、劣化を低減できるという利点がある。
【００２４】
本発明装置において、第１の流体が液体であり、中空容器の内部空間に第１の流体が貯留され、前記プレート重合体の下部が第１の流体に浸漬するように配置され、中空容器の内部でプレート重合体の上方に第１の流体の少なくとも一部をプレート重合体に向けて散布する散布ノズルが配設されているとよい。この散布ノズルを設けることで、第１の流体と第２の流体との熱伝達性能を高めることができる。
これによって、中空容器への第１の流体の充填量を低減できる。また、本発明装置では、プレート外周縁にテーパ角を付与しているので、プレート表面に第１の流体の濡れ面が形成しやすくなり、これによって、一層熱伝達性能を向上できる。
【００２５】
本発明装置において、第１の流体が冷媒液であり、冷媒循環路に圧縮機、凝縮器、減圧装置及び蒸発器が介設されて、冷凍サイクルを構成する冷凍装置に、満液式蒸発器として組み込まれているとよい。本発明のシェルアンドプレート式熱交換器は、熱伝達性能を向上できるので、冷凍サイクルを構成する冷凍装置に満液式蒸発器として用いれば、冷凍装置のＣＯＰを向上できる。
また、満液式蒸発器は、飽和状態の冷媒ガスを圧縮機に送るため、蒸発器出口側の冷媒の過熱度調整を必要としない。そのため、温度式膨張弁等の自動膨張弁を備える必要がなく、設備コストを低減できる。
【００２６】
前記冷凍装置において、冷媒液がＮＨ３であるとよい。ＮＨ３は比熱比κ（＝ｃｐ／ｃｖ）が１．３１と他の冷媒より大きいため、過熱されると、膨張し、単位体積当りの循環重量が減少する。そのため、冷却性能が低下する。しかし、満液式蒸発器を備えた冷凍装置では、満液式蒸発器の出口側でＮＨ３が過熱されないので、ＮＨ３の劣化が生じない。また、本発明装置を用いれば、ＮＨ３の循環量を低減しても、熱伝達性能を高く維持できるので、ＮＨ３の循環量減少の影響を抑制できる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明装置によれば、中空容器と、該中空容器の内部に配設され、表裏面に流路形成用凹凸を有する多数のプレートが重ね合わされたプレート重合体とを備え、各プレートの同一部位に穿設された孔によってプレート重合体を貫通する流路が形成され、プレート外周縁及び該孔を形成するプレート内周縁を各プレート間で選択的に接合し、中空容器の内部空間に連通した第１の流体通路と、該内部空間に対して閉鎖され前記貫通流路に連通した第２の流体通路を各プレート間に交互に形成してなり、中空容器の内部空間から第１の流体通路を通る第１の流体と、前記貫通流路から第２の流体通路を通る第２の流体とをプレートを介して熱交換させるようにしたシェルアンドプレート式熱交換器において、プレート外周縁及びプレート内周縁が前記流路形成用凹凸を形成した部位と一体の平坦な環状の板状体で構成され、隣接したプレートに形成され対面した位置にあって互いに接合される板状体が、端側に向かって互いに接近する方向に傾斜したテーパ面を有するように形成され、該板状体の端側が互いに固着されてなるので、端側の固着時に、端側が確実に互いに溶接し合い、かつ押圧し合うようになり、これによって、プレートのプレス成形時に発生する歪や残留応力を押え込むことができ、かつ板状体の逆そりをなくすことができる。そのため、板状体の端部間の固着を常に問題なく行なうことができると共に、板状体にテーパ角をもたせることにより、プレート重合体の剛性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明装置の一実施形態に係るシェルアンドプレート式熱交換器の正面視断面図である。
【図２】前記シェルアンドプレート式熱交換器の側面視断面図である。
【図３】前記シェルアンドプレート式熱交換器のプレート外周縁を示す断面図である。
【図４】前記シェルアンドプレート式熱交換器のプレート内周縁を示す断面図である。
【図５】プレート外周縁又はプレート内周縁の溶接手順を示す説明図である。
【図６】プレートの溶接端で逆そりが発生した状態を示す説明図である。
【図７】プレート外周縁又はプレート内周縁のテーパ角が過大な場合を示す説明図である。
【図８】前記シェルアンドプレート式熱交換器のプレート外周縁の実験データを示す線図である。
【図９】前記シェルアンドプレート式熱交換器のプレート内周縁の実験データを示す線図である。
【図１０】前記シェルアンドプレート式熱交換器の別な実験データを示す線図である。
【図１１】前記シェルアンドプレート式熱交換器の別な実験データを示す線図である。
【図１２】従来のシェルアンドプレート式熱交換器の一構成例を示す断面図である。
【図１３】プレート重合体の製造手順を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。
【００３０】
本発明装置をＮＨ３／ＣＯ２冷凍装置のＣＯ２液化器に適応した一実施形態を図１〜図７に基づいて説明する。まず、図１及び図２により、本実施形態に係るＣＯ２液化器１０の構成を説明する。ＣＯ２液化器１０は、ＮＨ３／ＣＯ２冷凍装置に満液式蒸発器（カスケードコンデンサ）として組み込まれている。このＣＯ２液化器１０では、一次冷媒であるＮＨ３と、二次冷媒であるＣＯ２とが熱交換され、ＮＨ３が吸熱して蒸発し、一方ＣＯ２が液化する。
【００３１】
図１及び図２において、円筒形状を有する中空容器１２の内部にプレート重合体１４が収容されている。プレート重合体１４は、円板状の多数のプレート１６が重合されて円筒形状に形成されている。中空容器１２の底部に、ＮＨ３冷媒液が流入する入口管１８が設けられ、中空容器１２の頂部に、気化したＮＨ３冷媒ガスが流出する出口管２０が設けられている。
【００３２】
図１３に示すプレート１３０のように、プレート１６の外形は、円形をなし、波形断面を有する直線状の凹凸が並列に形成されている。また、プレート１６は、その外周縁１６ａの近傍で、かつ中心点から１８０°位相がずれた位置に、孔２２及び２４が穿設されている。各プレート１６の外周縁１６ａ及び孔２２、２４の内周縁２２ａ、２４ａは平坦な環状の板状体に形成され、これらを除く領域は、波形凹凸１６ｂが形成されている。プレート重合体１４は、かかるプレート１６が多数重合されて構成されている。
【００３３】
各プレート１６の同一部位に孔２２及び２４が穿設され、これら孔の内周縁２２ａ、２４ａが互いに接合されるため、プレート重合体１４には、プレート重合体１４を貫通する方向に流路２６及び２８が形成されている。中空容器１２の側壁には、孔２２に相対する位置に、ＣＯ２冷媒が流入する入口管３０が設けられ、入口管３０は、中空容器１２の側壁を貫通して直接貫通流路２６に接続されている。また、孔２４に相対する位置にＣＯ２冷媒液が流出する出口管３２が設けられ、出口管３２は中空容器１２の隔壁を貫通して貫直接通流路２８に接続されている。プレート重合体１４は、図示省略の支持具によって中空容器１４の内部に固定されている。
【００３４】
図１３のプレート重合体１４２と同様に、各プレート１６間には、中空容器１２の内部空間ｓ１に開放された通路と、入口管３０から貫通流路２６、２８を経て出口管３２に至り、内部空間ｓ１に対して閉鎖された通路とが交互に形成されている。
【００３５】
中空容器１４の内部空間ｓ１の上部領域には、中空容器１２の長手方向にノズル管３６が配設され、該ノズル管３６の下部に、長手方向に配置され下方に開口した多数のノズル口３８が穿設されている。ノズル口３８が中空容器１２の外部に導出された管路４０には、ＮＨ３冷媒液管４２が接続されている。また、入口管１８とＮＨ３冷媒液管４２とを接続したＮＨ３冷媒液管４４が設けられている。
【００３６】
かかる構成において、図示省略のＮＨ３／ＣＯ２冷凍装置の凝縮器から出たＮＨ３冷媒液は、ＮＨ３冷媒液管４２及び管路４０を介してノズル管３６に供給される。凝縮器の下流側のＮＨ３冷媒循環路に中間冷却器やエコノマイザー冷却器が設けられている冷凍装置の場合には、これらの冷却器から出たＮＨ３冷媒液が、ＮＨ３冷媒液管４２を介してノズル管３６に供給される。ＮＨ３冷媒液を、一旦ＮＨ３冷媒液管４４を介して中空容器１２の内部空間ｓ１に供給し、内部空間ｓ１の下方領域に貯留されたＮＨ３冷媒液Ｎを、ＮＨ３冷媒液管４４及び４２を介してノズル管３６に循環するようにしてもよい。ノズル管３６に供給されたＮＨ３冷媒液は、ノズル口３８からプレート重合体１４に噴霧される。
【００３７】
ノズル口３８からプレート重合体１４に噴霧されたＮＨ３冷媒液は、内部空間ｓ１に開放されたプレート１６間の通路を通る。一方、ＣＯ２冷媒は、入口管３０から貫通流路２６に流入し、内部空間ｓ１に対して閉鎖されたプレート１６間の通路を通り、貫通流路２８を経て出口管３２から流出する。ＮＨ３冷媒液とＣＯ２冷媒とは、プレート１６を介して互いに熱交換し、ＮＨ３冷媒液は吸熱して気化し、出口管２０から流出する。一方、ＣＯ２冷媒は液化し、出口管３２から流出する。
【００３８】
次に、図３及び図４により、プレート重合体１４の構成を説明する。図３は、先端部が互いに溶接されるプレート１６の外周縁１６ａを示す。外周縁１６ａは波形凹凸１６ｂと一体の平坦な環状の板状体をなす。該板状体は、プレート外方に向かって互いに接近するテーパ面４６を形成している。テーパ面４６は、プレート面に平行な面ｈに対して、テーパ角αをもつ。
【００３９】
図４は、先端が互いに接合されるプレート１６の内周縁２２ａ又は２４ａを示す。内周縁２２ａ又は２４ａは、波形凹凸１６ｂと一体の平坦な環状の板状体をなすと共に、孔２２又は２４側に向かって互いに接近するテーパ面４８を形成している。テーパ面４８は、プレート面に平行な面ｈに対して、テーパ角βをもつ。
【００４０】
図５に、外周縁１６ａ又は内周縁２２ａ、２４ａの溶接手順を示す。図５において、互いに接合される外周縁１６ａ又は内周縁２２ａ、２４ａを両側からプレート押え冶具５０，５０で挟み押圧する。そして、テーパ面４６、４６同士又はテーパ面４８、４８同士を接触させ固定した状態で、プラズマアーク溶接により、板状体の端部ｗを溶接する。
【００４１】
プラズマアーク溶接は、ＴＩＧ溶接等と比べて、アークの指向性が高く、アークをピンポイントで集中できる。そのため、ビード幅が狭く、熱集中性が良いため、溶接不良がなく、かつ高速溶接が可能であると共に、歪の少ない溶接が可能になる。プレート重合体１４は、溶接箇所が多数あるので、プラズマアーク溶接を用い、高速溶接が可能になることで、プレート重合体１４の製造工期を短縮できるという利点がある。
【００４２】
また、プレート１６は複雑な形状に鍛造されるため、歪が発生しやすい。そのため、溶接歪が発生しにくいプラズマアーク溶接を採用することで、歪を低減できるという利点がある。さらに、プラズマアーク溶接は、ＴＩＧ溶接等と比べて、入熱量が少ないので、母材の熱歪、熱応力の発生や、変質、劣化を低減できるという利点がある。
【００４３】
従来、図６に示すように、プレート１６は、プレス成形後に発生する歪やスプリングバック等によって、板状体に逆そり５２が発生し、板状体間に隙間が発生する場合があった。プラズマアーク溶接は、アークがピンポイントで集中するため、逆そり５２が発生すると、アークによる材料への入熱が不安定となり、溶接不良が発生しやすい。
本実施形態では、プレート外周縁１６ａ又は内周縁２２ａ、２４ａをテーパ面４６又は４８とし、溶接時に、プレート押え冶具５０，５０で両側から押圧し、端部ｗを互いに当接かつ押圧し合うようにすることにより、この逆そり５２をなくすことができる。
【００４４】
即ち、プレート外周縁１６ａでは、板状体のテーパ角αを１．５度以上とすることで、外周縁１６ａの板状体端部ｗ間の接触を確実にし、逆そり５２を確実に防止できる。これによって、溶接不良を無くすことができる。また、テーパ面４６を形成することで、並行面の場合よりもプレート重合体１４の剛性を高めることもできる。
【００４５】
図７に示すように、テーパ角αが２．０度を超えると、溶接時に、プレート押え冶具５０，５０により、事前に板状体を過荷重で圧着する必要が生じる。このとき、板状体の押圧固定が不良になり、これによって、接着不良が生じたり、あるいは不適合変形による残留応力が発生するおそれがある。そのため、テーパ角αを１．５〜２．０度にするのがよい。
【００４６】
また、テーパ面４６のプレート半径方向幅Ｗを少なくとも２ｍｍ確保し、かつプレート面直径に対するプレート半径方向幅Ｗの寸法比Ｐ（プレート半径方向幅Ｗ／プレート直径）が、Ｐ＝０．００４〜０．００９となるように設定している。プレート半径方向幅Ｗを２ｍｍ以上とし、Ｐ≧０．００４とすることにより、プレート外周縁１６ａの溶接に必要な強度と溶接による良好な接着性を付与することができると共に、プレート重合体１４の剛性を高めることができる。一方、外周縁１６ａの強度の面では、Ｐ＞０．００９とする必要はなく、逆に、Ｐ＞０．００９とすると、プレート間に形成される冷媒通路の領域が小さくなるので、冷媒間の熱伝達性能が低下する。
【００４７】
プレート１６の内周縁２２ａ、２４ａは、周長も短く、プレート成形後の歪は少ない。そのため、テーパ面４８のテーパ角βは、１．０度以下とすることで、溶接時の逆そり５２を無くすことができる。逆そり５２が発生しなければ、テーパ角β＝０でもよい。しかし、プレート成形後の歪等を考慮すれば、逆そり５２を確実に無くすためには、テーパ角βを０．１以上とするのがよい。また、テーパ角βが１，０度を超えると、外周縁１６ａと同様に、前述した不具合いが生じるので、テーパ角β≦１．０とするのがよい。
【００４８】
また、本実施形態では、中空容器１２の内部空間ｓ１で、ノズル口３８からＮＨ３冷媒液をプレート重合体１４に向けて噴射するようにしているので、ＮＨ３冷媒液Ｎを中空容器１２の内部空間ｓ１に貯留するだけの方式より、ＮＨ３冷媒液とＣＯ２冷媒との熱交換効率を向上できる。さらに、本実施形態では、プレート１６の外周縁１６ａにテーパ面４６が形成されているので、平行面の場合よりもプレート１６にＮＨ３冷媒液の濡れ面を形成しやすくなると共に、付着時間を長期化できる。そのため、ＮＨ３冷媒液とＣＯ２冷媒との熱交換効率をさらに向上できる。
【００４９】
また、本実施形態では、一次冷媒としてＮＨ３を用い、ＣＯ２液化器１０を満液式蒸発器としている。満液式蒸発器は、飽和冷媒ガスを圧縮機に送るので、蒸発器出口側の冷媒の過熱度調整を必要としない。そのため、温度式膨張弁等の自動膨張弁を備える必要がなく、設備コストを低減できる。
【００５０】
また、ＮＨ３は比熱比κ（＝ｃｐ／ｃｖ）が１．３１と他の冷媒より大きい。そのため、ＮＨ３は過熱されると、膨張し、単位体積当りの循環重量が減少すると共に、冷却性能が低下する。本実施形態では、ＣＯ２液化器１０が満液式であるため、ＮＨ３が過熱されない。そのため、ＮＨ３冷媒の劣化が生じない。また、前述のように、ＮＨ３冷媒の循環重量が低減しても、熱伝達性能を高く維持できるので、ＮＨ３冷媒の循環量低減の影響を抑制できる。
【実施例】
【００５１】
（実施例１）
プレート１６がステンレス製（ＳＵＳ３１６Ｌ）であり、プレート１６の直径が５００ｍｍ、貫通流路２６，２８の直径が１００ｍｍ、厚さ０．８ｍｍであり、このプレートを用いて、逆そり発生率及び溶接不良発生率を計測した結果を、図８及び図９に示す。図８はプレート外周縁の計測結果であり、図９はプレート内周縁の計測検出結果である。
【００５２】
図８及び図９において、曲線イは逆そり発生率を示し、曲線ロは溶接不良発生率を示す。図８において、テーパ角αが１．８度以下では、テーパ角αの増加に対して、逆そり発生率及び溶接不良発生率は低下するが、テーパ角αが１．８度以上では、溶接不良発生率が増加し始めている。この理由は、テーパ角αが大きいと、溶接時にプレート押え冶具５０による板状体の固定に不良が発生し、これが溶接不良発生率の増加をもたらしているものと思料される。図８から、テーパ角α＝１．５〜２．０度のときに、溶接不良発生率を最も低減できることがわかる。
【００５３】
図９も図８と略同様の傾向を示している。即ち、テーパ角βが０．６度以下では、テーパ角βの増加に対して、逆そり発生率及び溶接不良発生率は低下するが、テーパ角βが０．６度以上では、溶接不良発生率が増加し始めている。この理由は、プレート外周縁の場合と略同様の理由によると思料される。図９から、テーパ角β＝０．１〜１．０度のときに、溶接不良発生率を最も低減できることがわかる。
【００５４】
（実施例２）
図１０は、実施例１と同じプレートを用い、このプレートで製造したプレート重合体１４において、前記寸法比Ｐ（プレート半径方向幅Ｗ／プレート直径Ｄ）の値と剛性との関係を実験により求めた結果を示す線図である。この実験データは、ＮＨ３冷媒液の充填量を６０ｋｇとし、潤滑油としてＰＮ（相溶性油）を用い、蒸発温度が−１２〜―１３℃、凝縮温度が３３〜３５℃であり、連続３０分運転の平均値を求めたものである。
【００５５】
剛性の求め方は、図３に示すように、ペアプレートの両側から荷重Ｆを加え、波形凹凸の山部ｍを互いに接触させた時に測定した力Ｆの値をもって剛性の指標とした。
図１０から、寸法比Ｐ＝０．００４〜０．００９のときに、プレート重合体１４の剛性及び熱伝達性能が、共に優れていることがわかる。
【００５６】
（実施例３）
図１１は、ＮＨ３／ＣＯ２冷凍装置の満液式ＣＯ２液化器において、熱伝達量を測定した結果を示す。図１１において、直線ハが、本実施形態のように、ＮＨ３冷媒液の下部給液と上部散布を併用した場合であり、直線ニが下部給液のみの場合を示す。
図から、熱伝達性能が同一としたときの、必要冷媒充填重量の差を求める。例えば、熱伝達量Ｋ値がある量Ｋ１（ｗ／ｍ２ｋ）であるとき、必要冷媒充填重量は、上部散布併用の場合が５７ｋｇであり、下部給液のみの場合が６０ｋｇとなる。そのため、本実施形態のように、上部散布併用の場合、冷媒充填重量を５％削減できる。
なお、図２において、ＸがＮＨ３冷媒液の充填重量が６０ｋｇのときの冷媒液面を示し、Ｙが充填重量が５０ｋｇのときの冷媒液面を示す。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明によれば、溶接不良をなくし、剛性を高めたシェルアンドプレート式熱交換器を実現でき、特に、冷凍サイクルを構成する冷凍装置の蒸発器や凝縮器等に適用されて好適である。
【符号の説明】
【００５８】
１０，１００          ＣＯ２液化器
１２，１０２          中空容器
１４，１０４，１４２    プレート重合体
１６，１０６，１３０    プレート
１６ａ、１３６        プレート外周縁
１６ｂ、１３２        波形凹凸
１８，３０，１０８，１１６    入口管
２０、３２，１１０，１１８    出口管
２２，２４，１１２，１１４，１３４    孔
２２ａ、２４ａ、１３８    プレート内周縁
２６，２８            貫通流路
３６                  ノズル管
３８                  ノズル口
４０                  管路
４２，４４            ＮＨ３冷媒液管
４６，４８            テーパ面
５０                  プレート押え冶具
５２                  逆そり
１２０                セパレータ
１２２                アフタークーラ
１４０                ペアプレート
Ｆ                    荷重
Ｎ                    ＮＨ３冷媒液
Ｐ                    寸法比
Ｘ、Ｙ                ＮＨ３冷媒液面
Ｗ                    テーパ面幅
ａ                    第１の熱交換流体
ｂ                    第２の熱交換流体
ｍ                    山部
ｓ                    隙間
ｗ                    板状体端部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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