(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
傾斜させた複数の凸条及び凹条を交互に形成した波形伝熱部が、凸条及び凹条の傾斜の方向を交互に逆向きにして一端部から他端部の方に複数設けられたヘリンボーン状の伝熱プレートを複数枚積層し、各伝熱プレート間に一端部と他端部の各中点を結ぶ中心線の方向の流路を設け、各流路内に異なる流体を流すことにより、伝熱プレートを介して流体間で熱交換するプレート式熱交換器であって、
前記波形伝熱部の凸条及び凹条は、流体が各凹条に沿って流れるように、伝熱プレートの中心線と平行な線に対して４５°以上の角度に傾斜して設けられ、隣り合っている波形伝熱部と波形伝熱部との境界部に複数の凸条及び凹条によって折返部が設けられ、該凹条に沿った流体の流れを段階的に方向転換するように、折返部の凸条及び凹条が前記中心線と平行な線に対して前記波形伝熱部の凸条及び凹条よりも小さな角度で２方向に傾斜して設けられていることを特徴とするプレート式熱交換器。
【請求項２】
前記折返部の凸条及び凹条は、複数箇所で屈曲した折線状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のプレート式熱交換器。
【請求項３】
前記波形伝熱部の凸条及び凹条の長さ方向に対して直交するピッチと前記折返部の凸条及び凹条の長さ方向に対して直交するピッチとが等間隔に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のプレート式熱交換器。
【請求項４】
前記波形伝熱部及び折返部の凸条及び凹条の成形深さが３．５ｍｍ以下に浅く形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の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、複数枚の伝熱プレートを積層し、各伝熱プレート間に流路を形成し、隣り合っている流路内に異種の流体を流すことにより、両流体間で熱交換するプレート式熱交換器に関し、詳しくは、ヘリンボーンと呼ばれる波形の伝熱部を有する伝熱プレートを備えたプレート式熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
プレート式熱交換器は、積層された伝熱プレート間に流路を形成し、隣り合っている流路内に異種の流体を交互に流すことにより、伝熱プレートを介して異種の流体を熱交換する装置であるが、熱交換効率を向上させたプレート式熱交換器が特許文献１に記載されている。
【０００３】
このプレート式熱交換器は、図４に示すような伝熱プレート１００を備えている。この伝熱プレート１００は、長方形状の金属板の四隅に流体の出入口となる通路孔１０１〜１０４を設け、中間部に伝熱部１１０を設け、例えば左側の下，上の通路孔１０１，１０２と伝熱部１１０とが連通し、かつ、右側の上，下の通路孔１０３，１０４が伝熱部１１０に開口しないようにするガスケット１２０、あるいは、その逆にするガスケット１２０が装着されている。
【０００４】
そして、伝熱部１１０は、ヘリンボーン状の凸条及び凹条（特許文献１では「刻み目」と記載）を有する波形に形成されている。この刻み目は、強い乱流を引き起こし、高い熱交換係数を与えるビード（以下、「ハードビード」という。）１１１ａと、流量を大きくし、低い熱交換係数を持つビード（以下、「ソフトビード」という。）１１１ｂとを一方の短辺Ａの方から他方の短辺Ｂの方に交互に設けたものとされている。
【０００５】
ハードビード１１１ａもソフトビード１１１ｂも、伝熱プレート１００の各短辺Ａ，Ｂの中点を結ぶ中心線Ｌを対称軸として「ハ」字形状又は「逆ハ」字形状に傾斜しているが、ハードビード１１１ａは中心線Ｌと平行な線（図示せず）に対して４５°以上の角度を有し、ソフトビード１１１ｂは中心線Ｌと平行な線に対して４５°未満の角度を有し、また、ハードビード１１１ａのピッチがソフトビード１１１ｂのピッチよりも細かくされている。そして、長辺Ｃ，Ｄ方向に対するハードビード１１１ａの長さは、できるだけ短く形成されている。
【０００６】
このような伝熱プレート１００は、縦向きの鉛直姿勢で交互に上下反転させて積層されるが、伝熱部１１０に形成したハードビード１１１ａとソフトビード１１１ｂとが交差し、また、ソフトビード１１１ｂ同士が交差した状態で当接することにより、耐圧強度の向上が図られている。そして、重ね合わされた伝熱プレート１００は、ハードビード１１１ａ同士が重なり合わず、ハードビード１１１ａの領域がソフトビード１１１ｂの領域で重なることで、ハードビード１１１ａの領域で大きな抵抗を引き起こさないようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３０４９４５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
伝熱プレート１００には、図示しないが、「逆Ｖ」字形状に傾斜させた複数の凸条及び凹条を伝熱部に交互に形成し、凸条及び凹条の折返部が流体の上流側、すなわち、伝熱プレート１００の短辺の方に向けた一般的なヘリンボーンタイプ（以下、「縦型ヘリンボーンタイプ」という。）と、図５に示すように、「横向きＷ」字形状に傾斜させた凸条１３１及び凹条１３２を伝熱部に交互に形成し、凸条１３１及び凹条１３２の折返部１３３を伝熱プレート１００の長辺Ｃ，Ｄの方に向けた横向きヘリンボーンタイプとがある。
【０００９】
いずれのタイプの伝熱プレート１００でも、凹条１３２に沿うように流体が流れる。ただし、縦型ヘリンボーンタイプでは、凹条内の流体が伝熱プレート１００の各長辺Ｃ，Ｄの側へ流れた後、中心線Ｌの側へ戻りにくいことから、流体が伝熱部上を均一に分散されにくく、高い伝熱性能を発揮しにくいものとなっている。他方、横向きヘリンボーンタイプでは、流体が例えば左下向きの凹条１３２に沿うように流れ、凹条１３２の下流端で方向転換し、続いて右下向きの凹条１３２に沿うように流れるため、流体が伝熱部上を均一に分散され、高い伝熱性能が発揮される。
【００１０】
しかし、横向きヘリンボーンタイプであっても、凸条１３１及び凹条１３２の成形深さ（以下、主として「凹条１３２の深さ」という。）や中心線Ｌと平行な線（図示せず）に対する角度αによって、高い伝熱性能が発揮されないことがある。例えば、凹条１３２の深さが約３．５ｍｍ以上であったり、中心線Ｌと平行な線に対する凸条１３１及び凹条１３２の角度αが約４５°以下（低勾配）であったりすると、縦型ヘリンボーンタイプに比べて圧力損失が高く、また、高い伝熱係数が得られないことが判明している。
【００１１】
具体的に考察すると、凹条１３２の深さは、積層された伝熱プレート１００の間隔に相当するが、伝熱プレート１００の間隔が４ｍｍの場合における凸条１３１及び凹条１３２のピッチは、伝熱プレート１００の間隔が２ｍｍの場合における凸条１３１及び凹条１３２のピッチの概ね２倍となる。そうすると、伝熱プレート１００が積層されたときに、隣り合っている各伝熱プレート１００の凸条１３１が接触する距離は、深い凹条１３２の方が浅い凹条１３２よりも長くなり、単位面積当たりの接触点数が減る。したがって、深い凹条１３２を形成した伝熱プレート１００にあっては、流体が凹条１３２に沿って流れないで凸条１３１を乗り越えてしまい、高い伝熱性能が発揮されなくなる。
【００１２】
逆に、約３．５ｍｍよりも浅い凹条１３２を形成した伝熱プレート１００は、深い凹条１３２を形成した伝熱プレート１００よりも、隣り合っている伝熱プレート１００の凸条１３１同士が接触する距離が短くなり、接触点数が増えることから、流体は、凸条１３１を乗り越えにくくなり、凹条１３２に沿って流れる割合が増すことで、伝熱部上を分散し、その結果、高い伝熱性能が発揮される。
【００１３】
また、伝熱プレート１００は鉛直姿勢で使用されるため、短辺Ａ，Ｂに対する凸条１３１及び凹条１３２の角度βが例えば３０°のように小さい（中心線Ｌと平行な線に対する凸条１３１及び凹条１３２の角度αが例えば６０°のように大きい）と、凸条１３１及び凹条１３２が低勾配になることから、流体は凸条１３１を乗り越えることなく凹条１３２に沿って流れやすい。
【００１４】
逆に、短辺Ａ，Ｂに対する凸条１３１及び凹条１３２の角度βが例えば６０°のように大きい（中心線Ｌと平行な線に対する凸条１３１及び凹条１３２の角度αが例えば３０°のように小さい）と、凸条１３１及び凹条１３２が急勾配になることから、凹条１３２に沿った流体の流れの抵抗と凸条１３１を乗り越える流体の流れの抵抗とに大きな差がなく、流体は凸条１３１を越えてしまい、凹条１３２に沿って流れないこともある。
【００１５】
このことから、凸条１３１及び凹条１３２は、中心線Ｌと平行な線に対する角度αが約４５°よりも大きい（急勾配である）と、流体は、凸条１３１を乗り越えることなく、凹条１３２に沿って流れることで、均一に伝熱部上を分散し、高い伝熱性能が発揮される。
【００１６】
要するに、横向きヘリンボーンにおいて、凹条１３２が浅かったり（例えば、凸条及び凹条の成形深さが約３．５ｍｍ以下）、凸条１３１及び凹条１３２の傾斜が低勾配であったり（例えば、中心線Ｌと平行な線に対する角度αが約４５°よりも大きい）すると、流体は伝熱部１１０を均一に流れる。
【００１７】
しかし、凸条１３１及び凹条１３２が低勾配であると、凸条１３１及び凹条１３２の両端の折返部１３３の角度γがきつくなる（尖る）ことから、特に、凹条１３２が浅い場合において、凹条１３２に沿って流れる流体は、折返部１３３においてスムーズに戻りにくく、圧力損失が大きくなる。この課題は、特許文献１に記載されたプレート式熱交換器のように、中心線Ｌに対する角度が異なるようなハードビード１１１ａとソフトビード１１１ｂとを設けた伝熱プレート１００によっては解消できない。
【００１８】
そこで、本発明は、傾斜させた複数の凸条及び凹条を交互に形成した波形伝熱部が、凸条及び凹条の傾斜の向きを交互に逆向きになるように設けられた横向きヘリンボーン状の伝熱プレートにおいて、高い伝熱性能を有しつつ、凸条及び凹条の傾斜の方向が転換する折返部で流体の圧力損失が大きくならないような伝熱プレートを備えたプレート式熱交換器を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明に係るプレート式熱交換器は、傾斜させた複数の凸条及び凹条を交互に形成した波形伝熱部が、凸条及び凹条の傾斜の方向を交互に逆向きにして一端部から他端部の方に複数設けられたヘリンボーン状の伝熱プレートを複数枚積層し、各伝熱プレート間に一端部と他端部の各中点を結ぶ中心線の方向の流路を設け、各流路内に異なる流体を流すことにより、伝熱プレートを介して流体間で熱交換するプレート式熱交換器であって、前記波形伝熱部の凸条及び凹条は、流体が各凹条に沿って流れるように、伝熱プレートの中心線と平行な線に対して４５°以上の角度に傾斜して設けられ、隣り合っている波形伝熱部と波形伝熱部との境界部に複数の凸条及び凹条によって折返部が設けられ、該凹条に沿った流体の流れを段階的に方向転換するように、折返部の凸条及び凹条が前記中心線と平行な線に対して前記波形伝熱部の凸条及び凹条よりも小さな角度で２方向に傾斜して設けられていることを特徴としている。
【００２０】
このプレート式熱交換器によれば、凸条及び凹条が伝熱プレートの中心線と平行な線に対して急勾配（長方形状の伝熱プレートの短辺に対して低勾配）に設けられることにより、流体が凸条を乗り越えることなく凹条に沿って流れ、そして、折返部に形成された凸条及び凹条が前記中心線に対して２方向の低勾配（長方形状の伝熱プレートの短辺に対して急勾配）に設けられていることにより、流体は、一方向に傾斜した波形伝熱部の凹条に沿って流れ、折返部において段階的に流れの方向が転換され、他方向に傾斜した波形伝熱部の凹条に沿って流れるため、折返部における圧力損失を小さくすることができる。
【００２１】
また、前記本発明に係るプレート式熱交換器において、前記折返部の凸条及び凹条は、複数箇所で屈曲した折線状に形成されていることが好ましい。このプレート式熱交換器によれば、折返部の凸条及び凹条が複数箇所で屈曲した折線状に形成されていることにより、流体は折線状の凹部内を徐々に方向転換しながら流れるようにすることができる。
【００２４】
また、前記本発明に係るプレート式熱交換器において、前記波形伝熱部の凸条及び凹条の長さ方向に対して直交するピッチと前記折返部の凸条及び凹条の長さ方向に対して直交するピッチとが等間隔に形成されていることが好ましい。このプレート式熱交換器によれば、波形伝熱部及び折返部の凸条及び凹条のピッチが狭いと、流体が凹条に沿ってスムーズに流れにくくなるところ、波形伝熱部の凸条及び凹条と折返部の凸条及び凹条とが等間隔に形成されていることにより、流体が折返部の凹条に沿ってスムーズに流れるようにすることができる。
【００２５】
また、前記本発明に係るプレート式熱交換器において、前記波形伝熱部及び折返部の凸条及び凹条の成形深さが３．５ｍｍ以下に浅く形成されていることが好ましい。このプレート式熱交換器によれば、波形伝熱部及び折返部の凸条及び凹条の成形深さが３．５ｍｍ以下に浅く形成されることにより、複数枚の伝熱プレートを積層したときに、隣り合っている伝熱プレートの凸条同士が接触する距離が短くなり、接触点数が増えることから、流体は凸条を乗り越えにくくなり、凹条に沿って流れるようにすることができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、伝熱プレートの中心線に対して急勾配に設けられた波形伝熱部の凸条及び凹条によって、流体が波形伝熱部の凸条を越えにくいように凹条に沿って流れ、隣り合っている波形伝熱部と波形伝熱部との境界部の折返部に設けた複数の凸条及び凹条によって、流体が一方に傾斜した波形伝熱部の凹条に沿って流れた後、他方に傾斜した波形伝熱部の凹条に沿ってスムーズに方向転換して流れるため、高い伝熱性を有しつつ、折返部において圧力損失が大きくならないプレート式熱交換器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に係るプレート式熱交換器を構成している伝熱プレートの一実施形態を示す正面図である。
【図２】本発明に係るプレート式熱交換器を構成している伝熱プレートの変形例を示す要部拡大正面図である。
【図３】本発明に係るプレート式熱交換器を構成している伝熱プレートの参考例を示す要部拡大正面図である。
【図４】従来のプレート式熱交換器の要部を示す概略分解斜視図である。
【図５】図４と異なる従来のプレート式熱交換器を構成している伝熱プレートを示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明に係るプレート式熱交換器の実施形態について図１ないし図３を参照しながら説明する。なお、以下の説明では、適宜、上下左右と表現するが、これは、図面での場合であって、実際に使用する場合において、各位置が図面と異なる場合があることはいうまでもない。
【００３０】
実施形態のプレート式熱交換器は、積層される長方形状の伝熱プレート１０に波形伝熱部１１と折返部１２とを長さ方向に交互に設けている。隣り合っている伝熱プレート１０間に流路が設けられ、この流路内を流体が上流側から下流側に流れる。伝熱プレート１０の四隅には、流体の出入口となる通路孔１〜４が設けられ、伝熱プレート１０に装着されたガスケット２０によって上下一対の通路孔１，２、３，４と伝熱部１０ａとが連通する。
【００３１】
すなわち、ある伝熱プレート１０は、例えば、図面において、右上の通路孔１が流体の入口、右下の通路孔２が出口とされることで、伝熱プレート１０の上側の短辺Ａ側が上流側、下側の短辺Ｂ側が下流側となり、左下の通路孔３が流体の入口、左上の通路孔４が出口とされることで、伝熱プレート１０の下側の短辺Ｂ側が上流側、上側の短辺Ａ側が下流側となる。
【００３２】
そして、伝熱プレート１０は、横向きヘリンボーンタイプであり、傾斜させた複数の凸条１１ａ及び凹条１１ｂを交互に形成した波形伝熱部１１を備えている。この波形伝熱部１１は、伝熱プレート１０の上側短辺Ａ付近から下側短辺Ｂ付近まで複数設けられる。ある波形伝熱部１１の凸条１１ａ及び凹条１１ｂは、一方向（図面において右上から左下方向。以下、「左下向き」という。）に傾斜し、この波形伝熱部１１に隣り合っている波形伝熱部１１の凸条１１ａ及び凹条１１ｂは、他方向（図面において左上から右下方向。以下、「右下向き」という。）に傾斜している。なお、ある伝熱プレート１０の表面側の凸条１１ａ及び凹条１１ｂは、裏面側の凹条１１ｂ及び凸条１１ａとなり、流体が凹条１１ｂに沿って流れる。
【００３３】
そして、いずれの方向の凸条１１ａ及び凹条１１ｂも、流体が凸条１１ａを乗り越えることなく凹条１１ｂに沿って流れるように傾斜している。すなわち、凸条１１ａ及び凹条１１ｂは、伝熱プレート１０の各短辺Ａ，Ｂの中点を結ぶ中心線Ｌと平行な線Ｋに対する角度αが急勾配（４５°以上の例えば６０°）に設けられている。換言すれば、いずれの方向の凸条１１ａ及び凹条１１ｂも、伝熱プレート１０の各短辺Ａ，Ｂに対する角度βが低勾配（４５°以下の例えば３０°）に設けられている。以下、凸条及び凹条の傾斜は、図面に即して「低勾配」として説明する。
【００３４】
また、凸条１１ａ及び凹条１１ｂの成形深さは、３．５ｍｍ以下に浅く形成されることにより、複数枚の伝熱プレート１０を積層したときに、隣り合っている伝熱プレート１０の凸条１１ａ同士が接触する距離が短くなり、接触点数が増えることから、流体は凸条を乗り越えにくくなり、凹条１１ｂに沿って流れやすくすることができる。なお、３．５ｍｍは、厳密な数値ではなく、おおよその数値である。
【００３５】
そして、左下向きの凸条１１ａ及び凹条１１ｂを形成した波形伝熱部１１と、右下向きの凸条１１ａ及び凹条１１ｂを形成した波形伝熱部１１との間に折返部１２が介在している。折返部１２も複数の凸条１２ａと凹条１２ｂを交互に形成した波板状のものであるが、凹条１２ｂに沿った流体の流れを段階的に方向転換するように、折返部１２の凸条１２ａ及び凹条１２ｂは、前記中心線Ｌと平行な線に対する角度γを２方向の低勾配、換言すれば、伝熱プレート１０の各短辺Ａ，Ｂに対して急勾配に設けられている。以下、折返部１２の凸条及び凹条の傾斜は、図面に即して「急勾配」として説明する。
【００３６】
この折返部１２の凸条１２ａ及び凹条１２ｂは具体的には、図１に示すような「く」の字形状、図２に示すような複数箇所（図面では３箇所であるが、４箇所以上でもよい。）で屈曲した折線形状などに形成される。
【００３７】
いずれにしても、折返部１２の凸条１２ａ及び凹条１２ｂのピッチは、波形伝熱部１１の凸条１１ａ及び凹条１１ｂのピッチと同じとされ、折返部１２の凸条１２ａ及び凹条１２ｂと波形伝熱部１１の凸条１１ａ及び凹条１１ｂとは多くが連続していないが、一部分が連続してもよい。凸条１１ａ，１２ａ及び凹条１１ｂ，１２ｂのピッチが狭いと、流体が凹条１１ｂ，１２ｂに沿ってスムーズに流れにくくなるところ、折返部１２の凸条１２ａ及び凹条１２ｂのピッチが波形伝熱部１１の凸条１１ａ及び凹条１１ｂのピッチと等間隔に形成されていることにより、流体は、折返部１２内もスムーズに流れる。
【００３８】
ここで、このような伝熱プレート１０を複数枚積層し、各伝熱プレート１０間に流路を形成したプレート式熱交換器の流体の流れについて説明する。
【００３９】
図１において、右上の通路孔１から流路内に流入した流体は、波形伝熱部１１の左下向きの凹条１１ｂに沿って、低勾配（例えば中心線Ｌと平行な線Ｋに対して６０°）の角度αで左下方向に流れるが、凸条１１ａを乗り越えることなく、折返部１２に到達する。流体は、折返部１２で流れの方向が転換され、同じ流路の下側の波形伝熱部１１の右下向きの凹条１１ｂに沿って、低勾配（例えば中心線Ｌと平行な線に対して前記と逆の６０°）の角度αで右下の方向に流れる。
【００４０】
折返部１２の凸条１２ａ及び凹条１２ｂが図１に示すように、「く」字形状に形成されていると、流体は、折返部１２内を、中心線Ｌに対して３０°の角度γで左下方向に流れた後、屈曲部１２ａで中心線Ｌに対して前記と逆の３０°の角度γで右下の方向に流れる。したがって、流体は、左下向きの凹条１２ｂに沿った流れから、右下向きの凹条１２ｂ内に鋭角で方向転換するのでなく、折返部１２内を２段階で方向転換して流れる。
【００４１】
また、折返部１２が図２に示すように、折線形状に形成されていると、流体は、折返部１２内を徐々に方向転換して流れる。また、折返部１２が図３に示すように、円弧形状に形成されていると、流体は、折返部１２内をカーブするようにしてスムーズに方向転換して流れる。
【００４２】
いずれにしても、波形伝熱部１１の左下向きの凹条１１ｂに沿った流体は、折返部１２によって大きな圧力損失なく方向転換し、波形伝熱部１１の右下向きの凹条１１ｂに沿って流れる。同様に、下流側において、波形伝熱部１１の右下向きの凹条１１ｂに沿った流体は、折返部１２によって大きな圧力損失なく方向転換し、波形伝熱部１１の左下向きの凹条１１ｂに沿って流れる。
【００４３】
さらに、このプレート式熱交換器は、波形伝熱部１１の凸条１１ａ及び凹条１１ｂが低勾配とされることで、また、凸条１１ａ，１２ａ及び凹条１１ｂ，１２ｂの成形深さが浅くされることによって接触点数が多くされ、流体が凹条１１ｂ，１２ｂに沿って流れることで、高い伝熱性能が発揮される。なお、流体は、波形伝熱部１１だけでなく、折返部１２においても熱交換される。
【００４４】
本発明は、前記実施の形態に限定することなく、種々変更することができる。例えば、既述したように前記寸法や角度αは、厳密な数値でなく、おおよその数値である。
【００４５】
また、折返部１２は、円弧状の部分と、この円弧状の両端から伸びる直線状の部分とを組み合わせたものとするなど、流体の流れを段階的に方向転換する形状であれば、限定するものでない。さらに、流体の粘性などによって、折返部１２の凸条１２ａと凹条１２ｂのピッチが狭くてもスムーズに流れる場合などにおいては、折返部１２の凸条１２ａと凹条１２ｂのピッチを狭くし、折返部１２の凸条１２ａ及び凹条１２ｂが波形伝熱部１１の凸条１１ａ及び凹条１１ｂと連続するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００４６】
１０……伝熱プレート
１１……波形伝熱部
１１ａ…凸条
１１ｂ…凹条
１２……折返部
１２ａ…凸条
１２ｂ…凹条
Ｌ………中心線
α………（中心線と平行な線に対する）角度
β………（短辺に対する）角度
【図１】
0005710232.tif 000002
【図２】
0005710232.tif 000003
【図３】
0005710232.tif 000004
【図４】
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【図５】
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