(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第２の流体によって第１の流体、例えば冷媒を蒸発させるプレート熱交換器であって、プレートスタックを貫いて第１の流体のための入口チャンネル（１７Ａ、１７Ｂ）を形成する入口ポート（９Ａ、９Ｂ）を備えた複数の熱伝達プレート（２Ａ、２Ｂ）と、前記熱伝達プレート同志間に設けられて、前記第１および第２の流体が交互に通過する第１の流路（１３Ａ、１３Ｂ）と第２の流路とを形成する封止手段とを有し、前記入口チャンネル（１７Ａ、１７Ｂ）は前記第１の流路（１３Ａ、１３Ｂ）と連絡しているが、前記封止手段によって、前記第２の流路との連絡は閉ざされているプレート熱交換器において、
前記熱伝達プレート（２Ａ、２Ｂ）は、前記プレートスタックを貫ぬく分配チャンネル（１８Ａ、１８Ｂ）を形成する追加のポート（１６Ａ、１６Ｂ）を備え、
前記熱伝達プレート（２Ａ、２Ｂ）は、前記入口チャンネル（１７Ａ、１７Ｂ）に沿って分散して設けられ、前記入口チャンネル（１７Ａ、１７Ｂ）を前記分配チャンネル（１８Ａ、１８Ｂ）に接続する第１の通路（２５Ａ、２５Ｂ）と、前記分配チャンネル（１８Ａ、１８Ｂ）を前記第１の流路（１３Ａ、１３Ｂ）に接続する第２の通路（２６Ａ、２６Ｂ）とを、前記熱伝達プレート同志間に形成していることを特徴とするプレート熱交換器。
【請求項２】
前記第１および第２の通路（２５Ａ、２５Ｂ、２６Ａ、２６Ｂ）は、前記入口チャンネル（１７Ａ、１７Ｂ）と前記分配チャンネル（１８Ａ、１８Ｂ）との間、および前記分配チャンネル（１８Ａ、１８Ｂ）と前記第１の流路（１３Ａ、１３Ｂ）との間に、それぞれ絞りによる連絡路を形成するようなサイズを有している、請求項１に記載のプレート熱交換器。
【請求項３】
前記第１および／または第２の通路が、前記各熱伝達プレートの貫通孔（２５Ａ、２５Ｂ）により形成されている、請求項１または２に記載のプレート熱交換器。
【請求項４】
前記第１および／または第２の通路が、互いに接して隣接する複数の熱伝達プレート（２Ｂ）によって、該熱伝達プレート同志の間に形成され、前記隣接する複数の熱伝達プレートの少なくとも一つにくぼみ（２５Ｂ、２６Ｂ）が形成されている、請求項１または２に記載のプレート熱交換器。
【請求項５】
前記第１の通路（２５Ａ、２５Ｂ）の寸法が、前記入口チャンネル（１７Ａ、１７Ｂ）の長手方向に異なる、請求項１から４のいずれか１項に記載のプレート熱交換器。
【請求項６】
前記第１の通路（２５Ａ、２５Ｂ）が前記入口チャンネル（１７Ａ、１７Ｂ）の周縁部に分散して配置されている、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。
【請求項７】
２以上の前記第２の通路（２６Ａ、２６Ｂ）が、前記分配チャンネル（１８Ａ、１８Ｂ）と、前記第１の流路（１３Ａ、１３Ｂ）の各１つとの間の連絡のために設けられ、かつ前記分配チャンネル（１８Ａ、１８Ｂ）の周縁部に分散して配置されている、請求項１から６のいずれか１項に記載のプレート熱交換器。
【請求項８】
前記第１の通路（２５Ａ、２５Ｂ）の数が、前記入口チャンネル（１７Ａ、１７Ｂ）の長手方向の単位長さ毎に異なる、請求項１から７のいずれか１項に記載のプレート熱交換器。
【請求項９】
対になった隣接する熱伝達プレート（２Ａ）が相互に、前記入口ポート（９Ａ）の周囲と前記追加ポート（１６Ａ）の周囲の双方を封止し、
前記対になった熱伝達プレートの隣接する双方の熱伝達プレートが相互に、２つの離れた領域（２１，２２）にある前記各入口ポート（９Ａ）の周囲全体を、前記熱伝達プレート同志の間にあって、前記入口チャンネル（１７Ａ）の周囲に広がる空間（２４）を該領域の間に残して封止し、
前記分配チャンネル（１８Ａ）が、前記入口チャンネル（１７Ａ）の周囲に広がる前記空間（２４）を貫いて延びている、請求項１から８のいずれか１項に記載のプレート熱交換器。
【発明の詳細な説明】
本発明は、第２の流体により第１の流体、例えば冷媒を蒸発させるためのプレート熱交換器であって、熱伝達プレートのプレートスタック（積み重ねたもの）を含み、その熱伝達プレートには前記第１の流体のために前記プレートスタックを通過する入り口溝を形成する入り口ポートが設けられ、また熱伝達プレート間において、それぞれ第１および第２の流体の流通のための第１の流路および第２の流路を交互に定めるように配される封止手段を含み、前記入り口溝は前記第１の流路とつながっているが前記封止手段により前記第２の流路とのつながりが閉鎖されるプレート熱交換器に関する。
この種の熱交換器は、冷蔵システムにおいて循環している冷媒の蒸発のための蒸発器として頻繁に使用されている。そのような冷蔵システムは、通常、コンプレッサー、凝縮器、膨張弁、および蒸発器を直列に配管接続した状態で含む。この種のシステムにおいて蒸発器として用いられるプレート熱交換器は、溶接またはろう付けにより一緒にされる熱伝達プレートを有することが多いが、熱伝達プレート間の封止手段としてガスケットを用いることもできる。通常、入り口溝と熱伝達プレート間の蒸発流路との間に存在する通路とは同じ寸法を有する。
蒸発器としてプレート熱交換器を用いる前記種類の冷蔵システムに関して認識される問題は、プレート熱交換器の前記入り口溝に入る冷媒が、熱伝達プレート間の種々の蒸発流路に均一に分配されないことである。この一つの理由は、膨張弁を通過した後にポート溝に入るときに既に部分的に蒸発されている冷媒が、入り口溝の全体に沿って均質液体／上記混合物混合物として維持されないが、それぞれ液体および蒸気の流れに部分的に分離する傾向があることかも知れない。
プレート熱交換器内における異なる蒸発流路への冷媒の不均一分配により、プレート熱交換器の特定部分の使用が非効率的になり、その部分において冷媒は不必要に加熱されることにもなる。
前記種類のプレート熱交換器内における冷媒の不均一分配の問題を避けるために、スウェーデン特許出願Ｎｏ．８７０２６０８−４において、プレート熱交換器のポート溝間の各通路および冷媒について先に定義した蒸発流路を形成する各プレート間隙空間において制限手段を配すべきことが提案された。
制限手段は、穴が設けられたリングまたはワッシャ-であり得、熱伝達プレートの隣接対間に配される。また、制限手段は幾つかの穴を有するパイプであり得、プレート熱交換器のポート溝内に配される。制限手段のさらなる別の態様は、熱伝達プレートと一体に形成され得る。すなわち、二つの隣接熱伝達プレートの入り口を定めるプレート端部は、隣接プレート間に形成される流路への冷媒用のポートを形成する小さい領域を除いて、互いに端部どうしで隣接するように折り曲げることができる。
前述した種類の制限手段を有するプレート熱交換器は製造が困難である。分離したリングまたはワッシャーの使用は非常に費用がかかり、プレート熱交換器を組み立てるとき、正確な位置にリングまたはワッシャーを配置するのが困難である。パイプ状の制限手段は、プレート熱交換器内に含まれる熱伝達プレートの数にその長さを適合させなくてはならず、熱伝達プレート間の流路に導く入り口通路に対して正確に配置することも必要である。
プレートのポート端部を折り曲げることは、熱伝達プレートの大部分が非常に薄いシート材料から製造されるという事実により、実用不可能であるとわかり、前記スウェーデン特許出願に提案される方法でプレート間隙空間につながる良好に定められた入り口開口を得ることは困難である。
ＤＥ  ４４２２１７８は、プレート熱交換器のポート溝内に配される多孔質壁を有する中空体を含んでなる、プレート熱交換器内の２相冷媒流のための分配装置を示している。多孔質体は、プレート熱交換器のポートにおいて膨張弁から２相冷媒を受け入れると共に、それを多孔質体を通して前記ポート溝に沿って導く中央溝を有する。
多孔質体は、入り口溝の入り口端部から細くなり、熱伝達プレート間の蒸発流路に導くそれぞれの通路に対向するスロットル開口を有するスリーブにより囲まれるのが好ましいと言われている。この分配装置の不利益は、高価であり、入り口溝の長さに適合させなくてはならないということである。
ＷＯ  ９４／１４０２１も、冷蔵システムにおいて蒸発器として用いるべきプレート熱交換器を示している。穿孔チューブの形状の分配器は、プレート熱交換器の冷媒ポート溝内に配される。分配器は、流動制御手段も含み得る。この冷媒分配装置も高価であり、プレート熱交換器の入り口ポート溝の長さに適合されなくてはならないという点において不利である。
本発明の目的は、既に知られているプレート熱交換器の前記不利益を回避すること、および、製造が容易かつ費用がかからないと共に、蒸発されるべき冷媒または他の液体の均一な分配を熱伝達プレート間の種々の蒸発流路に対して得ることができるように熱伝達プレートが形成されるようなプレート熱交換器を提供することにある。
この目的は、本発明に従って、プレートスタックを通る分配溝を形成するさらなるポートが熱伝達プレートに設けられること、ならびに、前記ポート溝に沿って分配し後者を前記分配溝に接続する第１の通路、および熱伝達プレート間の前記第１の流路に分配溝を接続する第２の流路を熱伝達プレートが形成することを主な特徴とする最初に記載した種類のプレート熱交換器により達成することができる。
本発明によれば、熱伝達プレート間の蒸発空間を形成する分離した流路内への冷媒または他の液体流の制限を達成するための特別の部品を必要としない。
そのような制限は、組み立てる前に熱伝達プレートを予め形成することにより達成される。これは、このように予め形成された任意の数の熱伝達プレートをプレート熱交換器に組み合わせることができ、このように使用される熱伝達プレートの数に関して制限手段を適合させるように特別の努力を行う必要がないことを意味する。
本発明のプレート熱交換器において、入ってくる冷媒流または蒸発すべき他の液体は、前記入り口溝と前記分配溝との間に形成される前記第１の通路を通して通過するときに最初の圧力低下および部分的蒸発にさらされる。それは、次に、熱伝達プレート間に形成される蒸発流路に前記第２の通路を通って入る前に分配溝内における圧力均一化を受ける。これにより、熱伝達プレート間の種々の流路への冷媒の非常に均一な分配、およびプレート熱交換器の非常に有効な利用という結果になる。入り口溝に入るときに既に部分的に蒸発されている冷媒の場合、本発明は、熱伝達プレート間に形成される蒸発流路に入る前に冷媒の気液混合物の均一性を向上させる効果を有する。
前述したように、本発明のプレート熱交換器は、冷媒の蒸発のためのみならず、他の液体の蒸発のためにも使用することができる。これは、冷蔵システムにおいてしばしば使用される種類の膨張弁の使用が必ずしも必要でないことを意味する。その代わりに、本発明のプレート熱交換器の前記ポート溝と前記分配溝との間のつながりを形成する前記第１の通路は、その後さらに熱伝達プレート間において実際の蒸発流路内でさらに蒸発する、送入液体の第１の部分的蒸発のための手段を形成することができる。おそらく、冷蔵システムの従来の膨張弁は、そのようなシステムにおいて本発明のプレート熱交換器が使用される場合、なしですませることができる。
本発明を、添付の図面を参照して以下に説明する。
図１は、プレート熱交換器の斜視図を示す。
図２は、図１のＡ−Ａ線に沿って見られる従来のプレート熱交換器を通過する断面図を示す。
図３は、図１のＡ−Ａ線に沿って見られる本発明の第１の態様のプレート熱交換器を通過する断面図を示す。
図４は、本発明のさらなる態様のプレート熱交換器に含まれるべき熱伝達プレートの部分図を示す。
図５は、図４のＢ−Ｂ線に沿って見られる図４のプレートのスタックを通過する断面図を示す。
図１は、熱伝達プレート２のスタック、ならびに前記スタックの底部および頂部にそれぞれ配される二つの外側カバープレート３および４を含んでなるプレート熱交換器１を示す。プレート熱交換器１は、２つの熱交換流体のための、第１および第２のポート５および６、第１および第２の出口７および８を有する。
図２に示すプレート熱交換器は、上側カバープレート４と下側カバープレート３との間に互いに重ねて配されている１０枚の熱伝達プレート２を含む。熱交換器の熱伝達プレート２の数は、もちろん、プレート熱交換器の所望の熱伝達能力に対して変化してよい。
熱伝達プレート２には、ポート９および１０が設けられる。それぞれのポート９および１０は、ポート９がポート溝１１を形成しポート１０がプレートスタックを介して出口溝１２を形成するように互いに並べられる。ポート溝１１は、一端において、第１の熱交換流体のためのポートパイプ６に接続され、出口溝１２は、第２の熱交換流体のための出口パイプ７に接続される。
従来の様式のプレート熱交換器１には、熱伝達プレート２の間に、それぞれの熱伝達プレート一緒になってすべての第２のプレート間隙空間において前記第１の熱交換流体のための第１の流路１３および残りのプレート間隙空間において前記第２の熱交換流体のための第２の流路１４を形成する封止手段が設けられる。
熱伝達プレート２には、隣接する熱交換プレート２のリッジがプレート間隙空間内において互いに交差または隣接するように、平行リッジの波型パターンが設けられる。各第１の流路１３は二つの隣接熱伝達プレート２のポート９間の形成される少なくとも一つの入り口開口１５を通して入り口溝１１につながる。各第２の流路１４は、同様にして出口溝１２につながる。
記載したプレート熱交換器は、矩形熱交換プレート２を含むが、もちろん、熱伝達プレートは異なる形状、例えば、丸い熱伝達プレートを用いることができる。
プレート熱交換器のプレートは、ろう付け、接着剤付けまたは溶接により永久的に接合、またはプレート熱交換器の分解を可能にするようにガスケットを設けることができる。
図３は、本発明の第１の態様により設計されたプレート熱交換器の一部を示す。熱伝達プレート２Ａの各々の一つには、第１のポート９Ａ、およびそれから短い距離に、第２のポート１６Ａが設けられる。すべての第１のポート９Ａは並べられ、熱伝達プレート２Ａのスタックを通過して延びる入り口溝１７Ａを形成し、すべての第２のポート１６Ａも並べられ、熱伝達プレートのスタックを通過して入り口溝１７Ａに平行に延びる分配溝１８Ａを形成する。
ポート９Ａおよび１６Ａの領域において、それ自体の間に前記第１の流体の流通を意図した流路１３Ａを定めるすべての２つの隣接熱伝達プレートが、ポート１６Ａの周りに密接して伸びる第１の領域１９およびポート９Ａを形成するプレート端部からある距離をおいてポート９Ａの周りに延びる第２の領域２０の両方において互いに隣接するように加圧することにより熱伝達プレートが形成される。前記２つの隣接熱伝達プレート２Ａの各々一つがもう一つの隣接熱交換プレートに隣接し、それを用いて、ポート９Ａの周りに密接して伸びる第３の領域２１ならびにポート９Ａおよび１６Ａがそこで形成されるそれぞれの熱伝達プレートの全領域の周りに延びる第４の領域２２の両方において、前記第２の流体の流通を意図した流路（図３において図示せず）を定めている。熱伝達プレートは、前記領域１９〜２２のすべてにおいて、例えばろう付けにより永久的に接合される。
このようにして、交替するプレート内部空間、すなわちポート９Ａおよび１６Ａの領域において、前記入り口溝１７Ａにつながる環状チャンバー２３および前記ポート溝１８Ａにつながる環状チャンバー２４が形成される。
入り口溝１７Ａと分配溝１８Ａとをつなぐために、熱伝達プレート２Ａ内に穴２５Ａとしての第１の通路がある。好ましくは、少なくとも一つの穴２５Ａが、前記チャンバー２３の各々の一つを前記チャンバー２４の一つにつなぐ。さらに、分配溝１８Ａと、蒸発すべき液体の流通のための流路１３Ａの各々の一つとをつなぐために、やはり、熱伝達プレート２Ａ内に穴２６Ａとしての第２の通路がある。好ましくは、少なくとも一つの穴２６Ａが前記チャンバー２４の一つを前記流路１３Ａの一つにつなぐ。
穴２５Ａおよび２６Ａの数および寸法は、チャンバー１７Ａと１８Ａとの間および流路１３Ａへの流体の流れの任意の所望の制限に容易に適合させることができる。穴２５Ａおよび２６Ａは、熱伝達プレート２Ａのすべてまたは各第２のものにおいて形勢することができる。前記チャンバー２３および２４の一つまたは両方につながる一つ以上の穴があり、そのような穴は入り口溝１７Ａの周りにまたは分配溝１８Ａにそれぞれ分配される。それぞれ入り口溝１７Ａおよび分配溝１８Ａに沿ってかつ周囲においての周囲穴２５Ａと２６Ａとの間の空間は必要に応じて変化させることができる。
本発明の方法によれば、必要に応じ、穴２５Ａおよび２６Ａの適当な寸法を選択し、それにより、入ってくる冷媒の制限のための良好に定められた入り口開口を形成することができる。蒸発される冷媒または他の液体が入り口溝１７Ａと分配溝１８Ａとの間の穴２５Ａを通過するときに第１の圧力低下が起こり、分配溝１８Ａと、隣接熱交換プレート間の蒸発流路１３Ａとの間の穴２６Ａを通過するときに第２の圧力低下が起こることが本発明に必須である。
すなわち、本発明のプレート熱交換器によれば、蒸発流路内への冷媒または他の液体の流れの制限手段が熱交換プレート内で一体化され、そのためにプレート熱交換器の製造および組み立ての費用が低い。
図４および５は、本発明のさらなる態様を説明している。図４は、熱伝達プレート２Ｂのコーナー部分を示し、図５は、図４のＢ−Ｂ線に沿って見られる４枚のプレートのスタックを通過する断面図を示す。
各熱伝達プレート２Ｂは、そのコーナー部分に環状ポート９Ｂおよび三日月形状のさらなるポート１６Ｂを有する。図５に示すように、プレートの種々の入り口ポート９Ｂが並べられ、プレートスタックを通過する入り口溝１７Ｂを形成し、さらなるポート１６Ｂが分配溝１８Ｂを形成する。
熱伝達プレート２Ｂは、下記のように互いに隣接するようにそれぞれのコーナー部分を加圧することにより形成される。
図４に示すように、その間に、蒸発すべき流体のための蒸発流路１３Ｂを定める二つの熱伝達プレートが延長領域２７において互いに隣接する。この領域２７は、二つのプレートのそれぞれのポート９Ｂおよび１６Ｂの各々の一つを囲み、それぞれのポート９Ｂおよび１６Ｂの周りのこの領域においてもプレートは溶接により一体化される。
しかしながら、前記領域２７の小さい部分において、二つのプレートの少なくとも一つには、他のプレートに面している側において、狭い溝２５Ｂおよび２６Ｂが設けられ、二つのプレートが領域２７のこれらの小さい部分において隣接または相互接続することなく残される。これは、図５からわかるように、前記溝２５Ｂが分配溝１８Ｂを有する入り口溝１７Ｂを接続する第１の通路を形成し、前記溝２６Ｂが二つの隣接する熱交換プレート２Ｂの間に形成される蒸発流路１３Ｂを有する分配溝１８Ｂを接続する第２の通路を形成することを意味する。
図５に示す二つの最も上側の熱交換プレート２Ｂは前述したように互いに接続された第１のプレート対を形成し、図５の示す二つの他のプレートは同様に互いに接続された第２のプレート対を形成する。これらの二対は互いに重畳され、入り口溝１７Ｂと分配溝１８Ｂの両方が、環状ガスケット２８によりこれらの二つのプレート対間に形成されたプレート間隙空間の主要部分とのつながりから封止される。ガスケット２８は対向するガスケット溝２４内に入れられ、それは互いに面しているプレート対の二つのプレート内において加圧され（図５を参照されたい）、入り口ポート９Ｂおよびさらなるポート１６Ｂが形成されるそれぞれのプレートの領域全体において広がっている（図４を参照されたい）。
第１および第２の通路のそれぞれが熱交換プレート内において通過穴２５Ａ、２６Ａの形状を有する図３の態様とは異なり、図４および５の態様は、熱交換プレート内において加圧されるくぼみまたは溝により形成される対応する通過を有する。各通路２５Ｂ、２６Ｂは、図５に示すように、関連するプレートの一つのみにおいて溝により形成される、または両方のプレートにおいて二つの対向する溝により形成される。図４において、一つ以上の通路２５Ｂおよび一つ以上の通路２６Ｂを形成してよいことを点線により示した。
もちろん、必要に応じて通路の所望の数、寸法および配置を選択することができ、それらを組み立てる前に熱伝達プレートを予め形成することにより容易に達成することができる。
明らかに、図５に示すように、その間に封止手段としてのガスケットのみを有するプレート対を、必要に応じ、ガスケットの交換のために分離することができる。図５に関して、前記各プレート対の二つのプレート間に定められる蒸発流路１３Ｂが、これらのプレートが互いに隣接および封止されるそれぞれのプレートの領域２７の全体において広がっていることに注目すべきである。蒸発流路１３Ｂの主な部分は、プレートの主要熱伝達部分の間に形成され、その一部分が図４中、３０で示される。すなわち、蒸発すべき液体は入り口溝１７Ｂから、通路２５Ｂ、分配チャンバー１８Ｂおよび通路２６Ｂを通ってから、分配溝１８Ｂと図５に示すプレートの上側左コーナー部分との間に配されるその領域内において蒸発流路１３Ｂに入らなければならない。すなわち、それは、分配溝１８Ｂおよび要り口溝１７Ｂのそれぞれの両側上において蒸発流路１３Ｂの前記主要部分に流れる。
通常、冷蔵システムで用いる場合、プレート熱交換器は、プレートが垂直に延び、プレート熱交換器の下側部分に配される蒸発すべき液体のための入り口溝１７Ｂを有するように配される。しかしながら、プレートは、その代わりに図５に示すような配向で用いることもできる。
必要ならば、発明の概念から離れることなく、分配溝（１８Ａまたは１８Ｂ）を幾つかの分離した分配溝部分に分離することができ、それぞれは幾つかの熱伝達プレートを広げ、通路（２６Ａまたは２６Ｂ）を通して幾つかのプレート間隙空間または熱伝達プレート間の流路（１３Ａまたは１３Ｂ）につながっている。
【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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