JP4519437B2

JP4519437B2 - 接合型プレート式熱交換器

Info

Publication number: JP4519437B2
Application number: JP2003342440A
Authority: JP
Inventors: 健司楠
Original assignee: Hisaka Works Ltd
Current assignee: Hisaka Works Ltd
Priority date: 2003-09-30
Filing date: 2003-09-30
Publication date: 2010-08-04
Anticipated expiration: 2023-09-30
Also published as: JP2005106412A

Description

本発明は、凹凸の波板状にプレス成形した２枚の薄板プレートを部分的にレーザー溶接などで永久接合したカセットプレートをガスケットを介し必要数積層した接合型のプレート式熱交換器に関する。

接合型プレート式熱交換器は、凹凸の波形状にプレス成形した薄板プレートを２枚一組にし、２枚のプレートのシール部同士をレーザー溶接やロウ付けなどで永久接合したカセットプレートを、ガスケットを介して積層し、カセットプレート内及びカセットプレート間に、熱交換される２つの流体がそれぞれ流通する流路を形成したものである。カセットプレートは、必要枚数積層して前後から耐圧フレームで挟持している。このとき、隣接するプレートの伝熱面の凸波及び凹波の稜線同士が接触する接触支持点でプレート間の形状を保持し、耐圧強度を確保している。

斯かる接合型プレート式熱交換器のカセットプレートは、図５に示すように、凹凸の波板状にプレス成形された略矩形の２枚のプレート２を重合して、その周囲を接合したものである。プレート２は、４隅に流体の出入口となる通路孔３〜６を有し、中央部に伝熱面７を備えている。プレート２は、２枚一対として重合され、図５において破線部分で示されるように、伝熱面７と上下２つの通路孔３、４を囲うシール部接合部１１と、残り２つの通路孔５、６の各々を囲う通路孔接合部１２、１３を接合する。２枚の各プレート２の外面（表面）には、伝熱面７と上下２つの通路孔５、６を囲う台形のガスケット２１と、残り２つの通路孔３、４の各々を囲う円形のガスケット２２、２３を装着する。接合型プレート式熱交換器は、斯かるカセットプレート１をガスケット２１〜２３を介して複数積層し、前後から図示しない耐圧フレームで挟持して固定したものである。

接合型プレート式熱交換器には、図５において鎖線矢印で示すように、通路孔３、カセットプレート１の内部の流体流路Ａ、通路孔４により連通した第１の流路と、通路孔６、積層した一対のカセットプレート１間でガスケット２１に囲まれた流体流路Ｂ、通路孔５により連通した第２の流路が形成される。この接合型プレート式熱交換器では、プレートの凹凸の波形状が、プレート間で互いに接触しており、これにより流体の圧力差など伝熱面に作用する力に対して、プレートの形状保持及び耐圧性能を確保している。

この接合型のプレート式熱交換器の流体流路に固形物や繊維質を含む流体を流す場合、このプレート接触支持点で固形物や繊維質の引っ掛かりや詰まりが生じる。そのため、固形物や繊維質を含む流体に適用されるプレート式熱交換器においては、２枚のプレート間にプレート接触支持点を設けない流体流路を形成することが望ましい。

プレート接触支持点を設けないようにする方法として、図６に示すように、カセットプレート１ｄのプレート２の伝熱面７をレーザー溶接やロウ付けで永久接合１４ｄさせて、カセットプレート１ｄの形状保持及び耐圧性能を確保しつつ、カセットプレート１ｄ間の流路においてプレート接触支持点を設けないようにした構造が公知である（例えば、特許文献１参照）。この接合型プレート式熱交換器のカセットプレート間に形成されたガスケット側流体流路は、プレート接触支持点がないので、固形物や繊維質の引っ掛かりや詰まりを生じさせることなく、固形物や繊維質を含む流体を流すことができる。

例えば、図６に示すカセットプレート１ｄは、伝熱面７の両サイド部分に縦方向に２条の伝熱面接合部１４ｄを有する。この２条の伝熱面接合部１４ｄでカセットプレート１ｄ自体の耐圧強度を確保し、また、カセットプレート１ｄ内部の流体流路Ａを流れる流体の流れ方向を適宜に規制する。

図６は、積層される前の一対のカセットプレート１ｄの斜視図で、同図左側のカセットプレート１ｄの裏面側に他のカセットプレート１ｄの表面側が積層される。一対のカセットプレート１ｄを積層したときの伝熱面断面を図７に示す。一対のカセットプレート１ｄを積層することで、積層方向にカセットプレート内部の流体流路Ａとカセットプレート間の流体流路Ｂが交互に並ぶ。なお、カセットプレート間の流体流路Ｂは、プレート接触支持点がなくて、ここに固形物や繊維質を含む流体を良好に流通させることができるようになっている。
特開２００１−２７２１９４号公報（図２）

図７の熱交換器においては、永久接合側流体流路Ａに熱水や冷却水などユーティリティ流体を流し、ガスケット側流体流路Ｂに固形物や繊維質を含む流体を流すことで、これら２種の流体間の良好な熱交換が行われる。しかし、互いに隣接する一対のカセットプレート１ｄの伝熱面接合部１４ｄが対向して重なる部分に、この部分の両側周辺の流路より大きな空間流路Ｂ１ができ、しかも、この空間流路Ｂ１がガスケット側流体流路Ｂにおける流体流れ方向に所定の長さで連続するため、空間流路Ｂ１で流体がショートパスし、伝熱性能の低下をもたらすことがある。即ち、両カセットプレート１ｄの伝熱面接合部１４ｄは、それぞれのプレート２の平坦部Ｎに形成されて、両伝熱面接合部１４ｄが対向して重なると、平端部Ｎと平端部Ｎが対向することになって両者間に平端部空間の概ね２倍の断面積の空間流路Ｂ１が流体流れ方向に沿ってできる。

そのため、空間流路Ｂ１で流体の流れ抵抗が小さくなり、空間流路Ｂ１で流体が他より多く流れるショートパスが発生し、均一な流れとならないため伝熱性能の低下をもたらす。さらに、空間流路Ｂ１を形成する伝熱面接合部１４ｄの平坦部Ｎでは２枚のプレートの平坦部Ｎ'同士が密着されているため、この箇所での伝熱面積は確保されず、空間流路Ｂ１でショートパスした流体の流れは、主には山部Ｍのプレート斜面のみから熱の移動ｘ１を受けることから、他の流路に比べて伝熱量は少ない。従って、空間流路Ｂ１をショートパスして流れる流体（伝熱小）と他の流体流路Ｂを流れる流体（伝熱大）がそのまま出口（通路孔）に流れ込み、出口で合流するため、十分な伝熱性能は得られない。特に高粘度流体や食品流体のプロセスにおいては、処理液の温度分布が不均一になって満足する品質が得られないことがある。

本発明の目的は、カセットプレート間の流体流路内部にある伝熱面接合部による伝熱性能低下を低減させた接合型プレート式熱交換器を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するため、２枚のプレートのシール部同士及び当該２枚のプレートの凹凸波状の伝熱面に線状に形成した平坦部同士を溶接或いはロウ付けにより永久接合したカセットプレートをガスケットを介し必要数積層して、積層方向にカセットプレート内の永久接合側流体流路と、カセットプレート間に設けられ、プレート接触支持点の無いガスケット側流体流路とを交互に形成した接合型プレート式熱交換器において、前記平坦部が、ガスケット側流体流路を流れる熱交換媒体の流体流れ方向に沿って線状に形成され、２枚のプレートの前記平坦部同士を永久接合することにより、前記カセットプレートに前記流体流れ方向に沿って線状に延びた平坦な伝熱面接合部を形成し、該伝熱面接合部を、隣接する一対のカセットプレートの伝熱面接合部が互いに重なり合わない配列パターンで各カセットプレートに形成し、一方のカセットプレートの伝熱面接合部を、前記流体流れ方向で山部及び谷部を交互に有する凹凸波状を成した他方のカセットプレートの伝熱面とプレート積層方向で対向させることにより、伝熱面接合部と凹凸波状伝熱面との間に、伝熱面接合部と山部とに囲まれる小流路と、伝熱面接合部と谷部とに囲まれる大流路とを前記流体流れ方向で交互に有する空間流路を複数形成し、空間流路の小流路を他の空間流路の大流路にプレート幅方向で隣接させたことを特徴とする。

ここで、カセットプレートを構成する２枚のプレートは凹凸にプレス成形した縦長長方形の薄い波板で、上部と下部に２つずつ二種流体の通路孔を有し、中央部が伝熱面とされる。２枚のプレートの伝熱面と上下一対の通路孔を囲う周辺部のシール部同士がレーザー溶接などで永久接合され、２枚のプレートの伝熱面に流体流れ方向に沿わせて線状に設けた接合部同士がレーザー溶接などで永久接合されて伝熱面接合部が形成される。この伝熱面接合部の線状とは直線や円弧曲線で、いずれもカセットプレート間の流体流路を流れる流体の流れ方向に沿う。また、伝熱面接合部は、カセットプレートに波板プレートの平坦部が続く凹溝状に形成される。カセットプレートにおける伝熱面接合部の数や長さは限定されず多種多様が可能である。一対のカセットプレートを互いに重合したとき、一方のカセットプレートの伝熱面接合部が他方のカセットプレートの伝熱面接合部に重ならないように、各カセットプレートの伝熱面接合部の配列パターンを決める。このようにすることで、一対のカセットプレートを重合させて形成したカセットプレート間の流体流路に、凹溝状の伝熱面接合部同士を重ねてできるような他より大きな断面積の空間流路ができず、ショートパスの防止、低減が可能となり、伝熱性能の改善が図れる。

本発明においては、互いに隣接する一対のカセットプレートを、それぞれの伝熱面接合部の配列パターンが異なる二種類で構成することができる。

この場合、二種類のカセットプレートを交互に必要数積層して接合型のプレート式熱交換器を製作する。二種類のカセットプレートとは、プレートを凹凸にプレス成形する金型が異なる二種類あることを意味する。二種類の金型は、プレートの伝熱面に形成する永久接合部形成用平坦部の配列パターンが相違する。二種類のカセットプレートの伝熱面接合部の配列パターンは、一方のカセットプレートが線状伝熱面接合部を伝熱面中央部に単数又は複数パターンで形成し、他方のカセットプレートが線状伝熱面接合部を伝熱面の中央部を除く部分に単数又は複数パターンで形成するなどして相違させる。このようにすると、二種類のカセットプレートを交互に重合しても、相互の伝熱面接合部同士は重なり合わない。

また、本発明においては、互いに隣接する一対のカセットプレートを、それぞれの伝熱面接合部の配列パターンが同じで、かつ、一対のカセットプレートの一方を他方に対して上下に１８０°反転させると相互の伝熱面接合部が重なり合わない配列パターンの同一種類で構成することができる。

この場合は、全て同一種類のカセットプレートを必要数積層して接合型のプレート式熱交換器が製作されるため、カセットプレート製作のための金型を一種類にできて、製作費の低減が可能となる。同一種類のカセットプレートは、ガスケット装着用溝と通路孔を上下左右対称パターンで形成し、伝熱面に伝熱面接合部を左右対称で、かつ、上下非対称な配列パターンで形成されたものが実用上に有効である。このカセットプレートを複数枚用意して、１カセットプレートおきに上下に１８０°反転して積層すると、隣接するカセットプレートの伝熱面接合部が互いに重なり合わず、本発明の目的が達成される。

本発明によれば、重合させた一対のカセットプレートの間に凹溝状の伝熱面接合部同士を重ねてできるような大きな断面積の空間流路ができないため、カセットプレート間での流体のショートパスが抑制されて、伝熱性能が向上し、特に高粘度流体や食品流体のプロセスにおいては、処理液の温度分布の均一化が容易となり、高い品質が得られるといった効果がある。

以下、本発明の実施形態に係る接合型プレート式熱交換器を図面に基づいて説明する。なお、上述したカセットプレート１と同一の部材、部位には同一の符号を付して説明する。

第１実施形態に係る接合型プレート式熱交換器は、図１に示すように、２種類のカセットプレート１ａ、１ｂを積層したものである。

この接合型プレート式熱交換器の一方のカセットプレート１ａは、２枚の縦長矩形波板のプレート２を重合して永久接合したもので、伝熱面７と上下２つの通路孔３、４を囲うシール部接合部１１と、他の２つの通路孔５、６の各々を囲う通路孔接合部１２、１３と、伝熱面７の中央に縦方向直線状に形成した伝熱面接合部１４ａを永久接合したものである。伝熱面接合部１４ａは、図２に示すように、凹凸波板状の伝熱面７の平坦部Ｎに形成した平坦部Ｎ'同士を突き合わせ、レーザー溶接などで永久接合している。カセットプレート１ａには、伝熱面７と上下２つの通路孔５、６を囲う台形のガスケット２１と、残り２つの通路孔３、４の各々を囲う円形のガスケット２２、２３を装着している。

他方のカセットプレート１ｂは、一方のカセットプレート１ａと同様のもので、伝熱面７に形成する伝熱面接合部１４ｂの配列パターンを、伝熱面７の中央を除く両サイド部に１条ずつ流体流れ方向に沿う縦方向に直線状に形成したものである。

この接合型プレート式熱交換器は、この２種類のカセットプレート１ａ、１ｂを交互に積層したものである。

この接合型プレート式熱交換器は、図２に示すように、カセットプレート間のガスケット側流体流路Ｂがプレート接触支持点のなく、固形物や繊維質を含む流体を流すのに適した流路になる。このガスケット側流体流路Ｂでは、一方のカセットプレート１ａに形成した伝熱面中央の伝熱面接合部１４ａと、他方のカセットプレート１ｂの伝熱面両サイド部に設けた伝熱面接合部１４ｂが、相互に横に位置ずれした状態にあって重なり合わず、波板プレートの平坦部Ｎに形成した各伝熱面接合部１４ａ、１４ｂは相手プレートの山部Ｍｂ、Ｍａと対向している。

そのため、各伝熱面接合部１４ａと相手プレートとの間に形成される空間流路Ｂ２では、伝熱面接合部１４ａと山部Ｍｂに囲まれる流路と、伝熱面接合部１４ａと平坦部Ｎｂ'に囲まれる流路が交互に形成され、空間流路Ｂ３においても、伝熱面接合部１４ｂと平坦部Ｎａに囲まれる流路と、伝熱面接合部１４ｂと山部Ｍａ'に囲まれる流路が交互に形成されるため、流路の流れ抵抗に差はなくなる。このため、ショートパスが抑制されて、ショートパスで伝熱性能が低下する虞がなくなる。また、伝熱面接合部１４ａ、１４ｂと対向する相手プレートの山部Ｍａ'、Ｍｂの頂面や平坦部Ｎａ、Ｎｂ'及び斜面が伝熱面として熱の移動ｘ２、ｘ３を受けるため、流れ全体に対して均一な伝熱をさせる手段になる。実際、高粘度流体や食品流体のプロセスにおいては、処理液の温度分布を均一にでき、満足する品質が得られる。

以上、第１実施形態に係る接合型プレート式熱交換器を説明したが、この接合型プレート式熱交換器の一対のカセットプレート１ａ、１ｂの伝熱面接合部１４ａ、１４ｂは、それぞれの配列パターンを多種多様なパターンに変更することができ、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。

次に、本発明の第２実施形態に係る接合型プレート式熱交換器を説明する。

第２実施形態に係る接合型プレート式熱交換器のカセットプレート１ｃは、図３に示すように、縦長長方形の２枚のプレート２を永久接合したもので、伝熱面７と上下２つの通路孔３、４を囲うシール部接合部１１と、他の２つの通路孔５、６の各々を囲う通路孔接合部１２、１３を上下及び左右対称に形成し、さらに、伝熱面７と上下２つの通路孔５、６を囲うガスケット２１と、残り２つの通路孔３、４の各々を囲うガスケット２２、２３を上下及び左右対称に装着している。なお、ここでの「上下対称」とは、縦長長方形のプレート２の横中心線に対して対象であることを意味し、「左右対称」とはプレートの縦中心線に対して対象であること意味する。

このカセットプレート１ｃは、伝熱面７の上部両サイド部に縦方向に形成した２条の伝熱面接合部１４ｃ、１４ｅと、伝熱面７の下部中央に縦方向に形成した１条の伝熱面接合部１４ｆを溶接したものである。このカセットプレート１は、図３に示すように、交互に上下に１８０°反転させて積層して使用する。

このカセットプレート１ｃを積層したときの伝熱面横断面は、図４に示すように、カセットプレート内部の永久接合側流体流路Ａと、隣接するカセットプレート間のガスケット側流体流路Ｂが交互に並んでいる。このうちガスケット側流体流路Ｂは、プレート接触支持点がなく、固形物や繊維質を含む流体を流通させるのに適した流路になっている。また、隣接するカセットプレート１ｃ、１ｃの伝熱面接合部１４ｃ、１４ｅと１４ｆが上下非対称になるので、ガスケット側流体流路Ｂでは、両カセットプレートの伝熱面接合部伝熱面接合部１４ｃ、１４ｅが重なり合うことがなく、この場合も波板プレートの平坦部Ｎに形成した各伝熱面接合部１４ｃ、１４ｅは、それぞれ相手プレートの山部Ｍｂ、Ｍｅと対向し、伝熱面接合部１４ｆは山部Ｍｃと対向することになる。

そのため、各伝熱面接合部１４ｃと相手プレートとの間に形成される空間流路Ｂ４には、伝熱面接合部１４ｃと山部Ｍｂに囲まれた流路と、伝熱面接合部１４ｃと平坦部Ｎｃに囲まれた流路が交互に形成され、Ｂ５においても伝熱面接合部１４ｆと山部Ｍｃに囲まれた流路と、伝熱面接合部１４ｆと平坦部Ｎｆに囲まれた流路が交互に形成さる。さらに、Ｂ６においては、伝熱面接合部１４ｅと山部Ｍｅに囲まれた流路と、伝熱面接合部１４ｅと平坦部Ｎｅに囲まれた流路が交互に形成されるため、流体の流れ抵抗に差はなくなる。このためショートパスが抑制されて、伝熱性能低下を防止できる。さらに、伝熱面接合部１４ｃ、１４ｆと対向する相手プレートの山部Ｍｂ、Ｍｃの頂面又は斜面が、伝熱面として熱の移動ｘ４、ｘ５を受け、伝熱面接合部１４ｅと対向する相手プレートの平坦部Ｎｅが伝熱面として熱の移動ｘ６を受けるため、流れ全体に対して均一な伝熱をさせる手段になる。

この第２実施形態の接合型プレート式熱交換器によれば、１種類の伝熱面接合部を有するカセットプレートで構成することができるので、製造コストを安価にすることができる。

なお、本発明の接合型プレート式熱交換器は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

第１実施形態の接合型プレート式熱交換器のカセットプレートを示す斜視図である。図１のカセットプレートを積層したときの伝熱面を示す部分拡大横断面図である。第２実施形態の接合型プレート式熱交換器のカセットプレートを示す斜視図である。図２のカセットプレートを積層したときの伝熱面を示す部分拡大横断面図である。従来の接合型プレート式熱交換器で使用されるカセットプレートの斜視図である。図５のカセットプレートに伝熱面接合部を形成して２枚を積層するときの斜視図である。図６の２枚のカセットプレートを積層したときの伝熱面の部分拡大横断面図である。

符号の説明

１、１ａ〜１ｃカセットプレート
２プレート
３〜６通路孔
７伝熱面
１１〜１３接合部
１４ａ〜１４ｆ伝熱面接合部
２１〜２３ガスケット
Ａ，Ｂ流体流路
Ｂ２〜Ｂ６空間流路
Ｍ山部
Ｎ平坦部
ｘ２〜ｘ６熱移動

Claims

２枚のプレートのシール部同士及び当該２枚のプレートの凹凸波状の伝熱面に線状に形成した平坦部同士を溶接或いはロウ付けにより永久接合したカセットプレートをガスケットを介し必要数積層して、積層方向にカセットプレート内の永久接合側流体流路と、カセットプレート間に設けられ、プレート接触支持点の無いガスケット側流体流路とを交互に形成した接合型プレート式熱交換器において、
前記平坦部が、ガスケット側流体流路を流れる熱交換媒体の流体流れ方向に沿って線状に形成され、２枚のプレートの前記平坦部同士を永久接合することにより、前記カセットプレートに前記流体流れ方向に沿って線状に延びた平坦な伝熱面接合部を形成し、該伝熱面接合部を、隣接する一対のカセットプレートの伝熱面接合部が互いに重なり合わない配列パターンで各カセットプレートに形成し、一方のカセットプレートの伝熱面接合部を、前記流体流れ方向で山部及び谷部を交互に有する凹凸波状を成した他方のカセットプレートの伝熱面とプレート積層方向で対向させることにより、伝熱面接合部と凹凸波状伝熱面との間に、伝熱面接合部と山部とに囲まれる小流路と、伝熱面接合部と谷部とに囲まれる大流路とを前記流体流れ方向で交互に有する空間流路を複数形成し、空間流路の小流路を他の空間流路の大流路にプレート幅方向で隣接させたことを特徴とする接合型プレート式熱交換器。
前記互いに隣接する一対のカセットプレートを、それぞれの伝熱面接合部の配列パターンが異なる二種類以上で構成したことを特徴とする請求項１記載の接合型プレート式熱交換器。
前記互いに隣接する一対のカセットプレートを、それぞれの伝熱面接合部の配列パターンが同じで、かつ、一対のカセットプレートの一方を他方に対して上下反転させると相互の伝熱面接合部が重なり合わない配列パターンである同一種類で構成したことを特徴とする請求項１記載の接合型プレート式熱交換器。