JP6391044B2 - プレート式熱交換器およびそのペアプレート - Google Patents

Description

本発明は、いわゆるダブルウォール仕様のプレート式熱交換器、およびそのペアプレートに関する。

プレート式熱交換器の具体例としては、熱交換対象流体としての２種類の流体を流通させるための流路を、複数組のペアプレートを用いて構成したダブルウォール仕様のものがある（たとえば、特許文献１〜３）。ペアプレートは、形状およびサイズが略同一に形成された上下２枚の伝熱プレートを重ね合わせ、かつ接合させたものである。
このような構成によれば、ペアプレートの一部に仮に破損が発生し、流路内の流体が破損箇所から漏出する事態が発生したとしても、この流体が前記流路の隣に位置する他の流路に直ちに流入することは防止され、２種類の熱交換対象流体どうしが混合しないようにすることが可能である。また、ペアプレートは、たとえば１枚の金属板を加工して形成されただけの伝熱プレート（非ペアプレート）と比較して強度を高くし、全体の耐久寿命なども長くすることが可能である。

しかしながら、前記従来技術においては、次に述べるように、改善すべき余地があった。

すなわち、ペアプレートの一部に破損が生じるなどして、ペアプレートの内側（上下２枚の伝熱プレートの相互間の隙間）に流路内の流体が流入する異常事態が発生した場合には、その旨を適切に検知できるようにすることが望まれる。前記した異常の発生を検知するための手法としては、ペアプレートの内側に流入した流体をペアプレートの外部に流出させるようにし、この流体をペアプレートの外部においてセンサなどを用いて検知する手法が考えられる。
このような手法を実現するには、ペアプレートを構成する上下２枚の伝熱プレートを接合する場合に、前記した流体がペアプレートの外部に流出可能な隙間が生じるように設定する必要がある。伝熱プレートの接合手段としては、一般的にロウ付けが採用されているが、このようなロウ付けを行なう場合、たとえば上下２枚の伝熱プレートの全周どうしを隙間なくロウ付けしたのでは、外部への流体流出が困難となる。ロウ付けされていない箇所を部分的に設ければ、ペアプレートの外部への流体流出が可能となるものの、このような仕様に適切に仕上げることは難しく、ロウ付けが不適切である場合には、ペアプレートの強度を十分に確保することができない。従来においては、このような点において苦慮するものとなっていた。

特許第２５４７２３１号公報 特許第３０４３０６６号公報 特許第５５４５１９８号公報

本発明は、前記したような事情のもとで考え出されたものであり、内部の流体漏れ発生時に外部への流体流出を可能としつつ、上下２枚の伝熱プレートを適切に接合することが可能なプレート式熱交換器のペアプレート、およびこれを備えたプレート式熱交換器を提供することを、その課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。

本発明の第１の側面により提供されるプレート式熱交換器のペアプレートは、プレート本体部の外周縁に下向き突出状の周壁部が連設された構成をそれぞれ有する上側および下側の伝熱プレートを備えており、これら上側および下側の伝熱プレートは、前記上側の伝熱プレートの周壁部が前記下側の伝熱プレートの周壁部に外嵌されるようにして互いに重ね合わされ、かつ前記上側の伝熱プレートの周壁部の下端縁が、前記下側の伝熱プレートの周壁部にロウ付けされている、プレート式熱交換器のペアプレートであって、前記上側の伝熱プレートの周壁部には、この周壁部の前記下端縁よりも外方に向けて突出する少なくとも１つのフランジ部が連設されており、このフランジ部が設けられた位置においては、前記上側および下側の伝熱プレートの周壁部どうしのロウ付けが回避された構成とされていることを特徴としている。
前記構成は、ペアプレートを水平な姿勢に設定した状態における構成（上下などの位置関係）であり、必ずしもペアプレートを備えたプレート式熱交換器の実際の使用状況（たとえば、横倒し姿勢の使用状況）下における構成ではない。

このような構成によれば、次のような効果が得られる。
第１に、前記した構成におけるロウ付けは、後述する実施形態においても説明するように、たとえば上側の伝熱プレートの本体プレート上にロウ材を載せて加熱溶融させ、溶融したロウ材を上側の伝熱プレートの周壁部および下側の伝熱プレートの周壁部の外面に沿って流れさせることにより行なうことが可能である。このようなロウ付けの手法を採用した場合、フランジ部の先端裏側にロウ材が回り込まないようにし、フランジ部が設けられた位置においては、上側および下側の伝熱プレートの周壁部どうしのロウ付けがなされないようにすることができる。これに対し、フランジ部が設けられていない位置においては、上側の伝熱プレートの周壁部の下端縁と下側の伝熱プレートの周壁部との間に溶融したロウ材を到達させ、この部分をロウ付けすることができる。このように、本発明が意図するロウ付けは、簡易な手法により実現することができ、生産コストを廉価に抑制することが可能である。
第２に、フランジ部が設けられた位置においては、上側および下側の伝熱プレートの周壁部どうしのロウ付けが回避されているために、この部分を、流体漏れ発生時において上側および下側の伝熱プレートの相互間に流入した流体を外部へ流出させるための部分とすることが可能となる。したがって、ペアプレートの内部への流体漏れが発生した場合に、これを的確に検知することの実現に役立つ。
第３に、上側および下側の伝熱プレートのそれぞれの周壁部のうち、前記フランジ部が設けられていない箇所においては、適切にロウ付けを図ることが可能である。したがって、上側および下側の伝熱プレートの接合強度を適切に確保することができる。本発明では、フランジ部をどの位置にどのようなサイズで設けるかによって、上側および下側の伝熱プレートの接合強度などを適宜変更することが可能であり、設計製作も容易である。

本発明において、好ましくは、前記フランジ部は、先上がり状に湾曲または屈曲した形態とされている。

このような構成によれば、ロウ付けする際に、溶融したロウ材がフランジ部の先端を乗り越えてフランジ部の下側または裏側に回り込むことが一層確実に防止され、ペアプレートの外部への流体流出が可能な部分を確実に確保する上で、より好ましいものとなる。また、溶融したロウ材が、フランジ部の上面に一時的に溜められてから、その後にフランジ部の側方に振り分けられるように流れる作用も得られることとなる。これは、フランジ部が設けられていない箇所にロウ材を多く供給し、この部分のロウ付けを、より確実なもの
にする効果をもたらす。

本発明において、好ましくは、前記上側および下側の伝熱プレートの両プレート本体部の四隅部分のそれぞれの近傍には、熱交換対象流体通過用の上下一対の孔部が対向して設けられ、かつ前記両プレート本体部は、前記一対の孔部の対向領域を囲むロウ材を介して互いに接合されており、前記フランジ部は、前記上側の伝熱プレートの周壁部の四隅部分に設けられている。

このような構成によれば、前記一対の孔部の対向領域を囲むロウ材は、前記一対の孔部を通過する熱交換対象流体が上側および下側の伝熱プレートの相互間に漏出することを防止するシール材としての役割を果たすとともに、上側および下側の伝熱プレートの接合強度をさらに高める役割を果たす。一方、前記フランジ部は、前記一対の孔部に対応した配置(周壁部の四隅部分)に設けられているために、前記一対の孔部が設けられている箇所の近傍に、ペアプレート外部への流体流出が可能な部分を設けることができる。これは、前記ロウ材の箇所に流体漏れが発生した場合に、この流体をペアプレートの外部に早期に流出させ得る利点をもたらす。

本発明の第２の側面により提供されるプレート式熱交換器は、本発明の第１の側面により提供されるプレート式熱交換器のペアプレートが用いられていることを特徴としている。
このような構成によれば、本発明の第１の側面により提供されるプレート式熱交換器のペアプレートについて述べたのと同様な効果が得られる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行なう発明の実施の形態の説明から、より明らかになるであろう。

本発明が適用されたプレート式熱交換器の一例を示す分解斜視図である。 図１に示すプレート式熱交換器の組立状態の要部断面図である。 （ａ）は、図１および図２に示すプレート式熱交換器のペアプレートの斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）のIIIb−IIIb断面図である。 （ａ）は、図３に示すペアプレートの分解斜視図であり、（ｂ）は、その断面図である。 図３に示すペアプレートの製造に際してその上面にロウ材を載せた状態の一例を示す斜視図である。 （ａ）は、溶融したロウ材の流れる状態を示す要部斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）のVIb−VIb断面図であり、（ｃ）は、（ａ）のVIc−VIc断面図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。

図１に示すプレート式熱交換器ＨＥは、たとえばヒートポンプの凝縮器などとして用いられるものであり、たとえばＲ４１０に代表されるＨＦＣ冷媒などの冷媒と、湯水との２種類の流体間で熱交換を行なわせるものである。このプレート式熱交換器ＨＥは、ダブルウォール仕様であり、後述する第１および第２のペアプレートＰ１，Ｐ２の具体的な構成を除き、全体の基本的な構成自体は、従来既知のものと同様である。したがって、この点については、簡単に説明する。

プレート式熱交換器ＨＥは、天板としての端板４、複数の第１および第２のペアプレートＰ１，Ｐ２、エンドプレート５０、および底板としての端板４Ａを具備している。これ
らは、いずれもステンレス製などの金属板をプレス加工して形成され、その平面視形状は、略矩形状である。また、これらの部材は、厚み方向に積層され、かつロウ付けされている。なお、図面においては、第１および第２のペアプレートＰ１，Ｐ２などが上下高さ方向に積層した起立状態に示されているが、プレート式熱交換器ＨＥは、これとは異なり、横倒し状態で用いられる場合が多い。以降の説明における各部の上下関係などの配置は、図面に則したものとする。

端板４には、冷媒の流入口４１ならびに流出口４２、および湯水の流入口４３および流出口４４が設けられている。第１および第２のペアプレートＰ１，Ｐ２は、１つずつ交互に積層されており、これらによって冷媒用の流路６Ａと湯水用の流路６Ｂとが上下方向に交互に位置するように形成されている。第１および第２のペアプレートＰ１，Ｐ２の四隅部分近傍には、熱交換対象流体通過用の開口部１３（１３Ａ〜１３Ｄ）が設けられている。端板４の流入口４１に供給された冷媒は、開口部１３Ａを下向きに通過しつつ、その一部は冷媒用の複数の流路６Ａのそれぞれに進行していき、各流路６Ａを流通した湯水は、開口部１３Ｂを上向きに通過して流出口４２に到る（図２も参照）。一方、流入口４３に供給された湯水は、開口部１３Ｃを下向きに通過しつつ、その一部は水用の複数の流路６Ｂのそれぞれに進行していき、各流路６Ｂを流通した水は、開口部１３Ｄを上向きに通過して流出口４４に到る。このような経路で冷媒および湯水が流通すると、これらの間においては第１および第２のペアプレートＰ１，Ｐ２を介して熱交換がなされ、冷媒の凝縮、および湯水加熱がなされる。

図３および図４に示すように、第１のペアプレートＰ１は、上側および下側の伝熱プレート１Ａ，１Ｂを組み合わせて構成されている（上側および下側の伝熱プレート１Ａ，１Ｂは所定の隙間を隔てて図示されているが、この隙間は模式的に示したものであり、実際には前記隙間は極小さく形成される）。これら上側および下側の伝熱プレート１Ａ，１Ｂは、後述するフランジ部１２の有無を除き、全体の形状およびサイズが略同一であり、平面視略矩形上のプレート本体部１０ａ，１０ｂと、これらプレート本体部１０ａ，１０ｂに一体的に形成され、かつ前記プレート本体部１０ａ，１０ｂの外周縁から下向きに突出した周壁部１１ａ，１１ｂとを有している。プレート本体部１０ａ，１０ｂは、その四隅部分の近傍に開口部１３（１３Ａ〜１３Ｄ）を構成する孔部１３ａ，１３ｂが上下対向するように設けられ、かつこれら孔部１３ａ，１３ｂの形成箇所以外の広い領域が断面波形状の波板部１４ａ，１４ｂとされた構成を有している。波板部１４ａ，１４ｂは、伝熱面積を大きくするとともに、冷媒や湯水の攪拌を促進し、熱交換効率を高めるのに役立つ。

周壁部１１ａ，１１ｂは、下拡がり状に傾斜した下向き突出状である。上側の伝熱プレート１Ａの周壁部１１ａには、複数のフランジ部１２が一体的に連設されている。各フランジ部１２は、周壁部１１ａのうち、フランジ部１２以外の箇所の下端縁よりも周壁部１１ａの外方に向けて突出している。各フランジ部１２は、好ましくは、図４の部分拡大図によく表われているように、先上がり状に湾曲または屈曲しており、各フランジ部１２の上面は窪んだ形態とされている。複数のフランジ部１２は、周壁部１１ａの長手方向に適当な間隔を隔てて設けられており、また周壁部１１ａの四隅部分にも設けられている。一方、下側の伝熱プレート１Ｂの周壁部１１ｂには、フランジ部１２に相当する部位は設けられていない。

上側および下側の伝熱プレート１Ａ，１Ｂは、周壁部１１ａが周壁部１１ｂに外嵌するようにして上下に重ね合わされ、かつロウ付けされている。ロウ付けは、周壁部１１ａの下端縁と周壁部１１ｂの外面との間で行なわれている。ただし、フランジ部１２が設けられている部分（図６（ａ）の領域Ｓａ）においては、周壁部１１ａ，１１ｂどうしのロウ付けはなされておらず、これ以外の領域Ｓｂがロウ付け領域とされている。図３（ｂ）によく表われているように、プレート本体部１０ａ，１０ｂどうしは、複数のロウ材９０を
介してロウ付けされている。ロウ材９０は、開口部１３を構成する孔部１３ａ，１３ｂの対向領域を囲む環状である。

前記したロウ付けは、たとえば次のような方法で行なわれる。
まず、図５に示すように、プレート本体部１０ａ上に、シート状のロウ材９１を配置する。このロウ材９１は、開口部１３を避けるように形成されており、好ましくは、プレート本体部１０ａの上面をできるだけ大きな面積で覆うサイズとされている。上側および下側の伝熱プレート１Ａ，１Ｂの相互間には、図３（ｂ）で示したロウ材９０も配設しておく。このような設定状態において、ロウ材９０，９１を加熱溶融させる。すると、ロウ材９１については、図６（ａ）の矢印で示すように流れる。具体的には、溶融ロウ材は、上側の伝熱プレート１Ａのプレート本体部１０ａ上から周壁部１１ａの外面に沿って流れ、さらに下方へ流れていく。この過程において、フランジ部１２が設けられていない領域においては、溶融ロウ材の一部が、図６（ｃ）で示す周壁部１１ａの下端縁の下側領域ｎ１に回り込み、この下端縁と周壁部１１ｂの外面とはロウ付けされる。

一方、図６（ｂ）で示すように、フランジ部１２が設けられた箇所においては、このフランジ部１２の下側への溶融ロウ材の回り込みはない。このため、フランジ部１２が設けられた箇所においては、周壁部１１ａ，１１ｂどうしのロウ付けはなされない。フランジ部１２は先上がり状に湾曲または屈曲しているため、前記した溶融ロウ材の回り込みは、一層確実に防止される。図６（ａ）に示すように、フランジ部１２に到達した溶融ロウ材は、フランジ部１２の左右に振り分けられるようにしてフランジ部１２から流れる。この溶融ロウ材の流れは、フランジ部１２が設けられていない箇所において、周壁部１１ａ，１１ｂどうしをより確実に接合させるのに役立つ。

図２において、第２のペアプレートＰ２は、第１のペアプレートＰ１とは、プレート本体部１０ａ，１０ｂの構成が若干相違しているものの、これ以外については、第１のペアプレートＰ１と同様な構成である。図２に示す一部の第２のペアプレートＰ２については、第１のペアプレートＰ１と同一または類似の要素に対して第１のペアプレートＰ１と同一の符号を付すこととし、その重複説明は省略する。
なお、図５および図６を参照して説明したロウ付け作業は、プレート式熱交換器ＨＥの製造に際し、第１および第２のペアプレートＰ１，Ｐ２ごとに個別に行なわれるものではない。プレート式熱交換器ＨＥの製造に際しては、まず複数の第１および第２のペアプレートＰ１，Ｐ２の構成要素を積層させることにより、ロウ付けされていない状態のプレート式熱交換器ＨＥを組み立て、かつこれを加熱炉に搬入して加熱することにより、各部のロウ付けを纏めて行なわせることとなる。

次に、前記したプレート式熱交換器ＨＥの作用について説明する。

まず、第１および第２のペアプレートＰ１，Ｐ２のうち、第１のペアプレートＰ１を代表例として説明する。図６を参照して既述したように、第１のペアプレートＰ１のうち、フランジ部１２が設けられた領域Ｓａは、周壁部１１ａ，１１ｂどうしのロウ付けがなされていないために、この領域Ｓａを、第１のペアプレートＰ１内に流入した液体を外部へ流出させるための部分とすることが可能である。

より具体的には、たとえば下側の伝熱プレート１Ｂに亀裂が発生し、あるいはロウ材９０によるロウ付け箇所に隙間が発生するなどの異常があると、第１のペアプレートＰ１の内側（上側および下側の伝熱プレート１Ａ，１Ｂの相互間の隙間）に流体（冷媒または湯水）が流入する。このような流体については、周壁部１１ａ，１１ｂの両者間の位置を通過させ、かつ前記したロウ付けがなされていない領域Ｓａから第１のペアプレートＰ１の外部に流出させることが可能である。図６（ｂ）に示すように、周壁部１１ａ，１１ｂど
うしは接触しており、流体流出用の隙間が積極的に設けられた構成とはなっていないが、前記流体は所定の圧力をもっているため、この圧力により周壁部１１ａ，１１ｂどうしの間を通過し、第１のペアプレートＰ１の外部に円滑に流出することとなる。

このようにして、第１のペアプレートＰ１の外部に流体を流出させれば、その旨を適当なセンサを用いて検出することにより、第１のペアプレートＰ１の内部に流体（冷媒または湯水）が流入している異常事態が生じていることを的確に察知し、適切な対応策を講じることができる。周壁部１１ａの四隅部分には、フランジ部１２が設けられ、熱交換対象流体通過用の開口部１３（１３Ａ〜１３Ｄ）の近傍に流体流出が可能な部分が設けられているため、開口部１３の位置において流体漏洩があった場合には、この流体を周壁部１１ａの四隅部分の位置から外部へ迅速に流出させることが可能である。

上側および下側の伝熱プレート１Ａ，１Ｂの周壁部１１ａ，１１ｂは、フランジ部１２が設けられていない領域Ｓｂにおいては、適切にロウ付けされている。また、プレート本体部１０ａ，１０ｂどうしも、ロウ材９０を介して接合されている。このため、上側および下側の伝熱プレート１Ａ，１Ｂどうしの接合強度を適切に確保することが可能である。フランジ部１２の数、配置、サイズなどを適宜に選択することにより、上側および下側の伝熱プレート１Ａ，１Ｂどうしの接合強度などを最適化することが可能であり、第１のペアプレートＰ１の設計製作も容易である。
第２のペアプレートＰ２についても、第１のペアプレートＰ１について述べたのと同様な作用が得られる。

本発明は、上述した実施形態の内容に限定されない。本発明に係るペアプレート、およびプレート式熱交換器の各部の具体的な構成は、本発明の意図する範囲内において種々に設計変更自在である。

本発明でいうフランジ部は、伝熱プレートの周壁部に少なくとも１箇所設けられていればよく、その具体的な数や配置は、種々に変更可能である。また、フランジ部は、周壁部のうち、フランジ部が設けられていない他の部分の下端縁よりも周壁部の外方に向けて突出した形態であればよく、必ずしも先上がり状に湾曲または屈曲していなくてもよい。フランジ部を、たとえば単なる水平状に突出した形態、あるいは先下がり状に傾斜した形態などに形成してもかまわない。

本発明に係るプレート式熱交換器は、ヒートポンプの凝縮器として用いられるものに限らず、これ以外の用途に用いることも可能である。したがって、熱交換対象となる２種類の流体も、冷媒と湯水との組み合わせに限定されず、具体的な種類は問わない。

ＨＥ プレート式熱交換器
Ｐ１，Ｐ２ 第１および第２のペアプレート（ペアプレート）
１Ａ，１Ｂ 上側および下側の伝熱プレート
１０ａ，１０ｂ プレート本体部
１１ａ，１１ｂ 周壁部
１２ フランジ部
１３ａ，１３ｂ 孔部
９０，９１ ロウ材

Claims (4)

1. プレート本体部の外周縁に下向き突出状の周壁部が連設された構成をそれぞれ有する上側および下側の伝熱プレートを備えており、
   これら上側および下側の伝熱プレートは、前記上側の伝熱プレートの周壁部が前記下側の伝熱プレートの周壁部に外嵌されるようにして互いに重ね合わされ、かつ前記上側の伝熱プレートの周壁部の下端縁が、前記下側の伝熱プレートの周壁部にロウ付けされている、プレート式熱交換器のペアプレートであって、
   前記上側の伝熱プレートの周壁部には、この周壁部の前記下端縁よりも外方に向けて突出する少なくとも１つのフランジ部が連設されており、このフランジ部が設けられた位置においては、前記上側および下側の伝熱プレートの周壁部どうしのロウ付けが回避された構成とされていることを特徴とする、プレート式熱交換器のペアプレート。
2. 請求項１に記載のプレート式熱交換器のペアプレートであって、
   前記フランジ部は、先上がり状に湾曲または屈曲した形態とされている、プレート式熱交換器のペアプレート。
3. 請求項１または２に記載のプレート式熱交換器のペアプレートであって、
   前記上側および下側の伝熱プレートの両プレート本体部の四隅部分のそれぞれの近傍には、熱交換対象流体通過用の上下一対の孔部が対向して設けられ、かつ前記両プレート本体部は、前記一対の孔部の対向領域を囲むロウ材を介して互いに接合されており、
   前記フランジ部は、前記上側の伝熱プレートの周壁部の四隅部分に設けられている、プレート式熱交換器のペアプレート。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載のプレート式熱交換器のペアプレートが用いられていることを特徴とする、プレート式熱交換器。

Images