JP6485918B2 - プレート型熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、流体間の熱交換を行うプレート型熱交換器に関する。

流体間の熱交換を行う熱交換器には、チューブ型熱交換器とプレート型熱交換器があり、多くの流体に使用されている。チューブ型熱交換器はチューブの内外を流れる流体間の熱交換を行うもので、チューブの内部に高圧の流体を外部に低圧の流体を流すことで、高圧の流体での使用が可能である。しかし、伝熱面積がチューブ表面に限られているために、チューブの本数が多くなり、容積と重量が大きくなっている。

他方、プレート型熱交換器は、板状のプレートの両面に流体を流して熱交換を行うもので、軽量コンパクト化が可能であるが、耐圧能力には限界があり、大型の熱交換器の開発は困難である。また、プレート型熱交換器の出入口は、一般に、積層したプレート面（伝熱面）に設けられることから、出入口面積を大きくすると伝熱面積が減少し、熱交換能力が低下するという問題がある。

また、従来のプレート熱交換器は、プレート面に作用する流体の圧力を両サイドの支持板で受け止めるために、支持板の厚みをプレートの面積が大きくなるにつれて厚くせざるを得ないという問題もあった。

さらに、加熱側または冷却側の流体は、このシステム外部から取り込まれるために、各種の汚染物質を含む可能性があり、伝熱面への付着により伝熱性能低下の要因となるため、伝熱面の洗浄が可能な構造が望まれている。

特許第３４４５３８７号公報 特開２０１５−４９０３７号公報

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、本発明の課題は、伝熱面の面積を大きく維持したまま、少なくとも一方の流体の出入口を大きくすることにより、伝熱効率を高く維持することができる、洗浄が容易で、コンパクト化の図られたプレート型熱交換器を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決すべく、伝熱面の面積を大きく保つこと、少なくとも一方の流体の出入口を大きくすること、少なくとも一方の伝熱面の開放洗浄が可能なこと、生産コスト低減のためにプレス加工が可能なこと等を念頭におき、鋭意検討した結果、プレス加工により凹凸部を形成した多数のプレスプレート間に、異なるスペーサを交互に配置して、２方向の流体の出入口及び流路を形成することにより、上記課題を解決できることを見いだし、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、［１］プレス加工により行列状の点状凸部が形成されたプレートが並列配置された多数のプレートと、該多数のプレート間に挟設された多数のスペーサとを備えたプレート型熱交換器であって、前記スペーサは、プレート面の縁に所定間隔をあけて設けられ、プレート面と共に第１の流路を形成する第１のスペーサと、プレート面の縁に所定間隔をあけて設けられ、プレート面と共に前記第１の流路と異なる方向の出入口を有する第２の流路を形成する第２のスペーサとを具備してなり、前記第１のスペーサ及び第２のスペーサが、前記多数のプレート間に交互に配置されてなり、前記並列配置された多数のプレートは、同一のプレートが２枚一体となった一体型プレートが多数並列配置されたものであり、該一体型プレートは、２枚のプレートのうちの一方のプレートの点状凸部の間の平面部に、上下１８０°回転させた他方のプレートの点状凸部が接合されてなることを特徴とするプレート型熱交換器に関する。

また、本発明は、［２］第２の流路の出入口が、第１の流路の出入口と直交することを特徴とする上記［１］記載のプレート型熱交換器や、［３］第１のスペーサが、プレート面の角縁に対向配置された一対のＬ字状スペーサであると共に、第２のスペーサが、プレート面の両縁に平行に延設された一対の直線状スペーサであることを特徴とする上記［２］記載のプレート型熱交換器や、［４］一体型プレートが、２枚のプレート間に第１又は第２のスペーサが狭設されると共に、両外側面に第２又は第１のスペーサが設けられて構成されていることを特徴とする上記［１］〜［３］のいずれか記載のプレート型熱交換器や、［５］一体型プレートが、２枚のプレート間にＬ字状スペーサが狭設されると共に、両外側面に直線状スペーサが設けられて構成されていることを特徴とする上記［４］記載のプレート型熱交換器や、［６］プレートの下方に液溜が設けられていることを特徴とする上記［１］〜［５］のいずれか記載のプレート型熱交換器に関する。

さらに、本発明は、［７］上記［１］〜［６］のいずれかに記載のプレート型熱交換器に用いられる伝熱プレートであって、プレス加工により行列状の点状凸部が形成された２枚の同一のプレートのうちの一方のプレートの点状凸部の間の平面部に、上下１８０°回転させた他方のプレートの点状凸部が接合されてなり、２枚のプレート間に第１又は第２のスペーサが狭設されると共に、該２枚のプレートが、プレートの凸部及びプレートの平面部が接合されることにより一体となり、さらに両外側面に第２又は第１のスペーサが設けられて構成されたことを特徴とする一体型伝熱プレートや、［８］２枚のプレート間にＬ字状スペーサが狭設されると共に、両外側面に直線状スペーサが設けられて構成されたことを特徴とする［７］の一体型伝熱プレートに関する。

本発明のプレート型熱交換器によれば、伝熱面の面積を大きく維持したまま、少なくとも一方の流体の出入口を大きくすることができ、伝熱効率を高く維持することができる。また、プレート面の洗浄が容易であり、装置そのものもコンパクトである。

本発明の一実施形態に係るプレート型熱交換器の概要構成を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係るプレート型熱交換器のプレスプレートを２００枚組み合わせた状態を示す斜視図である。 プレスプレートの概要構成を示す図である。 プレスプレートの一方の伝熱面にＬ字状スペーサを配設した状態を示す図である。 図４に示すプレスプレートの手前にもう一枚のプレートを組み合わせた状態を示す図である。 本発明の他の実施形態に係るプレート型熱交換器の概要構成を示す斜視図である。

本発明のプレート型熱交換器としては、凹凸部を有するプレートが並列配置された多数のプレートと、該多数のプレート間に挟設された多数のスペーサを備えたプレート型熱交換器であって、前記スペーサは、プレート面の縁に所定間隔をあけて設けられ、プレート面と共に第１の流路を形成する第１のスペーサと、プレート面の縁に所定間隔をあけて設けられ、プレート面と共に前記第１の流路と異なる方向の出入口を有する第２の流路を形成する第２のスペーサとを具備してなり、前記第１のスペーサ及び第２のスペーサが、前記多数のプレート間に交互に配置されてなるプレート型熱交換器であれば特に制限されるものではなく、本発明のプレート型熱交換器は、用いる流体によって種々の機能を発揮し、例えば、水の蒸発器、水の凝縮器、高温ガスと空気の熱交換器として好適に用いることができる。

以下、プレート型熱交換器の各構成要素について具体的に説明する。

［プレート］
本発明のプレートは、高い伝熱性を有する材料から構成され、一方の面が第１の流体が接する第１伝熱面となり、他方の面が第２の流体が接する伝熱面となる。また、伝熱面には、伝熱効率を担保するために凹凸部が形成されている。

プレートの形状としては、正方形、長方形等の矩形状の板状部材を例示することができ、長方形の場合、通常、長辺を垂直方向に立設し、水平方向に並設されるが、水平方向に積層して配置することも可能である。

プレートの並列配置される枚数としては、その使用用途等によって伝熱面積を十分確保できる程度に適宜調整することができるが、本発明においては多数のプレートを配置することが可能であり、例えば、２００枚以上とすることができ、１０００枚以上とすることができる。並列配置の方法としては、通常、凸部（又は凹部）を同一方向にして配設されるが、異なる方向に配設されてもよい。

本発明のプレートの凹凸部はプレス加工により成形されることが好ましい。これにより、安価に凹凸部を有するプレートを製造することが可能となる。

本発明のプレートにおける凹凸部は、各プレートの少なくとも一部、好ましくは伝熱面全面に設けられ、その形状としてはいかなる形状であってもよいが、例えば、点状凹凸部や筒状凹凸部を挙げることができる。点状凹凸部は、例えば、行列状に配設することができ、その具体的な形状としては、立方体、直方体、半球等の形状とすることができる。

また、プレートには、点状凹凸部の他に、筒状凹凸部を設けることができる。この場合、プレートの中央部が筒状凹凸部であり、その筒の軸方向の両側が点状凹凸部であることが好ましい。これにより、流路を通過する流体を効果的に案内することができると共に流体との接触面積を拡大して、伝熱効果を向上させることができる。なお、この筒状凹凸部は、流体がスムーズに流通するよう、Ｌ字スペーサ―によって形成される流体の出入口に存在しないように、中央部でその長さが調整されることが好ましい（図４参照）。すなわち、流体の出入口付近は、点状凹凸部が形成され、中間部には筒状凹凸部が形成される。

本発明のプレートは、（上下）１８０°回転させたプレートの点状凸部と隣り合う回転させていないプレートの平面部が接するように構成されていることが好ましい。すなわち、例えば、行列状に点状凸部が形成されている場合、１８０°回転させることにより、点状凸部が半ピッチずれるように構成されていることが好ましい。この点状凸部と平面部は、スポット溶接等により接合されていることが好ましく、これにより、内部を流通する高圧流体の圧力に十分耐え得る強固な構造とすることができる。したがって、従来のプレート型熱交換器には必要とされていたプレートを両側から支持する支持板を薄いものとすることがき、プレート型熱交換器自体の軽量化、コンパクト化を図ることができる。なお、後述するように、スポット溶接等により接合された２枚のプレートからなる一体型伝熱プレートを並列配置することが好ましい。

また、プレートの周縁には、ネジ用貫通孔が設けられており、このネジ用貫通孔に組立用ボルトが取り付けられ、多数のプレートが一体となるように固定される。組立て用ボルトを、プレートの四隅の一角にのみに取り付ける状態とすることで、各プレートは、組立て用ボルトを軸に回転可能となり、伝熱面を容易に取り出す（露出させる）ことができるため、プレート型熱交換器の伝熱面の洗浄が容易になる。すなわち、熱交換器の加熱源の流体、例えば、地熱熱水、温泉水、バイオマス燃焼ガス、ゴミ焼却ガス等は汚染物質を含んでおり、伝熱プレート表面に付着し、伝熱を阻害する要因となるが、このような付着物を定期的に洗浄することが可能となる。なお、２枚のプレートからなる一体型伝熱プレートの場合も、接合されていない面は開放可能となっているので、容易に洗浄することができる。

［スペーサ］
スペーサは、プレート面の縁に所定間隔をあけて設けられ、プレート面と共に第１の流路を形成する第１のスペーサと、プレート面の縁に所定間隔をあけて設けられ、プレート面と共に前記第１の流路と異なる方向の出入口を有する第２の流路を形成する第２のスペーサとを具備してなり、かかる第１のスペーサ及び第２のスペーサが、多数のプレート間に交互に配置されてなる。

第１のスペーサ及び第２のスペーサとしては、例えば、プレート面の角縁に対向配置された一対のＬ字状スペーサや、プレート面の両縁に平行に延設された一対の直線状スペーサを挙げることができる。すなわち、プレートの対向する面とスペーサの対向する内側側面とにより、薄い空間が形成されると共に、スペーサの存在しない箇所（２箇所）が入口及び出口となり流路を形成する。

本発明のプレート型熱交換器においては、１種又は２種のスペーサを交互に並列配置することにより、出入口の方向が異なる第１の流路と第２の流路を形成するものであり、その出入口が直交することが好ましい。具体的に、第１のスペーサが、プレート面の角縁に対向配置された一対のＬ字状スペーサであると共に、第２のスペーサが、プレート面の両縁に平行に延設された一対の直線状スペーサであることが好ましい。

例えば、第１のＬ字状スペーサを、プレート面の角縁に設けることで（図４参照）、出入口（５１１，５２１）が横方向に設けられると共に、プレートにジグザグ状の第１の流路が形成される。この第１の流路には、第１の流体（例えば、低温の圧縮空気）が流通する。この第１流路を構成する伝熱面には、隣り合う第２の流路を流通する高温の第２の流体の熱エネルギーが伝播されることから、例えば、約３０℃の温度の第１の流体が入口ダクトから流入されると、第１の流路を通過することで、約５００℃まで熱せられた状態で、出口ダクトから排出される。

また、第２の直線状スペーサを、プレート面の縁に鉛直方向（上下方向）に設けることで（図２参照）、出入口が縦方向に設けられると共に、プレートの鉛直方向に第２の流路が形成される。第２の流路を流通する第２の流体（例えば、高温ガス）の熱エネルギーは、伝熱面を介して第１の流路に伝播されることから、例えば、約８００℃の温度で入口ダクトに流入された第２の流体は、第２の流路を通過することで、約５００℃まで冷却された状態で、出口ダクトから排出される。

なお、第１及び第２の流路の入出口の開口面積は、スペーサの厚さと、プレートの枚数を適宜調整することにより決定することができるが、特に直線状スペーサを設けた側は出入口を大きくすることが可能となる。

スペーサは、流体を漏出させない程度の気密性と、プレートとともにプレート型熱交換器の筐体を構成するための適度な強度と、熱交換器として熱を外部に排出させない程度の保温性を備えた材料により構成されることが好ましい。

［一体型伝熱プレート］
本発明の多数のプレート（プレート群）は、２枚のプレート間に第１又は第２のスペーサが狭設されると共に、該２枚のプレートが、プレートの凸部及びプレートの平面部が接合されることにより一体となり、さらに両外側面に第２又は第１のスペーサが設けられて構成された一体型伝熱プレートが多数並列配置される構成であることが好ましい。特に、２枚のプレート間にＬ字状スペーサが狭設されると共に、両外側面に直線状スペーサが設けられて構成された一体型伝熱プレートが、多数並列配置される構成であることが好ましい。これにより、接合されたプレート面間に形成される流路には高圧流体を流通させることが可能となり、一方、接合されていない面は、開放状態とすることが可能となるので、清掃が容易となる。

［液溜］
本発明のプレート型熱交換器においては、プレートの下方に液溜が設けられていることが好ましい。これにより、プレート部に生じる液体の量を軽減し、伝熱面として機能する面積の減少を防止して、伝熱効果の低下を防止することができる。
例えば、蒸発凝縮を伴う熱交換器では、水の場合、液体と蒸気の体積は約１０００倍となることがあり、このような体積変化が起こる場合、流路断面面積の確保が問題となるが、プレート熱交換器の断面面積は固定されているので、通常、容積の大きな蒸気を基準に設計されている。凝縮器の場合を考えると、上から入った蒸気が徐々に凝縮して液体に変化し、下部に溜まって液面が上昇して、凝縮に使われる伝熱面積が減少し、凝縮能力が低下する。したがって、プレートの下方に液溜を設けることにより、液面の上昇による伝熱面の減少が防止される。

また、蒸発器においては、下から液が上がってきて両サイドの伝熱面に沿って温度境界層が発達し、上昇するに従って、蒸発が進んでゆくと想定されている。この蒸発過程で、液面が熱交換器の伝熱面の高さのどの程度の高さまで上がっているのかが、伝熱状態推定の基本的な情報であるため、その高さ計測が行われることが多い。蒸発器の場合は、潜熱比が１０〜２０％程度であるので、伝熱面積の２０〜３０％程度を液と接するように制御する必要がある。プレート下方に液溜を設けることにより、その水位を保つことができ、圧力と流量を給水ポンプの回転数と流量制御弁の開度で制御可能とすることができる。

以上説明したとおり、本発明のプレート型熱交換器は、熱面の面積を大きく維持したまま、少なくとも一方の流体の出入口を大きくしており、これにより、伝熱効率を高く維持することができ、また、洗浄が容易で、コンパクト化の図られる構造となっている。

すなわち、本発明のスペーサにより出入口をプレート側面に設ける構造にすることにより、伝熱面積を減少させることなく、少なくとも一方の流体の出入口面積を大きくできる。例えば、水の凝縮を行う場合、蒸気の入口の面積を大きくすることができるので、凝縮前の大きな体積の蒸気の流速を抑制でき、圧力損失が抑えられる。出入口面積は、プレート枚数の増加に伴って増加させることができ、従来のプレート型熱交換器のように使用枚数の制限がなく、容量増加が容易である。そのため、汎用性の高いプレート型熱交換器を提供することができる。特に、プレートと、形状の異なる第１及び第２のスペーサを組み合わせることで流路を構成するので、用途に応じて、簡便に流路を変更することができる。

以下、上述したプレート型熱交換器の具体的な実施態様について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るプレート型熱交換器の概要構成を示す斜視図であり、図２は、本発明の一実施形態に係るプレート型熱交換器のプレスプレートを２００枚組み合わせた状態を示す斜視図であり、図３は、プレスプレートの概要構成を示す図であり、図４は、プレスプレートの一方の伝熱面にＬ字状スペーサを配設した状態を示す図であり、図５は、図４に示すプレスプレートの手前にもう一枚のプレートを組み合わせた状態を示す図である。

図１及び図２に示すように、本実施形態に係るプレート型熱交換器１０（以下、単に、熱交換器という）は、プレス加工されたプレスプレート１００が多数並列配置して設けられる（図２参照）。図３に示すように、プレスプレート１００の外周部には、ネジ用貫通孔１４０が設けられており、図１に示すように、このネジ用貫通孔１４０には、並列配置した多数のプレスプレート１００を固定する組立て用ボルト４００が挿通される。例えば２００枚程度の多数のプレスプレートが並列配置された状態で固定される。また、プレスプレート１００の両側には側板６００が設けられている。

プレスプレート間には、Ｌ字状スペーサ（第１のスペーサ）２００（図４参照）と、直線状スペーサ（第２のスペーサ）３００（図２参照）が交互に狭設されており、図１に示すように、プレート面及びＬ字状スペーサ２００で形成される第１の流路の入口ダクト５１０及び出口ダクト５２０が熱交換器１０の側面部上下に設けられ、プレート面及び直線状スペーサ３００で形成される第２の流路の入口ダクト５３０及び出口ダクト５４０が熱交換器１０の上下部に設けられている。これらの出入口５１０，５２０，５３０，５４０の開口面積は、プレート１００の枚数により決定される。

図３及び図４に示すように、プレスプレート１００は、例えば縦２ｍ、横１ｍ程度の長方形の平板であって、その上下両側には、直径５ｃｍ程度の大きさを有する半球状の凹凸部１２０が行列状に複数配設されている。また、中央部には、第１流路の入口５１１及び出口５２１の部分を避けるように、長さ７５ｃｍ程度の筒状凹凸部１３０が設けられている。

このプレスプレート１００は、半球状の凸部が一方向を向くように配列されるが、一枚ごとに上下を１８０°回転させたものが並べられる。すなわち、図３に示すように、図面上、左側にスペースが設けられ、１８０°回転して組み合わせた場合に、半球状の凸部と、半球状凸部の間の平面部が当接するようになっており、かかる凸部と平面部が接合され、２枚で一体の伝熱プレートとなる。図４及び図５に示すように、この一体の伝熱プレートは、２枚のプレート間にＬ字状スペーサ２００が狭設され、さらに、両外側面に直線状スペーサ３００が設けられて構成されて、一体型伝熱プレートとなり、これが並列に多数配置される。

図３に示すように、Ｌ字状スペーサ２００は、プレスプレート１００の伝熱面の左上及び右下の角縁に取り付けられている。一方、図２に示すように、直線状スペーサ３００は、起立した状態でプレート１００の伝熱面の両縁に鉛直方向に延設される。このＬ字状スペーサ２００及び直線状スペーサ３００が、プレスプレート１００間に交互に配設される。

上述した構成を有するプレート型熱交換器１０では、例えば、第１の流体として約３０℃の圧縮空気を第１の入口ダクト５１０から流入し、第１の流路を経て、第１の出口ダクト５２０から排出される。一方、第２の流体として約７５０℃の高温ガスを第２の入口ダクト５３０から流入し、第２の流路を上昇して、第２の出口ダクト５４０から排出される。これにより、プレート型熱交換器１０では、熱交換が行われ、７５０℃の高温ガスは５００℃まで冷却されるとともに、３０℃の圧縮空気は５００℃まで加熱される。

次に、本発明の他の実施形態に係るプレート型熱交換器について説明する（図６参照）。本実施形態のプレート型熱交換器は、流体の入出口ダクト５１０〜５４０に外部の機器に取り付けるためのフランジ５５０〜５８０を設けたものであり、その他の構成については、上述の一実施形態に係るプレート型熱交換器と同様である。

本発明のプレート型熱交換器は、水バイナリーサイクル発電システムの蒸発器、凝縮器等に有用であり、産業上の利用価値は高い。

１０ プレート型熱交換器
１０Ａ プレート型熱交換器
１００ プレスプレート
１０５ 第１の伝熱面
１１０ 第２の伝熱面
１２０ 半球状凹部
１３０ 円筒状凹凸部
１４０ ネジ用貫通孔
２００ Ｌ字状スペーサ（第１のスペーサ）
３００ 直線状スペーサ（第２のスペーサ）
４００ 組立用ボルト
５１０ 第１の流路の入口ダクト
５１１ 第１の流路の入口
５２０ 第１の流路の出口ダクト
５２１ 第１の流路の出口
５３０ 第２の流路の入口ダクト
５４０ 第２の流路の出口ダクト
５５０ 入口フランジ
５６０ 出口フランジ
５７０ 入口フランジ
５８０ 出口フランジ
６００ 側板（支持板）

Claims (8)

1. プレス加工により行列状の点状凸部が形成されたプレートが並列配置された多数のプレートと、該多数のプレート間に挟設された多数のスペーサとを備え、前記多数のプレートの周縁に設けられたネジ用貫通孔に組立用ボルトが取り付けられて、該多数のプレートが一体となるように固定されたプレート型熱交換器であって、
   前記スペーサは、プレート面の縁に所定間隔をあけて設けられ、プレート面と共に第１の流路を形成する２つの第１のスペーサと、プレート面の縁に所定間隔をあけて設けられ、プレート面と共に前記第１の流路と異なる方向の出入口を有する第２の流路を形成する２つの第２のスペーサとを具備してなり、
   前記第１のスペーサ及び第２のスペーサが、前記多数のプレート間に交互に配置されてなり、
   前記並列配置された多数のプレートは、同一のプレートが２枚一体となった一体型プレートが多数並列配置されたものであり、該一体型プレートは、２枚のプレートのうちの一方のプレートの点状凸部の間の平面部に、上下１８０°回転させた他方のプレートの点状凸部が溶接されてなる
   ことを特徴とするプレート型熱交換器。
2. 第２の流路の出入口が、第１の流路の出入口と直交することを特徴とする請求項１記載のプレート型熱交換器。
3. 第１のスペーサが、プレート面の角縁に対向配置された一対のＬ字状スペーサであると共に、第２のスペーサが、プレート面の両縁に平行に延設された一対の直線状スペーサであることを特徴とする請求項２記載のプレート型熱交換器。
4. 一体型プレートが、２枚のプレート間に第１又は第２のスペーサが狭設されると共に、両外側面に第２又は第１のスペーサが設けられて構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか記載のプレート型熱交換器。
5. 一体型プレートが、２枚のプレート間にＬ字状スペーサが狭設されると共に、両外側面に直線状スペーサが設けられて構成されていることを特徴とする請求項４記載のプレート型熱交換器。
6. プレートの下方に液溜が設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか記載のプレート型熱交換器。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載のプレート型熱交換器に用いられる伝熱プレートであって、
   プレス加工により行列状の点状凸部が形成された２枚の同一のプレートのうちの一方のプレートの点状凸部の間の平面部に、上下１８０°回転させた他方のプレートの点状凸部が溶接されてなり、
   ２枚のプレート間に第１又は第２のスペーサが狭設されると共に、両外側面に第２又は第１のスペーサが設けられて構成されたことを特徴とする一体型伝熱プレート。
8. ２枚のプレート間にＬ字状スペーサが狭設されると共に、両外側面に直線状スペーサが設けられて構成されたことを特徴とする請求項７記載の一体型伝熱プレート。