JP6768227B2 - シェルアンドプレート式熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、シェル内にプレート積層体を収容して構成されるシェルアンドプレート式熱交換器に関するものである。

従来、下記特許文献１の図１２および図１３に開示されるように、シェル（中空容器１０２）内にプレート積層体（プレート重合体１０４）を収容して構成されるシェルアンドプレート式熱交換器（１００）が知られている。このシェルアンドプレート式熱交換器（１００）では、プレート積層体（１０４）は、多数のプレート（１０６）が重ね合わされて構成され、プレート相互間には、シェル（１０２）の内部空間（ｓ１）に対して開かれた開放通路（Ａ）と、閉じられた閉鎖通路（Ｂ）とが交互に形成されている。第１の熱交換流体（ａ）は、シェル（１０２）下部の入口管（１０８）から導入され、内部空間（ｓ１）や開放通路（Ａ）を介して、シェル（１０２）上部の出口管（１１０）から導出される。第２の熱交換流体（ｂ）は、プレート積層体（１０４）内の閉鎖通路（Ｂ）に対し、入口管（１１６）から導入され、出口管（１１８）から導出される。

プレート積層体を構成する円形プレート（１３０）は、波形凹凸（１３２）が形成されると共に、直径方向に対向した二箇所にノズル穴（１３４）が形成されている。プレート（１３０）の外周縁（１３６）と、ノズル穴（１３４）の内周縁（１３８）とは、それぞれ、波形凹凸（１３２）に連なった狭い環状の平坦面に形成されている。外周縁（１３６）の平坦面を形成する板状体と、内周縁（１３８）の平坦面を形成する板状体とは、波形凹凸（１３２）の山と谷の段差分だけ高低差が設けられている。そして、二枚のプレート（１３０）を互いの裏面同士を相対させて重ね合わせ、互いに当接したノズル穴（１３４）の内周縁（１３８）同士を周溶接（ｕ）して、ペアプレート（１４０）を製造する。このとき、プレート（１３０）の外周縁（１３６）間は、プレート（１３０）に形成された波形凹凸（１３２）の山と谷の段差の二倍の隙間（ｓ）を形成する。その後、多数のペアプレート（１４０）を重ね合わせ、各ペアプレート（１４０）の外周縁（１３６）同士を当接させ、当接面を周溶接（ｖ）することで、プレート積層体（１４２）が形成される。

以上のような構成からなるので、従来技術について、ペアプレートとその積層状態の断面を示せば、図５のようになる。図５では、一つのペアプレートを実線で示し、これに接合される他のプレートを二点鎖線で示している。

特開２０１２−５７９００号公報（段落［０００４］−［００１０］、図１２−１３）

図５から明らかなとおり、プレート積層体を構成する各プレートは、プレートの表裏両面において、隣接するプレートとの間で、波形凹凸の頂部同士が互いに当接される。その際、波形凹凸の頂部同士の接点の周囲に、微小な隙間Ｇが形成されることになる。従って、たとえば排ガスと冷却水との熱交換器として利用する場合、特に水側の流路において、波形凹凸の頂部同士の当接部付近で、隙間腐食を生じるおそれがある。また、微小な隙間Ｇがあると、使用後に洗浄しても、熱交換器内に残渣が残るおそれもある。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、熱交換する二流体の内の一方を通す流路において、プレート間の接点ひいては微小隙間の削減を図り、隙間腐食を防止できると共に洗浄容易なシェルアンドプレート式熱交換器を提供することにある。

本発明は、前記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、シェル内にプレート積層体が収容されて構成され、プレート積層体は、第一プレートと第二プレートとが、板面を前後に向けて、交互に重ね合わされて構成され、前記各プレートには、それぞれ、板面の上下に、流体の出入口としてのノズル穴が形成されており、隣接するプレートの内、第一プレートの前面と第二プレートの後面との間に、第一流路としての隙間が空けられると共に、この隙間の外周部を開けたまま、第一プレートと第二プレートとがノズル穴の外周部でレーザ溶接により接合されており、隣接するプレートの内、第一プレートの後面と第二プレートの前面との間に、第二流路としての隙間が空けられると共に、この隙間の外周部を閉じるように、第一プレートと第二プレートとがプレートの外周部でレーザ溶接により接合されており、隣接するプレートのノズル穴の外周部同士の接合は、ノズル穴の周囲が互いに近接する方向へ突出されたノズルフランジ同士の間に、ノズル穴を取り囲むようにワッシャ状のシムリングが配置された状態で、シムリングの外周部と対応した位置においてレーザ溶接されたシムリングを介してなされ、第一流路には、第一流体が、シェルの下方から導入されて、シェルの上方へ導出され、第二流路には、第二流体が、上方のノズル穴から導入されて、下方のノズル穴から導出されることを特徴とするシェルアンドプレート式熱交換器である。

請求項１に記載の発明によれば、プレート積層体の第一流路を通される第一流体と、プレート積層体の第二流路を通される第二流体とを、混ぜることなく熱交換することができる。第一流路において、隣接するプレートは、ノズル穴の外周部同士を接合されるが、ノズル穴の周囲が互いに近接する方向へ突出されたノズルフランジ同士の間に、ノズル穴を取り囲むようにワッシャ状のシムリングが配置された状態で、シムリングの外周部と対応した位置においてレーザ溶接されたシムリングを介して接合される。これにより、第一流路の幅（プレート間の隙間）を比較的大きく確保でき、プレート間の接点を削減することができる。プレート間の接点を削減することで、第一流路での隙間腐食を防止できると共に、使用後の洗浄を容易に確実に図ることができる。

請求項２に記載の発明は、前記各プレートは、プレートの外周部とノズル穴の外周部を除いた箇所が、凹凸が形成された熱交換領域とされ、隣接するプレートの前記凹凸は、第二流路において互いに当接するが、第一流路において実質的に互いに当接しないことを特徴とする請求項１に記載のシェルアンドプレート式熱交換器である。

請求項２に記載の発明によれば、隣接するプレートの熱交換領域に形成された凹凸は、実質的に、第二流路においてのみ互いに当接し、第一流路では互いに当接しない。これにより、第一流路でのプレート間の接点を削減することができ、第一流路での隙間腐食を防止できると共に、使用後の洗浄を容易に確実に図ることができる。

請求項３に記載の発明は、第一プレートのノズルフランジの前面は、第一プレートに形成された前記凹凸の内、前方への凸部の頂点よりも前方に配置され、第二プレートのノズルフランジの後面は、第二プレートに形成された前記凹凸の内、後方への凸部の頂点よりも後方に配置されていることを特徴とする請求項２に記載のシェルアンドプレート式熱交換器である。

請求項３に記載の発明によれば、第一流路を形成する側において、隣接するプレートのノズルフランジは、熱交換領域の凹凸よりも突出して形成されている。そのため、ノズルフランジ同士を突き合せて（さらには所望によりシムリングを介して）接合した状態では、隣接するプレートの熱交換領域の凹凸同士が接触せず、第一流路でのプレート間の接点を削減することができる。プレート間の接点を削減することで、第一流路での隙間腐食を防止できると共に、使用後の洗浄を容易に確実に図ることができる。

請求項４に記載の発明は、前記凹凸として、ヘリンボーンを備え、隣接するプレートのヘリンボーンは、第二流路において互いに当接するが、第一流路において実質的に互いに当接しないことを特徴とする請求項２または請求項３に記載のシェルアンドプレート式熱交換器である。

請求項４に記載の発明によれば、隣接するプレートの熱交換領域に形成されたヘリンボーンは、実質的に、第二流路においてのみ互いに当接し、第一流路では互いに当接しない。これにより、第一流路でのプレート間の接点を削減することができ、第一流路での隙間腐食を防止できると共に、使用後の洗浄を容易に確実に図ることができる。

請求項５に記載の発明は、前記凹凸に代えてまたはこれに加えて、第二流路には、隣接するプレート間に伝熱面拡大部材が挟み込まれており、この伝熱面拡大部材は、フィンおよび／または金属繊維から構成されることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載のシェルアンドプレート式熱交換器である。

請求項５に記載の発明によれば、プレート自体に凹凸を形成することに代えてまたはこれに加えて、第二流路には、隣接するプレート間に伝熱面拡大部材として、フィンおよび／または金属繊維が挟み込まれる。これにより、第二流路における伝熱性能を確保することができる。

請求項６に記載の発明は、第一流路に通される第一流体の圧力は、第二流路に通される第二流体の圧力よりも高いことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のシェルアンドプレート式熱交換器である。

請求項６に記載の発明によれば、第一流路に通される第一流体の圧力が、第二流路に通される第二流体の圧力よりも高いので、隣接するプレートの熱交換領域の凹凸が第一流路で当接していなくても、第二流路で当接されることで、各プレートの変形（熱交換流体の圧力による変形）を有効に防止することができる。

請求項７に記載の発明は、第一プレートの後面と第二プレートの前面との間で、両プレートの外周部同士は、外方へ行くに従って、互いに近接する方向へ傾斜する傾斜部と、互いに当接する略円弧状部と、互いに離隔する外辺部とを順に備えて形成されており、前記外辺部の隙間から、前記略円弧状部同士の当接部を溶接されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のシェルアンドプレート式熱交換器である。

請求項７に記載の発明によれば、隣接するプレートの外周部同士の接合は、略円弧状部同士を当接して、外周側から溶接することで行われる。これにより、プレートの外周部同士の接合部（外周側）に微小な隙間が残ることが防止され、隙間腐食を有効に防止することができる。

請求項８に記載の発明は、前記各プレートは、略矩形状とされ、前記シェルは、略矩形状のプレート積層体を収容する略矩形状とされると共に、プレート積層体よりも上下への延出部を備え、シェルの下方への延出部は、下方へ行くに従って左右方向幅寸法を小さく形成されて、その下部に第一流体の入口が設けられ、シェルの上方への延出部は、上方へ行くに従って左右方向幅寸法を小さく形成されて、その上部に第一流体の出口が設けられることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のシェルアンドプレート式熱交換器である。

仮に、各プレートを円形状にして、その板面を前後に向けたプレート積層体を円筒状のシェル内に収容し、そのシェルの上下両端部（円筒面の最上部と最下部）に第一流体の出入口を設けた場合、第一流体は、プレート積層体の第一流路において、前記出入口を結ぶ中央部において流速が速くなり、左右方向外側へ行くに従って流速が遅くなる。また、円筒状のシェル内にプレート積層体が適合するようはめ込まれると、シェル内に導入された第一流体は、やはり前記出入口を結ぶ中央部を通りやすく、プレート積層体の第一流路全体（言い換えればプレート全面）に均一に分流されない。ところが、請求項８に記載の発明によれば、各プレートおよびシェルを略矩形状とすると共に、シェルはプレート積層体よりも下方への延出部を備え、その延出部は下方へ行くに従って左右方向幅寸法を小さく形成（逆に言えば上方へ行くに従って広がるよう形成）されて、その下部に第一流体の入口が設けられる。従って、シェルの下部から導入された第一流体は、プレート積層体の第一流路に均一に分流され、プレートの左右方向の位置に関わらず均一な流速で流される。さらに、シェルはプレート積層体よりも上方への延出部を備え、その延出部は上方へ行くに従って左右方向幅寸法を小さく形成されて、その上部に第一流体の出口が設けられる。従って、第一流体が気泡を含む液体の場合でも、気泡を確実に熱交換器外へ導出することができる。これにより、熱交換器内での腐食を防止することもできる。

請求項９に記載の発明は、プレート積層体に対する第二流体の出入口は、前後方向一方に配置され、シェルに対する第一流体の出入口は、前後方向一方に偏った位置に設けられることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のシェルアンドプレート式熱交換器である。

請求項９に記載の発明によれば、プレート積層体に対する第二流体の出入口と、シェルに対する第一流体の出入口とが、同じ側に寄せて構成される。これにより、第一流体と第二流体との熱交換を円滑に図ることができる。たとえば、第二流体としての高温ガスを、第一流体としての冷却水と熱交換して冷却しようとする際、プレート積層体への高温ガスの入口部が高温となるが、この高温部に寄せて冷却水を流すことができるので、高温ガスの温度を下げやすく、局所的な沸騰や、応力腐食割れを防止することができる。

さらに、請求項１０に記載の発明は、燃料電池のオフガスと、そのオフガスの冷却水との熱交換に用いられ、第一流体としての冷却水がシェルおよび第一流路に通され、第二流体としてのオフガスが第二流路に通されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のシェルアンドプレート式熱交換器である。

請求項１０に記載の発明によれば、燃料電池のオフガスと冷却水とを熱交換して、オフガスの冷却と冷却水の加温とを図ることができる。オフガスの冷却により、オフガス中の水分を凝縮させれば、その凝縮水を燃料電池へ戻して、水自立を図ることができる。また、オフガスの熱を冷却水の加温に用いて、熱回収を図ることができる。なお、冷却水は、プレート間の接点を削減した第一流路に通されるので、隙間腐食を防止することができる。

本発明によれば、熱交換する二流体の内の一方を通す流路において、プレート間の接点ひいては微小隙間の削減を図り、隙間腐食を防止できると共に洗浄容易なシェルアンドプレート式熱交換器を実現することができる。

本発明の一実施例のシェルアンドプレート式熱交換器を示す概略正面図である。 図１のシェルアンドプレート式熱交換器の側面視の縦断面図である。 図２の右上の一部を拡大して示す図である。 図１のシェルアンドプレート式熱交換器のプレート積層体を構成する二種類のプレートの一例を示す概略図である。 従来技術のプレート積層状態を示す概略断面図であり、ペアプレートとその積層状態を示している。

以下、本発明の具体的実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１から図３は、本発明の一実施例のシェルアンドプレート式熱交換器１を示す概略図であり、図１は正面図、図２は側面視の縦断面図、図３は図２の右上の一部拡大図である。なお、以下の説明では、図１を正面ととらえ、図１における長手方向を上下方向、図１における短手方向を左右方向、図１における紙面直交方向を前後方向（手前側つまり図２の右側を前方）とする。

本実施例のシェルアンドプレート式熱交換器１は、中空容器状のシェル２と、このシェル２内に収容されるプレート積層体３とを備える。

シェル２は、詳細は後述するが、本実施例では略矩形の箱状とされ、プレート積層体３よりも上下への延出部２ａ，２ｂを備える。各延出部２ａ，２ｂは、上下方向外側へ行くに従って左右方向幅寸法が小さくなるように、略台形状に形成されている。具体的には、上方延出部２ａは、上方へ行くに従って左右方向幅寸法を小さく形成されており、下方延出部２ｂは、下方へ行くに従って左右方向幅寸法を小さく形成されている。

プレート積層体３は、第一プレート４と第二プレート５とが、板面を前後に向けて、交互に複数枚（典型的には四枚以上）重ね合わされて構成される。各プレート４，５は、板面の上下に、流体の出入口としてのノズル穴６，７が形成された金属板（典型的にはステンレス板）から構成される。なお、各プレート４，５を構成する金属板として、好ましくは、厚さ１ｍｍ以下の薄板が用いられ、より好ましくは、厚さ０．２〜０．５ｍｍ（本実施例では０．３ｍｍ）の薄板が用いられる。

図４は、本実施例の第一プレート４と第二プレート５との一例を示す概略図である。各プレート４，５は、同一寸法の略矩形の金属板から構成され、板面には、ノズル穴６，７の他、適宜の凹凸がプレス加工されて構成される。

第一プレート４は、左右方向中央部の上下に、平坦な円形状のノズルフランジ８が設けられ、そのノズルフランジ８の中央部に円形状のノズル穴６が貫通形成されている。第一プレート４は、プレートの外周部とノズル穴６の外周部（つまりノズルフランジ８）とを除いた箇所が、実質的な熱交換領域とされ、この熱交換領域の一部または全部には、適宜の凹凸が形成されている。この凹凸の形状は、特に問わないが、本実施例ではヘリンボーン９とされている。具体的には、図４の正面視で略逆Ｖ字形状に、凹凸が等間隔に形成されており、その各凹凸は断面略半円形状（各凹部または各凸部の延出方向と直交した断面で見た場合に略半円形状）とされている。よって、図３に示すように、熱交換領域の断面は所定の波形となる。なお、熱交換領域の凹凸の内、前方への膨出部（つまり凸部）を、前方への凸部９ａ、後方への膨出部（つまり凹部）を、後方への凸部９ｂということがある。

第一プレート４の外周部１０（１０ａ〜１０ｃ）は、本実施例では、図３に示すように、外方へ行くに従って後方へ傾斜する傾斜部１０ａを介して、後方へ凸の略半円状の略円弧状部１０ｂが連接され、その外側には平坦な（つまりプレート面と略平行な）外辺部１０ｃが連接されている。外辺部１０ｃは、略円弧状部１０ｂの後方への頂点よりも、若干前方に配置されている。また、略円弧状部１０ｂの後方への頂点は、ヘリンボーン９の後方への凸部９ｂの頂点と同一平面に配置されている。一方、ノズルフランジ８の前面は、図示例では、ヘリンボーン９の前方への凸部９ａの頂点よりも若干（図示例では０．５ｍｍ）前方に配置されているが、場合により（後述するシムリング１１を用いる場合）、ヘリンボーン９の前方への凸部９ａの頂点と同一平面に配置されてもよい。

第二プレート５も、基本的には、第一プレート４と同様の構成である。第一プレート４および第二プレート５として、同一構成のプレートを用いつつ、第一プレート４に対し第二プレート５を１８０度反転させて（言い換えれば短辺まわりに裏返して）用いることができる。

具体的には、第二プレート５は、左右方向中央部の上下に、平坦な円形状のノズルフランジ１２が設けられ、そのノズルフランジ１２の中央部に円形状のノズル穴７が貫通形成されている。第二プレート５は、プレートの外周部とノズル穴７の外周部（つまりノズルフランジ１２）とを除いた箇所が、実質的な熱交換領域とされ、この熱交換領域の一部または全部には、適宜の凹凸が形成されている。この凹凸の形状は、特に問わないが、本実施例ではヘリンボーン１３とされている。具体的には、図４の正面視で略Ｖ字形状に、凹凸が等間隔に形成されており、その各凹凸は断面略半円形状（各凹部または各凸部の延出方向と直交した断面で見た場合に略半円形状）とされている。よって、図３に示すように、熱交換領域の断面は所定の波形となる。なお、熱交換領域の凹凸の内、前方への膨出部（つまり凸部）を、前方への凸部１３ａ、後方への膨出部（つまり凹部）を、後方への凸部１３ｂということがある。

第二プレート５の外周部１４（１４ａ〜１４ｃ）は、本実施例では、図３に示すように、外方へ行くに従って前方へ傾斜する傾斜部１４ａを介して、前方へ凸の略半円状の略円弧状部１４ｂが連接され、その外側には平坦な（つまりプレート面と略平行な）外辺部１４ｃが連接されている。外辺部１４ｃは、略円弧状部１４ｂの前方への頂点よりも、若干後方に配置されている。また、略円弧状部１４ｂの前方への頂点は、ヘリンボーン１３の前方への凸部１３ａの頂点と同一平面に配置されている。一方、ノズルフランジ１２の後面は、図示例では、ヘリンボーン１３の後方への凸部１３ｂの頂点よりも若干（図示例では０．５ｍｍ）後方に配置されているが、場合により（後述するシムリング１１を用いる場合）、ヘリンボーン１３の後方への凸部１３ｂの頂点と同一平面に配置されてもよい。

隣接するプレート４，５の内、第一プレート４の前面と第二プレート５の後面との間に、第一流路１５としての隙間が空けられると共に、この隙間の外周部を開けたまま、第一プレート４と第二プレート５とがノズル穴６，７の外周部（つまりノズルフランジ８，１２）で接合される。前述したように、第一プレート４のノズルフランジ８がヘリンボーン９（９ａ）の頂点よりも前方に配置されると共に、第二プレート５のノズルフランジ１２がヘリンボーン１３（１３ｂ）の頂点よりも後方に配置される場合、両プレート４，５のノズルフランジ８，１２同士を重ね合わせて接合すればよい。但し、各ノズルフランジ８，１２をヘリンボーン９（９ａ），１３（１３ｂ）の頂点よりも突出させることに代えてまたはそれに加えて、ノズルフランジ８，１２同士をワッシャ状のシムリング１１を介して重ね合わせて接合してもよい。

図３に示すように、シムリング１１は、金属製（たとえばステンレス製であり好ましくは各プレート４，５と同一材料）の円環状の板材であり、内外径はノズルフランジ８，１２の内外径と対応して形成されている。つまり、シムリング１１の内径はノズル穴６，７の直径と対応しており、シムリング１１はノズルフランジ８，１２およびノズル穴６，７と同心に配置される。なお、シムリング１１の厚さ（図３での左右方向寸法）は、適宜に設定されるが、本実施例では１．５ｍｍとされている。本実施例では、第一プレート４と第二プレート５とは、ノズルフランジ８，１２間にシムリング１１を介した状態で一体化される。その際、本実施例では、シムリング１１の外周部と対応した位置において、レーザ溶接により、両プレート４，５およびシムリング１１が一体的に接合される。

各プレート４，５について、ヘリンボーン９，１３の頂点（ノズルフランジ８，１２側への凸部９ａ，１３ｂの頂点）が配置される面に対するノズルフランジ８，１２の突出量、および／または、シムリング１１の厚さは、両プレート４，５のノズルフランジ８，１２同士を接合した状態で、両プレート４，５のヘリンボーン９，１３同士が当接せず、しかも隙間腐食を防止できる寸法以上（好ましくは０．５ｍｍ以上）の隙間を空けることができるように設定される。図示例の場合、隣接するプレート４，５のノズルフランジ８，１２同士を、シムリング１１を介して接合した状態で、隣接するプレート４，５のヘリンボーン９，１３同士の最小隙間（第一プレート４の前方への凸部９ａの頂点と第二プレート５の後方への凸部１３ｂの頂点との隙間）は、好ましくは２〜３ｍｍ（本実施例では２．５ｍｍ）とされる。

このようにして第一プレート４の前面と第二プレート５の後面とがノズルフランジ８，１２で接合された状態では、両プレート４，５間はノズルフランジ８，１２以外では基本的には当接せず、第一流路１５としての隙間を空けられる。そして、このようにしてノズルフランジ８，１２間で接合されたペアプレート同士を、重ね合わせて外周部１０，１４で接合することで、プレート積層体３が構成される。

すなわち、図３に示すように、第一プレート４の後面と第二プレート５の前面とを重ねわせると、両プレート４，５は、ヘリンボーン９，１３同士が当接すると共に、外周部の略円弧状部１０ｂ，１４ｂ同士が当接する。第一プレート４の後面と第二プレート５の前面との間で、両プレート４，５の外周部同士は、外方へ行くに従って、傾斜部１０ａ，１４ａにて互いに近接する方向へ傾斜して、略円弧状部１０ｂ，１４ｂで互いに当接した後、外辺部１０ｃ，１４ｃにおいて互いに離隔して配置される。そして、本実施例では、その外辺部１０ｃ，１４ｃ間の隙間から、略円弧状部１０ｂ，１４ｂ同士の当接部をプレート４，５の外周側からレーザ溶接される。この場合、プレート４，５間の外周部には、隙間腐食を起こすほどの微小な隙間（たとえば０．５ｍｍ未満の隙間）が生じない。但し、場合により、略円弧状部１０ｂ，１４ｂ同士の当接部を、プレート４，５の板面方向から重ね溶接するなどしてもよい。いずれにしても、隣接するプレート４，５の内、第一プレート４の後面と第二プレート５の前面との間に、ヘリンボーン９，１３同士は当接されつつも、第二流路１６としての隙間が空けられると共に、この隙間の外周部を閉じるように、第一プレート４と第二プレート５とがプレートの外周部１０，１４で接合される。

ところで、本実施例では、プレート積層体３の内、最も前方に配置される第一プレート４の前面には第一端板１７が設けられ、最も後方に配置される第二プレート５の後面には第二端板１８が設けられる。各端板１７，１８は、各プレート４，５と同じかそれよりも一回り大きな略矩形状の板材であり、各プレート４，５よりも十分厚い平板状に形成されている。

図２に示すように、前後の端板１７，１８には、各プレート４，５の上下のノズル穴６，７と対応した位置に、貫通穴１７ａ，１８ａが形成されている。図２および図３に示すように、第一端板１７は、貫通穴１７ａの周囲が短円筒状に後方へ突出されており、その短円筒状の突出部１７ｂが、最も前方の第一プレート４のノズルフランジ８に接合される。同様に、第二端板１８は、貫通穴１８ａの周囲が短円筒状に前方へ突出されており、その短円筒状の突出部１８ｂが、最も後方の第二プレート５のノズルフランジ１２に接合される。いずれの場合も、本実施例では、各端板１７，１８の短円筒状の突出部１７ｂ，１８ｂには、その外周部と対応した位置において、プレート４，５がレーザ溶接にて接合される。そして、このようにして端板１７，１８が設けられたプレート４，５は、前述したとおり、隣接するプレート５，４と、外周部１４，１０においてレーザ溶接される。

このようにして前後に端板１７，１８が設けられたプレート積層体３は、シェル２に取り付けられる。シェル２は、正面視略矩形状で前後へ開口した筒状の枠材１９を備える。但し、枠材１９の上下両端部は、上下方向外側への延出部（２ａ，２ｂ）を有し、その延出部は、上下方向外側へ行くに従って左右方向幅寸法が小さくなるように、略台形状に形成されている。そして、枠材１９の前後の開口部の内、上下両端部は、予め略台形状板２０が溶接されて閉じられている。これにより、枠材１９には、正面視中央部に、略矩形状の開口部が前後へ開口して残される。そこで、この開口部に、前後に端板１７，１８が設けられたプレート積層体３がはめ込まれて固定される。その際、前後の端板１７，１８の周囲が、シェル２の枠材１９や略台形状板２０の長辺と溶接される。このようにして、シェル２内にプレート積層体３が収容されたシェルアンドプレート式熱交換器１が構成される。本実施例では、プレート積層体３の前後に配置した端板１７，１８が、シェル２の一部を兼ねることになる。なお、各端板１７，１８には、所望により、熱交換器の設置時に利用する取付金具２１が設けられる。

シェル２には、第一流体を導入および導出するために、第一入口管２２および第一出口管２３が設けられる一方、プレート積層体３には、第二流体を導入および導出するために、第二入口管２４および第二出口管２５が設けられる。

第一入口管２２は、シェル２（ひいてはプレート積層体３の第一流路１５）への第一流体の入口管であり、シェル２の下端部に接続される。図示例では、シェル２の下方への延出部２ｂの下面に、第一入口管２２の上端部が接続され、この第一入口管２２はシェル２内と連通する。

第一出口管２３は、シェル２（ひいてはプレート積層体３の第一流路１５）からの第一流体の出口管であり、シェル２の上端部に接続される。図示例では、シェル２の上方への延出部２ａの上面に、第一出口管２３の下端部が接続され、この第一出口管２３はシェル２内と連通する。

第一端板１７には、上方の貫通穴１７ａにエルボ状の第二入口管２４が接続される一方、下方の貫通穴１７ａにエルボ状の第二出口管２５が接続される。なお、第二端板１８の上下の貫通穴１８ａは、図示しない蓋材で閉じられる。

第二入口管２４は、プレート積層体３の第二流路１６への第二流体の入口管であり、先端部が第一端板１７に固定され、基端部にはフランジ２４ａが設けられる。このフランジ２４ａを介して、第二入口管２４に第二流体の導入管を接続することができる。第二入口管２４の内穴は、第一端板１７の貫通穴１７ａや各プレート４，５のノズル穴６，７と対応した大きさであり、互いに連通する。なお、第二入口管２４の中途には、所望により、やや小径のセンサ取付管２４ｂが分岐して設けられる。シェルアンドプレート式熱交換器１の使用時、センサ取付管２４ｂにたとえば温度センサを設ければ、第二流路１６への第二流体の入口温度を監視することができる。

第二出口管２５は、プレート積層体３の第二流路１６からの第二流体の出口管であり、基端部が第一端板１７に固定され、先端部にはフランジ２５ａが設けられる。このフランジ２５ａを介して、第二出口管２５に第二流体の導出管を接続することができる。第二出口管２５の内穴は、第一端板１７の貫通穴１７ａや各プレート４，５のノズル穴６，７と対応した大きさであり、互いに連通する。なお、第二出口管２５の中途には、所望により、分岐管２５ｂが分岐して設けられる。図示例では、分岐管２５ｂは、下方へ延出して設けられる。この場合、シェルアンドプレート式熱交換器１の使用時、プレート積層体３での熱交換により生じたドレンの排出管として、分岐管２５ｂを利用することができる。

前述したように、プレート積層体３には、第一プレート４の前面と第二プレート５の後面との間に、第一流路１５としての隙間が空けられると共に、この隙間はプレート４，５の外周側へ開口しており、シェル２の内部空間と連通する。そして、シェル２の内部空間に対し、第一入口管２２と第一出口管２３とが接続されている。

また、プレート積層体３には、第一プレート４の後面と第二プレート５の前面との間に、第二流路１６としての隙間が空けられると共に、この隙間はプレート４，５の外周部で閉鎖されており、シェル２の内部空間とは連通しない。そして、第二流路１６に対し、第二入口管２４と第二出口管２５とが接続されている。

本実施例では、第一流路１５には、第一流体が、シェル２の下方から導入されて、シェル２の上方へ導出される。また、第二流路１６には、第二流体が、上方のノズル穴６，７から導入されて、下方のノズル穴６，７から導出される。第一流体および第二流体は特に問わないが、一方が水である場合、後述するように隙間腐食防止の観点から、水は第一流路１５に通すことが好ましい。

第一流体と第二流体とは、プレート積層体３において混ざることなく熱交換される。第一流体が水（典型的には水道水またはその軟化水）であっても、第一流路１５では、隣接するプレート４，５のヘリンボーン９，１３同士が当接せず所定以上離隔して配置されるので、隙間腐食を生じるおそれがない。また、各プレート４，５の外周部１０，１４における溶接箇所においても、略円弧状部１０ｂ，１４ｂ同士の当接部を外周側から溶接することで、プレート４，５の外周部１０，１４同士の接合部に微小な隙間が残ることが防止され、隙間腐食を有効に防止することができる。

また、各プレート４，５の熱交換領域の凹凸（図示例ではヘリンボーン９，１３）同士は、実質的に、第二流路１６においてのみ互いに当接し、第一流路１５においては互いに当接しないので、隙間腐食の防止だけでなく、洗浄後の残渣も残りにくい。さらに、熱交換器の使用中、スケールの付着などによる流路閉塞も起こりにくい。

なお、第一流路１５に通される第一流体の圧力は、第二流路１６に通される第二流体の圧力よりも高いことが望ましい。これにより、隣接するプレート４，５の熱交換領域の凹凸（ヘリンボーン９，１３）が第一流路１５で当接していなくても、第二流路１６で当接されることで、各プレート４，５の変形を有効に防止することができる。

各プレート４，５およびシェル２を略矩形状とすると共に、シェル２はプレート積層体３よりも下方への延出部２ｂを備え、その延出部２ｂは下方へ行くに従って左右方向幅寸法を小さく形成されて、その下部に第一流体の入口（第一入口管２２）が設けられる。つまり、シェル２の下端部には、プレート積層体３の下端部との間に、空間が空けられると共に、その空間は、上方へ行くに従って広がるよう形成される。従って、シェル２の下部から導入された第一流体は、プレート積層体３の第一流路１５に均一に分流され、プレート４，５の左右方向の位置に関わらず均一な流速で流される。さらに、シェル２はプレート積層体３よりも上方への延出部２ａを備え、その延出部２ａは上方へ行くに従って左右方向幅寸法を小さく形成されて、その上部に第一流体の出口（第一出口管２３）が設けられる。従って、第一流体が気泡を含む液体の場合でも、気泡を確実に熱交換器１外へ導出することができる。熱交換器１内でのエアの滞留部をなくすことで、熱交換器１内での腐食を防止することができる。

ところで、図２に示すように、プレート積層体３に対する第二流体の出入口としての第二入口管２４および第二出口管２５は、前方に配置される一方、シェル２に対する第一流体の出入口としての第一入口管２２および第一出口管２３は、同じく前方に偏った位置に設けられるのが好ましい。つまり、プレート積層体３に対する第二流体の出入口と、シェル２に対する第一流体の出入口とが、同じ側（前後方向一方）に寄せて構成されるのがよい。これにより、第一流体と第二流体との熱交換を円滑に図ることができる。たとえば、第二流体としての高温ガスを、第一流体としての冷却水と熱交換して冷却しようとする際、プレート積層体３への高温ガスの入口部が高温となるが、この高温部に寄せて冷却水を流すことができるので、高温ガスの温度を下げやすく、局所的な沸騰や、応力腐食割れを防止することができる。

本実施例のシェルアンドプレート式熱交換器１の好適な使用例として、シェルアンドプレート式熱交換器１を、燃料電池システムにおけるオフガス（排ガス）と冷却水との熱交換に用いることができる。たとえば、特願２０１６−１４２９４３号として開示した燃料電池システムにおけるオフガス熱交換器の他、従来公知の各種のオフガス熱交換器として利用することができる。その場合、第一流体としての冷却水は、第一入口管２２からシェル２内へ導入され、プレート積層体３の第一流路１５を介して、第一出口管２３から導出される。また、第二流体としてのオフガスは、第二入口管２４から導入され、プレート積層体３内の第二流路１６を介して、第二出口管２５から導出される。

この場合、シェルアンドプレート式熱交換器１において、燃料電池のオフガスと冷却水とを熱交換して、オフガスの冷却と冷却水の加温とを図ることができる。オフガスの冷却により、オフガス中の水分を凝縮させ、その凝縮水を、第二出口管２５の分岐管２５ｂから燃料電池へ戻して、水自立（外部からの補給水なしに燃料電池の運転）を図ることができる。なお、この凝縮水は、多少の炭酸ガスを含むものの、基本的には純水であるため、第二流路１６を腐食させるおそれは低い。一方、オフガスの熱を冷却水の加温に用いて、熱回収を図ることができる。冷却水は、プレート４，５間の接点を削減した第一流路１５に通されるので、冷却水（給湯用水）が塩化物イオンや硫酸イオンなどの腐食性イオンを含んでいても隙間腐食を防止することができる。

本発明のシェルアンドプレート式熱交換器１は、前記実施例（変形例を含む）の構成に限らず適宜変更可能である。特に、次のような構成を備えれば、その他の構成は適宜に変更可能である。すなわち、（ａ）隣接するプレート４，５の内、第一プレート４の前面と第二プレート５の後面との間に、第一流路１５としての隙間が空けられると共に、この隙間の外周部を開けたまま、第一プレート４と第二プレート５とがノズル穴６，７の外周部で接合されており、（ｂ）隣接するプレート４，５の内、第一プレート４の後面と第二プレート５の前面との間に、第二流路１６としての隙間が空けられると共に、この隙間の外周部を閉じるように、第一プレート４と第二プレート５とがプレートの外周部１０，１４で接合されており、（ｃ）隣接するプレート４，５のノズル穴６，７の外周部同士の接合は、ノズル穴６，７の周囲が互いに近接する方向へ突出されたノズルフランジ８，１２同士を突き合せされるか、および／または、ノズル穴６，７を取り囲むよう配置されるワッシャ状のシムリング１１を介してなされるのであれば、これ以外の構成は適宜に変更可能である。

特に、各プレート４，５の熱交換領域に形成する凹凸は、前記実施例の構成に限らない。つまり、前記実施例では、熱交換領域にヘリンボーン９，１３を設けたが、このヘリンボーン９，１３の形状を変えてもよい他、ヘリンボーン９，１３に代えてまたはそれに加えて、たとえばディンプルのような略半球状の凹凸を付けるなど、凹凸の形状、位置、個数などは、適宜に変更可能である。その場合でも、隣接するプレート４，５の凹凸は、第二流路１６において互いに当接するが、第一流路１５において互いに当接しないのが望ましい。

但し、第一流路１５の隙間を適正に維持するために、たとえば数点においてのみ、第一流路１５においても、隣接するプレート４，５の凹凸を互いに当接させてもよい。たとえば、第一プレート４には、前方へ凸の略半球状のディンプルを突出させる一方、第二プレート５には、後方へ凸の略半球状のディンプルを突出させて、熱交換領域内のたとえば１〜５ヶ所程度で、ディンプルの頂点同士を互いに当接させてもよい。この場合でも、熱交換領域の凹凸について、第一流路１５における接触面積は、第二流路１６での接触面積よりも十分少ない面積となり、実質的に当接しないということができる。

また、熱交換領域にヘリンボーン９，１３のような凹凸を形成することに代えてまたはこれに加えて、第二流路１６には、隣接するプレート４，５間に伝熱面拡大部材を挟み込んでもよい。伝熱面拡大部材は、フィンおよび／または金属繊維から構成される。この内、フィンとは、典型的には、横断面波形に形成された金属板である。フィンや金属繊維などを第二流路１６に挟み込む場合、その設置箇所において、各プレート４，５は平板状に形成されていてもよいし、凹凸が形成されていてもよい。一方、第一流路１５には、隙間腐食防止の観点から、このような伝熱面拡大部材は設けられないのがよい。

また、隣接するプレート４，５の外周部１０，１４の形状や溶接箇所も、適宜に変更可能である。たとえば、各プレート４，５の外周部を、ノズルフランジ８，１２と段差を持った平板状として、隣接するプレート４，５の外周部の平板状部同士を重ね合わせて、板面において重ね溶接したり、外周縁部でへり溶接したりしてもよい。

さらに、前記実施例では、第一流路１５には、下方から上方へ第一流体を通し、第二流路１６には、上方から下方へ第二流体を通したが、場合によりこれとは逆に利用してもよい。すなわち、第一流路１５には、上方から下方へ第一流体を通し、第二流路１６には、下方から上方へ第二流体を通してもよい。いずれにしても、シェル２には、第一上部管（前記実施例でいう第一出口管２３）および第一下部管（前記実施例でいう第一入口管２２）が設けられる一方、プレート積層体３には、第二上部管（前記実施例でいう第二入口管２４）および第二下部管（前記実施例でいう第二出口管２５）が設けられる。

その他、ノズル穴６，７の個数や配置は、適宜に変更可能である。また、前記実施例では、プレート４，５間の接合にはレーザ溶接による貫通溶接を行ったが、非貫通溶接や、その他の溶接などを行ってもよい。

１ シェルアンドプレート式熱交換器
２ シェル（２ａ：上方延出部、２ｂ：下方延出部）
３ プレート積層体
４ 第一プレート
５ 第二プレート
６ （第一プレートの）ノズル穴
７ （第二プレートの）ノズル穴
８ （第一プレートの）ノズルフランジ
９ （第一プレートの）ヘリンボーン（９ａ：前方への凸部、９ｂ：後方への凸部）
１０ （第一プレートの）外周部（１０ａ：傾斜部、１０ｂ：略円弧状部、１０ｃ：外辺部）
１１ シムリング
１２ （第二プレートの）ノズルフランジ
１３ （第二プレートの）ヘリンボーン（１３ａ：前方への凸部、１３ｂ：後方への凸部）
１４ （第二プレートの）外周部（１４ａ：傾斜部、１４ｂ：略円弧状部、１４ｃ：外辺部）
１５ 第一流路
１６ 第二流路
１７ 第一端板（１７ａ：貫通穴、１７ｂ：突出部）
１８ 第二端板（１８ａ：貫通穴、１８ｂ：突出部）
１９ 枠材
２０ 略台形状板
２１ 取付金具
２２ 第一入口管
２３ 第一出口管
２４ 第二入口管（２４ａ：フランジ、２４ｂ：センサ取付管）
２５ 第二出口管（２５ａ：フランジ、２５ｂ：分岐管）

Claims (10)

1. シェル内にプレート積層体が収容されて構成され、
   プレート積層体は、第一プレートと第二プレートとが、板面を前後に向けて、交互に重ね合わされて構成され、
   前記各プレートには、それぞれ、板面の上下に、流体の出入口としてのノズル穴が形成されており、
   隣接するプレートの内、第一プレートの前面と第二プレートの後面との間に、第一流路としての隙間が空けられると共に、この隙間の外周部を開けたまま、第一プレートと第二プレートとがノズル穴の外周部でレーザ溶接により接合されており、
   隣接するプレートの内、第一プレートの後面と第二プレートの前面との間に、第二流路としての隙間が空けられると共に、この隙間の外周部を閉じるように、第一プレートと第二プレートとがプレートの外周部でレーザ溶接により接合されており、
   隣接するプレートのノズル穴の外周部同士の接合は、ノズル穴の周囲が互いに近接する方向へ突出されたノズルフランジ同士の間に、ノズル穴を取り囲むようにワッシャ状のシムリングが配置された状態で、シムリングの外周部と対応した位置においてレーザ溶接されたシムリングを介してなされ、
   第一流路には、第一流体が、シェルの下方から導入されて、シェルの上方へ導出され、
   第二流路には、第二流体が、上方のノズル穴から導入されて、下方のノズル穴から導出される
   ことを特徴とするシェルアンドプレート式熱交換器。
2. 前記各プレートは、プレートの外周部とノズル穴の外周部を除いた箇所が、凹凸が形成された熱交換領域とされ、
   隣接するプレートの前記凹凸は、第二流路において互いに当接するが、第一流路において実質的に互いに当接しない
   ことを特徴とする請求項１に記載のシェルアンドプレート式熱交換器。
3. 第一プレートのノズルフランジの前面は、第一プレートに形成された前記凹凸の内、前方への凸部の頂点よりも前方に配置され、
   第二プレートのノズルフランジの後面は、第二プレートに形成された前記凹凸の内、後方への凸部の頂点よりも後方に配置されている
   ことを特徴とする請求項２に記載のシェルアンドプレート式熱交換器。
4. 前記凹凸として、ヘリンボーンを備え、
   隣接するプレートのヘリンボーンは、第二流路において互いに当接するが、第一流路において実質的に互いに当接しない
   ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載のシェルアンドプレート式熱交換器。
5. 前記凹凸に代えてまたはこれに加えて、第二流路には、隣接するプレート間に伝熱面拡大部材が挟み込まれており、
   この伝熱面拡大部材は、フィンおよび／または金属繊維から構成される
   ことを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載のシェルアンドプレート式熱交換器。
6. 第一流路に通される第一流体の圧力は、第二流路に通される第二流体の圧力よりも高い
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のシェルアンドプレート式熱交換器。
7. 第一プレートの後面と第二プレートの前面との間で、両プレートの外周部同士は、外方へ行くに従って、互いに近接する方向へ傾斜する傾斜部と、互いに当接する略円弧状部と、互いに離隔する外辺部とを順に備えて形成されており、前記外辺部の隙間から、前記略円弧状部同士の当接部を溶接される
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のシェルアンドプレート式熱交換器。
8. 前記各プレートは、略矩形状とされ、
   前記シェルは、略矩形状のプレート積層体を収容する略矩形状とされると共に、プレート積層体よりも上下への延出部を備え、
   シェルの下方への延出部は、下方へ行くに従って左右方向幅寸法を小さく形成されて、その下部に第一流体の入口が設けられ、
   シェルの上方への延出部は、上方へ行くに従って左右方向幅寸法を小さく形成されて、その上部に第一流体の出口が設けられる
   ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のシェルアンドプレート式熱交換器。
9. プレート積層体に対する第二流体の出入口は、前後方向一方に配置され、
   シェルに対する第一流体の出入口は、前後方向一方に偏った位置に設けられる
   ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のシェルアンドプレート式熱交換器。
10. 燃料電池のオフガスと、そのオフガスの冷却水との熱交換に用いられ、
    第一流体としての冷却水がシェルおよび第一流路に通され、第二流体としてのオフガスが第二流路に通される
    ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のシェルアンドプレート式熱交換器。

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