JP2004257729A - 熱交換器の製作法 - Google Patents

Abstract

【課題】 配管作業に関するコストを可能な限り低くして複数の熱交換ブロックからプレート式熱交換器を製作する方法を提供する。
【解決手段】 多数の熱交換通路を内蔵する熱交換ブロック（１ａ，１ｂ）の縁部に亘ってヘッダ（６ａ，７ａ，６ｂ，７ｂ）を延在配置する。ヘッダを配置した熱交換ブロック（１ａ，１ｂ）を互いに連設し、隣接熱交換ブロック（１ａ，１ｂ）の各ヘッダ（６ａ，６ｂ；７ａ，７ｂ）には互いに対面する端面に開口部を設ける。これら各ヘッダ（６ａ，６ｂ；７ａ，７ｂ）同士を相互間に流体流れの連通が生じるように互いに連結する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、それぞれ多数の熱交換通路を内蔵すると共にこれら熱交換通路間の連通部を形成するヘッダを縁部の少なくとも一部に亘って延在配置した複数の熱交換ブロックからプレート式熱交換器を製作する方法に関するものである。

プレート式熱交換器の熱交換ブロックは多層構造の熱交換通路からなり、いずれの場合も各熱交換通路は分離板によって互いに境界を定められている。また複数の閉鎖帯材とカバー板が熱交換ブロックの外枠を形成している。熱交換通路の或る層内には付加的な分離帯板が設けられることもあり、この分離帯板が異種媒体流の流れる熱交換通路同士を相互に分離している。プレート式熱交換器は、分離帯板の適切な配置によって多数の流体流れの同時熱交換に使用可能である。

熱交換ブロックは当初は構成要素がルーズに組み立てられた状態にあり、その後、鑞付け炉内で一体にハンダ付けされて全ての構成要素が漏れを生じない形式で相互に接合される。続いて流路接続部を設けたヘッダが各熱交換通路の入口及び出口開口の上に被せられて溶接される。ヘッダとしては、従来より半円筒状の殻体が用いられている。流路接続部は管状接続部品で構成され、ヘッダの半円筒状殻体の入口及び出口開口に対設される。これら管状接続部品に熱交換ブロックに対する供給流体及び排出流体のための流路となる管路が接続される。

製造面における理由、例えば鑞付け炉の寸法などから、熱交換ブロックの寸法形状には制限がある。大量の流体を加熱又は冷却しようとする場合、二つ以上の熱交換ブロックを並列に配設する必要がある。従来は、係る並列配置における各熱交換ブロックには個々に対応するヘッダが設けられ、しかもこれらヘッダにはそれぞれ管状接続部品が溶接されている。また個々の媒体流毎に集合管路が設けられ、これらの集合管路に個々の管状接続部品が接続されている。従って熱交換ブロック同士を互いに連結して配管する作業は極めて複雑であり、高いコストを要していた。

従って本発明の課題は、配管作業に関するコストを可能な限り低くして複数の熱交換ブロックからプレート式熱交換器を製作する方法を提供することである。

この課題は、冒頭に述べた形式の製作法において、熱交換ブロックを互いに連設し、二つの隣接熱交換ブロックの各二つのヘッダには互いに対面する端面に開口部を設けると共に、これら各二つのヘッダ同士を相互間に流体流れの連通が生じるように互いに連結することによって解決される。

本発明によれば、プレート式熱交換器は複数の熱交換ブロックから製作される。各熱交換ブロックは多数の熱交換通路を有している。熱交換通路は複数の群に分割されていてもよく、いずれにせよ或る群の熱交換通路は或る特定の流体流れを送る役目を果たす。また、いずれの場合にも或る群の熱交換通路に通じる入口開口と出口開口にはそれぞれヘッダが取り付けられており、これらのヘッダがその群の複数の熱交換通路間の連通部を形成している。

ヘッダは、場合によっては集合器としても構成されるが、熱交換ブロックの縁部の少なくとも一部を覆って該縁部領域に閉鎖された仕切り空間を形成し、この仕切り空間の内部にその群の熱交換通路の入口と出口が開口している。

これらの熱交換ブロックは、或る一つの熱交換ブロックの少なくとも一つのヘッダが別の一つの熱交換ブロックの一つのヘッダに隣接もしくは対面するように、相互に隣り合った形態で連設される。このような熱交換ブロックの連設配置により、互いのヘッダは直結状態又は或る間隔をあけて対面した状態に配置されることになる。

次いでこれら二つのヘッダは、それらの互いに対面する端面部に開口部が形成されてから相互に連結され、二つのヘッダ間に連通流路が形成される。このようにして両熱交換ブロックに共通の一連のヘッダを形成し、例えばヘッダに供給された流体が該共通ヘッダを通って二つの熱交換ブロックの各熱交換通路に分配されるようにする。

本発明によれば、個々の熱交換ブロックは各ブロックのヘッダ同士を直結して共通ヘッダを形成させることにより流路に関して相互接続される。従って、もはや各ブロックの個々のヘッダに個別独立した流路接続部又は管状結合ピースを設ける必要はなく、配管具によって個々の流路接続部を互いに接続する必要もないのである。

好ましくはこれらの熱交換ブロックは互いに隣り合わせに連設し、二つのヘッダの互いに隣接する端面部は、ヘッダが延在している熱交換ブロック縁部に対して実質的に直交する向きに配置されるようにする。これら各ヘッダ端面部の開口部、即ち両ヘッダ間の上記連通流路に利用される開口部は、熱交換通路への対応する入口又は出口開口が位置する平面に対して実質的に直交する面内に配置される。即ち、各ヘッダの流路接続部は必ずしも上記熱交換通路の入口及び出口開口に直接に向い合うように配置される必要はない。

流路接続部、即ちそれぞれ流体流れを供給又は排出するための各管路へ接続される両ヘッダの開口部も、熱交換通路への対応する入口又は出口開口が位置する平面に対して実質的に直交する面内に配置されることが好ましい。即ち、これらの流路接続部も上記熱交換通路の入口又は出口開口に直接に向い合うように配置される必要はない。

本発明によれば、全ての流路接続部を熱交換ブロックの互いに反対側を向いた二つの端面部に設けることもできる。特に好ましくは、全ての流路接続部がブロックの同じ側の端面部に位置するように各熱交換ブロックを構成する。従って、もはや相互に熱交換させる媒体流の給排管路を熱交換ブロック周囲に複雑な形態で敷設する必要はなく、配管作業に要するコストは明らかに低減されることになる。

各ヘッダは半円形の断面形状を有することが好ましく、特に半円筒状の殻体はヘッダとして好適であることが確認されている。このような半円筒状殻体のヘッダにおいては、両端の半円形状端部に開口部を設けて互いに連通させるとよい。強度上の理由から、連通流路の反対側の端面部は半円筒状殻体の長手軸に対する直交面とせずに例えば傾斜面とすることが望ましい。

本発明に従って二つの隣接ヘッダを連結することにより形成される共通ヘッダの州路接続部は、共通ヘッダの一端面、即ち個々のヘッダが延在している側の各熱交換ブロックの縁部に対して実質的に直交している共通ヘッダ端面部に設けることが好ましい。例えば、半円筒形状のヘッダの場合、その流路接続部は共通ヘッダの半円筒状殻体周面上に設けられるのではなく、半円筒状殻体の軸心に対して直交する向きのヘッダ半円形端面部の一つに設けられる。

従来より、熱交換ブロックに対する流体流れの供給と排出は半円筒状ヘッダの殻体周面上に溶接した管状接続部品を介して行われていることが知られている。従って半円筒状殻体周面には、この接続部位に対応する開口部が必須であるが、それによって半円筒状殻体の強度が著しく低下してしまう。これに対して、流体接続部がヘッダの半円筒状殻体の端面部に配置されていれば、同一壁厚で共通ヘッダは上記公知のヘッダよりも高い機械的強度を有することになる。逆に言えば、このようなヘッダの構成においては必要な或る強度に対して壁厚を一層薄くすることができ、その分だけコストの低減が可能である。

ヘッダに設ける開口部はヘッダの断面全体に拡がる開口断面積のものとすることが好ましく、特に連通流路部分ではこの断面積を維持したまま隣接ヘッダ間を連結することが好ましい。これにより、二つ以上の熱交換ブロックに亘って延在する連続的な一体的共通ヘッダが形成される。

有利には、各熱交換ブロックは互いに間隔を開けて連設して各熱交換ブロック間に間隙が生じるようにする。これらの熱交換ブロックは、一般的には溶接により、好ましくはスペーサを介して互いに接続する。使用するスペーサは、例えばヘッダの幅寸法に合わせて略Ｕ字形状に帯状の板材を成形してなる連結金具でよい。

この連結金具は、各熱交換ブロックに接する側のヘッダの側面を間隙部分において完全に覆うようにヘッダ間隙部分に配置することが肝要である。この場合に形成される共通ヘッダの内部空間は、個々のヘッダ自身の例えば半円筒状の殻体と、熱交換ブロックの表面及び連結金具の一部分で画定される。

共通ヘッダは、供給される流体流れを各熱交換通路へ分配したり或いは各熱交換通路から出てくる流体流れを集めるだけでなく、個々の熱交換ブロックに対してこれらの分配流と集合流を供給・排出するという二重機能をも果たすものである。

本発明の好適な実施形態においては、係る二重機能を考慮して、熱交換ブロックに対する供給流体又は排出流体の流れを前記流路接続部経由のルートに導く手段がヘッダ内に設けられる。例えばヘッダの内部に案内板を配置し、この案内板によってヘッダ内の空間を流路領域と分配領域とに分け、流路領域には好ましくは流体の供給と排出の機能を担わせ、また分配領域には内部で流れを沈静化して各熱交換通路への流体を可能な限り均一に分配する機能を担わせる。

本発明及びその更なる特徴を図示の実施形態と共に詳述すれば以下の通りである。

図１及び図２は、ヘッダ６，７を備えた熱交換ブロック１を模式的に示している。熱交換ブロック１は多数の熱交換通路を備えており、これらの熱交換通路は図示を簡潔にするために図面には示されていない。一群の熱交換通路の入口及び出口開口は、熱交換ブロック１の正面３側の上縁領域２と、熱交換ブロック１の底面５側の前縁領域４にそれぞれ開口している。これらの入口及び出口開口を有する縁部領域２，３の上に、これら熱交換通路の連通部を形成する半円筒状のヘッダ６，７がそれぞれ溶接されている。

ヘッダ６，７は、端面部８，９，１０，１１を有する半円筒状殻体として構成されている。ヘッダ６，７内には案内板２３，２４が配設され、これらの案内板によって各ヘッダ６，７の内部がそれぞれ流路領域２５と分配領域２６とに区画されている。案内板２３，２４は多数の貫通穴を備えており、それにより流路領域２５と分配領域２６との間で気体及び液体の入れ替えが可能である。分配領域２６には熱交換ブロック１の多数の熱交換通路の入口又は出口が開口しており、また各ヘッダ６，７は熱交換ブロック１の縁部の少なくとも一部に亘って延在しているので、各ヘッダ６，７の分配領域が実質的に熱交換通路間の連通部を形成している。

図３は本発明によるプレート式熱交換器の組立の中間段階を示している。熱交換ブロック１ａ，１ｂは図１及び図２に示した熱交換ブロック１と同様の構成のものである。

先ず熱交換ブロック１ａ，１ｂをそれらのヘッダ６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂと共に漏洩試験及び圧縮強度試験に付す。試験に合格したら、熱交換ブロック１ａのヘッダ６ａ，７ａの全ての端部８ａ，９ａ，１０ａ，１１ａと熱交換ブロック１ｂのヘッダ６ｂ，７ｂの全ての端部４ｂ，９ｂ，１０ｂ，１１ｂを分離して開口させる。この分離は、図３に破線２０で示すようにヘッダ６ａと７ａ及び６ｂと７ｂの二組の互いに対面する側で半円筒状のヘッダ６ａ，７ａ，６ｂ，７ｂの軸心に対して傾斜した向きに行うが、熱交換ブロック１ａの両ヘッダの各一端部８ａ，９ａは半円筒状のヘッダ６ａ，７ａの軸心と直交する向きに切断する。

その後、二つの熱交換ブロック１ａ，１ｂをその下端部において帯状の連結部材１６により溶接で結合する。略Ｕ字形状の連結部材１６を熱交換ブロック１ａ，１ｂに固定するには、Ｕ字金具１６の帯状基部がブロック１ａ，１ｂの下面５ａ，５ｂと面一で連続するようにする。上部ヘッダ６ａ，６ｂの部分では、二つの熱交換ブロック１ａ，１ｂをＵ字金具２７に同様に接続するが、このＵ字金具の帯状基部は図３の製図面上で熱交換ブロック１ａ，１ｂの正面と面一な面内にあって熱交換ブロック１ａ，１ｂの上端縁２１ａ，２１ｂから少なくとも半円筒状のヘッダ殻体が熱交換ブロック１ａ，１ｂに出会うヘッダ３ａ，６ｂの下縁部２２ａ，２２ｂまで拡がっている。

図４及び図５は完成したプレート式熱交換器を示している。板材を曲げ成形して略蒲鉾形輪郭形状に形を合わせたシェル状の中間接続ピース１７，１８が二つの熱交換ブロック１ａ，１ｂの上部のヘッダ６ａと６ｂの間及び下部のヘッダ７ａと７ｂの間を覆い、それぞれヘッダ６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂ及びＵ字金具１６に溶接されている。管路１２，１３はヘッダ６ａ，７ａの各一端部８ａ，９ａに溶接されている。二つの管路１２，１３は熱交換ブロック１ａの同じ側の側部に位置している。従って、熱交換器に対するこれらの管路以降の配管作業は容易に可能である。

例えば熱交換器の動作中、流体は管路１２を介して供給され、ヘッダ６ａの流路領域２５に流入して案内板２３により分けられると共に、略蒲鉾形輪郭形状のシェル状中間接続ピース１８の内部を通してヘッダ６ｂの流路領域２５に流入する。二つのヘッダ６ａ，６ｂの案内板２３は多数の貫通穴を備えており、これらの貫通穴を通して流体が流れを沈静化する分配領域２６に流入する。ヘッダ６ａ，６ｂの分配領域２６内において流体はそれぞれ熱交換ブロック１ａ，１ｂの対応する複数の熱交換通路へと分配されて行く。

同様に、熱交換後の流体も中間接続ピース１７で一連に接続されたヘッダ７ａ，７ｂ及び管路１３を通して排出される。これらのヘッダ７ａ，７ｂの内部も同様の案内板２４によって流体流れの沈静化領域２６と流路領域２５に区画されている。この場合、沈静化領域２６は熱交換通路から出てくる流体流れを実質的に集めて混合する機能を果たし、流路領域２５はこの集合流を管路１３へ排出する機能を果たしている。

二つのヘッダを有する単一の熱交換ブロックを模式的に示す側面図である。 同じく熱交換ブロックの模式正面図である。 本発明によるプレート式熱交換器を構成するために相互に連設された二つの熱交換ブロックを模式的に示す正面図である。 本発明によるプレート式熱交換器を模式的に示す正面図である。 図４のプレート式熱交換器の模式側面図である。

Claims (9)

1. それぞれ多数の熱交換通路を内蔵すると共にこれら熱交換通路間の連通部を形成するヘッダを縁部の少なくとも一部に亘って延在配置した複数の熱交換ブロックからプレート式熱交換器を製作する方法であって、熱交換ブロック（１ａ，１ｂ）を互いに連設し、二つの隣接熱交換ブロック（１ａ，１ｂ）の各二つのヘッダ（６ａ，６ｂ；７ａ，７ｂ）には互いに対面する端面に開口部を設けると共に、これら各二つのヘッダ（６ａ，６ｂ；７ａ，７ｂ）同士を相互間に流体流れの連通が生じるように互いに連結することを特徴とする熱交換器の製作法。
2. 各二つのヘッダ（６ａ，６ｂ；７ａ，７ｂ）の互いに対面する端面を、各ヘッダ（６ａ，６ｂ；７ａ，７ｂ）が延在している熱交換ブロック（１ａ，１ｂ）の縁部（５ａ，５ｂ）に対して実質的に直交する向きに配置することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 各二つのヘッダ（６ａ，６ｂ；７ａ，７ｂ）のうちの各一方にそれぞれ流路接続部（１２，１３）を設け、各流路接続部（１２，１３）を、内部に前記熱交換通路の入口及び出口の開口部が位置していると共に各ヘッダ（６ａ，６ｂ；７ａ，７ｂ）が延在している熱交換ブロック（１ａ，１ｂ）の縁部（５ａ，５ｂ）に対して実質的に直交する向きに配置することを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の方法。
4. プレート式熱交換器の全ての流路接続部（１２，１３）を同じ側に配置することを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 各二つのヘッダ（６ａ，６ｂ；７ａ，７ｂ）同士を、それらの断面が連結部分（１７，１８）において減少しないように互いに連結することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 各ヘッダ（６ａ，６ｂ；７ａ，７ｂ）を半円筒状に形成することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 各二つのヘッダ（６ａ，６ｂ；７ａ，７ｂ）同士の間に連結金具（１７，１８）を配置することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 複数の熱交換ブロック（１ａ，１ｂ）を互いに間隔を開けて配置し、各熱交換ブロック（１ａ，ａｂ）間の間隙が帯状の連結部材（１６，２７）によって塞がれて熱交換ブロック（１ａ，１ｂ）に接する側のヘッダの側面が熱交換ブロック（１ａ，１ｂ）の表面及び／又は連結金具（１６，２７）によって完全に覆われるように熱交換ブロック同士を帯材によって互いに連結することを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 熱交換ブロック（１ａ，１ｂ）を、それらのヘッダ（６ａ，６ｂ；７ａ，７ｂ）の連結前に漏洩試験及び/又は圧縮強度試験に付すことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。

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