JP2004517292A - 伝熱プレート、プレートパックおよびプレート熱交換器 - Google Patents

伝熱プレート、プレートパックおよびプレート熱交換器 Download PDF

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Abstract

【課題】プレート熱交換器用伝熱プレート
【解決手段】伝熱プレートに圧入された多数の突条(210)およびトラフ(220)を備え、伝熱プレートの伝熱部は、複数の併置された前記突条(210)およびトラフ(220)の列(200)を有し、突条(210)およびトラフ(220)の列(200)は、ほぼ平坦なチャンネル部(240)によって、互いに分離され、各列(200)は、メインフロー方向(F)に沿って延びる細長い突条(210)および細長いトラフ(220)を交互に有し、同じ列(200)の各突条(210)と隣接したトラフ(220)との間の遷移部は、伝熱プレート(1)の中央面(P1)に対して傾斜した遷移部(230)によって形成され、プレート熱交換器用プレートパック内で使用される。
【選択図】図4

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入口部と、出口部と、入口部と出口部との間に位置し、かつ、伝熱プレートに圧入され、伝熱プレートの幾何学的上面と幾何学的底面との間に延びる多数の突条およびトラフを有する伝熱部とを備え、上記面は、伝熱プレートの幾何学的中央面にほぼ並行であるプレート熱交換器用伝熱プレートに関する。本発明は、さらに、上述の型式の多数の伝熱プレートを備えるプレートパックに関し、このプレートパック内において、流体が、入口部と出口部との間に延びるメインフロー方向に沿ってプレートパックを形成する隙間によって形成される多数の流れ領域内に流入するようになっている。また、本発明は、プレート熱交換器に関する。
【0002】
【従来の技術】
プレート熱交換器は、その間にプレート隙間を形成する多数の組立てられた伝熱プレートから成るプレートパックを備える。ほとんどの場合、1つおきのプレート間隙は、第1の入口チャンネルおよび第1の出口チャンネルに連通し、各プレート隙間は、流れ領域を限定し、上記入口および出口チャンネル間に第1の流体を通すようになっている。同様に、他方のプレート間隙は、第2の流体の流れのための第2の入口チャンネルおよび第2の出口チャンネルに連通する。従って、伝熱プレートは、その側面の1を通して1の流体と他の側面を通して他方の流体と接触し、2つの流体間でのかなりの熱交換を許容する。
【0003】
現代のプレート熱交換器は、ほとんどの場合、その最終形状にプレスされ、穿孔されたシートバーから形成された伝熱プレートを有する。各伝熱プレートは、通常の場合、それに穿孔されたスルーホールから成る4つまたはそれ以上のポートが設けられる。異なる伝熱プレートのポートは、上記入口および出口チャンネルを限定し、これらのチャンネルは、伝熱プレートの面を横切る方向にプレート熱交換器を挿通する。ガスケットあるいは他の形態のシーリング手段が、1つおきのプレート隙間のいくつかのポートの周りに、他方のプレート隙間においては、他のポートの周りに交互に配置されて、第1の流体および第2の流体のそれぞれのための2つの別個のチャンネルを形成する。
【0004】
作業中の熱交換器において達成される流体圧レベルは、高いために、伝熱プレートは、流体圧によって変形しないように所定の剛性を有することが必要である。シートバーから形成された伝熱プレートの使用は、伝熱プレートが若干支持される場合にのみ可能である。原則として、これは、伝熱プレートが多数の点で互いに支えるある種のパターンを有する伝熱プレートによって解決される。伝熱プレートは、フレーム内の2つの剛性エンドプレート間において一体にクランプされ、これにより、各プレート隙間にフローチャンネルを有する剛性ユニットを形成する。伝熱プレート間に所望の接触を得るために、2つの異なる型式の伝熱プレートが製作され、これらの伝熱プレートは、その後、熱交換器内の伝熱プレートが第1の種類のものと第2の種類のものとで交互になるように交互に配置される。その代わりに、対称軸を中心として交互に回転あるいは反転された同一の伝熱プレートが使用される。
【0005】
ほとんどの場合、各流れ領域のポートは、伝熱プレートの2つの両縁部の2つのポート部に配置され、上記流れ領域は、ポート部間に配置された熱交換面により形成される。ポートの直近に配置された伝熱プレートの一部(分配面)において、伝熱プレートは、通常の場合、特に、流れ領域の全幅に流体を分配するようになっているパターンを有する。
【0006】
いくつかの適用例において、伝熱面での圧力降下は、僅かな圧力降下しか生ぜず、これは、横方向での圧力降下差は、流体流における比較的大きな差が流れ領域幅にわたって生じる場合でも比較的小さいということを意味する。不均一な分配は、たとえ大きくても、クリーンな伝熱プレートを有する熱交換器での伝熱に僅かな影響しか与えないが、不均一に分配された流れは、ファウリング(fouling)の危険性がかなり増加するため、ほとんどの場合、許容することはできない。ファウリングが発生すると、熱交換器の伝熱能力は急激に低下する。ファウリングは、熱効率を低下させるだけでなく、熱交換器を通過する製品の品質に決定的影響も与えることがある。さらに、より一層の洗浄が必要となり、深刻な場合には、計画外の停止が必要になることがある。
【0007】
伝熱面での圧力降下が小さいプロセスの1例が、クライミングフィルムエバポレーション(climbing film evaporation)である。
【0008】
圧力降下が小さいことを特徴とする適用例においても流れ領域に十分な分配を得るために、流れ領域のパターンは、オープンでなければならず、すなわち、十分な流れが、大きな圧力差がない場合でも得られなければならない。従って、分配のために、パターンは、横方向においてオープンでなければならず、メインフローのために、パターンは、メインフローの方向においてオープンでなければならない。オープンパターンは、伝熱プレートをできるだけ平坦に形成し、伝熱プレートに僅かな数の局部的凹部を形成することによって簡単に得られる。しかし、接触点が僅かな数である場合、各接触点は、かなりの荷重に耐えなければならず、接触点間に位置する伝熱プレートの一部は、かなりの曲げ荷重を受ける。
【0009】
従来例に関連する1の問題は、個々の伝熱プレートによって形成される強いプレートパックを提供すると共に、圧力降下が小さいときでも完全に満足の行く態様で所望の分配を実現する構造体が存在しないことである。
【0010】
2つの表面的には両立しない構造上の要求の間での知られている妥協は、分配あるいは強度のいずれの点でも余りにも多数の欠点を有している。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上述の課題に対する解決策を提供すること、あるいは、少なくとも、分配あるいは強度の点においてあまり欠点のない妥協を達成することである。
【0012】
別の目的は、少なくとも上述の課題に関する有効な妥協を提供しかつ製造するのが容易で安価な伝熱プレートを提供することである。
【0013】
他の目的は、少なくとも上述の課題に関する有効な妥協も提供しかつ製造するのが容易で安価なプレートパックとプレート熱交換器とを提供することである。
【0014】
これらの目的は、独立請求項1に規定された特徴を有する伝熱プレートによって達成される。
【0015】
本発明の種々の側面による好ましい実施形態は、従属請求項から明らかである。
【0016】
伝熱プレートの新規なパターンが、見かけ上は両立しない構造上の要求に対する解決策である。
【0017】
【課題を解決するための手段】
創作的概念は、メインフローの方向に沿って延びかつ一方でプレート熱交換器のプレートパック内で使用されるときに、伝熱プレート間に生じる荷重を支え、他方で流れを分配するフロー接続部を提供するようになっている多数列の細長い突条およびトラフと、多数列の突条およびトラフを互いに分離しかつ限界圧力降下のみ生じるメインフローチャンネルを形成するようになっている多数のチャンネル部とを備えるプレートと要約することができる。この結果、伝熱面の圧力降下が小さくなければならない適用例においても満足の行く強度と横方向における満足の行く分配能力とを有するプレートが得られる。請求項1に記載の特徴について以下でより詳細に説明する。
【0018】
第1に、伝熱部は、並置された複数列の突条およびトラフを備え、これらの列は、入口部と出口部との間に延びるメインフロー方向に沿って延びる。この構造のプレートは、強い伝熱面を有している。ここで、強いとは、とりわけ、プレートが、その法線に沿ってプレートに作用する圧力、すなわち、プレートにより形成されるプレート隙間内に流入する流体の圧力だけでなく、ラックのクランプ力に関連する圧力に抗することができるということを意味する。法線に沿って作用する力は、プレートは通常、大きな伝熱面を有するために、かなりのレベルに達することがある。
【0019】
第2に、突条およびトラフの列は、プレートの中央面にほぼ並行に延びる伝熱部のほぼ平坦なチャンネル部によって、メインフロー方向にほぼ直交し、プレートの中央面に沿って延びる横方向において互いに分離される。これは、押圧を比較的簡単にするのを助ける。これは、メインフロー方向に延びかつ非常に小さな圧力降下しか生じないメインフローチャンネルが存在することも意味する。上述のように、小さな圧力降下は、ある分野の適用例の条件である。
【0020】
第3に、各列は、上記メインフロー方向に延びる細長い突条および細長いトラフを交互に有する。2つの並置された伝熱プレートの突条は、互いを支えるようになっている。従って、隣接したプレートを支える細長い突条は、プレートの他側部にトラフを形成し、他側部の隣接したプレートに対応するトラフから所定距離を置いて配置される。これにより、細長い横方向接続部が、メインフロー方向の上記メインフローチャンネル間に形成される。従って、異なるメインフローチャンネル内の流れは、これらの横方向接続部によって、あまり圧力降下を生ぜずに、均一化することができる。突条は、主に、プレス部品の凸側を意味し、トラフは、その凹側を意味する。従って、プレートの大きな面の突条は、そのプレートの反対側の大きな面にトラフを形成する。プレートのパターンは、プレートの大きな面に形成されることは説明済みである。
【0021】
第4に、同じ列の各突条と隣接したトラフとの間の遷移部は、プレートの連続したほぼ直線状の遷移部により形成され、この遷移部は、プレートの上記中央面に対して傾斜し、その第1の部分は、上記突条の端壁を形成し、第2の部分は、隣接したトラフの端壁を形成する。傾斜した部分により、製造するのが比較的容易なプレスパターンが得られる。傾斜した遷移部は、ほぼ直線状で直接突条からトラフに延びるので、非常に強い構造が得られる。金属シートの直立部は、その法線に沿って荷重を受ける金属シート部に比し、金属シート部の面でかなりの荷重を支えることができる。直接突条から隣接したトラフに延びる直線状の金属シート部により、圧縮力が、中間プレートの両側の2つのプレート間に、直接突条接触点を介して一方のプレートからトラフ接触点を介して他方のプレートに伝達される。従って、小さな荷重の場合でもかなりの曲げを生ずるかなりの曲げ荷重を受けるプレート部は存在しない。この接続の場合、傾斜角は、最適化の問題である。直交した直立部は、優れた剛性を提供するが、材料を極めて薄くすることなく達成することはより困難である。従って、材料のプレス特性およびその固有の剛性、プレートの適用分野などを考慮する必要がある。
【0022】
上述のプレートパターンの他の利点は、プレートが、対称状に配置され、1の型式のプレートのみを使用してプレート熱交換器内のプレートパックを形成することが可能であるということであり、プレートパック内の1つおきのプレートが対称線を中心として反転する。
【0023】
プレートのチャンネル部は、それぞれの列の突条およびトラフ列の横方向延長部より大きな横方向延長部を有するのが便宜である。これは、あまり圧力降下がないということを意味する。突条およびトラフの列は、プレートに、必要とされる強度を与え、比較的幅広のチャンネル部は、チャンネルに高流動能力を与える。
【0024】
チャンネル部は、それぞれの列の突条およびトラフの横方向延長部の略2倍の横方向延長部を有するのが好ましい。このようにプレートを構成することにより、圧力降下は、非常に小さくなり、プレートは、その強度を高めるパターンを有する。
【0025】
好ましい実施形態において、各細長い突条は、上面に対応する突条の部分が突条の端部の延長部に対して突条の中央部において小さい横方向延長部を有するように、その中央部において幅狭である。突条をこのように構成することにより、潜在的な伝熱面が有効に維持される。隣接したプレートを支える伝熱面の部分は、プレート熱交換器内の2つの媒体あるいは流体間の伝熱のために、大きな範囲にわたって使用されない。隣接したプレート間の荷重伝達能力を維持しつつ、伝熱面を増加させるために、突条は、その端部においてより、メインフロー方向から見て中央部において幅狭に形成される。これは、例えば、プレスされた突条を幅狭に形成することにより行うことができるが、例えば、プレスされた突条をより丸められた形状にすることにより、あるいは、プレス深さを減少することにより行うこともでき、作動中の荷重は、必要な幅が隣接したプレートの対応する突条を支えるように突条に作用することが許容される。
【0026】
他の好ましい実施形態によれば、各細長いトラフは、底面に対応するトラフの部分がトラフの端部の延長部に対してトラフの中央部で小さい横方向延長部を有するようにその中央部において幅狭である。突条の好ましい実施形態に関連して上述のように、これは、伝熱面の高度の利用をもたらし、強いプレートを提供する。適用分野に応じて、突条およびトラフの双方は、上述のように構成することができるが、突条のみをあるいはトラフのみをこのように構成することも考えられる。突条およびトラフは、例えば、要求される圧力あるいは伝熱能力の点で異なる特性を明らかに有する、2つの流体を含む異なる構成とすることができる。
【0027】
好ましい実施形態において、1の同じ列の突条およびトラフは、メインフロー方向に同じ延長部を有している。この点で対称状のプレートが、これにより得られる。これは、その製造を容易化し、その結果、ほとんどの適用分野において、周りの環境に対する荷重は対称状になる。
【0028】
他の好ましい実施形態によれば、1つの同じ列の突条およびトラフは、メインフロー方向において異なる延長部を有する。プレートをこのように構成することにより、メインフローチャンネル間に延びる横方向接続部が得られ、これらの横方向接続部は、流体の圧力がメインフロー方向において僅かに降下し、流体がメインフロー方向の上流側の前の段階で所定の範囲まで既に分配されていることを補償する。従って、メインフローチャンネルと横方向接続部との間の関係は、圧力降下およびメインフロー方向のプレートの全延長部に沿う流体分配の点で最適化することができる。
【0029】
他の好ましい実施形態において、横方向において互いに隣接して配置された突条およびトラフは、メインフロー方向において同じ延長部を有する。この点で対称状のプレートが、これにより得られ、これは、その製造を容易化し、その結果、ほとんどの適用分野において、周りの環境に対する荷重は対称状になる。
【0030】
更に他の好ましい実施形態によれば、横方向において互いに隣接して配置された突条およびトラフは、メインフロー方向において異なる延長部を有する。プレートをこのように構成することにより、メインフローチャンネル間に延びかつ流れが、ほとんどの場合にプレートの伝熱面の外側部において僅かに不十分であることを補償する横方向接続部が得られる。これにより、メインフローチャンネルと横方向接続部との間の関係は、例えば、圧力降下および横方向のプレートの全延長部に沿う流体分配の点で最適化することができる。
【0031】
好ましい実施形態によれば、突条およびトラフの列は、横方向の第1の線に沿って、それぞれが突条を有し、横方向の第2の線に沿って、それぞれがトラフを有するように配置される。従って、流体の満足の行く交差した分配が、圧力降下が小さい場合でも得られる。
【0032】
他の好ましい実施形態によれば、突条およびトラフの列は、横方向の線に沿って、1つおきの列が突条を有し、1つおきの列がトラフを有するように配置される。メインフローチャンネル間の横方向接続部は、プレートの伝熱面にわたって多数の対角線にほぼ追随し、その結果、横方向接続部を通る流れは、その流れ方向がかなりの範囲まで変えられることなく、(更に他のメインフローチャンネルに対する)次の横方向接続部を容易に通過できるため、プレートの幅にわたって流体が満足の行く態様で分配される。
【0033】
各チャンネル部は、段階的に、多数のほぼ平坦なステップ部に分割されるのが好ましく、これらのステップ部は、メインフロー方向において交互に配置され、プレートの中央部に対する法線に沿って互いに変位している。この構成は、一方で、ステップ部を連結する部分の少なくとも一部がプレートの法線に沿って延び、従って、荷重の一部を支えるために、他方で、相対的に変位した部分が曲げの際に、プレート、従って、セクションモジュールの回転モーメントをかなり増加させるために、従来より、剛性と強度を高める。これは、所定の荷重で生じる撓みは、ほとんどのプレート構成の場合、撓みと力を受ける部分の長さとの間の関係が、リニアより大きいために、大幅に減少する。チャンネル部をこのように構成することにより、別の利点、すなわち、メインフローチャンネルに形成されるステップ部は、さもなくばプレートの伝熱面に発生することがある流体膜の形成を有効に防止する。膜の形成は、熱交換に決定的な影響を有し、すなわち、熱交換が、減少し、ファウリングの危険性も増す。
【0034】
1つおきのステップ部は、プレートの中央面にほぼ並行な第1のステップ面に配置され、他方のステップ部は、プレートの中央面にほぼ並行な第2のステップ面に配置されるのが有利である。製造の観点から、これは、力の対称状の分配も可能とする好ましい実施形態である。
【0035】
各ステップ部は、メインフロー方向の突条およびトラフの延長部の略半分の延長部をメインフロー方向に有するのが好ましい。これは、チャンネル部表面に好適な膜防止能力を与える一方で、並置された列の突条およびトラフ間に特に好ましい力の分配を可能とする。
【0036】
好ましい実施形態によれば、プレートの中央面の法線に対する各ステップ部の位置は、メインフロー方向において一定し、これらのステップ部は、他のプレートの対応するステップ部と共に、コルゲート状延長部と上記法線に沿ってメインフロー方向に一定のチャンネル幅を有するチャンネルを形成するように配置される。1つおきのステップ部は、第1面に接し、他のステップ部は、第2面に接し、第1面および第2面は、プレートの中央面にほぼ並行である。製造の観点から、これは、同時にチャンネル部表面に好適な膜防止能力を与える好ましい実施形態である。更に、隣接したプレートのステップ部は、相互に作用して、膜防止能力を更に増大する。
【0037】
更に好ましい実施形態において、プレートの中央面に対する法線に沿う各ステップ部の位置は、メインフロー方向に沿って変化し、これらのステップ部は、他のプレートの対応するステップ部と共に、メインフロー方向に変化するチャンネル幅を上記法線に沿って有するチャンネルを形成するように配置される。その変形例によれば、1つおきのステップ部は、第1面に接し、他のステップ部は、第2面に接し、第1および第2面は、プレートの中央面にほぼ並行である。メインフロー方向におけるチャンネル幅の変動は、優れた膜防止能力を与える。その代わりに、メインフロー方向においてチャンネル幅を多少連続して増減させるためにステップ部が接する平面をある程度傾斜させることが可能である。この構成は、流体の圧力降下あるいは位相の変化(および関連する容積の変化)を考慮することを可能とする。
【0038】
好ましい実施形態によれば、プレートの中央面に対する法線に沿う各ステップ部の位置は、横方向に沿って変化し、これらのステップ部は、他のプレートの対応するステップ部と共に、横方向に沿って変化するチャンネル幅を上記法線に沿って有する多数のチャンネルを形成するように配置される。この構成のために、結果として流路の長さがプレートにわたって変化するポートまたは入口および出口部の非対称状の位置決めを、考慮することが可能である。横方向におけるステップ面の位置を変えることによって、横方向におけるプレートの異なる部分に対して所望の圧力降下を選択することができ、これにより、ポートが非対称状に配置された場合でも、あるいは、他の理由で他の非対称が存在する場合でも、均一な熱交換を得ることができる。
【0039】
本発明のプレートパックは、本発明の複数の伝熱プレートを備える。伝熱プレートの好ましい実施形態により解決される課題および得られる解決手段は、ほとんどの場合、プレートパックおよびプレート熱交換器内でのプレートの使用に関連し、反復しない。しかし、プレートパックあるいはプレート熱交換器内でのプレートの使用と関連してより明瞭に理解することができるので、解決される課題および得られる利点の一部についてより詳細に説明する。
【0040】
プレートパックは、伝熱部が、複数の並置された列の上記突条およびトラフ列を有し、上記列は、メインフロー方向に沿って延び、突条およびトラフの列は、プレートの中央面にほぼ並行に延びる伝熱部のほぼ平坦なチャンネル部によって、メインフロー方向にほぼ直交しかつプレートの中央面に沿って延びる横方向において互いに分離され、各列は、上記メインフロー方向に沿って延びる細長い突条および細長いトラフを交互に有し、同じ列内の各突条と隣接したトラフとの間の遷移部は、プレートの連続したほぼ直線状の遷移部により形成され、この遷移部は、プレートの上記中央面に対して傾斜し、その第1の部分は上記突条の端壁を形成し、第2の部分は隣接したトラフの端壁を形成し、流体流の主要部が、メインフロー方向に沿って延びかつ2つの隣接した伝熱プレートのほぼ平坦なチャンネル部により形成されるメインフローチャンネル内にメインフローの方向に沿って流入し、流体流の少量部が、2つの隣接した伝熱プレートのトラフがメインフローチャンネル間に開口した横方向接続部を形成する部分に横方向に沿って流入する。
【0041】
この構成は、プレートパックはあまり圧力降下を生ぜずに強度を有すべきとする一見両立しない構成上の要求の間の満足の行く妥協である。突条列は、互いに支え、材料がちょうど突条と(他側部の隣接プレートに対して突条を形成する)トラフとの間に延びるので、強いプレートが得られる。ほぼ平坦なチャンネル部のために、流体は、あまり圧力降下を生ぜずにプレートパックを通して案内される。更に、横方向接続部は、分配を行うためにかなりの圧力を必要とせずに、プレートの幅にわたって流体を分配可能とする。
【0042】
好ましい実施形態によれば、プレートパックを形成するプレートは、同一である。プレートパック内の1つおきのプレートは、通常の場合、ある種の対称線を中心として反転あるいは回転され、異なる隙間が熱交換器の異なるポートに連通する。いくつかの異なるプレートを使用するのとは対照的に、プレートパック内で同一のプレートを使用することにより、プレスツールの数を減少することができる。
【0043】
他の好ましい実施形態によれば、プレートパックを形成するプレートは、1つおきのプレートが、第1のタイプであり、1つおきのプレートが、第2のタイプであるように、2つ異なるタイプから形成される。この構成は、流体流と異なるプレート間での力の伝達との点でプレートの構成を最適化するのをより容易にする。
【0044】
【発明の実施の形態】
図3に示すように、本発明の伝熱プレート1は、伝熱プレート1の2つの対向縁部2、3に隣接して配置された第1ポート部Aと第2ポート部Bとを有する。伝熱プレート1はさらに、2つのポート部A、Bの間に位置する伝熱面Cを備える。ポート部A、Bに隣接し、これらのポート部とある程度、重なる態様で、プレート1は、流体分配パターンを備える部分D、Eを有する。
【0045】
プレート1は、図1に示すように、複数の同一のプレートと共にプレート熱交換器100内に装着されるようになっている。プレート1は、一体的に圧縮されて、フレームプレート102と圧力プレート103との間にプレートパック101を形成し、フレームプレート102と圧力プレート103は、多数のタイバー104により、一体に引っ張られる。タイバー104は、ねじ部を備え、フレームプレート102と圧力プレート103は、プレート102、103およびタイバー104に係合するナット105により一体に引っ張られる。フレームプレート102および圧力プレート103に加えて、プレート熱交換器100のフレームは、上部および下部ビーム106、107と、フレームプレート102から離隔した対向ビーム106、107の端部に隣接して配置されたピラーも備える。ポート部A、Bの縁部2、3に、伝熱プレート1は、下部および上部ビーム107、106のそれぞれに係合するようになっている凹部4、5を備える(図3参照)。
【0046】
図2に示すように、フレームプレート102は、伝熱プレート1のポート10a−d、11a−cに連通する接続孔110a−d、111a−cを備える。これらのポート10a−d、ポート11a−cは、プレート1を貫通して延びる孔を有する。ガスケットが、プレート1のポート10a−d、ポート11a−cの周りに設けられ、伝熱面Cは、プレート1内に圧入された溝に配置されたガスケット112によって囲まれる。
【0047】
ガスケット112は、1つおきのプレート隙間111dに連通する接続部111a−cおよびポート11a−c、並びに、他方のプレート隙間110eに連通する接続部110a−dおよびポート10a−eにより、流体流をそれぞれ遮断し、通すために使用される。したがって、第1の流体は、1つおきのプレート隙間111dの流れ領域内に流入し、第2の流体は、他方のプレート隙間110eの流れ領域内に流入する。これらの2つの流体は、直接接触しない。その代わりに、プレート1の伝熱面Cを介して、熱が交換される。図2は、3つの別個のプレート対1,1を示し、それぞれは、一体に結合された2つの伝熱プレート1から形成される。残りのプレート1は、組み立てられて、プレートパックを形成する。矢印Qは、プレート対1,1を示し、一方のプレート1(図中、前方のプレート)は、プレート対1,1を形成するプレート1間のプレート隙間110e内の流れを示すために、部分断面図で示されている。
【0048】
図3に示すように、伝熱プレート1の伝熱面Cは、ある種のパターンを有する。このパターンの目的は、隣接するプレートが互いを支える支点を提供すること、および、伝熱面Cにおける適切な流体流を達成することの双方である。パターンは、図4により詳しく図示され、突条210およびトラフ220の多数の列200により形成され、前記列は、ポート部A、B間をメインフロー方向に沿って延びる。したがって、メインフロー方向Fは、一方のポート部から他方のポート部に向かう。列200は、メインフロー方向Fに沿ってほぼコルゲート状の延長部を有し、幾何学的上面P2に接する細長い突条210と、幾何学的底面P3に接する細長いトラフ220とを形成する(図12参照)。突条210とトラフ220は、メインフロー方向に同じ延長部を有する。上面P2と下面P3とは、プレート1の幾何学的中央面P1に対して平行である。図中、トラフ220は、突条210を示す輪郭線よりもやや濃い輪郭線で示されている(たとえば、図11参照)。
【0049】
メインフロー方向Fに直交する横方向Gにおいて、突条(210)およびトラフ(220)の列200は、メインフロー方向Fに沿って延びるチャンネル部240によって、分離または区画される。直線状または平坦な遷移部、あるいは、接続部230が、列200の細長い突条210およびトラフ220のそれぞれの間に延び、前記部分230は、プレート1の中央面P1に対して傾斜する。接続部230は、連続し、直線状で途切れのない側面を提供し、これは、これらが、突条210とトラフ220との間に非常に便宜な態様で圧縮力を伝達することを意味する。
【0050】
突条210は、その中央部211で、端部212よりも狭くなっている。したがって、中央部211は、端部212がそれに沿って上面P2に接する幅H2よりも小さい幅H1に沿って上面P2に接する(図11および図12参照)。同様に、トラフ220の中央部221も端部222より狭く、各トラフ220は、端部222よりも中央部221で小さい幅に沿って底面P3に接する。
【0051】
チャンネル部240は、メインフロー方向Fに沿って交互に配置された多数のステップ部241、242に分割される。各ステップ部241、242は、2つの列200の間のチャンネル部240全体の幅にわたって延びる。1つおきのステップ部241は、第1のステップ面P4に配置され、1つおきのステップ部242は、プレート1の中央面P1の方向に法線Nに沿って変位し、第2のステップ面P5に配置される(図9〜12参照)。ステップ面P4、P5は、プレート1の中央面に対して平行である。ステップ部241、242は、メインフロー方向Fに沿って同じ延長部を有する。ステップ部241、242の延長部は、メインフロー方向Fに沿って、突条210およびトラフ220のそれぞれの延長部の略半分である。連続した側面243が、異なるステップ部241、242間に延び、前記側面243は、プレート1の中央面P1に対して傾斜する。1の同じステップ部242の側面243は、突条210とトラフ220との間の側面230の両側部に、対称状に配置される。したがって、突条210とトラフ220との交点ごとにおいて、各チャンネル部240は、第2のステップ面P5にステップ部242を提供し、反対側の突条210およびトラフ220のそれぞれの交点では、各チャンネル部240は、第1のステップ面P4にステップ部241を提供する。
【0052】
図中、形状の点で異なる部分が互いに対応しているために、同じ参照符号が、図4、図5〜10および図13の種々の実施形態に対して、突条210、トラフ220、チャンネル部240等を示すために使用されている。種々の実施形態間の主たる相違点は、突条210とトラフ220とが異なる態様で配置されていることであるが、これは、個々の突条210またはトラフ220の構造にそれほど影響を及ぼすことはなく、したがって、突条およびトラフは、予定された特定の配置に直接関連づけることなく説明されている。図4および図5、並びに、図13のFigs.14〜15の対比により、配置の相違が明らかになるであろう。
【0053】
図4に示す実施形態において、突条210とトラフ220とは、横方向Gに平行な線に沿って、全ての列200がトラフ220を提供し、かつ、横方向Gに平行な他の線に沿って、全ての列200が突条210を提供するように配置される。メインフロー方向Fにおいて、1つおきの横方向の線は、突条210の線であり、1つおきの線はトラフ220の線である。
【0054】
図5から10に示す実施形態において、突条210とトラフ220とは、横方向Gに平行な線に沿って、1つおきの列200がトラフ220を提供し、1つおきの列が突条210を提供するように配置される。この場合、突条210のみ、あるいは、トラフ220のみに接するように引かれる線(図4の実施形態中の線に対応)は、横方向Gおよびメインフロー方向Fの双方と角度を形成する対角線である。
【0055】
ステップ部241、242は、横方向Gに平行な線に沿って、すべてのチャンネル部240が、同じステップ面に接するステップ部を提供するように配置される。横方向Gに平行な線に沿って、すべてのチャンネル部分240は、241で示されるステップ部を提供し、横方向Gに平行な線に沿って、すべてのチャンネル部240は、242で示されるステップ部を提供する。
【0056】
ステップ部241、242を相対的に変位させる目的は、従来可能であったプレートよりも一層強いプレート1を提供することである。さらに、ステップ部241、242を連結する側面243は、チャンネル内での膜形成を防止し、これは利点である。
【0057】
上述のように、プレート1は、プレート熱交換器100内のプレートパック101で使用されるようになっている。このため、ひとつおきのプレートは、メインフロー方向Fに平行な対称軸Sを中心として反転する。1のプレート1の突条210は、隣接するプレート1の対応する突条210を支える。同様に、前記プレート1のトラフ220は、他側部に突条210を形成し、この突条210は、他の隣接するプレートの突条210を支える。これは図7から10に明瞭に示されている。したがって、チャンネル部240は、メインフロー方向Fに延びるメインフローチャンネルF’を形成する。さらに、横方向接続部G’が、隣接するプレート1が互いに支え合わない箇所のメインフローチャンネルF’間に形成される。図7はメインフローチャンネルF’間の横方向接続部G’を示す。図8は、突条210が、互いを支え、メインフローチャンネルF’を分離する状態を示す断面図である。また、メインフローチャンネルF’および横方向接続部G’は、図4および図5の右側部のフローラインにより概略的に示唆されている。
【0058】
上述の実施形態は、ポート部A、B間の伝熱面Cにおける流体流の主要部が、大きな圧力降下を伴うことなく、メインフローチャンネルF’内に流入する構造を導く。さらに、上述の実施形態により、伝熱面C全体にわたって均一な流れが得られるように、流体流を異なるメインフローチャンネルF’間に分配することができる。この構造により、必要とされる横方向流が、大きな圧力を必要とせずに発生する。したがって、大部分の流体流は、メインフローチャンネルF’内に流入し、僅かな部分の流れだけが、個々の横方向接続部G’を介してメインフローチャンネルF’間に流れる。
【0059】
図4および図5において、メインフローF’および横方向フローG’の経路が、非常に概略的に示されている。図示されているように、図4中のすべてのチャンネル部は、メインフロー方向Fに沿って、同じ位置で互いに連通するが、図5中のチャンネル部240は、メインフロー方向Fに沿って、異なる位置で連通する。
【0060】
特に図4および図5に示したように、チャンネル部240は、横方向Gに沿う各列200の延長部の略2倍の横方向延長部を有する。ステップ面P4およびP5の位置調整は、2つの隣接するプレート1のステップ部241および242が、メインフローチャンネルF’を形成し、これらのチャンネルの幅K(もしくは高さ)が、プレートの法線Nに沿って、2つの一定のチャンネル幅K1、K2(図10参照)の間を、メインフロー方向Fに変化することを意味する。
【0061】
図13のFigs.14および15に示すように、ステップ面P4およびP5の位置は、横方向Gに沿って変えてもよい。明瞭にするために、ステップ面P4のみが、図13のFigs.14および15に示されている。他の実施形態と同様に、P5は、法線Nに沿って、僅かな距離変位している。さらに、突条210およびトラフ220は非常に簡素化されて示されている。ステップ面P4、P5は、支点210、220に対して、いかなる任意の位置にも配置可能であるので、そのプレス深さ(法線に沿う幅K)が横方向Gあるいはメインフロー方向Fに沿って変化するチャンネル240が形成可能である。プレート1の他側部のチャンネル240(隣接するプレート隙間)は、対応する態様で増減するチャンネル幅Kを有する。異なるチャンネル幅Kを選択することにより、異なる流路に沿う圧力降下が制御され、前記流路の幾何学的長さの変動に関係なく、同じ圧力降下を得ることができる。図13に示すポート配置において、たとえば、流路Lは、流路Mより、はるかに長い。これは、流路Lに沿う流体流がより多くの熱を伝達することを示唆する。同じ出口温度、または、蒸気品質を得るために、流路Lに沿う流れは、流路Mに沿う流れより大きくなくてはならない。したがって、流れは、より長い流路では、より大きくなくてはならず、流路Lに沿う1メートルあたりの圧力降下は、流路Mのそれよりもさらに小さくなければならないということを意味する。
【0062】
本明細書中に記載の本発明による実施形態の多数の変形が、添付請求項により、規定された本発明の範囲内で可能である。
【0063】
たとえば、1の同じ列の突条とトラフは、メインフロー方向に沿って、異なる延長部を有してもよい。突条の延長部は、トラフの延長部よりも長くても短くてもよい。他の代替例によると、突条および/またはトラフの延長部は、メインフロー方向に沿って、変化してもよい。他の代替例では、突条およびトラフの延長部は、互いに、メインフロー方向に沿って変化してもよく、これにより、圧力降下および/または1つのまたは双方の流体の状態における変化を補償する解決策が得られる。突条およびトラフの相対的延長部は、適用分野によって、非常に多くの態様で変えてもよい。さらに、突条およびトラフの延長部、ならびに、それらの関係を、たとえば、横方向に沿って変え、たとえば、ほとんどの場合に、流体流が当初は若干不均一に分配されるという事実を補償してもよい。
【0064】
他の実施形態によると、ステップ部は、プレート法線に沿うメインフローチャンネルのチャンネル幅が一定で、かつ、チャンネルの側璧(即ち、ステップ面)がメインフロー方向に沿って、同じ方向で同じ位置に移動するような態様で配置されてもよい。これは、たとえば、横方向の線に沿って、異なるステップ部の面を交互に配置することによって達成してもよい。
【0065】
更に他の実施形態によると、ステップ面は、傾斜し、チャンネルの幅が、メインフロー方向に沿って連続的に変化する。チャンネル幅は、2つの面だけではなく、ステップ部を、メインフロー方向に沿ってその相対距離が変化する多数の異なる面に配置することにより変化させてもよい。ステップ部の相対位置および高さは、メインフロー方向および横方向の双方において、多数の態様で変えることができる。
【0066】
2つまたはそれより多くの異なるタイプのプレートを使用して、プレート熱交換器内にプレートパックを形成するさまざまな実施形態を考えることもできる。一般的な解決策は、プレート熱交換器内のプレートパックに交互に配置される2つの異なるプレートを使用することである。他の一般的な変形は、同一のプレート(プレスされたシートメタルプレート)と2つの異なるタイプのガスケットを使用することであり、1つのプレスツールだけで、2つの異なる伝熱プレートを得ることができる。しかし、上述のタイプのプレートパターンの利点は、設計するプレートは1タイプでよく、それを反転させ、使用してプレートパックの全てのプレートを形成できるということである。
【0067】
ガスケット112は、他のタイプのガスケット、たとえば、隣接するプレートを支え、これらのプレート上に溶着される突条で代えてもよい。
【0068】
上記説明は、1つのプレートパックのみを備えるプレート熱交換器を参照している。しかし、1の、同じプレート熱交換器内のみでいくつかのプレートパックを使用することが考えられる。その場合、異なるプレートパックは、互いに完全に分離してもよいし、または、流れの点で連通してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】
プレート熱交換器の側面図。
【図2】
図1のプレート熱交換器の分解図。
【図3】
本発明による伝熱プレートを示す図。
【図4】
図3に示す伝熱プレートの伝熱面に圧入されたパターンの実施形態の部分詳細図。
【図5】
図3に示す伝熱プレートの伝熱面に圧入されたパターンの第2の実施形態の部分詳細図。
【図6】
図5の部分詳細図の拡大図に対応する部分詳細図。
【図7】
図6の線VII−VIIに沿う断面図。
【図8】
図6の線VIII−VIIIに沿う断面図。
【図9】
図6の線IX−IXに沿う断面図。
【図10】
図6の線X−Xに沿う断面図。
【図11】
図6の部分詳細図に対応する部分詳細図。
【図12】
図11の線XII−XIIに沿う断面図。
【図13】
他の実施形態におけるプレートの概略図であり、Fig.14およびFig. 15は、プレートの断面図である。

Claims (25)

  1. 入口部(A)と、出口部(B)と、入口部(A)と出口部(B)との間に位置し、かつ、伝熱プレートに圧入され、幾何学的上面(P2)と幾何学的底面(P3)との間に延びる多数の突条(210)およびトラフ(220)を有する伝熱部(C)とを備え、前記面は、伝熱プレート(1)の幾何学的中央面(P1)にほぼ並行であるプレート熱交換器用伝熱プレート(1)であって、
    伝熱部(C)は、並置された複数列(200)の前記突条(210)およびトラフ(220)を有し、これらの列(200)は、入口部(A)と出口部(B)との間に延びるメインフロー方向(F)に沿って延び、
    突条(210)およびトラフ(220)の列(200)は、プレートの中央面(P1)にほぼ並行に延びる伝熱部(C)のほぼ平坦なチャンネル部(240)によって、メインフロー方向(F)にほぼ直交し、プレート(1)の中央面(P1)に沿って延びる横方向(G)において互いに分離され、
    各列(200)は、前記メインフロー方向(F)に延びる細長い突条(210)および細長いトラフ(220)を交互に有し、
    同じ列(200)の各突条(210)と隣接したトラフ(220)との間の遷移部は、プレート(1)の連続したほぼ直線状の遷移部(230)により形成され、この遷移部は、プレート(1)の前記中央面(P1)に対して傾斜し、その第1の部分は、前記突条(210)の端壁を形成し、第2の部分は、隣接したトラフ(220)の端壁を形成すること、を特徴とする伝熱プレート。
  2. チャンネル部(240)は、それぞれの列(200)の突条(210)およびトラフ(220)の横方向(G)延長部より大きな横方向(G)延長部を有する請求項1に記載の伝熱プレート。
  3. チャンネル部(240)は、それぞれの列(200)の突条(210)およびトラフ(220)の横方向(G)延長部の略2倍の横方向(G)延長部を有する請求項1または請求項2に記載の伝熱プレート。
  4. 各細長い突条(210)は、上面(P2)に対応する突条(210)の部分(211)が突条(210)の端部(212)の延長部に対して突条(210)の長さの中央部(211)において小さい横方向(G)延長部を有するように、その中央部(211)において幅狭である請求項1から3のいずれか1項に記載の伝熱プレート。
  5. 各細長いトラフ(220)は、底面(P3)に対応するトラフ(220)の部分(211)がトラフ(220)の端部(222)の延長部に対してトラフ(220)の長さの中央部(221)で小さい横方向(G)延長部を有するようにその中央部(221)において幅狭である請求項1から4のいずれか1項に記載の伝熱プレート。
  6. 1の同じ列(200)の突条(210)およびトラフ(220)は、メインフロー方向(F)に同じ延長部を有する請求項1から5のいずれか1項に記載の伝熱プレート。
  7. 1の同じ列(200)の突条(210)およびトラフ(220)は、メインフロー方向(F)において異なる延長部を有する請求項1から5のいずれか1項に記載の伝熱プレート。
  8. 横方向(G)において互いに隣接して配置された突条(210)およびトラフ(220)は、メインフロー方向(F)において同じ延長部を有する請求項1から7のいずれか1項に記載の伝熱プレート。
  9. 横方向(G)において互いに隣接して配置された突条(210)およびトラフ(220)は、メインフロー方向(F)において異なる延長部を有する請求項1から7のいずれか1項に記載の伝熱プレート。
  10. 列(200)は、横方向(G)の第1の線に沿って、それぞれが突条(210)を有し、横方向(G)の第2の線に沿って、それぞれがトラフ(220)を有するように配置される請求項1から9のいずれか1項に記載の伝熱プレート。
  11. 列(200)は、横方向(G)の線に沿って、1つおきの列(200)が突条(210)を有し、1つおきの列(200)がトラフ(220)を有するように配置される請求項1から9のいずれか1項に記載の伝熱プレート。
  12. 各チャンネル部(240)は、段階的に、多数のほぼ平坦なステップ部(241、242)に分割され、これらのステップ部は、メインフロー方向(F)において交互に配置され、プレート(1)の中央部(P1)に対する法線(N)に沿って互いに変位している請求項1から11のいずれか1項に記載の伝熱プレート。
  13. 1つおきのステップ部(241)は、プレート(1)の中央面(P1)にほぼ並行な第1のステップ面(P4)に配置され、他方のステップ部(242)は、プレート(1)の中央面(P1)にほぼ並行な第2のステップ面(P5)に配置される請求項12に記載の伝熱プレート。
  14. 各ステップ部(241、242)は、メインフロー方向(F)の突条(210)およびトラフ(220)の延長部の略半分の延長部をメインフロー方向(F)に有する請求項12または請求項13に記載の伝熱プレート。
  15. プレート(1)の中央面(P1)に対する法線(N)に沿う各ステップ部(241、242)の位置は、メインフロー方向(F)において一定し、これらのステップ部(241、242)は、他のプレートの対応するステップ部と共に、コルゲート状延長部とメインフロー方向(F)に一定のチャンネル幅(K)を前記法線(N)に沿って有するチャンネルを形成するように配置される請求項12から14のいずれか1項に記載の伝熱プレート。
  16. プレート(1)の中央面(P1)に対する法線(N)に沿う各ステップ部(241、242)の位置は、メインフロー方向(F)に沿って変化し、これらのステップ部(241、242)は、他のプレートの対応するステップ部と共に、メインフロー方向(F)に変化するチャンネル幅(K)を前記法線(N)に沿って有するチャンネルを形成するように配置される請求項12から14のいずれか1項に記載の伝熱プレート。
  17. プレート(1)の中央面(P1)に対する法線(N)に沿う各ステップ部(241、242)の位置は、横方向(G)に沿って変化し、これらのステップ部(241、242)は、他のプレートの対応するステップ部と共に、横方向(G)に変化するチャンネル幅(K)を前記法線(N)に沿って有する多数のチャンネルを形成するように配置される請求項12から16のいずれか1項に記載の伝熱プレート。
  18. 複数の伝熱プレートを備え、各伝熱プレートは、入口部(A)と、出口部(B)と、入口部(A)と出口部(B)との間に位置し、かつ、伝熱プレートに圧入され、幾何学的上面(P2)と幾何学的底面(P3)との間に延びる多数の突条(210)およびトラフ(220)を有する伝熱部(C)とを備え、前記面は、伝熱プレートの幾何学的中央面(P1)にほぼ並行であり、流体が、入口部(A)と出口部(B)との間に延びるメインフロー方向(F)に沿ってそれを形成する伝熱プレート(1)間の隙間によって形成される多数の流れ領域(110e)内に流入するようになっているプレートパックであって、
    伝熱部(C)が、複数の並置された列(200)の前記突条(210)およびトラフ(220)を有し、前記列(200)は、メインフロー方向(F)に沿って延び、
    突条(210)およびトラフ(220)の列(200)は、プレートの中央面(P1)にほぼ並行に延びる伝熱部(C)のほぼ平坦なチャンネル部(240)によって、メインフロー方向(F)にほぼ直交しかつプレート(1)の中央面(P1)に沿って延びる横方向(G)において互いに分離され、
    各列(200)は、前記メインフロー方向(F)に沿って延びる細長い突条(210)および細長いトラフ(220)を交互に有し、
    2つの並置された伝熱プレート(1)の突条(210)は、互いを支え、
    同じ列(200)の各突条(210)と隣接したトラフ(200)との間の遷移部は、プレート(1)の連続したほぼ直線状の遷移部(230)により形成され、この遷移部は、プレート(1)の前記中央面(P1)に対して傾斜し、その第1の部分は前記突条(210)の端壁を形成し、第2の部分は隣接したトラフ(200)の端壁を形成し、
    流体流の主要部が、メインフロー方向(F)に沿って延びかつ2つの並置された伝熱プレート(1)のほぼ平坦なチャンネル部(240)により形成されるメインフローチャンネル内にメインフローの方向(F)に沿って流入し、
    流体流の少量部が、2つの並置された伝熱プレート(1)のトラフ(220)がメインフローチャンネル間に、開口した横方向接続部を形成する部分に横方向(G)に沿って流入することを特徴とするプレートパック。
  19. 請求項1から17のいずれか1項に記載の複数の伝熱プレートを備える請求項18に記載のプレートパック。
  20. 各プレート(1)の中央面(P1)に対する法線(N)に沿うチャンネル部(240)の位置は、メインフロー方向(F)においてほぼ一定し、プレート(1)のチャンネル部(240)は、隣接したプレート(1)の対応するチャンネル部(240)と共に、メインフロー方向(F)のコルゲート状延長部とメインフロー方向(F)に一定のチャンネル幅(K)を前記法線(N)に沿って有するチャンネルを形成する請求項18または請求項19に記載のプレートパック。
  21. 各プレート(1)の中央面(P1)に対する法線(N)に沿うチャンネル部(240)の位置は、メインフロー方向(F)において変化し、プレート(1)のチャンネル部(240)は、隣接したプレート(1)の対応するチャンネル部(240)と共に、メインフロー方向(F)に変化するチャンネル幅(K)を前記法線(N)に沿って有するチャンネルを形成する請求項18または請求項19に記載のプレートパック。
  22. プレートパックを形成するプレート(1)は、同一である請求項18から21のいずれか1項に記載のプレートパック。
  23. プレートパックを形成するプレート(1)は、1つおきのプレートが、第1のタイプであり、1つおきのプレートが、第2のタイプであるように、2つ異なるタイプから形成される請求項18から21のいずれか1項に記載のプレートパック。
  24. 請求項1から17のいずれか1項に記載の複数の伝熱プレートを備えることを特徴とするプレート熱交換器。
  25. 請求項18から23のいずれか1項に記載の多数のプレートパック内に配置された複数の伝熱プレートを備えることを特徴とするプレート熱交換器。
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