JP2006071224A - 耐圧プレート式熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 プレート式熱交換器が本来有している小型、高性能、量産性および低価格等の利点を保持するとともに、十分な耐圧性と耐変動圧性とを備える。
【解決手段】 プレート式熱交換器１を耐圧性の収納容器２に収納し、高圧側流体の流入経路５に設けた開口部５１から、この高圧側流体の一部をこの収納容器内に導入する。これによりプレート式熱交換器１の内外に掛かる圧力がほぼ同じになるため、このプレート式熱交換器に生じる膨張応力や脈動応力を大幅に緩和できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、耐圧性及び耐脈動圧性を高めた耐圧プレート式熱交換器に関する。

プレート式熱交換器は大量生産に適しており、小型、高性能および低価格で生産できる等の多くの点で優れ、従来から多くの産業において広く使用されている。また多様な用途における使用実績も多いことから、設計データが豊富に蓄積され、設計条件が明確になっているため、要求仕様を満足させ得る適正な設計が可能である。しかしながら薄板を積層した構造であって、耐圧性の低い角型構造であるために、高圧側流体の使用には適さない。また動作流体に、往復動ポンプ、流量調整バルブ、あるいは流路内の自励振動等により脈動が発生し、この脈動流が流入した場合には、薄板の積層部分の外側に位置する補強部の溶接箇所等が、疲労破損しやすいという問題があった。このためプレート式熱交換器は、高圧用途には使用され難かった。

耐圧性や耐変動圧性を高めるためには、薄板部材の板厚を厚くして機械的強度を上げる等も考えられるが、重量やコストの増加と共に、熱交換効率自体の低下を招く。そこで高圧側流体が使用できるように、次の手段が提案されている。（例えば、非特許文献１、特許文献１参照。）。
フィンランド国のバートラス社製の熱交換器カタログ 特開平０９−０２６２７４号公報（第１〜第４頁、第１〜第３図）

図４及び図５に、非特許文献１に開示されているバートラス社製の熱交換器の概要を示す。熱交換器３０１は、多数の円盤状の薄板を所定の間隔を置いて積層し、隣接する薄板の外周を一つ置きに接合し、密閉ユニット３１６を形成したものである。すなわち熱交換器３０１は、隣接する薄板の外周を接合した円盤状の密閉ユニット３１６と、この密閉ユニットに挟まれた円盤状の間隙３１７とが交互に積層されている。そして熱交換器３０１は、円筒形の耐圧容器３０２内に収納されている。

密閉ユニット３１６の内部空間は、一次流体の流入配管３０３および一次流体の流出配管３０４にそれぞれ連通し、この一次流体の流入配管から流入した一次流体が、この密閉ユニットの内部空間を通過して、この一次流体の流出配管に流出するようになっている。一方二次流体は、耐圧容器３０２の円周壁に設けられた二次流体の流入口３０５から流入し、隣り合う密閉ユニット３１６の間隙３１７を上方か下方へ通過し、この密閉ユニットの内部空間を通過する一次流体と熱交換を行う。そしてこの二次流体は、二次流体の流入口３０５の反対位置であって、耐圧容器３０２の円周壁に設けられた二次流体の流出口３０６より外部に流出する。

また円盤を積層した熱交換器３０１の外周と、耐圧容器３０２の壁の内側との隙間には、１８０度隔てて軸方向にシール３０７，３０７が取り付けられ、二次流体がこの間隙から素通りしないようにしてある。したがって、二次流体として高圧の流体を使用しても、この高圧は密閉ユニット３１６の外面に掛かるため、耐圧容器３０２の耐圧性を十分確保しておけば、熱交換器３０１自体がパンクすることはない。

次に図６に、特許文献１に開示されている熱交換器４０１の概略を示す。熱交換器４０１は、薄板を積層して周囲を接合した通常のプレート式熱交換器であって、外郭容器４０２内に収納してある。そして一次側流体である高温高圧ガスは、一次側の入口管４０５から熱交換器４０１に入り、この熱交換器の内部で二次側の入口管４０３から流入した二次側流体と熱交換し、この熱交換器の外面に設けられた開口部４１７から、外郭容器４０２の内部に流出する。外郭容器４０２には一次側流体の出口管４０６が設けられ、一次側流体は、最終的にこの出口管から流出する。したがって薄板を積層したプレート形の熱交換器４０１の外面に、一次側流体の開口部４１７における出口圧がかかることになる。

しかしながら、非特許文献１に開示されている熱交換器３０１では、上述したように密閉ユニット３１６の外面には、二次流体の高圧が掛かり一方この密閉ユニットの内面には、一次流体の低圧が掛かるため、高圧の二次流体が脈動する場合には、この密閉ユニットの外面に繰り返し応力が掛かることになる。また流入口３０５から流入した二次流体が、熱交換器３０１の外周と、耐圧容器３０２の壁の内側との隙間の間を素通りしないようにするためには、１８０度隔てたシール３０７，３０７を設けることが不可欠になるが、この間隙を完全にシールすることは難しく、二次流体の漏洩が生じた場合には熱交換効率が低下する。

したがって組み立て完了後に、シール３０７，３０７の漏洩試験を行う必要があるが、漏洩が見つかった場合には、熱交換器３０１を耐圧容器３０２から取り出して漏洩部分を特定して修復し、再度組み込んで漏洩確認試験を行うという、手数のかかる作業が必要になる。さらに熱交換器３０１は、密閉ユニット３１６と、この密閉ユニットに挟まれた円盤状の間隙３１７とが交互に積層するという新しい構成を採用しているが、このような構成は使用実績も少ないため、設計に必要なデータが十分収集することが困難な状況にある。このため、要求仕様に対して適確な設計を行うことが難しい。また二次流体は、円盤状の密閉ユニット３１６に挟まれた間隙３１７を上方から下方に通過する。したがって円盤の中心部と左右の外径付近とは、二次流体の通過距離が異なるために、各通路における熱交換を等しくすることが難しい。このため均一に熱交換する場合より熱交換効率が低下する。

一方特許文献１に開示されている熱交換器４０１では、上述したように熱交換器４０１の外面には、開口部４１７から流出した一次側流体の圧力がかかる。しかるに熱交換器４０１内の一次側流体の流通通路は、熱交換効率を上げるために複雑な通路に形成されており、この流通通路を通過する間に圧力損失を生じる。このため熱交換器４０１の外部圧力は、この熱交換器の一次側流体の内部圧力より低くなる。したがって開口部４１７から流出した一次側流体の圧力では、熱交換器４０１の内部圧力を相殺することができず、この熱交換器の薄板積層部分は、膨張圧力を受けることになる。このため熱交換器４０１にかかる外部圧力によって、薄板積層部分の内部圧力を十分相殺する場合に比べると、この熱交換器の耐圧性や耐脈動圧性が劣ることになる。

そこで本発明の目的は、十分な耐圧性と耐脈動圧性とを備えた、小型、高性能及び低コストの耐圧プレート式熱交換器を提供することにある。

本発明による耐圧プレート式熱交換器の特徴は、プレート式熱交換器を収納容器内に収納し、この収納容器内に高圧側の流入流体を導入することによって、このプレート式熱交換器の内外圧力をほぼ同じにすることにある。すなわち本発明による耐圧プレート式熱交換器の第１の特徴は、プレート式熱交換器と、このプレート式熱交換器を収納する収納容器とを備えている。このプレート式熱交換器には、低圧側流体の流入経路と、この低圧側流体の流出経路とが、それぞれ収納容器の外部から連通すると共に、高圧側流体の流入経路と、この高圧側流体の流出経路とが、それぞれ収納容器の外部から連通している。そしてこの高圧側流体の流入経路は、収納容器の内側に連通する開口部または分岐経路のいずれかを有している。

本発明による耐圧プレート式熱交換器の第２の特徴は、プレート式熱交換器と、このプレート式熱交換器を収納する収納容器とを備えている。このプレート式熱交換器には、低圧側流体の流入経路と、この低圧側流体の流出経路とが、それぞれ収納容器の外部から連通している。この収納容器の内側には、高圧側流体の流入経路がこの収納容器の外部から連通すると共に、プレート式熱交換器の高圧側流体の流入口が開口している。そしてこのプレート式熱交換器には、高圧側流体の流出経路が収納容器の外部から連通している。

ここで「プレート式熱交換器」とは、公知の技術であって、多数の薄板を積層し、隣接する薄板の周縁部等を接合することによって、流体の通過する間隔の狭い内部空間を形成したものであって、互いに隣接する内部空間に、一方の流体と他方の流体とを薄板からなるプレートを挟んで流し、このプレートを介して熱交換するものを意味する。なお薄板の周縁部等を接合する手段としては、ロウ付け、溶接あるいはパッキング部材による密閉等が用いられる。また「収納容器」は、プレート式熱交換器全体を内部に収容し、所定の内圧に耐える容器を意味し、その形状、サイズ、あるいは材質等を問わない。

また「低圧側流体の流入経路」、「低圧側流体の流出経路」、「高圧側流体の流入経路」および「高圧側流体の流出経路」は、収納容器の外部から、プレート式熱交換器または収納容器の内部に連通するものであれば、形状や材質等を問わない。またこれらの経路と、プレート式熱交換器への連結手段は、漏洩が生じず、かつ所定の結合強度が得られるものであれば、溶接等の固定方式の他、フランジ結合、各種のカップリング結合等の取り外し可能な方式も含む。「分岐経路」は、高圧側流体の流入経路を流れる流体の一部を、収納容器内に流入させる経路を意味し、その分岐個所は、この収納容器の内側に限らず、外側に位置する場合も含む。

第１に、プレート式熱交換器を収納容器内に収納し、この収納容器内に高圧側の流入流体を導入することにより、このプレート式熱交換器の内側と外側とがほぼ同じ圧力になるので、プレート式熱交換器にかかる膨張応力が極小化し、圧力変動する流体に対しても内側と外側が同期するため、繰り返し応力も極小化する。したがって、収納容器の耐圧性を高めておけば、本来高圧の流体には適さないプレート式熱交換器に、高温高圧の流体を使用できるようになる。またプレート式熱交換器自体は、特別な耐圧性を備える必要がないため、低コスト化やコンパクト化が可能となる。

第２に、高圧側流体の流入経路に開口部または分枝経路を設け、この高圧側の流入流体の圧力を収納容器内に導入する場合には、高圧側流体が熱交換器に流入するまでの圧力損失の増加を回避することができる。すなわち高圧側の流入流体が、収納容器内に充満すれば、この高圧側の流体は、収納容器内を経由することなく熱交換器に流入する。このため収納容器内を経由するときに発生する圧力損失を回避できる。

一方高圧側の流体を収納容器内に流入させ、この流入流体を熱交換器に設けた流入口からこの熱交換器に導入する場合には、収納容器の外部から、この収納容器の壁を貫通等させて熱交換器まで連通させる配管接続が不要となり、構造や組み立て等がより簡便になる。

第３に、豊富な使用実績と設計条件とが蓄積されているプレート式熱交換器をそのまま使用することができるため、各種の要求仕様に対して、信頼性の高い設計が容易かつ適確にできる。また、プレート式熱交換器単体として性能確認試験等を行って、完成したものをそのまま収納容器に組み込むことができるため、収納容器に収納後にあらためてこれらの確認試験や、再分解を要する補修等を行う必要が無い。さらに従来例のように、熱交換器と収納容器との間隙に、流体の素通りを防止するためのシールを組み込む必要がないため、構造が簡易となると共に、漏洩試験や手数の掛かる補修作業が不要になる。

図１を参照しつつ本発明による耐圧プレート式熱交換器を説明する。さて耐圧プレート式熱交換器は、プレート式熱交換器１と、このプレート式熱交換器を収納する収納容器２とを備えている。なおプレート式熱交換器１は、広く市販されているものから、使用目的に応じたサイズや性能等のものを選択する。また収納容器２は、プレート式熱交換器１を収納でき、かつ所定の圧力に耐える形状、材質及び板厚等で製作し、このプレート式熱交換器を収納できるように、２分割したものを、フランジ部で合わせて結合する構成にしてある。なおプレート式熱交換器１を取り付けた後で、収納容器２を分解不可の密閉構造として、コストダウン等を図ることも可能である。

プレート式熱交換器１の低圧側流体の流入口１１と流出口１２とには、それぞれ低圧側流体の流入経路３と流出経路４とが、収納容器２の外部からこの収納容器の壁を貫通して連通している。一方プレート式熱交換器１の高圧側流体の流入口１３と流出口１４とには、それぞれ高圧側流体の流入経路５と流出経路６とが、収納容器２の外部からこの収納容器の壁を貫通して連通している。

なおこれらの流出入経路は、金属製のパイプを使用しており、収納容器２の壁を貫通する個所は、溶接によって密閉接合してある。そしてこれらの経路には、熱膨張による応力を緩和するために、収納容器２とプレート式熱交換器１との間で、適宜ダイヤフラム等の伸縮吸収継手（図示せず。）が挿入してある。

そして高圧側流体の流入経路５には、収納容器２の壁と高圧側流体の流入口１３との間において、開口部５１が設けてあり、この開口部から、高圧側流体がこの収納容器の内側に導入され、充満するようにしてある。したがってプレート式熱交換器１の内部に流入した高圧側流体と同じ圧力が、このプレート式熱交換器の外側面に掛かるため、このプレート式熱交換器の内外圧力をほぼ同じにすることができる。また脈動する高圧側流体がプレート式熱交換器１の内部に流入しても、このプレート式熱交換器内外の圧力変動を同期させることができる。

図２に、本発明による耐圧プレート式熱交換器の他の実施の形態を示す。この耐圧プレート式熱交換器は、図１に示すように高圧側流体の流入経路５に開口部５１を設ける代わりに、収納容器１０２の外側で分岐し、かつこの収納容器の内側に連通する分岐経路１５１を設けた点だけが、上述した耐圧プレート式熱交換器と相違する。なお両者の比較を容易にするため、図１に示したものと同様な部品や部位については、図１に示す符号に、一律１００を加えた符号にしてある。

図３に、本発明による耐圧プレート式熱交換器の、更なる他の実施の形態を示す。この耐圧プレート式熱交換器は、上述したものと、高圧側流体の流入経路の構成だけが相違する。なお上述したものとの比較を容易にするため、図１に示したものと同様な部品や部位については、図１に示す符号に、２００を加えた符号にしてある。すなわち高圧側流体の流入経路２０５は、収納容器２０２の外部からこの収納容器の壁を貫通して、この収納容器の内側に開口している。そして収納容器２０２の内側には、プレート式熱交換器２０１の高圧側流体の流入口２１３が開口している。

したがって、流入経路２０５から流入した高圧側流体は、収納容器２０２の内部に充満するため、上述した実施の形態と同様に、プレート式熱交換器２０１の内部に流入した高圧側流体と同じ圧力が、このプレート式熱交換器の外側面に掛かるため、このプレート式熱交換器の内外圧力をほぼ同じにすることができる。

本発明による耐圧プレート式熱交換器は、小型、高性能、安価というプレート式熱交換器としての特質を保持するとともに、高い耐圧性を容易に備えることができるため、原子力設備、石油精製設備及び発電設備等の加熱や冷却システム、各種冷凍システム、各種化学プロセスシステム、並びに廃熱回収システム等の産業において、広く利用することができる。

耐圧プレート式熱交換器の概略構成図である。 他の耐圧プレート式熱交換器の概略構成図である。 他の耐圧プレート式熱交換器の概略構成図である。 従来例による耐圧熱交換器の概略構成図である。 従来例による耐圧熱交換器の他の概略構成図である。 従来例による他の耐圧熱交換器の概略構成図である。

符号の説明

１，１０１，２０１ プレート式熱交換器
１１，１１１，２１１ 低圧側流体の流入口
１２，１１２，２１２ 低圧側流体の流出口
１３，１１３，２１３ 高圧側流体の流入口
１４，１１４，２１４ 高圧側流体の流出口
２，１０２，２０２ 収納容器
３，１０３，２０３ 低圧側流体の流入経路
４，１０４，２０４ 低圧側流体の流出経路
５，１０５，２０５ 高圧側流体の流入経路
５１，１５１ 開口部、分岐経路
６，１０６，２０６ 高圧側流体の流出経路

Claims (2)

1. プレート式熱交換器と、このプレート式熱交換器を収納する収納容器とを備え、
   上記プレート式熱交換器には、低圧側流体の流入経路とこの低圧側流体の流出経路とがそれぞれ上記収納容器の外部から連通し、
   上記プレート式熱交換器には、高圧側流体の流入経路とこの高圧側流体の流出経路とがそれぞれ上記収納容器の外部から連通し、
   上記高圧側流体の流入経路は、上記収納容器の内側に連通する開口部または分岐経路のいずれかを有する
   ことを特徴とする耐圧プレート式熱交換器。
2. プレート式熱交換器と、このプレート式熱交換器を収納する収納容器とを備え、
   上記プレート式熱交換器には、低圧側流体の流入経路とこの低圧側流体の流出経路とがそれぞれ上記収納容器の外部から連通し、
   上記収納容器の内側には、高圧側流体の流入経路がこの収納容器の外部から連通し、
   上記収納容器の内側には、上記プレート式熱交換器の上記高圧側流体の流入口が開口し、
   上記プレート式熱交換器には、上記高圧側流体の流出経路が上記収納容器の外部から連通している
   ことを特徴とする耐圧プレート式熱交換器。

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