JP2007163131A - プレート式熱交換器の強度決定方法とプレート式熱交換器の製作方法並びに工業プロセスエンジニアリングプラントの製作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 プレート式熱交換器の強度を決定するため、またプレート式熱交換器を製作するため、更には工業プロセスエンジニアリングプラントを製作するための有利な方法を提供する。
【解決手段】 プレート式熱交換器の動作中における該熱交換器内部の熱応力を３次元数値シミュレーションにより算出し、算出された熱応力に基づいてプレート式熱交換器の強度を決定する。この決定された強度を用いて、金属製の仕切板（１）と熱伝達フィン形材（２）を有するプレート式熱交換器を製作する際の熱交換器の１つ又は複数の機械パラメータを規定し、この規定された１つ又は複数のパラメータに従ってプレート式熱交換器を製作し、更にはプレート式熱交換器を組み込んだ工業プロセスエンジニアリングプラントを製作する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、プレート式熱交換器の強度決定方法とプレート式熱交換器の製作方法並びに工業プロセスエンジニアリングプラントの製作方法に関する。

プレート式熱交換器は種々の形態のものが知られている。原則として、非特許文献１に示されているように、プレート式熱交換器は貫流する少なくとも二つの流体、即ちいずれも気体又は液体、相互間の熱交換を可能とするように設計される。この場合、流体同士は空間的に分離されて貫流されるので、これら流体相互間の混合は生じない。即ち、流体間で交換される熱量は、プレート式熱交換器内部の流体流れを分離するための構造材を通して熱伝導により移動する。本願明細書において「プレート式熱交換器」という用語は、１つ又は複数のプレート式熱交換器ブロックを意味することもある。
鑞付けアルミニウム製プレート式熱交換器製造業協会標準規格２０００年第２版（THE STANDARDS OF THE BRAZED ALUMINIUM PLATE-FIN HEAT EXCHANGER MANUFACTURES' ASSOCIATION (ALPEMA), Second EditionM 2000）

プレート式熱交換器は、流体が流れることのできる複数の熱交換通路を備えてる。これらの通路は、熱交換のための熱伝達フィン形材、即ち、単にフィンとも呼ばれるリブ状成形板で形成され、このリブに沿って、つまり通常はリブよって形成される溝内を通って流体が流れる。熱伝達フィン形材は多種多様に成形され、複雑な形状を備えている。熱交換通路は熱伝達フィン形材に隣接配置される仕切板によって互いに独立した流路に分割される。

プレート式熱交換器の製作は、例えば、仕切板の表面に半田を塗布する工程と、仕切板、熱伝達フィン形材、及び必要に応じて通路内に配置すべきその他の構造体を交互に積層する工程と、熱伝達フィン形材を仕切板に鑞付けする工程とを経て行われる。鑞付け工程の大半は、プレート式熱交換器を加熱炉内に置いた状態で行われる。

このようなプレート式熱交換器の製作方法には、プレート式熱交換器の動作をシミュレーションするステップも含まれることがある。このシミュレーションは、個々の熱交換器の製作前の開発段階においても製作中の段階においても重要である。即ち、第１には、このようなシミュレーションの結果の認識が計画に影響を与え、更に第２には、調整措置又は制御も行われることがある。既存のプレート式熱交換器をシミュレーションすることにより、存在する可能性のある構造的な故障の危険性とその原因に関して、その構造の評価をほぼ完全に改善することが可能になる。

プレート式熱交換器の内部で交換される熱量に応じて、プレート式熱交換器を貫流する流体の空間的及び時間的な温度分布が変化する。２次元コンピュータシミュレーションに基づく手法により通路を貫流する流体の流れ方向に沿った温度分布のより詳細な解析と決定をすることが既に知られている。この２次元シミュレーション手法は、熱伝達率の分布の解析にも適用されている。これについては、以下の本発明に関する説明の導入部及び実施形態の説明で更に詳述する。

本発明の技術的課題は、プレート式熱交換器の強度を決定するための有利な方法と、プレート式熱交換器を製作するための有利な方法と、工業プロセスエンジニアリングプラントを製作するための有利な方法とを提供することである。

この課題は、請求項１に記載のプレート式熱交換器の強度決定方法によって解決される。この方法は、例えば既存のプレート式熱交換器の強度を決定するためにも用いることができる。３次元シミュレーションにより、熱応力に加えてプレート式熱交換器の圧縮応力も算出することは好ましいことであり、この場合、算出された圧縮応力も強度の決定に用いられる。これらの応力は、プレート式熱交換器の動作中の振る舞い、即ち、少なくとも動作状況下の振る舞いとしてシミュレーションされる。この場合の動作状況とは、例えば停止時の動作、特殊な条件下の動作、また異なる負荷条件、始動又は停止による負荷状態下の動作、又は一般的には定常動作の状況を言う。

プレート式熱交換器の製作に関する課題は、請求項３に記載の方法によって解決される。この場合、未だ存在していないプレート式熱交換器を設計するために請求項１に記載の方法が用いられる。３次元シミュレーションは設計部分であり、その設計結果を用いてプレート式熱交換器を製作するための機械的パラメータが決定される。

３次元シミュレーションによって規定される機械的パラメータとしては、例えば以下の諸元の１つ以上の値が対象となる。
・仕切壁（仕切板）の寸法、特に厚さ
・熱伝達フィン形材（フィン）の寸法、特に高さ、分割リブ数及び／又は材料厚さ
・熱伝達フィン形材のフィンタイプ、即ち、直線形フィン、穿孔付きフィン、鋸歯状フィン、ヘリングボーン又は波形フィン等（非特許文献１の第８頁に記載の直線形フィン（Plain fins）、穿孔付きフィン（Perforated fins）、鋸歯状フィン（Serrated fins）、ヘリングボーン又は波形フィン（Herringbone or wavy fins））
・空間通路の数、寸法及び配置構造
・モジュールの数及び配置構造（モジュールとは、熱交換器の一部、例えば熱交換器ブロックを意味し、このブロックは、例えば鑞付けによって一体的に予め製作され、また複数の別のモジュールと共にプレート式熱交換器として一体化される。）

工業プロセスエンジニアリングプラントの製作に関する上記の課題は、請求項４に記載の第１の実施形態による方法によって解決される。この場合、既存のプレート式熱交換器に対して請求項１に記載の方法が用いられる。強度について決定された値が工業プロセスエンジニアリングプラントの要件を満たさなかった場合、対応するプレート式熱交換器は使用されないか、あるいはプラントの構成又は動作方法が変更される。プラントの構成の変更は、例えば１つ又は複数の導管、１つ又は複数の遮断部、１つ又は複数の弁等を付加することで行うことができる。

工業プロセスエンジニアリングプラントを製作するための本発明による第２の実施形態による方法は請求項５に記載されている。この場合、先ず従来方式のプレート式熱交換器（即ち、特に熱応力の３次元シミュレーションが行われていない）が設計され、次いで請求項１又は２の方法に従って強度を決定すべく算出は済んでいるが未だ製作されていない熱交換器に対して３次元シミュレーションが適用される。シミュレーション結果がチェックされ、プラントの要求にかなう充分な強度が得られることが確認されるとプレート式熱交換器が適切に製作され、工業プロセスエンジニアリングプラントに取り付けられる。チェック結果が否定的な場合は設計が変更され、シミュレーションが再開される。この操作は充分な強度が得られるまで繰り返される。

本発明のその他の好ましい実施形態は各従属請求項に記載されており、また以下に詳細に説明される。

本発明者は、システムが大形で複雑である場合には、特に熱伝達フィン形材の形状に注意を払うプレート式熱交換器の材料の空間温度分布の詳細なシミュレーションが必ずしも行えるとは限らないことを確認している。また、高速計算機を用いても、詳細なシミュレーションを行うための計算時間が実用面で大きく立ちはだかる障害となる。

本発明で好適に用いられる３次元シミュレーション方法は、プレート式熱交換器の材料中の空間温度分布がプレート式熱交換器を通って流れる熱流によって標準的に決定され、また充分に正確な温度分布を決定するために実際のプレート式熱交換器の全体形状の複雑さを考慮する必要がないという認識に基づいている。

要するに熱伝達フィン形材は非常に複雑な形状を有していてもよいと言うことになる。

本発明の概念の発展形態の範疇において、複雑な形状の熱伝達フィン形材が一対の仕切板の間に配置されている形式のプレート式熱交換器における熱交換通路の詳細なモデルの代わりに簡略化された層状型材のモデルが用いられる。この層状型材では、熱伝達フィン形材は仕切板の間の空間の一部を均一に満たす金属ブロックとしてモデル化される。

この措置により、熱伝達フィン形材の実際の構造の問題点が解消される。金属ブロックは、仕切板に直接当接するか、或いはモデル化された通路を囲む２つの仕切板の間に存在する。また、当然のことながら、金属ブロックの一方の側面には仕切板が存在し、金属ブロックの他方の側面にはプレート式熱交換器のカバー板が存在することも可能である。説明を簡単にするために、ここでは金属ブロックが２つの仕切板によって囲まれている場合を明示する。

実際の熱伝達フィン形材は、それを挟む仕切板に鑞付けされる。通常、この接合は熱伝導が非常に良好である。従って、当然のことながら接触面全体に亘る形状は単純化され、層状型材の金属ブロックもそれに当接する仕切板に対して熱伝導接触しているものとして扱われる。

単純な例では、層状型材、即ち「基本セル」は、２つの仕切板と、その間にある金属ブロックとを備えている。多数の基本セルの並列構造体、即ち積層体によって、プレート式熱交換器のより大きな部分をシミュレーションすることができる。

この場合、層状型材として扱うには、層状型材は流体を含んでいる必要はなく、あくまでもプレート式熱交換器への熱入力に貢献する基本セルであればよい。

ここでは、便宜上、流体からプレート式熱交換器の材料への熱入力のみを説明しているが、勿論、全く同様にプレート式熱交換器の材料から流体への熱入力もプレート式熱交換器内で適切に扱うことができる。片方が明らかに不可能であっても、常に両方のうちのいずれか一方は可能である。

実際のプレート式熱交換器では、流体からプレート式熱交換器に熱を導くために２つの異なるルートがある。第１の熱入力は、流体から熱伝達フィン形材への熱伝達によって導かれる。次いでこの熱伝導によって仕切板と熱伝達フィン形材との間の熱交換を行うことができる。熱伝達フィン形材が多数存在する場合には、流体から仕切板への直接の熱伝達によって流体からプレート式熱交換器への第２の熱入力を導くことができる。

また、層状型材では第１の熱入力は全熱入力に対応し、また第１の熱入力の熱量を金属ブロックの第１の面に導入することができる。この面は、仕切板に対して平行に位置する。この面を起点として、熱が金属ブロックを通して仕切板に導かれる（熱伝導）。対応するモデルの基礎となるものは、熱交換通路内の流体の流れ方向に沿った既知の熱伝達率であり、この熱伝達率によりプレート式熱交換器への全熱入力の伝達が定量化される。

実際のプレート式熱交換器では、熱伝達フィン形材を通って流れる熱は熱伝達の行われる位置に応じて異なる長さ距離だけ仕切板へと進む。

層状型材では、金属ブロックの表面と仕切板との間の決定された間隔が採用される。この間隔は、実質的に実際の熱伝達フィン形材の内部の異なる経路の長さを統一する。例えば、金属ブロック上に位置する面と仕切板との間の間隔として、進むべき中程度の熱伝導距離を選択するか、又は金属ブロックの熱伝導性も合わて決定することができる。

これにより、熱入力を別々に考慮することなく、流体から仕切板への直接の熱伝達を簡単に考慮に入れることも可能になる。プレート式熱交換器の対応する領域には、熱伝導距離としてゼロ距離が割り当てられる。このことは、層状型材において金属ブロック上に位置する面と仕切板との間の間隔によって簡単に考慮に入れることができる。

層状型材は、実際のプレート式熱交換器と比較して形状の複雑さが大いに低減されている。これにもかかわらず、実際の状態に合わせるために、層状型材にはその特性に合わせるための種々の補正係数が適用される。

第２の熱入力に対応する熱量は、金属ブロックと仕切板との間の接触面の第２の面に導入されることが好ましい。即ち、全熱入力を第１の熱入力と第２の熱入力とに分配し、同時に第２の熱入力を明確にモデル化する。

これらの面に導入される熱量は第１の熱入力及び第２の熱入力をモデル化する。即ち、詳しくは層状型材において第１の面に導入される熱量は流体から熱伝達フィン形材に導入される熱量に対応させる必要がない。それに対応して、同じことが第２の面に導入される熱量に適用される。両方の熱入力は、熱入力を分配するためのモデルに基づいて分配される。

単純なモデルとは、例えば全熱量を第１の面及び第２の面の同一の部分に単に分配するモデルであり、このモデルについては更に詳細に後述する。

流体とプレート式熱交換器との間の熱伝達に関する熱伝達率には、熱入力を補正するための熱伝達補正係数を乗算することが好ましい。

この目的で予め決定された熱伝達率を熱が導入される層状型材の複数の面を通して分配してもよい。

層状型材の金属ブロックは２つの仕切板によって実質的に挟まれており、また金属ブロックと各仕切板との間には、金属ブロック側と仕切板側の各１つずつの接触面と、仕切板に対して平行に間隔をあけて離れた２つの表面とが熱伝達面として想定され、従って、層状型材は全部で４つの想定熱伝達面を有する。この場合、熱伝達率は４つの想定熱伝達面に分配されるが、４つ以上の面に熱伝達率の分配を行ってもよい。

この工程ステップの基礎となる考え方は、層状型材における複数の「熱源」を通して熱伝達率を分配すること、及びそれに対応して想定熱伝達面に全熱入力を分配することである。

ここで、実際の熱伝達フィン形材の形状の形態を簡単に考慮に入れることもできる。流体から熱伝達フィン形材への熱伝達は、いわゆる二次側の面を介して行われる。これは、熱伝達フィン形材における仕切板に当接していない部分の仕切板側の面に対応する（図４参照）。流体から仕切板への熱伝達は、いわゆる一次側の面を介して行われる。この面は、流れる流体に直接接触する仕切板の面、又は通路の内径よりも小さな厚さの熱伝達フィン形材が当接する仕切板表面である（図４参照）。

熱伝達フィン形材の形状に応じて、二次側及び一次側の各面は互いに全く異なる面積割合になり得る。従って、想定熱伝達面に導入される熱量は、これら想定熱伝達面の二次側及び一次側の面同士のの面積割合に応じて分配される。例えば、一般的なプレート式熱交換器は二次側の面と一次側の面との面積割合が２：１であり、従って層状型材の範囲では金属ブロック内に位置する１つ又は複数の面を介して導入される熱が１つ又は複数の接触面の１つ又は複数の面を介して導入される熱の２倍になる。

第１の面及び第２の面の面積値に面積補正係数を乗算することは好ましいことである。このようにして層状型材において熱の導入を受ける総面積をプレート式熱交換器の熱導入面の総面積に合わせることができる。

熱伝達率は、金属ブロックの複数の想定熱伝達面を通して既に分配されているか又は他の方法で合わせられ、従って想定熱伝達面の合計面積は、実際の熱伝達フィン形材の一次側及び二次側の各面の合計面積と同一であってもよい。このような適合化は、前述の基本セルに関連していることが有効である。

熱伝達率を依然として適合させることができない場合、基本セルの範囲の想定熱伝達面の面積が複数の想定熱伝達面を通して分配されるような実際の熱伝達フィン形材の一次側及び二次側の合計面積と同一となるようにすることにより、想定熱伝達面の各面に亘って全熱入力を適合化することもできる。

即ち、上述の例において、各想定熱伝達面には、４つ以上の数で分配されるような実際の熱伝達フィン形材の一次側及び二次側の面の合計面積に相当する面積が割り当てられる。

実際のプレート式熱交換器では、空間の一部のみが熱伝達フィン形材の仕切板の間に位置する。即ち、この一部の空間のみで熱伝達フィン形材を通した熱伝導を行うことも可能である。但し、層状型材の金属ブロックは仕切板の間の空間全体に位置する。従って金属ブロックの熱伝導率に熱伝導補正係数を乗じて補正することが好ましい。

熱伝導補正係数は、熱伝達フィン形材から仕切板への熱伝導が熱伝達フィン形材の拡大空間内のみで行われて、熱伝達フィン形材の拡大空間の外部では行われないように考慮される。即ち、熱伝導補正係数は、熱伝達フィン形材によって満たされていない空間と、熱伝達フィン形材によって満たされた空間との容積割合により近似的にほぼ対応させることができる。

典型的な例として、２つの仕切板の間の熱伝達フィン形材がピッチ長さａの繰り返し屈曲断面形状を備えている場合を考える（図４参照）。この場合、繰り返しピッチ長さの内側において熱伝達フィン形材は仕切板同士の間に亘る２つの隔壁を備えていることが殆どである。この隔壁は厚さｂを有するものとする。繰り返しピッチ長さ毎に上述の基本セルを考慮する。

層状型材の金属ブロックは、熱伝達フィン形材と比較して極めて高い熱容量を有する。この場合も、金属ブロックが仕切板同士の間の空間全体を満たし、一方、熱伝達フィン形材がこの空間の一部のみに位置することに基づいている。従って、金属ブロックの熱容量又は密度は容量補正係数を乗じて補正することが好ましい。

特に、この容量補正係数は、熱伝達フィン形材によって占められていない空間と、熱伝達フィン形材によって占められた空間との容積割合に対応することが好ましい。

金属ブロックの熱容量自体、或いは比熱容量や密度も容量補正係数を乗じることで補正できるが、この理由は、これらの値が互いに比例関係にあるからである。

このようにして層状型材に基づいて空間温度分布をシミュレーションすることができる。従って、多少複雑なモデルによってプレート式熱交換器の空間温度分布の算出を可能にする方法を用いることができる。

層状型材によって決定された温度分布と弾性率とに基づいて、層状型材の応力分布を算出することもでき、このようにして、この層状型材の応力分布を実際のプレート式熱交換器の応力分布に関連付けることができる。

要求仕様による形状又は構造に関する条件が金属ブロックの想定の妨げとなっていないかぎり、金属ブロック又は仕切板に導入される熱によって金属ブロック又は仕切板の純容積に変化が生じるので、これによって応力分布を得ることができる。従って、容積変化の代わりに、或いはそれに加えて、温度に応じた応力変化が生じる。初めに温度分布が１回認識されると、この温度分布を算出できる。

プレート式熱交換器の応力分布を認識することは特に有益であるが、その理由は好ましくない応力比によってプレート式熱交換器が破壊されるか又はプレート式熱交換器の寿命が短くなることがあるからである。既存のプレート式熱交換器においてこのような弱点を認識することは、この弱点をほぼ補う対策を講じることができるため、或いはそれに対応するプレート式熱交換器の寿命を予測することができるため有益であり、またプレート式熱交換器の開発又は製作のためにも有益である。

用いた層状型材が多少複雑に構成されていることを考慮に入れると、金属ブロックの弾性率は等方的に選択することが好ましい。これにより、熱伝達フィン形材の実際の構造が直交異方性又は異方性であっても、金属ブロックに関する弾性率は或る数のみに対応するようになる。このような等方性モデルの代わりに、異方性モデル又は特に直交異方性モデルを使用してもよいことは述べるまでもない。

層状型材の応力分布を算出するために、最初に金属ブロックの剛性が規定される。層状型材の金属ブロックはプレート式熱交換器の熱伝達フィン形材よりも非常に硬度が高い。この場合も実際のプレート式熱交換器の熱伝達フィン形材が中実ではなく、また仕切板の間の空間全体を占めていないことに基づいている。

従って、金属ブロックの剛性を補正するために、金属ブロックの弾性率に剛性補正係数を乗じて補正することが好ましい。剛性補正係数は、熱伝達フィン形材によって占められていない空間と、仕切板の間の熱伝達フィン形材によって占められた空間との容積割合を反映するように選ぶことが特に好ましい。

通常、流体は一定の圧力でプレート式熱交換器に導入されるので、この圧力が温度に応じた応力と相互作用する。従って、全応力分布を算出するための本発明によるシミュレーションでは、温度に応じた応力分布の動作圧を重畳することが好ましい。即ち、全応力分布を形成するために、層状型材に基づいて決定された温度に応じた応力分布の応力値を圧力分布に重畳するとよい。

プレート式熱交換器の構造及び取付けに応じて、不均一な温度分布に応じた追加の応力がプレート式熱交換器に生じることもある。この場合、構造に応じたこれらの付加的な応力は応力境界条件と呼ばれる。これらの応力境界条件も、層状型材から決定された温度に応じた応力値に重畳することが好ましい。

金属ブロックの弾性率は剛性補正係数を乗じて補正し、従って応力分布の値を弾性率補正係数で補正することが好ましい。弾性率に剛性補正係数を乗じると、それに応じて応力が極端に小さく算出されることがある。応力を補正係数の乗算で補正する代わりに、比較応力に基づく評価を考慮したり、比較応力に対応して弾性補正係数を減少させてもよい。

層状型材によらずに、プレート式熱交換器の実際の寸法形状をできるだけ考慮に入れた詳細なシミュレーションの結果との比較を行うことにより、層状型材に基づいて決定された応力が極端に小さく決定されるような結果がもたらされることがある。従ってこの場合は層状型材に基づいて決定される応力に好ましくは１．３〜２．８の範囲の値をとる応力増加係数を乗じて補正することが好ましい。代わりに、応力分布を評価するために比較応力を対応して低減してもよい。

金属ブロックの金属は、例えばアルミニウム又は鋼である。

以上に述べた種々の特徴と以下の詳細な説明は、プレート式熱交換器をシミュレーションするための方法、プレート式熱交換器を製作するための方法、そしてプレート式熱交換器のシミュレーションを行うためのプログラムを含むコンピュータプログラムに関連している。このことは、更に個別に明記せずに以下の全ての記載に同様に適用される。

図示の実施形態を参照して本発明を詳述すれば以下の通りである。ここで、個々の特徴は図示の実施形態とは異なる他の組み合わせとしても本発明の範疇であり得る。本実施形態では、プレート式熱交換器が唯一の熱交換ブロックからなるものとして説明している。

図１は、本発明の一実施形態によるプレート式熱交換器の外観を示している。このプレート式熱交換器は図示の状態では横倒しであり、長さＬが６ｍ、幅Ｂと高さＨがそれぞれ１．２ｍの直方体コアブロック８を備えている。図中、コアブロック８の上部、側面、更に下部には、それぞれ半円筒状のヘッダ６と６ａが見られる。コアブロック８の下部、また図に現れている側面の反対側の側面にも同様のヘッダ６と６ａが存在するが、これらのヘッダは部分的に隠れている。配管７を通してプレート式熱交換器に流体、この場合は水が供給され、或いはプレート式熱交換器から再び取り出される。ヘッダ６と６ａは、配管７を通して導入された水をコアブロック内の各熱交換通路に分配するため、或いは熱交換通路から流出する水を集合して配管へ送り出すために使用される。このようにしてプレート式熱交換器の内部で種々の流体間の熱エネルギーの交換を行う。

図１に示したプレート式熱交換器は、熱交換のために、互いに隣接して仕切られた熱交換通路へ２つ以上の水流を導くように設計されている。これらの流れの一方は他方流れと逆向きに行き違いの通路を介して互いに隣接するように導かれる。本発明を説明する目的で、ここでは２つの水流が交互に仕切られた通路で互いに隣接するように流れるという簡略化した状態を想定している。流量を多くしても本質的な問題が更に生じることはない。

図２は、このプレート式熱交換器の内部構造を示している。直方体コアブロック８は、仕切板１と、リブ状成形板で形成された熱交換用の熱伝達フィン形材２（単にフィン２とも称される）と、同様のリブ状成形板で構成された分配用フィン形材３とを備えている。仕切板１と熱伝達フィン形材２又は分配用フィン形材３は交互に重ねられて積層体を形成している。熱伝達フィン形材２と分配用フィン形材３は同一層内において一連の熱交換通路１４を形成している（この通路は図３に示されており、またそれについては後述する）。

コアブロック８内においては、流れ方向に対して平行に交互に配置された複数の通路１４が仕切板１で層状に仕切られている。仕切板１と通路１４を形成するフィン形材２及び３とは、共にアルミニウム製である。仕切板１の周縁部に対して通路１４を形成する熱伝達フィン形材２は同様にアルミニウム製のエッジバー４によって接合され、このようにして仕切板１毎に構成される積層単位を重ねることによってエッジバー同士の積層体がコアブロックの外壁を形成している。コアブロック８の最外面側に位置する通路１４は、対応するフィン形材２及び仕切板１に対して平行に配置されたアルミニウム製のカバー板５によって覆われている。

組立に際しては、仕切板１の表面に鑞材を塗布し、次いで仕切板１と通路１４を形成するフィン形材２及び分配用フィン材３とをエッジバー４を介して交互に積層することによってコアブロック８を仮組立する。この仮組立されたコアブロック８の上面と下面をカバー板５によって覆い、これを鑞付け用加熱炉内の高温雰囲気中に置くことによってコアブロック８の各部を鑞付けにより接合固定する。

プレート式熱交換器の前後左右の外面には、分配用フィン形材３によって形成される複数の流体出入口９が開口されている。これらの出入口９を介して外部から配管７とヘッダ６又は６ａに流入してくる水流を対応する通路１４内に導入し、或いは通路１４から出てくる水流をヘッダ及び配管を介して外部へ送り出すことができるようになっている。図２に示した各出入口９は、図１ではヘッダ６又は６ａによって覆われている。

図３は、図１及び図２に示したプレート式熱交換器の熱交換通路１４を形成する各部材を対応する符号を付して示している。出入りする水の流れ方向を矢印で示す。ヘッダに流入した水は、一方の出入口９から流入して対応する分配用フィン形材３により通路１４の全幅に分配される。この水は、次いで熱伝達フィン形材２による通路を通って流れ、その間に隣接する層の同様の通路を逆向きに流れる流体との熱交換が行われ、その後、他方の分配用フィン形材３により出口側の出入口９に集められて出口側のヘッダから外部へ送り出される。熱伝達フィン形材２及び分配用フィン形材３の長辺側及び短辺側の縁部では、通路１４がエッジバー４によって画定されている。

図示の実施形態において熱伝達フィン形材２は直線状フィンとして形成されているが、通路１４内に流れる水に意図的に渦流を生起させて熱交換効率を向上させる目的で、熱伝達フィン形材２を穿孔付きフィン、鋸歯状フィン、或いはヘリングボーン又は波形フィンとして形成してもよい。

プレート式熱交換器の動作中に流れる熱流によって生じる温度変化に基づいて、仕切板１及びフィン形材２又は３が熱膨張変化を起こし、その結果、プレート式熱交換器が損傷を受ける恐れのある応力が生じることがある。

プレート式熱交換器内に流れる係る熱流に基づいて各部の温度分布を３次元シミュレーションすることにより、熱交換器各部の空間的応力分布を決定することができる。このシミュレーションで得られた係る応力分布に基づいて故障の危険性を予測し、更にはそれを回避できるように改良されたプレート式熱交換器を構成することも可能である。以下に述べるように、本発明においては、プレート式熱交換器内の空間応力分布を決定するために先ず初めに熱交換通路の積層単位としてモデル化された層状型材に基づいて空間温度分布（ａ）を決定し、この決定結果から空間応力分布（ｂ）を決定する。

１．近似モデル
１．１．層状型材及び温度分布
仕切板１に対して平行な流れ方向に沿った水温及び熱伝達率をシミュレーションによって決定することはプロセス技術の分野では知られている。即ち、個々の熱交換通路１４について、仕切板に対して平行な水流の２次元シミュレーションを行うことによって温度分布を決定することは知られている。この場合、係る目的で公知のソフトウェアＭＵＳＥとＭＵＬＥ（アスペン テクノロジー インコーポレイテッド社製）を組み合わせて用ることができる（これに代えてプレート式熱交換器用の他の算出手段を適用してもよい）。この温度分布と熱伝達率に基づいて後述のモデル（図５）を参考にしてプレート式熱交換器のアルミニウム構造の温度分布を決定する。

初めに、図４は流れの方向に対して垂直な断面における図３の熱伝達フィン形材の断面構造を概略的に示しており、この場合、通路１４の上下は仕切板１によって画定されている。本実施形態において、熱伝達フィン形材２は高さ寸法ｈが１ｃｍであり、両側の仕切板１と密接されている。熱伝達フィン形材２の厚さｂは０．５ｍｍである。

熱伝達フィン形材２は、流れ方向に対して垂直な断面内で繰り返しピッチａ＝１．５ｃｍの矩形波状の繰り返し屈曲構造を備えている。仕切板１は、熱伝達フィン形材２に鑞付けされるので、熱伝達フィン形材２と仕切板１との間の接触面は境界面の存在しない一体的なアルミニウム材と同じ熱伝導性を有するものとみなされる。

この仕切板１と熱伝達フィン形材２とで形成される熱交換通路を通って流れる水（この場合は熱水である）から熱伝達フィン形材２及び仕切板１に熱が与えられる。この場合、図４で垂直方向に配向されている熱伝達フィン形材２の側面は二次側の面Ｓとして示されており、また仕切板１に対して平行に配向されている面は一次側の面Ｐとして示されている。

熱交換通路を流れる水は、これらの一次側及び二次側の面を介して行われる熱伝達によって熱伝達フィン形材２及び仕切板１に熱を与える。

この熱交換通路の上側と下側には、この場合は冷水が通る別の層の熱交換通路が存在し、従って熱は上下方向に流出する。

二次側の面Ｓにおける伝熱は、熱伝達フィン形材２の材料中の熱伝導と、この熱伝達フィン形材２に接する仕切板１の材料中の熱伝導で上下の隣接層の熱交換通路へ流出する。この熱流は図４に矢印Ａ又はＡ’で示されている。

この場合、簡略化する目的で通路１４の部分は、ＭＵＳＥ／ＭＵＬＥによって決定される通路横断面と局部的な水温が同一であるとみなす。

符号Ｂは仕切板１に対する熱伝達による熱入力を示している。熱伝達フィン形材２の厚さｂはその高さ寸法ｈに比べて充分に小さく、また熱伝達フィン形材２と仕切板１との間の熱伝達は、両者の熱伝導接触によって境界面のないアルミニウム材と同じであると扱える。即ち、仕切板１に対して通路内の水が直接的に熱伝達を行っているか、或いはこの熱伝達が仕切板に接する熱伝達フィン形材を行われるかを区別する必要はない。

図４に示す形状寸法の構造に忠実に対応するアルミニウム中の温度分布は、現在までに知られているコンピュータの最大能力を利用すれば決定することができるかも知れないが、現実には、図４に対応する形状寸法通りの構造を通過する熱流の忠実な温度分布をフィードバックさせるには、与えられた許容時間内にプレート式熱交換器全体の相当に大きな断面に関する全体的な温度分布又は応力分布を決定することはできず、また相当に費用がかかるものである。

図５は、図４に示したプレート式熱交換器の基本セルとしての層状型材を単純にモデル化した模式断面図である。

仕切板１は、前後に互いに平行に間隔ｈで配置されている。ここで、仕切板１同士の間の空間は、図４のように熱伝達フィン形材２と水とによって満たされるのではなく、空間の一部が金属（アルミニウム）ブロックによって満たされている。このアルミニウムブロックは仕切板１に直接的に当接されているので、アルミニウムブロックと仕切板１との間の熱伝導は境界面の邪魔を受けずに行われるものと扱うことができる。

熱はアルミニウムブロックの４つの想定熱伝達面１０〜１３と仕切板１とを介して導入される。面１０と１３は、上下の仕切板１に隣接する各アルミニウムブロックの想定熱伝達面である。面１１と１２は、空間内の中央レベルに位置するアルミニウムブロックの上下表面に層とする想定熱伝達面である。この４つの面１０〜１３を介して、熱伝達に対応するエネルギーがアルミニウムブロック又は仕切板１に導入される。この場合、複数の「等価熱源」を介して熱が導入されるので、予め決定されている熱伝達率（図４のＡとＢ）を低減する必要がある。面１１と１２を介して図４の熱流Ａに対応する熱量が導入され、また面１０と１３を介して図４の熱流Ｂに対応する熱量が導入される。

図５に示した断面の上部及び下部にある仕切板１は、その上面と下面がより冷たい熱交換通路に接しているので、通路内からの熱は上部の仕切板１の上面１０及び下部の仕切板１の下面１３から流出する。同じ理由で、面１１を介して導入される熱はアルミニウムブロック自体の熱伝導で上部の仕切板１へ向って導かれ、面１２を介して導入される熱は下部の仕切板１へ向って導かれる。

熱流、従って図５に対応するモデルの温度分布を、図４に対応する通路の温度分布に可能な限り合わせるために、更に相互作用面全体（面１０、１１、１２、１３からなる面全体）の形状特性及びその他の温度特性が以下のように補正される。

尚、この相互作用面全体は、図４の一次側及び二次側の面を合わせた面積に対応する面を含むものとする。

図５に示すモデル化された層状型材は、その温度特性が等方性のアルミニウムブロックを起点としている。このアルミニウムブロックの熱伝導性が整合されていないと、面１１と１２から面１０と１３の方向への熱伝導性は非常に高くなるが、この理由は、図４に対応する熱伝達フィン形材２の場合、前記アルミニウムブロックがその幅ｂに亘る部分でのみ熱を仕切板１に導くことができるとは考えられないからである。このことを考慮に入れるために、アルミニウムブロックの熱伝導率にはそれに相応する補正係数が乗じられる。

また、図５におけるアルミニウムブロックの熱容量は図４における熱伝達フィン形材２の熱容量よりも遙かに高い。熱容量は材料の密度に比例するので、図５におけるアルミニウムブロックの密度が密度補正係数を乗じて補正され、それに応じて減少して熱容量が求められる。

既知の熱入力によってアルミニウムブロック及び仕切板の温度分布を通路高さｈに沿って算出することが可能になる。

１．２．応力分布
応力分布は、以上に述べたようにして予め決定された温度分布に基づいて算出される。

図１及び図２に示したプレート式熱交換器は、図３に示した通路構造及び図４に示した形状寸法の熱伝達フィン形材を備えている場合、機械的に直交異方性のシステムと言うことができる。この場合、温度を、それに応じた応力変化に直接関連付けできるようにするのではなく、それ以前に剛性（強度）を決定又は規定しなければならない。

剛性を規定するために、アルミニウムブロック（図５）の弾性率は剛性補正係数を乗じて減少される。従って、形状によって低下する熱伝達フィン形材の剛性に注意する。計算に要するコストを或る限界値の範囲内に維持するために、本実施形態では図４の熱伝達フィン形材２がその剛性に関して異方性であることを無視している。即ち、弾性率はアルミニウムブロック全体の等方性容積を対象とする。これに代えて異方性を考慮に入れてもよいことは述べるまでもない。

ここで、温度分布、アルミニウムブロック及び仕切板１の剛性、及び上述のような選択された弾性率とに基づいて応力分布を決定することができる。

勿論、このように決定された応力は非常に小さいが、この理由は、アルミニウムブロックのために規定した弾性率が小さ過ぎるからである。この小さすぎる応力を補償するために、決定された応力に弾性率補正係数を乗じて補正する。この補正係数は、応力を評価する場合にも選択的に用いることができ、また存在する評価応力を必要に応じて等級分けすることもできる。

この場合、小さな２次元断面についてプレート式熱交換器の仕切板に垂直な熱流方向で実行した種々の詳細なシミュレーションの結果に比べて、決定される応力が小さくなり過ぎるように規定したので、得られた応力は例えば２．６という値の応力増加係数をもう一度乗じて補正される。また場合によっては、存在する評価応力を必要に応じて適切に等級分けすることもできる。

以上のように、詳細な３次元シミュレーションが単に図５に示したモデルについて行われるのではなく、熱伝達フィン形材２の形状が図４のように実際に適切にモデル化されている。従って、これに要する計算コストは、プレート式熱交換器の僅かな断面部分だけを算出するに要する程度である。

この算出によって温度に応じた応力が認識される。全応力の３次元分布は、動作圧及び応力境界条件（以下参照）を適用することによって決定される。

２．本発明によるシミュレーションの進行に関する実施例
２．１．プレート式熱交換器の形状の設計
プリプロセッサプログラム（ＭＥＮＴＡＴ）を用いて構造データから後で使用されるシミュレーションソフトウェア（ＭＡＲＣ）に対応したプレート式熱交換器の構造図面を作成する。ＭＡＲＣ及びＭＥＮＴＡＴは、共にマクニール・シュベンドラー社（MacNeal-Schwendler Corp./MSC）のソフトウェア製品である。本発明の範疇でシミュレーションを行うために、これに代えて他の有限要素法によるシステムを利用してもよい。

プレート式熱交換器は、例えばその熱伝達フィン形材（フィン）の通路構造が異なる種々のタイプを対象とすることができる。或る構造データが熱交換通路の連続積層体を含んでいる場合、別の構造データは仕切板１、カバー板５、エッジバー４に関する形状情報と共にプレート式熱交換器の別の形状特性を含むことができる。また、熱交換通路は、例えば熱交換媒体が流れて隣接する通路間で熱が交換される領域（能動領域）又は媒体の流れない領域（受動領域）に分けることができる。これらの領域は構造データに書き込むことも可能である。

２．２．層状型材に基づく第１の整合
熱交換通路は、互いに交差する２つの部分にそれぞれ分割される。分割部は面１１、１２の延在方向に一致する。

２．３．ヘッダの製作
ヘッダ６と６ａが熱交換通路に接続される。通常、これらのヘッダは半円筒状に成形されるものである。

２．４．新らたなモデル特性
前述の各ステップにおいて、モデルの各部分には本方法による形状特性、機械的特性及び温度特性が書き込まれる（前記参照）。特に熱伝達フィン形材は、その実際の形状寸法でモデル化されるのではなく、前述ように金属（アルミニウム）ブロックに置き換えられた形でモデル化される。

２．５．境界条件及び開始条件の作成
これらの条件には、
・全ての流体案内通路の表面に沿った圧力、
・ヘッダ領域内の圧力、
・上記全ての流体案内通路の流体温度及び熱伝達率、及び
・応力境界条件
が含まれる。

プレート式熱交換器の設計条件又は製作条件から、応力境界条件（応力状態）を知ることができる。

流体温度及び熱伝達率は、熱交換通路の能動領域に対して適用することが好ましい。受動領域に対しては、対応する値を一定に維持するか又は線形に補間して適用することができる。これに代えて、利用可能な場合には流体温度及び熱伝達率を受動領域に適用してもよい。

シミュレーションの開始条件として、プレート式熱交換器のアルミニウムの初期温度は予め定められた値、例えば２０℃に設定される。

勿論、層状型材の範囲内であれば、熱伝達率又は流体温度又は動作圧のような本質的な値を時間に応じて予め設定することもでき、それによって過渡事象をモデル化して、対応する応力分布を決定することができる。

２．６．算出過程
先ず、温度境界条件とシミュレーションシナリオに基づいて金属温度分布が決定される。

応力分布の算出は決定された温度分布に基づいて行われる。圧力、応力境界条件及び温度分布から、プログラムが変位分布に亘って応力分布を算出する。この変位分布は、機械的に強制されたプレート式熱交換器の形状変化に対応する。

２．７．応力評価
これらの方法を用いて、次に簡易モデルに基づきプレート式熱交換器内部の応力分布をシミュレーションできる。この応力を評価するための基準となる比較応力は予め適切に規定されている。従って、ここでプレート式熱交換器全体の応力分布だけでなく、各部断面の応力分布も比較応力と比較することができる。また、例えばヘッダのようなプレート式熱交換器の別の構成部品を熱応力の時間分布及び空間分布のシミュレーションに組み込むことができる。

シミュレーションは、種々の動作状況、例えば、停止動作、特殊な条件下における動作、異なる負荷条件、始動又は停止による負荷状態下の動作、或いは通常の定格動作状況について実行することができる。

本発明の一実施形態によるプレート式熱交換器の外観を示す概略斜視図である。 図１のプレート式熱交換器の内部構造を示す概略斜視図である。 図１及び図２のプレート式熱交換器の熱交換通路の構成を示す概略斜視図である。 図３の熱交換通路を形成する熱伝達フィン形材の要部模式断面図である。 図４の熱伝達フィン形材の要部をモデル化した模式断面図である。

符号の説明

１ ：仕切板
２ ：熱伝達フィン形材（フィン）
３ ：分配用フィン形材
４ ：エッジバー
５ ：カバー板
６ ：ヘッダ
７ ：配管
８ ：コアブロック
９ ：出入口
１０ ：想定熱伝達面
１１ ：想定熱伝達面
１２ ：想定熱伝達面
１３ ：想定熱伝達面
１４ ：熱交換通路部分

Claims (14)

1. ３次元数値シミュレーションを用いてプレート式熱交換器の動作中における内部熱応力を算出し、
   算出された熱応力に基づいてプレート式熱交換器の強度を決定することを特徴とするプレート式熱交換器の強度決定方法。
2. 前記シミュレーションにより停止時及び動作時の熱応力を算出することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 金属製の仕切板（１）と熱伝達フィン形材（２）とを備えたプレート式熱交換器を製作するに際し、
   プレート式熱交換器の１つ又は複数の機械的パラメータを請求項１又は２に記載の方法によって決定された強度により規定し、
   この規定された１つ又は複数の機械的パラメータを有するプレート式熱交換器を製作することを特徴とするプレート式熱交換器の製作方法。
4. 少なくとも１つのプレート式熱交換器が組み込まれる工業プロセスエンジニアリングプラントを製作するに際し、
   プレート式熱交換器を製作しておき、
   該熱交換器の強度を請求項１又は２に記載の方法によって決定し、
   この強度の決定結果に基づいて、前記工業プロセスエンジニアリングプラント内での前記プレート式熱交換器の使用の可否、及び／又は前記プラントの構成及び／又は動作方法の変更の可否を決定することを特徴とする工業プロセスエンジニアリングプラントの製作方法。
5. 少なくとも１つのプレート式熱交換器が組み込まれる工業プロセスエンジニアリングプラントを製作するに際し、
   第１ステップで従来方式のプレート式熱交換器を設計し、
   第２ステップで該熱交換器の強度を請求項１又は２に記載の方法によって決定し、
   第３ステップでこの決定された強度が前記工業プロセスエンジニアリングプラントの要求に対応するか否かをチェックし、
   第４ステップでは、第３ステップのチェック結果が肯定的であった場合には前記プレート式熱交換器を第１ステップによる設計に従って製作すると共に該熱交換器を前記工業プロセスエンジニアリングプラントに組み込み、前記第３ステップのチェック結果が否定的であった場合には前記第２ステップ、第３ステップ及び第４ステップを繰り返えすことを特徴とする工業プロセスエンジニアリングプラントの製作方法。
6. 前記プレート式熱交換器を製作する工程が、
   仕切板（１）の表面に鑞材を塗布する工程、
   仕切板（１）と予め成形された熱伝達フィン形材（２）を交互に積層する工程、及び
   熱伝達フィン形材（２）を仕切板（１）に鑞付けする工程、
   を含むことを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 金属製の仕切板（１）と熱伝達フィン形材（２）とを備えたプレート式熱交換器の動作中における内部熱応力を算出するに際して、熱伝達フィン形材（２）の一部が仕切板（１）に接触した層状型材を適用して熱応力の３次元数値シミュレーションにより熱伝達フィン形材（２）及び仕切板（１）の空間温度分布を決定し、この際に、
   熱伝達フィン形材（２）の表面が仕切板（１）に熱伝導接触した状態で熱伝達フィン形材（２）を一対の仕切板（１）の間の空間の一部を均一に満たす金属ブロックとしてモデル化し、
   流体から熱伝達フィン形材（２）を通じて熱伝導により該熱伝達フィン形材（２）へ、そして熱伝達フィン形材（２）から隣接の仕切板（１）へと伝わる第１の熱入力又は熱伝達の量を含めて、熱伝達フィン形材（２）及び隣接の仕切板（１）に前記流体から伝えられる平均化された全熱入力を決定し、
   第１の熱入力に対応する熱量を前記金属ブロック内の第１の面（１１、１２）に適用し、
   更に前記層状型材の構造に応じて適用すべき複数の補正係数を用意しておく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. 金属製の仕切板（１）と熱伝達フィン形材（２）とを備えたプレート式熱交換器の動作中における内部熱応力を算出するに際して、熱応力の３次元数値シミュレーションにより、流体温度を決定して該流体の流れ方向に沿った流体とプレート式熱交換器との間の熱伝達率を決定するステップと、熱伝達フィン形材（２）の一部が仕切板（１）に接触した層状型材を適用して熱伝達フィン形材（２）及び仕切板（１）の空間温度分布を決定するステップとを実行し、この際に、
   熱伝達フィン形材（２）の表面が仕切板（１）に熱伝導接触した状態で熱伝達フィン形材（２）を一対の仕切板（１）の間の空間の一部を均一に満たす金属ブロックとしてモデル化し、
   流体から熱伝達フィン形材（２）を通じて熱伝導により該熱伝達フィン形材（２）へ、そして熱伝達フィン形材（２）から隣接の仕切板（１）へと伝わる第１の熱入力又は熱伝達の量を含めて、熱伝達フィン形材（２）及び隣接の仕切板（１）に前記流体から伝えられる平均化された全熱入力を決定し、
   第１の熱入力に対応する熱量を前記金属ブロック内の第１の面（１１、１２）に適用し、
   更に前記層状型材の構造に応じて適用すべき複数の補正係数を用意しておく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。
9. 流体から熱伝達フィン形材（２）の両側に隣接する各仕切板（１）へ伝達される全熱入力を仕切板毎に第１の熱入力と第２の熱入力に分配し、別ステップで第２の熱入力に対応する熱量を前記金属ブロックと仕切板との間の接触面の第２の面（１２、１３）に導入することを更に含む請求項７又は８に記載の方法。
10. 流体とプレート式熱交換器との間の熱伝達に関する熱伝達率に、熱入力を補正する熱伝達補正係数を乗算することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記第１の面及び第２の面の面積に面積補正係数を乗算することを特徴とする請求項９に記載の方法。
12. 金属ブロックの熱伝導率に、該金属ブロックを均一構造とみなすための熱伝導補正係数を乗算することを特徴とする請求項７〜１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 金属ブロックの熱容量又は密度に容量補正係数を乗算することを特徴とする請求項７〜１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 前記層状型材に関して決定された空間温度分布と、前記金属ブロック及び仕切板（１）の弾性率とに基づいて、熱伝達フィン形材及び仕切板の空間応力分布を算出する追加ステップを更に含む請求項７〜１３のいずれか１項に記載の方法。

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