JP2007192535A - 熱交換器装置 - Google Patents

Abstract

【課題】漏れのない垂直エンクロージャ（１）と、流体間の熱交換器手段（２０）と、流体導入及び放出手段（１４、１６；３２、４１）とを備えるタイプである、流体間で熱を交換するための装置を提供する。
【解決手段】熱交換器手段は、水平プレートの積層体によって形成され、且つ、エンクロージャ（１）と同心の管状の中央コレクタ（１０）の周りに略星形状に配置されたプレートの束（２０）を備えている。各プレートの束（２０）は、コレクタ（１０）に固設された前面垂直壁、及び、拘束されていない後面垂直壁を有し、各プレートの束（２０）は、エンクロージャに固設された支持部材（２５）上に摺動可能に支持されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、第２流体と熱を交換することによって第１流体を冷却するための、流体間で熱を交換する装置に関する。

互いに平行に配設されたプレートの束（a bundle of plates）が内部に設置されている漏れのないエンクロージャを備える熱交換器装置が知れられている。

非常に薄いシートメタル、通常、ステンレス鋼で構成されるプレートは、滑らかな表面を有する縁部及び波形部を有する中央部分を有し、それによって、プレートは、互いに接触し、独立した流体流れ回路を形成する流路を画定する。

プレートの束を有するそのタイプの熱交換器は、例えば、液体または気体または２相混合物などの種々の流体によって動作する。

２つの流体がそれぞれの回路内を流れるそのタイプのプレート熱交換器の場合、熱は、２つの流体間で交換され、それによって、流体の一方が加熱され、他方の流体が冷却されるか、または、その逆が可能になる。

特定の工業的な用途において、プレート熱交換器への導入とプレート熱交換器からの放出との間で流体が冷却されるには、かなりの温度差を得ることが必要である。

そういう理由で、こうした状況下において、複数のプレート熱交換器が、次々と設置され、各プレート熱交換器が、漏れのないエンクロージャで構成され、エンクロージャ内に、２つの独立した回路を画定するプレートの束が配設される。種々のプレートの束の回路は、エンクロージャのそれぞれを通過する接続パイプによって漏れのないように互いに接続されて、種々のプレートの束を通る主流体用の連続流が提供される。

結果として、その種の装置で占有される設置面積は大きく、作製及び保守点検のコストは、同様に多大なものとなる。

更に、熱交換器間で流体を搬送するための、種々の熱交換器間の接続パイプは、無駄な損失水頭ゾーン（zones of wasted head losses）及び熱損失ゾーンを構成し、従って、熱交換器装置の効率を下げる。

これらの欠点を軽減するために、それぞれが流体導入及び放出手段に接続された、複数のプレートの束が内部に設置されている漏れのないエンクロージャを備える熱交換器装置が知られている。

一般に、プレートの束は、漏れのないエンクロージャに強固に接続され、それによって、２つの流体間温度差が、大きい、例えば、数百度程度であるときに問題が生じる。

この温度差によって、プレートの束に大きな熱応力が生じ、このような大きな熱応力は、プレートの束のプレートの変形及びウェル（well）の破壊をもたらす可能性があり、それによって、装置の効率の低下につながってしまう。

本発明の目的は、大きな温度差を呈する流体間で熱を交換することを可能にする小型熱交換器装置を提案することによって、これらの欠点を回避することである。

従って、本発明は、細長い形状の垂直で漏れのないエンクロージャと、流体間の熱交換器手段と、第１流体用及び第２流体用の導入手段及び放出手段とを備えるタイプである、流体間で熱を交換するための装置であって、熱交換器手段は、２つの流体を対向流（counter-current flow）とするための２つの流体流れ回路を２つの流体間に画定する水平プレートの積層体によって形成され、かつ、エンクロージャと同心の管状の中央コレクタの周りに略星形状に配置されたプレートの束を備え、各プレートの束は、中央コレクタに固設され、且つ、流体のそれぞれについての入口及び出口が設けられた前面垂直壁、並びに、拘束されておらず、且つ、流体のそれぞれについての入口及び出口が設けられた後面垂直壁を有すると共に、各プレートの束は、漏れのないエンクロージャに固設された支持部材上に摺動可能に支持されていることを特徴とする装置を提供する。

本発明の他の特徴によれば、
・ 前面壁内に設けられる流体入口及び出口は、各回路について、開放端または閉鎖端の交互の重ね合せによって形成され、第１流体用の回路入口の開放端は、前面壁の中央部に位置し、第２流体用の回路出口の開放端は、前面壁の側面端部に位置し、
・ 第１流体用の入口の開放端は、第１流体用の導入手段に接続された中央コレクタに開口しており、
・ ２つの隣接するプレートの束の前面壁の側面端部における、第２流体用の出口の開放端は、中央コレクタ周りに同心の環状コレクタによって相互接続されており、且つ、底部熱交換部において、第２流体を放出する手段に接続された半球キャップを備えており、
・ 後面壁に設けられる、流体用の入口及び出口は、各回路について、開放端または閉鎖端の交互の重ね合せによって形成され、第２流体用の回路入口の開放端は、後面壁の中央部に位置し、第１流体用の回路出口の開放端は、後面壁の側面端部に位置しており、
・ 後面壁に形成される流体入口及び出口は、各回路について、開放端または閉鎖端の交互の重ね合せによって形成され、第２流体用の回路入口の開放端は、後面壁の側面端部に位置し、第１流体用の回路出口の開放端は、後面壁の中央部に位置しており、
・ 第２流体の入口の開放端は、中央コレクタとエンクロージャとの間の環状空間に開口しており、前記環状空間は、前記第２流体用の導入手段に接続されており、
・ 第１流体用の出口の開放端は、少なくとも１つの膨張補償器を備える少なくとも１つのパイプによって、第１流体を放出する手段に接続されるコレクタリングに接続されたコレクタによって覆われており、
・ 各プレートの束は、側壁のそれぞれの上に、前記隣接するプレートの束の方に延びる、それぞれの垂直偏向部を有し、２つの隣接する偏向部の自由端はオーバーラップしている。

本発明の特徴及び利点は、例として与えられ、添付図面を参照して行われる以下の説明から明らかになる。

図は、装置内への導入時に、約８００℃の温度を呈する、「高温の（hot）」流体と称される第１流体Ａと、装置内への導入時に、約２００℃の温度を呈する「低温の（cold）」流体と称される第２流体Ｂとの間で熱交換を実施する装置を示す。

熱交換器装置は、例えば、第２流体Ｂによって第１流体Ａを冷却することが意図される。

図に示す熱交換器装置は、例えば、細長い形状で、円形の断面の漏れのないエンクロージャ１を備える。この漏れのないエンクロージャ１には、前記漏れのないエンクロージャ１を受容するための表面上に載置する（図示しない）支持部材を備え、好ましくは、垂直に配設される。

エンクロージャ１は、例えば、半球形状のカバー３及び底部４を備える円筒中央部分２を有する。

装置は、エンクロージャ１と同心で、且つ、エンクロージャ１と協働して環状空間５を画定する管状の中央コレクタ１０を含む。コレクタ１０は、それぞれが円形キャップの形態のカバー１２及び底部１３を備える、略円筒形状の中央部分１１を有する。

第１流体Ａ用の導入手段は、コレクタ１０のカバー１２内に開口しており、その導入手段は、漏れのないエンクロージャ１のカバー３を通過し、且つ、少なくとも１つの膨張補償器１５を備える、少なくとも１つの管１４で構成される。中央コレクタ１０と漏れのないエンクロージャ１との間で画定された環状空間５は、前記漏れのないエンクロージャ１のカバー３を通過する少なくとも１つの管１６によって形成される、第２流体Ｂ用の導入手段に接続される。

特に、図１、２、及び４に示すように、装置は、流体ＡとＢとの間で熱を交換する手段を含み、その手段は、中央コレクタ１０と漏れのないエンクロージャ１との間に設けられた環状空間５内に配設されたプレートの束２０を備える。

図に示すエンクロージャでは、プレートの束２０は、中央コレクタ１０の周りに略星形状に配置され、例えば、その数が８組とされている。従来の方法で、各プレートの束２０は、一般に、矩形ブロックの形態であり、厚みの薄い、例えば、ステンレス鋼でできた、水平金属プレート２１の積層体によって形成される。これらのプレート２１は、図示しない波形部を備える。各プレートの束２０は、流体Ａ及びＢの、それぞれ、向流用の２つの回路を互いの間に画定する。

特に、図２及び図４で見てわかるように、各プレートの束２０は、コレクタ１０の中央部分１１上に固設された前面垂直壁２２と、拘束されておらず、且つ、環状空間５内に突き出る後面垂直壁２３と、コレクタ１０の前記中央部分１１に垂直に延びる２つの側壁２４とを含む。

図４に示すように、各プレートの束２０は、漏れのないエンクロージャ１に固設された支持部材２５上に載置された底部部分を有する。各支持部材２５は、水平プレート２５ａであって、対応するプレートの束２０が、水平プレート２５ａを摺動可能に押し付ける、水平プレート２５ａ、及び、前記水平プレート２５ａに対して垂直に延びる垂直プレート２５ｂによって形成される。

図５Ａに示すように、前面壁２２は、各回路について、第１流体Ａ及び第２流体Ｂについてのそれぞれの開放端２６ａ及び２６ｂまたは第１流体Ａ及び第２流体Ｂについてのそれぞれの閉鎖端２７ａ及び２７ｂの交互の重ね合せによって形成される流体Ａ及びＢ用の入口及び出口を備える。

第１流体Ａ用の回路入口の開放端２６ａは、前面壁２２の中央に位置し、第２流体Ｂ用の回路出口の開放端２６ｂは、前面壁２２の側面端部に位置する。第１流体Ａ用の入口の開放端２６ａは、中央コレクタ１０に開口しており、結果として、開放端２６ａは、第１流体Ａ用の導入管１４に接続される。

２つの隣接するプレートの束２０の前面壁２２の側面端部における、第２流体Ｂ用の出口の開放端２６ｂは、図３及び４に示すように、また、中央コレクタ１０を中心として同心の環状コレクタ３０によって相互接続される。

その底部部分において、環状コレクタ３０は、中央コレクタ１０の底部１３を囲む半球キャップ３１を有する。この半球キャップ３１は、図１及び図３に示すように、その底部において、漏れのないエンクロージャ１を通過する少なくとも１つの管３２で構成された、第２流体Ｂを放出する手段に接続される。この管３２は、少なくとも１つの膨張補償器３３を備える。

図５Ｂに示すように、各プレートの束２０の後面壁２３は、各回路について、第１流体Ａ及び第２流体Ｂについてのそれぞれの開放端２８ａ及び２８ｂまたは第１流体Ａ及び第２流体Ｂについてのそれぞれの閉鎖端２９ａ及び２９ｂの交互の重ね合せによって形成される流体のそれぞれについての入口及び出口を有する。

図５Ｂに示す実施形態では、第２流体Ｂ用の入口の開放端２８ｂは、後面壁２３の中央に位置し、第１流体Ａ用の出口の開放端２８は、前記後面壁２３の側面端部に位置する。第２流体Ｂ用の入口の開放端２８ｂは、コレクタ１０と漏れのないエンクロージャ１との間に配置された環状空間５に開口しており、環状空間５自体は、前記環状空間５内への第２流体用の導入管１６と直接に連通する。

図３及び図４に示すように、第１流体Ａ用の出口の開放端２８ａは、垂直コレクタ３５によって覆われる。結果として、第１流体Ａ用の出口の開放端２８ａの各垂直列は、コレクタ３５によって覆われ、各コレクタ３５は、少なくとも１つの膨張補償器３７を備える少なくとも１つのパイプ３６によって、その上部端において延びる。各パイプ３６は、コレクタリング４０に接続され、コレクタリング４０自体は、漏れのないエンクロージャ１のカバー３を通過する少なくとも１つの管４１によって形成される、第１流体Ａを放出する手段に接続される。

図示しない変形形態では、第２流体Ｂ用の入口の前記開放端２８ｂは、後面壁２３の側面端部に位置し、第１流体Ａ用の出口の開放端２８ａは、後面壁２３の中央に位置する。こうした構成では、各プレートの束２０からの第１流体Ａ用の出口の開放端２８ａの垂直列は、パイプ３６によってコレクタリング４０に接続されるコレクタ３５によって覆われる。

図２に示すように、各プレートの束２０は、その側壁２４のそれぞれの上に垂直偏向部を含み、偏向部は、隣接するプレートの束２０の方に延びる。

２つの隣接する偏向部の自由端４５ａは、重なって、第２流体Ｂが通過することが可能になり、また、中央コレクタ１０の周りに、前記第２流体Ｂのバッファゾーンが作られる。

偏向部４６は、第１流体Ａ用の導入管１４の周りに設置され、別の偏向部４７は、中央コレクタ１０の半球キャップ３１と漏れのないエンクロージャ１の底部４との間で、プレートの束２０の下に同様に設置される。

ここで、図３を参照すると、流体Ａ及びＢが装置を通って流れる方法の説明は次の通りである。

約８００℃の温度の高温の第１流体Ａは、導入管１４を介して中央コレクタ１０内に貫入し、次に、プレートの束２０のそれぞれの入口２６ａ内に誘導される。

約２００℃の温度の第２流体Ｂは、中央コレクタ１０と漏れのないエンクロージャ１との間に形成された環状空間５内に、導入管１６を介して貫入する。この第２流体Ｂは、プレートの束２０のそれぞれの後面壁２３内の入口２８ｂの方に誘導される。プレートの束２０のそれぞれの独立回路における流体Ａ及びＢの流れは、これらの流体間で熱が交換されることをもたらし、その結果、第１流体Ａは、各プレートの束２０を通過した後に、冷却され、プレートの束２０の出口端２８ａを介して出て、垂直コレクタ３５によって回収される。冷却された第１流体Ａは、管４１を介して装置から放出される前に、パイプ３６に沿って流れ、コレクタリング４０内に貫入する。

この第１流体Ａが装置を通って循環すると同時に、第２流体Ｂは、約２００℃の温度で、導入管１６を介して、漏れのないエンクロージャ１内に貫入する。環状空間５を充填した後、この第２流体Ｂは、プレートの束２０のそれぞれの後面壁２３内の開放端２８ｂを通って貫入し、第１流体Ａに対する向流として、これらのプレートの束２０のそれぞれを通過する。そのため、プレートの束２０のそれぞれにおいて、流体ＡとＢとの間で、熱交換が生じ、その結果、第２流体Ｂは、加熱され、プレートの束２０のそれぞれの開放端２６ｂから放出され、次に、中央コレクタ１０の底部１３と半球キャップ３１との間に設けられた空間を通り、更に管３２を介して放出される前に、環状コレクタ３０によって回収される。

高温流体Ａ及び低温流体Ｂが、装置の種々の要素を通過する、特に、プレートの束２０を通過するときに、生成される熱応力は、プレートの束２０のプレート２１の膨張を引き起こし、これらのプレートの束のそれぞれが、これらのプレートの束２０と支持部材２５との間で編成された摺動可能な支持によって、漏れのないエンクロージャ１内部で支持されると仮定すると、これらのプレートの束２０は、自由に膨張することができ、従って、大きな熱応力が、プレートの束２０のそれぞれにおいて回避されることが可能になる。同じことが、高温流体用の導入管１４、プレートの束２０のそれぞれを通過した後に加熱された、低温流体用の放出管３２、及び、そのすべてが、各膨張補償器１５、３３、及び３７を装備するパイプ３６のそれぞれにも当てはまる。

本発明の熱交換器装置は、中央コレクタ１０によって、漏れのないエンクロージャ１の中央に高温流体の流入を集中させる利点、及び、高温流体の導入管１４、中央コレクタ１０、及び加熱流体用の放出管３２の周りで、各偏向部４５、４６、及び４７を使用することによって、この高温ゾーンを低温の周辺バッファゾーンで囲む利点を提供する。

高温ゾーンの周りにこうして設けられる、これらのバッファゾーンは、過去に使用されてきた熱交換器装置の漏れのないエンクロージャと比較して比較的薄い厚さの漏れのないエンクロージャ１を提供することを可能にする。

この設計によって、本発明による熱交換器装置は、小型であり、且つ、大きな熱交換面積を提供する利点を提供し、一方、高温流体と低温流体との間の温度差が大きい場合に、装置を構成する種々の要素が、自由に膨張することを可能にする。

本発明による熱交換器装置の縦断面線図である。 図１の線２−２に関する断面線図である。 本発明による装置における流体流を示す、図２の線３−３に関する縦断面線図である。 本発明による熱交換器装置におけるプレートの束の配置を示す斜視線図である。 プレートの束の前面の壁の図である。 プレートの束の後面の壁の図である。

符号の説明

１ 漏れのないエンクロージャ
５ 環状空間
１０ 管状の中央コレクタ
２０ プレートの束（熱交換器手段）
２１ 水平プレート
１４、１６ 導入手段（管）
１５、３３、３７ 膨張補償器
２２ 前面垂直壁
２３ 後面垂直壁
２４ 側壁
２５ 支持部材
２６ａ 第１流体Ａ用の入口の開放端
２６ｂ 第２流体Ｂ用の出口の開放端
２７ａ 第１流体Ａ用の入口の閉鎖端
２７ｂ 第２流体Ｂ用の出口の閉鎖端
２８ａ 第１流体Ａ用の出口の開放端
２８ｂ 第２流体Ｂ用の入口の開放端
２９ａ 第１流体Ａ用の出口の閉鎖端
２９ｂ 第２流体Ｂ用の入口の閉鎖端
３０ 環状コレクタ
３１ 半球キャップ
３２、４１ 放出手段（管）
３５ コレクタ
３６ パイプ
４０ コレクタリング
４５ 垂直偏向部
４５ａ 自由端

Claims (13)

1. 細長い形状の垂直で漏れのないエンクロージャ（１）と、流体間の熱交換器手段（２０）と、第１流体Ａ用及び第２流体Ｂ用の導入手段（１４、１６）及び放出手段（３２、４１）とを備えるタイプである、前記流体間で熱を交換するための装置であって、
   前記熱交換器手段は、
   ２つの流体Ａ及びＢを対向流とするための２つの流体流れ回路を前記２つの流体間に画定する水平プレート（２１）の積層体によって形成され、かつ、前記エンクロージャ（１）と同心の管状の中央コレクタ（１０）の周りに略星形状に配置されたプレートの束（２０）を備え、
   各プレートの束（２０）は、
   前記中央コレクタ（１０）に固設され、且つ、前記流体Ａ及びＢのそれぞれについての入口（２６ａ）及び出口（２６ｂ）が設けられた前面垂直壁（２２）、並びに、拘束されておらず、且つ、前記流体Ａ及びＢのそれぞれについての入口（２８ａ）及び出口（２８ｂ）が設けられた後面垂直壁（２３）を有すると共に、前記漏れのないエンクロージャ（１）に固設された支持部材（２５）上に摺動可能に支持されている、
   ことを特徴とする装置。
2. 前記前面壁（２２）内に設けられる前記流体入口及び出口は、各回路について、開放端または閉鎖端（２６ａ、２６ｂ；または２７ａ、２７ｂ）の交互の重ね合せによって形成され、
   前記第１流体Ａ用の前記回路入口の前記開放端（２６ａ）は、前記前面壁（２２）の中央部に位置し、
   前記第２流体Ｂ用の前記回路出口の前記開放端（２６ｂ）は、前記前面壁（２２）の側面端部に位置していることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記第１流体Ａ用の前記入口の前記開放端（２６ａ）は、前記第１流体Ａ用の導入手段（１４）に接続された前記中央コレクタ（１０）に開口していることを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 前記第１流体Ａ用の前記導入手段は、前記エンクロージャ（１）を通過し、前記中央コレクタ（１０）の上部部分に接続された少なくとも１つの管（１４）によって形成されており、
   前記管（１４）は、少なくとも１つの膨張補償器（１５）を備えていることを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. ２つの隣接するプレートの束（２０）の前記前面壁（２２）の前記側面端部における、前記第２流体Ｂ用の前記出口の前記開放端（１６ｂ）は、前記中央コレクタ（１０）周りに同心の環状コレクタ（３０）によって相互接続されており、且つ、底部熱交換部において、前記第２流体Ｂを放出する手段（３２）に接続された半球キャップ（３１）を備えていることを特徴とする請求項２に記載の装置。
6. 前記第２流体Ｂを放出する前記手段は、前記漏れのないエンクロージャ（１）をその底部において通過する少なくとも１つの管（３２）によって形成され、
   前記管（３２）は、少なくとも１つの膨張補償器（３３）を備えていることを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 前記後面壁（２３）に設けられる、前記流体Ａ及びＢ用の前記入口及び出口が、各回路について、開放端または閉鎖端（２８ａ、２８ｂ；または２９ａ、２９ｂ）の交互の重ね合せによって形成され、
   前記第２流体Ｂ用の前記回路入口の前記開放端（２８ｂ）は、前記後面壁（２３）の前記中央部に位置し、前記第１流体Ａ用の前記回路出口の前記開放端（２８ａ）は、前記後面壁（２３）の側面端部に位置していることを特徴とする請求項１に記載の装置。
8. 前記後面壁（２３）に形成される前記流体入口及び出口は、各回路について、開放端または閉鎖端（２８ａ、２８ｂ；または２９ａ、２９ｂ）の交互の重ね合せによって形成され、
   前記第２流体Ｂ用の前記回路入口の前記開放端（２８ｂ）は、前記後面壁（２３）の前記側面端部に位置し、前記第１流体Ａ用の前記回路出口の前記開放端（２８ａ）は、前記後面壁（２３）の前記中央部に位置していることを特徴とする請求項１に記載の装置。
9. 前記第２流体Ｂ用の前記入口の前記開放端（２８ｂ）は、前記中央コレクタ（１０）と前記エンクロージャ（１）との間の前記環状空間（５）に開口しており、
   前記環状空間（５）は、前記第２流体Ｂ用の導入手段（１６）に接続されていることを特徴とする請求項７または８に記載の装置。
10. 前記第２流体Ｂ用の前記導入手段は、前記エンクロージャ（１）を通過し、前記エンクロージャ（１）の内部に開口している少なくとも１つの管（１６）によって形成されていることを特徴とする請求項９に記載の装置。
11. 前記第１流体Ａ用の前記出口の前記開放端（２８ａ）は、少なくとも１つの膨張補償器（３７）を備える少なくとも１つのパイプ（３６）によって、前記第１流体Ａを放出する前記手段（４１）に接続されるコレクタリング（４０）に接続されたコレクタ（３５）によって覆われていることを特徴とする請求項７または８に記載の装置。
12. 各プレートの束（２０）は、側壁（２４）のそれぞれの上に、前記隣接するプレートの束（２０）の方に延びる、それぞれの垂直偏向部（４５）を有し、
    ２つの隣接する偏向部（４５）の自由端（４５ａ）はオーバーラップしていることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の装置。
13. 前記第１流体Ａは、前記プレートの束（２０）に導入されるときに、約８００℃の高温流体であり、前記第２流体Ｂは、前記プレートの束（２０）に導入されるときに、約２００℃の温度の低温流体である請求項１から１２のいずれか一項に記載の装置。

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