JP2007512499A - 熱交換器プレートおよびこのようなプレートを含むプレート型熱交換器 - Google Patents

Abstract

本発明は、多数の乱流促進プロチュバランス（４）を含む熱交換器プレート（１）に関する。プロチュバランスは、熱交換器プレートの平面（３）から突出している。
プロチュバランス（４）は、層流境界層の破壊を促進するための表面輪郭部（６）を有する。本発明は、更に、このような熱交換器プレート（１）を含むプレート型熱交換器に関する。

Description

本発明は、多数の乱流促進プロチュバランス（protuberances）が平面から突出した熱交換器プレートに関する。本発明は、更に、このようなプレートを含むプレート型熱交換器に関する。

プレート型熱交換器は、食品産業で、例えばミルクやジュースの熱処理プロセスで多く使用されている。プレート型熱交換器は、その最も簡単な実施例において、中間パッキングを持つ複数の波形プレートを含む。これらのプレートは、二つの流体、即ち作用が及ぼされるべき流体および作用を及ぼすのに使用される流体の入口および出口用のチューブを含むスタンドで互いにプレスされる。二つの流体は、一方の流体が全ての第２プレート対間を流れ且つ他方の流体が隣接したプレート対間を流れるように、プレートの両側に流される。プレートの数および大きさは、とりわけ、流速、流体の物理的性質、圧力降下、および流体の入口温度および出口温度で決まる。

プレートが波形であるため、二つのプレート間の隙間断面の主部および大きな特定表面（比表面積、specific surface）に亘って乱流が発生し、これにより高い熱伝達容量が得られる。この分野の非常に多くの文献に、様々な波形が徹底的に開発されてきたことが記載されている。

米国特許第４，５６９，３５１号には、例えば、各プレートに半球形プロチュバランスが設けられたプレート型熱交換器が開示されている。第１プレートのプロチュバランスは、それらの凸状の周面が第２の隣接したプレートのプロチュバランス間に当接するように構成されている。

別の変形例が、米国特許第２，３０６，５２６号に開示されている。この文献には、半球形プロチュバランスを備えた第１プレートが、対応するプロチュバランスを持つ第２プレートに当接するように構成されたプレート型熱交換器が開示されている。当接は、第１および第２のプレートのプロチュバランスが直径方向反対方向に配向されるように行われる。

第３の文献である米国特許第２，２８１，７５４号には、プレートが半球形プロチュバランスを備えたプレート型熱交換器が開示されている。プレートは、第１プレートのプロチュバランスが第２プレートの後側の平らな部分に当接するように、互いに対して配置されている。

これらの解決策の共通の特徴は、二つの隣接したプレート間の隙間断面の主部に亘って乱流を発生するための半球形プロチュバランスをプレートが備えているということである。しかしながら、熱伝達容量を更に向上するのが望ましい。
米国特許第４，５６９，３５１号 米国特許第２，３０６，５２６号 米国特許第２，２８１，７５４号

発明の目的

本発明の目的は、熱交換器プレートの従来周知の形状に対する更なる開発および別の解決策を提供することである。

本発明の別の目的は、乱流の増大に寄与し且つ層流境界層の破壊を促進する熱交換器プレートを提供することである。

本発明の更に別の目的は、熱交換器プレートの特定表面を増大することである。

本発明の他の目的は、熱伝達特性を向上したプレート型熱交換器を提供することである。

発明の概要

上述の目的および言及がなされていないが以下の説明で明らかになる他の目的を達成するため、本発明は、請求項１に記載の特徴を持つ熱交換器プレートに関する。本発明は、更に、このような熱交換器プレートを含む請求項９によるプレート型熱交換器に関する。

更に詳細には、多数の乱流促進プロチュバランスが面から突出した熱交換器プレートを提供する。この熱交換器プレートは、プロチュバランスが、層流境界層の破壊を促進するための表面輪郭部を有し、表面輪郭部は球形又は楕円形のセグメント(区分)を含むことを特徴とする。

流体力学では、「層流境界層」という用語がよく使用される。この用語は、一般的には、また本願において、境界面と非常に接近して流れ、粘性力が他の力を上回る流体の流動体積（流動容積、flowing volume）の部分に関する。したがって、低流速において、境界面と隣接した流体体積（流体容積、fluid volume）のこの部分が層流をなして流れ、流体体積の残りの部分が乱流をなして流れる、ということを意味する。プレート型熱交換器では、かくして、互いにプレート型熱交換器を形成する熱交換器プレートの表面に沿ってこのような層流境界層が発生する。かくして、本発明で使用されたプロチュバランスの周面の表面輪郭部は、「表面の粗さ（表面の荒れ）」を創出し、これにより層流境界層の破壊を促進する。換言すると、破壊により、二つの熱交換器プレートが画成する隙間断面全体又はその主部に亘る流体体積内の乱流の発生が促進されるのである。隙間断面全体又はその主部に亘る流体体積が乱流をなして流れることにより、流体の混合が非常に効率的に行われ、かくして調節をなされるべき流体に調節を効率的に行い、調節をなすのに使用される流体から又は調節をなすのに使用される流体への熱伝達が効率的になる。球形又は楕円形のセグメントでできた表面輪郭部により、従来のクリーニング方法では届かなかったデッドスペースを形成してしまう尖った縁部や隅部（角部）を持たない熱交換器プレートが提供される。これは、食品衛生の観点から非常に重要である。それは、デッドスペースが、細菌および他の微生物の望ましからぬ成長をもたらすためである。更に、緩やか（なだらか、ソフト）な形状は、形成技術の観点からも好ましい。

それぞれの熱交換器プレートの形成方法に応じて、プレートの正面側および背面側の輪郭が異なるということは理解されるべきである。プレスにより形成した熱交換器プレートは、例えば、一方の側が凹状の輪郭を有し、他方の側が凸状の輪郭を有する。流体の流れパターンは、かくして、二つの側で異なる。いずれの流体が熱交換器プレートのいずれの側と接触するのかは、場合に応じて、プロチュバランスの形状および輪郭深さ、および表面輪郭部のそれぞれに応じて決定される。

表面輪郭部は、更に、特定表面（特定面積）を増大する。これは、調節がなされるべき流体に調節をなす上で好ましく、更に、調節をなすために使用される流体への、または、調節をなすために使用される流体からの熱伝達率の上で好都合である。

特定表面（比表面積、specific surface）という用語は、作動時にプレート型熱交換器を通って流れる流体に露呈される表面の各々を意味する。かくして、熱交換器プレートの正面側および背面側は、それぞれ特定表面を有する。特定表面の増大と関連した乱流の増大によりプレート型熱交換器の総熱伝達容量が向上し、これにより流れを更に速くでき、およびかくして生産量が高くなる。

好ましい実施例では、熱交換器プレートは、第１熱交換器プレートのプロチュバランスが第２熱交換器プレートのプロチュバランス内に部分的に受け入れられるように、複数の同じ熱交換器プレートとともに積み重ねることができる。更に、好ましくは、プロチュバランスは対称に配置されている。かくして、積み重ね可能な熱交換器プレートにより、従来のパッキングおよびスペーサにより、プレート間に望ましい隙間幅および所望の隙間断面を確保することができる。更に、コンパクトであり且つ空間を節約するプレート型熱交換器が得られる。

別の好ましい実施例では、表面輪郭部の輪郭深さは、プロチュバランスの深さよりもかなり小さい。かくして、表面輪郭部はプロチュバランスとは対照的に非常に小さくなければならず、熱交換器プレートと隣接した層流境界層を破壊でき、場合によってはなくすことができる。層流境界層の厚さは、熱交換器プレートの各設計で独特である。したがって、熱交換器プレートは、調節がなされるべき流体又は調節をなす流体に合わせて調整される。このため、表面輪郭部の深さのプロチュバランスの深さに対する寸法や比を与えることはできない。重要なパラメータの例は、流体の速度および粘度である。

更に別の好ましい実施例では、表面輪郭部は、プロチュバランスに対して凹状に又は凸状に構成されている。

熱交換器プレートとプロチュバランスとの間の幾何学的移行部には丸味が設けてあり、表面輪郭部は、既に説明したように、球形又は楕円形のセグメントを含むのが好ましい。かくして、表面輪郭部は、プロチュバランスとともに、これらの好ましい実施例において、ゴルフボールのような構造を形成すると言われる。球形又は楕円形と組み合わせた丸味により、熱交換器は、従来のクリーニング方法では届かなかったデッドスペースを形成してしまう尖った縁部や隅部を備えていない。これは、食品衛生の観点から非常に重要である。それは、デッドスペースが、細菌および他の微生物の望ましからぬ成長をもたらすためである。更に、形成技術の観点から、緩やかな（なだらかな、ソフトな）形状が好ましい。

別の特徴によれば、本発明は、乱流促進プロチュバランスが各々に設けられた熱交換器プレートを含むプレート型熱交換器に関する。このプレート型熱交換器は、各プロチュバランスが、層流境界層の破壊を促進するための表面輪郭部を有し、この表面輪郭部は球形又は楕円形のセグメントを含むことを特徴とする。

プレートは、プレート型熱交換器で様々な方法で配置できる。例えば、熱交換器プレートは、第１熱交換器プレートのプロチュバランスが、積み重ねと関連して、第２熱交換器プレートのプロチュバランス内に部分的に受け入れられる（部分的に収容される）ように構成できる。更に、熱交換器プレートは、例えば、第１プレート対およびこの第１プレート対と隣接した第２プレート対を含む対として構成され、プレート対において、第１プレートおよび第２プレートには、互いから遠ざかる方向に向いたプロチュバランスが配置されており、プレート対では、第１プレートと第２プレートとの間に隙間が配置されている。後の変形例により、プレート型熱交換器で使用された二つの流体は、異なる隙間断面を通って流れるように配置でき、かくして様々な流れのパターン（フローパターン）が得られる。

本発明を、現在の好ましい実施例を示す添付図面を参照して以下に例として詳細に説明する。

実施の形態

図１を参照すると、この図には、プレート型熱交換器（図示せず）で使用するための本発明による熱交換器プレート１（以下、プレートという）の一部が概略的に示してある。プレート１は、従来の方法で、プレートエレメント２を含む。このプレートエレメントは、その平面３から突出した複数のプロチュバランス４を備えている。図示の実施例では、これらのプロチュバランス４は球形セグメントの形状を有する。しかしながら、プロチュバランスのこの他の形状もまた考えられるということは理解されるべきである。プロチュバランス４の主な目的は、隣接した２枚のプレート１によって画成された隙間を通って流れる流体に乱流を発生することである。

プレート型熱交換器を形成するためにプレート１をどのように積み重ねるのかに応じて、プレート１のプロチュバランス４は様々な方法で配向できる。これは、当業者に最もよく理解されるであろう。かくして、図２のａおよびｂに示す様々な隙間断面Ｘ、Ｙが画成される。

例えば、プロチュバランス４が対称に配置されており、且つ、第１プレート１Ａのプロチュバランス４が第１プレート１Ｂのプロチュバランス４によって形成される凹所４’に部分的に受け入れられるように設計されている場合、空間を高度に節約したプレート型熱交換器が得られる（図２のａ参照）。２枚のプレート１Ａと１Ｂの間に隙間が形成され、プレート型熱交換器で使用される流体がこの隙間を通って流れることができる。かくして、プレート型熱交換器で使用される流体は、同じ又は本質的に同じ隙間断面Ｘ、Ｙを通って流れる。

プレート１は、更に、熱交換器プレート１が、第１プレート対１０およびこの第１プレート対と隣接した第２プレート対１０’との対として配置されるよう、積み重ねることができる。これらのプレート対１０、１０’において、第１プレート１Ａおよび第２プレート１Ｂは、プロチュバランス４が互いから離間するように向けられて、配置される（図２のｂ参照）。隙間は、各プレート対１０、１０’の第１プレート１Ａと第２プレート１Ｂとの間に、および、それぞれのプレート対間に設けられる。隙間は、プレート型熱交換器で使用する流体を流すことができる隙間断面Ｘ、Ｙを持つ通路を形成する。その結果、プレート型熱交換器で使用される二つの流体は、この変形例では、異なる隙間断面Ｘ、Ｙを通って流れる。

プレート１の積み重ねは無限の方法で行うことができ、本発明は、プレート型熱交換器で使用される流体がプロチュバランス４のいずれの側を流れるのかによって限定されないということは理解されるべきである。更に、異なるプレートのプロチュバランスの形状は必ずしも同じでなくてもよいということは理解されるべきである。

図３を参照すると、プレート１の平面３とそれぞれのプロチュバランス４との間の幾何学的移行部５は所定の丸味を備えて形成されているか、或いは、何らかの他の方法で緩やか（なだらか、ソフト）な形状を備えている。緩やかな幾何学的移行部は、衛生の点で最も重要である。これは、プレート型熱交換器を食品産業で使用する場合、クリーニング（洗浄）を頻繁に、且つ、非常に注意深く行う必要があるためである。幾何学的移行部が尖っているとデッドスペースが形成され、この空間が細菌および他の微生物が成長する領域を形成してしまうためである。しかしながら、緩やかな幾何学的移行部５は、流れ抵抗を減少してしまい、これは乱流の増大に対して有害であるということは理解されよう。

プロチュバランス４は、球形又は楕円形のセグメント等の遮断されたゾーンを含むが、例えば波形や溝といった形態の、即ち幾分褶曲した全体に又は部分的に連続したゾーンも含む。

プロチュバランス４は、適当には、プレスによって形成され、かくしてプロチュバランスはカップ状膨出部を形成できる。かくして、プレス１の一方の側にはプロチュバランス４が形成されているのに対し、他方の側には対応する凹所４’が形成されている。

プロチュバランス４は、図３に更に明瞭に示す表面輪郭部６を備えている。表面輪郭部６の主な目的は、プレートと隣接した層流境界層の破壊を更に容易にし且つ促進し、および、かくして隙間断面Ｘ、Ｙの全体又は主部を通る乱流を発生し高めることである。

表面輪郭部６は、その最も簡単な実施例において、プロチュバランス４の周囲表面７に多数の球形の又は楕円形のセグメントを備えている。しかしながら、十字形、星型、又は他の角柱形等の他の形状も可能であるということは理解されよう。可能な形状の数は、当業者には理解されるように、無限である。かくして、表面輪郭部は、プロチュバランス４に対して凹状並びに凸状であってもよく、又は別の態様では、凹状および凸状である。表面輪郭部６が凹状をなして構成されている場合には、ゴルフボールの表面と同様であり、即ちプロチュバランス４の周囲表面７に窪みが設けられている。表面輪郭部６が凸状をなして構成されている場合には、プロチュバランス４の周囲表面７はざらざらしており即ち「疣状」表面となっている。勿論、好ましくはプレスによって形成されたプレート１の一方の側が凹状表面輪郭部を備えている場合、他方の側は対応して凸状表面輪郭部を備えているということは理解されよう。本発明は、調節がなされるべき流体にいずれの側が面するのかによって限定されるべきではない。

表面輪郭部６は、最も容易には、プロチュバランス４とともに形成されるが、例えばエッチングによって形成された表面又は賦形積層体（a profiled laminate）でできた表面を含んでいてもよい。賦形積層体でできた表面を含んでいる場合には、「背面側」は完全に平滑となる。

プロチュバランス４は、表面輪郭部６とともに、層流境界層を破壊することによって乱流を促進するばかりでなく、特定表面（比表面積）、即ちプレート型熱交換器内を移動する流体に露呈される表面積を増大する。特定表面が大きければ大きい程、熱伝達が高い。

表面輪郭部６の輪郭深さは、プロチュバランス４の深さよりもかなり小さい。しかしながら、輪郭の深さ、輪郭の密度、および配向の選択は、プレート型熱交換器内を移動する流体の物理的性質、例えば流動学的性質、粘度、所望の乱流度、圧力降下、および流量等の要因で決まるということは理解されよう。これらの要因は、プレート型熱交換器の所期の作動状況に特有である。かくして、表面輪郭部を各状況に合わせて調節し、層流境界層の破壊を促し、およびかくして隙間断面全体に亘って層流を発生しなければならない。

プレート１の材料は、耐蝕性であり且つ食品産業に適しており、熱伝達率が高い材料でなければならない。選択された材料厚さは、熱伝達を高めるため、比較的薄くなければならない。

本発明は、更に、上文中に説明したように設計された必要な数のプレート１で形成されたプレート型熱交換器（図示せず）に関する。プレート１の数は、とりわけ、プレート型熱交換器の容量で決まり、ここでは詳細に説明しない。プレート１は様々な方法で積み重ねることができる。これらの方法のうちの二つは、図２のａおよびｂを参照した説明に例示した。プレート１を積み重ねる方法に応じて、様々な隙間断面Ｘ、Ｙが得られ、およびかくしてプレート型熱交換器用の流体について様々な流れパターンが得られる。積み重ね方法の数は多く、本発明を限定するものではない。

所期の流体を通すための隣接したプレート間の所定の隙間幅および所定の隙間断面Ｘ、Ｙは、パッキング（packings）、ビーズ（beads）、スペーサ、等によって確保される。

調節がなされるべき流体の一例として牛乳、ジュース、スープ、又はピューレが挙げられる。調節をなす流体の一例として水が挙げられる。

要約すると、本発明は、かくして、プレート型熱交換器で使用するためのプレート１およびこのようなプレートを使用するプレート型熱交換器を含む。プレート１は、多数の乱流発生プロチュバランス４を含む。プロチュバランス４は、プレート１の表面と隣接した層流境界層の破壊を促す表面輪郭部６を有する。表面輪郭部６の輪郭深さは、プレート型熱交換器の所期の作動条件に合わせて調節されるが、プロチュバランス４の深さよりもかなり小さくなければならず、例示であるが、ゴルフボールのような構造を形成する。表面輪郭部６は、プロチュバランス４に対して凹状並びに凸状であってもよい。プレート１、プロチュバランス４、およびそれらの表面輪郭部６が一緒になって、尖った幾何学的移行部がない表面を形成し、これにより、クリーニングを容易にし、および、かくして望ましからぬ細菌の成長を阻止する。

プロチュバランス４は、表面輪郭部とともに大きな表面積を形成し、これによりプレート型熱交換器内を移動する流体間の熱交換を促す。更に、表面輪郭部は、プレートの表面と隣接した層流境界層の破壊を促すことによって乱流を高め、これにより熱伝達を更に高める。

本発明は、プレートおよびこれらのプレートから形成されたプレート型熱交換器の図示の説明した実施例に限定されないということは理解されよう。本発明の考えは、例えば、些細な変更により、他の種類の熱交換器、例えば層流境界層の破壊を促す表面輪郭部を持つプロチュバランスがチューブに設けられたチューブ状熱交換器にも適用できる。かくして、いくつかの変形および変更を考えることができ、およびしたがって、本発明はもっぱら添付の特許請求の範囲によって定義される。

本発明によるプレートの一実施例の概略図である。 ａおよびｂは、プレート型熱交換器でのプレートの積み重ねの二つの例を示す図である。 図１によるプレートのプロチュバランスの部分拡大図である。

Claims (14)

1. 多数の乱流促進プロチュバランス（４）が面（３）から突出した熱交換器プレート（１）において、
   前記プロチュバランス（４）は、層流境界層の破壊を促進するための表面輪郭部（６）を有し、
   前記表面輪郭部（６）は球形又は楕円形のセグメントを含む
   ことを特徴とする熱交換器プレート（１）。
2. 第１の熱交換器プレート（１）のプロチュバランス（４）が第２の熱交換器プレート（１）のプロチュバランス（４）内に部分的に受け入れられるようにして、複数の同じ熱交換器プレート（１）とともに積み重ねられ得る
   ことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器プレート（１）。
3. 前記プロチュバランス（４）は対称に配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器プレート（１）。
4. 前記表面輪郭部（６）の輪郭深さは、前記プロチュバランス（４）の深さよりもかなり小さい
   ことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器プレート（１）。
5. 前記表面輪郭部（６）は、前記プロチュバランス（４）に対して凹状に又は凸状に構成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器プレート（１）。
6. 前記熱交換器プレート（１）と前記プロチュバランス（４）との間の幾何学的移行部に、丸味が設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器プレート（１）。
7. 前記表面輪郭部（６）は、前記プロチュバランス（４）とともにゴルフボールのような構造を形成する
   ことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器プレート（１）。
8. 乱流促進プロチュバランス（４）が各々に設けられた熱交換器プレート（１）を含むプレート型熱交換器において、
   各プロチュバランス（４）は、層流境界層の破壊を促進するための表面輪郭部（６）を有し、この表面輪郭部（６）は球形又は楕円形のセグメントを含む
   ことを特徴とするプレート型熱交換器。
9. 前記熱交換器プレート（１）は、第１の熱交換器プレート（１）のプロチュバランス（４）が、積み重ねと関連して、第２の熱交換器プレート（１）のプロチュバランス（４）内に部分的に受け入れられるようにして、構成されている
   ことを特徴とする請求項８に記載のプレート型熱交換器。
10. 前記熱交換器プレート（１）は、第１プレート対（１０）と、この第１プレート対と隣接した第２プレート対（１０’）と、を含む対として構成され、
    前記プレート対（１０、１０’）において、第１プレート（１Ａ）および第２プレート（１Ｂ）は、プロチュバランス（４）が互いから離間する方向に向けられるようにして、配置されており、
    前記プレート対において、第１プレート（１Ａ）と第２プレート（１Ｂ）との間に隙間が設けられている
    ことを特徴とする請求項８に記載のプレート型熱交換器。
11. 前記各熱交換器プレート（１）において、前記プロチュバランス（４）は対称に配置されている
    ことを特徴とする請求項８に記載のプレート型熱交換器。
12. 前記表面輪郭部（６）の輪郭深さは前記プロチュバランス（４）の前記深さよりもかなり小さい
    ことを特徴とする請求項８に記載のプレート型熱交換器。
13. 各プロチュバランス（４）の前記表面輪郭部（６）は、前記プロチュバランスに対して凹状又は凸状に構成されている
    ことを特徴とする請求項８に記載のプレート型熱交換器。
14. 前記プロチュバランス（４）は、前記表面輪郭部（６）とともにゴルフボールのような構造を形成する
    ことを特徴とする請求項８に記載のプレート型熱交換器。

Images