JP2007514124A - プレート式熱交換器 - Google Patents

Abstract

プレート式熱交換器は、高温流体と低温流体との間で熱交換するようになっているはんだ付けされたプレート（２１，３１）を備えていて、高温流体用の入口（３）近くに設置された熱交換プレートの一部分の冷却を低温流体をガイドする一対の熱交換プレート（２１，３１）における独立した流体チャンネル（２３，２６）を備えることにより、改善するようになっており、前記独立したチャンネル（２３，２６）の少なくとも一部分が高温流体用の入口（３）を囲んでいる。

Description

本発明は、少なくとも一つの高温流体と少なくとも一つの冷却流体との間で熱交換するようになっていて、かつ複数の積み重ねた熱交換プレートを具備しているプレート式熱交換器に関するものであって；
熱交換プレート各々が、（ａ）高温流体用の入口開口部と、（ｂ）冷却流体用の出口開口部と、（ｃ）高温流体用の出口開口部と、（ｄ）冷却流体用の入口開口部とを備えており、熱交換プレートが、少なくとも二つの熱交換流体用のチャンネルを画成していて、冷却流体用のチャンネルを画成している熱交換プレート対は、高温流体用の入口開口部の中に延在しているフランジを形成するべく接触区画に沿って一体にはんだ付けされている、プレート式熱交換器に関するものである。

高温流体はオイル又は天然ガスのような燃料の燃焼により発生したガス流れであってもよくて、冷却流体は住居暖房に使用される水の流れであってもよい。熱交換器を出来る限りコンパクトにかつ安価な製造コストで作ることが所望されている。このことは非常に高温の加熱ガスの流れを受け入れることの可能な熱交換器により達成することができる。

使用される高温ガスの温度制限は、例えば高温ガスが通過するポート穴を囲んでいる隣接する熱交換プレートを相互接続するはんだ材料の使用により限定されている。はんだ材料（一般に銅又はニッケル）は、急激な温度変化すなわち大きな温度勾配にさらされる場合、疲労しやすい。熱交換プレートに使用される材料（一般に鋼材料）でさえも、急激で大きな温度変化にさらされると疲労しやすい。従って、熱交換器を流れる高温流体の温度上昇に伴なって、熱交換器の寿命は低減する。

本発明の目的は、熱交換器における材料の最大温度勾配を低減し、そして熱交換器の寿命が長いプレート式熱交換器を提供することである。

この目的は本発明により達成されていて、プレート式熱交換器は、冷却流体用の二つの独立したチャンネルが前記接触区画に隣接して備えられていて、前記接触区画は前記高温流体用の前記入口開口部を通過する前記高温流体の流れの中に延在しているフランジを形成しており、冷却流体用の前記二つの独立したチャンネルが共通入口と共通出口とを備えていて、前記共通入口は前記共通出口よりも流れ圧力の高い位置に設置されており、前記二つのチャンネルの一方の一部分は、冷却流体用のチャンネルを画成している前記熱交換プレート対を形成している前記熱交換プレートの一方におけるプレスされた凸部により画成されていて、前記プレスされた凸部は前記熱交換プレートの前記（熱交換プレート）対における他方における対応する凸部に接触するようになっており、前記プレスされた凸部に隣接した前記一方のチャンネルは前記プレスされた凸部より高さが低くなっていることを特徴としている。

従って、冷却媒体の定常流れは、高温流体用の熱交換プレートにおける入口開口部の境界となっている区画に沿って、はんだ付けにより相互接続された熱交換プレート間を流れ、前記冷却媒体の流れは、熱交換器内で最大温度勾配にさらされるはんだ付け継手と熱交換プレート材料とに近接していることが保証されている。

添付図面を用いて本発明を詳述する。
図１に図示する公知の熱交換プレート１は、符号２で付番した逆Ｖ字形にプレスされた凸部及び凹部を備えている。プレート１は上から見たもので、上側は冷却水を収めるようになっていて、下側は例えば１３００℃の高温ガス流れを収めるようになっている。プレート１が四つの穴３−６を備えていて、穴３は高温流体入口であり、穴４は冷却水出口であり、穴５は高温流体出口であり、穴６は冷却水入口である。

プレート１における冷却水の流れが複数の矢印７及び８で図示されていて、より大きな矢印７は大質量流量の方向を図示し、矢印８は小質量流量の方向を図示している。穴３は、エッジ９とプレート１のコーナー１３を区切るライン１１との間におけるリング状区画１０に沿って隣接する熱交換プレート（図１に図示せず）にはんだ付けされた、プレート１の円形エッジ９により画定されている。一体にはんだ付けされた二つのプレートのリング状区画１０がフランジを形成していて、フランジの両側面は高温ガスに接触し、そして冷却水にさらされた隣接するプレートパーツに熱を伝導することにより冷却されている。

しかしながら、冷却水流れはプレート１（図１においてハッチングで図示）の部分１２に沿って非常にゆっくりとしている。従って、区画１０におけるプレートを相互接続するのに使用されるはんだ材料−銅又はニッケル−と、区画１０におけるプレート材料とは、はんだ材料の制限温度を越える高温となり、時には熱交換プレート材料において非常に大きな温度勾配も加わる。このことが材料の疲労を引き起し、従って熱交換器の寿命を低減している。

図２及び３は、本発明による構造を用いてどのようにこれらの欠点を回避しているかを図示するものである。

図２は、本発明による熱交換器に使用される熱交換プレート２１を図示している。図１において対応する詳細及び特徴を図示したものは同一の符号で図示してある。プレート２１は上から見たものであって冷却水は上側を通過していて、高温ガスは下側に沿って流れる。リングの一部分として形成された凸部２２は凸部２の最上部のレベルに上向きにプレスされたものである。前記凸部２２の最上部は隣接するプレート（図３を参照して後述する）における対応する凸部の最上部に接触していて、そして凸部２２とリング状区画１０の一部分における前記フランジとの間に位置する独立チャンネル２３を画定している。図２において、チャンネル２３が入口２４と出口２５とを有していて、入口２４は冷却水流れの出口開口部４から離れていて、出口２５は前記出口開口部４の近くにある。チャンネル２３の入口２４に流入する冷却水の一部分は、リング状区画１０の一部分におけるフランジとプレート２１の隣接するコーナー１３との間のチャンネル２６を通過する。入口２４における圧力は出口２５における圧力より高いので、従ってチャンネル２３及び２６を通過する流れを保証している。

図３は、図２に図示した最上部のプレート２１に設置される熱交換プレート３１を図示している。図３はプレート３１を上から見たもので、冷却水は下側に沿って通過する。プレート３１の逆Ｖ字形２は図２のプレートのそれと対向して配向されている。リングの一部分である前述した凸部は、符号３２で付番されていて、そして、図２に図示する凸部２２の最上部に接触するべく下向きにプレスされている。従って、二つの湾曲した凸部２２及び３２は共にチャンネル２３を画定している。チャンネル入口２４及びチャンネル出口２５を図３に図示する。

図４は、本発明による熱交換器の縦断面図であって、図２及び３の矢視Ｘ−Ｘから見たものである。図示した熱交換器は、お互いに接触する区画と点とにおいて一体にはんだ付けされたうすいプレートからなる、プレートを形成する十個のチャンネルを有している。図４に図示するように、熱交換器は厚いエンドプレート（上部エンドプレート１０１及び下部エンドプレート１０２）を備えている。上部エンドプレート１０１は、加熱された冷却水をドレンするためにそれぞれが高温ガス流の供給源への継手用のフィッティング１０３，１０４を支持している。符号１０５及び１０６はスペーサリングである。熱交換流体は異なるハッチングで表示してある。

冷却水用チャンネル２３及び２６は、はんだ付けされた継手及びプレートパーツ、例えばプレートを形成するチャンネルのリング状区画１０により形成されたフランジの近くに設置されているので、従って、はんだ材料及びフランジ材料の最高温度を低下させるようになっている。

区画１０の近くのプレートにおける凹部により形成されたチャンネル２３及び２６の高さは、高温流体の流れを妨げないように凸部２２又は凹部３２の高さより低いものとなっている。

図５は、図４におけるプレートを形成するチャンネルを分解して図示したものである。図２に図示したプレートに対応する形状のプレートがＡで表示され、図３に図示したプレートに対応するものがＢで表示されている。タイプＡのプレートの凸部２２及びタイプＢの対応する湾曲凹部３２の高さは、プレートの逆Ｖ字パターン２の凸部の高さと等しくなっている。高温ガス流れ及び冷却水流れはそれぞれ単一矢印と二重矢印とで表示されている。

図２−５に図示されている前述の装置は、住居暖房用ボイラというよりは熱交換の目的に使用することができる。利点のあることに本装置は、熱交換流体の一方が、流入するポート穴近くの材料に有害な高温となっているものである。高温流体であるいずれの用途にも使用することができる。

図２−５は二回路式熱交換器に適用される発明を図示している。図６は、三回路式熱交換器に使用される高温流体用の入口開口部の中に延在しているプレートフランジを冷却する課題を図示している。このタイプの公知の熱交換器は、例えば米国特許第６３０５４６６号明細書に開示されている。このタイプの熱交換器において、高温流体は二つの独立した低温流体により冷却されている。二つの冷却流れ各々が一対のプレートにより画定されていてその一対のプレートには、加熱流体用ポート穴周囲をはんだ付けされ、そして加熱流体用ポートの中へ延在しているフランジが形成されている。通常加熱流体用入口及び出口は、二つの冷却流体用のそれぞれの出口と入口との間に配置されている。入口と出口との間における冷却流体の流れはハッチングで図示された区画でゆっくりしたものとなっている。

図７において、共通の入口２４及び出口２５それぞれを有している独立チャンネル２３及び２６は、凸部２２により提供あるいは部分的に画定されていてもよい。従って、高温流体の入口ポート３の中へ延在しているフランジを形成するプレート区画１０の冷却は、図２−５に関連しての前述の説明における冷却と同様なものである。符号２７で図示される区画は凸部２２の高さにプレスされたプレート区画である。区画２７は特に冷却する必要がないことに注目すべきである。

図８は三回路式熱交換器のプレートを図示していて、中央入口ポート３と二つの出口ポート５ａ及び５ｂとを有している加熱流れは、入口６，６’と出口４，４’とを有している二つの冷却流れと熱交換している。図８において、冷却流れはハッチング区画に沿ってゆるやかなものとなっている。

図９において、冷却流れはチャンネル２３及び２６を備えることにより加熱流体の入口３周囲で改善されていて、そのチャンネル２３及び２６は共通入口２４及び共通出口２５を有していて、一部が凸部２２及び２２’により画成されている。

図１０は、二つの加熱流体を冷却する単一の冷却流体を有している三回路式熱交換器の加熱流体用の二つの入口を冷却する課題を図示している。図１０におけるハッチング区画は低速の冷却流体のために冷却が劣る区画を図示している。

図１１は、前述した本発明の実施形態と同様な計画によりどのように冷却を改善するかを図示している。同一部品は同一符号を付番してある。図１２は図１１における矢視Ｙ−Ｙから見た縦断面図である。

図１２において、単一の冷却流体と同じく二つの加熱流体各々にハッチングを表示してある。チャンネル２３及び２６はフランジ１０に近接している。各フランジは一体にはんだ付けされた４つのプレート部品からなる。

図１は、冷水を高温燃焼ガスにより加熱するようになっている従来型熱交換器のプレートの概略平面図である。 図２は、本発明による熱交換器のプレートの概略平面図である。 図３は、本発明による熱交換器の図２に図示するタイプのプレートの最上部に設置されるようになっている熱交換プレートの概略平面図である。 図４は、図２及び３における矢視Ｘ−Ｘから見た本発明による熱交換器の縦断面図である。 図５は、図４に図示するような流路プレートの分解図である。 図６は、図１のプレートに対応している三回路式熱交換器の熱交換プレートの平面図である。 図７は、本発明による三回路式熱交換器の熱交換プレートの平面図であって、図６の実施形態に対して高温流体入口におけるプレートフランジの冷却をどのように改善したかを図示している。 図８は、加熱流体用中央入口を有している、三回路式熱交換器の熱交換プレートの平面図である。 図９は、本発明による三回路式熱交換器の熱交換プレートの平面図であって、図８の実施形態に対して高温流体入口におけるプレートフランジの冷却をどのように改善したかを図示している。 図１０は、三回路式熱交換器の熱交換プレートの平面図であって、熱は一つの冷却流体と二つの加熱流体の間で熱交換されている。 図１１は、本発明による三回路式熱交換器の熱交換プレートの平面図であって、図１０の実施形態に対して高温流体入口におけるプレートフランジの冷却をどのように改善したかを図示している。 図１２は、図１１における矢視Ｙ−Ｙから見た縦断面図である。

Claims (7)

1. 少なくとも一つの高温流体と少なくとも一つの冷却流体との間で熱交換するようになっていて、かつ複数の積み重ねた熱交換プレート（２１，３１）を具備しているプレート式熱交換器であって；
   前記熱交換プレート（２１，３１）各々が、（ａ）高温流体用の入口開口部（３）と、（ｂ）冷却流体用の出口開口部（４）と、（ｃ）高温流体用の出口開口部（５）と、（ｄ）冷却流体用の入口開口部（６）とを備えており、前記熱交換プレート（２１，３１）が、少なくとも二つの熱交換流体用のチャンネルを画成していて、冷却流体用のチャンネルを画成している熱交換プレート対は、前記高温流体用の前記入口開口部の中に延在しているフランジを形成するべく接触区画（１０）に沿って一体にはんだ付けされている、プレート式熱交換器において；
   冷却流体用の二つの独立したチャンネル（２３，２６）が前記接触区画（１０）に隣接して備えられていて、前記接触区画（１０）は前記高温流体用の前記入口開口部（３）を通過する前記高温流体の流れの中に延在しているフランジを形成しており、冷却流体用の前記二つの独立したチャンネル（２３，２６）が共通入口（２４）と共通出口（２５）とを備えていて、前記共通入口（２４）は前記共通出口（２５）よりも流れ圧力の高い位置に設置されており、前記二つのチャンネル（２３，２６）の一方（２３）の一部分は、冷却流体用のチャンネルを画成している前記熱交換プレート対を形成している前記熱交換プレート（２１，２３）の一方（２１）におけるプレスされた凸部（２２）により画成されていて、前記プレスされた凸部（２２）は前記熱交換プレート（２１，３１）の前記熱交換プレート対における他方（３１）における対応する凸部（３２）に接触するようになっており、前記プレスされた凸部（２２）に隣接した前記一方のチャンネル（２３）は前記プレスされた凸部（２２）より高さが低くなっていることを特徴とする；
   プレート式熱交換器。
2. 熱交換プレート各々において、前記高温流体用の前記入口開口部（３）が前記高温流体用の前記出口開口部（５）の面積より大きな面積であることを特徴とする、請求項１に記載のプレート式熱交換器。
3. 前記高温流体がガスであることを特徴とする、請求項１又は２に記載のプレート式熱交換器。
4. 熱交換プレート各々がほぼ長方形状であることと、前記高温流体用の前記入口開口部及び前記出口開口部（３，５）と、前記冷却流体用の前記出口開口部及び前記入口開口部（４，６）とが熱交換プレートのコーナー近くに配置されていることとを特徴とする、請求項１−３のいずれか一項に記載のプレート式熱交換器。
5. 三つの熱交換流体である（ｉ）一つの加熱高温流体と（ｉｉ）二つの冷却流体とに対して設計されていることを特徴とする、請求項１に記載のプレート式熱交換器。
6. 前記加熱流体用の前記入口開口部（３）が、二つの冷却流体の一方における、前記入口開口部（６）と前記出口開口部（４）とから離れて配置されていることを特徴とする、請求項５に記載のプレート式熱交換器。
7. 三つの熱交換流体である（ｉ）二つの加熱流体と（ｉｉ）一つの冷却流体とに対して設計されていて、前記二つの加熱流体用の前記入口開口部（３，３’）と前記出口開口部（５，５’）とが、前記冷却流体用の前記出口開口部（４）と前記入口開口部（６）との両側に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載のプレート式熱交換器。

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