JP2009537006A - 溶接された熱交換プレートを備えた熱交換器 - Google Patents

Abstract

熱交換器は、金属プレート（６，７）を有している。これらの金属プレートは、プレス加工され、そして、二つの互いに対向する側を溶接することにより対を成して組み立てられて、積み重ねられたモジュラー要素（２）を構成している。これらの金属プレートは、第一の流体及び第二の流体のための二つの独立した回路を規定している。前記モジュラー要素（２）の二枚の金属プレート（６，７）は、予め定められた幅（Ｌ）に亘って、互いに対して平らにセットされ、この幅に沿ってハンダ（１２）で接続され、組み立て部の機械的な結合を確保するように構成されていて、そして、これらのプレートの外側エッジに沿って行われる他のハンダ（１３）によって、それらの間のシールが確保されている。これらのプレート（６，７）の端部は、互いに対向する接続パーティションに接続されて、熱交換ブロックを形成していて、この熱交換ブロック自身は、熱交換器のボディの四本のコーナー支柱に取り付けられている（図３）。

Description

本発明は、本発明は、第一の流体と第二の流体の間の熱交換を実現するための、溶接された熱交換プレートを備えた熱交換器に係る。

溶接された熱交換プレートを備えた熱交換器が、とりわけ、欧州特許第 EP 0 639 258 B1 号（本願と同じ発明者による）から、既に知られている。これは、コンパクトな構造を備え、製品名“ＨＥＡＴＥＸ”（登録商標）を有している。この熱交換器は、予めスエージ加工された金属プレートを有していて、二つの互いに対向する側で溶接することにより対を成して組み立てられ、それによって、積み重ねられたモジュラー要素を形成し、それらのモジュラー要素は、それぞれ、第一の流体のための及び第二の流体のための二つの独立した回路を規定する。全てのプレートは、このようにして接続され、矩形の水平の断面の熱交換ブロックを形成する。それ故に、これは、一般的に平行六面体であって、熱交換器のフレームに属する四本の支柱即ちコーナーの縦方向部材に対して組み立てられている。上記積み重ねられたモジュラー要素の開放端は、上記熱交換ブロックの互いに対向する垂直の接続壁に設けられた開口部の端に、互いに並べられて配置された状態で溶接されている。熱交換器は、フレームの縦方向部材にネジで取り付けられた四つのサイド・ドアにより閉じられており、メインテナンスのために、容易に取外し可能である。

特に、欧州特許第 EP 0 639 258 B1 号は、全ての積み重ねられたプレートにより構成される熱交換ブロックとフレームとの間の、膨張差による応力を、“コーナー・ガター”により、取り除くためのソリューションを提案している。これらのコーナー・ガターは、上述の接続壁に固定され、且つフレームの縦方向部材を部分的に取り囲み、相対的にスライドすることが可能である。

これらの構成のおかげで、欧州特許第 No. EP 0 639 258 B1 号に基づく熱交換器は、温度に対する挙動に関して、従来の形態に対して、優れた特徴を有している。溶接されたプレートを備えた熱交換器についての、そのような従来の形態は、例えば、欧州特許出願公開第 EP 0 165 179 A 号、及び EP 0 186 592 A 号などの中にも記載されている。

しかしながら、欧州特許第 No. EP 0 639 258 B1 号に基づく、溶接された熱交換プレートを備えた熱交換器は、依然として、或る問題を有していて、それ故に、厳しい熱的且つ機械的な応力条件の下での使用に際して、改良の余地が残されている。

特に、熱交換ブロックの温度が上昇したとき、使用中に支配的である温度勾配のために、熱交換プレートは、それらの両端に配置された接続壁に対して垂直の方向に、長手方向に膨張ようとする。対応する膨張による応力は、比Ｆ／Ｓにより計算され、ここで、Ｆは膨張による力であり、Ｓはこの応力に耐える溶接部の断面である。

膨張がかなりな量のときに、応力もまたそのようになり、これが、モジュラー要素を構成している二枚のプレートを接続する溶接部の破損をもたらすことがある。そのような破損は、とりわけ、熱交換プレートと隣接する接続壁が隣接するゾーンで生じる。

それ故に、この位置での応力の値を破壊の閾値以下に抑えるために、膨張による力の減少および／または溶接断面の増大によって、この位置での応力のレベルを減少させることが適切である。
欧州特許第 EP 0 639 258 B1 号明細書 欧州特許出願公開第 EP 0 165 179 A 号明細書 欧州特許出願公開第 EP 0 186 592 A 号明細書

それ故に、本発明の目的は、欧州特許第 No. EP 0 639 258 B1 号の中に記載されているような、溶接されたプレートを備えた熱交換器に関して、昇温下でのその挙動を改善する目的で、そして、とりわけ膨張による応力の効果による破損の危険を防止する目的で、そのような熱交換器を改良することにある。

従って、本発明の本質的な主題は、以上で述べたタイプの溶接された熱交換プレートを備えた熱交換器である。この熱交換器は、予めスエージ加工された金属プレートを有し、これらの金属プレートは、二つの互いに対向する側で溶接することにより対を成して組み立てられ、それによって、積み重ねられたモジュラー要素を形成し、これらのモジュラー要素は、それぞれ第一の流体のため及び第二の流体のための二つの独立した回路を規定している。前記熱交換プレートの両端は、互いに並べられて配置された状態で、互いに対向する壁に設けられた開口部の端に、前記プレートに対して垂直に溶接され、それによって、全体として平行六面体の熱交換ブロックが形成され、この熱交換ブロックは、熱交換器のフレームに属する四本の支柱即ちコーナーの縦方向部材に対して組み立てられている；
この熱交換器の特徴は、組み立てられることになるそれらのサイドで、各モジュラー要素を構成する二枚のスエージ加工された金属プレートが、それぞれのサイドで、予め定められた幅に亘って、互いに対して平らにプレス加工され、第一の溶接部により互いに接続され、組み立て部の機械的な結合を提供し、そしてまた、第二の溶接部によりそれらの外側の端に沿って互いに接続され、この第二の溶接部がシールを提供もたらすことにある。

それ故に、本発明は、二枚のスエージ加工されたプレートの通常の“エッジ対エッジ”の組み立て部を、特定の形態で置き換えることになる。この特定の形態は、プレートの内の一方あるいは両方のプレートに“へこみ”を形成し、それによって、両方のプレートが、予め定められた幅に亘って、好ましくは少なくとも１５ミリメータの幅に亘って、並置されるようにし、それにより、二重の溶接部を実現することを可能にする。

第一の溶接部は、スポット溶接またはレーザ溶接またはローラ電極溶接であって、組み立て部の機械的な結合を、従って圧力に対するその抵抗を、確保する。第二の溶接部は、好ましくは、“ＴＩＧ”または“プラズマ”タイプの溶接部であって、その部分自体としては、単にシールを確保する。トータルの溶接断面積が、それ故に大幅に増大され、プレートの組み立て部を遥かにより強くする。

本発明の他のアスペクトによれば、溶接された熱交換プレートを備えた熱交換器のフレームの各支柱即ちコーナーの縦方向部材は、ベベルが付けられた内側のエッジを有し、前記隣接する接続壁は、このベベルが付けられたエッジの領域内で、支柱即ちコーナーの縦方向部材に接続される。

それ故に、熱交換プレートが膨張しようとするとき、それらの熱交換プレートは、接続壁を一緒に変形させることが可能である。これらの接続壁は、支柱即ちコーナーの縦方向部材の上記ベベルが付けられたエッジにより開放されたスペースの中で曲げられることにより、更なる変形の可能性を有している。膨張による応力は、それ故に、このようにして可能になった接続壁の曲がりによって、大幅に吸収される。

優位性のある更なる構成によれば、各接続壁は、その二つの側面ゾーンの中に、支柱即ちコーナーの縦方向部材に対してそれを接続するために、上記ベベルが付けられたエッジの領域内に、ベロウズ状の構造を有している。このベロウズ状の構造は、それぞれ、一種の正弦曲線をともに形成する二つの互いに逆方向の折曲げ部から単純に構成されても良く、この構造は、必要な場合に、熱交換プレートの長手方向の膨張の方向に対して垂直な軸に沿った膨張を容易にする。容易に理解可能なように、支柱または縦方向部材の上記ベベルが付けられたエッジは、接続壁の曲げのためのみではなく、上記ベロウズ状の構造の収容及び変形のためにも、ここで使用される自由なスペースを提供する。

いずれにせよ、本発明は、添付された概略図を参照しながら、以下の説明の助けにより、より良く理解されるであろう。これらの図面は、溶接された熱交換プレートを備えたこの熱交換器の一つの実施形態を、例として示している。

図１を参照すると、溶接された熱交換プレートを備えた熱交換器は、一連のモジュラー要素２を有していて、それらの要素は一般的に正方形または矩形の形状であって、モジュラー要素２に対して垂直な二つの互いに対向する接続壁３（矩形の形状）の間に、積み重ねられ、全てが組み立てられている。

これらのモジュラー要素２は、非常に長い断面を有していて、それらの両端は、並べて配置された状態で、接続壁３に設けられた平行な開口４のエッジに溶接されている。

これらの接続壁３は、それらの長手方向のエッジ（この例では垂直方向）に沿って、それら自体が、支柱即ちコーナーの縦方向部材５に対して組み立てられている。支柱の数は４本である。これらの支柱即ちコーナーの縦方向部材５の底面側及び上面側の端は、それぞれ、底面側のサポート及び上面側のサポートに対して組み立てられ（図１の中には示されていない）、それによって、一般的に平行六面体の形状の完成されたフレームを形成する。

このフレームの内側は、その側面でドア（図示せず）により閉じられ、その中で、モジュラー要素２の全てが熱交換ブロックを形成し、それ自身は一般的に平行六面体の形状である。これらのモジュラー要素は、二つの独立した流体回路、即ち、モジュラー要素２からなる第一の流体回路、及び、これらのモジュラー要素２の間に位置する自由なスペースによりもたらされる第二の流体回路を規定している。入口及び出口のホースが、このようにして形成された二つの流体回路のために、設けられる。

このタイプの熱交換器のより詳細な説明については、上述の欧州特許第 No. EP 0 639 258 B1 号に記載されている。

図２及び３を参照すると、各モジュラー要素２は、二つの互いに対向する側での、二枚の金属プレート６及び７の組み立て部からもたらされ、それらの内の少なくとも一方は、予めスエージ加工されている。

特に、図２は、両サイドの内の一方において、二枚のプレート６及び７を組み立てるための従来の方法を示しており、もう一方のサイドも対称的なやり方で組み立てられる。二枚のプレート６及び７は、この例においては、それぞれ４５度で、一方がもう一方の方向へ、折り曲げられ、“ＴＩＧ”タイプの、単一の長手方向の溶接部８が、これらの二枚プレート６及び７を、互いに対して、それらのエッジに沿って接続する。

更にモジュラー要素２について考察すると、接続壁に対する、モジュラー要素２の端の溶接による組み立てが、ここに示された例（厚さ１．５ｍｍのプレートに対して）においては、２ｘ２．８ｍｍｘ１．５ｍｍ、即ち８．４ｍｍ^２の断面に亘って、行われ、この溶接された組み立て部は、長手方向の溶接部８に沿う位置で、応力の集中が生ずることになる。

図３は、ここで、本発明により提案されるソリューションを示す。この例において、プレート６の内の一方は、モジュラー要素２の側の領域内で、平らなまま残され、これに対して、他方のプレート７には、“へこみ”が設けられている。即ち、プレート７は、第一の折曲げ部９（例えば４５度の）を有し、それに続いて、第二の折曲げ部１０（例えば４５度の）を有している。但し、第二の折曲げ部は、先の場合とは反対の方向に曲げられ、その結果として、幅Ｌの側面のバンド１１が形成され、このバンドは、問題のプレート７の主たる面に対して平行である。

幅Ｌの、この側面のバンド１１により、プレート７が、プレート６の側方領域に対して、平らにプレス加工される。これら二枚のプレート６及び７は、次に、幅Ｌの中で、第一の溶接部１２により互いに対して接続される。この第一の溶接部は、スポット溶接またはレーザ溶接またはローラ電極溶接であっても良く、組み立て部の機械的な強度を確保することになる。

二枚のプレート６及び７はまた、それらの外側の端に沿って、第二の溶接部１３により、互いに対して接続され、この第二の溶接部は、とりわけ、“ＴＩＧ”タイプの溶接部であって、この溶接部によって、この例において、シールが単に確保される。

好ましくは、二枚のプレート６及び７は、それ故に、モジュラー要素２の側方領域において、少なくとも１５ミリメータの幅Ｌに亘って、並置される。

この幅Ｌが厳密に１５ｍｍに等しく、且つ他の全てが変わらないと仮定すると、本発明に基づく実施形態は、接続壁に対するモジュラー要素２の端の組み立て部で、［（２ｘ１５）＋５．６＋４］ｘ１．５ または ５９．４ ｍｍ^２ に等しい溶接断面を実現する。この値は、従来の組立の方法で得られる８．４ ｍｍ^２に変わるものである。機械的に強い溶接断面が、それ故に、７倍以上に増大され、換言すると、６００％以上増大されることになる。

図４は、水平の断面図で、熱交換器のコーナー・ゾーンの内の一方を示し、これは、接続壁３に対して組み立てられたモジュラー要素２の部分、及び、熱交換器のフレームに属する支柱即ちコーナーの縦方向部材５を示している。特に、この図４は、接続壁３と支柱即ちコーナーの縦方向部材５の間の、従来の接続の方法を示していて、ここで、この縦方向部材５は、通常の正方形の断面を有している。この場合には、この接続は、二つのポイントＰ１及びＰ２で剛性を有し、この剛性は、矢印Ｆの方向に、熱交換プレートの自由な長手方向の膨張を、阻むものである。

図５は、ここで本発明により提供されるソリューションを示す。このソリューションは、支柱即ちコーナーの縦方向部材５の内側のエッジにベベルを付けることにある。特に、支柱または縦方向部材５の二つの互いに隣接する面１４及び１５の４５度の切除が、少なくとも１０ミリメータ幅に亘って行われ、それによって、ベベル１６が形成され、このベベル自体は、三角形の断面の自由なスペース１７を開放することになる。

それ故に、モジュラー要素２が矢印Ｆの方向に膨張しようとすると、そのモジュラー要素２は、隣接する接続壁３を一緒に変形させる。この接続壁は、自由なスペース１７に入ることにより曲がることが可能であり、剛性の第一のポイントが取り除かれる。膨張による応力が、それ故に、接続壁３の曲がりにより、大幅に吸収される。

それに加えて、図５に示されているように、接続壁３は、各側方のゾーンにおいて、二つの互いに逆方向の折曲げ部１８及び１９からもたらされるベロウズ状の構造によって、支柱即ちコーナーの縦方向部材５に接続され、この壁３に、局所的に（水平の断面で見たとき）、正弦曲線の外観を与える。このベロウズ状の構造は、可撓性を備えた更なるゾーンをもたらし、もし必要な場合には、熱交換ブロックが矢印Ｆの方向に対して垂直な軸に沿って膨張することを容易にする。

図６及び図７は、その詳細を示しており、これらの図はまた、ベース熱交換器の底面側及び上面側に設けられる更なる構成を示していて、この構成は、二つの互いに対向する側で熱交換ブロックの膨張を可能にする。フレームの底面側のサポートは、この例において符号２０で示され、各接続壁３は、そのベースに、開口４が無く且つ底面側のサポート２０の上方で水平に折り曲げられた部分２１を有していて、それに対して、このサポートが取り付けられる。この部分２１に、長手方向の折曲げ部２２が形成され、この折曲げ部は、この位置で膨張を吸収することを可能にする。当然ながら、同様な構成が、熱交換器の上面側の部分にも設けられる。

ここで留意すべきことは、以上において説明された熱交換器は、ボス（bosses：突起）またはディッシュ（dishes：へこみ）による網状の模様が設けられたスエージ加工されたプレートで、あるいは、平行なリブまたは溝を有するスエージ加工されたプレートで、あるいは、それ自体としては既に知られているあらゆる形態による取り付け部ブロックが取付けられた平滑なプレートで、同様に作られても良いことである。これらの熱交換プレートは、例えばステンレス鋼で作られた、単なる金属シートで構成されでも良い。特定のアプリケイションにおいて、それらは、“サンドイッチ”金属シートと呼ばれる金属シートであっても良く、それらのシートは、一方の面が、圧力に対する抵抗を確保するために十分な厚さを備えたステンレス鋼のサポート・レイヤで、もう一方の面が貴金属または合金で作られた薄いレイヤ８、特にニッケル系、タンタル系、またはジルコニウム系のレイヤで、作られる。

留意すべきことは、本発明の構成は、そのような“サンドイッチ”金属シートを一緒に組み立てるために、特に適切であることである。特に、通常の技術を用いて、そのような金属シートのエッジ対エッジの溶接の間に、溶融された金属コアの中での、移送現象によるフェライトの形成に関係する或る危険がある。腐食の危険は、そのとき、かなりな量になり、作り出された溶接部は、貴金属の性質を有していない。

もう一方では、この例において、本発明の技術を適用することにより、図３により示されているように、“サンドイッチ”タイプの金属シート６及び７を使用することにより、貴金属のレイヤがステンレス鋼のサポート・レイヤから突出する。そして、一方では、組み立て部の結合を確保するスポット溶接１２を作り出すことを可能にし、もう一方では、“ＴＩＧ”タイプのシール溶接部１３を作り出すことを可能にする。これは、それぞれのステンレス鋼のサポート・レイヤから突出する貴金属または合金の二つのレイヤの間の重複のみにより実現される。

本発明に基づいて作られる溶接された熱交換プレートを備えた熱交換器は、様々な分野の工業的な用途に用いられる：それは、例えば、化学及び医薬産業、アグリビジネス産業、加熱装置などである。

以上から分かるように、当然ながら、本発明は、以上において例として説明された熱交換器の実施形態のみに限定されない；その反対に、本発明は、同一の原理に従う全ての実施形態及び適応のための変形形態を包含する。このようにして、特に、ユーザーは、本発明のコンテクストから逸脱することなく、以下のような変形形態を採用することも可能である：
− あらゆる形状及び寸法の、特に一般的に正方形または矩形の形状を備え、且つ全ての溶接可能な材料で作られた熱交換プレートを作ることにより;
− あらゆる適切な方法を使用することにより、これらのプレートの溶接部を作ることによって；これは、第一の溶接部にも第二の溶接部にもあてはまり、例えば、第二の溶接部を“プラズマ”溶接で作ることも可能である；
− フレームの縦方向部材または支柱との接続壁の接続を変更することにより；この接続壁は、必ずしもフレームに接続される必要はなく、それ自身が支柱の周りに取り付けられる中間部材に接続されることも可能であり、この中間部材は、とりわけ、ベベルが付けられたエッジ及びベベルに隣接する面に亘って、延び、また、この中間部材は、次の面の上方に突出しても良い；
− 想定される用途に応じて、熱交換器を、垂直の位置ではなく、水平の位置で使用することにより；この例において、“縦方向部材”及び“支柱”と言う言葉は、純粋に構造的な意味を有しており、必ずしも鉛直の方位であることを意味するものではない。

図１は、分解斜視図による、部分的な且つ非常に概略化された図であって、本発明によりカバーされるタイプの熱交換器の組み立ての一般的原理を示している。 図２は、例えば熱交換器のプレートを、それらのサイドの内の一方で組み立てる、従来の方法の断面図を示している。 図３は、図２と同様な断面図であるが、本発明に基づく組み立ての方法を示している。 図４は、例えば熱交換器などのコーナー・ゾーンの内の一方を通る断面図であって、接続壁と支柱即ちコーナーの縦方向部材の間の従来の接続の方法を示している。 図５は、図４と同様な断面図であるが、本発明に基づく接続の方法を示している。 図６は、本発明に基づく熱交換器の水平の断面図である。 図７は、図６の熱交換器の底部の詳細を示す斜視図である。

Claims (9)

1. 溶接された熱交換プレートを備えた熱交換器であって、
   予めスエージ加工された金属プレート（６，７）を有しており、
   これらの金属プレートは、二つの互いに対向する側で溶接することにより、対を成して組み立てられ、それによって、積み重ねられたモジュラー要素（２）が形成され、これらのモジュラー要素は、それぞれ、第一の流体のため及び第二の流体のための二つの独立した回路を規定し、
   前記熱交換プレート（６，７）の両端は、互いに並べられて配置された状態で、前記プレートに対して垂直の互いに対向する壁（３）に設けられた開口（４）の端に溶接され、それによって、全体として平行六面体の熱交換ブロックが形成され、
   この熱交換ブロックは、熱交換器のフレームに属する四本の支柱即ちコーナーの縦方向部材（５）に対して組み立てられている、
   熱交換器において、
   各モジュラー要素（２）を構成する前記スエージ加工された金属プレート（６，７）は、予め定められた幅（Ｌ）に亘って、互いに対して平らにプレス加工され、この幅（Ｌ）の中に設けられた第一の溶接部（１２）により互いに接続されて、組み立て部の機械的な結合がもたらされ、且つ、それらの外側の端に沿って、第二の溶接部（１３）により互いに接続されて、この第二の溶接部でシールがもたらされること、
   を特徴とする熱交換器。
2. 下記特徴を有する請求項１に記載の溶接された熱交換プレートを備えた熱交換器：
   前記二枚のプレート（６，７）は、少なくとも１５ミリメータの予め定められた幅（Ｌ）に亘って並置されている。
3. 下記特徴を有する請求項１または２に記載の溶接された熱交換プレートを備えた熱交換器：
   第一の溶接部（１２）は、スポット溶接、またはレーザ溶接、またはローラ電極溶接である。
4. 下記特徴を有する請求項１から３のいずれか１項に記載の溶接された熱交換プレートを備えた熱交換器：
   第二の溶接部（１３）は、“ＴＩＧ”または“プラズマ”タイプの溶接部である。
5. 下記特徴を有する請求項１から４のいずれか１項に記載の溶接された熱交換プレートを備えた熱交換器：
   そのフレームの各支柱即ちコーナーの縦方向部材（５）は、ベベルが付けられた内側のエッジ（１６）を有し、
   前記隣接する接続壁（３）は、このベベルが付けられたエッジ（１６）の領域内で、前記支柱即ちコーナーの縦方向部材（５）に接続されている。
6. 下記特徴を有する請求項５に記載の溶接された熱交換プレートを備えた熱交換器：
   各支柱即ちコーナーの縦方向部材（５）のベベル（１６）は、二つの互いに隣接する面（１４，１５）を、少なくとも１０ミリメータの幅に亘って、４５度の角度で切除することにより作られている。
7. 下記特徴を有する請求項５または６に記載の溶接された熱交換プレートを備えた熱交換器：
   各接続壁（３）は、それを前記支柱即ちコーナーの縦方向部材（５）に接続するために、ベベルが付けられたエッジ（１６）の領域内で、その二つの側面ゾーンの中に、ベロウズ状の構造（１８，１９）を有している。
8. 下記特徴を有する請求項７に記載の溶接された熱交換プレートを備えた熱交換器：
   前記接続壁（３）のベロウズ状の構造は、それぞれ、一種の正弦曲線をともに形成する二つの互いに逆方向の折曲げ部（１８，１９）から構成されている。
9. 下記特徴を有する請求項１から８のいずれか１項に記載の溶接された熱交換プレートを備えた熱交換器：
   前記熱交換プレート（６，７）は、一方の面がステンレス鋼のサポート・レイヤにより作られ、もう一方の面が薄い貴金属または合金により作られた“サンドイッチ”金属シートから構成され、
   前記シール溶接部（１３）は、それぞれのステンレス鋼のサポート・レイヤから突出する貴金属または合金の二つのレイヤの間の重複部からのみ作られている。

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