JP2010101617A - プレート式熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱交換部内の熱応力を低減可能な改良形プレート式熱交換器を提供する。
【解決手段】 第１の流体が貫流する複数の第１通路(14a)と、第２の流体が貫流する複数の第２通路(14b)とを有し、第１通路と第２通路との間で熱交換を行う熱交換部(12)を備えたプレート式熱交換器(10)。熱交換部(12)の内部の熱応力を低減するため、熱交換部(12)は流体が貫流する前記二つの通路(14a, 14b)の間に配置された流体の貫流しない少なくとも一つの層(30)を備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明はプレート式熱交換器に関し、特にろう付けアルミニウム製プレート式熱交換器に関する。

一般的に、プレート式熱交換器の熱交換部は複数層の熱交換通路から成り、各層の熱交換通路は、それぞれ仕切板により相互に仕切られている。閉鎖用ストリップとカバープレートが熱交換部の外側フレームを形成し、この構体は熱交換ブロックとしても良く知られている。更に、分離用ストリップが個々の層内に設けられ、それぞれ別々の流体流のための熱交換通路同士を相互に分離している。

当初、各部がルーズな状態で組み立てられている熱交換ブロックはろう付け炉でろう付けされ、全ての構成要素が互いに緊密に接合される。次いでヘッダが熱交換通路の入口開口及び出口開口上に溶接され、入口開口と出口開口がそれぞれヘッダにより集合的に流路接続される。ヘッダとしては、半円筒状のシェルが従来から使用されている。ヘッダ内と外部との接続は管状の接続部品により果たされ、これらの接続部品は各ヘッダの半円筒状のシェルを貫通して該シェルに固定配置される。管状接続部品には流体流の外部との給排用のパイプが連結される。

このようなプレート式熱交換器は、分離用ストリップを適宜配置することにより、複数の流体流の熱交換を同時に行う構成とすることができる。この場合、個々の流体流に対応するヘッダが各熱交換通路のそれぞれの入口及び出口開口を覆って装着され、それぞれにパイプは配置される。

このようなプレート式熱交換器の基本構造は、例えば、ＡＬＰＥＭＡ（ろう付けアルミニウム製プレート式フィン熱交換器製造事業者協会：Ｂｒａｚｅｄ Ａｌｕｍｉｎiｕｍ Ｐｌａｔｅ−Ｆｉｎ Ｈｅａｔ Ｅｘｃｈａｎｇｅｒ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒ‘ｓ ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）規格に詳細に記載されている。

各流体は互いに異なる温度でプレート式熱交換器を貫流し、プレート式熱交換器を貫流する流体自体が空間的及び時間的に変化する温度分布をもつので、熱交換ブロックの各部品又は各部が異なる温度となり、これが熱交換ブロックの各部に熱応力をもたらすことになる。熱交換部内の熱勾配が大きくなるほど発生する熱応力も大きくなり、漏洩のリスクが増加することになる。一般に、熱交換部における不均一性がこれら熱応力を更に増加させる。

このため、出願人は既に欧州特許出願公開第１７９８５０８号明細書及び欧州特許出願公開第１８３０１４９号明細書中でプレート式熱交換器の製造方法を提案しているが、これらの方法においては、運転中の熱交換ブロック内部の熱応力を予め把握するために三次元デジタルシミュレーションを行っている。

例えば天然ガスの液化又は気化等のＬＮＧプロセスをはじめとする種々のプロセスにおいて、熱交換器の熱応力に対する推奨許容値に従うことは非常に複雑な装置を使用しない限り不可能であった。

欧州特許出願公開第１７９８５０８号 欧州特許出願公開第１８３０１４９号

本発明の目的は、熱交換部内における熱応力を低減できる改良形のプレート式熱交換器を提供することである。

この目的は、請求項１に記載の特徴を有するプレート式熱交換器により達成される。本発明の有利な実施形態や更なる発展形態は従属請求項の特徴要件である。

本発明によるプレート式熱交換器は、第１の流体が貫流する複数の第１通路と、第２の流体が貫流する複数の第２通路とを有し、第１通路と第２通路との間で熱交換を行う熱交換部を備えている。この熱交換部は、流体が貫流する前記二つの通路の間に配置された流体の貫流しない少なくとも一つの層を備えている。

本発明によるプレート式熱交換器の熱交換部内には、流体の貫流しない層、正確に言えば流体を流すことができない層、即ち、熱交換層としては不活性な層が少なくとも一層だけ配置されている。流体が貫流する通路間の適切な位置に係る不活性層を配置した構成では、熱交換部内の温度勾配が低減され、従って熱交換器内の熱応力も低減される。結果として漏洩のリスクを増加させることなく、流体流同士の間に大きな温度差を持たせることが可能である。

本発明によれば、熱交換部に生じる熱応力に関して改良されたプレート式熱交換器を極めて簡単な構造手段により達成可能である。流体の貫流しない不活性層は、プレート式熱交換器の基本的な構造を変更せずに構成できるので、他の構成要素を特別に改造する必要もない。

ここで、「プレート式熱交換器」とは、特別には少なくとも２つの流体流の間の間接熱交換を行うろう付けアルミニウム製プレート式熱交換器を指す。

また「熱交換部」や「熱交換ブロック」とは、加熱通路と冷却通路を備えるように前もって作製しておくこともできるプレート式熱交換器の部分を意味する。「加熱通路」及び「冷却通路」とは、個々の熱交換器の構成に適合した通常運転時の機能に関する用語である。即ち、通常運転において加熱通路を貫流する流体は熱を吸収し、冷却通路を貫流する流体は熱を放出する。本発明による熱交換器は、当然のことながら凝縮器及び蒸発器も包含する。蒸発器の場合、「加熱通路」は蒸発通路の形態をとり、これに対して凝縮器の場合は「冷却通路」が液化通路の形態をとる。

本発明の一実施形態では、それぞれ流体が貫流する複数の通路からなる二つの通路群の間に流体の貫流しない少なくとも一つの不活性層が介装配置されている。流体が貫流する複数の通路からなる二つの通路群のそれぞれは、少なくとも一つの第１通路及び少なくとも一つの第２通路を含んでいる。更に、それぞれ流体が貫流する複数の通路からなる各通路群は、例えば熱交換部内の各通路の個別パッケージ、或いはモジュールの形態で相互に接合された個別の熱交換部により形成されていてもよく、これらパッケージ又はモジュールの間に前記不活性層を介装することができる。

流体の貫流しない不活性層は、例えば空気抜きチューブで外気と通じた空隙を形成するキャビティの形態としてもよい。或いはこれに加えて、流体の貫流しない不活性層を前記空隙の全体又は一部に熱伝導率の低い材料を満たした熱伝達緩衝層の形態としてもよい。特に空隙を形成した場合には不活性層内に補強部材を配置することができ、この補強部材としては、好適な実施形態において流体が貫流する層内にも配置される熱交換型材と同じ型材を用いることが可能である。

本発明の更なる発展形態では、流体の貫流しない少なくとも一つの不活性層の厚さ寸法（流体の流れ方向と交差する方向の層の厚さ寸法）は、同じ方向に関して最大でも前記流体が貫流する通路の一つの流路高さ寸法に等しい。この場合の一実施形態では、流体の貫流しない少なくとも一つの不活性層の厚さ寸法は流体が貫流する通路の一つの流路高さ寸法と等しい。流体が貫流する通路と流体の貫流しない不活性層との間のその他の寸法比及び配置数の比は、プレート式熱交換器が通常作動中の流体流の温度や熱交換部の強度に応じて本技術分野の当業者により適宜選択可能である。

流体が貫流する通路の流路高さ寸法は、例えば第１通路の流路高さ寸法、第２通路の流路高さ寸法、これら二つの通路の平均流路高さ寸法、或いはこれら二つの通路の流路高さ寸法のうちの大きい方または小さい方として特定される。

本発明の好適な実施形態では、熱交換部はそれぞれ流体が貫流する複数の通路からなる複数の通路群を備え、これら通路群の間に、流体の貫流しない少なくとも一つの不活性層が配置されている。

本発明の上述及び更なる特徴と利点を添付図面に例示する実施形態と共に詳述すれば以下の通りである。

カバープレートや付属品を部分的に切り欠いて示す本発明によるプレート式熱交換器の概略斜視図である。 図１のプレート式熱交換器の熱交換部内の通路構成を示す概略断面図である。

図１は、本発明よるプレート式熱交換器１０、特にろう付けアルミニウム製プレート式熱交換器の斜視図である。プレート式熱交換器１０は、中央熱交換部（熱交換ブロックとしても知られている）１２を有し、中央熱交換部は、例えば、図１の上下方向の長さが約６ｍ、幅及び高さが、それぞれ約１．２ｍである。

この熱交換部１２には複数の熱交換通路（加熱通路、冷却通路）１４が設けられている。これらの熱交換通路１４は、仕切板１６と熱交換型材１８（例えば、リブ又は波形板、フィン型材など）又は分配型材２０との交互配置の層構造で形成されている。図示の実施形態によるプレート式熱交換器１０は二流路タイプの熱交換器の例であり、両流体の流れ方向に平行に、第１の流体が貫流する第１通路１４ａと、第２の流体が流れる第２通路１４ｂとを交互に収容している。

但し、本発明は二流炉タイプの熱交換器に限定されるものではない。極めて広義に言えば、本発明のプレート式熱交換器はｎ個（ｎは２以上）の異なる熱交換通路を含み、これらｎ個の異なる熱交換通路を通してｎ個の流体流が貫流し、ｎ個の流体流の間で熱交換を行うプレート式熱交換である。

仕切板１６、熱交換型材１８、及び分配型材２０は、それぞれアルミニウム製である。熱交換部１２の最外部の熱交換通路１４は、該通路１４及び仕切板１６と平行に延在するアルミニウム製カバー２２により覆われている。

熱交換部１２の両側面の角隅部において、分配型材２０には各流体をそれぞれの対応する熱交換通路１４に対して給排するための対構成の分配通路アクセス開口２４が設けられている。分配型材２０のこれらアクセス開口はそれぞれ一対ずつのヘッダ２６（分配器又はコレクターとしても知られている）によって囲まれており、図示の実施形態における各ヘッダは半円筒形状のものであって、それぞれ管状の接続部品２８を備えている。これらの接続部品２８は、流体の給排のために図示しない外部パイプに接続され、ヘッダ２６を介して外部からの流体流を熱交換通路１４へ導入し、或いは熱交換通路１４から外部へ導出するようになっている。

熱交換部１２は、従前の通りにろう付け金属を仕切板１６の面に適用し、次いで仕切板１６と各型材１８、２０の板を交互に積層することにより組み立てらる。この積層体をカバー２２で覆い、その後、カバーで覆った積層体をろう付け炉内で加熱することにより各部のろう付けを行う。この積層体の所要の位置には、管状接続部品を装着したヘッダ２６が最終的にろう付け又は溶接される。

このプレート式熱交換器１０の熱交換部１２は、熱交換通路として、図２に例示するように第１の流体が貫流する第１通路１４ａと、第２の流体が貫流する第２通路１４ｂとを備えている。これら第１通路１４ａと第２通路１４ｂは、例えば複数の第１通路と第２通路（図２に例示する実施形態では二つの第１通路１４ａと二つの第２通路１４ｂ）を一組の熱交換通路パッケージにして交互に積層配置される。二つずつの第１通路１４ａと第２通路１４ｂから成る各パッケージ同士の間には、流体の貫流しない層３０（即ち不活性層）が介在配置されている。

流体の貫流しない層３０は、例えば空隙を形成するキャビティ、或いはこの空隙の全体又は一部に熱伝導率の低い材料を満たした熱伝達緩衝層の形態である。機械的安定性を増すためには、この流体の貫流しない層３０内に補強部材又は補強用型材を配置することが好ましい。このような補強部材としては、いずれのプレート式熱交換器にも必ず熱交換通路１４を形成するために用いられている熱交換型材を利用することができ、その場合は補強部材として特別な部材を準備しなくても済むので有利である。

このような不活性層を、流体が貫流する第１通路１４ａと第２通路１４ｂの間に介装することにより、プレート熱交換器１０の通常作動では、熱交換部１２内の温度勾配を緩やかにし、熱応力を低減することができる。その結果、過大な熱応力の発生による漏洩のリスクを回避し、熱交換部１２を貫流する両流体流間に大きな温度差をもたせることが可能である。

図２に示すように、この実施形態による個々の熱交換通路パッケージは二つの第１通路１４ａと二つの第２通路１４ｂとを一つのパッケージにまとめたものである。勿論、本発明はこの実施形態に限定されることはない。原則として、流体が貫流する所望数の熱交換通路１４を一つのパッケージにまとめ、各パッケージの間に不活性層３０を介装配置することができる。また、熱交換通路１４のパッケージは、それぞれ異なる数の第１通路１４ａと第２通路１４ｂをまとめたものでもよい。

また、図２において、流体の貫流しない層３０が一層ずつ熱交換通路パッケージ間に介装配置されている。勿論、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、選択的に複数層ずつの不活性層３０を流体が貫流する熱交換通路１４のパッケージ間に介装配置することも可能である。

更にまた、図２に示す実施形態において、流体の貫流しない層３０は、流体が貫流する第１通路１４ａと第２通路１４ｂとの間に介装配置されている。但し、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、例えば二つの熱交換部１２をモジュラー状に連結した場合、これら二つの熱交換部の隣接する流体貫流通路１４同士の間に不活性層３０を介装配置することも可能である。

更にまた、図２に示す実施形態において、第１通路１４ａと第２通路１４ｂは互いにほぼ同一の断面積及び断面形状を有している。勿論、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、原則として、第１通路１４ａと第２通路１４ｂは寸法又は形状のいずれか一方又は双方が互いに熱交換通路１４で構成することも可能である。

更にまた、図２に示す実施形態において、流体の貫流しない層３０は、流体が貫流する第１及び第２の熱交換通路１４とほぼ同一の断面形状及び厚さ寸法（流体の流れ方向に交差する方向の層の厚さ寸法）を有している。勿論、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。即ち、変形実施形態における不活性層３０は、流体が貫流する熱交換通路１４とは異なる断面形状のものであってもよい。また選択的に、不活性層３０は、流体が貫流する熱交換通路１４の流路高さ寸法より大きいか或いは小さい厚さ寸法を有するものであってもよい。不活性層３０の断面形状、厚さ寸法、及び介装する層数、特に流体が貫流する熱交換通路１４に対する不活性層３０の各部寸法比率は、プレート式熱交換器の定格動作時における第１と第２の熱交換通路に貫流する流体流同士の間の温度差及び熱交換部１２に要求される機械的強度に応じて種々選択可能である。

流体が貫流する通路１４の流路高さ寸法は、例えば第１通路１４ａの流路高さ寸法、第２通路１４ｂの流路高さ寸法、これら二つの通路１４ａ、１４ｂの平均流路高さ寸法、或いはこれら二つの通路１４ａ、１４ｂの流路高さ寸法のうちの大きい方または小さい方の寸法として特定される。例えば複数の第１通路１４ａが異なる流路高さ寸法を有する場合は、その平均値が第１通路１４ａの流路高さとして特定される。勿論、プレート式熱交換器が三つ以上の熱交換通路１４を備えている場合も同様である。

流体が貫流する熱交換通路１４の流路高さ寸法及び流体の貫流しない層３０の厚さ寸法の典型的な値は例えば約２〜１５ｍｍの範囲内であり、より好ましくは約３〜１０ｍｍの範囲内である。

尚、本発明によるプレート式熱交換器１０における流体の貫流しない層３０は、従来のプレート式熱交換器において熱交換器製造過程のろう付け工程で縁部領域に生じる不活性な層状部分やヘッダの溶接用裏当てとして必要な不活性な層状部分とは明らかに別のものであることは述べるまでもない。

１０ プレート式熱交換器
１２ 熱交換部
１４ 熱交換通路（流体が貫流する通路）
１４ａ 第１通路
１４ｂ 第２通路
１６ 仕切板
１８ 熱交換型材
２０ 分配型材
２２ カバー
２６ ヘッダ
２８ 接続部品
３０ 流体の貫流しない層（不活性層）

Claims (8)

1. 第１の流体が貫流する複数の第１通路（１４ａ）と、第２の流体が貫流する複数の第２通路（１４ｂ）とを有し、第１通路と第２通路との間で熱交換を行う熱交換部（１２）を備えたプレート式熱交換器において、
   前記熱交換部（１２）が、流体が貫流する前記二つの通路（１４ａ、１４ｂ）の間に配置された流体の貫流しない少なくとも一つの層（３０）を備えていることを特徴とするプレート式熱交換器。
2. 前記流体の貫流しない少なくとも一つの層（３０）が、それぞれ流体が貫流する複数の通路（１４ａ、１４ｂ）からなる二つの通路群の間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。
3. 前記流体の貫流しない少なくとも一つの層（３０）が、閉鎖空間を形成するキャビティの形態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. 前記流体の貫流しない少なくとも一つの層（３０）が、少なくとも部分的に中実の層の形態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。
5. 前記流体の貫流しない少なくとも一つ層（３０）内に少なくとも一つの補強部材が設けられていることを特徴とする請求項３又は４に記載のプレート式熱交換器。
6. 前記流体の貫流しない少なくとも一つの層（３０）の厚さ寸法が、最大でも前記流体が貫流する通路（１４ａ、１４ｂ）の一つの流路高さ寸法に等しいことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のプレート式熱交換器。
7. 前記流体の貫流しない少なくとも一つの層（３０）の厚さ寸法が、最小でも前記流体が貫流する通路（１４ａ、１４ｂ）の一つの流路高さ寸法に等しいことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のプレート式熱交換器。
8. 前記熱交換部（１２）がそれぞれ流体が貫流する複数の通路（１４ａ、１４ｂ）からなる複数の通路群を備え、これらの通路群の間に流体の貫流しない少なくとも一つの層（３０）が配置されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のプレート式熱交換器。

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