JP2011506905A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

伝熱カセットで使用される伝熱プレートであって、複数の山（９）および谷（１０）を有する波形パターンを有し、それぞれ少なくとも１枚のプレートを有する２つのカセットが互いに隣接するように位置させられたときに非接触流路の一部になる伝熱面（８）を囲む密封ガスケット溝（３）を有する伝熱プレートにおいて、密封ガスケット溝（３）は、第１の平坦部（１２）と第２の湾曲部（１３）とを含むベース面を有し、湾曲部は、角度αだけ傾斜している。本発明のプレートの利点は、気密な伝熱カセットが容易にかつ費用効果的に得られることである。
【選択図】図２

Description

本発明は、非接触分散通路を有するプレート熱交換器用の伝熱プレートに関する。本発明は、非接触分散通路を有するプレート熱交換器用の２枚の伝熱プレートを含むカセットにも関する。本発明はさらに、複数の伝熱カセットを有する熱交換器に関する。本発明はさらに、２枚の伝熱プレートを有するカセットを組み立てる方法に関する。

食品製造は通常、高い粘度の製品、たとえば、炭酸飲料、ジュース、スープ、乳製品、流体濃度を有する他の製品などの濃縮物を加工したり処理したりする必要があることを特徴とする。当然のことながら、この場合の衛生上の強い要望および期待は、様々な関係当局の要件を満たせるように極めて高いものになっている。

プレート熱交換器は、いくつかの異なる目的のために産業界で使用されている。プレート熱交換器をたとえば食品業界で使用する際の１つの問題は、流体に混合された繊維や他の固形材料を含む製品があることである。たいていのプレート熱交換器では、熱交換器は、１枚おきに１８０度回転させられ、流体用の２つの異なる流路、すなわち、冷却媒体用の１つの流路と冷却すべき製品用の１つの流路を形成する一種類のプレートを有する。各プレート間に密封部材が設けられる。このような構成は費用効率が高く、多くの用途に有効であるが、各プレートがある接触点で互いに押付け合うので、飲料、および繊維や他の固形材料を含む他の製品についてはいくつかの欠点を有する。各プレートは、一方では機械的剛性を実現し、他方では液体との熱交換を改善するために山と谷を備えている。プレートは、プレートのパターンが互いに接触する部分で互いに押付け合い、それによって、プレートパッケージの機械的剛性が改善される。このことは、流体がそれぞれの異なる圧力を有するときに特に重要である。互いに押付け合うプレートの欠点は、各支持点が、液体に含まれる材料が閉じ込められ蓄積する可能性がある流れ制限部を構成することである。蓄積した材料は、流れをさらに制限し、さらに多くの材料が蓄積する。これは、小さい流量差によってある程度の材料が堆積され、さらに材料が次々に堆積されていく河川デルタの形成にある程度類似している。

プレート熱交換器において材料が詰まる問題の１つの解決策は、製品流路が接触を受けない熱交換器を使用することである。この種の熱交換器は、製品流路内の材料の蓄積を低減させる。従来の伝熱プレートを非接触プレート熱交換器に使用する際に十分な剛性を得るために、プレートは、たとえば溶接やろう付けによって互いに対をなすように取り外せないように接合される。このように、２枚のプレートは、プレート同士の間に複数の接触点を有するカセットを形成し、接触点は、接触点同士が接合されると共にプレートのリムと接合される。カセットは、２つの流体間のある程度の圧力差に対処するのに十分な剛性を有し、それによって非接触製品流路を実現する。加熱／冷却流体通路がカセットの内側にあるので、２枚のプレートを漏れ無しに接合することが重要である。特に、加熱／冷却流体は比較的高い圧力を有する場合、わずかな漏れでも問題が生じる。したがって、完全に気密な継手をカセットの周りに実現することが必須である。

非接触流路を有するプレート熱交換器の１つが特開２００１−２７２１９４号公報で公知である。この熱交換器では、長手方向の溝を有する同じ種類の２枚のプレートが取り外せないように互いに連結され、熱交換流体用の長手方向流路が形成されたカセットが形成される。このようなカセットがガスケットを使用して積み重ねられ、それによって、２つのカセット間に非接触製品流路が形成される。

非接触製品流路を有する他の熱交換器が国際公開ＷＯ２００６／０８０８７４号パンフレットで開示されている。開示された熱交換器では、流れ方向に垂直な波形のパターンまたは起伏のあるパターンを使用してプレートに剛性が与えられ、かつ２つの流体間の熱伝導が改善される。

国際公開ＷＯ２００６／０８０８７４号パンフレットで開示されている熱交換器は、いわゆる半溶接プレート熱交換器、すなわち、伝熱プレートを、対をなすように溶接またはろう付けすることによって形成された、いくつかのカセットを有する熱交換器である。溶接シームは通常、カセットの側縁部に沿ってかつポートホールの周りを延びる。ガスケットは、それぞれのカセット同士の間に配置され、通常ゴム材料で作られ、伝熱プレートの溝内に位置する。１つの流体がカセットの内側を流れ、他の流体がカセット同士の間を流れる。カセットの内側の流路は加熱／冷却流体用に使用され、カセット同士の間の流路は繊維質の流体用に使用される。半溶接プレート熱交換器は、比較的高い圧力に耐え、プレートパッケージを開放し、溶接された伝熱プレートの対同士の間の空間を浄化するのを可能にする。伝熱プレートの伝熱面の周りにおけるプレート同士の間の、１つおきの空間内のガスケットと置き換えた溶接部によって、ガスケットを交換する必要が減り、安全性が向上する。

プレートの交差および／または上述の接合技術は、不完全な結果をもたらすか、またはカセットの最大許容圧力を低下させる可能性がある。

このような解決策はいくつかの用途では有効であるが、依然としていくつかの欠点がある。したがって、改善の余地がある。

したがって、本発明の目的は、プレート熱交換器用の改良されたプレートを提供し、かつ少なくとも１枚の本発明のプレートを有する改良されたカセットを提供することである。

本発明による問題の解決策は、請求項１の特徴部分に記載されている。請求項２から６には、プレートの有利な実施態様を含む。請求項７には、熱交換器用の有利なカセットを含み、請求項８から１２には、カセットの有利な実施態様を含んでいる。請求項１３には有利な熱交換器が記載されている。請求項１４には、伝熱カセットを組み立てる有利な方法が記載されている。

伝熱カセットに使用され、複数の山および谷を有する波形パターンを有し、２つのカセットが互いに隣接するように位置させられたときに、非接触流路の一部になる伝熱面を囲む密封ガスケット溝を有するプレートとともに、本発明の目的は、密封ガスケット溝が、第１の平坦部と第２の湾曲部とを含むベース面を有し、湾曲部が、１度から２５度の間である角度αだけ傾斜していることで実現される。

熱交換器用のプレートについてのこの第１の実施態様によって、２枚のプレートを取り外せないように接合してカセットを形成するのに使用されるプレートのガスケット溝は、カセットの継手を改善するようになっている。このように、気密継手を信頼性があり、かつ費用効果的に得ることが可能である。接合プロセスにおいて公差のために生じる問題は、問題の種類に応じて軽減または解消される。

これは、非接触流路を有する熱交換器で使用されるカセットを、信頼性があり、かつ費用効果的に製造することができるという点で有利である。本発明のプレートは、密封ガスケット溝に干渉せずにカセットを構成する２枚のプレートの信頼性のある継手を得るのを可能にする。本発明によってプレートから組み立てられた２つのカセットが、ガスケット溝内の密封ガスケットを間に挟んで互いに隣接するように配置されると、密封ガスケットによって確実に密封された非接触流路が形成される。これによって、ガスケット溝の寸法が本発明の影響を受けることがほとんどないので、既存の密封ガスケットを使用することが可能になる。

本発明のプレートの有利な発展例では、第２の湾曲部の長さＩ₂は、第１の平坦部の長さＩ₁の１０％〜９０％の間である。第２の湾曲部の長さＩ₂は、第１の平坦部の長さＩ₁の１０％〜４０％の間であることがより好ましい。これの利点は、カセットを構成する２枚のプレート間の接触面が、プレート同士の間に信頼性のある継手を確保するのに十分な大きさを有することである。

本発明のプレートの有利な他の発展例では、角度αは１度〜２５度の間である。より好ましくは、角度αは１度から２０度の間であり、さらに好ましくは、角度αは３度から１０度の間である。これの利点は、余分なろう接はんだを収容することのできるキャビティが形成されることである。これによって、余分なはんだが伝熱プレートにおける公差を補償するため、信頼性のある継手が得られる。プレートが完全に平坦ではない場合、継手にはより多くのろう接はんだが必要になり、プレートが平坦である場合には、継手に必要なろう接はんだは少なくて済む。形成されたキャビティは、完全なカセット上に信頼性のある継手が得られるようにし、かつ余分なろう接はんだを収容する。

本発明のプレートの有利なさらに他の発展例では、ガスケット溝の第２の湾曲部は、プレートの中心の近くに配置される。これの利点は、プレートを組み立ててカセットを形成するのが容易になることである。

本発明の伝熱カセットでは、少なくとも１枚の、本発明の伝熱プレートが設けられる。これは、信頼性のある気密継手を費用効果的に得ることができるという点で有利である。

本発明の伝熱カセットの有利なさらなる発展例では、本発明の２枚のプレートがカセットに使用される。これの利点は、信頼性のある気密継手を費用効果的に得ることができることである。

本発明の伝熱カセットの有利なさらなる発展例では、湾曲部はくさび形キャビティを形成する。これの利点は、湾曲部と平坦部との間に滑らかな遷移部が形成されることである。

本発明の伝熱カセットの有利なさらなる発展例では、くさび形キャビティはカセットの中心の近くに配置される。これの利点は、カセットの組み立てが容易になることである。

本発明の伝熱カセットの有利なさらなる発展例では、カセットはろう付けプロセスによって組み立てられる。これの利点は、信頼性のある継手が得られることである。ろう付けによって、使用される温度が比較的低いためにプレートが受ける熱歪みが少なくなる。これによって、必要な公差を満たすカセットの量が増える。

本発明の伝熱カセットの有利なさらなる発展例では、余分なろう接はんだは、くさび形キャビティ内に配置される。これの利点は、カセットの組み立てが容易になることである。

本発明の熱交換器では、複数の本発明の伝熱カセットが設けられる。これは、カセットを接合する継手は信頼性があるといった点で、改良された熱交換器が得られるという点で有利である。

本発明の伝熱プレートを使用して伝熱カセットを組み立てる、本発明の方法には、伝熱プレートの第２の湾曲部のうちの少なくとも１つにのみろう接はんだを塗布するステップと、２枚のプレートを互いに組み立てるステップと、ろう付けプロセスにおいてカセットをろう付けするステップとが含まれる。この方法の利点は、互いに押付け合う表面にはろう接はんだが塗布されないことである。これによって、支持面上には、プレートの位置決めに干渉するろう接はんだが無くなるので、一方のプレートの、他方のプレートへの位置決めが改善される。

本発明について、添付の図面に示されている実施形態を参照して詳しく説明する。

本発明によるカセットの正面図である。 図１によるカセットの周囲の長手方向を横切る断面を詳細に示す図である。 本発明によるプレートのガスケット溝の細部を示す図である。 図２によるカセットの細部を示す図である。

以下に記載されたさらなる発展例を有する本発明の実施形態は、一例としてのみ考慮されるものであり、特許請求の範囲による保護の範囲を制限するものではない。

図１は、本発明による熱交換器で使用されるカセット１の正面図を示している。カセット１は、取り外せないように互いに接合された２枚の伝熱プレート２を有している。プレートは、入口ポートおよび出口ポート４、５、６、７を構成する少なくとも４つのポートホールと、山９および谷１０を含む伝熱面８とを有している。カセット１は、プレート同士をろう付けし、それによって、２枚のプレート２をその周囲に沿って対角のガスケット溝の所およびポート４、５、６、７のうちの少なくとも２つの周りで取り外せないように接合することによって作製される。プレートは、一方のプレートのパターンが他方のプレートのパターンを圧迫する伝熱面内でも接合されることが好ましい。プレートはたとえば、一方の入口／出口側から他方の入口／出口側に達する数本の長手方向線に沿って接合することができる。カセットは、カセットの周りを延びるガスケット溝３であって、各カセットが組み立てられて熱交換器が形成されるときに非接触通路を密封するように密封ガスケットを取り付けることのできるガスケット溝３をさらに有している。

図２は、本発明のカセットの周囲の長手方向横断面Ａ−Ａを詳細に示している。カセット１は、同じ種類の２枚の伝熱プレート２で作られている。プレート同士が接合される前に、一方のプレートが水平中心軸の周りを１８０度回転させられる。このように、パターンは、一方のプレートのパターンが他方のプレートのパターンを圧迫し、複数の中間接触点が形成されるように相互作用する。これらの接触点のうちのすべて、または少なくともいくつかが取り外せないように接合されると、ある程度の過圧および陰圧に耐える堅いカセットが得られる。ガスケット溝３は、プレート２のくぼみである。カセットが得られるように一方のプレートを回転させると、２枚のプレートのガスケット溝が互いに押付け合う。プレートがこのように組み立てられるように構成されているため、ガスケット溝は２枚のプレートの接合面を形成する。

本発明の伝熱カセットでは、プレートの接合面、すなわちガスケット溝のベース面は完全に平坦である。平坦な表面は、プレート同士が溶接または接着されるときには有利であるが、カセット同士がろう付けされるときにはいくつかの欠点を示す。プレート同士が互いに重ね合わせられる前に、一方または両方の表面にろう接はんだが塗布される。次に、この領域が加熱され、ろう接はんだが融解してプレート同士が接合される。プレートの公差および／またはろう接はんだの塗布量に応じて、いくつかの箇所で、継手内にある種の欠陥が生じることがある。プレートが完全には平坦でないか、あるいは表面に塗布されるろう接はんだが多過ぎるか少な過ぎる場合、気密性に欠ける個所が形成される可能性がある。

図３に細部が示されている本発明の伝熱プレートでは、ガスケット溝３のベース面が第１の平坦部１２と第２の湾曲部１３に分割されている。第１の平坦部は、ほぼ平坦であり、プレートの外周に近い側でガスケット溝の外側に配置されている。第２の湾曲部は、上向きにガスケット溝内へ、平坦部に対して角度αだけ傾斜している。第２の湾曲部は、プレートの中心の近くでガスケット溝の内側に配置されている。第１の平坦部は、第１の外側面１４を有し、第２の湾曲部は、第２の外側面１５を有している。第１の平坦部の長さＩ₁は、第２の湾曲部の長さＩ₂より長くてよい。有利なことに、Ｉ₂はＩ₁の１０％から９０％の間であり、より好ましくはＩ₁の１０％から４０％の間である。角度αは、好ましくは１度から２５度までの範囲、より好ましくは１度から２０度までの範囲、さらに好ましくは３度から１０度までの範囲である。

湾曲部の目的は、２枚のプレートが組み立てられてカセットが形成される前にろう接はんだを塗布することができ、かつカセットが組み立てられた後で余分なろう接はんだを配置することができるキャビティを形成することである。

本発明によるガスケット溝を含む２枚のプレートを有する本発明のカセットでは、プレートの２つの湾曲部１３は、互いに隣接するように配置される。２枚のプレートが互いに重ね合わせられ、ベース面１４同士が互いに押付け合うと、２枚のプレートの間の、カセットの継手の内側にくさび形キャビティ１１が得られる。カセットの細部は図４に示されている。

本発明のカセットを製造する際、湾曲部１３の第１の外側面１５の一方または両方にろう接はんだが塗布される。ろう接はんだを湾曲部１３の外側面１５にのみ塗布することによって、ベース面１４は、ろう接はんだに干渉せずにできるだけ適切に互いに押付け合うことができる。次に、各プレートは、互いに重ね合わせられ、プレートまたはガスケット溝に熱が加えられる。ろう接はんだは、熱によって融解し、毛管力によってくさび形キャビティから第１の外側面１４同士の間の隙間１６内に吸収される。このように、プレート同士を接合するのに必要な量のろう接はんだのみが隙間１６内に吸収される。したがって、過度の量のろう接はんだによって気密性に欠ける個所が継手に形成される恐れは無くなる。同時に、プレートの公差のために２枚のプレート間に小さい隙間がある場合、気密継手を得るのに十分なろう接はんだが隙間内に吸収される。したがって、ろう接はんだの量が少な過ぎて気密性に欠ける個所が継手に形成される恐れが無くなる。もちろん、平坦部１２の第１の外側面１４にも少量のろう接はんだを塗布することも可能である。少量のろう接はんだは、ろう接はんだを隙間により高速に吸収させることによって、ろう付けプロセスを改善することができる。この場合、平坦部に塗布するろう接はんだはほんの少量であり、好ましくはろう接はんだの２０％未満であることが重要である。

わずかに余分な量のろう接はんだを湾曲部１３の外側面１５に塗布することが好ましい。このように、気密継手を得るのに十分な量のろう接はんだが常に確保される。余分なろう接はんだ、すなわち、隙間１６に吸収されない量は、くさび形キャビティ１１に残る。くさび形キャビティ１１に残ったろう接はんだは、継手の強度に寄与する。したがって、プレートの公差が得られるように隙間１６および少なくともくさび形キャビティ１１の２分の１を充填する量のろう接はんだを塗布すると有利である。塗布すべきろう接はんだの厳密な量は、たとえばガスケット溝３の寸法、プレートの公差、くさび形キャビティの寸法、および、ろう接はんだの塗布量の公差によって決定される。カセットが組み立てられるときにくさび形キャビティの約２分の１をろう接はんだで充填すると有利である。

カセットの内側流体通路の入口開口部および出口開口部を囲むリングガスケットのガスケット溝も同様に内側湾曲部を備えている。このガスケット溝も同様に接合される。

２枚の異なる伝熱プレートがカセットで使用されるカセットの他の実施形態では、一方のプレートのみが、湾曲部を含むガスケット溝を有する。この場合、湾曲部の角度αは、同じ寸法を有するくさび形キャビティが形成されるように、湾曲部を有する２枚のプレートが使用される場合より大きくてよい。

本発明は、上述の実施形態に限定されるものとみなすべきではなく、特許請求の範囲内で追加的ないくつかの変形および修正が可能である。本発明は、気密継手が必要とされる伝熱カセット内のすべての継手に適している。

１ カセット
２ 伝熱プレート
３ ガスケット溝
４ ポート
５ ポート
６ ポート
７ ポート
８ 伝熱面
９ 山
１０ 谷
１１ くさび形キャビティ
１２ 平坦部
１３ 湾曲部
１４ 第１の外側面
１５ 第２の外側面
１６ 隙間

Claims (14)

1. 伝熱カセットで使用される伝熱プレートであって、複数の山（９）および谷（１０）を有する波形パターンを有し、２つのカセットが互いに隣接するように位置させられたときに非接触流路の一部になる伝熱面（８）を囲む密封ガスケット溝（３）を有する伝熱プレートにおいて、
   前記密封ガスケット溝（３）は、第１の平坦部（１２）と第２の湾曲部（１３）とを含むベース面を有し、前記湾曲部は、１度から２５度の間である角度αだけ傾斜していることを特徴とする、伝熱プレート。
2. 前記第２の湾曲部（１３）の長さＩ₂は、前記第１の平坦部（１２）の長さＩ₁の１０％〜９０％の間であることを特徴とする、請求項１に記載の伝熱プレート。
3. 前記第２の湾曲部（１３）の長さＩ₂は、前記第１の平坦部（１２）の長さＩ₁の１０％〜４０％の間であることを特徴とする、請求項１または２に記載の伝熱プレート。
4. 前記角度αは１度〜２０度の間であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の伝熱プレート。
5. 前記角度αは３度〜１０度の間であることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の伝熱プレート。
6. 前記ガスケット溝（３）の前記第２の湾曲部（１３）は、前記プレートの中心の近くに配置されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の伝熱プレート。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の、少なくとも１枚の前記伝熱プレートを有する、伝熱カセット。
8. 請求項１から６のいずれか１項に記載の、２枚の前記伝熱プレートが前記カセットに使用されることを特徴とする、請求項７に記載の伝熱カセット。
9. 前記湾曲部（１３）はくさび形キャビティ（１１）を形成することを特徴とする、請求項７または８に記載の伝熱カセット。
10. 前記くさび形キャビティ（１１）は前記カセットの中心の近くに配置されることを特徴とする、請求項７から９のいずれか１項に記載の伝熱カセット。
11. 前記カセットはろう付けプロセスによって組み立てられることを特徴とする、請求項７から１０のいずれか１項に記載の伝熱カセット。
12. くさび形キャビティ（１１）は余分なろう接はんだを保持するようになっていることを特徴とする、請求項１１に記載の伝熱カセット。
13. 請求項７から１２のいずれか１項に記載の、複数の伝熱カセットを有する熱交換器。
14. 請求項１から６のいずれか１項に記載の、２枚の前記伝熱プレートを使用して伝熱カセットを組み立てる方法であって、
    前記伝熱プレートの前記第２の湾曲部のうちの少なくとも１つにのみろう接はんだを塗布するステップと、
    ２枚の前記プレートを互いに組み立てるステップと、
    ろう付けプロセスにおいて前記カセットをろう付けするステップと、
    を含む、方法。

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