JP2012532307A - プレート熱交換器 - Google Patents

Abstract

本発明は、流路を有する複数のプレートを含む、プレート熱交換器に関し、第一のプレートは、第一の流体のための少なくとも１つの流路を有する前面を有し、第二のプレートは、第二の流体のための少なくとも１つの流路を有する前面を有し、プレートは貫通開口部を有し、貫通開口部を介して同じ流体のためのそれぞれの流路が互いに接続され、第一のプレートの前面の前方に置かれるフロントプレートは、第一の流体および第二の流体のためのポートを有し、エンドプレートは、並べられたプレートの端部を形成し、プレートおよびポートはプラスチックから形成され、プレートは、共に密接に接着または溶接される。
【選択図】図１

Description

本発明は、流路を有する複数のプレートを含む、プレート熱交換器に関し、第一のプレートは、第一の流体のための少なくとも１つの流路を有する前面を有し、第二のプレートは、第二の流体のための少なくとも１つの流路を有する前面を有し、プレートは貫通開口部を有し、それを介して同じ流体のための流路がそれぞれ互いに接続される。

薬学分野、バイオテクノロジーおよび食品産業においては、ガス状またはおそらく液状の媒質を加熱または冷却しなければならないことがしばしばである。そのような熱処理工程の実行には、通常は熱交換器が利用される。ここにおいて熱は、より暖かい媒質からより冷たい媒質へ移動する。媒質は互いに分離される。これに関連して、素材および製造ので、とても安価な熱交換器の需要がある。

ＤＥ１０２００６０１３５０３Ａ１には、複数の流路を有するプレートを含む、プレート熱交換器が開示されている。第一のプレートは、第一の流体のための少なくとも１つの流路を有し、第二のプレートは、第二の流体のための少なくとも１つの流路を有する。プレートは開口部を有し、それを介して同じ流体のための流路がそれぞれ互いに接続される。
この場合の欠点は、プレートが、シールを用いた比較的複雑な方法でお互いにシールされること、または、これらがセラミック素材で形成される場合、一体ブロックを形成するために、これらが複雑な工程で一体的に接合されることである。この工程にしたがって作成されたそれぞれの装置は、相応に複雑で作成に費用が掛かる。

ＥＰ００３８４５４Ａ２によって、ポリカーボネートで作られた押出による複数の個別プレートから成るプレート熱交換器が公知となっている。
この場合の欠点は、プレートがその内部に流れ分配路（ｆｌｏｗ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｏｒ）または流れガイド（ｆｌｏｗ ｇｕｉｄｅ）を有さないことである。したがって、流体の分配のためのより複雑な要素を提供しなければならない。組み立て作業においては、殺菌適用に必要な気密性を確実にするのに困難性がある。

目的
したがって、本発明の目的は、素材および製造に関して単純で費用効率の高いプレート熱交換器を提供することにある。

発明の開示
本発明の目的は、請求項１のプレアンブル部にしたがって、第一のプレートの前面の前方に置かれるフロントプレートが、第一の流体および第二の流体のためのポートを有し、エンドプレートが、並べられたプレートの端部を形成し、プレートおよびポートがプラスチックから形成され、プレートが共に密接に接着または溶接されるという事実のおかげで達成される。

本発明にしたがったプレート熱交換器は、単純な構造で、例えばプラスチックのプレートを射出成型するという単純な製法で、費用効率の高い製造が可能である。プラスチックの溶接工程において、プレートを共に接着または接続することで、シールを省くことができる。このプレート熱交換器は安価に製造できるため、使い捨ての熱交換器として使用することができる。よって、複雑な洗浄または分解すらも省くことができる。本発明にしたがったプレート熱交換器は、これらの構造により、薬学分野、バイオテクノロジーおよび食品産業への応用に適している。

本発明の好ましい態様にしたがって、プレートの前面を背にした後面は平らに構成されている。これにはプレートを任意に選択された順序で並べられるという利点がある。
本発明のさらに好ましい態様にしたがって、プレートの前面を背にした後面には、隣接する前面の流路に対応する鏡対称の流路を有する。

したがって、第一のプレートおよび第二のプレートを、特に構造的に等しくなるように構成することが可能であり、第二のプレートは、第一のプレートに対して１８０°回転するようにして取り付けられる。その結果として、第一および第二のプレートに要求される射出型は一種類だけとなり、製造が大幅に簡略化される。
本発明の好ましい態様にしたがって、プレートの流路はそれぞれ流れガイド（ｆｌｏｗ ｇｕｉｄｅ）を有する。流れガイドは、ここでは流路に配される境界（ｂａｒｒｉｅｒｓ）または仕切り（ｐａｒｔｉｔｉｏｎｓ）として構成される。第一の流体のための流路の仕切りおよび第二の流体のための流路の仕切りは、好ましくは相対的に直交するように配置される。これは、より好ましい熱交換に寄与する。

本発明のさらに好ましい態様にしたがって、プレートは収集空間を有する。収集空間は、垂直方向下部に位置する。ガスが第一の流路を介して導かれる場合、ガスは冷却によって液化し、液化物は収集空間に収集され、フロントプレートの液化物ポートを介して放出される。
本発明のさらに好ましい態様にしたがって、プレートおよびポートは、殺菌可能なプラスチックから形成される。したがって、無菌パックのプレート熱交換器を提供することができる。

プレートおよびポートが、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン（ＡＢＳ）、ポリフェニレン・エーテル（ＰＰＥ）またはポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）から製造される場合、プレート熱交換器は、ガンマ線またはベータ線の照射により殺菌することが可能である。
本発明のさらに好ましい態様にしたがって、プレート熱交換器は、好ましくは同様に殺菌可能であるバイオリアクタに接続される。

したがって、バイオリアクタから排出されるガスの排出ガス冷却のために、第一の流体の入口のためのポートは、バイオリアクタの排出ガスラインに接続され、第一の流体の出口のためのポートは細菌フィルタの入口に接続可能であり、一方で、第二の流体のためのポートは冷却回路に接続可能である。
バイオリアクタにガスが導入される際に取り込まれる液体蒸気は液化し、液化物はバイオリアクタに戻され、乾燥した排出ガスは、液化した液体によってフィルタをブロックすることなしに細菌フィルタを介して困難なく排出することが可能である。

本発明のさらに好ましい態様にしたがって、バイオリアクタに供給される媒質の予熱のために、第一の流体の入口のためのポートは、媒質を供給するための媒質供給ラインに接続され、第一の流体の出口のためのポートは、バイオリアクタの流入ポートに接続され、第二の流体のためのポートは、温度調整回路に接続される。
特に、充填されたバイオリアクタの長時間の加熱を避けることができる。
本発明のさらなる機能は、後述の詳細な説明、および、本発明の好ましい態様が例示により示される添付図から明らかになる。

図１は、プレート熱交換器を三次元で表した分解図である。 図２は、第一の流体のための流路を有する、さらに好ましい態様のプレート熱交換器のプレートの前面図である。 図３は、図２のプレートの後面図である。 図４は、第一の流体のためのポート、第二の流体のためのポートおよび液化物ポートを有する、プレート熱交換器のフロントプレートの前面図である。 図５は、図２の流路と鏡対称に構成された、第一の流体のための流路を有する、図４のフロントプレートの後面図である。 図６は、第一の流体のための流路を有するプレート熱交換器のエンドプレートの前面図である。 図７は、排出ガス冷却器として構成されるプレート熱交換器に接続されるバイオリアクタのプロセス概略図である。 図８は、バイオリアクタの充填中の予熱のために、媒質加熱装置としてバイオリアクタに接続されるプレート熱交換器のプロセス図である。

代表的実施例の説明
プレート熱交換器１は、流路４、５を有する複数の第一のプレート４０および第二のプレート５０、フロントプレート６およびエンドプレート７から実質的に成る。
第一のプレート４０は、前面２および後面４１を有する。第一のプレート４０は、垂直方向左下および左上の隅部に第一の流体のための貫通開口部８、９を有する。プレート４０の前面２には、流路４を形成し貫通開口部８、９に広がる平らな窪みが配される。流路４は、側壁から水平方向に、流れガイド１２の流れ境界１０、１１を有し、これらは水平方向で重なるため、蛇行した流路４を形成する。後面４１は、平ら、すなわち流路なしで構成される。

第一のプレート４０は、流路４の外側の垂直方向右上および右下にそれぞれ貫通開口部１３、１４を有する。
第二のプレート５０は、その前面３に平らな窪みを有し、その窪みは流路５を形成し、右手の貫通開口部１７、１８へ広がる。流路５は、流れガイド１６を形成し水平方向に伸びる流れ境界１５を有する。左手隅部において、プレート５０は、プレート４０の貫通開口部８、９に対応する貫通開口部１９、２０を流路５の外側に有する。同様に、プレート５０の貫通開口部１７、１８は、プレート４０の貫通開口部１３、１４に対応する。プレート５０は、その前面３を背にした後面５１を有し、後面は平らに構成されるため流路を有さない。

プレート熱交換器１は、第一の流体のためのポート２１、２２および第二の流体のためのポート２３、２４を有するフロントプレート６を、その前面に有する。ポート２１は、ここでは貫通開口部８、１９に接続され、第一の流体を供給する役割をし、第一の流体は、貫通開口部９、２０に接続されるポート２２を介して再び排出される。
フロントプレートはその後面（図１には示されず）に、流路４’を任意に有してもよい。
ポート２３は、貫通開口部１４および１８に接続され、第二の流体を供給する役割をし、一方でポート２４は、貫通開口部１３および１７に接続され、第二の流体を放出するために利用される。

プレート熱交換器１は、フロントプレート６を背にした端部において、エンドプレート７により閉じられている。エンドプレート７は、この態様においては流路４を有してもよく、また、この態様においては貫通開口部を有しない。
エンドプレート７の一つの態様（示されない）において、それはフロントプレート６に構造的に等しく、プレート熱交換器１内でフロントプレート６に鏡対称になるように配される。
図１に示されるように、エンドプレートの前面には流路４を有してもよいが、流路４なしで平らに構成されてもよく、プレート４０および５０の貫通開口部に対応する貫通開口部（図示せず）を追加的に有してもよい。

特に好ましい態様において、ポート２１、２２、２３および２４の寸法を変えることなく流体供給の断面積を拡大するために、フロントプレート６およびエンドプレート７のそれぞれに貫通開口部が提供される。このようにして、熱交換器１への流体および熱交換器１からの流体の流入および流出に関わる圧力損失は、特に有利に最小限に抑えられる。
上述のように、プレート４０および５０は、その後面においてそれぞれ平らに構成されるが、一方でフロントプレート６の後面および／またはエンドプレート７の前面を平らに構成する、または、その代わりに流路４、４’を有してもよい。プレート４０、５０、６および７のそれぞれは、隣接する位置にあるプレートに接着される。

図２の態様では、例えば冷却媒体である第一の流体のための流路４’をその前面２’に有する、プレート４０’または５０’が示される。
垂直方向において、第一のプレート４０’または５０’は、その隅部の左下および左上に、第一の流体のための貫通開口部８’、９’を有する。プレート４０’の前面２’には、貫通開口部８’、９’に接続される流路４’が配される。前面２’の流路４’の外側には、垂直方向右上および右下それぞれに貫通開口部１３’、１４’を有する。

第一のプレート４０’の後面４１’（図３参照）には、第二の流体のための流路５’を有する。
プレート４０’およびプレート５０’は、構造的に正確に等しい。図１に示されるプレートの順序と同様に、プレート４０’および５０’は、プレート熱交換器を形成するために組み立てることが可能で、プレート５０’は、構造的に等しいプレート４０’に対して１８０°回転するように取り付けられる。プレート４０および５０の後面がそれぞれ平らである、図１にしたがった態様とは異なり、この組み立て方は、組み立てられたプレート４０’および５０’の前面および後面のそれぞれが流路４’および５’を有する、プレート熱交換器１を作り出す。

流路５’の垂直方向下側の領域には、フロントプレート６’に配される液化物ポート２６（図４参照）を介して排出される液化物を受け入れる役目を果たす、収集空間２５を有する。プレート５０’の第二の流体のための貫通開口部１３’および１４’は、細長く構成され、プレート４０’の貫通開口部１３’、１４’（図２参照）に対応する。
プレート５０’の後面５１’（図３参照）には、さらに構造的に等しいプレート４０’の流路４’またはエンドプレート７’の流路４’に対応する、第一の流体のための流路を有する。
図１〜６に示された態様にしたがったプレート熱交換器１、１’は、ポリカーボネート（ＰＣ）から形成される。これらはガンマ線照射が容易に可能であり、１１０℃まで、一時的には１２５℃までの範囲の温度においての任意の殺菌に適している。プレート熱交換器１、１’はまた、過熱蒸気により殺菌される。

図７に示される態様にしたがって、プレート熱交換器１’は、バイオリアクタ２７’に接続され、排出ガス冷却器として利用される。排出ガスは、プレート熱交換器１’のポート２３’に接続される排出ガスライン２９を介して、バイオリアクタ２７’の上部空間２８からプレート熱交換器１’の上部へ導かれる。プレート熱交換器１’において、ガス流は、流路５’を利用して、個々のプレート５０’の前面３’上で分けられる。プレート５０’の前面３’上において、ガス流は、プレートの壁を下方に流れるにつれ冷却され、ポート２４’を介して排出され、さらに細菌フィルタ３０を介して周囲に送られる。プレート熱交換器１’における排出ガス冷却の結果として、排出ガスの湿度が低下し、すると、バイオリアクタに収容されている液体媒質は液化され、液化物ポート２６を介して放出され、ホースポンプを介してバイオリアクタ２７’に戻される。

その逆の流れにおいて、冷却媒質は、ポート２１’を介して、予備冷却器３３の下からプレート熱交換器１’に導かれる。冷却媒質は、貫通開口部８’から個々の流路４’に導かれ、プレート４０’および５０’からの熱を吸収する。冷却媒質はここで加熱される。冷却媒質は、貫通開口部９’において収集され、ポート２２’を介して運ばれ予備冷却器３３に戻される。冷却媒質は還流される。
図８に示される態様にしたがって、プレート熱交換器１は、供給ライン３１を介してバイオリアクタ２７に接続される。ここでは、プレート熱交換器１は、バイオリアクタ２７に供給される媒質を予熱するために利用される。

加熱される媒質は、供給容器（図示せず）からプレート熱交換器１へ、ポート２３’を介して上から導かれる。プレート熱交換器１において、物質流は、流れ分配路を利用して、貫通開口部１４および１８から個々のチャネル５へ分配される。流れガイド１２において、媒質流はプレートの壁を下方に流れるにつれ加熱される。媒質流は合わされ、出口またはポート２４に導かれる。ポート２４からは、予熱された媒質がバイオリアクタ２７に運ばれる。
その逆の流れにおいて、加熱媒質は、ポート２１を介して、サーモスタット３２の下からプレート熱交換器１へ導かれる。貫通開口部８および９からの流れ分配路において、加熱媒質は個々のチャネル４に導かれ、プレート４０および５０に熱を送る。加熱媒質は、出口またはポート２２から、サーモスタット３２へ戻される。加熱媒質は還流される。

Claims (20)

1. 流路（４，４’，５，５’）を有する複数のプレート（４０，４０’，５０，５０’）を含むプレート熱交換器（１，１’）であって、第一のプレート（４０，４０’）は、第一の流体のための少なくとも１つの流路（４，４’）を有する前面（２，２’）を有し、第二のプレート（５０，５０’）は、第二の流体のための少なくとも１つの流路（５，５’）を有する前面（３，３’）を有し、プレート（４０，４０’，５０，５０’）は貫通開口部（８，８’，９，９’，１３，１３’，１４，１４’，１９，２０）を有し、同じ流体のための流路（４，４’，５，５’）が貫通開口部を介してそれぞれ互いに接続され、
   第一のプレート（４０，４０’）の前面（２，２’）の前方に置かれるフロントプレート（６，６’）は、第一の流体および第二の流体のためのポート（２１，２１’，２２，２２’，２３，２３’，２４，２４’）を有し、
   エンドプレート（７，７’）は、並べられたプレート（４０，４０’，５０，５０’，６，６’）の端部を形成し、
   プレート（４０，４０’，５０，５０’，６，６’，７，７’）およびポート（２１，２１’，２２，２２’，２３，２３’，２４，２４’）はプラスチックから形成され、
   プレート（４０，４０’，５０，５０’，６，６’，７，７’）は、共に密接に接着または溶接される。
2. エンドプレート（７，７’）が、プレート（４０，４０’，５０，５０’）の貫通開口部（８，８’，９，９’，１３，１３’，１４，１４’，１９，２０）に対応する貫通開口部を有することを特徴とする、請求項１に記載のプレート熱交換器。
3. フロントプレートの後面（６，６’）に、流路（４，４’）を有することを特徴とする、請求項１または２のいずれかに記載のプレート熱交換器。
4. エンドプレート（７，７’）の前面に、流路（４，４’）を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のプレート熱交換器。
5. フロントプレート（６，６’）の後面（６１，６１’）が平らであることを特徴とする、請求項１、２または４のいずれか一項に記載のプレート熱交換器。
6. エンドプレート（７，７’）の前面が平らであることを特徴とする、請求項１〜３または５のいずれか一項に記載のプレート熱交換器。
7. プレート（４０，５０）の前面（２，３）を背にした後面（４１，５１）が平らに構成されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載のプレート熱交換器。
8. プレート（４０’，５０’，６’，７’）の前面（２’，３’）を背にした後面（４１’，５１’，６１’）に、隣接する前面（２’，３’）の流路（４’，５’）に対応する鏡対称の流路（４’，５’）を有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載のプレート熱交換器。
9. 第一のプレート（４０’）および第二のプレート（５０’）が構造的に同一に構成され、第二のプレート（５０’）が、第一のプレート（４０’）に対して１８０°回転して対応するように取り付けられることを特徴とする、請求項８に記載のプレート熱交換器。
10. 流路（４，４’，５，５’）に、流れガイド（１２，１６）を有することを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載のプレート熱交換器。
11. プレート（５０’）の前面（３’）に、収集空間（２５）を有することを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のプレート熱交換器。
12. フロントプレート（６’）に、収集空間（２５）の出口を形成する液化物ポート（２６）を有することを特徴とする、請求項１１に記載のプレート熱交換器。
13. プレート（４０，４０’，５０，５０’，６，６’，７，７’）およびポート（２１，２１’，２２，２２’，２３，２３’，２４，２４’，２６）が、殺菌可能なプラスチックから形成されることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のプレート熱交換器。
14. プレート（４０，４０’，５０，５０’，６，６’，７，７’）およびポート（２１，２１’，２２，２２’，２３，２３’，２４，２４’，２６）が、ＰＣ，ＰＥＴ，ＡＢＳ，ＰＰＥまたはＰＰＳから作成される、請求項１３に記載のプレート熱交換器。
15. プレート（４０，４０’，５０，５０’，６，６’，７，７’）およびポート（２１，２１’，２２，２２’，２３，２３’，２４，２４’，２６）が、ガンマ線および／またはベータ線の照射が可能および／または過熱蒸気で加熱殺菌可能であることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか一項に記載のプレート熱交換器。
16. プレート熱交換器（１，１’）が、バイオリアクタ（２７，２７’）に接続されることを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか一項に記載のプレート熱交換器。
17. バイオリアクタ（２７’）から排出されるガスの排出ガス冷却のために、第二の流体の入口のためのポート（２３’）が、バイオリアクタ（２７’）の排出ガスラインに接続され、第二の流体の出口のためのポート（２４’）が、細菌フィルタ（３０）の入口に接続され、第一の流体のためのポート（２１’，２２’）が、冷却回路に接続されることを特徴とする、請求項１６に記載のプレート熱交換器。
18. 液化物ポート（２６）が、バイオリアクタ（２７’）の流入ポートに接続されることを特徴とする、請求項１７に記載のプレート熱交換器。
19. バイオリアクタ（２７）に入れられる媒質の予熱のために、第二の流体の入口のためのポート（２３）が、媒質を供給するための媒質供給ライン（３１）に接続され、第二の流体の出口のためのポート（２４）が、バイオリアクタ（２７）の流入ポートに接続され、第一の流体のためのポート（２１，２２）が、温度調整回路に接続されることを特徴とする、請求項１６に記載のプレート熱交換器。
20. プレート熱交換器（１，１’）が使い捨て可能なものであることを特徴とする、請求項１〜１９のいずれか一項に記載のプレート熱交換器。

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