JP2020523546A - 分割されたマニホールド管を有するプレートおよびシェル熱交換システム - Google Patents

Abstract

熱交換システムは流体入口と流体出口を含むタンクを含み、上記タンクは、マニホールド管と、上記マニホールド管から伸びている１つ以上の熱交換プレートと、を含む熱交換器を囲む（包む）。上記マニホールド管は、流体取入口と、流体出口と、上記マニホールド管（例えば、中空であるもの）の内部で取入口領域および出口領域を定めるために、上記マニホールド管の内部を分割するマニホールドバリアとを含んでいる。上記熱交換システムは、上記マニホールド管から伸びる少なくとも１つの熱交換プレートを有しており、上記少なくとも１つの熱交換プレートは少なくとも１つのプレートバリアを有し、流体が上記マニホールド管の上記取入口領域から上記熱交換プレートを通って上記マニホールド管の上記出口領域へ流れるように、上記熱交換プレートは上記熱交換プレート内部に流体流路を定めるように構成される。【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
本出願は「Ｓｅｌｆ−Ｃｌｅａｎｉｎｇ Ｐｌａｔｅ ａｎｄ Ｓｈｅｌｌ Ｈｅａｔ Ｅｘｃｈａｎｇｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ」という標題で２０１７年６月１１日に出願された共有されている米国仮特許出願第６２／５１７，９２６号に関連し、かつ、この出願の優先権を主張しており、当該文献の開示は全体として参照することにより本明細書に組み込まれる。

本発明は、自浄式熱交換器に関する。

熱交換器は、石油、石油化学、動力、病院や商業施設のような建築物の冷却や空調等の、多くの産業分野で用いられている。熱交換システムは、１つの流体に温度を、第２の流体との熱交換によって上げ下げすることにより制御するために、冷却塔、空調機などの機器に装備され、ここで、２つの流体は熱交換器内で物理的バリアにより分離されている。流体媒体は、液体、気体のいずれでもあり得、蒸気、水、数種類の不活性気体、およびオイルを含んでいてもよい。

熱交換器の最も一般的なタイプは、プレート熱交換器、あるいはシェルおよびチューブ熱交換器として知られている。プレート熱交換器は、プレートにより互い違いの流路に向けられた２つの流体の間で熱を伝達するために、ガスケットに適合した金属プレートを用いる。シェルおよびチューブ熱交換器は内部に多くの管が通っているシェル、通常、大きな圧力容器またはタンクからなる。第１の流体が管を通過し、その間、第２の流体がシェルを通過して、管の周りを通って熱が２つの流体の間で伝達されるようになっている。

本発明は、分割されたマニホールド管を含む熱交換システムを対象とする。本発明はプレート型熱交換器とチューブおよびシェル型熱交換器の長所を提供する。

本発明は、流体入口および流体出口を含むタンクを含んだ熱交換システムを対象とし、当該タンクは、マニホールド管と、上記マニホールド管から伸びている１つ以上の熱交換プレートと、を含む熱交換器を囲む（包む）。上記マニホールド管は、流体取入口と、流体出口と、上記マニホールド管（例えば、中空であるもの）の内部で取入口領域および出口領域を定めるために、上記マニホールド管の内部を分割するマニホールドバリアとを含んでいる。上記熱交換システムは、上記マニホールド管から伸びる少なくとも１つの熱交換プレートを有しており、上記少なくとも１つの熱交換プレートは少なくとも１つのプレートバリアを有し、流体が上記マニホールド管の上記取入口領域から上記熱交換プレートを通って上記マニホールド管の上記出口領域へ流れるように、上記熱交換プレートは上記熱交換プレート内部で流体流路を定めるように構成される。

本発明は、熱交換器を含む熱交換システムを対象とする。熱交換器は、流体を受け取るための内部を有するマニホールド管であって、流体取入口、流体出口、および、上記マニホールド管を取入口領域と出口領域とに分けるための、上記内部を通って伸びているマニホールドバリアを含む、マニホールド管と；上記マニホールド管から伸び、かつ、上記マニホールド管の上記取入口領域と上記マニホールド管の上記出口領域と連通する少なくとも１つの熱交換プレートであって、上記マニホールド管の上記取入口領域から上記マニホールド管の上記出口領域まで上記熱交換プレート内部で流体流路を定めるために少なくとも１つのプレートバリアを含む、少なくとも１つの熱交換プレートと、を含む。

随意に、上記マニホールドバリアは、上記マニホールド管の内部を、上記マニホールド管の中心を通って伸びる長手軸に沿って実質的に長手軸方向に分割する。

随意に、上記少なくとも１つの熱交換プレートは、上記マニホールド管から伸びる複数の熱交換プレートを含み、上記熱交換プレートの各々は、上記マニホールド管の上記取入口領域から上記マニホールド管の上記出口領域まで上記熱交換プレートの内部で流体流路を定める、少なくとも１つのプレートバリアを含んでいる。

随意に、上記マニホールド管は、上記複数のプレートの各々のプレートに複数の対になった入口と出口を有するように構成される。随意に、上記熱交換システムは、さらに、上記熱交換プレートの近隣に配置された浄化要素を含む。

随意に、上記マニホールド管は、上記マニホールド管の長手軸の周りを回転するように構成される。

随意に、上記熱交換システムは、さらに、少なくとも１つの流体入口と少なくとも１つの流体出口とを含むタンクを含み、上記タンクは上記熱交換器の少なくとも一部を包んでいる。

随意に、上記タンクは、それを通る第１の流体の流れを促進するように構成され、上記熱交換器は、それを通る第２の流体の流れを促進するように構成される。

随意に、上記マニホールド管は、冷却塔の内部に取り付けられる。

本発明はさらに熱交換器を対象にする。上記熱交換器は、流体を受け取るための内部（例えば、上記内部は中空のチャンバーまたは空洞）を含むマニホールド管であって、上記マニホールド管が、流体取入口の開口と、流体出口の開口と、上記マニホールド管を取入口領域と出口領域とに分割する、上記内部を通って伸びるマニホールドバリアとを含み、上記取入口領域は流体の流れが通る少なくとも１つの穴を含み、上記出口領域は流体の流れが通る少なくとも１つの穴を含む、マニホールド管と；上記マニホールド管から伸び、かつ、上記マニホールド管の上記取入口領域の上記少なくとも１つの穴と上記マニホールド管の上記出口領域の上記少なくとも１つの穴とに連通する、少なくとも１つの熱交換プレートであって、上記マニホールド管の上記取入口領域から上記マニホールド管の上記出口領域まで上記熱交換プレート内部で流体流路を形成するために構成された少なくとも１つのプレートバリアを含む、少なくとも１つの熱交換プレートと、を含んでいる。

随意に、上記熱交換器は、上記マニホールドバリアが、上記マニホールド管の中心を通って伸びる長手軸に沿って上記マニホールド管の内部を分割するように構成される。

随意に、上記内部は中空である。

随意に、上記マニホールド管は、上記マニホールド管の長手軸の周りを回転するように構成される。

別段の定めのない限り、本明細書で用いられる全ての工業用語および／または科学用語は、本発明に関する当業者に一般的に理解されるものと同じ意味を有する。本発明の実施形態を実施または試験する際に、本明細書に記載されたものと類似するまたは同等の方法や材料を用いてもよいが、代表的な方法および／または材料は以下に記載される。矛盾が生じた場合には、定義を含む特許明細書が支配するであろう。さらに、上記材料、上記方法、および実施例は例証的なものにすぎず、必ずしも限定的であることを意図していない。

本発明のいくつかの実施形態が、一例として、添付の図面と関連して本明細書に記載されている。図面を詳細に具体的に参照すると、開示された詳細は例にすぎず、本発明の実施形態を例証的に議論するためのものであることが強調される。この点については、図面に関する記載は、当業者にどのように本発明の実施形態が実施されるかを明らかにする。

ここで、図面に着目する。図中、同様な参照数字または文字は、対応しているまたは同様の構成要素を示す。図面は以下の通りである。
本発明にかかる熱交換器の断面図である。 図１の熱交換器のマニホールド管の断面図である。 図２Ａの熱交換プレートに代わるプレートの断面図である。 図１の熱交換器のマニホールド管および熱交換プレートの等角的な上方断面図である。 図１のマニホールド管の一部を切り取ったときの上からみた等角図である。 冷却塔の内部に設置された熱交換システムの断面図である。

図１は、第１の流体、例えば液体および／または気体で満たされたタンク／シェル１０で形成された熱交換システム２を説明する。タンク／シェル１０は流体入口１２と流体出口１４とを含む。

熱交換器１６は、第２の流体、例えば液体および／または気体を受け取って出力するためのマニホールド管２０を、熱交換プレート２２と共に、タンク／シェル１０の内部に含む。熱交換器１６は、タンク／シェル１０の内部に取り付けられている。上記の第１と第２の流体は、同じまたは異なる流体であってよい。

マニホールド管２０は、流体が流れる際に通過する内部、内部チャンバー、または空洞２１を含み、これは、例えば、中空のチャンバーまたは空洞である。熱交換プレート２２はタンク／シェル１０の内部でマニホールド管２０から伸びる。マニホールド管２０は、流体取入口（進入開口または流入開口）２６および流体出口（出口開口または流出開口）２８を含む。マニホールドバリア２４は、マニホールド管２０の内部２１を、流体取入口領域２０ａおよび流体出口領域２０ｂに分割する。マニホールドバリア２４の位置決めにより、流体が取入口２６から流体出口２８を通る際に、流体が熱交換プレート２２の中に流れ、そうすることで、流体取入口領域２０ａからの流体がプレート２２の中に流れ、その後、流体出口領域２０ｂに流れ込み、そこから流体がマニホールド管２０から出ていく。

マニホールドバリア２４は、マニホールド管２０の長さ方向に沿って（例えば、マニホールド管２０そのものと同じようにマニホールド管２０の内部２１の中心を通って伸びている長手軸ＬＡに沿って）実質的に長手軸方向にマニホールド管２０の内部２１（例えば、中空の内部）を分割する。その分割は、取入口領域２０ａと出口領域２０ｂが互いに分離するようなものであり、それによって流体はマニホールドバリア２４を通過しない。

図２Ａに目を向けると、熱交換プレート２２は、各々の熱交換プレート２２の内部領域へ放射状に少なくとも部分的に伸びるプレートバリア５０を含み、プレート２２を通って流体が流れる流路５０ａ、５０ｂを形成する。第１の流路５０ａは取入口領域２０ａから伸び、第２の流路５０ｂの中に供給され、それを通って流体は出口領域２０ｂの中に流れる。図２Ａでは、マニホールド管２０の内部２１の中の流体の流れの方向が矢印により示されている。

図２Ｂは、プレートバリア５０’（プレートバリア５０’全体を示すその一部分）が波形を含む際のプレート２２’の代わりとなる流路配置を示す。これらの波形は、熱移動のための、流路５０ａ’、５０ｂ’の表面積を増加させる。

図３は、マニホールド管２０に沿って配置された多数のプレート２２を示す断面図である。マニホールド管２０は、（各々のプレート２２の）それぞれの流路５０ａ、５０ｂのための流体が流れる開口（穴）の役目を果たす、各々のプレート２２について別々の入口２２ａと出口２２ｂを含む。図４に示されるように、入口２２ａおよび出口２２ｂは、マニホールド管２０の周囲に沿って穴として伸びており、マニホールド管２０の取入口領域２０ａから出口領域２０ｂまで、プレート２２の流路５０ａ、５０ｂの間を流体が流れるのを可能としている。例えば、流体が矢印７０によって取入口領域２０ａから、矢印７１によって示されるように、入口２２ａに流れ込み、それぞれのプレート２２の流路５０ａ、５０ｂを通って、その後それぞれの出口２２ｂを通って、矢印７２によってマニホールド管２０の出口領域２０ｂに流れこみ、矢印７３によってマニホールド管２０の出口領域２０ｂを通って、マニホールド管２０から流れ出る。１つのプレートバリア５０が２２に示されているが、各々のプレート２２は多数のプレートバリアを含んでもよく、ただし、上記のプレート２２のバリア５０について示されるように、それらはそれぞれ入口２２ａと出口２２ｂを終点とする。

随意に、図１に示されるように、マニホールド管２０は、モーター３０により長手軸ＬＡの周りで回転するように、タンク／シェル１０の内部に回転可能に取り付けられる。ここで、モーター駆動軸３２（長手軸ＬＡに沿って伸びる）は、静止した管を通ってマニホールド管２０の内部でマニホールド管２０に結合する。

浄化要素４０は、プレート２２の間でタンク１０に固定して取り付けられる。この配置は、熱交換プロセスの効率を維持するために、熱交換プレート２２の外面が清浄に保たれ、スケールを問わず、それ以外の増強にも備えられるようにする。さらに、静止した浄化要素４０は、例えば、熱交換プレート２２の近隣にも配置される。例えば、図１に示されるモーター３０によりプレート２２が回転するとき、静止した浄化要素４０を位置決めすることで、例えば、摩擦係合により、自動的にプレート２２を浄化する。

図４は、図３の構成要素を１つの熱交換プレート２２と共に別の角度から例証しているが、いくつかの熱交換プレート２２の入口２２ａおよび出口２２ｂを示している。プレート２２の各々について入口２２ａは出口２２ｂと対になっている。

図５は本発明の熱交換システム１０２の他の実施形態を例証する。このシステム１０２は、図１−４の熱交換システム２について上に示され、かつ記載されたものと類似する構成要素を含み、類似する構成要素は“１００”増加した番号になっている。熱交換システム１０２は、システムのタンク／シェル１１０としての役割を果たす冷却塔に設置されて示されている。

この構成で、冷却液体１８０はポンプ１８１により、リザーバー１８２から（矢印１８３の方向に）スプレーノズル１８４に送り込まれる。流体が冷却されたまま流体取入口１２６から（矢印１９０の方向に）マニホールド管１２０と熱交換プレート１２２を通過する際に、流体は、マニホールド管１２０と熱交換プレート１２２を通り越し、流体は流体出口１２８を通って（矢印１９１の方向に）出る。浄化要素１４０はプレート１２２の間に配置されるが、個々の冷却塔の設置の設計に適応するため、必要に応じて変更してもよい。

わかり易くするため、別々の実施例の文脈に記載されている本発明の確かな特徴は、１つの実施例に組み合わせて提供されていてもよいことが認識される。反対に、簡潔さのため、１つの実施例の文脈に記載されている本発明の様々な特徴は、別々に提供されてもよく、あるいは、任意の適切な部分的な組み合わせで提供されてもよい。

本発明は上述の通りに特別に開示および記載されてきたものに限定されないことが当業者には認識されよう。むしろ、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲で定義されており、前述の記載を読んだ当業者が思い浮かべることになる上記の様々な特徴の組み合わせと部分的な組み合わせの両方、および、その変形や修正を含んでいる。

Claims (13)

1. 熱交換器を含む熱交換システムであって、
   前記熱交換器は、
   （ａ）流体を受け取るための内部を含むマニホールド管であって、前記マニホールド管が、流体取入口、流体出口、および、前記マニホールド管を取入口領域と出口領域とに分けるための、前記内部を通って伸びているマニホールドバリアを含む、マニホールド管；
   （ｂ）前記マニホールド管から伸び、かつ、前記マニホールド管の前記取入口領域と前記マニホールド管の前記出口領域と連通する少なくとも１つの熱交換プレートであって、前記マニホールド管の前記取入口領域から前記マニホールド管の前記出口領域まで前記熱交換プレート内部で流体流路を定めるために少なくとも１つのプレートバリアを含む、少なくとも１つの熱交換プレート、を含む、
   熱交換システム。
2. 前記マニホールドバリアは、前記マニホールド管の内部を、前記マニホールド管の中心を通って伸びる長手軸に沿って実質的に長手軸方向に分割する、請求項１に記載の熱交換システム。
3. 前記少なくとも１つの熱交換プレートは、前記マニホールド管から伸びる複数の熱交換プレートを含み、前記熱交換プレートの各々は、前記マニホールド管の前記取入口領域から前記マニホールド管の前記出口領域まで前記熱交換プレートの内部で流体流路を定める、少なくとも１つのプレートバリアを含む、請求項２に記載の熱交換システム。
4. 前記マニホールド管は、前記複数のプレートの各々のプレートに複数の対になった入口と出口を有するように構成される、請求項３に記載の熱交換システム。
5. 前記熱交換プレートの近隣に配置された浄化要素をさらに含む、請求項１に記載の熱交換システム。
6. 前記マニホールド管は、前記マニホールド管の長手軸の周りを回転するように構成される、請求項１に記載の熱交換システム。
7. 少なくとも１つの流体入口と少なくとも１つの流体出口とを含むタンクをさらに含み、前記タンクは前記熱交換器の少なくとも一部を包む、請求項１に記載の熱交換システム。
8. 前記タンクは、それを通る第１の流体の流れを促すように構成され、前記熱交換器は、それを通る第２の流体の流れを促すように構成される、請求項７に記載の熱交換システム。
9. 前記マニホールド管は、冷却塔の内部に取り付けられる、請求項１に記載の熱交換システム。
10. 熱交換器であって、
    流体を受け取るための内部を含むマニホールド管であって、前記マニホールド管が、流体取入口の開口と、流体出口の開口と、前記マニホールド管を取入口領域と出口領域とに分けるための、前記内部を通って伸びるマニホールドバリアとを含み、前記取入口領域は流体の流れが通る少なくとも１つの穴を含み、前記出口領域は流体の流れが通る少なくとも１つの穴を含む、マニホールド管と；
    前記マニホールド管から伸び、かつ、前記マニホールド管の前記取入口領域の前記少なくとも１つの穴と前記マニホールド管の前記出口領域の前記少なくとも１つの穴とに連通する、少なくとも１つの熱交換プレートであって、前記マニホールド管の前記取入口領域から前記マニホールド管の前記出口領域まで前記熱交換プレート内部で流体流路を形成するために構成された少なくとも１つのプレートバリアを含む、少なくとも１つの熱交換プレートと、を含む、
    熱交換器。
11. 前記マニホールドバリアは、前記マニホールド管の中心を通って伸びる長手軸に沿って前記マニホールド管の内部を実質的に長手軸方向に分割する、請求項１０に記載の熱交換器。
12. 前記内部は中空である、請求項１１に記載の熱交換器。
13. 前記マニホールド管は長手軸の周りを回転するように構成される、請求項１０に記載の熱交換器。

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