JP2022048554A - クランプ装置および積層型熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】簡潔な構造で積層型熱交換器の耐圧強度と伝熱性能を向上させる。【解決手段】クランプ装置２０は、積層された複数のプレート１１によって内部が複数の流路Ｆ１，Ｆ２に仕切られた積層型熱交換器１のコア部１０を、複数のプレート１１の積層方向Ｚに挟持して固定するクランプ装置２０であって、コア部１０の積層方向Ｚの両側に配置された２枚の端板２１，２２と、２枚の端板２１，２２を連結し、２枚の端板２１，２２の間隔をコア部１０の積層方向Ｚの長さよりも大きい間隔に保持する連結部材２３と、各端板２１，２２に形成された複数の貫通ねじ孔２１ａ，２２ａにそれぞれ挿入され、コア部１０を積層方向Ｚに押圧する複数のボルト２４と、を有している。【選択図】図１

Description

本発明は、クランプ装置および積層型熱交換器に関する。

従来から、小型かつ軽量で熱交換効率に優れた積層型熱交換器として、プレートフィン型熱交換器が知られている（例えば、特許文献１～４参照）。プレートフィン型熱交換器は、複数のプレートと、複数のプレートと交互に積層された複数のフィンとを有するコア部を備えている。コア部の内部は、複数のプレートによって複数の流路に仕切られ、それら複数の流路を２種類以上の流体が流れることで熱交換が行われる。プレートとフィンは、通常、ろう付けによって接合され、それにより、コア部の耐圧強度と伝熱性能の両方が確保される。

特開２０１５－１５２２２５号公報 特開２０１４－０４０９４５号公報 特開２０１２－２５５６４６号公報 特開２００６－３１３０３０号公報

プレートフィン型熱交換器において、ろう付けによるプレートとフィンの接合箇所は膨大な数に上るが、接合不良が一箇所でも存在すると、それが直ちにコア部の耐圧強度に影響を及ぼすことになる。したがって、プレートとフィンのろう付けには接合強度や品質の点で高い信頼性が要求される。しかしながら、それを実現するには、真空炉などの大規模な設備を要するとともに、専門的かつ高度な技術や知識を要するため、耐圧強度と伝熱性能を安定して確保することはかなりの困難を伴う。また、プレートとフィンの材料としては、工業的規模で安定的に、かつ合理的なコストでろう付け可能な材料を選択する必要がある。そのため、材料選択の自由度が低く、耐圧強度と伝熱性能の両立を高いレベルで実現するには限界がある。

そこで、本発明の目的は、コア部を構成する材料の自由な組み合わせを可能にし、簡潔な構造で積層型熱交換器の耐圧強度と伝熱性能を向上させることである。

上述した目的を達成するために、本発明のクランプ装置は、積層された複数のプレートによって内部が複数の流路に仕切られた積層型熱交換器のコア部を、複数のプレートの積層方向に挟持して固定するクランプ装置であって、コア部の積層方向の両側に配置された２枚の端板と、２枚の端板を連結し、２枚の端板の間隔をコア部の積層方向の長さよりも大きい間隔に保持する連結部材と、各端板に形成された複数の貫通ねじ孔にそれぞれ挿入され、コア部を積層方向に押圧する複数のボルトと、を有している。

また、本発明の積層型熱交換器は、コア部であって、コア部の内部を複数の流路に仕切るように積層された複数のプレートを有するコア部と、コア部を複数のプレートの積層方向に挟持して固定する上記クランプ装置と、を有している。

このようなクランプ装置および積層型熱交換器によれば、流体の圧力によってコア部に内圧が作用しても、ボルトによる押圧によって、コア部の膨張による破損が抑制されるとともに、プレートを含むコア部の構成要素間の接触が良好に保たれ、コア部の耐圧強度と伝熱性能が確保される。そのため、プレートを含むコア部の構成要素をろう付けや溶接などの公知の接合方法によって機械的に接合する必要がなくなる。これにより、材料選択の自由度が高まり、耐圧強度と伝熱性能の両立を高いレベルで実現する材料の組み合わせを選択することも可能になる。

以上、本発明によれば、コア部を構成する材料の自由な組み合わせが可能になり、簡潔な構造で積層型熱交換器の耐圧強度と伝熱性能を向上させることができる。

本発明の第１の実施形態に係る熱交換器の概略斜視図および概略断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る熱交換器の概略斜視図である。 本発明の第３の実施形態に係る熱交換器の概略斜視図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。本明細書では、プレートフィン型の熱交換器を例示するが、本発明のクランプ装置が適用される積層型熱交換器はこれに限定されず、後述するように、プレート型の熱交換器であってもよい。なお、ここでいう「熱交換器」とは、流体が流れる流路内に触媒が充填されることで触媒反応を行うもの、すなわち触媒反応器を含む。

（第１の実施形態）
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る熱交換器の概略斜視図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＣ－Ｃ線に沿った概略断面図である。なお、図１に示す熱交換器の配置は、便宜的なものであり、使用時における姿勢を限定するものではない。また、以下の説明における「上」や「下」などの方向を表す用語も、相対的な意味で用いられ、熱交換器の使用時における姿勢を限定するものではない。

熱交換器１は、第１の流体Ａと第２の流体Ｂとの間で熱交換を行う直方体状のコア部１０を有している。コア部１０は、長方形状の複数のプレート１１と、波板状の複数のフィン１２とを有している。複数のプレート１１は、コア部１０の内部を複数の流路Ｆ１，Ｆ２に仕切るように積層され、複数のフィン１２のそれぞれは、各流路Ｆ１，Ｆ２内に上下のプレート１１と接するように配置されている。したがって、複数のプレート１１と複数のフィン１２は交互に積層されている。以下、プレート１１の積層方向をＺ方向とし、これに直交するプレート１１の長辺方向および短辺方向をそれぞれＸ方向およびＹ方向とする。

複数の流路Ｆ１，Ｆ２は、第１の流体Ａが流れる第１の流路Ｆ１と、第１の流路Ｆ１とＺ方向に交互に配置され、第２の流体Ｂが流れる第２の流路Ｆ２とからなる。各流路Ｆ１，Ｆ２は、プレート１１と、プレート１１の周縁部にフィン１２を取り囲むように配置されたサイドバー１３とによって区画されている。サイドバー１３は、ろう付けや溶接などの公知の接合方法によって上下のプレート１１に接合され、これにより、各流路Ｆ１，Ｆ２の密閉性が確保されている。なお、後述するように、フィン１２は、必ずしも上下のプレート１１に接合されていなくてもよい。加えて、コア部１０は、コア部１０のＺ方向の最外面を構成するサイドプレート１４を有している。

また、熱交換器１は、それぞれ第１の流路Ｆ１に連通する第１の流入ヘッダ２と第１の流出ヘッダ３を有している。第１の流入ヘッダ２は、コア部１０のＸ方向の一方の端面に取り付けられ、第１の流体Ａをコア部１０に流入させる機能を有している。第１の流出ヘッダ３は、コア部１０のＸ方向の他方の端面に取り付けられ、第１の流体Ａをコア部１０から流出させる機能を有している。これにより、第１の流体Ａは、第１の流入ヘッダ２を通じて第１の流路Ｆ１に流入し、コア部１０内を一方の端面から他方の端面に（図１（ｂ）の紙面の表側から裏側に）流れた後、第１の流出ヘッダ３を通じて第１の流路Ｆ１から流出する。

また、熱交換器１は、それぞれ第２の流路Ｆ２に連通する第２の流入ヘッダ（図示せず）と第２の流出ヘッダ４を有している。第２の流入ヘッダ（図示せず）は、コア部１０のＸ方向の他方の端面に取り付けられ、第２の流体Ｂをコア部１０に流入させる機能を有している。第２の流出ヘッダ４は、コア部１０のＸ方向の一方の端面に取り付けられ、第２の流体Ｂをコア部１０から流出させる機能を有している。これにより、第２の流体Ｂは、第２の流入ヘッダを通じて第２の流路Ｆ２に流入し、コア部１０内を他方の端面から一方の端面に（図１（ｂ）の紙面の裏側から表側に）流れた後、第２の流出ヘッダ４を通じて第２の流路Ｆ２から流出する。

さらに、熱交換器１は、コア部１０をＺ方向（プレート１１の積層方向）に挟持して固定するクランプ装置２０を有している。

クランプ装置２０は、２枚の端板２１，２２と、複数のロッド２３と、複数の押圧ボルト２４とを有している。２枚の端板２１，２２は、コア部１０のＺ方向の両側に配置され、互いに平行になるように複数のロッド２３によって連結されている。また、２枚の端板２１，２２は、その間隔がコア部１０のＺ方向の長さよりも大きい間隔に保持されるように複数のロッド２３によって連結されている。各端板２１，２２には複数の貫通ねじ孔２１ａ，２２ａが形成されている。複数の押圧ボルト２４は、各端板２１，２２の複数の貫通ねじ孔２１ａ，２２ａにそれぞれ挿入され、コア部１０をＺ方向の両側から押圧している。

このようなクランプ装置２０の構成によれば、流体Ａ，Ｂの圧力によってコア部１０に内圧が作用しても、押圧ボルト２４による押圧によって、コア部１０が膨張して破損することを抑制することができる。その結果、コア部１０に十分な耐圧強度を付与することができ、その構成要素であるプレート１１とフィン１２をろう付けや溶接などの公知の接合方法によって機械的に接合する必要がなくなる。また、コア部１０の膨張が抑制されることで、プレート１１とフィン１２との良好な熱的接触も常時確保される。その結果、コア部１０の伝熱性能も良好に維持することができる。加えて、プレート１１とフィン１２との熱的接触が常時確保されることで、伝熱性能の面でも、プレート１１とフィン１２をろう付けや溶接などの公知の接合方法によって機械的に接合する必要がなくなる。そのため、プレート１１とフィン１２の材料選択の自由度が高まり、耐圧強度と伝熱性能の両立を高いレベルで実現する材料の組み合わせを選択することも可能になる。

例えば、これまでは、プレートの材料として、機械的強度の観点からステンレス鋼を用いた場合、コア部の耐圧強度を担うフィンの材料として、機械的強度が低く、工業的規模で安定的に、かつ合理的なコストでろう付けすることが難しいために、ステンレス鋼との組み合わせで銅を採用することは考えられなかった。しかしながら、本実施形態では、プレート１１の材料としてステンレス鋼を用いた場合でも、フィン１２の材料として、熱伝導性の観点から銅を用いることも可能になる。このような材料上の制約がなくなることは、本実施形態の熱交換器１を触媒反応器として使用する場合に特に有用である。なお、選択する材料によっては、耐圧強度と伝熱性能のさらなる向上のために、プレート１１とフィン１２をろう付けや溶接などの公知の接合方法によって接合してもよい。

端板２１，２２の材料は、剛性が高く、押圧ボルト２４の反力に耐え得る強度を有するものであれば、特に限定されるものではなく、その形状や寸法（厚みなど）も特に限定されるものではない。図示した構成では、端板２１，２２の形状は、コア部１０の形状に合わせて長方形状であるが、例えば、多角形などの他の幾何形状であってもよい。

ロッド２３の材料も特に限定されないが、端板２１，２２の材料と同じであることが好ましく、そのような材料として、例えば、ステンレス鋼を用いることができる。ロッド２３の断面形状は、図示した円形に限定されず、多角形などの他の幾何形状であってもよく、その寸法（直径など）も特に限定されるものではない。また、図示した構成では、ロッド２３は、コア部１０のＹ方向の両側にそれぞれ５つ設けられているが、端板２１，２２同士の連結が良好に維持できれば、ロッド２３の数はこれに限定されず、それぞれ４つ以下であっても６つ以上であってもよい。ロッド２３の位置も図示した位置に限定されず、例えば、コア部１０に対するヘッダ２～４の位置に応じて適宜変更してもよい。端板２１，２２とロッド２３の固定方法は、押圧ボルト２４の反力が端板２１，２２に作用しても端板２１，２２とロッド２３との固定が解除されない十分な強度を確保できれば、特に限定されるものではない。そのような固定方法として、例えば、溶接やねじ込みなどの公知の方法を用いることができる。

押圧ボルト２４の材料は特に限定されないが、端板２１，２２の材料と同じであることが好ましい。押圧ボルト２４の配置および寸法は、所望の押圧力をコア部１０に付与できる配置および寸法であれば、特に限定されるものではない。図示した構成では、押圧ボルト２４は、各端板２１，２２に矩形格子状に配置されているが、押圧ボルト２４の配置はこれに限定されず、正方格子や三角格子などの他の格子状の配置であってもよく、他の周期的な配置であってもよい。あるいは、押圧ボルト２４は、非周期的に配置されていてもよい。

押圧ボルト２４の締め方やその順番も、所望の押圧力をコア部１０に付与できれば、特定の締め方や順番に限定されるものではない。例えば、コア部１０のＺ方向の両側のそれぞれにおいて、格子状の複数の押圧ボルト２４のうち四隅のボルトを先に締め込んでクランプ装置２０に対するコア部１０の位置決めを行った後、それぞれの押圧ボルト２４を適切なトルクで締め込み、コア部１０に対して所望の押圧力を付与してもよい。なお、押圧ボルト２４によりコア部１０をＺ方向の両側から押圧する構成は、コア部１０およびクランプ装置２０の加工誤差や組立誤差、押圧時の荷重による変形に対し、押圧ボルト２４の締め込み量を調整することで対応することができる点でも有利である。

複数のボルト２４は、それぞれ異なるトルクで締め込まれてもよく、すなわち、それぞれ異なる押圧力でコア部１０を押圧してもよい。例えば、コア部１０の内圧が上昇した場合、流体Ａ，Ｂの漏れは、プレート１１の周縁部におけるサイドバー１３との接合部分で発生しやすい。そのため、プレート１１とサイドバー１３との接合部分に対応するコア部１０の周縁領域では、その内側の領域よりも大きい押圧力でコア部１０が押圧されることが好ましい。なお、このように、コア部１０がそれぞれ異なる押圧力で複数のボルト２４に押圧される場合、コア部１０に対する押圧力の分布を任意かつ正確に制御しやすくなる点で、複数のボルト２４は、図示したように格子状に配置されていることが好ましい。

また、コア部１０の構成は、図示した構成に限定されるものではない。例えば、図１（ｂ）には、それぞれ３つの流路Ｆ１，Ｆ２が示されているが、流路Ｆ１，Ｆ２の数はこれに限定されず、それぞれ４つ以上であってもよい。また、図示した構成では、第１の流体Ａと第２の流体Ｂは、同一方向（Ｘ方向）で逆向きに流れるようになっているが、同一方向（Ｘ方向）で同じ向きに流れるようになっていてもよい。あるいは、第１の流体Ａと第２の流体Ｂは、互いに直交する方向に流れるようになっていてもよい。すなわち、２つの流体Ａ，Ｂのうち一方がＸ方向に流れ、他方がＹ方向に流れるようになっていてもよく、それに応じて、２組のヘッダ２～４のうち一方がコア部１０のＸ方向の端面に取り付けられ、他方がコア部１０のＹ方向の端面に取り付けられていてもよい。また、コア部１０は、３種類以上の流体の熱交換を行うようになっていてもよく、それに応じて、流入ヘッダと流出ヘッダの組も３組以上設けられていてもよい。

フィン１２の形状も図示した形状に限定されず、押圧ボルト２４の押圧力に耐え得る十分な強度を確保できる範囲で適宜変更可能である。ただし、フィン１２の形状に十分な強度を付与する代わりに、複数のプレート１１の間のＺ方向から見て押圧ボルト２４と重なる位置に複数のスペーサ（図示せず）が設けられていてもよい。これにより、押圧ボルト２４の押圧力を複数のスペーサで受け止めることが可能になる。なお、フィン１２の形状は、それが配置される流路Ｆ１，Ｆ２ごとに異なっていてもよい。

また、図示していないが、本実施形態の熱交換器１は、別の圧力容器の内部に格納されて使用されてもよい。

上述した実施形態では、コア部１０の構造としてプレートフィン型のものを例示したが、本実施形態のクランプ装置２０が適用されるコア部の構造はこれに限定されず、複数の伝熱プレートが積層されて構成されたプレート型のものであってもよい。プレート型の熱交換器は、伝熱プレートの密封方法の違いによっていくつかの種類に分類される。すなわち、プレス加工などにより波形に成形された伝熱プレートがガスケットを介して積層されたガスケット式、同じく波形に成形された伝熱プレートの周縁部が溶接により接合された溶接式、エッチングなどにより加工された流路を有する伝熱プレートが拡散接合により接合された拡散接合式などの種類に分類される。このようなプレート型熱交換器のいずれの種類においても、本実施形態のクランプ装置２０を適用することで、内圧によるコア部の膨張や破損を抑制し、コア部の耐圧強度と伝熱性能を確保することができる。

（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態に係る熱交換器の概略斜視図である。以下、第１の実施形態と同様の構成については、図面に同じ符号を付してその説明を省略し、第１の実施形態と異なる構成のみ説明する。

本実施形態は、２枚の端板２１，２２を連結する連結部材の構成が第１の実施形態と異なっている。すなわち、第１の実施形態では、コア部１０のＹ方向の両側にそれぞれ複数のロッド２３が設けられているのに対し、本実施形態では、それぞれ１枚の平板２５，２６が設けられている。したがって、本実施形態のクランプ装置２０は、２枚の端板２１，２２と２枚の平板２５，２６とによって角筒状に形成されている。このような構成により、クランプ装置２０全体の構造強度を高めることができ、その結果、コア部１０に対してより大きな押圧力を付与することができる。

（第３の実施形態）
図３は、本発明の第３の実施形態に係る熱交換器の概略斜視図である。以下、上述した実施形態と同様の構成については、図面に同じ符号を付してその説明を省略し、上述した実施形態と異なる構成のみ説明する。

本実施形態は、第２の実施形態の変形例であり、複数の補強リブ２７が追加して設けられている点で第２の実施形態と異なっている。複数の補強リブ２７は、２枚の端板２１，２２の互いに反対側を向いた面にそれぞれＺ方向（端板２１，２２の厚み方向）に突出するように形成されている。また、複数の補強リブ２７は、Ｙ方向（端板２１，２２の短辺方向）に沿って互いに平行に配置され、かつＸ方向（端板２１，２２の長辺方向）に等間隔に配置されている。なお、ここでいう「等間隔」とは、複数の補強リブ２７の間隔（厚み方向の中心間の距離）が厳密に等しい場合だけでなく、製造誤差の範囲内で異なる場合も含む。このような構成により、端板２１，２２の剛性を高め、クランプ装置２０全体の構造強度をさらに高めることができる。補強リブ２７の形状や寸法（厚みなど）、その数は、図示したものに限定されず、端板２１，２２の形状や要求される強度に応じて適宜変更可能である。

なお、本実施形態では、補強リブ２７が設けられていることで、各端板２１，２２の厚みを第２の実施形態より薄くしてもよい。また、本実施形態の補強リブ２７が第１の実施形態のクランプ装置２０に追加して設けられていてもよいことは言うまでもない。

１ 熱交換器
２ 第１の流入ヘッダ
３ 第１の流出ヘッダ
４ 第２の流出ヘッダ
１０ コア部
１１ プレート
１２ フィン
１３ サイドバー
１４ サイドプレート
２０ クランプ装置
２１，２２ 端板
２１ａ，２２ａ 貫通ねじ孔
２３ ロッド
２４ 押圧ボルト
２５，２６ 平板
２７ 補強リブ

Claims (13)

1. 積層された複数のプレートによって内部が複数の流路に仕切られた積層型熱交換器のコア部を、前記複数のプレートの積層方向に挟持して固定するクランプ装置であって、
   前記コア部の前記積層方向の両側に配置された２枚の端板と、
   前記２枚の端板を連結し、前記２枚の端板の間隔を前記コア部の前記積層方向の長さよりも大きい間隔に保持する連結部材と、
   前記各端板に形成された複数の貫通ねじ孔にそれぞれ挿入され、前記コア部を前記積層方向に押圧する複数のボルトと、を有するクランプ装置。
2. 前記複数のボルトが、それぞれ異なる押圧力で前記コア部を押圧する第１および第２のボルトを含む、請求項１に記載のクランプ装置。
3. 前記第１のボルトは、前記コア部の周縁領域を押圧し、前記第２のボルトは、前記コア部の前記周縁領域の内側の領域を押圧し、前記第１のボルトの押圧力は、前記第２のボルトの押圧力よりも大きい、請求項２に記載のクランプ装置。
4. 前記複数のボルトは、前記各端板に格子状に配置されている、請求項１から３のいずれか１項に記載のクランプ装置。
5. 前記２枚の端板の互いに反対側を向いた面にそれぞれ形成され、前記端板の厚み方向に突出する複数の補強リブを有する、請求項１から４のいずれか１項に記載のクランプ装置。
6. 前記各端板は、長方形状に形成され、前記複数の補強リブは、前記端板の短辺方向に沿って互いに平行に配置されている、請求項２に記載のクランプ装置。
7. 前記複数の補強リブは、前記端板の長辺方向に等間隔に配置されている、請求項６に記載のクランプ装置。
8. 前記連結部材は、前記コア部の前記積層方向と直交する方向の両側で前記コア部を連結する、請求項１から７のいずれか１項に記載のクランプ装置。
9. 前記連結部材が複数のロッドからなる、請求項８に記載のクランプ装置。
10. 前記連結部材が２枚の平板からなる、請求項８に記載のクランプ装置。
11. コア部であって、該コア部の内部を複数の流路に仕切るように積層された複数のプレートを有するコア部と、
    前記コア部を前記複数のプレートの積層方向に挟持して固定する、請求項１から１０のいずれか１項に記載のクランプ装置と、を有する積層型熱交換器。
12. 前記コア部が、前記複数のプレートと交互に積層された複数のフィンを有する、請求項１１に記載の積層型熱交換器。
13. 前記コア部が、前記複数のフィンと共に前記複数のプレートの間に配置された複数のスペーサを有し、前記複数のスペーサは、前記積層方向から見て互いに重なって位置し、前記複数のボルトは、前記積層方向から見て前記複数のスペーサと重なる位置で前記コア部を押圧する、請求項１２に記載の積層型熱交換器。

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