JP3863568B2 - ベローズでライニングした接続パイプを有するプレート式熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は恒久的に接合された比較的薄い伝熱板のパッケージが間に配置された２枚の比較的厚いフレームプレートを有するプレート式熱交換器に関する。伝熱板は、例えば溶接、ろう付けもしくは接着剤により接合される。伝熱板には入口および出口が設けられ、それらは少なくとも１つの熱交換流体用のプレートのパッケージを貫通するチャネルを形成する。これらのチャネルは熱交換プレート間の空間に形成された流路に通じている。少なくとも１枚のフレームプレートには貫通孔が設けられ、この孔は前記チャネルおよびフレームプレートに固定接続された接続パイプの内部に通じている。伝熱板間の流路、パッケージを貫通するチャネル、フレームプレート内の貫通孔および接続パイプの内部はプレート式熱交換器内を熱交換流体が流れるようにする流路システムを形成する。
前記したような種類のプレート式熱交換器では、伝熱板はステンレス鋼で作られる場合が多いが、フレームプレートと接続パイプはコスト上の理由からステンレスではない鋼で作られる。孔のあるフレームプレートおよびそれに接続された接続パイプを熱交換流体との接触に対して保護するために、好ましくは伝熱板と同じ材料で出来た、ライニングがフレームプレートの貫通孔および接続パイプ内に配置されることが多い。ライニングはフレームプレートの入口および出口周りでフレームプレートに最も近い外側の伝熱板に恒久的に接続されている。
プレート式熱交換器内の前記したライニング構造により強度上の問題が生じる。伝熱板およびライニングは薄く熱交換流体と直接接触するようにしてあるので、プレート式熱交換器のこれらの部分は迅速に熱交換流体の温度になって、長さが迅速に変化する。一方、フレームプレートは伝熱板およびライニングよりも著しく厚く、熱交換流体と直接接触することはない。したがって、フレームプレートはその一面が前記プレートパッケージ内の外側の伝熱板と接触し、他面は周囲の空気と接触する。そのため、フレームプレートは伝熱板よりも長さの変化が小さく、そして、変化が緩やかである。
このように、伝熱板とフレームプレートの長さの変化が異なるため、ライニングと、ライニングと外側の伝熱板との接続部と、出入口周りの外側の伝熱板には大きな力が加わり材料が破壊して熱交換器の漏洩の原因となる。通常フレームプレートは鋼から作られるので、鋼に較べて線膨張係数が特に大きいオーステナイトステンレス鋼で伝熱板とライニングが作られる場合には、この力は極端に大きくなる。
この種のプレート式熱交換器内のライニングに関する材料の破壊問題に対する１つの解決策がＷＯ９５／３１６８７Ａ１に記載されている。この公知のプレート式熱交換器は接続パイプ１０を有し、その内側にはライニング１１が設けられている。フレームプレート６の最も近くに配置されている伝熱板３に対して恒久的接続部を有するライニング１１は、ライニング１１と接続パイプとの間に間隙をおいて接続パイプ１０内に配置されている。好ましくは、接続パイプ１０およびライニング１１は接続パイプの直径の少なくとも２倍の長さを有している。ライニングの長さと前記間隙とにより、ライニングは各々、接続パイプ内を半径方向に移動することができる。したがって、ライニング接続部および外側の伝熱板、およびライニングに作用する力が低減される。
プレート式熱交換器の一般的な利点は構造がコンパクトであることである。しかしながら、前記ＷＯ９５／３１６８７Ａ１に記載されたプレート式熱交換器はこの点に関して欠点がある。したがって、ＷＯ９５／３１６８７に従うと、前記接続パイプの長さは比較的長くして、例えば接続パイプの直径の２倍にして、ライニングが半径方向に所望の範囲だけ移動できるようにしなければならない。実際は、さらに長い接続パイプが使用されており、例えば１７５０ｘ７５０ｍｍの伝熱板および直径２００ｍｍの出入口を有するプレート式熱交換器は接続パイプの長さは８００ｍｍにもなることがある。このように長い接続パイプでは、通常望まれるコンパクトなプレート式熱交換器とはならなくなる。さらに、材料の破損は、このように設計されたプレート式熱交換器内では大概の場合、外側の伝熱板のポート周りに生じることが判っている。
本発明の目的はＷＯ９５／３１６８７Ａ１に記載されているプレート式熱交換器よりもコンパクトな、接続パイプ内にライニングを有するプレート式熱交換器を提供することである。本発明の基本は最初に記載した種類のプレート式熱交換器であって、各ライニングが外側伝熱板との恒久の接続を有し、そして、ライニングが接続パイプ内およびフレームプレートの貫通孔内で半径方向に移動できるように空間が配置されているものである。本発明は、フレームプレートと外側の伝熱板間の、接続パイプを横断する方向の相対変位時に、ライニングの湾曲を容易にするように少なくとも１個のベローズが各ライニングに設けられていることを特徴としている。したがって、ライニングと、接続部と、接続部に最も近い外側の伝熱板に作用する応力が低減される。
本発明により、各接続パイプは非常に短く作ることができ、前記ベローズがライニングが容認できない程の大きい力を加えられることなく所望の半径方向移動を行うのに十分な長さでなければならないという条件を考慮するだけでよい。したがって、本発明に従ったプレート式熱交換器は前記したＷＯ９５／３１６８７Ａ１に従ったプレート式熱交換器よりも一層コンパクトとなる。したがって、前記したようなプレート式熱交換器に従来よりもおよそ５０ｃｍ短い接続パイプを設けることができる。
前記ＷＯ−ドキュメントに従ったプレート式熱交換器においては、少なくとも１つの熱交換流体の流れが断続するような条件にプレート式熱交換器が使用される場合に、材料の破壊が生じることが多い。このような流れは温度変化を生じて、ライニング、その接続部および外側の伝熱板のポート周りの部分上の負荷が変動する。そのため、疲労と疲労破壊が生ずる。本発明に従った、ライニングにベローズが設けられているプレート式熱交換器は、ライニングにベローズが設けられていないプレート式熱交換器に較べて１０倍の温度変化に曝すことができる。それにより、疲労破壊が生じるまでの温度変化の回数に対して余裕が与えられ、その余裕は非常に大きいため本発明に従ったプレート式熱交換器における材料破壊は完全に回避できる。
本発明に従ったベローズを設けたライニングを有するプレート式熱交換器を、頻繁な温度変化を受けない条件に使用したとき、プレート式熱交換器を使用することができる期間はベローズを設けないライニングを有するプレート式熱交換器よりも大きくすることができる。
本発明の好ましい１実施例においては、ライニングはその各端部に１個づつの２個のベローズを有し、これらベローズ間にはベローズのないライニングが１個配置されている。この実施例に従ったライニングを設けたプレート式熱交換器は、ライニングが２個のベローズを有するにもかかわらず、ベローズの無いライニングを有するプレート式熱交換器よりも一層コンパクトにすることができる。２個のベローズを配置することにより、ベローズは各々１個だけのベローズよりも小さな曲げしか受けず、したがって、疲労破壊の危険性が少なくなる。
添付図を参照して、以下に本発明の詳細な説明を行う。図１および図２は本発明の２つの実施例を示す。
図１は本発明の第１の実施例に従った恒久的に接合されたプレート熱交換器１の部分断面を示す。多数の矩形の伝熱板２が、例えば溶接により、互いに恒久的に接合されてプレートパッケージ３を形成する。各伝熱板２には、その各コーナーに１個づつの、４個のポート４が設けられている。伝熱板２のポート４は、プレートパッケージ３内を流れる２つの熱交換流体用の４つのチャネルを形成する。図１には、それぞれ、一方の熱交換流体用の入口と他方の熱交換流体用の出口をそれぞれ形成する２つのチャネル５ａ，５ｂしか図示されていない。プレートパッケージ３は２枚のフレームプレート間に搭載されており、図１には１枚のフレームプレート６しか図示されていない。２枚のフレームプレートは複数のボルト７により保持されている。
フレームプレート６には、各チャネル５ａ，５ｂと心をに合わされた貫通孔８が設けられている。貫通孔８において、接続パイプ９がフレームプレート６に強固に接続されている。接続パイプ９により、プレート式熱交換器１は管路に接続することができ、この接続パイプを通って２つの熱交換流体はプレート式熱交換器１に対して、それぞれ、流出入する。接続パイプ９の内側にはライニング１０が設けられており、各ライニング１０にはベローズ１１が設けられている。各接続パイプ９とそのライニング１０との間には間隙１２が設けられている。各ライニング１０は、その一端を、接続部１３を介して、ポート４周りの外側の伝熱板１４へ恒久的に接続されている。接続部１３の中間リング１５により、ライニング１０と伝熱板１４の接合を容易にすることができる。ライニング１０の他端は、接続パイプ９のフランジ１６と前記した管路上のフランジ（図示せず）との間に締付けられるように形成されている。第１図には４本の、接続パイプとライニングの中の２本しか図示されていない。
伝熱板２間には、２つの熱交換流体用の流路１７が形成されている。１つおきのこのような流路が一方の流体用の入口チャネル５ａに連通されるが、他方の流体用の出口チャネル５ｂとの連通は閉ざされている。これらの流路は入口チャネル５ａと同様な出口チャネル（図示せず）とも連通される。他の流路は入口チャネル５ａとの連通は閉ざされているが、他方の流体用の入口チャネル（図示せず）および出口チャネル５ｂと連通される。
プレート式熱交換器１が作動しているときは、プレートパッケージ３とフレームプレート６間に温度差が生じて、そのため、プレートパッケージ３とフレームプレート６に異なる長さ変化を生じることがある。例えば、外側の伝熱板１４はフレームプレート６よりも大きく膨張し、ライニング１０の接続部１３は接続パイプ９に対して変位されるが、間隙１２があるので、接続部１３およびライニング１０は、接続パイプ９の一端部の内側で半径方向に変位される。接続パイプ９の他端部、すなわちフランジ１６の内では、ライニング１０は接続パイプ９に対して実質的に動かされない。ライニング１０の一端が半径方向に変位すると、ライニング１０は曲げられ、そのある部分は延ばされ他部分は縮められる。ベローズ１１はこれらの伸縮を吸収して、ライニング１０、接続部１３およびそれに最も近い外側の伝熱板１４に作用する応力を低減する。
本発明に従ったプレート熱交換器用ライニングの好ましい第２の実施例を図２に示す。図１および図２の同様な詳細には同じ参照番号が使用されている。
図２のプレート熱交換器１は前記したものと同じ種類ではあるが、ライニング１０の設計が違っている。図から明らかなように、各ライニング１０には各端部に１個ずつ、すなわち２個のベローズ１８，１９が設けられている。別々の各ベローズ１８，１９は、図１に従った実施例の単一ベローズ１１よりもより小さい曲げしか受けない。
各ベローズ１１および１８，１９には、それぞれ、その目的を満たすために十分な数のひだがなければならない。１個のベローズ１１しか設けられていないライニングでは、ベローズのひだは１２が適当である。２個のベローズが設けられいるライニングでは、好ましくは各々のベローズのひだ数は５である。
好ましくは、ベローズのひだは尖らずに丸められ、例えば隣接する半円形とされる。
前記した種類の、特に１個のベローズしか設けられていないベローズは、多層ベローズとして形成することが有利である。すなわちベローズはいくつかの金属薄板層から形成される。

Claims (5)

1. パッケージ（３）を通る、少なくとも１つの熱交換流体用のチャネルを形成する入口および出口（４）を備えている、伝熱板（２）のパッケージ（３）と、
   前記パッケージ（３）の外側の伝熱板（１４）が第１のフレームプレート（６）に隣接して位置し、少なくとも２つの貫通孔（８）がそれぞれのチャネルに合わせて前記フレームプレート（６）に設けられ、少なくとも第１の前記貫通孔（８）が前記第１のフレームプレート（６）に設けられるように、前記伝熱板（２）のパッケージ（３）が間に取り付けられている第１および第２のフレームプレート（６）と、
   前記第１のフレームプレート（６）に前記第１の貫通孔（８）を取り囲んで強固に連結された少なくとも１つの接続パイプ（９）と、
   前記入口（４）の１つを取り囲む前記外側の伝熱板（１４）に固定接続部（１３）によって連結され、かつ前記第１の貫通孔（８）と接続パイプ（９）とを通って延びており、接続パイプ（９）内で半径方向に移動するための空間（１２）が構成されている、少なくとも１つの管状のライニング（１０）と、
   を有するプレート式熱交換器（１）において、
   前記ライニング（１０）は、前記一方のフレームプレート（６）と前記外側の伝熱板（１４）との間の、前記接続パイプ（９）を横切る方向の相対的な変位が生じたときに、前記ライニングの湾曲を容易にするようになっている少なくとも１つのベローズ（１１）を備えていることを特徴とするプレート式熱交換器。
2. 前記ライニング（１０）は、前記ライニング（１０）の両端部に１つずつ配置された２つのベローズ（１８，１９）と、前記ベローズ（１８，１９）同士の間に位置する、ライニングのベローズが無い部分とを備えている、請求項１に記載のプレート式熱交換器。
3. 前記ライニング（１０）と前記外側の伝熱板（１４）との間の前記固定接続部（１３）は中間リング（１５）を有している、請求項１または２に記載のプレート式熱交換器。
4. 前記ベローズ（１１または１８，１９）のひだが丸みを帯びている、請求項１〜３のいずれか１項に記載のプレート式熱交換器。
5. 前記ベローズ（１１，１８，１９）の各々は数層の金属薄板層を含む多層ベローズである、請求項１〜４のいずれか１項に記載のプレート式熱交換器。

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