JP4153429B2 - プレートパッケージを有するプレート熱交換器およびプレート熱交換器用プレートパッケージの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、互いに重ね合わされ、いくつかのポート穴を含む複数の熱交換プレートを有し、上記複数のプレートは、圧縮成形され、互いの間に第１の流体用の第１の流路と第２の流体用の第２の流路とを形成するようにいくつかの接続部によって互いに永久的に接続され、かつ、上記流体の少なくともが予め決められた最大動作圧力で上記各流路を通って流れることができるように構成されているプレート熱交換器用プレートパッケージに関する。また、本発明は、互いに重ね合わされ、いくつかのポート穴を含む複数の熱交換プレートを有し、上記複数のプレートは、圧縮成形され、互いの間に第１の流体用の第１の流路と第２の流体用の第２の流路とを形成するようにいくつかの接続部によって互いに永久的に接続され、かつ、上記流体の少なくともが予め決められた最大動作圧力で上記各流路を通って流れることができるように構成されているプレート熱交換器用プレートパッケージを製造する方法に関する。さらに、本発明は、プレートパッケージの使用およびプレート熱交換器に関する。

このようなプレートパッケージは、複数の様々な用途のプレート熱交換器に用いられる。プレートは、通常、ステンレス鋼で作られ、ろう付けによって互いに永久的に接続されている。ろう材料としては、通常、銅が用いられる。こうしたプレートパッケージおよびプレート熱交換器は、非常に高い膨張圧力を有しており、すなわち、このようなプレートパッケージおよびプレート熱交換器は、プレートパッケージが破損することなく、１つまたはいくつかの流路内の非常に高い内的圧力に耐えるようになっている。高い膨張圧力は、使用する材料の延性が高いこと、また、その材料が冷間加工によって高い降伏限界を実現できることによって達成される。膨張応力は、熱交換プレート、圧力プレート、およびフレームプレートの板厚を厚くすることによっても高くすることができる。

当然ながら、このようなプレートパッケージの強度を高くすることは非常に重要である。また、このようなプレートパッケージでは、隣接するプレートの間のいくつかの接続部における永久的な接続部に欠陥が生じたり、その接続部が場合によっては一部なくなったりすることがあるため、圧力疲労の品質にある程度のばらつきが生じる。プレートパッケージを熱交換器に使用している間、プレートパッケージは、最高の圧力が決まっているパルス状の圧力にさらされることがよくあり、そのパルス状の圧力は許容最高動作圧力を越えることはできない。これら高い圧力パルスは、上記のような欠陥のある接続部のところに、および、欠陥がある接続部の周りの接続部のところに、あるいは、何らかの理由で接続部が一部なくなっている領域の周りの接続部のところに高い応力を発生させる。高い応力は、勿論、たとえ接合部に欠陥がないとしても大きな荷重がかかる全ての領域に存在する。

このようなプレートパッケージを製造する間、その出荷前にプレートパッケージの圧力試験が今日行われている。このような圧力試験は、通常、圧力容器のコードや、動作条件、すなわち、試験圧力温度での強度に関連する指定温度における材料の強度に対応する最高動作圧力の１．３倍〜１．８倍に対応する試験圧力で行なわれる。プレートパッケージがこの圧力に耐える場合、品質は十分であるとみなされる。この試験圧力の大きさは、プレートパッケージの材料に、目に見えたり、または測定できたりするような塑性変形を生じさせない大きさである。

米国特許３４５８９１７号は、他の種類の熱交換器の製造方法を開示している。２枚のほぼ平面状のプレートが隣接して配置され、かつ、点状または線状の溶接接続部のところで互いに連結される。その後、隣接するプレート同士の間の空間に加圧された媒体を供給することによって、変形圧力が与えられる。変形圧力は、プレートが変形されて波形の形状が大きさである。このようにして、プレートの間に所望の流路が形成される。

本発明の目的は、高い疲労強度を有する、プレート熱交換器用プレートパッケージを提供することである。

この目的は、上記流路の少なくとも一つに、少なくとも局所的な内側の塑性変形を生じさせることによって得られた高い強度を有することを特徴とする、冒頭に定義したプレートパッケージによって達成される。

このように予め圧力をかけることによって、各プレートと各接続部との両方の応力が高くなり、いくつかの点または領域において材料の降伏限界を越えることができる。したがって、これらの点または領域では、圧力が通常の大きさまで再び下がった後に、これら点または領域の応力を低下させる塑性変形が生じる。このプレートパッケージを使用している間、これらの点または領域はより小さい荷重を受けることとなり、隣接する点または領域で、生じる荷重の体部分が吸収される。したがって、本発明にしたがって予め圧力をかけた後、プレートパッケージの荷重を受ける領域の大部分が圧縮応力の形態の、好ましい残留応力を得ることができる。プレートパッケージは、たとえば、高延性を有する銅やステンレス鋼を含むものであってもよく、これらの材料をプレートパッケージに用いる場合、最大荷重を受ける１つまたはいくつかの点でプレートパッケージの破壊が起こる前に、均衡する内的応力を有する所望の状態がプレートパッケージに得られる。

本発明にしたがって予め圧力をかけることによって、このように塑性変形を目的としているが、この変形は裸眼で認識できるほど大きいものである必要はない。しかし、プレートパッケージにそのように予め圧力をかけた後、塑性変形が起こったことを確認するために適切な分析機器によって塑性変形を調べることができる。予め圧力をかけた後に、接続部の周りの塑性変形を調べることによって、いくつかの接続部に欠陥があるか、あるいは、ある接合部がなくなっているかどうかを直接に確認するためにプレートパッケージを分析してもよい。塑性変形は、プレートに、および／またはプレート同士を互いに接続する材料に生じるものであってもよい。

この提案された、予め圧力をかけることによって、圧力サイクルにおけるプレートパッケージの寿命を延ばし、コストを抑えることができる。今日、すでに十分な寿命を有しているある種の製品に対しては、その代わりに、本発明によって、プレートパッケージが配置され、しばしば用いられる圧力プレートを不要にすることができる。

さらに、本発明にしたがって予め圧力をかけることによって、圧力疲労に起因する寿命のばらつきが小さくなる。プレートパッケージに対し固有の応力を均等化することで、プレートパッケージの使用中に生じるパルス状の圧力や応力ピークが均等化され、プレートパッケージのより広い部分にわたって分散するという利点が得られる。

本発明の実施態様によれば、この塑性変形は、プレートパッケージを内側から膨張させることで、すなわち、各プレートを互いにある方向に引っ張ることで起こされる。通常、この局所的な変形は、ポート穴の近くで表れる。ポート穴の周りの領域は、プレート熱交換器のプレートパッケージの重要な部分である。したがって、塑性変形がポート穴の中またはポート穴の近くで起こると有利である。隣接するプレートの接合部のうち少なくとも１つはポート穴の近くに位置し、したがって、有利な方法として、上記局所的な変形はこの接続部のところでおよび／またはこの接続部の中で起こされる。この変形は、接続部となる材料および／または各プレートの材料で生じうる。

他の実施態様によれば、この変形は、供給された媒体を、動作圧力を著しく越える処理圧力まで予め圧力をかけることで起こされる。このように予め圧力をかけることによれば、塑性変形を簡単かつ制御可能に生じさせることができる。

本発明の他の実施態様によれば、処理圧力は動作圧力よりも少なくとも２である係数だけ高い。処理圧力は、動作圧力よりも少なくとも３である係数だけ高いのが好ましく、少なくとも４である係数だけ高いのがより好ましい。

本発明の他の実施態様によれば、プレート同士はろう付けによって接続されている。

本発明の目的は、プレートパッケージが永久的に接続されるように、複数の上記プレートを、いくつかの接続部によって互いに取り付けるステップと、プレートパッケージの強度が増すように、プレートパッケージにおける少なくとも１ヶ所に、局所的な内側の塑性変形を引き起こすステップとを有することを特徴とする、冒頭に定義された方法によっても達成される。

この方法の有利な実施態様は、従属請求項１１〜２１に記載されている。

本発明の目的は、上記方法によって製造されたプレートパッケージの使用と、上記に記載されたプレートパッケージを含むプレート熱交換器によっても達成される。

本発明を、添付の図面を参照して、様々な実施形態の説明によってより詳細に説明する。

図１は、複数の熱交換プレート１含むプレートパッケージを有するプレート熱交換器を示している。このようなプレート１は、図２により詳しく示されている。プレート１は、延性を有する材料、好ましくはステンレス鋼で作られている。開示された本実施形態では、各プレート１は４つのポート穴２’、２’’を含んでいる。各プレート１は、主延長面ｐと、山および谷からなる波形部３とを含んでいる。波形部３は、プレート１を圧縮成形することにより得られたものである。開示された本実施形態では、山および谷は、矢はず模様となるように延びており、言い換えれば、プレート１の長手方向中心軸ｘに対して所定の角度だけ傾いている。

プレートパッケージ内のほぼ全てのプレート１は同一となっており、かつ、ポート穴２’、２’’はプレートパッケージを貫通して延びる４つのポート流路を形成している。しかしながら、複数のプレート１は、１枚おきのプレートの波形部３が第１の方向を向き他方の１枚おきのプレートが反対側を向くように互いに重ね合わされている。図２では、波形部３がプレート１上でどのように延びているかが実線によって示されている。回転した状態で隣接するプレートの波形部３は点線によって示されている。実線および点線は、見える方向に応じて山および／または谷を示している。プレート１をこのような順番で交互に重ね合せると、図２のプレート１の谷は、すぐ下にあるプレート１の山によって支持されることになる。このようにして、プレート同士の間に複数の支持点が得られる。また、ポート穴２’に最も近い領域は、波形部３の谷に対応する高さに位置しており（図４参照）、一方、ポート穴２’’に最も近い領域５は、波形部３の山に対応する高さに位置している。したがって、プレート１が１枚おきに１８０°回転させられ、プレート１が互いに重ね合せられると、図４に示すように、領域４はすぐ下にあるプレートの領域５に当たる。各プレート１は、また、傾斜した縁部領域６と、プレート１の主延長面ｐとほぼ平行な面内を縁部領域６の下部から外側に向かって延びるフランジ７とを有している。

プレートパッケージを製造する間、プレート１は上述のような交互の順序で重ね合わせられる。適切な金属または金属合金を含んだろう材料からなるフォリオまたはペーストがプレート同士の間に塗布される。本実施形態では、銅が用いられている。それらのプレート１は一緒された状態に保たれ、プレートパッケージは、ろう材料の融点まで適切な時間加熱される。プレート１同士は、次に互いに永久的に接続され、波形部３の山と谷との間の接続部１０、１０’、領域４と領域５との間であってポート穴２’、２’’の周りの接続部１１、および、傾斜した縁部領域６の間の接続部１２が形成される。

図３および図４から分かるように、接続されたプレートパッケージでは、隣接するプレート１の間に空間が形成されている。この空間は、２つのポート穴２’の間に１つの第１の流路１５を形成し、また、２つの他のポート穴２’’の間に１つの第２の流路１６を形成している。プレート１は、１つおきの各空間が第１の流路１５と対応し、他の１つおきの空間が第２の空間１６とに対応するように配置されている。第１の流路１５は第１の媒体用として用いられ、第２の流路１６は第２の媒体用として用いられる。プレートパッケージおよびプレート熱交換器は、第１の媒体および／または第２の媒体に対して最高動作圧力を許容するように構成されている。

プレートパッケージを上記のようにろう付けすると、流路１５、１６のうちの少なくとも一方は、動作圧力よりも著しく高い処理圧力の予めかけられた圧力を受ける。図１は、流路１５、１６のうちの一方に、上記のように予め圧力をかけるための装置を概略的に示している。このような装置を用いて、流路１５、１６の両方に対して予め圧力をかけてもよいことに留意されたい。後者の場合、予め圧力をかけることを、両方の流路に対し同時に行ってもよいし、連続して行ってもよい。

この装置は、パイプ連結部３１を介して流路１５、１６の一方に接続されたポンプ３０などを含んでいる。当該流路１５、１６の他方の端部は、当該流路１５、１６に対するパイプ連結部３３上に設けられたカバー３２などによって閉じられている。供給源３５からの媒体が、ポンプ３０によって、第１の流路１５または第２の流路１６の中に供給される。この媒体は、何らかの適切な気体または液体であってもよい。加えられた処理圧力の読み取りおよび／または記録を表示部材および／または記録部材によって行うことを可能にする圧力センサ３６をパイプ連結部３１に設けることが適切である。

処理圧力は、それが局所的な内側の塑性変形をプレートパッケージにおける少なくとも１ヶ所に生じさせるように選択される。この内側の塑性変形とは、プレート１および／またはいずれかのろう接続部１０、１０’、１１、１２での材料の変形のことをいう。このような内側の塑性変形は、裸眼で見えるものである必要はなく、何らかの適切な材料分析機器によって確認できるものであってもよい。

ポート穴２’、２’’の周りのろう接続部１０’１１は、それらの領域にプレートの波形とされた領域には存在する複数の支持点がないため特に重要である。したがって、ポート穴２’、２’’の近くの接続部１０’およびプレートの材料にこのような塑性変形を生じさせることが望ましい。

処理圧力は、上記動作圧力を著しく越えていることが必要であり、たとえば、少なくとも２である係数を、好ましくは少なくとも３である係数を、特に少なくとも４である係数を越えている必要がある。このような処理圧力によって、材料の降伏限界を越えて塑性変形が始まる圧力が確保される。処理圧力は、このように最高動作圧力に依存する。処理圧力は、無名数においてたとえば、少なくとも２０ｂａｒ、少なくとも３０ｂａｒ、少なくとも４０ｂａｒ、または少なくとも５０ｂａｒであってもよい。最高動作圧力がこれよりも著しく高い所定の用途については、処理圧力を、規定されたレベルよりもずっと高くすればよい。

通常、プレートパッケージまたはプレート熱交換器は、使用前に圧力試験が行われる。この試験圧力は、最高動作圧力の約１．３〜１．８倍である。処理圧力はこのような試験圧力よりも著しく高いため、本発明では、従来技術による圧力試験を省略することが可能となる。しかしながら、動作圧力よりも高いが好適には処理圧力よりも低い、所定の試験圧力で加圧された媒体を供給することで圧力試験を行うこともできる。

図５は、所望の塑性変形を生じさせる、代わりの方法を示している。ピストン４０が、パイプ連結部３３を介してポート流路内に挿入される。保持部材４１がパイプ連結部３３の周りに取り付けられ、その後、たとえば油圧式または空圧式のシリンダ４２によってピストン４０に圧力がかけられる。この荷重は、最も外側の圧力プレート１’に作用し、プレート１は、供給された媒体が加圧された場合と同じように引き離される。

本発明は、開示された上記の実施形態に限らず、特許請求の範囲が意図する範囲内において変形し修正することができる。本発明は、プレートがろう接続部以外の方法、たとえば溶接で互いに永久的に接続されているプレートパッケージおよびプレート熱交換器に適用することもできる。プレートパッケージは、プレート１の間の空間が３つまたはいくつかの、別々の流路を形成するように構成されていてもよい。特に、そのようなプレートパッケージが、２つの流路の間にいわゆる隔壁を含んでいる場合、その隔壁に近いポート領域に大きな荷重が生じる。

本発明によるプレート熱交換器の概略的な側面図である。 本発明によるプレートパッケージ用の熱交換プレートを概略的に示す図である。 図２の熱交換プレートから構成されたプレートパッケージの概略的な断面図である。 図３のプレートパッケージのポート流路の周りの領域の概略的な断面図である。 代わりの方法によって製造されたプレート熱交換器の概略的な側面図である。

Claims (17)

1. 互いに重ね合わされ、いくつかのポート穴（２'、２''）を含む複数の熱交換プレート（１）を有し、前記複数のプレート（１）は、圧縮成形され、互いの間に第１の流体用の第１の流路（１５）と第２の流体用の第２の流路（１６）とを形成するようにいくつかの接続部（１０、１０'、１１、１２）によって互いに永久的に接続され、かつ、前記流体の少なくとも一方が予め決められた最大動作圧力で前記各流路（１５、１６）を通って流れることができるように構成されているプレートパッケージを有するプレート熱交換器において、
   前記プレートパッケージの少なくとも局所的な内側の塑性変形を前記流路（１５、１６）の少なくとも一方に生じさせることによって得られた高い強度を有し、
   前記局所的な変形は、前記ポート穴（２ ' 、２ '' ）の近くに表れ、
   隣接する前記プレート（１）の前記接続部（１０、１０ ' 、１１、１２）の少なくとも１つ（１０ ' ）は、前記ポート穴（２ ' 、２ '' ）の近くに位置しており、前記局所的な変形は、前記接続部（１０ ' ）の所でおよび／または前記接続部（１０ ' ）の中で起こることを特徴とするプレート熱交換器。
2. 前記塑性変形は、前記プレートパッケージを内側から膨張させることによって起こされ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. 前記変形は、供給された媒体（３５）に、前記動作圧力よりも著しく高い処理圧力をかける（３０）ことによって起こされることを特徴とする、請求項１または２に記載のプレート熱交換器。
4. 前記処理圧力は、前記動作圧力よりも少なくとも２である係数だけ高いことを特徴とする、請求項３に記載のプレート熱交換器。
5. 前記処理圧力は、前記動作圧力よりも少なくとも３である係数だけ高いことを特徴とする、請求項３に記載のプレート熱交換器。
6. 前記処理圧力は、前記動作圧力よりも少なくとも４である係数だけ高いことを特徴とする、請求項３に記載のプレート熱交換器。
7. 前記複数のプレート（１）は、ろう付けによって互いに取り付けられていることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載のプレート熱交換器。
8. 互いに重ね合わされ、いくつかのポート穴（２'、２''）を含む複数の熱交換プレート（１）を有し、前記複数のプレート（１）は、圧縮成形され、互いの間に第１の流体用の第１の流路（１５）と第２の流体用の第２の流路（１６）とを形成するようにいくつかの接続部（１０、１０'、１１、１２）によって互いに永久的に接続され、かつ、前記流体の少なくとも一方が予め決められた最大動作圧力で前記各流路（１５、１６）を通って流れることができるように構成されているプレート熱交換器用プレートパッケージを製造する方法において、
   前記プレートパッケージが永久的に接続されるように、前記複数のプレート（１）を、前記いくつかの接続部（１０、１０'、１１、１２）によって互いに取り付けるステップと、
   前記プレートパッケージの強度が増すように、前記プレートパッケージにおける少なくとも１ヶ所に、局所的な内側の塑性変形を引き起こすステップとを有し、
   前記局所的な変形は、前記ポート穴（２ ' 、２ '' ）の近くに表れ、
   隣接する前記プレート（１）は、前記ポート穴（２ ' 、２ '' ）の近くに位置する少なくとも１つの共通の接続部（１０ ' ）に沿って互いに取り付けられており、前記局所的な変形は、前記接続部（１０ ' ）の所でおよび／または前記接続部（１０ ' ）の中で起こることを特徴とする、プレート熱交換器用プレートパッケージの製造方法。
9. 前記塑性変形は、前記プレートパッケージを内側から膨張させることによって起こされることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. 前記変形は、前記プレート（１）同士を引き離す荷重をかけることによって起こされることを特徴とする、請求項８または９に記載の方法。
11. 前記変形は、前記動作圧力よりも著しく高い処理圧力まで加圧された媒体（３５）を、前記流路（１５、１６）の少なくとも一方に供給することによって起こされることを特徴とする、請求項８から１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記媒体（３５）を、前記動作圧力よりも少なくとも２である係数だけ高い処理圧力まで加圧することを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
13. 前記媒体（３５）を、前記動作圧力よりも少なくとも３である係数だけ高い処理圧力まで加圧することを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
14. 前記媒体（３５）を、前記動作圧力よりも少なくとも４である係数だけ高い処理圧力まで加圧することを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
15. 前記荷重は、前記プレートパッケージ内のポート流路に挿入されたピストンによって与えられることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
16. 前記プレート（１）は、ろう付けによって互いに取り付けられていることを特徴とする、請求項８から１５のいずれか１項に記載の方法。
17. 前記動作圧力よりも高いが前記処理圧力よりも低い、所定の試験圧力まで加圧された前記媒体を供給する連続的なステップを有することを特徴とする、請求項８から１６のいずれか１項に記載の方法。

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