JP4755793B2 - プレート型熱交換器 - Google Patents
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Description
【発明の背景】
本発明はプレート型熱交換器に関係する。より具体的には、本発明は、積層体を通る流入導管を形成する貫通流入口を備える熱交換器プレートの積層体と、伝熱プレートの間に、プレートのすきま1つおきの伝熱プレートとともにある流体用の第1流路を区画し、残りの各すきまに、別の流体用の第2流路を区画する封止手段とからなるプレート型熱交換器で、流入導管が少なくとも1つの流入通路手段により各第1流路と接続し、各それぞれの流入口の周囲の主封止領域に位置する封止手段により第2流路への流入を防止することを特徴とするプレート型熱交換器に関係する。
【0002】
典型的には、流体の密度が流入口と流出口を接続する伝熱導管に沿って比較的ほとんど変化しないため、上記プレート型熱交換器は単相熱交換器については同じサイズの流入口と流出口をもつ。
【0003】
蒸発又は凝縮中の2相の熱伝達においては、液体から気体への遷移が生じてその結果入口と出口の速度が大幅に異なる非常に大きな密度変化となる。速度が異なれば、伝熱プレートの積層体から流出口に対する貫通流入口に沿った圧力降下が異なる。
【0004】
また、生成される蒸気が流入口内に蓄積する液体を置換できる場合には、沸騰の動的な不安定性が生じることがある。この置換された液体は伝熱通路に侵入して、一時的に蒸発する液体を過度に供給することがある。この一時的な過度の供給のために、プレートの積層体内の液体維持容量が流入通路の液体容量に対して比較的小さい多くの小型の熱交換器では制御が難しくなりうる。
【0005】
第1流路が1相ではなく2相からなるとき、各第1流路が流入口から蒸発する流体と等しい速度で供給されなければならないという追加的な問題が生じる。同じ質量を分配するだけでなく、必ず等しい相分配をすることも重要である。しかし、これは蒸発のためには入口の液体相を各第1流路に必ず等しく分配することも最適な伝熱を行うにはきわめて重要であることを保証するにはさらに難しい。
【0006】
従来のUS特許第3735793号では、流入口又は流出口の径と比較して小さな径の供給穴を各プレートに備えることによって、又流入口又は流出口に沿うのと比較して、各プレート対に大きな圧力降下を導入するフローポートへの流れの分配手段が考案された。この方法では、プレート対に入る流量は、給水圧から通路と流出口の圧力損を引いた供給圧力ではなく、主に小さな穴を通る圧力損によりかなり制限される。
【0007】
スウェーデン特許出願第8702608-4号に記述される先行技術は、供給口の周りに配置され、それを通る流れがリングを貫通する切り口、スロット又は穿孔によって区画されるため圧力降下生成オリフィスを作るリング又は座金を使用して、流入口から各プレート対への制限手段を製造している。これらデバイスは2つの主な理由のために充分な実績が上がっていない。まず、製造コストが高いこと、次に、リング又は座金は製造時にプレート対の間に永久的に接合されるので、プレート対を作る結合プロセスを妨げないように非常に正確に位置合わせしなければならない。
【0008】
他の大きな欠点は、作られるプレート対は圧力降下生成デバイスを完全に密閉するが、これは一端密閉されたら、例えば流量が増したり、プロセス流体が変わるなど、プロセスの要求事項の変化に合わせて調整できない。
【0009】
【発明の要約】
本発明は、前述した周知の熱交換器の問題及び欠点を考慮して創作された。
【0010】
本発明の目的は、供給口からプレート通路までの開口を作る十分明確な圧力降下を得ることである。
【0011】
この発明のより好ましい目的は、上記開口を作る圧力降下を、金属製の熱交換器のプレートの製造プロセスを変えることなく容易に変更できる構成を提供することである。
【0012】
この発明は一般的には、各流入口の周囲を封止しその間に配設される取り外し可能なガスケットと、圧力降下生成手段を持つ前記少なくとも1つの流入通路を有する第1流路を形成する伝熱プレートにある。
【0013】
好ましくは、ガスケットは流入導管に戻る方向においてはプレートにより完全に密閉されない。この方法では、ガスケットは、たとえプレートが主封止領域で溶接又は蝋付けにより永久的にともに接合されたとしても、対のプレートの間で除去又は再取付けのためにこの方向から接近できる状態にある。
【0014】
有利なことに、流入通路は少なくとも1つの伝熱プレート及び/又は流体がガスケットから直接連通するための手段により区画される。
【0015】
ある配列では、流入通路はガスケットから延びて、流入導管を第1流路に接続する圧力降下生成手段を提供する管により形成される。この方法では、圧力降下生成手段は別のガスケット/管アセンブリに交換することによって調整できる。
【0016】
この設計は高価な感熱プレート対を再製造する為の再分類をすることなく、プロセスの変更に対応できるかなり多くの柔軟な手段を提供し、また最も高価なコンポーネント、つまりプレート自体の製造を標準化することにより、全体の製造コストを削減する。
【0017】
小さなオリフィスの穴又は絞り導管を使用して大きな圧力降下を行う従来の技術は、供給が同質の単相のように作用するよう考慮しない限り、同じ相を供給口に沿ったすべてのプレート対に必ずしも確実に分配しない。
【0018】
蒸発器への2相の供給は同質でないことが多いが、気体の浮力効果のために層を成し、その結果プレートは供給口の出口ではなく供給口への入口で異なる気液比で供給される。
【0019】
供給物が層を成すとき各導管へ正確な気体の分配をしやすくするために、圧力降下デバイスへの入口は供給口に沿ったプレート対の位置の機能としなければならない。このため、各プレート対は最適動作のために互いに異なっていなければならず、圧力降下手段が部分的に感熱プレートから作られる限りもはや標準化できない。個別のコンポーネントを使用して圧力降下手段を提供することは良好な動作には有益である。
【0020】
さらに、圧力降下生成手段に外部から接近できることは、プレート対内に密閉され、あるプレートの特徴、つまり穴や圧力の細部により作られる固定手段を採用する設計より多くの利点をもつ。これら利点には次のことが含まれる。
【0021】
1.圧力降下生成手段が遮られる場合、それに容易に接近して清掃できる。
【0022】
2.圧力降下生成手段が磨耗もしくは損傷する場合、それは簡単に交換できる。
【0023】
3.熱通過率が変化する場合、圧力降下は新しいガスケットコンポーネントを取付けることによって合うように容易に調整できる。
【0024】
4.圧力降下生成手段の位置および設計は、2相流の分配を最適化するために動作するプレートの積層体内の所定のプレート対の位置に対して変更できる。
【0025】
【例示的な実施例の詳細な説明】
図1には、伝熱プレート(2)の積層体と、それぞれ積層体の下側及び上側に配設される外カバープレート(3)及び(4)とを備える、プレート型熱交換器(1)を図示する。プレート型熱交換器(1)は、2つの伝熱流体用の第1流入口(5)と第2流入口(6)と、第1流出口(7)と第2流出口(8)とを有する。
【0026】
図2には、第2流入口(6)と第1流出口(7)を備える交換器の一部に沿って延びる、図1のプレート型熱交換器(1)の断面を図示する。
【0027】
図2に図示する積層体は互いに重ねて配設され、上カバープレート(3)と下カバープレート(4)の間に挟まれる10枚の伝熱プレート(2)からなる。積層体に組込まれるプレートの数は所望の熱通過率に合わせて調整できる。
【0028】
伝熱プレート(2)には貫通流入口(9)及び(10)が設けられる。貫通流入口(9)及び(10)は、貫通流入口(9)が積層体を通して流入導管又はヘッダ(11)を形成し、貫通流入口(10)が積層体を通して流出導管又はヘッダ(12)を形成するように、互いに一直線に配置される。流入導管(11)又は流出導管(12)は両方ともカバープレート(3)又は図2に図示する貫通流入口(9)もしくは(10)を持たないこのカバーフレートに隣接するプレート対のいずれかにより、その端部で区画される。流入導管(11)は第2流入口(6)に接続され、流出導管(12)は第1流出口(7)に接続される。
【0029】
プレート型熱交換器(1)を、現在の技術水準に従った通常の構成で図示し、プレート間の空間1つおきにある伝熱プレート(2)とともに、ある伝達流体用の第1流路(13)を区画し、隣接するプレート間の空間では、別の伝達流体用の第2流路を区画する封止手段であって、伝熱プレート(2)の間にある形態の封止手段を設けている。
【0030】
隣接するプレートはすべて、たとえ隣接する第1及び第2流路の水圧がかなり異なっている場合でも、第1及び第2流路の形状を画成して維持するための交差又は当接する押圧された波形(14)で形成される。
【0031】
第1流路(13)は2つの隣接した伝熱プレート(2)に当接する貫通流入口(9)の間に配設される少なくとも1つの流入通路(15)により流入導管(11)に接続される。
【0032】
プレート型熱交換器(1)には、2つの伝熱流体のそれぞれに1つの流入導管(11)と1つの流出導管(12)が設けられ、この流入及び流出導管は方形の伝熱プレート(2)の端部に配置される。あらゆる数の流入又は流出導管をプレート対に設けることができ、当然ながらプレートは方形の形状である必要はない。
【0033】
プレート型熱交換器(1)にはガスケットなどの半永久的な封止手段を設けることができ、あるいははんだ、蝋付けあるいは溶接により永久的に密閉することができる。図1には、封止手段が封止領域に沿ったプレートを密着して当接し、当接するプレートの間の狭い空間にベースメタル又は金属ろうを融着して行う、完全に蝋付け又は溶接した典型的な構成を図示する。
【0034】
ガスケットを使用し封止を行う場合、プレート積層体アセンブリ全体を、上カバープレート(3)と下カバープレート(4)を貫通するボルトを使用して一緒に締め付ける。
【0035】
この点まで、上記詳細な説明は従来のプレート型熱交換器の技術のみを述べている。
【0036】
図3には、本発明の第1の実施例を図示する。伝熱プレート(2)には従来のプレートと比較して小さな流入導管(11)と小さくした外周孔が設けられている。貫通流入口(9)は、補助封止領域(17)のその全周に走行しているガスケット(30)により封止されて、第1流路(13)を構成する伝熱プレート(2)の間に形成される隙間(16)に囲まれる。
【0037】
第1流路(13)の中間のガスケット(30)により封止されて、貫通流入口(9)の周りの空間の隙間(16)は、本質的に半固定にできるため、第1流路(13)を作る隣接した伝熱プレート(2)を主封止領域(24)で溶接することにより永久的に互いに固着した後でも、2枚のプレートの間の隙間(16)にガスケット(30)を挿入できるように、伝熱プレート(2)はポートの全周で当接しない。
【0038】
それぞれ溶接された対又はカセット形のプレートからなる連続した第1流路(13)が互いに重なり合って積層されて、各第1流路(13)が主封止ガスケット(19)により主封止領域(24)の周囲の隣接する第1流路(13)に封止された状態でプレートの積層体を作る。
【0039】
第1流路(13)と流入導管(11)の間を連通させるために、第1の実施例の各流入通路(15)は補助封止領域(17)の外側であるが主封止領域(24)の内側領域に第1流路(13)を構成する1つ又は2つのプレートを貫通する1つ以上の穴(18)により形成することができる。
【0040】
この発明の第1の実施例では、圧力降下生成手段は主に穴(18)からなる。穴(18)の位置、サイズ及び数は、当然ながら熱通過率に合わせて変えることができる。
【0041】
この流入通路(15)は第1流路(13)を構成する1つ又は2つのプレートで押圧された状態から形成される横分配空間(20)に対して開いている。この横分配空間(20)の全周は、第1流路(13)に連通する絞り導管(21)の場所を除いて、第1流路(13)を形成する両方のプレート(A及びB)の間に密着して当接している。
【0042】
この絞り導管(21)は、第1流路(13)の平面内に流れを横に向け直すために使用できる補助圧力降下生成手段を形成する。これら絞り導管(21)の各サイズと位置を変えることによって、流入通路(15)を通って横分配空間(20)に入る流れは、所望の等しいあるいは等しくない速度の複数の流れに分割して、第1流路(13)内に上手く横分配できる。
【0043】
異なる分配フローフィンガ(23)に対して絞り導管(21)のサイズを変えても、横分配で生じる気液の流量の比にほとんど影響を与えないが、分配フローフィンガ(23)の方向で混合物の供給量のみに影響を与える。
【0044】
穴(18)を通って分配フローフィンガ(23)に流れる液体相の分離をよりよく制御するために、気体相よりもかなり密度の高いこの液体相が、高速で小さな穴(18)を通って、穴(18)の下の隣接するプレート(B)へと至って、横分配空間(20)の穴(18)の下の隣接するプレート(B)に衝突することを利用する。
【0045】
液体相の流れはプレートBに沿った衝突点から半径方向に離れて進み、この半径方向の液体の流れが、横分配空間(20)の全周によって形成され、穴(18)を取り囲む複数の分配フローフィンガ(23)への入口によって分かれるまで、かなり継続する。
【0046】
液体相が、分配フローフィンガ(23)への入口を通過すると、分配フローフィンガの端部の各絞り導管(21)を通って、第1流路(13)に現れなければならない。一般的な流れの方向に対する液体の逆流は、各分配フローフィンガ(23)への入口で生じる高速の気体のずり速度により防止される。
【0047】
穴(18)を1つ以上の分配フローフィンガ(23)への入口に対して正確に位置決めすることによって、穴(18)を通って入る液体相をあらゆる所望の割合で、且つ分配フローフィンガ(23)により要求されるあらゆる方向に向け直すことができる。
【0048】
このようにこの設計により、重要な液体相はすべて第1流路(13)を横方向に正確に分配される。
【0049】
図5及び6には、ガスケットを通る流入通路(15)を形成する短い小径の管の形状の管(主圧力降下生成手段)(31)を密閉及び位置決めするために、ガスケット(30)を使用する発明の第2の実施例を図示する。この発明の実施例では、あらゆる所望の圧力降下のために、流入通路(15)を通って流入導管(11)から各第1流路(13)に流れる混合物の流量を、管(31)の直径又は管の長さを熱通過率に合わせて変えることによって変更することができる。
【0050】
本発明の第1の実施例とは異なり、横分配空間(20)に入る液体の割合を、貫通流入口(9)の縁に対して流入導管(11)内の管(31)への入口の位置を変えることによって変更できる。つまり寸法Xを変えることができる。
【0051】
図7には、貫通流入口(9)を通る断面を、左から右に流入導管(11)に流れる2相の混合物とともに図示している。2相の混合物が均質な性質である場合、流入導管(11)のある点での気体と液体の流量の比は均一になり、圧力降下生成手段を通る流量は前記手段の形状と手段全体の圧力降下のみに依存する。
【0052】
しかし、横型の流入導管(11)の浮力のために、ある相の分離が生じ、混合物は部分的に層をなし、気体相が導管の上半分に集中する。圧力降下生成手段に入る気体相と液体相の比が変わる場合、供給される圧力降下が一定のままである場合には流量も変化する。
【0053】
第1流路(13)への流量を確実に一定にするために、手段に入る気液比も一定とするべきである。この発明の第2の実施例はこの非常に高度な所望の状態を成し遂げるための手段を提供する。
【0054】
流入導管(11)の径を横断する図7に図示するある位置xで、気液相の比は第2流入口(6)に供給される流入気液比と等しい。この位置xは第2流入口(6)から測定した積層体の第1流路(13)の距離又はカバープレート(3)から流入導管(11)を下った長さに依存する。この位置xは図7に図示する点線に対応する。
【0055】
流入導管(11)内の管(31)への入口はこの場所に位置付けなければならず、各連続した第1流路(13)についてわずかに異なる。各第1流路(13)の長さxの変更は、位置xの軌跡(点線)で図示するカバプレート(3)からカバープレート(4)までの連続した方法で行うことができ、あるいは段階的に近似化できる。
【0056】
本発明の第2の実施例でガスケット(30)、管(31)を別々に第1流路(13)に挿入することにより圧力降下生成手段を簡単に調整できるということは、蒸発器を最適な分配及び熱性能のために精密に調整できるということである。
【0057】
この発明の第2の実施例では、2相の混合物の高速の噴出流が管(31)の出口から出て、第1流路(13)の面にほぼ平行な方向で横分配空間(20)に入るため、第1流路(13)の面Bには垂直に影響を与えない。
【0058】
そのため横方向の液体相の分配は、面Bに対する衝突点からの半径方向の流れによる制御した割合に分割できず、代わりに管(31)の出口と横分配空間(20)への入口の間の狭い膨脹部(25)を利用する。
【0059】
この膨張部(25)は、その狭い隙間「y」と広がるファン形状のために、管(31)の出口から出る噴出流をファン状の形状に広げ、混合物の速度は、流れの幅が横分配空間(20)に入る前に大きくなるため、狭くなるプレート間の隙間によって維持される。このように、速いずり速度が維持され、液体は膨張部(25)の流れの幅全体に均一に広がる。
【0060】
さらに横分配空間(20)の全周により形成される分配フローフィンガ(23)への入口がこの2相の流れを複数の方向に分ける。これら分配フローフィンガ(23)を用いて、流れを第1流路(13)に横方向に向ける。
【0061】
図8及び9に図示する本発明の第3の実施例でも、ガスケット(30)を通って流入通路(15)を形成する短い小径の管(31)の形状の主圧力降下生成手段を密閉及び位置付けるために、ガスケット(30)を利用する。しかし、この実施例では、管(31)からの出口は直接膨張部(25)に入らず、ポート(27)により形成される再分配又は補助流入導管(26)に入る。
【0062】
この補助流入導管(26)は積層体の第1流路(13)全部と連通するが、補助封止ガスケット(33)により第2流路とは連通しない。補助封止ガスケット(33)は第1流路(13)を構成する各対のプレートの間に取付けられる。
【0063】
補助流入導管(26)はプロセスに再分配工程を提供して、管(主圧力降下手段)(31)を通る不均一な流量を補助流入導管(26)に沿って積層体の1つ以上の第1流路(13)に再分配できるようにする。
【0064】
図10及び11に図示する本発明の第4の実施例は、補助封止ガスケット(33)が図8の形状をして、流入導管(11)と補助流入導管(26)両方の周りを封止し、補助流入導管(26)の周りの封止手段を通る管などの補助圧力降下生成手段(35)に取り付けられている点を除いて、第3の実施例のものと同一である。
【0065】
この管は空間(20)の上又は下の主封止ガスケット(19)と補助封止ガスケット(33)の間にある空間(34)への連通を提供する。
【0066】
第1流路(13)と空間(34)の間を連通させるために、第1の実施例で詳述した構成を利用して、主封止領域(24)内部の(17)及び(33)で形成される補助封止領域の外部の領域に第1流路(13)を構成する1つ又は2つのプレートを貫通する1つ以上の穴(18)により空間(20)への連通を提供する。
【0067】
このようにこの第4の実施例は、本発明の第1、第2及び第3の実施例で詳述した分配の利点を組合わせたものである。
【0068】
前述の例示的な実施例の説明から理解されるように、本発明はガスケットが対の伝熱プレートの間の隙間に配置されて、プレート対の各流入口の周りを封止する構成を提供する。この構成は、プレートがともに結合されて規格化されたプレート対が設けられている場合であっても、ガスケットを隙間に取り付けたり隙間から取外したりできるようなものである。これは、圧力降下生成手段が例えば、ガスケットを通って延びる管によりガスケット自体に内蔵されている場合、別のガスケット/管アセンブリに置き変えることによって調整できるという点で特に有利である。
【0069】
本発明は、伝熱プレート対の積層体、第1及び第2流体用の第1及び第2流路を区画するための隣接するプレート対の間の封止手段、プレートの貫通穴によって形成される流入導管と連通する第1流路、ガスケットをともに連結されるプレート対に取り付けたり取外したりできるように貫通穴の周りのプレートの間に配設される内部ガスケットを有する各プレート対により形成されるプレート型熱交換器にある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のプレート型熱交換器の斜視図である。
【図2】 図1の線A-Aに沿った従来のプレート型熱交換器の断面を図示する。
【図3】 本発明の第1の実施例に従ったプレート型熱交換器の供給口全体の平面図を図示する。
【図4】 図3の線B-Bに沿った本発明の第1の実施例に従ったプレート型熱交換器の部分的な断面を図示する。
【図5】 本発明の第2の実施例に従ったプレート型熱交換器の供給口全体の平面図を図示する。
【図6】 図5の線B-Bに沿った本発明の第2の実施例に従ったプレート型熱交換器の部分的な断面を図示する。
【図7】 第2の実施例に従ったプレート型熱交換器の流入導管の断面を図示する。
【図8】 本発明の第3の実施例に従ったプレート型熱交換器の供給口全体の平面図を図示する。
【図9】 図8の線B-Bに沿った本発明の第3の実施例に従ったプレート型熱交換器の部分的な断面を図示する。
【図10】 本発明の第4の実施例に従ったプレート型熱交換器の供給口全体の平面図を図示する。
【図11】 図10の線B-Bに沿った本発明の第4の実施例に従ったプレート型熱交換器の部分的な断面を図示する。
Claims (11)
- 積層体を通る流入導管を形成する貫通流入口を設けられる伝熱プレートの積層体を、具備し、
前記伝熱プレートの空間1つおきに前記伝熱プレートとともに第1流体用の第1流路を区画し、残りの前記伝熱プレートの空間の各々には、第2流体用の第2流路を区画する封止手段を前記伝熱プレートの間に具備するプレート型熱交換器において、
前記流入導管が、少なくとも1つの流入通路により各第1流路と連通し、各それぞれの流入口の周りの主封止領域に配置される封止手段により各第2流路からは遮断され、
前記伝熱プレートが、各流入口の周りで、前記伝熱プレートの間に配設されるガスケットを有する前記第1流路を形成し、
前記ガスケットは、前記第1流路を形成し永久的に固着された一対の2つの伝熱プレートの間に取り外し可能に配置され、前記永久的に固着された一対の伝熱プレートの各流入口の周りを封止し、
前記少なくとも1つの流入通路は、前記第1流路に挿入されるような狭い内径の管を具備する圧力降下生成手段を有し、
前記狭い内径の管は前記ガスケットを通って延び、
前記狭い内径の管の入口端部の位置は、前記流入導管の軸に対して変更できることを特徴とするプレート型熱交換器。 - 請求項1に記載のプレート型熱交換器において、前記狭い内径の管の全長が、伝熱プレートの積層体全体内の前記第1流路の位置に対して変更できることを特徴とするプレート型熱交換器。
- 請求項1に記載のプレート型熱交換器において、前記狭い内径の管の内径が、伝熱プレートの積層体全体内の前記第1流路の位置に対して変更できることを特徴とするプレート型熱交換器。
- 請求項1に記載のプレート型熱交換器において、前記狭い内径の管の前記入口端部の位置が前記伝熱プレートの積層体内の前記第1流路の位置に対して変更できることを特徴とするプレート型熱交換器。
- 請求項1に記載のプレート型熱交換器において、前記狭い内径の管の出口端部の位置が、前記第1流路を構成する前記2つの伝熱プレートによって構成され前記主封止領域内に封止される空間にも連通する膨張部に連通することを特徴とするプレート型熱交換器。
- 請求項5に記載のプレート型熱交換器において、前記膨張部が、前記第1流路内で測定して、前記第1流路を区画する前記2つの伝熱プレートの間の平均の伝熱プレート間の分離よりもかなり小さい伝熱プレート間の隙間(y)を有することを特徴とするプレート型熱交換器。
- 請求項1に記載のプレート型熱交換器において、前記狭い内径の管の出口端部の位置が、前記主封止領域で囲まれる境界内にある補助ポートにより形成される補助流入導管と連通することを特徴とするプレート型熱交換器。
- 請求項7に記載のプレート型熱交換器において、前記補助流入導管が前記積層体内の第1流路全部との連通を提供することを特徴とするプレート型熱交換器。
- 請求項7に記載のプレート型熱交換器において、前記補助流入導管が前記第1流路を構成する前記2つの伝熱プレートによって構成され前記主封止領域内に封止される空間とも連通する膨張部に連通することを特徴とするプレート型熱交換器。
- 請求項9に記載のプレート型熱交換器において、前記膨張部が、前記第1流路内で測定したとき、前記第1流路を区画する前記2つの伝熱プレートの間の平均の伝熱プレート間の分離よりもかなり小さい伝熱プレート間の隙間(y)を有することを特徴とするプレート型熱交換器。
- 請求項7に記載のプレート型熱交換器において、前記補助流入導管が補助封止ガスケットにより前記第2流路と連通せず、補助圧力降下生成手段が前記補助封止ガスケットを通過して、前記補助流入導管と前記積層体内の空間の間を連通させることを特徴とするプレート型熱交換器。
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