JP4933425B2 - 熱交換器内の流体漏れの危険性をセンサによって評価する方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガスケットを備えたプレート熱交換器内の流体漏れの危険性を評価するための、請求項１の前提部に記載の方法および請求項１０の前提部に記載の装置に関する。

ガスケットを備えた従来の熱交換器は、中間のガスケットとともにプレートパッケージを構成する多数の伝熱プレートを有している。ガスケットは通常、たとえば接着によって、あるいはガスケットが所定の位置に固定され保持されるようにプレートパッケージを端板間または圧力板間で互いに押し付けることによって、所定の位置に保持される。ガスケットの欠陥や摩耗等による漏れに対処するためプレート熱交換器を容易に分解し補修することができるように、端板または圧力板は通常、プレートパッケージに機械的に連結され、フレームによって支持されている。ガスケットの摩耗や欠陥は、熱交換器内の流体漏れの一般的な原因であり、したがって、通常、ガスケットは定期的に交換する必要がある。
発明の背景
熱交換器を通る流体の温度、圧力等の様々な作動パラメータを測定する様々な種類のセンサを備えた熱交換器は公知である。熱交換器内の漏れを検出するセンサもまた公知である。

イギリス特許第２０６２８３３−Ａ号明細書には、特に健康を損なう流体用の熱交換器が記載されている。熱交換器は、ポートホールを備えた伝熱プレートで構成されている。伝熱プレートは対を形成するように溶接され、溶接された各対の伝熱プレートの間にガスケットが設置されている。ポートの周りの領域には、ポートオリフィスの近くに位置し、それによって周囲に流体が接触する第１のガスケットと、ガスケットの間に空間が形成されるように第１のガスケットの外側に位置する第２のガスケットと、が設けられている。第１のガスケットから漏れが生じると、流体はガスケットの間の空間に流入し、それによって熱交換器内の他の流体との混合が防止される。センサが、第２のガスケットを通りガスケット間の空間内まで延びるように設置されている。このセンサの目的は、流体がガスケット間の空間に流入していること、すなわちポートに最も近い第１のガスケットが損傷しており交換の必要があることを監視し表示することである。イギリス特許第２０６２８３３−Ａ号の発明の欠点は、センサが表示を行うのが、ガスケットが損傷し、熱交換器内の漏れがすでに発生した場合に限られることである。

ヨーロッパ特許第０５２０３８０−Ａ１号明細書には、圧力監視用のセンサを有する車両エンジン用のガスケットを記載されている。このセンサは、シール手段とともに流体との直接接触を防止するガスケットの２つの半部の間に設けられている。ヨーロッパ特許第０５２０３８０−Ａ１号の発明の欠点は、ガスケットの構造が複雑であり、すなわちガスケットの製造コストが高く、製品を仕上げるのに多数の製造ステップが必要になることである。多数の部品で構成されるガスケットの他の欠点は、部品同士が互いに剥がれ、ガスケットから漏れが生じる可能性があることである。他の欠点は、センサはガスケット内の圧力を測定するだけであり、ガスケットの損傷による漏れの危険性を評価する構成を備えていないことである。このガスケットの他の欠点は、ガスケットが比較的大きな２つの平坦面の間を密封するようにされ、伝熱プレートのガスケット用の溝に嵌るようにされていないため、伝熱プレートに適用できない構成となっていることである。

本発明の目的の一つは、ガスケットを備えた熱交換器において、損傷または摩耗によって生じるガスケットからの漏れを防止するために、ガスケットをいつ交換すればよいかの判定を可能にし、前述の問題を解消する方法を提供することである。

本発明の他の目的は、ガスケットを備えた熱交換器内のガスケット材料の機能性を監視する方法を提供することである。

上述のおよび他の目的は、請求項１によって示される特徴を備えた導入部に記載の方法によって、本発明に従い実現される。

請求項１の特徴記載部分による方法によって与えられる利点は、ガスケットを備えたプレート熱交換器における流体漏れの危険性を、監視される圧縮圧力に基づいて評価できることである。したがって、作動中のガスケットの損傷を防止するために熱交換器内のガスケットをいつ交換すればよいかを予測することが可能となる。

本発明の他の目的は、ガスケットを備えた熱交換器における流体漏れの危険性を表示する方法であって、熱交換器内のガスケットに漏れが生じたときにそのガスケットを交換するコストよりも経済的に有利な方法を提供することである。他の目的は、この方法の適用を容易にし、同等の技術と比べて時間を節約することである。

本発明による方法の好ましい実施態様は、従属請求項２〜９によって示される特徴をさらに備えている。

本発明による方法の他の実施態様によれば、ガスケット材料の圧縮圧力は第１のセンサによって記録される。したがって、熱交換器内の圧力変化は、熱交換器の初期作動段階で検出することができる。圧力変化は、たとえばガスケットの摩耗や、各プレートが両側の端板間または圧力板間にしっかりと固定されていないことによって生じる。初期段階の圧力変化を監視することで、ガスケットからの、あるいはガスケットを経由した漏れが生じる危険性を最小限に抑えることができる。

本発明による方法の他の実施態様によれば、熱交換器内の流体圧力は、同じくガスケット材料に対する流体圧力を示す第２のセンサによって測定される。したがって、上記流体圧力の変化が検出される。このような第２のセンサを使用することで、熱交換器に過剰な圧力がかかっていないこと、すなわち、所定の上限値を超える圧力がかかっていないことを検査することも可能となる。特に過剰圧力を防止するために熱交換器内の流体圧力を監視することで、高圧による摩耗を回避することによって、熱交換器およびその構成部材の寿命を延ばすことが可能となる。流体圧力を正しく監視できるように、第２のセンサは、熱交換器内の流体と接触するように設置される。熱交換器の流体の最大圧力は通常、熱交換器の入口部に存在し、その後、圧力は熱交換器内で入口部からの距離に比例して低下する。このことは、第２のセンサの位置を熱交換器自体に限定する必要がないことを意味する。センサは、熱交換器自体ではなく、熱交換システムの直前の構成要素から熱交換器までの流路上の任意の所望の位置に設けることができる。熱交換器システムの直前の構成要素とは、熱交換器に流入する流体の特性、すなわち圧力に影響を与える可能性のある直前の構成要素として定義される。この直前の構成要素は、たとえば熱交換器に流体を供給するポンプであってもよい。

本発明による方法の他の実施態様において、様々なセンサによって記録された値はプロセッサで処理される。記録された値は、所定の設定値と比較されるための基準値、いわゆる差分圧力値を算出するために使用される。この比較によって、ガスケットが摩耗や損傷直前の状態にあることによって生じ得るあらゆる偏差を迅速に検出することができる。このような偏差が生じると、たとえばランプや他の信号など、注意を喚起させるための表示が作動される。したがって、熱交換器内のガスケットの交換を、漏れが生じる前に行うことができる。

本発明の他の目的は、熱交換器の流体圧力とガスケットの圧縮圧力とを同時に監視することを可能にする、ガスケットを備えた熱交換器用の装置を提供することである。

前述のおよび他の目的は、請求項１０によって示される特徴を備えた導入部に記載の熱交換器によって、本発明に従って実現される。

請求項１０の特徴記載部分によって装置によって与えられる利点は、熱交換器内で、流体の流体圧力とガスケットの圧縮圧力の両方を測定できることである。したがって、測定された圧力値の偏差を検出するために、上述の測定値と所定の設定値との差を測定することが可能となる。このような偏差は、損傷やガスケットからの漏れが生じていない場合でも、たとえばガスケットが摩耗し交換の必要があることを表示することができる。

本発明の他の目的は、ガスケットを備えた熱交換器における流体漏れの危険性を表示する装置であって、熱交換器内のガスケットに漏れが生じたときにそのガスケットを交換するコストよりも経済的に有利な装置を提供することである。他の目的は、この装置の組み立てを容易にし、かつ同等の技術と比べて時間を節約することである。

本発明による装置の好ましい実施態様はさらに、従属請求項１１〜１３によって示される特徴を備えている。

本発明による装置の他の実施態様では、第１のセンサは、プレートに設けられたガスケット用の溝内に配置され、ガスケットとプレートの間の圧力を監視するようにされている。したがって、ガスケットの圧縮圧力を監視することができる。センサをガスケット用の溝内に設けることの利点は、センサが外部の影響から保護されることである。センサをガスケット内に設けることの他の利点は、プレート同士が押し付けられるとセンサがガスケットとプレートの間に固定して設置され、それによってセンサが所定の位置に保持されることである。

本発明による装置の他の実施態様では、ガスケットの圧縮圧力を監視する第１のセンサは、流路を形成する伝熱プレートの間に設けられている。この流路は、熱交換器に流入する高温流体を最初に受入れる流路であってよい。このことは、流入する流体が熱交換器内で最高温度になり、したがって、ガスケットに与える影響も最大になるのがこの流路内であることを意味する。

以下に、本発明を理解するのに必要な構成要素のみを示す添付の概略図を参照して、本発明による装置および方法の好ましい実施形態について説明する。

図１は、特に熱交換器（２）を含む熱交換器システムを示している。熱交換器（２）は、入口ポートと出口ポート（図２参照）とを有するフレームプレート（３）と、圧力板（４）と、を有している。ガスケット（６）を備えた多数の伝熱プレート（５ａ，５ｂ，５ｃ等）が、フレームプレート（３）と圧力板（４）の間に位置している。以下では、伝熱プレート（５ａ，５ｂ，５ｃ等）を単にプレート（５ａ，５ｂ，５ｃ等）と呼ぶ。図２は、３枚のプレート（５ａ〜５ｃ）をプレート（５）の伝熱面（１０）が観察者の方を向くように垂直中心線（１４）の周りに９０度回転させて示すことによって、熱交換器（２）のガスケット（６）がどのように配置されているかを明確に示している。さらに、流体の流れが、図中に矢印（７）で概略的に示されている。

本発明の好ましい実施形態では、各プレート（５）は、各隅部に一つのポートが配置されるように４つのポート（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，および１１ｄ）を有している。各プレート（５）はさらに、伝熱面（１０）と、長手方向に延びる２つの縁部、すなわち左側縁部（８）および右側縁部（９）と、上側縁部（１２）と、下側縁部（１３）と、を有している。中心線（１４）は、（２つの上部ポート（１１，１１ｂ）の間、および２つの下部ポート（１１ｃ，１１ｄ）の間を）上側縁部（１２）から下側縁部（１３）まで延び、プレート（５ｃ）を二分割している。

ガスケット（６）は、プレート（５）のガスケット溝（図示せず）の中に収められ、プレート（５）の伝熱面（１０）の周り、およびプレートのポート（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，および１１ｄ）の周りを延びている。

図２の各プレートは、左から番号付けされており、第１のプレート（５ａ）がフレームプレート（３）の最も近くに位置している。センサ（１５ａ）が第３のプレート（５ｃ）に設けられている。センサ（１５ａ）（図３参照）は、ガスケット（６）とプレート（５ｃ）の両方に当たるようにガスケット（６）とプレート（５ｃ）の間に設けられている。センサ（１５ａ）は、プレート（５ｃ）の左上領域に、長手方向に延びる左側縁部（８）に沿って、左上ポート（１１ａ）の下側に設けられている。この領域では、ガスケットの損傷の原因となりうる、ガスケット（６）が受ける疲労要因が最大となる。疲労要因の例には、温度の変動、摩擦、流体の接触、および熱交換器の外部からの酸素の接触がある。酸素の接触によってガスケット（６）は乾燥し、それによって、ガスケット（６）にまず亀裂が生じ、その後完全に損傷する。

本発明の他の実施形態では、センサ（１５ｂ）がガスケットの斜部（１６）に沿って設置される。図２には、第３のプレート（５ｃ）の左上ポート（１１ａ）の頂部から、右上ポート（１１ｂ）の下方に、長手方向に延びる右側縁部（９）に向けて延びるガスケットの斜部（１６）が示されている。この配置では、センサ（１５ｂ）は、ガスケットの斜部（１６）の、プレート（５ｃ）の中心線（１４）より右側の部分に配置されることが望ましい。各プレートは通常、上部ポート（１１ａ，１１ｂ）間の領域に位置する吊り具（１７）を備えているため、センサを、ガスケットの斜部（１６）のうち、吊り具（１７）に最も近く、かつ中心線（１４）の左側に延びる部分に配置するのは望ましくない。これが望ましくないのは、センサに接近することが困難になるからである。

第２のセンサ（１５ｄ）（図１参照）が、熱交換器システム（１）の構成要素のうち、流れ方向に見たときに熱交換器の直前となる構成要素（１８）から熱交換器（２）までの流路上の任意の所望の位置に配置されている。熱交換器システム（１）の直前の構成要素（１８）とは、熱交換器（２）に流入する流体の特性、たとえば圧力に影響を与える可能性のある直前の構成要素（１８）として定義される。前述のように、この直前の構成要素（１８）は、たとえば熱交換器（２）に流体を供給するポンプの形態であってもよい。

本発明の好ましい実施形態では、前述の第２のセンサ（１５ｄ）（図１参照）は、熱交換器に流入する高温流体が監視されるように配置される。これは、高温流体用の流路内のガスケット圧力に対する高温流体の圧力が、漏れの危険性の有無についての評価が可能であるかどうかに関して重要であるためである。流入する低温流体を記録できることが用途によって望まれる場合には、流入する低温流体が監視されるようにセンサが配置される。これに応じて、低温流体用の流路内のガスケット圧力が監視される。

図２には、フレームプレート（３）と第１のプレート（５ａ）の間に形成された空間（１９）が示されている。この空間（１９）は排水され、絶縁層を構成している。したがって、第１の流路（２０ａ）（第１のプレート（５ａ）と第２のプレート（５ｂ）の間）に流入した流体は、第２のプレート（５ｂ）と第３のプレート（５ｃ）の間に形成された第２の流路（２０ｂ）に流入する流体との間で熱伝導をおこなうだけである。

本発明の好ましい実施形態によれば、各流路は交互に低温流体と高温流体を含んでいる。すなわち、第１の流路（２０ａ）は低温流体を含み、第２の流路（２０ｂ）は高温流体を含むといった具合である。

ガスケットを備えたプレートパッケージでは、ガスケットの摩耗が最も激しくガスケットが損傷する可能性が最も高くなるのは、フレームプレートまたは圧力板の最も近くに位置する流路内である。これは、これらの流路内のガスケットは温度が最も高くなり、かつ最も激しい温度変動を受けるためである。フレームプレートと圧力板の熱膨張係数が互いに異なるため、たとえば温度変動に対してプレート、ガスケット、フレームプレート、および圧力板が別々に動いて、これらの相互間に摩擦が生じる。したがって、フレームプレートおよび圧力板の近くに位置するプレートは、互いに近接配置されたすべてのプレートが同じように動くプレートパッケージ中央部のプレートほど容易には、このような動きに適応しない。したがって、上述の動きによって損傷する危険性が最も高くなるのは、流入する高温流体を最初に受入れ、かつフレームプレートまたは圧力板の最も近くに配置された流路内のガスケットである。

上記の説明から、本発明の好ましい実施形態では、センサ（１５ａ）（図２参照）がなぜ、プレート（５ｃ）の左上領域の、左上ポート（１１ａ）の下方に配置されるのかは明らかである。この領域は、温度が最も高く、熱膨張係数などの因子によって互いに隣接するプレート（５ａ〜５ｃ）やフレームプレート（３）の相互の動きが最大となり、それによって大きな応力が発生する。この領域のガスケット（６）は、熱交換器（２）の外部から酸素の作用にも曝される。

作動時には、ガスケットを備えた本発明のプレート熱交換器は以下のように機能する。

センサ（１５ａ）は、ガスケット（６）とプレート（５ｃ）とが互いに対して及ぼす圧力を監視する。前述のように、高温流体は、第３のプレート（５ｃ）の左上ポートから流入し、第２の流路（２０ｂ）内に分散される。流入する流体圧力は、流体が上述のようにプレート間に分散される前に、すなわち、熱交換器システム（１）の直前の構成要素（１８）から熱交換器（２）までの流路上の任意の所望の位置で（図１参照）監視される。

各センサからの測定値は、従来技術のプロセッサで記録され処理される。プロセッサは特に、流体圧力が、ガスケット（６）とプレート（５ｃ）が互いに及ぼす圧力を超えていないことを監視する。流体圧力がガスケット圧力より高い場合、ガスケット（６）からまたはガスケット（６）の周りで漏れが生じる危険性があることを意味している。流体圧力およびガスケット圧力について得られた値は、これらの圧力の比、いわゆる差分圧力値を算出するために使用される。差分圧力値の変化が設定値とも呼ばれる許容限界値を超えた場合、インジケータが作動する。インジケータの目的は、プロセスを停止し、システムに必要な補修作業を施すことができるように注意を促すことである。

本発明の他の実施形態では、センサ（１５ｃ）は第３のプレート（５ｃ）ではなく、第２のプレート（５ｂ）に配置される。センサは、前述のようにガスケット（６）とプレート（５ｂ）の間に設けられている。すなわち、センサ（１５ｃ）は、第２のプレート（５ｂ、図２参照）の左上領域の、左上ポート（１１ａ）より下方かつガスケットの斜部（１６）より上方の位置において、長手方向に延びる左側縁部（８）に沿ったガスケット（６）の下に配置されている。センサ（１５ｃ）は第２のプレート（５ｂ）に連結されているため、第３のプレート（５ｃ）に隣接する第２のプレート（５ｂ）の側で起こる圧力変化に対しても反応する。

本発明の他の実施形態（図示せず）では、ガスケットの切片が、上述の熱交換器内の支配環境に相当する環境に配置される。熱交換器内のガスケットの状態をこのようにして模擬することによって、熱交換器のすぐ近くに位置する必要なしに、熱交換器内に配置されたガスケットから流体が漏れる危険性を監視し評価することができる。

本発明は、言及された実施態様に限定されず、その一部について上述した特許請求の範囲内で変更し、修正することができる。

いくつかの接続配管と、機能上、流入する流体の特性、すなわち流体圧力に影響を及ぼしうる直前の構成要素である構成要素と、を含む熱交換器を有する熱交換器システムの概略図である。 フレームプレートと、圧縮板と、これらの間に設けられた多数の伝熱プレートおよびガスケットと、を含む、本発明による熱交換器の一部を示す図である。理解を容易にするために、最初の３枚のプレートの伝熱面は読者の方に向けてある。 プレートとガスケットの間にセンサが設けられた、プレートおよびガスケットの横断面図である。

Claims (4)

1. 各々がガスケットを有する互いに積層された多数の伝熱プレートを有する熱交換器における、前記ガスケットの機能性を評価する方法において、
   前記ガスケットの圧縮圧力を第１のセンサによって測定し、
   前記熱交換器内の流体圧力を第２のセンサによって測定し、
   測定された前記ガスケットの前記圧縮圧力と、測定された前記流体圧力との差分圧力値を算出し、
   前記差分圧力値を所定の設定値と比較して偏差を検出し、
   前記偏差が検出されたときにインジケータを作動させることを特徴する方法。
2. 各々がガスケットを有する互いに積層された多数の伝熱プレートを備えた熱交換器であって、互いに隣接する伝熱プレート間に高温流体用の流路および低温流体用の流路が形成された熱交換器の作動状態を監視する装置であって、
   前記ガスケットの圧縮圧力を測定する第１のセンサと、
   前記熱交換器内の流体圧力を測定する第２のセンサと、
   前記第１のセンサおよび前記第２のセンサによる測定結果に基づく前記ガスケットの前記圧縮圧力と前記流体圧力との差分圧力値を計算し、前記差分圧力値を所定の設定値と比較して偏差を検出して前記偏差が検出されたときにインジケータを作動させる、プロセッサと、を有し、
   前記第１のセンサは、前記熱交換器内の前記ガスケットの近傍に位置しており、
   前記第２のセンサは、前記熱交換器の外側であって該熱交換器に流入する流体の流路に位置している、装置。
3. 前記第１のセンサは、前記ガスケット用の溝内に配置され、前記ガスケットと前記伝熱プレートとの間に挟まれている、請求項２に記載の装置。
4. 前記第１のセンサは、前記高温流体用の流路を形成する前記伝熱プレートの間に位置している、請求項２に記載の装置。

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