JP5473188B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器、特に一群の熱交換通路を有する熱交換ブロックを備え、これら熱交換通路の少なくとも一部との間に連通流路を形成するようにヘッダが熱交換ブロックの表面の少なくとも一部の領域を覆って配置され、該ヘッダの端面には流路開口が形成されていると共に該流路開口には外部へ通じるソケット管路のヘッダ側端部が対峙しており、熱交換ブロックのヘッダで覆われた表面に対して流路開口がほぼ直角に配置されている形式のプレート式熱交換器に関するものである。

プレート式熱交換器の個々の熱交換ブロックは、分離板によってそれぞれ相互に限定された複数層の熱交換通路を備えている。周囲を囲む端縁帯板と両側面の被覆板によって個々の熱交換ブロックの外枠が形成されている。熱交換通路の層の内部には、異なる物質流ごとに熱交換通路を相互分離する別の分離板が設けられていることもある。

組立に際して、各板部材を緩く嵌め合わせて組み立てられた熱交換ブロック構造体は次に蝋付炉において蝋付され、全ての部材が互いに密に結合される。引き続き、熱交換通路の入口孔及び出口孔の上にそれぞれヘッダが溶接され、これらのヘッダは流路開口を備えている。ヘッダとして、通常は半円筒形シェルが用いられる。流路開口は外部へ通じる管路、即ち、ソケット管路のヘッダ側端部に形成され、この管路はヘッダの半円筒形シェルに対して入口孔もしくは出口孔と対面するように配置されている。流体流れの給排用の外部管路がこれらのソケット管路に接続される。

分離板を適正に配置することによりプレート式熱交換器は多くの流体流れの同時的熱交換に供することができる。この場合、個々の流体流れのために対応するヘッダを熱交換通路の各入口孔及び出口孔に取付けて外部管路を接続することができるが、従来のプレート式熱交換器ではこのための配管が極めて複雑となり、配管作業に多大な手間を要するものとなっていた。

本発明で対象とするプレート式熱交換器は多数の熱交換通路を有する熱交換ブロックを備えている。熱交換通路は特定の群に区分することができ、個々の群の熱交換通路にはそれぞれ或る特定の流体流れが導かれる。個々の群の熱交換通路への流入孔もしくはそこからの流出孔には、これらの熱交換通路の間に連通流路が形成されるようにそれぞれヘッダが装着されている。

集合器とも称されるヘッダは熱交換ブロックの一表面を少なくとも部分的に覆うと共にこの表面との間で密閉空間を形成し、この空間に個々の群の熱交換通路の入口孔又は出口孔が連通している。ヘッダは流路開口を備えており、この流路開口は熱交換ブロックのヘッダで覆われた表面に対してほぼ直角に配置されている。

特許文献１及び２には、流路開口、即ち、外部管路との間で流体流れを供給又は排出するソケット管路に対するヘッダの流路開口を、熱交換通路の対応する入口孔又は出口孔が設けられている面にほぼ直角な平面内に配置することが開示されている。即ち、流路開口はこれらの入口孔又は出口孔に直接対面配置されていない。
欧州特許出願公開第１４５２８１７号明細書 欧州特許出願公開第１４７１３２２号明細書

これらの公知の形式の熱交換器では、ヘッダ、特に流路開口をこのような配置とすることにより、互いの端面同士を向かい合わせにして隙間を介して並置された二つの熱交換ブロックの同一平面内に位置する各表面に全ての流路開口を設けることが可能になる。しかも、多くの場合、各熱交換ブロックの同じ側の表面に全ての流路開口が存在するようにプレート式熱交換器を構成することさえも可能である。この場合、互いに熱交換する物質流を給排するための外部管路はもはや手間をかけて熱交換ブロックの周囲に配管する必要がなく、配管コストを本質的に低減することが可能である。ヘッダは外部から流入する流体流れを各熱交換器ブロックの熱交換通路に分配し、或いはこれら熱交換通路から流出する流体流れを集合する機能を果たすだけでなく、外部管路に接続されたソケット管路との間で対応する流体流れの給排を行う機能も果たす。

本発明の課題は、冒頭に指摘した形式のプレート式熱交換器を更に改善し、ヘッダ内に流入した流体流れに剥離渦流が発生することを防止して熱交換通路への均一な分配を可能とするプレート式熱交換器を提供することである。

この課題は、本発明によれば、冒頭に指摘した形式のプレート式熱交換器において、外部へ通じるソケット管路内のヘッダ側端部の直前に流体案内手段を配置することによって解決される。

本発明者らの知見によれば、冒頭に指摘した形式のプレート式熱交換器における流路開口部分、即ち熱交換ブロックの稜縁におけるソケット管路とヘッダとの間の移行部で、熱交換通路内への流れに不均一な分配をもたらす剥離渦流を生じる場合があることが判明した。この不均一な分配は熱的低出力をもたらし、機器に付加的な熱応力も与えることがあるので回避されなければならない。本発明によれば、ソケット管路の熱交換ブロック側の端部、即ち流路開口が位置する管路端部の直前に流路案内手段が配置されている。驚くべきことに、ソケット管路内のこのような比較的簡単な誘導構造によって剥離渦流を熱交換通路から遠ざけることができ、その結果としてヘッダ内での流体流れの分配を本質的に均一な形態に改善することが可能になる。

流路案内手段は、外部へ通じるソケット管路のヘッダ側端部の直前に配置されている。流路開口側に向いた流路案内手段の端部と流路開口との間に僅かな間隔を設けることも可能である。この間隔は、いずれにしても外部配管へ通じるソケット管路の長さに比較して僅かであり、好ましくは該管路の内径よりも遙かに小さく、好適には１００ｍｍ未満、特に好適には１０ｍｍ未満である。ソケット管路が比較的短い場合、流路案内手段はほぼ或いは完全にソケット管路の全長に亘って延在させてもよい。

好ましくはヘッダは半円形の横断面形状を有し、特に半円筒形シェルがヘッダとして好適である。ヘッダをこのように半円筒形シェルとして構成すると、流路開口はシェルの両端面のうち一方の半円形端面に位置することになる。強度上の理由から、他端側の端面は半円筒形シェルの長手方向に対して直角ではなく、例えば斜めに向けておくと有利なことが多い。

本発明は、互いの端面同士を向かい合わせにして隙間を介して並置された複数の熱交換ブロックを備えたプレート式熱交換器にも適用することができる。この場合、各熱交換ブロックは特許文献１又は２に述べられている形式で互いに連結される。隣り合う熱交換ブロックの端面間の隙間は薄板又は帯板によって閉鎖状に覆われ、並置された複数の熱交換ブロックに装着されたヘッダ同士の互いに対面する端面間の間隙が各熱交換ブロックの前記表面と前記薄板又は帯板によって完全に覆われるようにすることが好ましい。２つの熱交換ブロックの各ヘッダを１つの半円筒形パイプで結合する代わりに、１つの完全な円形断面のパイプ（円筒形パイプ）によって結合することもできる。その場合、特に第１の熱交換ブロックの稜縁部から第２の熱交換ブロックの稜縁部に至る平らなプレートの形態で場合によってはプレートと各稜縁部との間に僅かな隙間を開けて本発明に係る流路案内手段をこの結合パイプ内にも挿入配置することが好ましい。

基本的に、流路案内手段はあらゆる好適な形状とすることができ、例えば湾曲プレートで構成することもできる。但し、流路案内手段は少なくとも１つの平らなプレート、例えば単一の平らなプレート又は２枚以上の互いに結合された平らなプレートで構成すれば、製造技術上一層好ましい。複数枚の平らなプレートで構成する場合、各プレートは好ましくは互いに傾斜角をもって接続される。

好ましくは、流路案内手段を形成する平らなプレートは開口部を有している。最も単純な場合、流路案内手段は多数の穿孔を有する単一の平らなパンチングプレートで構成される。

これに代えて、単一又は全ての平らなプレートを全く或いは実質的に穿孔の無い剛性プレートで構成することもでき、この場合、プレート面積に占める穿孔の開口面積の割合は２０％未満、好ましくは１０％未満である。

また、流路案内手段の少なくとも熱交換ブロック側に向いた端部領域をプレートとして構成することも有利であり、その場合、このプレート部分の熱交換ブロック側の端縁を熱交換ブロックの稜縁（４）又はその近傍で成端すると共にソケット管路の中心軸線上に配置することが好ましい。このような構成とすることにより、ヘッダ内における熱交換ブロックの稜縁での剥離渦流の生成を特に効果的に防止することができる。

ここで、プレート部分の成端位置に関して用いた「近傍」という用語は、プレート部分の熱交換ブロック側の端縁と該熱交換ブロックの稜縁との間の間隔がいずれにせよソケット管路の内径よりも遙かに小さく、例えば１００ｍｍ未満、特に好ましくは１０ｍｍ未満であることを意味する。

本発明の特徴とその詳細を図示の実施形態と共に詳述すれば以下の通りである。

図１と図２に本発明の一実施形態によるプレート式熱交換器の一つの熱交換ブロックが互いに直交する方向から見た概略の構成図で模式的に示されている。このプレート式熱交換器はそれぞれ多数の熱交換通路を有する複数の熱交換ブロック１を備えているが、図には一基の熱交換ブロックのみを示し、また熱交換ブロック内の熱交換通路は図を見易くするために省略してある。個々の熱交換ブロック１における一群の熱交換通路の入口孔は該熱交換ブロック１の上壁３の一部の表面領域２に整列して配置されている。上壁３に溶接された半円筒形ヘッダ６がこれらの入口孔を覆っている（当然のことながら、この熱交換ブロックには別のヘッダが別の入口孔や出口孔を覆って装着されているが、それらは上記と同様の理由で図示を省略してある）。

ヘッダ６は半円形の断面形状を有する半円筒形シェルとして構成され、その一端の半円形の端面８が「流路開口」を形成している。ヘッダ６の端面８の部分にソケット管路１２が接続されており、熱交換器の作動時には、図示しない外部管路からこのソケット管路を介して図１の左方から右方へ熱交換通路に導入されるべき流体が流入する（図示しないが、図１においてソケット管路１２の左方には外部管路が接続されている）。ソケット管路１２はヘッダ６の端面８部分に対して外部から密封された状態で連結されており、流入してくる流体はソケット管路１２を介して流路開口としての端面８からヘッダ６内に流入し、ヘッダ６内で熱交換ブロック１の対応する熱交換通路に分配される。

本発明によれば、ソケット管路１２は円筒パイプであり、その内部に「流路案内手段」としての誘導プレート２３が設置されている。この誘導プレート２３は、例えば１枚平らな金属プレートで構成することができる。

図１に示す実施形態においては、誘導プレート２３はソケット管路の中心軸線上において熱交換ブロック１の上壁３の表面と平行に配置されており、従ってその一端縁は熱交換ブロック１の稜縁４に直接対峙している。誘導プレート２３の熱交換ブロック側の端縁は該熱交換ブロックの稜線部分に溶接してもよいが、図１に示すように、誘導プレート２３と熱交換ブロック１との間に１００ｍｍ未満、好ましくは１０ｍｍ未満、例えば約５ｍｍ程度の小さな間隙５が残されていることが望ましい（図２においては、誘導プレート２３はソケット管路２内で熱交換ブロック１の上部稜縁に重なっているので明確には認めることができない）。

誘導プレートは上記以外の形態とすることもできるが、いずれにせよその熱交換ブロック側の端縁は該熱交換ブロックの稜縁４又はその近傍で成端していることが望ましい。幾つかの別形態の流路案内手段の例を他の図面に示してある。図３は、ソケット管路の中心軸線に対して傾斜配置された単一の誘導プレート２４の例であり、図４は、相対的に傾斜した２枚の誘導プレート２５、２６の例であって、これら２枚のプレートは途中に１つの稜線を形成するように互いに接合されている。これら両プレート２５、２６を単一の平板素材から例えば曲げ加工によって一体成形してもよい。

尚、図示の例に代えて、ソケット管路１２を熱交換ブロック１の他方の稜縁１０側に配置してもよく、またヘッダ６を熱交換ブロック１の長辺側の壁面１１上に延在配置することも可能である。

本発明の一実施形態によるプレート式熱交換器の一つの熱交換ブロックにおけるヘッダとソケット管路の配置構成を略示する模式側面図である。 図１の配置構成の模式正面図である。 本発明の別の実施形態によるプレート式熱交換器の一つの熱交換ブロックにおけるヘッダとソケット管路の配置構成を略示する模式側面図である。 本発明の更に別の実施形態によるプレート式熱交換器の一つの熱交換ブロックにおけるヘッダとソケット管路の配置構成を略示する模式側面図である。

符号の説明

１：熱交換ブロック
２：上壁の一部の表面領域
３：上壁
４：稜縁
５：間隙
６：ヘッダ
８：ヘッダ端面（流路開口）
１０：稜縁
１１：長辺側壁面
１２：ソケット管路
２３〜２６：誘導プレート（流路案内手段）

Claims (8)

1. 一群の熱交換通路を有する熱交換ブロック（１）と、
   これら熱交換通路の少なくとも一部との間に連通流路を形成し、前記熱交換ブロックの表面（３）の少なくとも一部の領域を覆って配置されるヘッダ（６）と、該ヘッダの端面には流路開口（８）が形成され、前記熱交換ブロックのヘッダで覆われた表面に対して前記流路開口（８）がほぼ直角に配置され、
   前記ヘッダの外部に配置され、該流路開口（８）にヘッダ側端部が対峙し外部へ通じるソケット管路（１２）と、
   前記ソケット管路（１２）内に配置される少なくとも一つの平らなプレート（２３、２５、２６）を有する流体案内手段と、を備え、
   前記プレート（２３、２５、２６）は、前記熱交換ブロック（１）の稜縁（４）に向かって伸びるよう、前記熱交換ブロック（１）の表面（３）と平行に配置されており、
   前記プレート（２３、２５、２６）の一端縁は、熱交換ブロック（１）との間に間隙（５）が残されるよう、熱交換ブロック（１）の稜縁（４）又はその近傍に配置されていることを特徴とするプレート式熱交換器。
2. ヘッダ（６）が半円形の横断面形状を有することを特徴とする請求項１に記載のプレート式熱交換器。
3. プレート式熱交換器が複数の熱交換ブロックを有し、ヘッダが前記複数の熱交換ブロックの熱交換通路同士の間に連通流路を形成していることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載のプレート式熱交換器。
4. 前記流体案内手段が単一の平らなプレート（２３）によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載のプレート式熱交換器。
5. 前記流体案内手段が相対的に傾斜した少なくとも２つの平らなプレート（２５、２６）によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載のプレート式熱交換器。
6. 前記少なくとも一つの平らなプレート（２３、２５、２６）が開口部を有することを特徴とする請求項１、４〜５のいずれか１項に記載のプレート式熱交換器。
7. 前記少なくとも一つの平らなプレート（２３、２５、２６）が剛性プレートからなることを特徴とする請求項１、４〜６のいずれか１項に記載のプレート式熱交換器。
8. 前記プレート（２３、２６）は、熱交換ブロック（１）側の端縁がソケット管路の中心軸線上に配置されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のプレート式熱交換器。

Images