JP5671013B2 - 熱交換器のプレート束を製造する方法及びプレート式熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、高圧及び／又は高温で動作する熱交換器のコンパクトなプレート束を製造する方法に関する。本発明はまた、そのような方法によって製造される少なくとも１つのプレート束を含むプレート式熱交換器に関する。

このタイプの熱交換器のプレート束は一般的に、互いに対して平行であり、かつ少なくとも２つの独立した流体を循環させる回路を間に画定するプレートの積層体を含む。

プレート間の流体の循環は、交差する流れ又は向流を有する収束するタイプのものとすることができ、各回路は流体の流入マニホールド及び戻りマニホールドに接続されている。

プレート束のプレートには様々な手段が備え付けられており、これらの手段を用いて、流体間の熱交換係数を増加させることができる。

このために、平坦なプレートの束が公知であり、これらの間に、薄い金属板を折り曲げることによって作製され、プレートに蝋付けすることによって組み付けられているフィンが介装されている。

例えば６００℃を超える高温用途では、金属フィラー及び薄いフィンの使用は問題を引き起こす可能性がある。

実際、金属フィラーは、ベース金属よりも低い融点を有する。ベース金属の熱機械的特性とは異なる熱機械的特性を有する金属フィラーを使用することでプレート束の温度が制限されて、接合部において脆弱な点を生じる。さらに、フィンは非常に薄く、例えば０．５ｍｍ未満の厚さを有するため、蝋付け中の粒子の成長が機械的な観点から致命的欠陥となることが判明するであろう。

チャネルが彫り込まれているプレートの積層体からなるプレート束も公知である。

彫り込むことは、エッチングされるべきではない部分に保護マスクを位置決めした後でプレートを化学エッチングすることによって達成される。プレートは、エッチングされると、溶接、特に拡散溶接によって組み付けられる。

この技術を用いてプレート束を作製することは、適用が複雑であり、問題を引き起こす。

ニッケルベース合金を含むプレートを化学エッチングすることは非常に難しく、製造業者は、時間及びコストがかかり、プレートにチャネルを形成するための幾何学的な余地をあまり残さない機械加工技術を用いる。

その上、ニッケルベース合金の拡散溶接の場合、材料を強力に加熱することが必要である。実際、これが熱間等静圧圧縮による実施の形態であろうと又は軸方向に均一な圧縮による実施の形態であろうと、組み付けられることになるプレートは１０００℃を超える温度になるため、この熱処理によって粒子が成長し、金属シートの小さい厚さと適合しなくなる。

この技術によって得られるプレート束は、プレートが交換領域全体において一緒に溶接されているので高い剛性を有し、またこの理由から、熱過渡に対してあまり耐性がない。

これらの２つのタイプのプレート束の別の欠点は、溶接又は蝋付けされる接合部が、交換領域全体においてサイズの小さいチャネル間に作られ、これによって製造中であろうと又はプレート束の使用中であろうと、これらの接続部の検査が不可能になることである。

関連するプレートを用いて２つの独立した対向して流れる流体の２重の回路を形成し、平滑な表面を有する縁部と波形部が設けられている中央部とを有し、互いに対して平行な金属熱交換プレートの積層体からなるプレート束が例えば、フランス特許第２７３８９０６号明細書からも公知である。

このタイプのプレート束のプレートの組み付けは、プレート間に必要なスペースを得るためにプレートの縁部に位置する一組のスペーサーを用いた溶接によって、又は、それ自身が各プレートの長手方向縁部に溶接されて次いで一緒に溶接される、スペーサーとして働く追加部品を溶接することによって達成される。

この第１のケースでは、スペーサーの使用が溶接部の数の増加につながり、これらの溶接部は、プレート束の側壁への溶接壁の組み付け後及び堆積後も検査することが難しい。

この第２のケースでは、追加部品の使用が同様に溶接部の数の増加につながり、プレート束の内部に位置する溶接部は製造中にしか検査することができない。さらに、溶接部の幅はプレート間の距離の下限となる可能性があり、したがってプレート束のコンパクト化を制限する。

本発明の目的は、前述した欠点を回避すると共に、異なるプレートを一緒に組み付けるために必要とされる溶接部の数を大幅に減らすことができるように用いられる、高温熱交換器のコンパクトなプレート束を提案することである。

従って、本発明の目的は、２つの独立した流体を循環させる少なくとも２つの回路を間に画定するプレートの積層体によって形成され、波形部が設けられている中央熱交換部分を含む、熱交換器のコンパクトなプレート束を製造する方法であって、
各プレートの初期厚さを加工によって低減し、一方でプレートの周囲及び／又は貫通管に、加工後にプレートの厚さよりも大きい高さを有する少なくとも１つの接続シューを形成し、
波形部を各プレートの中央部分に形成し、
プレートの接続シューを互いの上方に位置決めすることによってプレートを対にして重ね合わせ、
各対のプレートと接触している接続シューを封止溶接ビードによって一緒に接続し、
プレートの対の接続シューを互いの上方に位置決めすることによってプレートの対を重ね合わせ、
プレートの対と接触している接続シューを、封止溶接ビードによって、流体の流入又は流出のための開放端又は閉鎖端を交互に重ね合わせて配置することにより一緒に接続することを特徴とする。

本発明の他の特徴によれば、
各プレートの初期厚さをプレートの少なくとも一方の面を加工することによって低減し、
各プレートの初期厚さをプレートの両面を加工することによって低減し、
波形部を、スタンピング又は成形によって各プレートの中央部分に形成し、
加工後のプレートの厚さは０．２ｍｍ〜３ｍｍであり、
加工後に、接続シューの高さは、波形部の上下幅によって決まり、好ましくは０．５ｍｍ〜５ｍｍであり、
加工後の接続シューの厚さは１ｍｍ〜６ｍｍである。

また、本発明は、内圧に耐える外壁を含むタイプのプレート式熱交換器であって、上記のように規定された方法によって製造される少なくとも１つのプレート束が内部に配置されたプレート式熱交換器である。

本発明は、例として与えられる、添付の図面を参照してなされる以下の説明を読めばより良く理解されるであろう。

図１Ａ及び図１Ｂからなり、本発明による方法によって製造されたプレート束を含む例示的な熱交換器の軸方向断面図である。 図１の熱交換器のプレート束の概略斜視図である。 プレート束の一対のプレートの概略図である。 図４Ａ〜図４Ｄからなり、プレート束のうちの１枚のプレートの概略断面図であり、本発明による製造方法の第１の実施形態の異なるステップを示す。 図５Ａ〜図５Ｄからなり、プレート束のうちの１枚のプレートの断面図であり、本発明による製造方法の第２の実施形態の異なる断面を示す。 代替的なプレート束を製造する方法の異なるステップを示す概略断面図である。 代替的なプレート束を製造する方法の異なるステップを示す概略断面図である。 代替的なプレート束を製造する方法の異なるステップを示す概略断面図である。 代替的なプレート束を製造する方法の異なるステップを示す概略断面図である。

図１に示されている熱交換器１は、本発明による製造方法によって製造されたプレート束の設置の非限定的な実施形態を示すために一例として与えられている。

熱交換器１は、第１の流体と第２の流体との間の熱交換を達成するために、原子炉において概ね６００℃を超える高温で用いられることが意図されている。

第１の流体は、原子炉の一次流体であり、原子炉内を閉ループで循環する。第１の流体は、原子炉の図示しない炉心を横断し、次いで熱交換器１を横断し、最終的には炉心の入口に戻る。一次流体は、原子炉の炉心において加熱され、例えば約８５０℃の温度で原子炉の炉心から流出する。一次流体は、その熱の一部を熱交換器１において二次流体に渡し、例えば約４００℃の温度で熱交換器１から流出する。

第２の流体は、原子炉の二次流体であり、原子炉内を閉ループで循環し、熱交換器１を横断し、次いで、発電機を駆動する図示しないガスタービンを通過し、熱交換器１の入口に戻る。二次流体は、例えば約３５０℃の温度でこの熱交換器１に入り、例えば８００℃の温度で熱交換器１から流出する。

熱交換器１は、
一次流体の入口３及び出口４と、二次流体の４つの入口５及び４つの出口６とが設けられた、実質的に垂直な中心軸Ｘを有する外壁２と、
一次流体と二次流体との間の熱交換が達成される、外壁２内に位置する８つのプレート束４０と、
プレート束４０に一次流体を供給するリング形状のマニホールド７と、
プレート束４０に二次流体を供給するマニホールド８と、
プレート束４０から流出する一次流体を収集及び排出するリング形状のマニホールド９と、
プレート束４０から流出する二次流体を収集及び排出する中央のマニホールド１０と、
二次流体をマニホールド８内へ分配する入口チャンバー１１、及びマニホールド１０から流出する二次流体を出口６へ分配する出口チャンバー１２と、
一方ではマニホールド７及び９間で一次流体を流すと共に他方では入口３及び出口４間で一次流体を流す下側内部設備１１と、
外壁２に取り付けられた、一次流体を循環させるファン１４と
を備えている。

外壁２は、内部にプレート束４０及びマニホールド７、８、９、１０が位置するタンク２０を含み、タンク２０は、上部に向かって孔２１と、タンク２０の孔２１を封止する取り外し可能な蓋２２とを有している。二次流体の入口５は、タンク２０の上部に形成され、タンク２０の同じ外周にわたって等間隔に分散している。

二次流体の出口６は、タンク２０の上部の、入口５の僅かに下方に形成され、このタンクの同じ外周にわたって等間隔に分散している。

タンク２０は、下側部分に単一の栓を備え、この栓を通って一次流体の入口３及び出口４が形成されている。入口３及び出口４は同軸上にあり、出口４は入口３を囲んでいる。

タンク２０は、軸Ｘ上に中心がある円形の中心孔を有する凸状の底部によって底部に向かって閉鎖されており、底部内にはファン１４が取り付けられている。

図２及び図３において分かるように、プレート束４０は、図２において塗りつぶし矢印によって示されている第１の流体Ａと、この図において中抜き矢印によって示されている第２の流体Ｂとである２つの流体を循環させるように、プレート間に２つの回路を画定しているプレート４１の積層体によって形成されている。第１の流体及び第２の流体は、積層体の２つのプレートのうち一方のプレートを交互に循環する。

各プレート４１は、流体間の熱交換を促進するチャネル４３を間に定める波形部４２が設けられた中央熱交換部分を含んでいる。

概して、波形部４２は、プレートを変形させることによって得られるパターン、例えばパッド、リブ、インサート、又は他のパターンによって形成されている。

プレート束４０を形成する積層体の２つのプレートのうち一方のプレート４１において交互に第１の流体及び第２の流体が内部を循環するチャネル４３の開放端４６又は閉鎖端４７を定めるために、各プレート４１は、そのそれぞれの長手方向縁４１ａ及び／又は横方向縁４１ｂ上に突出した連続的なシュー４５又は幾つかの不連続的なシュー４５を含んでいる。長手方向縁４１ａ及び／又は横方向縁４１ｂ上のシュー４５の配置は、プレート束４０のプレート４１間の流体が流れる方向に依存し、図示しない流体流入マニホールド及び流体流出マニホールドの配置にも依存する。

図３に示されている長手方向縁４１ａ及び／又は横方向縁４１ｂ上のシュー４５の配置は、例示的な実施形態であり、当然ながら他の配置を検討することができる。

ここで図４及び図５を参照して、プレート束４０を製造する方法の２つの実施形態を説明する。

図４Ａに示されているように、プレート４１は、最初は平坦であり、一定の厚さを有している。

方法の第１のステップは、プレート４１の周囲にプレート４１の長手方向縁４１ａ及び／又は横方向縁４１ｂ上のシュー４５を形成することによってプレート４１を得るために、プレート３０の初期厚さを好ましくは機械加工することによって低減することからなる。例えばフライス加工による機械加工をプレート４１の少なくとも一方の面に行う。

図４に示されている第１の実施形態によると、プレート３０の厚さの低減は、図４Ｂに示されているように外側領域４６ａ及び４６ｂの両方を除去した後で中心領域４６を維持するようにプレート３０の両面を機械加工することによって達成される。ハッチングがかけられていない領域は、除去された材料を表している。

次に、方法の第２のステップは、各プレート４１の中央部分に波形部４２を形成することからなる。

それによってプレート４１を形成すると、シュー４５を互いに重ねて位置決めすることによってプレート４１を対にして重ね合わせ、各対のプレート４１と接触しているシュー４５を、図４Ｄに示されているように封止溶接ビード５０によって接続する。

次に、プレート４１の対を、プレート４１の対のシュー４５を互いの上方に位置決めすることによって重ね合わせ、接触しているシュー４５を封止溶接ビード５０によって一緒に接続する。

図５に示されている第２の実施形態によると、プレート４１を得るために、プレート３０の初期厚さを、図５Ａに示されているようにプレートの片方の面を機械加工することによって低減する。ハッチングがかけられていない領域は、除去された材料を表している。

この場合、１つの外側領域４６ａが除去され、残りの中心領域４６がシュー４５の縁に位置付けられているが、前述の実施形態では、シュー４５は残りの中心領域４６の両側に延びている。この第２の実施形態では、方法の後続のステップは、前述の実施形態のステップと同一であり、プレート４１の中央部分に波形部４２を形成することと、次いでプレート４１を対にして重ね合わせることと、各対のプレートと接触しているシュー４５を封止溶接ビード５０によって接続することとからなる。

次いで、プレートの対を、プレート４１の対のシュー４５を互いの上方に位置決めすることによって重ね合わせ、プレート４１の対と接触しているシュー４５を封止溶接ビード５０によって接続する。

各プレート４１の加工は、例えばフライス加工による加工であり、各プレート４１の中央部分における波形部４２は、例えばスタンピング又は成形によって形成される。

一例として、加工後、プレート４１の厚さｅ１は０．２ｍｍ〜３ｍｍであり、シューの高さｈ１は０．５ｍｍ〜５ｍｍであり、シュー４５の厚さｅ２は２ｍｍ〜４ｍｍである。プレート４１の両側（図４Ｃ）又はプレート４１の片側（図５Ｃ）に位置するシュー４５の踵部４５ａの高さｈ２は０．２ｍｍ〜３ｍｍである。

概して、シューの高さは、波形部の上下幅によって決まる。

種々のシュー４５の高さは、シュー４５がプレート束の低温側にあるのか若しくは高温側にあるのか、又は両方の流体の流入用のマニホールド若しくは流出用のマニホールドの低温側に位置するのか若しくは高温側に位置するのかに応じて、必ずしも等しくなくてもよい。

好ましくは、プレート４１は、２つずつ組み付けられて溶接され、それによって、同一の寸法を有する形成されたプレートの対が最終的な積層体を形成するように、次いで組み付けられて溶接される。この方法を用いると、溶接中に生じる収縮の問題を考慮する必要を回避することが可能となる。実際、予め溶接されている積層体に対してプレートを１つずつ追加することによって積層体を形成する場合、溶接されるべき新たなプレートは、溶接に起因する収縮のために、既に溶接されているプレートと同じ寸法を有さない。

プレート束４０と関連する流体の図示しない流入用のマニホールド及び図示しない流出用のマニホールドは、プレート束４０に直接一体化することができるか、又は追加形状を有し、対応するプレート束４０に溶接されている任意のタイプのものとすることができる。

図６〜図９には、プレート束４０の別の例が示されており、プレート束４０の各プレート４１は、本発明による方法によって製造される。

この例示的な実施形態において、プレート束は、マニホールドを形成するための貫通管を有するタイプのものである。

この場合、プレート束４０のプレートは２つずつ、すなわち上側プレート６１と下側プレート６２とが関連付けられている。

この場合も同様に、材料の一部を除去して、各プレート６１又は６２の得られるべき厚さに相当する決まった厚さの部分を維持するために、各プレート６１及び６２の両面を機械加工する。１つ又は複数のシュー６３をプレート６１の長手方向縁及び／又は横方向縁上に形成し、１つ又は複数のシュー６４も同様にプレート６２の長手方向縁及び／又は横方向縁上に形成する。ハッチングがかけられていない領域は、除去された材料に相当する。この例示的な実施形態では、シュー６３及び６４は、対応するプレート、それぞれ６１及び６２の、シュー６３の場合にはプレート６１の下方、またシュー６４の場合にはプレート６２の上方である一方の面にしか延びない。

図６に示されているように、第２の流体Ｂの入口オリフィス６５がプレート６１及び６２のそれぞれに穿孔されており、この第２の流体Ｂの出口オリフィス６６もプレート６１及び６２に穿孔されている。入口オリフィス６５及び出口オリフィス６６はそれぞれ、シュー６７及び６８によって境界が定められている。

入口オリフィス６５及び出口オリフィス６６は、重ね合わせられると貫通管を形成する。

次に、各プレート６１及び６２の中央部分に波形部６９を形成し、これらのプレートを対にして重ね合わせる。互いに接触しているシュー６３及び６４を封止溶接ビード７０によって接続する。

それによって形成されたプレート６１及び６２の対を重ね合わせ、重ね合わせたプレート６１及び６２の対と接触しているシュー６３及び６４も封止溶接ビード７０によって接続する。

図９に示されているように、各オリフィス６５及び６６の周りで接触しているシュー６７及び６８も、封止溶接ビード７０によって溶接する。それによって形成されたプレート６１及び６２の積層体を、プレート６１及び６２の対に対して平行に延びる２つの厚い対向するプレート７１及び７２のそれぞれの間に取り付ける。

図９に示されている例示的な実施形態では、プレート６１及び６２の積層体は、プレート束４０の側面に、第１の流体Ａを流入させる流入領域Ａ１を、またその反対の面に、この第１の流体Ａがプレート束４０の対応する回路を通った後で第１の流体Ａを流出させる流出領域Ａ２を配置している。第１の流体Ａは、２つの対のうち一方のプレートの対の２つの隣接するプレート６１及び６２間に作られたチャネル内を循環する。流入領域Ａ１は、第１の流体Ａを流入させるための図示しないマニホールドに接続されており、流出領域Ａ２は、第２の流体Ａを流出させるための図示しないマニホールドに接続されている。

プレート６１及び６２に形成されたオリフィス６５は、第２の流体Ｂの２つの対向する流入領域Ｂ１を定め、プレート６１及び６２に形成されたオリフィス６６は、この第２の流体Ｂがプレート束４０の対応する回路を通った後の、第２の流体Ｂのための２つの流出領域Ｂ２を定めている。この第２の流体Ｂは、第１の流体Ａに対して向流で、２つの対のうち一方のプレートの対のプレート６１及び６２間に作られたチャネルにオリフィス６５を通って流入し、該チャネル内を循環する。各流入領域Ｂ１は、第２の流体Ｂを流入させるための図示しないマニホールドに接続されており、各流出領域Ｂ２は、この第２の流体Ｂがプレート束４０を通った後で、第２の流体Ｂを流出させるための図示しないマニホールドに接続されている。

第１の流体Ａ及び第２の流体Ｂは、プレート束４０の２つのプレート間を交互に循環する。

当然ながら他の構成を検討することができる。

一例として、プレートを構成する材料はニッケルベースの鋼又はステンレス鋼である。溶接部は、ＴＩＧ法又はレーザーすなわちレーザービーム法によって形成される。

本発明による製造方法を用いると、プレートの加工によって、追加部品を含むか又はスペーサーを有するプレート束の寸法精度よりも高い寸法精度を得ることが可能である。

溶接によって組み付ける場合、材料の微細構造が溶接領域及び熱によって影響を受ける領域の外で影響を受けるいかなるリスクも抑えることが可能である。

その上、溶接部は、プレート束の周囲、又は図９の例示的な実施形態では第２の流体Ｂを循環させる管に専ら配置され、その結果、熱過渡に対する適応性が増し、周囲に位置する溶接部への外側からのアクセス及び図９の例における第２の流体の管を通したアクセスによって、溶接部全体の可能な検査が容易になる。

本発明による方法は、溶接壁の布設及び追加部品の使用を抑えるという可能性を与える。したがって、この構成は、溶接部の数を減らし、それゆえ、装置の信頼性を高め、質の高い溶接を達成することを可能にする。

最後に、本発明による方法は、各プレートを隔てる３ｍｍ未満という短い距離を用いてプレート束を製造することを可能にする。

Claims (10)

1. ２つの独立した流体を循環させる少なくとも２つの回路を間に画定するプレート（４１；６１、６２）の積層体によって形成され、波形部（４２；６９）が設けられている中央熱交換部分を含む、熱交換器のコンパクトなプレート束（４０）を製造する方法であって、
   各プレート（４１；６１、６２）の初期厚さを加工によって低減し、一方で前記プレート（４１；６１、６２）の周囲及び／又は貫通管（６５、６６）に、加工後に前記プレート（４１；６１、６２）の厚さよりも大きい高さを有する少なくとも１つの接続シュー（４５；６３、６４；６７、６８）を形成し、
   前記波形部（４２；６９）を各プレート（４１；６１、６２）の中央部分に形成し、
   前記プレート（４１；６１、６２）の前記接続シュー（４５；６３、６４；６７、６８）を互いの上方に位置決めすることによって前記プレート（４１；６１、６２）を対にして重ね合わせ、
   各対の前記プレート（４１；６１、６２）と接触している前記接続シュー（４５；６３、６４；６７、６８）を封止溶接ビード（５０；７０）によって一緒に接続し、
   前記プレート（４１；６１、６２）の対の前記接続シュー（４５；６３、６４；６７、６８）を互いの上方に位置決めすることによって前記プレート（４１；６１、６２）の対を重ね合わせ、
   前記プレート（４１；６１、６２）の対と接触している前記接続シュー（４５；６３、６４；６７、６８）を、封止溶接ビード（５０；７０）によって、前記流体の流入又は流出のための開放端又は閉鎖端を交互に重ね合わせて配置することにより一緒に接続することを特徴とする方法。
2. 各プレート（４１；６１、６２）の初期厚さを該プレート（４１；６１、６２）の少なくとも一方の面を加工することによって低減することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 各プレート（４１；６１、６２）の初期厚さを該プレート（４１；６１、６２）の両面を加工することによって低減することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 前記波形部（４２、６９）を、スタンピング又は成形によって各プレート（４１；６１、６２）の前記中央部分に形成することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 加工後の前記プレート（４１；６１、６２）の厚さは０．２ｍｍ〜６ｍｍであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 加工後に、前記接続シュー（４５；６３、６４；６７、６８）の高さは、前記波形部（４２；６９）の上下幅によって決まることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 加工後の前記接続シュー（４５；６３、６４；６７、６８）の厚さは１ｍｍ〜４ｍｍであることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 内圧に耐える外壁を含むタイプのプレート式熱交換器であって、
   請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法によって製造される少なくとも１つのプレート束（４０）が内部に配置されたプレート式熱交換器。
9. 原子炉において高温で用いられることが意図されることを特徴とする、請求項８に記載のプレート式熱交換器。
10. 加工後に、前記接続シュー（４５；６３、６４；６７、６８）の高さは０．５ｍｍ〜５ｍｍであることを特徴とする、請求項６に記載の方法。

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