JP6305412B2 - プレート式熱交換器における光導波路を用いた温度測定 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念部に記載のプレート式熱交換器と、プレート式熱交換器の温度を測定する方法とに関する。

通常、このようなプレート式熱交換器は、互いに対して平行に配置された複数のプレートを有している。この場合、隣り合った２つのプレートの間にはそれぞれ１つの薄板（いわゆるフィン）が配置されているので、平行な複数の通路が、隣り合ったプレート間に形成される。これらの通路は、媒体により通流可能である。両側面に向かって、フィンはいわゆるサイドバー（縁部条片）により画定される。サイドバーは、隣接しているプレートにろう接されている。このようにして、プレート式熱交換器の平行な複数の熱交換通路が形成されるので、たとえば熱交換通路内で媒体は向流の形で互いの傍らを通って案内されてよく、これにより間接的な熱交換を実施することができる。

プレート式熱交換器では、従来では温度測定のために、たとえばセンサがプレート式熱交換器の外部に被着される。しかし、良好な熱伝導率に基づいて、このような測定は、不正確であり、平均温度レベルしか示すことができない。プレート式熱交換器の内部の温度は、したがって未知である。さらに、独国特許出願公開第１０２００７０２１５６４号によれば、プレート式熱交換器内の温度が原則的に光導波路により測定され得る。

これを起点として、本発明の根底を成す課題は、プレート式熱交換器の温度の正確な測定を可能にする、プレート式熱交換器ならびにプレート式熱交換器の温度を測定する方法を提供することである。

この課題は、請求項１の特徴部に記載の特徴を備えるプレート式熱交換器により解決される。

本発明の請求項１の特徴部に記載の特徴を備えるプレート式熱交換器によれば、光導波路は、薄板に設けられた溝またはプレート式熱交換器のプレートに設けられた溝内に配置されている。この場合、この溝は、有利には薄板もしくはプレートに、たとえばフライス加工によって加工形成されている。

有利には、上述の光導波路は、特にガラスファイバにより形成されているか、もしくはガラスファイバを有する長く延びるエレメントの形態で存在している。しかし、光ファイバもしくは別の材料から成る光導波路も考えられる。

本発明の有利な態様では、光導波路は、該光導波路を取り囲むジャケット内に配置されていることが規定されている。有利にはこのジャケットは管状に形成されているので、ジャケットは、光導波路を横断面で完全に取り囲んでいる。有利にはこのジャケットは、たとえば鋼またはアルミニウムのような金属から形成されている。

本発明の１態様では、光導波路は、薄板またはプレートに関して、該光導波路がメアンダ状の延在形状を有しているように、配置されている。つまり、光導波路は、互いに対して一体的に結合されるか、もしくは一体に成形された複数の区分を有している。この場合、有利には、隣り合ったそれぞれ２つの区分が、特にＵ字形に曲げられた１つの区分を介して互いに移行し合っている。有利には、この曲げられた区分は、１ｃｍ〜５ｃｍの範囲、有利には３ｃｍの曲率半径を有している。上述の長く延びる区分は、有利には互いに対して平行に配置されているので、曲げられた区分に基づいて、全体的に光導波路の、上述のメアンダ状の延在形状が生じる。

プレート式熱交換器の薄板に設けられた溝内に配置されている光導波路の場合、光導波路の、上述の（直線状の）区分はそれぞれ、薄板の外側の第１の縁部領域から、該薄板の、反対の側に位置する、第１の縁部領域に対して平行な外側の第２の縁部領域にまで延びており、しかも薄板により形成された通路に対して有利には横方向に延びている。この場合、光導波路は、有利には、プレート式熱交換器の高温の端部を起点としてプレート式熱交換器の低温側の端部にまで延びている。

これに対して択一的に、プレート式熱交換器のプレートに設けられた溝内に配置されている光導波路の場合、有利には、上述の（直線状の）区分はそれぞれ、（上述の場合と同様に）該当するプレートの、外側の第１の縁部領域から、プレートの、反対の側に位置する、第１の縁部領域に対して平行な外側の第２の縁部領域にまで延びていることが規定されている。

さらに、プレート式熱交換器は、薄板もしくはプレート毎に基本的には別の光導波路を有していてよい。この光導波路は、やはりメアンダ状に、たとえば別の光導波路に対して横方向に敷設されていてよい。

薄板もしくはプレート毎に光導波路が設けられている場合に既に、光導波路のメアンダ状の延在形状に基づいて、プレート式熱交換器の温度の二次元の分配が示される。なぜならば、このような光導波路は、その延在方向に沿って、測定すべき温度のための複数の測定点を有しているからである。

本発明の１態様では、光導波路が配置されている上述の薄板もしくは光導波路が配置されている溝を有する相応するプレートは、有利にはプレート式熱交換器の最も外側の薄板であるか、もしくはプレート式熱交換器の最も外側のプレート（カバープレート）である。

光導波路が組み込まれている上述の薄板もしくはプレートは、有利にはプレート式熱交換器のいわゆるダミー層の一部である。ダミー層は、周囲に向かって開放している。つまり、プレート式熱交換器の規定通りの運転時にプロセス媒体によって通流されない、プレート式熱交換器の層もしくは熱交換通路である。

しかし、これに対して択一的には、薄板もしくは上述のプレートも、熱交換プロセスのために使用されてよい。このためには、光導波路は、該光導波路を取り囲んでいるジャケットと共に、有利には薄板もしくはプレートに密にろう接されるので、対応する熱交換通路は、周囲に対する非密閉性を有しない。

さらに、プレート式熱交換器は、上記で説明された複数の光導波路を有していてよい。この場合、個別の光導波路は、対応配置された薄板もしくはプレート式熱交換器のプレートに設けられた１つの溝内にそれぞれ配置されている。これによって、プレート式熱交換器における三次元の温度分布が測定され得る。

本発明に係るプレート式熱交換器の１つまたは複数の光導波路は、有利には測定装置に接続されている。この測定装置は、上述の光導波路を用いてプレート式熱交換器内の温度を測定するために調整されている。

このためには、上述の測定装置は、少なくとも１つの光導波路に光（光学信号）を導入し、光導波路内で後方散乱する光を公知の形式で評価するために形成されている。この場合、光導波路内に送り込まれかつ後方散乱する光学的な信号は著しく温度依存であり、したがって光導波路の周囲の温度測定のために適していることが利用される。光導波路のこのような光学信号の評価のためには、複数の方法が存在している。これらの方法は、光導波路の任意の点における温度を十分に高い精度で測定することを可能にする。

本発明の別の有利な態様によれば、測定装置は、光導波路内に導入された光のラマン分散により生じる、少なくとも１つの光導波路内で後方散乱する光を評価するために、調整されかつ設けられている。この場合、光導波路は、通常は、ドープされた石英ガラス（非晶質の固体構造、主に二酸化ケイ素から成っている）から製造されていることが利用される。このような非晶質の固体構造体では、熱作用を介して格子振動が誘発される。このような格子振動は温度依存である。したがって、光導波路内の分子もしくは粒子に衝突する光は、分子の電子と相互作用する。この相互作用は、ラマン散乱とも呼ばれる。後方散乱した光は、３つのスペクトルグループに分けることができる。入射された光の波長と一致するレイリー散乱の他に、いわゆるストークス成分およびいわゆる反ストークス成分が存在する。長波側にシフトした、僅かにしか温度依存ではないストークス成分とは異なり、短波側にシフトした反ストークス成分は、明らかに温度依存である。したがって測定装置は、有利には、ストークス成分および反ストークス成分の間の強度比を計算するために形成されている。この場合、測定装置は、有利には、この後方散乱した両成分のフーリエ変換を計算し、基準信号のフーリエ変換と比較するために形成されている。その結果、両成分の強度が、光導波路の長さにわたって得られる。したがって、両強度の比較を介して、光導波路の各点のための温度が求められ得る。

別の態様によれば、レイリー散乱の評価による温度測定が行われることが規定されている。このためには、測定装置は、有利には、コヒーレント周波数領域リフレクトメトリ（ｃ−ＯＦＤＲ：コヒーレント光周波数領域反射計）を有している。コヒーレント光周波数領域リフレクトメトリでは、同調可能なレーザの光が、光を２つの経路に分けるマッハ・ツェンダー干渉計に入力される。この場合、光導波路は１つの経路を形成し、別の経路は、公知の長さの参照経路である。光導波路からのレイリー散乱光は、参照経路からの光成分に重ね合わされて、検出される。この場合、レーザ波長の同調時に、検出器において、周期的な信号が生じる。この信号の周波数は、光導波路の各散乱箇所に依存する。したがって、フーリエ変換を介して得られる、この信号の個別の周波数は、光導波路における散乱箇所に一致する。各周波数成分の振幅は、各反射の強度を示す。この場合、０．１ｍｍ未満の解像度を得ることができる。

たとえばガラスファイバのような光導波路におけるレイリー散乱は、光導波路の局所的な欠陥／妨害箇所における弾性散乱プロセスによって生じる。このようなガラスファイバがｃ−ＯＦＤＲにより走査される場合、レイリー散乱の、ガラスファイバにとって特徴的な変動する強度経過がガラスファイバに沿って生じる。この強度経過は、温度変更（繊維の空間的な寸法の変更）時に三次元で伸縮される。これによって、ガラスファイバに沿った温度が計算され得る。測定装置は、有利には相応して、信号をガラスファイバに沿って隣接する複数のセグメント（１ｍｍ以上）に分解し、周波数空間において相応の信号を変換するために、構成されている。各セグメントのためには、この場合、周波数に応じて変動する反射パターンが生じる。温度もしくはガラスファイバの寸法の変更は、特に各セグメント内のガラスファイバの温度変更に比例した周波数シフトをもたらす。測定装置は、相応して、各周波数シフトに基づいて、ガラスファイバもしくは光導波路の（局所的な）温度を求めるために、形成されている。

本発明の別の態様では、温度測定が、光導波路のブリルアン散乱により発生するような光学信号の評価を介して行われる。この場合、温度測定は、光導波路内に導入された第１の光波と、光導波路内におけるブリルアン散乱の結果誘起された、後方反射した波との間の参照周波数の、局所的に解像された測定に基づいている。後方反射した波の周波数は、温度に依存して、第１の波に対して小さくされている。したがって、測定装置は、有利には、パルス状の第１の光波を光導波路内に導入し、後方散乱する光を時間ごとに解像して種々異なる周波数差のために検出し、パルス継続時間の知識により、周波数シフトを、温度変更に基づいて局所解像的に測定するために、形成されている。このような本発明の構成においても、（後方散乱した）光学的な信号の評価により、光導波路の任意の点における温度を測定することができる。

本発明の別の態様では、温度測定は、ブラッグ格子における散乱により発生するような光学信号の評価を介して行われる。ブラッグ格子は、光導波路内に書き込まれた光学的な帯域フィルタであり、ほぼ任意にしばしば光導波路内に位置決めされ得る。帯域除去の中間周波数は、この場合、ブラッグ条件から生じる。帯域除去のスペクトル幅は、格子幅差と、温度の屈折率に依存する。測定装置は、したがって、光導波路にわたって異なる所定の格子長さおよび温度の屈折率がある場合に、ブラッグ格子の各箇所における温度を、帯域除去幅を介して測定するように形成されている。

さらに、本発明に係る課題は、特に上述の態様によるプレート式熱交換器を使用した、プレート式熱交換器内で温度測定するための方法により解決される。この場合、請求項１２に記載の方法は、以下のステップを有している。薄板の溝内、またはプレート式熱交換器のプレートに設けられた溝内に配置された光導波路内に光線を入力結合し、これにより、光が光導波路内で後方散乱し、この場合、光導波路は、特にメアンダ状の延在形状を有しており、光導波路の温度の測定が、後方散乱した光を用いて行われる（上記参照）。

本発明の別の特徴および利点は、図面につき以下の実施の形態の説明により説明される。

プレート式熱交換器の２つのプレートを示す、プレート式熱交換器の部分的な概略的な断面図であり、プレートは、該プレートの間に配置された薄板と共に、プレート式熱交換器の熱交換通路を形成している。 内部に配置された光導波路を有する本発明に係るプレート式熱交換器の薄板もしくはプレートの概略的な上面図である。 光導波路を収容するための溝を有する、光導波路の薄板もしくはプレートの側面図である。

図１は、プレート式熱交換器１の断面図を示している。このようなプレート式熱交換器１は、互いに対して平行に配置された複数のプレート１０を有している。この場合、熱交換器１の隣り合った２つのプレート１０の間にはそれぞれ、いわゆる薄板（フィン）２０が配置されている。これらのフィン２０は、波形もしくは段状の延在形状を有しているので、平行な複数の通路Ｋが形成される。これらの通路Ｋ内には、それぞれ１種のプロセス媒体が流れることができ、このプロセス媒体は、平行な薄板２０内をガイドされるプロセス媒体と間接的な熱交換を行うことができる。詳細には、薄板２０の波状／屈曲形状は、互いに対して平行に配置された複数の脚部２０ａと、プレート１０に対して平行に延びる第２の脚部２０ｂとにより形成される。脚部２０ａは、特にプレート１０に対して垂直方向に延びている。第２の脚部２０ｂは、互いに向かい合うそれぞれ２つの第１の脚部２０ａを、交互に上側および下側で互いに結合する。脚部２０ａ，２０ｂの間の各移行部は、丸み付けされていてもよく、これにより各薄板２０は、波状のプロフィールを有している。薄板２０は、取り囲むプレート１０と共に、熱交換通路またはプレート式熱交換器１の層とも呼ばれる。

プレート式熱交換器１の所定の位置に光導波路３０を配置するためには、薄板２０の上述の第１および第２の脚部２０ａ，２０ｂに溝１１が加工形成（たとえばフライス加工）され得る。溝は、該溝内に配置される光導波路３０がほぼメアンダ状の形状を有しているように、形成される。つまり上述の光導波路３０は、図２の上面図に示されているように、平行な複数の区分３０ａを有しており、これらの平行な区分３０ａは、それぞれ薄板２０の第１の縁部領域２０１から、薄板２０の反対の側に位置する第２の縁部領域２０２にまで延びている。この場合、それぞれ２つの隣り合う区分３０ａは、光導波路３０の、Ｕ字形に湾曲された１つの区分３０ｂを介して一体的に互いに対して一体成形されている。

図３は、上述の溝１１を横断面図で示しており、つまり互いに向かい合って位置する第１の脚部２０ａならびに第１の脚部２０ａを接続する（上側の）第２の脚部２０ｂの切欠きとしての溝を示している。

有利には、光導波路３０が配置されている層（熱交換通路）は、プレート式熱交換器１のいわゆるダミー層である。ダミー層は、熱交換器１の規定された運転時に通流されない。これらのダミー層はそれぞれ、有利にはプレート式熱交換器１の、互いに反対に位置する外面に位置している。この外面は、プレート式熱交換器１のカバープレート１０によって形成される。ダミー層は、つまりそれぞれのプロセスに関与せず、特に周囲に向かって開放されている。しかし、このようなダミー層は、２つの熱交換通路の間に配置されていてもよく、必ずしも最も外側の層として設けられなくてもよい。

ダミー層に対して択一的には、上述の光導波路３０は、プレート式熱交換器１の、各熱交換プロセスに関与している層もしくは熱交換通路内にも配置され得る。

光導波路３０は、有利には相応に曲げられたジャケット（たとえば特殊鋼スリーブ）３００内に配置されている。ジャケットは、光導波路３０を取り囲み、かつ有利には３．２ｍｍの外径を有している。このジャケット３００は、フライス加工された層（溝１１）内に敷設され、各薄板２０にろう接される。光導波路３０を備えた層／熱交換通路がプロセス技術的に使用される場合、ジャケット３００は有利にはアルミニウムから製造され、かつプレート式熱交換器１からの各出口において、つまりプレート式熱交換器の各縁部条片（サイドバー）において、密にプレートもしくは縁部条片に溶接されるかまたはろう接される。このような場合、各薄板（フィン）は、その延在方向に対して垂直に、たとえば９．５ｍｍの十分な深さを有している。

薄板２０における光導波路３０の配置に対して択一的には、光導波路３０は、プレート１０もしくはカバープレート１０に埋設され得る。この場合、上述の溝１１は、各プレート１０に加工形成される。このような場合、各プレートもしくはカバープレート１０は、特に約５ｍｍの厚さを有している。光導波路３０を備えたプレート１０は、通常、プレート式熱交換器１の別の構成部材（薄板、縁部条片）にろう接される。

曲げられた区分３０ｂは、有利には３ｃｍの曲率半径を有する、光導波路３０の上述の湾曲部状もしくはメアンダ状の配置では、（ラマン散乱の評価時に）少なくとも、光導波路３０に沿って少なくともほぼ５００ｍｍ毎に、温度を測定するための測定点が得られる。つまり、７５０ｍｍの幅および５０００ｍｍの長さの１つの層では、ほぼ１００を越える測定点を温度測定のために使用することができる。したがって、各薄板に沿った温度分布が二次元で示され得る。解像度は、レイリー散乱の評価時（上記参照）に、大幅に上昇され得る。

複数の光導波路が、プレート式熱交換器１の互いに異なる熱交換通路もしくは熱交換層内に重なって配置される場合、さらにプレート式熱交換器１の温度分布を空間的に（三次元に）示す可能性が生じる。

各光導波路３０による温度の測定のためには、存在する複数の光導波路３０がプレート式熱交換器１から導出され、有利には、継がれて単独の光導波路（ガラスファイバ）を成し、相応する測定装置４０に連結される。測定装置４０は、各光導波路３０内に光線を入力結合し、後方散乱した光を温度測定のために公知の形式で評価する（上記参照）。

１ プレート式熱交換器
１０ プレート
１１ 溝
２０ 薄板（フィン）
２０ａ，２０ｂ 脚部
３０ 光導波路（ガラスファイバ）
３０ａ 区分
３０ｂ 曲げられた区分
４０ 測定装置
２０１，２０２，２０３，２０４ 薄板もしくはプレートの縁部領域
３００ ジャケット
Ｋ 通路

Claims (12)

1. 互いに対して平行に延びる複数のプレート（１０）であって、隣り合った２つのプレート（１０）の間には、それぞれ１つの波形または段状の延在形状を有するフィン（２０）が配置されていて、これにより平行な多数の通路（Ｋ）が形成される、プレート（１０）と、
   プレート式熱交換器（１）の温度を測定するための光導波路（３０）と、
   を備えたプレート式熱交換器であって、
   前記光導波路（３０）は、１つのフィン（２０）に設けられた溝（１１）内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. 前記光導波路（３０）は長く延びるように形成されており、前記光導波路（３０）は、特に少なくとも１つのガラスファイバにより形成されている、請求項１記載のプレート式熱交換器。
3. 前記光導波路（３０）は、該光導波路（３０）を取り囲むジャケット（３００）内に配置されており、特にこのジャケット（３００）は管状に形成されており、特に前記ジャケット（３００）は、鋼またはアルミニウムから形成されている、請求項１または２記載のプレート式熱交換器。
4. 前記光導波路（３０）は、メアンダ状の延在形状を有している、請求項１から３までのいずれか１項記載のプレート式熱交換器。
5. 前記光導波路（３０）は、特に互いに対して平行に延びる複数の区分（３０ａ）を有しており、特にそれぞれ隣り合ったそれぞれ２つの区分（３０ａ）は、前記光導波路（３０）の、それぞれ１つの曲げられた区分（３０ｂ）を介して互いに一体的に結合されており、特に各曲げられた区分（３０ｂ）は、１ｃｍ〜５ｃｍの範囲、特に３ｃｍの曲率半径（Ｒ）を有している、請求項１から４までのいずれか１項記載のプレート式熱交換器。
6. 光導波路（３０）が前記フィン（２０）に設けられた前記溝（１１）内に配置されている場合、前記区分（３０ａ）はそれぞれ、前記フィン（２０）の外側の第１の縁部領域（２０１）から、前記フィン（２０）の、反対の側に位置する外側の第２の縁部領域（２０２）にまで延びている、請求項５記載のプレート式熱交換器。
7. 光導波路（３０）が前記プレート（１０）に設けられた前記溝（１１）内に配置されている場合、前記区分（３０ａ）はそれぞれ、前記プレート（１０）の外側の第１の縁部領域（２０１）と、前記プレート（１０）の、反対の側に位置する外側の第２の縁部領域（２０２）との間に延びている、請求項５記載のプレート式熱交換器。
8. 前記フィン（２０）は、前記プレート式熱交換器（１）の最も外側のフィン（２０）の１つである、請求項１から７までのいずれか１項記載のプレート式熱交換器。
9. 前記プレート（１０）は、前記プレート式熱交換器（１）の、カバープレート（１０）の形の最も外側のプレート（１０）の１つである、請求項１から８までのいずれか１項記載のプレート式熱交換器。
10. 前記フィン（２０）の前記通路（Ｋ）は、前記プレート式熱交換器（１）の規定通りの運転時に、該プレート式熱交換器（１）内をガイドされるプロセス媒体によって通流されないように調整され、かつ設けられているか、または
    前記フィン（２０）の前記通路（Ｋ）は、前記プレート式熱交換器（１）の規定通りの運転時に、該プレート式熱交換器（１）内をガイドされるプロセス媒体により通流されるように調整され、かつ設けられている、請求項１から９までのいずれか１項記載のプレート式熱交換器。
11. 前記プレート式熱交換器（１）は、特にガラスファイバの形の複数の光導波路（３０）を有しており、該光導波路（３０）はそれぞれ、対応配置されたフィン（２０）に設けられた溝（１１）内に配置されている、請求項１から１０までのいずれか１項記載のプレート式熱交換器。
12. 請求項１から１１までのいずれか１項記載のプレート式熱交換器の利用下で、プレート式熱交換器において温度測定する方法であって、
    波形または段状の延在形状を有するフィン（２０）に設けられた溝（１１）内に配置された光導波路（３０）に光線を入力結合し、これにより光が該光導波路（３０）内で後方散乱し、この場合に前記光導波路（３０）は特にメアンダ状の延在形状を有している、ステップと、
    前記光導波路（３０）の温度を、前記後方散乱された光を用いて測定するステップと、
    を有することを特徴とする、プレート式熱交換器において温度測定する方法。

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