JP6728858B2

JP6728858B2 - プレート式熱交換器及び超純水製造装置

Info

Publication number: JP6728858B2
Application number: JP2016062154A
Authority: JP
Inventors: 卓也勝又
Original assignee: Kurita Water Industries Ltd
Current assignee: Kurita Water Industries Ltd
Priority date: 2016-03-25
Filing date: 2016-03-25
Publication date: 2020-07-22
Anticipated expiration: 2036-03-25
Also published as: JP2017172932A

Description

本発明は、流体の熱交換に利用される伝熱プレートを多数積層してなるプレート式熱交換器に関するものである。また、本発明は、このプレート式熱交換器を用いた超純水製造装置に関する。

超純水製造装置等に用いられるプレート式熱交換器１は、図７〜１２に示すように、固定フレーム（フロントフレーム）２と移動フレーム（エンドフレーム）３との間に、多段に伝熱プレート１０，１０Ｄ，１０Ｅをガスケットを介して配置し、両フレーム２，３を締め付けボルト５で固定することにより構成される（特許文献１）。

伝熱プレート１０は、表面に適宜の凹凸模様を施したものであり、図８に示すように、その伝熱面１１の四隅に、流体の出入口となる流通孔１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂを有する。ガスケット１５は、上下一対の孔、例えば、図８では上右隅と下右隅の流通孔１２ａ，１２ｂを含めて取り囲む周回部１５ｃを有すると共に、他の上下一対の孔、例えば、図８では上左隅と下左隅の孔１３ａ，１３ｂの周囲を取り囲む囲繞部１５ａ，１５ｂを有する。

なお、エンドフレーム３に沿う最後部の伝熱プレート１０Ｅには、流通孔１２ａ，１２ｂは設けられていない。また、フロントフレーム２に沿う最前部の伝熱プレート１０Ｄ（図１２）には、流通孔１２ａ，１２ｂを囲む囲繞部１５ｄ，１５ｅがさらに設けられている。

この伝熱プレート１０を、図９に示すように、交互に上下反転して多数積層させることにより、図１０，１１に示すように、伝熱プレート１０Ｄ，１０，１０Ｅ間に純水通路２１，２２，２３，２４，２５と熱媒体通路３１，３２，３３，３４とを交互に形成する。

純水通路２１〜２５は、フロントフレーム２に設けられた純水入口８ｂ及び純水出口８ａに連通している。熱媒体通路３１〜３４は、フロントフレーム２に設けられた熱媒体入口７ａ及び熱媒体出口７ｂに連通している。

純水通路２１〜２５を流れる純水に対し熱媒体通路３１〜３４を流れる熱媒体の熱が伝熱プレート１０を介して伝熱し、純水が加温される。

このようなプレート式熱交換器１で伝熱プレート１０の四隅に開口した流通孔１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂの縁部とガスケット１５の囲繞部１５ａ，１５ｂとの間に間隔があいているため、運転開始時に純水を供給しても、純水通路２１〜２５内の上部に空気が残留して空気溜りができる。この空気が残留すると、この空気中の酸素が純水に溶け込み、超純水中の溶存酸素濃度が長期にわたって高い値となる。

特許文献２には、プレート１０，１０間の純水通路２１〜２５の上部から空気抜きがなされるように、図１３に示すように、伝熱プレート１０の各流通孔１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂの上下に、先端がガスケットの内周に限りなく近接する切欠き１８，１９を設けることが記載されている。

このように、伝熱プレートの各流通孔１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂの上下に先端がガスケットの内周に限りなく近接する切欠き１８，１９を設ければ、隣接する伝熱プレート１０，１０間のガスケット内の天部に溜ろうとする空気を切欠き１８を介して流出させることができる。

特開平８−９４２７９実開平１−１５１０６７

上記特許文献１のように、流通孔の上縁部に切欠き１８を設けても、最もエンドフレーム３側の純水通路２５にあっては、その最上部（天部）に空気が溜り易い。これは、純水通路２５を上昇してきた純水が流通孔１２ｂの下縁を回り込むように流れるため、純水通路２５の最上部は純水の流れが遅い滞留域となり、空気が残留し易いからである。

プレート式ではなくシェルアンドチューブ式を採用すれば、構造的に空気溜りが少なくなるが、伝熱面積が小さく、設置スペースとイニシャルコストがかかるため、水量が大きい場合はプレート式を採用する必要があった。

大流量で熱交換器を洗浄する事ができれば、空気の溜りは除去されやすくなるが、流量を確保するためには超純水設備そのものを大型化する必要があり、コストアップになるため現実的ではない。残留空気を除去するために、窒素ブローや真空引きをする場合、一過式で押し出す事が出来ないため残留空気の拡散を待つ必要があり、運転再開まで数日かかることもある。

本発明は、最もエンドフレーム側又はフロントフレーム側の被熱交換流体通路内の空気の滞留を防止することができるプレート式熱交換器と、このプレート式熱交換器を用いた超純水製造装置を提供することを目的とする。

第１発明のプレート式熱交換器は、複数の伝熱プレートがフロントフレームとエンドフレームとの間に配置され、前記伝熱プレート間に熱媒体の通路と被熱交換流体の通路とが、互いに隣り合う状態で交互に設けられているプレート式熱交換器において、被熱交換流体の入口及び出口が前記フロントフレームに開口するとともに、最も前記エンドフレーム側の被熱交換流体の通路の最上部から空気をエンドフレーム側に流出させる空気流出手段が設けられていることを特徴とするものである。

第２発明のプレート式熱交換器は、複数の伝熱プレートがフロントフレームとエンドフレームとの間に配置され、前記伝熱プレート間に熱媒体の通路と被熱交換流体の通路とが、互いに隣り合う状態で交互に設けられているプレート式熱交換器において、被熱交換流体入口が前記フロントフレームに開口すると共に被熱交換流体出口が前記エンドフレームに開口しており、最も前記フロントフレーム側の被熱交換流体の通路の最上部から空気をフロントフレーム側に流出させる空気流出手段が設けられていることを特徴とするものである。

本発明の超純水製造装置は、かかる第１又は第２発明のプレート式熱交換器を備える。

第１発明のプレート式熱交換器では、最もエンドフレーム側の被熱交換流体（例えば純水）通路内を上昇してきた被熱交換流体は、伝熱プレートに設けられた流通孔を通ってエンドフレームから遠ざかる方向（フロントフレームに向う方向）に流れる。この最もエンドフレーム側の被熱交換流体の通路の最上部に連通するように空気抜き手段が設けられているので、最もエンドフレーム側の被熱交換流体の通路の最上部に空気が滞留することが防止される。

第２発明のプレート式熱交換器では、最もフロントフレーム側の被熱交換流体（例えば純水）通路内を上昇してきた被熱交換流体は、伝熱プレートに設けられた流通孔を通ってフロントフレームから遠ざかる方向（エンドフレームに向う方向）に流れる。この最もフロントフレーム側の被熱交換流体の通路の最上部に連通するように空気抜き手段が設けられているので、最もフロントフレーム側の被熱交換流体の通路の最上部に空気が滞留することが防止される。

本発明のプレート式熱交換器を備えた超純水製造装置によると、超純水製造装置の立ち上げ時に設計水量の１／１０程度の小流量でも短時間で純水中の酸素濃度を十分に低くすることができる。そのため、試運転・メンテナンス時の立上げ時間が大幅に短縮されると共に、試運転用純水が削減される。また、空気抜きの確実性向上により、窒素ブローや真空引き等の仮設作業を不要とすることができる。

（ａ）は実施の形態に係るプレート式熱交換器の縦断面図であり、図２のＩ−Ｉ線断面を示す。（ｂ）は（ａ）の一部の拡大図である。（ａ）は実施の形態に係るプレート式熱交換器の斜視図、（ｂ）は（ａ）とは反対側から見た場合のプレート式熱交換器の斜視図である。実施の形態に係るプレート式熱交換器における純水の流れの説明図である。実施の形態に係るプレート式熱交換器における各流体の出入り状況を示す斜視図である。別の実施の形態に係るプレート式熱交換器の縦断面図である。図５の別のプレート式熱交換器の縦断面図である。従来のプレート式熱交換器の斜視図である。伝熱プレートの正面図である。伝熱プレートの積層構造を示す分解斜視図である。従来のプレート式熱交換器の図９のＸ−Ｘ線に沿う縦断面図である。従来のプレート式熱交換器の図９のＸＩ−ＸＩ線に沿う縦断面図である。伝熱プレートの斜視図である。（ａ）は伝熱プレートの正面図、（ｂ）は（ａ）の一部の拡大図である。超純水製造装置の一例を示すフロー図である。

以下、図面を参照して実施の形態について説明する。図１〜３は第１発明の実施の形態に係るプレート式熱交換器１Ａを示すものである。この実施の形態では、純水が被熱交換流体となっている。熱媒体としては温水が用いられている。

図１の通り、このプレート式熱交換器１Ａも、前記図７に示したプレート式熱交換器１と同様に、固定フレーム（フロントフレーム）２と移動フレーム（エンドフレーム）３との間に、多段に伝熱プレート１０Ｄ，１０，１０Ｅをガスケット１５を介して配置し、両フレーム２，３を締め付けボルト５（図１〜３では図示略）で固定したものである。

伝熱プレート１０は図８に示したものと同一構成を有する。伝熱プレート１０Ｄは図１２に示したものと同一構成を有する。伝熱プレート１０Ｅは図９に示したものにおいて空気抜き用の小孔４２及びノズル４０を設けたものであり、該小孔４２及びノズル４０以外の構成は図９に示した伝熱プレート１０Ｅと同一である。小孔４２は、伝熱プレート１０，１０Ｅ間のガスケット１５で囲まれた純水通路２５の最上部に位置している。小孔４２は、その上側に位置するガスケット１５の内周に限りなく近接して設けられることが好ましい。ノズル４０は、小孔４２と同軸状に伝熱プレート１０Ｅと垂直に立設されている。ノズル４０は、エンドフレーム３に設けられたノズル挿通孔４１に挿通され、エンドフレーム３から突出している。

図３の通り、このプレート式熱交換器１Ａの純水入口８ｂには弁５１が接続され、純水出口８ａには弁５２が接続され、ノズル４０には弁５３が接続されている。また、純水出口８ａには分岐管５４が接続され、この分岐管５４に弁５５が設けられている。

このプレート式熱交換器１Ａのその他の構成は前記プレート式熱交換器１と同一であり、同一符号は同一部分を示している。即ち、伝熱プレート１０Ｄ、複数枚の伝熱プレート１０及び伝熱プレート１０Ｅがガスケット１５を介して図９と同様に積層され、純水通路２１〜２５及び熱媒体通路３１〜３４が交互に形成されている。

定常状態の純水加熱運転中には、図３（ａ）のように弁５１，５２が開とされ、弁５３，５５が閉とされる。そして、図１，２の通り、純水がフロントフレーム２の純水入口８ｂから各純水通路２１〜２５に供給される。この純水は、各純水通路２１〜２５を上方に向って流れ、熱媒体通路３１〜３４を流れる熱媒体と熱交換して加熱された後、フロントフレーム２の純水出口８ａから流出する。熱媒体は、フロントフレーム２の熱媒体入口７ａから各熱媒体通路３１〜３４に供給され、純水と熱交換して降温した後、フロントフレーム２の熱媒体出口７ｂから流出する。

このプレート式熱交換器１Ａでは、最もエンドフレーム３側の純水通路２５を上方に向って流れてきた純水は、図１（ｂ）の通り、伝熱プレート１０Ｅに隣接した伝熱プレート１０の流通孔１３ｂを通過し、さらに各伝熱プレート１０，１０Ｄの流通孔を通って純水出口８ａに向って流れる。

この純水通路２５の最上部にあっては、純水は流通孔１３ｂの下縁側を回り込むようにして流れる。そのため、通水開始時には、該純水通路２５の最上部付近に空気が滞留しようとする。この実施の形態では、この純水通路２５の最上部に滞留しようとする空気を小孔４２及びノズル４０を介してエンドフレーム３側へ抜き出すことができる。即ち、プレート式熱交換器１Ａへの純水通水を開始するに際しては、図３（ｂ）の通り、弁５１，５３，５５を開とし、弁５２を閉とし、純水をプレート式熱交換器１Ａに流通させる。なお、弁５３は、通水開始時には閉とされ、その後、開とされてもよい。弁５３を開とすることにより、純水通路２５の最上部に溜った空気（又は空気混じりの純水）がノズル４０から流出する。

所定時間経過後、図３（ｃ）の通り、弁５３を閉とする。そして、弁５５から流出する純水中のＤＯ（溶存酸素）濃度をＤＯ計５６で測定し、ＤＯ濃度が規定値以下であれば図３（ａ）のように弁５５を閉、弁５２を開とし、純水を弁５２から送水する。

このように、このプレート式熱交換器１Ａによると、純水通路２５の最上部に残留しようとする空気を速やかに流出させることができ、熱交換器１Ａの立ち上げ時に純水中のＤＯ濃度を早期に低下させることができる。

なお、この実施の形態では、熱媒体の流れと純水の流れを向流としているが、並流としてもよい。また、伝熱プレート１０の積層枚数は図示のものに限定されず、さらに多数枚が配列されてもよい。

上記実施の形態では、純水出口８ａ、純水入口８ｂ、熱媒体入口７ａ及び熱媒体出口７ｂをいずれもフロントフレーム２に設けていたが、純水出口８ａ及び純水入口８ｂの一方をフロントフレーム２に設け、他方をエンドフレーム３に設けると共に、熱媒体入口７ａ及び熱媒体出口７ｂの一方をフロントフレーム２に設け、他方をエンドフレーム３に設けるようにしてもよい。その一例を図４〜６に示す。

図４〜６のプレート式熱交換器１Ｂでは、純水入口８ｂ及び熱媒体出口７ｂをフロントフレーム２の下部に設け、純水出口８ａ及び熱媒体入口７ａをエンドフレーム３の上部に設けている。最もエンドフレーム３側の伝熱プレート１０Ｅの上部には純水流通孔１２ａと熱媒体流通孔１３ａが設けられている。また、最もフロントフレーム２側の伝熱プレート１０Ｄの上部には純水及び熱媒体の流通孔は設けられていない。該伝熱プレート１０Ｄの最上部に前記小孔４２と同様の小孔が設けられ、ノズル４０が該小孔と同軸状に立設されている。このノズル４０は、フロントフレーム２に設けられたノズル挿通孔４１を通ってフロントフレーム２の前面側に突出している。このノズル４０に弁５３が接続されている。

このプレート式熱交換器１Ｂでは、純水は図５の通り、フロントフレーム２下部の純水入口８ｂから各純水通路２１〜２５を通ってエンドフレーム３の純水出口８ａから流出する。最もフロントフレーム２側の純水通路２１を上昇してきた純水は、隣接する伝熱プレート１０の流通孔１２ａの下縁を回り込むようにして純水出口８ａに向って流れるので、該純水通路２１の最上部に空気が残留し易い。前記図３（ｂ）と同様に、純水の通水開始時に弁５３を開としてノズル４０から空気（又は空気混じりの純水）を流出させることにより、プレート式熱交換器１Ｂの立ち上げ時に純水のＤＯを早期に低下させることができる。

本発明のプレート式熱交換器は、超純水製造装置の熱交換器に用いるのに好適である。

超純水製造装置は、通常、前処理システム、一次純水システム、二次純水システム（サブシステムと称されることも多い。）から構成される。

一次純水システムは、前処理された水のタンク、熱交換器、逆浸透膜処理装置（ＲＯ装置）、イオン交換装置（混床式又は４床５塔式など）及び脱気装置を備え、さらにＵＶ装置を備えることもある。

二次純水システムは、純水タンク、ポンプ、熱交換器、低圧紫外線酸化装置（ＵＶ装置）、イオン交換装置及び限外濾過膜（ＵＦ膜）分離装置を備えている。さらにガス溶解膜装置を備えることもある。低圧紫外線酸化装置の低圧紫外線ランプより出される１８５ｎｍの紫外線によりＴＯＣを有機酸、さらにはＣＯ_２まで分解する。分解により生成した有機物及びＣＯ_２は後段のイオン交換装置で除去される。限外濾過膜分離装置では、微粒子が除去され、イオン交換樹脂からの流出粒子も除去されて超純水となる。

図１４は超純水製造装置の一例を示すフロー図である。図１４中Ｕ／Ｐはユースポイントを表わす。本発明のプレート式熱交換器は、図１４以外の超純水製造装置の熱交換器としても用いることができる。

上記実施の形態は本発明の一例であり、本発明は図示以外の形態とされてもよい。

前記の通り、特許文献２には、プレート１０，１０間からの空気抜きがなされるように、図１３に示したように、伝熱プレート１０の各流通孔１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂの上下に、先端がガスケットの内周に限りなく近接する切欠き１８，１９を設けることが記載されている。

本発明においても、伝熱プレート１０の各流通孔１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂの上下に、先端がガスケットの内周に限りなく近接する切欠き１８，１９を設けてもよい。切欠き１８，１９を設ける代りに、流通孔をガスケットの内周に限りなく近接させてもよい。

上記実施の形態では純水を加熱するようにしているが、純水以外の液体の加熱又は冷却にも用いることができる。

本発明のプレート式熱交換器は、複数台並列に設けられてもよい。この場合、一部のプレート式熱交換器について洗浄、メンテナンス等を行っているときに他のプレート式熱交換器で定常運転を行うように運用してもよい。

１，１Ａ，１Ｂプレート式熱交換器
２フロントフレーム
３エンドフレーム
１０，１０Ｄ，１０Ｅ伝熱プレート
１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ流通孔
２１〜２５純水通路
３１〜３４熱媒体通路
４０ノズル
４２小孔

Claims

複数の伝熱プレートがフロントフレームとエンドフレームとの間に配置され、前記伝熱プレート間に熱媒体の通路と被熱交換流体の通路とが、互いに隣り合う状態で交互に設けられているプレート式熱交換器において、
被熱交換流体の入口及び出口が前記フロントフレームに開口するとともに、
最も前記エンドフレーム側の被熱交換流体の通路の最上部から空気をエンドフレーム側に流出させるノズル（４０）と、
前記被熱交換流体の入口（８ｂ）に接続された第１弁（５１）と、
前記被熱交換流体の出口（８ａ）に接続された第２弁（５２）と、
前記ノズル（４０）に設けられた第３弁（５３）と、
前記被熱交換流体の出口（８ａ）に接続された分岐管（５４）と、
該分岐管（５４）に設けられた第４弁（５５）と
を有しており、
被熱交換流体の通水開始時には、該第１弁、第３弁及び第４弁が開とされ、第２弁が閉とされ、
通水開始から所定時間経過後に、該第３弁が閉とされ、
次いで該分岐管からの流出水中のＤＯ濃度が規定値以下であれば第４弁が閉とされ、第２弁が開とされる
ことを特徴とするプレート式熱交換器。
請求項１において、前記ノズルは、前記エンドフレームを貫通し、前記被熱交換流体の通路の最上部に連通することを特徴とするプレート式熱交換器。
複数の伝熱プレートがフロントフレームとエンドフレームとの間に配置され、前記伝熱プレート間に熱媒体の通路と被熱交換流体の通路とが、互いに隣り合う状態で交互に設けられているプレート式熱交換器において、
被熱交換流体入口が前記フロントフレームに開口すると共に被熱交換流体出口が前記エンドフレームに開口しており、
最も前記フロントフレーム側の被熱交換流体の通路の最上部から空気をフロントフレーム側に流出させるノズル（４０）と、
前記被熱交換流体の入口（８ｂ）に接続された第１弁（５１）と、
前記被熱交換流体の出口（８ａ）に接続された第２弁（５２）と、
前記ノズル（４０）に設けられた第３弁（５３）と、
前記被熱交換流体の出口（８ａ）に接続された分岐管（５４）と、
該分岐管（５４）に設けられた第４弁（５５）と
を有しており、
被熱交換流体の通水開始時には、該第１弁、第３弁及び第４弁が開とされ、第２弁が閉とされ、
通水開始から所定時間経過後に、該第３弁が閉とされ、
次いで該分岐管からの流出水中のＤＯ濃度が規定値以下であれば第４弁が閉とされ、第２弁が開とされる
ことを特徴とするプレート式熱交換器。
請求項３において、前記ノズルは、前記フロントフレームを貫通し、前記被熱交換流体の通路の最上部に連通することを特徴とするプレート式熱交換器。
請求項１ないし４のいずれか１項に記載のプレート式熱交換器を備えた超純水製造システム。