JP2004257728A - プレート式熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 プレート式熱交換器、特に複数の熱交換ブロックを有するプレート式熱交換器に対する流体給排用管路の配管を単純簡素化可能とする。
【解決手段】 多数の熱交換通路を有する熱交換ブロック（１）を備えたプレート式熱交換器において、熱交換ブロック（１）の縁部に沿って延在するヘッダ（６，７）が熱交換通路間の連通部を形成する。ヘッダ（６，７）は配管の流路接続部（１２．１３）を備えており、これらの流路接続部はヘッダが延在している熱交換ブロック縁部に対して直交する向きに配置されている。ヘッダ（６，７）内には、熱交換ブロック（１）に対する供給流体又は排出流体の流れを流路接続部経由のルートに導く案内板（２３，２４）が設けられている。
【選択図】 図６

Description

本発明は多数の熱交換通路を有する熱交換ブロックを備えたプレート式熱交換器に関するものであり、特に熱交換ブロックにヘッダが取り付けられ、ヘッダは熱交換ブロックの縁部の少なくとも一部に亘って延在して一部の熱交換通路間の連通部を形成すると共に流路接続部を備え、該流路接続部が前記ヘッダの延在している側の熱交換ブロック縁部に対して実質的に直交して配置されている形式のプレート式熱交換器に関する。

プレート式熱交換器の熱交換ブロックは多層構造の熱交換通路からなり、いずれの場合も各熱交換通路は分離板によって互いに境界を定められている。また複数の閉鎖帯材とカバー板が熱交換ブロックの外枠を形成している。熱交換通路の或る層内には付加的な分離帯板が設けられることもあり、この分離帯板が異種媒体流の流れる熱交換通路同士を相互に分離している。

熱交換ブロックは当初は構成要素がルーズに組み立てられた状態にあり、その後、鑞付け炉内で一体にハンダ付けされて全ての構成要素が漏れを生じない形式で相互に接合される。続いて流路接続部を設けたヘッダが各熱交換通路の入口及び出口開口の上に被せられて溶接される。ヘッダとしては、従来より半円筒状の殻体が用いられている。流路接続部は管状接続部品で構成され、ヘッダの半円筒状殻体の入口及び出口開口に対設される。これら管状接続部品に熱交換ブロックに対する供給流体及び排出流体のための流路となる管路が接続される。

プレート式熱交換器は、分離帯板の適切な配置によって多数の流体流れの同時熱交換に使用可能であるが、個々の流体流れに対し、各熱交換通路の入口と出口にそれぞれ対応するヘッダを設ける必要があると共にそれぞれに管路を用意しなければならない。この場合のプレート式熱交換器の配管作業は極めて複雑となり、必要なコストも高くなる。

本発明の課題は、冒頭に述べた形式のプレート式熱交換器を改良し、プレート式熱交換器、特に複数の熱交換ブロックを有するプレート式熱交換器に対する流体給排用管路の配管を単純簡素化可能とすることにある。

本発明によ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。熱交換通路は複数の群に分割されていてもよく、いずれにせよ或る群の熱交換通路は或る特定の流体流れを送る役目を果たす。また、いずれの場合にも或る群の熱交換通路に通じる入口開口と出口開口にはそれぞれヘッダが取り付けられており、これらのヘッダがその群の複数の熱交換通路間の連通部を形成している。

ヘッダは、場合によっては集合器としても構成されるが、熱交換ブロックの縁部の少なくとも一部を覆って該縁部領域に閉鎖された仕切り空間を形成し、この仕切り空間の内部にその群の熱交換通路の入口と出口が開口している。本発明によれば、ヘッダは流路接続部を備えており、該流路接続部はヘッダが延在している熱交換ブロック縁部に対して実質的に直交する向きに配置されている。

流路接続部、即ちそれぞれ流体流れを供給又は排出するための各管路へ接続されるヘッダの開口部は、熱交換通路への対応する入口又は出口開口が位置する平面に実質的に直交する面内に配置されている。即ち、これらの流路接続部は上記入口又は出口開口に直接に向い合うようには配置されていない。

ヘッダ及び特に流路接続部の本発明による構成により、全ての流路接続部を熱交換ブロックの互いに反対側を向いた二つの端面部に設けることが可能である。また場合によっては、全ての流路接続部が熱交換ブロックの同じ側の端面部に位置するようにプレート式熱交換器を構成することさえ可能である。従って、もはや相互に熱交換させる媒体流の給排管路を熱交換ブロック周囲に複雑な形態で敷設する必要はなく、配管作業に要するコストは明らかに低減されることになる。

本発明によれば、ヘッダは供給流体の流れを各熱交換通路へ分配したり或いは各熱交換通路から出てくる排出流体を集めるだけでなく、これらの分配流と集合流を供給・排出するという二重機能を果たすものである。

本発明によれば、係る二重機能は、熱交換ブロックに対する供給流体又は排出流体の流れを前記流路接続部経由のルートに導く手段をヘッダ内に設けることで果たされる。例えばヘッダの内部に案内板を配置し、この案内板によってヘッダ内の空間を流路領域と分配領域とに分け、流路領域には好ましくは流体の供給と排出の機能を担わせ、また分配領域には内部で流れを沈静化して各熱交換通路への流体を可能な限り均一に分配する機能を担わせる。

ヘッダは半円形の断面形状を有することが好ましく、特に半円筒状の殻体はヘッダとして好適であることが確認されている。このような半円筒状殻体のヘッダにおいては、流体接続部は両端の半円形状端部のうちの一方に位置することになる。他方の端部は、強度上の理由で半円筒状殻体の長手軸に対する直交面とせずに例えば傾斜面とすることが望ましい。

従来から用いられている方式では、流体流れの供給と排出は殻体の半円筒面に溶接した管状接続部品を介して行われており、従って半円筒面には、この接続部位に対応する開口部が必須であり、それによって半円筒状殻体の強度が著しく低下してしまう。これに対して、本発明による流体接続部はヘッダの半円筒面に位置しておらず、その一方の端部に配置されている。即ち、流路接続部はヘッダが延在している熱交換ブロック縁部に対して実質的に直交する向きに配置されている。従って、同一壁厚なら本発明によるヘッダは上記公知のヘッダよりも高い機械的強度を有している。逆に言えば、必要な或る強度においては本発明によるヘッダの構成では壁厚を一層薄くすることができ、その分だけコストの低減が可能である。

本発明の主な利点の一つ、正確に言えば配管作業の簡略化は、複数の熱交換ブロックを有するプレート式熱交換器の場合に特に有効となる。製造面における理由、例えば鑞付け炉の寸法などから、熱交換ブロックの寸法形状には制限がある。大量の流体を加熱又は冷却する場合は、二つ以上の熱交換ブロックを並列に配設する必要がある。従来は、冒頭に述べたように、係る並列配置における各熱交換ブロックには個々に対応するヘッダが設けられ、しかもこれらヘッダにそれぞれ管状接続部品が溶接されている。また個々の媒体流毎に集合管路が設けられ、これらの集合管路に個々の管状接続部品が接続されている。従って係るプレート式熱交換器の配管作業は極めて複雑となっていた。

これに対し、本発明によれば熱交換ブロック同士は管状接続部品及び集合管路を介して接続することはなく、代わりに熱交換ブロックのヘッダの流路接続部が隣接する熱交換ブロックのヘッダの流路接続部に直接に接続される。流路接続部は、好ましくはヘッダの断面全体に拡がる流路断面積のものであり、この流路断面積のまま隣接熱交換ブロックに接続されていることが望ましい。これにより全ての熱交換ブロックに亘って延在する一つの連続的なヘッダが形成されることになる。

有利には、複数の熱交換ブロックを有するプレート式熱交換器において、各熱交換ブロックを互いに間隔を開けて連設して各熱交換ブロック間に間隙が生じるようにする。これらの熱交換ブロックは、一般的には溶接により、好ましくはスペーサとしての帯状の連結金具を介して互いに接続される。使用される連結金具は、例えばヘッダの幅寸法に合わせて略Ｕ字形状に帯状の板材を成形してなるものである。

この連結金具は、各熱交換ブロックに接する側のヘッダの側面を間隙部分において完全に覆うようにヘッダ間隙部分に配置することが肝要である。この場合に形成される一連のヘッダの内部空間は、個々のヘッダ自身の例えば半円筒状の外殻と、熱交換ブロックの表面及び連結金具の一部分で画定される。

複数の熱交換ブロックを並列配置する場合、本発明によるヘッダは、供給された流体流れを各熱交換通路へ分配したり或いは各熱交換通路から出てくる流体流れを集める機能だけでなく、これらの分配流と集合流を供給・排出する機能をも果たすものであることが特に明らかである。

本発明及びその更なる特徴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及び図２は、従来技術で知られているのと同様のプレート式熱交換器を模式的に示している。この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１を備えており、これらの熱交換通路は図示を簡潔にするために図面には示されていない。一群の熱交換通路の入口及び出口開口は、熱交換ブロック１の正面３側の上縁領域２と、熱交換ブロック１の底面５側の前縁領域４にそれぞれ開口している。これらの入口及び出口開口を有する縁部領域２，３の上には、これら熱交換通路の連通部を形成する半円筒状のヘッダ６，７がそれぞれ溶接されている。

ヘッダ６，７は、端面部８，９，１０，１１を有する半円筒状殻体として構成されている。ヘッダ６，７内には案内板２３，２４が配設され、これらの案内板によって各ヘッダ６，７の内部がそれぞれ流路領域２５と分配領域２６とに区画されている。案内板２３，２４は多数の貫通穴を備えており、それにより流路領域２５と分配領域２６との間で気体及び液体の入れ替えが可能である。分配領域２６には熱交換ブロック１の多数の熱交換通路の入口又は出口が開口しており、また各ヘッダ６，７は熱交換ブロック１の縁部の少なくとも一部に亘って延在しているので、各ヘッダ６，７の分配領域が実質的に熱交換通路間の連通部を形成している。

このプレート式熱交換器に対して本発明により配管を接続する様子は図３及び図４に示されている。本発明においては、ヘッダ６，７の流路接続部はヘッダが延在している熱交換ブロック縁部に対して実質的に直交する向きに配置されている。即ち、図１において各ヘッダ６，７の各一端部８，９は熱交換通路を通して導かれる流体の給排用の流路接続部として機能する開口部である。これに対しヘッダ６，７の各他端部１０，１１は閉鎖されている。上記各一端部８，９には管路１２，１３が取り付けられている。管路１２，１３は漏洩を生じない形態でヘッダ６，７に接続されており、それにより例えば流入流体が管路１２から開口されている一端部８を通過してヘッダ６内に流入し、ヘッダ６内で各熱交換通路へ分配される。同様にして、熱交換後の流体はヘッダ７から管路１３を通って排出される。

これら二つの管路は熱交換ブロック１の同じ側の側面部に位置している。従って、熱交換器に対するこれらの管路以降の配管作業は容易に可能である。またこれら二つの管路１２，１３はヘッダ６，７の半円筒状殻体周面上ではなく一端部に接続されているので、殻体の強度が低下することもない。

図５は本発明によるプレート式熱交換器の組立の中間段階を示している。熱交換ブロック１ａ，１ｂは図１及び図２に示した熱交換ブロック１と同様の構成のものである。

先ず熱交換ブロック１ａ，１ｂをそれらのヘッダ６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂと共に漏洩試験及び圧縮強度試験に付す。試験に合格したら、熱交換ブロック１ａのヘッダ６ａ，７ａの全ての端部８ａ，９ａ，１０ａ，１１ａと熱交換ブロック１ｂのヘッダ６ｂ，７ｂの全ての端部４ｂ，９ｂ，１０ｂ，１１ｂを分離して開口させる。この分離は、図５に破線２０で示すようにヘッダ６ａと７ａ及び６ｂと７ｂの二組の互いに対面する側で半円筒状のヘッダ６ａ，７ａ，６ｂ，７ｂの軸心に対して傾斜した向きに行うが、熱交換ブロック１ａの両ヘッダの各一端部８ａ，９ａは半円筒状のヘッダ６ａ，７ａの軸心と直交する向きに切断する。

その後、二つの熱交換ブロック１ａ，１ｂをその下端部において帯状の連結部材１６により溶接で結合する。略Ｕ字形状の連結部材１６を熱交換ブロック１ａ，１ｂに固定するには、Ｕ字金具１６の帯状基部がブロック１ａ，１ｂの下面５ａ，５ｂと面一で連続するようにする。上部ヘッダ６ａ，６ｂの部分では、二つの熱交換ブロック１ａ，１ｂをＵ字金具２７に同様に接続するが、このＵ字金具の帯状基部は図５の製図面上で熱交換ブロック１ａ，１ｂの正面と面一な面内にあって熱交換ブロック１ａ，１ｂの上端縁２１ａ，２１ｂから少なくとも半円筒状のヘッダ殻体が熱交換ブロック１ａ，１ｂに出会うヘッダ３ａ，６ｂの下縁部２２ａ，２２ｂまで拡がっている。

図６及び図７は完成したプレート式熱交換器を示している。板材を曲げ成形して略蒲鉾形輪郭形状に形を合わせたシェル状の中間接続ピース１７，１８が二つの熱交換ブロック１ａ，１ｂの上部のヘッダ６ａと６ｂの間及び下部のヘッダ７ａと７ｂの間を覆い、それぞれヘッダ６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂ及びＵ字金具１６に溶接されている。管路１２，１３はヘッダ６ａ，７ａの各一端部８ａ，９ａに溶接されている。二つの管路１２，１３は熱交換ブロック１ａの同じ側の側部に位置している。従って、熱交換器に対するこれらの管路以降の配管作業は容易に可能である。

例えば熱交換器の動作中、流体は管路１２を介して供給され、ヘッダ６ａの流路領域２５に流入して案内板２３により分けられると共に、略蒲鉾形輪郭形状のシェル状中間接続ピース１８の内部を通してヘッダ６ｂの流路領域２５に流入する。二つのヘッダ６ａ，６ｂの案内板２３は多数の貫通穴を備えており、これらの貫通穴を通して流体が流れを沈静化する分配領域２６に流入する。ヘッダ６ａ，６ｂの分配領域２６内において流体はそれぞれ熱交換ブロック１ａ，１ｂの対応する複数の熱交換通路へと分配されて行く。

同様に、熱交換後の流体も中間接続ピース１７で一連に接続されたヘッダ７ａ，７ｂ及び管路１３を通して排出される。これらのヘッダ７ａ，７ｂの内部も同様の案内板２４によって流体流れの沈静化領域２６と流路領域２５に区画されている。この場合、沈静化領域２６は熱交換通路から出てくる流体流れを実質的に集めて混合する機能を果たし、流路領域２５はこの集合流を管路１３へ排出する機能を果たしている。

二つのヘッダを有する単一の熱交換ブロックを模式的に示す側面図である。 同じく熱交換ブロックの模式正面図である。 本発明に従って管路部品を溶接した熱交換ブロックの模式側面図である。 同じく管路部品を溶接した熱交換ブロックの模式正面図である。 本発明によるプレート式熱交換器を構成するために相互に連設された二つの熱交換ブロックを模式的に示す正面図である。 本発明によるプレート式熱交換器を模式的に示す正面図である。 図６のプレート式熱交換器の模式側面図である。

Claims (4)

1. 多数の熱交換通路を有する熱交換ブロックを備え、該熱交換ブロックにはヘッダが取り付けられ、該ヘッダは熱交換ブロックの縁部の少なくとも一部に亘って延在して一部の熱交換通路間の連通部を形成すると共に流路接続部を備え、該流路接続部は前記ヘッダが延在している熱交換ブロック縁部に対して実質的に直交する向きに配置されているプレート式熱交換器において、熱交換ブロックに対する供給流体又は排出流体の流れを前記流路接続部（１２，１３）を経由するルートに導く手段（２３，２４）が前記ヘッダ（６，７）内に設けら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（６，７）が半円形の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. 複数の熱交換ブロック（１ａ，１ｂ）とヘッダ（６ａ，６ｂ；７ａ，７ｂ）とを備え、該ヘッダ内において複数の熱交換ブロック（１ａ，１ｂ）の熱交換通路間の連通部が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のプレート式熱交換器。
4. 複数の熱交換ブロック（１ａ，１ｂ）が互いに間隙をあけて連設され、各熱交換ブロック（１ａ，ａｂ）間の間隙が帯状の連結部材（１６，２７）によって塞がれて熱交換ブロック（１ａ，１ｂ）に接する側のヘッダ（６ａ，６ｂ；７ａ，７ｂ）の側面が熱交換ブロック（１ａ，１ｂ）の表面（５ａ，５ｂ；６ａ，６ｂ）及び／又は前記連結部材（１６，２７）によって完全に覆われていることを特徴とする請求項３に記載のプレート式熱交換器。

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