JP3618350B2 - 改良されたプレートを備えた熱交換器 - Google Patents

Description

詳細な説明
本発明は、変化する断面を有する複数のチャンネルを規定する複数の波形プレートの重畳体から構成されるプレート型熱交換器に関する。
波形は、一般に、プレートを介した熱伝達を高めるため流体の流れを分配する目的を有するものであるが、平板を用いたものよりも圧力損失がかなり大きくなるといった欠点を有している。周知の仏国特許（FR−Ａ−2 648 220）は、流体が実質的に停滞してしまう滞留領域あるいは再循環領域の体積を減少し得るようにした波形プレートの形状を開示している。流体の滞留は、熱交換効率の低下、及び、流体に粒子が含まれている場合にはそれらが非常に堆積しやくすくなるためにプレートに付着物が生じる主たる原因の一つとなる。この周知の発明のプレートは、交互に長さのことなる二つのファセット（facet:小面）を有し、これら連続するプレートの波形部が好ましい約180゜の角度を形成するように、すなわち、各チャンネルにおいて長いファセットが該チャンネル内の流体の流れ方向に対して実質的に同方向に配向され、よって短いファセットはそのより急勾配な傾斜のために流体に対面し、前記チャンネルを規定している他方のプレートの長いファセットに向けて流れを偏向させるように、互いに組み合わされている。この結果、流体の流れが前記長いファセットをその面の広い部分にわたって舐め、その結果、前記チャンネルを限定している前記波形部の背面つまり長いファセットの前部に形成された再循環領域は減少するものとなる。これにより、より優れた熱交換効率性と流れ易さとが得られたものとなっている。
本発明の目的は、しかしながらそのようなプレート形状にはいくつかの欠点が見受けられることにより生じたものである。まず、長いファセットと短いファセットから構成される波形部の高さが、同じピッチ（ここで、ピッチとは波形部の幅のことである）に対し、同様の二つのファセットからなる従来の波形プレートの波形部よりも小さい。すなわち、各チャンネルの平均断面はより小さいものである。しかし実際問題としてはこの断面は減少させないことが望ましく、従って、より大きなピッチを有しより大きな波形部を備えた同様の形状を有したプレートを用いることが要求される。その上、波形部のラインはより大きな間隔を有し、かつプレート間の接触点数は少なく、よってこの重畳体の機械的強度は減少している。
他の欠点は、隣接するものどうしで交差する各チャンネル内の流体流れの一方向に対してのみ有利な効果が得られ、よって、常に望ましくない流体の逆流循環を課すといったことに起因している。結局、圧力の低下が従来の波形プレートを用いた場合よりも大きい場合に、圧力損失は重大となる。
本発明は上述の周知発明の改良として考えることができる。つまり、本発明は、プレート間に通常の波形プレートと同数の接触点を有している一方で、熱交換性能に関しては実質的に等しい利点を提供し、パネル壁面の付着物を減少させ、それだけでなく、渦運動の減少により圧力降下をより小さくもできる。また本発明は、最良の実施形態のものでは、流体は両方向において同様に流れるものとなり、従って平行流及び逆流を自由に選択することができる。
本発明は、並設されて複数のチャンネルを設定する複数の波形プレートにより構成された熱交換器に関するもので、該熱交換器は、その最も一般的な形態においては、前記各プレートが、同様のものとされて下端線及び上端線で接合された複数のファセットから構成され、接触点において互いに接合されて成るものであって、かつ前記各プレートは交互に上下反転され、該各プレートの上端線又は下端線を介して接合され、さらに前記ファセットは、前記上端線の近傍に***部を有しかつ前記下端線の近傍に陥凹部を有していることを特徴としている。
従って、上述した陥凹部と***部とのこの組合せ及びプレートの交互反転によって波形部がなだらかになり、該波形部の接触点近傍でチャンネル断面が絞られた配置が提供される。これに対して米国特許US−Ａ−4 014 385は、ファセットが頂部に陥凹部を有し底部に***部を有した構成を開示している。ファセットは直角を形成して互いに接続され、これにより各プレートが補剛されるが、流体に対しては本発明とは逆の効果を有したものとなっている。米国特許US−Ａ−3 661 203には別の構成 が示されている：一つ置きのプレートの上端線は、他方 のプレートの下端線が入り込む陥凹部によって途切れて いる。この、相互進入によって各プレート間の良好な密 着性、及びチャンネル幅の優れた一様性が得られてい る。
陥凹部及び***部はファセットに沿って不連続となるとともに、***部は接触点の近傍に位置し、従ってそれら陥凹部及び***部が、流れの停滞又は淀みの領域が最も形成され易い部位のみにおいてチャンネル体積の減少役割を果たせるようにすることが推奨される。その他の部位で***部が役立つことはほとんどない。ファセットが交互となる陥凹部及び***部を備えていることで単純な構造となっている。最後に、各接触点が同一のプレートの隣接するファセットに属する二つの***部間に位置している場合には、チャンネル内での逆流が保証される。
以下、下記の図面を参照して本発明を詳細に説明する。ただし、本発明はこれらの図のものに限定されるものではない。
図１はプレート型熱交換器の該略図で、明瞭化のためプレートを分解して示した図；
図２は本発明によるプレートの部分断面図；
図３は本発明のプレートの上面図で、複数の***部及び陥凹部の分布を示した図；
図４は、プレートがどのように重ねられるか、特にその波打ち角度を示した図；そして、
図５は図３におけるＶ−Ｖ線に沿った矢視図で、重ねられた二つのプレートにおける陥凹部と***部の位置をそれぞれ示したものである。
図１は、現行のプレート型熱交換器の一つを示している。この熱交換器は複数の矩形のプレート１を重ねることにより構成されている。各プレート１は、角部に設けられた四つの孔２、滑らかな周縁を持った溝３、及びその残りの面部分に形成された複数の波形部４を有している。これらのプレートは、スタンピング加工、機械加工、あるいは成型等の種々の手段により製造することができ、実際の熱交換器内では、これらのプレートは前記複数の波形部により互いに支持されるものとなる。前記複数の溝３間には図示しないガスケットが組み込まれており、漏れが防止されている。この重畳体（stack）はクランプによって保持される。
図示の実施形態においては流体の逆流が生ずるが、そうしないことも可能である。前記複数の波形部４はヘリンボン形状のものであるが直線状であってもよい。ここで説明する実施の形態においては、流体は一般に液体であるが、それには限定されず、状態変化するものであってもよい。本発明は、このような範疇に入るあらゆる熱交換器、そして異なる種類の熱交換器に対しても適用可能である。
本発明（図２ないし図５）によれば、前記プレート１の波形部４は、複数の上端線10、及びそれと交互になる下端線11とに分解して見ることができる。これら上端線10及び下端線11は全て互いに平行であり、隣接するファセット（小面）12を分離している。ファセット12は粗い面を持っている。すなわちそれらは、従来の波形プレートとは異なって全長の本質的な部分において直線ではなく、複数の***部13及び複数の陥凹部14を現している。説明の都合上、プレート１の上方のチャンネル６について説明するものとすると、前記上端線10は下端線11の上方にあり、***部13はこのチャンネル６における凸状のレリーフ、陥凹部14は凹状のレリーフとなっている。
陥凹部14及び***部13は、例えば特殊なダイを用いたスタンピングにより、波形部４と共に困難なく成形される。図３は、陥凹部14及び***部13が波形部４の全長にわたって延びるものではなく不連続なものであること、及び、***部13は波形部４のほぼ半分の長さにわたって上端線10の近傍、すなわち隣接するプレート１の接触点15の近傍位置まで延びていることを概略的に示している。より詳細には、隣接するファセット12の***部13は、接触点15を囲むように中間上端線10の両側に対を成して延びている。陥凹部14は下端線11に近接しており、各々、該陥凹部の属するファセット12の二つの連続した***部13間に延びており（従って、陥凹部14及び***部13は各ファセット12に沿って交互になる）、これによって、陥凹部14は、各下端線に接する二つのファセット12において交互に、各下端線11に沿ってほぼ途切れることのない連続体を形成している。本実施形態において、チャンネル６内の流体の通常の流れ方向は（この図３に示すように）垂直であり、この方向を持った波形部４の角度αは60゜である。チャンネル６を規定する他方のプレート１も同様であるが、各波形部４が交差して60゜の角度を形成した状態で各プレート１がその上端線10を介して接合されるよう（図４及び図５）、向きを変えた後に設置される。プレート１の各組についても同様であり、プレート１の各組は、各上端線10又は各下端線11の何れかを介して接合される。チャンネル６の形状は対称形であるので、流れ方向が上昇方向あるいは下降方向に拘わらず流れ特性は変わらない。特に、***部13が、前記接触点15の周囲においてチャンネル６の断面が非常に小さくなる領域を形成し、それにより流体は停滞するかもしれないが、これら***部13は、チャンネル６のその他の部位では流れを邪魔することはないことが注目される。
同様に、隣接する四つの接触点15によって形成されるダイヤモンド形の中心に位置した、隣接する他方のプレート１との接触点16は、関連する二つのプレート１の二組の陥凹部14によって囲まれる。ただし、それら陥凹部は、これら二つのプレート１によって定められる近接したチャンネル６内では***部13として見られる。このように、全てのチャンネルは同じ形状を有していることが解かる。
陥凹部14は、チャンネル６内での流れに影響を及ぼすことはほとんどない。
プレートどうしを正しく位置決めできるように、上端線10上の、***部13間の接触点15には陥凹部17が設けられている。これら陥凹部により、各プレートを正確に位置決めすることができ、かつ波形部周り流れをより良好なものとすることができる。これらの陥凹部17は約0.5mm（0.3mm〜1mm）の深さであり、その形状によって上方のプレートの接触点15と当接できる。これら陥凹部はプレートの他の部分と同じ方法によって形成することができ、追加のコストは生じない。陥凹部17は、前記プレートについて一つ置きに設けられ、その他のプレート１については、上端線10は直線状とされる。
***部を接触点16の位置で下端線11に形成し、プレート１のこれら下端線11による当接を容易にすることも可能である。
特に、波形部により形成される通常の流れ方向に対する角度次第で、他の実施形態も可能である。
実際に試験した実施例では、流れに対する前記角度αが60゜となる波形部４を有し、プレート１が13mmのピッチｐ（図２及び図３）及び3.9mmの高さｅ（図２）のものであり、前記***部13及び前記陥凹部14の最大高さ及び深さが0.8mm、径が３〜4mmのプレートを使用した。各チャンネル６は、長さ0.4m、幅0.14mである。各チャンネルにおける流量は毎時６〜40m³である。本発明によるプレート１は、従来の波形プレート、すなわち***部13及び陥凹部14を持たない波形プレートよりも、損失水頭（あるいは圧力損失）が30〜50％小さくなる。一方、熱交換効率は５％以下の差でほぼ同一である。前記プレートは0.6mm厚のステンレス鋼のスタンピングから成した。
本発明は本タイプの熱交換器を使用するあらゆる事業分野、特には、化学、パラケミカル（para−chemical）、石油、環境、農業、エネルギー生産、及び冶金等の各種工業に適用可能である。

Claims (5)

1. 並設されて複数のチャンネル（６）を規定する複数の波形プレート（１）により構成され、
   前記各プレート（１）は、同様のものであって、下端線（11）及び上端線（10）で接合された複数のファセット（12）から構成され、接触点（15,16）において互いに接合されて成り、
   前記各プレートは交互に反転され、該各プレートの上端線（10,10）又は下端線（11,11）を介して接合されて成る、熱交換器において、
   前記ファセット（12）は、前記上端線（10）の近傍に***部（13）を有し、かつ前記下端線（11）の近傍に陥凹部（14）を有している、ことを特徴とする熱交換器。
2. 請求項１記載の熱交換器において、陥凹部及び***部は前記ファセットに沿って不連続であり、前記***部（13）は前記接触点（15）の近傍に配置されていることを特徴とする熱交換器。
3. 請求項２記載の熱交換器において、各ファセット（12）は、陥凹部（14）と***部（13）とを交互に備えていることを特徴とする熱交換器。
4. 請求項２記載の熱交換器において、各接触点（15）は、同一のプレート（１）の隣接するファセット（12）に属する二つの***部（13）間に位置していることを特徴とする熱交換器。
5. 請求項１記載の熱交換器において、いくつかのプレート（１）は、前記接触点（15）の位置に、他方のプレート（１）の上端線（10）がその内部に適合する陥凹部（17）を有していることを特徴とする熱交換器。

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