JP3863568B2 - ベローズでライニングした接続パイプを有するプレート式熱交換器 - Google Patents
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Description
前記したような種類のプレート式熱交換器では、伝熱板はステンレス鋼で作られる場合が多いが、フレームプレートと接続パイプはコスト上の理由からステンレスではない鋼で作られる。孔のあるフレームプレートおよびそれに接続された接続パイプを熱交換流体との接触に対して保護するために、好ましくは伝熱板と同じ材料で出来た、ライニングがフレームプレートの貫通孔および接続パイプ内に配置されることが多い。ライニングはフレームプレートの入口および出口周りでフレームプレートに最も近い外側の伝熱板に恒久的に接続されている。
プレート式熱交換器内の前記したライニング構造により強度上の問題が生じる。伝熱板およびライニングは薄く熱交換流体と直接接触するようにしてあるので、プレート式熱交換器のこれらの部分は迅速に熱交換流体の温度になって、長さが迅速に変化する。一方、フレームプレートは伝熱板およびライニングよりも著しく厚く、熱交換流体と直接接触することはない。したがって、フレームプレートはその一面が前記プレートパッケージ内の外側の伝熱板と接触し、他面は周囲の空気と接触する。そのため、フレームプレートは伝熱板よりも長さの変化が小さく、そして、変化が緩やかである。
このように、伝熱板とフレームプレートの長さの変化が異なるため、ライニングと、ライニングと外側の伝熱板との接続部と、出入口周りの外側の伝熱板には大きな力が加わり材料が破壊して熱交換器の漏洩の原因となる。通常フレームプレートは鋼から作られるので、鋼に較べて線膨張係数が特に大きいオーステナイトステンレス鋼で伝熱板とライニングが作られる場合には、この力は極端に大きくなる。
この種のプレート式熱交換器内のライニングに関する材料の破壊問題に対する1つの解決策がWO95/31687A1に記載されている。この公知のプレート式熱交換器は接続パイプ10を有し、その内側にはライニング11が設けられている。フレームプレート6の最も近くに配置されている伝熱板3に対して恒久的接続部を有するライニング11は、ライニング11と接続パイプとの間に間隙をおいて接続パイプ10内に配置されている。好ましくは、接続パイプ10およびライニング11は接続パイプの直径の少なくとも2倍の長さを有している。ライニングの長さと前記間隙とにより、ライニングは各々、接続パイプ内を半径方向に移動することができる。したがって、ライニング接続部および外側の伝熱板、およびライニングに作用する力が低減される。
プレート式熱交換器の一般的な利点は構造がコンパクトであることである。しかしながら、前記WO95/31687A1に記載されたプレート式熱交換器はこの点に関して欠点がある。したがって、WO95/31687に従うと、前記接続パイプの長さは比較的長くして、例えば接続パイプの直径の2倍にして、ライニングが半径方向に所望の範囲だけ移動できるようにしなければならない。実際は、さらに長い接続パイプが使用されており、例えば1750x750mmの伝熱板および直径200mmの出入口を有するプレート式熱交換器は接続パイプの長さは800mmにもなることがある。このように長い接続パイプでは、通常望まれるコンパクトなプレート式熱交換器とはならなくなる。さらに、材料の破損は、このように設計されたプレート式熱交換器内では大概の場合、外側の伝熱板のポート周りに生じることが判っている。
本発明の目的はWO95/31687A1に記載されているプレート式熱交換器よりもコンパクトな、接続パイプ内にライニングを有するプレート式熱交換器を提供することである。本発明の基本は最初に記載した種類のプレート式熱交換器であって、各ライニングが外側伝熱板との恒久の接続を有し、そして、ライニングが接続パイプ内およびフレームプレートの貫通孔内で半径方向に移動できるように空間が配置されているものである。本発明は、フレームプレートと外側の伝熱板間の、接続パイプを横断する方向の相対変位時に、ライニングの湾曲を容易にするように少なくとも1個のベローズが各ライニングに設けられていることを特徴としている。したがって、ライニングと、接続部と、接続部に最も近い外側の伝熱板に作用する応力が低減される。
本発明により、各接続パイプは非常に短く作ることができ、前記ベローズがライニングが容認できない程の大きい力を加えられることなく所望の半径方向移動を行うのに十分な長さでなければならないという条件を考慮するだけでよい。したがって、本発明に従ったプレート式熱交換器は前記したWO95/31687A1に従ったプレート式熱交換器よりも一層コンパクトとなる。したがって、前記したようなプレート式熱交換器に従来よりもおよそ50cm短い接続パイプを設けることができる。
前記WO−ドキュメントに従ったプレート式熱交換器においては、少なくとも1つの熱交換流体の流れが断続するような条件にプレート式熱交換器が使用される場合に、材料の破壊が生じることが多い。このような流れは温度変化を生じて、ライニング、その接続部および外側の伝熱板のポート周りの部分上の負荷が変動する。そのため、疲労と疲労破壊が生ずる。本発明に従った、ライニングにベローズが設けられているプレート式熱交換器は、ライニングにベローズが設けられていないプレート式熱交換器に較べて10倍の温度変化に曝すことができる。それにより、疲労破壊が生じるまでの温度変化の回数に対して余裕が与えられ、その余裕は非常に大きいため本発明に従ったプレート式熱交換器における材料破壊は完全に回避できる。
本発明に従ったベローズを設けたライニングを有するプレート式熱交換器を、頻繁な温度変化を受けない条件に使用したとき、プレート式熱交換器を使用することができる期間はベローズを設けないライニングを有するプレート式熱交換器よりも大きくすることができる。
本発明の好ましい1実施例においては、ライニングはその各端部に1個づつの2個のベローズを有し、これらベローズ間にはベローズのないライニングが1個配置されている。この実施例に従ったライニングを設けたプレート式熱交換器は、ライニングが2個のベローズを有するにもかかわらず、ベローズの無いライニングを有するプレート式熱交換器よりも一層コンパクトにすることができる。2個のベローズを配置することにより、ベローズは各々1個だけのベローズよりも小さな曲げしか受けず、したがって、疲労破壊の危険性が少なくなる。
添付図を参照して、以下に本発明の詳細な説明を行う。図1および図2は本発明の2つの実施例を示す。
図1は本発明の第1の実施例に従った恒久的に接合されたプレート熱交換器1の部分断面を示す。多数の矩形の伝熱板2が、例えば溶接により、互いに恒久的に接合されてプレートパッケージ3を形成する。各伝熱板2には、その各コーナーに1個づつの、4個のポート4が設けられている。伝熱板2のポート4は、プレートパッケージ3内を流れる2つの熱交換流体用の4つのチャネルを形成する。図1には、それぞれ、一方の熱交換流体用の入口と他方の熱交換流体用の出口をそれぞれ形成する2つのチャネル5a,5bしか図示されていない。プレートパッケージ3は2枚のフレームプレート間に搭載されており、図1には1枚のフレームプレート6しか図示されていない。2枚のフレームプレートは複数のボルト7により保持されている。
フレームプレート6には、各チャネル5a,5bと心をに合わされた貫通孔8が設けられている。貫通孔8において、接続パイプ9がフレームプレート6に強固に接続されている。接続パイプ9により、プレート式熱交換器1は管路に接続することができ、この接続パイプを通って2つの熱交換流体はプレート式熱交換器1に対して、それぞれ、流出入する。接続パイプ9の内側にはライニング10が設けられており、各ライニング10にはベローズ11が設けられている。各接続パイプ9とそのライニング10との間には間隙12が設けられている。各ライニング10は、その一端を、接続部13を介して、ポート4周りの外側の伝熱板14へ恒久的に接続されている。接続部13の中間リング15により、ライニング10と伝熱板14の接合を容易にすることができる。ライニング10の他端は、接続パイプ9のフランジ16と前記した管路上のフランジ(図示せず)との間に締付けられるように形成されている。第1図には4本の、接続パイプとライニングの中の2本しか図示されていない。
伝熱板2間には、2つの熱交換流体用の流路17が形成されている。1つおきのこのような流路が一方の流体用の入口チャネル5aに連通されるが、他方の流体用の出口チャネル5bとの連通は閉ざされている。これらの流路は入口チャネル5aと同様な出口チャネル(図示せず)とも連通される。他の流路は入口チャネル5aとの連通は閉ざされているが、他方の流体用の入口チャネル(図示せず)および出口チャネル5bと連通される。
プレート式熱交換器1が作動しているときは、プレートパッケージ3とフレームプレート6間に温度差が生じて、そのため、プレートパッケージ3とフレームプレート6に異なる長さ変化を生じることがある。例えば、外側の伝熱板14はフレームプレート6よりも大きく膨張し、ライニング10の接続部13は接続パイプ9に対して変位されるが、間隙12があるので、接続部13およびライニング10は、接続パイプ9の一端部の内側で半径方向に変位される。接続パイプ9の他端部、すなわちフランジ16の内では、ライニング10は接続パイプ9に対して実質的に動かされない。ライニング10の一端が半径方向に変位すると、ライニング10は曲げられ、そのある部分は延ばされ他部分は縮められる。ベローズ11はこれらの伸縮を吸収して、ライニング10、接続部13およびそれに最も近い外側の伝熱板14に作用する応力を低減する。
本発明に従ったプレート熱交換器用ライニングの好ましい第2の実施例を図2に示す。図1および図2の同様な詳細には同じ参照番号が使用されている。
図2のプレート熱交換器1は前記したものと同じ種類ではあるが、ライニング10の設計が違っている。図から明らかなように、各ライニング10には各端部に1個ずつ、すなわち2個のベローズ18,19が設けられている。別々の各ベローズ18,19は、図1に従った実施例の単一ベローズ11よりもより小さい曲げしか受けない。
各ベローズ11および18,19には、それぞれ、その目的を満たすために十分な数のひだがなければならない。1個のベローズ11しか設けられていないライニングでは、ベローズのひだは12が適当である。2個のベローズが設けられいるライニングでは、好ましくは各々のベローズのひだ数は5である。
好ましくは、ベローズのひだは尖らずに丸められ、例えば隣接する半円形とされる。
前記した種類の、特に1個のベローズしか設けられていないベローズは、多層ベローズとして形成することが有利である。すなわちベローズはいくつかの金属薄板層から形成される。
Claims (5)
- パッケージ(3)を通る、少なくとも1つの熱交換流体用のチャネルを形成する入口および出口(4)を備えている、伝熱板(2)のパッケージ(3)と、
前記パッケージ(3)の外側の伝熱板(14)が第1のフレームプレート(6)に隣接して位置し、少なくとも2つの貫通孔(8)がそれぞれのチャネルに合わせて前記フレームプレート(6)に設けられ、少なくとも第1の前記貫通孔(8)が前記第1のフレームプレート(6)に設けられるように、前記伝熱板(2)のパッケージ(3)が間に取り付けられている第1および第2のフレームプレート(6)と、
前記第1のフレームプレート(6)に前記第1の貫通孔(8)を取り囲んで強固に連結された少なくとも1つの接続パイプ(9)と、
前記入口(4)の1つを取り囲む前記外側の伝熱板(14)に固定接続部(13)によって連結され、かつ前記第1の貫通孔(8)と接続パイプ(9)とを通って延びており、接続パイプ(9)内で半径方向に移動するための空間(12)が構成されている、少なくとも1つの管状のライニング(10)と、
を有するプレート式熱交換器(1)において、
前記ライニング(10)は、前記一方のフレームプレート(6)と前記外側の伝熱板(14)との間の、前記接続パイプ(9)を横切る方向の相対的な変位が生じたときに、前記ライニングの湾曲を容易にするようになっている少なくとも1つのベローズ(11)を備えていることを特徴とするプレート式熱交換器。 - 前記ライニング(10)は、前記ライニング(10)の両端部に1つずつ配置された2つのベローズ(18,19)と、前記ベローズ(18,19)同士の間に位置する、ライニングのベローズが無い部分とを備えている、請求項1に記載のプレート式熱交換器。
- 前記ライニング(10)と前記外側の伝熱板(14)との間の前記固定接続部(13)は中間リング(15)を有している、請求項1または2に記載のプレート式熱交換器。
- 前記ベローズ(11または18,19)のひだが丸みを帯びている、請求項1〜3のいずれか1項に記載のプレート式熱交換器。
- 前記ベローズ(11,18,19)の各々は数層の金属薄板層を含む多層ベローズである、請求項1〜4のいずれか1項に記載のプレート式熱交換器。
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