JP4029938B2 - プレート式熱交換器およびプレート式熱交換器用支持装置 - Google Patents

Description

本発明は、間に２つの熱交換流体用の通路が形成されている複数の伝熱板からなるプレートパッケージを含むプレート式熱交換器に関する。伝熱板には、プレートパッケージを貫通する、少なくとも一つの熱交換流体のための流路を形成する開口が設けられている。前記プレートパッケージは、２つのフレーム板の間に配設されており、少なくとも一方のフレーム板には、前記流路の１つに連通する貫通孔が設けられている。少なくとも１つの連結管は、貫通孔周囲において前記一方のフレーム板にしっかりと連結されており、少なくとも１つの円筒状ライニングが、前記連結管の内側で前記フレーム板の貫通孔の内部に、フレーム板に対して半径方向に移動可能であるように配設されている。ライニングは、フレーム板に最も近い位置にある、前記プレートパッケージの外部伝熱板に、外部伝熱板の開口の１つの周囲において恒久的に連結されている。また、本発明は、以上説明した種類のプレート式熱交換器の支持装置にも関するものでもある。
前記した種類のプレート式熱交換器において、伝熱板およびライニングは肉厚が薄く、熱交換流体と直接接し、その結果、プレート式熱交換器のこれらの部品は、熱交換流体の温度を速やかに受け入れ、それによって長さの急速な変化を受ける。これに対し、フレーム板は伝熱板やライニングよりもずっと肉厚で、また、フレーム板は熱交換流体に直接接触しない。このように、フレーム板の一方すなわち内側は前記プレートパッケージの各伝熱板と接し、また、フレーム板の他方すなわち外側は周囲の空気と接している。このため、フレーム板が受ける長さ変化は伝熱板よりも小さく特に遅い。
伝熱板とフレーム板との長さ変化が異なることにより、ライニングと外部伝熱板との間の結合部および外部伝熱板の開口の周囲の部分において、ライニングの強度の問題が生じる可能性がある。これら強度の問題を減らすために、冒頭に述べたように、ライニングがフレーム板に対して半径方向に移動可能に設けられている。この種の装置はＰＣＴ特許出願公開明細書第９５／３１６８７号に記載されている。
ライニングがフレーム板に対して半径方向に移動し得るためには、ライニングとフレーム板との間に隙間が必要である。この隙間の結果、外部伝熱板の開口の周囲の領域に支持面が当接しなくなる。プレートパッケージ内の流体圧力が高いと、外部伝熱板が前記領域において曲げられ、主として疲労による材料破壊の危険が大きくなる。ライニングが、フレーム板の貫通孔の中央位置からずれると、フレーム板とプレートパッケージとが異なった長さ変化をする結果として、外部伝熱板の曲げられる部分が特に大きくなる。例えば、隙間の幅が２倍になると、曲がりは約４倍になる。
本発明の目的は、フレーム板に対するライニングの半径方向の可動性を維持しながら、冒頭に記載した種類のプレート式熱交換器の外部伝熱板における前述の材料破壊の危険を排除することである。本発明によれば、この目的は、前記外部伝熱板の前記開口の周囲の部分における前記外部伝熱板の曲がりを妨げるように適合された、ライニングの周囲に延びるリングを含む支持装置によって達成できる。このリングは、一方の側部が外部伝熱板の前記部分に軸方向に当接し、他方の側部が、フレーム板に関して固定され、他方の側部用に設けられた支持面に当接するように配置されるべきである。
本発明によれば、早々に曲げられていた外部伝熱板の開口の周囲の部分が支持される。フレーム板に対するライニングの半径方向の可動性を維持するために、ライニングとリングとの間に小さい隙間がある。かつ／または、リングとフレーム板との間に小さい隙間がある。リングの内径および外径をこの隙間、またはこれらの隙間に適したものにすることによって、フレーム板に対するライニングの望ましい半径方向可動性を維持するために必要な広さが正確に形成される。この隙間、または、これらの隙間のうちの１つを、外部伝熱板の、開口に最も近い箇所よりも曲がりの影響を受けにくい部分に配置できる。
本発明によれば、前記連結管は、フレーム板に対し２通りの方法で連結が可能であり、すなわち、フレーム板の外側、または貫通孔の内側に連結可能である。いずれの場合も、フレーム板のプレートパッケージと接触する側の、前記貫通孔の周囲に、前記リング用の凹部を設けてもよい。貫通孔内で連結管をフレーム板と連結する場合、連結管の端面が貫通孔の前記支持面を成してもよい。そのような装置は、当然のことながら、フレーム板の凹部によって補助することが可能であり、それによって、リング用の支持面は、管端面とフレーム板との両方によって形成される。
本発明の特定の実施形態によれば、リングはフレーム板に対して半径方向に可動であるが、ライニングに対しては半径方向に可動ではない。この方法では、リングはライニングとともに半径方向に移動することができ、それによって、外部伝熱板を、その開口にもっとも近い箇所で常に支持できる。この場合にリングとフレーム板との間に存在する隙間は、外部連結板の、板とライニングとの間の接続部から幾分か離れていて曲がりの影響を比較的受けにくい部分にある。また、外部伝熱板は隙間の両側において支持される。
好適な実施形態によれば、リングは、ライニングに対しても半径方向に移動可能である。この実施形態では、２つの隙間、すなわちライニングとリングとの間の隙間と、リングとフレーム板との間の隙間とが形成される。ライニングとリングとの間の隙間は、例えば、リングとフレーム板との間の隙間の幅の３分の１であってもよい。この実施形態の外部伝熱板のそれぞれの曲がりは、隙間が１つだけしかない実施形態のそれぞれの曲がりよりもかなり小さくなる。他の実施形態と比較して、今述べた好適な実施形態の重要な利点の１つは、フレーム板に出来る限り小さい凹部を設けることによって、必要とされる、または、望ましい、外部伝熱板に対する支持が得られることである。
本発明の全般的な利点の１つは、プレート式熱交換器を顧客の要望や応用分野に合わせて簡単かつ廉価に製造できることである。ある決まったサイズのプレート式熱交換器のフレーム板は、全て同じサイズの凹部を有するように製造される。その後、特定のプレート式熱交換器の応用分野に応じて、その所期の応用分野に適した大きさのリングが、凹部内でライニングの周囲に配置される。例えば、ライニングがフレーム板に対して半径方向に最大限に移動可能である必要がない場合、すなわち、プレート式熱交換器に許容最高温度の熱交換流体が流されることが無い場合は、プレート式熱交換器はさらに高い流体圧力に対応できる。
本発明について、添付図面を参照してさらに詳細に説明する。図１は、プレー卜式熱交換器を上から見た図を示し、図２は、本発明の好適な実施形態のプレート式交換器の導入口または排出口を通る断面図を示す。図３ａおよび３ｂは、図２に示す本発明の実施形態の機能を詳細に示す。図４ａ、４ｂおよび５ａ、５ｂは、本発明の２つの他の実施形態を示す。
図１には、プレートパッケージに恒久的に接合された、２つの熱交換流体間の熱交換用の伝熱板３を有するプレート式熱交換器１が示されている。それぞれの伝熱板３には、プレートパッケージ２を貫く２つの導入路と２つの排出路とを形成する４つの開口が設けられている。プレートパッケージ２は、バー６によって一緒に保持されている２つのフレーム板４，５の間に配設されている。一方のフレーム板４には、内部がプレートパッケージ２の導入路および排出路のそれぞれと連通している４つの連結管７が設けられている（２つの連結管７のみ図示）。
２つの熱交換流体は、それぞれ導入路と連通する連結管７を通ってプレート式熱交換器１に流れ込み、さらに伝熱板３間のプレート状の隙間を通って排出路に至り、そこから連結管７を通ってプレート式熱交換器の外に流れ出る。隣り合うプレート状隙間には異なる熱交換流体が流れる．
図２に、例えば、本発明の好適な実施形態によって設計されたプレート式熱交換器の導入口の１つを通る断面図を示す。プレート式熱交換器の導入口および排出口は、すべて同じ方法で形成することが可能である。フレーム板４には、内部において連結管７のうちの１つがフレーム板４としっかりと連結されている貫通孔８が設けられている。フレーム板４および連結管７を熱交換流体に接触させないために、連結管７の内面に円筒状ライニング９等が設けられている。このライニング９は、プレートパッケージ２の外部伝熱板１０に恒久的に結合されている。プレートパッケージ２には、周囲と異なる温度の熱交換流体が流されるので、プレートパッケージ２は、フレーム板４に関して平行に長さが変化する。プレートパッケージ２の長さが変化すると、ライニング９がフレーム板４および連結管７に関して半径方向にずれる。これが可能であるために、連結管７とライニング９との間に隙間１１が存在する。
プレート式熱交換器の作動中、プレート式熱交換器における流体圧力の結果として、外部伝熱板１０の開口１２の周囲の部分に圧力がかかる。伝熱板１０のこの部分が曲がらないようにするために、フレーム板４の内側の貫通孔８の周りに凹部１３が設けられ、この凹部１３の中にライニング９の周囲に延びるリング１４がある。リング１４は、一方の側部が外部伝熱板１０に対して軸方向に当接し、他方の側部が凹部１３内でフレーム板４に対して軸方向に当接することによって、外部伝熱板１０が曲がるのを防止する。ライニング９を半径方向に移動可能にするために、ライニング９とリング１４の間に環状の隙間１５があり、リング１４とフレーム板４の間に環状の隙間１６がある。
図２には、ライニング９が連結管７の中央に置かれた状態で示されている。図３ａにおいて、プレートパッケージ２は、フレーム板４に対して矢印で示された方向に長さがある程度変化され、ライニング９が半径方向にずれており、それによって、ライニング９は１７においてリング１４と接触している。そのために、隙間１５は鎌状の形をしているが、隙間１６は環状のままである。図３ｂにおいて、矢印の方向に更に長さが変化した後のプレートパッケージ２が示されており、リング１４が１８において凹部１３の半径方向境界面と接触するまで広がるようにライニング９がずれている。このとき、隙間１６もまた鎌状の形状をしている。本実施形態において、リング１４は外部伝熱板１０を支持するとともに、ライニング９が半径方向にずれたときに比較的に大きな接触面にわたってフレーム板に対する軸方向の支持を維持する。
本発明の他の実施形態を図４ａおよび４ｂに示す。本実施形態では、リング１４はリング１４とフレーム板４との間に位置する１つの隙間１９だけが形成されるような形状を有する。この隙間１９は、外部伝熱板１０の、曲がりの影響を比較的に受けない部分と向き合うように配置されている。すなわち、外部伝熱板は、伝熱板１０を強化するこの隙間１９の領域において波形になることが多い。また、外部伝熱板１０は、隙間１９の両側において、リング１４およびフレーム板４によってそれぞれ支持されている。図４ａで、ライニング９は連結管７の中央に置かれた状態で示されており、図４ｂにおいて、プレートパッケージ２は矢印で示される方向に長さが変化され、ライニング９およびリング１４が半径方向にずれており、それによって、リング１４が２０においてフレーム板４と接触している。隙間１９は鎌状の形状をしている。図４ａおよび４ｂに示す本発明の実施形態では、外部伝熱板１０の開口１２の周囲の部分の支持が、図２、３ａおよび３ｂの実施形態よりも優れている。しかしながら、ライニング９およびリング１４が図示のように半径方向にずれるた状態で、凹部１３内におけるリング１４のための軸方向支持面は、図２、３ａおよび３ｂの実施形態における対応する支持面よりも小さい。
図５ａおよび５ｂに、ライニング９とリング１４との間に隙間２１が形成されている本発明の他の実施形態を示す。この場合、リング１４とフレーム板４との間に隙間が無く、そのため、リング１４はフレーム板４に対して移動できない。隙間２１により、ライニング９はフレーム板４に対して半径方向に移動可能であり、図５ａおよび５ｂには、そのような移動の前と後のライニング９がそれぞれ示されている。リング１４は、外部伝熱板１０において、連結管７の軸方向端面および外部伝熱板１０間の、フレーム板４の貫通孔８内に形成される空間を埋める。
図２、３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂおよび５ａ、５ｂに示されているように、外部伝熱板１０が、プレートパッケージ２の他の伝熱板の開口の直径より小さい直径の開口（１２）を有していることに注目すべきである。従って、外部伝熱板１０の開口１２の周囲の部分に相当する部分は、プレートパッケージ２の他の伝熱板には存在しない。この部分を最初から外部伝熱板１０と一体的に形成し得ること、また、周囲の部分を後から外部伝熱板１０にしっかりと結合し得ることは、いずれも本発明の範囲に含まれる。例えば、周囲の部分が各ライニング９の部分を構成するもので、例えば溶接によってライニング９が外部伝熱板１０に結合される場合にのみ外部伝熱板１０に結合されるものであってもよい。

Claims (7)

1. 複数の伝熱板（３）のプレートパッケージ（２）であって、該複数の伝熱板同士の間に２つの熱交換流体用の通路が形成されており、前記複数の伝熱板（３）にはプレートパッケージ（２）を通る前記熱交換流体の少なくとも一方用の流路を形成する開口が設けられている、複数の伝熱板（３）のプレートパッケージ（２）と、
   ２つのフレーム板（４，５）であって、該２つのフレーム板同士の間に前記プレートパッケージ（２）が配置されており、前記２つのフレーム板の少なくとも一方（４）には前記流路の１つに連通している少なくとも１つの貫通孔（８）が設けられている、２つのフレーム板（４，５）と、
   前記一方のフレーム板（４）に、前記少なくとも１つの貫通孔（８）内において固定して連結されている少なくとも１つの連結管（７）と、
   前記連結管（７）の内側に、かつ前記連結管（７）から間隔を置いて配置され、使用状態において前記フレーム板（４）に対して半径方向に移動可能であり、前記フレーム板（４）に最も近い位置にある、前記プレートパッケージ（２）の外部伝熱板（１０）の開口（１２）の周囲において恒久的に連結されている、少なくとも１つの円筒状のライニング（９）と、
   を有するプレート式熱交換器において、
   前記外部伝熱板（１０）の、前記開口（１２）の周囲の部分における曲がりを妨げる支持装置を有しており、該支持装置は、前記ライニング（９）の周囲を延びており、使用状態において前記ライニングが前記フレーム板に対して半径方向に移動することを可能にするために、前記ライニングまたは前記フレーム板の少なくとも一方から間隔を置いて配置されており、かつ、一方の側部が、前記外部伝熱板（１０）の前記部分に軸方向に当接するように構成され、他方の側部が、前記フレーム板（４）に対して固定された、該他方の側部用に設けられた支持面に当接するように構成されているリング（１４）を有していることを特徴とするプレート式熱交換器。
2. 前記フレーム板（４）は前記リング（１４）用の凹部（１３）を有しており、前記リングは前記他方の側部が前記フレーム板（４）に当接するように構成されている、請求項１に記載のプレート式熱交換器。
3. 前記連結管（７）は前記フレーム板（４）の外側に当接している、請求項２に記載のプレート式熱交換器。
4. 前記連結管（７）は前記フレーム板（４）の前記貫通孔（８）の中に部分的に延びている、請求項１または２に記載のプレート式熱交換器。
5. 前記リング（１４）は、その前記他方の側部が、前記支持面の少なくとも一部を形成する前記連結管（７）に当接するように構成されている、請求項１、２または４のいずれか１項に記載のプレート式熱交換器。
6. 前記リング（１４）は前記フレーム板（４）に対して半径方向に移動可能である、請求項１〜５のいずれか１項に記載のプレート式熱交換器。
7. 前記リング（１４）は前記ライニング（９）に対して半径方向に移動可能である、請求項６に記載のプレート式熱交換器。

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