JP2004340569A - プレート式熱伝達器 - Google Patents

Abstract

【課題】 流入する媒体をより均等にその間隙にゆきわたらせ、熱伝達や生成物温度のための均質な条件をつくり出すことができる熱伝達プレートを提供すること。
【解決手段】 蒸発・凝縮器としての機能するプレート式熱交換器用の熱伝達プレート。熱伝達ゾーン４と、熱交換媒体用の側端貫流孔１，２，３とを有し、適切に付設されたシール５によって各媒体の流れ領域が割り当てられている。蒸発されるべき媒体などの一方の媒体に割り当てられているプレート流入側に位置する貫流孔のグループは並列配置された多数の流入孔１ａ〜１ｄからなり、この流入孔１ａ〜１ｄは隣接するプレート側端に対して直角な方向で直接前記熱伝達ゾーン４に前記媒体を流すように開口している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、蒸発・凝縮器としての機能するプレート式熱交換器用の熱伝達プレートであって、熱伝達ゾーンと熱交換媒体用の側端貫流孔とを有し、適切に付設されたシールによって前記貫流孔の一方のグループは前記熱交換媒体の一方及び前記熱伝達プレートの一方の面に割り当てられ、前記貫流孔の他方のグループは前記熱交換媒体の他方及び前記熱伝達プレートの他方の面に割り当てられる熱伝達プレートに関する。

この種の熱伝達プレートは重ねられてパケット化され、そのプレート間隙を生成物（製造物）または熱媒や冷媒といった熱交換媒体が交互に貫流する。こうしたプレートは極めて多様な構造および形状のものが公知であり、間隙貫流による高い熱伝達率の点で卓越している。
貫流孔はほとんどの場合、対角線上の両端の２個の対向する孔が一方の熱交換媒体（以下特別な場合を除いて単に媒体と略称する）用の流入孔と流出孔として使用され、他方の対角線上の両端の２個の孔はシールによって前記一方の媒体から分離されて、隣接するプレート間隙のための他方の媒体の貫流に使用されるようにプレートの４隅に配置されている。

ただし、プレートに貫流孔を別様に配置する方法もすでに公知に属している。たとえば本願出願人と同一出願人による特許文献１では、プレートが側方に膨隆した湾曲部を有し、そこに開口が配置されて貫流路が形成される構造のプレート式蒸発器ないし凝縮器が記載されている。これらの流路は特に過熱蒸気の供給に使用される。

その他に特許文献２による熱伝達プレートは、下部ゾーン、中央部ゾーンに近接した２個の流入孔を有し、媒体はそこから先ず中間チャンバに達し、こうして双方の流入孔から到来した部分流が互いに混合されるように構成されており、媒体はその後、熱伝達ゾーンに沿ってプレートの他端に向かい、中心に配置された１個の共通の流出孔に流れ込む。

特開昭５８−２２３４０１号明細書（５−８頁、図１） 特表２００３−５３４５２１号公報（段落番号００３７−００４１、図１）

前述した公知の従来技術から出発して、本発明の課題は、流入する媒体をより均等に熱伝達プレートの間隙にゆきわたらせ、熱伝達や生成物温度のための均質な条件をつくり出すことである。この場合、新たな熱伝達プレートによって安価な製造と高度な使用信頼度の実現も図られるべきである。

前記課題は、蒸発・凝縮器としての機能するプレート式熱交換器用の熱伝達プレートであって、熱伝達ゾーンと、熱交換媒体用の側端貫流孔とを有し、適切に付設されたシールによって前記貫流孔の一方のグループは前記熱交換媒体の一方及び前記熱伝達プレートの一方の面に割り当てられ、前記貫流孔の他方のグループは前記熱交換媒体の他方及び前記熱伝達プレートの他方の面に割り当てられる熱伝達プレートを出発技術として、本発明により、前記熱交換媒体のうち蒸発されるべき媒体などの一方の媒体に割り当てられているプレート流入側に位置する前記貫流孔のグループは並列配置された多数の流入孔からなり、前記流入孔は隣接するプレート側端に対して直角な方向で直接−したがって前述した中間の混合チャンバなしに−前記熱伝達ゾーンに前記媒体を流すように開口していることによって解決される。ここでの、直角な方向とは熱伝達プレートの分野での媒体流れに関する常識的な意味であり、その限りでのいわゆるほぼ直角な方向を含むものである。また、ここで述べた蒸発・凝縮器とは蒸発器又は凝縮器あるいはその両方の機器を意味する語句として用いられており、さらに、熱交換媒体とは、少なくとも部分的に蒸発又は凝縮されるべき生成物や一般的な冷媒又は熱媒などを意味している。

この構成により以下の利点が得られる。つまり、一方で、流入孔は熱伝達ゾーンの幅のほぼ全体にわたって分布させられ、したがって、その幅全体にわたってプレート間隙を従来よりもかなり均等に負荷することが可能となる。これにより、プレート間隙の横断方向の温度差は実質的に排除され、生成物の熱処理は従来よりも再現性、正確性が向上したものとなる。他方で、強制的な混合効果を生ずる中間チャンバを不要として、流入媒体が直接に熱伝達ゾーンに向けられることにより、圧力損失が減少する。

理論的には流入孔はコーナに配置されていてもよいであろう。しかしながら、流入孔がプレート短辺側に沿ってのみ配置され、熱伝達ゾーンの幅のほぼ全体にわたって分布しているのが特に好適である。したがって特に流入孔は同一の熱伝達プレート側に並置され、その間に他方の媒体用の封止された貫流孔が配置されないようにするのが良い。

本発明のさらなる好適な構成において、流入孔周囲に配されたシールは各隣接する流入孔の間の中間領域に入り込んでシールしているのが好ましい。これにより、圧力損失を招来する横断方向流れと到来する部分流間の混合とが回避される。これは前記のシールが流入孔の直径を越えて広がって隣接流入孔の間の中間領域に入り込んでいる場合に特に当てはまる。前記のシールは各々の流入孔の流れ断面積が熱伝達ゾーンの方向に向かって徐々に拡大するようにして流入孔を包囲しているのが好適である。したがって、シールは流入孔の周囲を包囲してプレート間隙に向かって拡張するように、中間領域に斜めに入り込むガイドフレームを形成して、流入孔部の小さな流入幅からプレート間隙の大きな流入幅へと流れ断面積が扇状に拡大するようにするのが良い。

本発明のさらなる好適な構成は、熱伝達ゾーンの少なくとも流入孔を有する方の熱伝達プレート半分に、隣接するプレートの断面形状との組み合わせでプレート長手方向に延びる多数のほぼ直線状の個々の流れ路を形成するように断面形状を構成する点にある。したがってこの場合には、圧力損失をできるだけ低くするために、斜めのひれ、格子状に分布配置された隆起を付設し、それによって流れを偏向させることは意識的に放棄される。したがってこうした構成は真空下での生成物の蒸発に特に適している。

前記に連続する、プレートの他方の側の効果的な熱媒流入孔に配された残りの熱伝達ゾーンは別形態の断面形状を有するのが好ましく、しかも熱媒側で長手方向流れも横断方向流れも可能とするような断面形状に構成されているのが好適である。これにより熱伝達プレート背面で生じ得る横断方向流れが外から流入する熱媒のプレート幅全体にわたる分布配置を促進することとなる。熱伝達プレートには蒸気流出用に相対的に大きな２個の流出孔が設けられている。

本発明のもう一つの思想は、プレートが少なくとも一方の長辺側端縁にプレート長手方向に並置配置された熱媒や冷媒用のそれぞれ複数本の蒸気流路と１本の凝縮液流路とを有している点にある。これらの蒸気流路と凝縮液流路とはもはや従来のようにいわゆる“張り出し耳”によって形成されているのではなく、ほぼ長方形のプレート輪郭の内部にある。この場合−プレートの片側または両側の−長辺側端縁の全体が蒸気流路と凝縮液流路とによって形成されているのが好適である。これはプレートに組み込まれた複数の蒸気流路の利用に関して、蒸気流路を内部で −したがってプレートパケット内で−相互に連結することができるという重大な利点を与える。これによって従来必要とされた外側に取り付けられる案内管と継手とは不要となり、これに代えて、いくつかのプレートの隣接蒸気流路間のシールを取り去り、十分な断面積を有した連結部が生ずるようにするだけでよい。前記の内部連結の可能性は凝縮液流路についても考えられることはいうまでもない。

この点で本発明のさらなる好適な構成は、凝縮液流路が該流路から最も離れた蒸気流路のシールによって包囲されている面積の少なくとも５０％、好ましくは少なくとも７５％に及ぶ面積を包囲するシールによって取囲まれている点にある。これによって凝縮液流路は純然たる凝縮液排出そのものに必要とされると考えられるよりもはるかに大きくプレートから切離されることができ、特に１本の蒸気流路と同様な大きさの断面積を有した凝縮液流路を作り出すことができる。これから、凝縮液流路をオプショナルに蒸気流路としても使用することができるという利点が生ずる。つまり、同じプレートをオプショナルに上昇膜式蒸発器または流下膜式蒸発器として使用することができることとなり、そのためにはプレートをその横軸を中心に１８０°回転させるだけでよい。

凝縮液流路のシールによって包囲された面の前記の過大寸法設計は、さらに、この面の内部において凝縮液流路の上部に凝縮液排気用のもう一つの流路を設ける可能性を与える。これにより、プレート式熱伝達器の外部に設けられる空気分離器を不要とすることができる。

並置配置された蒸気流路は、とりわけ、プレートパケットを束ねるためのクランプ手段を通すために未使用の蒸気流路を利用することを可能とする。

プレートがそれ自体公知のように少なくとも片面にたとえば中心部を長手方向に延びるシールを有し、こうして分離された２つの並列した流れ断面を有するようにすることも本発明の範囲に属することは言うまでもない。この分離は、プレートが中心部長手方向で分割された２枚の独立したハーフプレートから構成され、これらが分割されたもしくは分割されていないプレートと一体に組み合わされる形でも実現することができる。この種の分割式プレートの利点は、プレート面積が減少することにより必要とされる圧接力も小さくなり、装置をたとえば２つの蒸発段階が単一の装置で稼働されるようにして総じて使用者の個別的必要によりよく適合させることができることである。
この種の分離されたハーフプレートはプレートパケットを束ねるためのクランプ手段をそれらの間に付設することも可能にする。
本発明のその他の特徴および利点は以下の実施例の説明ならびに図面自体から明らかである。

各図面が示しているように、熱伝達プレート（以下単にプレートと略称する）は基本的に長方形の輪郭を有している。生成物の供給は図１においてプレート下部短辺側に並列配置されて、この短辺側全体にわたって均等に配置されている４個の流入孔１ａ〜１ｄを経て行われ、他方、蒸気状の生成物の流出は上部短辺側に配置されて、それぞれがプレート幅のほぼ半分を占めている２個の流出孔２ａ，２ｂを経て行われる。

プレート両側の長辺側には長方形のプレート輪郭内部にそれぞれほぼ角形の４本の流路が配置されており、これらは図示例において熱媒の供給・排出に利用される。この場合、各長辺側の上部の３本の流路３ａ，３ｂ，３ｃは蒸気流路として利用され、他方、各長辺側の下部の流路３ｄは凝縮液流路として利用される。これらの流路は互いに直接重畳して構成されることになる。

プレート上下部短辺側の前記流出入孔とプレート両長辺側の前記流路との間には熱伝達ゾーン４が配されている。この熱伝達ゾーンは下端の流入孔１ａ〜１ｄのゾーンでは先ず突起状断面形状で構成されており、その断面形状は次に図５に詳細を図示した断面形状４ａに移行する。この断面形状は隣接するプレートの同様な断面形状との組み合わせでプレート長手方向に延びる多数の細い直線状流れ路を形成し、この流れ路を通って生成物は上方へ流れる。ただしこれらの波形断面形状は生成物流路を形成する側とは反対側に間隔を置いて連続する多数の窪み４ａ’を有している。これによってこの断面形状は熱媒または冷媒用に長手方向だけでなく横断方向にも流れを可能とすることとなる。

前記断面形状に連続して図６に図示した波形断面形状４ｂが形成されている。この断面形状は隣接するプレートの同様な断面形状との組み合わせでプレート長手方向に多数の細い直線状の部分流が生ずるように配向・形成されており、これによって生成物は上方へ流動する。この場合、生成物用にもまた熱媒ないし冷媒用にも横断方向流れは設けられていないが、ただし図５と同様な窪みによってそれを可能とすることは十分に可能である。波形断面形状４ｂは熱伝達ゾーンの高さの約三分の二に及んでいる。

残りの上部ゾーンは断面形状４ｃによって形成されており、この断面形状は生成物ならびに熱媒または冷媒のいずれにも長手方向と横断方向の流れを可能とする。このゾーンは上部蒸気流路３ａの高さに配されている。

図１から理解できるように、プレート生成物側では、熱伝達ゾーン４が生成物の流入孔１ａ〜１ｄならびに流出孔２ａ，２ｂに連続しており、他方、蒸気・凝縮液流路３ａ〜３ｄは熱伝達ゾーンから遮断されるようにしてシール５が配されている。この場合、シール５は流入孔１ａ〜１ｄをそれぞれたとえば漏斗状に取り巻き、流入孔から出発して熱伝達ゾーン４に至るまでの流れ幅はシールが隣の流入孔を漏斗状に取り囲むため屈曲反転されるところまで連続的に拡張されるようにして配設されている。流入孔１ａ〜１ｄから流入する流れはこうして熱伝達ゾーン４の幅全体にわたって均等に配置されることになる。

図２は図１のプレートの背面を示したものである。この場合、シール５は生成物の流入路１ａ〜１ｄと流出路２ａ，２ｂとが熱伝達面４から遮断され、代わって上部蒸気流路３ａと凝縮液流路として機能する下部流路３ｄとが熱伝達ゾーン４に連続するようにして布設されている。さらに図２から、横断方向流れを可能とする上部熱伝達ゾーン４ｃは両側の流路３ａから流入する蒸気をプレート幅全体に配分するのに重要な役割を果たすことが明白に認められる。これは凝縮液が再び外部の凝縮液流路３ｄに向かって誘導されなければならない下部熱伝達ゾーン４ａについても同様である。

シール５は蒸気流路３ｂと３ｃとを熱伝達ゾーン４に対して遮断しているのみならず、これらの流路を必要に応じて第二の熱媒ないし冷媒の循環に使用し得るように、それらを相互にかつ外部に対しても遮断している。蒸気流路相互を内部連結するためには、流路間に配置されている複数のプレートのシールテープを取り去りさえすればよい。

さらに図２の右側凝縮液流路３ｄには垂直なシールテープ５ａの形の好適な形態が示唆されている。このシールテープは凝縮液流路３ｄの上部３ｄ’を熱伝達面４に対して封止し、それより狭い下部は凝縮液流入用に開けられている。これにより上部３ｄ’は凝縮液流路の空気溜めとして機能することができる。

図３と４は流下膜式蒸発器としての本発明による熱伝達プレートの使用を示したものである。つまり、この場合、生成物側の流入孔１ａ〜１ｄはプレート上部短辺側に配置され、生成物側の流出孔２ａ，２ｂはプレート下部短辺側に配置されている。この場合に重要なことは、シール５のレイアウトが図１と２に示した上昇膜式蒸発器の前記適用例と同じであるということである。したがっていずれの使用ケースにもほぼ同じプレートを用いることができ、ただプレートをその横軸を中心に１８０°回転させるだけでよい。

ただし前記の回転で実現し得ない唯一の相違点は熱伝達ゾーンの配分である。この場合、熱伝達ゾーン４ｃはそのままである。プレート上部ゾーンすなわち蒸気供給流路３ａの高さにあるこの熱伝達ゾーン４ｃ、図４参照、は図５に示した断面形状を有しているのが合理的であり、つまり、生成物側ではプレート長手方向の流れのみが可能とされ、他方、背面側では長手方向の流れも横断方向の流れも可能とされるのが合理的である。下部熱伝達ゾーン４ａは基本的にそのポジションを保持しているが、今や、生成物側の流出孔２ａ，２ｂないし凝縮液流路３ｄに流入し、両面において長手方向流れも横断方向流れも可能としている。

したがって、上昇膜式蒸発器と流下膜式蒸発器とにプレート外面用の同じ型押パンチ（プレス）と特にシール断面形状とを使用することができ、単に熱伝達ゾーン４用のパンチをそのために相対的にずらすだけでよい。

プレートは通例上下に、プレススタンドに掛止するための窪みを有している。図面に不図示のこれらの窪みは、横軸を中心としたプレートの前記回転を問題なく可能とするため、同一の輪郭を有しているのが好適である。

プレートパケットを形成するため、２枚目のプレートがその縦軸を中心に１８０°回転させられて裏面と裏面とが対向させられる。シール溝が各プレートの中心面にある場合には、生成物側および蒸気側に同じ高さのシールを利用することができる。これに対してシール面がゼロ位面にある場合には、蒸気プレートのシールを溶接継目、はんだ接合等によって代替することができる。

尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を便利にするために符号を記すが、該記入により本発明は添付図面の構造に限定されるものではない。

上昇膜式蒸発時のプレートの生成物側を示す正面図 図１のプレートの背面を示す背面図 流下膜式蒸発時のプレートの生成物側を示す正面図 図３のプレートの背面を示す背面図 熱媒流入ゾーンの断面形状を模式的に示す部分透視図 中央熱伝達ゾーンの断面形状を模式的に示す部分透視図

符号の説明

１，２，３ 貫流孔
１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ 流入孔
４ 熱伝達ゾーン
５ シール

Claims (20)

1. 蒸発・凝縮器としての機能するプレート式熱交換器用の熱伝達プレートであって、熱伝達ゾーン（４）と、熱交換媒体用の側端貫流孔（１，２，３）とを有し、適切に付設されたシール（５）によって前記貫流孔の一方のグループは前記熱交換媒体の一方及び前記熱伝達プレートの一方の面に割り当てられ、前記貫流孔の他方のグループは前記熱交換媒体の他方及び前記熱伝達プレートの他方の面に割り当てられる熱伝達プレートにおいて、
   前記熱交換媒体のうち蒸発されるべき媒体などの一方の媒体に割り当てられているプレート流入側に位置する前記貫流孔のグループは並列配置された多数の流入孔（１ａ〜１ｄ）からなり、前記流入孔（１ａ〜１ｄ）は隣接するプレート側端に対して直角な方向で直接前記熱伝達ゾーン（４）に前記媒体を流すように開口していることを特徴とする熱伝達プレート。
2. 前記熱交換媒体のうち蒸発されるべき媒体の流入孔（１ａ〜１ｄ）はプレート短辺に沿って配置されていることを特徴とする請求項１に記載の熱伝達プレート。
3. 前記熱交換媒体のうち蒸発されるべき媒体の流入孔（１ａ〜１ｄ）は前記熱伝達ゾーンの幅の全体にわたって分布配置されていることを特徴とする請求項１に記載の熱伝達プレート。
4. 前記流入孔の周囲に配されたシール（５）は各隣接する流入孔（１ａ〜１ｄ）の間の中間領域に入り込んでいることを特徴とする請求項１に記載の熱伝達プレート。
5. 前記シール（５）は前記流入孔の直径を越えて広がって前記中間領域に入り込んでいることを特徴とする請求項４に記載の熱伝達プレート。
6. 前記シール（５）は熱伝達ゾーン（４）の方向に向かってそれぞれの流れ断面積が拡大するようにして広がっていることを特徴とする請求項４または５に記載の熱伝達プレート。
7. 熱伝達ゾーン（４）は、少なくとも前記流入孔を有する方の熱伝達プレート半分に、隣接する熱伝達プレートの断面形状との組み合わせで直線状の多数の個別流れ路を形成する断面形状（４ｂ）を有していることを特徴とする請求項１に記載の熱伝達プレート。
8. 前記個別流れ路はプレート長手方向に延びていることを特徴とする請求項７に記載の熱伝達プレート。
9. 熱交換媒体のための片側または両側の流入孔（３ａ）に対する熱伝達ゾーン（４ｃ）は横断方向流れならびに長手方向流れのいずれも可能とする断面形状を有していることを特徴とする請求項１に記載の熱伝達プレート。
10. 前記熱伝達プレートは少なくとも一方の長辺側端縁にプレート長手方向に並置配置されたそれぞれ複数本の蒸気流路（３ａ〜３ｃ）と１本の凝縮液流路（３ｄ）とを双方の熱交換媒体のために有していることを特徴とする請求項１に記載の熱伝達プレート。
11. 両側長辺側端縁の少なくとも一方はそのほぼ全長が蒸気流路（３ｄ）と凝縮液流路（３ａ〜３ｃ）によって形成されていることを特徴とする請求項１０に記載の熱伝達プレート。
12. 隣接する蒸気流路（３ａ〜３ｃ）はそれらの間のシール（５）を取り去ることによって互いに内部連結可能であることを特徴とする請求項１０に記載の熱伝達プレート。
13. 前記凝縮液流路（３ｄ）はこの凝縮液流路（３ｄ）から最も離れた蒸気流路（３ａ）のシール（５）によって包囲されている面積の少なくとも５０％に及ぶ面積を包囲するシール（５）によって取り囲まれていることを特徴とする請求項１０に記載の熱伝達プレート。
14. 前記凝縮液流路（３ｄ）はシール（５）によって包囲された面から所望の大きさで形成されることを特徴とする請求項１３に記載の熱伝達プレート。
15. 前記凝縮液流路（３ｄ）内の上部にシールセグメント（５ａ）によって熱伝達ゾーン（４）から遮断された凝縮液排気用流路（３ｄ’）が形成されていることを特徴とする請求項１３に記載の熱伝達プレート。
16. 未使用のいずれかの蒸気流路（３ａ〜３ｃ）内に複数枚のプレートを束ねるためのクランプ手段が付設されていることを特徴とする請求項１０に記載の熱伝達プレート。
17. 少なくとも片面にたとえば中心部を長手方向に延びるシールを有し、該シールにより分離された２つの並列した流れ断面が形成される請求項１に記載の熱伝達プレート。
18. 中心部長手方向で分割された２枚の独立したハーフプレートから構成され、前記ハーフプレートが分割されたもしくは分割されていないプレートと一体に組み合わせ可能であることを特徴とする請求項１に記載の熱伝達プレート。
19. 前記ハーフプレートの間に２個の隣接したプレートパケットを束ねるクランプ手段が付設されていることを特徴とする請求項１８に記載の熱伝達プレート。
20. 請求項１〜１９のいずれか１項に記載の熱伝達プレートを装備したプレート式熱伝達器。

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