(57)【要約】【課題】  熱伝達媒体を高い作動圧力で導入しても充分な機械的強度を確保することのできるプレート式熱交換器を提供する。【解決手段】  熱交換通路を形成する通路層（１ａ、１ｂ）が層間の仕切板（２）を介して複数層積層されてなるプレート式熱交換器。通路層（１ａ、１ｂ）の熱交換通路を金属製棒状形材（５、６）の並置によって形成する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの熱伝達媒体間の熱交換を行うために互いに独立した少なくとも２系統の熱交換通路を構成する通路層（１ａ、１ｂ）が層間の仕切板（２）を介して複数層積層されて個々の通路層（１ａ、１ｂ）が構造化されているプレート式熱交換器において、少なくとも１つの通路層（１ａ、１ｂ）における複数の熱交換通路が個々に金属製の棒状形材（５、６）によって形成されていることを特徴とするプレート式熱交換器。
【請求項２】
少なくとも１つ又は全ての通路層（１ａ、１ｂ）の熱交換通路が複数の並置された棒状形材で形成され、各棒状形材が中空断面形状の棒状形材（５）からな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。
【請求項３】
並置された中空の各棒状形材（５）が正方形又は長方形の横断面形状を有することを特徴とする、請求項２に記載のプレート式熱交換器。
【請求項４】
少なくとも１つ又は全ての通路層（１ａ、１ｂ）の熱交換通路が複数の並置された棒状形材で形成され、各棒状形材がＨ形断面形状の棒状形材（６）からな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。
【請求項５】
棒状形材（５、６）で形成される熱交換通路の壁面のうち、仕切板（２）と接していない壁面に貫通孔が設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のプレート式熱交換器。
【請求項６】
仕切板（２）と棒状形材（５、６）がアルミニウム、鋼、特殊鋼、高温耐熱鋼又はニッケル基合金からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のプレート式熱交換器。
【請求項７】
プレート式熱交換器を製造する方法において、
ａ）複数の金属製棒状形材（５、６）を並置する工程、
ｂ）並置状態の棒状形材（５、６）を仕切板（２）の上に鑞材を介して接触状態に重ねる工程、
ｃ）前記仕切板（２）上に並置状態で重ねられた前記棒状形材（５、６）の上に鑞材を介して別の仕切板を接触状態に重ねる工程、
ｄ）前記工程ａ〜ｃを繰返して、それぞれ並置状態の棒状形材（５、６）で熱交換通路を形成した複数層の通路層（１ａ、１ｂ）を層間の仕切板（２）を介して重ねて積層体とする工程、
ｅ）前記積重体の全体を鑞付け炉内で加熱して鑞付けする工程、
を備えたことを特徴とするプレート式熱交換器の製造方法。
【請求項８】
棒状形材（５、６）を相互に密接状態に並置することを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
棒状形材（５、６）を密接状態に並置する際に隣接する棒状形材同士を溶接で接合することを特徴とする請求項８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも２つの熱伝達媒体間の熱交換を行うために互いに独立した少なくとも２系統の熱交換通路を構成する通路層が層間の仕切板を介して複数層積層されて個々の通路層が構造化されているプレート式熱交換器とその製造方法に関するものである。本発明は、以下、主にアルミニウム製のプレート式熱交換器について説明されるがこれに限定されるものではなく、基本的に請求項１の前文部分に記載した形式の熱交換器に広く適用可能である。尚、本発明は、特殊鋼又は高温耐熱鋼からなるいわゆるロッド・プレート原理に基づくプレート式熱交換器に適用するのに特に適している。
【背景技術】
【０００２】
通常、少なくとも２つの熱伝達媒体間の熱交換を行うアルミニウム製プレート式熱交換器は、層間の仕切板によって相互に区画された積層構造の通路層を備えている。個々の通路層は基本的に同一仕様であり、各通路層内では少なくとも２系統の熱交換通路が平行配置されている。熱伝達媒体間の熱交換は隣接する熱交換通路間で起き、各系統の熱伝達媒体が流れる熱交換通路は、仕切板で仕切られた層間内で相互に隔離された圧力通路を形成している。この場合、仕切板を介した熱伝達により層間の熱交換も行われる。
【０００３】
先行技術によれば、各系統の熱伝達媒体を導く熱交換通路を形成する波板構造体が熱伝達フィン形材の形態で個々の通路層の内部に配置されている。この波板構造体の波頭部は外面で隣接する仕切板と鑞付けで接合されている。従って、熱交換に関与する熱伝達媒体は波板構造体と直接熱接触し、波板構造体の波頭部と仕切板との間の熱接触によって通路層間の熱伝達も保証される。熱伝達を最適化するため、通路層内及び通路層間の波板構造体の位置合せは、熱交換器の用途に応じて隣接する熱交換通路間で並流、直交流、向流又は直交向流が可能となるように適宜選択される。この点に関する典型的な先行技術は特許文献１に述べられている。
【０００４】
通路層内の波板構造体は３つの役目を果たすものである。即ち、第１には、波板構造体と仕切板との間の熱接触によって隣接する通路層に流れる２系統の熱伝達媒体間の熱交換が保証される。第２には、波板構造体が仕切板との結合によって高い機械的強度を保持する。そして第３には、波板構造体の各波の側壁が通路内圧によって生じる力を波頭部から鑞付け接合部を経て仕切板へ伝える役目を果たす。先行技術によれば、鑞付けプロセスに先行して仕切板の両面又は波頭部外面に鑞材が塗布され、或いは波板構造体と仕切板との間に鑞材が挿入され、これらを積層することにより仕切板と波頭部との間に直接的な接触状態が実現される。こうして得られる波板構造体と仕切板とによる通路層の積層体は、その後の鑞付けプロセスで全体的に鑞付け炉内で加熱され、各部の鑞付けが果たされることになる。
【０００５】
先行技術によれば、波板構造体はアルミニウム合金の薄板から製造され、原板の薄板はプレス機又はロール成形機で波板へと折り曲げ加工される。この場合、一般的には波板の波頭部と側面部との間の屈曲移行部の曲率半径や、理想設計断面形状に対する塑性加工の公差等、塑性加工時に守るべき条件により熱交換器の機械的強度が制限され、それに起因して高圧の熱伝達媒体を導入する場合に幾つかの問題が生じる。このようなプレート式熱交換器の機械的強度をさらに改善するため、特許文献１に記載された先行技術には、厚板の熱間押出成形又は機械成形加工で製造される波板構造体を使用することが提案され、波板構造体自体の厚さやその波形状のピッチ（波長）と波高（振幅）との比、その他の推奨される機械的パラメータが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０３４３１０７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、熱伝達媒体を高い作動圧力で導入しても充分な機械的強度を確保することのできるプレート式熱交換器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この課題は、本発明によれば、冒頭に記載した形式のプレート式熱交換器において、少なくとも１つの通路層における複数の熱交換通路を個々に金属製の棒状形材によって形成することによって解決される。
【０００９】
この明細書に記述されている説明の枠内で、「上」、「下」、或いは「側方」などの空間内の方向に関する用語は、熱交換に関与する熱伝達媒体が流れる通路の並置平面を水平基準面として見た場合の相対的な位置方向を意味し、特に「側方」は、水平基準面内における通路の長手方向と直交する方向を意味する。
【００１０】
本発明によれば、通路層内の熱交換通路は、先行技術のような塑性加工による波板構造体によってではなく、金属製の棒状形材によって形成される。先行技術では、仕切板に対する鑞付け接触面積を充分に大きくすると共に仕切板に対してできるだけ垂直な向きで力の伝達が行われるように、断面形状が直角矩形波状の波板構造体を採用することが試みられている。しかしながら、真に直角な屈曲エッジをもつ矩形波断面形状の波板は成形が困難である。既存成形技術により現実的に得られる波形構造体は、波頭部の両側の屈曲エッジが直角ではなく丸味をもつと共に両側面が傾斜面となる。傾斜面の形成は、確かに特許文献１に記載された先行技術による機械加工法でかなり回避することができようが、その場合でも、鑞付けプロセスを経ると通常は矩形波形状が失われてしまう。また、波板構造体の丸味をもった屈曲エッジによって波板構造体の波頭部と仕切板との間に溝状の継目が生じる。一般的に鑞材は、一旦溶融した後に凝固しても、波板構造体や仕切板の母材に比べて組織が著しく不均一である。溝状の継目に不均一で脆い組織が集積すると、高い機械的負荷の作用下でプレート式熱交換器を作動させた時に溝状継目の亀裂により鑞付け部に損傷が生じることになる。これにより波板構造体の母材自体の強度も低下し、仕切板との接合部にも損傷が生じてしまう。
【００１１】
このような欠点が本発明に係る熱交換器では効果的に回避される。本発明によれば、先行技術による波板構造体に代わって、複数の並置された棒状形材によって通路層の熱交換通路が形成される。本発明に従って棒状形材を使用することにより、丸味を帯びた屈曲エッジを直角な屈曲エッジにして熱交換通路を形成する棒状形材と仕切板との間の接触面積を棒状形材の全幅寸法に相当する極限値にまで増大することができる。加えて、極めて優れた直角度及び機械的強度を有する棒状形材は種々の寸法のものが市販されており、棒状形材と仕切板との接触面は鑞付け前後で実質同じ形状に維持される。従って、高圧力負荷時に容易にひび割れが生じることのある溝状の継目の発生は本発明によって最小限に抑制され、熱交換通路から仕切板への応力の伝達も一層好ましいものとなる。これは、本発明によるプレート式熱交換器では熱交換通路を構成する棒状形材の側壁が仕切板に対して直立状態にあり、従って網状形材と仕切板が互いの接合面で剥離することは極めて困難となるからである。
【００１２】
本発明の好適な一実施形態によれば、少なくとも１つ又は全ての通路層の熱交換通路が複数の並置された中空断面形状の棒状形材で形成される。好ましくは、これらの並置された中空の各棒状形材は、正方形又は長方形の横断面形状を有する。正方形又は長方形の横断面形状を有する中空棒状形材を使用することによって上下一対の平行平坦面が得られ、これら一対の平坦面は、鑞材で濡らして中空棒状形材を隣接の仕切板と面接触させるのに極めて良好に適している。使用可能な中空棒状形材は、圧延や押出による一体成形品、或いは複合構造品、即ち複数の棒状材を溶接した成形品で構成することができる。本発明によるこの構成においては、正方形又は長方形断面形状の中空農場形材を使用することにより、仕切板と熱交換通路構成棒状形材との間の接触面積は同様の通路層構造において先行技術のほぼ２倍に増大可能である。先行技術では波形の１つ置きの波頭部のみが上又は下の仕切板と接触しているのだけなのに対して、本発明のこの構成においては正方形又は長方形横断面形状の棒状形材が個々に上下両面でそれぞれ上下の仕切板と接触する。これにより、熱交換器の機械的構造安定性も本質的に高まることになる。
【００１３】
中空棒状形材は、通路層内で隣接する中空棒状形材間に空隙が生じないように相互に密接状態に配置することが好ましい。即ち、この場合、通路層内で側方に隣接する中空棒状形材同士はそれらの側面で上下の屈曲エッジ部を互いに突き合せた状態で隙間無く配置される。本発明のこの構成において、熱交換に関与する熱伝達媒体は各中空棒状形材の内部を流れる。従って、通路内から作用する圧力負荷も中空棒状形材によって実質的に吸収される。即ち、本発明のこの構成において、熱交換通路内の圧力は先行技術の場合のように波板構造体と仕切板との間の接合部に一義的に作用するのでなく、中空棒状形材自体によって一層均一に分配されて積層体構造に伝えられる。こうして中空棒状形材と仕切板との間の接合部に作用する負荷応力は著しく減少し、これにより中空棒状形材と仕切板との間の接合部が剥離する虞は極く僅かとなる。
【００１４】
このように、本発明のこの構成によれば、プレート式熱交換器の機械的強度は先行技術に比べて著しく高くなる。更に、中空棒状形材と仕切板との間の接合部の劣化によって熱伝達効率が低下する虞も最少になる。
【００１５】
本発明の別の好適な一実施形態によれば、少なくとも１つ又は全ての通路層の熱交換通路が複数の並置されたＨ形断面形状の棒状形材（Ｈ形材）で形成される。本発明のこの構成でも熱交換通路構成棒状形材と仕切板との間の接触面積は同様の通路層構造において先行技術よりも著しく増大可能である。この場合、Ｈ形材は、Ｈ形の両フランジ部の外面で仕切板と面接触し、両フランジ部の間のウエブ部が仕切板に対して直立する向きで通路層内に配置される。仕切板とＨ形材との間の接合はＨ形の両フランジ部の外面で鑞付けにより行われる。本発明のこの構成でも、Ｈ形横断面形状の棒状形材は、通路層内で隣接する棒状形材間に空隙が生じないように相互に密接状態に配置することが好ましい。即ち、この場合、通路層内において或るＨ形材の両フランジ部の端縁は隣接する別のＨ形材の両フランジ部の端縁と長手方向に亘って当接状態とされる。従って、本発明のこの構成でも熱交換通路内の圧力は棒状形材自体によって実質的に吸収され、棒状形材と仕切板との間の接合部に一義的に作用することはない。
【００１６】
このようにして、プレート式熱交換器における機械的負荷の定格値に応じて中空横断面形状の棒状形材でもＨ形横断面形状の棒状形材でも通路層内では互いに密接状態で配置することが好ましいが、勿論、本発明はこれらに限定されるものではなく、通路層内で棒状形材を相互に離間配置することも可能である。
【００１７】
本発明の更に別の好適な一実施形態によれば、棒状形材で形成される熱交換通路の壁面のうち、仕切板と接していない壁面に貫通孔が設けられる。熱交換通路の側方への貫通孔は、通路層内で隣接する熱交換通路内を流れる熱伝達媒体同士の側方での混合を可能とする。これにより両熱交換通路間の熱伝達が更に改善される。
【００１８】
この場合の変形形態によれば、通路層内における中空横断面形状の棒状形材が側方に関して完全又は部分的に閉鎖されている。
【００１９】
仕切板と棒状形材は、アルミニウム、鋼、特殊鋼、高温耐熱鋼又はニッケル基合金で構成することが好ましい。これらの材料は組合せて利用することもできる。例えば、棒状形材は鋼製とし、仕切板は高温鋼で構成することも可能である。
【００２０】
本発明に係るプレート式熱交換器は、空気分離設備、石油化学設備、水素設備又は天然ガス設備などの種々のプロセス部分で利用されるプレート式熱交換器に特に好適である。天然ガス設備では、例えば熱交換器を介して天然ガスから熱が除去され、これにより天然ガスは液化されると共に副生物から分離される。合成ガス設備でも、本発明によるプレート式熱交換器によって特に物質（Ｈ２、ＣＯ、ＣＯ２、ＣＨ４）を分離再利用し、又は原料物質を予熱することができる。エチレン設備においては、本発明によるプレート式熱交換器をエチレンの分離に利用することができ、空気分離設備においても、本発明によるプレート式熱交換器を凝縮器や蒸発器に利用することができる。一般に、必要とする物質流を本発明によるプレート式熱交換器によって効率的に加熱又は冷却することができる。
【００２１】
本発明はまた、前述の課題を解決するためのプレート式熱交換器の製造方法も提供し、この方法は、
ａ）複数の金属製棒状形材を並置する工程、
ｂ）並置状態の棒状形材を仕切板の上に鑞材を介して接触状態に重ねる工程、
ｃ）前記仕切板上に並置状態で重ねられた前記棒状形材の上に鑞材を介して別の仕切板を接触状態に重ねる工程、
ｄ）前記工程ａ〜ｃを繰返して、それぞれ並置状態の棒状形材で熱交換通路を形成した複数層の通路層を層間の仕切板を介して重ねて積層体とする工程、
ｅ）前記積重体の全体を鑞付け炉内で加熱して鑞付けする工程、
を備えたことを特徴とする。
【００２２】
本発明に係る方法では、複数の金属製棒状形材が並置され、鑞材を介して仕切板の上に重ねられる。後続の仕切板は、同様に鑞材を介して先に並置された棒状形材の上に重ねられる。この仕切板の上に、同様に並置状態とした棒状形材の次層が鑞材を介して重ねられる。これを繰り返すことにより、それぞれ並置状態の棒状形材で熱交換通路を形成した複数層の通路層を層間の仕切板を介して所望層数だけ重ねた積層体が得られる。得られた積層体における各通路層の熱交換通路は、それぞれ並置状態の複数の棒状形材によって形成される。その後、この積層体は全体が鑞付け炉内に装入されて加熱され、各部の鑞材を溶融させて鑞付けを終了する。棒状形材は、通路層内で互いに密接状態、即ち、隣接する棒状形材間に隙間が生じないように並置することができ、或いは所望の隙間をあけて並置することもできる。隙間をあけて棒状形材を並置する場合、棒状形材相互の機械的結合は共通する仕切板との接合部を介して果たされる。鑞材は棒状形材と仕切板の双方に予め被着させておくこともできるが、好ましくは仕切板側のみに鑞材を予め被着しておくとよい。
【００２３】
積層体の各通路層は、前縁、後縁、両側縁で縁板、いわゆるサイドバーによって境界が定められる。本発明の枠内で「縁板」とは、通路層の棒状形材と同じ高さ寸法（仕切板間寸法）を有する中実材料からなる任意の形材を意味する。
【００２４】
本発明に係る方法の有利な実施形態では、棒状形材は通路層内において密接状態に並置される。この場合、通路層内で隣接する棒状形材同士を例えばスポット溶接で接合して仮止め固定することが好ましい。これにより、本発明による方法で次の通路層構造を積層する作業が容易となる。但し、積層体の鑞付け後には仕切板を介して各棒状形材が結合されるので、蝋付け前の溶接による仮止めは必ずしも必要ではない。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、機械的に高い負荷が作用する作動条件下で熱伝達媒体間の熱交換を行うのに適したプレート式熱交換器を提供することができ、本発明による熱交換器の機械的安定性は先行技術に比べて著しく改善される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】先行技術によるプレート式熱交換器の通路構成を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態による中空横断面形状の棒状形材を用いたプレート式熱交換器の通路構成を示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態によるＨ形横断面形状の棒状形材を用いたプレート式熱交換器の通路構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
先行技術との比較に基づいて本発明の実施形態を詳述すれば以下の通りである。
【００２８】
図１は、先行技術によるプレート式熱交換器の通路層１ａ、１ｂを示している。各通路層の内部には波板構造体３が配置され、これは便宜上矩形波横断面形状に折り曲げられた金属板として図示されているが、その各波形の屈曲エッジは実際には直角ではなく、丸味を帯びていることは先に述べた通りである。上下に隣接する通路層１ａ、１ｂは層間の仕切板２によって相互に仕切られている。波板構造体３と仕切板２との間の接触個所４に鑞材が塗布される。所望層数の通路層を積層して周縁をサイドバーで閉じた積層体全体を蝋付け炉内で加熱することにより、鑞材塗布個所における鑞付けで積層体各部が互いに機械的に結合され、一つの熱交換器ブロックが形成される。この場合、各通路鑞内の波板構造体の波頭部直下の空間及び波底部直上の空間が、例えば少なくとも２つの熱伝達媒体間の熱交換を行うための互いに独立した少なくとも２系統の熱交換通路を構成する。熱交換に関与する熱伝達媒体は、負荷圧力の作用下に通路層１ａ、１ｂ内の各熱交換通路に導入され、従って作動状態下では通路層１ａ、１ｂの熱交換通路全体が圧力の作用下にある。この圧力は、特に波板構造体３と仕切板２との間の蝋付けされた接触個所４に作用する。
【００２９】
図２は、本発明の一実施形態によるプレート式熱交換器の通路層１ａ、１ｂを示している。通路層１ａ、１ｂの熱交換通路は、通路層内で互いに密接配置された複数の長方形横断面形状の中空棒状形材５によって構成されている。中空棒状形材は、それぞれ接触個所４で鑞材を介して仕切板２と接合されている。この場合、仕切板２と通路層１ａ、１ｂ内の熱交換通路構成部材との間の接触面積（接合面積）は、図１に示す先行技術と比べて著しく増大している。また、図１に示す先行技術とは異なって、実質的に中空棒状形材５のみが熱交換通路内の圧力の作用を負担している。このため、隣接する上下の通路層１ａ、１ｂ内のそれぞれにおいて２つの熱伝達媒体間で熱交換する場合でも熱伝達媒体の圧力は中空棒状形材５のみがその閉鎖断面形状による高い剛性で専ら負担し、中空棒状形材５と仕切板２との間の蝋付けされた接触個所４はこの圧力に曝されていない。
【００３０】
図３は、本発明の別の実施形態によるプレート式熱交換器の通路層１ａ、１ｂを示している。この場合、通路層１ａ、１ｂの熱交換通路は、互いに上下のフランジ部端縁で長手方向に亘って当接した状態で並置された複数のＨ形横断面形状の棒状形材６によって構成されている。Ｈ形材６は、上下のフランジ外面全面で構成される接触個所４で鑞材を介して仕切板２と接合されている。この実施形態においても、仕切板２と通路層１ａ、１ｂ内の熱交換通路行成部材との間の接触面積（接合面積）は、図１に示す先行技術と比べて著しく増大している。また、図１に示す先行技術とは異なって、実質的にＨ形材６同士の間に形成された熱交換通路のみが圧力の作用を受けている。このため、隣接する上下の通路層１ａ、１ｂ内のそれぞれにおいて２つの熱伝達媒体間で熱交換する場合でも熱伝達媒体の圧力はＨ形材６のみがそのＨ形断面形状による高い剛性で専ら負担し、Ｈ形材６と仕切板２との間の蝋付けされた接触個所４はこの圧力に曝されていない。
【符号の説明】
【００３１】
１ａ：通路
１ｂ：通路
２：仕切板
３：波板構造体
４：接触個所
５：中空断面形状の棒状形材
６：Ｈ形断面形状の棒状形材
【図１】
2010256006.tif 000003
【図２】
2010256006.tif 000004
【図３】
2010256006.tif 000005