(57)【要約】  複数の積層プレート（２）を備え、流体回路（複数可）がスケールで被覆された程度を評価する装置（２０）を含む、プレート式熱交換器（１）であって、評価装置（２０）が、積層の端部に配置されたプレート（１０）に熱的に接続された電気抵抗器（２１）と、前記抵抗器の直近で温度を測定する手段とを備えることを特徴とする熱交換器。
2009528504.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の積層プレート（２）を備え、１つの流体回路（複数の流体回路）がスケールで被覆された程度を評価する装置（２０）を含む、プレート式熱交換器（１）であって、
前記評価装置（２０）が、前記積層の端部に配置されたプレート（１０）に熱的に接続された電気抵抗器（２１）と、前記抵抗器の直近で温度を測定する手段（２４）とを備えることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
電気抵抗器（２１）が、前記積層の端部に配置されたプレート（２０）と前記熱交換器のフレーム（８）との間に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
電気抵抗器（３１）が、前記積層の端部に配置されたプレート（１０）と付加のプレート（３２）との間に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項４】
電気抵抗器（２１、３１）と前記熱交換器のフレームとの間に配置された断熱材料（１６、３６）の層を備えることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載のようにプレート式熱交換器がスケールで被覆された程度を評価する方法であって、
電気抵抗器（２１）に電力を供給するステップと、
次に、前記抵抗器の近傍の温度の変化を所定の変化特性に対して比較するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項６】
周期的なパルスによって電力が前記電気抵抗器に供給されることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
時間指定された段階で電力が前記電気抵抗器に供給されることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
スケールの被覆の程度を評価する前記装置が、前記熱交換器を清掃する装置を制御するのに用いられる信号を出力することを特徴とする、請求項５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器の分野に関し、特にプレート式熱交換器に関する。より具体的には、本発明は、熱交換器のプレート同士の間の流体回路がスケールで被覆された（汚れた）程度を評価する装置を備えたプレート式熱交換器に関する。本発明は特に、熱交換器の内部で起こる熱交換のタイプ（液体／気体、または液体／液体）にかかわらず信頼性のある信号を出力し、また、様々なタイプのプレート式熱交換器、特に既存の熱交換器に適合可能である、スケールの被覆の程度を評価する装置の構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、熱交換器がスケールで被覆される問題は、このタイプの熱交換器を含む機械装置の構成および作動に重大な影響を有する限りにおいて、特に重大である。このスケールの被覆は、熱交換器を介して流れ、その後、流速がより遅い領域に沈積される固体物質の堆積によって起こる。
【０００３】
したがって、化学および石油化学産業、ならびに熱または原子力の手段によるエネルギーの生成において、熱交換器の汚れは、その性能、したがって生成効率に、直接的な影響を有する。それだけでなく、特定のタイプの機械装置において観察される汚れは、特定の状況下において潜在的な過熱の危険性を増し、十分な安全率を維持するために生産を縮小することを必要にする。
【０００４】
さらに、農業食品産業では特に、熱交換器の汚れは、健康および安全性に関する無視できない結果を有するので、やはり重要である。このため、熱交換器は頻繁な清掃作業を受けなければならず、そのコストは、生産手段が使用されていない時間に関しておよび洗剤製品の消費量に関して評価可能である。
【０００５】
汚れの現象の全体的なコストは特に高く、これが、汚れの現象が十分に制御されなければならない特定の市場へのプレート式熱交換器の参入を妨げていることを、経済学の研究は示している。
【０００６】
プレート式熱交換器の汚れを減らすために、試行的な改良が既に提案されてきており、これは、特定の方法で熱交換領域の外形を構成することにある。汚れを引き起こす物理的現象はまだ完全には理解されておらず、そのような汚れを制御するための真に十分な解決策は、未だ提案されていない。それゆえに、産業規模においては、熱交換器の汚れは経験的に管理され、清掃のサイクルは経験を通して得られた知識に基づいて予定される。そのような技術は、様々な組成を有する流体を用いる熱交換器を使用するのにはあまり適切でないことが明白である。さらに、清掃の介入があまりに遅いと、汚れは広範囲に及ぶ面倒な作業を必要とするほど悪化することがある。それゆえに、清掃の介入はしばしば、必要であるよりも頻繁に予定され、これが機械装置の生産時間にマイナスの影響を有する。
【０００７】
したがって、リアルタイムに実行可能である方法を使用して、汚れの程度を測定する、または少なくとも評価する、明らかな必要がある。
【０００８】
熱交換器の汚れを評価する装置は、気体／液体管式熱交換器にすでに取り付けられている。特に、特許文献１に述べられるような解決策は、熱流計の原理、すなわち、壁の両側の温度差の測定に基づいている。残念なことに、気体／液体管式熱交換器に役立つこの原理は、プレート式熱交換器に置き換えることはできない。熱流計の原理を使用した温度測定は、２つの温度測定点の間に厚い壁を必要とし、これが、およそ約０．５ｎｍである、熱交換器において通常使用されるプレートの厚さと実質上相容れない。さらに、熱流計の原理は液体／液体の熱交換の状況において感度がより低いのであるが、この熱交換が、プレート式熱交換器の場合において最も一般的に出合うタイプの熱伝達なのである。
【特許文献１】米国特許第６，３８６，２７２号
【非特許文献１】Ｍａｉｌｌｅｔ，  Ｄ．，  Ｄｅｇｉｏｖａｎｎｉ、“Ｍｅｔｈｏｄｅ  ａｎａｌｙｔｉｑｕｅ  ｄｅ  ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ  ｉｎｖｅｒｓｅ  ａｐｐｌｉｑｕｅｅ  ａ  ｌａ  ｍｅｓｕｒｅ  ｄｕ  ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｄｅ  ｔｒａｎｓｆｅｒｔ  ｌｏｃａｌ  ｓｕｒ  ｕｎ  ｃｙｌｉｎｄｒｅ  ｅｎ  ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ  ｆｏｒｃｅｅ（Reverse heat-condition analytical method applied to measuring the local transfer coefficient on a cylinder with forced convection）”、Ｒｅｖｕｅ  ｄｅ  ｐｈｙｓｉｑｕｅ  ａｐｐｌｉｑｕｅｅ、第２４巻、７４１〜７５９ページ、１９８９年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、本発明の一目的は、スケールで被覆された程度を評価し、熱交換器によって使用される熱伝達のタイプ（気体／液体、気体／気体、または液体／液体）に関係なく作動する装置を有するプレート式熱交換器を提供することである。
【００１０】
本発明の別の目的は、熱交換器が新しい構成のものであるか、または、既存の熱交換器にそれを取り付ける考えであるかどうかに関係なく、すべてのタイプのプレート式熱交換器に単純に適応可能である解決策を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
したがって、本発明は、既知の方法で、熱交換に関わる様々な流体回路を間に画定する複数の積層プレートを備える、プレート式熱交換器に関する。既知の方法では、この熱交換器は、熱交換器がスケールで被覆された（汚れた）程度を評価する装置を含む。
【００１２】
本発明によれば、汚れの程度を評価する装置は、積層の端部に配置されたプレートに熱的に接続された電気抵抗器を備える。評価装置はまた、前記電気抵抗器の直近で温度を測定する手段を備える。
【００１３】
言い換えると、本発明は、所望の時に所定の量の熱を放散することによって、熱交換器内部に自然に運ばれる熱流の増幅を可能にする電気抵抗器を、熱交換器内部の周囲の領域に取り付けることを含む。このようにすると、抵抗器が放出する熱量の関数としての、抵抗器の近くの時間による温度変化は、抵抗器が接触しているプレートがスケールで被覆された程度に直接比例する。実際、流体回路の汚れの程度は、プレートの比熱、したがって、プレートの温度が上昇可能である割合を変化させる。温度上昇は、熱交換器がそのように構成されている熱交換現象から生じる熱流より高いレベルで外部的に導入されたエネルギー量の結果であるので、このような解決策は多くの利点を有する。したがって、検出は高感度であり、熱交換器内で起こる熱交換の現象に対しては実質的に無感度である。
【００１４】
第２の重要な利点は、電気抵抗器および温度測定装置が熱交換器の端部に配置されることである。実際、熱交換器の汚れは、縁部プレートを含む回路の全プレートにわたって均一であることを、研究が証明している。したがって、積層の端板において測定を行うことによって熱交換器の全体的な汚れを評価することが代表的である。結果として生じる利点は、汚れを評価する装置が、新品の熱交換器に装着可能であるか、または、特殊な抵抗器を挿入することによって既存の熱交換器に付与可能であることである。汚れを評価する装置の存在は、熱交換器の性能を変化させないか、または、流体回路の摩擦損失に全く影響を及ぼさない。
【００１５】
実際には、電気抵抗器は、積層の遠端部に配置されたプレートと、熱交換器のフレーム、あるいはより広くは、プレートの積層の固定端部または可動端部を形成する任意の構成要素との間に配置可能である。
【００１６】
また、電気抵抗器を、積層の最終プレートと、他のプレートと同じ外形を有するが流体回路を形成するのには使用されない付加的なプレートとの間に配置することが可能である。こうして、電気抵抗器は、流体回路を画定する役割を果たす積層の最終プレートに接触し、残りのプレートの積層に対して押しつけられる付加的なプレート、または「化粧」要素によって覆われる。
【００１７】
有利におよび実際には、この組立体は、電気抵抗器と同じ側に、および積層の端板に向かい合って配置される断熱材料の層を備えてよい。実際、この場合、好ましくは、特殊な抵抗器によって発生される熱流が、熱交換に関与する熱交換器の最終プレートの方向になるように、熱交換器のその周囲への熱損失を最小にすることが企図される。
【００１８】
実際には、熱交換器がスケールで被覆された程度を評価することは、より多いまたは少ない程度にまで汚れたプレートの温度の局所的な上昇を引き起こすように、周期的に、またはパルスの形で、または時間指定された段階において、電気抵抗器に電気エネルギーを供給することを伴う。温度の局所的測定は、特殊な抵抗器の近傍での温度変化を、所定の変化特性に対して比較することを可能にする。この基準特性からの偏差によって、被覆されたスケールの付加的な厚みによるプレートの比熱のあらゆる変化を導き出すことが可能である。
【００１９】
熱交換器の汚れの程度のリアルタイムな評価は、被覆されたスケールの厚さの絶対値または相対値を介して汚れの程度を確認するために、あるいは汚れの変化の変遷を示す示差的な値を提供するために、即時的に使用可能である。これらの値の変化を追跡できるように統計が作成可能である。
【００２０】
熱交換器が自動清掃装置を装備した特殊な場合では、汚れの測定値がそのように要求したときに清掃装置を起動させ、熱交換器が満足な状態にあることを測定値が指示したときに清掃装置のスイッチを切るように、この清掃装置を制御するのに用いられる信号を出力する、汚れの程度を評価する装置を提供することができる。
【００２１】
本発明が実施される方法およびその結果として生じる利点が、より容易に理解可能であるように、添付の図面を参照して、以下の説明が与えられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
前述のように、本発明は、熱交換器がスケールで被覆された程度をリアルタイムに評価することを可能にする装置を備えたプレート式熱交換器に関する。このような熱交換器は、たとえば、互いに溶接またはろう付けされ、堅固なフレームに固定されたプレートを用いて、あるいは図１に示すように、積層され、フレームの中に締め付けられた一組のプレートを使用してといった、様々なやり方で組み込み可能である。
【００２３】
より正確には、図１に示される熱交換器（１）は、流体が中を通過することのできる開口部（３、４）によって流体回路を画定するように、互いに対して積層された複数のプレート（２）を備える。これらのプレートは、２つの端部要素（７、８）を含むフレーム（６）によって互いに対して固定される。端部要素（７）は可動式であり、全てのプレートを押し合わせるために端部要素（８）の近くまで移動可能である。したがって、この熱交換器（１）は締め付けの前に示されており、このため、流体回路を画定する熱交換器の最終プレート（１０）を識別することが可能である。熱交換器はまた、最終プレート（１０）と端部要素（８）との間に配置される要素（２０）に取り付けられる特殊な抵抗器を備える。
【００２４】
より正確には、および図２に示すように、電気抵抗器（２１）は、端部要素（８）と、断熱材料（１５、１６）の挿入層（１５、１６）を備えた、流体回路（１３、１４）の画定に関与する最終プレート（１０）との間に配置される、集積回路タイプの平坦で可撓性の要素（２０）に取り付け可能である。抵抗器（２１）を積層の最終プレート（１０）に熱的に接続する層（１５）は、プレート（１０）の熱伝導特性と実質的に同様である熱伝導特性を有さなければならず、その熱的な挙動を評価できるようにしなければならない。実際には、断熱材料（１５）のこの層は、典型的に、カプトン（登録商標）からなってよい。
【００２５】
抵抗器（２１）を支持する要素（２０）と、熱交換器の端部要素（８）との間に配置される断熱層（１６）は、抵抗器（２１）によって発生される熱流が、熱交換器の外側に向かってではなく、プレート（１０）の方向に移動するように、高断熱性でなければならない。実際には、この材料は、熱交換器の性能、ならびにプレート（２、１０）および抵抗器の支持体（２０）を作製するのに用いられる他の材料に依存して選択される。積層プレートの組立体を２つの端部要素に対して締め付けるのに加えられる力によって、電気抵抗器（２１）と、スケールの被覆が測定されるプレート（１０）との間に十分な熱伝導の確保が可能になる。
【００２６】
代替の取り付けシステムが図３に示されており、電気抵抗器（３１）を支持する要素（３０）が、同様の外形を有する２つのプレートの間に配置される。流体回路を画定する積層の最終プレートを構成するプレート（１０）は、図２の層（１５）と同様の層（３５）を介して抵抗器（３１）に熱的に接続される。典型的に、熱交換器の他のプレートと同一のプレートであってよいが、流体回路の画定に関与しない付加的なプレート（３２）が、やはり断熱層（３６）を介して、抵抗器（３１）を支持する要素（３０）をはさむ。この断熱層（３６）は、抵抗器から、熱交換器の外側に向かってではなく、熱交換器に向かって熱流を向けるように構成される。
【００２７】
実際には、特殊な抵抗器は、熱交換器内の様々な位置に配置可能である。図１に示すように、抵抗器は最終プレートとフレーム（８）との間に配置可能であるが、第１プレートとフレーム（７）との間の他方の端部にも配置可能である。
【００２８】
実際には、電気抵抗器は、比較的可撓性の基板の上に溶着された金属のトラック（metallic track）として、図４に示すように製作可能である。この抵抗器（２１）は、抵抗器（２１）の直近で温度を測定するのに用いられる１つまたは複数の熱電対（２４）に接続される。２つの電源端子（４２、４３）が、全ての必要な配線およびコネクタと共に設けられ、熱交換器の外側から抵抗器に電力を供給することを可能にする。抵抗器はまた、一体型の構成要素として製作可能である（この場合、参照符号２０と２１とは単一の物体となる）。この場合、抵抗器は全高を越えて延在するが、測定は熱電対の領域に局限されたままとなる。
【００２９】
作動の際には、電力が抵抗器（２１）に供給された場合に、抵抗器（２１）および熱電対（２４）からなるセンサ（２０）が熱流を発生する。抵抗器は、パルスによって、または、好ましくは電流のステップによって供給が可能である。この場合、抵抗器が加熱し、熱交換器のプレート（１０）と、断熱層（１５）と、抵抗器（２１）およびその支持体（２０）とからなる組立体の間に熱の不均衡を生じる。電気抵抗器（２１）の近くに配置される熱電対（２４）によって、温度変化の記録が可能になる。実際、システムの熱交換能力がより高くなればなるほど、この励起（excitation）に対する反応はより緩衝されることが分かっている。
【００３０】
図５に示すように、システムが高い熱交換能力を有する場合、実線（５０）で示される到達温度は、点線（５１）で示される熱交換能力がより低い場合の到達温度よりも、より低くなる。抵抗器（２１）によって発生される熱流が、熱交換器の中へすべて内向きに向けられた場合、システムの温度変化の変遷は、熱交換器のプレート（１０）のレベルでの熱交換能力と、プレート（１０）の熱慣性とに依存し、この熱交換能力およびこの熱慣性が、汚れの程度の関数になる。
【００３１】
このようなシステムの熱挙動を判定する計算は、熱／双極子法にならって直接的に形成されることができる（非特許文献１）。したがって、これらの変数に対する感度を分析することで、第１に、システムが高感度であること、ならびに第２に、短い期間で識別可能であるプレート（１０）の材料上の付加的なスケールの被覆の厚さと、より長い期間にわたって識別可能である熱交換係数とのために、各比熱変化の影響が相関しないことが立証可能である。パルスまたはステップを用いて周期的にこれらのタイプの測定を行うことによって、図６に図示されるように、時間とともに変化する曲線網（network of curves）を得ることが可能である。
【００３２】
したがって、熱交換器が同一条件の下で作動していると仮定すると、実線（６０）で示すような、汚れがわずかである状況の下での温度変化は、点線（６１）で示すような、汚れた状況での変化とは異なることが明白である。したがって、これらの変化を分析することで、従来式の検量によって、温度測定値とプレート上のスケールの平均的厚さとの間の関係を確立することが可能になる。
【００３３】
熱交換器がスケールで被覆された程度を評価する装置を備えた本発明による熱交換器は多くの利点を有することが、上記から明らかである。事実、この熱交換器は、流れが比較的縮小された熱交換器の場合でさえも、代表的信号を出力するように十分に高感度であり、新規の熱交換器に装着される能力、または既存の熱交換器に付加される能力さえも有し、熱交換器の作動は平面状の電気抵抗器および限られた数の熱電対の使用に基づいているので、比較的低いコストを有する。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】様々なプレートを締め付け合わす前に得られる構成で示された本発明による熱交換器の概略的な斜視図である。
【図２】プレートと熱交換器のフレームとの間に特殊な抵抗器を取り付ける第１の方法の概略的な部分断面図である。
【図３】同様の外形を有する２つのプレートの間に抵抗を取り付ける代替の方法の概略的な部分断面図である。
【図４】特殊な抵抗器を含む要素の上面図である。
【図５】異なる熱交換能力を伴う、特殊な抵抗器の近傍で測定された温度の時間による変化を示すグラフである。
【図６】異なる汚れを伴う、特殊な抵抗器の近くで測定された温度の時間による変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３５】
１    熱交換器
２    プレート
３    開口部
４    開口部
６    フレーム
７    端部要素
８    端部要素
１０    最終プレート
１３    流体回路
１４    流体回路
１５    断熱層
１６    断熱層
２０    支持体
２０    センサ
２１    電気抵抗器
２４    熱電対
３０    要素
３１    抵抗器
３２    付加的なプレート
３５    層
３６    断熱層
４２    電源端子
４３    電源端子
【図１】
2009528504.tif 000003
【図２】
2009528504.tif 000004
【図３】
2009528504.tif 000005
【図４】
2009528504.tif 000006
【図５】
2009528504.tif 000007
【図６】
2009528504.tif 000008
【国際調査報告】
2009528504.tif 000009
2009528504.tif 000010
2009528504.tif 000011
2009528504.tif 000012