(57)【要約】  プレート熱交換器の流入および／または流出ポートに隣接する流路に、そのポートに隣接する伝熱要素を高速度の流れから保護するために、挿入体が設けられる。ポートからの高速度の流れを逸らしかつ方向転換することによって、伝熱要素に対する振動起因の応力を最小化できる。挿入体には、流れを、狭められた本体に導く縮流ノズルが設けられる。挿入体の出口は、本体の開放端として、または、本体の側壁における輪郭化された開口として形成できる。また、流れを、伝熱要素間に画定される流路チャネルにより均等に分布させることも可能になる。【選択図】図１
2010531426.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換器の流路に用いるための挿入体であって、
（ｉ）熱交換器アセンブリであって、
熱交換流体の通路となるポート、
前記ポートから延びるポートマニホールドであって、ある長さおよび第１直径を有するポートマニホールド、および
前記ポートマニホールドの長さに沿って配備される伝熱要素であって、熱交換を達成するための前記熱交換流体の通路となる前記ポートマニホールドと連通する流路チャネルを有する伝熱要素
を含む熱交換器アセンブリ、および
（ｉｉ）前記熱交換器アセンブリの前記ポートマニホールド内に配備される挿入体であって、
縮流ノズル、管状体および前記管状体に形成される出口を含み、
前記管状体は、前記第１直径よりも小さい第２直径を有し、
前記熱交換流体は、前記ポートと前記ポートマニホールドの間を、前記挿入体を経由して、前記縮流ノズルおよび前記出口を通って流れ、
流れの空間が、前記ポートマニホールドの長さに沿って画定されて、前記管状体と前記伝熱要素の間に延びる挿入体
を含むことを特徴とする挿入体。
【請求項２】
プレート熱交換器であって、
（ｉ）第１カバー要素および第２カバー要素を含むフレームであって、前記第１および第２カバー要素の少なくともいずれかに流体ポートが形成されるフレーム、
（ｉｉ）前記フレームに取り付けられ、空間を置いて相互連結される複数の伝熱要素を含む伝熱ユニットであって、
前記伝熱要素は、前記各流体ポートと連通するポートマニホールドを画定し、
前記ポートマニホールドと連通する、隣り合う前記伝熱要素の間に熱交換流路チャネルが画定される伝熱ユニット、および、
（ｉｉｉ）関連する前記流体ポートと流体連通する前記ポートマニホールドの少なくとも１つの中に配置される挿入体であって、
関連する前記流体ポートから延び、前記流体ポートと前記ポートマニホールドの間の流体の流れの形状を制限するノズル、
前記ノズルから延びる中空体、
前記中空体に形成される出口で、それを通って流体が前記挿入体と前記ポートマニホールドの間に流れる出口
を含み、
前記流体ポートと前記流路間の間の直接の流体の流れを、前記流体ポートに隣接して配置される前記伝熱要素から離れるように逸らす遮蔽を形成する挿入体
を含むことを特徴とするプレート熱交換器。
【請求項３】
前記管状体が、対向する両端部を有し、前記縮流ノズルが一方の前記端部に、前記出口がもう一方の前記端部に形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の挿入体。
【請求項４】
前記第２直径が、前記第１直径の５０％〜９０％の間にあることを特徴とする請求項１または２に記載の挿入体。
【請求項５】
前記第２直径が、前記第１直径の７０％〜８０％であることを特徴とする請求項４に記載の挿入体。
【請求項６】
前記ポートマニホールドが、第１長さを有し、
前記挿入体が、前記ノズルから前記出口に延びる第２長さを有し、
前記第２長さが、前記第１長さより短いことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の挿入体。
【請求項７】
前記第２長さが、前記第１長さの少なくとも２％であることを特徴とする請求項６に記載の挿入体。
【請求項８】
前記第２長さが、前記第１長さの５％〜２５％であることを特徴とする請求項６に記載の挿入体。
【請求項９】
前記伝熱要素が、間隔を置いて積層されるとの関係を持って組み合わされた熱交換器プレートの集合体を含み、
前記流路チャネルが、隣接する熱交換器プレートの間に形成されることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の挿入体。
【請求項１０】
前記ポートマニホールドが、前記熱交換器プレートの集合体内に形成される、一直線上に配列された一連の伝熱プレートポートによって形成されることを特徴とする請求項８に記載の挿入体。
【請求項１１】
前記挿入体が、前記ポートと同一の広がりをもって第１方向に延び、
前記熱交換器プレートが、前記第１方向に沿って積層され、前記流路チャネルが、前記第１方向にほぼ垂直の第２方向に延びることを特徴とする請求項８に記載の挿入体。
【請求項１２】
前記縮流ノズルが、入口直径を有し、前記ポートが、前記入口直径にほぼ等しいポート直径を有することを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の挿入体。
【請求項１３】
前記縮流ノズルが、前記熱交換器アセンブリに連結される取り付けフランジを含むことを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の挿入体。
【請求項１４】
前記挿入体の出口が、丸められたリップを有することを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の挿入体。
【請求項１５】
前記丸められたリップが、前記ポートマニホールドの中へのスピルウェイを形成するように、前記流路に隣接する側で拡大されていることを特徴とする請求項１４に記載の挿入体。
【請求項１６】
前記挿入体の出口が、前記管状体の片側がもう一方の側よりも長くなるように傾斜していることを特徴とする請求項１〜１５のいずれかに記載の挿入体。
【請求項１７】
前記熱交換器アセンブリが、石油化学工場または製油所の一部であることを特徴とする請求項１〜１６のいずれかに記載の挿入体。
【請求項１８】
熱交換器の流路に用いるための挿入体であって、
（ｉ）細長いチャンバを含む本体であって、前記チャンバは、側壁、第１端部および第２端部並びに流体の流路を画定する中空の内部を有する本体、
（ｉｉ）前記本体の前記第１端部に配備される縮流ノズルであって、前記流体流路に沿う流体ストリーム用のテーパ化されたガイドを形成する縮流ノズル、
（ｉｉｉ）前記本体に形成された、前記流体ストリームがそれを通って流れる出口であって、
前記本体の前記細長いチャンバの前記側壁に、前記本体の長さに沿って変化する断面を有する、起伏のある少なくとも１つの開口として形成され、前記出口の長さに沿って、前記開口を通る流れの速度が変化するようになっている出口、および、
（ｉｖ）前記本体を熱交換器の流体ポートに取り付けるための手段
を含むことを特徴とする挿入体。
【請求項１９】
前記本体が円錐状であり、前記第１端部から前記第２端部に向かってテーパ化されていることを特徴とする請求項１８に記載の挿入体。
【請求項２０】
前記取り付けるための手段が、前記ノズルから外向きに延びる環状フランジを含むことを特徴とする請求項１８に記載の挿入体。
【請求項２１】
前記取り付けるための手段が、前記本体を取り巻くスリーブを含むことを特徴とする請求項１８に記載の挿入体。
【請求項２２】
前記取り付けるための手段が、前記本体に装着されて前記本体から外向きに延びるバネ付偏向支持具を含むことを特徴とする請求項１８に記載の挿入体。
【請求項２３】
前記取り付けるための手段が、前記本体の前記第２端部から延びる取り付けフランジを含むことを特徴とする請求項１８に記載の挿入体。
【請求項２４】
熱交換器と組み合わされることを特徴とする請求項１８〜２３のいずれかに記載の挿入体。
【請求項２５】
石油化学工場と組み合わされることを特徴とする請求項１８〜２３のいずれかに記載の挿入体。
【請求項２６】
隣接する流体の流路チャネルを備えた伝熱要素および前記流体の流路チャネルにポートマニホールドを介して連結されるポートを有する熱交換器における、流体内の熱交換方法であって、
前記ポートマニホールドの中に、請求項１〜２５のいずれかに記載の挿入体を配置する工程、
前記挿入体を通して、前記ポートと前記ポートマニホールドの間に流体の流れを供給する工程、および
前記流体の流れによって前記伝熱要素内に誘起される振動を低減するために、前記ポートからの流体の流れが直接衝突しないよう、前記伝熱要素を保護する工程
を含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流れに誘起される振動を受ける熱交換器に関する。本発明は、特に、プレート熱交換器と、熱交換器の流入および流出ポートにおける流体流れとに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来型のガスケット封止型プレートおよびフレーム熱交換器は、ガスケットシールによって分離される伝熱プレートの集合体によって構成され、この伝熱プレートの集合体はフレームを形成する端末カバーの間に支持される。このフレームは、通常、定置カバーおよび可動カバーから構成され、この両カバーは、伝熱プレートの集合体をその間に挟持する固定具によって一緒に連結される。伝熱プレートの個数およびサイズは熱交換器の意図する用途分野に基づいて選択される。伝熱プレートは、隣接するプレート間に中間空間または流路チャネルが形成される積層体の位置関係に配置される。この中間空間は、溶接または可撓性のシールによって周囲環境からシールされる。カバーの１つまたは両方に、熱交換流体の流入および流出を可能にするポート開口が設けられる。伝熱プレートは、プレートの集合体を通り抜ける各流体用の流入ポートマニホールドおよび流出ポートマニホールドを形成する対応開口またはプレートポートを有する。
【０００３】
通常、熱交換器の内部には２つの異なる流体が流れるように設計される。運転時には、熱交換流体が、伝熱プレート間に形成される、異なる流路チャネル内においてプレート熱交換器を別個に通り抜けながら流れる。プレート間に交互に形成される複数の流路チャネルは、一方の熱交換流体をポートマニホールド間に導く流れ領域を画定するように、一方の流入および流出ポートマニホールドと連通する。プレート間の別の複数のチャネルは、もう一方の流入および流出ポートマニホールドと連通して、もう一方の熱交換流体を導くもう１つの流れ領域を画定する。残りのプレートの部分の周囲のガスケットまたは溶接に類似の、あるいはその一部であるガスケットまたは溶接が、交互に配置されるポートの周囲に設けられて、個別の流体密封された流路チャネルが形成される。流路チャネルに接する伝熱プレートの表面に沿う交互の熱交換流体流路によって、流体間の熱交換がもたらされる。運転時には、流体は、定置または可動端末カバー上の各流入ポートを通って対応する流入ポートマニホールドに流れ、続いて、熱交換が行われるプレート間の流路チャネルに分配される。次に、流体は、流路チャネルから対応する流出ポートマニホールドに流入し、さらに、定置または可動端末カバー上の流出ポートに流れる。
【０００４】
プレートの集合体を通り抜けて流れる熱交換流体は、流入および流出ポートと、関連するポートマニホールドとの位置において相対的に高速度になる場合がある。これは、例えば製油所において用いられるような大型のプレート熱交換器の場合に特に当てはまる。これらの装置においては、ポート速度は７．６ｍ／ｓ（２５ｆｔ／ｓｅｃ）にも達することがある。この高速度の流れは、ポートマニホールドを形成する伝熱プレートの部分、特に定置カバーまたは取り外し式カバー上の流入および流出ポートに隣接して配置されるいくつかのプレートに振動を誘起することが分かってきた。振動は、材料の疲労および破壊をもたらす応力を発生させる可能性がある。
【０００５】
熱交換器のポートマニホールド内に配置される流量分配器が知られている。しかし、既知の流量分配器は、流れを熱交換器の異なる領域に移動させるか、あるいは単に流れを一層均等に分布させるために用いられる。例えば、Ｈｅｓｓａｒｉに付与された特許文献１は、流入管または排出管内に配備することができるチューブに関する。このチューブは、それぞれ、管の全長に沿って流れを分布させかつ集めるためのものである。このチューブは、流体が全チューブの周囲を流れることができるように管内に配備され、管内において入口および出口並びに貫通開口部分を含んでいる。しかし、この設計は、最大流体速度が存在する流入および流出ポートに隣接する集合体内のプレートを保護しない。
【０００６】
熱交換器における流れを移動させる１つの例がＰＣＴ出願の特許文献２に示されている。この場合は、制御部材によって、流れの媒体をプレートのパッケージの異なる部分に導くことを可能にしている。しかし、このタイプの装置においては、流れを移動することが、再配置される流れの入口または出口にすぐ隣接するプレートを高速度の流体流れから保護することにならない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第４，３０３，１２４号明細書
【特許文献２】国際公開第００／７０２９２号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
熱交換器において流体流れによって誘起される振動を最小化する装置が必要とされている。さらに、熱交換器、特にプレート熱交換器における、流体の流れによる構成部品の疲労および破壊に関わる問題に対する解決策を見出すことは望ましいことであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の実施形態のいくつかの態様は、プレート熱交換器において流れによって誘起される振動を軽減する有効な機構、および、その軽減のための方法の提供に関する。
【００１０】
本発明の実施形態の別の態様は、プレート熱交換器の流入ポートマニホールドおよび／または流出ポートマニホールドにおける高速度流れの負の影響を最小化する費用対効果が高い解決策の提供に関する。
【００１１】
本発明の実施形態のいくつかの態様は、熱交換器の流路に用いる挿入体に関する。この熱交換器は、熱交換器アセンブリと、その熱交換器アセンブリのポートマニホールド内に配備される挿入体とを含む。熱交換器アセンブリは、熱交換流体の通路となる流入ポートと、その流入ポートから延びるポートマニホールドであって、ある長さおよび第１直径を有するポートマニホールドと、そのポートマニホールドの長さに沿って配備される複数の伝熱要素であって、熱交換を達成するために熱交換流体の通路となるポートマニホールドと連通する流路チャネルを有する複数の伝熱要素とを含む。挿入体は、縮流ノズルと、管状体と、その管状体に形成される出口とを含む。管状体は、第１直径よりも小さい第２直径を有する。熱交換流体は、流入ポートとポートマニホールドとの間を、挿入体を経由して縮流ノズルおよびその出口を通って流れる。流れの空間が、ポートマニホールドの長さに沿って画定され、管状体と伝熱要素との間に延びる。
【００１２】
本発明は、また、フレームと、伝熱ユニットと、挿入体とを備えたプレート熱交換器に関する。このフレームは、第１カバー要素および第２カバー要素を含み、流体の流入および流出ポートが、第１および第２カバー要素の少なくともいずれかに形成される。このフレームに取り付けられる伝熱ユニットは、空間を置いて相互連結される複数の伝熱要素であって各流体ポートと連通するポートマニホールドを画定する複数の伝熱要素を含み、その場合、熱交換流路チャネルが、ポートマニホールドと連通する、隣り合う伝熱要素の間に画定される。挿入体は、関連する流体ポートと流体連通するポートマニホールドの少なくとも１つの中に配置される。この挿入体は、関連する流体ポートから延び出て流体ポートとポートマニホールドとの間の流体の流れの形状を制限するノズルと、そのノズルから延びる中空体と、その中空体に形成される出口であってそれを通って流体が挿入体とポートマニホールドとの間に流れる出口とを含む。挿入体は、流入ポートと流路チャネルとの間の直接の流体の流れを、流入ポートに隣接して配置される伝熱要素から離れるように逸らす遮蔽を形成する。
【００１３】
本発明は、さらに、熱交換器の流路に用いる挿入体に関する。この挿入体は、側壁と、第１端部および第２端部と、流体の流路を画定する中空の内部とを有する細長いチャンバを含む本体、本体の第１端部に配備される縮流ノズルであって流体流路に沿う流体ストリーム用のテーパ化されたガイドを形成する縮流ノズル、本体に形成される出口であって流体ストリームがそれを通って流れる出口、および、熱交換器の流体ポートに取り付けるための手段、を備えている。出口は、本体の細長いチャンバの側壁における少なくとも１つの輪郭化された開口として形成され、その開口は、それを通る流れの速度が挿入体の出口の長さに沿って変化するように、本体の長さに沿って変化する断面を有する。
【００１４】
本発明は、さらに、隣接する流体の流路チャネルを備えた伝熱要素と、ポートマニホールドを介してその流体流路チャネルに連結されるポートとを有する熱交換器における流体内の熱交換方法に関する。この方法は、ポートマニホールドの中に挿入体が延び込むようにポートの位置に挿入体を配置することと、その挿入体を通してポートとポートマニホールドとの間に流体の流れを供給することと、流体の流れによって伝熱要素内に誘起される振動を低減するために、ポートからの流体の流れが直接衝突しないように伝熱要素を保護することとを含む。
【００１５】
本発明のこれらの態様および他の態様は、詳細説明および添付の図面と関連付けて理解すると明らかになるであろう。
【００１６】
以下、本発明を添付の図面と併せて説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の１つの実施形態に従って熱交換器内部に配備される挿入体の部分断面の概略的な側面図である。
【図２】図１による挿入体を使用した場合の熱交換器内における流体の流れを示す。
【図３】リップの設計を変更した図１に類似の挿入体の部分断面の概略的な部分側面図である。
【図４】図３の挿入体の正面図である。
【図５】出口形状が変更された図１に類似の挿入体の部分断面の概略的な側面図である。
【図６】本発明の別の実施形態に従って熱交換器内部に配備される挿入体の部分断面の概略的な側面図である。
【図７】本発明のさらに別の実施形態に従って熱交換器内部に配備される挿入体の部分断面の概略的な側面図である。
【図８】本発明のさらに別の実施形態に従って熱交換器内部に配備される挿入体の部分断面の概略的な側面図である。
【図９】本発明のさらに追加的な実施形態に従って熱交換器内部に配備される挿入体の部分断面の概略的な側面図である。
【図１０】図６の挿入体の上面図である。
【図１１】出口形状が変更された図７の挿入体に類似の挿入体の上面図である。
【図１２】プレート熱交換器アセンブリの正面からの斜視図である。
【図１３】従来型プレート熱交換器アセンブリの部分断面の概略的な側面図である。
【図１４】図１３の従来型プレート熱交換器における流体の流れを示す。
【図１５】従来型設計による熱交換器プレートの平面図である。
【００１８】
図面においては、同じ参照番号は、異なる図面において対応する部品を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明は、熱交換器アセンブリと、熱交換器と共に使用する構成部品とに関する。当業者には認められるであろうが、本発明は、種々の異なるタイプの熱交換器アセンブリにおいて実施することができる。簡単化のために本発明をプレート熱交換器に関連付けて説明するが、本発明はプレート熱交換器に限定されるわけではなく、任意のタイプの熱交換器アセンブリ、あるいは、構成部品がアセンブリ内部の流体流れによって誘起される振動に曝される任意のアセンブリにおいて実施することができる。従って、以下の詳細説明は、例示的なものであって、言及される特定のタイプの熱交換器構成部品に限定されないことが意図されている。
【００２０】
基本的に、本発明は、熱交換器と共に使用する挿入体に関する。この挿入体は、流入または流出ポートに隣接する流体の流路内に配置されて、流体の流れを熱交換器内部の流路チャネルに一層均等に分布させると共に、流体の流れによって誘起される振動に曝される要素に高速度の流体流れが直接衝突するのを防止するものである。この挿入体は、特に、高速度の流体流れによって構成部品に生成される振動を低減するために、敏感な構成部品を高速度の流体流れから保護する。本発明によれば、振動と、それによる材料の疲労および構成部品の破壊のような負の影響とを回避できる。
【００２１】
本明細書において用いる用語は、当該技術分野、特に熱交換器および流体流れの分野において普通に受け入れられている意味という点で従来と同様の用法が意図されている。しかし、これらの用語の多くは類似の用語と区別なく使用可能であることは、当業者が認めるところであろう。例えば、ポートという語は、流体が流れる開口を意味すると考えられると共に、端末カバーおよび伝熱プレートにおける開口を意味する語、あるいは、一直線上に配列された一連の開口で流路を画定する開口さえをも意味する語としてよく用いられる。類似の用語には、流路、チャネルまたはマニホールドが含まれる。本明細書は、当該技術分野における普通の適用例を用いて本発明を説明するように意図されているので、これらの用語は限定的なものとは意図されていないことが理解されるであろう。
【００２２】
図１２は、本発明の適用が可能な従来型のプレート熱交換器６００の外観図を示す。図１３は、本発明による挿入体なしの従来型プレート熱交換器６００の内部の図を示す。プレート熱交換器６００は、定置カバー要素６０２および可動カバー要素６０４を含むフレームを形成する端末カバーを有するように構成され、この両カバー要素が伝熱要素６０８のプレートの集合体６０６を支持する。定置カバー要素６０２は、例えばボルトによって可動カバー要素６０４に固定され、その間にプレートの集合体６０６を保持する。
【００２３】
明確化のために、プレートの集合体６０６の中心部分は破線によって表現されているが、プレートの集合体６０６は、定置カバー要素６０２と可動カバー要素６０４との間に配置される伝熱要素６０８の連続的な積層体を含むことが理解されるであろう。周知のように、伝熱要素６０８は、間隔が設けられる積層体の形態に配置され、隣接するプレート間にシール用のガスケット６１０が配備される。
【００２４】
図１２に見られるように、通常、プレート熱交換器６００は、１対の流入ポート６１２と１対の流出ポート６１４とを有し、この場合、１つの流入ポート６１２と１つの流出ポート６１４とが、それぞれ、隣接するプレート６０８の交互の対の間に画定される流路チャネルと連通する別個のポートマニホールドに連結される。これによって、１つの流体が伝熱要素６０８の片側に流れ、もう一方の流体がその伝熱要素６０８のもう一方の側に流れて、流体間の熱交換を実現する。通常、流入ポート６１２とそれに対応する流出ポート６１４とは、図１２に見られるように、また図１５から認め得るように、ずらして、互いに対角線上に配置される。本明細書においては、流入ポート６１２および流出ポート６１４を、それぞれ、対応するカバー要素における開口と、この場合スプール状の延長部である任意の関連構造とを含むように広く呼称する。当然ながら、プレート熱交換器１０の中に流入および流出ポートを形成する任意の構造が含まれるであろうし、あるいは、流入および流出ポートを単にカバー要素における開口とすることもできる。
【００２５】
図１３は、流路チャネル６１８に通じるポートマニホールド６１６に繋がるように定置カバー要素６０２に形成される流入ポート６１２を示す。流入ポート６１２は、この場合ポートマニホールドの内径ＤＰと同じである内径ＤＮを有する。但し、それは異なる直径とすることも可能である。隣接する流路チャネル６２０には、もう一方の流入ポートおよび関連するポートマニホールドから流体供給される。上記のように、流入ポート６１２は、単に、スプール状の延長部なしのカバー要素６０２の開口として形成することも可能である。
【００２６】
図１５は、典型的な伝熱要素６０８を示す。各伝熱要素６０８は伝導性の材料から構成されるプレートであり、その中に開口または伝熱要素ポートまたはプレートポート６２２が形成される。これらの開口乃至ポートは、図１２および１３に見られるように、プレート６０８が一緒に一直線上に配列されかつシールされた時にポートマニホールド６１６を画定することになる。ポートマニホールド６１６の末端は、可動カバー要素６０４に固定されるブランクまたはメクラフランジ６２６でシールされる。流入および流出ポートを、定置カバー要素６０２の代わりに、あるいはそれと共に、可動カバー要素６０４に形成することも可能である。
【００２７】
運転時には、図１４に示すように、流体が、流入ポート６１２から速度Ｖポートでプレート熱交換器６００に導入され、ポートマニホールド６１６に流入する。その流体は、ポートマニホールド６１６の全直径ＤＰの全域に流れる。図１４から分かるように、流体の流れは、伝熱要素６０８におけるプレートポート６２２の端部６２４に直接衝突する。矢印が、流路チャネル６１８の端部６２４において流れの中に誘起される渦を表している。流体力学の分野でよく知られるように、流れがプレート６０８の間の各流路チャネル６１８の内部に流入するのに伴って、流れはポートマニホールド６１６の長さに沿って消散していく。しかし、流入ポート６１２に最も近接する位置のプレート６０８に接する部分の流体の流れの速度は、ポートマニホールド６１６への流入時に最大値になるであろう。同様の現象が、流出ポート６１４に通じるポートマニホールドにおいても生じる。
【００２８】
大型のプレート熱交換器においては、速度Ｖポートは非常に高くなることがある。この高速度の流れのストリームは、流入ポート６１２に隣接する伝熱要素６０８におけるプレートポート６２２の端部６２４に直接衝突する傾向がある。発明者らは、流入ポート６１２に近接して、また流出ポート６１４にも近接して位置する伝熱要素６０８が、流体の流れによる高い振動を受けることを発見した。液体の流速が４．５ｍ／ｓ（１５ｆｔ／ｓｅｃ）を超えると、プレートの振動が生じるようになる。このような流れに誘起される振動は、結果的に伝熱要素６０８の破損を惹起する可能性がある。根本原因故障解析（Ｒｏｏｔ  Ｃａｕｓｅ  Ｆａｉｌｕｒｅ  Ａｎａｌｙｓｉｓ：ＲＣＦＡ）は流れに誘起される振動による破損を示している。詳細な解析は、低サイクル疲労破損および高サイクル疲労破損の両者が生じることを示しており、振動の根本原因を裏付けている。図１５は、伝熱要素ポート６２２の端部における破損が生じやすい部分を十字印して示している。
【００２９】
伝熱プレート６０８は、通常、特定の標準サイズで供給される型打ちプレートとして形成されるので、増量した流れを受け入れるためにプレートポート６２２のサイズを変更することは、費用が掛かりかつ複雑になるであろう。プレートポート６２２の直径は本質的に固定されているので、本発明の発明者らは、標準的なアセンブリの範囲内で、高速度を受け入れる方策を開発した。
【００３０】
図１を参照すると、本発明は、熱交換器アセンブリの流入ポート領域および／または流出ポート領域に挿入体を組み込むことを提案している。この挿入体は、流入ポート領域および／または流出ポート領域に近接する伝熱要素のプレートポートの端部における液体の流れの直接的な衝突を防止するためのものである。この挿入体は、また、流れを、伝熱要素の集合体内部のポートマニホールドの中により効率的かつ均等に分布させるであろう。本発明による挿入体は、流体の流れが、ポートマニホールドの内部において、狭められたプルームの形で外向きに（または内向きに）流れることを可能にする。これによって、流入ポートおよび流出ポートに最も近接する熱交換器プレートにおけるプレートポートの端部が、振動をもたらす高速度の流れから効率的に保護される。
【００３１】
図１および２のプレート熱交換器１０は、図１２〜１４の場合と同様に、定置カバー要素１２および可動カバー要素１４を含むフレームを有する。この両カバー要素は、伝熱要素１８の集合体１６を間隔が設けられる位置関係において一緒に挟持するように、一緒に固定される。伝熱要素１８は、シール用ガスケット２０によって間隔が設けられる積層体の位置関係において固定され、要素１８の隣接する交互の対の間に流路チャネル２２、２４を画定する。ここでも、プレートの集合体１６は、簡単化のために部分的に破線で示されているが、カバー要素１２および１４の間全体に広がる要素１８を含むであろう。
【００３２】
流入ポート２６は、カバー要素の１つ、図の例の場合は定置カバー要素１２に形成される。この流入ポート２６という用語は、外部源からカバー要素１２を通ってプレート熱交換器１０の中に至る入口部を広く指すものとして用いられている。従って、これは、カバー要素１２における開口に関連するあらゆる構造を含むことができる。図示の例の場合には、流入ポート２６は、スプール状の延長部と、カバー要素１２におけるポート／開口とを含む。ポートマニホールド２８は、流入ポート２６から、各伝熱要素１８における開口またはプレートポートを通って、もう一方のカバー要素、図の例の場合可動カバー要素１４まで延びている。カバー要素１４のポートマニホールド２８が開放されている場合は、それをシールするためにブランクフランジを設けることができる。流出ポートは、図１２に見られるものと同様に、プレートの集合体１６のもう一方の端部におけるポートマニホールドを始点として同様に配置されるであろう。
【００３３】
挿入体３０は、図１に見られるように、ポートマニホールド２８における流入ポート２６に設けられる。挿入体は流出ポートにも設けることができる。簡単化のために、ここでは、挿入体３０を流入ポート２６に関して記述するが、この記述は、流出ポートにおける組み込みに対しても同様に当てはまることが認められるべきである。流出ポートに通じるポートマニホールドは同じ高速度の問題に直面するからである。
【００３４】
挿入体３０は、縮流ノズル３２として形成される第１端部を有する中空の管状部材として形成される。縮流ノズル３２の開口端部の直径は、挿入体３０内へ円滑な流体流れを推進するために、流入ポート２６の直径と同じ直径ＤＮか、あるいはそれに近いものに選択される。縮流ノズル３２は、挿入体３０を熱交換器１０に連結する取り付け具として機能する環状の取り付けフランジ３４を有することが望ましい。図１に見られるように、取り付けフランジ３４は、流入ポート２６のスプールと定置カバー要素１２との間に、例えばガスケットによってシールされる。しかし、取り付けフランジ３４を、定置カバー要素１２の内側または流入ポート２６に隣接する第１伝熱要素１８を含む熱交換器１０の他の部分に結合し得ることも考えられる。また、ノズル３２を、流入ポート２６、カバー１２、１４、あるいは、伝熱要素１８の１つと一体的に形成することも可能である。
【００３５】
ノズル３２からの延長部は、中空の縦長の管状体３６である。出口３８は、図示の例では本体３６の開放端として本体に形成される。本体３６は、流体が、流入ポート２６からノズル３２を通り、出口３８から流出する流路を画定する。挿入体３０が流出ポートにおいて用いられる場合は、当然流れの方向が逆になるであろう。本体３６は、一定の直径を有するか、あるいは出口３８に向けてテーパ化することができる。出口３８の末端部は、知られているように、流体の流れは円滑なまたは曲線化された表面の周りで強められるので、流れを容易にするように丸めることができる。図１に見られるように、丸められたリップ４０が、出口３８の開放末端部を取り巻いている。
【００３６】
挿入体３０は任意の剛性材料から製作できる。例えば、挿入体３０は、鍛鋼、圧延鋼またはチタンを含む金属製とすることができる。挿入体３０は、また、繊維強化ガラス、プラスチックまたはプラスチック複合材から製作することができる。挿入体３０は、一体品とすることができるし、あるいは、別個のノズル３２および本体３６によって組み立てることもできる。また、特殊な用途において付加的な剛性または強度が必要な場合は、スティフナの追加が可能であることも考えられる。スティフナは、本体３６から延び出る縦長のリブ、または本体３６の中空内部を横断して延びる十字バー、または本体３６の周囲に延びる穿孔リングとして形成できる。いかなる事態においても、スティフナは、流体が、挿入体３０の周囲にかつそれを通って重大な障害なく、流れることを可能にするであろう。
【００３７】
挿入体３０は、出口３８から流出する流れが、ポートマニホールド２８を画定する伝熱要素１８のポートの端部に直接衝突しないように、少なくとも第１伝熱要素１８まではポートマニホールド２８の中に延び込み、それによって、そのポートの端部を、上記のように、要素１８に振動および摩耗をもたらす可能性がある高速度の流れから保護する。この実施形態における挿入体３０の長さは、ポートマニホールド２８の長さよりも短い。この挿入体３０の長さは、例えば、ポートマニホールド２８の長さの約５％〜約２５％とすることができる。出口３８の直径ＤＩはポートマニホールド２８の直径ＤＰよりも小さい。出口直径ＤＩは、ポートマニホールドの直径ＤＰの約５０％〜約９０％、または、さらに好ましくは約７０％〜約８０％とすることができる。これらの数値のそれぞれは結果を最適化できるが、特定流体の流れおよび使用する熱交換器アセンブリのタイプに応じて、数値を変更することが可能である。
【００３８】
挿入体３０がより狭い出口をもってポートマニホールドの中に部分的に延び込むという挿入体３０の形態によって、熱交換器に流入する流体は、その中心に高速度を有するプルームを形成する。このプルームは、伝熱要素１８の間に延びる流路チャネル２２の中に導かれる前に、流れがポートマニホールドの中に消散してポートマニホールド２８内に存在する流体中に分散するにつれて、その速度が低減する。このプルーム効果によって、伝熱要素１８のポートの端部が、流入ポート２６から流入する高速度流れの直接的な衝撃を受けないようになる。従来技術の構成においては、この直接的な衝撃が生じるのである。ポート２６に直接隣接して配備される伝熱要素１８は、出口３８から流出し続いて挿入体本体３６と最初のいくつかの伝熱要素１８との間の空間内を流れて流路チャネル２２に流入する流体を受け入れる。図２は、ポート２６から流れる流体がポートマニホールド２８の中心領域にどのように集中するかを、図において右側を指し示す矢印で表現している。図中の左向きの小さい矢印は、流体が、ポートマニホールド２８の中に送り込まれた後、ポート２６に直接隣接して配備される伝熱要素１８に向かって戻るように流れることを示している。
【００３９】
挿入体３０は、流体の流れを分布させ、特に、製油所または石油化学工場などの工業設備において用いられる大型のプレート熱交換器において、伝熱要素１８の端部を、損傷をもたらす高速度の流れから保護する。例えば、挿入体３０をプレート熱交換器に用いることによって、ポートマニホールドにおける流体流れの中心速度が基準流速の約１．３倍に増大する可能性があるが、この中心速度は消滅すると共に、その作用によって、ポートマニホールドに隣接する伝熱プレートのポートの端部に生じる流速が１／２に低減する。この局所位置における流体の運動エネルギーのレベル（密度×速度×速度に比例する）を１／４に低減することが可能になる。
【００４０】
流体力学および熱交換器の分野における当業者は、流出ポートから熱交換器を出る流体（液体を想定する）の流速が、それが流入する時とほぼ同じ大きさになることを認めるであろう。従って、流出流体を、流出ポートに通じるポートマニホールド内の挿入体３０の中に導くことは、伝熱要素のポートの端部を最高速度の流れから保護しかつ伝熱要素１８に対する振動および摩耗を最小化することによって、上記と同じ有利な効果を有するであろう。本発明による挿入体は、所要の用途および特定の装置特性に応じて、プレート熱交換器の入口部に、またはプレート熱交換器の出口部に、あるいはその両者に用いることができる。
【００４１】
図３は変形態様の挿入体５０を示す。この場合、挿入体５０は、図１の挿入体３０と同様の縮流ノズル５２と、取り付けフランジ５４と、本体５６とを有する。出口５８は、図４に見られるように、開放流路に向く片側において、伝熱要素１８の方に外向きに延びるリップ６０を有する。延長リップ６０は、伝熱要素１８を、挿入体５０から出る高速度流れから保護する補助機能を有する。リップ６０はある種のスピルウェイとして作用する。リップ６０は、本体５６にほぼ垂直に延びるように示されているが、出口５８から外向きに傾斜するようにある角度で延びるものとすることもできる。
【００４２】
図５は別の変形態様の挿入体７０を示す。この形態においては、挿入体７０は、縮流ノズル７２と、取り付けフランジ７４と、本体７６と、傾斜した出口７８とを有する。丸められたリップ８０が出口７８の周囲に延び出ており、必要に応じて、図３の実施形態と同様に拡大することも可能である。出口７８を傾斜させることによって、開口が大きくなり、本体７６を形成する壁面の片側がその反対側より長くなる。長い側の壁面が、同様に、伝熱要素１８を、流体流れが直接衝突しないように保護するスピルウェイとして機能する。
【００４３】
挿入体のいかなる形態においても、流体力学の原理に従って流れのパターンに影響するように出口の形状を定めることが可能である。また、本体にスロットまたは穿孔を形成することも可能である。この場合は、主出口から流出する前にいくらかの流体を挿入体から流出させることになるが、熱交換要素を、高速度流体流れが直接衝突しないように保護する機能はそのままである。
【００４４】
図６〜１１に示す挿入体は、開放端としての出口ではなく、側壁に出口を形成する。この構成の場合も同様の保護効果が得られるが、ポートマニホールドに沿う流れの分布は一層均等になる。
【００４５】
図６を参照すると、中空の管状体１０４に通じる第１端部に縮流ノズル１０２を有する挿入体１００が形成される。挿入体１００はポートマニホールド２８の全長にわたって延びるが、挿入体１００の第２端部１０６は可動カバー要素１４の位置にある。第２端部１０６は、閉止端として形成できるか、あるいは、カバー要素１４によって閉止できる。出口１０８は、輪郭化された開口として本体１０４の側壁に形成される。この出口１０８は、流れをポートマニホールド２８の長さに沿って均等に分布させるような可変断面を有する。流体力学および熱交換器の分野における当業者は認めるであろうが、流体の圧力は、すでに存在する流体によって加えられる静的な流体の力のために、かつまた、ポートマニホールドからプレートの集合体１６内の流路チャネルに流れる流体によって誘起される動的な力によって、ポートマニホールドの長さに沿って変化する。出口１０８の開口は、流れに影響を及ぼす変数を考慮して輪郭化され、流体を全体として一様に分布させるように設計される。出口１０８の開口の１つの形状が例えば図１０に示されている。
【００４６】
出口１０８の開口は、流路チャネル２２に通じる伝熱要素１８の端部に反対側の挿入体１００の側面に設けられる。その結果、上部流入ポート２６を示す図６の場合は、流体は、プレートの集合体１６の流路チャネル２２内への流れと反対方向に上方に向けられる。従って、流体は挿入体１００の周囲を流れなければならず、これによって、流体が伝熱要素１８の端部に衝突する点においてはその速度を失っている。この構成によって、流れに誘起される振動は生じず、また、振動の有害な影響も生じない。
【００４７】
図６の挿入体１００の形態においては、縮流ノズル１０２は流入ポート２６の内部に配備されており、出口１０８の開口の開始点が、図の左側に見られるように、第１伝熱要素１８および流路チャネル２２の位置にある。挿入体１００は、ポートマニホールド２８の内部において中心が一致するように、熱交換器に取り付けられる。挿入体１００の第１端部は、ノズル１０２の周囲に配備されるスリーブ１１０によって取り付けられる。ノズル１０２は、そのスリーブ１１０内に支持される接触子１１２およびスプリング１１４から形成されるバネ付勢の安定化取り付け具を担持する。接触子１１２はスプリング１１４によって外向きに付勢され、図の例の場合流入ポート２６のスプールである熱交換器の支持表面に当接する。この構成は、挿入体１００を中心配列位置に維持し、それが動かないようにする。挿入体１００の第２端部は、可動カバー要素１４に連結されるプレートとして形成される取り付けフランジ１１６を有する。図のように、可動カバー要素１４の使用されないポート開口をシールするために、メクラフランジ４４が用いられる。取り付けフランジ１１６は、可動カバー要素１４とメクラフランジ４４との間において、例えばガスケットによってシールされる。第２端部を、フレームまたはカバーの他の部分に取り付けることも当然可能である。
【００４８】
図７は、カバーに直接取り付けられる変形態様の挿入体２００を示す。挿入体２００は、第１端部における縮流ノズル２０２と、本体２０４と、第２端部２０６とを有する。出口２０８は、図６の形態と同様に輪郭化された開口として形成される。取り付けフランジ２１０はノズル２０２から延び出ており、定置カバー要素１２にシールされる。第２端部２０６は、メクラフランジ４４から延びるスリーブ４６に取り付けられる。
【００４９】
図８においては、挿入体３００が別個の縮流ノズルをもって形成される。挿入体３００は、縮流ノズル３０２と、本体３０４と、第２端部３０６とを有する。出口３０８は、図６の実施形態と同様の輪郭化された開口である。取り付けフランジ３１０は縮流ノズル３０２における開口から延び出ており、カバー要素１２に取り付けられる。縮流ノズル３０２は、本体３０４の開放端３１４の中にプレス嵌めの方式で嵌まり込んで、流体をほぼ通さない結合部を形成する開放端部３１２を有する。第２端部３０６には、可動カバー要素１４にシール結合するための取り付けフランジ３１６も配備される。別個のノズルは、本発明によるどの挿入体にも用いることができる。
【００５０】
図９は、挿入体の本体がテーパ化される実施形態を示す。挿入体４００は、縮流ノズル４０２と、本体４０４と、第２端部４０６とを有する。出口４０８は、上記と同様に、本体４０４の側壁における開口として形成される。挿入体４００は、定置カバー要素１２にシール結合するための取り付けフランジ４１０を有する。メクラフランジ４４は、第２端部４０６を同様に上記のように支持するスリーブ４６を有する。この形態においては、本体４０８はほぼ円錐状であり、第１端部から第２端部に向かってテーパ化されている。この形状も、中空の内部チャンバの断面積が、挿入体４００から流出する流体の速度および容積に影響を及ぼすので、流体の分布を補助する機能を有する。
【００５１】
上記のように、出口は、所要の流体の動的挙動に応じて正確な形状を有する輪郭化された開口として形成することができる。また、出口を、図１１に示す縦長の複数のスロットなどの一連の開口として形成することもできる。この場合の挿入体５００は、縮流ノズル５０２と、本体５０４と、第２端部５０６とを有し、出口５０８は、寸法が変化することができる複数のスロット開口を含む。穿孔または他の形状の開口を使用してもよい。
【００５２】
図１〜５に示す挿入体はその構造が非常に簡単であり、従って、低コストで製造可能であるが、振動と、伝熱要素１８に対する関連する摩耗との最小化にはきわめて効果的である。一方図６〜１１に示す挿入体はやや複雑であるが、挿入体の両端部に用いる取り付け機構によって、大型設備における安定性および剛性が向上する。
【００５３】
種々の取り付け方式を、種々の異なる挿入体の設計に対して適用し、かつ任意の組合せにおいて使用してもよいことは明白であろう。また、取り付けフランジは、カバー要素１２、１４またはプレートの集合体１６の種々の部分に固定することができる。以上の例示は、本発明に従って可能な種々の組合せのいくつかの例を示すように意図されているが、限定を意図したものではない。
【００５４】
これらの形態のすべてにおいて、特定の設計に応じて、挿入体をいずれかのカバー要素を通して容易に組み込みおよび取り外しすることが可能である。例えば、流入ポート２６のスプールおよび／またはメクラフランジ４４を取り外すことによって、挿入体にアクセスすることができる。このため、この挿入体は、既存のプレート熱交換器に追加装着するのによく適している。
【００５５】
本発明による挿入体の利点は、挿入体を用いてポートおよびポートマニホールドのサイズを効果的に変化させることよって、並びに、高速度の流れを逸らすことによって、標準的なプレート集合体のアセンブリを使用しながら、熱交換器に流入およびそれから流出する流体の流れを修正できる点にある。挿入体を用いることによって、標準サイズの伝熱要素を、熱交換器プレートに対する変更なしに使用できる。標準サイズの変更を個々の設備ごとに行うと、非常に高価かつ非効率なものになるであろう。挿入体は、相対的に安価に製造でき、組み立て時に組み込むことができるか、あるいは既存のプレート熱交換器に追加装着でき、それによって、伝熱プレートの摩耗および究極的な交換を低減できる。これは、プレート熱交換器、特に、例えば製油所で使用する大型のプレート熱交換器に対して、スループットの損失と修理および交換コストとを防止することによって巨大なコスト節減をもたらす。
【００５６】
本明細書で述べた本発明においては、種々の変更をなすことが可能であり、装置および方法に関する多くの異なる実施形態を、特許請求の範囲に規定される本発明の趣旨および範囲内において、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく作り出すことができる。本明細書に包含されるすべての事項は、例示的なものとしてのみ解釈されるべきであり、限定の意味は有していないことが意図されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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