JP2000227295A - プレ―ト形熱交換器 - Google Patents

プレ―ト形熱交換器

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JP2000227295A JP2000018903A JP2000018903A JP2000227295A JP 2000227295 A JP2000227295 A JP 2000227295A JP 2000018903 A JP2000018903 A JP 2000018903A JP 2000018903 A JP2000018903 A JP 2000018903A JP 2000227295 A JP2000227295 A JP 2000227295A
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plate
plates
separation device
copper
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ブノワ・ダビディアン
Marc Wagner
マルク・バグネール
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来と比べて少ないプレート枚数で構成さ
れ、熱通過率が高いプレート形熱交換器を提供する。 【解決手段】 本発明のプレート形熱交換器は、複数の
金属プレート（８）、複数のコルゲーション板（６）及
び二枚の外板（７）などから構成される。前記金属プレ
ート（８）は、銅、ニッケル、アルミニウム、またはこ
れらの金属の合金からなり、互いに平行に配置される。
前記コルゲーション板（６）は、銅または銅合金からな
り、前記金属プレート（８）の間に配置される。前記金
属プレート（８）の相互の間隔は、６ｍｍ以上であり、
任意的には８ｍｍ以上である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、熱交換器に係り、
特に、空気分離装置において少なくとも二種類の流体の
間で熱交換を行う際に適したプレート形熱交換器に係
る。
【０００２】
【従来の技術】空気分離装置には、数種類の熱交換器が
備えられている。
【０００３】この内、主熱交換器は、精留装置に供給さ
れる空気を、精留装置から抜き出された一種類または数
種類の流体との熱交換によって、精留温度まで冷却する
ために使用される。あるケースでは、これらの流体は、
精留装置から抜き出された数種類の加圧液体であって、
熱交換器の中で精留対象の空気との熱交換によって気化
される。
【０００４】これらの熱交換器は、通常、その全体を、
アルミニウム、銅、またはこれらの金属の合金で作られ
ている（例えば、ＷＯ９５／２８６１０号公報； Hause
n，Linde，“ Tieftemperaturtechinik ”，４６８〜４
７１ページ；“ Large Tonnage Oxygen Plants − Braz
ed Aluminium Technology and Equipment for the 80s
”， Duncan et al., Cryogenic Processes and Equip
ment Conference, ASME, August 1980 ；“ Improved P
lant Main Condenser ”， O’Neill et al., Cryogeni
c Processes and Equipment Conference, ASME, August
1980）。
【０００５】安全上の理由から、これらの液体は、場合
により、特殊な熱交換器の中で、空気または窒素などの
様な単一の流体との間の熱交換によって気化される。
【０００６】また、上記の空気分離装置は、少なくとも
一つの気化器兼凝縮器を備えている。この気化器兼凝縮
器は、熱交換器であって、精留塔の内部または外部に配
置される。これらの気化器は、通常、その全体を、銅、
ステンレス鋼、ニッケルまたはアルミニウムで作られて
いる。これらの気化器は、少なくとも二つの流体経路を
備え、その内の少なくとも一つの流体経路は、装置の他
の部分と、当該気化器に溶接された配管によって接続さ
れている。
【０００７】これらの熱交換器は、通常、複数のアルミ
ニウム製プレートを備え、これらのアルミニウム製プレ
ートは、互いに、５ｍｍ以上７．６ｍｍ以下の間隔で隔
てられ（ＵＳ−Ａ−４７１５４３３号公報）、その間隙
には、アルミニウム製のコルゲーション板が挿入されて
いる。
【０００８】ＥＰ−Ａ−０９５２４１９号公報では、ア
ルミニウム製プレートの間隔は、最大で５ｍｍである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、熱通
過率が高いプレート形熱交換器を提供するすることにあ
る。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明のプレート形熱交
換器は、銅、ニッケル、アルミニウム、銅を少なくとも
８０ｗｔ％含む合金、ニッケルを少なくとも８０ｗｔ％
含む合金、または、アルミニウムを少なくとも８０ｗｔ
％含む合金の内のいずれかからなり、互いに実質的に同
一の輪郭形状を備え、流路を形成するために互いに間隔
をあけて平行に配置された複数の金属プレート（８）
と、銅を少なくとも８０ｗｔ％含む材料、またはニッケ
ルを少なくとも８０ｗｔ％含む材料からなり、前記金属
プレートの内の少なくとも二枚の間に配置された伝熱用
のコルゲーション板（６： exchange corrugations ）
と、前記金属プレートに縁にリークタイト状態で接続さ
れたサイドバーからなる閉鎖手段（１１）と、前記金属
プレートに対して平行に配置され、前記金属プレートと
実質的に同一の輪郭形状を備えた二枚の外板（７）と、
任意的に設けられ、前記金属プレートの間に形成された
前記流路に接続された半円筒状のヘッドと、任意的に設
けられ、その内の少なくとも幾つかは、少なくとも一つ
の球または楕円体の一部、及び当該球または楕円体の一
部に対して接線方向につながる錐体（ cones ）の一部
からなり、流体の入口または出口面にリークタイトに接
続された流体の入口または出口室（１０６）と、を備え
たプレート形熱交換器であって、その間に前記コルゲー
ション板が配置される前記金属プレートの、互いに隣接
する縁の間の間隔が６ｍｍ以上であり、任意的には８ｍ
ｍ以上であることを特徴とする。
【００１１】好ましくは、互いに隣接する前記金属プレ
ートの縁の間の間隔は、９ｍｍ以上または１０ｍｍ以上
である。
【００１２】前記プレートの板厚は、１ｍｍから２５ｍ
ｍの範囲である。
【００１３】前記コルゲーション板の板厚は、０．１ｍ
ｍから０．４ｍｍの範囲である。
【００１４】前記コルゲーション板の単位長さ当たりコ
ルゲーションの数は、３００コルゲーション／ｍから１
２００コルゲーション／ｍの範囲である。
【００１５】好ましくは、前記コルゲーション板の全て
が銅製である。
【００１６】本発明によるプレート形熱交換器は、空気
分離装置において、先に述べた役割の一つを担うことが
できる。
【００１７】例えば、本発明によるプレート形熱交換器
を、空気をその精留温度まで冷却する主熱交換器として
使用することができる。あるいは、本発明によるプレー
ト形熱交換器を、主熱交換器以外のサブクーラー（ sub
cooler ）として使用することもできる。
【００１８】空気分離装置が、第一精留塔及び第二精留
塔を備え、第一精留塔に原料の空気が供給され、第一精
留塔と第二精留塔が熱的に接続されている場合、本発明
によるプレート形熱交換器を、第一精留塔の塔頂ガスを
用いて第二精留塔の塔底部を加熱するリボイラとして使
用することができる。この場合、二種類の異なる流れ
が、このプレート形熱交換器の中を通る。
【００１９】あるいは、本発明によるプレート形熱交換
器を、二段式精留塔の第二精留塔の中間部の熱交換器、
または、一段式精留塔の塔頂部凝縮器として使用するこ
ともできる。
【００２０】
【発明の実施の形態】次に、本発明によるプレート形熱
交換器の実施形態について、図面を用いて説明する。
【００２１】図７は、種々の材質及び温度について、有
効面積の変化を、コルゲーションの高さの関数として表
したものである。ここで、有効面積とは、プライマリー
エリア（分離板の面積）に、フィン係数（ fin coeffic
ient ）で修正されたセカンダリーエリア（コルゲーシ
ョン板の面積）を加えたものである。
【００２２】低温下において、銅の熱伝導率は、アルミ
ニウムの熱伝導率の３倍程度高くなる。従って、熱交換
を改善するために、図７に示す様に、コルゲーションの
高さ（従って、分離板の間の間隔）を増大させることが
できる。これに伴ない、分離板の数を減らすことができ
る。
【００２３】図１に、本発明によるプレート形熱交換器
の外部の概略図を示す。
【００２４】図１において、熱交換器２０は、一連の平
行なプレート（分離板）を備えている。これらのプレー
トは、アルミニウム製であって、互いにろう付けされ、
多数の流路を画定している。この例では、これらの流路
は、三種の流体の内の一つが交互に流れる様に構成され
ている。三種の流体とは、例えば、気体状態の空気の流
れ、約５ｂａｒ（５００，０００Ｐａ）の圧力の窒素富
化ガスの流れ、及び約１．５ｂａｒ（１５０，０００Ｐ
ａ）の圧力の酸素富化液体の流れである。当然、圧力は
他の値を取ることもできる。
【００２５】上記のガス（または液体）は、プレート形
熱交換器２０にステンレス鋼製の配管２を通って導入さ
れる。この配管２は、同じくステンレス鋼製で半円筒状
のヘッド１（あるいはヘッダー）の中間部に溶接されて
いる。このヘッド１は、ガス（または液体）を、プレー
ト形熱交換器２０の高さ方向の全部分に分配し、ガス
（または液体）を、ステンレス鋼製の分離バー１２によ
って画定される流路の入口へ送る。
【００２６】図２及び図３に、本発明によるプレート形
熱交換器の内部の概略図を示す。
【００２７】ステンレス鋼製の外板７は、重ね合わせら
れたプレート８の上方に配置されている。プレート８の
下方にも、同様の外板が配置されている。ステンレス鋼
製のサイドバー１１は、プレート８の縁にリークタイト
状態で固定されている。
【００２８】これらの平行に配置されたプレート８は、
矩形の輪郭形状を備え、コルゲーション板９によって互
いに隔てられている。これらのコルゲーション板９は、
銅または銅を少なくとも８０ｗｔ％含む銅合金で作られ
ており、ろう付けによって固定されている。これらのプ
レート８の互いに隣接する縁の間の間隔は一定で、その
間隔は９．６ｍｍである。なお、プレート８の板厚は
１．８ｍｍであり、コルゲーションの高さは、９．６３
ｍｍである。
【００２９】上記の寸法の場合、プレートの枚数は、従
来のプレート間隔が５ｍｍの場合に使用される枚数と比
べて、半数になる。また、ろう付け材料（ brazing fil
lermaterial ）の使用量も少なくなる。
【００３０】コルゲーション板９の外側で、流路は分離
バー１２によって閉じられている。
【００３１】図４に、本発明によるプレート形熱交換器
が複数設けられた空気分離装置の例を示す。
【００３２】図４において、原料である空気の流れは、
本発明による熱交換器２０Ａの中で、他のガス、液体窒
素、及び窒素ガスとの熱交換によって冷却され、次い
で、二段式の精留塔に送られる。この二段式の精留塔
は、中圧精留塔と低圧精留塔を備えている。中圧精留塔
と低圧精留塔は、本発明による熱交換器（気化器兼凝縮
器２０Ｃ）を介して熱的に接続されている。
【００３３】低圧精留塔の塔底部から、酸素富化液の流
れが抜き出される。この酸素富化液の流れは、スーパー
チャージされた空気の流れ（ supercharged air flow
）との熱交換によって気化される。この熱交換は、本
発明による特殊な熱交換器２０Ｂの中で行われる。
【００３４】装置の他の流れは、本発明による熱交換器
２０Ｄの中で予冷される。
【００３５】図５に、本発明による他のプレート形熱交
換器の外部の部分側面図を、図６に図５の平面図を示
す。
【００３６】図５及び図６において、熱交換器は、縦方
向に重ね合わせられた矩形のプレートを備え、各プレー
トの間には、コルゲーション板が配置されている。コル
ゲーション板には、フィンが形成されている。互いに隣
接する各一対のプレートによって、全体としてはフラッ
トな流路が画定される。少なくとも、二系統の流路があ
る。その一方は、酸素の循環のために使用される。酸素
は、この熱交換器による処理対象の液体である。もう一
方は、窒素の循環のために使用される。窒素は、補助の
液体であって、凝縮することによって熱を放出する。
【００３７】これらの周辺部において、流路はバーによ
って閉じられている。バーは、処理対象の液体に対応し
ている。しかしながら、バーは、ボディー１０１の上面
１０３において取り除かれている。同様に、下面におい
ても取り除かれている。この様にして、熱交換器は、サ
ーモサイフォンの原理に基づいて運転され、気化した酸
素（“ＯＧ”）が上方に流れることに伴ない、液体酸素
（“ＯＬ”）が上方に運ばれる。この二層混合流は、ボ
ディーの上面１０３を通って、ボディー１０２から出
る。
【００３８】閉鎖用のバーは、更に、ボディー１０１の
縦方向側面に設けられている窒素用の入口−出口窓の水
平方向の列を残す様に、配置されている。これらの入口
−出口窓は、入口−出口ヘッダー（例えば、図中に示さ
れているヘッダー１０４）によって覆われている。入口
−出口ヘッダー１０４の全体としての形状は、半円筒状
である。入口−出口ヘッダー１０４は、ボディー１０１
の上部に設けられ、窒素ガスを窒素ガス用流路に導入す
るために使用される。入口−出口ヘッダー１０４には、
配管１０５から窒素ガスが導入される。
【００３９】流体の入口−出口室１０６を構成するボー
ル１１９は、ステンレス鋼、ニッケル、またはこれら二
種類の金属のいずれかの合金で作ることができる。
【００４０】これらの入口−出口室１０６の構造につい
ては、ＥＰ−Ａ−０７１８５８２号公報及びＥＰ−Ａ−
０７１８５８３号公報に、詳細に記載されている。
【００４１】以上の様に、図４の空気分離装置におい
て、液体酸素は、熱交換器２０Ｂにおいて空気との熱交
換によって加圧された後に気化し、一方、加圧された液
体窒素は、主熱交換器２０Ａにおいて空気との熱交換に
よって気化する。
【００４２】原料の空気は、クロード・タービン（ Cla
ude turbine ）、および／または、ブロア・タービン
（ blower turbine ）において膨張される。低圧精留塔
から抜き出された流れから、アルゴンを生産することも
できる。
【００４３】本発明のプレート形熱交換器は、向流式及
び並流式の熱交換器の双方に適用することができる。本
発明のプレート形熱交換器は、バスタイプ（サーモサイ
フォン）またはフィルムタイプの気化器に適用すること
ができる。なお、流路（ channel ）の断面形状は、矩
形、円筒形、または両者を組み合わせたものであっても
良い。
【００４４】
【発明の効果】本発明のプレート形熱交換器によれば、
従来と比べて少ないプレート枚数で、熱通過率が高い熱
交換器を構成することができる。本発明のプレート形熱
交換器は、特に、空気分離装置に使用される各種の熱交
換器に適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるプレート形熱交換器の外部の概略
図。
【図２】本発明によるプレート形熱交換器の内部の概略
図。
【図３】本発明によるプレート形熱交換器の内部の概略
図。
【図４】本発明によるプレート形熱交換器が複数設けら
れた空気分離装置の一例を示す図。
【図５】本発明による他のプレート形熱交換器の外部の
部分側面図。
【図６】図５の熱交換器の部分平面図
【図７】種々の材質及び温度について、有効面積の変化
をコルゲーションの高さの関数として表した図。
【符号の説明】
１・・・ヘッド、 ２・・・配管、 ６・・・コルゲーション板、 ７・・・外板、 ８・・・金属プレート、 ９・・・コルゲーション板、 １１・・・サイドバー（閉鎖手段）、 １２・・・分離バー、 ２０・・・プレート形熱交換器、 ２０Ａ・・・主熱交換器、 ２０Ｂ・・・特殊な熱交換器、 ２０Ｃ・・・気化器兼凝縮器、 ２０Ｄ・・・熱交換器（サブクーラー）、 １０１・・・ボディー、 １０３・・・上面、 １０４・・・ヘッダー、 １０５・・・配管、 １０６・・・入口または出口室。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マルク・バグネール フランス国、94100 サン・モール・デ・ フォッセ、リュ・ルイ・デュプレ 19

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 銅、ニッケル、アルミニウム、銅を少な
    くとも８０ｗｔ％含む合金、ニッケルを少なくとも８０
    ｗｔ％含む合金、または、アルミニウムを少なくとも８
    ０ｗｔ％含む合金の内のいずれかからなり、互いに実質
    的に同一の輪郭形状を備え、流路を形成するために互い
    に間隔をあけて平行に配置された複数の金属プレート
    （８）と、 銅を少なくとも８０ｗｔ％含む材料、またはニッケルを
    少なくとも８０ｗｔ％含む材料からなり、前記金属プレ
    ートの内の少なくとも二枚の間に配置された伝熱用のコ
    ルゲーション板（６）と、 前記金属プレートに縁にリークタイト状態で接続された
    サイドバーからなる閉鎖手段（１１）と、 前記金属プレートに対して平行に配置され、前記金属プ
    レートと実質的に同一の輪郭形状を備えた二枚の外板
    （７）と、 任意的に設けられ、前記金属プレートの間に形成された
    前記流路に接続された半円筒状のヘッドと、 任意的に設けられ、その内の少なくとも幾つかは、少な
    くとも一つの球または楕円体の一部、及び当該球または
    楕円体の一部につながる錐体の一部からなり、流体の入
    口または出口面にリークタイトに接続された流体の入口
    または出口室（１０６）と、 を備えたプレート形熱交換器であって、 その間に前記コルゲーション板が配置される前記金属プ
    レートの、互いに隣接する縁の間の間隔が６ｍｍ以上で
    あり、任意的には８ｍｍ以上であることを特徴とするプ
    レート形熱交換器。
  2. 【請求項２】 前記金属プレート間の間隔が１０ｍｍ以
    上であることを特徴とする請求項１に記載のプレート形
    熱交換器。
  3. 【請求項３】 前記コルゲーション板の全てが、銅また
    は銅合金からなることを特徴とする請求項１または２に
    記載のプレート形熱交換器；
  4. 【請求項４】 請求項１から３までのいずれかに記載の
    プレート形熱交換器（２０）を少なくとも一つ備えたこ
    とを特徴とする低温精留法に基づく分離装置。
  5. 【請求項５】 空気を分離することを特徴とする請求項
    ４に記載の分離装置。
  6. 【請求項６】 前記プレート形熱交換器は、空気をその
    精留温度まで冷却する主熱交換器であることを特徴とす
    る請求項５に記載の分離装置。
  7. 【請求項７】 前記プレート形熱交換器は、サブクーラ
    ーであることを特徴とする請求項４、５または６のいず
    れかに記載の分離装置。
  8. 【請求項８】 空気が供給される第一精留塔と、第二精
    留塔とを備え、第一精留塔と第二精留塔は、請求項１か
    ら３までのいずれかに記載のプレート形熱交換器を介し
    て熱的に接続されていることを特徴とする請求項４から
    ７までのいずれかに記載の分離装置。
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