JP2000514541A - 個別式プレートフィン熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 複数の圧密ユニットセル個別熱交換器要素がマニホルドフランジによって結合されて統合プレートフィン熱交換器を形成する。各個別熱交換器要素が入口、出口ポート、空気分配ヘッダ及び単一ユニットにろう付けされた熱伝達フィンを備えた完全な向流熱交換器のすべての特徴を含んでいる。

Description

【発明の詳細な説明】 個別式プレートフィン熱交換器 発明本発明は、一般的に言えばプレートフィン熱交換器に関し、さらに詳しく 言えば、回収熱交換器として用いられる横流プレートフィン熱交換器に関する。 プレートフィン熱交換器は、普通は多くの構成要素を単一炉サイクルにおいて ろう付けすることによって作られる一体式構造である。この基本的構成にはいく つかの間題がある。 典型的プレートフィン熱交換器における最低品質のろう付け接合はろう付 けされたコアの最終品質を決める。この厳しい条件は、健全なコアに対する不適 格結合部という不良品の形の損失及び典型的コアにおける何百もの中の単一の悪 いろう付けを避けようとする集中的段取り操作をする労力の形の損失を生ずる。 構成部品の各々の寸法は、厚さの相違がろう付けサイクルの間の負荷のひどい 相違にならないように、厳密な公差に保たれなければならない。 むく棒を用いて組立体の縁を通る荷重を支え、縁結合部がフィン対仕切り板接 合部と同様に荷重を加えられることを確実にする。普通は４本の棒が熱交換機の 各冷／熱層に必要で、組立てを労働及び材料の両方について集約的にする。 普通のプレートフィン熱交換器の一体構成は、不同に加熱された構造がひずみ を避けるために所定の場所から移動する自由がほとんど残っていない。総差動熱 成長がひずみとして現れ、疲労寿命に悪い影響を与える。 上に提起した三、四の問題に関してさらに詳しく言えば、横流ヘッダを備えた 向流プレートフィン熱交換機は、普通ガス／空気／ガス／空気の交互のヘッダ模 様を形成するように一緒に挟まれた一重ねのヘッダを備えている。各対の隣接す るガスヘッダと空気のヘッダは、比較的薄い仕切りシートによって分離されてい る。なお、従来のプレートフィン熱交換器は、仕切りシートの周辺をシールし、 ガス又は空気が隣接ヘッダに流入しないように、当業者によってクロージャーバ ーとも言われる縁付き棒を組み入れている。入口及び出口マニホルドダクトがヘ ッダを組み立ててろう付けした後にエッジバーに対して横に溶接される。 エッジバーは、仕切りシート間にこわい重構造取付部を作る。熱交換器を使用 中、エッジバー及び仕切りシートが温度変化を受ける。仕切りシートとエッジバ ーの位置及び構造的構成の差によって、温度変化は同じ割り合いでバーとシート に影響を与えない。仕切りシートは、エッジバーより構造的に弱いので、仕切り シートはひずまされる。 向流プレートフィン熱交換器において、エッジバーを使用することに関連した 第２の問題がエッジバーに溶接される薄板金マニホルドダクトに関する。マニホ ルドは、ヘッダ穴に隣接したコアの側面及び隅に沿ってエッジバーの積み重ねに 溶接される。仕切りシート同様に、マニホルドダクトは、温度の変化に迅速に応 答する。エッジバーは、マニホルドダクトほど迅速に温度変化に応答しないので 、金属薄板は、溶接部又はその近くにせん断荷重を受け、溶接部と母材の間の熱 影響域において損傷しやすい。前述のことに基づいて、従来のエッジバーをなく す手段を開発し、使用中に熱交換器に加えられる応力とひずみをなくすことが有 益であろう。 前述のことは、現在のプレートフィン熱交換器にあると知られている限界を示 す。したがって、上述の限界の一つ以上を解消することを目的とした代替品を提 供することが有益であることは明らかである。それ故、後でさらに詳しく開示さ れる特徴を備える適当な代替晶を提供する。 発明の概要 本発明の一の面において、これは一端に入口穴を他端に出口穴を有する上板と 、一端に入口穴を他端に出口穴を有し周辺へりが上板の周辺へりに連結されてい る底板と、一方が上板の第１側面に取りつけられ他方が底板の第１側面に取りつ けられた二つの第１フィン付き部材と、上板と底板の間にあり、上板の第２側面 及び底板の第２側面に取付けられた第２フィン付き部材と、隣接上板と底板に接 着によってほぼ完全に取付けられた第２フィン付き部材のフィンを備え、個別熱 交換器要素内の内圧に耐える手段を具備する個別熱交換器要素を提供することに よって達成される。 前述及びその他の面は、添付図面を併せて考慮するとき以下の発明の詳細な説 明から明らかになる。 図面の簡単な説明 図１は、本発明による個別熱交換器要素の平面図、 図２は、フィンの一部分と上板を内部の細部を示すために部分的に取り除いた 図１に示された個別熱交換器要素の第２平面図、 図３は、図１に示された個別熱交換器の縁の線３−３に沿って見た部分断面図 で、硬ろう溜め細部を示す、 図４は、図１の線４−４に沿って見た入口穴の部分断面図で、隆起フランジを 示し、 図５は内部ヘッダの一部分の拡大図、 図６は、図１に示された個別熱交換器要素要素を複数含む熱交換器を示す側面 図、 図７は、図１に示された個別熱交換器のための製作方法の一実施例を示すダイ ヤフラムである。 詳細な説明 個別熱交換器要素１０のユニークな面が一体化プレートフィン熱交換器に適用 された耐圧ユニットセル構成である。各ユニットセル１０は、入口ポート及び出 口ポート、空気分配ヘッダ及びろう付けで単一ユニットにされた熱伝達フィンを 図１及び２に示されているように備えた完全向流熱交換器のすべての特徴を含ん でいる。ユニットセルすなわち個別熱交換器要素１０は、与えられた用途に必要 な大きさの熱交換器マトリックス４０（図６）を製作するように逐次に溶接され る。 個別熱交換器要素は、以下の問題を解決する。 全熱交換器マトリックスではなく小さな扱いやすいユニットの検査、修 正、不合格判定を可能にする。結果は、品質保証を高めてスクラップを少 なくする。 小さな個別熱交換器要素を備えた嵩張る熱交換器マトリックスをろう付 けする危険と技術的困難をさける。 層間のスリップが漏れの危険なしに異なる熱ひずみに適応して耐久性を 最大にできるようにする。 好ましい実施例において、個別熱交換器要素１０は、ガス燃焼器のための燃焼 空気を加熱するのに用いられる向流回収熱交換器４０に組み立てられている。排 気ガスは、低圧側フィンすなわちガスフィン２２を通って流れ、燃焼空気は高圧 すなわち空気フィン２０を通って流れる。普通は、二つのガスフィン２２は各低 圧セルに対して単一セグメントのフィンを用いる典型的プレートフィン構成に必 要な高さの半分の寸法になっている。ガスフィン２２は、個別熱交換器要素１０ の各側面に結合されている（好ましくはろう付けによって）。個別熱交換器要素 １０は、主に上板１１及び底板１２の２枚のプレート部材で形成され、各プレー トには入口穴１４と出口穴１５がある。各ガスフィン２２は個別熱交換器内の高 圧媒体の中に（又は他の用途の場合、媒体から離れる方向に）熱を伝達する。個 別熱交換器要素１０の内側の単一層の空気フィン２０が上板１１及び底板１２の 両方に結合（やはり、好ましくは、ろう付けによって）されて熱を２枚の板１１ 、１２を通して伝えるとともに２枚の板１１、１２を不同圧力荷重に抗して押さ える。好ましいの空気フィン２０は、２枚の板１１、１２を板１１、１２に完全 に結合された空気フィン２０のフィン要素によって不同荷重に抗して抑制するこ とである。板１１、１２の間の空気フィン２０に加えて、ヘッダフィン２１をも 媒体の流れを入口穴１４から空気フィン２０の第１縁へ次いで空気フィン２０の 第２縁から出口穴１５へ向けるのに用いることができる。 好ましい実施例の目的のために、ヘッダフィン２１は、上板と底板が広がって 、図４に示すようにふくらみ隆起フランジ１６を形成する板１１及び１２の部分 で終わっていてもよい。この終端形状は、図４にソリッドフォントで示されてい る。代わりに、ヘッダフィンを一点鎖線フォントで示され、２１’と記されたよ うにして板の広がり始め部分を越えて伸ばしてもよい。 図５は、ヘッダフィン２１の好ましい実施例を示す。この実施例では、ヘッダ フィン２１の単一チャンネル２１ａが空気フィン２０の上の複数のチャンネルと 流体で通じている。好ましい実施例においても、ヘッダフィン２１は、不同荷重 をさらに抑制するを与えるように上板１１及び底板１２に完全に結合される。 ガス転向フィン２４を図１に示されているように与えることができる。できれ ば、一つのガス転向フィン２４が上板１１及び底板１２の各外面の周辺縁にガス フィン２２のガス入口縁において取付けられている。一つの形式の熱交換器４０ において、熱交換器は高温ガスがガスフィン２２に対して横向きに（すなわち、 個別熱交換器要素１０のガス入口縁に平行に）流れているハウジング（図示なし ）内に含まれている。ガス転向フィン２４は、高温がスを転向してガスフィン２ ２の中へ案内してガスフィン２２全体にわたって高温がスをさらに均一に分布さ せる。 好ましい実施例において、入口穴１１及び出口穴１５は、各々穴の回りにふく れフランジ１６を備える（図４参照）。これらのフランジ１６は、一つの個別熱 交換器要素１０のフランジ１６を隣接個別熱交換器要素１０のフランジ１６に溶 接することによって一つの個別熱交換器要素１０をもう一つの要素１０へ取付け るのに用いられる。熱交換器４０は、フランジ１６においてのみ互いに、取付け られた複数の個別熱交換器要素で形成されている。一つの個別熱交換器１０のガ スフィン２２は、隣接個別熱交換器要素１０のガスフィン２２へ取付け又は結合 されない。この形状において、個別熱交換器要素１０は、熱交換器４０の温度が 変わるにつれて互いに別々に大きくなって成長して動くことができる。熱交換器 ４０の積み重ねられたフランジは、ベローズ構造を形成する。フランジによって 作られたベローズは、可撓性構造であり、結果として熱伝達によって作られるた わみがベローズ構造によって弾性的に吸収される。フランジ１６を含む上板１１ 及び底板１２は、ほとんど均一な厚さのものであって、フランジにおける温度変 化は、上板１１及び底板12の残部に沿った温度差とほぼ同一である。熱交換器の 動作中に作られた熱ひずみが除かれる。 熱交換器要素１０において、上板１１及び底板１２は、ガスフィン２２と空気 フィン２０の間に挟まれている。フィンの端は縦に揃えられている。代わりの実 施例においては、ガスフィン２２の端は、それらが空気フィン２０と縦に並ばな いように広げられてもよい。 図７は、個別熱交換器要素１０及び熱交換器４０を組立てる一つの方法を示し ている。上板１１及び底板１２（仕切り板ともいう）は、ロール形状の０．３８ ｍｍ不銹鋼又は超合金鋼薄板で形成されている。薄板を巻きほぐして、次に仕切 り板が打ち抜きと、レーザトリミングによって形成される。ガスフィン２２及び がス回転フィン２４は、０．２ｍｍの圧延不銹鋼又は超合金鋼で形成される。薄 板金を巻きほどき、フィンを折り曲げ、硬ろう被覆をガスフィン２２とガス転向 フィン２４の片側にスプレーする。硬ろう被覆ガスフィン２２及びガス転向フィ ン２４は、次にレーザトリムされてきれいにされる。ガスフィン２２及びガス転 向フィン２４への硬ろう被覆の代わりに、仕切り板１１、１２の外面を硬ろう被 覆できる。空気フィン２０及びヘッダフィン２１は、０．１ｍｍの圧延不銹鋼又 は超合金鋼で形成される。薄板金を巻きほどいてフィンを折り曲げ、硬ろう被覆 を空気フィン２０とヘッダフィン２１の両側にスプレーする。硬ろう被覆空気フ ィン２０及びヘッダフィン２４は、次にレーザトリムされてきれいにされる。空 気フィン２２及びガス転向フィン２４への硬ろう被覆の代わりに、仕切り板１１ 、１２の両内面を硬ろう被覆で被覆できる。 仕切り板１１、１２、ガスフィン２２、ガス転向フィン２４、空気フィン２０ 及びヘッダフィン２１は、個別熱交換器要素１０を形成するように組立てられる 。個々の部材は、一時的に個々の部材を一緒に保持するために仮付け溶接される 。なお、組立られた個別熱交換器要素１０の周辺縁をレーザ溶接できる。 一つ以上の個別熱交換器要素１０は、個別熱交換器要素１０が被覆された表面 を互いにろう付けするために加熱される硬ろうセルの中に入れられる。種々のろ う付けジグ部品を用いて、ろう付け工程の間組立てられた個別熱交換器要素１０ のどんなゆがみをも最小にするように個別熱交換器要素１０を装荷することがで きる。図３及び４は、ろう付け工程のための仕切り板１１、１２の好ましい実施 例を示している。硬ろう溜め３０が上板１１に設けられている。この硬ろう溜め ３０は、ろう付け工程の間個別熱交換器要素１０の内部の隣接表面内に広がる追 加の硬ろう被膜を保持する。 ろう付けの後に、個別熱交換器要素１０は、不適切なろう付けによって生じた どんな漏れをも捜すために加圧される。次に、複数の個別熱交換器要素１０が部 分タックに組立られ、ふくれフランジは、一つに溶接される。これらの部分スタ ックは、再び圧力試験される。次に複数の部分スタックが熱交換器にするために 一つに溶接される。遷移ピース（番号なし）が外側個別熱交換器要素１０に取り つけられて熱交換器が一部分となっている装置の入口及び出口ヘッダに熱交換器 ４０を接続するための場所を与える。 上述の熱交換器の特徴が空気フィン２０を仕切り板１１、１２（差圧負荷に対 する抵抗を与える）に完全に接着してあるために、熱交換器４０の外部事前装荷 が用いられないことである。。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１０年２月１３日（１９９８．２．１３） 【補正内容】 １１．一つの個別熱交換器要素の入口フランジと出口フランジが隣接個別熱 交換器要素の入口フランジ及び出口フランジに取付けられている請求項１２に記 載の複数の個別熱交換器要素からなる熱交換器。 １２．複数の個別熱交換器要素からなり、各要素が 一端に入口穴を他端に出口穴を有する上板と、 一端に入口穴を他端に出口穴を有し周辺縁が前記上板の周辺縁に連結さ れている底板と、 一方が前記上板の外側に取付けられ、他方が前記底板の外側に取付けら れた二つの第１フィン付き部材と、 前記入口穴と前記出口穴の間に置かれ、前記上板と前記底板の間に挟ま れ、入口縁と排出縁を備え、前記上板の内側及び前記底板の内側に取付けられた 第２のフィン付き部材と、 前記入口穴と前記入口縁を接続する第１のヘッダフィン流れと、 前記出口穴と前記排出縁を接続する第２のヘッダフィン流れと、 隣接上板と底板に接着によってほぼ完全に取付けられた前記第２フィン 付き部材のフィンを備え、前記個別熱交換器要素内の内圧に耐える手段と を備える熱交換器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，Ｓ Ｚ，ＵＧ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，Ｉ Ｌ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，Ｒ Ｕ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 ナシュ、ジェイムス エス アメリカ合衆国メイン州01985 ウエスト ニューベリー マップル ストリート 72

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．上板を設ける工程と、 底板を設ける工程と、 二つの第１フィン付き部材を設ける工程と、 一つの第２フィン付き部材を設ける工程と、 前記第１フィン付き部材の少なくとも一つ、前記第２フィン付き部材、前 記上板及び底板に硬ろう被覆を付ける工程と、 一つの第１フィン付き部材を前記上板の第１の側に取付ける工程と、 第２の第１フィン付き部材を前記底板の第１の側に取付ける工程と、 前記上板、前記底板及び前記第２フィン付き部材を組立てて前記上板と前 記底板の間に前記第２フィン付き部材を前記上板及び前記底板の第２の側と接 触させて置いたサンドイッチ状組立体を形成し、それによって付けられた硬ろ う被覆が任意の二つの隣接表面の間に存在するようにする工程と、 前記上板の周辺縁を前記底板に溶接する工程と、 前記サンドイッチ状組立体をろう付けする工程と を備える個別熱交換器要素を組立てる方法。 ２．前記硬ろう被覆を付ける工程及び前記サンドイッチ状組立体をろう付け する工程が前記第２フィン付き部材のフィンを前記上板と底板に完全に接着する ために行われる請求項１に記載の個別熱交換器要素を組立てる方法。 ３．請求項１に従って組立てられた複数の個別熱交換器要素を用いる熱交換 器を組立てる方法であり、該方法が 一端にふくれフランジを持った入口穴と他端にふくれフランジを持った 出口穴を有する複数の個別熱交換器要素を設ける工程と、 一つの個別熱交換器要素にある前記入口穴のふくれフランジを隣接の個 別熱交換器要素にある前記入口穴のふくれフランジに溶接する工程と、 一つの個別熱交換器要素にある前記出口穴のふくれフランジを隣接の個 別熱交換器要素にある前記出口穴のふくれフランジに溶接する工程と を備える熱交換器組立方法。 ４．一端に入口穴を他端に出口穴を有する上板と、 一端に入口穴を他端に出口穴を有し周辺縁が前記上板の周辺縁に連結さ れている底板と、 一方が前記上板の第１の側に取付けられ、他方が前記底板の第１の側に 取付けられた二つの第１フィン付き部材と、 前記上板と底板の間にあり、前記上板の第２の側及び前記底板の第２の 側に取付けられた第２フィン付き部材と、隣接上板と底板に接着によってほぼ完 全に取付けられた第２フィン付き部材のフィンと を備える個別熱交換器要素。 ５．前記上板の内面と接触している前記底板の内面が互いに接着によって取 付けられている請求項４に記載の個別熱交換器要素。 ６．前記上板と前記底板の間にある二つのヘッダフィン付き部材をさらに備 え、各ヘッダフィン付き部材は、前記上板の第２の側及び前記底板の第２の側に 取付けられ、一方のヘッダフィン付き部材は、前記上及び底板の入口穴並びに前 記第２フィン付き部材の第１縁と流体で連通し、他方のヘッダフィン付き部材は 、前記上及び底板の出口穴並びに前記第２フィン付き部材の第２縁と流体で連通 している請求項４に記載の個別熱交換器要素。 ７．前記上及び底板部材の周辺縁に隣接して取付けられたガス転向フィン部 材をさらに備える請求項４に記載の個別熱交換器要素。 ８．前記第１フィン付き部材に入る気体の流れ方向を変える手段をさらに備 える請求項４に記載の個別熱交換器要素。 ９．少量の硬ろうを保持する硬ろう溜め手段をさらに備え、前記硬ろう溜め 手段は、前記上板及び底板の周辺縁の周りに伸びている請求項４に記載の個別熱 交換器要素。 １０．前記上板と底板の入口穴及び出口穴が表面に隆起フランジを備えてい る請求項４に記載の個別熱交換器要素。 １１．一つの個別熱交換器要素の入口フランジと出口フランジが隣接個別熱 交換器要素の入ロフランジ及び出口フランジに取付けられている請求項１２に記 載の複数の個別熱交換器要素からなる熱交換器。 １２．一端に入口穴を他端に出口穴を有する上板と、 一端に入口穴を他端に出口穴を有し周辺縁が上板の周辺縁に連結されて いる底板と、 一方が上板の第１の側に取りつけられ他方が底板の第１の側に取りつけ られた二つの第１フィン付き部材と、 上板と底板の間にあり、上板の第２の側及び底板の第２の側に取付けられた第２ フィン付き部材と、 隣接上板と底板に接着によってほぼ完全に取付けられた第２フィン付き部材の フィンを備え、前記個別熱交換器要素内の内圧に耐える手段と を備える個別熱交換器要素。