JP5128544B2 - プレートフィン熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、内部にフィンプレートが内装された、いわゆるプレートフィン熱交換器に関する。

従来から、プレートフィン熱交換器（以下、単に「熱交換器」とも称する。）として特許文献１に記載のものが知られている。この熱交換器は、ケーシング内に第１の流体が流れる流路と第２の流体が流れる流路とが交互に配置されることにより多数の流路が並ぶ熱交換部を備える。具体的に、熱交換部１００は、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示されるように、間隔をおいて平行に配置される複数の仕切りプレート１０２と、各仕切りプレート１０２間に配置される波板状のフィンプレート１０４と、このフィンプレート１０４を幅方向から挟むようにその両側にそれぞれ配置され、その間に仕切りプレート１０２と共に流路ｒを形成するために当該フィンプレート１０４に沿って仕切りプレート１０２間を密閉する密閉部材１０６とを備える。フィンプレート１０４は、当該フィンプレート１０４が配置された流路ｒ内を流れる流体の熱を当該フィンプレート１０４を挟むように配置される一対の仕切りプレート１０２に伝熱するために、一方の密閉部材１０６から他方の密閉部材１０６まで間隔をおいて並ぶ特定の位置で前記一対の仕切りプレート１０２間を接続する（図４（ｂ）参照）。このように構成された熱交換部１００では多数の流路ｒが層状に並んでいる。

この熱交換器では、熱交換部１００に並ぶ多数の層状の流路ｒに対して二種類の流体（例えば、高温の流体と低温の流体と）を交互に流すことにより、隣り合う流路を流れる二種類の流体間で仕切りプレート１０２を介した熱交換が行われるように構成されている。このとき、フィンプレート１０４は、当該フィンプレート１０４が挟まれた一対の仕切りプレート１０２間を流れる流体の熱を前記一対の仕切りプレート１０２にそれぞれ伝熱し、これにより前記の熱交換の効率を向上させる。このように構成される熱交換器は、比較的構造が簡単で、しかも総括伝熱係数が大きいため、コンパクト性が求められる空気分離装置等の各種用途の熱交換器に用いられる。

前記の熱交換部１００には、通常、熱交換部１００の流路ｒの並び方向（図４（ｂ）においては上下方向）の両外側に、内部空間ｒ１を有する保護部１１０が設けられている。保護部１１０は、熱交換器の設置や移動等の際に、熱交換部１００と他の部材との接触等に起因する損傷から流体の流れる流路ｒを保護するために設けられた部位である。即ち、保護部１１０は、熱交換部１００が他の部材と接触することにより当該熱交換部１００の外面が凹んでも、この凹みが保護部１１０で止まり、この保護部１１０よりも内側の流路ｒを構成する仕切りプレート１０２等に前記凹みに起因する変形等が生じないようにするための部位である。この保護部１１０は、熱交換部１００の各流路ｒと同様の構成を有する。

特開平７−１６７５８０号公報

前記の熱交換部１００では、通常、密閉部材１０６の方がフィンプレート１０４よりも剛性が高く、且つフィンプレート１０４の方が密閉部材１０６よりも伝熱性能に優れるため、熱変化への追従性はフィンプレート１０４の方が密閉部材１０６よりも高い。そのため、熱交換部１００において各流路ｒを流れる流体の温度が急激に変化すると、この温度変化に基づき、各流路ｒでは密閉部材１０６よりもフィンプレート１０４の方が大きく変形する。このように密閉部材１０６とフィンプレート１０４とで前記温度変化に基づく変形量に違いが生じると、この変形量の違いに基づく応力（熱応力）が熱交換部１００の特定の部位に生じる。具体記に、前記流体の急激な温度変化（例えば、５０℃／ｍｉｎ等）によって密閉部材１０６はあまり膨張しないがフィンプレート１０４は密閉部材１０６よりも大きく膨張しようとする。このとき、図５に示すように、流路ｒを挟む一対の仕切りプレート１０２の間隔は剛性の高い密閉部材１０６の配置された部位近傍ではあまり変化しないが、密閉部材１０６から離れた部位、即ち、流路ｒの幅方向の中心部位ではフィンプレート１０４の膨張によって広げられる。このように仕切りプレート１０２が変形すると、当該仕切りプレート１０２の特定の部位に前記変形に起因する応力（熱応力）が生じる。尚、この熱応力は、一般に、熱交換部１００において急激な流量変動や温度変化が発生したときに、各部材の前記温度変化等に基づく変形量の違いにより発生するものであり、高温の流体のみではなく低温の流体の温度変化等によっても前記同様に特定の部位に各部材の変形量の違いに起因する熱応力が発生する。

通常、熱交換部１００では多数（例えば数百）の流路ｒが層状に並んでいるため、流路ｒの並び方向において、中心部から外側（図５においては上側及び下側）に向って離れるほど流路ｒ間を仕切る仕切りプレート１０２の初期位置からの変形量が大きくなる。これは、図５に示すように、中心部から外側に向かって各層（各流路）での前記変形量が加算されるためである。

そのため、例えば、化学プラントで前記の熱交換器が用いられた場合のように、熱交換が行われる流体の急激な温度変化や、全使用期間中の起動停止回数が重ねられるごとに前記の変形が繰り返され、その結果、変形量の最も大きくなる保護部１１０とその内側の流路ｒとを仕切る仕切りプレート１０２の特定の位置に、前記熱応力に基づく疲労が最も蓄積され、これにより当該仕切りプレート１０２に孔や亀裂等の損傷が発生する確率が高くなる。

この位置の仕切りプレート１０２に孔等の損傷が生じると、流路ｒを流れる流体が保護部１１０の内部空間ｒ１に流入する。運転中の熱交換部１００の流路ｒ内では高圧状態の流体が流れているため、当該流路ｒから保護部１１０の内部空間ｒ１内に流体が流出し続けることで当該保護部１１０内の圧力も徐々に高くなり、保護部１１０の内部空間ｒ１から熱交換器の外部に流体が漏れ出る場合がある。

そこで、このような流体の熱交換器の外部への漏洩を防止するために、前記仕切りプレート１０２の前記の変形量を抑えて疲労の蓄積を抑制するために、フィンプレート１０４の剛性を高くしたり、各流路ｒ内に補強部材を挿入して各流路ｒ間の仕切りプレート１０２の変形量を抑制することが考えられた。

しかし、このようにフィンプレート１０４の剛性を高くするとフィンプレート１０４の熱伝導率が小さくなり、これにより熱交換部１００の熱交換効率が低下して熱交換器の性能が低下する。また、補強部材を用いると装置が大型化若しくは重量が増加するといった問題が生じる。

そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、性能低下や大型化若しくは重量の増加を抑制しつつ熱交換を行う流体の外部への漏洩を防止することができるプレートフィン熱交換器を提供することを課題とする。

そこで、上記課題を解消すべく、本発明は、第１の流体と第２の流体との両流体間で熱交換が行われるプレートフィン熱交換器であって、前記第１の流体が流れる流路と前記第２の流体が流れる流路とを有しこれら流路が仕切り壁を介して交互に配置されることにより多数の流路が層状に並ぶ熱交換部本体とこの熱交換部本体の各流路内に配置され当該流路を挟んで対向する前記仕切り壁同士を接続して当該流路内を流れる流体の熱を前記対向する仕切り壁にそれぞれ伝熱する伝熱部材とを有する熱交換部と、この熱交換部の前記流路の並び方向の両外側にそれぞれ接続され、前記熱交換部の各仕切り壁よりも前記流路を流れる流体の熱に基づく熱応力により損傷し易い被検知用壁を有する検知部と、この検知部の被検知用壁の損傷を検知するための検知手段とを備え、各検知部は、前記流路の並び方向に並ぶ複数の密閉空間を内部に有し、この複数の密閉空間のうち最も外側の密閉空間とその内側の密閉空間との間を仕切るように前記被検知用壁が配置されることを特徴とする。

かかる構成によれば、前記熱交換部の仕切り壁よりも前記流路を流れる流体の熱に基づく熱応力により損傷し易い被検知用壁を有する検知部を熱交換部に設け、この被検知用壁の損傷を検知するための検知手段を備えることにより、流体の外部への漏洩なく各仕切り壁に蓄積される前記流体の熱に基づく熱応力による疲労を検知することができる。

即ち、孔や亀裂等の損傷が生じても流体の外部への漏洩の無い被検知用壁を熱交換部の各仕切り壁よりも流体の熱に基づく熱応力による疲労の蓄積が多くなる位置に配置することにより、各仕切り壁よりもこの被検知用壁を先に前記熱応力により損傷させてこれを検知することで、各仕切り壁に前記熱応力に基づく疲労が蓄積していることを検知し、実際に各仕切り壁が前記疲労の蓄積により損傷して流体が外部へ漏洩する前に修理等を行うことが可能となる。

具体的に、流体の急激な温度変化や流量変化が生じたときに伝熱部材の熱膨張によって各流路を挟んで対向する仕切り壁同士の間隔が拡げられ、各仕切り壁に変形が生じる。初期位置からの変形量は、流路の並び方向において、中心部の仕切り壁に比べて外側の仕切り壁ほど大きくなる。これは、中心側の仕切り壁が変形し、この変形した状態の仕切り壁から更に外側の仕切り壁が当該仕切り壁と前記中心側の仕切り壁との間に配置された伝熱部材の熱膨張によりさらに変形し、これが繰り返されるためである。従って、前記流路の並び方向の最も外側の流路の更に外側に検知部を設け、この検知部に前記流路と同じ方向に並ぶ密閉空間を複数設け、この密閉空間同士の間を仕切る位置に被検知用壁を設けることで、当該被検知用壁が最も熱応力に基づく変形が大きくなる。そのため、流体の急激な温度変化等や熱交換器の起動停止が繰り返され、前記流体の熱に基づく変形と初期位置への復帰とが繰り返される結果、前記被検知用壁に蓄積される前記熱応力に基づく疲労が最も大きくなる。このように、最も前記熱応力に基づく疲労が蓄積される位置に被検知用壁を配置し且つ被検知用壁に損傷が生じても流体の外部への漏洩が無い状態となるように当該被検知用壁を配置し、この被検知用壁に生じる孔等の損傷を検知することにより、各仕切り壁が損傷する前に当該仕切り壁に前記熱応力に基づく疲労が蓄積しているのを検知することが可能となる。

本発明に係るプレートフィン熱交換器においては、前記検知手段は、前記被検知用壁を挟む２つの密閉空間のうち一方の密閉空間内を加圧する加圧手段と、他方の密閉空間内の圧力を測定する圧力測定手段とを有するのが好ましい。

かかる構成によれば、一方の密閉空間内の圧力を加圧手段によって保持しつつ他方の密閉空間内の圧力を圧力測定手段によって測定することにより、被検知用壁に生じた初期の損傷、即ち、小さな孔や亀裂等でも、その有無を精度よく検知することが可能となる。

具体的に、加圧手段によって一方の密閉空間内の圧力を一定に保つことにより、被検知用壁に孔等の損傷が生じているとこの孔等を通じて一方の密閉空間から他方の密閉空間へ一方の密閉空間内の流体（例えば、窒素ガス等）が漏れ出る。そうすると、他方の密閉空間内の圧力が上昇するため、この圧力を圧力測定手段によって測定することにより、被検知用壁の損傷の有無を検知することができる。

前記熱交換部は、前記流路の並び方向の最も外側の流路と外部とを仕切る外側仕切り壁を有し、前記検知部は、前記流路の並び方向の最も内側の密閉空間が前記外側仕切り壁を介して前記熱交換部の最も外側の流路と隣り合うように当該熱交換部に接続され、各密閉空間内が前記熱交換部の前記流体が流れているときの各流路内の圧力と同じ圧力になっても耐える強度を有するのが好ましい。

かかる構成によれば、熱交換器の運転時に熱交換部と検知部との間の外側仕切り壁に損傷が生じ、この損傷した部位から検知部の密閉空間内に流体が流出しても、この流体の圧力による検知部の損壊を防止することができる。しかも、密閉空間内に漏れ出た流体は当該密閉空間内に閉じ込められた状態となるため、外部に流体が漏洩するのを阻止することができる。

また、前記密閉空間のうち前記流路の並び方向の最も内側の密閉空間内の前記流体の有無を検知するための流体検知手段を備えるのが好ましい。

かかる構成によれば、熱交換器の運転時に熱交換部の前記流路の並び方向の最も外側の流路から検知部の前記最も内側の密閉空間内に流体が流出しても、流体検出手段がこれを検知することにより、流体の流路からの流出を容易且つ確実に検知することができる。しかも、前記最も内側の密閉空間内に漏れ出た流体は当該密閉空間内に閉じ込められた状態となるため、外部に流体が漏洩するのを阻止することができる。

前記各検知部は、２つの密閉空間を有するのが好ましい。このように検知部に設けられる密閉空間を２つにすることで、熱交換器の大型化及び重量の増加を抑制しつつ、流体の外部への漏洩なく各仕切り壁に蓄積される前記流体の熱に基づく熱応力による疲労を検知することが可能となる。

以上より、本発明によれば、性能低下や大型化若しくは重量の増加を抑制しつつ熱交換を行う流体の外部への漏洩を防止することができるプレートフィン熱交換器を提供することができる。

本実施形態に係るプレートフィン熱交換器の概略構成図である。 前記プレートフィン熱交換器における熱交換部の一部を切欠いた部分拡大斜視図である。 前記熱交換部及び検知部の横断面の概略図である。 従来の熱交換器における熱交換部の（ａ）は分解斜視図であり、（ｂ）は正面図である。 前記従来の熱交換部の熱膨張状態を示す模式図である。

以下、本発明の一実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。

本実施形態に係るプレートフィン熱交換器（以下、単に「熱交換器」とも称する。）は、内部を流れる第１の流体と第２の流体との両流体間で熱交換が行われる熱交換器である。具体的に、熱交換器１は、図１乃至図３に示されるように、縦型の箱型形状のケーシング２と、このケーシング２の中央部に内装され、第１の流体Ｆ１が流れる第１流路３０ａと第２の流体Ｆ２が流れる第２流路３０ｂとが交互に配置される熱交換部３とを備える。

ケーシング２は、下端部及び上端部に第１の流体用の下部ヘッダ２１及び上部ヘッダ２２を有する。また、ケーシング２は、上側部及び下側部に第２の流体用の上側部ヘッダ２３及び下側部ヘッダ２４を有する。下部ヘッダ２１には第１の流体Ｆ１を熱交換器１内に導入するための第１流体導入配管２１ａが接続され、上部ヘッダ２２には第１の流体Ｆ１を熱交換器１から導出するための第１流体導出配管２２ａが接続されている。また、上側部ヘッダ２３には第２の流体Ｆ２を熱交換器１内に導入するための第２流体導入配管２３ａが接続され、下側部ヘッダ２４には第２の流体Ｆ２を熱交換器１から導出するための第２流体導出配管２４ａが接続されている。

このケーシング２の内部には、上下方向の中央部に熱交換部３が配設され、熱交換器の上部に上部分配部２５が配設され、熱交換部３の下部に下部分配部２６が配設される。上部分配部２５は、第２流体導入配管２３ａから上側部ヘッダ２３に導入された第２の流体Ｆ２を熱交換部３の各第２流路３０ｂに案内すると共に熱交換部３の各第１流路３０ａを通過した第１の流体Ｆ１を上部ヘッダ２２に案内する部位である。一方、下部分配部２６は、第１流体導入配管２１ａから下部ヘッダ２１に導入された第１の流体Ｆ１を熱交換部３の各第１流路３０ａへ案内すると共に、熱交換部３の各第２流路３０ｂを通過した第２の流体Ｆ２を下側部ヘッダ２４に案内する部位である。

このように構成されることにより、熱交換器１に供給される第１の流体Ｆ１は、第１流体導入配管２１ａから下部ヘッダ２１及び下部分配部２６を順に通過して熱交換部３の各第１流路３０ａ内に導入され、これら各第１流路３０ａを通過した後、上部分配部２５及び上部ヘッダ２２を順に通過して第１流体導出配管２２ａに導出される。一方、熱交換器１に供給される第２の流体Ｆ２は、第２流体導入配管２３ａから上側部ヘッダ２３及び上部分配部２５を順に通過して熱交換部３の各第２流路３０ｂ内に導入され、これら各第２流路３０ｂを通過した後、下部分配部２６及び下側部ヘッダ２４を順に通過して第２流体導出配管２４ａに導出される。

熱交換部３は、第１流路３０ａと第２流路３０ｂとが交互に配置されることにより多数の流路３０（第１流路３０ａと第２流路３０ｂと）が層状に並ぶ熱交換部本体３１と、各流路３０内に配置されるフィンプレート（伝熱部材）３２とにより構成される。熱交換部本体３１は、複数の仕切りプレート（仕切り壁）３３と、仕切りプレート３３同士を接続するサイドバー３４とを有する。仕切りプレート３３は、一方の面と他方の面との間で熱伝導可能な板状の部材であり、本実施形態では、Ａ３００３等のアルミニウム合金で形成された矩形の板状部材である。複数の仕切りプレート３３は、立設された状態で隣り合う仕切りプレート３３同士が互いに平行となるように間隔をおいて並んでいる。尚、仕切りプレート３３の具体的な材質は限定されず、例えば、本実施形態ではＡ３００３等のアルミニウム合金であるが、チタン、銅、ステンレス鋼等であってもよい。

サイドバー３４は、間隔をおいて並ぶ複数の仕切りプレート３３の各仕切りプレート３３間を塞ぐことにより、対向する仕切りプレート３３同士を接続すると共に当該仕切りプレート３３間に流路３０を形成する部材である。サイドバー３４は、各仕切りプレート３３間の両側部にそれぞれ配置され、この仕切りプレート３３の側部に沿って上下に延びると共に一方の仕切りプレート３３から他方の仕切りプレート３３までを塞ぐ。尚、サイドバー３４の具体的な材質は限定されず、例えば、本実施形態ではＡ３００３等のアルミニウム合金であるが、チタン、銅、ステンレス鋼等であってもよい。

以上のように仕切りプレート３３とサイドバー３４とが配置されることにより、各仕切りプレート３３間に一対の仕切りプレート３３とこの仕切りプレート３３間に配設された一対のサイドバー３４とに囲まれた流路３０が形成される。これにより、熱交換部３では多数の流路３０が層状に並ぶ（図３参照）。この流路３０は、第１の流体Ｆ１が流れる第１流路３０ａと第２の流体Ｆ２が流れる第２流路３０ｂとを有する。第１流路３０ａと第２流路３０ｂとは互いに同一の構成を有する。本実施形態では、層状に並ぶ多数の流路３０に対し、その並び順に交互に第１の流体Ｆ１と第２の流体Ｆ２とが流されるため、熱交換部３には第１流路３０ａと第２流路３０ｂとが交互に並ぶ。

フィンプレート３２は、各流路３０内に配置され、当該流路３０を挟んで対向する仕切りプレート３３同士を接続して当該流路３０内を流れる流体Ｆ１又はＦ２の熱を前記対向する仕切りプレート３３にそれぞれ伝熱するための部材である。即ち、フィンプレート３２は、各流路３０内において当該流路３０内を流れる流体との接触面積を確保して熱交換部３の熱交換効率を向上させるための部材である。具体的には、フィンプレート３２は、流路３０の幅方向（図２における矢印αの方向）において、当該フィンプレート３２を挟むように対向する仕切りプレート３３に交互に接するように凹凸を繰り返す板部材、換言すると波板状の部材である。このように構成されるフィンプレート３２は、サイドバー３４に比べて熱膨張率が大きい。この熱膨張率の違いは、形状や大さ等に基づく各部材の熱容量や剛性の違いにより生じている。尚、フィンプレート３２の具体的な材質は限定されず、例えば、本実施形態ではＡ３００３等のアルミニウム合金であるが、チタン、銅、ステンレス鋼等であってもよい。

このように構成される熱交換部３には、流路３０の並び方向（図３における上下方向）の両外側にそれぞれ検知部３５が接続されている。言い換えると、検知部３５は、熱交換部３を流路３０の並び方向の外側から挟むように当該熱交換部３に接続されている。この検知部３５は、熱交換部３の各仕切りプレート３３よりも流路３０を流れる流体の熱に基づく熱応力により損傷し易い被検知用プレート（被検知用壁）３６を有する。具体的に、各検知部３５は、流路３０の並び方向に並ぶ複数（本実施形態では、２つ）の密閉空間３０ｃを内部に有し、この複数の密閉空間３０ｃのうち前記並び方向の最も外側の密閉空間３０ｃとその内側の密閉空間３０ｃとの間を仕切るように被検知用プレート３６が配置される。

本実施形態では、検知部３５は、熱交換部３と一体に形成されている。具体的に、検知部３５は、流路３０の並び方向において、熱交換部３の両外側にさらに複数（本実施形態では２枚）の仕切りプレート３３が間隔をおいて平行に配置され、各仕切りプレート３３間に熱交換部３と同様のフィンプレート３２ａが配置された状態でその周縁部を全周に亘ってサイドバー３４ａにより密閉することで形成されている。このように、検知部３５では一対の仕切りプレート３３の周縁部が全周に亘ってサイドバー３４ａにより密閉されることにより、当該一対の仕切りプレート３３間には密閉空間３０ｃが形成される。また、流路３０の並び方向の外側から２枚目の仕切りプレート３３が被検知用プレート３６を構成する。即ち、平行に並ぶ複数の仕切りプレート３３においては、その配置される位置により仕切りプレート３３毎に流体Ｆ１又はＦ２の熱に基づく熱応力による疲労の蓄積の大小が生じ、本実施形態では前記外側から２枚目の仕切りプレート３３の前記疲労の蓄積が最も多くなるため、当該位置の仕切りプレート３３を被検知用プレート３６とする。これは、流路３０の並び方向の外側ほどフィンプレート３２とサイドバー３４との熱膨張率の違いに基づく仕切りプレート３３の初期位置からの変形量が大きくなるためである。

尚、本実施形態では、検知部３５の仕切りプレート３３と熱交換部３の仕切りプレート３３とに同じプレートが用いられ、検知部３５のフィンプレート３２ａと熱交換部３のフィンプレート３２とに同じプレートが用いられている。また、検知部３５のサイドバー３４ａと熱交換部３のサイドバー３４とには、同じ素材が用いられている。これにより、検知部３５は、その密閉空間３０ｃ内の圧力が熱交換部３における高圧の流体Ｆ１又はＦ２が流れている状態の流路３０内と同じ圧力になっても耐える強度を有する。

この検知部３５のさらに外側には、熱交換部３及び検知部３５を保護するためのアウトサイドシート３７が設けられている。

以上のように構成される各検知部３５には、被検知用プレート３６の損傷を検知するための検知手段５０がそれぞれ設けられている。この検知手段５０は、圧力測定手段５１と、加圧手段５２と、ガスリークチェック手段（流体検知手段）５３とを有する。圧力測定手段５１は、密閉空間３０ｃ内の圧力を測定するためのものであり、本実施形態では圧力計が用いられる。加圧手段５２は、密閉空間３０ｃ内を加圧するためのものであり、本実施形態では密閉空間３０ｃ内に窒素ガスを送り込むことにより当該密閉空間３０ｃ内を加圧する。ガスリークチェック手段５３は、密閉空間３０ｃ内の流体Ｆ１又はＦ２の有無を検知するためのものである。

具体的に、検知部３５には各密閉空間３０ｃと連通する配管５５がそれぞれ接続され、各配管５５は、３つの支管（第１支管５５ａ、第２支管５５ｂ及び第３支管５５ｃ）に分岐する。各支管５５ａ乃至５５ｃにはバルブ５６ａ乃至５６ｃが設けられ、第１支管５５ａには圧力測定手段５１が接続され、第２支管５５ｂにはガスリークチェック手段５３が接続され、第３支管５５ｃには加圧手段５２が接続されている。また、流路３０の並び方向の外側の密閉空間３０ｃに連通する配管５５とその内側の密閉空間３０ｃに連通する配管５５とは接続管５７を介して連通し、この接続管にはバルブ５８が設けられている。

以上のように構成される熱交換器１では、当該熱交換器１が起動し、第１流体導入配管２１ａから第１の流体（本実施形態では４０℃のメタンを中心とする天然ガス）Ｆ１が熱交換器１内に導入されると共に第２流体導入配管２３ａから第２の流体（本実施形態では−４０℃のメタンを中心とする天然ガス）Ｆ２が熱交換器１内に導入されることにより、第１の流体Ｆ１と第２の流体Ｆ２との間で熱交換が行われる。尚、熱交換器１により熱交換が行われる具体的な流体や各流体の具体的な温度は前記のガスや温度に限定されない。

具体的に、熱交換器１の起動により、第１流体導入配管２１ａから下部ヘッダ２１及び下部分配部２６を通じて熱交換部３内に案内された第１の流体Ｆ１と、第２流体導入配管２３ａから上側部ヘッダ２３及び上部分配部２５を通じて熱交換部３内に案内された第２の流体Ｆ２とは、熱交換部３において仕切りプレート３３を介して互いに対向する向き（図１において、第１の流体Ｆ１が上向き、第２の流体Ｆ２が下向き）に流れる。このように熱交換部３の各流路３０を第１の流体Ｆ１と第２の流体Ｆ２とが流れることにより、第１の流体Ｆ１と第２の流体Ｆ２とが仕切りプレート３３及び各流路３０内に配置され仕切りプレート３３に接するフィンプレート３２を介して互いに熱交換を行う。

このようにして熱交換器１が所定時間可動すると、第１の流体Ｆ１及び第２の流体Ｆ２の供給が停止され、熱交換器１も停止する。熱交換器１は、このように起動と停止とを繰り返す。

熱交換器１の運転中に、熱交換部３の各流路３０を流れる第１の流体Ｆ１や第２の流体Ｆ２に急激な温度変化や流量変化が生じる場合がある。この急激な温度変化や流量変化は、前記の熱交換器１の起動や停止のとき以外にも生じる。このような場合、この急激に温度や流量が変化した第１の流体Ｆ１又は第２の流体Ｆ２に接する仕切りプレート３３、フィンプレート３２、サイドバー３４には、それぞれ熱膨張が生じる。このとき仕切りプレート３３、フィンプレート３２、サイドバー３４は、それぞれ熱膨張率が異なるため部材３３，３２，３４毎に前記熱膨張に基づく変形量が異なる。具体的には、前記のようにサイドバー３４よりもフィンプレート３２の方が熱膨張率が大きいため、各流路３０を挟む仕切りプレート３３がその間に配置されるフィンプレート３２によって変形する。詳細には、流体Ｆ１又はＦ２の熱によってサイドバー３４はあまり膨張しないが、フィンプレート３２はサイドバー３４よりも大きく膨張しようとする。そのため、流路３０を挟む一対の仕切りプレート３３の間隔がサイドバー３４の配置された側部ではあまり変化しないがサイドバー３４から離れた部位、即ち、流路３０の幅方向の中心部位ではフィンプレート３２の熱膨張により仕切りプレート３３間の間隔が広げられる。このように仕切りプレート３３が変形すると、当該仕切りプレート３３の特定の部位（具体的にはサイドバー３４近傍）に前記変形に起因する応力（熱応力）が生じる。

本実施形態では熱交換部３に多数（例えば数百）の流路３０が層状に並んでいるため、流路３０の並び方向において、中心部から外側（図３においては上側又は下側）に向って離れるほど流路３０間を仕切る仕切りプレート３３の初期位置からの変形量が大きくなる（例えば図５参照）。これは、中心部から外側に向かって各流路３０での前記変形量が加算されるためである。即ち、中心側の仕切りプレート３３が変形し、この変形した状態の仕切りプレート３３から更に外側の仕切りプレート３３が当該仕切りプレート３３と前記中心側の仕切りプレート３３との間に配置されたフィンプレート３２の熱膨張によりさらに変形し、これが繰り返されるためである。従って、流路３０の並び方向の外側の仕切りプレート３３ほど前記の変形量が大きくなる。

この仕切りプレート３３は、例えば、熱交換器１が停止して流路３０内の流体Ｆ１及びＦ２の流通が止まると、熱膨張していたフィンプレート３２が元の状態に収縮するため、変形していた状態から平らな状態（初期位置）に戻る。

このように、熱交換器１の全使用期間中の起動停止回数が重ねられる等、熱交換部３内を流通する流体Ｆ１又はＦ２の急激な温度変化や流量変化が生じるごとに前記の膨張と収縮とが繰り返され、その結果、前記の変形量の最も大きくなる前記外側の仕切りプレート３３ほど、前記特定の位置に前記応力に基づく疲労が多く蓄積され、これにより当該仕切りプレート３３に孔や亀裂等の損傷が発生する確率が高くなる。

そこで本実施形態に係る熱交換器１では、熱交換部３の前記外側に被検知用プレート３６を備える検知部３５を設け、この被検知用プレート３６の損傷を検知するための検知手段５０を備えて前記損傷を検知することにより、流体Ｆ１又はＦ２の外部への漏洩なく各仕切りプレート３３に蓄積される前記流体の熱に基づく熱応力による疲労を検知することができる。

即ち、孔や亀裂等の損傷が生じても流体Ｆ１又はＦ２の外部への漏洩の無い被検知用プレート３６を熱交換部３の各仕切りプレート３３よりも第１の流体Ｆ１の熱に基づく熱応力による疲労の蓄積が多くなる位置（即ち、前記並び方向外側の位置）に配置することによって、各仕切りプレート３３よりもこの被検知用プレート３６を先に前記熱応力により損傷させてこれを検知することで、各仕切りプレート３３に前記熱応力に基づく疲労が蓄積していることを検知し、実際に各仕切りプレート３３が前記疲労の蓄積により損傷して流体Ｆ１又はＦ２が外部へ漏洩する前に修理等を行うことが可能となる。

前記の被検知用プレート３６の損傷の検知は、以下のようにして行われる。

流路３０の並び方向の外側の密閉空間３０ｃと連通する配管５５の第１支管５５ａのバルブ５６ａを開放すると共に、前記密閉空間３０ｃの内側の密閉空間３０ｃと連通する配管５５の第３支管５５ｃのバルブ５６ｃを開放する。この状態で前記内側の密閉空間３０ｃ内にこの密閉空間３０ｃに接続された加圧手段５２により窒素ガスを注入して加圧すると共に前記外側の密閉空間３０ｃ内の圧力をこの密閉空間３０ｃに接続された圧力測定手段５１により測定する。前記外側の密閉空間３０ｃと内側の密閉空間３０ｃとの間を仕切る被検知用プレート３６に孔や亀裂等の損傷が生じていると、前記外側の密閉空間３０ｃ内の圧力が上昇するため、前記損傷を検知することができる。即ち、被検知用プレート３６に孔等の損傷が生じると、この孔等を通じて前記内側の密閉空間３０ｃから前記外側の密閉空間３０ｃへ前記内側の密閉空間３０ｃ内に充填された窒素ガスが漏れ出るため、前記外側の密閉空間３０ｃ内の圧力が上昇し、これを前記外側の密閉空間３０ｃに接続された圧力測定手段５１によって測定することにより被検知用プレート３６の損傷の有無を検知することができる。

尚、このような被検知用プレート３６の損傷の検知は、常に行ってもよく、また、定期的に行うようにしてもよい。また、被検知用プレート３６の損傷の検知は、前記外側の密閉空間３０ｃ内を加圧して圧力を保持しつつ前記内側の密閉空間３０ｃ内の圧力を測定するようにしてもよい。

熱交換器１の運転時に、流路３０の並び方向内側の密閉空間３０ｃと連通する第２支管５５ｂのバルブ５６ｂを開放することにより、熱交換部３の流路３０と前記内側の密閉空間３０ｃとの間を仕切る仕切りプレート３３の損傷を検知することが可能となる。具体的に、前記仕切りプレート３３に孔等の損傷が生じると、この孔等を通じて流路３０から前記内側の密閉空間３０ｃに流体Ｆ１又はＦ２が流入する。そのため、この内側の密閉空間３０ｃ内のガスの成分を当該密閉空間３０ｃに接続されたガスリークチェック手段５３により分析して前記ガス内に流体Ｆ１又はＦ２の成分が含まれている場合には、流体Ｆ１又はＦ２の漏れがあることになり、前記仕切りプレート３３の損傷を検知することができる。

さらに、外側の密閉空間３０ｃに連通する第２支管５５ｂのバルブ５６ｂを開放すれば、流路３０と前記内側の密閉空間３０ｃとの間を仕切る仕切りプレート３３に加え、前記内側の密閉空間３０ｃと前記外側の密閉空間３０ｃとの間を仕切る仕切りプレート３３（被検知用プレート３６）も損傷している場合にその検知が可能になる。即ち、前記両仕切りプレート３３に損傷が生じている場合にだけ、熱交換部３から前記外側の密閉空間３０ｃまで流体Ｆ１又はＦ２が到達するため、この外側の密閉空間３０ｃのガスチェックを行い、これに流体Ｆ１又はＦ２の成分が含まれていた場合には、前記両仕切りプレート３３にそれぞれ損傷が生じていることがわかる。

また、前記内側の密閉空間３０ｃと連通する第１支管５５ａのバルブ５６ａを熱交換器１の運転時に開放しておくことによっても、熱交換部３の流路３０と検知部３５の前記内側の密閉空間３０ｃとの間を仕切る仕切りプレート３３の損傷の有無を検知することが可能となる。具体的に、前記仕切りプレート３３に損傷が生じると、前記内側の密閉空間３０ｃ内に流体Ｆ１又はＦ２が流入する。そうするとこの内側の密閉空間３０ｃ内の圧力が上昇するため、この圧力上昇を当該密閉空間３０ｃに接続された圧力測定手段５１により検出することで、前記仕切りプレート３３に損傷が生じたことを検知することが可能となる。

尚、本発明のプレートフィン熱交換器１は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

前記の実施形態では、各検知部３５の内部に密閉空間３０ｃが２つずつ設けられているが、これに限定されず３以上設けられてもよい。しかし、各検知部３５に設けられる密閉空間３０ｃを２つずつとすることにより、熱交換器１の大型化及び重量の増加を抑制しつつ、流体Ｆ１又はＦ２の外部への漏洩なく各仕切りプレート３３に蓄積される流体Ｆ１の熱に基づく熱応力による疲労を検知することが可能となる。

また、前記の実施形態の検知手段５０は、検知部３５の各密閉空間３０ｃに対しそれぞれ圧力測定手段５１と加圧手段５２とガスリークチェック手段５３とが配管５５を介して接続されているがこれに限定されない。検知手段５０は、少なくとも、被検知用プレート３６を挟む２つの密閉空間３０ｃのうち一方の密閉空間３０ｃに当該密閉空間３０ｃ内を加圧する加圧手段５２が接続され、他方の密閉空間３０ｃに当該密閉空間３０ｃ内の圧力を測定する圧力測定手段５１が接続されるように構成されていればよい。

また、検知手段５０に、ガスリークチェック手段５３が含まれなくてもよい。即ち、検知手段５０とは独立に設けられてもよい。この場合、ガスリークチェック手段５３は、流路３０の並び方向の最も内側の密閉空間３０ｃに接続されていればよい。このようにガスリークチェック手段５３が接続されると、熱交換器１の起動時（運転時）に熱交換部３と検知部３５との間の仕切りプレート３３に孔等の損傷が生じ、この損傷した部位から検知部３５の密閉空間３０ｃ内に流体Ｆ１又はＦ２が流出しても、ガスリークチェック手段５３がこれを検知することができ、これにより流体Ｆ１又はＦ２の流路３０からの流出を容易且つ確実に検知することができる。しかも、密閉空間３０ｃ内に漏れ出た流体は当該密閉空間３０ｃ内に閉じ込められた状態となるため、外部に流体が漏洩するのを阻止することができる。また、検知部３５が熱交換部３と同様の強度を有しているため、熱交換部３の流路３０から検知部３５の密閉空間３０ｃに漏れ出た流体Ｆ１又はＦ２の圧力による検知部３５の損壊等を防止することができる。

本実施形態の熱交換部３は、２種類の流体Ｆ１及びＦ２が互いに逆方向に流れつつ熱交換を行うように構成されるが、２種類の流体Ｆ１及びＦ２が同じ方向に流れるように構成されてもよく、互いに交差する方向に流れるように構成されてもよい。このような熱交換部３でも、多数の流路３０が層状に並び、各流路３０にフィンプレート３２が配置されると、熱膨張により流路３０の並び方向の外側の仕切りプレート３３ほど熱応力に基づく疲労が蓄積し易くなるため、検知部３５及び検知手段５０を設けることで、前記の実施形態同様の効果、即ち、流体の外部への漏洩なく各仕切り壁に蓄積される前記流体の熱に基づく熱応力による疲労を検知することができる。

１ 熱交換器（プレートフィン熱交換器）
３ 熱交換部
３０ 流路
３０ａ 第１流路
３０ｂ 第２流路
３０ｃ 密閉空間
３１ 熱交換部本体
３２ フィンプレート（伝熱部材）
３２ａ フィンプレート
３３ 仕切りプレート（仕切り壁）
３４ サイドバー
３５ 検知部
３６ 被検知用プレート（被検知用壁）
５０ 検知手段

Claims (5)

1. 第１の流体と第２の流体との両流体間で熱交換が行われるプレートフィン熱交換器であって、
   前記第１の流体が流れる流路と前記第２の流体が流れる流路とを有しこれら流路が仕切り壁を介して交互に配置されることにより多数の流路が層状に並ぶ熱交換部本体とこの熱交換部本体の各流路内に配置され当該流路を挟んで対向する前記仕切り壁同士を接続して当該流路内を流れる流体の熱を前記対向する仕切り壁にそれぞれ伝熱する伝熱部材とを有する熱交換部と、
   この熱交換部の前記流路の並び方向の両外側にそれぞれ接続され、前記熱交換部の各仕切り壁よりも前記流路を流れる流体の熱に基づく熱応力により損傷し易い被検知用壁を有する検知部と、
   この検知部の被検知用壁の損傷を検知するための検知手段とを備え、
   各検知部は、前記流路の並び方向に並ぶ複数の密閉空間を内部に有し、この複数の密閉空間のうち最も外側の密閉空間とその内側の密閉空間との間を仕切るように前記被検知用壁が配置されることを特徴とするプレートフィン熱交換器。
2. 請求項１に記載のプレートフィン熱交換器において、
   前記検知手段は、前記被検知用壁を挟む２つの密閉空間のうち一方の密閉空間内を加圧する加圧手段と、他方の密閉空間内の圧力を測定する圧力測定手段とを有することを特徴とするプレートフィン熱交換器。
3. 請求項１又は２に記載のプレートフィン熱交換器において、
   前記熱交換部は、前記流路の並び方向の最も外側の流路と外部とを仕切る外側仕切り壁を有し、
   前記検知部は、前記流路の並び方向の最も内側の密閉空間が前記外側仕切り壁を介して前記熱交換部の最も外側の流路と隣り合うように当該熱交換部に接続され、各密閉空間内が前記熱交換部の前記流体が流れているときの各流路内の圧力と同じ圧力になっても耐える強度を有することを特徴とするプレートフィン熱交換器。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載のプレートフィン熱交換器において、
   前記密閉空間のうち前記流路の並び方向の最も内側の密閉空間内の前記流体の有無を検知するための流体検知手段を備えることを特徴とするプレートフィン熱交換器。
5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載のプレートフィン熱交換器において、
   前記各検知部は、２つの密閉空間を有することを特徴とするプレートフィン熱交換器。

Images