JP6025299B2 - プレート式熱交換器の製造法 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも２つの熱伝達流体間の熱交換を行うための互いに独立した少なくとも２系統の熱交換通路を形成する通路層を層間隔壁となる金属仕切板を介して積層構造にした熱交換ブロックからなるプレート式熱交換器の製造法に関し、特に複数枚の金属製仕切板を各仕切板間に熱交換通路のための通路層が形成されるように互いに間隔をあけて積層配置し、各仕切板の少なくとも両縁部で前記間隔内の熱交換通路をそれぞれ金属製サイドバーによって閉鎖状に制限し、各仕切板と各サイドバーとの間を封止状に鑞付け接合することにより前記仕切板の積層体からなる熱交換ブロックを製作し、この熱交換ブロックに熱伝達流体給排用のヘッダを取り付けてプレート式熱交換器を製造する方法に関するものである。尚、この明細書においては、本発明が主にアルミニウム製プレート式熱交換器の場合について説明されているが、基本的に本発明は冒頭に記載した積層構造を有する任意の金属製熱交換器の製造に適用可能である。特に本発明は、特殊鋼又は耐熱鋼製の棒材と板材で組み立てる所謂ロッド・プレート式構造原理に依拠したプレート式熱交換器の製造法として好適である。

通常、少なくとも２つの熱伝達流体間の熱交換を行うアルミニウム製プレート式熱交換器は、層間の仕切板によって相互に区画された積層構造の通路層を備えた熱交換ブロックから構成されている。個々の通路層は基本的に同一仕様であり、各通路層内では少なくとも２系統の熱交換通路が平行配置されている。熱伝達流体間の熱交換は隣接する熱交換通路間で起き、各系統の熱伝達流体が流れる熱交換通路は、仕切板で仕切られた層間内で相互に隔離された圧力通路を形成している。この場合、仕切板を介した熱伝達により層間の熱交換も行われる。

先行技術によれば、各系統の熱伝達流体を導く熱交換通路を形成する通路構造体が熱伝達フィン状の波板材の形態で個々の通路層の内部に配置されている。この波板材による通路構造体の波頭部は外面で隣接する仕切板と鑞付けで接合されている。従って、熱交換に関与する熱伝達流体は通路構造体と直接熱接触し、通路構造体の波板波頭部と仕切板との間の熱接触によって通路層間の熱伝達も保証される。熱伝達を最適化するため、通路層内及び通路層間における通路構造体による熱交換通路同士の位置合せは、熱交換器の用途に応じて隣接する熱交換通路間で並流、直交流、向流又は直交向流が可能となるように適宜選択される。この点に関する典型的な先行技術は特許文献１に述べられている。

通路層内の通路構造体は３つの役目を果たすものである。即ち、第１には、通路構造体と仕切板との間の熱接触によって隣接する通路層に流れる２系統の熱伝達流体間の熱交換が保証される。第２には、通路構造体が仕切板との結合によって高い機械的強度を保持する。そして第３には、通路構造体の各波の側壁が通路内圧によって生じる力を波板の波頭部から鑞付け接合部を経て仕切板へ伝える役目を果たす。

特許文献１に記載の先行技術によれば、通路構造体は断面形状が方形波状又は両面フィン列状に成形された金属薄板で構成される。この場合、一般的にはプレス機又はロール成形機で金属薄板が波板又は両面フィン列板へと折り曲げ加工又は圧延される。これとは別の形態の通路構造体は、例えば本出願人による先願に係る特許文献２に述べられている。特許文献２で提案されている通路構造体は、中空矩形断面形状又はＨ形断面形状の金属製棒状形材を並置した構成である。

これらの先行技術によれば、プレート式熱交換器の製造はおおむね以下の通りに行われる。即ち、先ず複数枚の金属製仕切板を各仕切板間に熱交換通路のための通路層が形成されるように互いに間隔をあけて積層配置し、この間隔を保持するために各仕切板の少なくとも両縁部に金属製サイドバーを配置して前記間隔内の熱交換通路をそれぞれ金属製サイドバーによって閉鎖状に制限する。ここで、通路構造体として波板材を用いる場合は仕切板と波板材とを交互に積層し、中空矩形断面形状又はＨ形断面形状の金属製棒状形材を使用する場合は並置した棒状型材の上に仕切板を載せる操作を繰り返して積層体とする。この場合、波板材及び棒状型材の高さ寸法はサイドバーによる前記間隔の寸法に合致する。これら各部材の互いの接触面は予め鑞材で被覆されており、従って組み立てられた積層体を鑞付け炉内で全体的に加熱して各部材の接触面を封止状に鑞付接合することにより前記積層体からなるほぼ直方体形状の熱交換ブロックが製作される。この熱交換ブロックは、一般的には仕切板よりも肉厚の蓋板によって外面が覆われる。こうして得られた熱交換ブロックには、最終段階において、熱伝達流体給排用の幾つかのヘッダが取り付けられる。一般的にこれらのヘッダは半円筒状のものであり、熱交換ブロック外面の予め定められたヘッダ取り付け位置に溶接され、複数の熱交換通路に対する熱伝達流体の集合と分配に供される。

このようなプレート式熱交換器はしばしば複数のモジュールから成る。ここで言うモジュールとは、上述のように製作されたほぼ直方体外形の熱交換ブロック自体を指す。このようなプレート式熱交換器では、複数のモジュールに亘って共通する１つのヘッダが延在することが多い。

従来、ヘッダの溶接に際しては、溶接個所に或る厚みの溶接継手層が設けられるのが普通である。この溶接継手は、ヘッダ溶接下地として熱交換ブロックに溶接で形成される溶接肉盛層であり、個々の熱交換ブロックで異なる公差を補償し、溶接時に発生する熱応力を吸収する。

ところで、この種のプレート式熱交換器を利用する幾つかの応用分野では、多かれ少なかれ規則的な時間間隔をあけてヘッダを取り外すことが不可欠となることがある。即ち、ヘッダの取り外しを余儀なくされるのは、この種のプレート式熱交換器を例えば化学工学的反応装置として利用する場合である。こうした応用分野では、しばしば熱交換通路内に触媒材料が充填される。この触媒材料は、再生操作のために或る規則的な時間間隔をあけて熱交換通路から除去する必要がある。このため、規則的な時間間隔をあけて熱交換ブロックからヘッダを取り外す作業が不可欠となる。従来は、ヘッダの取り外しは機械的分離法、例えば溶接肉盛層を除去するための研削切断又はフライス加工によって行われ、使用済み触媒材料をプレート式熱交換器から除去して新らたな触媒材料を再充填し、その後、再びヘッダを熱交換ブロックに溶接することを余儀なくされていた。

この種の積層構造の熱交換ブロックからなるプレート式熱交換器では、基本的にサイドバーと仕切板との間の移行部にヘッダ開口縁が重なるようにヘッダを再溶接する際に、該移行部の接合面間に存在する鑞材によって溶接不良を含む機械的構造安定性が損なわれるという問題が生じ、更に運転時間の増加に伴って積層体内の各通路層の気密性の維持にも問題が生じることが確認されている。

独国特許出願公開第１０３４３１０７号明細書 独国特許出願公開第１０２００９０１８２４７号明細書

本発明で解決すべき課題は、熱交換ブロックに対するヘッダの取り外しと再溶接を頻繁に必要とする場合においても、冒頭に記載したような積層構造の熱交換ブロックからなるプレート式熱交換器の機械的構造安定性及び各通路層の気密性を維持することを可能とするプレート式熱交換器の製造法を提供することである。

この課題は、本発明によれば、複数枚の金属製仕切板を各仕切板間に熱交換通路のための通路層が形成されるように互いに間隔をあけて積層配置し、各仕切板の少なくとも両縁部で前記通路層をそれぞれ金属製サイドバーによって閉鎖状に制限し、各仕切板と各サイドバーとの間を封止状に鑞付け接合することにより前記仕切板の積層体からなる熱交換ブロックを製作し、この熱交換ブロックに熱伝達流体給排用のヘッダを取り付けてプレート式熱交換器を製造するに際し、前記ヘッダの取り付け前に前記熱交換ブロックに予め金属製中間部材を接合し、その後、この中間部材に前記ヘッダを溶接することによって解決される。

本発明によればヘッダは熱交換ブロックに直接溶接されるのではなく、事前に熱交換ブロックに接合された中間部材に溶接される。これに対して先行技術による製造法では、ヘッダは熱交換ブロックに直接形成される溶接肉盛層を介して接合される。しかしながら、このような直接的な溶接を熱交換ブロックの鑞付け部位に対して行うと、プレート式熱交換器の機械的構造安定性及び各通路層の気密性の維持に不都合な問題を引き起こすことが判明した。これは、溶接に不可欠な高い入熱で溶接部位近傍の鑞材が部分的に再溶融されて液化し、これにより溶接終了時には鑞付け箇所の接合が損なわれ、延いては熱交換ブロック自体の機械的構造安定性及び各通路層の気密性に欠陥が生じるものと考えられる。このような不都合な問題は、特に頻繁なヘッダの取り外しと再溶接を余儀なくされる用途に利用されるプレート式熱交換器において顕著に生じるが、係る問題点は、本発明に係る製造法におい熱交換ブロックにヘッダを取り付ける前に該熱交換ブロックに予め中間部材を接合し、その後、この中間ブロックにヘッダを溶接することによって回避される。この中間部材は、ヘッダの溶接時に熱交換ブロック側へ局部的に高熱量の溶接熱が伝達されるのを抑制して当該部位近傍の鑞材の再溶融を防止する放熱部材であり、そのような中間部材を本発明に従って使用することにより、ヘッダの溶接時に熱交換ブロック側の既存鑞材が再液化することが防止されると共に、ヘッダの取り外しに作用する機械的応力及びヘッダの溶接時の入熱に起因する熱変形で生じる機械的応力が熱交換ブロック側に過大に伝達されないようにすることができる。このようにして、プレート式熱交換器における熱交換ブロックの機械的構造安定性と各通路層の気密性は、ヘッダを数回に亘って取り外し及び再溶接し後でも維持される。本発明において、中間部材は、熱交換ブロックを形成する積層体に最初の鑞付け工程を施す前に積層体に直接固定しておき、鑞付け後の熱交換ブロックが既にヘッダ取付用の中間部材を備えているようにすることができる。或いはこれに代えて、積層体に最初の鑞付け工程を施して熱交換ブロックを製作し、その後、この熱交換ブロックに中間部材を固定して第２回目の鑞付け工程を施してもよく、このような製作手順は特に最終的に製作するプレート式熱交換器が複数のモジュール（熱交換ブロック）を組み合わせたタイプの場合に好適に採用可能である。

複数の熱交換ブロックモジュールを組み合わせて１基のプレート式熱交換器を製作する場合、個々のモジュールは機械加工によって１つの共通寸法に仕上げられる。次いで個々のモジュールに中間部材が接合され、この場合、中間部材はヘッダの溶接のためだけでなく、モジュール同士の溶接による結合のための付加的要素としても利用される。

本発明の好適な一実施形態においては、各仕切板の間に金属製の波板又は異形形材からなる通路構造体を介装してから各仕切板と各通路構造体と各サイドバーとの間を封止状に鑞付け接合することによりこれら部材の積層体からなる熱交換ブロックが製作される。これにより、各仕切板の間に波板又は異形形材からなる通路構造体を備えたプレート式熱交換器を製造することができる。各仕切板と通路構造体から成る通路層は交互に積み重ねられ、サイドバーを含むこれら各部材の接触面は予め鑞材で被覆されている。このような積み重ねで熱交換ブロックを形成する積層体は、好ましくはその少なくとも積層高さ方向の両端に位置する表裏面或いは更にこれら表裏面間の両側面がそれぞれ蓋板で閉鎖状に覆われ、この蓋板に前記中間部材が接合される。この蓋板は、好ましくは仕切板よりも厚肉の金属板で構成して熱交換ブロックの剛性外壁とする。また、熱交換ブロックの長さ方向の両端部、或いは複数の熱交換ブロックモジュールを組み合わせて１基のプレート式熱交換器を製作する場合には熱交換器の長さ方向の両端部に位置する端面も好ましくは仕切板と同等以上の肉厚を有する蓋板で閉鎖状に覆い、この蓋板に中間部材が接合してヘッダ取り付け部とすることができる。

中間部材には、ヘッダの開口形状に対応する開口が設けられている。そのような中間部材として、ヘッダの開口形状に対応する開口を有する金属製枠体を使用することが好ましい。この種の熱交換器におけるヘッダは一般的に半円筒形状の外形を有する。従って本発明で使用される中間部材は、半円筒形状のヘッダの基本的に長方形の取り付け開口の輪郭に合致した矩形の金属製枠体で構成されていることが好ましい。このような枠体は、平板金属プレートから一体的に打ち抜くか、個々の辺の長さに切り出した扁平な金属条材を互いに溶接して矩形枠とし、切削加工で仕上げることによって製作することができる。このような金属製枠体を介してヘッダを溶接することにより、一旦固定されたヘッダを機械的に取り外す際の機械的応力や、ヘッダの溶接時に生じる熱的な影響が熱交換ブロックに及ぶ度合いを大幅に低減することができ、更には金属製枠体の寸法設計を最適化することによって実質的に最小にすることが可能である。金属製枠体の実際の最適寸法は、熱交換ブロック及びヘッダの寸法に適合して決定される。また、金属製枠体の枠辺の幅寸法は、サイドバーの幅寸法に合致させておくことが好ましい。通常の大きさのプレート式熱交換器の場合、金属製枠体、即ち中間部材の厚みは６ｍｍ〜１０ｍｍで充分である。

本発明の別の好適な一実施形態では、中間部材の輪郭形状に対応する切り抜き部を熱交換ブロックの外面に例えばフライス加工で形成し、この切り抜き部に、予め鑞材で被覆された中間部材を位置決めして好ましくはスポット溶接で仮固定し、しかる後、この中間部材を熱交換ブロックに鑞付けで接合する。例えば中間部材として矩形の金属製枠体を使用する場合、枠体の輪郭に合致する切り抜き部が熱交換ブロックの外面を構成する蓋板にフライス加工で形成される。このフライス加工で形成された切り抜き部に枠体が嵌合され、好ましくはスポット溶接によって仮固定される。この枠体の特に熱交換ブロックとの接合面には、熱交換ブロックとの鑞付け接合のために、好ましくは熱交換ブロックの組み立てのための鑞付けに使用されるのと同一種の鑞材が予め被着されている。中間部材の輪郭形状に対応する切り抜き部の形成には、フライス加工以外の別の切削加工法を用いることもできることは述べるまでもない。

中間部材は、熱交換ブロック内の熱交換通路のうち、プレート式熱交換器の実際の使用時に熱伝達流体が流されることのないダミー通路となる熱交換通路上の位置に配置することが好ましく、このような位置では万一鑞付け部の欠陥が生じても通路の気密性に関する不都合は本来的に生じないからである。本発明に従ってプレート式熱交換器を製造する場合、全ての個所の鑞付けには単一種類の鑞材を使用することが特に望ましい。

本発明はアルミニウム製のプレート式熱交換器の製造に好適であるが、各部材、即ち、仕切板、蓋板、通路構造体を構成する波板や異形形材、中間部材、及びヘッダを、特殊鋼又は耐熱鋼、好ましくはモリブデン鋼又はクロムニッケル鋼製のもので構成する場合にも好適である。本発明に係る方法は、特殊鋼又は耐熱鋼製の各部材でプレート式熱交換器を製造するのに特に適している。このようなプレート式熱交換器は、低温空気分離設備、石油化学設備、水素製造設備、或いは天然ガス精製設備のさまざまなプロセス部分において利用される。天然ガス精製設備では、本発明によって製造されたプレート式熱交換器を介して天然ガスから熱が奪われ、これにより天然ガスが液化されて副生物から分離精製される。係るプレート式熱交換器は、合成ガス製造設備では成分ガス（H₂、CO、CO₂、CH₄）の分離と更なる利用や原料物質の予熱に利用され、エチレン製造設備ではエチレンの分離に利用され、低温空気分離設備では蒸留塔のための凝縮器及び蒸発器として利用される。

本発明の別の一実施形態においては、中間部材とヘッダの一方又は双方がプレート式熱交換器のその他の残りの部分とは別の材料で構成される。例えばクロムニッケル鋼は、特殊鋼に比べて溶接が一層簡単に可能である。従って、例えばほとんどの部材が特殊鋼製のプレート式熱交換器の場合でも、中間部材やヘッダをクロムニッケル鋼製とすることによりその溶接を容易に実施することができるので有利である。

特殊鋼又は耐熱鋼、特にモリブデン鋼又はクロムニッケル鋼で構成されるプレート式熱交換器の場合は、熱交換ブロックの内部で仕切板に肉厚の異なる部分を設けておくことが好ましい。即ち、この種の鋼材で構成されるプレート式熱交換器の場合は、鑞材層の見込み厚さに基づいて仕切板の接合面に部分的な減肉部を設け、この仕切板の減肉部によって鑞材使用量を最適化することができる。

以上に述べたように、本発明によれば、熱交換ブロックに対するヘッダの取り外しと再溶接を頻繁に必要とする場合においても、積層構造の熱交換ブロックからなるプレート式熱交換器の機械的構造安定性及び各通路層の気密性を維持することを可能とするプレート式熱交換器の製造法を提供することができる。

本発明の好適な実施形態を添付図面と共に詳述すれば以下の通りである。

本発明の一実施形態による方法に従って製造されるプレート式熱交換器の組立図である。 図１に示すプレート式熱交換器における熱交換ブロックの詳細を一部切り欠いて示す拡大斜視図である。

図１は本発明の一実施形態による方法に従ってプレート式熱交換器１を製造する場合の組立図、図２はこの熱交換器の熱交換ブロックの詳細を示す拡大斜視図である。本実施形態においては、先ず第１ステップにおいて、熱交換通路を形成するための少なくとも部分的に波形構造に異形化された波板からなる通路構造体９と、熱交換通路層の層間隔壁を形成する仕切板１０と、熱交換通路層の縁部閉鎖部材を形成するサイドバー１１とが、図２に詳細を示すような熱交換ブロック２を構成するように積層高さ方向Ｈへ交互に積み重ねられ、各部材間の接合面に予め被着された鑞材の加熱溶融により、各部材間が鑞付封止と共に接合される。このようにして得られた積層体の少なくとも積層高さ方向Ｈの両端に位置する表裏面には、それぞれ幅方向Ｗに亘ってブロックを閉鎖状に覆う蓋板１２が長さ方向Ｌに亘って鑞付けにより接合される。このようにして得られた熱交換ブロック２には、予め定められたヘッダ取り付け位置４において前記蓋板１２に中間部材３の輪郭形状がフライス加工で切り抜かれ、この切り抜き部における蓋板内部の熱交換通路が露出される。本実施形態において、熱交換ブロック２の高さ方向Ｈの両端に位置する表裏面のみが蓋板１２で閉鎖されているが、熱交換ブロック２の全ての外面を同様に適正寸法の蓋板で閉鎖しても良く、その場合のヘッダ取り付け位置４は上記表裏面上のみに限定されるものではなく、例えば図１に示すようにブロックの長さ方向Ｌの両端面にヘッダ取り付け位置を設定し、同様に中間部材３の輪郭形状を切り抜いておいても良い。中間部材３としては、本実施形態ではヘッダの取り付け開口形状に対応する内部開口を有する金属製方形枠体を使用している。この中間部材３はヘッダ取り付け位置４のフライス加工による切り抜き部に嵌合するように位置決めされ、スポット溶接により仮止めされる。中間部材３の接合面は予め鑞材で被覆されており、スポット溶接後の第２ステップにおいて、中間部材３が熱交換ブロック２の蓋板１２と鑞付されて封止固定され、その後、中間部材３にヘッダ５ａ、５ｂがそれぞれ溶接される。このようにして製造された熱交換器１は、それぞれヘッダ５ａ、５ｂを介して供給もしくは排出される２つの熱伝達流体間の熱交換に供することができる。尚、ヘッダ５ａ、５ｂはそれぞれ接続短管８を備えており、この接続短管を介してプレート式熱交換器１と関連設備との配管接続が果たされる。また、熱交換器１を関連設備の周辺に設置するために、熱交換ブロックには固定金具部６と金属製受け棒７が装着されている。

１：プレート式熱交換器
２：熱交換ブロック
３：中間部材
４：ヘッダ取り付け位置
５ａ、５ｂ：ヘッダ
６：固定金具部
７：金属製受け棒
８：接続短管
９：通路構造体
１０：仕切板
１１：サイドバー
１２：蓋板

Claims (13)

1. 複数枚の金属製仕切板（１０）を各仕切板間に熱交換通路のための通路層が形成されるように互いに間隔をあけて積層配置し、各仕切板の少なくとも両縁部で前記通路層をそれぞれ金属製サイドバー（１１）によって閉鎖状に制限し、各仕切板（１０）と各サイドバー（１１）との間の接触面を封止状に鑞付け接合することにより前記仕切板の積層体からなる熱交換ブロック（２）を製作し、この熱交換ブロック（２）に熱伝達流体給排用のヘッダ（５ａ、５ｂ）を取り付けてプレート式熱交換器（１）を製造するに際し、前記ヘッダの取り付け前に前記熱交換ブロック（２）に予め金属製中間部材（３）を鑞付け接合し、その後、この中間部材（３）に前記ヘッダ（５ａ、５ｂ）を溶接し、前記中間部材（３）は、扁平であり、６ｍｍ〜１０ｍｍの厚みを有する枠体から成っており、
   中間部材（３）の輪郭形状を熱交換ブロック（２）からフライス加工又は別の切削加工法を用いて切り抜き、鑞材を被着した中間部材（３）を熱交換ブロック（２）の切り抜かれた部分に嵌合させ、しかる後、この中間部材（３）を熱交換ブロック（２）に鑞付けすることを特徴とするプレート式熱交換器の製造法。
2. 各仕切板（１０）の間に金属製の波板又は異形形材からなる通路構造体（９）を介装してから各仕切板（１０）と各通路構造体（９）と各サイドバー（１１）との間の接触面を封止状に鑞付け接合することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 熱交換ブロック（２）を形成する前記積層体の少なくとも積層高さ方向の両端に位置する表裏面をそれぞれ蓋板（１２）で閉鎖状に覆う工程を更に含み、この蓋板に前記中間部材を接合することを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 蓋板（１２）は、仕切り板（１０）よりも大きな厚さを有することを特徴とする、請求項３記載の方法。
5. 中間部材（３）に前記ヘッダ（５ａ、５ｂ）の開口形状に対応する開口を設けておくことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 中間部材（３）を、スポット溶接により仮固定することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 中間部材（３）を、熱交換ブロック（２）内の熱交換通路のうち、プレート式熱交換器（１）の実際の使用時に流体が流されないダミー通路となる熱交換通路上の位置に配置することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 熱交換ブロック（２）の組立のための鑞付けと中間部材（３）の鑞付けに同一種の鑞材を使用することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 仕切板（１０）、サイドバー（１１）、中間部材（３）、又はヘッダ（５ａ、５ｂ）として、特殊鋼、耐熱鋼、モリブデン鋼、又はクロムニッケル鋼製のものを使用することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. 蓋板（１２）は、特殊鋼又は耐熱鋼から構成されることを特徴とする、請求項３又は４記載の方法。
11. 波板又は異形形材は、特殊鋼又は耐熱鋼から構成されることを特徴とする、請求項２記載の方法。
12. 中間部材（３）とヘッダ（５ａ、５ｂ）の一方又は双方を、プレート式熱交換器（１）の残りの部分とは別の材料で構成することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 仕切板（１０）に、熱交換ブロック（２）の内部で肉厚の異なる部分を設けておくことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の方法。

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