特開 2023-89961 多流路プレートおよびシェル熱交換器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023089961

(43)【公開日】2023-06-28

(54)【発明の名称】多流路プレートおよびシェル熱交換器

(51)【国際特許分類】

   F28F 3/08 20060101AFI20230621BHJP

   F28D 9/00 20060101ALI20230621BHJP

【ＦＩ】

F28F3/08 311

F28D9/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2022198479

(22)【出願日】2022-12-13

(31)【優先権主張番号】PA202170625

(32)【優先日】2021-12-16

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DK

(71)【出願人】

【識別番号】505462622

【氏名又は名称】ダンフォス アクチ－セルスカブ

(74)【代理人】

【識別番号】100098394

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 茂樹

(72)【発明者】

【氏名】ヘリェ・ニールセン

(72)【発明者】

【氏名】イェス・ピーダスン

(72)【発明者】

【氏名】イヴァン・クヌスン

【テーマコード（参考）】

3L103

【Ｆターム（参考）】

3L103AA16

3L103DD15

3L103DD55

3L103DD57

(57)【要約】      （修正有）

【課題】良好な圧力分布を有するプレートおよびシェル熱交換器を提供する。
【解決手段】シェル内に位置決めされたプレート対５０、６０の積層を備えるプレートおよびシェル熱交換器に関し、プレート対の積層は、第１のタイプの複数のプレート対５０および第２のタイプの複数のプレート対６０を備える。各プレート対は、互いに接続され、かつ間に空洞１１を形成し、かつ注入口開口部および放出口開口部を備える２つの伝熱プレート１０を備える。第１の内部流路１２ａは、第１の注入口開口部１３ａ、第１のタイプのプレート対の空洞、および第１の放出口開口部を通って形成される。第２の内部流路１２ｂは、第２の注入口開口部、第２のタイプのプレート対の空洞、および第２の放出口開口部を通って形成される。第３の外部流路２２は、シェル内部に、第１のタイプのプレート対と第２のタイプのプレート対の間に画定される。
【選択図】図５Ｂ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

シェル（２０）内に位置決めされたプレート対（５０、６０）の積層を備えるプレートおよびシェル熱交換器（１００）であって、前記プレート対（５０、６０）の前記積層は、第１のタイプの複数のプレート対（５０）および第２のタイプの複数のプレート対（６０）を備え、
－前記第１のタイプの各前記プレート対（５０）は、互いに接続され、かつ間に空洞（１１）を形成し、かつ第１の注入口開口部（１３ａ）および第１の放出口開口部（１３’ａ）を備える２つの伝熱プレート（１０）を備え、
－前記第２のタイプの各前記プレート対（６０）は、互いに接続され、かつ間に空洞（１１）を形成し、かつ第２の注入口開口部（１３ｂ）および第２の放出口開口部（１３’ｂ）を備える２つの伝熱プレート（１０）を備え、
前記第１のタイプの前記プレート対（５０）の前記第１の注入口開口部（１３ａ）および前記第１の放出口開口部（１３’ａ）は、前記第１の注入口開口部（１３ａ）、前記第１のタイプの前記プレート対（５０）の前記空洞（１１）、および前記第１の放出口（１３’ａ）を通る第１の内部流路（１２ａ）を形成するように互いに接続され、
前記第２のタイプの前記プレート対（６０）の前記第２の注入口開口部（１３ｂ）および前記第２の放出口開口部（１３’ｂ）は、前記第２の注入口開口部（１３ｂ）、前記第２のタイプの前記プレート対（６０）の前記空洞（１１）、および前記第２の放出口（１３’ｂ）を通る第２の内部流路（１２ｂ）を形成するように互いに接続され、
第３の外部流路（２２）は、前記シェル内部に、前記第１のタイプの前記プレート対（５０）と前記第２のタイプの前記プレート対（６０）の間に画定されるプレートおよびシェル熱交換器（１００）。

【請求項2】

前記第１の内部流路（１２ａ）の中を流れる第１の流体だけではなく、前記第２の内部流路（１２ｂ）の中を流れる第２の流体も、前記第３の外部流路（２２）の中を流れる第３の流体と熱を交換する、請求項１に記載のプレートおよびシェル熱交換器（１００）。

【請求項3】

前記第１のタイプの各前記プレート対（５０）は、第２の注入口開口部（１３ｂ）および第２の放出口開口部（１３’ｂ）をさらに具備し、前記第１のタイプの所与のプレート対（５０）の前記第２の注入口開口部（１３ｂ）および前記第２の放出口開口部（１３’ｂ）は、前記第１の注入口開口部（１３ａ）、前記第１の放出口開口部（１３’ａ）、および前記第１のタイプの前記所与のプレート対（５０）により画定される前記空洞（１１）から密封される、請求項１に記載のプレートおよびシェル熱交換器（１００）。

【請求項4】

前記第２のタイプの各前記プレート対（６０）は、第１の注入口開口部（１３ａ）および第１の放出口開口部（１３’ａ）をさらに具備し、前記第２のタイプの所与のプレート対（６０）の前記第１の注入口開口部（１３ａ）および前記第１の放出口開口部（１３’ａ）は、前記第２の注入口開口部（１３ｂ）、前記第２の放出口開口部（１３’ｂ）、および前記第２のタイプの前記所与のプレート対（６０）により画定される前記空洞（１１）から密封される、請求項１に記載のプレートおよびシェル熱交換器（１００）。

【請求項5】

前記第１の注入口開口部（１３ａ）および前記第１の放出口開口部（１３’ａ）は、前記プレート対（５０、６０）の前記伝熱プレート（１０）の一方の中に形成され、前記第２の注入口開口部（１３ｂ）および前記第２の放出口開口部（１３’ｂ）は、前記プレート対（５０、６０）の前記伝熱プレート（１０）の他方の中に形成される、請求項３または４に記載のプレートおよびシェル熱交換器（１００）。

【請求項6】

前記第１のタイプの前記プレート対（５０）および前記第２のタイプの前記プレート対（６０）は同一であり、前記プレート対（５０、６０）の中心軸を中心に互いに対してある角度で回転させられる、請求項１～４のいずれか一項に記載のプレートおよびシェル熱交換器（１００）。

【請求項7】

前記第１のタイプの前記プレート対（５０）および前記第２のタイプの前記プレート対（６０）は、前記プレート対（５０、６０）の前記積層の形で交互に配列される、請求項１～４のいずれか一項に記載のプレートおよびシェル熱交換器（１００）。

【請求項8】

前記第１のタイプの前記プレート対（５０）を形成する前記伝熱プレート（１０）および／または前記第２のタイプの前記プレート対（６０）を形成する前記伝熱プレート（１０）は同一であり、前記プレート対（５０、６０）の前記中心軸を中心に１８０°回転させられる、請求項１～４のいずれか一項に記載のプレートおよびシェル熱交換器（１００）。

【請求項9】

前記プレート対（５０、６０）は円形、楕円形、五角形、六角形の外形を有する、請求項１～４のいずれか一項に記載のプレートおよびシェル熱交換器（１００）。

【請求項10】

前記第１のタイプの前記プレート対（５０）の前記第１の注入口開口部（１３ａ）および前記第１の放出口開口部（１３’ａ）は、接続要素（４５）により接続され、前記第２のタイプの前記プレート対（６０）の前記第２の注入口開口部（１３ｂ）および前記第２の放出口開口部（１３’ｂ）は、接続要素（４５）により接続される、請求項１～４のいずれか一項に記載のプレートおよびシェル熱交換器（１００）。

【請求項11】

前記第１のタイプの前記プレート対（５０）および前記第２のタイプの前記プレート対（６０）は、前記注入口開口部（１３ａ、１３ｂ）および前記放出口開口部（１３’ａ、１３’ｂ）の外側リムで互いに密封して接続される、請求項１～４のいずれか一項に記載のプレートおよびシェル熱交換器（１００）。

【請求項12】

前記プレートおよびシェル熱交換器（１００）は、電解槽（２００）の陰極に供給される流体、前記電解槽（２００）の陽極に供給される流体だけではなく、共通の加熱流体または冷却流体も前記プレートおよびシェル熱交換器（１００）を通過するように前記電解槽（２００）に接続される、請求項１～４のいずれか一項に記載のプレートおよびシェル熱交換器（１００）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、プレートおよびシェル熱交換器、ならびにプレートおよびシェル熱交換器用伝熱プレートに関する。

【背景技術】

【0002】

プレートおよびシェル熱交換器は、シェルまたはケーシング内部に位置決めされた複数の積層構造プレートを備える。プレートは、第１の流体用第１の流体流路が、少なくとも部分的にプレートの接続された対の内部に提供されるように対で接続される。接続されたプレートの対は、熱交換器の第１の放出口開口部に第１の注入口開口部を流体で接続するように設計され、それにより、第１の流体流路を形成する。第２の流体用第２の流体流路は、プレートの接続された対の外側に提供され、プレートにより第１の流体流路から分離される。第２の流体流路は、第２の放出口開口部に第２の注入口開口部を流体で接続する。熱交換器は、第１の流体流路の中を流れる流体と第２の流体流路の中を流れる流体の間に位置を占める。

【0003】

第２の流体は、第２の注入口開口部を通り熱交換器のシェルに入り、複雑な第２の流体流路に沿ってシェル内部を流れ、第２の放出口開口部を通り外に出る。第２の流体は、熱交換器のシェルに入るとき、たとえばパイプを通り分岐流の中に入り熱交換器内部のさまざまな構成要素を通り過ぎる管状または円筒状の流れから複雑な変化を受ける。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

熱交換器の内部配置に応じて、第１の流体の流れおよび第２の流体の流れは、いくつかの区域で妨害されることがあり、および／または非一様に誘導されることがあり、その結果、熱交換器内部の２つの流体間の伝熱速度は低下する。さらに、開口部の領域内の圧力およびプレートの中央流れ部位内の圧力などの圧力は、かなり大きくなることがあり、その結果、プレート全面にわたり良好な圧力分布を作ることが目標である。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明は、シェル内に位置決めされたプレート対の積層を備えるプレートおよびシェル熱交換器を提供し、プレート対の積層は、第１のタイプの複数のプレート対および第２のタイプの複数のプレート対を備え、
－第１のタイプの各プレート対は、互いに接続されており、かつ間に空洞を形成し、かつ第１の注入口開口部および第１の放出口開口部を備える２つの伝熱プレートを備え、
－第２のタイプの各プレート対は、互いに接続されており、かつ間に空洞を形成し、かつ第２の注入口開口部および第２の放出口開口部を備える２つの伝熱プレートを備え、
第１のタイプのプレート対の第１の注入口開口部および第１の放出口開口部は、第１の注入口開口部、第１のタイプのプレート対の空洞、および第１の放出口を通る第１の内部流路を形成するように互いに接続され、
第２のタイプのプレート対の第２の注入口開口部および第２の放出口開口部は、第２の注入口開口部、第２のタイプのプレート対の空洞、および第２の放出口を通る第２の内部流路を形成するように互いに接続され、
第３の放出口流路は、シェル内部に、第１のタイプのプレート対と第２のタイプのプレート対の間に画定される。

【0006】

その結果、本発明は、プレートおよびシェル熱交換器を、すなわち、シェル内部に配列されたプレートの積層を備える種類の熱交換器を提供する。本発明による熱交換器では、プレートの積層を形成するプレートは、プレート対の形をとり、各プレート対は、伝熱プレートの間に空洞が形成されるような手法で互いに接続されている２つの伝熱プレートを備える。

【0007】

プレート対の積層は、第１のタイプの複数のプレート対および第２のタイプの複数のプレート対を備える。第１のタイプの各プレート対は、第１の注入口開口部および第１の放出口開口部を備える。同様に、第２のタイプの各プレート対は、第２の注入口開口部および第２の放出口開口部を備える。

【0008】

第１のタイプのプレート対の第１の注入口開口部および第１の放出口開口部は、第１の注入口開口部、第１のタイプのプレート対の空洞、および第１の放出口を通る第１の内部流路を形成するように互いに接続される。それに応じて、複数の平行な第１の内部流路は、第１のタイプのプレート対の空洞を通って形成される。対応する第１の注入口および第１の放出口は互いに接続されるので、これらの平行な第１の流路は、同じ流体供給源に接続でき、それにより、同じ種類の流体は、熱交換動作中に第１の内部流路のすべてを通って流れる。以下では、この流体を第１の流体と呼ぶ。

【0009】

同様に、第２のタイプのプレート対の第２の注入口開口部および第２の放出口開口部は、第２の注入口開口部、第２のタイプのプレート対の空洞、および第２の放出口を通る第２の内部流路を形成するように互いに接続される。それにより、上記で記述する第１の内部流路と同様に、複数の平行な第２の内部流路が形成される。それに応じて、上記に示す注釈はこの場合、同様に適用できる。平行な第２の内部流路を通って流れる流体を以下では第２の流体と呼ぶ。

【0010】

その結果、２つの別個の流体、すなわち、第１の流体および第２の流体は、互いに独立に、それぞれ第１の内部流路および第２の内部流路に供給される。

【0011】

その上、第３の外部流路は、シェル内部に、第１のタイプのプレート対と第２のタイプのプレート対の間に画定される。以下では、第３の外部流路を流れる流体を第３の流体と呼ぶ。

【0012】

その結果、熱交換器の動作中、熱交換は、一方では第３の流体と、他方では第１の流体および第２の流体の各々との間で行われる。換言すれば、第３の流体は、第１の流体だけではなく第２の流体とも熱を交換する。これにより、第１の流体の適切な温度だけではなく第２の流体の適切な温度も、より簡単で効率的な手法で確実にしながら、かつ３種類の流体の間で混合を防止しながら、小型設計の熱交換器が提供される。

【0013】

それに応じて、第１の内部流路を流れる第１の流体だけではなく第２の内部流路を流れる第２の流体も、第３の外部流路を流れる第３の流体と熱を交換してよい。

【0014】

第１のタイプの各プレート対は、第２の注入口開口部および第２の放出口開口部をさらに具備してよく、第１のタイプの所与のプレート対の第２の注入口開口部および第２の放出口開口部は、第１の注入口開口部、第１の放出口開口部、および第１のタイプの所与のプレート対により画定される空洞から密封されてよい。

【0015】

この実施形態によれば、第１の内部流路および第２の内部流路は、互いに効率的に分離され、それにより、第１の流体および第２の流体の混合を防止する。しかしながら、第２の注入口開口部および第２の放出口開口部は、第１のタイプのプレート対の中に形成されるので、第１のタイプのプレート対および第２のタイプのプレート対は、実際には同一に、または類似の手法で設計されてよく、唯一の違いは、第１のタイプのプレート対では空洞は、第１の注入口開口部および第１の放出口開口部に接続されるのに対し、第２のタイプのプレート対では空洞は、第２の注入口開口部および第２の放出口開口部に接続されることである。これにより、熱交換器の製造費用は低減する。

【0016】

同様に、第２のタイプの各プレート対は、第１の注入口開口部および第１の放出口開口部をさらに具備してよく、第２のタイプの所与のプレート対の第１の注入口開口部および第１の放出口開口部は、第２の注入口開口部、第２の放出口開口部、および第２のタイプの所与のプレート対により画定される空洞から密封されてよい。この場合、第１のタイプのプレート対を参照して上記に示す注釈は、同様に適用可能である。

【0017】

第１の注入口開口部および第１の放出口開口部は、プレート対の伝熱プレートの一方の中に形成されてよく、第２の注入口開口部および第２の放出口開口部は、プレート対の伝熱プレートの他方の中に形成されてよい。

【0018】

この実施形態によれば、第１の注入口／放出口開口部および第２の注入口／放出口開口部は、互いに接触するようになることはないことが効率的に確実になり、それにより、さらにまた注入口開口部および放出口開口部で、またはその近くで、第１の流体および第２の流体の混合を効率的に防止する。

【0019】

第１のタイプのプレート対および第２のタイプのプレート対は同一であってよく、プレート対の中心軸を中心に互いに対してある角度で回転してよい。この実施形態によれば、第１のタイプのプレート対および第２のタイプのプレート対のためにそれぞれ同一の設計が適用され、プレート対の配向は、所与のプレート対が第１のタイプのプレート対とみなされるか第２のタイプのプレート対とみなされるかを決定する。プレート対の中心軸は、プレート対の対称軸であってよい。

【0020】

第１のタイプのプレート対および第２のタイプのプレート対は、プレート対の積層の形で交互に配列されてよい。この実施形態では、プレート対は、第１のタイプの各プレート対が第２のタイプの２つのプレート対の間に、または第２のタイプのプレート対と端部プレートの間に配列され、かつ第２のタイプの各プレート対が第１のタイプの２つのプレート対の間に、または第１のタイプのプレート対と端部プレートの間に配列されるような手法で、プレート対の積層の形で配列される。それにより、第１の内部流路および第２の内部流路もまた、熱交換器の中に交互に配列される。これにより、第１の流体および第２の流体の各々に、同等の適切な熱交換が同時に提供される。

【0021】

第１のタイプのプレート対を形成する伝熱プレートおよび／または第２のタイプのプレート対を形成する伝熱プレートは同一であってよく、プレート対の中心軸を中心に１８０°回転させられてよい。

【0022】

この実施形態によれば、第１のタイプのプレート対および／または第２のタイプのプレート対を形成するために同一の伝熱プレートを適用する。伝熱プレートは、第１の側、および反対側にある第２の側を画定するとみなされてよい。プレート対を形成するために伝熱プレートを接続するとき、伝熱プレートは、伝熱プレートの第１の側が互いに対向し、かつ伝熱プレートの第２の側がプレート対の外側表面を形成するような手法で、互いに対して配向される。それに応じて、伝熱プレートの第１の側は、伝熱プレートの間に形成された空洞に対向し、第２の側は、近接するプレート対に対向する。

【0023】

プレート対は円形、楕円形、五角形、または六角形の外形を有してよい。これにより、プレート対の積層は、プレート対の積層を収容するシェルの形状に整合する形状を画定できるようになる。

【0024】

第１のタイプのプレート対の第１の注入口開口部および第１の放出口開口部は、接続要素により接続されてよく、第２のタイプのプレート対の第２の注入口開口部および第２の放出口開口部は、接続要素により接続されてよい。これにより、対応する流路は効率的に分離され続け、さまざまな流体を故意ではなく混合することは防止される。

【0025】

第１のタイプのプレート対および第２のタイプのプレート対は、注入口開口部および放出口開口部の外側リムで互いに密封して接続されてよい。これにより、注入口開口部および放出口開口部の近くの区域で第１の流体および第２の流体を故意ではなく混合することは、効率的に防止される。

【0026】

プレートおよびシェル熱交換器は、電解槽の陰極に供給される流体、電解槽の陽極に供給される流体だけではなく、共通の加熱流体または冷却流体もプレートおよびシェル熱交換器を通過するように電解槽に接続されてよい。

【0027】

この実施形態によれば、電解槽の陰極に供給される流体だけではなく、電解槽の陽極に供給される流体も、第３の外部流路を流れる加熱流体または冷却流体により同時に加熱または冷却される。それにより、電解槽に供給される流体の両方は、適切な温度を有することが確実になり、これは、容易で効率的な手法で確実になる。

【図面の簡単な説明】

【0028】

【図1】図１Ａ、図１Ｂは、従来技術のプレートおよびシェルタイプの熱交換器を例示する。

【図2A】従来技術の伝熱プレート、ならびにプレートおよびシェルタイプの熱交換器の、接続されたプレートの接続された対の縁部図を例示する。

【図2B】従来技術の伝熱プレート、ならびにプレートおよびシェルタイプの熱交換器の、接続されたプレートの接続された対の縁部図を例示する。

【図3】伝熱プレートの２つの側での流れ分布を示す、従来技術のプレートおよびシェルタイプの熱交換器を例示する。

【図4】本発明の実施形態による伝熱プレートを例示する。

【図5A】伝熱プレート、および本発明の実施形態によるプレートおよびシェルタイプの熱交換器の、接続されたプレートの接続された対の縁部図を例示し、注入口開口部および放出口開口部の組を示し、第１の注入口開口部および第１の放出口開口部は開いており、第２の注入口開口部および第２の放出口開口部は閉じている。

【図5B】伝熱プレート、および本発明の実施形態によるプレートおよびシェルタイプの熱交換器の、接続されたプレートの接続された対の縁部図を例示し、注入口開口部および放出口開口部の組を示し、第１の注入口開口部および第１の放出口開口部は開いており、第２の注入口開口部および第２の放出口開口部は閉じている。

【図6A】図５Ａおよび図５Ｂの伝熱プレートに類似するが、第２の注入口開口部および第２の放出口開口部は開いており、第１の注入口開口部および第１の放出口開口部は閉じている伝熱プレートを例示する。

【図6B】図５Ａおよび図５Ｂの伝熱プレートに類似するが、第２の注入口開口部および第２の放出口開口部は開いており、第１の注入口開口部および第１の放出口開口部は閉じている伝熱プレートを例示する。

【図7】第１の種類の伝熱プレート対および第２の種類の伝熱プレート対が、重なり合わない部位を伴って形成された、本発明の実施形態を例示する。

【図8】開口部に対して位置決めされた接続要素を示す、重なり合わない部位の側面図である。

【図9】互いの最上部の上に位置決めされ、重なり合わない部位を伴って形成されている第１の種類の伝熱プレート対および第２の種類の伝熱プレート対の上面図である。

【図10】第１の種類の伝熱プレートおよび第２の種類の伝熱プレートが接続要素により接続された、第２の種類の伝熱プレートの縁部を越えて到達する第１の種類の伝熱プレートの重なり合わない部位の側面図である。

【図11】重なり合わない部位を伴って形成された、第１の種類の伝熱プレート対および第２の種類の伝熱プレート対の代替実施形態を例示する。

【図12】電解槽に関連して使用される、本発明の実施形態によるプレートおよびシェル熱交換器を例示する。

【発明を実施するための形態】

【0029】

本発明の基本概念の例示だけによって、本発明の実施形態を示す詳細な記述および特有の例を示す。

【0030】

図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ、図２Ｂ、および図３は、従来技術から公知のような熱交換器の実施形態を例示する。

【0031】

図１Ａは、プレートおよびシェル熱交換器１００の分解図を示す。熱交換器１００は、シェル２０、およびシェル２０内部の複数の密封された伝熱プレート１０対を備える。

【0032】

シェル２０は、中空の円筒形状からできてよく、プレート１０は、シェル２０の中に収まることができるように対応する形状およびサイズからできてよい。他の形状のシェル２０およびプレート１０もまた可能であり、しかしながら、シェル２０内部にプレート１０を実質的に近くに位置決めできるようになる形状が好ましい。

【0033】

対になったプレート１０は、交差する可能性があるパターン３０により互いに接触する熱伝達部位３２の中にある。これにより、対応する矢印により示す、第１の流体の流れのための内部流体流路１２を提供するために、流体で接続された第１の空洞１１が形成される。第１の流体の流れは、第１の注入口開口部２３を通って熱交換器１００に入り、第１の放出口開口部２３’を通って熱交換器１００を出る。第１の空洞１１は、図１Ｂでより明確にし、以下でより詳細に記述するように、互いに接続された２つの近接するプレート１０により取り囲まれる。図１Ｂは、組み立てた状態の断面図で熱交換器１００を示す。

【0034】

対になったプレート１０は、たとえば、対になったプレート１０のプレートリムまたは外側縁部１４ａ、さらに多くの場合接続された交差パターン３０で溶接もしくはろう付けにより接続されてよい。２つずつで、これにより、第１の注入口開口部２３から第１の放出口開口部２３’までの密封された内部流体流路１２用に第１の空洞１１が形成される。

【0035】

プレート１０は、近接するプレート１０を互いに、第１の注入口開口部２３および第１の放出口開口部２３’に流体で接続するためのプレート開口部１３、１３’を備える。２つの接続された対の２つの近接するプレート１０は、たとえばプレート開口部１３、１３’の開口部リムまたは開口部縁部１４ｂに沿って溶接またはろう付けにより一緒に接続され、密封されてよい。

【0036】

外部流体流路２２は、プレート１０の接続された対の第１の空洞１１に対して外側に突出する接続されたパターン３０によりプレート１０の外側表面に、したがってプレート１０の反対側に形成される。その結果、外部流体流路２２は、プレート１０の密封された対の外側に、かつシェル２０の内側に形成され、第２の注入口開口部２４および第２の放出口開口部２４’に接続される。第２の流体の流れは、それに対応して第２の注入口開口部２４を通って熱交換器１００に入り、第２の放出口開口部２４’を通って熱交換器１００を出る。

【0037】

シェル２０は、プレート１０が配列され、かつ第２の流体用外部流体流路２２が提供される第２の空洞２１を形成する。第２の流体の流れは、それに対応して第２の注入口開口部２４を通って熱交換器１００に入り、第２の放出口開口部２４’を通って熱交換器１００を出る。

【0038】

内部流路１２および外部流体流路２２は、それぞれプレート対がプレートリム１４ａで接続されることにより、およびプレート対が開口部１３、１３’のプレート対の開口部リム１４ｂで接続されることにより、互いに分離され、互いから密封される。熱交換は、互いに分離されて流れる２つの流体間でプレート１０を介して行われる。

【0039】

内部流路１２用の流体は、シェル２０内部の第２の空洞２１内部から、したがって外部流路２２から密封されるが、各空洞１１は、開口部１３、１３’により積層内の接続されたプレート１０対の他方の空洞１１と、それによりさらにまた第１の注入口２３および第１の放出口２３’と流体で接触している。

【0040】

外部流路２２用の流体は、第２の空洞２１に、それによりプレート１０のリム１４ａを越えて第２の注入口２４および第２の放出口２４’に流体で接触しているが、各対の中の２つのプレート１０はそれらのリム１４ａで接続され、かつ対は開口部１３、１３’の（外側）リム１４ｂで隣接する対に接続されるので、空洞１１から密封される。

【0041】

図２Ａは、従来技術のプレートおよびシェル熱交換器１００の伝熱プレート１０の詳細図を示す。プレート１０の平板は多くの場合、金属から作られる。

【0042】

伝熱部位３２にあるパターン３０は、波形であり、一連の平行な隆起部および溝を有するように見える。パターン３０は、平坦な平板予備成形品の中に波形形状を押し当てることにより形成されてよい。プレート１０はこの場合、あらゆる第２のプレートが、平行に伸展するのではなく、互いに交差する隣接するプレートの波形パターン３０を用いて回転させられる、または形成されるように接続される。この場合、交差点は、伝熱部位３２内でプレート１０の接点を形成する。

【0043】

図２Ｂは、複数の接続された伝熱プレート１０の詳細な断面図を示す。２つの近接するプレート１０は、それらの外側の外周で、またはそれらの外側縁部のリム１４ａで接続される。その結果、接続されたプレート１０の密封された対は、第１の流体が、プレート１０の接続された対により境界を定められた内部流体流路１２を通って流れるようにするために提供される。

【0044】

外部流体流路２２は、接続されたプレート１０の２つの近接する対の間で誘導され、プレート１０により内部流体流路１２から分離される。外部流体流路２２は、近くに位置決めされたプレート１０の間に平坦で狭い水路を備える。効率的熱交換のために、図２Ｂに示すように、接続されたプレート１０の対の間の、垂直方向の第２の流体流速は極めて重要である。この流れ成分は、近似でシェル２０に対する第２の流体の流れの半径方向または接線方向の成分に対応する。

【0045】

図３は、伝熱部位３２に沿って熱交換器１００を通る内部流体流路１２および外部流体流路２２の一部の概略図である。一方のプレート１０の矢印は、接続されたプレート１０の対の内部での内部流体流路１２を示す。内部流体流路１２は、２つのプレート開口部１３の一方を通って、接続されたプレート１０の対に入り、２つのプレート開口部１３’の他方を通って、接続されたプレート１０の対を出る。

【0046】

第２のプレートは、熱交換器１００の横断面内の外部流体流路２２の一部を示す。今回示されているのは接続されたプレート１０の対の内部ではなく、プレート１０の接続された２つのそのような対の間にある空間である。第２の流体流路２２は、第２の空洞２１を満たす。第２の空洞２１は、シェル２０の内部、図３Ｂに一方が示されている接続されたプレート１０の対の外部、および多くの場合、シェル２０内部に包含された別の構造により境界を定められる。外部流路２２は、第２の注入口開口部２４を通ってシェル２０に入り、第２の放出口開口部２４’を通ってシェル２０を出る。第２の注入口開口部２４および第２の放出口開口部２４’は、シェル表面の反対側に位置決めされてよい。

【0047】

第１の流体用内部流体流路１２は、プレート１０の一方の側に形成され、第２の流体用外部流体流路２２は、反対側に形成されるので、したがって第１の空洞１１内部の第１の流体と第１の空洞１１外部の第２の流体の間の熱交換は、プレート１０の全面にわたり容易になる。本文脈では、「内部」流体流路１２および「外部」流体流路２２は、プレート１０の接続された対により形成された第１の空洞１１を指し、その結果、例示する特有の実施形態に関係がある。より一般的な言い方では、互いから密封された２つの流路が存在し、一方は第１の流体用であり、他方は第２の流体用である。

【0048】

熱交換器１００の高効率を確実にするために、流体は、好ましくはプレート１０の幅全体にわたり効率的に分配されるべきである。

【0049】

図４は、本発明の実施形態１０による伝熱プレート１０の上面図を例示する。

【0050】

プレート１０は、それぞれ第１の注入口プレート開口部１３ａ、第２の注入口プレート開口部１３ｂ、第１の放出口プレート開口部１３’ａ、および第２の放出口プレート開口部１３’ｂを含むという点で、図２Ａの従来技術のプレート１０と異なる。

【0051】

例示では、対応する第１の注入口プレート開口部１３ａ、第２の注入口プレート開口部１３ｂ、第１の放出口プレート開口部１３’ａ、および第２の放出口プレート開口部１３’ｂは、図２Ａのプレート開口部１３，１３’と同じ位置に位置決めされているが、任意の適切な位置に位置決めでき、サイズが異なっていても任意の適切なサイズを有することができる。

【0052】

プレート１０は事実上、円形であるとして例示されているが、楕円形、正方形、長方形、五角形、六角形などのような任意の適切な形を有することができる。

【0053】

対応する第１の注入口プレート開口部１３ａ、第２の注入口プレート開口部１３ｂ、第１の放出口プレート開口部１３’ａ、および第２の放出口プレート開口部１３’ｂは、対になって密封３５されるように適合され、その結果、一方の内部流体流路１２では、第２の注入口開口部１３ｂおよび第２の放出口開口部１３’ｂは、対応する内部流路１２から密封３５され、別の内部流体流路１２では、第１の注入口開口部１３ａおよび第１の放出口開口部１３’ａは、対応する内部流路１２から密封３５される。

【0054】

第１の注入口開口部１３ａおよび第１の放出口開口部１３’ａは、他の第１の注入口開口部１３ａおよび第１の放出口開口部１３’ａと接触しており、第２の注入口開口部１３ｂおよび第２の放出口開口部１３’ｂは、他の第２の注入口開口部１３ｂおよび第２の放出口開口部１３’ｂと接触している。第１の注入口開口部１３ａおよび第１の放出口開口部１３’ａは、第２の注入口開口部１３ｂおよび第２の放出口開口部１３’ｂから密封される。

【0055】

これにより第１の内部流路１２ａおよび第２の内部流路１２ｂが形成され、第１の内部流路１２ａは、第１の注入口開口部１３ａおよび第１の放出口開口部１３’ａに流体で接続され、第２の内部流路１２ｂは、第２の注入口開口部１３ｂおよび第２の放出口開口部１３’ｂに流体で接続されている。

【0056】

密封３５は、任意の適切な種類であってよい。一実施形態では、密封要素３５，たとえばゴムガスケットは、密封すべきプレート開口部１３ａ、１３ｂ，１３’ａ、１３’ｂの周囲に位置決めされる、または金属密封３５が含まれてよく、多くの場合、プレート１０に、たとえば開口部リム１４ｂに別の手法で溶接、ろう付け、または固定されてよい。一実施形態では、開口部リム１４ｂは、対の隣接するプレート１０のフランジに接続されるフランジ３５を形成し、その結果、密封３５を形成する。

【0057】

図５Ａは、第１の対タイプ５０の伝熱プレート１０を例示し、この場合、第２の注入口開口部１３ｂおよび第２の放出口開口部１３’ｂは、対応する第１の内部流路１２ａから密封３５され、第１の流体は、第１の注入口開口部１３ａに入って、第２の注入口開口部１３ｂおよび第２の放出口開口部１３’ｂを介して流れる第２の流体と混合されることなく、第１の放出口開口部１３’ａを介して出る。

【0058】

これはまた、図５Ｂに例示され、第１の空洞１１、第１の内部流路１２ａ、および第２の内部流路１２ｂを形成するいくつかの接続されたプレート１０を示し、第１の注入口開口部１３ａを示す。（白抜きの矢印により表されている）第１の注入口開口部１３ａ内の第１の流体は、第１の内部流路１２ａだけに入るが第２の内部流路１２ｂには入らないのが見える。

【0059】

図６Ａおよび図６Ｂは、図５Ａおよび図５Ｂに類似し、違いは、第１の注入口開口部１３ａおよび第１の放出口開口部１３’ａは、第２の内部流路１２ｂから密封３５されていることであり、第２の注入口開口部１３ｂに入る第２の流体は、第１の注入口開口部１３ａおよび第１の放出口開口部１３’ａを介して流れる第１の流体と混合されることなく、第２の放出口開口部１３’ｂを介して出ることができるようになる。これにより、第２の対タイプ６０の熱交換プレート１０が提供される。

【0060】

図５Ｂと同様に、図６Ｂは、第２の注入口開口部１３ｂを示すことを除き、内部空洞１１、第１の内部流路１２ａ、および第２の内部流路１２ｂを形成するいくつかの接続されたプレート１０を示す。（白抜きの矢印により表されている）第２の注入口開口部１３ｂ内の第２の流体は、第２の内部流路１２ｂだけに入るが第１の内部流路１２ａには入らないのが見える。

【0061】

（図５Ｂだけではなく図６Ｂにも黒く塗りつぶした矢印により表されている）第３の流体は、プレート１０の２つの接続された対の間の空間内に形成された外部流路２２に入り、外部流路２２の一部を形成する、シェル２０の内部空洞により分配される。通常は、プレート１０は、シェル２０の内部表面に、少なくとも第１の注入口開口部２３に近い区域の中に伸展せず、その結果、第３の流体を分配するためのチャンバを形成する。

【0062】

第３の流体はこの場合、第１の流体および第２の流体のために共有され、それぞれ第１の内部流路１２ａおよび第２の内部流路１２ｂの中を流れる。第３の流体は、第１の流体および第２の流体を加熱または冷却するための加熱流体または冷却流体とすることができ、さらにまた第１の内部流路１２ａおよび第２の内部流路１２ｂ内の流体用共通熱交換流体と呼ばれる。

【0063】

図５Ｂおよび図６Ｂの例示では、対応する第１の対タイプ５０および第２の対タイプ６０の第１の内部流路１２ａおよび第２の内部流路１２ｂは、互いに連続して位置決めされて見えており、その結果、第１の空洞１１の１つ置きに第１の内部流路１２ａが形成され、１つ置きに第２の内部流路１２ｂが形成される。他の実施形態では、第１の対タイプ５０および第２の対タイプ６０の「束」は、互いに連続して位置決めされてよく、たとえば２つ、または３つ、または４つ以上の第１の対タイプ５０および、それに対応して２つ、または３つ、または４つ以上の第２の対タイプ６０、多くの場合、次いで２つ、または３つ、または４つ以上の第１の対タイプ５０のプレートなどが位置決めされてよい。

【0064】

いくつかの実施形態では、第１の対タイプ５０の数は、第２の対タイプ６０の数と異なってよい。これは、たとえば互いに異なる対タイプ５０、６０の束とすることができる。

【0065】

第１の対タイプ５０および第２の対タイプ６０は同一とすることができ、一方は他方に対して回転されられる、および／または他方と異なって配向される。

【0066】

提示する実施形態には、プレート１０の形状を維持でき伝熱効率を最適化できるという有利な点がある。

【0067】

図７は、第１の対タイプ５０および第２の対タイプ６０の代替実施形態を示す。第１の対タイプ５０は、１つの第１の注入口開口部１３ａおよび１つの第１の放出口開口部１３’ａを伴って形成され、第２の対タイプ６０は、１つの第２の注入口開口部１３ｂおよび１つの第２の放出口開口部１３’ｂを伴って形成される。第１の対タイプ５０および第２の対タイプ６０は同一とすることができ、一方は単に回転させられる、および／または異なって配向される。

【0068】

例示する実施形態では第１の対タイプ５０および第２の対タイプ６０の開口部１３ａ、１３’ａ、１３ｂ、１３’ｂはそれぞれ、伝熱プレート１０の主要部分または伝熱部位３２の主要部分から外に到達する重なり合わない部位の内部に位置決めされる。

【0069】

図８は、第１の対タイプ５０または第２の対タイプ６０の中に接続された２つのそのような重なり合わない部位４０の側面図である。接続要素４５は、プレート開口部１３ａ、１３’ａ、１３ｂ、１３’ｂと接触した状態で位置決めされる。

【0070】

図９は、互いの最上部の上に位置決めされた第１の対タイプ５０および第２の対タイプ６０を例示し、その結果、対応するプレート開口部１３ａ、１３’ａ、１３ｂ、１３’ｂを伴うこれらの対タイプの重なり合わない部位４０は、対の他方により覆われない。

【0071】

図１０は、他方の対タイプ６０、５０の外側に到達する一方の対タイプ５０、６０の重なり合わない部位４０を伴って積層された第１の対タイプ５０および第２の対タイプ６０の断面の側面図である。対応するプレート開口部１３ａ、１３’ａ、１３ｂ、１３’ｂは、重なり合わない部位４０の間に位置決めされた接続要素４５により接続される。

【0072】

この実施形態により、第１の対タイプ５０の中の第１の流体は、第２の対タイプ６０の中の、それに応じて第２の対タイプ６０のための第２の流体と混合されることなく、次の第１の対タイプ５０に効率的に分配可能になる。

【0073】

図７および図９の実施形態は、図９に例示するように組み合わせたとき、形状全体が標準的シェル２０の中に収まる、たとえば、組み合わせた円形形状（または楕円形、正方形、五角形、六角形など）を有するように形成できる。

【0074】

図１１は、重なり合わない部位４０が、他の点では標準的形状の伝熱プレート１０に対する「耳状のもの」または拡張部のように位置決めされる代替実施形態を示す。この場合も、第１の対タイプ５０および第２の対タイプ６０は同一とすることができ、一方は他方に対して単に回転させられて、たとえば、第１の対タイプ５０および第２の対タイプ６０の重なり合わない部位４０に対して鏡に映した配向で位置決めされて、接続要素４５の位置決めができるようにする。

【0075】

有利な点のある本発明による熱交換器１００を使用できる一例の実施形態は、電気を使用して、たとえば水から水素および酸素を作り出すために電気化学反応を駆動する機器など、電解槽２００の形をとる。

【0076】

そのような電解槽２００はたとえば、典型的には絶えず変化する再生可能エネルギー生成が負荷を超える期間中に電気変換、エネルギー蓄積、および余剰電力を使用する再変換経路に関係がある「Ｐｏｗｅｒ－ｔｏ－Ｘ」内部で使用される。

【0077】

電解槽２００から作り出された水素は、水素燃料電池で使用するのに理想的である。電解槽内で行われる反応は、陽極および陰極内で生じる反応が逆であることを除き、燃料電池内で行われる反応に非常に類似する。燃料電池では、陽極は水素ガスが消費される場所であり、電解槽２００では、水素ガスは陰極で作り出される。電気分解反応のために必要な電気エネルギーが、風または太陽エネルギーシステムなど、再生可能エネルギー供給源から得られるとき、非常に持続性のあるシステムを形成できる。

【0078】

直流電気分解（せいぜい８０％～８５％の効率）を使用して水素を作り出すことができ、水素は、次にたとえばメタン化、すなわちＣＯ_２と共に水素をメタン（ＣＨ_４）に変換することを介してメタノールに、または他の物質に変換できる。

【0079】

それにより、たとえば風力タービンによりこの手法で生成した水素などのエネルギーは、後で使用するために貯蔵できる。

【0080】

電解槽２００は、さまざまな異なる方法で構成でき、一般に２つの主要な設計に、すなわち単極および双極に分けられる。単極設計は、典型的には液体電解質（アルカリ性の液体）を使用し、双極設計は、固体ポリマー電解質（プロトン交換膜）を使用する。

【0081】

アルカリ水電気分解は、水酸化カリウム（ＫＯＨ）または水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）の液体アルカリ電解質溶液内で動作する２つの電極を有する。これらの電極は、生産物ガスを分離して一方の電極から他方の電極に水酸化イオン（ＯＨ^－）を移送する隔膜により分離される。

【0082】

他の燃料および燃料電池は、リン酸型燃料電池、溶融炭素塩型燃料電池、固体酸化物燃料電池、およびこれらの下位範疇すべても同様に含む。そのような燃料電池は、電解槽として使用するためにも同様に適合できる。

【0083】

工場施設内で動作している流体溶液が、効率を最適化する所与の温度の範囲内にある場合が有利である。工場施設が小型で拡張性のある場合もまた有利である。

【0084】

そのような電解槽２００または燃料電池で本発明を使用する原理を図１２に例示し、本発明による熱交換器１００を備え付ける、電解槽または燃料電池などの工場施設２００を示す。一般に以下の例では、工場施設２００は、水素を作り出すためのアルカリ性電解槽などの電解槽２００を指すが、用語「電解槽」２００は同様に燃料、またはそのような燃料を使用する燃料電池を作り出すための電解槽を指す。

【0085】

実施形態は、隔膜などの組立体から形成された電気分解機器２０２を備える電解槽２００を示す。調整要素２０３は、電解槽２００の動作の制御手段および調整手段を形成するためなど、電子機器などを用いて接続されてよい。

【0086】

図１２の右側は、本発明の実施形態を示し、電解槽２００を側面から見ており、一方の端部に接続された熱交換器１００を例示している。電気分解機器２０２の中を循環している流体溶液は、流体溶液の温度を調整するために熱交換器１００を通過する。熱交換器１００の第１の内部流路１２ａはこの場合、電解槽２００用の流体の一方を運び、第２の内部流路１２ｂは、電解槽２００用の流体の他方を運ぶ。この場合、外部流体流路２２は、加熱媒体または冷却媒体を運ぶ。

【0087】

その結果、電気分解機器２０２の中を循環している流体溶液は、流体溶液の温度を調整するために熱交換器１００を通過する。

【0088】

図１２の左側部分は、前から見た電解槽２００を示し、電気分解機器２０２は、円形に見えるが、当然ながら扁円形、楕円形、正方形、多角形などのような他の形状を有することができる。熱交換器１００、および多くの場合、伝熱プレート１０は、対応する形状を有することをでき、その結果、この形状は、単一ユニットとして見える電気分解機器２０２および熱交換器１００、ならびに熱交換器１００の機能性を作ることに関連づけることができる。

【0089】

所望の動作温度を提供するために熱交換器１００を接続してよい。

【0090】

例示する実施形態では、棒３１０により一緒に保持されたフランジ３００の間に熱交換器１００および電気分解機器２０２を詰め込むことにより、熱交換器１００を電気分解機器２０２に接続する。あるいは、熱交換器１００および電気分解機器２０２は、ねじ、ろう付けなどにより一緒に接続できる。

【符号の説明】

【0091】

１０ 伝熱プレート
１１ 第１の空洞
１２ 内部流体流路
１２ａ 第１の内部流路
１２ｂ 第２の内部流路
１３、１３’ プレート開口部
１３ａ 第１の注入口開口部
１３ｂ 第２の注入口開口部
１３’ａ 第１の放出口開口部
１３’ｂ 第２の放出口開口部
１４ａ プレートリム／外側縁部
１４ｂ 開口部リム／開口部縁部
２０ シェル
２１ 第２の空洞
２２ 外部流体流路
２３ 第１の注入口開口部
２３’ 第１の放出口開口部
２４ 第２の注入口開口部
２４’ 第２の放出口開口部
３０ パターン
３２ 伝熱部位
３５ 密封
４０ 重なり合わない部位
４５ 接続要素
５０ 第１の対タイプ
６０ 第２の対タイプ
１００ プレートおよびシェル熱交換器
２００ 電解槽
２０２ 電気分解機器
２０３ 調整要素
３００ フランジ
３１０ 棒

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6A】

【図6B】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【外国語明細書】