JP3100372B1 - 熱交換器 - Google Patents
熱交換器Info
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Abstract
し、パッキン使用に係る制限をなくせると共に、コスト
ダウン及び信頼性の向上が図れる熱交換器を提供する。 【解決手段】 シェル2内に略筒状体の伝熱筒部3を複
数配設し、この伝熱筒部3内部に所定の流体を通過させ
ると共に、伝熱筒部3の周囲に別の流体を直交流となる
向きに流し、伝熱筒部3を介して流体間で熱交換を行わ
せることにより、パッキンが不要となって流体に加える
圧力の制限を緩和でき、熱交換効率の向上が図れると共
に、漏洩等も起りにくく、信頼性を高められる。また、
伝熱筒部3の両端部が伝熱筒部3内部への入口及び出口
となり、伝熱筒部3の中間部に開口部が形成されること
もなく、伝熱筒部3の板取りに関して無駄が生じず、経
済的である。
Description
流体へ熱を伝達させる熱交換器に関し、特に経済的で且
つ信頼性及び安全性の高い熱交換器に関する。
食品工業等のプラント、並びに、冷凍機及びヒートポン
プで、加熱・冷却器や蒸発器、凝縮器として用いられて
いる熱交換器は、高温流体と低温流体との間で熱の授受
を行わせ、流体の加熱、沸騰・蒸発、冷却、及び凝縮を
目的とするものである。
式、スパイラル式等の種類があり、例えば温度差発電プ
ラントや冷凍機、及びヒートポンプでは、高温流体の熱
で低温の作動流体を沸騰・蒸発させる蒸発器、及び、低
温流体で熱を吸収して高温の作動流体を凝縮させる凝縮
器として、一般にプレート式熱交換器が用いられる。こ
の蒸発器及び凝縮器として用いられる従来のプレート式
熱交換器の一例を図6及び図7に示す。この図6は従来
の熱交換器の要部分解斜視図、図7は従来の熱交換器の
組立状態概略説明図を示す。
器100は、二組のプレート101、102を交互に積
層させた状態で、固定フレーム103と支え棒104間
に架設した上下二本のガイドロッド105、106に複
数枚装着し、ガイドロッド105、106に装着した可
動フレーム107と固定フレーム103とで各プレート
101、102を挟持し、各プレート101、102の
表裏両側に二組の熱交換流路A、Bを形成する構成であ
る。一方の熱交換流路Aには高温又は低温の熱交換用流
体108を流し、他方の熱交換流路Bには作動流体10
9を流して、熱交換を行わせる仕組みである。
をプレスして所定の形状及び表面状態に加工されてな
り、四隅に熱交換用流体108又は作動流体109が通
る通路a、b、c、dを開口形成されると共に、熱交換
用流体108と作動流体109とが混流しないように区
切るパッキン111、112を一方の表面に配設される
構成であり、それぞれ互いに上下向きを入替えた同一の
ものとなっている。
のように構成されていたことから、プレート101、1
02に対し図7中で左右方向に供給される熱交換用流体
108又は作動流体109を、各プレート101、10
2間の上下方向に通過するようにプレート101、10
2の通路a、b、c、dから屈曲させて複雑に流通させ
ることとなり、圧力損失が大きかった。従って、その分
各流体の供給圧力を高めなければならないが、プレート
101、102表面のパッキン111、112がプレー
ト101、102に圧着されてはじめて各熱交換流路
A、Bが液密を保てることにより、パッキン111、1
12の押圧不十分による漏洩を防ぐために熱交換用流体
108もしくは作動流体109の圧力を所定限度以上に
高めることができないと共に、プレート101、102
の枚数及び寸法に制限を設けなければならないという課
題を有していた。加えて、パッキン111、112を用
いることから、作動流体109としてアンモニア又はア
ンモニアと水の混合物を使用する場合、十分な安全性が
得られないという問題点があった。
パッキンを用いず、所定形状にプレスされた各プレート
を互いにろう付けで接合して各プレートの表裏両側に熱
交換流路を形成しつつ一体化し、プレートを挟持する可
動フレームや固定フレームをも不要とする構成のプレー
ト式熱交換器が、アルファ・ラバル株式会社の製品とし
て実用化されていたが、プレート同士の接合に特殊な工
程を必要とし、製作が困難で且つ高コストとなってしま
うという課題を有した。
効果を高めたり、凝縮して生じた液体を素早く排出した
りするために伝熱面に凹凸が形成されている場合には、
さらに圧力損失が増加すると共に、プレート101、1
02のプレス精度によっては、プレート101、102
同士が本来接触しない部位で接触し、プレート101、
102の加圧状態が変化してパッキン111、112の
密着を阻害するという課題を有していた。
通路a、b、c、dの開口割合が比較的大きく、これら
の部分は打抜き等の除去加工で形成することから、プレ
ート101、102の板取りはこうした不要部分を含ん
で行われることとなり、特に海水温度差発電に用いる場
合には耐食性の観点から素材を高価なチタンや特殊合金
製とすることもあり、材料コストの面で無駄が多いとい
う問題点を有していた。この問題点に対応する従来の別
のプレート式熱交換器として、特開昭60−80082
号公報に示されるものがあり、このプレート式熱交換器
は、プレートに開口形成される通路部分の数を上と下の
二つに減らし、材料の無駄を低減すると共に、プレート
に占める伝熱面積の割合を大幅に増加させた構造となっ
ている。しかし、依然として通路部分が存在することか
ら、材料に無駄となる部分が発生すると共に、プレート
の通路部分は熱交換に寄与せず、必要な伝熱面積よりプ
レートを大きく形成しなければならないという課題を有
した。
たもので、伝熱面の支持構造を変えてパッキンを不要と
し、パッキン使用に係る制限をなくせると共に、伝熱部
分を単純形状としてコストダウンが図れ、且つ、信頼性
及び安全性を向上させられる熱交換器を提供することを
目的とする。
の間で熱交換を行わせる熱交換器において、内部を少な
くとも二つの略平行な隔壁で上下方向に三つの上側領
域、中間領域、下側領域に区切られ、当該上側又は下側
の領域に高温流体又は低温流体が所定の圧力で供給さ
れ、前記中間領域の一側面から低温流体又は高温流体が
供給されて他側面から排出される略箱状体のシェルと、
アスペクト比の大きい矩形開口断面を有する両端開放状
態の略筒状体で形成され、前記シェルの中間領域に上下
方向へ前記略筒状体の筒軸方向を一致させ且つ前記矩形
の長手方向となる面同士を略平行に対向させて一列に並
列状態で前記略筒状体が前記隔壁幅の略全領域に亘って
複数垂設され、略筒状体両端部が前記二つの隔壁をそれ
ぞれ貫通して上・下二つの領域内に両端開口部をそれぞ
れ位置させ、中間領域に対して略筒状体内部を非連通状
態とされてなる複数の伝熱筒部と、前記低温流体又は高
温流体を中間領域へ供給するシェルの一側面に設けられ
た供給口と前記伝熱筒部との間に配設され、前記低温流
体又は高温流体の流れを伝熱筒部の上下方向に分流する
案内板とを備え、前記上側又は下側の領域に供給された
高温流体又は低温流体を前記複数の伝熱筒部内を通過さ
せて前記下側又は上側の領域から取出すと共に、前記シ
ェルの一側面から低温流体又は高温流体を供給し、当該
低温流体又は高温流体を前記伝熱筒部の筒軸方向に対し
略直交する向きで各伝熱筒部の間に流して前記シェルの
他側面から排出し、各伝熱筒部を伝熱面とする熱交換を
行わせるものである。
のシェル内に熱交換用の伝熱面としてアスペクト比の大
きい矩形開口断面を有する略筒状体の伝熱筒部を一列に
並列状態で垂設し、この伝熱筒部内部に高温流体又は低
温流体を通過させると共に、シェルの一側面に設けられ
た供給口と伝熱筒部との間に案内板を配設し、伝熱筒部
の上下方向に分流して伝熱筒部の周囲に偏りなく均等に
低温流体又は高温流体を直交流となる向きに流し、伝熱
筒部を介して高温流体と低温流体との間で熱交換を行わ
せることにより、熱伝筒部の上下全体で偏りなく均等に
効率よく熱交換が可能にとなる。また、伝熱面間の隙間
確保にパッキンを用いずに済み、流体に加える圧力の制
限が緩和され、高温・高圧の流体を使用できることに加
え、伝熱面をより数多く配置したり、より寸法を大きく
して形成したりすることもでき、熱交換の効率を向上さ
せられると共に、パッキン部分での漏洩等も起り得ず、
大幅に信頼性を高められる。また、伝熱筒部の両端部が
伝熱筒部内部への入口及び出口となり、伝熱筒部の中間
部に開口部が形成されることもなく、伝熱筒部の板取り
に関して無駄が生じず、経済的であると共に、流体の流
線をより単純化して、圧力損失を小さくすることができ
る。
て、前記伝熱筒部が、各面に所定の凹凸パターンを形成
されるものである。このように本発明においては、伝熱
筒部に所定パターンで凹凸を形成することにより、伝熱
面積をより大きく確保できると共に、蒸発器、又は凝縮
器として用いる場合に、蒸発、もしくは凝縮をより効率
的に進行させられる。
て、前記伝熱筒部が、内側表面を多孔質化されてなるも
のである。このように本発明においては、伝熱筒部内側
面の表層を多孔質とし、蒸発器として用いる場合に、伝
熱筒部内側面に接触して加熱される液体の気泡発生核を
増やすと共に、所定の大きさまで生長した気泡発生核を
伝熱筒部内側面から離脱しやすくすることにより、気泡
の発生を促進でき、蒸発をより効率的に進行させられ、
熱交換の効率を上げられる。さらに、凝縮器として用い
る場合にも、多孔質化で熱交換面積を大きくすることが
でき、凝縮効率を向上させられる。
る熱交換器を図1〜図3に基づいて説明する。この図1
は本実施の形態に係る熱交換器の側面図、図2は本実施
の形態に係る熱交換器の縦断面図、図3は本実施の形態
に係る熱交換器の要部切欠斜視図である。
る熱交換器1は、内部を二つの平行な隔壁2a、2bで
上下方向に三つの領域に区切られた箱状体のシェル2
と、平行で且つ所定間隔で近接する二面を有する両端開
放状態の筒状体で形成され、前記シェル2の区切られた
三つの領域のうち中間領域4に上下方向へ前記筒状体の
筒軸方向を一致させて且つ面同士を平行に対向させた並
列状態で複数配設され、筒状体両端部が隔壁2a、2b
をそれぞれ貫通して中間領域4上下の上側領域5及び下
側領域6内に両端開口部をそれぞれ位置させ、中間領域
4に対して内部を非連通状態とされてなる複数の伝熱筒
部3とを備える構成である。
成され、この箱状体の上部から所定寸法離れた位置に隔
壁2a、及び下部から所定寸法離れた位置に隔壁2bを
それぞれ配設されてなり、内部を上側領域5、中間領域
4、及び下側領域6の三つの領域に分割されると共に、
箱状体上部に上側領域5に対し所定圧力の作動流体を供
給又は排出するための上部流通口5aを、一方、下部に
下側領域6から作動流体を排出又は供給するための下部
流通口6aをそれぞれ形成される構成である。また、中
間領域4に面するシェル2の一側面には、熱交換用流体
を供給するための供給口4aが配設され、中間領域4に
面する前記一側面と対向する他側面の所定位置には熱交
換用流体取出し用の排出口4bが配設される構成であ
る。
矩形開口断面を有する金属製の筒状体であり、両端部を
隔壁2a、2bにそれぞれ貫通させた状態で中間領域4
に複数垂設され、貫通部分で周囲を取囲む隔壁2a、2
bに両端部を隙間なく密着させて固定される構成であ
る。伝熱筒部3と隔壁2a、2bとが密着していること
により、上側領域5及び下側領域6と中間領域4とは互
いに連通しない状態となっている。この伝熱筒部3に
は、所定のパターンで凹凸が形成され、伝熱面積を増や
すと共に強度向上が図られている。
熱交換動作について、凝縮器として用いる場合を説明す
る。凝縮器として用いる場合、前記シェル2の上側領域
5に上部流通口5aを介して気相の作動流体を所定圧力
で供給し、複数の伝熱筒部3へ下向きに送込む。そし
て、前記シェル2の一側面の供給口4aから中間領域4
に低温流体を連続的に供給し、且つ、他側面の排出口4
bから回収することで、この低温流体を前記伝熱筒部3
内部流れに対し直交流となる向きで各伝熱筒部3の間に
流し、各伝熱筒部3を伝熱面とする熱交換を行わせる。
伝熱筒部3内部では、作動流体が伝熱筒部3内側面に接
触し、伝熱筒部3を介して外側の低温流体に熱を放出
し、伝熱筒部3内側面で凝縮して液相となる。液体とな
った作動流体は伝熱筒部3内側面を伝って速やかに下方
に流れ、伝熱筒部3から下側領域6に流下し、下部流通
口6aから取出される。
では、シェル2内に熱交換用の伝熱面となる筒状体の伝
熱筒部3を配設し、この伝熱筒部3内部に作動流体を通
すと共に、伝熱筒部3の周囲の中間領域4に熱交換用の
低温流体又は高温流体を流し、伝熱筒部3を介して熱交
換させることから、従来のプレート式熱交換器同様に伝
熱面積を確保しつつ、伝熱面間の隙間確保にパッキンを
用いずに済み、流体に加える圧力の制限が緩和され、高
温・高圧(例えば、200気圧程度まで)の流体を使用
できることに加え、従来の場合に比べて伝熱面をより数
多く並列配置したり、より寸法を大きくして形成したり
することもでき、熱交換の効率を向上させられると共
に、パッキン部分での漏洩等も起り得ず、大幅に信頼性
及び安全性を高められる。また、伝熱筒部3の両端部が
伝熱筒部3内部への入口及び出口となり、伝熱筒部3を
単純な筒形状とすることができ、伝熱筒部3の板取りに
関して無駄が生じず、製作コストを低減できると共に、
作動流体の流線も単純化することとなり、圧力損失を低
減できる。
いて、伝熱筒部3は一枚の金属製板状体を連続させた単
純な矩形開口断面形状の筒状体として形成される構成と
しているが、この他、二枚の略板状体を所定間隔でスペ
ーサを介して連結して一体化し、矩形開口断面形状の略
筒状体とする構成にすることもできる。また、複数の伝
熱筒部3を平行に保持する仕組みとして、隔壁2a、2
bでの支持による構成の他、伝熱筒部3同士を所定間隔
でスペーサを介して並列状態で貼り合わせもしくは溶接
で一体化する構成とすることもでき、伝熱筒部3の平行
面の間隔及び伝熱筒部3同士の間隔を適切に設定して、
従来のプレート式熱交換器同様、単位体積あたりの伝熱
面積を十分に確保できる。
いて、伝熱筒部3には所定のパターンで凹凸が形成され
る構成としているが、これに加え、伝熱筒部3の内側表
面にもれなく多孔質層を形成する構成とすることもで
き、蒸発器として用いる場合に、伝熱筒部3内面で液相
の作動流体の気泡発生核を増やすと共に、所定の大きさ
まで生長した気泡発生核を離脱しやすくするなど、気泡
の発生を促進でき、蒸発をより効率的に進行させられ、
熱交換の効率を上げられる。
いて、伝熱筒部3は単純に矩形開口断面形状のシェル2
内に並列状態で配設される構成としているが、この他、
伝熱筒部3を、熱交換用流体進行方向にも直列配置もし
くは千鳥状配置でシェル2内に複数列配設する構成にす
ることもでき、シェル2内を通過する熱交換用流体を伝
熱筒部3側面とより接触させられることから、作動流体
との間でより確実に熱交換を行わせることができ、効率
を上げられる。
いては、熱交換用流体を供給する供給口4aがシェル2
の中間領域4に面する一側面に配設され、この一側面と
対向する他側面の所定位置に熱交換用流体取出し用の排
出口4bが配設される構成であるが、これに限らず、供
給口4a及び排出口4bは、中間領域4に面して供給口
4aから排出口4bに向う流れが伝熱筒部3筒軸方向と
直交する向きとなれば、シェル2のどの側面に配設して
もよく、例えば供給口4aと排出口4bを同じ側面の中
間領域4に面する下部位置と上部位置にそれぞれ配設す
る構成にすることもできる。
いては、シェル2側面の供給口4aと各伝熱筒部3との
間に障害物はなく、供給口4aから中間領域4に入った
熱交換用流体がそのまま各伝熱筒部3の間に達する構成
であるが、この他、図4に示すように、供給口4aと伝
熱筒部3との間の中間領域4所定位置に、供給口4aか
らの熱交換用流体の流れを適宜上下方向に分流する案内
板7を配設する構成にすることもでき、中間領域4の各
伝熱筒部3の間に熱交換用流体を上下方向について偏り
なく均等に送込むことができる。
いて、シェル2には、上部流通口5a、下部流通口6
a、供給口4a、及び排出口4bがそれぞれ一つずつ配
設される構成であるが、これに限らず、図5に示すよう
に、各々がそれぞれ複数配設される構成にすることもで
き、各伝熱筒部3内や中間領域4の各伝熱筒部3の間に
作動流体又は熱交換用流体をより偏りなく均等に送込む
ことができる。
おいて、蒸発器として用いる場合、下側領域6に対し液
相の作動流体を供給するための下部流通口6aの上流側
に、作動流体を超音波で振動させる超音波発振器を配設
することもでき、超音波により作動流体に微細気泡を発
生させ、気泡を含んだ作動流体が下側領域6から伝熱筒
部3内に達した際に、気泡が伝熱筒部3内面に沿って上
昇し、伝熱筒部3内面付近の液相の作動流体を攪拌する
こととなり、作動流体と伝熱筒部3内面との接触を促進
させて熱伝達率を向上させ、蒸発効率を高めることがで
きる。
体のシェル内に熱交換用の伝熱面としてアスペクト比の
大きい矩形開口断面を有する略筒状体の伝熱筒部を一列
に並列状態で垂設し、この伝熱筒部内部に高温流体又は
低温流体を通過させると共に、シェルの一側面に設けら
れた供給口と伝熱筒部との間に案内板を配設し、伝熱筒
部の上下方向に分流して伝熱筒部の周囲に偏りなく均等
に低温流体又は高温流体を直交流となる向きに流し、熱
伝筒部の上下全体で偏りなく均等に効率よく熱交換が可
能にとなるという効果を奏する。また、伝熱筒部を介し
て高温流体と低温流体との間で熱交換を行わせることに
より、伝熱面間の隙間確保にパッキンを用いずに済み、
流体に加える圧力の制限が緩和され、高温・高圧の流体
を使用できることに加え、伝熱面をより数多く配置した
り、より寸法を大きくして形成したりすることもでき、
熱交換の効率を向上させられると共に、パッキン部分で
の漏洩等も起り得ず、大幅に信頼性を高められる。ま
た、伝熱筒部の両端部が伝熱筒部内部への入口及び出口
となり、伝熱筒部の中間部に開口部が形成されることも
なく、伝熱筒部の板取りに関して無駄が生じず、経済的
であると共に、流体の流線をより単純化して、圧力損失
を小さくすることができるという効果を有する。
ターンで凹凸を形成することにより、伝熱面積をより大
きく確保できると共に、蒸発器、又は凝縮器として用い
る場合に、蒸発、もしくは凝縮をより効率的に進行させ
られるという効果を有する。
表層を多孔質とし、蒸発器として用いる場合に、伝熱筒
部内側面に接触して加熱される液体の気泡発生核を増や
すと共に、所定の大きさまで生長した気泡発生核を伝熱
筒部内側面から離脱しやすくすることにより、気泡の発
生を促進でき、蒸発をより効率的に進行させられ、熱交
換の効率を上げられるという効果を有する。さらに、凝
縮器として用いる場合にも、多孔質化で熱交換面積を大
きくすることができ、凝縮効率を向上させられるという
効果を有する。
態の側面図である。
図である。
欠斜視図である。
状態の側面図である。
設置状態の側面図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 高温流体と低温流体との間で熱交換を行
わせる熱交換器において、 内部を少なくとも二つの略平行な隔壁で上下方向に三つ
の上側領域、中間領域、下側領域に区切られ、当該上側
又は下側の領域に高温流体又は低温流体が所定の圧力で
供給され、前記中間領域の一側面から低温流体又は高温
流体が供給されて他側面から排出される略箱状体のシェ
ルと、アスペクト比の大きい矩形開口断面 を有する両端開放状
態の略筒状体で形成され、前記シェルの中間領域に上下
方向へ前記略筒状体の筒軸方向を一致させ且つ前記矩形
の長手方向となる面同士を略平行に対向させて一列に並
列状態で前記略筒状体が前記隔壁幅の略全領域に亘って
複数垂設され、略筒状体両端部が前記二つの隔壁をそれ
ぞれ貫通して上・下二つの領域内に両端開口部をそれぞ
れ位置させ、中間領域に対して略筒状体内部を非連通状
態とされてなる複数の伝熱筒部と、 前記低温流体又は高温流体を中間領域へ供給するシェル
の一側面に設けられた供給口と前記伝熱筒部との間に配
設され、前記低温流体又は高温流体の流れを伝熱筒部の
上下方向に分流する案内板とを備え、 前記上側又は下側の領域に供給された高温流体又は低温
流体を前記複数の伝熱筒部内を通過させて前記下側又は
上側の領域から取出すと共に、前記シェルの一側面から
低温流体又は高温流体を供給し、当該低温流体又は高温
流体を前記伝熱筒部の筒軸方向に対し略直交する向きで
各伝熱筒部の間に流して前記シェルの他側面から排出
し、各伝熱筒部を伝熱面とする熱交換を行わせることを
特徴とする熱交換器。 - 【請求項2】 前記請求項1に記載の熱交換器におい
て、 前記伝熱筒部が、各面に所定の凹凸パターンを形成され
ることを特徴とする熱交換器。 - 【請求項3】 前記請求項1又は2に記載の熱交換器に
おいて、 前記伝熱筒部が、内側表面を多孔質化されてなることを
特徴とする熱交換器。
Priority Applications (8)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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