JP2000081289A - プレートフィン型熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 凝縮熱によって蒸気を得る場合において凝縮
伝熱面全体にわたって高い伝熱性能を得ることができる
コンパクトで単純な構成のプレートフィン型熱交換器を
提供する。 【解決手段】 高温側流体２１の入口ヘッダ２には傾斜
フィン３が配置されている。傾斜フィン３は入口ヘッダ
２が形成された側より他側に向って漸次傾斜し凝縮伝熱
面を形成するように構成されている。さらに、傾斜フィ
ン３の前記他側の端部には高温側流体２１の凝縮液２２
が流れる凝縮液流路６が形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、高温側流体の凝
縮伝熱を利用して低温側流体を加熱するプレートフィン
型の熱交換器に係り、特に、高温側流体の流路構成に改
良を加えたプレートフィン型熱交換器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、リボイラーとしてプレートフ
ィン型熱交換器が採用されている。プレートフィン型熱
交換器とは高温側流体の凝縮伝熱を用いて、下方から供
給された低温側流体を加熱し、上方から蒸気を取出す装
置である。なお、蒸気の取出しに関しては、以下に述べ
る従来例の如く水蒸気分離器を熱交換器の上部に内蔵す
る場合もあれば、水蒸気分離器を熱交換器とは別置きと
する場合もある。

【０００３】ここでプレートフィン型熱交換器の従来例
について、図５〜図７を参照して具体的に説明する。図
５はプレートフィン型熱交換器の外形図、図６の（ａ）
は図５に示した熱交換器における高温側流路の断面図、
図６の（ｂ）は同じく低温側流路の断面図、図７はプレ
ートフィン型熱交換器の主要部である凝縮熱交換部の一
般的な構造を示す斜視図である。

【０００４】まず図７を用いて凝縮熱交換部の基本構造
について説明する。図に示すように、凝縮熱交換部には
チューブプレート２０とフィン５とが交互に積層されて
設けられている。チューブプレート２０は高温側流体２
１と低温側流体２５とを仕切るための板状部材である。
また、フィン５は流体２１，２５の流れる方向を規定す
るようになっており、フィン５により規定された流体２
１，２５の流路の周囲には圧力境界となるスペーサーバ
ー２７が設置されている。ただし、この図に示した凝縮
熱交換部の熱交換形式は直行流型である。これに対して
図５及び図６のプレートフィン型熱交換器は対向流型と
なっている。

【０００５】続いて、図５及び図６を用いてプレートフ
ィン型熱交換器全体の具体的な構成について説明する。
すなわち、プレートフィン型熱交換器には主要部である
凝縮熱交換部１９が設けられている。凝縮熱交換部１９
の上側には蒸気出口ノズル１３を有する水蒸気分離器１
４が設置されている。水蒸気分離器１４内には給水量を
制御することにより液面１８が保たれており、内部の蒸
気を前記ノズル１３から外部へ取出すようになっている
（図６の（ｂ）参照）。

【０００６】また、凝縮熱交換部１９の下側には低温側
流体２３を取込むための低温側入口ヘッダ１６が設置さ
れ、この入口ヘッダ１６には低温側入口ノズル１５が設
けられている。さらに、凝縮熱交換部１９の側面上部に
は高温側流体２１を取込むための高温側入口ヘッダ２が
取付けられ、凝縮熱交換部１９の側面下部には高温側流
体２１を取出すための高温側出口ヘッダ７が取付けられ
ている。各ヘッダ２，７には高温側の入口ノズル１０及
び出口ノズル１１が設けられている。なお、図示しない
が各ヘッダ２，７には必要に応じてドレン座、ブローダ
ウン座、点検口及び計器取付け座などが取付けられてい
る。

【０００７】以上のようなプレートフィン型熱交換器に
おける高温側流体２１の流路は次の通りである。高温側
流体２１は入口ヘッダ２の入口ノズル１０を経て凝縮熱
交換部１９の側面から凝縮熱交換部１９内に流入する。
そして、高温側流体２１は凝縮熱交換部１９全面に配分
されながらフィン５に沿って凝縮熱交換部１９を下降す
る。このとき、高温側流体２１の凝縮伝熱を低温側流体
２５側に与えていく。最終的に、出口ヘッダ７を経て出
口ノズル１１から熱交換器１９外部へと流出する。

【０００８】一方、低温側流体２５の流路は次の通りで
ある。低温側流体２５は入口ヘッダ１６の入口ノズル１
５を経て凝縮熱交換部１９内に流入し、凝縮熱交換部１
９のフィン５に沿って凝縮熱交換部１９を上昇しながら
高温側流体２１から凝縮伝熱を受けて、徐々に温度が上
げていく。そして、沸点に到達し、更なる加熱により沸
騰して水蒸気分離器１４内へ気泡と共に熱水となって流
入する。このとき、水蒸気分離器１４内部では低温側流
体２５の供給量を制御することにより液面１８を維持し
た状態で、水蒸気分離器１４内の蒸気２６を蒸気出口ノ
ズル１３から取出すことができる。

【０００９】ところで、上記のプレートフィン型熱交換
器は高温側流体２１を熱交換器１９に貫流させる構成と
した貫流型であるが、降水管などを用いることにより高
温側流体を循環させる循環型のプレートフィン型熱交換
器も知られている。具体例としては、特開昭６３−１３
５７０１号公報に記載されたプレートフィン型熱交換器
がある。この従来例では図８に示すように、流体を上下
方向に流す波板状フィン３２と、流体を左右方向に流す
波板状フィン３３とが交互に、凝縮熱交換部３１内に配
置されている。また、凝縮熱交換部３１の上部及び下部
にはそれぞれ上部ヘッダ３４及び下部ヘッダ３５が設置
されている。このような従来例によれば、熱サイフォン
効果によって降水管の作用と同じく液相分を循環させる
ことができるため、いっそう伝熱特性を高めることが可
能となる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
プレートフィン型熱交換器には次のような問題点があっ
た。すなわち、熱交換器における熱源として高温側流体
の凝縮伝熱を利用する場合、高温側流体が凝縮反応を起
こすので凝縮液が生成される。従来の構造では凝縮液が
凝縮伝熱面上を伝って流下するので、下流にいくにした
がって高温側流体の流路には凝縮液が満たされる。この
結果、凝縮熱交換部の凝縮伝熱面上に凝縮液の液膜が生
じることになり、熱抵抗が大きくなって伝熱性能が低下
した。例えば、特開平１０−３０８９０号公報に記載さ
れたプレートフィン型熱凝縮器では、熱交換器出口まで
鉛直に凝縮側流路を構成するようにフィンを配置してい
る。しかしこのような凝縮側流路構成では、凝縮液の生
成により熱抵抗が大きくなり、伝熱性能が阻害された。

【００１１】また、プレートフィン型熱交換器において
は通常、蒸発させる低温側流体の流路を鉛直方向に配置
し、加熱側である高温側流体は凝縮熱交換部の側面から
流入させている。このため、高温側流体に気液２相を使
用する場合、側面からこれを流入させることになり、液
相分を凝縮熱交換部全体にわたって均一に分配すること
が困難であった。特に、加熱温側流体の入口ヘッダの下
方に液相が集中して流れてしまい、凝縮伝熱面が液相に
浸されるという事態を招く。そのため、本来伝熱面とし
て作用するべき面積が縮小して伝熱性能が低下した。

【００１２】このような伝熱性能の低下に対処するため
に、伝熱面積を大きくとることにより優れた伝熱性能を
維持することが考えられる。また、熱交換器の手前に高
温側流体の気液分離器を設置して、気相のみ熱交換器に
導入したり、ヘッダ内部に分配ヘッダを設置して流路全
体に液相を供給することも考えられる。しかしながら、
このような構成をとる場合、熱交換器が大型化、複雑化
するという不具合が生じる。

【００１３】ところで、高温側流体の凝縮液が生じるプ
レートフィン型熱交換器では、凝縮液の持つ顕熱を回収
する顕熱回収熱交換部を設置することがある。しかし、
このような熱交換器には凝縮熱交換部と顕熱回収熱交換
部とをつなぐ凝縮液用の配管が不可欠となるため、コン
パクト化を図ることが重要な課題となっていた。しか
も、高温側流体の凝縮液を顕熱回収熱交換部に均一に分
配しなれければ、凝縮液の偏流が発生して伝熱性能が低
下するといった不具合が生じた。

【００１４】本発明は、以上のような問題点を解消する
ために提案されたものであり、その主たる目的は、凝縮
熱によって蒸気を得る場合において凝縮伝熱面全体にわ
たって高い伝熱性能を得ることができるコンパクトで単
純な構成のプレートフィン型熱交換器を提供することに
ある。

【００１５】また、本発明の他の目的は、高温側流体が
２相流で流入する用途にあっても液相分の偏流による影
響を受けることのない、高い信頼性を持つ熱交換性能に
優れたプレートフィン型熱交換器を提供することにあ
る。さらに、本発明の他の目的は、凝縮熱交換部と顕熱
回収熱交換部とを備えた上でコンパクト化を図ったプレ
ートフィン型熱交換器を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１の発明は、高温側流体及び低温側流体を
仕切るプレートを介して、高温側流体及び低温側流体を
取込み高温側流体の凝縮伝熱により低温側流体を加熱し
て蒸気を得る凝縮熱交換部を有するプレートフィン型熱
交換器において、凝縮熱交換部に高温側流体の流入口を
形成すると共に、この流入口が形成された一方の側より
他方の側に向って漸次下方向に傾斜し凝縮伝熱面を形成
する傾斜フィンを配置したことを特徴としている。

【００１７】このような構成を有する請求項１の発明で
は、流入口に連続して傾斜フィンを配置しているため、
高温側流体の凝縮液を傾斜フィンに沿って速やかに熱交
換部の外部へ排出することができる。したがって、熱交
換部の凝縮伝熱面上に凝縮液の液膜が生じることがな
く、十分な伝熱面積を確保して熱抵抗を低く抑えること
ができる。これにより、凝縮伝熱面全体にわたって常に
高い伝熱性能を維持することができる。

【００１８】また、請求項２の発明では、請求項１記載
のプレートフィン型熱交換器において、傾斜フィンにの
前記他側の端部に高温側流体の凝縮液が流れる凝縮液流
路を形成したことを構成上の特徴とする。このような請
求項２の発明においては、凝縮液が凝縮液流路を伝って
流れていき、熱交換部外への排出はいっそうスムーズに
なる。しかも、凝縮液流路を凝縮熱交換部の内部に組込
んで形成したので、熱交換器のコンパクト化を進めるこ
とができる。

【００１９】請求項３の発明は、請求項１または２記載
のプレートフィン型熱交換器において、凝縮熱交換部に
高温側流体の流入口を複数形成し、流入口ごとに連続し
て傾斜フィンを配置したことを特徴とする。このような
請求項３の発明では高温側流体の流入口を複数持つの
で、凝縮熱交換部の凝縮伝熱面全体に高温側流体を均等
且つ多量に供給することができる。また、傾斜フィンも
流入口ごとに設置しているので、凝縮液を効率良く熱交
換部の外部へ排出できる。

【００２０】請求項４の発明の特徴は、請求項１、２ま
たは３記載のプレートフィン型熱交換器において、凝縮
熱交換部の下部に凝縮液の顕熱を回収する顕熱回収熱交
換部を一体的に設けた点にある。つまり請求項４の発明
では、高温側流体の凝縮熱だけでなく、凝縮液の顕熱に
ついても熱回収可能な熱交換器において、凝縮熱交換部
と顕熱回収熱交換部とを一体的に設けたので、凝縮熱交
換部からの凝縮液を即座に顕熱回収熱交換部に取込むこ
とができる。したがって、２つの熱交換部間に凝縮液用
の配管を設ける必要がなく、コンパクトな熱交換器を実
現することができる。

【００２１】さらに、請求項５の発明は、請求項４記載
のプレートフィン型熱交換器において、凝縮熱交換部と
顕熱回収熱交換部との間に顕熱回収熱交換部全体に高温
側流体の凝縮液を均一に配分する流量分配フィンを配置
している。そのため、請求項５の発明では凝縮熱交換部
からの凝縮液が顕熱回収熱交換部に流れ込む際、流量分
配フィンが凝縮液を顕熱回収熱交換部全体に均一に配分
することができる。したがって、顕熱回収熱交換部に凝
縮液が偏流することがなく、優れた熱交換性能を発揮で
きる。

【００２２】

【発明の実施の形態】（１）第１の実施の形態 ［構成］以下、本発明の請求項１、２、４、５を含む第
１の実施の形態について、図１および図２を参照して具
体的に説明する。図１は第１の実施の形態における高温
側流路の断面図、図２はプレートフィン型熱交換器の外
形図である。なお、図５および図６に示した従来例と同
一の部材に関しては同一符号を付し、説明は省略する。

【００２３】図１に示すように、第１の実施の形態は高
温側流体２１としては気相流体２３および液相流体２４
からなる気液２相を適用しており、高温側流体入口ヘッ
ダ２で気相流体２３と液相流体２４とに分離するように
なっている。また、高温側流体２１の入口ヘッダ２には
傾斜フィン３が配置されている。傾斜フィン３は入口ヘ
ッダ２が形成された側より他側に向って漸次傾斜し凝縮
伝熱面を形成するように構成されている。さらに、傾斜
フィン３の前記他側の端部には凝縮液流路６が形成され
ている。この凝縮液流路６には高温側流体２１の凝縮液
２２が流れるようになっている。

【００２４】図２に示すように、第１の実施の形態は蒸
気分離器１４、凝縮熱交換部８および顕熱回収熱交換部
９が上下方向に一体的に設けられている。顕熱回収熱交
換部９とは凝縮液２２および液相流体２４の持つ顕熱を
回収する部分である。また、図１に示すように、凝縮熱
交換部８と顕熱回収熱交換部９との間には顕熱回収熱交
換部９全体に凝縮液２２を均一に配分するための流量分
配フィン４が配置されている。流量分配フィン４は高温
側流体２１の流れる方向に高い圧力損失を付与して流路
幅方向の流量分配を均一にする機能を有しており、具体
的には孔空きフィンやセレートフィンからなる。さら
に、入口ヘッダ２下部には液相流体２４を流量分配フィ
ン４に流し込む液相入口１２が設けられている。

【００２５】［作用及び効果］以上のようなプレートフ
ィン型熱交換器の高温側流体２１の流路は次の通りであ
る。高温側流体入口ノズル１１より流入した高温側流体
２１である２相流は、高温側流体入口ヘッダ２に流入
し、このヘッダ２内で液相流体２４は下方に溜り、液相
入口１２を経て流量分配フィン４へ流入する。一方、気
相流体２３は凝縮熱交換部８の傾斜フィン３へ流れる。
気相流体２３が凝縮反応を起こすと凝縮液２２が生成さ
れるが、この凝縮液２２は傾斜フィン３に沿って凝縮液
流路６へと流下し、傾斜フィン３上に滞留しない。した
がって、傾斜フィン３は常に乾いた状態、あるいは凝縮
液２２に覆われたとしても薄い液膜の状態にとどまる。

【００２６】一方、凝縮液流路６により集められた凝縮
液２２及び入口ヘッダ２において分離された液相流体２
４は、そのまま流量分配フィン４に入いり、流量分配フ
ィン４の働きにより顕熱回収熱交換部９へ均等に配分さ
れる。流量分配フィン４にて均一に流量配分された凝縮
液２２と液相流入分２４は、顕熱回収熱交換部９で低温
側流体２５に更に熱を与えながら流下し、出口ヘッダ
７、出口ノズル１２を経て顕熱回収熱交換部９の外部へ
と流出する。

【００２７】以上説明した第１の実施の形態によれば、
凝縮液２２は凝縮伝熱面である傾斜フィン３に滞留する
ことなく速やかに凝縮液流路６へ排出する。そのため、
凝縮熱交換部８は伝熱面積を有効に使用することがで
き、凝縮伝熱面全体にわたって常に高い伝熱性能を得る
ことができる。しかも、凝縮液流路６を熱交換部８内部
に組込むと同時に、凝縮熱交換部８と顕熱回収熱交換部
９とを一体的に設けたので、凝縮液用配管が不要とな
り、熱交換器のコンパクト化を大幅に進めることができ
る。

【００２８】また、流量分配フィン４により凝縮液２２
および液相流体２４を顕熱回収熱交換部９に均一に分配
できるので、顕熱回収熱交換部９の全体を有効に活用す
ることが可能となり、高い熱交換性能を得ることができ
る。さらに第１の実施の形態では、高温側流体２１とし
て気液２相を用いるが、凝縮熱交換部８の前段である入
口ヘッダ２で２相に分離しているので、別途に気液分離
器を設置する必要がなく、さらなる機器のコンパクト化
が可能である。

【００２９】（２）第２の実施の形態 ［構成］続いて、本発明の請求項３を含む第２の実施の
形態について、図３を用いて説明する。第２の実施の形
態は、凝縮熱交換部８の向い合う２面に高温側流体２１
の入口ヘッダ２が配置されると共に、それぞれの流入口
２に連続して凝縮熱交換部８中央部に向かって傾斜する
傾斜フィン３が配置されている。また、凝縮熱交換部８
中央部には傾斜フィン３に挟まれるようにして凝縮液流
路６が形成されている。

【００３０】［作用及び効果］このような第２の実施の
形態においては、入口ヘッダ２を２つ設けたので、凝縮
熱交換部８の凝縮伝熱面全体に気相流体２３を均等且つ
多量に供給することができる。大型の凝縮面を形成する
場合、熱交換性能は伝熱面への気相流体２３の供給性能
に依存するため、第２の実施の形態は特に有効である。
また、傾斜フィン３を入口ヘッダ２ごとに設置している
ため、凝縮液２２を速やかに伝熱面より排出できる。し
たがって、伝熱面全体にわたって高い伝熱性能を保つこ
とができる。

【００３１】（３）他の実施の形態 なお、この発明は以上の実施の形態に限定されるもので
はなく、例えば図４に示すように、凝縮液流路６に代え
て、凝縮熱交換部８に凝縮液出口ヘッダ１７を設けても
良い。凝縮液出口ヘッダ１７の下部には入口ヘッダ２と
同様、液相流体２４を流量分配フィン４に流し込む液相
入口１２が設けられている。このような実施の形態は、
高温側流体２１の圧力が比較的高く、設計圧力が高くて
熱交換器８内部に傾斜フィン３の無い部分となる凝縮液
流路６を設置することが適切でない場合において有効で
ある。また、高温側流体の供給構成として凝縮熱交換部
８を容器中に設置し容器内へ高温側流体を供給しても良
い。

【００３２】

【発明の効果】以上述べたように、本発明のプレートフ
ィン型熱交換器によれば、高温側流体の流入口に連続し
て上下方向に傾いた傾斜フィンを配置するといった極め
て簡単な構成により、凝縮液を傾熱交換部の外部へ排出
できるため、凝縮伝熱面全体にわたって高い伝熱性能を
確保でき、且つコンパクト化を図ることができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の高温側流路の断面
図

【図２】第１の実施の形態の外形図

【図３】本発明の第２の実施の形態の高温側流路の断面
図

【図４】本発明の他の実施の形態の高温側流路の断面図

【図５】従来のプレートフィン型熱交換器の外形図

【図６】（ａ）は図５に示した熱交換器における高温側
流路の断面図、（ｂ）は同じく低温側流路の断面図

【図７】凝縮熱交換部の一般的な構造を示す斜視図

【図８】従来のプレートフィン型熱交換器の構成図

【符号の説明】

２…高温側入口ヘッダ ３…傾斜フィン ４…流量分配フィン ５…フィン ６…凝縮液流路 ７…高温側出口ヘッダ ８，１９…凝縮熱交換部 ９…顕熱回収熱交換部 １２…液相入口 １３…蒸気出口ノズル １４…水蒸気分離器 １６…低温側入口ヘッダ １８…液面 ２１…高温側流体 ２２…凝縮液 ２３…気相流体 ２４…液相流体 ２５…低温側流体 ２６…蒸気

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高温側流体及び低温側流体を仕切るプレ
   ートを介して、高温側流体及び低温側流体を取込み高温
   側流体の凝縮伝熱により低温側流体を加熱して蒸気を得
   る凝縮熱交換部を有するプレートフィン型熱交換器にお
   いて、 前記凝縮熱交換部には前記高温側流体の流入口が形成さ
   れると共に、 前記流入口が形成された一方の側より他方の側に向って
   漸次下方向に傾斜し凝縮伝熱面を形成する傾斜フィンが
   配置されたことを特徴とするプレートフィン型熱交換
   器。
2. 【請求項２】 前記傾斜フィンの前記他側の端部には前
   記高温側流体の凝縮液が流れる凝縮液流路が形成された
   ことを特徴とする請求項１記載のプレートフィン型熱交
   換器。
3. 【請求項３】 前記凝縮熱交換部には前記高温側流体の
   流入口が複数形成され、 各流入口に連続して前記傾斜フィンが配置されたことを
   特徴とする請求項１または２記載のプレートフィン型熱
   交換器。
4. 【請求項４】 前記凝縮熱交換部の下部に前記凝縮液の
   顕熱を回収する顕熱回収熱交換部が一体的に設けられた
   ことを特徴とする請求項１、２または３記載のプレート
   フィン型熱交換器。
5. 【請求項５】 前記凝縮熱交換部と前記顕熱回収熱交換
   部との間に前記顕熱回収熱交換部全体に前記凝縮液を均
   一に配分する流量分配フィンが配置されたことを特徴と
   する請求項４記載のプレートフィン型熱交換器。