JP2000274977A - 熱交換装置及び熱抽出法 - Google Patents

熱交換装置及び熱抽出法

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JP2000274977A
JP2000274977A JP2000062475A JP2000062475A JP2000274977A JP 2000274977 A JP2000274977 A JP 2000274977A JP 2000062475 A JP2000062475 A JP 2000062475A JP 2000062475 A JP2000062475 A JP 2000062475A JP 2000274977 A JP2000274977 A JP 2000274977A
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contact heat
indirect contact
exchange section
evaporative liquid
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Branislav Korenic
ブラニスラフ・コレニック
Thomas P Carter
トマス・ピー・カーター
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Baltimore Aircoil Co Inc
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 熱交換装置の蒸発性液体を節約しながら、高
効率で熱交換装置を作動する。 【解決手段】 乾式間接接触熱交換部16と、湿式又は乾
式のいずれかで使用できる第２の間接接触熱交換部28
と、直接接触熱交換部50との３つの熱交換部16, 28, 50
を使用する。個々の周囲空気流は混合されて乾式間接接
触熱交換部16に流入する。熱交換装置8を乾式動作モー
ドで動作させるとき、乾式間接接触熱交換部16の上流で
他方の周囲空気流を混合する。更に、２つの独立する蒸
発性液体分配システム104, 106の内、間接部分配システ
ム104では、蒸発性液体は第２の間接接触熱交換部28の
上に選択的に散布され、直接部分配システム106では蒸
発性液体は直接接触熱交換部50の上に選択的に散布され
る。第２の間接接触熱交換部28及び直接接触熱交換部50
には、個別に液溜め80, 82、ポンプ112, 116及び導管11
5, 119が設けられる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、熱交換器、特に閉
回路蒸発熱交換装置及び直接間接閉回路組合せ式蒸発熱
交換装置を利用する熱交換装置及び熱抽出法に関する。
【０００２】
【従来の技術】廃熱は、乾式又は顕熱式熱交換器によっ
て大気中へ排出できる。乾式又は顕熱式熱交換器では、
空気流及び操作用流体流の２つの流体が存在する。操作
用流体流を密閉する閉鎖系熱交換器では、操作用流体流
は大気中に開放されず、また操作用流体流は空気流に対
し直接接触しない。この密閉構造にはコイル管も含まれ
る。空気流が操作用流体流の密閉構造を通過するとき、
顕熱交換される。この構造は「コンパクト熱交換器」と
して当業者に公知である。
【０００３】蒸発熱交換器は、乾式熱交換器に対して殆
どの気候条件で極めて処理効率が高い。蒸発熱交換器の
１つとして直接蒸発熱交換器がある。直接蒸発熱交換器
には一般に水である蒸発性液体流及び空気流のみが含ま
れ、空気流と蒸発性液体流とは互いに直接接触する。
【０００４】蒸発熱交換器の他の種類として間接閉回路
蒸発熱交換器では、空気流、蒸発性液体流及び密閉され
た操作用流体流の３つの流体流が含まれる。密閉された
操作用流体流は蒸発性液体と直接接触しないため、最初
に、操作用流体流が間接熱伝導により蒸発性液体と顕熱
を交換し、その後、空気流と蒸発性液体とが相互に接触
したときに熱交換及び質量移動が行われる。
【０００５】更に他の種類の蒸発熱交換器として、直接
間接閉回路組合せ式蒸発熱交換器がある。組合せ式熱交
換装置の例は、発明者カーター（Carter）の特開平７−
１９７６４号（対応米国特許第５４３５３８２号）及び
米国特許第５８１６３１８号（１９９８年）に開示され
る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】乾式熱交換器及び蒸発
熱交換器が共通に使用され、冷却器又は凝縮器として熱
を排出する。蒸発冷却器は周囲の湿球温度に近い温度で
熱を排出するが、乾式冷却器はより高い周囲の乾球温度
に近づくほど制限される。多くの気候条件では、周囲の
湿球温度は、周囲の設計乾球温度より６.７〜１.１℃
（２０〜３０°F）低いこともある。従って、蒸発冷却
器では、蒸発性液体流は周囲の乾球温度に比べて著しく
低い温度に冷却されるので、冷却工程の効率を増大しか
つ工程全体のエネルギ必要量を低減することができる。
しかしながら、冷却工程の効率を増大しかつ工程全体の
エネルギ必要量を低減できる可能性があっても、水等の
蒸発性液体が蒸発して消費量が増大し、また低温天候時
の動作中に凍結する危険性があるため、蒸発性冷却は頻
繁に使用されない。
【０００７】更に、代表的な顕熱式熱交換器及び蒸発熱
交換器は、電力需要がピークとなる夏期等の大きい熱的
難事が発生する時間に必要な排熱作用を発揮できる性能
（大きさ）を有する。この設計条件は、夏期の設計湿球
温度又は乾球温度として代表的に現れる。前記設計条件
では排熱装置により必要な熱量を排出できることが多く
の場合重要となる反面、大気温度が上昇する継続時間は
排熱装置の動作時間のわずか１%程度に過ぎない場合が
ある。従って、他の時間に対し、排熱装置は必要以上の
大きな容量を備えると、エネルギ及び蒸発性液体の浪費
を招くおそれがある。
【０００８】また、蒸発冷却塔全体の高さを制限して、
限定された隙間空間で冷却塔を使用すると共に、蒸発性
液体に使用する揚程を低下することが望ましい。
【０００９】そこで、本発明は、蒸発性液体を節約する
と同時に高効率の蒸発熱交換器を有する熱交換装置及び
熱交換法を提供することを目的とする。また、本発明
は、低外形を有する熱交換装置を提供することを目的と
する。
【００１０】
【課題を解決するための手段】操作用流体から熱を抽出
する本発明による熱交換装置(8)は、空気入口側(18)、
空気出口側(20)及び操作用流体回路(22)を有する乾式間
接接触熱交換部(16)と、空気入口側(30)、空気出口側(3
2)及び操作用流体回路(34)を有する第２の間接接触熱交
換部(28)と、空気入口側(52)、空気出口側(54)及び充填
媒体(56)を有する直接接触熱交換部(50)と、乾式間接接
触熱交換部(16)の操作用流体回路(22)及び第２の間接接
触熱交換部(28)の操作用流体回路(38)を操作用流体入口
(12)及び操作用流体出口(14)に接続して、操作用流体の
連続的流路となる操作用流体流路(90)と、第２の間接接
触熱交換部(28)上に蒸発性液体を散布する複数の間接部
蒸発性液体出口(108)と、直接接触熱交換部(50)上に蒸
発性液体を散布する複数の直接部蒸発性液体出口(110)
と、第２の間接接触熱交換部(28)から蒸発性液体を捕集
する間接部液溜め(82)と、直接接触熱交換部(50)から蒸
発性液体を捕集する直接部液溜め(80)と、間接部液溜め
(82)から直接部蒸発性液体出口(110)へ蒸発性液体を移
動させて充填媒体(56)上に蒸発性液体を選択的に散布す
る第１のポンプ(112)及び第１の蒸発性液体流路(114)
と、直接部液溜め(80)から間接部蒸発性液体出口(108)
へ蒸発性液体を移動させて第２の間接接触熱交換部(28)
上に蒸発性液体を選択的に散布する第２のポンプ(116)
及び第２の蒸発性液体流路(118)と、乾式間接接触熱交
換部(16)、第２の間接接触熱交換部(28)及び直接接触熱
交換部(50)を通して空気流を移動させる空気移動装置(1
30)とを備えている。
【００１１】本発明による熱交換装置(8)は少なくとも
３つの動作モードで作動される。特定の温度又はその温
度より低い秋又は冬には第１の動作モード、即ち乾式動
作モードで動作され、特定の温度を超える春、夏又は秋
には第２の動作モード、即ち乾湿式動作モードで作動さ
れ、外部の周囲温度が極めて高い夏には第３の動作モー
ド、即ち湿式動作モードで動作される。
【００１２】第１の動作モードでは、操作用流体は乾式
間接接触熱交換部(16)及び第２の間接接触熱交換部(28)
中を流れ、空気移動装置(130)が作動される。第１及び
第２のポンプ(112, 116)はいずれも停止し、蒸発性液体
は流動されず、直接接触熱交換部(50)は熱負荷を担持し
ない。直接接触熱交換部(50)及び第２の間接接触熱交換
部(28)を通る空気流は最小となり、乾式間接接触熱交換
部(16)を通る空気流は最大となる。第１の動作モードで
は、乾式間接接触熱交換部(16)が主要な熱抽出源とな
る。
【００１３】第２の動作モードでは、熱交換制御装置(7
8)は第２のポンプ(116)を付勢し、第２の蒸発性液体流
路(118)を通して蒸発性液体(158)を移動させ、間接部蒸
発性液体出口(108)を通して第２の間接接触熱交換部(2
8)上に散布する。第２の間接接触熱交換部(28)内を流下
する蒸発性液体(160)は間接部液溜め(82)内に集めら
れ、直接部液溜め(80)に流れ込む。蒸発性液体は、直接
部液溜め(80)から第２の間接接触熱交換部(28)上へ再度
散布される。操作用流体は乾式間接接触熱交換部(16)及
び第２の間接接触熱交換部(28)を流れる。第２の間接接
触熱交換部(28)及び直接接触熱交換部(50)の各々からの
周囲空気流(61)及び(68)は高圧室(58)で合流し、その
後、空気流(132)として乾式間接接触熱交換部(16)に流
入する。第２の間接接触熱交換部(28)では操作用流体か
ら抽出される熱量は増大する。第２の動作モードでは、
直接接触熱交換部(50)は熱負荷を担持しないため、第１
のポンプ(112)は消勢状態で維持される。
【００１４】第３の動作モードでは、第１のポンプ(11
2)を付勢して、間接部液溜め(82)から第１の蒸発性液体
流路(114)を通して蒸発性液体(162)を移動させ、その
後、蒸発性液体(164)を充填媒体(56)上に散布する。こ
のため、周囲空気流(68)に対する蒸発性液体(164)の蒸
発による熱移動及び質量移動が行われ、充填媒体(56)の
下方に設けられた直接部液溜め(80)へ落下する前に蒸発
性液体は冷却される。その後、直接部液溜め(80)で冷却
された蒸発性液体は第２のポンプ(116)によって第２の
蒸発性液体流路(118)を通して蒸発性液体出口(108)へ汲
み上げられ、第２の間接接触熱交換部(28)上へ蒸発性液
体(160)として散布される。
【００１５】第３の動作モードでは、直接接触熱交換部
(50)での蒸発性液体の冷却により第２の間接接触熱交換
部(28)で抽出される熱量を調整し、蒸発性液体のある程
度の量は蒸発により消失する。従って、本発明では直接
接触熱交換部(50)への蒸発性液体の流れを調整し、蒸発
性液体及び操作用流体の冷却に有効な最小限度の流量を
維持して蒸発性液体を節約することができる。また、蒸
発による蒸発性液体の不必要な消失を避けるため、過剰
な流速は回避される。一般に、外部空気の湿球温度が高
いほど、直接接触熱交換部(50)上に排出される蒸発性液
体の容積は大きくなる。
【００１６】本発明の実施の形態では、操作用流体流路
(90)は、操作用流体入口(12)を乾式間接接触熱交換部(1
6)の操作用流体回路(22)、第２の間接接触熱交換部(28)
の操作用流体回路(38)及び操作用流体出口(14)に直列に
接続する。操作用流体流路(90)は、操作用流体入口(12)
と操作用流体出口(14)との間に乾式間接接触熱交換部(1
6)及び第２の間接接触熱交換部(28)を並列に接続する。
乾式間接接触熱交換部(16)、第２の間接接触熱交換部(2
8)及び直接接触熱交換部(50)を包囲しかつ２つの側部を
有するハウジング(60)が設けられる。直接接触熱交換部
(50)は一方の側部に設けられると共に、第２の間接接触
熱交換部(28)は他方の側部に設けられる。乾式間接接触
熱交換部(16)は直接接触熱交換部(50)と第２の間接接触
熱交換部(28)との間に配置される。ハウジング(60)は側
部にそれぞれ開口部(59, 64)を有し、一方の開口部(59)
及び第２の間接接触熱交換部(28)の空気入口側(30)を通
る周囲空気は第２の間接接触熱交換部(28)内に移動す
る。他方の開口部(64)及び直接接触熱交換部(50)の空気
入口側(52)を通る周囲空気は直接接触熱交換部(50)内に
移動し、乾式間接接触熱交換部(16)の空気入口側(18)は
第２の間接接触熱交換部(28)の空気出口側(32)及び直接
接触熱交換部(50)の空気出口側(54)の下流に配置され
て、第２の間接接触熱交換部(28)及び直接接触熱交換部
(50)からの空気流は乾式間接接触熱交換部(16)内を通過
する。更にハウジング(60)は、乾式間接接触更にハウジ
ング(60)は周囲空気が流入する補助開口部(70)及び選択
的に補助開口部(70)を閉鎖するダンパ(74)を備え、補助
開口部(70)は第２の間接接触熱交換部(28)及び乾式間接
接触熱交換部(16)から離間し、補助開口部(70)は周囲空
気流を乾式間接接触熱交換部(16)内に流入させる流路を
形成する。熱交換部(16)の空気入口側(18)の上流、第２
の間接接触熱交換部(28)の空気出口側(32)及び直接接触
熱交換部(50)の下流かつ補助開口部(70)の下流に高圧室
(58)を形成し、高圧室(58)は乾式間接接触熱交換部(16)
の空気入口側(18)へ開放され、第２の間接接触熱交換部
(28)、直接接触熱交換部(50)及び補助開口部(70)からの
空気流は高圧室(58)を通過した後、乾式間接接触熱交換
部(16)に入る。第１の動作モードでは、ダンパ(74)は完
全に開放し、補助空気流(72)は高圧室(58)に流入する
が、第２の動作モードでは、ダンパ(74)は閉鎖され、補
助空気流は形成されない。
【００１７】第１及び第２のポンプ(112, 116)の動作を
制御する熱交換制御装置(78)と、熱交換制御装置(78)に
入力信号を送出する入力装置(138)とが設けられ、熱交
換制御装置(78)は、第１及び第２のポンプ(112, 116)を
独立に作動させることができる。第１及び第２のポンプ
(112, 116)は、定速ポンプ又は可変速ポンプである。
【００１８】操作用流体から熱を抽出する本発明による
熱抽出法は、第２の間接接触熱交換部(28)に第２の空気
流(61)を通しながら第２の間接接触熱交換部(28)に操作
用流体を通す過程と、第３の空気流(68)を直接接触熱交
換部(50)に通し、第２の空気流(61)及び第３の空気流(6
8)を混合して乾式間接接触熱交換部(16)の上流に主空気
流(132)を形成する過程と、第２の間接接触熱交換部(2
8)に操作用流体を通しながら第２の間接接触熱交換部(2
8)上に蒸発性液体を選択的に散布する過程と、第２の間
接接触熱交換部(28)から蒸発性液体を捕集する過程と、
乾式間接接触熱交換部(16)に主空気流(132)を通しなが
ら操作用流体を乾式間接接触熱交換部(16)に通す過程
と、第２の間接接触熱交換部(28)上に蒸発性液体を選択
的に散布する過程に依存せずに、直接接触熱交換部(50)
上に集めた蒸発性液体を選択的に散布する過程とを含
む。
【００１９】本発明の実施の形態では、乾式間接接触熱
交換部(16)の上流にある第２の空気流(61)及び第３の空
気流(68)と、周囲空気を含む第４の空気流(72)とを選択
的に混合する過程、周囲空気温度を検出して、検出した
周囲温度に基づいて第２の間接接触熱交換部(28)上に蒸
発性液体を選択的に散布すると共に、直接接触熱交換部
(50)上に集めた蒸発性液体を選択的に散布する過程又は
乾式間接接触熱交換部(16)の下流にある操作用流体の物
理的特性を検出して、検出した操作用流体の物理的特性
に基づいて第２の間接接触熱交換部(28)上に蒸発性液体
を選択的に散布すると共に、直接接触熱交換部(50)上に
集めた蒸発性液体を選択的に散布する過程を含んでもよ
い。
【００２０】
【発明の実施の形態】以下、図１〜図１１について本発
明による熱交換装置及び熱抽出法の実施の形態を説明す
る。図面中、同様の箇所には同様の符号を付す。
【００２１】操作用流体から熱を抽出する熱交換装置
(8)による第１の実施の形態を図１に示す。熱交換装置
(8)は、製造加工装置等の外部装置（図示せず）から操
作用流体を受ける操作用流体入口(12)を有する熱交換器
(10)を備えている。排熱された操作用流体は操作用流体
出口(14)を通って排出される。操作用流体は、実施の形
態の目的に沿って種々の温度に熱交換されるプロセス流
体である。
【００２２】操作用流体は、或る初期温度で操作用流体
入口(12)を通って流入しかつ初期温度より低い処理温度
で操作用流体出口(14)を通り排出される例えば水等の単
一相の液体でもよい。別法として、操作用流体は、初期
温度で操作用流体入口(12)に流入しかつ初期温度より低
い処理温度で操作用流体出口(14)を通り排出される単一
相の気体でもよい。即ち、熱交換装置(8)は流体冷却シ
ステムでもよく、流体冷却システムに適用した熱交換装
置(8)を図１に示す。また、熱交換装置(8)は凝縮システ
ムでもよく、凝縮システムの操作用流体入口(12)では、
操作用流体は２相又は多相の流体であるが、単一相の液
体又は液体と気体との混合物である多相流体として操作
用流体出口(14)から排出される。流体凝縮システムに適
用した熱交換装置(8)を図２に示す。本実施の形態に示
す操作用流体は単なる例示に過ぎず、特許請求の範囲に
明記しない限り、本発明は特別な種類又は特別な相の操
作用流体に限定されない。
【００２３】この実施の形態の熱交換器(10)は閉回路熱
交換器である。操作用流体は操作用流体入口(12)と操作
用流体出口(14)との間で密閉され大気に曝露されないた
め、熱交換器(10)内の空気流又は蒸発性液体流のいずれ
とも直接接触しない。
【００２４】図１及び図２は、熱交換装置(8)の外形及
び熱交換器(10)の境界内に設けられた種々の要素を示
す。熱交換装置(8)の下記に説明する種々の要素は、特
に説明しない限り、熱交換装置(8)の内部又は外側に配
置できる。本明細書で使用する用語「熱交換装置」は、
装置の境界内で機能要素を包囲する熱交換装置、熱交換
装置の内外に設けられた数個の要素を含む熱交換装置、
１又は２以上の熱交換器を使用する熱交換装置、熱交換
システム等を包含する広い概念である。
【００２５】図１及び図２に示す実施の形態の熱交換装
置(8)は、いずれも乾式間接接触熱交換部(16)を含む。
乾式間接接触熱交換部(16)は、空気入口側(18)、空気出
口側(20)及び操作用流体回路(22)（図６）を有する。図
１及び図２に示すように、乾式間接接触熱交換部(16)は
２つの完全に同一な構造の熱交換器(16a, 16b)から成
り、操作用流体入口(12)から操作用流体を受ける入口導
管(92)に対し熱交換器(16a, 16b)は互いに並列に接続さ
れる。完全に同一の構造を有する熱交換器(16a,16b)の
うち熱交換器(16a)のみを図６に示す。図示の実施の形
態では、乾式間接接触熱交換部(16)は熱交換器(10)内に
配置される。
【００２６】図６に示すように、乾式間接接触熱交換部
(16)に設けられる図示の各操作用流体回路(22)は入口ヘ
ッダ(24)、出口ヘッダ(25)及び複数の管(26)を備え、各
管(26)の外側には複数のフィン(27)が接続される。外径
１６mm（５／８インチ）、壁厚０.５１mm（０.０２０イ
ンチ）の銅管及び０.２０mm（０.００８インチ）のアル
ミニウムフィン（平坦）を有する部品番号４８×６９-
６R-５CW-L-Rとしてアメリカ合衆国バージニア州リッチ
モンド所在のスーパーラジエータコイル（Super Radiat
or Coils）社から入手可能な外部フィンを有する市販の
伝熱コイルにより図６に示す操作用流体回路(22)を構成
してもよい。熱伝導コイルは単なる例示に過ぎず、本発
明は前記特別の熱伝導コイルに限定されない。２又は３
以上の前記市販のコイルを直列又は並列に接続して乾式
間接接触熱交換部(16)を構成してもよい。図１は、並列
配置されかつ熱交換器(10)の中央にＶ字形状で中央配置
された２つのコイルを示す。熱交換装置(8)のサイズに
応じてコイルの組合わせを変更してもよい。
【００２７】例えば複数の外部螺旋状被覆フィンを有す
る管、その他「コンパクト熱交換器」に分類されるいず
れの組合わせも外部フィン構造として使用できる。即
ち、乾式間接接触熱交換部(16)を示す構造は単なる例示
に過ぎない。例えば、図１に示す熱交換装置(8)では、
乾式熱交換コイルを構成してコイルに沿う圧力降下を最
適化することが望ましい。例えば、乾式間接接触熱交換
部(16)の正面面積を気流に対し最適化して経済的かつ効
率的に動作させてもよい。乾式動作モードで動作する他
の型式の熱交換器と同様に、例えば円形状又は波形状フ
ィンを有するコイル等、外部フィン若しくは内部フィン
又はこれらの両方を有する適当な市販の型式のコイル装
置を使用できるが、過剰な圧力降下が発生しないように
熱交換器を構成する必要がある。外部フィンにより、空
気側の圧力降下を最低限必要なレベルに保持しつつ乾式
間接接触熱交換部(16)の動作効率を増大することが期待
される。
【００２８】図１及び図２の各実施の形態では、乾式間
接接触熱交換部(16)の熱交換作用を補強するため、乾式
熱交換又は蒸発熱交換のいずれかに選択的に使用できる
第２の間接接触熱交換部(28)が設けられる。一方の第２
の間接接触熱交換部(28)を後述するが、以下の説明は図
１及び図２の両実施の形態に適用できる。図示の実施の
形態では、第２の間接接触熱交換部(28)は熱交換器(10)
内に収容される。第２の間接接触熱交換部(28)は、空気
入口側(30)、空気出口側(32)及び操作用流体回路(34)を
含む。図示する第２の間接接触熱交換部(28)の操作用流
体回路(34)は、米国特許第５４３５３８２号及び米国特
許第５８１６３１８号に開示された本願の図３〜図５に
示す型式の単一コイル組立体(36)を備えている。コイル
組立体(36)は、水平方向に近接して離間しかつ並行に配
置された一連の蛇管回路(38)を有し全体として矩形形状
である。全蛇管回路(38)は、頂部流体ヘッダ(40)に接続
された頂端と、底部流体ヘッダ(42)に接続された底端と
を有する。図示する第１の実施の形態では、熱交換装置
(8)を流体冷却器として用いる場合、底部流体ヘッダ(4
2)は入口ヘッダであり、頂部流体ヘッダ(40)は出口ヘッ
ダである。図２に示す凝縮器の場合には入口ヘッダと出
口ヘッダとの関係が逆転し、頂部流体ヘッダ(40)が入口
ヘッダとなり、底部流体ヘッダ(42)が出口ヘッダとな
る。いずれの場合も、頂部流体ヘッダ(40)、底部流体ヘ
ッダ(42)及び蛇管回路(38)は第２の間接接触熱交換部(2
8)の操作用流体回路(34)を備える。
【００２９】米国特許第５４３５３８２号及び米国特許
第５８１６３１８号及び本願の図３〜図５に示すよう
に、コイル組立体(36)内に設けられる個別の蛇管回路(3
8)は、曲げ加工により数個のＵ字形状の列Ａ〜Ｅに形成
された単一かつ連続的長さのコイル管材料から成り、Ｕ
字形状の列Ａ〜Ｅは垂直方向にかつ相互に等間隔で離間
し、これにより各回路(38)が蛇管形状に形成される。
【００３０】第２の間接接触熱交換部(28)は、アメリカ
合衆国メリーランド州バルチモア所在のバルチモア・エ
アコイル・カンパニー社から市販の「閉回路冷却塔シリ
ーズ１５００」及び「蒸気性凝縮器シリーズ１５００」
に使用されるものでよい。他の構造を有する第２の間接
接触熱交換部(28)も使用できる。例えば、乾式動作モー
ドで動作する場合、コイル管の外部にフィンを設けて熱
伝導効率を向上させてもよく、内部に微小フィンが形成
され又は公知の他の類似装置を有する管を使用してもよ
い。
【００３１】また、図１及び図２に示すように、各熱交
換装置(8)は、空気入口側(52)、空気出口側(54)及び充
填媒体(56)を有する直接接触熱交換部(50)を備えてい
る。図示の実施の形態では、直接接触熱交換部(50)は熱
交換器(10)内に配置される。空気入口側(52)から周囲空
気を熱交換器(10)内に吸引し、空気出口側(54)は高圧室
(58)内に開放される。また、高圧室(58)は第２の間接接
触熱交換部(28)の空気出口側(32)から空気を受ける。直
接接触熱交換部(50)の充填媒体(56)は、例えば、樹脂製
充填材の他、木製又はセラミック製の充填シートその他
当業者に公知のいずれかのフィラーを含む熱質量移動媒
体となるフィルム状、シート状又はハニカム状の標準的
な充填材である。例えば米国特許第４３６１４２６号
（１９８２年）に記載の充填媒体を使用できる。また、
例えばアメリカ合衆国ペンシルベニア州リーディング所
在のブレントウッド・インダストリーズ（Brentwood In
dustries）社から入手可能な「アキュパック（Accu-PA
C） CF １９００冷却塔フィルム」を市販の交差流PVC
（ポリ塩化ビニル）充填材として使用できる。
【００３２】図示の実施の形態では、熱交換器(10)は、
乾式間接接触熱交換部(16)、第２の間接接触熱交換部(2
8)及び直接接触熱交換部(50)を包囲するハウジング(60)
を備えている。例えば鋼板又は繊維強化樹脂材料等のい
ずれかの適当な材料によりハウジング(60)を形成しても
よく、また、ハウジング(60)の部材を異なる各材料によ
り形成してもよい。図７及び図８に示すように、ハウジ
ング(60)は、周囲空気を第２の間接接触熱交換部(28)に
導入する１又は２以上の頂部開口部(59)を有する。頂部
開口部(59)を保護スクリーン又は保護格子により被覆し
てもよい。上方の周囲空気流(61)は頂部開口部(59)を通
って熱交換器(10)に入り、その後、第２の間接接触熱交
換部(28)内を流動する。図１、図２及び図７に示すよう
に、一の側壁(62)はルーバ(66)又は保護格子を有する開
口部(64)を備えている。このため、側部の周囲空気流(6
8)は開口部(64)を通って熱交換器(10)に入り、その後、
直接接触熱交換部(50)内を流動する。また、図１、図
２、図８及び図９〜図１１に示すように、図示の各ハウ
ジング(60)は、最初に第２の間接接触熱交換部(28)も直
接接触熱交換部(50)も通過せずに高圧室(58)に流入する
他の側部を通る周囲空気流（補助空気流）(72)の入口と
なり、ハウジング(60)の低部に設けられた補助開口部(7
0)を備えている。更に、補助開口部(70)を選択的に閉鎖
するダンパ(74)が設けられる。図１及び図２に示す標準
的な型式の１又は２以上のサーボモータ(76)にダンパ(7
4)を接続し、熱交換制御装置（ＣＰＵ、中央論理素子）
(78)その他の制御装置等の制御機構にモータ(76)を接続
してもよく、これにより、例えば乾式間接接触熱交換部
(16)の下流を流れる操作用流体の温度その他の要因（フ
ァクタ）に対応してダンパ(74)を自動的に開放又は閉鎖
できる。ダンパ(74)は必ずしもモータ等の動力源を必要
とせず、手動で操作してもよい。
【００３３】また、図示の各熱交換器(10)はハウジング
(60)の底部に設けられた直接部液溜め(80)及び間接部液
溜め(82)を備える。直接部液溜め(80)は充填媒体(56)の
下に配置され、間接部液溜め(82)は第２の間接接触熱交
換部(28)の下に配置される。直接部液溜め(80)及び間接
部液溜め(82)はハウジング(60)により包囲されると共
に、ハウジング(60)の底部のほぼ中央部に取り付けられ
た低い隔壁(84)で仕切られ、直接部液溜め(80)及び間接
部液溜め(82)は相互に分離される。隔壁(84)は直接部液
溜め(80)及び間接部液溜め(82)を構成する他の部分の壁
よりも低く、第１及び第２のポンプ(112, 116)の各ポン
プ流が等しくない場合に蒸発性液体を一方の液溜め(80,
82)から他方の液溜め(82, 80)へ流動させることができ
る。直接接触熱交換部(50)への流れが変化し又は停止し
た場合、直接部液溜め(80)及び間接部液溜め(82)への流
量は設計上等しくない。
【００３４】図示の実施の形態では、直接接触熱交換部
(50)及び直接部液溜め(80)は熱交換器(10)の一方の側部
(86)に配置され、第２の間接接触熱交換部(28)及び間接
部液溜め(82)は熱交換器(10)の他方の側部(88)に配置さ
れる。高圧室(58)及び乾式間接接触熱交換部(16)は、直
接接触熱交換部(50)と第２の間接接触熱交換部(28)との
間に配置される。乾式間接接触熱交換部(16)の空気入口
側(18)は高圧室(58)内に配置され、２つの乾式間接接触
熱交換部(16a, 16b)は液溜め(80, 82)上に離間して支持
される。
【００３５】また、図示の各実施の形態では、熱交換装
置(8)は、操作用流体入口(12)、乾式間接接触熱交換部
(16)の操作用流体回路(22)、第２の間接接触熱交換部(2
8)の操作用流体回路(34)及び操作用流体出口(14)を接続
する操作用流体流路(90)を備えている。図示の実施の形
態では、いずれも操作用流体流路(90)は熱交換器(10)内
にある。
【００３６】図１に示す流体冷却器の実施の形態では、
操作用流体流路(90)は、操作用流体入口(12)に接続され
る入口導管(92)と、各乾式間接部熱交換器(16a, 16b)の
入口ヘッダ(24a, 24b)を接続する分岐部とを備えてい
る。操作用流体は２つの乾式間接部熱交換器(16a, 16b)
を通って並列に流れ、その後、出口導管(96a, 96b)を通
って中間導管(98)に流入する。第２の間接接触熱交換部
(28)の底部流体ヘッダ(42)に接続される中間導管(98)内
を流れる操作用流体は、底部流体ヘッダ(42)内に流入し
た後、頂部流体ヘッダ(40)に向かって上方へ流動し、操
作用流体出口(14)に接続された排出導管(100)に送られ
る。
【００３７】図２に示す流体凝縮器の実施の形態では、
操作用流体は入口導管(92)に入り、更に入口導管(92)は
２つの分岐管(92a, 92b)に分岐する。一方の分岐管(92
a)は更に分岐して各乾式間接部熱交換器(16a, 16b)の入
口ヘッダ(24a, 24b)に接続される。操作用流体は２つの
乾式間接部熱交換器(16a, 16b)を通って並列に流れ、そ
の後、出口導管(96a, 96b)を通って中間導管(98)に流入
する。入口導管(92)の他方の分岐部(92b)は、第２の間
接接触熱交換部(28)の操作用流体回路(34)に設けられた
頂部流体ヘッダ(40)に接続される。操作用流体は頂部流
体ヘッダ(40)に入り、底部流体ヘッダ(42)に向かって下
方へ流動し、排出導管(100)に流入する。操作用流体出
口(14)の上流の接続部(102)で排出導管(100)は中間導管
(98)と接続され、操作用流体の２つの並列流は操作用流
体出口(14)の上流で合流する。
【００３８】図１及び図２に示すいずれの実施の形態で
も、乾式間接接触熱交換部(16)及び第２の間接接触熱交
換部(28)の両方を通る操作用流体のほぼ連続的な流路を
形成する操作用流体流路(90)が設けられる。換言すれ
ば、熱交換装置(8)に入る全ての操作用流体は、操作用
流体出口(14)を通って熱交換装置(8)を出る前に、乾式
間接接触熱交換部(16)及び第２の間接接触熱交換部(28)
内を流動する。乾式間接接触熱交換部(16)及び第２の間
接接触熱交換部(28)からの操作用流体流を制限又は阻止
する弁は設けられない。熱交換装置(8)を凝縮器として
使用する場合、各部への操作用流体の質量流量は一定で
なく、自己調整の要領で熱交換部の排熱容量と共に変動
する。
【００３９】また、図１及び図２に示すように、第２の
間接接触熱交換部(28)内で乾式熱交換及び蒸発熱交換を
選択的に行うため、各熱交換装置(8)は第２の間接接触
熱交換部(28)に蒸発性液体を選択的に散布する間接部分
配システム(104)を備えている。いずれの実施の形態で
も、間接部分配システム(104)は熱交換器(10)内にあ
る。また、各熱交換装置(8)は、直接接触熱交換部(50)
に蒸発性液体を選択的に散布する別個かつ独立の直接部
分配システム(106)を備えている。いずれの実施の形態
でも、直接部分配システム(106)は熱交換器(10)内にあ
る。
【００４０】図１及び図２の実施の形態では、間接部分
配システム(104)は、第２の間接接触熱交換部(28)の上
方に配置された複数の間接部蒸発性液体出口(108)を備
え、直接部分配システム(106)は、直接接触熱交換部(5
0)上に蒸発性液体を散布する複数の直接部蒸発性液体出
口(110)を備える。図示の実施の形態では、直接部蒸発
性液体出口(110)及び間接部蒸発性液体出口(108)はスプ
レーノズルである。蒸発性液体は一般に水である。
【００４１】図示の各実施の形態では、蒸発性液体の直
接部分配システム(106)は、第１のポンプ(112)と、間接
部液溜め(82)及び直接部蒸発性液体出口(110)間に接続
された第１の蒸発性液体流路(114)とを備えている。第
１のポンプ(112)は、間接部液溜め(82)から第１の蒸発
性液体流路(114)を通り直接部蒸発性液体出口（スプレ
ー出口）(110)へ蒸発性液体を搬送する。従って、第２
の間接接触熱交換部(28)から捕集した蒸発性液体は充填
媒体(56)上へ選択的に散布され、直接接触熱交換部(50)
を通る周囲空気流(68)と蒸発熱交換を行う。即ち、充填
媒体(56)上に散布される蒸発性液体は周囲空気流(68)に
よって冷却され、周囲空気流(68)内に蒸発するとき周辺
の蒸発性液体又は充填媒体(56)から気化熱を吸収するた
め、蒸発性液体が冷却される。第１の蒸発性液体流路(1
14)は、第１のポンプ(112)及び直接部蒸発性液体出口(1
10)間に接続された導管(115)と、間接部液溜め(82)のド
レインから第１のポンプ(112)へ通じるドレイン導管(12
0)とを備えている。
【００４２】図示の各実施の形態では、蒸発性液体の間
接部分配システム(104)は、第２のポンプ(116)と、直接
部液溜め(80)及び間接部蒸発性液体出口(108)間に接続
された第２の蒸発性液体流路(118)とを備えている。第
２のポンプ(116)は、直接部液溜め(80)、ドレイン導管
(122)及び第２の蒸発性液体流路(118)を通して間接部蒸
発性液体出口(108)へ蒸発性液体を搬送し、蒸発性液体
は第２の間接接触熱交換部(28)上へ選択的に散布され
る。第２の蒸発性液体流路(118)は、第２のポンプ(116)
及び出口(108)間に接続された導管(119)と、直接部液溜
め(80)の底部から第２のポンプ(116)へ通じるドレイン
導管(122)とを備えている。図示の実施の形態では、第
１及び第２のポンプ(112, 116)並びに第１及び第２の蒸
発性液体流路(114, 118)はいずれも熱交換器(10)内にあ
る。
【００４３】第２のポンプ(116)は、乾式熱交換器又は
蒸発熱交換器としての第２の間接接触熱交換部(28)を選
択的に作動させるために、選択された時間で付勢又は消
勢される定速ポンプが好ましい。第１のポンプ(112)は
変速ポンプでもよく、直接接触熱交換部(50)の充填媒体
(56)上に散布される蒸発性液体の量を状況に応じて変更
してもよい。また、蒸発性液体を直接接触熱交換部(50)
上へ散布しないように、第１のポンプ(112)をオフでき
る。別法として、第１のポンプ(112)を定速ポンプとし
てもよく、第１の蒸発性液体流路(114)に弁(124)を設け
て直接部蒸発性液体出口(110)への蒸発性液体流を制御
してもよい。
【００４４】第２の間接接触熱交換部(28)及び直接接触
熱交換部(50)から蒸発性液体の液滴が発生して高圧室(5
8)内に飛散するのを防止するため、第２の間接接触熱交
換部(28)の空気出口側(32)及び直接接触熱交換部(50)の
空気出口側(54)と高圧室(58)との間に例えば液滴除去具
(126, 128)等の標準的なドリフトエリミネータが配置さ
れる。液滴除去具(126, 128)は、微小間隔で離間した金
属製、樹脂製又は木製の複数の羽根板又はルーバを備
え、複数の隙間翼又はルーバは空気流を通過させるが、
空気中の微小な水滴を捕集する。また、他の標準的な液
滴除去装置を用いてもよい。
【００４５】図示の２つの各熱交換装置(8)は、第２の
間接接触熱交換部(28)及び直接接触熱交換部(50)を通し
て、更に乾式間接接触熱交換部(16)を通して周囲空気流
(61)及び(68)を移動させる空気移動装置(130)を備えて
いる。図示の実施の形態では、例えばモータ駆動ファン
である空気移動装置(130)は熱交換器(10)内に配置され
る。また、各実施の形態では、空気移動装置(130)は補
助空気流(72)を高圧室(58)内に供給する。高圧室(58)で
は、乾式間接接触熱交換部(16)を通して複数の周囲空気
流(61, 68, 72)は全て集合空気流(132)に合流して移動
される。図示の実施の形態では、空気移動装置(130)
は、乾式間接接触熱交換部(16)、第２の間接接触熱交換
部(28)、直接接触熱交換部(50)並びに補助開口部(70)及
びダンパ(74)の上流で、ハウジング(60)内に配置され
る。従って、空気移動装置(130)は、周囲空気流(61, 6
8, 72)を高圧室(58)内へ引き込む吸引力を発生し、更に
乾式間接接触熱交換部(16)を通して集合空気流(132)を
引き込み、その後集合空気流(132)は熱交換器(10)の頂
部に設けられた開口部(133)から外部に排出される。ダ
ンパ(74)を閉鎖すると、第２の間接接触熱交換部(28)及
び直接接触熱交換部(50)から高圧室(58)に取り入れた周
囲空気流(61)及び(68)により集合空気流(132)が形成さ
れる。空気移動装置(130)を２速ファン又は変速ファン
により構成しエネルギの効率化を図るとよい。
【００４６】この実施の形態では、熱交換装置(8)に設
けられた図１及び図２に示す熱交換制御装置(78)の作動
により蒸発性液体を最大限に効率良く使用しかつ保存す
ることができる。熱交換制御装置(78)は演算可能又はプ
ログラム制御可能な論理素子を含み、熱交換器(10)の一
部でも、独立した形態で熱交換器(10)に接続された電子
計算機でも、熱交換器(10)に接続されたコンピュータ制
御のプラント制御システム全体の一部でもよい。図１及
び図２に略示するように、熱交換制御装置(78)は少なく
とも１つの入力装置(138)から入力を受ける。入力装置
(138)は、データのマニュアル入力又は操作者によるシ
ステム制御が可能であり、温度センサ又は圧力センサ等
のセンサでもよい。入力装置(138)が温度センサにより
構成されるとき、温度センサは例えば周囲空気温度又は
操作用流体の温度を検出する。図１では、入力装置(13
8)は排出導管(100)に接続される。図２の実施の形態で
は、温度センサにより構成される入力装置(138)は排出
導管(100)と中間導管(98)との接続部(102)の下流に設け
られる。従って、図示の温度センサを構成する入力装置
(138)は、冷却後又は凝縮後にシステムから送出される
操作用流体の温度を検出し、後述のように検出した温度
データを熱交換制御装置(78)に送出して熱交換装置(8)
のシステムを調整してもよい。入力装置(138)を構成す
る温度センサは、管装着に必要なハードウェアを備える
「SET１８９Aシリーズ温度センサ」でもよく、これは例
えばアメリカ合衆国ウィスコンシン州ミルウォーキー所
在のジョンソン・コントロールズ・インコーポレイテッ
ド（Johnson Controls, Inc.）社から入手できる。温度
センサの具体例は単なる例示に過ぎず、特許請求の範囲
に明示的な記載のない限り、本発明はこの装置に限定さ
れない。他の主要な制御装置製造業者が販売する同様の
温度センサを使用してもよい。
【００４７】例えば操作用流体圧力等、操作用流体の他
の物理的特性又は性質を検出してもよい。即ち、入力装
置(138)は圧力センサでもよい。また、複数の入力装置
を一緒に使用してもよい。例えば、操作用流体の温度及
び周辺空気又は装置の両温度を入力することが望まし
く、入力装置(138)がシステムの自動制御操作に対する
操作者の補助手動装置となることが望ましい。
【００４８】熱交換制御装置(78)からの種々の制御出力
を発生して、蒸発性液体を最大限に効率良く使用しかつ
保存することができる。図１及び図２に示すように、熱
交換制御装置(78)の出力により導線(139)を介して空気
移動装置(130)の動作を制御して、例えば周辺空気若し
くは装置の温度又は操作用流体温度のレベルに基づいて
ファン(130)の回転速度を変化させてもよい。また、熱
交換制御装置(78)の出力により導線(140)を介してモー
タ(76)を制御し、ハウジング(60)の補助開口部(70)のダ
ンパ(74)を開放又は閉鎖したり、ダンパ(74)を開放位置
と閉鎖位置との中間位置へ移動させてもよい。更に、導
線(144, 146)を介して熱交換制御装置(78)から第１及び
第２のポンプ(112, 116)に制御出力を送出して、周囲又
は操作用流体の状態に基づいて第１及び第２のポンプ(1
12, 116)の動作を制御することができる。導線(148)を
通じて熱交換制御装置(78)から制御弁(124)のサーボ機
構に制御信号を付与して、直接接触熱交換部(50)に供給
される蒸発性液体の流量を制御弁(124)により調整する
ことができる。また、逆に各被制御要素から熱交換制御
装置(78)に必要な情報をフィードバックして制御を行っ
てもよい。
【００４９】プログラム制御可能な熱交換制御装置(78)
の適当な例として、アメリカ合衆国ウィスコンシン州ミ
ルウォーキー所在のジョンソン・コントロールズ・イン
コーポレイテッド社の「システム３５０ A３５０P比例
積分式電子温度制御装置」がある。別法として、プログ
ラム制御可能な論理素子をプラント制御システム全体に
組み込んでもよい。いずれにせよ、熱交換制御装置の設
計、選択及び導入に際して、適切なプログラム制御可能
な論理素子を最適に選択し又は導入するための当業者に
よる助言が必要となろう。
【００５０】図示の熱交換装置(8)の動作は次の通りで
ある。以下１つの熱交換装置(8)の動作を説明するが、
相違点を明示する場合を除き、以下の説明は他の熱交換
装置にも適用できることを理解されたい。図９に略示す
るように、第１の動作モードでは、周囲の乾球温度に対
し予め定められた範囲の温度、例えば１５℃（５９°
F）又はそれ以下の温度で熱交換装置(8)を乾式動作モー
ドで動作させる。第１及び第２のポンプ(112, 116)はい
ずれも停止し、蒸発性液体は流動しない。第２の間接接
触熱交換部(28)は乾式動作モードで動作し、直接接触熱
交換部(50)は熱負荷を担持しない。ダンパ(74)は完全に
開放し、補助空気流(72)は高圧室(58)に流入する。直接
接触熱交換部(50)及び第２の間接接触熱交換部(28)を通
る空気流は最小となり、乾式間接接触熱交換部(16)を通
る空気流は最大となる。操作用流体は乾式間接接触熱交
換部(16)及び第２の間接接触熱交換部(28)中を流れる。
第１の動作モードでは、乾式間接接触熱交換部(16)が主
要な熱抽出源となる。
【００５１】空気温度が予め設定された切替（カットオ
フ）空気温度の１５℃（５９°F）を超えると、熱交換
装置(8)は操作用流体を所望の出力温度Tfo又は出力圧力
Pfoまで冷却することができない。ここで、熱交換装置
(8)は図１０に略示する第２の動作モードに移行する。
熱交換制御装置(78)は第２のポンプ(116)を付勢し、間
接部分配システム(104)の第２の蒸発性液体流路(118)を
通して蒸発性液体(158)（図１０）を移動させ、間接部
蒸発性液体出口(108)を通して第２の間接接触熱交換部
(28)上に散布する。第２の間接接触熱交換部(28)内を流
下する蒸発性液体(160)（図１０）は間接部液溜め(82)
内に集められ、低い隔壁(84)から溢れ出て、直接部液溜
め(80)に流れ込む。蒸発性液体は、直接部液溜め(80)か
ら第２の間接接触熱交換部(28)上へ再度散布される。操
作用流体は乾式間接接触熱交換部(16)及び第２の間接接
触熱交換部(28)を流れる。ダンパ(74)は閉鎖され、補助
空気流は形成されないが、第２の間接接触熱交換部(28)
及び直接接触熱交換部(50)の各々からの周囲空気流(61)
及び(68)は高圧室(58)で合流し、その後、空気流(132)
として乾式間接接触熱交換部(16)に流入する。第２の間
接接触熱交換部(28)では操作用流体から抽出される熱量
は増大し、排出される操作用流体の温度出口Tf o又は出
口圧力Pfoは予め設定された値に戻る。第２の動作モー
ドでは、直接接触熱交換部(50)は熱負荷を担持しないた
め、第１のポンプ(112)は消勢状態で維持される。
【００５２】外部の周囲空気温度が更に上昇すると、第
１のポンプ（スプレーポンプ）(112)が付勢され、図１
１に略示する第３の動作モードに入る。第１のスプレー
ポンプ(112)は、間接部液溜め(82)から直接部分配シス
テム(106)の第１の蒸発性液体流路(114)を通して蒸発性
液体(162)を移動させ、その後、蒸発性液体(164)を充填
媒体(56)上に散布する。蒸発性液体(164)が充填媒体(5
6)を通って流下するとき、蒸発性液体(164)が周囲空気
流(68)中に蒸発すると共に、蒸発性液体(164)は周囲空
気流(68)により冷却されると共に、周辺の蒸発性液体又
は充填媒体(56)から気化熱を吸収して周囲空気流(68)内
に蒸発する。このため、周囲空気流(68)に対する蒸発性
液体(164)の蒸発による熱移動及び質量移動が行われ、
充填媒体(56)の下方に設けられた直接部液溜め(80)へ落
下する前に蒸発性液体は冷却される。その後、直接部液
溜め(80)で冷却された蒸発性液体は第２のポンプ(116)
によって第２の蒸発性液体流路(118)を通して蒸発性液
体出口(108)へ汲み上げられ、第２の間接接触熱交換部
(28)上へ蒸発性液体(160)として散布される。
【００５３】第３の動作モードでは、直接接触熱交換部
(50)での蒸発性液体の冷却により第２の間接接触熱交換
部(28)で抽出される熱量を調整し、蒸発性液体のある程
度の量は蒸発により消失する。従って、本発明では直接
接触熱交換部(50)への蒸発性液体の流れを調整し、蒸発
性液体及び操作用流体の冷却に有効な最小限度の流量を
維持して蒸発性液体を節約することができる。また、蒸
発による蒸発性液体の不必要な消失を避けるため、過剰
な流速は回避される。一般に、外部空気の湿球温度が高
いほど、直接接触熱交換部(50)上に排出される蒸発性液
体の容積は大きくなる。同様に、排出される操作用流体
の温度又は圧力に依存又は対応させて蒸発性液体の流量
（流速）を設定した場合、測定した出口温度Tfo又は出
口圧力Pfoと予め設定された出口温度Tfo又は出口圧力P
foとの差異が大きいほど、直接接触熱交換部(50)への蒸
発性液体の流量（流速）は大きくなる。即ち、測定した
出口温度Tfo又は出口圧力Pfoが予め設定された出口温度
Tfo又は出口圧力Pfoに接近するほど、蒸発性液体の流量
は減少する。
【００５４】例えば周囲空気の温度又は操作用流体の物
理的特性若しくは性質等の測定された或るパラメータの
関数として直接接触熱交換部(50)への流量が変化するよ
うに、熱交換制御装置(78)により蒸発性液体の流量を制
御するとよい。可変流量ポンプを構成する第１のポンプ
(112)の制御により流量を調整できるが、第１のポンプ
(112)に定流量ポンプを使用するとき、モータ駆動弁(12
4)の制御により流量を調整することができる。操作用流
体出口(14)の入力装置(138)で操作者が読み取った温度
値又は圧力値に基づいて操作者が蒸発性液体の流量を制
御してもよく、周囲温度の読み値に基づいて操作者が制
御してもよい。しかしながら、最適な動作性能に対して
自動制御が好ましい。
【００５５】直接接触熱交換部(50)への蒸発性液体の流
量が第２の間接接触熱交換部(28)への蒸発性液体の流量
より著しく小さい場合、間接部液溜め(82)内に集められ
た蒸発性液体は低い隔壁(84)から溢れ出て直接部液溜め
(80)に流入できる。
【００５６】本発明は、発明者ブラニスラフ・コレニッ
ク（Branislav Korenic）及びトマス・ピー・カーター
（Thomas P. Carter）、譲受人バルチモア・エアコイル
・カンパニー・インコーポレイテッドである本願と同日
付け米国特許出願「水消費量を低減した閉回路熱交換装
置及び熱交換法」に開示された特徴を利用するため、当
該特許出願の開示内容全体をそのまま引用する。しかし
ながら、当該特許出願の図１、図４〜図６、図１１及び
図１２に示す熱交換装置と異なり、本発明の熱交換装置
では空気流の断熱飽和熱交換を発生させず、第２の間接
接触熱交換部及び直接接触熱交換部上の蒸発性液体流を
独立制御して動作する。
【００５７】本発明の熱交換装置(8)は他の特徴を備え
る。例えば、特定の季節（冬期）に凍結を防止するた
め、蒸発性液体を熱交換装置(8)から排出する個別の排
水設備（図示せず）を液溜め(80, 82)に設けてもよい。
例えば温度センサで制御される電磁弁等の制御機構（図
示せず）を排水設備に設けて、周囲温度が凍結温度以下
に低下するときに排水設備を開放して蒸発性液体を排出
してもよい。プログラム制御可能な熱交換制御装置(78)
によって制御される電磁弁を接続してもよく、また、手
動弁又は電磁弁をマニュアル操作し又は弁自体の検出シ
ステム若しくは装置に基づいて制御してもよい。更に、
操作用流体の温度が凝固点付近に低下したとき、乾式間
接接触熱交換部(16)又は第２の間接接触熱交換部(28)の
コイル管内に存在する操作用流体を電磁弁の操作により
自動的に排出してもよい。
【００５８】例えばドイツ、シュトゥットガルト／エヒ
タディンゲン・アーベー（Stuttgart/Echterdingen A
B）等の特定位置での乾球温度及び湿球温度のプロファ
イルを考慮して、本発明の節水の利点を実証できる。
春、秋及び冬を通じて１年の７０.３%の期間中、特定位
置での乾球温度は１５℃（５９°F）以下となろう。１
年の約１７.７%の期間では、乾球温度は１５℃（５９°
F）以上であるが、湿球温度は１５℃（５９°F）以下で
ある。１年のうち約１２%の期間では、乾球温度及び湿
球温度はいずれも１５℃（５９°F）以上である。本発
明の熱交換装置は、前記期間の７０.３%では、乾式装置
として第１の動作モードで動作し、蒸発性液体を使用し
ない。周囲の乾球温度が１５℃（５９°F）以上であり
湿球温度が１５℃（５９°F）以下のとき、熱交換器(1
0)は第２の動作モードで動作し、蒸発性液体の損失量を
最小にする。周囲の湿球温度及び乾球温度がいずれも１
５℃（５９°F）以上のとき、熱交換装置(8)は第３の動
作モードで動作する。種々の動作モードに対する特定の
切替（カットオフ）温度は単なる例示に過ぎない。むし
ろ、種々の動作モードに対する実際の切替（カットオ
フ）レベルは、例えば乾式間接接触熱交換部(16)の下流
に設けられた操作用流体出口(14)等での操作用流体の温
度又は圧力の要求量に直接依存する場合もある。操作用
流体の切替温度及び切替圧力は周囲温度に対応し又はほ
ぼ相互関係で変更しなければならず、各動作モードの使
用期間が前記百分率（パーセンテージ）に従う必要があ
る。各動作モードの稼動時間に対する実際の百分率は、
その場所の特有の年間温度変化及び容量を評価した装置
の設計上の切替（カットオフ）温度（空気乾球温度設計
カットオフ）に依存する。各動作モードの間の変更は、
前記のように自動制御又はマニュアル操作により行われ
る。
【００５９】構成要素を選択する際に、標準的な工学的
設計理論に基づき乾式間接接触熱交換部(16)及び第２の
間接接触熱交換部(28)に使用する複数の固有の装置を選
択する。乾式間接接触熱交換部(16)は、乾式動作モード
（図９に示す第１の動作モード）で熱交換作用を大部分
達成できる性能がある。第１の動作モードでは、性能に
より、第２の間接接触熱交換部(28)はある程度の熱容量
を与えるが、乾式間接接触熱交換部(16)のフィン付きコ
イル管(26)が支配的な熱交換器となる。しかしながら、
湿式動作モード（図１０及び図１１に示す第２及び第３
の動作モード）では、第２の間接接触熱交換部(28)は熱
交換作用の主要部を構成し、フィン付きコイル管(26)が
残余の熱交換作用を担う。各部が担う実際の熱交換作用
百分率は、乾式間接接触熱交換部(16)及び第２の間接接
触熱交換部(28)の相対的な性能（サイズ）に依存する。
年間全体を通じて一定の熱交換作用が必要なとき、大き
い乾式間接接触熱交換部(16)と比較的小さい第２の間接
接触熱交換部(28)とを選択する。冬に熱交換作用を行う
乾式動作モードに比べて夏に熱交換作用を行う湿式動作
モードでの作動時間の方が大きいと予想される場合に
は、更に大きい第２の間接接触熱交換部(28)を選択す
る。
【００６０】また、本発明は、操作用流体から熱を抽出
する方法を提供する。主空気流(132)が乾式間接接触熱
交換部(16)を通過する間に、操作用流体は乾式間接接触
熱交換部(16)を通過する。また、第２の空気流(61)が第
２の間接接触熱交換部(28)を通過する間に、操作用流体
は第２の間接接触熱交換部(28)を通過する。第３の空気
流(68)は直接接触熱交換部(50)を通過する。第２の空気
流(61)及び第３の空気流(68)は合流して乾式間接接触熱
交換部(16)の上流で主空気流(132)を形成する。乾式間
接接触熱交換部(16)の上流で、第２の空気流(61)及び第
３の空気流(68)に例えば周囲空気である第４の空気流(7
2)を選択的に混合してもよい。
【００６１】この熱抽出法では、操作用流体が第２の間
接接触熱交換部(28)を通過する間に、蒸発性液体は第２
の間接接触熱交換部(28)上に選択的に散布される。第２
の間接接触熱交換部(28)からの蒸発性液体は集められて
直接接触熱交換部(50)上に選択的に散布される。直接接
触熱交換部(50)からの蒸発性液体は集められて第２の間
接接触熱交換部(28)上に選択的に散布される。
【００６２】集められた蒸発性液体を直接接触熱交換部
(50)上へ選択的に散布する過程は、蒸発性液体を第２の
間接接触熱交換部(28)上へ選択的に散布する過程から独
立する。蒸発性液体は、第２の間接接触熱交換部(28)上
へ単独で、直接接触熱交換部(50)上へ単独で、更に、等
しい又は異なる流量で第２の間接接触熱交換部(28)及び
直接接触熱交換部(50)上にそれぞれ散布される。動作モ
ードに依存しかつ２つのポンプ(112, 116)の作動を相殺
するように、蒸発性液体は低い隔壁(84)を超えて一方の
液溜めから他方の液溜めへ流れ込む。第２の間接接触熱
交換部(28)への蒸発性液体の流れが直接接触熱交換部(5
0)への蒸発性液体の流れより大きいとき、蒸発性液体は
間接部液溜め(82)から直接部液溜め(80)へ低い隔壁(84)
を越えて流れるが、逆に直接接触熱交換部(50)への蒸発
性液体の流れが第２の間接接触熱交換部(28)への蒸発性
液体の流れより大きいとき、蒸発性液体は直接部液溜め
(80)から間接部液溜め(82)へ低い隔壁(84)を越えて流れ
る。隔壁(84)を図示しかつ隔壁(84)を「低い壁」として
説明したが、液溜め(80)及び(82)間で相互に蒸発性液体
が流動する他の構造も使用できる。例えば、蒸発性液体
が流動する開口部が形成された高い仕切壁を使用しても
よい。
【００６３】熱交換装置(8)の動作中、第２の間接接触
熱交換部(28)及び直接接触熱交換部(50)で蒸発性液体を
散布し又は散布せずに、第２の空気流(61)及び第３の空
気流(68)が連続的に第２の間接接触熱交換部(28)及び直
接接触熱交換部(50)を通過する。また、第２の間接接触
熱交換部(28)及び直接接触熱交換部(50)において蒸発性
液体を散布し又は散布せずに、操作用流体が乾式間接接
触熱交換部(16)及び第２の間接接触熱交換部(28)を通っ
て流れてもよい。
【００６４】この熱抽出法は、周囲空気の温度を検出す
る過程を含んでもよい。温度の検出は温度センサにより
又は操作者が温度計を観察して行う。検出した周囲温度
に基づいて、第２の間接接触熱交換部(28)の上に蒸発性
液体を選択的に散布しかつ直接接触熱交換部(50)の上に
蒸発性液体を選択的に散布してもよい。
【００６５】この熱抽出法は、乾式間接接触熱交換部(1
6)の下流、例えば操作用流体出口(14)の直前等での操作
用流体の物理的特性又は性質、例えば温度又は圧力を検
出してもよい。検出した温度又は圧力に基づいて、第２
の間接接触熱交換部(28)上に蒸発性液体を選択的に散布
しかつ直接接触熱交換部(50)上に蒸発性液体を選択的に
散布してもよい。
【００６６】本発明による熱交換装置及び熱抽出法の実
施の形態では下記の作用効果が得られる。 [１] 外気温度の変化に対応して、少なくとも乾式動作
モード、乾湿式動作モード及び湿式動作モードの３つの
動作モードで熱交換装置(8)を作動させることができる
ので、直接接触熱交換部(50)への蒸発性液体の流れを調
整し、蒸発性液体及び操作用流体の冷却に有効な最小限
度の流量を維持して蒸発性液体を節約することができ
る。 [２] また、蒸発による蒸発性液体の不必要な消失を避
けるため、過剰な流速を回避できる。 [３] 蒸発性液体の使用を最高効率に制限するので、蒸
発性液体を節約しながら蒸発熱交換器の利点を得ること
ができる。 [４] 直接接触熱交換部(50)の上方に第２の間接接触熱
交換部(28)を配置しないため、装置全体の高さが増加せ
ずに直接接触熱交換部(50)のサイズ及び高さを最適化で
き、より大きい直接接触熱交換部(50)を使用できる。 [５] 乾式間接接触熱交換部(16)、第２の間接接触熱交
換部(28)及び直接接触熱交換部(50)の３つの熱交換部を
横に並置するので、装置全体の高さを最小にでき、蒸発
性液体を汲み上げる揚程を減少できる。 [６] これにより予備のポンプのコストを低減できる。 [７] 直接接触熱交換部(50)及び第２の間接接触熱交換
部(28)に蒸発性液体を搬送する個別の配管構造により、
各熱交換部の熱容量を最適化できる。 [８] 直接接触熱交換部(50)上に噴霧される蒸発性液体
を独立して調整する場合、第２の間接接触熱交換部(28)
上に噴霧される蒸発性液体を充分な量で維持し、水垢が
形成される可能性を最小化できる。 [９] 蒸発性液体を通過した後にかつ熱交換装置(8)を
出る前に空気流が乾式間接接触熱交換部(16)を通過する
ことにより熱交換装置(8)を出る前に空気流は乾式間接
接触熱交換部(16)によって再加熱され、これにより、排
出時の羽毛状煙の発生を制限できる。 [１０] 操作用流体は操作用流体入口(12)と操作用流体
出口(14)との間で密閉され大気に曝露されないため、熱
交換器(10)内の空気流又は蒸発性液体流のいずれとも直
接接触せず、操作用流体の消費量は最小限に抑制され
る。
【００６７】前記の実施の形態では単一の熱交換装置内
に設けた種々の構成要素を示すが、一部の構成要素を別
個の装置に配置してもよい。例えば、直接接触熱交換部
(50)を別個の装置に収容して、乾式間接接触熱交換部(1
6)を収容する熱交換装置(8)内の高圧室(58)と直接接触
熱交換部(50)とを接続するダクトを設けてもよい。更
に、熱交換制御装置(78)は熱交換装置(8)の一部でも、
プラント全体の制御システムの一部でも、コンピュータ
端末等の独立型の制御装置でもよい。
【００６８】本発明のシステムでは追加の要素を使用し
てもよい。例えば、必要に応じて、図１及び図２に示す
ように、空気流の制御及びスプレーノズル（間接部蒸発
性液体出口）(108)からの蒸発性液体を保持する壁(150)
を設けてもよい。
【００６９】以上、本発明による特定の実施の形態のみ
を図示しかつ説明したが、本発明では種々の追加及び修
正が可能であると共に、本発明の種々の要素を置換でき
ることは明らかである。従って、本願の特許請求の範囲
は、本発明の真の範囲内にあるそのような追加、修正及
び置換を全て包含する。
【００７０】
【発明の効果】前記の通り、本発明では、熱交換装置内
の蒸発性液体の流れを調整し、蒸発性液体及び操作用流
体の冷却に有効な最小限度の流量を維持して蒸発性液体
を節約できるので、熱交換装置の効率を維持した状態で
維持費を節減することができる。また、蒸発性液体の過
剰な流速を回避して蒸発による蒸発性液体の不必要な消
失を避けることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 部品を略示しかつハウジングの部品を除去し
た本発明による熱交換装置の内部を示す閉回路熱交換装
置の側面図
【図２】 部品を略示しかつハウジングの部品を除去し
た本発明の第２の実施の形態による閉回路熱交換装置の
内部を示す側面図
【図３】 本発明による熱交換装置の第２の間接接触熱
交換部に使用する単一の蛇管回路の正面図
【図４】 本発明による熱交換装置に使用する第２の間
接接触熱交換部の側面図
【図５】 入口ヘッダと出口ヘッダとの間に接続されか
つ互い違いに隣接して配置された回路を示す第２の間接
接触熱交換部の正面図
【図６】 本発明による閉回路式熱交換装置に使用する
コンパクトな乾式間接接触熱交換部の斜視図
【図７】 図１及び図２に示す熱交換装置の外観斜視図
【図８】 図７の８−８線に沿う熱交換装置の外観斜視
図
【図９】 第１の動作モードを示す図１の熱交換装置の
略示図
【図１０】 第２の動作モードを示す図１の熱交換装置
の略示図
【図１１】 第３の動作モードを示す図１の熱交換装置
の略示図
【符号の説明】
(8)・・熱交換装置、 (12)・・操作用流体入口、 (1
4)・・操作用流体出口、 (16)・・乾式間接接触熱交換
部、 (18)・・空気入口側、 (20)・・空気出口側、
(22)・・操作用流体回路、 (28)・・第２の間接接触熱
交換部、 (30)・・空気入口側、 (32)・・空気出口
側、 (34)・・操作用流体回路、 (50)・・直接接触熱
交換部、 (52)・・空気入口側、 (54)・・空気出口
側、 (56)・・充填媒体、 (58)・・高圧室、 (59, 6
4)・・開口部、 (60)・・ハウジング、 (61)・・第２
の空気流、 (68)・・第３の空気流、 (70)・・補助開
口部、(72)・・第４の空気流、 (74)・・ダンパ、 (7
8)・・制御装置、 (80)・・直接部液溜め、 (82)・・
間接部液溜め、 (90)・・操作用流体流路、 (108)・
・間接部蒸発性液体出口、 (110)・・直接部蒸発性液
体出口、 (112)・・第１のポンプ、 (114)・・第１の
蒸発性液体流路、 (116)・・第２のポンプ、(118)・・
第２の蒸発性液体流路、 (130)・・空気移動装置、
(132)・・主空気流、 (138)・・センサ（入力機構）

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 空気入口側、空気出口側及び操作用流体
    回路を有する乾式間接接触熱交換部と、 空気入口側、空気出口側及び操作用流体回路を有する第
    ２の間接接触熱交換部と、 空気入口側、空気出口側及び充填媒体を有する直接接触
    熱交換部と、 乾式間接接触熱交換部の操作用流体回路及び第２の間接
    接触熱交換部の操作用流体回路を操作用流体入口及び操
    作用流体出口に接続して、操作用流体の連続的流路とな
    る操作用流体流路と、 第２の間接接触熱交換部上に蒸発性液体を散布する複数
    の間接部蒸発性液体出口と、 直接接触熱交換部上に蒸発性液体を散布する複数の直接
    部蒸発性液体出口と、 第２の間接接触熱交換部から蒸発性液体を捕集する間接
    部液溜めと、 直接接触熱交換部から蒸発性液体を捕集する直接部液溜
    めと、 間接部液溜めから直接部蒸発性液体出口へ蒸発性液体を
    移動させて充填媒体上に蒸発性液体を選択的に散布する
    第１のポンプ及び第１の蒸発性液体流路と、 直接部液溜めから間接部蒸発性液体出口へ蒸発性液体を
    移動させて第２の間接接触熱交換部上に蒸発性液体を選
    択的に散布する第２のポンプ及び第２の蒸発性液体流路
    と、 乾式間接接触熱交換部、第２の間接接触熱交換部及び直
    接接触熱交換部を通して空気流を移動させる空気移動装
    置とを備え、操作用流体から熱を抽出することを特徴と
    する熱交換装置。
  2. 【請求項２】 操作用流体流路は、操作用流体入口を乾
    式間接接触熱交換部の操作用流体回路、第２の間接接触
    熱交換部の操作用流体回路及び操作用流体出口に直列に
    接続する請求項１に記載の熱交換装置。
  3. 【請求項３】 操作用流体流路は、操作用流体入口と操
    作用流体出口との間に乾式間接接触熱交換部及び第２の
    間接接触熱交換部を並列に接続する請求項１に記載の熱
    交換装置。
  4. 【請求項４】 乾式間接接触熱交換部、第２の間接接触
    熱交換部及び直接接触熱交換部を包囲しかつ２つの側部
    を有するハウジングを備え、 直接接触熱交換部は一方の側部に設けられると共に、第
    ２の間接接触熱交換部は他方の側部に設けられ、 乾式間接接触熱交換部は直接接触熱交換部と第２の間接
    接触熱交換部との間に配置され、 ハウジングは側部にそれぞれ開口部を有し、一方の開口
    部及び第２の間接接触熱交換部の空気入口側を通る周囲
    空気は第２の間接接触熱交換部内に移動し、他方の開口
    部及び直接接触熱交換部の空気入口側を通る周囲空気は
    直接接触熱交換部内に移動し、乾式間接接触熱交換部の
    空気入口側は第２の間接接触熱交換部の空気出口側及び
    直接接触熱交換部の空気出口側の下流に配置されて、第
    ２の間接接触熱交換部及び直接接触熱交換部からの空気
    流は乾式間接接触熱交換部内を通過し、 更にハウジングは周囲空気が流入する補助開口部及び選
    択的に補助開口部を閉鎖するダンパを備え、補助開口部
    は第２の間接接触熱交換部及び乾式間接接触熱交換部か
    ら離間し、補助開口部は周囲空気流を乾式間接接触熱交
    換部内に流入させる流路を形成し、 更にハウジングは、乾式間接接触熱交換部の空気入口側
    の上流、第２の間接接触熱交換部の空気出口側及び直接
    接触熱交換部の下流かつ補助開口部の下流に高圧室を形
    成し、高圧室は乾式間接接触熱交換部の空気入口側へ開
    放され、第２の間接接触熱交換部、直接接触熱交換部及
    び補助開口部からの空気流は高圧室を通過した後、乾式
    間接接触熱交換部に入る請求項１に記載の熱交換装置。
  5. 【請求項５】 第１及び第２のポンプの動作を制御する
    熱交換制御装置と、熱交換制御装置に入力信号を送出す
    る入力装置とを備え、熱交換制御装置は、第１及び第２
    のポンプを独立に作動させることができる請求項１に記
    載の熱交換装置。
  6. 【請求項６】 第１及び第２のポンプは、定速ポンプ又
    は可変速ポンプである請求項５に記載の熱交換装置。
  7. 【請求項７】 第２の間接接触熱交換部に第２の空気流
    を通しながら第２の間接接触熱交換部に操作用流体を通
    す過程と、 第３の空気流を直接接触熱交換部に通し、第２の空気流
    及び第３の空気流を混合して乾式間接接触熱交換部の上
    流に主空気流を形成する過程と、 第２の間接接触熱交換部に操作用流体を通しながら第２
    の間接接触熱交換部上に蒸発性液体を選択的に散布する
    過程と、 第２の間接接触熱交換部から蒸発性液体を捕集する過程
    と、 乾式間接接触熱交換部に主空気流を通しながら操作用流
    体を乾式間接接触熱交換部に通す過程と、 第２の間接接触熱交換部上に蒸発性液体を選択的に散布
    する過程に依存せずに、直接接触熱交換部上に集めた蒸
    発性液体を選択的に散布する過程とを含み、操作用流体
    から熱を抽出することを特徴とする熱抽出法。
  8. 【請求項８】 乾式間接接触熱交換部の上流にある第２
    の空気流及び第３の空気流と、周囲空気を含む第４の空
    気流とを選択的に混合する過程を含む請求項７に記載の
    熱抽出法。
  9. 【請求項９】 周囲空気温度を検出して、検出した周囲
    温度に基づいて第２の間接接触熱交換部上に蒸発性液体
    を選択的に散布すると共に、直接接触熱交換部上に集め
    た蒸発性液体を選択的に散布する過程を含む請求項７に
    記載の熱抽出法。
  10. 【請求項１０】 乾式間接接触熱交換部の下流にある操
    作用流体の物理的特性を検出して、検出した操作用流体
    の物理的特性に基づいて第２の間接接触熱交換部上に蒸
    発性液体を選択的に散布すると共に、直接接触熱交換部
    上に集めた蒸発性液体を選択的に散布する過程を含む請
    求項７に記載の熱抽出法。
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