JP2000274993A - 熱交換装置及び熱抽出法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 蒸発性液体を節約すると共に、高い蒸発熱交
換率で熱交換させる。 【解決手段】 操作用流体が供給される操作用流体回路
22、空気入口側及び空気出側を有する乾式間接接触熱交
換部16と、第２の間接接触熱交換部28と、両熱交換部の
操作用流体回路を接続する操作用流体接続流路60と、操
作流体出口流路14と、両熱交換部から操作用流体流を選
択的に操作用流体出口に切替える操作用流体流制御装置
72と第２の間接接触熱交換部上に蒸発性液体を選択的に
散布する分配装置とを備え、操作用流体から熱を抽出
（放熱）することを特徴とする熱交換装置。

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。
蒸発凝縮器は、熱交換効率を増大しかつエネルギ必要量
を低減できる同様の可能性がある。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】そこで、本発明は、蒸発性液体を節約する
と共に、高い蒸発熱交換効率で熱抽出を行う熱交換装置
及び熱抽出法を提供することを目的とする。

【０００９】

【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は、操作用流体入口(12)か
ら操作用流体が供給される操作用流体回路(22)、空気入
口側(18)及び空気出口側(20)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(32)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、乾式間接接触熱交換部(16)の操作用流体回路(22)と
第２の間接接触熱交換部(28)の操作用流体回路(34)との
間で操作用流体を案内する操作用流体接続流路(60)と、
第２の間接接触熱交換部(28)と操作用流体出口(14)との
間で操作用流体を案内する操作用流体出口流路(62)と、
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)から操作用流体流を選択的に操作用流体出口(14)に
切り替える操作用流体流制御装置(66)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分配
装置(46)とを備えている。

【００１０】外気温度の変化に対応して、操作用流体流
制御装置(66)及び分配装置(46)を選択的に作動して、操
作用流体の冷却に必要な蒸発性液体の流量を最小限度に
制限して蒸発性液体の消費量を低減することができる。
即ち、乾式動作モード（第１の動作モード）、断熱飽和
モード（第２の動作モード）及び流量調整モード（第３
の動作モード）の３つのモードで選択的に熱交換装置
(8)を作動することができる。第１の動作モードでは、
周囲温度が低い場合、乾式間接接触熱交換部(16)に操作
用流体が供給されると共に、空気移動装置(108)が作動
されるが、分配装置(46)は作動されない。従って、操作
用流体は空気流(98, 96, 101)によって冷却される。第
２の動作モードでは、周囲温度がある温度を超えたと
き、第１の動作モードに加えて蒸発性液体の分配装置(4
6)が作動され、第２の間接接触熱交換部(28)上に、直接
接触熱交換部(76)上に又は第２の間接接触熱交換部(28)
及び直接接触熱交換部(76)の両方の上に蒸発性液体（通
常は水）が噴霧されるので、空気流(98, 96)が冷却さ
れ、操作用流体の冷却能力が増大する。第２の動作モー
ドでは、第２の間接接触熱交換部(28)に対し操作用流体
は供給されない。

【００１１】第３の動作モードでは、周囲空気温度が更
に上昇するとき又は操作用流体の出口温度が設定温度を
超えるとき、熱交換装置(8)は流量調整モードで作動さ
れ、第２の間接接触熱交換部(28)に導入される操作用流
体の流量が操作用流体流量制御装置(66)により調整さ
れ、操作用流体を所望の温度に冷却することができる。

【００１２】本発明の実施の形態では、熱交換装置(8)
は、乾式間接接触熱交換部(16)の操作用流体回路(22)と
操作用流体出口(14)との間で操作用流体を案内する操作
用流体迂回流路(64)を備えている。熱交換装置(8)は、
空気入口側(78)、空気出口側(80)及び複数の充填媒体(8
2)を有しかつ第２の間接接触熱交換部(28)から蒸発性液
体を受ける直接接触熱交換部(76)と、直接接触熱交換部
(76)から蒸発性液体を受ける液溜め(56)とを備えてい
る。分配装置(46)は、複数のスプレー出口(48)と、液溜
め(56)からスプレー出口(48)に蒸発性液体を選択的に供
給する液送装置(54)とを備えている。操作用流体流制御
装置(66)は、第２の間接接触熱交換部(28)への操作用流
体の流入、第２の間接接触熱交換部(28)に対する操作用
流体の完全迂回又は第２の間接接触熱交換部(28)に対す
る操作用流体の部分的迂回のいずれかに操作用流体の流
れを制御する調整切換弁（流量制御装置）(66)を備えて
いる。熱交換装置(8)は、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(34)の下流を流れる操作用流体の温度を
検出するセンサ装置(70)を備えている。

【００１３】また、本発明の熱交換装置(8)は、乾式間
接接触熱交換部(16)と操作用流体出口(14)との間で操作
用流体を案内する操作用流体流路(64)と、乾式間接接触
熱交換部(16)と操作用流体出口(14)との間で操作用流体
を案内する操作用流体流路(64)は乾式間接接触熱交換部
(16)から操作用流体出口(14)へ循環する操作用流体迂回
流路と、乾式間接接触熱交換部(16)から第２の間接接触
熱交換部(28)の操作用流体回路(34)への操作用流体接続
流路(60)と、乾式間接接触熱交換部(16)の空気入口側(1
8)、第２の間接接触熱交換部(28)及び直接接触熱交換部
(76)の空気出口側(80)の間に形成された共通の高圧室(8
4)と、直接接触熱交換部(76)及び高圧室(84)をほぼ包囲
するハウジング(94)とを備えている。ハウジング(94)
は、直接接触熱交換部(76)の空気入口側(78)と対応する
開口部と、高圧室(84)に連絡する補助空気開口部(100)
と、補助空気開口部(100)を選択的に閉鎖する複数のダ
ンパ(102)とを有する。

【００１４】操作用流体から熱を抽出する本発明による
熱抽出法は、操作用流体を用意する過程と、蒸発性液体
を用意する過程と、蒸発性液体の分配装置(46)、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(76)を用意する過程と、空気流(98)を
第２の間接接触熱交換部(28)に通しながら操作用流体を
第２の間接接触熱交換部(28)を通す過程と、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する
又は散布しない過程とを含む。本発明の実施の形態で
は、操作用流体の物理的特性を検出する過程を含み、検
出した操作用流体の物理的な性質に基づいて第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する
又は散布しない過程を行う。検出する物理的特性は、操
作用流体温度及び周囲空気温度の少なくとも１つであ
る。第２の間接接触熱交換部(28)及び直接接触熱交換部
(76)間の少なくとも１つを通して空気流(98, 96)を移動
させると共に、第２の間接接触熱交換部(28)及び直接接
触熱交換部(76)上に蒸発性液体を散布して空気流(98, 9
6)の温度を周囲乾球温度以下まで冷却する過程と、冷却
した空気流(98, 96)を乾式間接接触熱交換部(16)に通し
ながら操作用流体を乾式間接接触熱交換部(16)に通す過
程とを含んでもよい。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明による熱交換装置及
び熱抽出法の実施の形態を図１〜図１８について説明す
る。図面中、同様の箇所には同様の符号を付す。

【００１６】図１に示す本発明による熱交換装置(8)の
第１の実施の形態では、熱交換装置(8)は、操作用流体
から熱を抽出する熱交換器(10)を備えている。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
操作用流体が供給される操作用流体入口(12)を有する。
熱交換器(10)内で熱が除去された操作用流体は、操作用
流体出口(14)から排出される。

【００１７】操作用流体は、第１の温度で操作用流体入
口(12)に流入しかつ第１の温度より低い第２の温度で操
作用流体出口(14)から流出す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、第１の温度で
操作用流体入口(12)に流入しかつ第１の温度より低い第
２の温度で操作用流体出口(14)から流出する単一相の気
体でもよい。即ち、熱交換装置は流体冷却システムでも
よい。流体冷却システムとして熱交換装置(8)を図１、
図８及び図１０に示す。また、熱交換装置(8)は、操作
用流体入口(12)から２相又は多相の流体として操作用流
体が流入し、操作用流体出口(14)から単一相の液体又は
液体と気体との混合物である多相流体として排出される
凝縮システムでもよい。流体凝縮システムを図１５及び
図１６に示す。前記操作用流体の例は単なる例示に過ぎ
ず、特許請求の範囲に明示された記載のない限り、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。

【００１８】この実施の形態の熱交換器(10)は閉回路熱
交換器である。操作用流体入口(12)と操作用流体出口(1
4)との間で包囲される操作用流体は大気に曝露されず、
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。

【００１９】熱交換装置(8)に設けられる熱交換器(10)
の内部に配置される種々の要素及び熱交換装置の外側を
図１、図８〜図１０、図１５及び図１６に示す。下記に
説明する熱交換装置(8)の種々の要素は、特に明示しな
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、熱交換装置
(8)内で主要部を包囲する熱交換装置、熱交換装置(8)内
に設けられる数個の要素及び熱交換装置の外側に配置さ
れる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又は熱交換システム等を包含
する広い概念である。

【００２０】図１に示す実施の形態の熱交換装置(8)に
設けられる乾式間接接触熱交換部(16)は、空気入口側(1
8)、空気出口側(20)及び操作用流体回路(22)を有する。
図１１に示すように、操作用流体回路(22)は、図１１に
示すように入口ヘッダ(24)、出口ヘッダ(25)及び外側に
複数のフィン(27)が取り付けられた複数の管(26)を備え
ている。乾式間接接触熱交換部(16)は、図１１に示す操
作用流体回路(22)は、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 Radiator Coils）社から入手可能
な外部フィンを有する市販の熱伝導コイルにより構成し
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、図１５及
び図１６は、並列に配置された２つのコイルを示す。装
置のサイズに応じてコイルの組合わせを変更してもよ
い。

【００２１】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
れか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を示す構造は単なる例示に過
ぎない。例えば、図１及び図８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
ル装置が使用できるが、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。

【００２２】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。第２の間接接触熱交換部(28)は、空気入口側(3
0)、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(3
4)は、米国特許第５４３５３８２号に開示された型式の
単一コイル組立体(36)を備えている。図１２〜図１４に
示すように、コイル組立体(36)は、水平方向に近接して
離間しかつ並列方向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(42)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１５及び図１６に
示すように、熱交換装置(8)を流体冷却器ではなく流体
凝縮器として使用する場合、入口ヘッダと出口ヘッダと
の関係が逆転する。いずれの場合も、頂部流体ヘッダ(4
0)、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(28)の操作用流体回路(34)を備える。

【００２３】米国特許第５４３５３８２号及び米国特許
第５８１６３１８号及び本願の図１２〜図１４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
(38)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は垂直かつ相互に等間隔で離間し、
これにより各回路(38)が蛇行形状に形成される。

【００２４】第２の間接接触熱交換部(28)に使用される
コイルは、最大の乾式性能及び湿式性能並びに低い流体
圧力降下を有することが好ましい。第２の間接接触熱交
換部(28)は鋼製骨組内に配置された鋼管でもよく、例え
ば、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・カンパニー社から入手できる閉
回路冷却塔シリーズ１５００及び蒸気性凝縮器シリーズ
１５００も使用できる。第２の間接接触熱交換部(28)に
は他の構造も使用できる。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
率を向上してもよく、内部に微小フィンが形成された管
又は当業者に公知の他の類似装置を有する管を使用して
もよい。

【００２５】また、図１に示すように、熱交換装置(8)
は、第２の間接接触熱交換部(28)へ選択的に蒸発性液体
を散布する分配装置(46)を備え、第２の間接接触熱交換
部(28)と直接接触熱交換部(76)とにより構成される第２
の蒸発熱交換部により乾式熱交換及び蒸発熱交換を選択
的に行う。図示する第１の実施の形態では、分配装置(4
6)は、第２の間接接触熱交換部(28)の上方に配置された
複数のスプレーノズル(48)を含む。スプレーノズル(48)
は、第２の間接接触熱交換部(28)の上方に配置された分
配管システム(50)に接続され、第２の間接接触熱交換部
(28)は垂直分配管(52)に接続される。垂直分配管(52)
は、第２の間接接触熱交換部(28)の下方に配置された液
溜め(56)から蒸発性液体を汲み揚げるポンプ(54)に接続
される。液溜め(56)からスプレーノズル(48)へ蒸発性液
体を移動させるポンプ以外の装置、例えばベンチュリ等
を使用してもよい。図示の分配装置(46)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、本発明は図
示の構成要素に限定されない。

【００２６】また、分配装置(46)は、例えば水である蒸
発性液体を熱交換装置(8)に供給する導管(47)、弁(49)
及びその他の必要な装置を含み、図１に示すように、蒸
発性液体は例えば液溜め(56)に導入される。液溜め(56)
内の蒸発性液体の量が所定のレベル未満に減少したか否
かを判断してポンプを付勢し又は弁(49)を開放して蒸発
性液体を液溜め(56)に補給するセンサ(51)を液溜め(56)
に配置してもよい。

【００２７】図１に示す熱交換装置(8)は、乾式間接接
触熱交換部(16)の操作用流体回路(22)から第２の間接接
触熱交換部(28)の操作用流体回路(34)に操作用流体を案
内する操作用流体接続流路(60)と、第２の間接接触熱交
換部(28)から操作用流体出口(14)に操作用流体を案内す
る操作用流体出口流路(62)と、乾式間接接触熱交換部(1
6)の操作用流体回路(22)から操作用流体出口(14)に操作
用流体を案内する操作用流体迂回流路(64)とを備えてい
る。操作用流体接続流路(60)、操作用流体出口流路(62)
及び操作用流体迂回流路(64)のいずれにも、例えば亜鉛
めっきを施した外面被覆層を有する鋼管、ステンレス鋼
管等の標準的な材料から成る標準的な直径のパイプ又は
導管を使用できる。操作用流体接続流路(60)及び操作用
流体迂回流路(64)の詳細を図２に示す。

【００２８】また、乾式間接接触熱交換部(16)を通る操
作用流体と第２の間接接触熱交換部(28)を通る操作用流
体は、操作用流体流を制御する操作用流体流制御装置と
して設けられる流量制御装置(66)を通るときに混合さ
れ、流量制御装置(66)を通過する操作用流体はある混合
温度T_fo（図３〜図５）で操作用流体出口(14)から選択
的に排出される。流量制御装置(66)を設けることによ
り、乾式間接接触熱交換部(16)のみを通過する操作用流
体、乾式間接接触熱交換部(16)と第２の間接接触熱交換
部(28)とを直列に通過する操作用流体又は乾式間接接触
熱交換部(16)を通過する操作用流体と第２の間接接触熱
交換部(28)を通過する操作用流体とを混合した操作用流
体のいずれかを選択することができる。流量制御装置(6
6)は例えば調節弁等の三方弁でもよい。操作用流体（プ
ロセス流体）の流れを制御する調節弁として流量制御弁
(66)を設けて、乾式間接接触熱交換部(16)の流体回路(2
2)を出る操作用流体が第２の間接接触熱交換部(28)の流
体回路を完全に若しくは部分的に迂回するか又は第２の
間接接触熱交換部(28)の流体回路に流入するかのいずれ
かを選択してもよい。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
空気アクチュエータ又は電気アクチュエータと共に入手
できるVFシリーズ三方蝶型弁等のサーボ弁を調節弁とし
て使用できる。

【００２９】他の流量制御装置(66)を使用してもよく、
特許請求の範囲で明示しない限り本発明は何ら特別な種
類の流量制御装置に限定されない。例えば、用途に応じ
て、手動式三方弁を使用し又は自動式弁と手動式弁とを
種々組合わせて使用することにより、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)を通して操作
用流体を選択的に案内してもよい。このように、操作用
流体出口(14)から排出される操作用流体を乾式間接接触
熱交換部(16)及び第２の間接接触熱交換部(28)から選択
的に取り出す操作用流体流制御装置(66)は、手動三方
弁、複数の自動弁又は手動弁、三方調整弁又は混合弁そ
の他の適当な装置又は装置の組合わせのいずれでもよ
い。図１に示すように、例えば操作用流体出口(14)と第
２の間接接触熱交換部(28)との間又は第２の間接接触熱
交換部(28)の上流等、所望の効果を生ずるいずれかの位
置に１又は２以上の流量制御装置(66)を設けて、操作用
流体迂回流路(64)及び操作用流体接続流路(60)内への流
れを制御してもよい。また、操作用流体出口(14)に排水
管を接続すると共に、操作用流体迂回流路(64)及び操作
用流体出口流路(62)の両方から操作用流体を受ける共通
の混合タンクと適当な弁とを組み合わせてもよい。ま
た、図１５及び図１６に示す後述の実施の形態で乾式間
接接触熱交換部(16)及び第２の間接接触熱交換部(28)の
両方の上流に弁を配置してもよい。

【００３０】第２の間接接触熱交換部(28)の湿式動作中
に、第２の間接接触熱交換部(28)を通る操作用流体の流
量を最小化して蒸発による熱伝達を最小化することによ
って蒸発による蒸発性液体の損失を最小化することが好
ましい。流量制御装置(66)は、乾式間接熱交換部(16)を
最大に使用して蒸発性液体を節約することが好ましい。

【００３１】また、熱交換装置(8)は、操作用流体出口
(14)を出る操作用流体の温度を検出するセンサ装置とし
ての温度センサ(70)を備えてもよい。流量制御装置(66)
が自動式の場合、操作用流体出口(14)を出る操作用流体
の温度に応答して流量制御装置(66)の動作を制御する温
度センサ(70)を接続してもよい。温度センサ(70)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.）社から入手できかつ管装
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」でもよい。前記温度センサは単なる例示に
過ぎず、特許請求の範囲に明示的な記載のない限り、本
発明は前記温度センサに限定されない。他の主要な制御
装置の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。別法として、操作用流体出口(14)で操作者が読
み取った温度に基づいて流量制御装置(66)を手動で動作
してもよく、他のパラメータに基づいて手動制御又は自
動制御してもよい。例えば、周囲の気象状況に基づいて
調節弁(66)を制御する状況が好ましいこともある。図１
５及び図１６について後述するように、１つの熱交換部
に流入する前に周囲空気温度を測定する温度センサを設
けてもよい。また、例えば操作用流体の圧力等他の性質
を監視するセンサを用いて、操作用流体の圧力に応答し
て流量制御装置(66)を動作してもよい。最適性能のため
自動操作が好ましい。

【００３２】センサ(70)と流量制御装置(66)との間を接
続する図１の鎖線で示すように、流量制御装置(66)に直
接又は流量制御装置(66)に組み込んだプログラム制御可
能な論理素子に操作用流体の温度センサ(70)を接続し
て、コンピュータ工程制御システムを構成し又は独立型
コンピュータシステムに接続してもよい。また、工程制
御システムの一部又は独立型コンピュータシステムの一
部としてプログラム制御可能な論理素子(72)を用いて数
個のサーボ装置を制御してもよい。温度センサ(70)から
入力を受けるいずれかの適当なプログラム制御可能な論
理素子(72)を熱交換装置(8)の一部として備え、読み取
った温度に基づき種々のモータ、弁及びポンプの動作を
制御してもよい。プログラム制御可能な論理素子の適当
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。制御装置の設計、選択及び
導入に際し、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当業者による助言が必要と
なろう。例えば、乾式間接接触熱交換部(16)、第２の間
接接触熱交換部(28)若しくは直接接触熱交換部(76)に入
る空気流の温度又は周囲空気の温度を検出する温度セン
サ等の付加的センサ又は操作者から入力される付加的入
力(74)をプログラム制御可能な論理素子(72)に設けても
よい。他の操作用流体の物理的性質を検出する他の種類
のセンサを使用してもよい。例えば、図１５及び図１６
の流体凝縮器について後述するように、操作用流体の圧
力を検出する圧力センサを使用し、読み取った圧力をプ
ログラム制御可能な論理素子(72)へ入力してもよい。

【００３３】蒸発性液体の分配装置(46)の一部として自
動弁又は手動操作弁（図示せず）を含むことが望まし
い。第２の間接接触熱交換部(28)のコイル上に噴霧する
蒸発性液体の流れの容積、時間又は流量を制御する弁を
使用してもよい。プログラム制御可能な論理素子(72)に
弁を接続し、操作用流体の温度その他のパラメータに基
づき弁を動作してもよい。しかしながら、湿式モードで
動作する場合、スプレーノズルに対する蒸発性液体の流
れを充分な流量範囲内に保持して第２の間接接触熱交換
部(28)の積層管上に十分な流量の蒸発性液体を散布する
必要がある。

【００３４】また、図１に示すように、熱交換装置(8)
は、空気入口側(78)、空気出口側(80)及び複数の充填媒
体(82)を有する直接接触熱交換部(76)を備えてもよい。
図示する直接接触熱交換部(76)の実施の形態では、周囲
空気は空気入口側(78)から熱交換器(10)内に流入し、空
気出口側(80)から高圧室(84)に流れる。また、第２の間
接接触熱交換部(28)の空気出口側(32)を通る空気も高圧
室(84)に流れる。直接接触熱交換部(76)の充填媒体(82)
は、例えば、樹脂製充填材の他、木製又はセラミック製
の充填材その他当業者に公知のいずれかの充填材を含む
標準的な充填材である。発明者カーター（Carter）他の
米国特許第４３６１４２６号（１９８２年）に記載の充
填媒体を交差流型熱交換装置に使用できる。発明者コレ
ニック（Korenic）の特開平８−３０３９６８号（対応
米国特許第５７２４８２８号）に記載される台形状のシ
ート型充填媒体を対向流型熱交換装置に使用できる。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（Brentwoo
d Industries）社から入手できる「アキュパック（Accu
-PAC） CF １９００冷却塔フィルム」を市販の交差流PV
C（ポリ塩化ビニル）充填材として使用できる。図１に
示す第１の実施の形態では、直接接触熱交換部(76)は第
２の間接接触熱交換部(28)から蒸発性液体を受け取る。
しかしながら、蒸発性液体の分配装置(46)を直接接触熱
交換部(76)の上方に設けて、蒸発性液体を最初に第２の
間接接触熱交換部(28)を通過させずに直接接触熱交換部
(76)に散布してもよい。

【００３５】直接接触熱交換部(76)は断熱飽和器かつ蒸
発熱交換器として機能して蒸発性液体を冷却し、蒸発熱
交換器での蒸発性液体の使用量を最小にして蒸発性液体
を保存することが好ましい。年間を通じて大部分の期間
中、熱交換装置(8)が乾式動作モードで動作する際に直
接接触熱交換部(76)の動作を休止することができる。

【００３６】直接接触熱交換部(76)の下方には液溜め(5
6)が配置される。また、熱交換装置(8)は、液溜め(56)
からスプレー出口(48)に蒸発性液体を選択的に供給する
液送装置(54)を含む。後述のように、液送装置(54)は選
択された時間で制御して動作される標準的なポンプでも
よい。液送装置(54)に接続した例えば温度センサ又は圧
力センサから読み取った温度又は圧力に基づき、第２の
間接接触熱交換部(28)、直接接触熱交換部(76)又は第２
の間接接触熱交換部(28)及び直接接触熱交換部(76)の両
方に蒸発性液体を散布してもよい。乾式間接接触熱交換
部(16)の下流、例えば操作用流体出口(14)の近傍を流れ
る操作用流体の温度又は圧力等に基づいて操作用流体の
温度又は圧力を読み取ってもよい。このように、操作用
流体の温度又は圧力に基づいて、蒸発性液体を散布する
場合と散布しない場合とがある。この目的に対して温度
センサ若しくは圧力センサからの入力を受けてポンプの
作動を単に切り替えるオンオフスイッチを有する制御装
置又はプログラム制御可能な論理素子を用いた制御装置
等の高度な制御装置を使用することができる。システム
の一部に設けられかつセンサ(70)で読み取った温度又は
圧力を利用するプログラム制御可能な中央論理素子(72)
の一部となる制御装置を使用でき、全体の工程制御装置
の一部又は独立型コンピュータの一部となるプログラム
制御可能な制御装置を使用することもできる。

【００３７】一般に、例えば冬期等特定の期間中の凍結
を防止するために、液溜め(56)はシステムから蒸発性液
体を排出する排液装置(88)を備えている。排液装置(88)
は、例えば周囲温度が凝固点以下に低下すると、排液装
置(88)を開放するように温度センサで制御される電磁弁
等の制御装置(90)を備えてもよい。図１に示すように、
プログラム制御可能な中央論理素子（ＣＰＵ）(72)によ
って弁(90)を制御してもよく、弁(90)を手動操作又は弁
自体の検出システム又は検出装置に基づいて制御しても
よい。また、操作用流体の温度が凝固点近傍まで低下し
た場合に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)のコイルから電磁弁（図示せず）の作動に
より自動的に排水してもよい。

【００３８】第２の間接接触熱交換部(28)及び直接接触
熱交換部(76)の各々に個別の液溜め及びポンプを設けて
もよい。例えば、発明者トマス・ピー・カーター（Thom
as P. Carter）及びブラニスラフ・コレニック（Branis
lav Korenic）である本願と同日付けの米国特許出願
「水消費量を低減した低プロファイル熱交換システム及
び熱交換法」に開示のように、各ポンプを完全に独立し
て動作するように制御できるため、当該特許出願の開示
内容全体を本願でそのまま引用する。別法として、第２
の間接接触熱交換部(28)又は直接接触熱交換部(76)のい
ずれかのスプレーノズルに蒸発性液体を誘導する弁と２
つの別個のスプレーシステムとに対し、単一のポンプを
使用してもよい。別個の液溜め設けるとき、直接接触熱
交換部(76)の上方でも下方でも第２の間接接触熱交換部
(28)の液溜めを配置することができる。

【００３９】また、熱交換装置(8)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(76)、高圧室(84)及びスプレーノズル(48)を熱交
換器(10)内に配置するハウジング(94)を備える。図１７
に示すように、ハウジング(94)は直接接触熱交換部(76)
の空気入口側(78)と対応する開口部(95)を有する。ルー
バ(97)は開口部(95)を分割する。直接接触熱交換部(76)
の空気入口側(78)を開口部(95)から通過する空気は直交
流又は交差流として空気出口側(80)から高圧室(84)に流
入する。図１、図９及び図１０では、直接接触熱交換部
(76)を通る空気流(96)を直交流又は交差流として示す。
また、図１及び図１７に示すように、第２の間接接触熱
交換部(28)の上方に位置しかつ第２の間接接触熱交換部
(28)の空気入口側(30)へ延びる開口部(99)がハウジング
(94)に設けられる。図１、図９及び図１０に示すよう
に、第２の間接接触熱交換部(28)を通り高圧室(84)に流
入する空気流は蒸発性液体流との並行流でもよい。図
１、図８〜図１０は、第２の間接接触熱交換部(28)を通
る空気流(98)を示す。第２の間接接触熱交換部(28)及び
直接接触熱交換部(76)の両方の空気入口側(30, 78)を別
の形態で配置して、第２の間接熱交換部(28)を通る交差
流又は対向流を形成し又は直接接触熱交換部(76)を通る
並行流又は対向流を形成してもよい。例えば、図８に示
すように、第２の間接接触熱交換部(28)の空気流は蒸発
性液体流路の対向流でもよい。米国特許第５４３５３８
２号及び米国特許第５７２４８２８号に開示されたいず
れかの装置を本発明で使用でき、当該特許の開示内容全
体を本願でそのまま引用する。

【００４０】図１、図８〜図１０及び図１５〜図１８で
は、乾式間接接触熱交換部(16)を通る空気流(110)は、
主空気流(98)と副空気流(96)の組合わせである。図１７
及び図１８に示すように、熱交換器(10)の乾式間接接触
熱交換部(16)に通じる空気出口に金網スクリーン(105)
を設けてもよい。

【００４１】また、図１、図１５、図１６及び図１８に
示すように、熱交換装置(8)のハウジング(94)は、乾式
間接接触熱交換部(16)の空気入口側(18)の上流に配置さ
れる高圧室(84)に（１又は２以上の）補助空気開口部(1
00)を備える。補助空気開口部(100)は、第２の間接接触
熱交換部(28)又は直接接触熱交換部(76)を最初に通過せ
ずに高圧室(84)に流入する周囲空気流(101)の入口とな
る。補助空気開口部(100)を選択的に閉鎖するダンパ(10
2)を設けてもよい。図１に示すように、ダンパ(102)に
作動連結した標準的な何らかの種類で１又は２以上のサ
ーボモータ(104)を中央論理素子(72)又はその他の制御
装置に接続して、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に対応してダ
ンパ(102)を自動的に開放又は閉鎖してもよい。熱交換
装置(8)を湿式モードで動作するとき、流体冷却器に使
用するダンパ(102)を一般に閉鎖するのに対し、熱交換
装置(8)を乾式動作モードで動作するとき、ダンパ(102)
を開放する必要がある。必ずしもモータ駆動でダンパ(1
02)を作動する必要はなく、手動操作でもよい。

【００４２】また、熱交換器(10)内の各部を通る空気流
(96, 98, 101, 110)を移動させる空気移動装置(108)
は、第２の間接接触熱交換部(28)の空気入口側(30)に周
囲空気(98)を移動させると共に、直接接触熱交換部(76)
の空気入口側(78)に周囲空気(96)を移動させる。図１、
図９、図１０、図１５、図１６に示す実施の形態では、
周囲空気(96, 98, 101)は空気移動装置(108)によって熱
交換器内に吸引する。空気移動装置(108)の作動によ
り、第２の間接接触熱交換部(28)及び直接接触熱交換部
(76)を通る空気流(98, 96)を空気出口側(32, 80)を通り
高圧室(84)内に送り、高圧室(84)では２つの空気流(96,
98)が混合されて単一の混合空気流(110)を形成し（図
１）、更に乾式間接接触熱交換部(16)を通り排出され
る。また、図１に示すように、熱交換装置(8)に補助空
気開口部(100)が設けられる場合、空気移動装置(108)は
周囲空気(101)を空気流(101)として高圧室(84)内に選択
的に吸引し、空気流(96, 98)と混合して混合空気流(11
0)を形成する。図示の第１の実施の形態では、高圧室(8
4)の下流でかつ乾式間接接触熱交換部(16)の上流でハウ
ジング(94)内に配置されたモータ駆動のファンにより構
成される空気移動装置(108)は、第２の間接接触熱交換
部(28)及び直接接触熱交換部(76)を通る空気流(98,96)
を吸引すると共に、ダンパ(102)を通る空気流(101)を吸
引し、乾式間接接触熱交換部(16)を通して空気流(110)
を排出する。空気移動装置(108)を構成するモータ駆動
のファン及びその配置は、単なる例示のために特定しか
つ図示したに過ぎない。例えば米国特許第５７２４８２
８号又は第５４３５３８２号明細書に開示されるよう
に、遠心型又はプロペラ型の強制送気ファン等他の空気
移動装置又は空気移動システムを図示の位置又は他の位
置に配置して使用することが望ましい。また、他の空気
移動システムを使用してもよい。更に、ファンその他の
空気移動装置(108)は、ファンの速度を変化させる制御
装置を備えた可変速装置でもよい。空気移動装置(108)
に設けられる制御装置は、操作用流体の温度を検出する
温度センサ(70)又は中央論理素子(72)から入力信号を受
信して、操作用流体の温度に応答してファンの速度を変
化させることができる。例えば、操作用流体をより少な
い流量で所望の温度範囲まで冷却する冬期期間中にファ
ンをより小さい速度で動作してエネルギを節約すること
が望ましい。また、需要増大期間中に動作できる補助空
気移動装置を主空気移動装置に設けることが望ましい。

【００４３】図１の熱交換器(10)は、米国特許第５４３
５３８２号に開示された種類の熱交換装置に標準的な市
販の乾式間接熱交換部を装着することによって形成で
き、この種の熱交換器として、例えばアメリカ合衆国メ
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１５
００」及び「蒸気性凝縮器シリーズ１５００」を使用で
き、更に、流量制御装置(66)と共に、操作用流体接続流
路(60)、操作用流体出口流路(62)及び操作用流体迂回流
路(64)を設けることができる。また、温度センサ(70)及
びプログラム制御可能な論理素子(72)を改装部品として
熱交換装置に追加してもよい。別法として、熱交換装置
を独立して形成してもよい。

【００４４】単一相流体冷却器として使用する場合、本
発明の熱交換装置(8)は３つの動作モードで使用でき
る。乾式動作モード（第１の動作モード）では、例えば
約１５℃（５９°F）以下等のように周囲温度が低い場
合、冷却すべき高温の操作用流体は操作用流体入口(12)
を通って乾式間接接触熱交換部(16)の入口ヘッダ(24)へ
供給される。図１１に示す入口ヘッダ(24)より、操作用
流体は操作用流体回路(22)の管(26)に分配され、操作用
流体は乾式間接接触熱交換部(16)の１又は２以上のコイ
ル組立体を含む管(26)の全直列回路内をほぼ均一な流量
で流れる。操作用流体が乾式間接熱交換部(16)の流体回
路(22)に沿って流れるとき、空気移動装置(108)は管(2
6)及びフィン(27)上に空気流(110)を移動させて操作用
流体を冷却する。空気流(110)は、乾式間接接触熱交換
部(16)に入る前に第２の間接接触熱交換部(28)及び高圧
室(84)を通過した主空気流(98)と、最初に直接接触熱交
換部(76)及び高圧室(84)を通過した副空気流(96)と、補
助空気開口部(100)及び高圧室(84)を通過した周囲空気
補助流(101)と、主空気流(98)、副空気流(96)及び周囲
空気補助流(101)のいずれかの混合流とを含む。流量制
御装置(66)では操作用流体迂回流路(64)が操作用流体出
口(14)に連絡し、操作用流体出口流路(62)が閉鎖されて
いると、乾式間接熱交換部(16)内で冷却された操作用流
体は出口ヘッダ(25)から排出され、全操作用流体流は操
作用流体迂回流路(64)に入り、第２の間接接触熱交換部
(28)に流入せずに操作用流体出口(14)へ流れる。流量制
御装置(66)の作動により、全操作用流体は操作用流体迂
回流路(64)へ誘導される。

【００４５】熱交換装置(8)から流出する操作用流体の
温度はセンサ(70)によって監視され、操作用流体の温度
が所望の温度よりも高い場合、流量制御装置(66)を調整
して、操作用流体出口流路(62)を流れる操作用流体を操
作用流体出口(14)に流す。これにより操作用流体迂回流
路(64)を流れる操作用流体の一部又は全部を操作用流体
接続流路(60)に流し、操作用流体接続流路(60)から第２
の間接接触熱交換部(28)の入口ヘッダ(42)（図１２〜図
１４）に導入する。第２の間接接触熱交換部(28)の入口
ヘッダ(42)より、操作用流体は、第２の間接接触熱交換
部(28)を構成するコイル組立体(36)の蛇管流体流回路(3
8)に分配される。操作用流体が第２の間接熱交換部(28)
の流体回路(34)に沿って流動するとき、空気移動装置(1
08)は主空気流(98)をコイル組立体(36)に接触させて操
作用流体を冷却する。乾式動作モード（第１の動作モー
ド）では、第２の間接接触熱交換部(28)は乾式熱交換器
として動作し、乾式間接熱交換部(16)を通過した操作用
流体はコイル組立体(36)上へ移動する空気流(98)によっ
て更に冷却される。操作用流体は、主としてフィンを有
する乾式間接接触熱交換部(16)にて冷却されると共に、
部分的に乾式で作動される第２の間接接触熱交換部(28)
にて冷却される。第１の動作モードでは、乾式の第２の
間接接触熱交換部(28)は約６〜１５%の冷却を加える。
非作動状態の直接接触熱交換部(76)による操作用流体の
圧力降下を低減しかつより多くの空気を乾式間接接触熱
交換部(16)に供給するため、モータ駆動のダンパ(102)
を自動的に開放して補助空気開口部(100)を通して高圧
室(84)へ追加の周囲空気流(101)を導入してもよい。

【００４６】第１の動作モードによるシステム動作効果
を図３の温度変化グラフで示す。図３に示すように、操
作用流体は最初の入口温度T_fiで操作用流体入口(12)に
流入し、下側の最後の出口温度T_foで操作用流体出口(1
4)から流出する。操作用流体が第２の間接接触熱交換部
(28)を迂回する場合、最後の出口温度T_foは、図３に示
す乾式間接接触熱交換部(16)の出口での操作用流体温度
T_f*に等しい。第２の間接接触熱交換部(28)に流入する
操作用流体の温度は温度T_f*から温度T_foに低下する。

【００４７】図３〜図５中T_dbiで示す最初の乾球温度の
主空気流(98)は、第２の間接接触熱交換部(28)に流入
し、同じ最初の乾球温度T_dbiの副空気流(96)も直接接触
熱交換部(76)に流入する。図３の水平な実線で示すよう
に、乾式作動の直接接触熱交換部(76)では副空気流(96)
の乾球温度は相対的に一定で維持される。操作用流体が
第２の間接熱交換部(28)に入らない場合も主空気流(98)
の温度はほぼ一定であり、図３の水平な実線で表され
る。操作用流体が第２の間接熱交換部(28)のコイル組立
体(36)中を流れる場合、図中上方へ傾斜する線(98)（右
上がりの線）で示すように第２の間接接触熱交換部(28)
を通って移動するとき主空気流(98)の乾球温度は上昇
し、高圧室(84)に入る。空気流(98)は、高圧室(84)内で
乾式作動の直接接触熱交換部(76)を通過する空気流(96)
と混合される。このように、乾式間接接触熱交換部(16)
に入る空気流(110)を予冷してもよい。乾式間接接触熱
交換部(16)を通過する空気流(110)と操作用流体とが熱
交換するとき、空気流(110)の乾球温度は上昇する。熱
交換装置(8)がモータ駆動のダンパ(102)及び補助空気開
口部(100)を備える場合、第１の動作モードでダンパ(10
2)を開放して主空気流(98)と混合する大量の周囲空気を
低い乾球温度で導入し、空気流(110)はT_dbiに更に近い
温度で乾式間接接触熱交換部(16)に入る。圧力降下を低
減するため、別法として、副空気流(96)の代わりに補助
空気流（周囲空気流）(101)を用いてもよい。また、図
３は、熱交換装置(8)内の複数の熱交換部を通る各空気
流に対応する湿球温度を鎖線で表し、第１の動作モード
では空気流の乾球温度が推進力となることを示す。加熱
中、空気流の絶対湿度は一定のままである。

【００４８】図３〜図５では、水平軸に沿う熱交換部(1
6, 28, 76)の相対的面積は縮尺に対応して表示されてい
ない。実際の乾式間接接触熱交換部(16)で達成できる熱
交換面積は、第２の間接接触熱交換部(28)の熱交換面積
に比べて非常に大きいと思われる。更に、図示のよう
に、直接接触熱交換部(76)中の伝熱区域は第２の間接接
触熱交換部(28)の伝熱区域に等しくなく、より大きい。

【００４９】断熱飽和モード（第２の動作モード）で
は、例えば約１５℃（５９°F）を超えるように周囲空
気温度が高く、第２の間接接触熱交換部(28)及び直接接
触熱交換部(76)のいずれか又は両方が動作して空気流が
高圧室(84)に入る前に各空気流(98, 96)を断熱的に飽和
させる。第２の動作モードでは、蒸発性液体の分配装置
(46)が作動され、分配装置(46)の構造に従って、第２の
間接接触熱交換部(28)上に、直接接触熱交換部(76)上に
又は第２の間接接触熱交換部(28)及び直接接触熱交換部
(76)の両方の上に蒸発性液体（通常は水）が噴霧され
る。

【００５０】図１の実施の形態に示す第２の動作モード
では、第２の間接接触熱交換部(28)のコイル組立体(36)
上に蒸発性液体は噴霧され、直接接触熱交換部(76)の充
填媒体(82)へ、更にその後液溜め(56)に向かって下方に
流下する。蒸発性液体は液溜め(56)からポンプ(54)で汲
み上げられ、分配装置(46)を通して再循環される。第２
の動作モードでは、蒸発性液体の温度はT_wbiで示す周囲
空気流の最初の湿球温度に等しく、一定のままである。
図４に示すように、流量制御装置(66)を調整して操作用
流体迂回流路(64)を完全に開放し、第２の間接接触熱交
換部(28)への操作用流体を停止する。

【００５１】第２の間接接触熱交換部(28)中を操作用流
体が流れないとき、蒸発性液体は操作用流体から熱負荷
を受けずに第２の間接接触熱交換部(28)及び直接接触熱
交換部(76)を通って循環する。代わりに、蒸発性液体の
循環によって、第２の間接接触熱交換部(28)を通る主空
気流(98)及び直接接触熱交換部(76)を通る副空気流(96)
が飽和する。

【００５２】空気流(98, 96)の飽和により、第２の間接
接触熱交換部(28)及び直接接触熱交換部(76)を通る空気
流の温度は、図４に示すように、最初の乾球温度T_dbiか
ら低い湿球温度T_wbiへ低下する。湿球温度T_wbiに向かっ
て飽和するとき、空気流(96,98)の絶対湿度は上昇す
る。図４の実線(98)で示すように、主空気流(98)は１０
０%飽和に至らないこともあり、その温度は湿球温度よ
りも高い。この場合、充填媒体(82)を高密度で直接接触
熱交換部(76)に設ければ、図４の大きい傾斜の線(96)で
示すように、副空気流(96)の温度は湿球温度T_wbiに到達
するか非常に接近する。

【００５３】断熱冷却された空気流(98, 96)はファン(1
08)によって高圧室(84)へ移動される。２つの空気流(9
6, 98)は高圧室で混合され、図４中「混合」で示すよう
に、混合空気流の温度は主空気流(98)及び副空気流(96)
の温度の間となる。空気流の容積が等くないため、混合
温度は副空気流(96)の温度に近いことが多い。高圧室(8
4)内の混合空気流(110)は乾式間接接触熱交換部(16)の
フィン(27)及び管(26)の周囲に移動される。

【００５４】図４の実線で示すように、混合空気流(11
0)の乾球温度は乾式間接接触熱交換部(16)の作用要因で
ある。図４に示すように、混合空気流(110)の乾球温度
及び湿球温度は乾式間接接触熱交換部(16)内で上昇する
が、絶対湿度は一定のままである。モータ駆動のダンパ
(102)を閉鎖して、より高温の周囲の乾き空気流(101)が
補助空気開口部(100)を通して高圧室(84)に入るのを阻
止しなければならない。

【００５５】蒸発性液体は主空気流及び副空気流をほぼ
飽和させるので、乾式間接接触熱交換部(16)に入る全て
の空気は周囲の乾球温度T_dbi以下に予冷され、乾式間接
接触熱交換部(16)中の冷却が進行する。また、蒸発性液
体は操作用流体に対する熱負荷がないため、蒸発性液体
の蒸発による損失は最小化され、蒸発性液体の消費を節
約できる。

【００５６】図４に示すように、操作用流体は乾式間接
接触熱交換部(16)にて最初の入口温度T_fiから温度T_f*ま
で冷却される。第２の間接接触熱交換部(28)を通る操作
用流体流が存在しないため、操作用流体の出口温度T_fo
は温度T_f*とほぼ等しい。

【００５７】周囲空気温度が更に上昇するとき又は操作
用流体の出口温度が設定温度を超えるとき、熱交換装置
(8)は流量調整モード（第３の動作モード）で動作され
る。第３の動作モード時の温度変化グラフを図５に示
す。第３の動作モードでは、流量制御装置(66)が動作し
て操作用流体流を調整し、操作用流体の一部又は全部を
操作用流体接続流路(60)に導入し、第２の間接接触熱交
換部(28)の操作用流体回路(34)に流す。手動操作又は自
動操作される流量制御装置(66)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)の両方から操作
用流体を選択的に受けて混合する。外側温度又は周囲温
度が第２の動作モードの温度範囲に適して比較的低いと
き、操作用流体接続流路(60)を通して第２の間接接触熱
交換部(28)の操作用流体回路(34)に少量の操作用流体が
導入される。従って、第３の動作モードでの熱的過程は
第２の動作モードの断熱飽和過程から若干逸脱するだけ
であり、蒸発性液体の温度は冷却限界（流入空気の湿球
温度）よりも僅かに高い。第２の間接接触熱交換部(28)
及び直接接触熱交換部(76)の空気出口側(32, 80)を出る
空気流(98, 96)の温度が幾分上昇し、また、蒸発性液体
の消費量が僅かに増大する。この温度範囲では、第２の
間接接触熱交換部(28)は、乾式間接接触熱交換部(16)を
補助して操作用流体を所望の温度に冷却する。

【００５８】夏期に周囲温度が上昇すると、流量制御装
置(66)は第２の間接接触熱交換部(28)の流体回路に導入
される操作用流体の流量を増大する。夏期のピーク温度
即ち設計上のピーク温度にある操作用流体の全量又はほ
ぼ全量を第２の間接接触熱交換部(28)の流体回路(34)に
導入される。負荷ピーク時に、第２の間接接触熱交換部
(28)は熱負荷の大部分を担持し、乾式間接接触熱交換部
(16)は設計上の熱負荷に合致するように補助熱交換器と
して作用する。この段階の熱的過程は第２の動作モード
である断熱飽和過程と著しく異なる。第３の動作モード
では、第２の動作モードに比べて蒸発性液体の温度は大
幅に高く加熱され、第２の動作モードに比べて第２の間
接接触熱交換部(28)を出る空気流(98)の温度は大幅に高
いが、依然として乾式間接接触熱交換部(16)が有効な冷
却をできる程度には充分に低い。第３の動作モードで
は、蒸発性液体を冷却するため、直接接触熱交換部(76)
は米国特許第５４３５３８２号及び米国特許第５７２４
８２８号に記載の充填部とほぼ同様に動作し、例えばア
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１５
００」を使用できる。

【００５９】第３の動作モードの効果を図５の温度変化
グラフに示す。図５に示すように、操作用流体は乾式間
接接触熱交換部(16)にて最初の温度T_fiから乾式部出口
での温度T_f*まで冷却されるが、他の動作モードでの冷
却度には及ばない。図５の水平線の近傍に「迂回部」と
表示するように、大部分の操作用流体が第２の間接熱交
換部(28)を迂回すると、出口(14)を通る操作用流体の温
度は乾式間接接触熱交換部(16)からの出口温度と同一か
又は近くなる。全操作用流体が操作用流体接続流路(60)
を通りかつ第２の間接接触熱交換部(28)を通過して出口
(14)へ流れると、出口(14)での操作用流体温度は図５で
「コイル経由」で示す下側のレベルT_f1まで低下する。
熱交換部(16, 28)の両方から操作用流体を混合して引き
込む流量制御装置(66)の動作により、乾式間接接触熱交
換部(16)を通る５０%の操作用流体と第２の間接接触熱
交換部(28)を通る５０%の操作用流体とから成る混合物
が得られ、この混合物の温度は、図５の「混合」で示す
ように出口温度T_f*とT_f1との間の出口温度T_foとなる。
５０：５０の混合物割合は単なる例示に過ぎない。実際
の流体の相対百分率（パーセンテージ）は流量制御装置
(66)の動作に従って変更でき、そのため混合点（混合温
度）は上下に変動する。例えば、設計上のピーク負荷で
は、操作用流体１００%が第２の間接接触熱交換部(28)
のコイルに入ると、操作用流体出口温度はより低い温度
になる。

【００６０】第３の動作モードでは、第２の間接接触熱
交換部(28)にて主空気流(98)の乾球温度はT_dbiからT_dbo
まで低下し、湿球温度はT_wbiからT_wboまで上昇する。直
接接触熱交換部(76)にて副空気流(96)の乾球温度はT_dbi
からT_dboまで低下し、湿球温度はT_wbiからT_wboまで上昇
する。第３の動作モードでは、主空気流(98)よりも副空
気流(96)が飽和するため、主空気流(98)に比べて出口(8
0)の副空気流(96)の乾球温度及び湿球温度は互いに接近
する。用語「混合」で示す通り、高圧室(84)で混合され
る２つの空気流(96, 98)の出口温度は、主空気流(98)及
び副空気流(96)の各出口温度の間の混合温度となる。そ
の後、混合空気(110)は乾式間接接触熱交換部(16)を通
り、操作用流体から熱を抽出するとき、空気流(110)の
乾球温度及び湿球温度は上昇する。第２の間接接触熱交
換部(28)及び直接接触熱交換部(76)を通る空気流(96, 9
8)の湿球温度は、図５中実線で示す通り有効温度である
が、乾球温度は図５中鎖線で示す通り有効ではない。乾
式間接接触熱交換部(16)では、空気流(110)の乾球温度
は実線で示す通り有効温度であるが、湿球温度は鎖線で
示す通り殆ど有効ではない。

【００６１】第３の動作モードでは、第２の間接接触熱
交換部(28)を通る蒸発性液体の温度は、第２の間接接触
熱交換部(28)から排出された操作用流体の温度T_f1と空
気流の湿球温度との間で最初の温度T_wiから上昇する。
図５で「再循環した蒸発性液体」と示しかつ矢印(28)の
線で示すように、最初の温度は温度T_woまで上昇する。
その後、高温の蒸発性液体は直接接触熱交換部(76)に入
り、図５で「再循環した蒸発性液体」と示しかつ矢印(7
6)の線で示すように、直接接触熱交換部(76)にて温度T
_woから温度T_wiまで冷却される。

【００６２】図６及び図７の比較により、本発明による
節水の利点が明らかとなる。図６は、特定場所での平年
を通して本発明による熱交換システム及び熱交換法を使
用する場合を示す。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）での乾球温度及び湿球温度プロファイルを例示す
る。縦座標（Ｙ軸）に沿って温度をとり、横座標（Ｘ
軸）に沿って時間数をとる。これにより、春、秋及び冬
を通じて１年の７０.３%の期間中、特定場所での乾球温
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(8)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、熱交換装置(8)は第２
の動作モードで動作し、断熱飽和を達成しかつ蒸発性液
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１５℃（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（カットオフ）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は図６に示す百分率
（パーセンテージ）に従う必要がある。各動作モードの
作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温度
（例えば空気乾球温度設計切替温度）又は切替圧力に依
存する。各動作モード間の変更は、前記のように自動制
御又は手動操作により行われるが、調節弁及び操作用流
体の温度センサを用いることが好ましい。

【００６３】熱排出負荷が年間を通じて一定と仮定し
て、流体冷却器に達成可能な蒸発性液体の節約量を図７
に示す。代表的な閉回路蒸発冷却塔では、蒸発性液体の
消費量は特定の周囲気候条件から本質的に独立し、排出
熱約１０５５kJ（キロジュール）（１０００BTU）につ
き水約０.５４４kg（約１.２ポンド）である。この場合
の水消費量を図７の最上部の水平鎖線で示す。一方、本
発明による水消費量を図７の下方の実線で示す。この特
定の例では、従来の蒸発装置に比較して、本発明の実施
により、約９０%の水の節約を達成できる。一般に、熱
排出負荷は年間を通じて必ずしも一定ではないが、相当
量の節水を達成できることは確実である。

【００６４】図８〜図１０に示すように、本発明の熱交
換装置(8)では多くの構造の変更が可能である。例え
ば、図８に示すように、熱交換装置(8)は図１に示す種
類の直接接触蒸発熱交換部(76)を必ずしも備える必要は
なく、空気移動装置(108)は強制送気プロペラファンそ
の他の全種類のファンを使用できる。このため、従来の
対向流強制送気間接蒸発性冷却塔を比較的僅かな修正で
改造して、本発明を実施することができる。図９及び図
１０に示すように、二重のコイル組立体(36)及び二重の
直接接触熱交換部(76)と共に、２つの乾式間接接触熱交
換部(16)を熱交換装置(8)に付加してもよい。図９の実
施の形態に示す直接接触熱交換部(76)の対向流空気及び
蒸発性液体流を有する熱交換器(10)及び図１０の実施の
形態に示す交差流空気及び蒸発性液体流とを有する熱交
換器(10)は、適当な調節弁(66)、操作用流体接続流路(6
0)、操作用流体迂回流路(64)及び操作用流体出口流路(6
2)を設け、所望により適当なセンサ(70, 74)及びプログ
ラム制御可能な論理素子(72)を設け、１又は２以上の乾
式間接接触熱交換器(16)を設けて改造できる。図示の実
施の形態は、並列の蒸発性液体流及び空気流（図１、図
９及び図１０）並びに第２の間接接触熱交換部(28)の蒸
発性液体及び空気流の対向流（図８）を示すが、蒸発性
液体を通る空気流の交差流(98)を用いる熱交換装置(8)
に本発明を実施してもよい。図９及び図１０は、調節弁
(66)及び操作用流体接続流路(60)及び操作用流体迂回流
路(64)に接続される二重の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１つのみを示すが、二
重の部分を直列に、並列に又は別個に接続して運転して
もよい。また、図１の実施の形態のように下流に配置す
る代わりに、図９及び図１０のように乾式間接接触熱交
換部(16)を空気移動装置(108)の上流に配置してもよ
い。また、図１及び図８〜図１０に示す実施の形態は閉
回路熱交換装置に改造した例であるが、本発明に対する
構成部材のその他の組合せを元の装置の一部として他の
熱交換装置も改造して構成できる。特許請求の範囲のい
ずれかに明示的に説明のない限り、本発明はいかなる特
定の構成部材の組合せにも限定されず、従来の熱交換器
の改造にも限定されない。

【００６５】いずれの熱交換装置(8)も、例えば液滴除
去具（ドリフトエリミネータ）(114)等、空気出口から
飛散する全ての水の液滴を最小化又は除去する標準的な
構造を備えてもよい。液滴除去具(114)は、近接して離
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、複数の羽根板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、本発明で
は他の標準的な液滴除去装置を用いてもよい。

【００６６】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
で熱交換作用を大部分達成できる性能（サイズ）であ
る。乾式動作モードでは、性能により、第２の間接接触
熱交換部(28)は約６〜１５%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、湿式動作モードでは、第
２の間接接触熱交換部(28)は熱交換作用の６０〜７０%
を担当し、フィン付き管(26)が残余の４０〜３０%の熱
交換作用を担当する。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。

【００６７】熱交換装置(8)及び熱交換法を用いる効果
を流体冷却について説明したが、本発明の熱交換装置
(8)及び熱交換法は例えば蒸気凝縮等の他の熱抽出動作
にも使用できることを理解されたい。蒸気凝縮では、前
記説明の場合と異なり、操作用流体流の方向は米国特許
第５４３５３８２号及び米国特許第５８１６３１８号の
開示内容に従い、この点を図１５及び図１６について説
明する。

【００６８】図１５及び図１６では、図１及び図８〜図
１０の実施の形態と同様の参照符号を各部材に使用す
る。図１５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)を通る並行な冷媒流を有しかつ凝縮
器として使用する熱交換装置(8)を示す。図１６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(2
8)を通る直列の冷媒流を有しかつ凝縮器として使用する
熱交換装置(8)を示す。図１５及び図１６のいずれの実
施の形態も、乾式間接熱交換部(16)は、図１１について
既述した種類の並列接続された２つの熱交換装置を備え
る。図１、図９及び図１０の実施の形態と同様に、図１
５及び図１６の熱交換装置(8)はそれぞれ直接接触熱交
換部(76)を備える。図１５及び図１６の凝縮器の全熱交
換部(16, 28,76)は、それぞれ空気入口側(18, 30, 78)
及び空気出口側(20, 32, 80)を有する。図１５及び図１
６の実施の形態に示す第２の間接接触熱交換部(28)の構
造は図１及び図８〜図１０の場合と同様であり、具体的
には図１２〜図１４に示す通りである。

【００６９】前記実施の形態と同様に、図１５及び図１
６の凝縮器はハウジング(94)及び高圧室(84)を有する。
高圧室(84)を形成するハウジング(94)の壁は補助空気開
口部(100)及びダンパ(102)を有し、最初に第２の間接接
触熱交換部(28)又は直接接触熱交換部(76)のいずれも通
過せずに、補助空気流(101)は高圧室に入り乾式間接接
触熱交換部(16)の空気入口側(18)へ移動できる。前記の
ように、補助周囲空気流(101)に他の空気流を混合して
混合空気流（共通空気流）(110)にしてもよい。補助空
気開口部(100)を選択的に閉鎖するダンパ(102)を設けて
もよい。図１５及び図１６に示す標準的な型式の１又は
２以上のサーボモータ(104)にダンパ(102)を接続し、中
央論理素子(72)その他の制御装置等の制御装置にモータ
(104)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又は
圧力その他の要因（ファクタ）に対応してダンパ(102)
を自動的に開放又は閉鎖できる。一般に、熱交換装置
(8)が湿式動作モードのとき凝縮器用のダンパ(102)を閉
鎖し、熱交換装置(8)が乾式動作モードのときダンパ(10
2)を開放する必要がある。ダンパ(102)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。

【００７０】図１５及び図１６の凝縮器の外観は図１７
及び図１８と同様であり、ハウジング(94)の内部への開
口部(95)にルーバ(97)を備えている。図１７及び図１８
に示すように、ハウジング(94)は乾式間接接触熱交換部
(16)からの空気出口に金網スクリーン(105)を有する。
外側の配管は図１７と若干異なる。

【００７１】乾式動作モード及び湿式動作モードの両方
で図１５及び図１６の凝縮器を動作できる。凝縮器を可
能な限り長時間乾式動作モードで動作させ、蒸発性液体
の使用を最小化して蒸発性液体を節約することが好まし
い。従って、湿式動作モード又は蒸発性モードで第２の
間接接触熱交換部(28)を使用することなく、乾式間接接
触熱交換部(16)は年間の大部分を通じて操作用流体を凝
縮できる充分な能力を発揮する性能（サイズ）が乾式間
接接触熱交換部(16)に要求される。

【００７２】図１５及び図１６の凝縮器のモータ駆動フ
ァン(108)は、好ましくは２段変速モータ駆動ファン又
は可変速モータ駆動ファンである。いずれの場合も、設
計周囲乾球温度ではファン(108)は全速度で動作し、凝
縮器は乾式動作モードで動作する。ダンパ(102)を備え
る場合、ダンパ(102)を完全に開放して乾式間接接触熱
交換部(16)を通る空気流量が最大となる。低い乾球温度
ではファン速度は減少され、ダンパは閉鎖される。湿式
動作モードではポンプ(54)が付勢され、蒸発性液体が管
(52)を通して分配管システム(50)及びスプレーノズル(4
8)に向けて上方へ移動され、第２の間接接触熱交換部(2
8)上へ散布される。設計湿球温度では、ファン(108)は
全速で動作しかつダンパ(102)は閉鎖され、第２の間接
接触熱交換部(28)及び直接接触熱交換部(76)を通る空気
流量が最大となる。湿球温度が設計レベルの以下に低下
すると、ファン(108)の速度が減少される。

【００７３】図１５に示す並行流凝縮器の実施の形態で
は、種々の流路に複数の供給流路及び複数の弁を使用す
る。操作用流体の第１の供給流路(200)は、操作用流体
入口(12)から乾式間接接触熱交換部(16)の頂部入口(24)
に連絡する。操作用流体は、操作用流体回路(26)中を流
れた後底部出口(25)へ流れ、更に第１の操作用流体出口
流路(202)へ流れ、第１の操作用流体出口流路(202)は乾
式間接接触熱交換部(16)から操作用流体出口(14)へ通じ
る。第１の操作用流体出口流路(202)は、接続導管(20
4)、共通導管(206)及び共通受部(208)を有する。接続導
管(204)は乾式間接接触熱交換部(16)から共通受部(208)
へ通じる。共通受部(208)は金属その他の適当な材料に
より形成されるタンクを備えている。共通導管(206)の
一端は、低いレベルで共通受部(208)の内部に配置さ
れ、他端は共通受部(208)の外側に配置される。また、
第１の制御弁(210)及び逆止弁(212)が接続導管(204)の
ライン上に設けられ、逆止弁(212)は、共通受部(208)内
の高圧操作用流体により凝縮器(16)に向かって接続導管
(204)m内で操作用流体が押し戻され、周囲空気の温度が
低下するのを防止する。

【００７４】図１５の実施の形態では、第２の供給流路
(214)は操作用流体入口(12)から第２の間接接触熱交換
部(28)の頂部流体ヘッダ(40)へ通じる。操作用流体が操
作用流体回路(34)を通った後、操作用流体は底部流体ヘ
ッダ(42)へ入り第２の操作用流体出口流路(216)へ流
れ、第２の操作用流体出口流路(216)は第２の間接接触
熱交換部(28)から操作用流体出口(14)へ通じる。第２の
操作用流体出口流路(216)は、接続導管(218)、共通導管
(206)及び共通受部(208)を有する。接続導管(218)は第
２の間接接触熱交換部(28)から共通受部(208)へ通じ
る。第２の接続導管(218)のライン上に第２の弁(220)及
び制御逆止弁(222)が設けられ、制御逆止弁(222)は共通
受部(208)内の高圧操作用流体により第２の接続導管(21
8)内で操作用流体が凝縮器(28)に向かって逆流して、周
囲空気温度が低下するのを防止できる。

【００７５】更に、操作用流体入口(12)から共通受部(2
08)へ通じる第３の操作用流体供給流路(224)に第３の制
御弁(226)が設けられる。

【００７６】３つの制御弁(210, 220, 226)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)か
ら流出する操作用流体を選択的に操作用流体出口(14)か
ら排出する操作用流体流制御装置を形成する。制御弁(2
10, 220, 226)により共通受部(208)に流入する流体を制
御でき、前記選択的排出を達成できる。制御弁(210)が
開放しかつ制御弁(220)が閉鎖される場合、共通受部(20
8)中の操作用流体は乾式間接接触熱交換部(16)を通過す
る流体を含む。熱交換器が大部分の時間を前記モードで
動作される場合、共通受部(208)から共通導管(206)を通
って膨張弁に供給される操作用流体の殆どは、第２の間
接接触熱交換部(28)を通過せず乾式間接接触熱交換部(1
6)を通過する操作用流体から成る。制御弁(210)及び(22
0)がいずれも開放する場合、共通受部(208)中の操作用
流体は２つの間接接触熱交換部(16, 28)を通過し共通導
管(206)を通して排出される混合操作用流体を含む。第
３の制御弁(226)が開放されかつ他の制御弁(210, 220)
が閉鎖される場合、共通受部(208)中の操作用流体は間
接接触熱交換部(16, 28)のいずれも通過しない流体を含
む。

【００７７】例えば図１５及び図１６に示すプログラム
制御可能な論理素子(72)等の制御装置に接続した３つの
制御弁(210, 220, 226)を自動的に開放及び閉鎖するよ
う設定でき、制御装置は、コンピュータ化した工程制御
システム全体の一部でもよく、熱交換器(8)の一部でも
よく、独立型コンピュータの一部でもよい。プログラム
制御可能な論理素子(72)は、図１５及び図１６に示す温
度センサ(74)から入力信号を受けることができる。制御
装置(72)及び制御弁(210, 220, 226)に適当なサーボ装
置を接続し、周囲温度に基づいて制御弁(210, 220, 22
6)を開放及び閉鎖してもよい。例えば、ある最低の周囲
温度範囲、例えば約４.４℃（４０°F）以下に達した場
合にのみ制御弁(226)を閉鎖し、この温度で制御弁(210)
及び(220)を開放するように設定できる。例えば周囲温
度が１０℃（５０°F）まで上昇すると、弁(226)は閉鎖
し、弁(210)は開放し、弁(220)は閉鎖したままであり、
システムは操作用流体から熱を抽出するために乾式間接
接触熱交換部(28)のみを使用する。周囲温度が他の設定
温度、例えば２１.１℃（７０°F）以上に上昇し始める
と、制御弁(220)を開放し始め、第２の間接接触熱交換
部(220)に所定量の操作用流体を流してもよい。約２６.
７℃（８０°F）の設定周囲温度では、制御弁(210)及び
(220)はいずれも完全に開放し、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)を完全に操作でき
る。

【００７８】好ましくは、制御弁(210, 220, 226)は、
各ラインを流れる操作用流体の凝縮圧力を検出すると共
に、検出した圧力及び各制御弁に対し設定された個々の
設定点圧力に基づき開放及び閉鎖する圧力弁である。従
って、乾式間接接触熱交換部(16)に通じる制御弁(210)
は、操作用流体の最低凝縮温度に対応する動作可能な最
低凝縮圧力に設定するのが好ましい。制御弁(210)の上
流を流れる操作用流体の圧力が前記最低圧力設定点を超
える限り、制御弁(210)を開放状態に維持し、操作用流
体は乾式間接接触熱交換部(16)から共通受部(208)へ流
れる。大部分の時間を前記モードで動作することが好ま
しく、乾式間接熱交換部(16)は相応の性能（サイズ）を
有する必要がある。

【００７９】第２の制御弁(220)は、より高い操作用流
体の凝縮圧力及び凝縮温度と対応して高圧で開放するよ
うに設定される。制御弁(220)の上流にある流路(214)を
流れる操作用流体の圧力が第２の制御弁(220)の設定点
と等しいか設定点を超えるとき、第２の制御弁(220)が
開放する。第１の制御弁(210)及び第２の制御弁(220)が
開放する場合、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)の両方を通って流れ、
操作用流体の流れはいずれも共通受部(208)へ流入す
る。第２の間接接触熱交換部(28)は乾式動作モード又は
蒸発モードで動作する。また、熱交換装置(8)を設定し
て、ある温度で弁(220)が開放して乾式動作モードで動
作させ、他の高い温度でポンプ(54)を付勢して蒸発モー
ドで動作させてもよい。

【００８０】第３の制御弁(226)は、第１の制御弁(210)
及び第２の制御弁(220)の設定点より低い圧力で開放す
る。従って、例えば周囲温度が低い場合及びシステム起
動時等の操作用流体の圧力が低い場合、第３の制御弁(2
26)は開放し、第１の制御弁(210)及び第２の制御弁(22
0)は閉鎖する。操作用流体は、間接接触熱交換部(16,2
8)をいずれも通過せずに共通受部(208)へ直接流れ、共
通受部(208)を速やかに加圧する。

【００８１】制御弁(210, 220, 226)として市販の弁を
使用できる。適当な市販の弁として、例えばアメリカ合
衆国イリノイ州ブロードビュー所在のリフリジャレイテ
ィング・スペシャルティーズ・カンパニー（Refrigerat
ing Specialties Company）社の型番A４A液体ドレン調
整器等の調整弁がある。

【００８２】図１５の実施の形態では、例えば蒸発性液
体の使用を周囲乾球温度に対応して節水を達成できる。
温度センサ(74)は制御装置(72)に接続され、周囲乾球温
度が設定点を超えると制御装置(72)は水ポンプ(54)をオ
ンする。また、前記設定周囲乾球温度に達した時にダン
パ(102)を閉鎖してもよい。

【００８３】制御弁(220)を閉鎖して乾式間接接触熱交
換部(16)に入る前に空気流(96, 98)を冷却する間、分配
装置(46)を付勢することが望ましい。このモードでは、
蒸発性液体は操作用流体からの熱負荷を全く担持しな
い。

【００８４】図１６の直列流凝縮器では、操作用流体、
即ち冷媒蒸気は、操作用流体入口(12)に入り、乾式間接
接触熱交換部(16)へ流れて部分的に熱が抽出される。そ
の後、操作用流体は冷媒蒸気と液体との混合物となり、
操作用流体接続流路(60)を通って第２の間接接触熱交換
部(28)へ流れて残余の冷媒蒸気が液体に凝縮される。乾
式動作モードの間、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)を通過する空気量によって熱抽
出過程が制御される。乾式動作モードの設計乾球切替温
度では、空気流は最大速度で供給される。

【００８５】空気温度が設計切替点以下に低下すると、
液体排出ライン(62)中の凝縮圧力は凝縮温度と共に低下
する。この変化は、第２の間接接触熱交換部(28)からの
排出ライン(62)中のセンサ（例えば温度センサ又は圧力
センサ）(70)によって検出される。センサ(70)は制御装
置(72)へ入力を供給する。制御装置(72)が「操作用流体
の凝縮圧力又は凝縮温度が低下した」との信号をセンサ
(70)から受けると、制御装置(72)はファン(108)の速度
を減少する信号を送る。２段変速ファンでは、速度を高
速から低速に変更する。可変速ファンでは、モータ速度
を高速から徐々に低速へ変化させる。

【００８６】周囲空気温度が設計切替点以上に上昇する
と、液体排出ライン(62)中の凝縮圧力は凝縮温度と共に
低下する。周囲温度を使用する場合にはセンサ(74)によ
り、凝縮圧力を使用する場合はセンサ(70)によりこの変
化を検出し、制御装置(72)へ適当な信号を送る。制御装
置(72)が応答してポンプ(54)をオンする。このため、蒸
発性液体がノズル(48)へ汲み上げられて第２の間接熱交
換部(28)上へ噴霧され、蒸発凝縮が行われる。また、制
御装置(72)は、最大以下の空気温度でファン(108)の低
速運転を行い、夏期のピーク温度に達したときファン(1
08)の速度を増大して、空気流を調整してもよい。

【００８７】本発明は、種々の構造上の変更が可能であ
る。例えば、空気のダンパ(102)に可変速ファン又は２
速ファンを組み込んでもよい。また、空気流を調整する
ダンパ(102)と共に定速ファンを用いてもよい。図１６
と同様に、図１及び図８〜図１０の構造を有する流体冷
却器に設けられる迂回流路又は図１５の構造の接続流路
を備えることが望ましい。

【００８８】また、本発明は操作用流体から熱を抽出す
る熱抽出法を提供する。本発明の一側面では、操作用流
体は熱交換装置(8)を通ると共に、空気流は熱交換装置
(8)を通って移動する。熱交換装置(8)は、乾式間接接触
熱交換部(16)と、第２の間接接触熱交換部(28)と、直接
接触熱交換部(76)と、第２の間接接触熱交換部(28)の上
方の蒸発性液体の分配装置(46)とを含む。蒸発性液体
は、第２の間接接触熱交換部(28)へ選択的に散布される
か又は散布されない。例えば圧力又は温度等の操作用流
体の物理的性質に基づいて蒸発性液体を散布するか否か
を選択してもよく、この場合、熱抽出法は操作用流体の
物理的な性質を測定する過程を含む。蒸発性液体を散布
するか否かの選択を周囲温度に基づいて行ってもよく、
この場合、熱抽出法は周囲空気温度を測定する過程を含
む。

【００８９】例えば操作用流体出口(14)等の乾式間接接
触熱交換部(16)の下流の位置で操作用流体の温度又は圧
力を測定してもよい。

【００９０】他の側面として、本発明は、操作用流体を
用意する過程と、蒸発性液体を用意する過程と、熱交換
装置(8)を用意する過程とを含む操作用流体から熱を抽
出する熱抽出法を提供する。熱交換装置(8)は、蒸発性
液体の分配装置(46)と、乾式間接接触熱交換部(16)と、
第２の間接接触熱交換部(28)と、直接接触熱交換部(76)
とを備える。この熱抽出法は、第２の間接接触熱交換部
(28)上に蒸発性液体を散布しながら第２の間接接触熱交
換部(28)を通して空気流を移動させて空気流の温度を周
囲乾球温度以下に冷却する過程を含む。冷却された空気
流を乾式間接接触熱交換部(16)を通して移動させながら
操作用流体を乾式間接接触熱交換部(16)に通す。

【００９１】従って、本発明の熱交換装置(8)及び熱交
換法によれば、蒸発性液体及びエネルギの両方を節約で
きる。また、熱交換装置から排出されるいずれの空気流
も排出直前に間接接触熱交換部を通過するため、排出空
気流が加熱されて羽毛状煙の形成を低減又は排除でき
る。

【００９２】本発明の実施の形態では下記の重要な作用
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、断熱飽和モード、流量調整モードの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、
操作用流体の冷却に必要な最小限度の流量に蒸発性液体
の流量を維持して蒸発性液体を節約するできる。 [２] 流量制御装置(66)の作動により乾式間接接触熱交
換部(16)、第２の間接接触熱交換部(28)及び乾式間接接
触熱交換部(16)と第２の間接接触熱交換部(28)の両方を
同時に流れる操作用流体の流量を所望のレベルに調整す
ることができる。

【００９３】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。

【００９４】

【発明の効果】前記の通り、本発明による熱交換装置及
び熱抽出法では、蒸発性液体を節約すると共に、高い蒸
発熱交換効率で熱抽出を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による閉回路熱交換装置の内部を略示
する側面図

【図２】 第２の間接接触熱交換部への入口流路及び間
接接触熱交換部からの操作用流体迂回流路を示す第２の
間接接触熱交換部の部分拡大斜視図

【図３】 本発明の熱交換器を第１の乾式動作モードで
動作する場合の操作用流体及び空気流の温度変化を略示
するグラフ

【図４】 本発明の熱交換器を断熱飽和により第２の動
作モードで動作する場合の操作用流体及び空気流の温度
変化を略示するグラフ

【図５】 本発明の熱交換器を調整操作用流体流により
第３の動作モードで動作する場合の操作用流体、空気流
及び蒸発性液体の温度変化を略示するグラフ

【図６】 乾球温度及び湿球温度を示しかつ各動作モー
ドにおける本発明の熱交換器の動作を示すある選択した
都市についての典型的な年間温度グラフ

【図７】 伝統的な閉回路蒸発冷却塔の水消費量と本発
明で予想される水消費量とを比較するグラフ

【図８】 本発明による閉回路熱交換装置の第２の実施
の形態を示す側面図

【図９】 本発明による閉回路熱交換装置の第３の実施
の形態を示す側面図

【図１０】 本発明による閉回路熱交換装置の第４の実
施の形態を示す側面図

【図１１】 本発明による閉回路熱交換器に使用する乾
式間接接触熱交換装置又はコンパクト熱交換器の斜視図

【図１２】 本発明による熱交換器の第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１３】 本発明の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１４】 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１５】 凝縮器に適用した本発明による閉回路熱交
換装置の他の実施の形態を示す側面図

【図１６】 凝縮器に適用した本発明による他の形態の
閉回路熱交換装置の更に他の実施の形態の側面図

【図１７】 本発明による熱交換器の外部を略示する斜
視図

【図１８】 熱交換装置の反対角度から見た図１７の熱
交換器の外部の他方側を略示する斜視図

【符号の説明】

(8)・・熱交換装置、 (10)・・熱交換器、 (12)・・
操作用流体入口、 (14)・・操作用流体出口、 (16)・
・乾式間接接触熱交換部、 (18)・・空気入口側、 (2
0)・・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、
(46)・・分配装置、 (48)・・スプレー出口、 (51, 7
0, 74)・・センサ（センサ装置）、 (54)・・ポンプ
（液送装置）、 (56)・・液溜め、(60)・・操作用流体
接続流路、 (62)・・操作用流体出口流路、 (64)・・
操作用流体迂回流路、 (66)・・調節弁（操作用流体流
制御装置、流量制御装置）、 (72)・・制御装置、 (7
6)・・直接接触熱交換部、 (78)・・空気入口側、(80)
・・空気出口側、 (82)・・充填媒体、 (84)・・高圧
室、 (94)・・ハウジング、 (95, 99)・・開口部、
(96)・・副空気流、 (98)・・主空気流、(100)・・補
助空気開口部、 (101)・・周囲空気流、 (102)・・ダ
ンパ、 (108)・・ファン（空気移動装置）、 (110)・
・混合空気流、

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 操作用流体入口から操作用流体が供給さ
   れる操作用流体回路、空気入口側及び空気出口側を有す
   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、 乾式間接接触熱交換部の操作用流体回路と第２の間接接
   触熱交換部の操作用流体回路との間で操作用流体を案内
   する操作用流体接続流路と、 第２の間接接触熱交換部と操作用流体出口との間で操作
   用流体を案内する操作用流体出口流路と、 乾式間接接触熱交換部及び第２の間接接触熱交換部から
   操作用流体流を選択的に操作用流体出口に切り替える操
   作用流体流制御装置と、 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
   する分配装置とを備え、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】 乾式間接接触熱交換部の操作用流体回路
   と操作用流体出口との間で操作用流体を案内する操作用
   流体迂回流路を備える請求項１に記載の熱交換装置。
3. 【請求項３】 熱交換装置は、空気入口側、空気出口側
   及び複数の充填媒体を有しかつ第２の間接接触熱交換部
   から蒸発性液体を受ける直接接触熱交換部と、直接接触
   熱交換部から蒸発性液体を受ける液溜めとを備え、分配
   装置は、複数のスプレー出口と、液溜めからスプレー出
   口に蒸発性液体を選択的に供給する液送装置とを備えた
   請求項１に記載の熱交換装置。
4. 【請求項４】 操作用流体流制御装置は、第２の間接接
   触熱交換部への操作用流体の流入、第２の間接接触熱交
   換部に対する操作用流体の完全迂回又は第２の間接接触
   熱交換部に対する操作用流体の部分的迂回のいずれかに
   操作用流体の流れを制御する調整切換弁を備え、熱交換
   装置は、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の下流を流れる
   操作用流体の温度を検出するセンサ装置を備える請求項
   １に記載の熱交換装置。
5. 【請求項５】 空気入口側、空気出口側及び操作用流体
   入口から操作用流体が供給される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、 乾式間接接触熱交換部と操作用流体出口との間で操作用
   流体を案内する操作用流体流路と、 第２の間接接触熱交換部と操作用流体出口との間で操作
   用流体を案内する操作用流体流路と、 乾式間接接触熱交換部及び第２の間接接触熱交換部から
   操作用流体流を選択的に操作用流体出口に切り替える操
   作用流体流制御装置と、 第２の間接接触熱交換部へ蒸発性液体を選択的に散布す
   る分配装置とを備え、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。
6. 【請求項６】 乾式間接接触熱交換部と操作用流体出口
   との間で操作用流体を案内する操作用流体流路は乾式間
   接接触熱交換部から操作用流体出口へ循環する操作用流
   体迂回流路を備え、熱交換装置は、乾式間接接触熱交換
   部から第２の間接接触熱交換部の操作用流体回路への操
   作用流体接続流路を備える請求項５に記載の熱交換装
   置。
7. 【請求項７】 乾式間接接触熱交換部の空気入口側、第
   ２の間接接触熱交換部及び直接接触熱交換部の空気出口
   側の間に形成された共通の高圧室と、直接接触熱交換部
   及び高圧室をほぼ包囲するハウジングとを備え、ハウジ
   ングは直接接触熱交換部の空気入口側と対応する開口部
   と、高圧室に連絡する補助空気開口部と、補助空気開口
   部を選択的に閉鎖する複数のダンパとを有する請求項１
   〜６のいずれか１項に記載の熱交換装置。
8. 【請求項８】 操作用流体を用意する過程と、 蒸発性液体を用意する過程と、 蒸発性液体の分配装置、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用意する過程
   と、 空気流を第２の間接接触熱交換部に通しながら操作用流
   体を第２の間接接触熱交換部を通す過程と、 第２の間接接触熱交換部の上に蒸発性液体を選択的に散
   布する又は散布しない過程とを含み、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。
9. 【請求項９】 操作用流体の物理的特性を検出する過程
   を含み、検出した操作用流体の物理的な性質に基づいて
   第２の間接接触熱交換部の上に蒸発性液体を選択的に散
   布する又は散布しない過程を行う請求項８に記載の熱抽
   出法。
10. 【請求項１０】 検出する物理的特性は、操作用流体温
    度及び周囲空気温度の少なくとも１つである請求項９に
    記載の熱抽出法。
11. 【請求項１１】 操作用流体を用意する過程と、 蒸発性液体を用意する過程と、 蒸発性液体の分配装置、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用意する過程
    と、 第２の間接接触熱交換部及び直接接触熱交換部間の少な
    くとも１つを通して空気流を移動させると共に、第２の
    間接接触熱交換部及び直接接触熱交換部上に蒸発性液体
    を散布して空気流の温度を周囲乾球温度以下まで冷却す
    る過程と、 冷却した空気流を乾式間接接触熱交換部に通しながら操
    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。