JP2008524543A - 熱交換装置 - Google Patents

Abstract

高い熱交換率を有する小型の熱交換装置を提供する。
２つの媒体間で熱を伝達する熱交換装置12である。流入口１および流出口２を有する外装管８を備えている。内装官３を、外装管８の内部に内装官３を配設する。内装官３は、流入口１に対向する側を閉塞した閉塞部と、流出口２に対向する側に設けた冷媒流入口５および冷媒流出口とを有する。冷媒流出口から流入口１側に向けて内装管３の周囲を螺旋状に巻回した螺旋管７を内装管３の冷媒流出口に接続する。螺旋管７に冷媒流出部10を連通して接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は、２つの媒体間で熱を伝達する熱交換装置に関する。

従来、この種の熱交換装置は、２つの媒体間で熱を交換するために種々の技術分野で使用されており、この熱交換装置を使用して処理される媒体が加熱または冷却される。

そして、この熱交換装置の利用分野の一つは、高温ガスの冷却である。例えば、内燃機関の分野では、燃焼室から排出される１０００℃以上の高温ガスを５０℃以下に冷却する必要がある。一般に、この高温ガスを５０℃以下に冷却するために熱交換装置が使用される。そして、設置場所が限られている場合や、他の理由などによりできる限り短い経路で熱交換する必要がある場合には、さらに小型または短い構成の熱交換装置が望ましい。

上述した従来の技術において、極めて短い経路で大きな温度勾配、例えば略３０ｃｍの高さ寸法の設置場所で、１０００℃以上の入口温度から８０℃未満、好ましくは５０℃未満の出口温度まで高温ガスを冷却することに適した熱交換装置は知られていない。

よって、本発明は、高い熱交換率を有する小型の熱交換装置を提供することを目的としている。

本発明の目的は、請求項１の構成を有する熱交換装置にて実現される。この熱交換装置のさらに好ましい構成を請求項２ないし７に示す。請求項８は、熱交換装置の好ましい使用例を示しているが、この使用例に限られるものではない。

そして、この熱交換装置は、外装管の内部に位置し片側が閉鎖されて閉塞部が形成された内装管を有することを特徴としている。この内装管の閉塞部は、外装管の流入口側に位置している。この流入口には、例えば冷却すべき高温ガスまたは他の高温の媒体が流れ込む。そして、冷媒が内装管に供給されて冷却すべき媒体が冷却される。この媒体は、閉塞部と内装管の壁面とのそれぞれを伝って流れていく。冷媒は、内装管から、この内装管の周囲に巻回されている螺旋管へ流れていき熱交換装置から流れ出る前にさらに冷却作用を生じさせる。

この結果、内装管の壁面または螺旋管の壁面によって冷媒と冷却すべき媒体とが隔てられているため、これら冷媒と冷却すべき媒体との間に接触が生じ、これら冷媒と冷却すべき媒体との間の接触面積が従来の熱交換装置に比べて大幅に増大する。さらに、冷却すべき媒体が内装管の片側の閉塞部に接触してから、この内装管の側面に巻回されている螺旋管に沿って流れるため、この冷却すべき媒体の一部が実際の渦流に逆らって乱流が発生する。そして、この乱流によって、熱交換装置中の冷却すべき媒体の滞留時間や移動経路が非常に長くなる。この結果、この熱交換装置の設置する長さが短くても、冷却すべき媒体と、媒体が通過する内装管または螺旋管との間で密接な接触が生じる。よって、短い経路の熱交換装置であっても非常に効率の良い冷却ができる。

一方、熱交換装置は、「冷媒流入部」に熱媒を流入させて、外装管に冷たい媒体を流入させて加熱することもできる。このため、「冷媒流入口」、「冷媒流出口」および「冷媒流出部」の語は、冷媒に限定して解釈すべきではなく、外装管を流れる媒体を加熱する媒体、すなわち「熱媒」であっても、同様に使用できる。

請求項２によれば、内装管の内部に設けた流入管には、この内装管に流入する冷媒が内装管の全体に分散してから、この流入管を介して螺旋管へ流れ込むという効果がある。そして、内装管の壁面にて得られる冷却作用は、流入管による冷媒の分散によって増大し、熱交換装置の冷却力または熱交換力を向上させる。なお、媒体を加熱する熱交換装置の作用についても同様である。

請求項３によれば、内装管の閉塞部に衝突板を設けることにより、内装管および螺旋管の幾何学的な形状によって生じる流入媒体の乱流が最初に引き起こる。このため、この乱流によって、熱交換装置中の流入媒体の滞留時間が長くなるから、この熱交換装置の熱交換率を向上できる。

請求項４によれば、螺旋管が少なくとも内装管の長さ方向全体に亘って設けられ、この内装管を覆っているため、熱交換率をより向上できる。そして、螺旋管の個々の巻き線は、緊密に巻回されているが、外装管および内装管のそれぞれに対してほぼ接触させずに巻回されていることが好ましい。また、冷却または加熱すべき媒体と、冷媒または熱媒が通過する螺旋管の表面との間でも接触が生じるようにするために、螺旋管の個々の巻き線の間に間隙が形成されている必要がある。

請求項５によれば、螺旋管は、内装管の壁面および外装管の壁面のそれぞれに対して径方向に間隙を空けて設けられていることにより、外装管を流れる媒体の所望の乱流を発生させて、熱交換率をより向上できる。ここで、請求項６によれば、内装管の壁面に対する螺旋管の径方向の間隔が、外装管の壁面に対する螺旋管の径方向の間隔とほぼ同一であるため、熱交換率をさらに向上できる。

請求項７によれば、螺旋管は熱伝導性を有する材料にて形成されていることが好ましい。ここで、この螺旋管の材料として好ましくは銅が用いられているが、例えば銀などの十分な熱伝導性を有する他の材料であってもよい。

請求項８によれば、冷却する一方の媒体として、内燃機関の燃焼排気ガス、特に自動車エンジンの燃焼排気ガスを使用することが好ましい。具体的に、自動車エンジン、または自動車エンジンの排気システムにおいては、約１０００℃以上で燃焼室から排出されえる高温の燃焼排気ガスを８０℃以下、好ましくは５０℃未満の温度に冷却できる高い冷却力を有しなければならない。ところが、この自動車エンジンの排気システムを設置するスペースが限られているため、熱交換装置が小型でなければならない。このため、自動車エンジンの排気システムの燃焼排気ガスを冷却する場合に適している。

以下、本発明の熱交換装置の一実施の形態を図面を参照して説明する。

図１において、12は熱交換装置である。この熱交換装置12は、放射状に傾斜した幅狭部を介して、図１の上部に示す流入口１と、図１の下部に示す流出口２とが開口した外装管８を備えている。また、この熱交換装置12は、例えば高温ガスを冷却するように構成されている。なお、この熱交換装置12は、例えば液体の冷却、または気体あるいは液体の加熱などの可能性のあるすべての２つの異なる媒体間の熱伝達に使用できる。

さらに、外装管８の内部には、同心状に内装管３が配置されており、この内装管３の図１の上部に示す流入口１に対向している端部側が閉塞されて閉塞部が形成されている。そして、この内装管３の閉塞部には、流入口１を介して熱交換装置12に流れ込む媒体、例えばガスが衝突する衝突板11が設けられている。また、この内装管３の流出口２に対向する側の他方の端部側には、外装管８を貫通して冷媒流入部９に接続される冷媒流入口５が設けられている。さらに、この内装管３の内部には、衝突板11に対向する位置まで突出し、この衝突板11に対向する位置で開口した開口部を有する流出管６が配置されている。この開口部は、この開口部の中心が内装管３の中心軸と略等しくなるように位置している。また、流出管６は、内装管３を貫通して螺旋管７の先端部に接続されている。この螺旋管７は、互いに狭い間隔を空けて保持された巻き線を有し、少なくとも内装管３の長さ方向全体に亘って設けられて、この内装管３の周囲を覆っている。さらに、この内装管３は、螺旋管７の基端部に接続され外装管８を貫通する冷媒流出部10に接続されている。

上記一実施の形態の熱交換装置12を、内燃機関の高温排気ガスの冷却工程に用いた好ましい形態では、この高温排気ガスが流入口１を介して外装管８内に流れ込む。この後、この高温排気ガスは、流入口１から外装管８内に流れ込んだ位置で衝突板11に衝突して分流して、最初の乱流が発生する。なお、この乱流の様子を図１中の矢印で示す。さらに、この衝突板11では、高温排気ガスと内装管３の内部を流れる冷媒との最初の直接的な接触が生じて最初の冷却作用が生じる。供給された高温排気ガスである高温の媒体は、衝突板11に衝突して流れが歪められて、外装管８と内装管３との間に形成されている環状の間隙に流れ込む。そして、この環状の間隙に螺旋管７が位置しており、この螺旋管７は、内装管３の壁面と外装管８の壁面との間の径方向に沿ったほぼ中央に設置されている。そして、この螺旋管７にて媒体の流れに抵抗が加えられ、新たに冷媒が供給されることによる比較的冷たい内装管３の壁面と、加熱された冷媒がすでに通過したことによる螺旋管７の比較的暖かい壁面との間に発生する媒体の対流によって、外装管８内に供給された媒体が乱流となる。この乱流の様子を図１の右上において螺旋管７の上側の２つの巻き線に記載した矢印で示す。そして、この乱流によって、外装管８の内部に供給された媒体は、この外装管８の内部で比較的長い経路を流れることとなり、冷媒が通過する内装管３の表面と螺旋管７の表面とのそれぞれに集中して接触して冷却される。さらに、この冷却された媒体は、外装管８または螺旋管７を通過する途中で乱流を生じながら、これら外装管８または螺旋管７の全体を通過した後に、流出口２から流出される。

なお、図１には、冷媒流入部９から内装管３、螺旋管７および冷媒流出部10への冷媒の流れが矢印で示されている。

具体的に、熱交換装置12は、内装管３の直径ｄが例えば６０ｍｍで、螺旋管７の壁面から壁面までの直径ｄ_ｓが例えば１１０ｍｍである。また、外装管８の直径Ｄは、例えば１５０ｍｍであって、この外装管８の長さＬは、例えば２００ｍｍ〜３００ｍｍである。さらに、流入口１および流出口２の直径は、例えば約５０ｍｍ〜６０ｍｍである。また、螺旋管７には、断面円形状である例えば直径１５ｍｍの銅管を使用する。

そして、熱交換装置12は、例えば約１０００℃で内燃機関を通過する燃焼排気ガスを約５０℃に冷却するために使用される。このため、この熱交換装置12の冷媒流入口５には、約２５度の室温のｎ−ブタン（ノルマルブタン）が供給される。そして、このｎ−ブタンは、約１２０℃で冷媒流出口から流出される。冷媒としてｎ−ブタンを供給するために３０バール（３０００ｈＰａ）のポンプを使用した。なお、このｎ−ブタンの代わりに、水または他の液体あるいは混合液などを冷媒として使用できる。

さらに、熱交換装置12は、小型にできることから、例えば触媒コンバータまたはサイレンサの代替として自動車エンジンの排気システムと一体化できる。

また、排気ガスを大幅に冷却することによる明確な効果として、複雑な触媒コンバータ技術を用いて排気ガスの流れから抽出しなければならない汚染物質が熱交換装置の内部で沈殿することが分かった。そして、この排気ガスに含まれる汚染物質が熱交換装置の内部で沈殿することは、内燃機関を通過する温度から水の露点温度までの排気ガスの急激な冷却の結果として水が生成されることから説明できる。この水は、排気ガスの流れに含まれているさらに有害な成分をほぼ完全に分離している。この排気ガスが水の露点温度まで冷却される間に発生する水によって熱の一部が放出されることから、さらに冷却効果が生じる。

また、すべてのガスは、１℃加熱する毎に１２６分の１ほど膨張し、温度の低下に応じて収縮するため、数１００℃の温度差がある場合は、ガスの体積が小さくなる。この結果、自動車エンジンの内燃機関で発生する排気ガスを冷却するために熱交換装置12を使用することにより、騒音発生をほぼ完全に解決できるとともに、最終的なサイレンサを除き、従来のサイレンサを無くすことができる。

なお、この熱交換装置12は、上記一実施の形態に記載した使用に限定されず、様々な媒体の冷却または加熱に使用できる。例えば、発電所や工場から放出される排気ガスを冷却するために、より大型で同様の熱交換率を有する熱交換装置12を使用することもできる。この場合は、熱交換装置12によるガスの急激な冷却によって、排気ガスの浄化作用を実現することも可能である。

ただし、この熱交換装置12としては、浄化作用を生じさせずに熱伝達のみに使用することもできる。

なお、この熱交換装置12の重要性および範囲については、発明の範囲を限定する特許請求の範囲に示されている。

本発明の熱交換装置の一実施の形態を示す概略断面図である。

符号の説明

１ 流入口
２ 流出口
３ 内装管
４ 下端部
５ 冷媒流入口
６ 流出管
７ 螺旋管
８ 外装管
９ 冷媒流入部
10 冷媒流出部
11 衝突板
12 熱交換装置
Ｄ 直径
ｄ 直径
ｄ_ｓ 直径
Ｌ 長さ

Claims (8)

1. ２つの媒体の間で熱を伝達する熱交換装置であって、
   一方の前記媒体が流入する流入口、および前記一方の媒体が流出する流出口を有する外装管と、
   前記流入口に対向する側が閉塞されて設けられた閉塞部と前記流出口に対向する側に設けられた冷媒流入口および冷媒流出口とを有し、前記外装管の内部に配設された内装管と、
   この内装管の前記冷媒流出口に接続され、この冷媒流出口から前記流入口側に向けて前記内装管の周囲を螺旋状に巻回した螺旋管と、
   この螺旋管に連通して接続された冷媒流出部と
   を具備したことを特徴とした熱交換装置。
2. 内装管の冷媒流出口は、この内装管の内部で流入口に対向する位置まで突出した流入管に接続されている
   ことを特徴とした請求項１記載の熱交換装置。
3. 内装管の閉塞部には、流入口から外装管へ流れ込む一方の媒体が衝突する衝突板が設けられている
   ことを特徴とした請求項１または２記載の熱交換装置。
4. 螺旋管は、少なくとも内装管の長さ方向全体に亘って設けられ、この内装管を覆っている
   ことを特徴とした請求項１ないし３いずれか記載の熱交換装置。
5. 螺旋管は、内装管の壁面および外装管の壁面のそれぞれに対して径方向に間隔を空けて設けられている
   ことを特徴とした請求項１ないし４いずれか記載の熱交換装置。
6. 内装管の壁面に対する螺旋管の径方向の間隔は、外装管の壁面に対する螺旋管の径方向の間隔とほぼ同一である
   ことを特徴とした請求項５記載の熱交換装置。
7. 螺旋管は、熱伝導性を有する材料にて形成されている
   ことを特徴とした請求項１ないし６いずれか記載の熱交換装置。
8. 一方の媒体は、内燃機関の燃焼排気ガスである
   ことを特徴とした請求項１ないし７いずれか記載の熱交換装置。

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