JP2009229060A - 複数の内部ダイバータを備えた熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】本出願は、熱交換器（２００）を通る流量を制御するための改善された熱交換器（２００）を提供する。
【解決手段】熱交換器（２００）は、入口クーラントボックス（２０２）と出口クーラントボックス（２０４）とを含み、入口クーラントボックス（２０２）と出口クーラントボックス（２０４）とが隔壁（２０６）によって分離され、該隔壁（２０６）は、第１の分流装置（３０２）と第２の分流装置（３０４）とを含み、第１の分流装置（３０２）が流体を分流する流量範囲は、第２の分流装置（３０４）が流体を分流する流量範囲とは異なる。
【選択図】 図２

Description

本出願は、熱交換器に関し、より具体的には、熱交換器を通る冷却媒体の流量を制御するための複数の内部ダイバータを備えた熱交換器に関する。

一般に、熱交換器を通る冷却媒体の流量は、最小レベルと最大レベルの両方を有する。最小レベルは、熱交換器の熱交換機能を実施するのに必要な流出量によって決定され、最大レベルは、熱交換器の流速限界によって決定される。実際には、熱交換器に現実に給送される流体の量は、熱交換器を作動させるのに必要な最小の流体量よりも大きいとすることができる。

現在、熱交換器を通る流量を制御するために様々な方法が存在する。１つの方法は、流体入口配管と流体出口配管との間の熱交換器の外側にバイパス配管を設置することを含む。残念なことに、この固定的な設計は、流量の制限範囲を超えたときにのみ有効であり、熱交換器ユニットの重量及び占有面積を増大させる。別の方法は、流体配管上に外部制御弁を設置し、デジタルコントローラを用いて連続的に弁を調節し、流量を制御するようにすることを含む。この方法は、流出量の制御を可能にすることはできるが、制御弁、コントローラ、及び圧力センサが極めて高価になる可能性がある。

米国特許第６２５３８３７号明細書

従って、幅広い全体の流体流量にわたって熱交換器を通る流量を
より安定したものにすることができる熱交換器が望まれている。熱交換器は、比較的安価とすることができ、比較的小さな熱交換器占有面積を可能にすることができる。

従って、本出願は、熱交換器を通る流量を制御する熱交換器及び熱交換の方法を提供する。熱交換器は、入口クーラントボックスと出口クーラントボックスとを含むことができ、入口クーラントボックスと出口クーラントボックスとが隔壁によって分離され、該隔壁は、第１の分流装置と第２の分流装置とを含み、第１の分流装置が流体を分流する流量範囲は、第２の分流装置が流体を分流する流量範囲とは異なる。本方法は、隔壁によって分離された、入口クーラントボックスと出口クーラントボックスとを含む熱交換器を準備する段階と、最小と最大との間で経時的に変化する全流量で流体を入口クーラントボックス内に送給する段階と、全流量が最小と最大との間の第１の流量を超える時間期間の間、流体の第１の部分を隔壁を越えて出口冷却ボックス内に分流する段階と、全流量が最小と最大との間の第２の流量を超える時間期間の間、流体の第２の部分を隔壁を越えて出口冷却ボックス内に分流する段階とを含むことができる。

本出願のこれら及び他の特徴は、添付の請求項と共に以下の詳細な説明を評価することにより当業者には明らかになるであろう。

従来技術の蒸気凝縮熱交換器の側断面図。 熱交換器クーラントボックスの一実施形態の側断面図。 図２の熱交換器クーラントボックスの部分側断面図。 端部カバーを除去した図２の熱交換器クーラントボックスの上方斜視図。 端部カバーを除去した図２の熱交換器クーラントボックスの下方斜視図。

本出願は、改善された熱交換器及び熱交換のための改善された方法を提供する。

Ｉ．一般的な熱交換器の構造
次に図面を参照すると、図１は、従来技術の蒸気凝縮熱交換器１００の側断面図を示す。熱交換器１００は、蒸気を凝縮液（水）に変換するのに用いることができる。

熱交換器１００は、管体側１０２とシェル側１０４とを含むことができる。管体側１０２は、入口クーラントボックス１０６、出口クーラントボックス１０８、及び中間クーラントボックス１１０を含むことができる。入口クーラントボックス１０６と出口クーラントボックス１０８とは、隔壁１１２によって分離することができる。シェル側１０４は、１つ又はそれ以上のバッフル１１４を含むことができる。バッフル１１４は、シェル側１０４を通る流体流を配向することができる。

通常水である冷却流体は、冷却流体入口１１６を通って入口クーラントボックス１０６に入ることができる。次いで、冷却流体は、入口クーラントボックス１０６から第１の管体束１１８に入ることができる。第１の管体束１１８を通過した後、冷却流体は、中間クーラントボックス１１０に入り、第２の管体束１２０を通過して、出口クーラントボックス１０８に入ることができる。次いで、冷却流体は、冷却流体出口１２２を通って熱交換器１００から出ることができる。

通常蒸気である高温流体は、高温流体入口１２４を通ってシェル側１０４に入ることができる。次に、高温流体は、バッフル１１４の周囲及び管体１１８及び１２０上を通って冷却流体と熱交換して凝縮させるようにすることができる。凝縮蒸気（水）は、凝縮液出口１２６を通って熱交換器１００から出ることができ、空気及びあらゆる残留蒸気は、蒸気出口１２８を通って熱交換器１００から出ることができる。同様の設計も知られている。

ＩＩ．複数の内部ダイバータを備えた熱交換器
再度図面を参照すると、図２は、本明細書に記載する複数の内部ダイバータを備えた熱交換器２００の一実施形態の部分側断面図を示す。

熱交換器２００は、入口クーラントボックス２０２及び出口クーラントボックス２０４を含むことができる。入口クーラントボックス２０２と出口クーラントボックス２０４とは、隔壁２０６により分離することができる。熱交換器２００はまた、熱交換器２００へのアクセスを可能にする端部カバー２０８を有することができる。

通常は水である冷却流体は、冷却流体入口２１０を通って入口クーラントボックス２０２に入ることができる。次に、冷却流体は、入口クーラントボックス２０２から１つ又はそれ以上の管体束（図示せず）を通って流れることができる。管体を通過した後、冷却流体は、出口クーラントボックス２０４に入ることができる。次いで、冷却流体は、冷却流体出口２１２を通って熱交換器２００から出ることができる。

隔壁２０６は、熱交換器内の流れを分流する複数の内部分流装置を含むことができる。分流装置は、当該技術分野で公知の分流装置のあらゆるタイプを本質的に含むことができる。重要なことには、分流装置の各々が動作する流量範囲は、他の分流装置が動作する流量範囲とは異なる。好適な分流装置の非限定的実施例には、流量制御オリフィス、リフト弁、及び「フラッパ」形式弁が挙げられる。一実施形態において、分流装置は、バネを利用する「フラッパ」形式弁を含む。バネは、低流量で冷却流体の圧力と反対に作用して、フラッパを閉鎖状態のままにすることができ、大きな流量でフラッパを開放できるようにすることができる。

特定の実施形態において、分流装置は、第１のリフト弁３０２及び第２のリフト弁３０４を含むことができる。第１のリフト弁３０２及び第２のリフト弁３０４の詳細が図３に示されており、これは図２の熱交換器クーラントボックスの部分側断面図を示している。第１のリフト弁３０２は、第１のリフトディスク３０６を含むことができ、第２のリフト弁３０４は、第２のリフトディスク３０８を含むことができる。リフトディスク３０６及び３０８は、隔壁２０６内の第１の開口部３１０及び第２の開口部３１２上にそれぞれ位置決めすることができる。

流量の第１の下方範囲にわたって、第１のリフトディスク３０６は、隔壁２０６を通る流体流を遮断するように第１の開口部３１０を覆うことができる。流量の第１の上方範囲にわたって、第１のリフトディスク３０６は、流体を隔壁２０６内の第１の開口部３１０に通すことができるように第１の案内ロッド３１４を上方に移動させることができる。同様に、流量の第２の下方範囲にわたって、第２のリフトディスク３０８は、隔壁２０６を通る流体流を遮断するように第２の開口部３１２を覆うことができる。流量の第２の上方範囲にわたって、第２のリフトディスク３０８は、流体を隔壁２０６内の第２の開口部３１２に通すことができるように第２の案内ロッド３１６を上方に移動させることができる。

第１のリフト弁３０２が動作する流量範囲と第２のリフト弁３０４が動作する流量範囲とは、リフト弁の設計に起因して異なる場合がある。特定の実施形態において、第１のリフトディスク３０６は、第２のリフトディスク３０８の質量とは異なる質量を有し、これによって第１のリフトディスク３０６は、第２のリフトディスク３０８が第２の案内ロッド３１６を上方に移動させる流量範囲とは異なる流量範囲で第１の案内ロッド３１４を上方に移動させるようになる。別の実施形態において、第１の開口部３１０は、第２の開口部３１２の面積とは異なる面積を有し、これによって第１のリフトディスク３０６は、第２のリフトディスク３０８が第２の案内ロッド３１６を上方に移動させる流量範囲とは異なる流量範囲で第１の案内ロッド３１４を上方に移動させるようになる。更に別の実施形態において、第１のリフトディスク３０６は、第２のリフトディスク３０８の質量とは異なる質量を有し、第１の開口部３１０は、第２の開口部３１２の面積とは異なる面積を有し、これによって第１のリフトディスク３０６は、第２のリフトディスク３０８が第２の案内ロッド３１６を上方に移動させる流量範囲とは異なる流量範囲で第１の案内ロッド３１４を上方に移動させるようになる。

異なる流量範囲にわたって動作する分流装置の使用は、同じ流量範囲にわたって動作する分流装置の使用と比べて有意な利点を提供することができる。例えば、流量の全範囲の下端付近で動作する分流装置は、全範囲の上端付近では完全に開いている可能性があり、全流量の高いレベルで熱交換器を通る流量が制御されない結果となる。同様に、流量の全範囲の上端付近で動作する分流装置は、全範囲の下端付近で完全に閉じている可能性があり、全流量の低いレベルで熱交換器を通る流量が制御されない結果となる。全流量の異なる範囲にわたって動作する分流装置を用いることで、熱交換器を通る流量は、１つの分流装置により全範囲の下端で効果的に制御することができ、第２の分流装置により全範囲の上端で効果的に制御することができ、その結果、熱交換器を通る流量は、広い範囲の全流量にわたって効果的に制御することができるようになる。

熱交換器２００を用いて、通常水である冷却流体と、通常蒸気である高温流体との間で熱交換を行うことができる。熱交換の方法は、最小と最大との間で経時的に変化する全流量で冷却流体を入口クーラントボックス２０２の冷却流体入口２１０に送給する段階と、全流量が最小と最大との間の第１の流量を超える時間期間中に、流体の第１の部分を第１の分流装置を用いて隔壁２０６を越えて出口クーラントボックス２０４に分流する段階と、全流量が最小と最大との間の第１の流量とは異なる第２の流量を超える時間期間中に、流体の第２の部分を第２の分流装置を用いて隔壁２０６を越えて出口クーラントボックス２０４に分流する段階と、流体の第３の部分を熱交換器２００の管体（図示せず）を通過させて出口クーラントボックス２０４に通す段階と、流体の第１の部分、第２の部分、及び第３の部分を出口クーラントボックス２０４の冷却流体出口２１２を通して送給する段階とを含むことができる。その結果、第１の分流装置は、全流量が第１の流量を超えると流体を分流し、第２の分流装置は、全流量が第２の流量を超えると流体を分流し、第１の分流装置及び第２の分流装置の両方は、全流量が第１の流量及び第２の流量を超えると流体を分流することができる。

第１の分流装置が第１のリフト弁３０２を含み且つ第２の分流装置が第２のリフト弁３０４を含む実施形態において、流体の第１の部分を分流するステップは、第１のリフト弁３０２を開く段階を含むことができ、流体の第２の部分を分流するステップは、第２のリフト弁３０４を開く段階を含むことができる。更に、第１のリフト弁３０２が隔壁２０６内の第１の開口部３１０の上に位置決めされた第１のリフトディスク３０６を含み、且つ第２のリフト弁３０４が隔壁２０６の第２の開口部３１２の上に位置決めされた第２のリフトディスク３０８を含む実施形態において、第１のリフト弁３０２を開くステップは、隔壁２０６内の第１の開口部３１０から第１のリフトディスク３０６を上昇させる段階を含むことができ、第２のリフト弁３０４を開くステップは、隔壁２０６の第２の開口部３１２から第２のリフトディスク３０８を上昇させる段階を含むことができる。

以上の説明は、本出願の好ましい実施形態のみに関連しているが、添付の請求項及びその均等物によって定義される本発明の一般的な技術思想及び範囲から逸脱することなく、多くの変更及び修正を本明細書に対して行うことができる点を理解されたい。

１００ 熱交換器
１０２ 管体側
１０４ シェル側
１０６ 入口クーラントボックス
１０８ 出口クーラントボックス
１１０ 中間クーラントボックス
１１２ 隔壁
１１４ バッフル
１１６ 冷却流体入口
１１８ 第１の管体束
１２０ 第２の管体束
１２２ 冷却流体出口
１２４ 高温流体入口
１２６ 凝縮液出口
１２８ 蒸気出口
２００ 熱交換器
２０２ 入口クーラントボックス
２０４ 出口クーラントボックス
２０６ 隔壁
２０８ 端部カバー
２１０ 冷却流体入口
２１２ 冷却流体出口
３０２ 第１のリフト弁
３０４ 第２のリフト弁
３０６ 第１のリフトディスク
３０８ 第２のリフトディスク
３１０ 第１の開口部
３１２ 第２の開口部
３１４ 第１の案内ロッド
３１６ 第２の案内ロッド

Claims (10)

1. 入口クーラントボックス（２０２）と、
   出口クーラントボックス（２０４）と、
   を備え、
   前記入口クーラントボックス（２０２）と前記出口クーラントボックス（２０４）とが隔壁（２０６）によって分離され、
   前記隔壁（２０６）が、第１の分流装置（３０２）及び第２の分流装置（３０４）を含み、
   第１の分流装置（３０２）が流体を分流する流量範囲は、第２の分流装置（３０４）が流体を分流する流量範囲とは異なる、
   ことを特徴とする熱交換器（２００）。
2. 第１の分流装置（３０２）が第１のリフト弁（３０２）を含み、第２の分流装置（３０４）が第２のリフト弁（３０４）を含む、
   請求項１に記載の熱交換器。
3. 第１のリフト弁（３０２）が、前記隔壁（２０６）内の第１の開口部（３１０）上に位置決めされた第１のリフトディスク（３０６）を含み、第２のリフト弁（３０４）が、前記隔壁（２０６）内の第２の開口部（３１２）上に位置決めされた第２のリフトディスク（３０８）を含む、
   請求項２に記載の熱交換器。
4. 第１のリフトディスク（３０６）が第１の質量を含み、第２のリフトディスク（３０８）が第２の質量を含む、
   請求項３に記載の熱交換器。
5. 第１の開口部（３１０）が第１の面積を含み、第２の開口部（３１２）が第２の面積を含む、
   請求項３に記載の熱交換器。
6. 第１のリフトディスク（３０６）が第１の質量を含み、第２のリフトディスク（３０８）が第２の質量を含み、第１の開口部（３１０）が第１の面積を含み、第２の開口部（３１２）が第２の面積を含む、
   請求項３に記載の熱交換器。
7. 入口クーラントボックス（２０２）と、
   出口クーラントボックス（２０４）と、
   を備え、
   前記入口クーラントボックス（２０２）と前記出口クーラントボックス（２０４）とが隔壁（２０６）によって分離され、
   前記隔壁（２０６）が第１のリフト弁（３０２）及び第２のリフト弁（３０４）を含み、
   第１のリフト弁（３０２）が、前記隔壁（２０６）の第１の開口部（３１０）上に位置決めされた第１のリフトディスク（３０６）を含み、第２のリフト弁（３０４）が、前記隔壁（２０６）の第２の開口部（３１２）上に位置決めされた第２のリフトディスク（３０８）を含み、
   第１のリフトディスク（３０６）が第１の質量を含み、第２のリフトディスク（３１０）が第２の質量を含む、
   熱交換器。
8. 熱交換方法であって、
   隔壁（２０６）によって分離された、入口クーラントボックス（２０２）と出口クーラントボックス（２０４）とを含む熱交換器（２００）を準備する段階と、
   最小と最大との間で経時的に変化する全流量で流体を前記入口クーラントボックス（２０２）内に送球する段階と、
   前記全流量が最小と最大との間の第１の流量を超える時間期間の間、前記流体の第１の部分を前記隔壁（２０６）を越えて前記出口クーラントボックス（２０４）内に分流する段階と、
   前記全流量が最小と最大との間の第２の流量を超える時間期間の間、前記流体の第２の部分を前記隔壁（２０６）を越えて前記出口クーラントボックス（２０４）内に分流する段階と、
   を含む方法。
9. 前記流体の第１の部分を分流するステップが、第１の分流装置（３０２）の第１のリフト弁（３０２）を開く段階を含み、
   前記流体の第２の部分を分流するステップが、第２の分流装置（３０４）の第２のリフト弁（３０４）を開く段階を含む、
   請求項８に記載の方法。
10. 第１のリフト弁（３０２）が、前記隔壁（２０６）の第１の開口部（３１０）上に位置決めされた第１のリフトディスク（３０６）を含み、第２のリフト弁（３０４）が、前記隔壁（２０６）の第２の開口部（３１２）上に位置決めされた第２のリフトディスク（３０８）を含み、
    第１のリフト弁（３０２）を開くステップが、第１のリフトディスク（３０６）を前記隔壁（２０６）内の第１の開口部（３１０）から上昇させる段階を含み、
    第２のリフト弁（３０４）を開くステップが、第２のリフトディスク（３０８）を前記隔壁（２０６）内の第２の開口部（３１２）から上昇させる段階を含む、
    請求項９記載の方法。

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