JP2018503792A - 円弧状板型熱交換器 - Google Patents

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Abstract

円弧状板型熱交換器は、筒状のハウジング(1)と、熱交換プレート群とを備える。熱交換プレート群は、ハウジング(1)の軸線の両側に対称に設けられた2群の円弧状の熱交換プレート(2)を有する。各群の円弧状の熱交換プレート(2)では、ハウジング(1)の中心から外側に向かうにつれて径が順次に増加する複数の円弧状の熱交換プレート(2)により、第1流体流路(201)及び第2流体流路(202)が交互に形成されている。熱交換を行う際に、冷たい流体(又は熱い流体)は、ハウジングの第1流体入口(101)から熱交換器に入り、円弧状の熱交換プレート(2)の直線流路を通過し、第1流体出口(102)から流れ出る一方で、熱い流体(又は冷たい流体)は、ハウジング(1)の側壁における第2流体入口(103)から熱交換器に入り、円弧状の熱交換プレート(2)の円弧状流路を通過し、第2流体出口(104)から流れ出る。これにより、冷たい流体と熱い流体との熱交換が達成される。

Description

本発明は熱交換装置の技術分野に関し、具体的には、コンパクト化され、圧力損失が少なく、伝熱効率が高い円弧状板型熱交換器に関する。
熱交換器は、2種類の流体の間で熱を交換する装置であり、伝導、放射及び対流という3種類の熱伝達方法又はその一部の方法の組み合わせにて熱を伝達する。板型熱交換器は効率が高く、コンパクト化された熱交換装置の一種であり、熱伝達係数が大きく、コンパクト化される等いろいろな優れた点を有する。構造の改善及び大型化製造技術の向上に伴い、板型熱交換器の適用はますます重視されている。従来の板型熱交換器は主に渦巻板式熱交換器及びプレート式熱交換器という2種類がある。渦巻板式熱交換器の主な欠点は、単一の流路で通路の断面積に制限があるため流量が多くない場合(例えば気−気熱交換の場合)のみに使用されるところにある。一方で、プレート式熱交換器の主な欠点は、耐圧能力が低く、圧力損失が大きく、処理量が大きい場合の熱交換要求に応えられないところにある。
本発明は、上記技術課題を解決して、コンパクト化され、圧力損失が小さく、伝熱効率が高く、適用範囲が広い等優れた点を有する円弧状板型熱交換器を提供することを目的とする。
本発明は上記技術課題を解決するために円弧状板型熱交換器を提供する。円弧状板型熱交換器は、筒状のハウジングと、ハウジング内に設けられた熱交換プレート群とを備える。ハウジングには、熱交換プレート群における流体通路と連通する出入口が設けられている。ハウジングは、一般的に円筒状をなす。ハウジングの長手方向の両端には、第1流体入口及び第1流体出口がそれぞれに設けられている。ハウジングの側壁には、第2流体入口及び第2流体出口が設けられている。前記熱交換プレート群は、ハウジングの軸線の両側に対称に設けられた2群の円弧状の熱交換プレートを有する。円弧状の熱交換プレートの弧度は180°より小さい。各群の円弧状の熱交換プレートでは、ハウジングの中心から外側に向かうにつれて径が順次に増加する複数の円弧状熱交換プレートにより、第1流体流路及び第2流体流路が交互に形成されている。
前記第1流体流路のハウジングの軸線と平行する2つの端面は密閉されている。第1流体流路のハウジングの軸線と垂直する2つの端面夫々には流路口が設けられ、ハウジングの軸方向に沿う直線流路が形成されている。熱い流体(冷たい流体)はハウジングの第1流体入口から直線流路に入り、ハウジングの軸方向に沿って流れ、第1流体出口から流れ出る。
前記第2流体流路のハウジングの軸線と垂直する2つの端面は密閉されている。第2流体流路のハウジングの軸線と平行する2つの端面夫々には流路口が設けられ、周方向に沿う円弧状流路が形成されている。冷たい流体(熱い流体)はハウジングの第2流体入口から円弧状流路に入り、円弧状流路に沿って流れ、第2流体出口から流れ出る。
前記2群の円弧状の熱交換プレートの間の領域は、1つの仕切部材によって、ハウジングにおける相応の出入口とそれぞれに連通する入口集合室及び出口集合室に分けられている。熱交換プレート群の複数の第2流体流路は、入口端が入口集合室に集まり、出口端が出口集合室に集まっている。第2流体は、ハウジングの入口から入口集合室に入ってから、入口集合室を経由して各第2流体通路に入る。各第2流体通路を経由した流体は、出口集合室に集まり、ハウジングの出口から流れ出る。入口集合室及び出口集合室は、ハウジングの軸線と平行する方向における両端が、端部板によって密閉されており、第1流体が入口集合室及び出口集合室に入ることを防止することができる。
本発明に係る円弧状板型熱交換器の好ましい形態では、前記ハウジングと最外層の2つの円弧状の熱交換プレート夫々との間に、側板がハウジングの軸方向に沿って設けられており、2つの側板は、ハウジングと熱交換プレート群との間の領域を、入口集合室及び出口集合室にそれぞれに連通する2つの室に仕切る。
本発明に係る円弧状板型熱交換器の好ましい形態では、前記熱交換プレート群はさらに補強リングを2つ有し、2つの補強リング夫々は、最外層の円弧状の熱交換プレートの両端に環装されており、補強リングは円弧状の熱交換プレート及び端部板に溶接固定されており、補強リングは熱交換プレート群の第1流体流路及び第2流体流路を効率的に接続することができる。
本発明に係る円弧状板型熱交換器の好ましい形態では、前記補強リングとハウジングの内壁との間に、円弧状の接続板が設けられており、円弧状の接続板は、環状をなす金属板であり、ハウジングの内壁及び補強リングにそれぞれに溶接固定されており、温度差による応力を効率的に緩和することができる。
本発明に係る円弧状板型熱交換器の好ましい形態では、前記仕切部材は仕切板であり、仕切板は、ハウジングの軸方向に沿って2群の円弧状の熱交換プレートの間の領域に貫設されており、また、仕切板は、最内層の2つの円弧状の熱交換プレート夫々に密封接続されている。
本発明に係る円弧状板型熱交換器の好ましい形態では、前記仕切部材は中心管であり、該中心管の両端はハウジング上の直線流路に対応した出入口とそれぞれに連通しており、また、中心管の出口端にバタフライバルブが設けられている。中心管は、調節手段として、出口側の温度を高めようとする場合、バタフライバルブを介して中心管を開けて、一部の流体を直接に中心管を通過させて出口側の流体と混合させることで温度を高め、バタフライバルブの開度によって温度を調節することができる。
本発明に係る円弧状板型熱交換器の好ましい形態では、前記仕切部材は渦巻板式熱交換器であり、渦巻板式熱交換器は、軸方向流路及び渦巻流路を有し、軸方向流路の出入口がハウジング内の直線流路の出入口とそれぞれに連通しており、渦巻流路の出入口がハウジング内の円弧状流路の出入口とそれぞれに連通している。
本発明に係る円弧状板型熱交換器の好ましい形態では、前記第1流体流路のハウジングの軸線と平行する2つの端面は、側部シールストリップによって密封されているか、又は、流体流路を形成するいずれか1つの円弧状の熱交換プレートの屈曲端縁によって密封されている。
本発明に係る円弧状板型熱交換器の好ましい形態では、前記第2流体流路のハウジングの軸線と垂直する2つ端面は、端部シールストリップによって密封されているか、又は、流体流路を形成するいずれか1つの円弧状の熱交換プレートの屈曲端縁によって密封されている。
本発明に係る円弧状板型熱交換器の好ましい形態では、前記第1流体流路及び第2流体流路内には、支持体が分散して設けられている。支持体は、第1流体流路及び第2流体流路の間隙を保持し、且つ装置全体の耐圧能力を高めることができる。
本発明に係る円弧状板型熱交換器の好ましい形態では、前記支持体は金属柱又は金属条である。金属柱が好ましい。金属柱は流体流路の内部に固設されている。
本発明に係る円弧状板型熱交換器の好ましい形態では、前記支持体は流体流路を形成するいずれか1つの円弧状の熱交換プレートの表面に形成された突起である。板のプレス加工によって形成されるえくぼ状の突起が好ましい。
第2流体流路の入口端と出口端との間に圧力差がある。また、圧力損失は流路の長さの増加につれて増加する。各流路の入口側の圧力が等しいため、第2流体流路内の流体を均一にさせるために、各流路の出口側の圧力をほぼ同じにさせる必要がある。この目的を達成するために、以下の方法を用いることができる。
熱交換プレート群に形成された複数の第2流体流路内の間隙を内側から外側に向かうにつれて順次に増加させる。
又は、熱交換プレート群の複数の第2流体流路の間隙を一致させ、且つ流路内の支持体の設置密度を内側から外側に向かうにつれて順次に減少させる。
又は、前記熱交換プレート群の複数の第2流体流路の間隙を内側から外側に向かうにつれて順次に増加させ、且つ流路内の支持体の設置密度を内側から外側に向かうにつれて順次に減少させる。
又は、前記熱交換プレート群にはさらにバッフルが設けられている。バッフルは、入口集合室及び出口集合室に設けられ、隣接する2つの第2流体流路の端部を繋いで、複数の第2流体流路の直列接続構造を形成する。これにより、内側の長さが比較的に短い第2流体流路を直列接続して、長さが比較に長い流路を形成することができる。
熱交換を行う際に、冷たい流体(又は熱い流体)は、ハウジングの第1流体入口から熱交換器に入り、円弧状の熱交換プレートの直線流路を通過し、第1流体出口から流れ出る。一方で、熱い流体(又は冷たい流体)は、ハウジングの側壁における第2流体入口から熱交換器に入り、円弧状の熱交換プレートの円弧状流路を通過し、第2流体出口から流れ出る。これにより、冷たい流体と熱い流体との熱交換が達成される。
1.本発明の熱交換器は円弧状の熱交換プレートを用いるため、コンパクト化され、単位体積の熱交換面積がチューブバンドル型熱交換器の1.6〜2倍となり、耐圧能力がプレート式熱交換器より高い。
2.本発明の熱交換器は、円弧状の熱交換プレートを用いるため、円弧状の熱交換プレートによる流体の遠心力、及び支持体による流体の乱れが作用している場合に、流速が同一の条件下で、熱伝達係数がシェルアンドチューブ式熱交換器の1.5〜1.8倍となる。
3.本発明の熱交換器は、圧力損失が小さく、流体の抵抗が低く、ポンプ又は送風機の動力消耗を減少させることができ、流量が多い場合に適用され、作業費用が低い。
本発明の熱交換器の内部構造の模式図である。 本発明の熱交換器の熱交換プレート群がハウジング内に設けられている構造模式図である。 本発明の熱交換器の熱交換プレート群(仕切板を有する)の構造模式図である。 本発明の熱交換器の熱交換プレート群(中心管を有する)の構造模式図である。 本発明の熱交換器の熱交換プレート群(渦巻板式熱交換器を有する)の構造模式図である。 本発明の熱交換器の熱交換プレート群(中心管及びバッフルを有する)の構造模式図である。 本発明の熱交換器の流体通路内(支持体が金属条である)の構造模式図である。 本発明の熱交換器の流体通路内(支持体が表面突起である)の構造模式図である。
図1〜6に示すように、円弧状板型熱交換器は、筒状のハウジング1と、ハウジング1内に設けられた熱交換プレート群とを備える。ハウジング1には、熱交換プレート群における流体通路と連通する出入口が設けられている。ハウジング1は、一般的に円筒状をなす。ハウジング1の長手方向の両端には、第1流体入口101及び第1流体出口102がそれぞれに設けられている。ハウジング1の側壁には、第2流体入口103及び第2流体出口104が設けられている。前記熱交換プレート群は、ハウジング1の軸線の両側に対称に設けられた2群の円弧状の熱交換プレート2を有する。円弧状の熱交換プレート2の弧度は180°より小さい。各群の円弧状の熱交換プレート2では、ハウジング1の中心から外側に向かうにつれて径が順次に増加する複数の円弧状熱交換プレート2により、第1流体流路201及び第2流体流路202が交互に形成されている。
図2〜6に示すように、前記第1流体流路201のハウジング1の軸線と平行する2つの端面が密閉されており、第1流体流路201のハウジング1の軸線と垂直する2つの端面夫々に流路口が設けられ、ハウジング1の軸方向に沿う直線流路が形成されている。熱い流体(冷たい流体)はハウジング1の第1流体入口から直線流路に入り、ハウジング1の軸方向に沿って流れ、第1流体出口から流れ出る。前記第2流体流路202のハウジング1の軸線と垂直する2つの端面が密閉されており、第2流体流路202のハウジング1の軸線と平行する2つの端面夫々に流路口が設けられ、周方向に沿う円弧状流路が形成されている。冷たい流体(熱い流体)はハウジング1の第2流体入口から円弧状流路に入り、円弧状流路に沿って流れ、第2流体出口から流れ出る。
図2及び3に示すように、前記2群の円弧状の熱交換プレート2の間の領域は、1つの仕切部材によって、ハウジング1における相応の出入口とそれぞれに連通する入口集合室204及び出口集合室205に分けられている。熱交換プレート群の複数の第2流体流路202は、入口端が入口集合室204に集まり、出口端が出口集合室205に集まっている。第2流体はハウジング1の入口から入口集合室204に入ってから、入口集合室204を経由して各第2流体通路に入る。各第2流体通路を経由した流体は、出口集合室205に集まり、ハウジング1の出口から流れ出る。ハウジング1の軸線と平行する方向において、入口集合室204及び出口集合室205の両端は、端部板206によって密閉されており、第1流体が入口集合室204及び出口集合室205に入ることを防止することができる。
図2に示すように、前記ハウジング1と最外層の2つの円弧状の熱交換プレート2夫々との間には、側板203がハウジング1の軸方向に沿って設けられている。2つの側板203は、ハウジング1と熱交換プレート群との間の領域を、入口集合室204及び出口集合室205にそれぞれに連通する2つの室に仕切る。
図1に示すように、前記熱交換プレート群はさらに補強リング9を2つ有する。2つの補強リング9夫々は、最外層の円弧状の熱交換プレート2の両端に環装されている。補強リング9は円弧状の熱交換プレート2及び端部板に溶接固定されている。補強リング9は熱交換プレート群の第1流体流路201及び第2流体流路202を効率的に接続することができる。前記補強リング9とハウジング1の内壁との間には、円弧状の接続板10が設けられている。円弧状の接続板10は、環状をなす金属板であり、ハウジング1の内壁及び補強リング9にそれぞれに溶接固定されており、温度差による応力を効率的に緩和することができる。
図3に示すように、前記仕切部材は仕切板11である。仕切板11は、ハウジング1の軸方向に沿って2群の円弧状の熱交換プレート2の間の領域に貫設されている。また、仕切板11は、最内層の2つの円弧状の熱交換プレート2夫々に密封接続されている。
図4に示すように、前記仕切部材は中心管3である。該中心管3の両端はハウジング1上の直線流路に対応した出入口とそれぞれに連通している。また、中心管3の出口端にはバタフライバルブ4が設けられている。中心管3は、調節手段として、出口側の温度を高めようとする場合、バタフライバルブ4を介して中心管3を開けて、一部の流体を直接に中心管3を通過させて出口側の流体と混合させることで温度を高め、バタフライバルブ4の開度によって温度を調節することができる。
図5に示すように、前記仕切部材は渦巻板式熱交換器12である。渦巻板式熱交換器12は、軸方向流路及び渦巻流路を有し、軸方向流路の出入口がハウジング1内の直線流路の出入口とそれぞれに連通しており、渦巻流路の出入口がハウジング1内の円弧状流路の出入口とそれぞれに連通している。
前記第1流体流路201のハウジング1の軸線と平行する2つの端面は、側部シールストリップ6によって密封されているか、又は、流体流路を形成するいずれか1つの円弧状の熱交換プレート2の屈曲端縁によって密封されている。
前記第2流体流路202のハウジング1の軸線と垂直する2つ端面は、端部シールストリップ7によって密封されているか、又は、流体流路を形成するいずれか1つの円弧状の熱交換プレート2の屈曲端縁によって密封されている。
図7及び8に示すように、前記第1流体流路201及び第2流体流路202内には、支持体5が分散して設けられている。支持体5は、第1流体流路及び第2流体流路の間隙を保持し、且つ装置全体の耐圧能力を高めることができる。
前記支持体5は金属柱である。金属柱は流体流路の内部に固設されている。
前記支持体5は流体流路を形成するいずれか1つの円弧状の熱交換プレート2の表面に形成された突起である。
第2流体流路の入口端と出口端との間に圧力差がある。また、圧力損失は流路の長さの増加につれて増加する。各流路の入口側の圧力が等しいため、第2流体流路内の流体を均一にさせるために、各流路の出口側の圧力をほぼ同じにさせる必要がある。この目的を達成するために、以下の方法を用いることができる。
熱交換プレート群の複数の第2流体流路202内の支持体5の設置密度を一致させ、且つ流路の間隙を内側から外側に向かうにつれて徐々に増加させるか、
熱交換プレート群の複数の第2流体流路202の間隙を一致させ、且つ流路内の支持体5の設置密度を内側から外側に向かうにつれて徐々に減少させるか、又は、
前記熱交換プレート群の複数の第2流体流路202を内側から外側に向かうにつれて徐々に増加させ、且つ流路内の支持体5の設置密度を内側から外側に向かうにつれて徐々に減少させる。
又は、前記熱交換プレート群にはさらにバッフル8が設けられている。バッフル8は、入口集合室204及び出口集合室205に設けられ、内側の長さが比較的に短い第2流体流路202を繋いで、長さが比較に長い流路を形成することができる。
熱交換を行う際に、冷たい流体(又は熱い流体)は、ハウジング1の第1流体入口から熱交換器に入り、円弧状の熱交換プレート2の直線流路を通過し、第1流体出口から流れ出る。一方で、熱い流体(又は冷たい流体)は、ハウジング1の側壁における第2流体入口から熱交換器に入り、円弧状の熱交換プレート2の円弧状流路を通過し、第2流体出口から流れ出る。これにより、冷たい流体と熱い流体との熱交換が達成される。
以上は、本発明の好ましい実施の形態に過ぎず、本発明に対して制限していない。本発明の好ましい実施の形態は前述した通りに記載されているが、本発明を限定するものではない。当業者であれば、本発明の技術的範囲内において、前述した技術的内容を変更又は修飾することで、均等で等価的な実施の形態を得ることができる。本発明の技術的範囲から脱逸せずに本発明の技術の本質に基づいて前記実施の形態を簡単に修正、均等に変更又は修飾したものは、全て本発明の技術的範囲内に属する。
1 ハウジング
101 第1流体入口
102 第1流体出口
103 第2流体入口
104 第2流体出口
2 円弧状の熱交換プレート
201 第1流体流路
202 第2流体流路
203 側板
204 入口集合室
205 出口集合室
206 端部板
3 中心管
4 バタフライバルブ
5 支持体
6 側部シールストリップ
7 端部シールストリップ
8 バッフル
9 補強リング
10 円弧状の接続板
11 仕切板
12 渦巻板式熱交換器


Claims (15)

  1. 筒状のハウジング(1)と、ハウジング(1)内に設けられた熱交換プレート群とを備え、ハウジング(1)に熱交換プレート群における流体通路と連通する出入口が設けられている円弧状板型熱交換器であって、
    前記熱交換プレート群は、ハウジング(1)の軸線の両側に対称に設けられた2群の円弧状の熱交換プレート(2)を有し、各群の円弧状の熱交換プレート(2)では、ハウジング(1)の中心から外側に向かうにつれて径が順次に増加する複数の円弧状の熱交換プレート(2)により、第1流体流路(201)及び第2流体流路(202)が交互に形成されており、
    前記第1流体流路(201)は、ハウジング(1)の軸線と平行する2つの端面が密閉されており、ハウジング(1)の軸線と垂直する2つの端面に流路口が設けられ、ハウジング(1)の軸線方向に沿う直線流路が形成されており、
    前記第2流体流路(202)は、ハウジング(1)の軸線と垂直する2つの端面が密閉されており、ハウジング(1)の軸線と平行する2つの端面に流路口が設けられ、周方向に沿う円弧状流路が形成されており、
    前記2群の円弧状の熱交換プレート(2)の間の領域は、仕切部材によって入口集合室(204)及び出口集合室(205)に分けられており、熱交換プレート群の複数の第2流体流路(202)は、入口端が入口集合室(204)に集まり、出口端が出口集合室(205)に集まっている
    ことを特徴とする円弧状板型熱交換器。
  2. 前記入口集合室(204)及び出口集合室(205)は、両端が端部板(206)によって密閉されていることを特徴とする請求項1に記載の円弧状板型熱交換器。
  3. 前記ハウジング(1)と最外層の2つの円弧状の熱交換プレート(2)との間には、側板(203)がハウジング(1)の軸方向に沿って設けられており、2つの側板(203)は、ハウジング(1)と熱交換プレート群との間の環状空間を、入口集合室(204)に連通する室及び出口集合室(205)に連通する室に分けることを特徴とする請求項1に記載の円弧状板型熱交換器。
  4. 前記熱交換プレート群はさらにバッフル(8)を有し、バッフル(8)は、入口集合室(204)及び出口集合室(205)内に設けられており、隣接する2つの第2流体流路(202)の端部を繋いで、複数の第2流体流路(202)の直列接続構造を形成することを特徴とする請求項1に記載の円弧状板型熱交換器。
  5. 前記熱交換プレート群はさらに2つの補強リング(9)を有し、2つの補強リング(9)夫々は最外層の円弧状の熱交換プレート(2)の両端に環装されていることを特徴とする請求項2に記載の円弧状板型熱交換器。
  6. 前記補強リング(9)は、円弧状の接続板(10)を介してハウジング(1)の内壁に接続されていることを特徴とする請求項5に記載の円弧状板型熱交換器。
  7. 前記仕切部材は仕切板(11)であり、該仕切板はハウジング(1)の軸方向に沿って2群の円弧状の熱交換プレート(2)の間の領域に貫設されており、該仕切板は最内層の2つの円弧状の熱交換プレート(2)夫々に密封接続されていることを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1つに記載の円弧状板型熱交換器。
  8. 前記仕切部材は中心管(3)であり、該中心管(3)の両端はハウジング(1)における直線流路に対応した出入口とそれぞれに連通しており、該中心管(3)にはバタフライバルブ(4)が設けられていることを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1つに記載の円弧状板型熱交換器。
  9. 前記仕切部材は渦巻板式熱交換器(12)であり、該渦巻板式熱交換器(12)は軸方向流路及び渦巻流路を有し、前記軸方向流路の出入口はハウジング(1)内の直線流路の出入口とそれぞれに連通しており、前記渦巻流路の出入口はハウジング(1)内の円弧状流路の出入口とそれぞれに連通していることを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1つに記載の円弧状板型熱交換器。
  10. 前記第1流体流路(201)は、ハウジング(1)の軸線と平行する2つの端面が、側部シールストリップ(6)によって密封されているか、又は、流体流路を形成するいずれか1つの円弧状の熱交換プレート(2)の屈曲端縁によって密封されていることを特徴とする請求項1に記載の円弧状板型熱交換器。
  11. 前記第2流体流路(202)は、ハウジング(1)の軸線と垂直する2つの端面が、端部シールストリップ(7)によって密封されているか、又は、流体流路を形成するいずれか1つの円弧状の熱交換プレート(2)の屈曲端縁によって密封されていることを特徴とする請求項1に記載の円弧状板型熱交換器。
  12. 前記第1流体流路(201)及び第2流体流路(202)内には支持体(5)が分散して設けられていることを特徴とする請求項1に記載の円弧状板型熱交換器。
  13. 前記支持体(5)は金属柱であるか、又は、円弧状の熱交換プレート(2)の表面に形成された突起であることを特徴とする請求項12に記載の円弧状板型熱交換器。
  14. 前記熱交換プレート群に形成された複数の第2流体流路(202)の間隙は、内側から外側に向かうにつれて順次に増加することを特徴とする請求項12又は請求項13に記載の円弧状板型熱交換器。
  15. 前記熱交換プレート群の複数の第2流体流路(202)における支持体の設置密度は、内側から外側に向かうにつれて順次に減少することを特徴とする請求項12又は請求項13に記載の円弧状板型熱交換器。
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