JP2019184133A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】相変化による流体の体積変化に対応して、過剰な圧力損失の発生を抑制できるとともに、適正な流速を確保できるコンパクトな熱交換器を提供することを目的とする。【解決手段】熱交換器１は、流体６が流入する流入口１０及び流入した流体６が流出する流出口１１を有するとともに、流入口１０と流出口１１との間で液相から気相へと相変化が行われる流路８を備え、流路８の内部には、流体６の流れに加わる流路抵抗の大きさが、流入口１０側よりも流出口１１側の方が小さくなる抵抗形状１２が形成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、例えばターボ冷凍機等の冷凍機の凝縮器や蒸発器を構成する熱交換器に関するものである。

従来、蒸発器、凝縮器等の流体の相変化を伴う熱交換器としては、シェル＆チューブ熱交換器、フィン＆チューブ熱交換器、プレート熱交換器、及びプレートフィン熱交換器等が使用されている。シェル＆チューブ熱交換器は、チューブ内に単相流体を流し、外部流体を加熱／冷却して、外部流体を蒸発／凝縮させる構成となっている。フィン＆チューブ熱交換器は、チューブ外のフィン間に気体を流し、チューブ内の流体を加熱／冷却してチューブ内流体を蒸発／凝縮させる構成となっている。プレート熱交換器やプレートフィン熱交換器は、一方のプレート間に単相流体を流し、他方のプレート間の流体を加熱／冷却して蒸発／凝縮させる構成となっている。このうち、プレートフィン熱交換器としては、例えば下記特許文献１〜３のようなものが報告されている。

特表２００７−５２０６８２号公報 特開２０１３−１１３４７９号公報 特開２０１３−１１３４８０号公報

流体が蒸発又は凝縮する場合、流体は相変化するため、熱交換過程において流体体積が大きく変化する。特に、流体流路のうち、内部の流体が気相の状態にある部分（気体側）においては、流体流路における流体体積が非常に大きくなり、過剰な圧力損失が発生する可能性がある。一方、気体側の流れにおいて過剰な圧力損失が発生しないように流体流路を決定すると、液体側（内部の流体が液相の状態にある部分）での流速が著しく低下し、伝熱性能が低下する問題が発生する。

シェル＆チューブ熱交換器の場合は、流体の熱交換過程の体積変化に対応して、伝熱性能と圧力損失が適正となるようにチューブピッチ等を変化させる不等ピッチが用いられる。しかしながら、この場合、シェル＆チューブ熱交換器の体積が大きくなり、相変化を行う側の保有流体量が多くなるという課題がある。一方、フィン＆チューブ熱交換器、プレート熱交換器、及びプレートフィン熱交換器は、シェル＆チューブ熱交換器に比べてコンパクト化が可能であるが、現状報告されている熱交換器の形状は、上記のような相変化による流体体積変化に対応した形状となっていない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、相変化による流体の体積変化に対応して、過剰な圧力損失の発生を抑制できるとともに、適正な流速を確保できるコンパクトな熱交換器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、流体が流入する流入口及び流入した前記流体が流出する流出口を有するとともに、前記流入口と前記流出口との間で液相から気相へと相変化が行われる流路を備え、前記流路の内部には、前記流体の流れに加わる流路抵抗の大きさが、前記流入口側よりも前記流出口側の方が小さくなる抵抗形状が形成されている熱交換器を提供する。

流路に流入した流体が流路内で熱交換により液相から気相へと相変化（蒸発）すると、流体体積が増加する。この場合、流出口側においては、流体体積の増加によって過剰な圧力損失が発生する可能性がある。しかしながら、本発明の第１態様に係る熱交換器においては、流路の内部に、流体の流れに加わる流路抵抗の大きさが、流入口側よりも流出口側の方が（例えば５段階で）小さくなる抵抗形状が形成されている。従って、流出口側（気体側）においては、流体の流れに加わる流路抵抗の大きさが小さいため、過剰な圧力損失の発生を抑制できる。一方、流入口側（液体側）においては、流体の流れに加わる流路抵抗の大きさが大きいため、流体の流速が著しく低下することを防止できる（即ち、適正な流速を確保できる）とともに、乱流を促進できる。このように、本発明の第１態様に係る熱交換器においては、相変化による流体の体積変化に対応して、過剰な圧力損失の発生を抑制できるとともに、乱流を促進できる。従って、このような熱交換器であれば、伝熱性能（蒸発伝熱性能）が高い熱交換器となる。また、流路の内部に特定の抵抗形状を形成するだけでよいので、熱交換器のコンパクト化が可能となる。

また、本発明は、流体が流入する流入口及び流入した前記流体が流出する流出口を有するとともに、前記流入口と前記流出口との間で気相から液相へと相変化が行われる流路を備え、前記流路の内部には、前記流体の流れに加わる流路抵抗の大きさが、前記流入口側よりも前記流出口側の方が大きくなる抵抗形状が形成されている熱交換器を提供する。

流路に流入した流体が流路内で熱交換により気相から液相へと相変化（凝縮）すると、流体体積が減少する。この場合、流入口側においては、流体体積が大きいため過剰な圧力損失が発生する可能性がある。しかしながら、本発明の第２態様に係る熱交換器においては、流路の内部に、流体の流れに加わる流路抵抗の大きさが、流入口側よりも流出口側の方が（例えば５段階で）大きくなる抵抗形状が形成されている。従って、流入口側（気体側）においては、流体の流れに加わる流路抵抗の大きさが小さいため、過剰な圧力損失の発生を抑制できる。一方、流出口側（液体側）においては、流体の流れに加わる流路抵抗の大きさが大きいため、流体の流速が著しく低下することを防止できる（即ち、適正な流速を確保できる）とともに、乱流を促進できる。このように、本発明の第２態様に係る熱交換器においては、相変化による流体の体積変化に対応して、過剰な圧力損失の発生を抑制できるとともに、乱流を促進できる。従って、このような熱交換器であれば、伝熱性能（凝縮性能）が高い熱交換器となる。また、流路の内部に特定の抵抗形状を形成するだけでよいので、熱交換器のコンパクト化が可能となる。

前記熱交換器において、前記抵抗形状は、前記流路を構成するプレート又は該プレートに設けられた複数のフィンにより形成されていることが好ましい。

流路の内部に形成される抵抗形状は、このように、（例えばプレート熱交換器において）流路を構成するプレートや、（例えばプレートフィン熱交換器において）プレートに設けられた複数のフィンにより形成することができる。具体的には、流路抵抗を大きくする部分においては、プレートやフィンを流体の流れ方向に対して垂直に配置する。一方、流路抵抗を小さくする部分においては、プレートやフィンを流体の流れ方向に対して平行に配置する。このようにすれば上記抵抗形状を形成できる。従って、本発明の熱交換器は、特にプレート熱交換器やプレートフィン熱交換器に対して好適に適用可能である。また、プレート熱交換器やプレートフィン熱交換器はコンパクト化が可能であるため、本発明の熱交換器をプレート熱交換器やプレートフィン熱交換器に適用すれば、伝熱性能が向上され、かつコンパクトな熱交換器となる。

前記熱交換器において、前記流路に隣接して、該流路を流れる流体と熱交換する別流路が設けられていることが好ましい。

本発明の熱交換器においては、上記のように別流路を設けることで、流路を流れる流体と別流路を流れる流体との間で熱交換が行われる構成とすることができる。

前記熱交換器において、前記別流路の内部には、該別流路を流れる流体が流入する流入口及び流入した前記流体が流出する流出口との間に亘って同一の流路抵抗を付与する抵抗形状が形成されていることが好ましい。

上記のように、内部の抵抗形状が、流体の流れに加わる流路抵抗の大きさが一定となる抵抗形状とされた別流路と、上記の流路とを組み合わせれば、一方の流体が単相で、他方の流体が相変化を行う構成とされた熱交換器に対して好適に適用することができる。

前記熱交換器において、前記別流路の内部には、該別流路を流れる流体が流入する流入口よりも流入した前記流体が流出する流出口の方が流路抵抗が大きい抵抗形状、又は、流路抵抗が小さい抵抗形状が形成されていることが好ましい。

本発明の熱交換器においては、例えば上記第１態様における流路と、上記第２態様における流路とを組み合わせることができる。即ち、本発明の熱交換器は、一方の流体が流路内で蒸発を行い、他方の流体が流路内で凝縮を行う構成とされた熱交換器に対して好適に適用することができる。

本発明の熱交換器であれば、相変化による流体の体積変化に対応して、過剰な圧力損失の発生を抑制できるとともに、適正な流速を確保できるコンパクトな熱交換器となる。

本発明の第１実施形態に係る熱交換器（プレートフィン熱交換器）の構造を示す斜視分解図である。 本発明の第１実施形態に係る熱交換器における流路を示す平面図である。 本発明の第２実施形態に係る熱交換器における流路を示す平面図である。 本発明の第３実施形態に係る熱交換器における流路及び別流路を長手方向側面から見たイメージ図である。 本発明の第４実施形態に係る熱交換器における流路及び別流路を長手方向側面から見たイメージ図である。

以下に、本発明に係る熱交換器の一実施形態について、図面を参照して説明する。
なお、以下の実施形態では、本発明に係る熱交換器をプレートフィン熱交換器に適用する場合を例に挙げて説明する。

〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図２を用いて説明する。
図１は本実施形態に係る熱交換器（プレートフィン熱交換器）の構造を示す斜視分解図である。図１に示す熱交換器１は、例えばターボ冷凍機等の冷凍機の凝縮器や蒸発器に用いられる。熱交換器１は、プレート（第１プレート）２ａとプレート（第２プレート）２ｂとを交互に積層して接合し、始端の第１プレート２ａにボス３ａ，３ｂを取り付け、終端の第１プレート２ａにカバープレート４を取り付けた構造のものである。第１プレート２ａ及び第２プレート２ｂにおけるカバープレート４側の面には、それぞれインナーフィン５ａ，５ｂが設けられている。

熱交換器１には、ボス３ａから流体（第１流体）６が流入し、ボス３ｂから流体（第２流体）７が流入する。第１流体６は、第２プレート２ｂとインナーフィン５ａとの間に形成される流路８内を流通する。第２流体７は、第１プレート２ａとインナーフィン５ｂとの間に形成され、流路８に隣接する別流路９内を流通する。

このような構成とすることで、熱交換器１においては、第１流体６の流路８と第２流体７の別流路９とが交互に配置されて、両流体６，７の間で熱交換が行われる構造となっている。

次に、図２を示して本実施形態の流路８についてさらに詳しく説明する。
図２は、本実施形態の熱交換器１における流路８を示す平面図である。

図２に示すように、流路８は、第１流体６が流入する流入口１０及び流入した第１流体６が流出する流出口１１を有する。この流路８内において、第１流体６は、流入口１０と流出口１１との間で液相から気相へと相変化する。即ち、熱交換器１は冷媒を蒸発させる蒸発器として用いられる。

流路８の内部には、第１流体６の流れに加わる流路抵抗の大きさが、流入口１０側よりも流出口１１側の方が小さくなる抵抗形状１２が形成されている。この抵抗形状１２は、流路抵抗の大きさが、流入口１０側から流出口１１側にかけて５段階で小さくなるように形成されている。本実施形態においては、抵抗形状１２は、第１プレート２ａに設けられた複数のフィン１３により形成されている。

具体的には、流路抵抗を大きくする部分（液体側）においては、フィン１３を流体６の流れ方向に対して垂直に配置し、流入口１０側から流出口１１側に向かうにつれて、フィン１３の長さ（流体６の流れ方向に対して垂直方向の長さ）を短くする。一方、流路抵抗を小さくする部分（気体側）においては、フィン１３を流体６の流れ方向に対して平行に配置し、流入口１０側から流出口１１側に向かうにつれて、フィン１３の数が密から粗になるように配置する。

以上に説明の構成により、本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
本実施形態に係る熱交換器１においては、流路８の内部に、流体６の流れに加わる流路抵抗の大きさが、流入口１０側から流出口１１側にかけて５段階で小さくなる抵抗形状１２が形成されている。従って、流出口１１側（気体側）においては、流体６の流れに加わる流路抵抗の大きさが小さいため、過剰な圧力損失の発生を抑制できる。一方、流入口１０側（液体側）においては、流体６の流れに加わる流路抵抗の大きさが大きいため、流体６の流速が著しく低下することを防止できる（即ち、適正な流速を確保できる）とともに、乱流を促進できる。このように、本実施形態に係る熱交換器１においては、相変化による流体６の体積変化に対応して、過剰な圧力損失の発生を抑制できるとともに、乱流を促進できる。従って、このような熱交換器１であれば、伝熱性能（蒸発伝熱性能）が高い熱交換器１となる。また、流路８の内部に特定の抵抗形状１２を形成するだけでよいので、熱交換器１のコンパクト化が可能となる。

また、流路８の内部に形成される抵抗形状１２は、このように、（プレートフィン熱交換器において）第１プレート２ａに設けられた複数のフィン１３により形成することができる。従って、本実施形態の熱交換器１は、特にプレートフィン熱交換器に対して好適に適用可能である。また、プレートフィン熱交換器はコンパクト化が可能であるため、本実施形態の熱交換器１をプレートフィン熱交換器に適用すれば、伝熱性能が向上され、かつコンパクトな熱交換器１となる。

なお、上記の抵抗形状１２は、（プレート熱交換器において）流路８を構成する第１プレート２ａによって形成することもできる。従って、本実施形態の熱交換器１は、プレート熱交換器に対しても好適に適用可能である。また、プレート熱交換器もコンパクト化が可能であるため、本実施形態の熱交換器１をプレート熱交換器に適用すれば、上記同様伝熱性能が向上され、かつコンパクトな熱交換器１となる。

また、本実施形態においては、図２に示すように、流体６の流れに加わる流路抵抗の大きさが、流入口１０側から流出口１１側にかけて５段階で小さくなる抵抗形状１２が形成される場合を例にして説明したが、これに限定されない。流路抵抗の大きさは、流入口１０側から流出口１１側にかけて、好ましくは３〜１０段階で小さくすることができる。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態について、図３を用いて説明する。
本実施形態の基本構成は、第１実施形態と基本的に同様であるが、第１実施形態とは、第１流体２６が、流路２８内において気相から液相へと相変化する点、及び抵抗形状２２の構成が異なっている。よって、本実施形態においては、この異なっている部分を説明し、その他の重複するものについては説明を省略する。
なお、第１実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付してその重複した説明を省略する。

図３は、本実施形態の熱交換器２１における流路２８を示す平面図である。
図３に示す流路２８内において、第１流体２６は、流入口１０と流出口１１との間で気相から液相へと相変化する。即ち、熱交換器１は冷媒を凝縮させる凝縮器として用いられる。流路２８の内部には、第１流体２６の流れに加わる流路抵抗の大きさが、流入口１０側よりも流出口１１側の方が大きくなる抵抗形状２２が形成されている。この抵抗形状２２は、流路抵抗の大きさが、流入口１０側から流出口１１側にかけて５段階で大きくなるように形成されている。また、この抵抗形状２２は、第１実施形態同様、第１プレート２ａに設けられた複数のフィン１３により形成されている。

具体的には、流路抵抗を小さくする部分（気体側）においては、フィン１３を流体２６の流れ方向に対して平行に配置し、流入口１０側から流出口１１側に向かうにつれて、フィン１３の数が粗から密になるように配置する。一方、流路抵抗を大きくする部分（液体側）においては、フィン１３を流体２６の流れ方向に対して垂直に配置し、流入口１０側から流出口１１側に向かうにつれて、フィン１３の長さ（流体２６の流れ方向に対して垂直方向の長さ）を長くする。

以上に説明の構成により、本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
本実施形態に係る熱交換器２１においては、流路２８の内部に、流体２６の流れに加わる流路抵抗の大きさが、流入口１０側から流出口１１側にかけて５段階で大きくなる抵抗形状２２が形成されている。従って、流入口１０側（気体側）においては、流体２６の流れに加わる流路抵抗の大きさが小さいため、過剰な圧力損失の発生を抑制できる。一方、流出口１１側（液体側）においては、流体２６の流れに加わる流路抵抗の大きさが大きいため、流体２６の流速が著しく低下することを防止できる（即ち、適正な流速を確保できる）とともに、乱流を促進できる。このように、本実施形態に係る熱交換器２１においては、相変化による流体２６の体積変化に対応して、過剰な圧力損失の発生を抑制できるとともに、乱流を促進できる。従って、このような熱交換器２１であれば、伝熱性能（凝縮性能）が高い熱交換器２１となる。また、流路２８の内部に特定の抵抗形状２２を形成するだけでよいので、熱交換器２１のコンパクト化が可能となる。

なお、本実施形態においては、図３に示すように、流体２６の流れに加わる流路抵抗の大きさが、流入口１０側から流出口１１側にかけて５段階で大きくなる抵抗形状２２が形成される場合を例にして説明したが、これに限定されない。流路抵抗の大きさは、流入口１０側から流出口１１側にかけて、好ましくは３〜１０段階で大きくすることができる。

〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３実施形態について、図４を用いて説明する。
本実施形態の基本構成は、第２実施形態と基本的に同様であるが、第２実施形態とは、別流路４９の内部に、流入口４０及び流出口４１との間に亘って同一の流路抵抗を付与する抵抗形状４２が形成されている点が異なっている。よって、本実施形態においては、この異なっている部分を説明し、その他の重複するものについては説明を省略する。
なお、第２実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付してその重複した説明を省略する。また、図４では、抵抗形状２２，４２の形状を概念的に示しているが、これはあくまでイメージ図である。

図４は、本実施形態に係る熱交換器３１における流路２８及び別流路４９を長手方向側面から見たイメージ図である。図４に示すように、流路２８内においては、第１流体２６は、流入口１０と流出口１１との間で気相から液相へと相変化する。流路２８の内部には、第１流体２６の流れに加わる流路抵抗の大きさが、流入口１０側よりも流出口１１側の方が大きくなる抵抗形状２２が形成されている。

一方、別流路４９は、第２流体４７が流入する流入口４０及び流入した第２流体４７が流出する流出口４１を有する。この別流路４９内において、第２流体４７は、流入口４０と流出口４１との間で相変化せず、液相のまま別流路４９を流通する（即ち、単相である）。別流路４９の内部においては、流入口４０及び流出口４１との間に亘って同一の流路抵抗を付与する抵抗形状４２が形成されている。

以上に説明の構成により、本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
上記のように、内部の抵抗形状４２が、流体４７の流れに加わる流路抵抗の大きさが一定となる抵抗形状４２とされた別流路４９と、上記の第２実施形態に係る流路２８とを組み合わせることができる。即ち、本発明は、一方の流体４７が単相で、他方の流体２６が相変化を行う構成とされた熱交換器３１に対して好適に適用することができる。

〔第４実施形態〕
次に、本発明の第４実施形態について、図５を用いて説明する。
本実施形態の基本構成は、第３実施形態と基本的に同様であるが、第３実施形態とは、別流路５９の内部に形成した抵抗形状５２の構成が異なっている。よって、本実施形態においては、この異なっている部分を説明し、その他の重複するものについては説明を省略する。
なお、第３実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付してその重複した説明を省略する。また、図５では、抵抗形状２２，５２の形状を概念的に示しているが、これはあくまでイメージ図である。

図５は、本実施形態に係る熱交換器５１における流路２８及び別流路５９を長手方向側面から見たイメージ図である。図５に示すように、本実施形態に係る別流路５９内において、第２流体５７は、流入口４０と流出口４１との間で液相から気相へと相変化する。別流路５９の内部においては、流入口４０よりも流出口４１の方が流路抵抗が小さい抵抗形状５２が形成されている。即ち、別流路５９の構成は、実質的に第１実施形態における流路８の構成と同一である。

以上に説明の構成により、本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
本実施形態の熱交換器５１においては、例えば上記第１実施形態における流路８（別流路５９）と、上記第２実施形態における流路２８とを組み合わせることができる。即ち、本実施形態の熱交換器５１は、一方の流体５７が流路８（別流路５９）内で蒸発を行い、他方の流体２６が流路２８内で凝縮を行う構成とされた熱交換器５１に対して好適に適用することができる。

なお、以上に説明した実施形態においては、本発明の熱交換器をプレートフィン熱交換器に適用する場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されない。具体的には、本発明の熱交換器はプレート熱交換器やフィン＆チューブ熱交換器等にも適用可能である。なお、本発明の熱交換器は、好ましくはプレート熱交換器やプレートフィン熱交換器に適用される。

１，２１，３１，５１ 熱交換器
２ａ プレート（第１プレート）
２ｂ プレート（第２プレート）
３ａ，３ｂ ボス
４ カバープレート
５ａ，５ｂ インナーフィン
６，２６ 流体（第１流体）
７，４７，５７ 流体（第２流体）
８，２８ 流路
９，４９，５９ 別流路
１０，４０ 流入口
１１，４１ 流出口
１２，２２，４２，５２ 抵抗形状
１３ フィン

Claims (6)

1. 流体が流入する流入口及び流入した前記流体が流出する流出口を有するとともに、前記流入口と前記流出口との間で液相から気相へと相変化が行われる流路を備え、
   前記流路の内部には、前記流体の流れに加わる流路抵抗の大きさが、前記流入口側よりも前記流出口側の方が小さくなる抵抗形状が形成されていることを特徴とする熱交換器。
2. 流体が流入する流入口及び流入した前記流体が流出する流出口を有するとともに、前記流入口と前記流出口との間で気相から液相へと相変化が行われる流路を備え、
   前記流路の内部には、前記流体の流れに加わる流路抵抗の大きさが、前記流入口側よりも前記流出口側の方が大きくなる抵抗形状が形成されていることを特徴とする熱交換器。
3. 前記抵抗形状は、前記流路を構成するプレート又は該プレートに設けられた複数のフィンにより形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記流路に隣接して、該流路を流れる流体と熱交換する別流路が設けられていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の熱交換器。
5. 前記別流路の内部には、該別流路を流れる流体が流入する流入口及び流入した前記流体が流出する流出口との間に亘って同一の流路抵抗を付与する抵抗形状が形成されていることを特徴とする請求項４に記載の熱交換器。
6. 前記別流路の内部には、該別流路を流れる流体が流入する流入口よりも流入した前記流体が流出する流出口の方が流路抵抗が大きい抵抗形状、又は、流路抵抗が小さい抵抗形状が形成されていることを特徴とする請求項４に記載の熱交換器。

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