JP2020020575A - 熱交換システム - Google Patents

Abstract

【課題】サイズ低減を図ることができる熱交換システムを提供する。【解決手段】熱交換システム１０は、互いに間隔をあけて積層配置された複数のプレート１２１を有し、複数のプレート１２１によって、冷媒が流通する冷媒流路と冷水が流通する冷水流路とが交互に形成された第一熱交換器１００と、第一熱交換器１００の冷媒流路に冷媒を供給する冷媒供給部８０と、第一熱交換器１００の冷水流路に冷水を供給する冷水供給部９０と、冷媒流路を通過した冷媒から気相分を分離させる気液分離部３０と、気液分離部３０を通過した冷媒の液相分が接触する伝熱管３１０を有する第二熱交換器３００とを備える。【選択図】図４

Description

本発明は、熱交換システムに関する。

冷凍機等の冷却装置用の蒸発器の一つにプレート式熱交換器がある。プレート式熱交換器は熱交換器の体積当たりの流路断面積が大きいため、熱伝達率が高く、熱交換器自体のサイズ低減を図ることができる。

このようなプレート式熱交換器として、以下の特許文献１に記載のプレート式熱交換器が知られている。このプレート式熱交換器は、プレート式熱交換器の内部に導入された冷水と冷媒との熱交換を行う。導入された冷媒は、冷水からの熱を吸収することによって蒸発し、冷媒ガスとなり、プレート式熱交換器から排出される。

特許第３６５８６７７号公報

しかしながら、上記特許文献１のようなプレート式熱交換器は、冷媒である冷媒液を蒸発させて冷媒ガスにして排出する構成である。このため、熱交換途中において、冷媒は、冷媒液と冷媒ガスとが混合した二相流状態となる。プレート式熱交換器内における冷媒の蒸発が進むと、二相流状態の冷媒のうち、冷媒液に対する冷媒ガスの割合が高くなり過ぎるため、熱伝達率が極端に低下する。その結果、過剰の伝熱面積が必要となり、熱交換器自体のサイズが大きくなってしまう。

本発明は、サイズ低減を図ることができる熱交換システムを提供することを目的とする。

第１の態様の熱交換システムは、互いに間隔をあけて積層配置された複数のプレートを有し、前記複数のプレートによって、冷媒が流通する冷媒流路と冷水が流通する冷水流路とが交互に形成された第一熱交換器と、前記第一熱交換器の前記冷媒流路に前記冷媒を供給する冷媒供給部と、前記第一熱交換器の前記冷水流路に前記冷水を供給する冷水供給部と、前記冷媒流路を通過した前記冷媒から気相分を分離させる気液分離部と、前記気液分離部を通過した前記冷媒の液相分が接触する伝熱管を有する第二熱交換器と備える。

本態様では、第一熱交換器から排出された二相流の冷媒の気液分離を行い、分離された冷媒の液相分を第二熱交換器においてさらに蒸発させるため、第一熱交換器のサイズを低減することができ、限られた面積空間の中で冷媒から冷水への熱交換を充分に行うことができる。

第２の態様の熱交換システムは、前記第一熱交換器の上方に配置され、前記第一熱交換器から前記気液分離部へ前記冷媒流路を通過した前記冷媒を流通する二相流冷媒供給部と、前記第二熱交換器の上方に配置され、前記第二熱交換器に前記冷媒の液相分を供給する液相分供給部とをさらに備えた第１の態様の熱交換システムである。

本態様では、第一熱交換器の上方に二相流冷媒供給部を配置し、第二熱交換器の上方に液相分供給部を配置するので、第一熱交換器から第二熱交換器へ冷媒の導通経路を短くすることができる。

第３の態様の熱交換システムは、前記液相分を散布する散布部をさらに備え、前記伝熱管の上方から前記液相分を散布する第１又は第２の態様の熱交換システムである。

本態様では、伝熱管の上方から液相分を均一に散布することができる。

第４の態様の熱交換システムは、前記伝熱管が、それぞれ水平方向に延びるように配置され、上下に並べられた複数の伝熱管からなる第１から第３のいずれかの態様の熱交換システムである。

本態様では、複数の伝熱管の広範囲にわたって、冷媒の液相分を接触させることができる。

第５の態様の熱交換システムは、前記冷水供給部が、前記第一熱交換器と並列に、前記第二熱交換器の前記伝熱管に前記冷水を供給する第１から第４のいずれかの態様の熱交換システムである。

本態様では、第一熱交換器及び第二熱交換器において、並列に熱交換を行うことができるため、高速な熱交換処理が可能となる。

第６の態様の熱交換システムは、前記第二熱交換器の下方にポンプをさらに備え、前記第二熱交換器の下部に溜まった前記冷媒の液相分を前記ポンプで揚液し、前記伝熱管に接触させる第１から第５のいずれかの態様の熱交換システムである。

本態様では、第二熱交換器の下部に冷媒の液相分が溜まることを抑制できるので、液膜式熱交換を維持することができる。さらに、第二熱交換器の下部に溜まった冷媒の液相分を再び伝熱管に接触させるので、第二熱交換器の下部に溜まった液相分を再利用できる。

第７の態様の熱交換システムは、前記第二熱交換器は、下部に前記冷媒の液相分を内部に溜める冷媒貯留部をさらに備え、前記冷媒貯留部の内部に、前記伝熱管の少なくとも一部が配置された第１から第５のいずれかの態様の熱交換システムである。

本態様では、第二熱交換器の少なくとも下部において、満液式熱交換を行うことが可能となる。

本発明の熱交換システムによれば、サイズ低減した熱交換システムを提供することができる。

本発明の第一実施形態の熱交換システム１０における冷水と冷媒との間での熱交換の概念を示す説明図である。 対向流型のプレート式熱交換器９２０の構造を説明する図である。 プレート式熱交換器９２０の熱伝達率曲線を示すグラフである。 本発明に係る第一実施形態における熱交換システム１０の構造を示す図である。 本発明に係る第一実施形態における第一熱交換器１００の斜視図である。 本発明に係る第一実施形態における伝熱管式熱交換器の構造を示す図である。 本発明に係る第二実施形態における熱交換システム１０´の構造を示す図である。

以下、本発明に係る各種実施形態について、図面を用いて説明する。

「第一実施形態」
本発明に係る熱交換システムの第一実施形態について、図１〜図６を参照して説明する。

図１は、本実施形態の熱交換システム１０における、冷水と冷媒との間の熱交換の概念を示したものである。

熱交換システム１０は、冷媒液Ｃｌを導入する冷媒入口４０、冷水Ｗｉを導入する冷水入口５０、冷媒ガスＣｇを排出する冷媒出口６０、冷水Ｗｏを排出する冷水出口７０及び熱交換器２０を備えている。

本実施形態の場合、冷媒入口４０から飽和液である冷媒液Ｃｌで導入され、飽和ガスである冷媒ガスＣｇを冷媒出口６０から排出するように構成されている。すなわち、熱交換器２０に導入された冷媒の冷媒液Ｃｌは、熱交換器２０に導入された冷水Ｗｉからの熱を吸収することによって蒸発してガスとなり、プレート式熱交換器から冷媒ガスＣｇとして排出される。熱交換システム１０を冷凍機に用いる場合、冷媒出口６０へ排出された冷媒ガスＣｇは、圧縮機へ導かれる。

冷水入口５０から導入された冷水Ｗｉは、熱交換器２０に導入された冷媒液Ｃｌに熱を奪われることにより冷却されて、冷水出口７０から冷水Ｗｏとして排出される。

熱交換システム１０は、熱交換器２０として、第一熱交換器１００及び第二熱交換器３００を備える。本実施形態の場合、第一熱交換器１００は対向流型のプレート式熱交換器であり、第二熱交換器３００は伝熱管式熱交換器である。

ここで、熱交換システム１０の詳しい構造を説明する前に、第一熱交換器１００及び第二熱交換器３００を備える熱交換システムではなく、一つのプレート式熱交換器９２０で構成した熱交換システムについて説明する。プレート式熱交換器９２０は、第一熱交換器１００を構成するプレート式熱交換器と基本構造は同じであるが、プレート式熱交換器のＸ軸方向の長さが異なっている。冷媒液Ｃｌを充分に気化できるように、プレート式熱交換器９２０のＸ軸方向の長さは、Ｌｆとなっている。

図２によって、対向流型のプレート式熱交換器９２０の構造を簡単に説明する。図２に示すように、プレート式熱交換器９２０のうち、溶媒の上流端を、第１端９２０ａとし、溶媒の下流端を第２端９２０ｂとする。第１端９２０ａにおいて、冷媒液Ｃｌを導入する冷媒供給路９８０が接続され、第２端９２０ｂにおいて、冷媒ガスＣｇを排出する冷媒排出路９６０が接続されている。また、第１端９２０ａにおいて、冷水Ｗｏを排出する冷水排出路９７０が接続され、第２端９２０ｂにおいて、冷水Ｗｉを導入する冷水供給路９５０が接続されている。

対向流型のプレート式熱交換器９２０は、複数のプレート９２１を備えている。複数のプレート９２１は、熱伝導材料で構成され、プレート両面間で熱交換可能となっている。複数のプレート９２１が互いに間隔をあけて積層配置されることによって、プレート式熱交換器９２０内部に、積層された複数の流路が形成される。さらに、冷媒と冷水とが互いに対向方向に流れるように、積層された複数の流路に対し、冷媒と冷水とが交互に流される。

複数のプレート９２１は、順にプレート９２１ａ、９２１ｂ、９２１ｃ、９２１ｄ、９２１ｅからなり、互いに間隔をあけて積層配置されている。したがって、積層配置された各プレートの間には、順に流路９２２ａｂ、流路９２２ｂｃ、流路９２２ｃｄ、流路９２２ｄｅが形成されている。図２に示すように、冷媒供給路９８０から冷媒排出路９６０に向かって、流路９２２ａｂ、流路９２２ｃｄに冷媒が流され、冷水供給路９５０から冷水排出路９７０に向かって、流路９２２ｂｃ、流路９２２ｄｅに冷水が流される。プレート式熱交換器９２０内に流される冷媒及び冷水は互いに、熱伝導材料であるプレート９２１ｂ、９２１ｃ、９２１ｄを介して熱交換が行われる。

冷媒と冷水との熱交換に関して説明を加える。
冷媒は、第１端９２０ａに飽和液（蒸発寸前の液体）の状態で供給される。供給された冷媒は、冷媒の流れる方向ｆｃ（図２のＸ軸逆方向）に向かうに従って冷水との熱交換が進む。熱交換が進むことによって、冷媒の蒸発が進み、冷媒に含まれる冷媒ガスの割合が多くなる。

流れる冷媒全体に対する気相の冷媒（冷媒ガス）の割合は、クオリティχと呼ばれ、以下の式（１）で表される。

χ＝Ｇｇ／（Ｇｇ＋Ｇｌ）＝Ｇｇ／Ｇ ・・・（１）

ここで、Ｇは流れる冷媒全体の質量流量、Ｇｇは当該冷媒全体のうちの気相の冷媒の質量流量、Ｇｌは当該冷媒全体のうち液相の冷媒（冷媒液）の質量流量を表す。冷媒の蒸発が進むと、冷媒全体の質量流量Ｇのうち、気相の冷媒の質量流量Ｇｇが大きくなるため、クオリティχが大きくなり１に近づいてくる。

図３は、プレート式熱交換器９２０内における冷媒の流れる方向ｆｃと平行な方向（Ｘ軸方向）の各位置と、冷媒と冷水との間の熱伝達率ｈ（［Ｗ／Ｋ・ｍ^２］）との関係を示したグラフである。プレート式熱交換器９２０内の冷媒は、第１端９２０ａから第２端９２０ｂに向かって蒸発が進む。蒸発が進むと流れる冷媒全体に対する気相の冷媒の割合が高くなるので、冷媒のクオリティχが大きくなる。

よって、プレート式熱交換器９２０内において、冷媒のクオリティχは、第１端９２０ａから第２端９２０ｂに向かって（Ｘ軸逆方向に向かって）高くなるように分布し、第２端９２０ｂにおいて、最も高くなる。

他方、プレート式熱交換器９２０内において、第１端９２０ａからプレート式熱交換器９２０中央に向かって、熱伝達率ｈは高くなり、プレート式熱交換器９２０中央付近でピークを示す。さらに、プレート式熱交換器９２０中央から第２端９２０ｂに向かって、熱伝達率ｈは極端に減少した後、一定値に向かって漸減する。ここで、冷媒の流れの速さ、冷媒の温度、冷媒の種類（水、油等）によってピークのＸ軸方向の位置は変わる。

このとき、プレート式熱交換器９２０のうち、熱伝達率ｈがピークを示すプレート式熱交換器９２０中央から第１端９２０ａまでの領域を低クオリティ領域ＱＬとし、熱伝達率ｈがピークを示すプレート式熱交換器９２０中央から第２端９２０ｂまでの領域を高クオリティ領域ＱＨとする。

高クオリティ領域ＱＨにおいて、冷媒の流れる方向ｆｃに向かうほど、冷媒の蒸発は一層進み、冷媒は噴霧流の状態（気相の中に液滴が分散して存在する状態）へと変化する。冷媒が噴霧流となると、空間中の冷媒の液滴が少なくなることで、伝熱面積が小さくなったり、プレートの壁面と接触する冷媒の液滴の面積が小さくなったりすることで、伝達効率が極端に低下する。この結果、高クオリティ領域ＱＨにおいて、冷媒の熱伝達率ｈは、冷媒の流れる方向ｆｃに向かって極端に減少する。図３に、プレート式熱交換器９２０の熱伝達率曲線の変曲点Ｐｉを示す。熱伝達率ｈは変曲点Ｐｉ前後において極端に減少する。第１端９２０ａから第２端９２０ｂまでの距離をＬｆとすると、第１端９２０ａから変曲点Ｐｉ前後までの距離はＬｓとなっている。

また、低クオリティ領域ＱＬにおいて、噴霧流に至らない程度に冷媒の蒸発が進み、冷媒の体積流量が大きくなるため、冷媒の熱伝達率ｈは上昇する。この結果、図３のグラフに示されるように、低クオリティ領域ＱＬでは、冷媒の流れる方向ｆｃに向かって、冷媒の熱伝達率ｈは緩やかに上昇する。

特に高クオリティ領域ＱＨの熱伝達率ｈが極端に低くなった領域は、他の領域に比べて熱交換効率が劣っている。この結果、プレート式熱交換器９２０に、過剰の伝熱面積が必要となり、プレート式熱交換器９２０のサイズが大きくなってしまう。

そこで、以下の図４に示す本実施形態の熱交換システム１０の構成とすることで、プレート式熱交換器９２０の過剰の伝熱面積にわたる熱交換が必要なくなり、プレート式熱交換器９２０のＸ軸方向の長さを短くすることができる。

本実施形態の熱交換システム１０の構造について説明する。

図４に示すように、本実施形態の熱交換システム１０は、第一熱交換器１００及び第二熱交換器３００を含む熱交換器２０を備える。Ａ領域において、第一熱交換器１００が設けられ、Ｂ領域において第二熱交換器３００が設けられる。

また、熱交換システム１０は、第一熱交換器１００の冷媒流路に冷媒を供給する冷媒供給部８０、第一熱交換器１００の冷水流路に冷水を供給する冷水供給部９０及び冷媒流路を通過した冷媒から気相分を分離させる気液分離部３０を備える。

さらに、熱交換システム１０は、冷水出口７０、第一冷水排出路１７０及び第二冷水排出路３７０、ポンプ４００、第一冷媒排出路２１０、第二冷媒排出路２２０及び冷媒出口６０を備える。

第一熱交換器１００の構造について説明する。

本実施形態において、第一熱交換器１００は、等しい間隔で積層された複数のプレート１２１を備えるプレート式熱交換器である。よって、本実施形態のプレート式熱交換器は、複数のプレートの間隔を等しくなるように構成しているので、プレート式熱交換器を組み立て部品が共通化されるために、製造工程を単純化できるとともに、生産コストを抑えることができる。複数のプレート１２１は、熱伝導材料で構成され、プレート両面間で熱交換可能となっている。

さらに、図２で説明した対向流型のプレート式熱交換器９２０と同様に、第一熱交換器１００は、内部に積層形成された複数の流路を備えている。熱交換システム１０は、第一熱交換器１００内部の積層形成された複数の流路に対し、冷媒と冷水とを互いに対向方向に流している。さらに、熱交換システム１０は、第一熱交換器１００内部の積層形成された複数の流路に対し、冷媒と冷水と積層方向に交互に流している。したがって、第一熱交換器１００内部に、冷媒液Ｃｌと冷水Ｗｉとが、積層方向に対して交互に流され且つ対向方向に流されることによって、第一熱交換器１００は、対向流型のプレート式熱交換器を構成している。

第一熱交換器１００の長さについて説明する。

下記に説明するように、本実施形態の熱交換システム１０は、第一熱交換器１００と第二熱交換器３００の間で気液分離を行うことで、冷媒ガスＣｇ（気相成分）を排出しながら、熱交換を行っている。冷媒ガスＣｇを排出しながら熱交換を行っているので、第一熱交換器１００で充分気化する必要がない。したがって、次に示すとおり第一熱交換器１００のうち、高クオリティ領域ＱＨに対応する部分を縮小することが可能である。

すなわち、一つのプレート式熱交換器で冷媒液Ｃｌを充分に気化し、冷媒ガスＣｇにして排出する場合、必要なプレート式熱交換器の長さは、Ｌｆとなる。図３に示すように、高クオリティ領域ＱＨのうち、熱伝達率ｈが極端に低くなった領域は、他の領域に比べて熱交換効率が劣っており、熱交換器全体からみて有効利用できていない領域である。これに対し、本実施形態の第一熱交換器１００は、二相流状態の冷媒Ｃｍを排出するから、長さＬｆとする必要がない。よって、本実施形態の第一熱交換器１００は、高クオリティ領域ＱＨのうち、有効利用できていない領域に対応する部分を省いた構成とすることができる。プレート式熱交換器のプレートの積層数は、Ｎ１としている。

したがって、本実施形態の第一熱交換器１００の長さは、図５に示すように、Ｌｆより短いＬｓとしている。第一熱交換器１００の長さＬｓは、第一熱交換器１００の下端１００ａのＸ軸位置から、第一熱交換器１００の熱伝達率曲線の変曲点Ｐｉ前後のＸ軸位置までの距離に等しい。

冷媒の経路構成について説明する。

冷媒供給部８０は、冷媒入口４０及び第一冷媒供給路１４０を備えている。

熱交換システム１０で熱交換される冷媒液Ｃｌが、熱交換システム１０に導入される。熱交換システム１０に導入される冷媒液Ｃｌは、冷媒入口４０から導入される。第一冷媒供給路１４０の上流端は、冷媒入口４０に接続されている。よって、冷媒入口４０へ導入された冷媒液Ｃｌ（飽和液）は、第一冷媒供給路１４０へ導入される。第一冷媒供給路１４０の下流端は、第一熱交換器１００の下端１００ａにおいて、第一熱交換器１００へ接続されている。よって、冷媒液Ｃｌは、第一冷媒供給路１４０を介して、冷媒入口４０から第一熱交換器１００へ導入される。二相流冷媒供給路１６０の上流端は、第一熱交換器１００の上端１００ｂにおいて、第一熱交換器１００へ接続されている。よって、第一熱交換器１００は、二相流冷媒供給路１６０へ二相流状態の冷媒Ｃｍを排出する。

冷水の経路構成について説明する。

冷水供給部９０は、冷水入口５０、第一冷水供給路１５０及び第二冷水供給路３５０を備えている。

熱交換される冷水Ｗｉが、熱交換システム１０に導入される。熱交換システム１０に導入される冷水Ｗｉは、冷水入口５０から導入される。第一冷水供給路１５０の上流端は、冷水入口５０に接続されている。よって、冷水入口５０へ導入された冷水Ｗｉは、第一冷水供給路１５０へ導入される。第二冷水供給路３５０の上流端は、冷水入口５０に接続されている。よって、冷水入口５０へ導入された冷水Ｗｉは、第二冷水供給路３５０へ導入される。
図４に示すように、冷水入口５０は、第一冷水供給路１５０の上流端及び第二冷水供給路３５０の上流端に、分岐接続されている。

第一冷水供給路１５０の下流端は、第一熱交換器１００の上端１００ｂにおいて、第一熱交換器１００に分岐接続されている。よって、冷水Ｗｉは、第一冷水供給路１５０を介して、冷水入口５０から第一熱交換器１００へ導入される。第一冷水排出路１７０の上流端は、第一熱交換器１００の下端１００ａにおいて、第一熱交換器１００へ分岐接続されている。よって、冷水Ｗｏは、第一冷水排出路１７０を介して、第一熱交換器１００から排出される。

第二冷水供給路３５０は、下流側で複数の下流端に分岐されている。分岐した第二冷水供給路３５０の各下流端は、第二熱交換器３００の各伝熱管３１０の上流端に並列に接続されている。よって、第二冷水供給路３５０に導入された冷水Ｗｉは、第二熱交換器３００の各伝熱管３１０へ導入される。

第二冷水排出路３７０は、下流側で複数の下流端に分岐されている。分岐した第二冷水排出路３７０の各下流端は、第二熱交換器３００の各伝熱管３１０の下流端へ並列に分岐接続されている。よって、第二熱交換器３００の各伝熱管３１０から排出された冷水Ｗｏは、第二冷水排出路３７０を介して合流され、排出される。
したがって、複数の伝熱管３１０は、冷水入口５０及び冷水出口７０に、並列に接続される。

冷水出口７０は、第一冷水排出路１７０の下流端及び第二冷水排出路３７０の下流端に分岐接続されている。よって、第一熱交換器１００及び第二熱交換器３００から排出された冷水Ｗｏは、第一冷水排出路１７０及び第二冷水排出路３７０を介して合流され、冷水出口７０へ排出される。

したがって、図４に示すとおり、熱交換システム１０に導入された冷水は、冷水入口５０から、分岐する第一冷水供給路１５０及び第二冷水供給路３５０→合流する第一冷水排出路１７０及び第二冷水排出路３７０を経由することによって、冷水を第一熱交換器１００及び第二熱交換器３００に並列的に冷水を流通させている。

ここで、冷媒や冷水の経路において、第一熱交換器１００に冷媒液Ｃｌと冷水Ｗｉが供給され、第一熱交換器１００から二相流状態の冷媒Ｃｍ及び冷水Ｗｏに変換されて排出される理由について説明する。
第一熱交換器１００に導入された冷媒液Ｃｌ及び冷水Ｗｉは、第一熱交換器１００内部において、積層方向に対して交互に流され且つ対向方向に流されることによって、互いに熱交換を行う。熱交換された冷媒液Ｃｌは、冷水Ｗｉの熱を吸収して（冷水Ｗｉに加熱されて）二相流状態の冷媒Ｃｍに変換されて、第一熱交換器１００から排出される。熱交換された冷水Ｗｉは、冷媒液Ｃｌに熱を放出して（冷媒液Ｃｌに冷却されて）冷水Ｗｏとなり、第一熱交換器１００から排出される。

また、第二熱交換器３００に冷媒液Ｃｌ及び冷水Ｗｉが供給され、第二熱交換器３００から冷媒ガスＣｇ及び冷水Ｗｏに変換されて排出される理由について説明する。
第二熱交換器３００に導入された冷媒液Ｃｌと冷水Ｗｉは、第二熱交換器３００内部において、互いに熱交換を行う。熱交換された冷媒液Ｃｌは、冷水Ｗｉの熱を吸収して（冷水Ｗｉに加熱されて）冷媒ガスＣｇに変換されて、第二熱交換器３００から排出される。熱交換された冷水Ｗｉは、冷媒液Ｃｌに熱を放出して（冷媒液Ｃｌに冷却されて）冷水Ｗｏとなり、第二熱交換器３００から排出される。

気液分離部３０及びその周辺の構成について説明する。

気液分離部３０は、二相流冷媒供給路１６０の下流端と第二冷媒供給路２４０の上流端との間に設けられる。第二冷媒供給路２４０は、下流側で複数の下流端に分岐される。分岐した第二冷媒供給路２４０の各下流端は、以下に説明する液相分導入部３２０の複数のスプレー３２０ａにそれぞれ接続される。

したがって、気液分離部３０は、第一熱交換器１００から二相流冷媒供給路１６０へ排出された（気液相からなる）二相流状態の冷媒Ｃｍを、冷媒ガスＣｇ（気相成分）と冷媒液Ｃｌ（液相成分）とに分離する。
また、気液分離部３０で分離された冷媒液Ｃｌは、第二冷媒供給路２４０及び液相分導入部３２０を介して、第二熱交換器３００へ導入される。
さらに、気液分離部３０で分離された冷媒ガスＣｇは、冷媒出口６０へ接続される第一冷媒排出路２１０を介して、冷媒出口６０へ排出される。

したがって、本実施形態の熱交換システム１０は、第一熱交換器１００と第二熱交換器３００の間で気液分離を行い、冷媒ガスＣｇ（気相成分）を排出しながら、熱交換を行っている。

第二熱交換器３００及びその周辺の構造について説明する。

第二熱交換器３００は、中空の空間Ｓｓを有しており、熱交換されて蒸発した冷媒ガスＣｇを空間Ｓｓに保持できるように密封構造を構成している。

第二冷媒排出路２２０の上流端は、空間Ｓｓと流通するように第二熱交換器３００に接続され、第二冷媒排出路２２０の下流端は、冷媒出口６０に接続される。よって、第二熱交換器３００の空間Ｓｓに保持された冷媒ガスＣｇは、第二冷媒排出路２２０を介して、冷媒出口６０へ排出される。

第二熱交換器３００は、空間Ｓｓに複数の伝熱管３１０で形成された複数の流路を備えている。第二熱交換器３００に供給される冷水Ｗｉは、伝熱管３１０内に流される。また第二熱交換器３００は、上方に液相分導入部３２０を備え、複数の伝熱管３１０の外周表面に冷媒液Ｃｌを供給している。

本実施形態において、液相分導入部３２０は、散布部として複数のスプレー３２０ａを備える。各スプレー３２０ａは、第二熱交換器３００内部の複数の伝熱管３１０に向かって冷媒液Ｃｌを散布する。散布された冷媒液Ｃｌは、複数の伝熱管３１０の外周表面に接触する。

複数の伝熱管３１０は、熱伝導材料で構成され、伝熱管３１０の外周表面と伝熱管３１０内との間で熱交換可能となっている。よって、散布された冷媒液Ｃｌを複数の伝熱管３１０の外周表面に接触させることによって、第二熱交換器３００は、伝熱管３１０表面に供給される冷媒液Ｃｌと伝熱管３１０内に流される冷水Ｗｉとの間で互いに熱交換を行う。

各伝熱管３１０は、図４、図６に示すように、Ｙ軸方向（水平方向）に管軸が延びるように配置される。複数の伝熱管３１０は、ＸＺ平面視において、互いに上下及び左右（Ｘ軸方向及びＺ軸方向）について格子状に並べられる。本実施形態では、図４、図６に示すように、上下に７段、左右に３列、計２１本の伝熱管３１０が、格子状に並べられている。

ポンプ４００及びその周辺の構造について説明する。

ポンプ４００は、第二熱交換器３００の下方に設置される。

ポンプ４００の上流は、ポンプ供給流路４０１の下流端に接続され、ポンプ４００の下流は、ポンプ排出流路４０２の上流端に接続される。ポンプ供給流路４０１の上流端は、空間Ｓｓと流通するように第二熱交換器３００の下部に接続される。ポンプ排出流路４０２の下流端は、図４に示すように、第二冷媒供給路２４０の下流側における分岐箇所より上流側で、第二冷媒供給路２４０に接続される。

よって、ポンプ４００は、ポンプ供給流路４０１及びポンプ排出流路４０２を介して、第二熱交換器の下部に溜まった冷媒液Ｃｌを揚液し、第二冷媒供給路２４０に供給する。第二冷媒供給路２４０に供給された冷媒液Ｃｌは、液相分導入部３２０を介して、第二熱交換器３００内部へ再度導入される。したがって、揚液された冷媒液Ｃｌは、第二冷媒供給路２４０に再度供給されることによって、複数の伝熱管３１０に再度接触する。

第二熱交換器３００の作用について説明する。

第二冷媒供給路２４０を介して液相分導入部３２０に導入された冷媒液Ｃｌは、複数のスプレー３２０ａによって、複数の伝熱管３１０に向かって散布される。複数のスプレー３２０ａは、複数の伝熱管３１０のうち、最上段の３本の伝熱管３１０ａの外周表面に向かって冷媒液Ｃｌを散布する。

伝熱管３１０ａに散布された冷媒液Ｃｌは、伝熱管３１０ａの外周表面を伝いながら、下方の伝熱管３１０ｂへ流れ落ちる。下方の伝熱管３１０ｂへ流れ落ちた冷媒液Ｃｌは、伝熱管３１０ｂの外周表面を伝いながら、さらに次の下方の伝熱管へ流れ落ちる。

伝熱管３１０に充分な冷媒液Ｃｌを散布することによって、最上段から最下段の伝熱管３１０にわたって、冷媒液Ｃｌは途切れることなく流れ落ちる。途切れることなく流れ落ちる冷媒液Ｃｌは、上下方向及び伝熱管３１０の管軸方向に広がる面（ＸＹ平面）を有する液膜Ｃｓｔとなる。液膜Ｃｓｔは、伝熱管３１０の各列に形成される。本実施形態では３列の伝熱管３１０に対応して、３枚の液膜Ｃｓｔが形成される。

液膜Ｃｓｔが形成されるように冷媒液Ｃｌを充分に散布することによって、伝熱管３１０の外周のほぼ全周にわたって冷媒液Ｃｌが接触する。伝熱管３１０の外周のほぼ全周にわたって冷媒液Ｃｌを接触させれば、伝熱管３１０の外周のほぼ全周で熱交換を行うことができので、高効率な熱交換が可能となる。

各伝熱管３１０の外周表面を伝う冷媒液Ｃｌの一部は、熱交換によって蒸発し気化して冷媒ガスＣｇとなる。気化した冷媒ガスＣｇは、空間Ｓｓに保持されつつ、第二冷媒排出路２２０を介して、冷媒出口６０へ排出される。

したがって、第二熱交換器３００は、液膜式熱交換器として作用する。

冷媒液Ｃｌは、最下段の伝熱管３１０から第二熱交換器３００の下部に流れ落ちる程度に多めに散布する。第二熱交換器３００の下部に流れ落ちた冷媒液Ｃｌは、第二熱交換器３００の下部に溜められる。溜められた冷媒液Ｃｌは、ポンプ４００によって揚液し、複数の伝熱管３１０に再度接触させる。

したがって、第二熱交換器３００の下部に流れ落ちた冷媒液Ｃｌを再利用するため、冷媒液Ｃｌを有効に利用することができる。

図４に示すように、散布する冷媒液Ｃｌを適切に微調整することによって、最下段の伝熱管３１０で冷媒液Ｃｌが全て蒸発し、最下段の伝熱管３１０から流れ落ちる冷媒液Ｃｌがないように構成してもよい。この場合、ポンプ４００を設ける必要がなくなる。

以上のとおり、本実施形態では、第一熱交換器１００のプレート式熱交換器のＸ軸方向の長さを短くすることができる。また、本実施形態では、第一熱交換器１００が気相化できなかった冷媒液だけを第二熱交換器３００で気相化するので、伝熱管３１０の本数が減らせることができ、第二熱交換器３００の規模を小さくすることもできる。規模が大きくなると伝熱管３１０の本数が増えてコストがかかる。このような伝熱管式熱交換器にとって、第二熱交換器３００の規模を小さくすることができることは有効である。
したがって、本実施形態では、第一熱交換器１００と第二熱交換器３００を組み合わせることによって、第一熱交換器１００のＸ軸方向の長さを短くすることができると共に、第二熱交換器３００に規模を小さくできる。

さらに、本実施形態では、第一熱交換器１００から排出された二相流状態の冷媒Ｃｍから冷媒ガスＣｇを分離した冷媒液Ｃｌ、すなわち飽和液を、第二熱交換器３００の冷媒に利用している。したがって、飽和液からなる冷媒液Ｃｌを第二熱交換器３００に導入できるので、効率のよい熱交換が可能であるという相乗効果も有する。

「第二実施形態」
本発明に係る熱交換システムの第二実施形態について、図７を参照して説明する。

本実施形態の熱交換システム１０´の構造は、第一実施形態の構造と基本的に同じであるが、液膜式熱交換器と満液式熱交換器を併用している点で異なる。その他の構成については第一実施形態と同様である。

図７に示すように、本実施形態の熱交換システム１０´の第二熱交換器３００´は、液膜式熱交換器３０１´及び満液式熱交換器３０２´を備える。第二熱交換器３００´のＢ領域において、液膜式熱交換器３０１´が設けられ、第二熱交換器３００´のＣ領域において、満液式熱交換器３０２´が設けられる。

液膜式熱交換器３０１´は、Ｂ領域において、第一実施形態と同様に、伝熱管３１０の各列に液膜Ｃｓｔを形成している。

満液式熱交換器３０２´は、少なくとも四つの側面（ＸＹ側面及びＺＸ側面）及び下面が閉塞された冷媒貯留部３０２ａ´を備えている。冷媒貯留部３０２ａ´は、四つの側面及び下面が閉塞されたＣ領域を内部に形成しており、Ｃ領域に冷媒液Ｃｌが溜めることができるように構成されている。Ｃ領域には、複数の伝熱管３１０の一部が設けられており、本実施形態の場合、上下に４段、左右に３段、計１２本の伝熱管３１０が設けられている。

液膜Ｃｓｔから流れ落ちた冷媒液Ｃｌは、満液式熱交換器３０２´のＣ領域に溜まる。Ｃ領域の伝熱管３１０が、溜まった冷媒液Ｃｌに浸かることによって、溜まった冷媒液Ｃｌは、Ｃ領域の伝熱管３１０の外周表面と接触する。したがって、Ｃ領域の伝熱管３１０表面と接触する冷媒液Ｃｌと伝熱管３１０内に流される冷水Ｗｉとの間で互いに熱交換を行う。

本実施形態では、プレート式熱交換器に液膜式熱交換器及び満液式熱交換器を組み合わせた熱交換システムを構成することができ、最適な面積、体積、規模に合わせた熱交換システムを提供することができる。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

本実施形態では、第一熱交換器１００の複数のプレート１２１は、等しい間隔で積層されているが、組み立て部品の共通化、製造工程の単純化が重要でないときは、等しい間隔でなくても構わない。
また、第一熱交換器１００の複数のプレート１２１について、冷水流路のプレートの間隔と、冷媒流路のプレートの間隔は、それぞれ異なってもよい。

本実施形態は、第一熱交換器及び第二熱交換器に対して、同じ冷水入口５０から並列に冷水を供給しているが、第一熱交換器１００及び第二熱交換器それぞれに、異なる冷水源から個別に冷水を供給しても構わない。

各伝熱管３１０に配置するスプレー３２０ａは、１つでもよい。さらに各伝熱管３１０に配置するスプレー３２０ａは、管軸方向に複数並べてもよい。管軸方向に複数並べれば、伝熱管３１０の外周表面を有効利用することができる。

本実施形態は、複数のスプレー３２０ａによって伝熱管に冷媒液Ｃｌを散布したが、伝熱管表面に冷媒液Ｃｌを均等に供給できるなら、散布部としてシャワーやスプリンクラーを設けることによって、冷媒液Ｃｌを散布してもよい。さらに、伝熱管表面に冷媒液Ｃｌを均等に供給できるなら、配管の端部又は配管側面の開口から冷媒液Ｃｌの液滴を滴下させることによって、伝熱管表面に冷媒液Ｃｌを供給してもよい。

第二実施形態において、液膜式熱交換器３０１´及び満液式熱交換器３０２´を備える第二熱交換器３００´を用いたが、全ての伝熱管を冷媒液Ｃｌに浸からせる構成とすることによって、第二熱交換器を満液式熱交換器だけで構成しても構わない。

各冷媒導入路、冷媒排出路、冷水導入路及び冷水排出路と各熱交換器との分岐接続について、実施形態では、図４、図７に示すように、各プレート式熱交換器の外部で分岐して接続しているが、各プレート式熱交換器の外部で分岐せず接続し、各熱交換器の内部で分岐するものであってもよい。

本実施形態では、複数の伝熱管３１０を上下に７段、左右に３列、計２１本並べているが、上下や左右にどのような本数で並べてもよい。

各伝熱管３１０は、Ｙ軸方向に管軸を向けて配置しているが、ＹＺ平面に沿う方向であればどのような方向でもよく、例えばＺ軸方向に管軸を向けて配置してもよい。この場合、複数の伝熱管は、ＸＹ平面視において、互いに上下及び左右の格子状に並べると、複数の伝熱管の外周表面を有効利用できる。

本実施形態では、第一熱交換器１００の長さを、プレート式熱交換器の熱伝達率曲線の変曲点Ｐｉ前後のＸ位置に対応させてＬｓとしたが、少なくともプレート式熱交換器の下端１００ａのＸ位置から、熱伝達率曲線のピークのＸ位置を超える長さであればどのような長さでも構わない。第一熱交換器１００の長さを短くすればするほど、第一熱交換器１００の過剰な伝熱面積を減らすことができ、第一熱交換器１００の長さを長くすればするほど、第一熱交換器１００の積層数を減らすことができる。また第一熱交換器１００の長さを長くすればするほど、第二熱交換器３００での熱変換の負担を減らすこともできる。

本実施形態の第一熱交換器のプレート及び第二熱交換器の伝熱管で用いる熱伝導材料としては、アルミニウム、グラファイト、銅、セラミックス等、どのような材料でも構わない。

本実施形態の冷媒としては、アンモニア、ＨＦＣ等、どのような冷媒を用いてもよい。

本実施形態は、冷水を冷却する装置であるが、常温水、温水等を冷却する装置に適用してもよいし、油を冷却する装置に適用してもよい。

気液分離部としては、重力分離方式、遠心分離方式、フィルタ方式等、様々なものを用いることができる。

第一熱交換器で用いるプレート式熱交換器は、対向型に限らず、冷媒が流通する冷媒流路と冷水が流通する冷水流路とが直交配置する直交型でも構わない。さらに、直交配置に限らず、冷媒が流通する冷媒流路と冷水が流通する冷水流路とが交差する配置であれば、どのような角度で交差しても構わない。

第一熱交換器で用いるプレート式熱交換器は、プレートにプレートフィンを用いることによって、プレート表面に伝熱促進効果のあるプレートフィン熱交換器としてもよい。プレートフィン熱交換器とすることで、伝熱性能を向上し、熱交換器の小型化を図ることが可能となる。

第二熱交換器で用いる伝熱管は、内面、外面、又は内外面に伝熱促進構造のある伝熱管を採用してもよい。伝熱促進構造のある伝熱管を採用することで、伝熱性能を向上し、熱交換器の小型化を図ることが可能となる。

１０：熱交換システム
２０：熱交換器
３０：気液分離部
４０：冷媒入口
５０：冷水入口
６０：冷媒出口
７０：冷水出口
８０：冷媒供給部
９０：冷水供給部
１００：第一熱交換器
１００ａ：下端
１００ｂ：上端
１２１：複数のプレート
１４０：第一冷媒供給路
１５０：第一冷水供給路
１６０：二相流冷媒供給路
１７０：第一冷水排出路
２１０：第一冷媒排出路
２２０：第二冷媒排出路
２４０：第二冷媒供給路
３００：第二熱交換器
３００´：第二熱交換器
３０１：液膜式熱交換器
３０１´：液膜式熱交換器
３０２´：満液式熱交換器
３０２ａ´：冷媒貯留部
３１０：伝熱管
３１０ａ：伝熱管
３１０ｂ：伝熱管
３２０：液相分導入部
３２０ａ：スプレー
３５０：第二冷水供給路
３７０：第二冷水排出路
４００：ポンプ
４０１：ポンプ供給流路
４０２：ポンプ排出流路
９２０：プレート式熱交換器
９２０ａ：第１端
９２０ｂ：第２端
９２１：複数のプレート
９２１ａ：プレート
９２１ｂ：プレート
９２１ｃ：プレート
９２１ｄ：プレート
９２１ｅ：プレート
９２２ａｂ：流路
９２２ｂｃ：流路
９２２ｃｄ：流路
９２２ｄｅ：流路
９５０：冷水供給路
９６０：冷媒排出路
９７０：冷水排出路
９８０：冷媒供給路
Ｃｇ：冷媒ガス
Ｃｌ：冷媒液
Ｃｍ：二相流状態の冷媒
Ｃｓｔ：液膜
ｆｃ：冷媒の流れる方向
ｈ：熱伝達率
Ｐｉ：変曲点
ＱＨ：高クオリティ領域
ＱＬ：低クオリティ領域
Ｓｓ：空間
Ｗｉ：冷水
Ｗｏ：冷水

Claims (7)

1. 互いに間隔をあけて積層配置された複数のプレートを有し、前記複数のプレートによって、第一冷媒が流通する第一冷媒流路と第二冷媒が流通する第二冷媒流路とが形成されたプレート式熱交換器と、
   前記プレート式熱交換器の前記第一冷媒流路に前記第一冷媒を供給する第一冷媒供給部と、
   前記プレート式熱交換器の前記第二冷媒流路に前記第二冷媒を供給する第二冷媒供給部と、
   前記第一冷媒流路を通過した前記第一冷媒から気相分を分離させる気液分離部と、
   前記気液分離部を通過した前記第一冷媒の液相分が接触する伝熱管を有する液膜式熱交換器と、
   を備える熱交換システム。
2. 前記プレート式熱交換器の上方に配置され、前記プレート式熱交換器から前記気液分離部へ前記第一冷媒流路を通過した前記第一冷媒を流通する二相流冷媒供給部と、
   前記液膜式熱交換器の上方に配置され、前記液膜式熱交換器に前記液相分を供給する液相分供給部と、
   をさらに備えた請求項１に記載の熱交換システム。
3. 前記伝熱管の上方から前記液相分を散布する散布部をさらに備えた
   請求項１又は請求項２に記載の熱交換システム。
4. 前記伝熱管は、水平方向に延びるように配置され、上下に複数並べられている
   請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の熱交換システム。
5. 前記第二冷媒供給部は、前記プレート式熱交換器と並列に、前記液膜式熱交換器の前記伝熱管に前記第二冷媒を供給する
   請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の熱交換システム。
6. 前記液膜式熱交換器の下方にポンプをさらに備え、
   前記液膜式熱交換器の下部に溜まった前記液相分を前記ポンプで揚液し、前記伝熱管に接触させる
   請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の熱交換システム。
7. 前記液膜式熱交換器は、下部に前記液相分を内部に溜める冷媒貯留部をさらに備え、
   前記冷媒貯留部の内部に、前記伝熱管の少なくとも一部が配置された
   請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の熱交換システム。

Images