JP2020128869A - 熱交換器用モジュールユニット及び空気乾燥器 - Google Patents

熱交換器用モジュールユニット及び空気乾燥器 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、全体的なエネルギーの使用効率の最大化を図るために、流体と熱媒体の移動経路の間に相変換物質を配置して、相変換物質による間接熱交換によって流体と熱媒体の熱交換を行う。【解決手段】本熱交換器は多数のプレートが隔板の一側に流体及び熱媒体が移動する間隙を有して積層され、上記貫通孔をそれぞれ連結する連結体を通じて上記間隙を選択的に連結して流体及び熱媒体がそれぞれ独立的に移動するそれぞれの流体通路及び熱媒体通路を構成するようになり、上記流体及び熱媒体が移動するそれぞれの流体通路及び熱媒体通路を構成する間隙の間には、相変換物質が収容される間隙が位置して配置し、上記相変換物質によって上記流体及び熱媒体の間の熱交換が行われるようにした。【選択図】図３

Description

本発明は、単一または複数個が連結されて流体と熱媒体の熱交換が実現されるようになる熱交換器を構成する熱交換器用モジュールユニット、及び当該熱交換器用モジュールユニットを含む空気乾燥器に関し、さらに詳しくは、流体と熱媒体の移動経路の間に相変換物質が配置されて、相変換物質による間接熱交換によって流体と熱媒体の熱交換を行うようにすることにより、相変換物質の蓄熱された潜熱によって熱媒体の持続的な循環がなくても流体と相変換物質が熱交換を行うことになり、全体的なエネルギーの使用効率を最大化できるだけでなく、特に複数個が連結されて熱交換器を形成する時、流体と熱媒体が直接的に空間的に接触しないようにして安定した機能を行うことができる熱交換器用モジュールユニット、及び当該熱交換器用モジュールユニットを含む空気乾燥器に関するものである。
一般に、熱交換器は、熱媒体が循環サイクルにより循環する間、流体との熱接触を通じて熱交換を行って流体の熱エネルギーを所望の目的に応じて吸熱または加熱するようになっているものである。
このような熱交換器は様々な分野に適用されており、そのうちの１つとして、圧縮空気（または排気ガス）中に含まれた水分を冷却して凝縮させた後、除去する冷凍式空気乾燥器に適用されて用いられる。
このような空気乾燥器は、流体（圧縮空気、排気ガス）の移動経路上に低温の熱媒体（冷媒）によって流体を冷却させて内部に含有された水分を冷却して凝縮した後、除去して流体を乾燥することになる。
即ち、冷媒を用いて熱交換器で圧縮空気を冷却して内部の凝縮された水蒸気をセパレーター（separator）を通じて外部へ排出、除去することにより乾燥空気を作ることになる。
この時、凝縮水が除去された低温の乾燥空気は、吐出される前に別途の熱交換空間で湿り空気との再度の熱交換を行って暖められ、相対湿度が低くなり乾燥度は追加で高くなるようにすることができ、また、高温の入口空気は予冷される効果があり、冷媒の冷却循環システムを構成する蒸発器の冷凍負荷を減らすことができる構成を適用し得る。
上記のような空気乾燥器は、冷媒の冷却循環（refrigerating circuit）システムにより持続的に冷却された状態で上記流体と熱交換するようになっており、負荷が０％から１００％に随時変動する空気乾燥器の負荷特性によって上記冷媒の冷却循環システムのオン（on）／オフ（off）制御による温度の調節が難しい問題点がある。
これにより、従来は、上記冷媒の冷却循環システムを常時運転しながら必要に応じて冷媒をバイパス（by-pass）させて温度を調節している実情である。
しかし、この場合には、空気乾燥器の負荷特性による負荷値に関係なく冷媒の冷却循環システムが常時運転するので、エネルギーの使用効率が顕著に落ちる問題点があった。
また、上記のような従来の問題点を解決するために蓄冷槽及びポンプを用いて間接冷却方式で上記冷媒の冷却循環システムのオン（on）／オフ（off）制御により温度を調節する空気乾燥器が提案されて用いられており、この場合にはグリコールの顕熱を用いて流体との熱交換が行われるので、蓄冷槽（タンク）が大きく、これを熱交換が行われる熱交換器に循環させるための別途のポンプが備えられなければならないので、費用が増大する問題点があった。
本発明は、上記のような従来の問題点を解決するために提案されたもので、本発明の目的は、単一または複数個が連結されて流体と熱媒体の熱交換が実現されるようになる熱交換器を構成することができ、流体と熱媒体の移動経路の間に相変換物質が配置されて、相変換物質による間接熱交換によって流体と熱媒体の熱交換を行うようにすることにより、相変換物質の蓄熱された潜熱によって熱媒体の持続的な循環がなくても流体と相変換物質が熱交換を行うことになり、全体的なエネルギーの使用効率を最大化できるだけでなく、特に複数個が連結されて熱交換器を形成する時、流体と熱媒体が直接的に空間的に接触しないようにして安定した機能を行うことができるようになる熱交換器用モジュールユニット、及び当該熱交換器用モジュールユニットを含む空気乾燥器を提供することにある。
本発明は、特に空気乾燥器に適用されて熱を吸収して溶けたり熱を排熱して凍るようになる相変換物質（phase changing material）の潜熱を用いた蓄冷効果を最大化させて別途の蓄冷槽及びポンプがなくても円滑に流体の熱交換を実現することにより、特に空気乾燥器に適用されて一般の間接冷却式空気乾燥器よりも低廉な費用で運転できるだけでなく、蓄冷容量が従来の間接冷却式空気乾燥器よりも大きいため、冷媒の冷却循環システムの耐久性に致命的な頻繁なオン／オフ制御を改善することができ、耐久性を画期的に改善できる熱交換器を構成することができる熱交換器用モジュールユニット、及び当該熱交換器用モジュールユニットを含む空気乾燥器を提供する。
上記のような本発明の目的を達成するための本発明の熱交換器用モジュールユニットは、流体及び熱媒体が移動する貫通孔が形成されている隔板を有する多数のプレートが前記隔板の一側に前記流体及び熱媒体が移動する間隙を有して積層され、前記流体及び熱媒体がそれぞれ独立的に移動するそれぞれの流体通路及び熱媒体通路を構成し、前記流体及び熱媒体が移動するそれぞれの前記流体通路及び熱媒体通路を構成する間隙の間ごとに、熱を吸収して溶けたり熱を排熱して凍るようになる相変換物質が収容される間隙が位置して配置され、前記相変換物質の潜熱を通じて前記流体及び熱媒体の間の間接的な熱交換が行われ、前記相変換物質が収容される間隙は２列の間隙で構成され、前記プレートの間隙において、最外郭に位置した間隙から少なくとも１つの間隙には、前記相変換物質が収容されることを特徴とする。
前記相変換物質が連続するように配置される２列の間隙を構成する隔板には、前記相変換物質が流通して互いに交流するようになる流通孔が形成されることを特徴とする。
前記相変換物質は、パラフィンからなることを特徴とする。
前記流体及び熱媒体がそれぞれ独立的に移動するそれぞれの前記流体通路及び熱媒体通路は、前記貫通孔をそれぞれ連結する連結体を通じて前記間隙を選択的に連結して構成され、前記連結体は、リング（ｒｉｎｇ）状を有する連結リングからなることを特徴とする。
前記流体及び熱媒体がそれぞれ独立的に移動するそれぞれの前記流体通路及び熱媒体通路は、前記貫通孔をそれぞれ連結する連結体を通じて前記間隙を選択的に連結して構成され、前記連結体は、前記貫通孔の周辺部で他のプレートを構成する隔板側の方向に延びて密着する延長突部からなることを特徴とする。
前記流体及び熱媒体がそれぞれ独立的に移動するそれぞれの前記流体通路及び熱媒体通路は、前記貫通孔をそれぞれ連結する連結体を通じて前記間隙を選択的に連結して構成され、前記連結体は、リング（ｒｉｎｇ）状を有する連結リングからなり、前記連結リングは、前記貫通孔の周辺部で他のプレートを構成する隔板側の方向に凹んでいる収容溝を有する延長突部の収容溝に収容され、前記延長突部の突出した面は前記他のプレートを構成する隔板の貫通孔の周辺面に密着されるようになることを特徴とする。
本発明の空気乾燥器は、上記熱交換器用モジュールユニットを含む。
上記のようになる本発明の熱交換器用モジュールユニットは、多数のプレートが相変換物質を間に設けて流体と熱媒体が移動する通路を構成しながら積層されることにより、上記流体と熱媒体の間の熱交換が上記相変換物質の潜熱によって間接的に行われるようになっているため、相変換物質の蓄熱された潜熱によって熱媒体の持続的な循環がなくても流体と相変換物質が熱交換をすることにより、全体的なエネルギーの使用効率を最大化することができる効果を奏する。
特に、空気乾燥器に適用される場合、上記相変換物質の潜熱を用いた蓄冷効果を最大化することにより、別途の蓄冷槽及びポンプがなくても円滑に流体の熱交換を実現することになって従来の間接冷却式空気乾燥器よりも低廉な費用で運転できるだけでなく、蓄冷容量が従来の間接冷却式空気乾燥器よりも大きいため冷媒の冷却循環システムの耐久性に致命的な頻繁なオン／オフ制御を改善し、耐久性を画期的に改善することができる効果を奏する。
さらに、複数個が連続して連結されて熱交換器を構成する時、モジュールユニット間の連結される部位を構成する間隙に少なくとも１つの相変換物質が位置することにより、流体及び熱媒体が直接的に密着することを防止し、結合時に熱交換効率が低下することを防止してその機能を安定的に行うことができる効果を奏する。
本発明の一実施例による熱交換器用モジュールユニットが適用された熱交換器を用いる空気乾燥器の一例を示す概略的な斜視例示図である。 本発明の一実施例による熱交換器用モジュールユニットが適用された熱交換器を用いる空気乾燥器の一例を示す概略的な斜視例示図である。 本実施例による熱交換器用モジュールユニットを示す概略的な例示図である。 本実施例による熱交換器用モジュールユニットを示す概略的な例示図である。 本実施例による熱交換器用モジュールユニットが適用された熱交換器を示す概略的な例示図である。 本実施例による熱交換器用モジュールユニットを構成するプレートの一例を示す概略的な例示図である。 本実施例による熱交換器用モジュールユニットを構成するプレートの一例を示す概略的な例示図である。 本実施例による熱交換器用モジュールユニットを構成するプレートの一例を示す概略的な例示図である。 本実施例による熱交換器用モジュールユニットを構成するプレートの他の例を示す概略的な例示図である。 本実施例による熱交換器用モジュールユニットにおいて流体が移動する状態を示す概略的な例示図である。 本実施例による熱交換器用モジュールユニットにおいて熱媒体が移動する状態を示す概略的な例示図である。
以下では、添付の図面を参照して、本発明による好適な実施例による熱交換器用モジュールユニットを詳細に説明する。
本発明の実施例は様々な形態に変形され得、本発明の範囲が以下で詳細に説明する実施例に限定されるものと解釈されてはならない。本実施例は当業界で通常の知識を有する者に本発明をさらに完全に説明するために提供される。よって、図面における要素の形状などはさらに明確な説明を強調するために誇張して表現され得る。各図面において同一の部材は同一の参照符号で示す場合があることを留意すべきである。本発明の要旨を不要にぼやかし得ると判断される公知の機能及び構成に関する詳細な記述は省略する。
図１〜図８は、本発明による一実施例による熱交換器用モジュールユニットを示す図であって、本実施例による熱交換器用モジュールユニット１は、単一または複数個が連続して連結されて熱交換器１０を形成して流体と熱媒体が移動する空間上で熱交換を行うようになるものであって、主に水分が含有された流体（圧縮空気、排気ガス）において熱を冷温の熱媒体に伝達し、水分を凝縮させて除去することにより空気を乾燥する空気乾燥器１００に特に適切に適用される。
即ち、流体（圧縮空気、排気ガス）に対して冷温の熱媒体（冷媒）が相互間の熱交換を通じて流体の熱を吸収して水分を凝縮することにより乾燥することになる。
上記において冷温の熱媒体（冷媒）は、別途の公知の技術が適用された冷却循環システムによって冷却された後に再循環されて、持続的に投入される流体との熱接触を通じて熱交換を行うのが望ましい。
このような本実施例による熱交換器用モジュールユニット１は、上記流体及び熱媒体が移動する貫通孔２１が多数形成されている隔板２２を有する多数のプレート２が上記隔板２２の一側に流体及び熱媒体が移動する間隙２３を有して積層される。
即ち、上記プレート２が間隙２３を有して嵌合され、上記貫通孔２１を通じて間隙２３が互いに連結される。
これにより、上記間隙２３を流体及び熱媒体が経由しながら移動する。
上記においてプレート２は上記隔板２２と上記隔板２２の外周面から上記間隙２３側の方向に延在された側壁２４を含み、上記隔板２２と上記側壁２４の間の空間に上記間隙２３が形成される。
上記において側壁２４は、終端に行くほど外側方向に傾斜した傾斜面からなり、多数のプレート２が積層される時、嵌合が容易に行われるのが望ましい。
上記において貫通孔２１は、上記隔板２２上で上下左右の４つの角部位にそれぞれ形成され、流体及び熱媒体が上側と下側の貫通孔２１の間を通じて移動するのが望ましく、それぞれ左側及び右側に形成された貫通孔２１を流体及び熱媒体がそれぞれ独立的な空間を有して移動するのが望ましい。
このような本実施例による熱交換器用モジュールユニット１は、上記貫通孔２１をそれぞれ連結する連結体３を通じて上記間隙２３を選択的に連結して上記流体及び熱媒体がそれぞれ独立的に移動する流体通路４１と熱媒体通路４２を構成するようになっている。
即ち、上記連結体３を通じて、選択された上記貫通孔２１を連結すると共に、貫通孔２１と間隙を空間的に分離して、選択された貫通孔２１と選択された間隙２３が互いに連通するようにして上記流体通路４１及び熱媒体通路４２を構成することになる。
これにより、配列された間隙２３のうち選択された位置の間隙２３のみ連結して流体通路４１及び熱媒体通路４２を構成することができる。
よって、上記流体通路４１及び熱媒体通路４２をジグザグ状に形成することができるだけでなく、互いに対面する位置にそれぞれ形成することができるため、熱交換効率を構造的に高めることができる。
上記において連結体３は、リング（ｒｉｎｇ）状の連結リング３１からなり、上記貫通孔２１を外部と密閉して連結するようになされ得、上記貫通孔２１の周辺部で他のプレートを構成する隔板２２側の方向に延びて密着する延長突部３２からなり、上記貫通孔２１を外部と密閉して連結するようになっていてもよい。
好ましくは、リング状の上記連結リング３１が上記貫通孔２１の周辺部で他のプレート２を構成する隔板２２側の方向に凹んでいる収容溝３３を有する延長突部３２の収容溝３３に収容される構造からなり、上記延長突部３２の突出した面は他のプレート２を構成する隔板２２の貫通孔２１の周辺面に密着されるように形成された構造であるのが最も望ましい。
一方、上記の隔板２２には、多数の凹凸２５が形成されて、移動する流体及び熱媒体と上記隔板２２との接触面積を向上させて熱交換効率を増大するのが望ましく、上記の凹凸２５は上記隔板２２の中心から両端に行くほど傾斜角を設けて形成されるが、流体及び熱媒体が移動する方向に中央部位が頂点を形成するようになるのが最も望ましい。
これにより、上記間隙２３を移動する流体及び熱媒体の熱交換面積を効率よく増大させて熱交換効率を増大するだけでなく、移動する流体及び熱媒体と上記隔板２２との接触面積を増大させて対象空気中に含有された水分の凝縮面積を効率よく向上させることになる。
よって、空気の乾燥効率が向上する。
上記のような本実施例による熱交換器用モジュールユニット１において、上記流体通路４１及び熱媒体通路４２を構成する間隙２３の間には、相変換物質５が収容される間隙２３が位置して配置され、上記相変換物質５を通じて上記流体と熱媒体の間の熱交換が行われるようになっている。
即ち、熱媒体（冷媒）と流体（圧縮空気、排気ガス）の間に上記相変換物質５を配置して、直接的な熱交換が行われることが防止され、上記相変換物質５を通じて間接的な熱交換が行われるようになっているため、相変換物質５の蓄熱された潜熱によって熱媒体の持続的な循環がなくても流体と相変換物質６が熱交換をすることにより、全体的なエネルギーの使用効率を最大化することができる。
特に、空気乾燥器１００に適用される場合、上記相変換物質５の潜熱を用いる蓄冷効果を最大化することにより、別途の蓄冷槽とポンプがなくても円滑に流体の熱交換を実現することになり、従来の間接冷却式空気乾燥器よりも低廉な費用で運転できるだけでなく、蓄冷容量が従来の間接冷却式空気乾燥器よりも大きいため冷媒の冷却循環システムの耐久性に致命的な頻繁なオン／オフ制御を改善し、耐久性を画期的に改善することができる。
上記において、相変換物質５はパラフィンからなるのが望ましく、上記相変換物質５が収容される間隙２３を構成するプレート２には、相変換物質５を注入するようになる注入孔２６が形成されるのが望ましい。
このような本実施例による熱交換器用モジュールユニット１において、上記の相変換物質５の一側は上記流体及び熱媒体のうちの１つが配列され、他側は他の相変換物質５が配列されるようになるのが望ましい。
これにより、それぞれの流体及び熱媒体と近接したそれぞれの相変換物質５がそれぞれ熱交換し、上記相変換物質５間の熱交換を通じて最終的に流体及び熱媒体間の熱的交流が間接的に行われる。
よって、上記相変換物質５の充熱がさらに安定的に行われ、相変換物質５の蓄熱された潜熱によって熱媒体の持続的な循環がなくても流体と相変換物質５が熱交換をすることにより、全体的なエネルギーの使用効率を最大化する。
上記において相変換物質５が連続して配置される２列の間隙２３を構成する隔板２２には、上記相変換物質５が流通して互いに交流するようになった流通孔２７が形成されるのが望ましい。
これにより、上記相変換物質５が上記流通孔２７を通じて円滑に交流して熱交換がさらに円滑に行われるようになるのが最も望ましい。
上記のような本実施例による熱交換器用モジュールユニット１において、上述したプレート２の間隙２３で、最外郭に位置する間隙２３から少なくとも１つの間隙２３には、上記相変換物質５が収容されるように配列されるのが望ましい。
これにより、複数個が連続して連結されて熱交換器１０を構成する時、モジュールユニット１間の連結される部位を構成する間隙２３に少なくとも１つの相変換物質５が位置することにより、流体及び熱媒体が直接的に密着されることを防止して、結合時に熱交換効率が落ちることを防止し、その機能を安定的に行うことになる。
説明のない符号「６」は「セパレータ（ｓｅｐａｒａｔｏｒ）」であり、符合「６１」は「オイルフィルタ」である。
上記のような本実施例による熱交換器用モジュールユニットの作用効果を以下で詳細に説明する。
本実施例による熱交換器用モジュールユニット１は、図１及び図２に示すように、主に対象空気（圧縮空気、排気ガス）の熱を吸収して含有された水分を除去する空気乾燥器１００に適用される熱交換器１０を構成するようになるものであって、流体（対象空気）が移動する流体通路４１と冷温の熱媒体（冷媒）が移動する熱媒体通路４２の間に相変換物質５が配置され、熱交換が急激に行われず、上記相変換物質５を通じて間接的に行われながら、流体（対象空気）の熱を吸熱することになる。
これにより、流体（対象空気）に含有された水分が凝縮された後、別途のセパレータ６を通じて外部へ排出され除去されて流体が乾燥する。
上述したように本実施例による熱交換器用モジュールユニット１は、単一または複数個が連結されて流体と熱媒体の熱交換を実現されるようになる熱交換器１０を構成する時、多数のプレート２が相変換物質５を間に設けて流体及び熱媒体が移動する流体通路４１及び熱媒体通路４２を構成する間隙２３を有して積層されることにより、上記相変換物質５を通じて上記流体及び熱媒体間の熱交換が行われるようになっており、全体的なエネルギーの使用効率を最大化することを技術的な構成の特徴とする。
以上に説明した本発明の一実施例は例示的なものに過ぎず、本発明が属する技術分野の通常の知識を有する者であれば、これから多様な変形及び均等な他の実施例が可能であるということはよく分かるであろう。よって、本発明は上述した詳細な説明で言及される形態にのみ限定されるのではないことを十分に理解できるであろう。従って、本発明の真の技術的保護範囲は添付の特許請求の範囲の技術的な思想によって定められなければならない。また、本発明は添付の請求の範囲によって定義される本発明の思想とその範囲内にある全ての変形物と均等物及び代替物を含むと理解されるべきである。
本発明は、単一または複数個が連結されて流体と熱媒体の熱交換が実現できるようになるモジュールユニットに関するものであって、流体と熱媒体の移動経路の間に相変換物質が配置されて、相変換物質による間接熱交換によって流体と熱媒体の熱交換を行うことにより、相変換物質の蓄熱された潜熱によって熱媒体の持続的な循環がなくても流体と相変換物質が熱交換を行うようにする熱交換器に適用可能である。

Claims (7)

  1. 流体及び熱媒体が移動する貫通孔が形成されている隔板を有する多数のプレートが前記隔板の一側に前記流体及び熱媒体が移動する間隙を有して積層され、前記流体及び熱媒体がそれぞれ独立的に移動するそれぞれの流体通路及び熱媒体通路を構成し、
    前記流体及び熱媒体が移動するそれぞれの前記流体通路及び熱媒体通路を構成する間隙の間ごとに、熱を吸収して溶けたり熱を排熱して凍るようになる相変換物質が収容される間隙が位置して配置され、前記相変換物質の潜熱を通じて前記流体及び熱媒体の間の間接的な熱交換が行われ、
    前記相変換物質が収容される間隙は２列の間隙で構成され、
    前記プレートの間隙において、最外郭に位置した間隙から少なくとも１つの間隙には、前記相変換物質が収容されることを特徴とする熱交換器用モジュールユニット。
  2. 前記相変換物質が連続するように配置される２列の間隙を構成する隔板には、前記相変換物質が流通して互いに交流するようになる流通孔が形成されることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器用モジュールユニット。
  3. 前記相変換物質は、パラフィンからなることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器用モジュールユニット。
  4. 前記流体及び熱媒体がそれぞれ独立的に移動するそれぞれの前記流体通路及び熱媒体通路は、前記貫通孔をそれぞれ連結する連結体を通じて前記間隙を選択的に連結して構成され、前記連結体は、リング（ｒｉｎｇ）状を有する連結リングからなることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器用モジュールユニット。
  5. 前記流体及び熱媒体がそれぞれ独立的に移動するそれぞれの前記流体通路及び熱媒体通路は、前記貫通孔をそれぞれ連結する連結体を通じて前記間隙を選択的に連結して構成され、前記連結体は、前記貫通孔の周辺部で他のプレートを構成する隔板側の方向に延びて密着する延長突部からなることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器用モジュールユニット。
  6. 前記流体及び熱媒体がそれぞれ独立的に移動するそれぞれの前記流体通路及び熱媒体通路は、前記貫通孔をそれぞれ連結する連結体を通じて前記間隙を選択的に連結して構成され、前記連結体は、リング（ｒｉｎｇ）状を有する連結リングからなり、前記連結リングは、前記貫通孔の周辺部で他のプレートを構成する隔板側の方向に凹んでいる収容溝を有する延長突部の収容溝に収容され、前記延長突部の突出した面は前記他のプレートを構成する隔板の貫通孔の周辺面に密着されるようになることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器用モジュールユニット。
  7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱交換器用モジュールユニットを含む空気乾燥器。
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