JP2020503492A - 異なる温度の流体の熱交換用熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】異なる温度を有する流体の熱交換用の熱交換器を提供する。【解決手段】順次交互に積み重ねられた少なくとも１つの平らな熱交換プレート、少なくとも１つの高温熱交換プレート、および少なくとも１つの低温熱交換プレートを有し、高温流体を各高温熱交換プレートに通流させるために、高温流体入口と高温流体出口とが配置され、低温流体を各前記低温熱交換プレートに通流させるために、低温流体の入口と低温流体の出口とが配置され、前記高温熱交換プレートおよび前記低温熱交換プレートは高温流路と低温流路とを備え、前記流路は前記流体の流れ方向に延びる長さを有し、前記各流路の側壁は前記流路の中心線と対称的な波形状パターンを有する。【選択図】 図２

Description

本発明のケミカルエンジニアリングは異なる温度をもつ流体の熱交換用の熱交換器に関する。

現在までにマイクロチャネル熱交換器の開発に関する報告がなされている。マイクロチャネルは、通常サイズの流路と比べてみると、シェルアンドチューブ型熱交換器およびプレートアンドフレーム型熱交換器などの通常の熱交換器よりも高い伝熱性能を提供している。これは、マイクロチャネル内の流体の流れがチャネル壁から流体へより速く熱を伝達することができ、各チャネル内の流体が同様の流れ断面温度を有し、同じ容積であれば、伝熱表面積が通常の流路よりも大きく、流路内での圧力降下が比較的小さいからである。しかしながら、マイクロチャネルはいくつかの欠点を有しており、それらが用途の制限をもたらしている。例えば、マイクロチャネルは流路が狭いので詰まりを生じやすい。とくに、圧力が非常に異なる流体間の熱交換に使用される場合には、永久変形を生じることがあり得る。

熱交換器の流路の特性は、熱交換性能および熱交換器の全体的な強度にとって重要であることが知られている。また、流路の特性は、製造上の可能性と流路の配置とを一緒に示すためのパラメータである。このため、熱交換器の性能を向上させ、かつ前述した用途の制限を克服するために流路の特性を開発する試みがこれまでに継続的に行われてきた。

米国公開２００４００３１５９２号公報は、３つ以上の流体の流れを熱交換するためのマイクロチャネルを含む熱交換器を開示しており、このチャネル壁は熱変化表面積を増大させるためにフィンを有して平坦である。しかしながら、フィンを取り付けると、熱交換器内のファウリング率が増加する。ファウリング率が増加すると、熱交換器の熱伝達性能が低下して、圧力降下が増加する。さらに、高圧流体と共に使用する場合には、この従来技術の設計は問題を抱えている可能性があり、これは用途の制限をもたらす。

米国公開４５１６６３２号公報は、互い違いに積み重ねられたスロット付き熱交換シートおよびスロット無し熱交換シートを含むマイクロチャネル熱交換器を開示している。この従来技術では、スロット付き熱交換シートとスロット無し熱交換シートとは、異なる温度を有する流体のクロスフロー構成を形成するために、互い違いにかつ互いの向きが９０度ずれるように配置されている。それにもかかわらず、この従来技術の熱交換器の流れ構成は高い熱交換性能を与えるものではない。

欧州特許第１８７５９５９号公報は、互い違いに積み重ねられたマイクロチャネル熱交換プレートを含む熱交換器の設置によるエマルジョンの形成方法を開示している。この従来技術の熱交換器のマイクロチャネルは、くねくねと蛇行するスネーク形状のように形成されている。この従来技術の熱交換器では、チャネル内に２つの流動パターン、すなわち対向流と並行流とがつくりだされる。しかしながら、この従来技術の流路設計は、汚染物質を容易に目詰まりさせて、一方の側から他方の側への一方向の流れ経路と比べて流路を洗浄することがより困難になる。

米国特許第８８５８１５９号公報は、低温の空気が通過してガスタービン内のブレードの熱を減少させるための冷却チャネルを備えるガスタービンを開示している。この従来技術の冷却チャネルは、伝熱性能を高めるために、湾曲した内外のリブと各対のリブ間にある台座とを備えている。しかしながら、各対リブ間の台座の性質は、熱交換器の圧力降下を増大させる可能性があるので、圧力が非常に異なる流体間での熱伝達あるいは高粘度の流体間での熱伝達に適用するときに制限を受ける。

米国公開２０１００３１４０８８号公報は、互い違いに交互に積み重ねられたマイクロチャネルからなるプレートを含む熱交換器を開示している。この従来技術のプレートは湾曲するように形成され、マイクロチャネルは流体の流れ方向に沿って平行なチャネルを形成する非対称波形状に設定されている。直接部と曲線部の全長は一定である。しかしながら、この従来技術は、幅寸法や曲率半径等のような波形状チャネルの適切なパラメータを開示していない。

上記のすべてから、本発明は、とくに流体の熱伝達性能を高め、圧力が非常に異なる流体間での熱交換用の熱交換器に関する問題を低減するために、異なる温度をもつ流体間での熱交換用の熱交換器を提供することを目的とする。

本発明は、異なる温度をもつ流体の熱交換用の熱交換器を提供することに係り、特に異なる温度をもつ流体の熱交換性能を向上させ、圧力が非常に異なる流体間での熱交換用の熱交換器に関する問題を低減することを目的とする。

本発明の一態様では、本発明は、異なる温度をもつ流体の熱交換用の熱交換器であって、順次交互に積み重ねられた少なくとも１つの平らな熱交換プレート、少なくとも１つの高温熱交換プレートおよび少なくとも１つの低温熱交換プレートを有し、前記高温熱交換プレートの各々を通して高温流体を通流させるために、高温流体入口および高温流体出口が配置され、前記低温熱交換プレートの各々を通して低温流体を通流させるために、低温流体入口および低温流体出口が配置され、前記高温熱交換プレートは高温流路を含み、前記低温熱交換プレートは低温流路を含み、これらの前記流路は、前記流体の流れ方向に延びる長さを有し、 前記流路の各々の側壁は、前記流路の中心線を対称軸として対称的な波形状パターンを有する熱交換器を開示する。

図１は、本発明の熱交換器の一態様を示す図である。 図２は、本発明の熱交換器における熱交換プレートの配置の一態様を示す図である。 図３は、本発明の熱交換器の各高温流路および各高温流路の一態様を示す図である。 図４のａ）は本発明の熱交換器の高温熱交換プレートおよび低温熱交換プレートの一態様を示す等角図、図４のｂ）は本発明の熱交換器の高温熱交換プレートおよび低温熱交換プレートの一態様を示す上面図、図４のｃ）は本発明の熱交換器の高温熱交換プレートおよび低温熱交換プレートの一態様を示す正面図である。 図５のａ）は非対称波形状流路を有する比較熱交換器の高温熱交換プレートおよび低温熱交換プレートの一態様を示す等角図、図５のｂ）は非対称波形状流路を有する比較熱交換器の高温熱交換プレートおよび低温熱交換プレートの一態様を示す上面図、図５のｃ）は非対称波形状流路を有する比較熱交換器の高温熱交換プレートおよび低温熱交換プレートの一態様を示す正面図である。 図６のａ）はストレート流路を有する比較熱交換器の高温熱交換プレートおよび低温熱交換プレートの一態様を示す等角図、図６のｂ）はストレート流路を有する比較熱交換器の高温熱交換プレートおよび低温熱交換プレートの一態様を示す上面図、図６のｃ）はストレート流路を有する比較熱交換器の高温熱交換プレートおよび低温熱交換プレートの一態様を示す正面図である。 図７は、本発明の熱交換器および従来の熱交換器の流量に対する伝熱量をそれぞれ示すグラフ図である。

本発明は、以下の実施形態に従って記述説明されるように、異なる温度をもつ流体の熱を交換するための熱交換器に関する。

本明細書中で用いられる任意の態様は、特に明記しない限り、本発明の他の態様への適用を含むことを指す。

本明細書中で使用される技術用語または科学用語は、他に述べられない限り、当業者によって理解されるような定義を有する。

本明細書で言及される任意の道具、機器、方法、または化学薬品は、それらが本発明においてのみ特定の道具、機器、方法、または化学薬品であることが明示されない限り、当業者によって一般的に操作または使用される道具、機器、方法または化学薬品を意味している。

請求項または本明細書において「含む」を有する単数名詞または単数形代名詞の使用は、「１つ」および「１つまたは複数」、「少なくとも１つ」、および「１つまたは複数」を指している。

以下の詳細は、本願明細書中に記載されているが、決して本発明の範囲を限定することを意図するものではない。本発明は、順次交互に積み重ねられた少なくとも１つの平らな熱交換プレート、少なくとも１つの高温熱交換プレートおよび少なくとも１つの低温熱交換プレートを有する熱交換器であって、前記高温熱交換プレートの各々を通して高温流体を通流させるために、高温流体入口および高温流体出口が配置され、前記低温熱交換プレートの各々を通して低温流体を通流させるために、低温流体入口および低温流体出口が配置され、前記高温熱交換プレートは高温流路を含み、前記低温熱交換プレートは低温流路を含み、これらの前記流路は、前記流体の流れ方向に延びる長さを有し、前記流路の各々の側壁は、前記流路の中心線を対称軸として対称的な波形状パターンを有することを特徴とする異なる温度を有する流体の熱交換用の熱交換器を開示している。

図１と図２は、本発明の熱交換器の一態様を示している。この態様では、熱交換器は、順次交互に積み重ねられた少なくとも１つの平らな熱交換プレート１２、少なくとも１つの高温熱交換プレート１４、および少なくとも１つの低温熱交換プレート１６を有し、高温流体を各高温熱交換プレート１４に通流させるために、高温流体入口１８ａと高温流体出口２０ａとが配置され、低温流体を各低温熱交換プレート１６に通流させるために、低温流体入口１８ｂと低温流体出口２０ｂとが配置されている。前記熱交換プレートの各々において、前記入口および出口部品組立体を熱交換器から分離することができる。

前記高温熱交換プレート１４は高温流路１５を有し、前記低温熱交換プレート１６は低温流路１７を有し、前記流路は前記流体の流れ方向に延びる長さを有し、各流路の側壁は各流路の中心線を対称軸として幾何学的に対称な波形状の曲線パターンを有している。

一実施形態では、高温流路１５および低温流路１７は、１００〜５,０００μｍの範囲の平均幅（ｙ）と、次式による湾曲長さ（ｘ）と曲率半径（ｒ）とを有している。

好ましくは、前記流路は、１００〜３,０００μｍの範囲の平均幅、１,０００〜３,０００μｍの範囲の湾曲長さ、および２,０００〜５,０００μｍの範囲の曲率半径を有する。

一実施形態では、高温流路１５および低温流路１７は、各高温熱交換プレート１４の頂部と各低温熱交換プレート１６の頂部とによって設定される平面と比べたときに、約１０〜２,０００μｍの範囲の深さを有する。図２に示すように高温流路１５と低温流路１７とを交互に配置するために、高温熱交換プレート１４と低温熱交換プレート１６とを配置することが好ましい。

一実施形態では、平らな熱交換プレート１２、高温の熱交換プレート１４、および低温の熱交換プレート１６は、約１０〜１０,０００μｍの範囲、好ましくは約１００〜２,０００μｍの範囲の厚さを有する。

異なる温度をもつ流体の熱を交換するための十分な強度および寸法安定性をもって効率的に熱交換器を機能させるために、前記熱交換プレートは炭素鋼、ステンレス鋼、アルミニウム、チタン、白金、クロム、銅、またはこれらの合金、好ましくはステンレス鋼３１６グレード（ＳＳ３１６）から製造することができる。

一実施形態では、高温熱交換プレート１４および低温熱交換プレート１６は、打抜き機械技術、光化学機械（ＰＣＭ）技術、またはコンピュータ数値制御フライス盤技術によって作製することができる。

一実施形態では、異なる温度をもつ流体を向流方向に流すために、高温流体入口１８ａと低温流体入口１８ｂとが熱交換器の反対側に配置され、異なる温度をもつ前記流体は、少なくとも１℃、好ましくは少なくとも１０℃の温度差を有することができる。

３つ以上のプレートからなる平らな熱交換プレート１２、高温熱交換プレート１４、および低温熱交換プレート１６を順次交互に積み重ねることができ、高流量の流体を熱交換するための熱交換器に多数の流路を設けるために、より多くの数を積み重ねることが可能であることは当業者によく知られているところである。

本発明の熱交換器の性能を従来技術の流路（チャネル）を含む熱交換器と比較するために、図４に示す外観の高温流路１５および低温流路１７を有する本発明の熱交換器と、（それぞれ図５と図６の外観に従う）非対称波形状パターン流路およびストレート流路で特徴付けられる高温流路および低温流路を有する熱交換器とについて、以下のようにANSYS Fluentソフトウェアのバージョン16.1を用いるコンピュータ流動力学モデルを構築し、試験した。

［本発明の熱交換器］
［熱交換１］
平らな熱交換プレート１２、高温熱交換プレート１４および低温熱交換プレート１６の板厚をそれぞれ０．５ｍｍとした。図４に示す高温流路１５および低温流路１７は、平均幅（ｙ）を約２,０００μｍとし、湾曲長さ（ｘ）を約２,０００μｍとし、曲率半径（ｒ）を約３,０００μｍとした。流路の長さを約２４０ｍｍとし、流路の深さを約１,０００μｍとした。

［熱交換２］
平らな熱交換プレート１２、高温熱交換プレート１４および低温熱交換プレート１６の板厚をそれぞれ０．５ｍｍとした。図４に示す高温流路１５および低温流路１７は、平均幅（ｙ）を約２,０００μｍとし、湾曲長さ（ｘ）を約２,０００μｍとし、曲率半径（ｒ）を約４,０００μｍとした。流路の長さを約２４０ｍｍとし、流路の深さを約１,０００μｍとした。

［熱交換３］
平らな熱交換プレート１２、高温熱交換プレート１４および低温熱交換プレート１６の板厚をそれぞれ０．５ｍｍとした。図４に示す高温流路１５および低温流路１７は、平均幅（ｙ）を約２,０００μｍとし、湾曲長さ（ｘ）を約３,０００μｍとし、曲率半径（ｒ）を約３,０００μｍとした。流路の長さを約２４０ｍｍとし、流路の深さを約１,０００μｍとした。

［熱交換４］
平らな熱交換プレート１２、高温熱交換プレート１４および低温熱交換プレート１６の板厚をそれぞれ０．５ｍｍとした。図４に示す高温流路１５および低温流路１７は、平均幅（ｙ）を約２,０００μｍとし、湾曲長さ（ｘ）を約３,０００μｍとし、曲率半径（ｒ）を約４,０００μｍとした。流路の長さを約２４０ｍｍとし、流路の深さを約１,０００μｍとした。

［比較の熱交換器］
［熱交換Ａ］
比較の熱交換器は、図５に示す非対称波形状パターンを有する高温流路および低温流路の特徴を用いたことを除いて、上記の熱交換器１に記載したような構成要素を備えるものとした。

［熱交換Ｂ］
比較の熱交換器は、図５に示す非対称波形状パターンを有する高温流路および低温流路の特徴を用いたことを除いて、上記の熱交換器２に記載したような構成要素を備えるものとした。

［熱交換Ｃ］
比較の熱交換器は、図５に示す非対称波形状パターンを有する高温流路および低温流路の特徴を用いたことを除いて、上記の熱交換器３に記載したような構成要素を備えるものとした。

［熱交換Ｄ］
比較の熱交換器は、図５に示す非対称波形状パターンを有する高温流路および低温流路の特徴を用いたことを除いて、上記の熱交換器４に記載したような構成要素を備えるものとした。

［熱交換Ｅ］
比較の熱交換器は、図６に示す幅が約２,０００μｍのストレート経路を有する高温流路および低温流路の特徴を用いたことを除いて、上記の熱交換器１に記載したような構成要素を備えるものとした。

上記のように異なる流路特性を有する熱交換器について、以下のパラメータを有するANSYS Fluentソフトウェアのバージョン16.1を用いて、それぞれ熱交換性能を試験した。本モデルで用いた流体は、異なる温度の水とし、高温流体（高温水）を約９０℃とし、低温流体（低温水）を約１０℃とした。これらの流体を、各経路内での流速が約０．５８２ｇ ／秒となるように向流方向に流した。その結果を表１および図７に示した。

表１に、高温流路と低温流路の異なる特性を有する熱交換器の出口からの高温流体出口の温度および低温流体出口の温度をそれぞれ示す。

熱交換器の性能は、表１に示されるような高温流体出口の温度および低温流体出口の温度、ならびに図７に示されるような流体体積当たりに伝達される熱から考慮することができる。

図７から、本発明の熱交換器１と比較用熱交換器Ａ，Ｅとの比較、本発明の熱交換器２と比較用熱交換器Ｂ，Ｅとの比較、本発明の熱交換器３と比較用熱交換器Ｃ，Ｅとの比較、および本発明の熱交換器４と比較用熱交換器Ｄ，Ｅとの比較によって、本発明の熱交換器のほうが流体体積当たりより高い熱伝達を与えることが判明した。本発明の熱交換器のうち、平均幅が約２,０００μｍ、湾曲長さが約３,０００μｍ、曲率半径が約３,０００μｍの対称波形パターンの流路を有する熱交換器３が最も高い性能を提供した。

さらに、本発明の熱交換器と従来の流路を備える熱交換器との強度を比較するために、上述のように流路の異なる特性を有する熱交換器をANSYS Fluentソフトウェアバージョン16.1を用いて試験した。以下のように各種パラメータを設定した。熱交換プレートは３１６グレードのステンレス鋼（ＳＳ３１６）により製造した。高温流体の圧力は約１．５ＭＰａとした。低温流体の圧力は約０．５ＭＰａとした。熱交換プレートを熱交換プレートの端部に固定した。強度比較試験結果を表２に示した。表中にて、等価応力の各段階における熱交換プレートの体積百分率は、以下の式から算出した。

表２に、高温流路および低温流路の異なる特性を有する熱交換器の強度の比較を示す。

表２は本発明の熱交換器と従来の熱交換器との強度の比較を示すものであり、異なる温度の流体の熱伝達中に熱交換器の熱交換プレートに生じた等価応力の各段階における熱交換プレートの最大等価応力および体積百分率から考慮することができる。表から明らかなように、本発明の熱交換器３の流路は、平均幅約２,０００μｍ、湾曲長さ約３ｍｍ、および曲率半径約３ｍｍの対称波形状パターンを有したものであり、その最大強度は、最も低い最大等価応力と、低い等価応力段階（０〜３ＭＰａ）における熱交換プレートの高い体積百分率と、高い等価応力段階（６〜９ＭＰａ）における熱交換プレートの高い体積百分率とから考慮されたものである。さらに、本発明の熱交換器の最大等価応力は、強度試験においてサンプル材料として使用される３１６グレードのステンレス鋼（約２０７ＭＰａ）よりも低い引張降伏強度を有していた。これは、熱交換器の前記熱交換プレートが上記の条件で操作されたときに永久変形しないということを示した。

以上の結果から、本発明の熱交換器は、異なる温度の流体の伝熱性能が高く、強度が高いことが確認された。そして、本発明の目的で述べられているように、本発明の熱交換器は圧力が非常に異なる流体を熱交換するために使用することができる。

本発明の最良の形態

本発明の最良の形態は、本発明の記述説明において提供される通りである。

Claims (11)

1. 異なる温度を有する流体の熱交換用の熱交換器であって、
   順次交互に積み重ねられた少なくとも１つの平らな熱交換プレート（１２）、少なくとも１つの高温熱交換プレート（１４）および少なくとも１つの低温熱交換プレート（１６）を有し、
   前記高温熱交換プレート（１４）の各々を通して高温流体を通流させるために、高温流体入口（１８ａ）および高温流体出口（２０ａ）が配置され、
   前記低温熱交換プレート（１６）の各々を通して低温流体を通流させるために、低温流体入口（１８ｂ）および低温流体出口（２０ｂ）が配置され、
   前記高温熱交換プレート（１４）は高温流路（１５）を含み、前記低温熱交換プレート（１６）は低温流路（１７）を含み、
   これらの前記流路は、前記流体の流れ方向に延びる長さを有し、
   前記流路の各々の側壁は、前記流路の中心線を対称軸として対称的な波形状パターンを有することを特徴とする熱交換器。
2. 前記高温流路（１５）および前記低温流路（１７）は、１００〜５,０００μｍの範囲の平均幅（ｙ）と、式ｘ≦２ｒを満たす湾曲長さ（ｘ）と曲率半径（ｒ）とを有し、但し前記ｘは１００〜１００,０００の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記高温流路（１５）および前記低温流路（１７）の前記平均幅は１００〜３,０００μｍの範囲にあり、前記湾曲長さは１,０００〜３,０００μｍの範囲にあり、前記曲率半径は２,０００〜５,０００μｍの範囲にあることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の熱交換器。
4. 前記高温流路（１５）および前記低温流路（１７）の深さは、前記高温熱交換プレート（１４）の各々の頂部と前記低温熱交換プレート（１６）の各々の頂部とによって画定される平面に従い１０〜２,０００μｍの範囲にあることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱交換器。
5. 前記高温流路（１５）および前記低温流路（１７）の深さは、前記高温熱交換プレート（１４）の各々の頂部と前記低温熱交換プレート（１６）の各々の頂部とによって画定される平面に従い５００〜１,５００μｍの範囲にあることを特徴とする請求項４に記載の熱交換器。
6. 前記高温熱交換プレート（１４）と前記低温熱交換プレート（１６）とは、前記高温流路（１５）と前記低温流路（１７）とが交互に配置される向きに配置されることを特徴とする請求項４又は５のいずれか１項に記載の熱交換器。
7. 前記平らな熱交換プレート（１２）、前記高温熱交換プレート（１４）および前記低温熱交換プレート（１６）は、１０〜１０,０００μｍの範囲の厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
8. 前記平らな熱交換プレート（１２）、前記高温熱交換プレート（１４）および前記低温熱交換プレート（１６）は、１００〜２,０００μｍの範囲の厚さを有することを特徴とする請求項７に記載の熱交換器。
9. 前記高温流体入口（１８ａ）と前記低温流体入口（１８ｂ）とは、異なる温度を有する流体の対向流を形成するために前記熱交換器の反対側に対向配置されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
10. 前記流体は少なくとも１℃の温度差を有することを特徴とする請求項１又は９のいずれか１項に記載の熱交換器。
11. 前記流体は少なくとも１０℃の温度差を有することを特徴とする請求項１０に記載の熱交換器。