JP2651089B2 - 蒸発熱交換器 - Google Patents

蒸発熱交換器

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、特許請求の範囲の請求
項1の上位概念に記載の蒸発熱交換器に関する。
【0002】
【従来の技術】大気圏を経て上昇飛行或いは下降飛行し
ているか、或いは地球周回軌道を飛行している宇宙飛行
体は極端な熱負荷に曝され、この発生する熱を確実に導
出することが重要な課題となる。この目的のため特に蒸
発熱交換器が使用される。
【0003】このような蒸発熱交換器の基本原理は、熱
を導出するための積極的な液体循環系の冷却される媒
体、即ち冷却液体は蒸発される媒体と熱伝達作用が行わ
れるように接触され、この蒸発される媒体は帯行されて
いる貯蔵容器内に貯蔵され、宇宙飛行体内部の熱によっ
て暖められた冷却液体を媒体の気化熱によって冷却し、
更に気化された媒体は蒸気の形で宇宙飛行体から周囲に
放出される。
【0004】 蒸発される媒体を可能な限り完全に蒸発
させて最適に利用するために重要なことは、冷却液体と
蒸発される媒体間において可能な限り良好な熱接触とこ
れに伴い可能な限り完全な熱移転が確実に行われること
である。
【0005】公知のこの様式の熱交換器、例えばドイツ
連邦共和国特許第37 18 873号公報に記載され
ている熱交換器にあっては、冷却液体は個々の管路を経
てプロセス室内を流過し、このプロセス室内に蒸発され
る媒体が流入弁を介して滴状に噴射される。これに対し
て、もう一つの公知の蒸発熱交換器−これに本発明の蒸
発熱交換器も入る−にあっては、冷却液体は自由にプロ
セス室を経て流れ、一方蒸発される媒体は個々の、一般
には束状にまとめられた管路を介してこのプロセス室を
経て案内される。その際冷却液体は付加的にプロセス室
内に設けられている絞り機構により強制的に蛇行状の流
れに変えられる。
【0006】このような蒸発熱交換器にあっては、これ
が冷却液体として水が使用される限り、この水が氷結す
る危険を避けられない。この危険の発生を阻止するた
め、事情によっては、蒸発される媒体−これにはしばし
ばアンモニアが使用される−の蒸発温度を調節する必要
がある。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明の根底をなす課
題は、冒頭に記載した様式の蒸発熱交換器を、蒸発され
る媒体の蒸発温度の調節が簡単に行われ、同時に確実に
機能し得るように改良することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記の課題は本発明によ
り特許請求の範囲の請求項1の特徴を備えた熱交換器に
よって解決される。
【0009】 この熱交換器にあって、本発明により蒸
発される媒体の圧力は流出口の断面積を変えることによ
り加減され、媒体の蒸発温度の制御が行われ、同時にこ
のようにして蒸発熱交換器は氷結の危険が確実に阻止さ
れるように調節される。このことは特別簡単な方法によ
り、蒸気流を多数の部分流に分割し、これらの流れをそ
れぞれ別個の排気口絞り機構を経て案内することによっ
て達せられる。これらの絞り機構のそれぞれを適切に開
閉することにより簡単な方法で蒸発圧力を加減すること
が可能である。その際開閉は、本発明による他の構成に
より、冷却液体の流入温度の作用を受ける調節装置によ
り、最も簡単な方法はバイメタルばねによって行うこと
が可能である。これは特に、蒸気流を絞り機構が常に開
き状態に留まっている基本流、並びに少なくとも三つの
付加的な蒸気流に分割することにより行われる。たとえ
このような装置にあって障害が生じて付加的な絞り機構
の一つが閉じたままであっても、蒸発温度はほんの僅か
だけ基準値を越えるが、またもとに戻る。両者の場合、
装置は完全に作動可能である。
【0010】以下に添付した図面に図示した実施例につ
き本発明を詳しく説明する。
【0011】
【実施例】図1に示した蒸発熱交換器は円筒形のハウジ
ング1から成り、このハウジング内に設けられているプ
ロセス室2内に同じ様式の管体3の束が設けられてい
る。これら管体はハウジング1の縦軸線に対して平行し
ており、特に横断面図である図4から認められるように
プロセス室の全断面にわたって均一に配分されて設けら
れている。この場合、個々の管体3相互の間隔は少なく
とも管体の束の仮想縁部がハウジング1の内壁から有し
ている間隔と同じ寸法に選択されている。ハウジング1
はその端部にそれぞれ一つの接続フランジ4,5を備え
ており、このフランジを介してハウジング1は二つの閉
鎖体6,7−これらの構造に関しては以下に詳しく説明
する−と結合されている。
【0012】 図1の左側に設けられている閉鎖体6は
蒸発される媒体−本発明のここに記載の実施例の場合は
アンモニア(NH)−のための中央の流入室8を備え
ており、この流入室は流入弁9の方向で円錐形に先細り
に形成されている。プロセス室2の方向に開いている流
入室8の半径は、この流入室が内側の管体3の群−この
場合その数は設けられている管体3の全数の約50%で
ある−を包括するような寸法に選択されている。これら
の管体はプロセス室2の本来の閉鎖部を形成している孔
板10から流入室8の内部に突出している。管体の束の
外輪を形成している管体の束の残りの50%も同様に孔
板10から環状室11内に突出している。この環状室は
流入室8を囲繞しており、蒸発される媒体のための、9
0゜の角度で互いに位置ずれして設けられている全部で
四つの流出開口12〜15を備えている。
【0013】 これらの流出開口12〜15のうちの図
1においては示されていない二つ14,15は図3にお
いて認められる。流出開口12〜15はそれぞれここに
は図示しなかった絞り機構−図10に関連して詳しく説
明する−により閉鎖可能である。上記した装置が図1に
よる図示に対して90゜旋回されて図示されている図3
には更に他の流出口16と流入口17とが示されてお
り、これらの二つの開口は冷却液体−この実施例の場合
は水−のためのものであり、直接プロセス室2と結合さ
れている。その際流出口16はハウジング1の直径が拡
大されている領域内に設けられているが、流入口17は
図面右側の閉鎖体7の円筒形の領域に設けられている。
【0014】 この最後に述べた閉鎖体7を経て−図1
から認められるように−蒸発される媒体が入っている管
体3は捕集室18まで案内されている。この捕集室は閉
鎖体7の内側を区画しており、流入室8と連通している
管体3の内側の群が管体3の外側の群とこの捕集室を介
して連通している。それぞれ交互にプロセス室2の内部
に異なった様式の二つの偏向絞り機構が設けられてい
る。これらの偏向絞り機構は一方では孔板19であり−
この孔板は図5に示されており、プロセス室2の中央に
おいて開口20を形成している−、他方では環状絞り板
21であり、プロセス室2内において環状の間隙の形状
の開口を形成している。上記のこれらの装置全体は担持
体22上に設けられている。
【0015】 上記の装置の作動態様を図7に著しく簡
略化した原理図で示した本発明の第二の実施例に基づい
て以下に説明する。この原理図において、図面を見易く
するため、蒸発される媒体を案内する個々の管体33が
設けられているプロセス室は図示しなかった。図8に示
したこの蒸発熱交換器の断面図から明瞭であるように、
この場合ハウジング31の内部のプロセス室32内に設
けられている管体33は全体で三つの群にまとめられて
いる。即ち、束の中央に配設された約20〜30本の管
体から成る中央の群34、ほぼ同数の管体から成る中間
の群35および約30〜40本の管体から成る縁部の群
36である。
【0016】 プロセス室32の両端部においてこれら
の群の管体は捕集室を介して、特に群34と35は中央
の捕集室37を介して、群35と36は、蒸発される媒
体の流入側において蒸発される媒体のための流入開口3
9を囲繞している環状の捕集室38を介して互いに連通
している。結局蒸発される媒体は流出室40内に収集さ
れる。この流出室は図9に示した板52で閉じられてお
り、この板内には多数の絞り孔53〜56から成る流出
機構が形成されている。これらの絞り孔のうち中央に形
成されている絞り孔53は変更不能であるが、絞り孔5
4〜56はそれぞれ図10に示したような機構により開
閉可能である。
【0017】 この機構はバイメタルばね58で保持さ
れているフラップ57から成る。このバイメタルばね自
体は二つの管体59と60の間に挿入されている。これ
らの管体はプロセス室32内に流入する冷却液体の一部
が流過するループに所属している。即ち、その冷却液体
の一部は管体59と60を通った後、プロセス室32へ
導かれる。
【0018】 この発熱交換器においても交互に順次偏
向絞り機構49と51が設けられている。プロセス室を
流過する冷却液体のための流入開口および流出開口はこ
の図では省略されている。液体−この実施例の場合もま
た水である−と蒸発される媒体−アンモニア−ための運
動方向はそれぞれ矢印で示した。
【0019】 冷却液体はプロセス室の図面の右側部分
内に流入温度−この実施例の場合約24〜67℃−で流
入する。次いで冷却液体は蒸発される媒体が通る管体の
間を流過し、その際冷却液体はその内に有している熱の
大部分をこの媒体に伝達し、最後にこの冷却液体は約5
〜6℃の温度でプロセス室を去る。プロセス室内に交互
に設けられている偏向絞り機構はその際、図6から認め
られるように、冷却液体が蛇行した流れで流過するよう
に働き、これにより管体間を流れる冷却液体の流れの常
時新たな混合とこれに伴う極めて均一な温度分布を生じ
させる。
【0020】 蒸発される媒体は約−10℃の流入温度
で他方の側において中央の群の管体内に供給される。こ
の蒸発される媒体はこれらの管体を流過している間に蒸
発温度にまで加熱され、場合によっては既に蒸発が開始
されている。管体の端部において蒸発される媒体は中央
の群の流過するすべての管体に共通なかつ排出口端部に
接している捕集室内に入り、この捕集室から反転して中
間の群の管体内に導入される。この場合蒸発される媒体
は180゜の偏向により混合される。
【0021】 中間の群の管体のすべてにおいて等しい
流動条件が存在している。ここでアンモニアは冷却され
る水と同じ方向にアンモニアの排出側からアンモニアの
流入側へと流れ、その際殆ど完全に蒸発する。その際、
中央の群の管体の端部が蒸発熱交換器の水流出側に存在
しているので、アンモニアは最大冷却される水の流出温
度(6℃)迄暖められる。アンモニアは第二の捕集室内
に流入し、そこで新たに180゜偏向されて再びアンモ
ニアの次の流れ区間のための殆ど一様な流動条件が形成
される。
【0022】 アンモニアは−若干の僅かな残余滴を有
して−あらためて縁部管体を経て水の流れとは反対方向
に蒸発熱交換器の水流入側とアンモニア流出側へと流れ
る。この場合、アンモニアは−作業状態に応じて−24
〜67℃の水流入温度に対する約5〜10℃の残余温度
差にまで熱せられ、最後に板52によって区画されてい
る流出室40内に流入する。ここで流出機構の絞り孔5
4〜56の一つ或いは複数を開閉することにより蒸発圧
力が、冷却液体の氷結が起こらないように調節される。
その際、流出機構の開きの変更は冷却液体の流入温度に
依存して行われ、従って如何なる場合にあっても最適な
作業状態が保証される。
【0023】
【発明の効果】上記の本発明による構成により、蒸発熱
交換器にあって蒸発される媒体の蒸発温度の調節が容易
に可能となり、同時にその確実な機能が達せられ、この
温度調節により冷却液体の氷結が完全に回避される。
【図面の簡単な説明】
【図1】蒸発熱交換器の第一の実施例の縦断面図であ
る。
【図2】図1による装置の側面図である。
【図3】図1による装置の平面図である。
【図4】図1に図示した装置の異なった領域で示した鉛
直断面図である。
【図5】図1に図示した装置の異なった領域で示した鉛
直断面図である。
【図6】図1に図示した装置の異なった領域で示した鉛
直断面図である。
【図7】蒸発熱交換器の第二の実施例の原理図である。
【図8】図7による蒸発熱交換器の断面図である。
【図9】図7に示した蒸発熱交換器の流出口領域の断面
図である。
【図10】図9に示した装置の一部の領域の断面図であ
る。
【符号の説明】
1,31 ハウジング 2,32 プロセス室 3,33 管体 4,5 接続フランジ 6,7 閉鎖体 8 流入室 9 流入弁 10 孔板 11 環状室 12〜15 流出開口 16 流出口 17 流入口 18,37,38 捕集室 19 孔板 20 開口 21 環状絞り板 22 担持体 34,35,36 管体群 40 流出室 52 板 49,51 偏向絞り機構 53〜56 絞り孔 59,60 管体
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−189290(JP,A) 特開 平1−132500(JP,A)

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 無重力状態の下に、さまざまの加速状態
    にある宇宙飛行体にあってその内部の熱を導出するため
    の少なくとも一つの積極的な液体冷却循環系とプロセス
    室を備えており、このプロセス室内に互いに間隔を有し
    て一つの束にまとめられた複数の管体が設けられてお
    り、これらの管体の中を蒸発される媒体が流過し、これ
    らの管体の間を冷却液体が案内されかつ冷却液体の流動
    方向が偏向絞り機構により調節可能である様式の宇宙飛
    行体内部の熱によって暖められた冷却液体は蒸発される
    媒体の気化熱によって冷却され、蒸発される媒体は気化
    して宇宙飛行体から外部へ放出される蒸発熱交換器にお
    いて、蒸発される媒体のための流出口(12〜15,4
    0)の断面積がプロセス室(2,32)内に供給される
    冷却液体の温度に依存して変更可能であるように構成さ
    れていることを特徴する蒸発熱交換器。
  2. 【請求項2】 蒸発される媒体のための管体(3,3
    3)の終端領域に少なくとも一部温度に依存して開閉可
    能な流出機構(53〜56)が設けられていることを特
    徴とする請求項1に記載の蒸発熱交換器。
  3. 【請求項3】 流出機構が絞り孔(53〜56)から成
    り、これらの絞り孔が蒸発される媒体のための流出領域
    (40)を閉鎖する板(52)内に形成されていること
    を特徴とする請求項2に記載の蒸発熱交換器。
  4. 【請求項4】 絞り孔(53〜56)の少なくとも若干
    がフラップ(57)を介して開閉可能であるように構成
    されていることを特徴とする請求項3に記載の蒸発熱交
    換器。
  5. 【請求項5】 フラップ(57)がバイメタルばね(5
    8)により作動可能であるように構成されていることを
    特徴とする請求項4に記載の蒸発熱交換器。
  6. 【請求項6】 バイメタルばね(58)がプロセス室
    (2,32)に供給される冷却液体の一部が流過する導
    管要素(59,60)と熱接触していることを特徴とす
    る請求項5に記載の蒸発熱交換器。
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