JP2965911B2 - マトリクス型熱交換器、その組合体およびマトリクス型熱交換器の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、多成分蒸気の凝縮
や吸収凝縮、あるいは多成分流体の蒸発を行わせるのに
適したマトリクス型熱交換器、その組合体およびマトリ
クス型熱交換器の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】気液混合流体等の多成分流体を作動流体
とするシステムとしては、従来から、吸収式冷凍機、吸
収式ヒートポンプ、圧縮式ヒートポンプ等が知られてい
る。これらのシステムに適用される作動流体はそれぞ
れ、臭化リチウム水溶液、アンモニア水溶液、フロン系
混合物等である。

【０００３】また、多成分流体の新たな用途として、発
電プラントの作動流体に適用するという動きもあり、多
成分流体の蒸留および吸収過程をその中に含む高効率な
サイクルが考えられている。

【０００４】これらのシステムにおいては、多成分流体
を蒸発ないし凝縮させる過程を通じて熱の授受を行う必
要があり、作動流体同士で一方は凝縮、他方は蒸発とい
った双方とも相変化を伴う熱交換過程が含まれることが
ある。なお、従来は、このような熱交換のために、伝熱
管を水平あるいは鉛直に多数配置した多管式熱交換器が
用いられてきた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな多管式熱交換器においては、一定の体積の中に収容
できる伝熱面積が比較的小さく、そのため小型化するこ
とが困難であるという問題がある。

【０００６】このような問題点を解消するために、伝熱
管に種々の加工を施し、伝熱性能を向上させて多管式熱
交換器の小型化を図る研究および開発が継続されてきて
いるが、このような方法で向上できるのは主として凝縮
液膜ないし吸収液膜側の伝熱性能であって、蒸気側の伝
熱性能を向上させることはできない。そして、このよう
に伝熱性能の向上度合いに不均衡があると、蒸気側の熱
負荷（熱流速）が増大して蒸気側の物質移動抵抗が大き
くなるので、図１０に示すように、気液界面（凝縮液膜
表面）の温度が低下する方向へ圧力、温度および濃度の
平衡点がずれてしまい、結局、実質的な伝熱量の増大は
ほとんど得られないという結果を招くことになる。

【０００７】このような結果を回避するためには、蒸気
側の伝熱面積を増大させて熱流速を軽減させてやること
が必要である。例えば多管式熱交換器においては、伝熱
面にフィンや突起等を付加して実質の伝熱面積を増大さ
せる方法が考えられる。

【０００８】しかし、多成分蒸気を一定の濃度線上で凝
縮させる場合には、必ず凝縮液膜が伝熱面を覆った状態
で新たな蒸気が凝縮してくることが必要であるが、フィ
ンや突起等では凝縮液膜ないし吸収液膜をこれらに均等
に分配することが困難である。このため、このような方
法は現在のところ実用化されるには至っていない。

【０００９】一方、伝熱管を用いない熱交換器として
は、プレート式やプレートフィン式、マトリクス型等の
熱交換器がある。これらの熱交換器では、単位体積当り
の伝熱面積を増大させやすいという利点がある一方で、
構造的に大規模な熱交換器を製造するのが困難である。

【００１０】また、マトリクス型熱交換器はマトリクス
構造体を有し、このマトリクス構造体内に形成されてい
る多数の流路は互いに独立して出口まで交わることがな
いため、その入口の段階で蒸気と液体とをできるだけ均
等にこれら流路に分配しておかなければならず、このよ
うな分配は一般に非常に困難である。

【００１１】また、このようなマトリクス構造体からな
るマトリクス型熱交換器が複数連続して配置されている
場合には、上流側から下流側までの全てのマトリクス型
熱交換器において、蒸気と液体とを均一に分配すること
は非常に困難である。このため、マトリクス型熱交換器
をモジュール単位や、複数のモジュールを有するモジュ
ール群単位等の適当な単位で分割してより大規模なマト
リクス型熱交換器、さらにはこれらを組み合わせたマト
リクス型熱交換器組合体を構成するという自由度が小さ
いという問題がある。

【００１２】本発明はこのような点を考慮してなされた
ものであり、小型でありながら大きな伝熱面積を有し、
また蒸気側と液膜側との熱平衡ポイントを外すことなく
実質的な熱伝達促進を図り、さらに蒸気と液体とを均等
に分配して容易に大規模な熱交換器を構成することがで
きるマトリクス型熱交換器、その組合体およびマトリク
ス型熱交換器の製造方法を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前述した目的を達成する
ため、請求項１記載の発明は、気液混合系統を含む少な
くとも２系統の貫通流路が内部に形成されたマトリクス
構造体からなるマトリクス型熱交換器において、マトリ
クス構造体表面であって気液混合系統の貫通流路の入口
側開口部を横切る部分に、液体捕集用の液体捕集溝を設
けたことを特徴とする。請求項２記載の発明は、気液混
合系統の貫通流路は複数の入口側開口部を有し、液体捕
集溝を有する第１の流路開口部と、液体捕集溝を有しな
い第２の流路開口部とをマトリクス構造体表面に交互に
配列するとともに、互いに隣り合う流路開口部がマトリ
クス構造体表面から所定の深さの位置で合流されるよう
にしたことを特徴とする。 請求項３記載の発明は、気液
混合系統の貫通流路は複数の入口側開口部を有し、液体
捕集溝を有する第１の流路開口部と、液体捕集溝を有し
ない第２の流路開口部とを、第１の流路開口部に対して
一対の第２の流路開口部が挟み込むようにマトリクス構
造体表面に配列し、これら第１の流路開口部と一対の第
２の流路開口部とがマトリクス構造体表面から所定の深
さの位置で合流されるようにしたことを特徴とする。請
求項４記載の発明は、気液混合系統の貫通流路中であっ
て第１の流路開口部と第２の流路開口部とが合流される
点よりも下流側に、流路を制限する突起を設けたことを
特徴とする。請求項５記載の発明は、気液混合系統の貫
通流路中であって第１の流路開口部と第２の流路開口部
とが合流される点よりも下流側に、流路を分割する壁面
を設けたことを特徴とする。

【００１４】また、請求項６記載の発明は、気液混合系
統を含む少なくとも２系統の貫通流路が内部に形成され
たマトリクス構造体を複数配置してなるマトリクス型熱
交換器において、各マトリクス構造体表面であって気液
混合系統の貫通流路の入口側開口部を横切る部分に、液
体捕集用の液体捕集溝を設け、各マトリクス構造体は少
なくとも１系統の貫通流路の入口側同士および出口側同
士がそれぞれ対応して配置され、この対応して配置され
た複数のマトリクス構造体の入口側および出口側に、各
マトリクス構造体の貫通流路を束ねるための入口カバー
および出口カバーを設けたことを特徴とする。請求項７
記載の発明は、各マトリクス構造体内において、貫通流
路が直線的に構成されていることを特徴とする。請求項
８記載の発明は、各マトリクス構造体内において、貫通
流路が途中で折り返されるように構成されていることを
特徴とする。請求項９記載の発明は、複数のマトリクス
構造体が碁盤目状または菱形状に配置されていることを
特徴とする。請求項１０記載の発明は、マトリクス構造
体の下面に、液が所定の長さまで連続体を保ちながら流
下されるようにするための液流下ガイドを設けたことを
特徴とする。請求項１１記載の発明は、液流下ガイド
が、マトリクス構造体の下面の互いに隣り合う流路開口
部間の略中間位置に形成され、鉛直下方に伸びる先端の
鋭利な棒状や板状、錘状等の突起物であることを特徴と
する。請求項１２記載の発明は、突起物が、鉛直方向に
伸びる凹面部分を有していることを特徴とする。

【００１５】さらに、請求項１３記載の発明は、このよ
うなマトリクス型熱交換器を複数配置してなるマトリク
ス型熱交換器組合体において、マトリクス型熱交換器間
に複数の連通路が設けられ、この連通路が液体用連通路
と気体用連通路とからなり、液体用連通路に移送ポンプ
を取り付けたことを特徴とする。

【００１６】さらにまた、請求項１４記載の発明は、薄
板の表面にプレス加工により貫通流路用の溝を形成する
工程と、この薄板の一辺の部分にプレス加工により液体
捕集溝用の切り欠きを入れる工程と、この薄板の液体捕
集溝用の切り欠きを入れた辺と相対する他の辺に、液体
捕集溝用の切り欠きと異なる形状の液流下ガイド用の切
り欠きを入れる工程と、このようにして形成された薄板
を複数貼り合わせることにより、マトリクス構造体から
なるマトリクス型熱交換器を製造する工程と、を備えた
ことを特徴とする。

【００１７】このように、請求項１記載の発明によれ
ば、マトリクス構造体表面であって気液混合系統の貫通
流路の開口部を横切る部分に、液体捕集用の液体捕集溝
を設けることにより、マトリクス構造体表面に衝突する
気液混合系統中の液体は、一旦液体捕集溝内に捕集され
る。その後、液体捕集溝内の流体は、流路開口部から貫
通流路内に流入される。このため、流体捕集溝の形状お
よび数を適宜定めることにより、マトリクス構造体から
なるマトリクス型熱交換器の流路への気液の均一な分配
が可能となるので、流路をより細かくして体積当りの伝
熱面積をより高密度にすることができ、また伝熱面積を
容易に増大させることが可能となる。従って、より小さ
い温度差で蒸気側と液膜側との熱平衡ポイントからのず
れの小さい熱交換を行わせることができる。請求項２お
よび３記載の発明によれば、液体捕集溝を有する、主と
して液体を流入させる第１の流路開口部と、そのような
流路開口部に隣り合う、液体捕集溝を有しない、主とし
て蒸気を流入させる第２の流路開口部とを所定の深さの
位置で合流させることにより、気体と液体の流入部分に
おける気液の干渉をなくすことができる。このため、気
体と液体とをそれぞれ流路開口部からスムーズに流入さ
せた後に合流させることが可能となり、液体のフラッデ
ィングや複数の流路相互の気液分配率の不均一を解消す
ることができる。請求項４記載の発明によれば、気液混
合系統の貫通流路中であって第１の流路開口部と第２の
流路開口部とが合流される点よりも下流側に、流路を制
限する突起を設けているので、合流後の流路を制限する
ことにより流速を増加させ、流れを乱して混合を進行さ
せることができ、流路内における液をより均一に分布さ
せることができる。請求項５記載の発明によれば、気液
混合系統の貫通流路中であって第１の流路開口部と第２
の流路開口部とが合流される点よりも下流側に、流路を
分割する壁面を設けているので、壁面が流路の断面積を
縮小させることにより、流速の増大および伝熱面積の増
大が図られ、これにより、低い熱流速と高い熱伝達係数
を保つことができる。

【００１８】また、請求項６記載の発明によれば、複数
のマトリクス構造体の各々の貫通流路を束ねるための入
口カバーおよび出口カバーを設けることにより、流体の
流入／流出のためのチャンネルを多数のマトリクス構造
体を包含するようにして共通化することが可能となるの
で、これらチャンネル用の構成部材の簡素化を図ること
ができ、また大規模化が容易になる。請求項７記載の発
明によれば、各マトリクス構造体内において、貫通流路
が直線的に構成されているので、流路の内部清掃を容易
に行うことができ、比較的汚れた流体にも適用すること
ができる。請求項８記載の発明によれば、各マトリクス
構造体内において、貫通流路が途中で折り返されるよう
に構成されているので、マトリクス構造体外における流
体の回折の必要性がなく、また独立した長い経路を通過
することができるため、この経路内で蒸発が生じるよう
な流体に適用した場合にマトリクス構造体外における気
液の再分配のプロセスや、別のマトリクス構造体への再
流入のプロセスを省略することができる。請求項１０記
載の発明によれば、マトリクス構造体の下面に、液が所
定の長さまで連続体を保ちながら流下されるようにする
ための液流下ガイドを設けているので、マトリクス構造
体の下面において液体が表面張力によって保持されて部
分的に大きな液滴となって不規則に滴下するような現象
を抑制することができる。請求項１１記載の発明によれ
ば、液流下ガイドが、マトリクス構造体の下面の互いに
隣り合う流路開口部間の略中間位置に形成され、鉛直下
方に伸びる先端の鋭利な棒状や板状、錘状等の突起物で
あるので、流路の出口側を閉塞することなく液がよりス
ムーズに流下するようにすることができる。請求項１２
記載の発明によれば、突起物が、鉛直方向に伸びる凹面
部分を有しているので、液体の表面張力を利用してマト
リクス構造体内の流路の出口側から大量かつスムーズに
液を引き出すことができる。

【００１９】さらに、請求項１３記載の発明によれば、
マトリクス型熱交換器間に複数の連通路（液体用連通路
および気体用連通路）を設け、このうち液体用連通路に
移送ポンプを取り付けることにより、個々のマトリクス
型熱交換器が極端に巨大化してしまうことを防止できる
とともに、気体と液体とを完全に分離して輸送している
ので、ポンプ動力の低減と運転の安定性を図ることがで
きる。

【００２０】さらにまた、請求項１４記載の発明によれ
ば、マトリクス構造体の鉛直方向の貫通流路、マトリク
ス構造体表面の液体捕集溝およびマトリクス構造体の下
面の液流下ガイドがプレス加工により同時に形成される
ので、製造時間の短縮および製造精度の向上を図ること
ができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。

【００２２】図１は、本発明によるマトリクス型熱交換
器の一実施の形態を示す概略斜視図である。

【００２３】図１に示すように、本発明によるマトリク
ス型熱交換器は、マトリクス構造体１からなっている。
この場合、マトリクス構造体１は、薄板３と薄板５とを
交互に多数組貼り合わせることにより構成されている。
このうち薄板３はマトリクス構造体１内を鉛直方向に貫
通する複数の流路２（図２参照）を形成するための溝を
有し、薄板５はマトリクス構造体１内を水平方向に貫通
する複数の流路４を形成するための溝を有している。な
お、マトリクス構造体１の流路２には気体中に液体が滴
状で分散した気液二相流が流入され、流路４には例えば
冷却水等が流入される。

【００２４】また、図１に示すように、マトリクス構造
体１の上面には、鉛直方向に貫通する複数の流路２の流
路開口部２ａ、２ｂのうちの一部の流路開口部２ａを横
切る部分に、液体捕集用の液体捕集溝６が複数設けられ
ている。液体捕集溝６は、気液二相流（気液混合流）の
流体を受け入れる際に、マトリクス構造体１の上面に気
液二相流が衝突する場合、気液二相流中の液体を表面張
力により一旦回りから引き込み、液体捕集溝６の経路に
開口している流路開口部２ａからマトリクス構造体１内
の流路２に液体を流入させるものである。このような液
体捕集溝６を所定の形状に定めるとともに、マトリクス
構造体１の上面に適当な間隔ないしパターンで配置する
ことにより、液体捕集溝６の経路に開口した流路開口部
２ａからマトリクス構造体１内の流路２に、より均等に
液体を流入させることができる。図２は、本発明による
マトリクス構造体を有するマトリクス型熱交換器の変形
例を示す図であってマトリクス構造体の薄板上端部の概
略斜視図である。

【００２５】図２に示すように、マトリクス構造体１を
構成する薄板３は、その表面に長方形状の断面を有する
第１突部１１と台形状の断面を有する第２突部１２、１
３とを有し、薄板５（図１参照）と貼り合わされること
により、第１突部１１間にマトリクス構造体１内を鉛直
方向に貫通する流路２が形成され、また第１突部１１と
第２突部１２、１３とによって流路開口部２ａ、２ｂが
形成される。

【００２６】また、図２に示すように、第１突部１１は
薄板３の上端から下端まで延在し、第２突部１２、１３
は薄板３の上端から所定距離だけ離間した途中の位置で
終っており、第１突部１１と第２突部１２、１３とによ
って形成された流路開口部２ａ、２ｂは、第２突部１
２、１３の下端の位置で貫通流路である流路２に合流す
る。

【００２７】このようにして液体捕集溝６の経路に開口
したマトリクス構造体１の流路開口部２ａと、そのよう
な流路開口部２ａに隣り合う流路開口部（液体捕集溝６
の経路でない開口部）２ｂとを所定の深さの位置で合流
させることにより、気体と液体の流入部分における気液
の干渉をなくすことができる。すなわち、前述したよう
に、マトリクス構造体１の上面に衝突する気液二相流の
うち、液体については液体捕集溝６から流路開口部２ａ
内に流入させ、残りの気体については主として流路開口
部２ｂ内に流入させることができるので、気体と液体と
の干渉を防ぐことができる。このため、気体と液体とを
それぞれ流路開口部２ａ、２ｂからスムーズに流入させ
た後に合流させることが可能となり、液体のフラッディ
ングや複数の流路２相互の気液分配率の不均一を解消す
ることができる。

【００２８】また、図２に示すように、マトリクス構造
体１表面の流路開口部２ａ、２ｂは、液体捕集溝６を有
する液体用の流路開口部２ａに対して、液体捕集溝６を
有しない一対の蒸気用の流路開口部２ｂが挟み込むよう
に配列されているため、液体成分が少ない流体の場合で
あっても、より多くの気体を流路開口部２ｂからマトリ
クス構造体１内の流路２へ取り込んだ後に、より少ない
液体成分と容易に合流させることができる。

【００２９】さらに、図２に示すように、薄板３の上端
からみて第２突部１２、１３の下端の位置よりもさらに
離間した位置には、第１突部１１に対して略垂直に横切
るようにして、薄板３から第１突部１１よりも低い高さ
の棒状突起１４が形成されている。突起１４は、別々の
流路開口部２ａ、２ｂから流入された流体が合流された
後、合流後の流路２を制限することにより流速を増加さ
せ、流れを乱して混合を進行させ、流路２内における液
をより均一に分布させるためのものである。

【００３０】図３（Ａ）（Ｂ）は、図２に示すマトリク
ス構造体１の薄板３の下方部分を示す図である。

【００３１】図３（Ａ）（Ｂ）において、第１突部１１
は、図２に示す第１突部１１と同様のものである。図３
（Ａ）（Ｂ）に示すように、薄板３上の一対の第１突部
１１、１１に挟まれる部分に、薄板３の上端から離間し
た途中の位置から下端まで延びる壁面２１と、壁面２１
の略中央部から下端まで延びる一対の壁面２２とが設け
られている。なお、壁面２１、２２は、図２に示す第２
突部１２、１３の下端および突起１４よりもさらに下方
に設けられており、壁面２１は一対の壁面２２に挟み込
まれるように配列されている。

【００３２】図３（Ａ）（Ｂ）に示したようなマトリク
ス構造体１を凝縮器として用いる場合には、そのマトリ
クス構造体１内の流路２においては、通常は凝縮の進行
とともに気体成分の割合が減少して流速が低下するが、
流路２の途中の位置から始まる壁面２１、２２が流路２
の断面積を縮小させることにより、流速の増大および伝
熱面積の増大が図られ、これにより、低い熱流速と高い
熱伝達係数を保つことができる。

【００３３】図４は、本発明によるマトリクス構造体を
有するマトリクス型熱交換器の変形例を示す概略斜視図
である。

【００３４】図４を参照すると、このマトリクス型熱交
換器は、マトリクス構造体１と、マトリクス構造体１の
水平方向の両端に取り付けられ流体が流入／流出するた
めの入口部３１と出口部３２とを有するモジュール１０
とからなっている。なお、図４に示すマトリクス構造体
１を有するモジュール１０では、鉛直方向の端部には何
も取り付けられていない。

【００３５】このようにしてマトリクス構造体１を有す
るモジュール１０を構成することにより、従来の多管式
熱交換器における伝熱管と同じような取り扱いが可能と
なり、このようなモジュール１０を多数組み合わせるこ
とにより容易に大規模な熱交換器のユニットを構成する
ことができる。なお、図４に示す例では、モジュール１
０のマトリクス構造体１内の流路が直線的に構成されて
いるため、流路の内部清掃を容易に行うことができ、比
較的汚れた流体にも適用することができる。

【００３６】図５は、本発明によるモジュールからなる
マトリクス型熱交換器の変形例を示す概略斜視図であ
る。

【００３７】図５を参照すると、このマトリクス型熱交
換器はマトリクス構造体１を有するモジュール１０から
なり、このモジュール１０は、図４に示したモジュール
１０とほぼ同じ構成を備えている。しかしながら、図４
に示したモジュール１０のマトリクス構造体１が内部に
水平方向および鉛直方向ともに１つのパスしか有してい
ないのに対して、図５に示すモジュール１０のマトリク
ス構造体１は、内部の水平方向の流路がマトリクス構造
体１内の水平方向の端部で鉛直方向に折り返され、水平
方向に実質的に５つのパスがあるようになっている。

【００３８】図５に示すモジュール１０は、図４に示し
たモジュール１０と同様に大規模化に適しており、図４
に示したモジュール１０と比較して汚れの多い流体には
不向きである。しかしながら、流量が少ない流体であっ
ても１つのモジュール１０のマトリクス構造体１内で回
折して流すことができる。このため、マトリクス構造体
１外における流体の回折の必要性がなく、また独立した
長い経路を通過することができるため、この経路内で蒸
発が生じるような流体に適用した場合にマトリクス構造
体１外における気液の再分配のプロセスや、別のマトリ
クス構造体１への再流入のプロセスを省略することがで
きるという利点も有している。

【００３９】図６（Ａ）（Ｂ）は、本発明によるモジュ
ールからなるマトリクス型熱交換器の他の変形例を示す
概略斜視図である。

【００４０】図６（Ａ）（Ｂ）を参照すると、この大規
模なユニットとして構成されたマトリクス型熱交換器
は、熱交換器ユニット本体４１の内部に図４に示したマ
トリクス構造体１を有するモジュール１０を多数備え、
各モジュール１０は、そのマトリクス構造体１の水平方
向の流路の入口側および出口側が一致するように配置さ
れている。また、各モジュール１０の入口部３１、出口
部３２に対応して入口カバー４２ａおよび出口カバー４
２ｂが取り付けられている。なお、図６（Ａ）（Ｂ）に
おいては、多数のモジュール１０はスタッガー（三角形
状ないし菱形状）配列とされている。しかし、これに限
らずインライン（碁盤目状）配列とすることもできる。
また、各モジュール１０のマトリクス構造体１におい
て、水平方向および鉛直方向の流路はともに１つのパス
のみを有する構成とされているが、水平方向の流路につ
いては、入口カバー４２ａおよび出口カバー４２ｂ内に
仕切り板を入れることにより、流体が入口カバー４２ａ
および出口カバー４２ｂ内で鉛直方向に折り返される多
パス構成とすることもできる。

【００４１】なお、図６に示すマトリクス型熱交換器
は、多管式熱交換器と同様の構成を備えるものであり、
各モジュール１０のマトリクス構造体１の長手方向の端
部および中間部分を支持するための構造物の構成ないし
配置を簡素化することができ、大規模でより強固なマト
リクス型熱交換器を容易に構成することができる。ま
た、マトリクス構造体を有する多数のモジュール１０の
流入／流出の入口部３１および出口部３２に入口カバー
４２ａおよび出口カバー４２ｂを設け、複数のモジュー
ル１０を包含するようにして共通化することにより、こ
れらの入口カバー４２ａおよび出口カバー４２ｂの構成
部材を簡素化することができ、また大規模化を容易に行
うことができる。

【００４２】図７は、図４または図５に示す複数のモジ
ュール１０から構成された複数のモジュール群を複数配
置してなるマトリクス型熱交換器組合体をタービンシス
テムの凝縮器に適用した場合の一例を模式的に示す図で
ある。図７において、タービン５１の排気蒸気はその下
方に設置された複数のモジュール１０を有する初段凝縮
器５２でその一部が凝縮され、残った蒸気は気体用連通
路である配管５９にて別置きの大規模熱交換器ユニット
５３の上部に送られる。一方、初段凝縮器５２で凝縮さ
れた凝縮液は凝縮液移送ポンプ５４により液体用連通路
５４ａを介して大規模熱交換器ユニット５３の上部に送
られ、その内部で多孔管やトレイ等により複数のモジュ
ールを有するモジュール群５５の上に断面略均一に散布
される。なお、大規模熱交換器ユニット５３は、モジュ
ール群５５の他にも、複数のモジュール１０を有する別
のモジュール群５６、５７も内蔵している。これらのモ
ジュール群５５、５６、５７の鉛直方向の流路内を通過
する流体はタービン５１の排気蒸気およびその凝縮液、
あるいは別系統から導入した吸収液（吸収液散布多孔管
５８参照）であるが、水平方向の流路内を通過する流体
は、タービン５１の排気蒸気や凝縮液の再生液、あるい
は冷却水等のように、それぞれのモジュール群５５、５
６、５７ごとに異なっていてもよい。

【００４３】なお、初段凝縮器５２の各モジュール１０
のマトリクス構造体１表面は、蒸気単相流の流体を受け
入れる場合には液体捕集溝６を形成する必要はなく、し
めり蒸気域の蒸気を受け入れる場合には液体捕集溝６を
形成するようにする。

【００４４】図７に示すマトリクス型熱交換器は、複数
のモジュール１０からなる大規模な熱交換器を適当な規
模でモジュール群単位に分割しているため、モジュール
群からなる個々のユニットが極端に巨大化してしまうこ
とを防止することができる。また、気体は配管５９にて
自由移送し、液体は液体用連通路５４ａを介してポンプ
輸送することにより気体と液体とを完全に分離して輸送
しているため、ポンプ動力の低減と運転の安定性を図る
とともに、移送された流体を受け入れる側の熱交換器ユ
ニットでの気液流体の再配分を均等化することができ
る。

【００４５】図８は、本発明によるマトリクス構造体を
有するマトリクス型熱交換器の変形例を示す図であって
マトリクス構造体の薄板下端部の概略斜視図である。

【００４６】図８を参照すると、マトリクス構造体１の
薄板３の下端部には、薄板３表面の第１突部１１間を避
けた位置すなわち、第１突部１１の延長線上の下端部
に、四角錘状の突起物である液流下ガイド６１が複数形
成されている。なお、この液流下ガイド６１の四角錘の
一面あるいは複数面は凹面状となっている。

【００４７】図８に示す液流下ガイド６１は、マトリク
ス構造体１の下面において液体が表面張力によって保持
されて部分的に大きな液滴となって不規則に滴下するよ
うな現象を抑制するためのものである。すなわち、マト
リクス構造体１の液流下ガイド６１の凹面に液膜が形成
され、この液膜の表面張力により、薄板３の流路２を流
下してきた液体が吸引され、先端の細くなった部分で液
体の流下が容易に行われる。また、これと同時に、この
液流下ガイド６１の先端以外の場所での液の滴下が防止
される。より具体的には、マトリクス構造体１の下面か
ら延びた液流下ガイド６１は、ある所定の長さにわたっ
て液体の流れを沿わせるようにし、このことにより、常
に決まった位置で決まった流量の流下を生じさせるよう
にしている。また、マトリクス構造体１の下面の互いに
隣り合う流路２間の略中間位置に液流下ガイド６１が形
成され、かつ液流下ガイド６１を鉛直下方に伸びる先端
の鋭利な棒状や板状、錘状等の突起物状とすることによ
り、流路２の出口側を閉塞することなく液がよりスムー
ズに流下するようにすることができる。さらに、液流下
ガイド６１の一面または複数面に設けられた凹面によ
り、液体の表面張力を利用してマトリクス構造体１内の
流路２の出口側から大量かつスムーズに液を引き出すよ
うにしている。

【００４８】次に、以上に説明したような構成を備える
マトリクス型熱交換器の製造方法について説明する。

【００４９】図１、図２、図８および図９を参照する
と、本発明の実施の形態に係るマトリクス型熱交換器を
構成するマトリクス構造体１は、次のようにして製造す
ることができる。

【００５０】まず、第１の工程として、図９に示すよう
に、薄い板、例えば薄板５′の表面に所定の間隔でプレ
ス加工により鉛直方向に貫通する流路２用の溝２′を形
成する。

【００５１】次に、第２の工程として、この薄板５′の
一辺の部分のうち前記第１の工程で形成された流路２用
の溝２′の流路開口部となる部分に同じくプレス加工に
より液体捕集溝６用の切り欠き６′を入れる。

【００５２】続いて、第３の工程として、この薄板５′
の切り欠き６′を入れた辺と相対する他の辺に、前記第
２の工程で形成された切り欠き６′と異なる形状の液流
下ガイド６１用の切り欠き６１′を入れる。

【００５３】最後に、第４の工程として、前記第１ない
し第３の工程を経て形成された薄板５′を複数貼り合わ
せることにより、マトリクス構造体１を製造する。ここ
で、流路２とは別系統の流路４（図１参照）について
は、薄板５′を貼り合わせた際にできる隙間を利用する
ようにする他、薄板５′の他に流路４用の溝を形成した
薄板を用意し、この薄板と薄板５′とを貼り合わせるこ
とによって別系統の流路を形成するようにしてもよい。

【００５４】なお、前記第１ないし第３の工程は１回の
プレス加工によって同時に行うことができ、このように
してマトリクス構造体１を製造することにより、マトリ
クス構造体１の鉛直方向の流路２、マトリクス構造体１
表面の液体捕集溝６およびマトリクス構造体１の下面の
液流下ガイド６１の突起を同時に形成して、製造時間の
短縮および製造精度の向上を図ることができる。また、
このようにして製造されたマトリクス構造体１からなる
モジュール１０を複数組み合わせることにより、図６ま
たは図７に示したようなより大規模なマトリクス型熱交
換器を製造することが可能となる。

【００５５】なお、前述した工程では、プレス加工以外
にも、鋳造や鍛造、転造、放電加工等の各種の加工方法
を採用することもできる。

【００５６】以上説明したように、本発明の実施の形態
に係るマトリクス型熱交換器によれば、マトリクス構造
体１の気液混合系統の入口表面に液体捕集溝６を設ける
ことにより、マトリクス構造体１からなるマトリクス型
熱交換器内の流路２への気液の均一な分配が可能となる
ので、流路２をより細かくして体積当りの伝熱面積をよ
り高密度にすることができ、また伝熱面積を容易に増大
させることが可能となるので、より小さい温度差で蒸気
側と液膜側との熱平衡ポイントからのずれの小さい熱交
換を行わせることができる。

【００５７】また、図４または図５に示したように、マ
トリクス構造体１をモジュール化して一本の伝熱管と同
様の取扱いができるようにしたので、大規模なマトリク
ス型熱交換器を容易に構成することができ、特に蒸気と
液体との再分配が容易であるので、マトリクス構造体１
のモジュール単位や、複数のモジュールを有するモジュ
ール群単位の分割が容易となり、より大規模なマトリク
ス型熱交換器、さらにはこれらを組み合わせたマトリク
ス型熱交換器組合体を構成することができる。

【００５８】さらに、図８に示したように、マトリクス
構造体１の下面に液流下ガイド６１としての突起物を設
けたので、凝縮した液膜が停滞して張り付いたり、不規
則に滴下するといった現象を抑制することができ、マト
リクス型熱交換器のより安定した運転が可能となる。

【００５９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のマトリク
ス型熱交換器によれば、熱交換器のモジュールとしてマ
トリクス構造体を採用し、流路への気液の分配をより均
一化できる構造としたため、高密度な伝熱面積を有する
熱交換器を実現することが可能となり、より小さい温度
差で蒸気側と液膜側との熱平衡ポイントからのずれの小
さい熱交換を行わせることができる。

【００６０】なお、伝熱面積をより容易に増大させるこ
とができるので、気液混合流体等の２成分ないし多成分
流体の凝縮熱伝達または沸騰熱伝達を、より小さな温度
差で、蒸気側と液膜側との熱平衡ポイントからのずれを
小さく行わせることができるようになり、発電プラント
等に適用した場合でも作動流体の受熱部あるいは放熱部
での温度差の小さいヒートバランスで運転することがで
き、プラントの効率を高めることが可能となる。

【００６１】また、本発明のマトリクス型熱交換器によ
れば、マトリクス構造体を有するモジュールを多管式熱
交換器に含まれる一本の伝熱管と同様に扱えるようにす
るとともに、複数のモジュールを有するモジュール群へ
の気液の均一な分配を可能にしてこれらのモジュール群
が互いに連通路を介して容易に接続できるようにしたた
め、熱交換器をモジュール単位や、複数のモジュールを
有するモジュール群単位で分割してより大規模なマトリ
クス型熱交換器、あるいはこれらのマトリクス型熱交換
器を複数配置してなるマトリクス型熱交換器組合体を構
成することが可能となる。

【００６２】さらに、本発明のマトリクス型熱交換器の
製造方法によれば、マトリクス構造体の鉛直方向の貫通
流路、マトリクス構造体表面の液体捕集溝およびマトリ
クス構造体の下面の液流下ガイドをプレス加工により同
時に形成することにより、製造時間の短縮および製造精
度の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるマトリクス型熱交換器の一実施の
形態を示す概略斜視図である。

【図２】本発明によるマトリクス構造体を有するマトリ
クス型熱交換器の変形例を示す図であってマトリクス構
造体の薄板上端部の概略斜視図である。

【図３】図２に示すマトリクス構造体１の薄板３の下方
部分を示す図である。

【図４】本発明によるマトリクス構造体を有するマトリ
クス型熱交換器の変形例を示す概略斜視図である。

【図５】本発明によるモジュールからなるマトリクス型
熱交換器の変形例を示す概略斜視図である。

【図６】本発明によるモジュールからなるマトリクス型
熱交換器の他の変形例を示す概略斜視図である。

【図７】図４または図５に示す複数のモジュール１０か
ら構成されたモジュール群を複数配置してなるマトリク
ス型熱交換器組合体をタービンシステムの凝縮器に適用
した場合の一例を模式的に示す図である。

【図８】本発明によるマトリクス構造体を有するマトリ
クス型熱交換器の変形例を示す図であってマトリクス構
造体の薄板下端部の概略斜視図である。

【図９】本発明によるマトリクス構造体を有するマトリ
クス型熱交換器の製造方法を説明するための図である。

【図１０】２成分流体が凝縮する際の蒸気と凝縮液膜と
の平衡関係を示す温度−濃度平衡図である。

【符号の説明】

１ マトリクス構造体 ２ 流路 ２ａ、２ｂ、２ｃ 流路開口部 ３、５ 薄板 ４ 流路 ６ 液体捕集溝 １１ 第１突部 １２、１３ 第２突部 １４ 突起 ２１、２２ 壁面 ３１ 入口部 ３２ 出口部 ４１ 熱交換器ユニット本体 ４２ａ 入口カバー ４２ｂ 出口カバー ５１ タービン ５２ 初段凝縮器 ５３ 大規模熱交換器ユニット ５４ 凝縮液移送ポンプ ５４ａ 液体用連通路 ５５、５６、５７ モジュール群 ５８ 吸収液散布多孔管 ５９ 配管 ６１ 液流下ガイド

Claims (14)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】気液混合系統を含む少なくとも２系統の貫
   通流路が内部に形成されたマトリクス構造体からなるマ
   トリクス型熱交換器において、 マトリクス構造体表面であって気液混合系統の貫通流路
   の入口側開口部を横切る部分に、液体捕集用の液体捕集
   溝を設けたことを特徴とするマトリクス型熱交換器。
2. 【請求項２】気液混合系統の貫通流路は複数の入口側開
   口部を有し、 液体捕集溝を有する第１の流路開口部と、液体捕集溝を
   有しない第２の流路開口部とをマトリクス構造体表面に
   交互に配列するとともに、互いに隣り合う流路開口部が
   マトリクス構造体表面から所定の深さの位置で合流され
   るようにしたことを特徴とする請求項１記載のマトリク
   ス型熱交換器。
3. 【請求項３】気液混合系統の貫通流路は複数の入口側開
   口部を有し、 液体捕集溝を有する第１の流路開口部と、液体捕集溝を
   有しない第２の流路開口部とを、第１の流路開口部に対
   して一対の第２の流路開口部が挟み込むようにマトリク
   ス構造体表面に配列し、これら第１の流路開口部と一対
   の第２の流路開口部とがマトリクス構造体表面から所定
   の深さの位置で合流されるようにしたことを特徴とする
   請求項１記載のマトリクス型熱交換器。
4. 【請求項４】気液混合系統の貫通流路中であって第１の
   流路開口部と第２の流路開口部とが合流される点よりも
   下流側に、流路を制限する突起を設けたことを特徴とす
   る請求項２または３記載のマトリクス型熱交換器。
5. 【請求項５】気液混合系統の貫通流路中であって第１の
   流路開口部と第２の流路開口部とが合流される点よりも
   下流側に、流路を分割する壁面を設けたことを特徴とす
   る請求項２ないし４のいずれかに記載のマトリクス型熱
   交換器。
6. 【請求項６】気液混合系統を含む少なくとも２系統の貫
   通流路が内部に形成されたマトリクス構造体を複数配置
   してなるマトリクス型熱交換器において、 各マトリクス構造体表面であって気液混合系統の貫通流
   路の入口側開口部を横切る部分に、液体捕集用の液体捕
   集溝を設け、 各マトリクス構造体は少なくとも１系統の貫通流路の入
   口側同士および出口側同士がそれぞれ対応して配置さ
   れ、この対応して配置された複数のマトリクス構造体の
   入口側および出口側に、各マトリクス構造体の貫通流路
   を束ねるための入口カバーおよび出口カバーを設けたこ
   とを特徴とするマトリクス型熱交換器。
7. 【請求項７】各マトリクス構造体内において、貫通流路
   が直線的に構成されていることを特徴とする請求項１な
   いし６のいずれかに記載のマトリクス型熱交換器。
8. 【請求項８】各マトリクス構造体内において、貫通流路
   が途中で折り返されるように構成されていることを特徴
   とする請求項１ないし６のいずれかに記載のマトリクス
   型熱交換器。
9. 【請求項９】複数のマトリクス構造体が碁盤目状または
   菱形状に配置されていることを特徴とする請求項６ない
   し８のいずれかに記載のマトリクス型熱交換器。
10. 【請求項１０】マトリクス構造体の下面に、液が所定の
    長さまで連続体を保ちながら流下されるようにするため
    の液流下ガイドを設けたことを特徴とする請求項１ない
    し９のいずれかに記載のマトリクス型熱交換器。
11. 【請求項１１】液流下ガイドが、マトリクス構造体の下
    面の互いに隣り合う流路開口部間の略中間位置に形成さ
    れ、鉛直下方に伸びる先端の鋭利な棒状や板状、錘状等
    の突起物であることを特徴とする請求項１０記載のマト
    リクス型熱交換器。
12. 【請求項１２】突起物が、鉛直方向に伸びる凹面部分を
    有していることを特徴とする請求項１１記載のマトリク
    ス型熱交換器。
13. 【請求項１３】請求項１ないし１２のいずれかに記載の
    マトリクス型熱交換器を複数配置してなるマトリクス型
    熱交換器組合体において、 マトリクス型熱交換器間に複数の連通路が設けられ、こ
    の連通路が液体用連通路と気体用連通路とからなり、液
    体用連通路に移送ポンプを取り付けたことを特徴とする
    マトリクス型熱交換器組合体。
14. 【請求項１４】薄板の表面にプレス加工により貫通流路
    用の溝を形成する工程と、 この薄板の一辺の部分にプレス加工により液体捕集溝用
    の切り欠きを入れる工程と、 この薄板の液体捕集溝用の切り欠きを入れた辺と相対す
    る他の辺に、液体捕集溝用の切り欠きと異なる形状の液
    流下ガイド用の切り欠きを入れる工程と、 このようにして形成された薄板を複数貼り合わせること
    により、マトリクス構造体からなるマトリクス型熱交換
    器を製造する工程と、 を備えたことを特徴とするマトリクス型熱交換器の製造
    方法。