JP3834624B2

JP3834624B2 - 熱交換装置

Info

Publication number: JP3834624B2
Application number: JP2002201232A
Authority: JP
Inventors: 尚樹遠藤; 哲彦前田
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2002-07-10
Filing date: 2002-07-10
Publication date: 2006-10-18
Anticipated expiration: 2022-07-10
Also published as: JP2004044873A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば二元冷凍装置のように、非凝縮性ガスと凝縮性ガスの混合物を熱交換器内に導き、凝縮性ガスを凝縮させる凝縮器等に用いるのに有効な熱交換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
非凝縮性ガスと凝縮性ガスの混合物を熱交換器内に導き、凝縮性ガスを凝縮させる凝縮器は例えば図３に示すような周知のエジェクタ式冷凍機に用いられる。即ち、図３に示すエジェクタ式冷凍機においては、エジェクタ２１のノズル２２に圧力気体を導きここから噴射すると、蒸発器２３の作動媒体が吸い込み流２４として吸引され、蒸発器２３内が低圧となる。エジェクタ２１に吸引された作動媒体はエジェクタ２１の出口部分で加圧されて凝縮器２５に入る。
【０００３】
凝縮器２５内で凝縮した作動媒体の液体は膨張弁２６で膨張してその一部が気化し、気液全体が冷却状態で再び蒸発器２３に戻り、蒸発器２３内の加熱水２９を冷却する。また凝縮器２５内の非凝縮性の気体は外部に抽気され、図示の例においてはコンプレッサ２８により加圧された後再びノズル２２に戻り、前記作動を繰り返している。
【０００４】
上記のような冷凍機に用いられる凝縮器としては種々の形式のものが採用されるが、その一つとして、シェルアンドチューブの形式がある。この形式の熱交換器は製造が簡単であり、また非凝縮性の気体と凝縮した液体を分離することは比較的簡単である特徴を備えているが、熱交換性能がそれほど高くないため、単位時間あたり所定の熱を授受するためには装置が大きくなってしまう欠点がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
それに対して、例えば図４に示すようなプレート型熱交換器３１は優れた熱交換性能を備え、所定の熱の授受のためには比較的小型で足りる長所を備えている。この熱交換器３１を凝縮器として用いる通常の使用形態としては、例えば凝縮性ガスと非凝縮性ガスの混合ガスを熱交換器３１の上方に配置した第１開口３２から内部の図示されない第１流路に流入し、下方に配置した第２開口３３から排出できるようにする。
【０００６】
また、この凝縮性ガスと非凝縮性ガスの混合ガスを熱交換器３１内で冷却する冷却液を熱交換器３１の下方に設けた第３開口３４から、前記第１流路とプレートを挟んで形成されている図示されない第２流路に流入させ、第１流路内の前記混合ガスを冷却し、熱交換器３１の上方に設けている第４開口３５から外部に流出させ、熱交換器内部で前記混合ガスの冷却により凝縮性ガスを凝縮して液体とし、非凝縮性ガスと共に前記第２開口３３から排出するように使用することとなる。
【０００７】
しかしながら、このような熱交換器３１を用いて凝縮性ガスと非凝縮性ガスの混合ガスから、凝縮液と非凝縮性ガスを同一の開口から取り出し、その後第２開口に接続した配管において、その配管内の下方を流れる液体を別配管に流出させる等の手段により、非凝縮性ガスと分離して別々に取り出そうとすると、非凝縮性ガスの流れが配管内下方を流れる凝縮した液体を巻き込み、凝縮した液体を再び気化させる問題を生じる。上記のように凝縮した液体を再び巻き込む量が多いときには、その下流に気液分離器を設けて、液体を分離する必要がある。また、気液分離器を設けるときには非凝縮性ガス流路の抵抗が増加し、圧力損失が増大する欠点を生じる。
【０００８】
このような問題は上記のようなプレート形熱交換器を用いたものに限らず、熱交換器から凝縮した液体を流出させ、その流出部分から非凝縮性ガスも排出させる熱交換器においては共通して発生する問題である。
【０００９】
その対策として、例えば図５に示すように、前記凝縮性ガスの凝縮液と非凝縮性ガスを取り出す第２開口３３の上方に第５開口３５を設け、非凝縮性ガスの大部分をこの第５開口３５から排出させ、下方を流れる凝縮液は第２開口３３から流出させるようにすることが考えられる。このように構成することにより、第２開口３３から流出する凝縮液が非凝縮性ガス流に巻き込まれないようにすることができる。しかしながら、第５の開口３５を熱交換器３１に設けると溶接部分が増えるため、その分コスト高になる問題を生じる。
【００１０】
したがって本発明は、凝縮性ガスと非凝縮性ガスの混合ガスを熱交換器に導入して冷却し、凝縮性ガスを凝縮させ、凝縮液と非凝縮性ガスを分離して取り出す熱交換器において、簡単な構造で安価な装置により非凝縮性ガスが凝縮液を巻き込むことがないようにした熱交換装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、非凝縮性ガスと凝縮性ガスとの混合ガスを熱交換器内に導き、凝縮性ガスを凝縮させる熱交換装置において、非凝縮性ガスと凝縮性ガスが凝縮した凝縮液とを排出する排出口に、該排出口下面との間に前記凝縮液が流出する間隙を設け、該排出口から熱交換器内部に向けて延出する仕切部材を配設し、該排出口から排出される非凝縮性ガスが該排出口から流出する凝縮液を巻き込むことを防止することを特徴とする熱交換装置としたものである。
【００１２】
また、請求項２に係る発明は、前記仕切部材には上面の凝縮液を下面側に導く孔を設けたことを特徴とする請求項１記載の熱交換装置としたのもである。
【００１３】
また、請求項３に係る発明は、前記仕切部材を網により形成したことを特徴とする請求項１記載の熱交換装置としたのもである。
【００１４】
また、請求項４に係る発明は、前記排出口に分岐部を下方に向けてＴ形継手を連結し、前記仕切部材を前記分岐部の下流から熱交換器内部延出して配設したことを特徴とする請求項１記載の熱交換装置としたものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図面に沿って説明する。図１は本発明をプレート形熱交換器に適用した熱交換装置１を示し、前記図４に示すものと同様のプレート形熱交換器２に対して、後述するような仕切部材３を用いた例を示している。図１（ａ）は同図（ｂ）に示す熱交換装置のＡ−Ａ部分の断面図を示しており、多数のプレート４により形成される第１熱交換流路５内を前記図４に示すような第１開口３２から流入した凝縮性ガスと非凝縮性ガスとの混合ガスが上方から下方に流れるようになっているが、前記混合ガスがこの第１熱交換流路５を図中下方向に流れるとき、この第１熱交換流路５の周囲に形成されている第２熱交換流路を上方から可能に流れる冷却液によって冷却され、凝縮性ガスは凝縮し、プレート４の表面を伝わって下方に流れるようになっている。
【００１６】
このようにして凝縮した凝縮液は、熱交換器２の下方に溜まり、図４のプレート形熱交換器においては第２開口３３に設けることとなる接続管６から外部に流出するようにしている。図１に示す実施例においては、接続管６にＴ形継手７を接続しており、このＴ形継手７の分岐管部８を下方に向け、前記熱交換器２の接続管６の下面上を流れる凝縮液をＴ形継手７に流入させるとともに、その凝縮液を分岐管部８の開口９に導き、外部に導出できるようにしている。
【００１７】
図１に示す実施例においては、Ｔ形継手７の分岐管部８が分岐する部分の下流側に仕切用スペーサ１０を固定し、その上に断面弧状の仕切部材３の端部を固定しており、この仕切部材３の熱交換器２内に延出する他端部近傍の下部はスペーサ１１により熱交換器２の内部に支持されている。この仕切部材３の長さは、その先端が熱交換器２における接続管６を設けた壁面とは反対側の壁面近傍まで延出させている。
【００１８】
これらの仕切用スペーサ１０とスペーサ１１の高さは任意に設定することができるが、低すぎるとその下面を流れるべき凝縮液が仕切り板の上を流れるようになり、非凝縮性ガスに巻き込まれて不適切であり、高すぎるとその下面を非凝縮ガスが多量に流れ、凝縮液を巻き込むので不適切であるので、この熱交換器で凝縮するガスの量等を勘案して適当な高さに設定する。
【００１９】
上記実施例においては仕切用スペーサ１０のほかにスペーサ１１を設け、仕切部材の両端部を支持する例を示したが、仕切部材３の強度等を考慮してその必要がないときにはスペーサ１１を用いることなく、片持ち式に支持することもでき、また、逆に必要に応じてより多くのスペーサを設けても良い。尚、仕切用スペーサ１０はこの部分から凝縮液がガス出口１２側に流出しないように流路を封鎖する仕切とすることが好ましいが、他側に設けるスペーサ１１はこの部分を凝縮液が流れることができる流路を備えることが好ましい。
【００２０】
仕切部材３は種々の態様のものを用いることができ、例えば図２（ａ）に示すように、円筒の一部を切り取った形状をなす板状の部材を用いた板状仕切り部材１３を基本形とし、その他図２（ｂ）に示すようにその軸線方向に沿って複数の孔１４を形成した孔あき仕切部材１５を用いることができる。この孔１４は必ずしも複数設ける必要はなく１つでも作動可能である。このように構成することにより、気相中から液体が凝縮して孔あき仕切部材１５の上面に落ちるとき、その凝縮液をこの孔１４から下面に導き、その下を流れる凝縮液流に合流させる。
【００２１】
仕切部材としては更に図２（ｃ）に示すように、目の細かい網を同様の形状に成型して作成したメッシュ形仕切部材１６を使用することができる。このようなメッシュ形仕切部材１６を用いることにより、上記のようにこの仕切部材上に落ちる凝縮液を直ちにその裏面側に流化させることができ、仕切部材の上面に凝縮液が存在することによりその凝縮液が非凝縮性ガスの気流中に巻き込まれることを確実に防止することができる。
【００２２】
図１において、上記のような仕切部材３を設けることにより、凝縮液は前記のように熱交換器２の下部に溜まり、仕切部材３の下面と接続管６の底面部分との間を流れ、Ｔ形継手７の分岐管部８に流出することとなる。このとき、第１熱交換流路５内を図中上方から下方に流れる非凝縮性ガスを、接続管６を通ってＴ形継手７のガス出口１２から排出するとき、上記のようにして流出する凝縮液に対してこれを巻き込むような作用をすることは無くなり、凝縮液の再巻き込みによって凝縮した液体を再び気化させることを防止することができる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明は上記のように構成したので、非凝縮性ガスと凝縮性ガスの混合物を熱交換器内に導き、凝縮性ガスを凝縮させる熱交換器において、非凝縮性ガス及び凝縮性ガスが凝縮した凝縮液が熱交換器を出るとき、非凝縮性ガスが凝縮液を巻き込み、凝縮液を再び気化させることを防止することができる。それにより、従来のように凝縮液を巻き込んだ非凝縮性ガスから凝縮液を分離するために気液分離器を新たに設ける必要が無くなり、熱交換器下流の圧力損失を低く押さえることができる。また、本発明を実施するに際しては、既存のＴ型継ぎ手等の配管材の利用も可能であり安価のものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示し、（ａ）は（ｂ）のＡ−Ａ部分の断面図、（ｂ）は側面図である。
【図２】本発明に用いる仕切部材の例を示す斜視図であり、（ａ）は断面弧状の仕切り板、（ｂ）は同仕切り板に孔を設けた孔あき仕切板、（ｃ）網による形成した仕切部材である。
【図３】非凝縮性ガスと凝縮性ガスの混合ガスを導き凝縮性ガスを凝縮して分離するシステム例を示す図である。
【図４】同システムで用いるプレート形熱交換器において、一般的な加熱・冷却流体の出入り口をもつ例を示す斜視図である。
【図５】同システムで用いるプレート形熱交換器において、非凝縮性ガスと凝縮液との出口を別に設けた例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１熱交換装置
２プレート形熱交換器
３仕切部材
４プレート
５第１熱交換流路
６接続管
７Ｔ形継手
８分岐管部
９開口
１０仕切用スペーサ
１１スペーサ

Claims

非凝縮性ガスと凝縮性ガスとの混合ガスを熱交換器内に導き、凝縮性ガスを凝縮させる熱交換装置において、
非凝縮性ガスと凝縮性ガスが凝縮した凝縮液とを排出する排出口に、該排出口下面との間に前記凝縮液が流出する間隙を設け、該排出口から熱交換器内部に向けて延出する仕切部材を配設し、該排出口から排出される非凝縮性ガスが該排出口から流出する凝縮液を巻き込むことを防止することを特徴とする熱交換装置。
前記仕切部材には上面の凝縮液を下面側に導く孔を設けたことを特徴とする請求項１記載の熱交換装置。
前記仕切部材を網により形成したことを特徴とする請求項１記載の熱交換装置。
前記排出口に分岐部を下方に向けてＴ形継手を連結し、
前記仕切部材を前記分岐部の下流から熱交換器内部延出して配設したことを特徴とする請求項１記載の熱交換装置。