JP3886157B2 - 直列式熱交換器及び縦続巡回路 - Google Patents

Description

発明の背景
本発明は、冷媒が管、流路等に導入された全熱交換器、詳細にはフィンチューブ型、フィンコイル型並びにスパインフィン型熱交換器を含む全熱交換器のためのものである。本発明は全熱交換器に向けらたものであるが、特に蒸気の除去が課題とされる蒸発器のような熱交換器に適用することができる。
本熱交換器は、一本の長い連続管（one long continuous tube）による単管式熱交換器、或いは多数の管を巡回（multi-circuited）させた多管巡回式熱交換器の何れかからなる。
連続単管式熱交換器の場合、管入力における二相（主に液体）冷媒は、管の長さ方向に伝わるに従って、密度が低くなる。流動条件によるが、冷媒は管端部に至るまでには完全に蒸気となり、その密度は非常に低くくなる。より大型の熱交換器の場合、この管内の圧力降下が、交換器効率に大きな影響をもたらすようになる。これは特に蒸発器の場合に当てはまる。
多管巡回冷媒式熱交換器の場合には、多数の巡回路が導入され、連続単管式熱交換器の圧力降下の問題を処理する。多巡回路はこの問題を解決はするが、熱伝達損失のような新たな問題を導入する。各巡回路の端部において制御可能な蒸気速度（すなわち圧力降下）を達成するために、多巡回路は大部分の二相領域を通して最適下限の速度を有する。理想的には、より高い熱伝達係数に対応するためには、液体速度はより速いことが好ましい。マニホールドのような複合分配器を用いて、複数の冷媒巡回路中の冷媒を均等に分割する。しかしながら、システムの負荷及び冷媒流の速度が、分配器が冷媒を分配する仕方に著しく影響するため、冷媒の品質は巡回路間で変化する。例えば、高速流動下で良好に動作する分配器は、低負荷或いは低流動条件下にある特定の巡回路に冷媒を過剰に配向してしまう場合があり、その逆の場合も起こりうる。
さらに、分配器自体は高価な装置部品であり、適当に設計し、かつ設置するために時間を要する。
長さ方向に渡って二相冷媒流を保持すると共に、従来の多管巡回用分配器を用いない熱交換器が必要とされる。
発明の概要
本発明の目的、特徴及び利点は、従来の熱交換器が持つ問題点を解決することである。
本発明の目的、特徴及び利点は、熱交換器の長さ方向に渡ってより安定した蒸気／液体冷媒関係を保持する直列式熱交換器を提供することである。
本発明の目的、特徴及び利点は、多管巡回式熱交換器に必要とされる分配器を排除ことである。
本発明の目的、特徴及び利点は、従来のコイル式熱交換器に比べて、熱交換器の長さ方向に渡ってより一定の冷却効果を保持することである。
本発明の目的、特徴及び利点は、冷媒分配時の品質についての問題点を解決することである。
本発明の目的、特徴及び利点は、多数の液体／蒸気分配器を有する熱交換器を提供することである。
本発明の別の利点は、熱交換器に渡ってより一定で、しかも高い平均冷媒速度を与え、圧力降下を制御可能にすると共により高い熱伝達を実現することである。
本発明は直列式熱交換器を提供する。直列式熱交換器は、注入口から排出口まで延在する直列の流路と、蒸気を流路から排出する複数の蒸気／液体分離器とを有する。
また本発明は、蒸気状態及び液体状態を有する第１の流体と第２の流体との間で熱を交換する方法を提供する。本発明による方法は、第１の流体を流路内に配向する過程と、第２の流体と流路内にある液体状態の第１の流体との間で熱を交換する過程と、蒸気が発生するのに応じて蒸気状態の第１の流体を流路から排出する過程とを有する。その方法は、蒸気排出過程に先行して第１の流体を膨張させることにより改善される場合もある。
さらに本発明は蒸気／液体分離器を提供する。蒸気／液体分離器は、注入口を排出口に接続する曲線状の流路を備え、注入口は、排出口上、並びに注入口と排出口の間の中間の高さに位置し、流路の内側に配置される中間蒸気排出口上に垂直に位置する。
さらに本発明は、複数のＵベンドを有する管式熱交換器を改修する方法を提供する。本方法は、選択されたＵベンドを除去する過程と、その選択されたＵベンドをＥ型蒸気／液体分離器に置き換える過程とを有する。
【図面の簡単な説明】
第１図は、従来の連続単管式熱交換器を示す。
第２図は、第１図の管内の液体冷媒のグラフである。
第３図は、従来の多管巡回式熱交換器を示す。
第４図は、従来の熱交換器と本発明による熱交換器とを比較したブロック図である。第４Ａ図は、第１図の熱交換器を示しており、第４Ｂ図は付加巡回路を有する第３図の熱交換器を示し、さらに第４Ｃ図は本発明による熱交換器を示す。
第５図は、新規の蒸気／液体分離器を含む本発明の熱交換器を示す。
第６図は、第５図の蒸気／液体分離器を示す。
第７図は、第６図の蒸気／液体分離器の好適な実施例を示す。
発明の詳細な説明
第１図は、冷媒を流す流路１２を含む従来の熱交換器１０を示す。第１図の熱交換器１０は、５つの流路１４、１５、１６、１７並びに１８、さらにその５つの流路にそれぞれ接続する４つのＵベンド１９、２０、２１並びに２２を備える単管巡回式熱交換器である。また熱交換器１０は注入口２４及び排出口２６も備える。主に液体冷媒からなる二相冷媒は、注入口２４に入り、流路１２の長さ方向に伝わる。二相冷媒は、流路１２の壁を介して流路１２の外側の液体と熱を交換し、その処理中に冷媒は気化される。二相冷媒は、陰付き部分３０により示されており、蒸気状冷媒は流路１２内の白抜き部分３２により示される。流路が注入口２４から排出口２６に向かって進むにつれて、液体冷媒の割合は減少し、排出口２６では液体冷媒は存在せず、蒸気冷媒のみが流路１２内に残される。
これが第２図に示されており、グラフ４０は、Ｘ軸４２上の注入口２４から排出口２６までの距離に対して、Ｙ軸４２において全冷媒に占める液体冷媒の割合を示す。注入口２４では、液体冷媒の割合は点４６により示されるようにほぼ１００％である。点４６における１００％から減少分は、通常の瞬間蒸発によるものである。流路１２が左右に移動するに従って、液体冷媒は徐々に熱を吸収して気化するのがライン４８により示されている。排出口２６に到達する以前に、グラフ４０上の点５０に示されるように流路１２内に液体冷媒は存在せず、蒸気冷媒のみが残され、過熱状態になる。
第３図は従来の多管巡回式熱交換器６０を示す。ここに示される３つの巡回路は例示に過ぎず、第４ｂ図に示されるように、任意の特定の応用例では異なる数の巡回路を用いることができる。熱交換器６０は、注入口６２、排出口６４、３つの巡回路６６、６８並びに７０、注入口６２と巡回路６６との間にある分配器７２、並びに巡回路６６、６８、７０と排出口６４との間にある排出用マニホールド７４とを備える。
分配器７２は注入口６２から冷媒流を受け取り、各巡回路６６、６８、７０に同品質の冷媒を供給するように冷媒流を分割する。負荷及び流動条件によって、各巡回路６６、６８、７０内の冷媒の品質は概ね同じになる場合もあるが、ならない場合もある。分配器７２自体は、全条件下で一定品質の冷媒分配を保持する必要があるという点から、設計、製造並びに設置に関するコストが高い。
排出用マニホールド７４は各巡回路６６、６８、７０に存在する冷媒を受け取り、それらの冷媒を結合し、さらに排出口６４に配向する。排出用マニホールド７４は全条件下で均等に冷媒を分配する必要がないため、分配器７２と比べて安価である。
第４図は、従来の熱交換器１０及び６０と、本発明による熱交換器１００との比較を示す。第４Ａ図は、注入口２４及び排出口２６を備える単一長の流路１２として熱交換器１０を示す。第４Ｂ図は、注入口２４、排出口２６及び分配器７２により分割され、マニホールド７４により統合される４つの巡回路６６、６８、７０並びに７６を備える熱交換器６０を示す。第４Ｃ図は、注入口２４、排出口２６並びに直列の熱交換流路１０２を備える本発明による熱交換器１００を示す。
蒸気冷媒を除去し、管１０５を用いて蒸気冷媒を排出用マニホールド１０６、さらに排出口２６に配向する液体／蒸気分離器１０４が、直列の流路１０２に沿ってある間隔毎に存在する。流路１０２は、多管巡回式熱交換器の分配器を排除すると共に、管の長さ方向に渡って比較的一定に二相の関係を保持する。こうして本発明は、従来の熱交換器の利点を合わせ持つと共に、従来の熱交換器の欠点を排除する。
第５図は本発明による熱交換器１００を詳細に示す。図示されるように、熱交換器１００は６つの流路１１０、１１２、１１４、１１６、１１８並びに１２０を備えるが、これは例示に過ぎず、任意の特定の実施例では変更することができる。各組の隣接流路間には、Ｕベンドが存在しており、流路１１０と１１２との間にはＵベンド１２２、流路１１２と１１４との間にＵベンド１２４、流路１１４と１１６との間のＵベンド１２６、流路１１６と１１８との間にＵベンド１２８並びに流路１１８と１２０との間にＵベンド１３０が存在する。
本発明では、選択された従来のＵベンドが、本発明による新規の蒸気／液体分離器１０４に置き換えられる。第５図では、Ｕベンド１２６及び１３０はそのように変更されたものである。これらのＵベンドを変更する際の容易性が、本発明が現存の熱交換器を改修するために適用される際の容易性を示すということに注目されたい。
実際には、直列流路１０２の長さ方向に沿って注入口から離れるほど、分離器１０４の数が多くなり、その間隔は狭くなる。これは液体冷媒の割合が熱交換器注入口２４で多いためと、液体冷媒が気化する前にある量の熱を吸収するためである。これは第４Ｃ図に分かりやすく示されており、分離器１０４は熱交換器排出口２６までの距離に比例して、また熱交換器注入口２４からの距離に逆比例して徐々に間隔を狭めて配置される。
また第５図は、流路１１０、１１２並びに１１４を備える第１の部分と同様な長さを有し、流路１１６、１１８並びに１２０を備える第２の部分は分離器１０４を備えるが、第１の部分が分離器を備えないという点でこのこと例示している。
液体／蒸気分離器１０４は第６図に詳細に示される。各蒸気／液体分離器１０４は第６図に示されるようにＥ型をなすように考慮される。蒸気／液体分離器１０４は、Ｅ型の上側アームの遊端において注入口１５０を、Ｅ型の中央アームの遊端において蒸気排出口１５２を、Ｅ型の下側アームの遊端において二相排出口１５４を備えている。Ｕ型流路１５６により注入口１５０と二相排出口１５４とが接続され、一方蒸気排出口１５２は流路１５６の内側１６０から離隔方向に延在する延長部１５８上に存在する。分離器１０４は第６図に示されるような向きをなし、注入口１５０が２つの排出口１５２、１５４の上側に配置され、二相排出口１５４が最も下側に配置される。分離器１０４は同一平面内にあることが好ましいが、種々のアームが同一平面内にないように変更されてもよい。
動作時に、蒸気及び液体冷媒は注入口１５０に入り、自然に落下すると共に、勢い及び遠心力により外側に引きよせられる。より密度の高い液体冷媒が最も外側に噴出され、蒸気冷媒は内側を流れ、少なくともその一部が蒸気排出口１５２を通して排出される。液体冷媒及び蒸気冷媒の一部が二相排出口１５４から排出される。こうして分離器１０４は、冷媒が気化するのに従って蒸気冷媒を除去し、それにより二相冷媒を保持する。蒸気が除去されるのに応じて、入れ替わりに多くの冷媒が気化し、それにより幾分圧力を下げ、冷却効果を高める。冷媒蒸気の割合はそれもなお、従来の多管巡回コイルを用いる場合のように熱交換器１００に渡って約１０％から１００％まで変化するであろう。直列式熱交換器１００を用いる場合の差は、その平均的割合が低下（液体が多くなる）という点である。熱容量の大部分は液体に依存し、圧力降下の大部分は蒸気に依存するため、液体が多いことが好ましい。
分離器注入口１５０に接続される流路１１４のような管材が、螺旋状の襞、溝等を有する場合には、二相冷媒は銃身に施条をつけることにより生ずるのと同様の回転運動をする。その場合には、その回転運動により、二相冷媒はライン１６２により示されるように流路１５６の周りを「勢いよく流れる」ようになる。この回転する冷媒は水切部１６６上を回転し、蒸気排出口１５２に達し、液体或いは二相冷媒を排出させるようになる。液体或いは二相冷媒が延長部１５８に入るのを防ぐために、ダム状の障壁１６４が延長部１５８への水切部１６６周囲に形成される場合もある。障壁１６４は銅管を溶接することにより形成され、管の一部が障壁１６４を形成するように、延長部１５８が流路１５６内に突出するように形成される。別法では、材料は流路１５６に鑞付けされるか、或いは他の手段で接合され、障壁１６４を形成することもできる。
第７図は、同様の参照番号を付した第６図の蒸気／液体分離器１０４の好適な実施例を示す。Ｕベンド１２６に蒸気／液体分離器１０４を用いて、流路１１４と１１６との関係を分かりやすく示す。分離器１０４を試験した際に、二相冷媒流がその環状流動パターンを保持する傾向が遠心力に対して強すぎて、改善することができない場合があるということが分かった。環状冷媒流パターンを解消するために、Ｕ型流路１５６の直径が、注入口１５０及び排出口１５４に接続される流路１１４、１１６の直径より大きくされた。主に重要なのは注入口１５０部分であり、注入口における二相冷媒内の蒸気の急激な膨張が環状冷媒流パターンを解消し、遠心力が液体の大部分をベンドの外側に引き寄せるようになる。別法では、ある形状のタービュレータ（turbulator）が用いられる場合もある。
本発明は、蒸発器において蒸気の除去が問題であるため主に蒸発器に適用することができるが、蒸気を液体に変える凝縮器に適用することもできる。蒸気／液体分離器１０４が凝縮器に適用される時、二相冷媒流は逆になり、排出口１５４から入り、注入口１５０から排出される。さらに蒸気は、Ｅ型の中央脚部を形成する排出口１５２内に注入される。本質的に第４ｃ図の配列は、接合部２６が注入口として機能し、接合部２４が排出口として機能するように逆にされる。蒸気が連続的に加えられ、熱交換器１００の長さ方向に渡って凝縮が一定に保持されるようにして、蒸気が凝縮して液体冷媒になる。
複数の液体／蒸気分離器を備える独特でしかも新規の直列式熱交換器が記載されてきた。本熱交換器では、二相冷媒流の品質が保持されると共に、多管巡回式熱交換器に用いられる分配器の問題点を回避することができる。当業者が様々な方法において本発明を改変するものと予想される。例えば分離器１００がその底部に排出口１５４を備える場合、重力を利用して最も良好に動作するが、重力に逆らって動作する場合であってもなお良好に分離を実行できる。「抗重力」の応用例が生じる場合には、Ｅ型は底部に注入口１５０を有し、かつ上部に二相排出口１５４を有する「ジューズハープ（jew′s-harp）」形状になるように改善される場合もある。さらに直列流路は円形の断面を有することが好ましいが、楕円、正方形、或いは他の形状の断面に変更することもできる。分離器の形状はＥ型のアームの位置を再配列することにより、また異なる長さのアームを形成するか、或いは異なる平面内に配置することにより明らかに変更することができる。そのような変更により、中央部において蒸気が排出される螺旋型分離器がもたらされる。また他の変更例も考えられる。全てのそのような変更例は本発明の請求の範囲内に入ることを意図するものである。

Claims (13)

1. 熱交換器であって、前記熱交換器の注入口から前記熱交換器の排出口まで延在する直列の流路と、前記直列流路内に配置され、蒸気を前記流路から排出する複数の蒸気／液体分離器とを有し、
   前記蒸気／液体分離器がＥ型の形状をなすことを特徴とする熱交換器。
2. 前記蒸気／液体分離器が二相注入口、蒸気排出口並びに二相排出口を備え、また前記二相注入口が前記蒸気排出口の上側に位置し、前記二相排出口が前記蒸気排出口の下側に位置することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記流路が分離器を備えない第１の部分と、前記分離器を備える第２の部分とを有し、２つの前記部分は概ね長さにおいて等しいことを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記分離器が、前記熱交換器排出口までの距離に比例して徐々に互いに近接して配置されることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
5. 前記蒸気注入口が前記注入口周囲に障壁を備えることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
6. 前記二相注入口において蒸気を膨張させる直径の大きい部分を有することを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
7. 前記分離器が、前記熱交換器に渡って一定の冷却効果を保持するように成形され、かつ配置されることを特徴とする請求項６に記載の熱交換器。
8. 前記二相注入口において蒸気を膨張させる直径の大きい部分を有することを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
9. 前記分離器が、前記熱交換器排出口からの距離に比例して徐々に互いに近接して配置されることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
10. 蒸気状態及び液体状態を有する第１の流体と第２の流体との間で熱を交換するための方法であって、
    前記第１の流体を流路内に配向する過程と、
    前記第２の流体と前記流路内にある前記液体状態の前記第１の流体との間で熱を交換する過程と、
    前記蒸気状態が形成されるのに応じて、前記流路から前記蒸気状態の前記第１の流体をＥ型の形状の蒸気／液体分離器を用いて排出する蒸気排出過程とを有することを特徴とする方法。
11. 前記蒸気排出過程が、前記蒸気を前記第１の流体から分離する過程と、前記蒸気を前記蒸気／液体分離器の蒸気排出口に配向する過程と、前記液体状態の第１の流体を前記蒸気／液体分離器の第１の流体排出口に配向する過程とを有することを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記蒸気排出過程に先行して前記第１の流体を膨張させる過程をさらに有することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 前記第１の流体の経路内に障壁を設ける過程をさらに有することを特徴とする請求項１１に記載の方法。

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