JP4014600B2 - 産業設備用熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、産業設備用熱交換器に関し、特に発電装置用熱交換器に関する。本熱交換器は少なくとも一つの流動媒体用分配路と分配路に取付けられる少なくとも一つの熱交換器を備える。

発電装置用に知られている熱交換器は、一般的に分配路パイプからなり、パイプの外面は少なくとも部分的に冷却ウェブで覆われている。この様な熱交換器は、例えば、空冷式凝縮器として使用される。また、熱交換器は、化学工業及び食品産業の産業設備の冷却装置としても使用されていることが知られている。

一般的に、熱交換器はエネルギー発散又はエネルギー供給を行なうことができる。一般的にエネルギー交換は、分配路パイプ中のより高温の液状媒体からより低温の液状媒体への熱移動の形で行なわれる。この過程において、より暖かい媒体が冷却され、一方では同時により冷たい媒体が加熱される。発電装置においては、エネルギー交換過程は次のような方法で起こっている。すなわち、熱交換器を通り流れる媒体が鋼管の周囲の冷却ウェブに熱を導く。鋼管は通常アルミニウムの様な熱の良導体である金属で被覆されている。冷却ウェブも通常アルミニウム製であり、冷却空気、冷却ガスなどが循環することで熱がその周囲に消散する。

またさらに、半導体搭載素子や電子モジュールの分野では、微小搭載素子に小型の金属スポンジブロックを用いてこれらを冷却することが知られている（例えば、特許文献１、２参照）。

ＤＥ１０２０７６７１Ａ１ ＤＥ１０１２３４５６Ａ１

発電装置の場合、分配路パイプと冷却ウェブとからなる熱交換器はある程度の長さまでしか構成することができず、これが短所となっている。この理由は、そうしないと重量のために搭載が容易でなくなるからである。さらに、熱を消散させるのに十分な大きさに表面を拡げまた十分な通気空間を備えるには、冷却ウェブは大きな空間を必要とする。この効果は、お互いに隣り合ういくつかの分配路パイプを備える構造においてより顕著となる。

本発明は、産業設備用、特に発電装置用の熱交換器を創出するものであり、良好な熱伝導体を用いることより、口径が小さく、軽量の熱交換器を提供しようとするものである。さらに、本発明はそれゆえ製造及び搭載の簡素化を考慮に入れ、発電装置用大型熱交換器を容易にするものである。

冒頭に記述したような種類の熱交換器の場合、この課題は以下のような方法で行われる。熱交換器は分配路と金属スポンジとのサンドイッチ状構造で構成され、それに対して分配路は相互に接続されたパイプ又は半パイプからなる。また隣接するパイプ又は半パイプは金属スポンジを介して相互に接続されている。

即ち、請求項１に記載の発明は、少なくとも一つの流動媒体用分配路と、該分配路に取付けられている少なくとも一つの熱交換器要素とを備える産業設備用熱交換器、特に発電装置用熱交換器であって、
複数の分配路（１）と複数の金属スポンジ（４）とからなる熱交換要素（３）とのサンドイッチ状構造から構成され、
該分配路（１）はパイプ（２）又はお互いに接続された半パイプ（２’、２”）からなり、
隣接する当該パイプ（２）又は半パイプ（２’、２”）は金属スポンジ（４）を介してお互いに接続されており、
縁部（８）は、前記金属スポンジ（４）を超えて突出するフランジ（９）として構成され、
前記パイプ（２）又は半パイプ（２’、２”）は、略台形断面を示すことを特徴とする熱交換器である。
請求項２に記載の発明は、前記パイプ（２）がフルパイプとして構成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器である。
請求項３に記載の発明は、前記フルパイプが２つの半パイプ（２’、２”）で構成されていることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器である。
請求項４に記載の発明は、前記半パイプ（２’、２”）が金属製半シェル体として構成されていることを特徴とする請求項３に記載の熱交換器である。
請求項５に記載の発明は、前記パイプ（２）又は前記半パイプ（２’、２”）は、所定の曲線を有する断面を示すことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一つに記載の熱交換器である。
請求項６に記載の発明は、前記金属スポンジ（４）の両側に、パイプ（２）又は半パイプ（２’，２”）が取付けられて、サンドイッチ状熱交換器モジュール（５，６，７）を形成していることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一つに記載の熱交換器である。
請求項７に記載の発明は、前記熱交換器モジュール（５，６，７）がお互いの上に積層されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一つに記載の熱交換器である。
請求項８に記載の発明は、二つの熱交換器モジュール（６，７）の半パイプ（２’，２”）の縁部（８）が、表側において互いに溶接されていることを特徴とする請求項４から請求項７のいずれか一つに記載の熱交換器である。
請求項９に記載の発明は、隣接する熱交換器モジュール（５，６，７）の前記縁部（８）又はフランジ（９）は、抵抗ローラ溶接機によって互いに溶接されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器である。
請求項１０に記載の発明は、隣接する熱交換器モジュール（５，６，７）の相対する接続フランジ（９）の縁部（１０）は、被覆材（１１）で接続されて、更なる分配路（１２）を形成し、該分配路（１２）は金属スポンジ（４）から漏洩する流体を吸収し、または金属スポンジ（４）に流体を供給する役割をすることを特徴とする請求項１又は請求項９に記載の熱交換器である。
請求項１１に記載の発明は、前記パイプ（２）又は前記半パイプ（２’，２”）は、少なくとも一つの金属スポンジ（４）と溶接されていることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか一つに記載の熱交換器である。
請求項１２に記載の発明は、前記少なくとも一つの金属スポンジ（４）は、開放孔金属発泡体からなることを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか一つに記載の熱交換器である。
請求項１３に記載の発明は、前記少なくとも一つの金属スポンジ（４）は、アルミニウム発泡体からなることを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか一つに記載の熱交換器である。
請求項１４に記載の発明は、前記金属スポンジ（４）は、液状媒体がその中を流れることができることを特徴とする請求項１から請求項１３のいずれか一つに記載の熱交換器である。
請求項１５に記載の発明は、水が噴霧されている空気が、前記金属スポンジ（４）中を流れることを特徴とする請求項１４に記載の熱交換器である。

本発明における積層サンドイッチ側面は、考え得る試みで、特に産業設備に必要とされる寸法に容易に製造しうる。ここで特に、発泡体を用いるがゆえに、その重さは、同体積の均質金属体の重さより軽く、その様な熱交換器モジュールは軽量にすることができるので、有益であることが分る。また、パイプ及び半パイプと金属スポンジとの間の接続は、半田付け又は溶接により容易になし得る。また、金属発泡体は容易にキャスティングにより設けることができる。金属発泡体は、高エネルギー吸収能、良好な熱伝導性、良好な流通性、軽量であるが機械的安定性があること、広い内部表面積を有することなどの好ましい特徴を有する。

本明細書で使用されている「半パイプ」は、鋼板性のタブ状又はダクト状の半シェル体（ｈａｌｆｓｈｅｌｌ）である。例えば、角を丸められた矩形断面や半楕円形断面を本目的に利用することができる。管は、矩形又は湾曲する、特に円形又は楕円形スチール中空断面を示してもよい。

また、好ましい構成としては、半パイプをフルパイプに戻した構造である。積層構造において、熱交換器は金属スポンジが二つの隣接して離間するパイプ又は半パイプの間に配置されるように構成されていても良い。

更に好ましい構成としては、半パイプが鋼板半シェル体で設計されているものである。半シェル体と金属スポンジとの２つのその様なサンドイッチ部の逆のイメージの構造において、その様な熱交換器は２つの金属スポンジの間に直線のパイプ形状の分配路で設計しても良い。半シェル金属発泡体部を作成するのには、金属発泡体を予め形成された鋼板シェル体にキャスティングして設けても良い。

さらに適当な構成においては、半シェル体として台形断面が考えられる。これにより、容易にいくつかの熱交換器モジュールを相互に積層して接続することができる。

さらに好ましい構成においては、半シェル体の断面は所定の曲線を示す。特に、楕円又は水滴状のような断面が適している。シェル体上に金属発泡体をキャスティングにて設けることで、シェル体の曲線に容易に適合される。

特に適しているサンドイッチ状熱交換器モジュールを形成するには、半シェル体を金属スポンジの両側に固着する。この時、金属発泡体ブロックの中央平面に対して対称な立方体金属発泡体ブロックの２つの長辺に半シェル体を並べることが推奨される。金属発泡体は容易に本体の様なブロックに形成しうるため、その上に半シェル体又は平坦化した鋼管をその上に取付けることが好ましい。開放シェル体が使用される場合、シェル体の縁部は金属スポンジを超えて突出することが推奨され、より類似した熱交換器モジュールのシェル縁部を半田付け又は溶接しても良い。この方法により熱交換器全体の強固さが増す。

上記の熱交換器モジュールについては、特に積層構造が推奨される。金属発泡体は熱の良導体であることから、熱交換素子及びそれ故より小さな寸法の熱交換器が可能であり、空間利用率が向上する。

隣接する熱交換器モジュールの半シェル体の縁部は、その正面壁部において相互に溶接されることが有利である。この方法により、受ける液体の量と備えなければならないエネルギー交換の必要条件に応じて、あらゆる本数の熱交換器モジュールを積層構造に構成することができる。

この点で、縁部は金属スポンジを超えて突出する接続フランジとして構成されていることが推奨される。接続フランジの長さと方向とは接続タイプに応じて設計してもよい。隣接する熱交換器モジュールの接続フランジ同士は抵抗ローラ溶接機によって溶接されることが有利である。そのような溶接工程は連続製造を可能とする一方で、溶融液の発泡と金属スポンジのキャスティングもこの連続操作に含めることもできる。

接続フランジの構造においてさらに有利な点は、隣接する熱交換器モジュールの対向する接続フランジの縁部が被覆材と接続してもう一つ別の分配路を形成することである。この分配路は金属スポンジから漏れる流体を吸収したり、金属スポンジに流体を供給する役割を果たす。これにより金属発泡体を容易に冷却しうる。さらに蒸発により生じる水滴についても他の分配路へ導くことができる。

もう一つ別の構成において、少なくとも１つのシェル体が少なくとも１つの金属スポンジに半田付けされている。このためには、金属発泡体に接続されるべきシェル体部に硬質半田（例えばメッキ）を適用することが出来る。この硬質半田は、シェル体の材料（例えば鋼材）と金属スポンジ（例えばアルミニウム）よりも低い融点を有する。２つのその様なシェル体を例えば金属スポンジを間に挟んだ状態で積層し固定した後、この方法で保たれたパッケージを半田付けチャネルに通して半田の融点まで加熱すると、溶融半田によってシェル体と金属スポンジとの間で金属化合物が形成される。

少なくとも１つの金属スポンジが開放孔金属発泡体からなるため、交換出力の向上が達成される。後者は良好な熱伝導性を示し、良好な流通性を呈す。有利には金属スポンジがアルミニウム発泡体からなることである。その重量は均質アルミニウムの重量の約１／１０程でしかない。アルミニウム発泡体もシェル体に対して半田付け、溶接又はキャスティングで容易に結合することができる。又は独立気泡金属発泡体を適用しても良い。

他の利点としては、流動媒体が金属スポンジ中を流通可能であることである。このようにして、水のような流動媒体も金属スポンジ中を流れることができる。

金属発泡体は、周知の方法により溶融液を発泡することにより、又は粉末冶金手法により製造される。

以下に本発明につき図面を参照しながら好ましい構成によりさらに説明する。

以下の図面には、本発明の熱交換器の構成としての熱交換器モジュールの３つの構成を示す。

図１は第１の構成における２層のサンドイッチ状熱交換器モジュール５の断面図を示す。これは分配路１と熱交換要素３とで構成されている。分配路１は、平らにされた鋼製中空部を備えたフルパイプ２によって形成されており、それはアルミニウムで被覆されている。この薄肉鋼製中空部は数ミリメートルの厚みしかない。熱交換要素３としては開放孔アルミニウム発泡体の金属スポンジ４が考えられる。金属スポンジ４及びフルパイプ２を交互に積層し、お互いを半田付け及び溶接する。又は熱交換器モジュール５の構成要素を接着しても良い。

図１からも分るように、フルパイプ２の湾曲側面は金属スポンジ４を超えて突出している。これにより、隣接する熱交換器モジュール５と金属スポンジ４とを接続するのに十分な空間は、単純な幾何学的形状とすることができる。とはいえ、上部及び下部半パイプ２に位置する金属スポンジ４は円環状として半パイプ２の周囲を完全に取り囲んでも良い。また、順次金属スポンジ製の適宜形状に形成されたパーツを取付けることもできる。
なお、図示していないが、被覆材１１を用いて更なる分配路１２を形成してもよい。

図１による熱交換器モジュール５は、特に発電装置用に開発されたものであるが、これは１０ｍ〜１２ｍの長さ（作図面に対して垂直）のものである。高さに関しては、定量的な性能及び変換エネルギーに応じて必要数の同様の熱交換器モジュール５を上下に積層する。熱交換器の上端部及び下端部は通常金属スポンジ４によって形成されており、各半パイプ２が２つの金属スポンジ４の間に配置される。

作動中にフルパイプ２に送り込まれる水又は蒸気を冷却するために、空気が金属スポンジ４を通って矢印１５の方向に流れて、シェル体２の鋼板を通り対応する金属スポンジ４へと伝わる熱は空気の流れによって側面及び外側（図１の右側）へ向けられる。

空気の流れに水が噴霧される場合には、水はこうして金属スポンジ４中に送られて、冷却効率が向上する。

図２は第２の案による３つのサンドイッチ状熱交換器モジュール６の積層構造の断面を示し、この各々は金属スポンジ４と２つの鋼板製半シェル体２’とからなり、半シェル体２’は金属スポンジ４の両方の長辺に位置する。図１に示す構成と異なり、金属発泡体は２つの半シェル体２’上にキャスティングにより設けられる。２つの半シェル体２’は、図１の様に、金属スポンジ４を超えて横方向に突出している。ここで、上部及び下部半シェル体２’の反対の側方縁部８はお互いに離れる方向を向いている。これにより、熱交換器モジュール６がより良く固定される。積層体を形成するには、３つの熱交換器モジュール６は、全長に渡って延びる継目端末１３全体にわたり、半シェル体２’の反対の側方縁部８と半田付けされる（作図面に対して垂直）ことにより形成される。また、金属スポンジ４と半シェル体２’は図１の様に同一材料から作られ、ほぼ同一の幾何学的寸法を示す。熱交換器モジュール６は、一つのシェル体２’のみで示されてもよい。この案においては、凹形状の半シェル体であっても可能である。
なお、図示していないが、被覆材１１を用いて更なる分配路１２を形成してもよい。

図３は第３の構成による２つのサンドイッチ状熱交換器モジュール７の積層構造の断面を示す。ここで、半シェル体２”は略台形である。金属スポンジ４は上部及び下部半シェル体２”に接続されて、熱交換器モジュール７を形成する。図２に示すように、この接続は半シェル体２”上に金属発泡体をキャスティングして形成される。半シェル体２”の縁部は曲げられた接続フランジ９を形成する。２っの熱交換器モジュール７は積層され、抵抗ローラ溶接機で接続フランジ９の直線端部１０がお互いに同一平面上となるように溶接される。抵抗ローラ溶接機においては、相互に上下に構成された熱交換器モジュール７の積層体が溶接チャネルを通過する。この時、接続フランジ９の隣り合う端部１０がローラ上を移送され、それらの表面でお互いに溶接される。

さらに、図３は、例えば上部熱交換器モジュール７の右縁部における被覆材１１を示し、上部熱交換器モジュール７の２つの半シェル体２”の接続フランジ９の対向する端部１０を接続する。この端部によりさらなる分配路１２が形成される。この時、この分配路１２は縦方向に延びている（作図面に対して垂直）。一方で被覆材は、冷却剤が金属スポンジ４を通過して流れ（矢印１５）、他の分配路へと導かれる場合の為のものである。同様に、上部熱交換器モジュール７の左マージン上に冷却剤を供給する分配路１２を形成する被覆材１１を設けることも可能である。したがって、図３に示す熱交換器モジュール７の全てのマージンが被覆材１１を備えていても良い。

又は、フランジの一つ又は両方にチャネル（図示せず）を形成して所謂水滴を導いてもよい。これは金属スポンジ４を空冷するために、金属スポンジ４を通過して空気が流れる（矢印１５）場合に生じる。

図２及び３に示された熱交換器モジュールは、半シェル体２’又は２”及び金属スポンジ４からなる各上部及び下部末端モジュールによる完全な熱交換器の構成のために完成されたものである。

また図１から３に示された金属スポンジ４は、異なる高さで構成されていても良い。いくつかの熱交換器モジュール５，６，７を積層する際には、異なる熱交換器モジュール５，６，７の金属スポンジ４をそれぞれの上に載せる方法で行なっても良い。それ故、２つの金属スポンジ４の隣接する位置による高さは、個々の金属スポンジ４の高さによって決定しても良い。

非常に長い熱交換器モジュール（例えば、１０から１２ｍ）において金属スポンジ４とシェル体２，２’，２”との間の接続部分での断裂発生を防止するために、金属スポンジ４とシェル体２，２’，２”との間の少なくとも一部に均等調節層を導入しても良い。これにより、鋼材とアルミニウムの熱膨張係数の違いやシェル体２，２’，２”内の高圧による引張り応力が軽減又は補償されうる。

産業上の利用分野

本発明は、化学工業・食品工業や発電装置等の熱交換器として利用される。

第１の構成における２つのサンドイッチ状熱交換器モジュールの積層構造を示す断面図である。 第２の構成の３つのサンドイッチ状熱交換器モジュールの積層構造を示す断面図である。 第３の構成の２つのサンドイッチ状熱交換器モジュールの積層構造を示す断面図である。

符号の説明

１ 分配路
２ パイプ
２’ 半パイプ
２” 半パイプ
３ 熱交換要素
４ 金属スポンジ
５ 熱交換器モジュール
６ 熱交換器モジュール
７ 熱交換器モジュール
８ 縁部
９ 接続フランジ
１０ 端部
１１ 被覆材
１２ 分配路
１３ シームバット

Claims (15)

1. 少なくとも一つの流動媒体用分配路と、該分配路に取付けられている少なくとも一つの熱交換器要素とを備える産業設備用熱交換器、特に発電装置用熱交換器であって、
   複数の分配路（１）と複数の金属スポンジ（４）とからなる熱交換要素（３）とのサンドイッチ状構造から構成され、
   該分配路（１）はパイプ（２）又はお互いに接続された半パイプ（２’、２”）からなり、
   隣接する当該パイプ（２）又は半パイプ（２’、２”）は金属スポンジ（４）を介してお互いに接続されており、
   縁部（８）は、前記金属スポンジ（４）を超えて突出するフランジ（９）として構成され、
   前記パイプ（２）又は半パイプ（２’、２”）は、略台形断面を示すことを特徴とする熱交換器。
2. 前記パイプ（２）がフルパイプとして構成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。
3. 前記フルパイプが２つの半パイプ（２’、２”）で構成されていることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記半パイプ（２’、２”）が金属製半シェル体として構成されていることを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
5. 前記パイプ（２）又は前記半パイプ（２’、２”）は、所定の曲線を有する断面を示すことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一つに記載の熱交換器。
6. 前記金属スポンジ（４）の両側に、パイプ（２）又は半パイプ（２’，２”）が取付けられて、サンドイッチ状熱交換器モジュール（５，６，７）を形成していることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一つに記載の熱交換器。
7. 前記熱交換器モジュール（５，６，７）がお互いの上に積層されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一つに記載の熱交換器。
8. 二つの熱交換器モジュール（６，７）の半パイプ（２’，２”）の縁部（８）が、表側において互いに溶接されていることを特徴とする請求項４から請求項７のいずれか一つに記載の熱交換器。
9. 隣接する熱交換器モジュール（５，６，７）の前記縁部（８）又はフランジ（９）は、抵抗ローラ溶接機によって互いに溶接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. 隣接する熱交換器モジュール（５，６，７）の相対する接続フランジ（９）の縁部（１０）は、被覆材（１１）で接続されて、更なる分配路（１２）を形成し、該分配路（１２）は金属スポンジ（４）から漏洩する流体を吸収し、または金属スポンジ（４）に流体を供給する役割をすることを特徴とする請求項１又は請求項９に記載の熱交換器。
11. 前記パイプ（２）又は前記半パイプ（２’，２”）は、少なくとも一つの金属スポンジ（４）と溶接されていることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか一つに記載の熱交換器。
12. 前記少なくとも一つの金属スポンジ（４）は、開放孔金属発泡体からなることを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか一つに記載の熱交換器。
13. 前記少なくとも一つの金属スポンジ（４）は、アルミニウム発泡体からなることを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか一つに記載の熱交換器。
14. 前記金属スポンジ（４）は、液状媒体がその中を流れることができることを特徴とする請求項１から請求項１３のいずれか一つに記載の熱交換器。
15. 水が噴霧されている空気が、前記金属スポンジ（４）中を流れることを特徴とする請求項１４に記載の熱交換器。

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