JP7184629B2 - 熱交換器 - Google Patents
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Description
図1は本発明の実施の形態1による熱交換器1の断面図であり、図2は図1の内筒11及び中間筒15をハニカム構造体10の軸方向10cに沿って見た時のハニカム構造体10、内筒11及び中間筒15の正面図であり、図3は図2のハニカム構造体10の変形例を示す説明図であり、図4は図1の供給管13及び排出管14の位置関係を示す説明図であり、図5は図4の供給管13及び排出管14の位置関係の変形例を示す説明図であり、図6は図1の領域VIを拡大して示す熱交換器1の拡大断面図であり、図7は、図6の副流路124a2の高さに対する主流路124a1の高さの割合を変更した際の熱遮断性能と熱回収性能との関係を示すグラフである。
本実施の形態のハニカム構造体10は、柱状の構造体である。ハニカム構造体10の断面形状は円、楕円又は四角若しくはその他の多角形とすることができる。本実施の形態のハニカム構造体10は、円柱状の構造体とされている。
本実施の形態の内筒11は、ハニカム構造体10の外周に取り付けられた筒状の部材である。本実施の形態の内筒11は、内筒11の内周面がハニカム構造体10の外周面に接した状態でハニカム構造体10の外周に固定されている。すなわち、本実施の形態の内筒11の内周面の断面形状は、ハニカム構造体10の外周面の断面形状と一致されている。本実施の形態の内筒11の軸方向は、ハニカム構造体10の軸方向10cと一致されている。内筒11の中心軸はハニカム構造体10の中心軸と一致されていることが好ましい。ハニカム構造体10の軸方向10cに係る内筒11の長さは、ハニカム構造体10の軸方向10cに係るハニカム構造体10の長さよりも長くされている。ハニカム構造体10の軸方向10cに係るハニカム構造体10及び内筒11の中央位置は互いに一致されていることが好ましい。本実施の形態の内筒11の内径はハニカム構造体10の軸方向10cに係り一様とされており、内筒11の周壁はハニカム構造体10の軸方向10cに直線状に延在されている。
本実施の形態の外筒12は、内筒11の外周に配置された筒状部材である。本実施の形態の外筒12の軸方向は、ハニカム構造体10の軸方向10cと一致されている。外筒12の中心軸はハニカム構造体10の中心軸と一致されていることが好ましい。ハニカム構造体10の軸方向10cに係る外筒12の長さは、ハニカム構造体10の軸方向10cに係るハニカム構造体10の長さよりも長くされている。また、軸方向10cに係る外筒12の長さは、軸方向10cに係る内筒11の長さと等しくされている。
すなわち、体積流量[m3/s]は以下の式のように流路断面積[m2]と流速[m/s]の積で表される。
体積流量[m3/s]=流路断面積[m2]×流速[m/s]
漏れが無い場合、中間流路124a内の一断面と供給側側部流路124b内の一断面とを流れる体積流量[m3/s]は同じになる。中間流路124a内の一断面と供給側側部流路124b内の一断面とを同じ流量が流れようとすると、中間流路124a内の一断面が供給側側部流路124b内の一断面よりも小さいため、中間流路124a内の一断面で流体がより速く流れる。このため、上述のようにハニカム構造体10の外周位置における第2流体3の流速が向上される。
本実施の形態の中間筒15は、ハニカム構造体10の外周において内筒11と外筒12との間に配置された筒状部材である。本実施の形態の中間筒15の軸方向は、ハニカム構造体10の軸方向10cと一致されている。中間筒15の中心軸はハニカム構造体10の中心軸と一致されていることが好ましい。ハニカム構造体10の軸方向10cに関して、中間筒15は、ハニカム構造体10よりも長くされている。ハニカム構造体10の軸方向10cに係るハニカム構造体10及び中間筒15の中央位置は互いに一致されていることが好ましい。
一方、主流路124a1の高さが30mmを上回ると、熱の回収性能が低下する。すなわち、熱交換を行わない第2流体3が増えて、第2流体3の温度が上昇しづらくなる。
一方、副流路124a2の高さが3mmを上回ると熱の回収性能が低下する。すなわち、内筒11と中間筒15との空間が広すぎると、副流路124a2の第2流体3の温度が上昇しづらくなり、その結果として主流路124a1の第2流体3の温度も上昇しづらくなる。
一方、副流路124a2の高さに対する主流路124a1の高さの割合が10を上回ると、図7に示すように熱の回収性能が低下する。すなわち、熱交換を行わない第2流体3が増えて、第2流体3の温度が上昇しづらくなる。
一方、この面積割合が50%を超えると、熱遮断性能が低下する。すなわち、副流路124a2への第2流体3の流入が多くなり、副流路124a2内で気相の第2流体3が発生したとしても、気相の第2流体3が副流路124a2内にとどまりにくくなる。このため、気相の第2流体3による熱交換の抑制を効果的に行うことができなくなる。
本実施の形態のスペーサ16は、中間筒15と内筒11との間の空間を確保するため構成であり、中間筒15と内筒11との間に設けられている。本実施の形態のスペーサ16は、中間筒15及び内筒11とは別の部材によって構成されている。ハニカム構造体10の径方向に係るスペーサ16の両端が中間筒15及び内筒11に当接されることにより、中間筒15と内筒11との間に空間が確保されている。しかしながら、スペーサ16は、例えば中間筒15又は内筒11に設けられた凸部等の中間筒15及び内筒11の一方と一体の構成であってもよい。スペーサ16が中間筒15及び内筒11の一方と一体の構成である場合、ハニカム構造体10の径方向に係るスペーサ16の先端が中間筒15及び内筒11の他方に当接されることにより、中間筒15と内筒11との間に空間が確保される。
一方、第1及び第2端面10a,10bから第1及び第2スペーサ161,162までの距離が10mmを超えると、熱交換器1の寸法が不必要に大きくなる。これは、10mmを超える距離を確保しても、スペーサ16を介する熱伝導を抑制する効果が変わらないためである。
(1)スペーサを構成する材料の親密度をアルキメデス法により求める。
(2)スペーサの外形寸法(厚み及び縦横の長さ)から計算したスペーサのみかけ体積と、スペーサの重量から嵩密度とを求める。
(3)空隙率=(1-嵩密度/真密度)×100%との関係式を用いて空隙率を算出する。
本実施の形態のカバー17は、第1流体2の流れ方向に係るハニカム構造体10の上流側及び下流側に配置されている筒状体である。カバー17は、内筒11の内側に挿入されており、第1流体2の流れが内筒11に直接的に当たることを防ぐように、内筒11をカバーしている。
一方、離間距離が10mmを超えると、熱遮断性能が低下する。すなわち、第1流体2の流れが直接的に当たることにより内筒11の温度が上昇し、副流路124a2内の気相の第2流体3による熱伝導の抑制を効果的に行うことができない。
一方、カバー17の直径がハニカム構造体10の直径の0.95倍を上回ると、熱遮断性能が低下する。すなわち、カバー17の熱が伝わることにより内筒11の温度が上昇し、副流路124a2内の気相の第2流体3による熱伝導の抑制を効果的に行うことができない。
図9は、本発明の実施の形態2による熱交換器1の断面図である。実施の形態1では、供給側側部流路124bが第1流体2の流れ方向に関する排出側側部流路124cの下流側に配置されているように説明した。しかしながら、図9に示すように、実施の形態2の熱交換器1では、供給側側部流路124bが第1流体2の流れ方向に関する排出側側部流路124cの上流側に配置されている。その他の構成は、実施の形態1と同様である。
図10は、本発明の実施の形態3による熱交換器1における内筒11及び中間筒15とスペーサ16との関係について示す説明図である。本実施の形態3の中間筒15は、図10の(a)及び(c)に示す工程を経て形成される。
図11は、本発明の実施の形態4による熱交換器1の断面図である。実施の形態1では、コーン170の一端170aが外筒12の端壁123に当接されて固定されていると説明した(図1参照)。このような固定方法の場合、コーン170と外筒12との固定箇所に応力が集中し、この固定箇所が損傷する虞がある。本実施の形態4の熱交換器1は、コーン170と外筒12との固定箇所が破損する虞を低減できるように構成されている。
図12は、本発明の実施の形態5による熱交換器1の断面図である。実施の形態4では、外筒12の軸方向に係る一端側の直線周壁123a及び接続周壁123bの形状及び内径は、外筒12の軸方向に係る他端側の直線周壁123a及び接続周壁123bの形状及び内径と同じであると説明した。このような構成の場合、ハニカム構造体10、内筒11及び中間筒15が一体とされた熱交換器素体に外筒12を組付けることが難しい。本実施の形態5の熱交換器1は、本実施の形態4の熱交換器1と比較して、熱交換器素体と外筒12との組付けをより容易に行うことができるように構成されている。
図13は、本発明の実施の形態6による熱交換器1の断面図である。実施の形態5では、外筒12の軸方向に係る一端側の内径を外筒12の軸方向に係る他端側の内径よりも大きくし、一端側と内筒11との間に環状のキャップ部材18を嵌めるように説明した。このような構成の場合、キャップ部材18の分だけ部品点数が増大してしまう。本実施の形態6の熱交換器1は、実施の形態5の熱交換器1と比較して、部品点数を削減できるように構成されている。
図15は本発明の実施の形態7による熱交換器1の要部を示す断面図であり、図16は図15の熱交換器1の要部の変形例を示す断面図である。本実施の形態の熱交換器1では、内筒11、外筒12及び中間筒15の少なくとも1つに乱流発生部7が設けられる。乱流発生部7は、第2流路124を通る第2流体3に乱流を発生させる部分である。第2流路124を通る第2流体3に乱流を生じさせることにより、第2流路124内で第2流体3が攪拌される。これによって、第1流体と第2流体との間の熱伝達率が向上するため、第1流体2と第2流体3との間の熱交換効率を向上させることができる。
図17は、本発明の実施の形態8による熱交換器1の断面図である。本発明の実施形態1~7に係る熱交換器は、浄化機能を得るために、浄化装置と配管で接続する必要があることから、配置スペースの確保が難しい。そこで、本発明の実施形態8に係る熱交換器では、図17に示すように、第1流体2の流れ方向に関するハニカム構造体10の上流側に配置された浄化手段80を外筒12と一体に設けられたフレーム81によって支持することで、ハニカム構造体10、内筒11、外筒12及び中間筒15を含む熱交換部材82に浄化手段80を一体化させている。この構成を採ることにより、熱交換部材82と浄化手段80とを配管によって接続する必要性を無くすことができ、省スペース化を図ることができる。
図18は、本発明の実施の形態9による熱交換器1の断面図である。実施の形態8では第1流体2の流れ方向に関する熱交換部材82の上流側に浄化手段80が配置されるように説明したが、図18に示すように、第1流体2の流れ方向に関する浄化手段80の上流側に熱交換部材82を配置してもよい。その他の構成は実施の形態1~8と同様である。
図19は、本発明の実施の形態10による熱交換器1の断面図である。実施の形態8(図18)のように浄化手段80の上流側に熱交換部材82を配置した場合、熱交換効率を向上できる一方で、浄化手段80を通過する際の第1流体2の温度が低下してしまう。第1流体2の温度が低下すると、浄化手段80における第1流体2の浄化性能が低下する虞がある。本実施の形態10の熱交換器1では、図19に示すように、実施の形態8の浄化手段80を第1及び第2浄化体80a,80bに分割し、これら第1及び第2浄化体80a,80bの間に熱交換部材82を配置している。第1流体2の流れ方向に関する第1及び第2浄化体80a,80bのそれぞれの長さは、同方向に関する実施の形態8の浄化手段80の長さよりも短い。より具体的には、第1及び第2浄化体80a,80bのそれぞれの長さは、実施の形態8の浄化手段80の半分とされている。但し、第1及び第2浄化体80a,80bのそれぞれの長さを異なるようにしてもよい。その他の構成は実施の形態1~9と同様である。
図20は、本発明の実施の形態11による熱交換器1の断面図である。実施の形態8,~10では、1つ又は複数の浄化手段80に1つの熱交換部材82を一体化させるように説明した。しかしながら、図20に示すように、1つ又は複数の浄化手段80に2つの熱交換部材82を一体化させてもよい。図20では、第1流体2の流れ方向に関する浄化手段80の上流側及び下流側の両方に熱交換部材82をそれぞれ配置している。しかしながら、浄化手段80の上流側に2つの熱交換部材82を配置してもよく、浄化手段80の下流側に2つの熱交換部材82を配置してもよい。1つ又は複数の浄化手段80に一体化させるハニカム構造体10(熱交換部材82)の数は3つ以上でもよい。その他の構成は実施の形態1~12と同様である。
10 ハニカム構造体
11 内筒
12 外筒
124 第2流路
124a 中間流路
124a1 主流路
124a2 副流路
124b 供給側側部流路
124c 排出側側部流路
13 供給管
14 排出管
15 中間筒
16 スペーサ
161 第1スペーサ
162 第2スペーサ
2 第1流体
3 第2流体
7 乱流発生部
80 浄化手段
81 フレーム
Claims (18)
- 第1流体が通される第1流路を形成する複数のセルを有する柱状のハニカム構造体と、
前記ハニカム構造体の外周に取り付けられた内筒と、
中央周壁と、前記ハニカム構造体の軸方向に係る前記中央周壁の両側に設けられた一対の膨径周壁とを有し、前記内筒の外周に配置されるとともに、第2流体が通される第2流路を前記内筒との間に形成する外筒と、
前記一対の膨径周壁の一方に接続され、前記第2流路に前記第2流体を供給するための供給管と、
前記一対の膨径周壁の他方に接続され、前記第2流路から前記第2流体を排出するための排出管と
を備え、
前記第2流路には、前記内筒と前記外筒の前記中央周壁との間に形成され、前記ハニカム構造体の外周位置を含むように前記ハニカム構造体の軸方向に延在された中間流路と、
前記内筒と前記外筒の前記一対の膨径周壁との間に形成され、前記軸方向に関する前記中間流路の両側に位置する側部流路とが含まれており、
前記中間流路の高さが前記側部流路の高さよりも低くされており、
前記ハニカム構造体の軸方向に係る前記供給管の外端と前記排出管の外端との間の長さが、前記ハニカム構造体の軸方向に係る前記ハニカム構造体の長さ以上であり、
前記ハニカム構造体の軸方向に係る前記供給管の内端と前記排出管の内端との間の長さが、前記ハニカム構造体の軸方向に係る前記ハニカム構造体の長さよりも短く、
前記供給管及び前記排出管の少なくとも一方が、前記ハニカム構造体の軸方向に係る前記側部流路の外側の端部に設けられている、
熱交換器。 - 前記第2流体は、前記第1流体と並行に流れる、
請求項1記載の熱交換器。 - 前記側部流路には、前記供給管が接続された供給側側部流路と、前記排出管が接続された排出側側部流路とが含まれており、
前記供給側側部流路は、前記第1流体の流れ方向に関する前記排出側側部流路の下流側に配置されている、
請求項1又は請求項2に記載の熱交換器。 - 前記側部流路には、前記供給管が接続された供給側側部流路と、前記排出管が接続された排出側側部流路とが含まれており、
前記供給側側部流路は、前記第1流体の流れ方向に関する前記排出側側部流路の上流側に配置されている、
請求項1又は請求項2に記載の熱交換器。 - 前記中間流路の高さは、0.2mm以上かつ33mm以下である、
請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載の熱交換器。 - 前記側部流路の高さは、前記中間流路の高さの1.1倍以上である、
請求項1から請求項5までのいずれか一項に記載の熱交換器。 - 前記ハニカム構造体の外周において前記内筒と前記外筒との間に配置された中間筒
をさらに備え、
前記中間流路には、前記外筒と前記中間筒との間に形成された主流路と、前記中間筒と前記内筒との間に形成された副流路とが含まれており、
前記主流路の高さが0.15mm以上かつ30mm以下であり、
前記副流路の高さが0.05mm以上かつ3mm以下であり、
前記副流路の高さに対する前記主流路の高さの割合が1.6以上かつ10以下である、
請求項1から請求項6までのいずれか一項に記載の熱交換器。 - 前記中間筒の端部と前記内筒との間には、前記副流路に連通する開口部が設けられている、請求項7記載の熱交換器。
- 前記軸方向に直交する面における前記中間筒の端部と前記内筒との間の全面積に占める前記開口部の面積が1%以上かつ50%以下である、
請求項8記載の熱交換器。 - 前記中間筒と前記内筒との間に設けられたスペーサ
をさらに備え、
前記スペーサが前記軸方向に関して前記ハニカム構造体の端面の外側に配置されている、
請求項7から請求項9までのいずれか一項に記載の熱交換器。 - 前記スペーサは、前記軸方向に関して前記ハニカム構造体の端面から0mmより大きく10mm以下の距離だけ離れた位置に配置されている、
請求項10記載の熱交換器。 - 前記中間筒と前記内筒との間に設けられたスペーサ
をさらに備え、
前記スペーサは、前記軸方向に関して互いに離間して配置された第1及び第2スペーサを含み、
前記第1及び第2スペーサの一方は前記中間筒及び前記内筒の両方に固定され、前記第1及び第2スペーサの他方は前記内筒に固定されているとともに前記中間筒に非固定とされている、
請求項7から請求項11までのいずれか一項に記載の熱交換器。 - 前記スペーサは、液相の前記第2流体の通過を許容しつつ、前記第2流体の気泡の通過を阻害する三次元構造を有している、
請求項10から請求項12までのいずれか一項に記載の熱交換器。 - 前記第2流路を通る前記第2流体に乱流を発生させる乱流発生部が前記中間筒に設けられている、
請求項7から請求項13までのいずれか一項に記載の熱交換器。 - 前記第2流路を通る前記第2流体に乱流を発生させる乱流発生部が前記内筒及び/又は前記外筒に設けられている、
請求項1から請求項14までのいずれか一項に記載の熱交換器。 - 前記外筒と一体に設けられたフレームと、
前記第1流体の流れ方向に関する前記ハニカム構造体の上流側及び下流側の少なくとも一方に配置されるとともに、前記フレームにより支持された浄化手段と
をさらに備える、
請求項1から請求項15までのいずれか一項に記載の熱交換器。 - 前記フレームは、前記ハニカム構造体、前記内筒及び前記外筒をそれぞれ含む複数の熱交換部材を前記浄化手段と一体化させる、
請求項16記載の熱交換器。 - 前記ハニカム構造体は、前記複数のセルを形成する複数の第1隔壁と複数の第2隔壁とを有しており、前記複数の第1隔壁は前記ハニカム構造体の周方向に互いに間隔を置いて前記ハニカム構造体の径方向に延在されており、前記複数の第2隔壁は前記ハニカム構造体の径方向に互いに間隔をおいて前記ハニカム構造体の周方向に延在されており、
前記第1流路に直交する面における前記ハニカム構造体の断面において、前記ハニカム構造体の径方向内側の前記第1隔壁の数が、前記ハニカム構造体の径方向外側の前記第1隔壁の数よりも少ない、
請求項1から請求項17までのいずれか一項に記載の熱交換器。
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