JP7356378B2

JP7356378B2 - 熱交換ユニット及び熱交換アッセンブリ

Info

Publication number: JP7356378B2
Application number: JP2020031320A
Authority: JP
Inventors: 伸英原; 博之中拂; 陽一上藤; 雅哉畑中; 拓央小田; 駿作江口; 浩一谷本
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2020-02-27
Filing date: 2020-02-27
Publication date: 2023-10-04
Anticipated expiration: 2040-02-27
Also published as: JP2021134982A

Description

本開示は、熱交換ユニット及び熱交換アッセンブリに関する。

特許文献１には、熱交換素子を含む単位ユニットを構成し、この単位ユニットを複数連結した構成した熱交換器が開示されている。

実開平２－３６７８４号公報

しかしながら、特許文献１が示す従来の構成では流路同士を連結して構成することができない。よって、熱交換素子を含む単位ユニットを連結しても所望の熱交換能力を実現できない。

本開示は、上述する事情に鑑みてなされたもので、流路同士を連結することで所望の熱交換能力を実現できる、熱交換ユニット及び熱交換アッセンブリを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本開示に係る熱交換ユニットは、
第１凸部を有する一端部、および、前記第１凸部の相補形状である第１凹部を有する他端部を含むケーシングと、
前記ケーシングの前記一端部から前記他端部に向かって同一方向に沿って延在するように前記ケーシング内に設けられる複数の第１内部流路と、
を備え、
前記ケーシングの前記第１凸部は、前記複数の第１内部流路に連通する第１ヘッダを画定する。

本開示の熱交換ユニットによれば、上記構成の熱交換ユニットの凸部と、上記構成の他の熱交換ユニットの凹部とを嵌合させることで、熱交換ユニットの個数により所望の熱交換能力を実現できる。また、熱交換ユニットの凸部によりヘッダが画定されるため、複数の熱交換ユニットを嵌合させて互いに連結するだけで、各熱交換ユニットの第１内部流路同士を第１ヘッダを介して連通させることが可能になる。このため、各熱交換ユニットの第１内部流路同士を直接連通させる構成に比べて、各熱交換ユニットの製造公差に対してロバストな流路接続構造を実現できる。

本開示の実施形態による熱交換ユニットを示す斜視図である。図１に示した熱交換ユニットの平面図である。図１に示した熱交換ユニットのＩＩＩ－ＩＩＩ線断面図である。図１に示した熱交換ユニットのＩＶ－ＩＶ線断面図である。図２に示した熱交換ユニットのＶ－Ｖ線断面図である。図２に示した熱交換ユニットのＶＩ－ＶＩ線断面図である。本開示による熱交換アッセンブリを概略的に示す図である。本開示の実施形態による熱交換ユニットを二個連結した熱交換アッセンブリを示す斜視図である。

以下、添付図面を参照して本開示の実施形態による熱交換ユニット４及び熱交換アッセンブリ１について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

［熱交換ユニット４］
熱交換ユニット４は、連結する個数により所望の熱交換能力を実現できる熱交換ユニット（単位ユニット）である。

図１に示すように、熱交換ユニット４は、ケーシング５と、複数の第１内部流路６１とを備える。ケーシング５は、第１凸部５１を有する一端部５Ａ、および、第１凸部５１の相補形状である第１凹部５２を有する他端部５Ｂを含む。例えば、第１凸部５１及び第１凹部５２は扇形に形成されるが、第１凹部５２が第１凸部５１の相補形状であれば扇形に限られるものではない。図５に示すように、第１内部流路６１は、ケーシング５の一端部５Ａから他端部５Ｂに向かって同一方向に沿って延在するようにケーシング５内に沿って設けられる。そして、ケーシング５の第１凸部５１は、複数の第１内部流路６１に連通する第１ヘッダ５１Ａを画定する。

このように構成された熱交換ユニット４によれば、上記構成の熱交換ユニット４の第１凸部５１と、上記構成の他の熱交換ユニット４の第１凹部５２とを嵌合させることで、熱交換ユニット４の個数により所望の熱交換能力を実現できる。また、熱交換ユニット４の第１凸部５１により第１ヘッダ５１Ａが画定されるため、複数の熱交換ユニット４を嵌合させて互いに連結するだけで、各熱交換ユニット４の第１内部流路６１同士を第１ヘッダ５１Ａを介して連通させることが可能になる。このため、各熱交換ユニット４の第１内部流路６１同士を直接連通させる構成に比べて、各熱交換ユニット４の製造公差に対してロバストな流路接続構造を実現できる。

図５に示すように、ケーシング５は、蓋部５５と少なくとも一本の第１中間流路６２とを含む。図２に示すように、蓋部５５は、複数の第１内部流路６１の延在方向から視た平面視において、第１ヘッダ５１Ａ以外の領域に設けられる。図３及び図５に示すように、少なくとも一本の第１中間流路６２は、第１ヘッダ５１Ａに連通するように蓋部５５の内側に形成され、複数の第１内部流路６１がそれぞれ開口する。

このような構成によれば、複数の第１内部流路６１と第１ヘッダ５１Ａとが第１中間流路６２を介して接続された流路構造が各熱交換ユニット４に形成されていることから、第１凹部５２と第１凸部５１の嵌合によって、隣接する熱交換ユニット４の第１中間流路６２同士を連通させることができる。

図６に示すように、熱交換ユニット４は、複数の第２内部流路７１を備える。複数の第２内部流路７１は、ケーシング５の一端部５Ａから他端部５Ｂに向かって同一方向に延在するようにケーシング５内に設けられる。複数の第２内部流路７１のそれぞれは、複数の第１内部流路６１のそれぞれと第１内部流路６１の延在方向と直交する断面において奥行き方向（図４においてＹ方向）に交互に配置され、互いに隣り合う第１内部流路６１と第２内部流路７１とは隔壁８１によって隔てられている。尚、複数の第１内部流路６１及び複数の第２内部流路７１の数、すなわち、隔壁８１の数は、図４に示す数に限定されるものではなく、任意の数とすることができる。

ケーシング５は、第２凸部５３及び第２凹部５４を含む。第２凸部５３は、ケーシング５の一端部５Ａ又は他端部５Ｂのいずれか一方に設けられる。第２凸部５３はケーシング５の一端部５Ａ又は他端部５Ｂのいずれか一方に設けられるものであれば、第１凸部５１と同じ端部に設けることは必須ではない。第２凹部５４は、第２凸部５３の相補形状であり、ケーシング５の一端部５Ａ又は他端部５Ｂの他方に設けられる。第２凸部５３及び第２凹部５４は扇形に形成されるが、第１凸部５１及び第１凹部５２と同様、第２凹部５４が第２凸部５３の相補形状であれば扇形に限られるものではない。そして、ケーシング５の第２凸部５３は、複数の内部流路に連通する第２ヘッダ５３Ａを画定する。

このような構成によれば、熱交換ユニット４の第１凸部５１と同様に、第２凸部５３により第２ヘッダ５３Ａが画定されるため、複数の熱交換ユニット４を嵌合させて互いに連結するだけで、各熱交換ユニット４の第１内部流路６１同士を第１ヘッダ５１Ａを介して連結させるとともに、第２内部流路７１同士を第２ヘッダ５３Ａを介して連結させることが可能となる。このため、各熱交換ユニット４の第１内部流路６１同士、及び、第２内部流路７１同士を直接連通させる構成に比べて、各熱交換ユニット４の製造公差に対してロバストな流路接続構造を実現できる。

また、図２に示すように、第１凸部５１は、第１内部流路６１の延在方向から視た平面視において、第１ヘッダ５１Ａの延在方向の直交方向における一方側の第１端部領域に設けられ、第２凸部５３又は第２凹部５４のいずれか一方は、第２流路の延在方向から視た平面視において、第２ヘッダ５３Ａの延在方向の直交方向における他方側の第２端部領域に設けられる。

このような構成によれば、ヘッダの直交方向における一方側の第１端部領域と他方側の第２端部領域との両方で、隣接する他の熱交換ユニット４と嵌合させることで、ヘッダの直交方向に関する熱交換ユニット４間の位置決めを高精度に行うことができる。

図３、図５及び図６に示すように、熱交換器のケーシング５は、蓋部５５、第１中間流路６２及び第２中間流路７２を含む。図２に示すように、蓋部５５は、複数の第１内部流路６１及び第２内部流路７１の延在方向から視た平面視において、第１ヘッダ５１Ａ及び第２ヘッダ５３Ａ以外の領域内に設けられている。図５に示すように、第１中間流路６２は、第１ヘッダ５１Ａに連通するように蓋部５５の内側に形成され、複数の第１内部流路６１がそれぞれ開口する。図６に示すように、第２中間流路７２は、第２ヘッダ５３Ａに連通するように蓋部５５の内側に形成され、複数の第２内部流路７１がそれぞれ開口する。そして、図３に示すように、第１中間流路６２と第２中間流路７２とは、第１ヘッダ５１Ａ及び第２ヘッダ５３Ａの延在方向に交互に配置される。

このような構成によれば、第１中間流路６２と第２中間流路７２とが第１ヘッダ５１Ａ及び第２ヘッダ５３Ａの延在方向に交互に配置されることで、第１中間流路６２と第２中間流路７２とが交錯することがなく、第１内部流路６１を流れる流体（第１流体）と第２内部流路７１を流れる流体（第２流体）とを隔絶することができる。

図３に示すように、熱交換ユニット４は、複数の第１中間流路６２が、第１内部流路６１の延在方向の直交方向に沿って延在する。各々の第１中間流路６２に開口するように、第１内部流路６１の延在方向の直交方向に沿って並ぶ２以上の第１内部流路６１を含む第１流路列６が延在方向に配列される。図３に示すように、複数の第２中間流路７２が、第２内部流路７１の延在方向の直交方向に沿って延在し、複数の第１中間流路６２と交互に第２流路の延在方向に配列される。そして、各々の第２中間流路７２に開口するように、第２内部流路７１の延在方向の直交方向に沿って並ぶ２以上の第２内部流路７１を含む第２流路列７が、第２ヘッダ５３Ａの第２流路の延在方向に配列される。また、図３及び図５に示すように、各々の第１中間流路６２の第１ヘッダ５１Ａとの連通端とは反対側の端部は、第２ヘッダ５３Ａに対して閉じられており、図３及び図６に示すように、各々の第２中間流路７２の第２ヘッダ５３Ａとの連通端とは反対側の端部は、第１ヘッダ５１Ａに対して閉じられている。

このような構成によれば、熱交換ユニット４同士の第１内部流路６１および第２内部流路７１をそれぞれ直接連通させるような連結構造を採用した場合、各熱交換ユニット４の製作公差に起因した第１内部流路６１及び第２内部流路７１の位置のばらつきに起因して、第１流体と第２流体との混合が生じてしまうリスクがある。この点、上記構成によれば、第１中間流路６２と第２中間流路７２を別に設け、且つ、異種流体が流れる中間流路とヘッダとの連通を遮断することができるため、凹部と凸部を嵌合させるだけで、各熱交換ユニット４の製作公差によらず、第１流体と第２流体との混合を防止できる。

［熱交換アッセンブリ１］
図７及び図８に示すように、熱交換アッセンブリ１は、中継熱交換領域を形成する１以上の熱交換ユニット４と、中継熱交換領域の両端に位置する一対の終端熱交換領域をそれぞれ形成するとともに、第１凸部５１および第１凹部５２にそれぞれ嵌合する第３凸部２１および第３凹部３１をそれぞれ有する一対の終端熱交換ユニット２，３と、を備える。

このように構成された熱交換アッセンブリ１によれば、中間熱交換領域を形成する熱交換ユニット４の個数を増減することで所望の熱交換能力を得ることができる。

また、例えば、被加熱側流体（低温流体）の入口が低所の終端熱交換領域に位置するように、上記構成の熱交換アッセンブリを縦置き配置にすれば、低温流体が高温流体によって加熱されることにより発生するドラフト効果を利用して、各熱交換器の内部流路内における低温流体の上昇流を少ない圧損で形成することができる。

本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

上記各実施形態に記載の内容は、例えば、以下のように把握される。

（１）一の態様に係る熱交換ユニット４は、
第１凸部５１を有する一端部５Ａ、および、前記第１凸部５１の相補形状である第１凹部５２を有する他端部５Ｂを含むケーシング５と、
前記ケーシング５の前記一端部５Ａから前記他端部５Ｂに向かって同一方向に沿って延在するように前記ケーシング５内に設けられる複数の第１内部流路６１と、
を備え、
前記ケーシング５の前記第１凸部５１は、前記複数の第１内部流路６１に連通する第１ヘッダ５１Ａを画定する。

本開示に係る熱交換ユニット４によれば、上記構成の熱交換ユニット４の第１凸部５１と、上記構成の他の熱交換ユニット４の第２凹部５４とを嵌合させることで、熱交換ユニット４の個数により所望の熱交換能力を実現できる。また、熱交換ユニット４の第１凸部５１により第１ヘッダ５１Ａが画定されるため、複数の熱交換ユニット４を嵌合させて互いに連結するだけで、各熱交換ユニット４の第１内部流路６１同士を第１ヘッダ５１Ａを介して連通させることが可能になる。このため、各熱交換ユニット４の第１内部流路６１同士を直接連通させる構成に比べて、各熱交換ユニット４の製造公差に対してロバストな流路接続構造を実現できる。

（２）別の態様に係る熱交換ユニット４は、（１）に記載の熱交換ユイットであって、
前記ケーシング５は、
前記複数の第１内部流路６１の延在方向から視た平面視において、前記第１ヘッダ５１Ａ以外の領域内に設けられた蓋部５５と、
前記第１ヘッダ５１Ａに連通するように前記蓋部５５の内側に形成され、前記複数の第１内部流路６１がそれぞれ開口する少なくとも一本の第１中間流路６２と、
を含む。

このような構成によれば、複数の第１内部流路６１と第１ヘッダ５１Ａとが中間流路を介して接続された流路構造が各熱交換ユニット４に形成されていることから、凹部と凸部の嵌合によって、隣接する熱交換ユニット４の第１中間流路６２同士を連通させることができる。

（３）さらに別の態様に係る熱交換ユニット４は、（１）又は（２）に記載の熱交換ユニット４であって、
前記ケーシング５の前記一端部５Ａから前記他端部５Ｂに向かって同一方向に沿って延在するように前記ケーシング５内に設けられる複数の第２内部流路７１を備え、
前記ケーシング５は、前記一端部５Ａ又は前記他端部５Ｂのいずれか一方に設けられる第２凸部５３、および、前記一端部５Ａ又は前記他端部５Ｂの他方に設けられ、前記第２凸部５３の相補形状である第２凹部５４を含み、
前記ケーシング５の前記第２凸部５３は、前記複数の第２内部流路７１に連通する第２ヘッダ５３Ａを画定する。

（４）さらに別の態様に係る熱交換ユニット４は、（３）の熱交換ユニット４であって、
前記第１凸部５１は、前記第１内部流路６１及び前記第２内部流路７１の延在方向から視た平面視において、前記第１ヘッダ５１Ａ及び前記第２ヘッダ５３Ａの延在方向の直交方向における一方側の第１端部領域に設けられ、
前記第２凸部５３又は前記第２凹部５４のいずれか一方は、前記平面視において、前記直交方向における他方側の第２端部領域に設けられる。

（５）さらに別の態様に係る熱交換ユニット４は、（３）又は（４）の熱交換ユニット４であって、
前記ケーシング５は、
前記複数の第１内部流路６１及び前記第２内部流路７１の延在方向から視た平面視において、前記第１ヘッダ５１Ａ及び前記第２ヘッダ５３Ａ以外の領域内に設けられた蓋部５５と、
前記第１ヘッダ５１Ａに連通するように前記蓋部５５の内側に形成され、前記複数の第１内部流路６１がそれぞれ開口する第１中間流路６２と、
前記第２ヘッダ５３Ａに連通するように前記蓋部５５の内側に形成され、前記複数の第２内部流路７１がそれぞれ開口する第２中間流路７２と、
とを含み、
前記第１中間流路６２と前記第２中間流路７２とは、前記第１ヘッダ５１Ａ及び前記第２ヘッダ５３Ａの延在方向に交互に配置される。

（６）更に別の態様に係る熱交換ユニット４は、（５）の熱交換ユニット４であって、
複数の前記第１中間流路６２が、前記延在方向の直交方向に沿って延在し、
各々の前記第１中間流路６２に開口するように、前記延在方向の前記直交方向に沿って並ぶ２以上の前記第１内部流路６１を含む第１流路列６が前記延在方向に配列され、
複数の前記第２中間流路７２が、前記延在方向の前記直交方向に沿って延在し、前記複数の前記第１中間流路６２と交互に前記延在方向に配列され、
各々の前記第２中間流路７２に開口するように、前記延在方向の前記直交方向に沿って並ぶ２以上の前記第２内部流路７１を含む第２流路列７が、前記第２ヘッダ５３Ａの前記延在方向に配列され、
各々の前記第１中間流路６２の前記第１ヘッダ５１Ａとの連通端とは反対側の端部は、前記第２ヘッダ５３Ａに対して閉じられており、
各々の前記第２中間流路７２の前記第２ヘッダ５３Ａとの連通端とは反対側の端部は、前記第１ヘッダ５１Ａに対して閉じられている。

（７）一態様に係る熱交換アッセンブリ１は、
中継熱交換領域を形成する、（１）から（６）のいずれか一つに記載の１以上の熱交換ユニット４と、
前記中継熱交換領域の両端に位置する一対の終端熱交換領域をそれぞれ形成するとともに、前記第１凸部５１および前記第１凹部５２にそれぞれ嵌合する第３凸部２１および第３凹部３１をそれぞれ有する一対の終端熱交換ユニット２，３と、
を備える。

本開示に係る熱交換アッセンブリ１によれば、中間熱交換領域を形成する熱交換ユニット４の個数を増減することで所望の熱交換能力を得ることができる。

１熱交換アッセンブリ
２，３終端熱交換ユニット
２１第３凸部
３１第３凹部
４熱交換ユニット
５ケーシング
５Ａ一端部
５Ｂ他端部
５１第１凸部
５１Ａ第１ヘッダ
５２第１凹部
５３第２凸部
５３Ａ第２ヘッダ
５４第２凹部
５５蓋部
６第１流路列
６１第１内部流路
６２第１中間流路
７第２流路列
７１第２内部流路
７２第２中間流路
８１隔壁

Claims

第１凸部を有する一端部、および、前記第１凸部の相補形状である第１凹部を有する他端部を含むケーシングと、
前記ケーシングの前記一端部から前記他端部に向かって同一方向に沿って延在するように前記ケーシング内に設けられる複数の第１内部流路と、
前記ケーシングの前記一端部から前記他端部に向かって同一方向に沿って延在するように前記ケーシング内に設けられる複数の第２内部流路と、
を備え、
前記ケーシングの前記第１凸部は、前記複数の第１内部流路に連通する第１ヘッダを画定し、
前記ケーシングは、前記一端部又は前記他端部のいずれか一方に設けられる第２凸部、および、前記一端部又は前記他端部の他方に設けられ、前記第２凸部の相補形状である第２凹部を含み、
前記ケーシングの前記第２凸部は、前記複数の第２内部流路に連通する第２ヘッダを画定し、
前記ケーシングは、
前記複数の第１内部流路及び前記第２内部流路の延在方向から視た平面視において、前記第１ヘッダ及び前記第２ヘッダ以外の領域内に設けられた蓋部と、
前記第１ヘッダに連通するように前記蓋部の内側に形成され、前記複数の第１内部流路がそれぞれ開口する第１中間流路と、
前記第２ヘッダに連通するように前記蓋部の内側に形成され、前記複数の第２内部流路がそれぞれ開口する第２中間流路と、
を含み、
前記第１中間流路と前記第２中間流路とは、前記第１ヘッダ及び前記第２ヘッダの延在方向の交互に配置される
熱交換ユニット。
前記第１凸部は、前記第１内部流路及び前記第２内部流路の延在方向から視た平面視において、前記第１ヘッダ及び前記第２ヘッダの延在方向の直交方向における一方側の第１端部領域に設けられ、
前記第２凸部又は前記第２凹部のいずれか一方は、前記平面視において、前記直交方向における他方側の第２端部領域に設けられる
請求項１に記載の熱交換ユニット。
複数の前記第１中間流路が、前記延在方向の直交方向に沿って延在し、
各々の前記第１中間流路に開口するように、前記延在方向の前記直交方向に沿って並ぶ２以上の前記第１内部流路を含む第１流路列が前記延在方向に配列され、
複数の前記第２中間流路が、前記延在方向の前記直交方向に沿って延在し、前記複数の前記第１中間流路と交互に前記延在方向に配列され、
各々の前記第２中間流路に開口するように、前記延在方向の前記直交方向に沿って並ぶ２以上の前記第２内部流路を含む第２流路列が、前記第２ヘッダの前記延在方向に配列され、
各々の前記第１中間流路の前記第１ヘッダとの連通端とは反対側の端部は、前記第２ヘッダに対して閉じられており、
各々の前記第２中間流路の前記第２ヘッダとの連通端とは反対側の端部は、前記第１ヘッダに対して閉じられている
請求項１に記載の熱交換ユニット。
中継熱交換領域を形成する、請求項１から３のいずれか一つに記載の１以上の熱交換ユニットと、
前記中継熱交換領域の両端に位置する一対の終端熱交換領域をそれぞれ形成するとともに、前記第１凸部および前記第１凹部にそれぞれ嵌合する第３凸部および第３凹部をそれぞれ有する一対の終端熱交換ユニットと、
を備える熱交換アッセンブリ。