JP7459570B2

JP7459570B2 - 熱交換器

Info

Publication number: JP7459570B2
Application number: JP2020038132A
Authority: JP
Inventors: 俊彦幸; 皓也新井
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2020-03-05
Filing date: 2020-03-05
Publication date: 2024-04-02
Anticipated expiration: 2040-03-05
Also published as: US20230126444A1; EP4116636A1; EP4116636A4; JP2021139559A; WO2021176979A1; CN115210520A

Description

本発明は、熱交換器に係り、流路を切り替えることによって熱交換の性能を変えることができる熱交換器に関する。

特許文献１には、土壌内に埋設された一又は複数の第１の熱交換手段と、建築物内に敷設された一又は複数の第２の熱交換手段と、第１の熱交換手段と第２の熱交換手段とを接続するパイプシステムと、パイプシステム内を循環する熱交換用液状媒体と、熱交換用液状媒体をパイプシステム内に循環させるためのポンプ手段と、パイプシステム内を循環する熱交換用液状媒体の循環経路を切り替えるためのバルブ切替手段と、各所の温度を検知する温度検知システムと、温度検知システムを構成する各温度センサからの温度データに基づいて、ポンプ手段及びバルブ切替手段を制御するための制御手段とを備えた土壌熱を利用した空調システムが開示されている。

特開２００３－２１３６０号公報

特許文献１記載の空調システムにおいて、屋内の温度などに応じて循環経路を切り替える必要があるが、特定の熱交換部分に流体が流れないようにするときに急激なバルブの開閉を行うと、循環経路の管内にウォーターハンマー現象が発生し、装置の破損に繋がる場合が生じる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、効率的に熱交換を行うとともに、流路を切り替える際のウォーターハンマー現象の発生も抑制できる熱交換器を提供することを目的とする。

本発明の熱交換器は、熱媒が流通する外管と、該外管の途中位置を外側から加熱又は冷却する熱源と、前記外管内を流通する熱媒と前記熱源との間で熱交換を行うことが可能な熱交換部とを有し、該熱交換部は、前記外管の内周面に密接した筒状の多孔質体と、該多孔質体の内側に形成される内側流路を開閉するバルブとを備え、前記多孔質体には、その一端から他端に連通し、前記熱媒が流通可能な連続気孔が形成されている。

この熱交換器において、多孔質体には熱媒が流通可能な連続気孔が形成されているので、多孔質体の内側流路をバルブによって閉じた状態とすると、熱媒は、多孔質体の連続気孔を経由して流れる。管の外側には熱源が設けられているので、多孔質体を流れる熱媒は、管の外側の熱源との間で熱交換し、熱源により加熱又は冷却される。この熱源との間で熱交換した熱媒は、多孔質体の下流に流れ、下流位置で管の外側環境との間で熱交換して放熱又は吸熱することにより利用される。

一方、多孔質体の内側流路のバルブを開放した状態とすると、この内側流路は多孔質体に比べて流路抵抗が小さいので、多孔質体の上流から流れてくる熱媒は、その大部分が内側流路に流れて下流に導かれる。このとき、多孔質体内では熱媒の流れはほとんど発生せずに、気孔内に熱媒が滞留した状態となるか、流れるとしてもわずかな流量に留まる。したがって、管の外側の熱源からの熱は、多孔質体内を経由して内側流路に伝達される途中で、多孔質体及びその内部の熱媒を加熱又は冷却するためにエネルギーが消費され、かつ、多孔質体内では熱媒がほぼ滞留した状態であるため、熱の伝達が遮断され、内側流路の内面から熱媒に伝達される熱の量が少なくなる。また、多孔質体内に流れが生じるとしてもわずかであるから、多孔質体から下流への熱の移動も少ない。さらに、内側流路は、その内部を流れる熱媒に対する圧力損失が小さいので、比較的大きな流量で流れる。そして、その流量に対して、内側流路の内面から伝達される熱の量が少ないため、内側流路内の熱媒により運搬される熱の量も少なくなる。

したがって、内側流路のバルブを開放した状態では、熱源との間の熱交換が抑制される。
このようにして、内側流路のバルブを開閉することにより、熱源との間の熱交換を切り替えることができ、このとき、熱媒自体は熱交換部の上流から下流に流れた状態であるため、管内圧の急激な圧力変化が生じにくく、ウォーターハンマー現象の発生も抑制される。

この熱交換器において、前記多孔質体の気孔率は６０％以上９０％以下であるとよい。気孔率が６０％未満では多孔質体の流路抵抗が大きくなるため、バルブを閉じたときに多孔質体内を流れる熱媒量が少なく、熱媒を送るポンプの負荷が大きくなる。気孔率が９０％を超えると、多孔質体内を流通する熱媒が速やかに下流に流れてしまい、熱源との間の熱交換が十分になされないおそれがある。

この熱交換器において、前記外管内に熱媒を流通させたときの前記多孔質体の上流位置と下流位置との間の圧力損失は、前記多孔質体の上流側表面を封止して前記内管の内側流路のみを開放したときをΔＰ１、前記バルブを閉じて前記多孔質体内を流通させた状態のときをΔＰ２とすると、その比（ΔＰ２／ΔＰ１）が１倍以上３倍以下であるとよい。

これらの圧力損失の比（ΔＰ２／ΔＰ１）が３倍を超えていると、バルブを閉じたときの圧力変動が大きくなり過ぎて、ウォーターハンマー現象が生じるおそれがある。１倍未満では、バルブを開いたときに、内側流路だけでなく、多孔質体内にも多くの熱媒が流れ込むため、多孔質体での断熱効果が低減し、熱交換を切り替えた効果が少ない。

本発明によれば、効率的に熱交換を行うとともに、流路を切り替える際のウォーターハンマー現象の発生も抑制することができる。

本発明の一実施形態の熱交換器を用いた暖房システムの模式図である。図１に示す熱交換器においてバルブを閉じた状態を示す拡大断面図である。図２の熱交換器においてバルブを開いた状態を示す断面図である。本発明の他の実施形態の熱交換器を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
本実施形態の熱交換器１は、熱源２によって空気（熱媒）を加熱し、高温になった空気の熱を目的の部屋等において放散する暖房システム１０に用いられる。図１は、この暖房システム１０を模式的に示したものであり、符号２０が熱源２の熱によって空気が加熱される吸熱部（第１熱交換部）、符号４０が第１熱交換部２０において高温になった空気の熱を放散する放熱部（第２熱交換部）を示す。

この熱交換器１は、空気が流通する外管３と、その外管３の途中位置を外側から加熱する熱源２と、外管３内を流通する熱媒と熱源２との間で熱交換を行う第１熱交換部（本発明の熱交換部に相当する）２０とを有している。
第１熱交換部２０は、外管３の内周面に密接した筒状の多孔質体２１と、この多孔質体２１の内周面に密接した内管２２と、この内管２２内の流路（内側流路）２３を開閉するバルブ２４とを備えている。

多孔質体２１は、熱伝導に優れる金属、例えばアルミニウム、銅等からなる粉末、繊維、あるいはこれらの混合物を焼結して形成されたものであり、金属骨格を有し、気孔率が６０％以上９０％以下の範囲内に設定されている。この場合、この多孔質体２１内の気孔には、多孔質体２１の一端から他端に連通する連続気孔が含まれており、多孔質体２１の一端に熱媒を供給すると、その連続気孔を通って多孔質体２１の他端から流出できるようになっている。なお、多孔質体２１の比表面積（単位体積当たり）としては１０００ｍ^２／ｍ^３以上１５０００ｍ^２／ｍ^３以下が好ましい。この気孔率が６０％未満では、多孔質体２１の流路抵抗が大きくなる（例えば３ｋＰａ）ため、バルブを閉じたときに多孔質体内を流れる熱媒量が少なく、熱媒を送るポンプの負荷が大きくなる。気孔率が９０％を超えると、多孔質体２１内を流通する熱媒が速やかに下流に流れてしまい、熱源２との間の熱交換が十分になされないおそれがある。

このような多孔質体２１として、例えば、多数の金属粉末の集合体を焼結したもの、多数の金属繊維の集合体を焼結したもの、これら金属繊維と金属粉末とを混合した状態で焼結したものを採用することができる。また、発泡剤を添加して焼結することにより、連続した金属骨格により形成される複数の気孔が連通した三次元網目状構造を有する発泡金属としてもよい。

この多孔質体２１は、外管３の内周面に密接状態に設けられる。図では、外管３の途中にフランジ３１～３４によって結合できるように比較的短尺な短管３５が形成されており、その短管３５内に多孔質体２１が設けられている。この場合、短管３５内で金属粉末や金属繊維を筒状に固めて集合体とし、短管３５内で焼結することにより、短管３５の内周面に金属粉末や金属繊維が結合した状態とされる。

内管２２は、多孔質体２１の内周面に密接した状態で同軸上に設けられる。この場合も、内管２２の外周面上に金属粉末や金属繊維を筒状に固めて集合体とし、内管２２の外周面上で焼結することにより、内管２２の外周面に金属粉末や金属繊維が結合した状態とされる。具体的には、短管３５と内管２２とを同軸上に配置し、その間に金属粉末や金属繊維を筒状に固めて充填し、これら短管３５、内管２２、金属粉末等を炉に入れて加熱することにより、多孔質体２１の内周面と内管２２の外周面とが結合し、多孔質体２１の外周面と短管３５の内周面とが結合した状態に形成される。
なお、外管３及び内管２２は、多孔質体２１と同じ種類の金属により形成してもよいし、アルミニウムと銅との組み合わせとするなど、接合可能であれば異なる種類の金属により形成してもよい。

内管２２は多孔質体２１の長さよりも大きく、多孔質体２１の一方の端部（下流側端部）から下流方向に突出しており、その突出端部に内管２２の内側流路２３を開閉するバルブ２４が設けられている。バルブ２４としては、図には弁体２４ａを９０°回転させることにより流路を開閉するバタフライバルブを例示したが、ボールバルブ、仕切弁等、流路を開閉できるものであれば適用可能である。
一方、多孔質体２１の他方の端部（上流側端部）においては、内管２２の先端は、多孔質体２１の端面と同一に配置される。

ここで、内側流路２３と多孔質体２１との圧力損失比は、多孔質体２１の上流側表面を封止して内管２２の内側流路２３のみを開放状態とすることにより熱媒が内管２２の内側流路２３だけを流通するときの圧力損失をΔＰ１とし、熱媒が多孔質体２１内だけを流通するときの圧力損失（バルブ２４を閉じた状態の圧力損失に等しい）をΔＰ２とすると、その比（ΔＰ２／ΔＰ１）は１倍以上３倍以下とされる。この内側流路２３と多孔質体２１との圧力損失比（ΔＰ２／ΔＰ１）が１倍未満では、バルブ２４を開いたときに、内側流路２３だけでなく、多孔質体２１内にも多くの熱媒が流れ込むため、多孔質体２１での断熱効果が低減し、熱交換を切り替えた効果が少ない。３倍を超えると、バルブ２４を閉じたときの圧力変動が大きく、ウォーターハンマー現象が生じるおそれがある。この内側流路２３と多孔質体２１との圧力損失比（ΔＰ２／ΔＰ１）は１．５倍以上２倍以下がより好ましい。

また、バルブ２４を開いた状態（全開状態）のときの圧力損失をΔＰ３、バルブ２４を閉じた状態（全閉状態）のときの圧力損失をΔＰ２とすると、その比（ΔＰ２／ΔＰ３）が１．２倍以上１５倍以下とするのが好ましい。バルブ２４を開閉したときの圧力損失の比（ΔＰ２／ΔＰ３）が１５倍を超えていると、熱交換器１全体システムの圧力変動が大きくなり過ぎて、設計が煩雑になる。１．２倍未満では、バルブ２４を開いたときに、内側流路２３だけでなく、多孔質体２１内にも多くの熱媒が流れ込むため、多孔質体２１での断熱効果が低減し、熱交換を切り替えた効果が少なくなる。このバルブ２４の開閉による圧力損失比（ΔＰ２／ΔＰ３）は、３倍以上１０倍以下がより好ましい。

また、必ずしも限定されるものではないが、内管２２の内側流路２３の横断面積をＡ１ｍｍ^２とし、多孔質体２１の横断面積をＡ２ｍｍ^２としたときに、これらの横断面積比（Ａ２／Ａ１）は３倍以上１２倍以下であるとよい。この横断面積比（Ａ２／Ａ１）が３倍未満では、バルブ２４を閉じたときと開いたときとの流量差が大きくなり、１２倍を超えると全体流量が少なくなり、熱交換効率が低減する。
なお、第１熱交換部２０において、熱源２及び外管３は断熱材で覆った状態とするのが好ましい。

一方、第２熱交換部４０は、この実施形態では暖房を必要とする部屋内に設置されており、外管３の外周面に複数のフィン４１が一体に形成され、熱の放散が促進されるようになっている。

このように構成された暖房システム１０において、第１熱交換部２０の外側に配置された熱源２を発熱状態とし、第１熱交換部２０における内管２２のバルブ２４を閉じた状態としておき、第１熱交換部２０の上流から熱媒（空気）を流通させると、第１熱交換部２０において、熱媒は、内管２２内には流入せずに、内管２２と外管３との間の多孔質体２１内を流通する。この多孔質体２１は、前述したように連続気孔を有しているため、多孔質体２１内を熱媒が流通し、多孔質体２１の他端から下流に向けて流出する。この多孔質体２１は、その外周面が外管３の内周面に密接しており、その外管３の外側に熱源２が発熱状態で設けられているため、その熱源の熱が外管３の壁を通って多孔質体２１に速やかに伝達され、多孔質体２１内の金属骨格を経由して内管２２に伝達するまでの間に多孔質体２１の気孔内を流通する熱媒に伝達して熱媒を加熱する。多孔質体２１の比表面積が大きいので、多孔質体２１の金属骨格から効率的に熱媒に熱伝達され、多孔質体２１内で高温となった熱媒が多孔質体２１の下流に流され、第２熱交換部４０でフィン４１に熱が伝わることでフィン４１から放熱され、第２熱交換部４０周辺の環境を暖房する。

一方、第１熱交換部２０における内管２２のバルブ２４を開放した状態とすると、第１熱交換部２０の上流から供給される熱媒は、内管２２内に比べて多孔質体２１の圧力損失が大きいため、熱媒は内管２２内に優先的に流れ込む。したがって、熱媒の大部分が内管２２の内側流路２３を流通して下流に流れ、多孔質体２１内の気孔には空気がわずかしか流通しないか、ほとんど流通することなく滞留した状態となる。このため、多孔質体２１が断熱体として機能し、熱源から内管２２内への熱の伝達が抑制される。したがって、内管２２の内側流路２３を流通した熱媒は、温度変化することなく下流へと導かれる。

このように、内管２２のバルブ２４を閉じた状態では、多孔質体２１を流通する熱媒に熱源の熱が伝わって、加熱された熱媒が下流に流れ、一方、内管２２のバルブ２４を開いた状態では、内管２２の内側流路２３を流通する熱媒に熱が伝わらずに、第１熱交換部２０の上流での温度をほぼ維持した状態で下流に流れる。したがって、この内管２２のバルブ２４を開閉することにより、熱源２の熱を熱媒に伝えたり、遮断したりすることができる。

また、内管２２のバルブ２４の開度を調整することにより、熱媒を多孔質体２１及び内管２２のいずれにも流通させ、第１熱交換部２０を経由した熱媒の温度を適宜に制御することも可能である。すなわち、多孔質体２１と内管２２との圧力損失には、大きな差が設けられているが、内管２２のバルブ２４の開度を適切に調整することにより、熱媒の一部を多孔質体２１に流通するとともに、残りを内管２２内に流通させることができる。多孔質体２１内では熱源２の熱を受けて高温となった熱媒が下流にながれ、内管２２内では、その上流の熱媒の温度をほぼ維持した状態で下流に流れる。そして、この第１熱交換部２０の下流位置で両者が合流して、これらの混合流体となって流れる。この混合流体の温度は、多孔質体２１内を通過した熱媒の温度と流量、内管２２の内側流路２３を通過した熱媒の温度と流量の組み合わせによって設定される。
そして、バルブ２４の開度を調整することにより、多孔質体２１と内管２２との圧力損失の差を制御して、多孔質体２１と内管２２との流量比を調整し、多孔質体２１の下流における熱媒の温度を任意に設定することができる。

このようにして、バルブ２４の開度を調整することにより、第２熱交換部４０周辺の温度を適切に制御することができ、この場合、バルブ２４を開閉するだけで温度調整可能であるとともに、熱媒の圧力の急激な変動を伴わないので、ウォーターハンマー現象の発生も防止できる。

なお、本発明は上記実施形態の構成のものに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、図１～図３に示す例では、内管を１本設けているが、図４に示す熱交換器１１のように複数本の内管２２を設けてもよい。この場合、前述した内側流路２３と多孔質体２１との圧力損失比（ΔＰ２／ΔＰ１）における内側流路２３の圧力損失ΔＰ１は、複数本の内管２２全部の内側流路２２を流通させるときの圧力損失であり、バルブ２４を開閉したときの圧力損失の比（ΔＰ２／ΔＰ３）は、複数本の内管２２全部の内側流路２２を開閉したときの圧力損失比である。また、横断面積比（Ａ２／Ａ１）における内側流路２３の横断面積Ａ１ｍｍ^２は、複数本の内管２２全部の内側流路２２の合計の横断面積である。
また、この図４に示す熱交換器１１においては、複数本の内管２２のそれぞれにバルブ２４が設けられているので、各バルブ２４の開度を同じとするのではなく、全開、全閉、中間開度など、個々のバルブ２４ごとに開閉を調整しながら、最適温度に設定することが可能である。
また、多孔質体２１を焼結により形成する際に、外管３の内周面と内管２２の外周面とに結合させるようにしたが、外管３と内管２２との間に密接状態に充填されれば、必ずしも結合していなくてもよい。

アルミニウム又はアルミニウム合金からなる内径１５ｍｍ～３０ｍｍ、厚さ１ｍｍの外管と、同じくアルミニウム又はアルミニウム合金からなる内径８ｍｍ、外径１０ｍｍの内管との間にアルミニウムの粉末と繊維との混合体を充填して焼結することにより多孔質体を形成した。内管の長さは１５０ｍｍとし、多孔質体は、表１に示す長さ（５０ｍｍ、１００ｍｍ、１５０ｍｍ、３００ｍｍ）、気孔率（６０％～９５％）とした。
熱媒としては空気を使用し、多孔質体の上流と下流との圧力差について、バルブを開放した状態と閉じた状態とでそれぞれ測定した。

また、多孔質体の長さの中間位置で外管の外周面に長さ３０ｍｍの範囲で熱源（ヒータ）を密接させ、常温（２５℃）の空気を流通させた。熱源及び外管の周囲は断熱材で覆った状態とした。

そして、多孔質体を封じて内側流路内だけを流通させたときの多孔質体の上流位置の圧力と下流位置の圧力とをそれぞれ測定して、その差圧ΔＰ１（圧力損失）を求め、また、バルブを閉じた状態で多孔質体内だけを流通させたときの多孔質体の上流位置の圧力と下流位置の圧力とをそれぞれ測定して、その差圧（圧力損失）ΔＰ２を求め、これら差圧の比（ΔＰ２／ΔＰ１）を算出した。
また、多孔質体を封じることなく、バルブを開いた状態で、多孔質体の上流位置の圧力と下流位置の圧力とをそれぞれ測定して、その差圧（圧力損失）ΔＰ３も求めた。

また、バルブを閉じた状態で熱源と外管との間の温度を熱電対により測定して、熱電対が６０℃を記録するように熱媒を調整し、バルブを切り替えて開いた状態としてから、５分経過後の熱電対の温度を測定し、その熱変化（Ｋ）を求めた。
なお、比較のため、外管と内管との間に多孔質体を設けないものも作製した。
これらの結果を表１に示す。

この表１に示す結果から明らかなように、外管と内管との間に多孔質体を設けたＮｏ．１～９は、多孔質体と内管の内側流路とで流路を切り替えることにより、所定の熱変化が得られることがわかる。この場合、Ｎｏ．１～８のように、多孔質体の気孔率が６０％以上９０％以下で、多孔質体と内側流路との圧力損失比（ΔＰ２／ΔＰ１）が１倍以上３倍以下であると、熱変化ΔＴが大きく、十分に熱交換されている。
これに対して、多孔質体を設けなかったＮｏ．１０は、圧力損失比（ΔＰ２／ΔＰ１）及び熱変化ΔＴが小さく、十分な熱交換が得られていない。

１，１１熱交換器
２熱源
３外管
２０第１熱交換部
２１多孔質体
２２内管
２３内側流路
２４バルブ
４０第２熱交換部
４１フィン

Claims

熱媒が流通する外管と、該外管の途中位置を外側から加熱又は冷却する熱源と、前記外管内を流通する熱媒と前記熱源との間で熱交換を行うことが可能な熱交換部とを有し、該熱交換部は、前記外管の内周面に密接した筒状の多孔質体と、該多孔質体の内側に形成される内側流路を開閉するバルブとを備え、前記多孔質体には、その一端から他端に連通し、前記熱媒が流通可能な連続気孔が形成されており、
前記多孔質体の気孔率は６０％以上９０％以下であり、
前記外管内に熱媒を流通させたときの前記多孔質体の上流位置と下流位置との間の圧力損失は、前記多孔質体の上流側表面を封止して前記内側流路のみを開放したときをΔＰ１、前記バルブを閉じて前記多孔質体内を流通させた状態のときをΔＰ２とすると、その比（ΔＰ２／ΔＰ１）が１．５倍以上２倍以下であることを特徴とする熱交換器。
前記バルブを開いて全開状態としたときの圧力損失をΔＰ３とすると、前記バルブを閉じて前記多孔質体内を流通させた状態のときの圧力損失ΔＰ２との比（ΔＰ２／ΔＰ３）が１．２倍以上１５倍以下であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換機。