KR20220012173A

KR20220012173A - 열 교환기

Info

Publication number: KR20220012173A
Application number: KR1020210069813A
Authority: KR
Inventors: 쥰야 나까야마
Original assignee: 나까야마 엔지니어링 카부시키가이샤
Priority date: 2020-07-22
Filing date: 2021-05-31
Publication date: 2022-02-03
Also published as: CA3124876A1; JP7505748B2; CN113970199A; EP3943862A1; JP2022021679A; US20220026157A1

Abstract

열 매체간에 있어서의 열 교환 효율의 향상을 도모할 수 있는 열 교환기를 제공하고자 한다. 1차 냉각 시스템(100)에서는, 팽창 밸브(106)와 분류기에서 감압된 1차 열 매체가, 열 교환기(300)의 도입구(350)로부터 분배기(340)에 도입되어 코일(322)의 복수의 회로에 균등하게 분류된다. 1차 열 매체는, 쉘(310) 내의 코일(322) 안을 흘러 석션 헤더(합류 매니폴드)(342)에서 합류되어, 도출구(352)로부터 도출된다. 한편, 2차 냉각 시스템(200)에서는, 냉동기(204)에서 압축된 2차 열 매체가, 쉘(310)의 상부의 도입구(360)로부터 원통부(312) 내에 도입되어 플레이트 핀 코일체(320)의 플레이트 핀(324)의 사이를 통과한다. 이 때, 코일(322) 내의 1차 열 매체와의 사이에서 열 교환이 이루어진다. 열 교환에 의해 액화된 2차 열 매체는, 하측의 도출구(362)로부터 도출되어 팽창 밸브(206)에 보내진다.

Description

열 교환기{HEAT EXCHANGER}

본 발명은 냉동기 토출 가스의 응축이나, 증발기로부터 기화된 냉매 가스의 재액화, 혹은 기체의 온도를 냉각 또는 가열하는데 적합한 열 교환기의 개량에 관한 것이다.

현재, 저비점 냉매나 탄산 가스의 응축, 혹은 재액화에는, 플레이트식 열 교환기나, 쉘 앤드 플레이트식 열 교환기, 쉘 앤드 튜브식 열 교환기가 이용되고 있다. 주로 이용되고 있는 플레이트식 열 교환기의 구조는, 틈새(gap)가 생기도록 평판(플레이트)을 여러 장 겹침과 동시에, 유로를 형성하여, 고온의 기체와 저온의 유체를 교대로 흘려보냄으로써 열 교환을 실시하고 있다. 예를 들면, 하기 특허 문헌 1에는, 세로배치·가로배치로 모두 사용 가능한 플레이트식 열 교환기가 개시되어 있다.

특허문헌 1 : 일본 공개특허공보 제2018-91495호

상기 플레이트식 열 교환기에서는, 냉각측의 매체는, 복수의 유로가 구획된 평판과 평판 사이의 틈새에 도입되는데, 말하자면 해방된 평판 사이를 자유롭게 흐르기 때문에, 전열면에 대해서 2상 유동 냉매 자체가 골고루 퍼지지 않아, 어쩔 수 없이 비효율적인 운용을 했었다. 또한, 단면적이 작은 유로에 편향된 형태로 냉매가 통과함으로써, 미증발 냉매가 냉동기에 흡입되는 액백(liquid back)이 발생할 위험성이 있다. 이를 방지하기 위해, 큰 과열도가 발생하도록 냉매 유량을 팽창 밸브 혹은 유량 조정 밸브를 이용해 조절할 필요가 있어, 냉각면에 있어서의 과열 영역을 크게 하는 것으로 인해, 전열면의 유효 이용이 곤란하게 되어 있었다.

또한, 상기 쉘 앤드 플레이트도 쉘 내부에 상술한 플레이트식 열 교환기가 배치되었을 뿐이므로, 냉각측의 냉매 제어는 곤란했었다. 더욱이, 쉘 앤드 튜브식에 있어서는, 튜브측에 냉각측의 냉매를 흐르게 해도, 통로(path)에 의한 리턴관에서는 칸막이 공간의 하부에 배치된 튜브에 냉매액이 유입되어, 중간부 이후 상부의 튜브에는 냉매액이 전혀 들어가지 않아, 어쩔 수 없이 비효율적인 운용을 하고 있다.

본 발명은, 이상과 같은 점에 주목한 것으로, 열 매체 간에서의 열 교환 효율의 향상을 도모할 수 있는 열 교환기를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명은, 1차 열 매체와 2차 열 매체의 사이에서 열 교환을 실시하는 열 교환기에 있어서, 상기 1차 열 매체가 공급되는 코일이 다수의 플레이트 핀(fin)을 관통하는 플레이트 핀 코일체를, 상기 2차 열 매체가 공급되는 쉘 내에 설치한 것을 특징으로 한다. 주요한 형태의 하나는, 상기 코일을 복수의 회로에 의해서 구성하는 동시에, 상기 복수의 회로에 1차 열 매체를 도입할 때에, 각 회로에 1차 열 매체를 분류(分流)하기 위한 분류 수단과, 각 회로에서 열 교환을 실시한 1차 열 매체를 합류하는 합류 수단을 구비한 것을 특징으로 한다. 혹은, 상기 분류 수단과 상기 합류 수단을, 상기 쉘 내에 배치한 것을 특징으로 한다. 더욱이, 1차 열 매체가, 복수의 회로의 코일 내에서, 비등 열 전달에 의해 2차 열 매체를 냉각· 응축시키는 작용을, 밀봉한 쉘 내부에서 실시하는 것을 특징으로 한다. 다른 형태에 따르면, 상기 쉘의 저부에 액화된 상기 2차 열 매체를 모아둠으로써, 리시버 탱크로서 기능시키도록 한 것을 특징으로 한다. 본 발명의 상기 및 다른 목적, 특징, 이점은, 이하의 상세한 설명 및 첨부 도면으로부터 명료하게 될 것이다.

본 발명에 의하면, 다수의 플레이트 핀을 다회로로 구성되는 코일이 관통하는 플레이트 핀 코일을 쉘 내에 설치하는 확대 전열면으로 한 것에 의해, 코일 내의 열 매체와 쉘측의 열 매체의 열 교환이 양호하게 이루어지게 되어, 열 교환의 효율 향상을 도모할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예 1이 적용되는 냉각 시스템의 일례를 나타내는 도면.
도 2의 (A)는 상기 실시예 1의 주요부를 나타내는 사시도이며, 도 2의 (B)는 플레이트 핀 코일체의 길이 방향 수직인 단면을 나타내는 도면.
도 3의 (A)는 상기 열 교환기의 주요부를 측면에서 본 도면이며, 도 3의 (B)는 단면에서 본 쉘에 대한 플레이트 핀 코일체의 고정된 모습을 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 실시예 2의 주요부를 나타내는 도면.

이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태를 실시예에 근거하여 상세히 설명한다.

[실시예 1]

도 1 내지 도 3을 참조하면서, 본 발명의 실시예 1에 대해 설명한다. 도 1은 본 발명의 냉각 장치의 일례가 도시되어 있으며, 1차 냉각 시스템(100)과 2차 냉각 시스템(200)에 의해 구성되어 있다. 그리고, 1차 냉각 시스템(100)과 2차 냉각 시스템(200)의 사이에 본 발명의 열 교환기(300)가 설치되어 있으며, 이로써 양 냉각 시스템 사이에서 열 교환이 이루어지도록 되어 있다.

먼저, 1차 냉각 시스템(100)부터 설명하면, 응축기(콘덴서)(102)의 1차 열 매체의 송출측에는 리시버 탱크(104)가 설치되어 있고, 리시버 탱크(104)의 냉매 송출측에는 팽창 밸브(106)가 설치되어 있다. 그리고, 이 팽창 밸브(106)의 냉매 송출측에, 열 교환기(300)가 설치되어 있다. 팽창 밸브(106)를 통과한 1차 열 매체는, 연결하는 분배기(340)를 거쳐 열 교환기(300)의 코일(322)에 공급되며, 상태 변화 또는 온도 변화를 수반하여, 냉동기(108)로 송출되도록 되어 있다. 냉동기(108)로부터 토출된 1차 열 매체는, 상술한 응축기(102)에 공급되고 있으며, 1차 열 매체가 1차 냉각 시스템(100)을 순환하도록 되어 있다.

한편, 2차 냉각 시스템(200)은, 유닛 쿨러(202)의 2차 열 매체 송출측에 냉동기(204)가 설치되어 있으며, 냉동기(204)의 냉매 송출측에 열 교환기(300)가 설치되어 있다. 냉동기(204)로부터 공급된 2차 열 매체는, 열 교환기(300)의 쉘측에 공급되어 1차 열 매체와의 사이에서 열 교환이 이루어지도록 되어 있다. 열 교환 후의 2차 열 매체는, 팽창 밸브(206)를 통해서 유닛 쿨러(202)에 공급되고 있으며, 2차 열 매체가 2차 냉각 시스템(200)을 순환하도록 되어 있다.

이들 중에서, 1차 냉각 시스템(100)의 개략적인 동작을 설명하면, 리시버 탱크(104) 속의 액화된 1차 열 매체는, 팽창 밸브(106)와 분배기(340)에 의한 감압 후에, 열 교환기(300)의 코일측으로 보내진다. 열 교환기(300)에서 열 교환을 한 1차 열 매체는, 완전히 가스화되어 냉동기(108)에 흡입되어 압축된 후, 응축기(102)에서 응축된다. 이로써 액화된 1차 열 매체는 리시버 탱크(104)에 환류된다. 한편, 2차 냉각 시스템(200)의 개략적인 동작을 설명하면, 열 교환기(300)의 쉘측에서 열 교환을 해서 액화된 2차 열 매체는, 팽창 밸브(206)에 의한 감압 후에, 유닛 쿨러(202)에 공급되며, 이로써 유닛 쿨러(202)가 설치된 저장고 안이 냉각된다. 유닛 쿨러(202)를 통과한 2차 열 매체는 가스화되어, 냉동기(204)에 흡입되어 압축된 후, 다시 열 교환기(300)에 보내져서 응축 액화된다.

이어, 도 2 및 도 3을 참조하면서, 상술한 열 교환기(300)에 대해 설명한다. 도 2는 주요부를 나타내는 도면이고, 도 3은 측면에서 내부를 본 도면이다. 이들 도면에 도시한 바와 같이, 본 실시예의 열 교환기(300)는, 쉘(310) 내에 플레이트 핀 코일체(320)가 수용된 구성으로 되어 있다.

쉘(310)의 원통부(312) 내에는, 플레이트 핀 코일체(320)가 설치되어 있다. 플레이트 핀 코일체(320)는, 코일(322)이 복수 포함되어 있으며, 각 코일(322)에 의해서 매체 회로가 구성되어 있다. 도시되어 있는 예에서는, 4개의 매체 회로가 포함되어 있다. 회로를 분할하는 것에 의해, 코일 내부를 흐르는 유체의 압력 손실로 인한 능력 감소를 최소화할 수 있다. 각 코일(322)은, 다수의 플레이트 핀(324)를 관통하는 구조로 되어 있으며, 이로써 열 교환의 면적이 증대되어, 코일(322) 내의 1차 열 매체와, 플레이트 핀 코일체(320)의 외측의 쉘(310) 내의 2차 열 매체의 사이에서 열 교환이 효율적으로 이루어지도록 되어 있다.

쉘(310)과 플레이트 핀 코일체(320)의 사이에는 부착부(330)가 설치되어 있는데, 이것에 볼트·너트 수단(332)을 사용함으로써, 쉘(310) 내에 플레이트 핀 코일체(320)가 고정되어 있다. 쉘(310)의 원통부(312)의 상부에는 2차 열 매체의 도입구(360)이 마련되어 있고, 밑면측에는 도출구(362)가 마련되어 있다.

더욱이, 본 실시예에서는, 코일(322)이 복수 회로로 구성되며, 도입구에 분배기(분류기)(340)가 설치되어 있어, 이것에 팽창 밸브(106)측으로부터 1차 열 매체가 도입구(350)를 통해 공급되도록 되어 있다. 한편, 코일(322)의 도출구는, 회로 출구 코일(323)을 통해 석션 헤더(합류 매니폴드)(342)에 접속되어 있고, 그 석션 출구가 도출구(352)에 접속되어 있다. 분배기(340)는, 노즐과 복수의 분류관으로 구성되어 있어(예를 들면 일본국 공개특허공보 제2016-017675호 참조), 도입구(350)로부터 도입된 1차 열 매체는, 분배기(340)에 의해 균등하게 분류되어, 코일(322)의 각 회로에 공급되도록 되어 있다.

상기 쉘(310)은 압력 용기가 되기 위해, 도입구(350), 도출구(352)의 관통 부위는 모두 용접되어 있다. 또한, 도입구(350)와 분배기(340)의 사이, 및 도출구(352)와 석션 헤더(342)의 사이에는 바이메탈 커플러(351, 353)가 각각 마련되어 있다. 바이메탈 커플러(351, 353)는, 후술하는 바와 같이, 쉘측과 파이프측에서 같은 재료를 사용함으로써, 쉘 관통부에 있어서의 용접을 가능하게 하는 것을 목적으로 설치되어 있는 것으로, 도입구(350)측 내지 도출구(352)측이 스테인리스로 되어 있고, 반대측의 분배기(340)측 내지 석션 헤더(342)측이 알루미늄으로 되어 있다.

예를 들어, 코일(322) 내부의 유체가 암모니아인 경우, 수산화 구리를 생성하기 때문에, 구리제 코일을 사용할 수 없다. 이 때문에, 코일(322)의 재질로는, 예를 들면, 열 전달 특성이 뛰어난 알루미늄이 적합하다. 한편, 코일(322)에 연결하는 도입구(350), 도출구(352)를 구성하는 파이프는, 쉘 관통부에서 밀폐할 필요가 있다. 쉘(310)의 재질은 일반적으로 스테인리스나 철인데, 특히 스테인리스제의 경우, 파이프측의 알루미늄과 쉘측의 스테인리스를 쉘 관통부에서 밀폐하게 된다. 그러나, 알루미늄과 스테인리스에서는, 융점에 차이가 있기 때문에, 용접에 의한 접합은 불가능하다. 그래서, 쉘 내에서 바이메탈 커플러(351, 353)를 설치함으로써, 코일측의 알루미늄 파이프에 스테인리스 파이프를 접합하여, 쉘 관통부에 있어서의 파이프 재질을 스테인리스로 할 수 있으므로, 쉘 관통부에서는 동일한 재질이 되어 용접에 의한 접합이 가능하게 되어, 도입구(350), 도출구(352)와 쉘(310)의 사이를 밀폐할 수 있다.

상기 실시예에서의 작용을 설명하면 다음과 같다. 1차 냉각 시스템(100)에서는, 팽창 밸브(106)에서 감압된 1차 열 매체가, 열 교환기(300)의 도입구(350)로부터 분배기(340)로 도입된다. 1차 열 매체는, 팽창 밸브(106) 및 분배기(340)의 양쪽 모두에서 증발 압력까지 감압되는 동시에, 더욱이, 분배기(340)에 의해, 코일(322)의 회로에 균등하게 분류된다. 그리고, 분류된 1차 열 매체는, 쉘(310) 내에 있어서 코일(322)의 파이프 내를 흘러, 회로 출구 코일(323)로부터 석션 헤더(342)에서 합류하여, 도출구(352)로부터 도출된다.

한편, 2차 냉각 시스템(200)에서는, 상술한 바와 같이, 냉동기(204)에서 압축된 2차 열 매체가, 쉘(310) 상부의 도입구(360)으로부터 쉘(310) 안으로 도입된다. 도입 후, 2차 열 매체는, 쉘(310) 내에서 확산되어, 플레이트 핀 코일체(320)의 플레이트 핀(324)(혹은 코일(322))과 접촉함으로써 응축이 일어난다. 이로써, 액화된 2차 열 매체는, 플레이트 핀(324)의 사이를 흘러내려가서, 쉘(310)의 저부에 액체로서 모이게 된다. 이 경우에 있어서, 쉘(310)의 지름(길이 방향에 대해 수직인 단면의 지름)에 의해서 보유할 수 있는 액면을, 시스템 운전에 필요한 매체량이 코일(322)의 최하열의 1열 정도가, 운전중의 쉘(310)의 내부 매체 액면에 침지되도록 하면(도 3 참조), 2차 열 매체의 응축액을 과냉각할 수 있다. 이 때문에, 보다 냉동 효과에 기여할 수 있다. 코일(322) 내의 1차 열 매체와의 사이에서 열 교환이 이루어져 액화된 2차 열 매체는, 하측의 도출구(362)로부터 도출되어 팽창 밸브(206)에 보내진다.

이 경우에 있어서, 본 실시예에서는, 분배기(340)에 의한 1차 열 매체의 균등 분류가 이루어지고 있기 때문에, 코일(322)의 각 회로에서의 튜브의 입구 온도, 즉, 1차 열 매체의 증발 온도는 거의 같고, 튜브 내의 압력 손실로 인한 온도 강하도 거의 균일하게 된다. 그러므로, 플레이트 핀 코일체(320)를 통과하는 2차 열 매체와 1차 열 매체의 열 교환이, 어느 코일(322)의 회로에 있어서도, 거의 균일하게 이루어지게 된다.

또한, 본 실시예에서는, 2차 열 매체가 플레이트 핀 코일체(320)의 플레이트 핀(324)과 주로 접촉함으로써, 2차 열 매체의 응축액이 중력 효과에 의해 흘러내린다. 이 경우에 있어서, 플레이트 핀(324)이 다수개 설치되어 있기 때문에, 핀(fin)이 달린 확대 전열면이 되어, 열 교환 면적이 크다. 이 때문에, 1차 열 매체와 2차 열 매체의 열 교환이 매우 양호하게 효율적으로 이루어지게 된다.

이하, 본 실시예의 구체적인 예를 나타낸다. 예를 들어,

a. 스테인리스제의 쉘(310)측에는, 냉동기(204)측으로부터 토출된 50℃의 탄산 가스 냉매를 공급하고,

b. 알루미늄제의 코일(322)측에는, 팽창 밸브(106)측으로부터 유입되어 -8℃에서 증발하는 암모니아 냉매가 공급되어,

플레이트 핀 코일체(320)에서 열 교환을 하는 것으로 한다.

이 경우의 열 통과율은, 코일 내부의 비등 열 전달과 핀 코일 외부에서 일어나는 응축 열 전달의 상승 효과에 의해, 2차 열 매체의 응축 온도는 -5℃가 되며, 온도차(TD) 즉, 1차 매체의 암모니아의 증발 온도 -8℃와, 2차 열 매체인 탄산 가스 응축 온도 -5℃의 온도차로 3℃정도로의 운용을 가능하게 하고 있다. 이 때, 플레이트 핀 코일체(320)의 파이프 바깥쪽의 막상(膜狀) 응축의 평균 열 전달율은 2583W/m²·K가 되고, 파이프 안쪽은 1771 W/m²·K의 높은 열 통과율을 얻을 수 있다. 이것은, 응축측 탄산 가스의 압력이 높기 때문에, 분자 운동이 크고, 점성 또한 작기 때문에, 플레이트 핀 코일체(320) 상부에서는 적상(滴狀, dropwise) 응축이 되며, 중간 이하에서는 막상(膜狀) 응축의 혼합 응축이 생기고 있다고 추측된다. 자세한 것은 후술한다.

이와 같이, 기화된 상태로 쉘(310) 내에 도입되는 2차 열 매체는, 양호하게 응축되어서 액화되며, 쉘(310)의 하측에 체류하게 된다. 따라서, 쉘(310) 자체가 2차 열 매체의 리시버 탱크를 겸하기 때문에, 종래 시스템에 있어서는 별개로 마련되어 있는 리시버 탱크를 생략하는 것이 가능해진다. 또한, 쉘(310)의 저부에 모이는 2차 열 매체액에 플레이트 핀 코일체(320)의 일부가 침지됨으로써, 2차 열 매체를 과냉각하는 것이 가능해져, 2차 냉매인 탄산 가스의 비엔탈피의 차이를 크게 하는 효과도 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 냉동기(204)로부터 토출된 탄산 가스는, 모아져서 과냉각된 액화 탄산 가스와 접촉함으로써, 직접 접촉 응축도 이루어지게 된다.

게다가, 분배기(340)에 의한 다회로 구성으로 하는 동시에, 각 회로의 코일(322)의 회로 길이를 최적화함으로써, 내부를 통과하는 1차 열 매체의 압력 손실이 최소가 되도록 제작하는 것이 가능해진다. 이 때문에, 모든 산업용으로 이용할 수 있고, 특히, 커다란 냉방·냉동 능력이 필요한 산업 용도에 적합하다.

[실시예 2]

다음으로, 도 4를 참조하여, 본 발명의 실시예 2에 대해 설명한다. 상기 실시예에서는, 플레이트 핀 코일체(320)의 플레이트 핀(324)을 사각 형상으로 했으나, 본 실시예는, 상기 도면에 도시한 바와 같이, 핀 코일체(520)의 플레이트 핀(524)은 원반 형상으로 되어 있으며, 이것들을 관통하도록 코일(522)이 설치되어 있다. 그 밖에는, 상술한 실시예 1과 동일하다.

[실시예 3]

이어, 상기 실시예 1의 시험 제작기 예를 나타내는 실시예 3에 대해 설명한다. 본 시험 제작기에서는, 1차 열 매체를 암모니아 냉매로 하고, 2차 열 매체를 탄산 가스로 했다. 열 교환기(300)를 구성하는 쉘(310), 플레이트 핀 코일체(320)의 코일(322) 및 플레이트 핀(324)의 상세 사양, 외표면 전열 면적, 관 외측 열 전달율 등을 나타내면, 다음의 표 1 내지 표 4와 같이 된다. 한편, 표 1 내지 표 4는, 연속되는 1개의 표를 편의상 4개로 나눈 것이다.

상기 시험 제작기에 있어서, 암모니아 냉매의 1차 냉각 시스템(100)의 냉동기(108)에서는,

증발 온도 to = -8℃

응축 온도 tk = 30℃

일 때, 동력 입력은 10.5 kW이며, 냉동 능력Φo = 47kW이다.

또한, 탄산 가스 냉매의 2차 냉각 시스템(200)의 냉동기(204)에서는,

증발 온도 to = -32℃

응축 온도 tk = -5℃

일 때, 동력 입력은 7.7 kW이며, 냉동 능력Φo = 38.4 kW이다.

따라서, 열 교환기(300)에 의한 필요 응축 능력Φk = 46.1kW가 되지만, 실제로는 폴리트로프 압축이 되어, 1차 냉각 시스템(100)의 냉동기(108)의 냉동 능력Φo = 47kW로 충족될 수 있다. 상술한 수치예의 시험 제작기의 운전 상태에서도, 계산값에 근사한 결과를 얻을 수 있었다. 이와 같이, 리시버 탱크를 겸하는 쉘(310)의 내부에 코일(322)을 설치함으로써, 냉동 시스템의 간략화와 동시에, 콘덴싱 유닛의 소형화도 가능하게 된다. 한편, 상기 냉동기(108, 204)의 수치는, 냉동기 제조사의 냉동기 능력 계산 소프트에 의해 산출한 것이다.

[실시예 4]

다음으로, 상기 실시예 1의 시험 제작기 예를 나타내는 실시예 4에 대해 설명한다. 본 시험 제작기에서는, 상기 실시예 3과 비교하여, 1차 열 매체로 탄산 가스(R-744)를 사용하고 있으며, 1차 열 매체, 2차 열 매체 모두 탄산 가스로 한 2원 냉동 시스템(캐스케이드 시스템)이다. 열 교환기(300)를 구성하는 쉘(310), 플레이트 핀 코일체(320)의 코일(322) 및 플레이트 핀(324)의 상세 사양, 외표면 전열 면적, 관 외측 열 전달율 등을 나타내면, 다음의 표 5 내지 표 8과 같이 된다. 한편, 표 5 내지 표 8은, 연속되는 하나의 표를 편의상 4개로 나눈 것이다.

상기 시험 제작기에 있어서, 탄산 가스 냉매의 1차 냉각 시스템(100)의 냉동기 (108)에서는,

증발 온도 to = -8.5℃

가스 온도 tk = 30℃

일 때, 동력 입력은 19.8 kW이며, 냉동 능력Φo = 47.8 kW이다.

증발 온도 to = -32℃

응축 온도 tk = -5.5℃

일 때, 동력 입력은 7.8 kW이며, 냉동 능력Φo = 37.8 kW이다.

따라서, 열 교환기(300)에 의한 필요 응축 능력Φk = 45.6 kW가 되지만, 실제로는 폴리트로프 압축이 되어, 1차 냉각 시스템(100)의 냉동기(108)의 냉동 능력Φo = 47.8 kW로 충족될 수 있다. 이 때, 1차 냉각 시스템의 탄산 가스는 상술한 수치 예의 시험 제작기의 운전 상태에서도, 계산값에 근사한 결과를 얻을 수 있었다. 계산값은 별표 계산식을 사용하고, 계산 결과는, 51.2 kW의 응축 능력이 되기 때문에, 쉘 앤드 핀 코일에 있어서의 능력값도 충족하고 있다고 할 수 있다. 이와 같이, 리시버 탱크를 겸하는 쉘(310)의 내부에 코일(322)을 설치함으로써, 냉동 시스템의 간략화와 동시에, 콘덴싱 유닛의 소형화도 가능해진다. 한편, 상기 냉동기(108, 204)의 수치는, 냉동기 제조사의 냉동기 능력 계산 소프트에 의해 산출한 것이다.

＜다른 실시예＞

한편, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위 내에서 여러 가지 변경을 가할 수 있다. 예를 들면, 이하의 것도 포함된다.

(1) 상기 실시예에서 나타낸 코일이나 플레이트 핀의 수나 배치 간격 핀 피치는, 적절히 설정해도 무방하다. 코일의 관 지름 및 회로수 또한 관내 유체 특성으로부터의 압력 손실을 고려해, 최적의 회로 길이가 되도록 다회로화할 수 있다. 플레이트 핀 코일체로는, 각종의 것이 공지되어 있는데, 어떤 것을 사용해도 괜찮다. 또, 플레이트 핀의 사이에, 적당한 간격으로 배플판을 마련하여, 코일 길이에 따른 휨을 방지하거나, 쉘의 원통부에 대한 플레이트 핀 코일체를 지지하도록 해도 된다.

(2) 1차 열 매체로 2차 열 매체를 냉각하는 경우, 1차 열 매체로서는 암모니아, 탄산 가스, 프로판 가스, 물, HFC 냉매, HFC/HFO 냉매 등이 적합한 예이며, 2차 열 매체로서는 탄산 가스, 에틸렌 가스, 에탄 가스, 아산화 질소, 수증기, 공기, HF C/HFO 냉매가 적합한 예이다.

(3) 상기 실시예에서는 코일을 다회로 구성으로 했지만, 냉동 능력이 작은 소형의 콘덴싱 유닛의 경우, 코일의 합계 길이가 20m 정도에서는 코일의 회로를 분할하지 않고 단일 회로로 할 수 있다. 단일 회로일 때에는, 분배기 대신에 압력 강하용의 튜브를 설치하는 것에 의해, 팽창 밸브(106)의 제어성을 양호하게 할 수 있다.

(4) 상기 실시예에 있어서, 1차 열 매체가 탄산 가스이며, 임계 상태로 코일(322)에 공급되는 경우는, 팽창 밸브(106) 및 분배기(340)의 노즐과 튜브를 임계 상태의 탄산 가스가 통과하게 된다. 그렇게 되면, 팽창 밸브(106)의 조임에 의한 감압과 분배기(340)의 노즐과 튜브의 모세관 통과시에는, 중력 가속도가 크고, 마찰 손실에 의한 압력 손실이 생겨, 감압에 의한 액화가 일어난다. 이와 같이, 임계 가스의 공급 온도에 따라서 건도의 비엔탈피분은 액화되며, 액화되지 않은 가스도 냉각됨으로써, 냉동 능력의 감소를 방지하면서, 2차측 냉매의 냉각이나 응축을 실시하는 것이 가능해진다. 즉, 임계 상태로 공급되는 탄산 가스에 대해, 팽창 밸브(106)에 의한 압력 상당 포화 온도와 실측 온도로부터 얻어지는 과열 온도에 의한 과열도 제어를 하는 것만으로, 임계 상태시에 안정된 운전을 실현할 수 있다.

본 발명에 따르면, 다수의 플레이트 핀을 코일이 관통하는 플레이트 핀 코일체를 쉘 내에 설치하도록 했기 때문에, 코일 내의 열 매체와 쉘 내의 열 매체의 열 교환이 양호하게 이루어지게 되며, 열 교환의 효율이 향상되기 때문에, 각종 열 교환의 분야에 적합하다. 특히, 기체의 응축이나 냉각에 유효하다.

100：1차 냉각 시스템
102：응축기
104：리시버 탱크
106：팽창 밸브
108：냉동기
200：2차 냉각 시스템
202：유닛 쿨러
204：냉동기
206：팽창 밸브
208：안전 밸브
300：열 교환기
310：쉘
312：원통부
320：플레이트 핀 코일체
322：코일
323：회로 출구 코일
324：플레이트 핀
330：부착부
332：볼트 및 너트 수단
340：분배기(분류기)
342：석션 헤더(합류 매니폴드)
350：도입구
351, 353：바이메탈 커플러
352：도출구
360：도입구
362：도출구
520：플레이트 핀 코일체
522：코일
524：플레이트 핀

Claims

1차 열 매체와 2차 열 매체의 사이에서 열 교환을 실시하는 열 교환기에 있어서,
상기 1차 열 매체가 공급되는 코일이 다수의 플레이트 핀을 관통하는 플레이트 핀 코일체를, 상기 2차 열 매체가 공급되는 쉘 내에 설치한 것을 특징으로 하는 열 교환기.

제 1 항에 있어서,
상기 코일을 복수의 회로에 의해서 구성하는 동시에,
상기 복수의 회로에 1차 열 매체를 도입할 때에, 각 회로에 1차 열 매체를 분류(分流)하기 위한 분류 수단과,
각 회로에서 열 교환을 실시한 1차 열 매체를 합류하는 합류 수단
을 구비한 것을 특징으로 하는 열 교환기.

제 2 항에 있어서,
상기 분류 수단과 상기 합류 수단을, 상기 쉘 내에 배치한 것을 특징으로 하는 열 교환기.

제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
1차 열 매체가, 복수의 회로의 코일 내에서, 비등 열 전달에 의해 2차 열 매체를 냉각·응축시키는 작용을, 밀봉한 쉘 내부에서 실시하는 것을 특징으로 하는 열 교환기.

제 1항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 쉘의 저부에 액화된 상기 2차 열 매체를 모아둠으로써, 리시버 탱크로서 기능시키도록 한 것을 특징으로 하는 열 교환기.