WO2018066128A1 - 熱交換器 - Google Patents
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Abstract
Description
図1に示す熱交換器100は、低温の液化ガスと熱媒との熱交換により、液化ガスの冷熱を利用して熱媒を冷却するための装置(熱交換器)である。
次に、図3~図5を参照して、個々の流路層2(第1流路10、第2流路20、調整層30)の構造について説明する。なお、複数の第1流路10同士、複数の第2流路20同士、複数の調整層30同士は、それぞれ、同一形状を有している。図1から分かるように、第1流路10、第2流路20および調整層30(各流路層2)は、流体の入口や出口の位置が異なるのみで、平面形状(XY方向の形状)は略共通である。第1流路10、第2流路20および調整層30は、共に、幅W1、長さL1(図3~図5参照)を有している。一方、図2に示したように、第1流路10の高さH1、第2流路20の高さH2、調整層30の高さH3は、互いに一致していてもよいし、互いに異なっていてもよい。上記の通り、第1流路10、第2流路20および調整層30は、それぞれ、平面状の流路層2により構成されるとともに内部に伝熱フィン3(後述する伝熱フィン13、23、34)を有している。
図3に示すように、第1流路10は、X2側端面に設けられた入口(開口部)11と、X1側端面に設けられた出口(開口部)12とを含み、X方向に延びる直線状流路として形成されている。図3の構成例では、第1流体7は、入口11から出口12に向けてX1方向に流れる。
図4に示すように、第2流路20は、Y2側端面のX1側端部に設けられた入口(開口部)21と、Y1側端面のX2側端部に設けられた出口(開口部)22とを含み、X方向に延びる直線状流路として形成されている。図4の構成例では、第2流体8は、入口21から出口22に向けてX2方向に流れる。したがって、本実施形態の熱交換器100は、第1流体7の流通方向(X1方向)と、第2流体8の流通方向(X2方向)とが互いに反対方向になる対向流型の熱交換器である。
図5に示すように、本実施形態の調整層30は、平面視で第1流路10および第2流路20と一致する形状を有する流路層2として構成されている。一方、本実施形態の調整層30は、流体が流通しない層となっている。すなわち、図5の調整層30は、全周がサイドバー4によって囲まれており、入口および出口が形成されていない。調整層30は、中空構造を有する。なお、図5では調整層30の内部が完全に閉じているように図示しているが、調整層30は、真空状態(低圧状態)または所定の気体を充填した状態で気密封止されていてもよいし、一部が外部と連通して調整層30の内外が同じ雰囲気になるように構成されてもよい。図2に示したように、調整層30が設けられることにより、単純に第1流路10と第2流路20との間をチューブプレート5により仕切る場合と比べて、第1流路10と第2流路20との間の伝熱性能が低下する。つまり、調整層30は、第1流路10と第2流路20との間で、(第1流路10と第2流路20とが直接隣接する場合と比べて)熱交換量を減少させるように調整する機能を有する。
本実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
次に、図7~図10を参照して、本実施形態による熱交換器100の効果についてシミュレーション結果を用いて説明する。シミュレーションでは、熱交換器を通過する間の第1流体7および第2流体8の温度変化を算出し、流体が所定の目標温度に達するまで(所定の熱交換量が得られるまで)に必要となる流路長さを求めた。
図7~図10の共通の傾向として、液体水素は、液相で入口に流入した後、沸点(-242.5℃)で気液混相となり、潜熱分だけ温度一定の状態が継続した後、気相状態で再度温度上昇する。チューブプレート5の表面温度は、水素が気液混相の状態で最も低くなった。つまり、第2流路20の内、気液混相領域(L+V)と重なる位置にある部分で、不凍液(第2流体8)の凍結発生リスクが最も高まる。
本実施形態の熱交換器100の流路長さを1とした場合、比較例1では0.38、比較例2では1.18、比較例3では0.99となった。つまり、同じ熱量を移動させるために必要な流路長さは、比較例1<比較例3<本実施形態<比較例2の順となる。
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更(変形例)が含まれる。
7 第1流体(液化ガス)
8 第2流体(熱媒)
10 第1流路
20 第2流路
30、130 調整層
31 第1部分
32 第2部分
33 熱伝導部
34(34a、34b) 伝熱フィン
35 縦板部(フィン部)
50 リスク領域
100、200、300 熱交換器
P3、P4 縦板部間のピッチ(フィン部間の間隔)
t1、t2 縦板部の厚み
X 第1流体の流通方向
Claims (10)
- 第1流体を流通させる第1流路と、
第2流体を流通させる第2流路と、
互いに隣接する前記第1流路と前記第2流路との間に配置され、前記第1流路と前記第2流路との間の熱交換量を調整する調整層とを備え、
前記調整層は、第1部分と、前記第1部分よりも伝熱性能が低い第2部分とを含み、前記調整層内の位置に応じて異なる伝熱性能を有するように構成されている、熱交換器。 - 前記第2部分は、前記調整層のうち、前記第2流路の入口または出口の近傍と重なる部分を含む所定範囲に設けられている、請求項1に記載の熱交換器。
- 前記第2流路は、内表面温度が前記第1流体の温度に最も近付くリスク領域を含んでおり、
前記第2部分は、前記調整層のうち、前記第2流路の前記リスク領域と重なる部分を含む所定範囲に配置されている、請求項1に記載の熱交換器。 - 前記調整層は、隣接する前記第1流路と前記第2流路との間を接続する熱伝導部を含み、
前記第1部分および前記第2部分は、それぞれ、異なる伝熱性能を有する前記熱伝導部を含んでいる、請求項1に記載の熱交換器。 - 前記熱伝導部は、前記調整層における単位面積当たりの密度が異なることにより、異なる伝熱性能を有する、請求項4に記載の熱交換器。
- 前記第1流路、前記第2流路および前記調整層は、それぞれ、平面状の流路層により構成されるとともに内部に伝熱フィンを有し、
前記熱伝導部は、前記調整層内に配置された前記伝熱フィンにより構成され、前記伝熱フィンの各々のフィン部間の間隔、または前記フィン部の厚みの少なくとも一方が異なることにより、異なる伝熱性能を有する、請求項4に記載の熱交換器。 - 前記調整層は、前記第1流路と前記第2流路との間に配置され、熱交換時以外で内部に流体を流通させることが可能な中空の流路構造を有する、請求項1に記載の熱交換器。
- 前記第1流体は、前記第1流路内で蒸発される低温の液化ガスであり、
前記第2流体は、液化ガスにより冷却される液状の熱媒である、請求項1に記載の熱交換器。 - 前記第1部分は、前記調整層のうち、前記第1流路を流れる前記第1流体の気相領域と重なる範囲に配置されており、
前記第2部分は、前記調整層のうち、前記第1流路を流れる前記第1流体の気液混相領域と重なる範囲に配置されている、請求項8に記載の熱交換器。 - 前記調整層は、前記第2流路中の前記第2流体に凍結が発生した場合に、熱交換時以外で前記第2流体の凍結を解消するための熱媒が供給されるように構成されている、請求項7に記載の熱交換器。
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