JP2015230156A - 隔離板式熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】低温側流体流路での圧力損失を小さくすることで加熱後の低温流体の流量を所望に確保できるようにした隔離板式熱交換器１、１ａを得る。【解決手段】隔離板式熱交換器１、１ａにおいて、低温側流体流路６を構成する入口側流路６ａの入口部の開口面積Ｓ１と出口側流路６ｃの出口部の開口面積Ｓ２とを、Ｓ１＜Ｓ２の関係とする。好ましくは、設計値での低温流体の流入温度をＴ１、熱交換後の出口温度をＴ２としたときに、Ｓ１／Ｓ２≦Ｔ１／Ｔ２となるようＳ１とＳ２の値を設定する。【選択図】図１

Description

本発明は隔離板式熱交換器に関する。

隙間をあけて平行に配置される複数枚の矩形状の隔離板の間に、高温流体のための流路と低温流体のための流路を交互に形成し、高温流体と低温流体との間で隔離板を介して熱交換を行うようにした隔離板式熱交換器は知られている。

製造が容易であり、より小さい面積で高い熱交換効率を挙げることのできる隔離板式熱交換器が特許文献１に記載されている。そこでは、隙間をあけて平行に配置される複数枚の矩形状の隔離板と、隣接する隔離板間に配置される蛇腹状の仕切り板によって形成される高温側流体流路と、隣接する隔離板間に配置される蛇腹状の仕切り板によって形成され前記高温側流体流路と交互に位置するように配置された低温側流体流路と、前記高温側流体流路に高温流体を供給する高温側入口ヘッダーと、高温側流体流路から排出される高温流体を集合するための高温側出口ヘッダーと、前記低温側流体流路に低温流体を供給する低温側入口ヘッダーと、低温側流体流路から排出される低温流体を集合するための低温側出口ヘッダーとを備えており、前記高温側流体流路は隔離板の長手方向に沿う直線状の流路であり、前記低温側流体流路は、前記高温側流体流路に交差する方向に走る入口側流路と、前記入口側流路の出口側に接続しており前記高温側流体流路と同方向に走る中間流路と、前記中間流路の出口側に接続しており前記高温側流体流路に交差する方向に走る出口側流路とで構成されている。

実開平０２−１４０１７２号公報

上記した形態の隔離板式熱交換器において、低温流体が流入する低温側流体流路の入口側流路の開口面積と、熱交換後の低温流体が流出する出口側流路の開口面積はほぼ同じ面積とされるか、入口側流路の開口面積よりも出口側流路の開口面積が小さくされるのが一般的である。その理由は、低温流体が低温側流体流路内を流れるときの流速に制限を加えて高温流体との熱交換が確実に進行するようにするためである。しかし、低温流体と高温流体との熱交換が確実に進行する一方において、低温流体は熱交換により膨張することもあって、入口側と出口側とで無視できない圧力損失が生じるのを避けられない。多くの場合、熱交換後の低温流体は燃焼用空気として使用されるが、圧力損失に起因して出口側から流出する熱交換後の低温流体の流量低下が生じることから、改善が求められていた。また、所要の圧力損失が生じることを前提とした運転下で、所望の流量の熱交換後の低温流体を得ようとすると、隔離板式熱交換器に大きな躯体強度が求められるため、装置自体の大型化や重量化が避けられず、課題となっていた。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、隔離板式熱交換器において、低温流体が熱交換器内を流れるときの圧力損失を小さくすることで、所望の流量の熱交換後の低温流体を得やすくするとともに、装置自体の小型化と軽量化を達成することのできる隔離板式熱交換器を提供することを課題とする。

本発明による隔離板式熱交換器は、隙間をあけて平行に配置される複数枚の矩形状の隔離板と、隣接する隔離板間に配置される蛇腹状の仕切り板によって形成される高温側流体流路と、隣接する隔離板間に配置される蛇腹状の仕切り板によって形成され前記高温側流体流路と交互に位置するように配置された低温側流体流路と、前記高温側流体流路に高温流体を供給する高温側入口ヘッダーと、高温側流体流路から排出される高温流体を集合するための高温側出口ヘッダーと、前記低温側流体流路に低温流体を供給する低温側入口ヘッダーと、低温側流体流路から排出される低温流体を集合するための低温側出口ヘッダーとを備えており、前記高温側流体流路は隔離板の長手方向に沿う直線状の流路であり、前記低温側流体流路は、前記高温側流体流路に交差する方向に走る入口側流路と、前記入口側流路の出口側に接続しており前記高温側流体流路と同方向に走る中間流路と、前記中間流路の出口側に接続しており前記高温側流体流路に交差する方向に走る出口側流路とで構成されている隔離板式熱交換器であって、前記低温側流体流路を構成する前記入口側流路の入口部の開口面積Ｓ１と出口側流路の出口部の開口面積Ｓ２とは、Ｓ１＜Ｓ２の関係とされていることを特徴とする。

本発明による隔離板式熱交換器では、低温流体の入口側の有効面積よりも出口側での有効面積が広くなっており、圧力損失の少ない状態で、熱交換によって膨張した低温流体を隔離板式熱交換器外に排出することができる。従って、所望の流量の熱交換後の低温流体を得やすくなる。また、装置内で発生する圧力差を小さくすることができるので、躯体の設計最大耐圧強度を低く見積もることができ、装置の小型化、軽量化が可能となる。

本発明による隔離板式熱交換器の一態様は、設計値での低温流体の流入温度をＴ１、熱交換後の出口温度をＴ２としたときに、Ｓ１／Ｓ２≦Ｔ１／Ｔ２となるようにＳ１とＳ２の値が設定されていることを特徴とする。

本発明による隔離板式熱交換器の一態様では、前記低温側入口ヘッダーと低温側出口ヘッダーは前記高温側流体流路である直線状の流路の下流側と上流側において離板式熱交換器の同じ側面側に位置していることを特徴とする。この形態の隔離板式熱交換器では、低温側流体流路は全体としてコ字状をなしている。

本発明による隔離板式熱交換器の一態様では、前記低温側入口ヘッダーと低温側出口ヘッダーは前記高温側流体流路である直線状の流路の下流側と上流側において直線状の流路を挟んで離板式熱交換器の対向する側面にそれぞれ位置していることを特徴とする。この形態の隔離板式熱交換器では、低温側流体流路は全体としてＺ字状あるいはＳ状をなしている。

本発明による隔離板式熱交換器の一態様では、前記した全体としてコ字状をなしている低温側流体流路を備える隔離板式熱交換器において、前記低温側入口ヘッダーへの低温流体の流入部を高温流体の流れ方向のより下流側に偏位して配置し、低温側出口ヘッダーからの低温流体の流出部を高温流体の流れ方向のより上流側に偏位して配置していることを特徴とする。本発明者らのシミュレーションによる結果では、この態様では、低温側入口ヘッダーへの低温流体の流入部および低温側出口ヘッダーからの低温流体の流出部を、それぞれ中央部に配置した場合と比較して、熱交換効率が向上する。

本発明による隔離板式熱交換器の一態様では、前記した全体としてコ字状をなしている低温側流体流路を備える隔離板式熱交換器において、さらに、前記高温側入口ヘッダーへの高温流体の流入部および高温側出口ヘッダーからの高温流体の流出部を前記低温側入口ヘッダーと前記低温側出口ヘッダーが配置されている側面側に偏位して配置したことを特徴とする。本発明者らのシミュレーションによる結果では、この態様では、前記高温側入口ヘッダーへの高温流体の流入部および高温側出口ヘッダーからの高温流体の流出部を、それぞれ中央部に配置した場合と比較して、熱交換効率が向上する。

本発明による隔離板式熱交換器の一態様では、前記した全体としてＺ字状あるいはＳ状をなしている低温側流体流路を備える隔離板式熱交換器において、さらに、前記低温側入口ヘッダーへの低温流体の流入部を高温流体の流れ方向のより下流側に偏位して配置し、低温側出口ヘッダーからの低温流体の流出部を高温流体の流れ方向のより上流側に偏位して配置していることを特徴とする。本発明者らのシミュレーションによる結果では、この態様では、低温側入口ヘッダーへの低温流体の流入部および低温側出口ヘッダーからの低温流体の流出部を、それぞれ中央部に配置した場合と比較して、熱交換効率が向上する。

本発明によれば、熱交換時に内部で発生する圧力損失をより少なくすることのできる隔離板式熱交換器が得られる。結果として、所望の流量の熱交換後の低温流体を得やすくなる。また、装置内で発生する圧力差を小さくすることができるので、躯体の設計最大耐圧強度を低く見積もることができ、小型軽量化した隔離板式熱交換器が得やすくなる。

本発明による隔離板式熱交換器の第１実施形態を示す側面図。 図１に示す隔離板式熱交換器の上面図。 図１に示す隔離板式熱交換器での高温側流体流路を説明するための平面図。 図１に示す隔離板式熱交換器での低温側流体流路を説明するための平面図。 図１のＶ−Ｖ線に沿う断面図。 本発明による隔離板式熱交換器の第２実施形態を示す側面図 図６に示す隔離板式熱交換器での低温側流体流路を説明するための平面図。 シミュレーションによる結果を示す図と表。 シミュレーションによる結果を示すグラフ。 シミュレーションの対象とした隔離板式熱交換器の第１の模式図。 シミュレーションの対象とした隔離板式熱交換器の第２の模式図。 シミュレーションの対象とした隔離板式熱交換器の第３の模式図。 シミュレーションの対象とした隔離板式熱交換器の第４の模式図。 シミュレーションの対象とした隔離板式熱交換器の第５の模式図。 シミュレーションの対象とした隔離板式熱交換器の第６の模式図。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。

［第１の実施の形態］
隔離板式熱交換器１は、図１、図２に示すように、ほぼ直方体状であり、側面視でほぼ矩形状をなしている。隔離板式熱交換器１は、図５に示すように、矩形状である表板２と裏板２ａを備え、その間には、やはり矩形状である適数枚（３０枚〜５０枚程度）の隔離板３が、隙間をおいて平行に積層された隔離板積層体４の状態で挟持されている。そして、隔離板積層体４における図で上下に隣接する隔離板３、３の間には、高温側流体流路５と低温側流体流路６とが、積層方向に交互に形成されている。

高温側流体流路５は、隔離板３の長手方向の全長にわたって直線状に形成された流路であり、図３および図５に示すように、隔離板３の上面にろう付け等の適宜の手段で固定された蛇腹状の仕切り板５１によって形成されている。低温側流体流路６は、前記高温側流体流路５を形成した隔離板３の上位または下位に位置する隔離板３に形成される流体流路であり、図４および図５に示すように、やはり隔離板３の上面にろう付け等の適宜の手段で固定された蛇腹状の仕切り板５１によって形成されている。

高温側流体流路５の全体が直線状の流路であるのに対して、低温側流体流路６は、全体としてＳ字状あるいはＺ字状の流路をなしている。すなわち、低温側流体流路６は、図４に示すように、隔離板３の一方側（図では右側）に入口部７を持つ、前記高温側流体流路５に直交する方向の入口側流路６ａと、前記入口側流路６ａの出口側に接続しており前記高温側流体流路５と同じ方向に走る中間流路６ｂと、隔離板３の他方側（図では左側）に出口部８を持つ、前記中間流路６ｂの出口側に接続しており前記高温側流体流路５に交差する方向に走る出口側流路６ｃとの３つの流路部分で構成されている。そして、入口側流路６ａの流体入口部７の長さ（横幅）よりも、出口側流路６ｃの流体出口部８の長さ（横幅）は大きくされている。なお、図示のものでは、入口側流路６ａの出口側と中間流路６ｂとの接続部、および中間流路６ｂの出口側と出口側流路６ｃとの接続部は直線状にされているが、曲線状であっても良く、低温側流体流路６の全体が曲線的に形成されていてもよい。

高温側流体流路５を形成した隔離板３の長手方向の両側は、図３に示すように、流体流路の高さと同じ高さの側部ブロック１０によって閉鎖されており、低温側流体流路６を形成した隔離板３の短手方向の両側も流体流路の高さと同じ高さの側部ブロック１０によって閉鎖されている。さらに、隔離板３の長手方向の両側も、入口側流路６ａの入口部７と出口側流路６ｃの出口部８を除いて、図４に示すように流体流路の高さと同じ高さの側部ブロック１０によって閉鎖されている。

図５に示すように、上記のようにして形成された高温側流体流路５を有する隔離板３と低温側流体流路６を有する隔離板３とが交互に適数層だけ積層されることで、隔離板式熱交換器１の本体部分が構成される。そして、図１に示すように、高温側流体流路５の流体入口側には、高温流体を供給するための高温側入口ヘッダー２１が、高温側流体流路５の流体出口側には、高温側流体流路５から排出される高温流体を集合するための高温側出口ヘッダー２２が取り付けられる。また、低温側流体流路６の流体入口７側には、低温流体を供給するための低温側入口ヘッダー３１が、また、低温側流体流路６の流体出口８側には、低温側流体流路６から排出される低温流体を集合するための低温側出口ヘッダー３２が取り付けられる。

高温側入口ヘッダー２１に面する高温側流体流路５の入口部の有効面積と高温側出口ヘッダー２２に面する高温側流体流路５の出口部の有効面積は等しい。しかし、図１に示すように、低温側入口ヘッダー３１に面する低温側流体流路６の入口側流路６ａの入口部の有効面積Ｓ１よりも、低温側出口ヘッダー３２に面する低温側流体流路６の出口側流路６ｃの出口部の有効面積Ｓ２は、広くなっている。

高温側入口ヘッダー２１のほぼ中央部には先端に接続用フランジ２３を備えた高温流体流入管２５が接続しており、高温側出口ヘッダー２２のほぼ中央部には先端に接続用フランジ２４を備えた高温流体流出管２６が接続している。また、低温側入口ヘッダー３１のほぼ中央部には先端に接続用フランジ３３を備えた低温流体流入管３５が接続しており、低温側出口ヘッダー３２のほぼ中央部には先端に接続用フランジ３４を備えた低温流体流出管３６が接続している。

次に、隔離板式熱交換器１の作動を説明する。熱交換に当たっては、図示しない配管が接続用フランジ２３を介して高温流体流入管２５に接続され、該配管を通して高温ガスである高温流体が隔離板式熱交換器１に供給される。高温流体は高温側入口ヘッダー２１内に拡散した後、全ての高温側流体流路５内に流入し、図１で実線の矢印で示す方向に流れながらそこを通過し、高温側出口ヘッダー２２内に集められる。そして、高温流体流出管２６を通り、接続用フランジ２４を介して接続した図示しない排出用配管を通って、機外に排出される。

一方、低温流体（例えば、環境空気）である低温流体は、接続用フランジ３３を介して低温流体流入管３５に接続された図示しない配管を通して、隔離板式熱交換器１に導入される。導入された低温流体は低温側入口ヘッダー３１内に拡散した後、流体入口７から低温側流体流路６の全ての入口側流路６ａ内に流入し、その中を高温流体の流れ方向と直交する方向に流れながら、高温流体と熱交換して昇温する。昇温した低温流体は、続いて中間流路６ｂ内に流入する。そこでは、高温流体の流れ方向に対向かつ平行に流れながら、高温流体と熱交換をしてさらに昇温する。次いで、低温流体は出口側流路６ｃ内に流入してその中を前記高温流体の流れ方向と直交する方向に流れながら、さらに高温流体と熱交換して昇温する。昇温した低温流体の全ては、低温側出口ヘッダー３２内に集められた後、低温流体流出管３６を通り、接続用フランジ３４を介して接続した図示しない排出用配管を通って、熱利用部に供給される。

低温流体は低温側流体流路６内を通過する過程で、高温流体と熱交換し、次第に膨張していく。上記した隔離板式熱交換器１では、前記のように、低温側流体流路６を構成する入口側流路６ａの入口部７の開口面積Ｓ１を、出口側流路６ｃの出口部８の開口面積Ｓ２よりも小さく、すなわち、Ｓ１＜Ｓ２の関係としておくことにより、熱交換時に内部で発生する圧力損失をより少なくすることのでき、結果として、従来のこの種の隔離板式熱交換器と比較して、同じ流入量に対して、単位時間当たり、より多くの流量の熱交換後の低温流体を出口部８から排出することができる。また、内部で発生する圧力損失を小さくすることかできるので、設計躯体強度を小さくすることができ、隔離板式熱交換器の小型軽量化も可能となる。なお、後の［シミュレーションによる比較］の欄に示すように、Ｓ１＝Ｓ２とした場合と比較して最大で（平均で）圧力損失を約４０％程度小さくすることが可能となる。

Ｓ１＜Ｓ２の関係において、Ｓ１とＳ２の比率は任意であって良いが、より効果的な隔離板式熱交換器１を得ようとする場合には、設計値での低温流体の流入温度をＴ１、熱交換後の出口温度をＴ２としたときに、気体の膨張率は気体の温度とほぼ比例することから、Ｓ１／Ｓ２≦Ｔ１／Ｔ２となるようにＳ１とＳ２の値を設定することが推奨される。

［第２の実施の形態］
図６、図７は、本発明による隔離板式熱交換器の第２の実施の形態を示している。この隔離板式熱交換器１ａは、前記低温側入口ヘッダー３１と低温側出口ヘッダー３２とが、直線状の流路である高温側流体流路５の下流側と上流側において、離板式熱交換器１ａの同じ側面側（図示のものでは右側であるが、左側であってもよい）に位置している点で、第１の実施の形態である隔離板式熱交換器１と相違している。その点を除き、他の構成は隔離板式熱交換器１と同じであり、同じ符号を付すことで詳細な説明は省略する。

図７に示すように、隔離板式熱交換器１ａでは、低温側流体流路６は、Ｓ字状あるいはＺ字状ではなく、平面視でコ字状をなしている。すなわち、低温側流体流路６は、図７に示すように、隔離板３の一方側（図では右側）に入口部７を持つ、高温側流体流路５に直交する方向である入口側流路６ａと、前記入口側流路６ａの出口側に接続しており前記高温側流体流路５と同じ方向に走る中間流路６ｂと、隔離板３の同じ側（図では右側）に出口部８を持つ、前記中間流路６ｂの出口側に接続しており前記高温側流体流路５に交差する方向に走る出口側流路６ｃとの３つの流路部分で構成されている。そして、第１の実施の形態である隔離板式熱交換器１と同様、入口側流路６ａの流体入口部７の長さ（横幅）よりも、出口側流路６ｃの流体出口部８の長さ（横幅）は大きくされている。なお、ここでも、入口側流路６ａの出口側と中間流路６ｂとの接続部、および中間流路６ｂの出口側と出口側流路６ｃとの接続部は、直線状にされているが、曲線状であっても良く、低温側流体流路６の全体が曲線的に形成されていてもよい。

低温側流体流路６を形成する隔離板３の短手方向の両側は流体流路の高さと同じ高さの側部ブロック１０によって閉鎖されており、さらに、隔離板３の長手方向の側部であって入口部７および出口部８を形成していない側の全部と、入口部７および出口部８を形成している側であって、入口側流路６ａの入口領域部分と出口側流路６ｃの出口領域部分を除いた部分も、図７に示すように流体流路の高さと同じ高さの側部ブロック１０によって閉鎖されている。

第２の実施の形態である隔離板式熱交換器１ａにおいても、低温側流体流路６を構成する入口側流路６ａの入口部７の開口面積Ｓ１を、出口側流路６ｃの出口部８の開口面積Ｓ２よりも小さくしている、すなわち、Ｓ１＜Ｓ２の関係としていることで、隔離板式熱交換器１において説明したと同様に、熱交換時に内部で発生する圧力損失をより少なくすることができる。また、ここでも、設計値での低温流体の流入温度をＴ１、熱交換後の出口温度をＴ２としたときに、気体の膨張率は気体の温度とほぼ比例することから、ここでも、Ｓ１／Ｓ２≦Ｔ１／Ｔ２となるようにＳ１とＳ２の値を設定することが推奨される。

［シミュレーションによる比較−１］
次に、本発明による隔離板式熱交換器と従来公知の隔離板式熱交換器について、それぞれの低温側の圧力損失ΔＰについて演算した。その結果を図８（ａ）および図８（ｂ）に示した。

なお、図８（ａ）は、本発明による第１の実施の形態の隔離板式熱交換器１（低温側流体流路は全体としてＺ字状）と、従来公知の隔離板式熱交換器、すなわち、全体形状は第１の実施の形態の隔離板式熱交換器１と同じであるが、低温流体の流入部の面積と出口部の面積とが等しくされた隔離板式熱交換器Ｘ１と、低温流体の流入部の面積よりも出口部の面積とが小さくされた隔離板式熱交換器Ｘ２についてのそれぞれの低温側の圧力損失ΔＰを示している。

また、図８（ｂ）は、本発明による第２の実施の形態の隔離板式熱交換器１ａ（低温側流体流路は全体としてコ字状）と、全体形状は第２の実施の形態の隔離板式熱交換器１ａと同じであるが、低温流体の流入部の面積と出口部の面積とが等しくされた隔離板式熱交換器Ｙ１と、低温流体の流入部の面積よりも出口部の面積とが小さくされた隔離板式熱交換器Ｙ２についてのそれぞれの低温側の圧力損失ΔＰを示している。
図８（ａ）、図８（ｂ）においての各符号の意味を表１に示す。

また、演算に当たり、高温側流体流路の流体入口の面積を１００とし、高温側流体流路の流体出口の面積、低温側流体流路の流体入口の面積、および低温側流体流路の流体出口の面積は、それぞれ、図８（ａ）、図８（ｂ）に示す１００に対する割合の数値として設定して、演算を行った。

図８（ａ）に示すように、従来形式の隔離板式熱交換器、すなわち、Ｘ１とＸ２において、低温側および高温側の熱交換効率では本発明による隔離板式熱交換器１とほぼ同じ値（７２〜７３％程度）となっているが、Ｘ１とＸ２において、低温側での圧力損失ΔＰは１１１３Ｐａ、１０８３Ｐａであり、本発明による隔離板式熱交換器１の圧力損失ΔＰ：６７９Ｐａと比較してほぼ６割程度の圧力損失となっている。

また、図８（ｂ）に示すように、従来形式の隔離板式熱交換器、すなわち、Ｙ１とＹ２においても、低温側および高温側の熱交換効率では本発明による隔離板式熱交換器１ａとほぼ同じ値（６５〜６７％程度）となっているが、Ｙ１とＹ２において、低温側での圧力損失ΔＰは１０７２Ｐａ、１１２１Ｐａであり、本発明による隔離板式熱交換器１ａの圧力損失ΔＰ：６７４Ｐａと比較してほぼ６割程度の圧力損失となっている。

このことから、本発明による形態の隔離板式熱交換器を用いれば、これまでの隔離板式熱交換器と比較して、熱交換効率はほぼ同じに維持しながら、低温側での圧力損失Δを大きく低減できることがわかる。そのことは、同じ条件で運転しても、熱交換後の低温側流体（例えば、加温された環境空気）の流量を、従来の隔離板式熱交換器と比較して、大きくできることを示しており、本発明の実使用上での優位性が示される。また、圧力損失Δが小さいことは、装置内に発生する最大圧力が低下することを意味しており、隔離板式熱交換器の躯体強度を低減できることも意味している。そのことは、本発明による形態の隔離板式熱交換器は、これまでの隔離板式熱交換器と比較して、熱交換効率はほぼ同じに維持しながら、小型軽量化できることを示している。

［シミュレーションによる比較−２］
次に、本発明による隔離板式熱交換器（第１の実施の形態の隔離板式熱交換器１と第２の実施の形態の隔離板式熱交換器１ａ）について、各ヘッダーに取り付けられる流体の流入部と流出部の位置を、各ヘッダーの中央部に取り付けた場合と、中央部以外の偏位した位置に取り付けた場合について、その熱交換効率の違いを調べた。その結果を、図９に示した。

図９において、「基準」として示したものは、図６と図７に基づき説明した隔離板式熱交換器１ａの場合であり、その模式図を図１０に示すように、高温側入口ヘッダー２１および高温側出口ヘッダー２２のほぼ中央部に図示しない気体導入用配管および気体排出用配管を接続し、低温側入口ヘッダー３１および低温側出口ヘッダー３２のほぼ中央部に図示しない気体導入用配管および気体排出用配管が接続した場合でのシミュレーション結果である。

図９において、「低温側変更」として示したものは、その模式図を図１１に示すように、高温側入口ヘッダー２１および高温側出口ヘッダー２２のほぼ中央部に図示しない気体導入用配管および気体排出用配管を接続しているが、低温側入口ヘッダー３１への気体導入用配管を高温流体の流れ方向のより下流側に偏位して配置させ、低温側出口ヘッダー３２からの気体排出用配管を高温流体の流れ方向のより上流側に偏位して配置させた場合でのシミュレーション結果である。

図９において、「高温側変更」として示したものは、その模式図を図１２に示すように、低温側入口ヘッダー３１および低温側出口ヘッダー３２はそのほぼ中央部に図示しない気体導入用配管および気体排出用配管を接続しているが、高温側入口ヘッダー２１への気体導入用配管および高温側出口ヘッダー２２からの気体排出用配管の取り付け位置を、低温側入口ヘッダー３１および低温側出口ヘッダー３２が配置されている側面側に偏位して配置させた場合でのシミュレーション結果である。

図９において、「高低両側変更」として示したものは、その模式図を図１３に示すように、高温側入口ヘッダー２１への気体導入用配管および高温側出口ヘッダー２２からの気体排出用配管の取り付け位置を、低温側入口ヘッダー３１および低温側出口ヘッダー３２が配置されている側面側に偏位して配置させ、かつ、低温側入口ヘッダー３１への気体導入用配管を高温流体の流れ方向のより下流側に偏位して配置させ、低温側出口ヘッダー３２からの気体排出用配管を高温流体の流れ方向のより上流側に偏位して配置させた場合でのシミュレーション結果である。

図９において、「Ｚ型基準」として示したものは、その模式図を図１４に示すように、図１〜図５に基づき説明した隔離板式熱交換器１、すなわち、低温側入口ヘッダー３１と低温側出口ヘッダー３２とが離板式熱交換器１の対向する側面に位置している形態のものにおいて、高温側入口ヘッダー２１および高温側出口ヘッダー２２のほぼ中央部に気体導入用配管および気体排出用配管を接続し、低温側入口ヘッダー３１および低温側出口ヘッダー３２のほぼ中央部に気体導入用配管および気体排出用配管が接続した場合でのシミュレーション結果である。

図９において、「Ｚ型低温側基準」として示したものは、その模式図を図１５に示すように、図１〜図５に基づき説明した隔離板式熱交換器１において、高温側入口ヘッダー２１および高温側出口ヘッダー２２のほぼ中央部に気体導入用配管および気体排出用配管を接続し、低温側入口ヘッダー３１への気体導入用配管を高温流体の流れ方向のより下流側に偏位して配置させ、図には現れないが、低温側出口ヘッダー３２からの気体排出用配管を高温流体の流れ方向のより上流側に偏位して配置させた場合でのシミュレーション結果である。

［シミュレーション結果に対する考察］
図９からわかるように、各ヘッダーに対する気体導入用配管および気体排出用配管の取り付け位置を、中央部とするかいずれかに偏位した場所とするかで熱交換効率が変わってくる。

「低温側変更」のケースでは、低温側入口ヘッダー３１への気体導入用配管を高温流体の流れ方向のより下流側に偏位して位置させ、低温側出口ヘッダー３２からの気体排出用配管を高温流体の流れ方向のより上流側に偏位して位置させることにより、高温流体との有効熱交換面積を「基準」のものと比較してより大きくすることができ、さらに、「低温側変更」の高温流体は「基準」のものに比べて、図７における中間流路６ｂの左側を通過しやすくなり、低温流体から外気への放熱損失が低下した結果である。

「高温側変更」のケースでは、高温側入口ヘッダー２１への気体導入用配管および高温側出口ヘッダー２２からの気体排出用配管の取り付け位置を、低温側入口ヘッダー３１および低温側出口ヘッダー３２が配置されている側面側に偏位して配置させたことにより、コ字状をなして流れる低温流体に対しての高温流体からの熱伝導がより効率的に進行する結果である。

「高低両側変更」のケースでは、前記「低温側変更」のケースと「高温側変更」のケースの双方の利点が相乗したことで、より高い熱交換効率が得られている。

「Ｚ型基準」のケースでは、低温流体が流路内で偏位せずに流れるため高温流体との温度差が流路全体で大きくなることとで、「基準」のものと比較して、熱交換効率が向上している。

「Ｚ型低温側変更」のケースでは、「Ｚ型基準」のものにおいて、低温側入口ヘッダー３１への気体導入用配管を高温流体の流れ方向のより下流側に偏位して位置させ、低温側出口ヘッダー３２からの気体排出用配管を高温流体の流れ方向のより上流側に偏位して位置させることで、高温流体との有効熱交換面積をより大きくすることができた結果である。

１、１ａ…隔離板式熱交換器、
５…高温側流体流路、
６…低温側流体流路、
６ａ…入口側流路、
６ｂ…中間流路、
６ｃ…出口側流路、
７…入口側流路の入口部、
８…出口側流路の出口部
Ｓ１…低温側流体流路の入口部の開口面積、
Ｓ２…低温側流体流路の出口部の開口面積、
２１…高温側入口ヘッダー、
２２…高温側出口ヘッダー、
３１…低温側入口ヘッダー、
３２…低温側出口ヘッダー。

Claims (7)

1. 隙間をあけて平行に配置される複数枚の矩形状の隔離板と、隣接する隔離板間に配置される蛇腹状の仕切り板によって形成される高温側流体流路と、隣接する隔離板間に配置される蛇腹状の仕切り板によって形成され前記高温側流体流路と交互に位置するように配置された低温側流体流路と、前記高温側流体流路に高温流体を供給する高温側入口ヘッダーと、高温側流体流路から排出される高温流体を集合するための高温側出口ヘッダーと、前記低温側流体流路に低温流体を供給する低温側入口ヘッダーと、低温側流体流路から排出される低温流体を集合するための低温側出口ヘッダーとを備えており、前記高温側流体流路は隔離板の長手方向に沿う直線状の流路であり、前記低温側流体流路は、前記高温側流体流路に交差する方向に走る入口側流路と、前記入口側流路の出口側に接続しており前記高温側流体流路と同方向に走る中間流路と、前記中間流路の出口側に接続しており前記高温側流体流路に交差する方向に走る出口側流路とで構成されている隔離板式熱交換器であって、
   前記低温側流体流路を構成する前記入口側流路の入口部の開口面積Ｓ１と出口側流路の出口部の開口面積Ｓ２とは、Ｓ１＜Ｓ２の関係とされていることを特徴とする隔離板式熱交換器。
2. 設計値での低温流体の流入温度をＴ１、熱交換後の出口温度をＴ２としたときに、Ｓ１／Ｓ２≦Ｔ１／Ｔ２となるようにＳ１とＳ２の値が設定されていることを特徴とする請求項１に記載の隔離板式熱交換器。
3. 前記低温側入口ヘッダーと低温側出口ヘッダーは前記高温側流体流路の下流側と上流側において離板式熱交換器の同じ側面側に位置していることを特徴とする請求項１または２に記載の隔離板式熱交換器。
4. 前記低温側入口ヘッダーへの低温流体の流入部を高温流体の流れ方向のより下流側に偏位して配置し、低温側出口ヘッダーからの低温流体の流出部を高温流体の流れ方向のより上流側に偏位して配置していることを特徴とする請求項３に記載の隔離板式熱交換器。
5. 前記高温側入口ヘッダーへの高温流体の流入部および高温側出口ヘッダーからの高温流体の流出部を前記低温側入口ヘッダーと前記低温側出口ヘッダーが配置されている側面側に偏位して配置していることを特徴とする請求項３または４に記載の隔離板式熱交換器。
6. 前記低温側入口ヘッダーと低温側出口ヘッダーは前記高温側流体流路である直線状の流路の下流側と上流側において直線状の流路を挟んで離板式熱交換器の対向する側面にそれぞれ位置していることを特徴とする請求項１または２に記載の隔離板式熱交換器。
7. 前記低温側入口ヘッダーへの低温流体の流入部を高温流体の流れ方向のより下流側に偏位して配置し、低温側出口ヘッダーからの低温流体の流出部を高温流体の流れ方向のより上流側に偏位して配置していることを特徴とする請求項４に記載の隔離板式熱交換器。

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