JP2017096617A - 熱交換器 - Google Patents

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Abstract

【課題】熱交換器を提供する。【解決手段】熱交換器は、フレームと、中空構造であり、フレームに内設され、フレームが低温管路及び高温管路に分けられる仕切り板と、フレーム内に並んで配列されると共に仕切り板を貫通させることにより、蒸発区及び凝固区に分けられ、蒸発区は前記フレームの高温管路に位置され、凝固区はフレームの低温管路に位置される複数のヒートパイプとを備える。仕切り板の中空構造内は気圧の入力に用いられ、気圧は低温管路及び高温管路の気圧より高くなっている。【選択図】図２

Description

本発明は、熱交換器に関し、より詳しくは、高温管路の高温のガスが低温管路に漏れるのを防止させる熱交換器に関する。
工業分野では高温が応用される機会が多くある。高温の排気の問題について言えば、排出されるガスの温度が非常に高く、大気中に直接排気されると大気中の炭素濃度が上昇するのみならず、環境に悪影響のあるヒートアイランド現象を引き起こし、空気が汚染され、視界も悪くなった。また、高温の熱エネルギーが大気中に直接排出されることは、資源の浪費でもあった。このため、現在の高温の排気の慣習的な処理方式として、高温の排気を排出する前に熱交換器を利用して冷却処理を施し、同時に熱源を採取して再利用する方式がある。
従来の廃熱ガスの処理に応用される熱交換器は、流体回路が利用され、且つ前記回路内には液体媒体が添加され、前記回路は高温管路及び低温管路に跨設され、２つの管路の間は仕切り板により分割され、独立した２つのガス経路が形成される。
上述の熱交換器は通常工業分野における煙道から排気される廃熱の回収に応用され、その操作において、煙道の高温の排気は高温管路に流通され、熱伝導及び対流作用により流体回路に輸送され、流体回路中の液体媒体により熱源が吸収された後に気化され、回路の低温管路まで上昇してゆく。回路の管壁内は低温であるため凝固されて液体状態を回復させて、回路の下方の高温管路まで再度流される。
しかしながら、前述した従来の熱交換器では、即ち、従来の仕切り板は共に中実な仕切り板として設計されており、２つの管路の間の冷風及び熱風が、ヒートパイプにより貫通される仕切り板の箇所の隙間から流れ出し、高温管路と低温管路との間の温度に影響を及ぼした。
そこで、本発明者は上記の欠点が改善可能と考え、鋭意検討を重ねた結果、合理的設計で上記の課題を効果的に改善する本発明の熱交換器の提案に到った。
本発明は、このような従来の問題に鑑みてなされたものである。上記課題解決のため、本発明は、熱交換器の中間部に設置される仕切り板が中空構造を有し、中空構造は高温管路及び低温管路の気圧より高い気圧の入力に用いられ、これにより、中空構造の気圧が高温管路及び低温管路の気圧より高くなり、高温管路及び低温管路のガスがヒートパイプにより貫通される仕切り板の箇所の隙間から流れ出さなくなり、高温管路及び低温管路の温度が互いに作用し合うことがなくなる、熱交換器を提供することを主目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するための本発明に係る熱交換器は、フレームと、中空構造であり、前記フレームに内設され、フレームが低温管路及び高温管路に分けられる仕切り板と、前記フレーム内に並んで配列されると共に前記仕切り板を貫通させることにより、蒸発区及び凝固区に分けられ、前記蒸発区は前記フレームの高温管路に位置され、前記凝固区は前記フレームの低温管路に位置される複数のヒートパイプとを備え、前記仕切り板の中空構造内は気圧の入力に用いられ、前記気圧が前記低温管路及び前記高温管路の気圧より高いことを特徴とする。
本発明の熱交換器は、フレームに設置される仕切り板が中空構造を有し、中空構造が高温管路及び低温管路の気圧より高い気圧の入力に用いられ、高温管路及び低温管路のガスがヒートパイプにより貫通される仕切り板の箇所の隙間から流れ出さなくなり、高温管路及び低温管路の温度が安定的に制御され、熱交換効率が向上する。
本発明の一実施形態に係る熱交換器を示す外観斜視図である。 本発明の仕切り板を示す断面図である。 本発明の熱交換器を使用する概略図である。
本発明における好適な実施の形態について、添付図面を参照して説明する。尚、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を限定するものではない。また、以下に説明される構成の全てが、本発明の必須要件であるとは限らない。さらに、これら前記図面においては本発明に係る部材のみを図示し、且つ図示する部材は実施における数量、形状、サイズの比率等に基づいて描写しているわけではなく、実際の実施においては規格やサイズは任意で設計可能であることを先に明記する。
図１は本発明の一実施形態に係る熱交換器を示す外観斜視図であり、図２は本発明の仕切り板を示す断面図である。
熱交換器１００は、フレーム１１０と、仕切り板１２０と、複数のヒートパイプ１３０とを備える。仕切り板１２０はフレーム１１０内に設置され、フレーム１１０が低温管路１１１及び高温管路１１２に分けられる。低温管路１１１は冷気９１０を通過させるために用いられる。高温管路１１２は熱風９２０を通過させるために用いられる。これら前記ヒートパイプ１３０は閉鎖される金属管であり、且つ内部には適量の液体の水１４０を有する。これら前記ヒートパイプ１３０は前記フレーム１１０内に並んで配列され、且つ前記仕切り板１２０を貫通し、各前記ヒートパイプ１３０が蒸発区１３１及び凝固区１３２に分けられる。
蒸発区１３１はフレーム１１０の高温管路１１２に位置される。凝固区１３２は前記フレーム１１０の低温管路１１１に位置される。上述の低温管路１１１及び高温管路１１２は独立した２つの流体経路であり、低温管路１１１は仕切り板１２０より上のフレーム１１０及びヒートパイプ１３０の凝固区１３２の部分を含み、高温管路１１２は仕切り板１２０より下のフレーム１１０及びヒートパイプ１３０の蒸発区１３１の部分を含む。
仕切り板１２０は中空構造であり、中空構造内は気圧１２１の入力に用いられ、気圧１２１は低温管路１１１及び高温管路１１２の気圧より高い。気圧１２１が高温管路及び低温管路の気圧より高いため、高温管路及び低温管路の間のガスがヒートパイプにより貫通される仕切り板の箇所の隙間から流れ出さなくなる。
より詳しくは、ヒートパイプ１３０が仕切り板１２０を貫通させる際に、貫通された箇所には微小な隙間が形成され、仕切り板１２０の中空構造内に入力される気圧が高温管路１１１及び低温管路１１２の気圧より高い場合、高温管路及び低温管路のガスは気圧１２１により阻害され、隙間を流通させて相互に影響を与えることがなくなる。
さらに、前記隙間を密封させるため、前記仕切り板１２０の箇所を貫通させるこれら前記ヒートパイプ１３０が高分子材料１６０により密封される。高分子材料１６０はテトラフルオロエチレンであり、且つ高分子材料１６０により仕切り板１２０の箇所を貫通させるヒートパイプ１３０がより緊密に密封される。
前記仕切り板１２０の箇所を貫通させるこれら前記ヒートパイプ１３０のヒートパイプ外表面１３３及び仕切り板表面１２３は共に粗造表面を有し、前記仕切り板の箇所を貫通させる前記ヒートパイプを密封させる高分子材料の密封強度が粗造表面により強化される。高分子材料により隙間が更に密封され、これにより、気圧により仕切り板の中空構造内に流れ込むガスの量が効果的に減少され、気圧の流入コストの消耗が抑えられ、且つ中空構造内の気圧が安定的に維持される。
また、ヒートパイプ１３０は等距離で配列され、且つ内部は真空状態になる。各ヒートパイプ１３０の表面には複数のフィン１５０が設置され、且つ放射状に配列される。各ヒートパイプ１３０の表面のこれら前記フィン１５０は隣接するこれら前記ヒートパイプ１３０の表面のこれら前記フィン１５０と交錯される。フィン１５０の設置によりヒートパイプ１３０の温度の伝導効率が補助され、且つ交錯されるように設置されるフィン１５０により空間の使用効率が向上する。
図３は本発明の熱交換器を使用する概略図である。
上述の構造により本発明に係る熱交換器１００が構成される。前記熱風９２０が前記フレーム１１０の高温管路１１２を流れる場合、仕切り板１２０の中空構造の気圧が高温管路１１２の気圧より高いため、熱風９２０は隙間を通って低温管路１１１の箇所に進入できなくなる。
反対に、冷気９１０が前記フレーム１１０の低温管路１１１を流れる場合、仕切り板１２０の中空構造の気圧が低温管路１１１の気圧より高いため、冷気９１０は隙間を通って高温管路１１２の箇所に進入できなくなる。これにより、高温管路及び低温管路の温度が効果的に安定化する。
なお、熱交換フローチャートにおいて、ヒートパイプ１３０の蒸発区１３１内の液体の水１４０により水蒸気１４１が形成され、且つ蒸発されてこれら前記ヒートパイプ１３０の凝固区１３２に流される。前記低温９１０が前記フレーム１１０の低温管路１１１を流れると、これら前記ヒートパイプ１３０の凝固区１３２の水蒸気１４１により液体の水１４２が形成され、且つこれら前記ヒートパイプ１３０の蒸発区１３１に流される。
更に詳しくは、本発明に係る熱交換器１００が操作されると、前述の冷却を待つ熱風９２０が高温管路１１２に流され、且つヒートパイプ１３０の蒸発区１３１に流される。低温管路１１１には冷気９１０が入力されてヒートパイプ１３０の凝固区１３２に流される。これにより、冷却を待つ熱風９２０が高温管路１１２を流れると、ヒートパイプ１３０の蒸発区１３１が熱気の高温の影響を受けて、熱エネルギーが熱伝導作用によりヒートパイプ１３０内に輸送される。
ヒートパイプ１３０中の液体の水１４０により熱エネルギーが吸収された後に気化作用が発生して水蒸気１４１に変換され、水蒸気１４１がヒートパイプ１３０の凝固区１３２（即ち、低温管路１１１中）まで上昇する。低温管路１１１中のヒートパイプ１３０の管壁の外のガスが低温の冷気９１０である場合、前記低温の作用により凝固区１３２まで上昇した水蒸気１４１が、凝固されて液体の水１４２状態を回復させ、前記液体の水１４２がヒートパイプ１３０の管壁に沿って下方の蒸発区１３１まで回流される （即ち、高温管路１１２中）。
高温管路１１２の蒸発区１３１及びヒートパイプ１３０が熱交換を行うことで冷却作用が達成され、ヒートパイプ１３０内の液体の水１４０が蒸発して水蒸気１４１となって凝固区１３２まで上昇した後、冷卻されて凝固されて液体の水１４２状態を回復させ、ヒートパイプ１３０の管壁に沿って蒸発区１３１まで流される。その後、熱気により加熱されて熱交換が反復されることで循環が構成される。
熱伝導の原理から分かるように、熱伝導のメカニズムは、主に相変化（二相）の熱伝導によるものであり、二相の熱伝導によりヒートパイプ１３０内の液体の水１４０が吸熱されて蒸発し、高速で圧力の低い凝固区１３２に向けて流れ、且つ熱エネルギーが放出されることで凝固されて液体の水１４２となり、前記液体の水１４２が毛管力及び重力により元の蒸発区１３１に流されることで１回の循環が完成する。ヒートパイプ１３０内の液体の水１４０の循環が反復することにより熱伝導の目的が達成される。ちなみに、ヒートパイプ１３０内部は真空状態を呈すると共に水を作動液とし、水は真空状態では熱伝導効率が有効的に高まる。
本発明に係る熱交換器１００の構造において、仕切り板１２０は中空構造であり、中空構造内は気圧１２１の入力に用いられ、且つ気圧１２１は前記低温管路及び前記高温管路の気圧より高く、冷熱管路の間のガスがヒートパイプにより貫通される仕切り板の箇所の隙間から流れ出さず、高温管路の温度が低温管路の温度に影響を与えない。
また、高分子材料１６０により前記仕切り板の箇所を貫通させるこれら前記ヒートパイプの隙間が密封され、前記仕切り板の箇所を貫通させるヒートパイプの密封性が高まり、仕切り板の中空構造内に流れ込む気圧が有効的に低下され、気圧の流入コストの消耗が減少され、且つ中空構造内の気圧が安定的に維持される。
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
１００ 熱交換器
１１０ フレーム
１１１ 低温管路
１１２ 高温管路
１２０ 仕切り板
１２１ 気圧
１２３ 仕切り板表面
１３０ ヒートパイプ
１３１ 蒸発区
１３２ 凝固区
１３３ ヒートパイプ外表面
１４０ 液体の水
１４２ 液体の水
１４１ 水蒸気
１５０ フィン
１６０ 高分子材料
９１０ 冷気
９２０ 熱風

Claims (9)

  1. フレームと、
    中空構造であり、前記フレームに内設され、フレームを低温管路及び高温管路に分ける仕切り板と、
    前記フレーム内に並んで配列されると共に前記仕切り板を貫通することにより、蒸発区及び凝固区に分け、前記蒸発区は前記フレームの高温管路に位置され、前記凝固区は前記フレームの低温管路に位置される複数のヒートパイプとを備え、
    前記仕切り板の中空構造内は気圧の入力に用いられ、前記気圧が前記低温管路及び前記高温管路の気圧より高いことを特徴とする、
    熱交換器。
  2. 高分子材料により前記仕切り板の箇所を貫通する複数の前記ヒートパイプが密封されることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器。
  3. 前記高分子材料はテトラフルオロエチレン（ｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ）であることを特徴とする、請求項２に記載の熱交換器。
  4. 前記仕切り板の箇所を貫通する複数の前記ヒートパイプのヒートパイプ外表面及び仕切り板表面は共に粗造表面を有することを特徴とする、請求項２に記載の熱交換器。
  5. 複数の前記ヒートパイプ内部は真空状態であることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器。
  6. 各前記ヒートパイプの表面には複数のフィンが設置されることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器。
  7. 各前記ヒートパイプの表面である複数の前記フィンは放射状に配列されることを特徴とする、請求項６に記載の熱交換器。
  8. 各前記ヒートパイプの表面である複数の前記フィンは隣接する複数の前記ヒートパイプの表面の複数の前記フィンと交錯されることを特徴とする、請求項６に記載の熱交換器。
  9. 複数の前記ヒートパイプは等距離で配列されることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器。
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