JP3191103U - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱気の冷却効率を高める熱交換器を提供する。【解決手段】熱交換器１００は、フレーム１１０と、フレームに内設され、かつ、フレームを、冷気９１０を通過させる冷気流路１１１と熱気９２０を通過させる熱気流路１１２に分けるスペーサー１２０と、フレーム内に並設されるとともに、内部に所定量の液相媒体が収容された、封止された金属管からなる複数のヒートパイプ１３０と、を有し、複数のヒートパイプのそれぞれは、スペーサーを貫通して配置されており、フレームの熱気流路に位置される蒸発領域とフレームの冷気流路に位置される凝結領域とを備える。【選択図】図１

Description

本考案は、熱交換器に関し、より詳しくは、工業分野における高温の熱気の冷却効率を高める熱交換器に関する。

工業分野では、金属冶金、ガラス工業、光電産業等の高温環境を利用するものが多く、これらは多量の廃液、廃水、排気ガス等を排出するため環境問題を引き起こす虞がある。高温の排気ガスの問題で言えば、排出されるガスの温度は非常に高く、大気中に直接放出されると、大気中の二酸化炭素の濃度が高まるのみならず、更にはヒートアイランド現象を引き起こし、空気が汚染されて視界も悪くなる。また、高温の熱エネルギーが大気中に直接放出されるのは資源の浪費にもなる。このため、現在高温の排気ガスの処理方法として、高温の排気ガスを放出する前に熱交換器を用いて冷却処理を施し、同時に熱エネルギーを再利用する方法がある。

また、従来の高温の排気ガスの処理に適用される熱交換器には、液相媒体（一般的には油）が付加される流体回路が用いられる。前記回路が高温の流路及び低温の流路に跨設され、２本の流路の間はスペーサーにより隔てられ、２本の独立した媒体流路が形成される。上述の熱交換器は、例えば、工業用の煙道から排出される排気ガスの廃熱回収に適用される。操作中に、煙道内を流れる高温の排気ガスは高温の流路に流れ込み、そして熱伝導作用により流体回路へ導熱する。流体回路中の液相媒体は熱エネルギーを吸収した後に気化され、流体回路の冷気流路（すなわち、低温の流路中）まで上昇する。流体回路の管壁内は低温に設定されているため、気化した媒体は凝結して液相に戻り、流体回路の下方にある高温流路まで還流する。

しかしながら、上述した従来の技術においては、複数の流体回路からなる流体回路群は同一の通路に配設されており、熱油（温められた液相媒体）の熱気が熱エネルギーを管壁に放熱し、管壁において熱エネルギーが吸熱された後に対流熱伝導により熱油の排熱が行われるが、このような熱伝導過程では液相媒体は温度変化を生じるのみで相転移を生じさせることができない。このため、上述した従来の熱交換器の冷却効率には改善の余地がある（熱伝導係数は、約３２ｋｃａｌ／ｍ²・ｈ・℃程度である）。このほか、従来の熱交換器のシステムは複雑であり、流体回路を構成する管状部材以外にも、油溝、油ポンプ、バルブ部材、輸送システム等が備えられるが、これらを組み合わせたシステムを構築することは困難である上に、コストも掛かる。また、このような複雑なシステムでは故障率が高く、流体回路に油漏れ（破損）があった場合などには、システム全体を停止させて故障箇所を修理しなければならなかった。

そこで、本考案者は上記の欠点が改善可能であると考え、鋭意検討を重ねた結果、合理的かつ効果的に課題を改善する本考案の熱交換器の提案に到った。

本考案は、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、本考案は、従来の熱交換器は冷却効率が優れないという欠点を改善させ、熱気の冷却効率を高め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に、本考案に係る熱交換器は、フレームと、前記フレームに内設され、かつ、前記フレームを、冷気を通過させる冷気流路と熱気を通過させる熱気流路に分けるスペーサーと、前記フレーム内に並設されるとともに、内部に所定量の液相媒体が収容された、封止された金属管からなる複数のヒートパイプと、を有し、前記複数のヒートパイプのそれぞれは、前記スペーサーを貫通して配置されており、前記フレームの熱気流路に位置される蒸発領域と前記フレームの冷気流路に位置される凝結領域とを備えることを特徴とする。

また、前記複数のヒートパイプのそれぞれの内部を真空状態にして構成することが可能である。

また、前記複数のヒートパイプのそれぞれの表面には複数のフィンを設置することが可能である。

また、前記複数のヒートパイプのそれぞれの表面に設置された前記フィンを放射状に配列することが可能である。

また、前記複数のヒートパイプのそれぞれの表面に設置された前記フィンを、隣接する前記ヒートパイプの表面に設置された他の前記フィンに対して交錯するように配置することが可能である。

また、前記熱気が前記フレームの熱気流路を通過すると、前記複数のヒートパイプの蒸発領域内にある前記液相媒体が気化して水蒸気を形成し、かつ、当該水蒸気が前記複数のヒートパイプの凝結領域に移動するように構成することが可能である。

また、前記冷気が前記フレームの冷気流路を通過すると、前記複数のヒートパイプの凝結領域にある水蒸気が凝結して液相媒体を形成し、かつ、当該液相媒体が前記複数のヒートパイプの蒸発領域に流れるように構成することが可能である。

また、前記複数のヒートパイプのそれぞれを、等距離で互いに離隔して配列することが可能である。

本考案の熱交換器は、熱量を高速で伝達させる金属管（ヒートパイプ）の一端で受熱し、管内の液相媒体が蒸発して水蒸気となり、当該水蒸気がヒートパイプの他端まで上昇して、他端において熱量が放出されることで凝結して、再び液相媒体となった後、受熱した一端まで還流するように構成されており、この循環作業により熱交換の目的を達成する。本考案では相転移により熱量が伝達され、液相媒体は真空状態で密閉されるヒートパイプ内で作用し、伝導効率を高める。

本考案の一実施形態に係る熱交換器を示す概観斜視図である。 本考案の一実施形態に係るヒートパイプを説明する概略断面図である。 本考案の一実施形態に係るヒートパイプの使用状態を説明する概略断面図である。

本考案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。なお、以下に説明する実施の形態は、実用新案登録請求の範囲に記載された本考案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、本考案の必須要件であるとは限らない。なお、各図中には本考案に関連する部材のみを図示し、部材の数量、形状、サイズ等は実際の実施においては規格やサイズを自由に選択して設計可能であることを先に説明する。

以下、実施形態に係る熱交換器を図１〜図３に基づいて説明する。図１は本考案の実施形態に係る熱交換器を示す概観斜視図であり、図２は実施形態に係るヒートパイプの構成を説明する概略断面図である。

熱交換器１００は、フレーム１１０、スペーサー１２０、および複数のヒートパイプ１３０を備える。スペーサー１２０はフレーム１１０に内設されており、このフレーム１１０は冷気流路１１１及び熱気流路１１２に分けられる。冷気流路１１１は、図３に示すように冷気９１０を通過させる。熱気流路１１２は、図３に示すように熱気９２０を通過させる。各ヒートパイプ１３０は封止された金属管によって構成されており、内部には所定量（適量）の液相媒体（液相）１４０が収容されている。各ヒートパイプ１３０は、フレーム１１０内にそれぞれ並設されており、フレーム１１０内でスペーサー１２０を貫通するように配置されている。各ヒートパイプ１３０は、蒸発領域１３１と凝結領域１３２とを備える。蒸発領域１３１は、フレーム１１０の熱気流路１１２に位置される。凝結領域１３２は、フレーム１１０の冷気流路１１１に位置される。上述の冷気流路１１１および熱気流路１１２は、２つの独立した流体流路として構成されており、冷気流路１１１はスペーサー１２０よりも上部側に位置するフレーム１１０内の空間およびヒートパイプ１３０の凝結領域１３２を含む。一方、熱気流路１１２はスペーサー１２０よりも下部側に位置するフレーム１１０内の空間およびヒートパイプ１３０の蒸発領域１３１を含む。

好ましくは、各ヒートパイプ１３０は、それぞれ等距離で離隔して配列される。また、好ましくは、各ヒートパイプ１３０の内部は真空状態である。各ヒートパイプ１３０の表面には複数のフィン１５０がそれぞれ設置されており、フィン１５０は、例えば、放射状に配列される。各ヒートパイプ１３０の表面に設置されたフィン１５０は、例えば、隣接するヒートパイプ１３０の表面に設置された他のフィン１５０に対して交錯するように配置される（ヒートパイプ１３０の延在方向におけるフィン１５０の投影面の少なくとも一部が互いに重なるように配置される）。フィン１５０が設置されることでヒートパイプ１３０の温度伝導効率が向上し、フィン１５０が交錯して設置されるため空間の使用効率も高まる。

図３は、実施形態に係るヒートパイプ１３０の使用状態を説明するための概略断面図である。上述した構造により、実施形態に係る熱交換器１００が構成されている。熱気９２０がフレーム１１０の熱気流路１１２を通過すると、各ヒートパイプ１３０の蒸発領域１３１内の液相媒体１４０が気化して水蒸気１４１が形成され、各ヒートパイプ１３０の凝結領域１３２へ移動（蒸発による上昇）する。また、冷気９１０がフレーム１１０の冷気流路１１１を通過すると、各ヒートパイプ１３０の凝結領域１３２の水蒸気１４１が液相媒体１４２を形成し、各ヒートパイプ１３０の蒸発領域１３１に流れる。

詳しくは、実施形態に係る熱交換器１００の操作では、冷却される熱気９２０が熱気流路１１２に流され、ヒートパイプ１３０の蒸発領域１３１を通過する。冷気流路１１１には冷気９１０が流れ込み、ヒートパイプ１３０の凝結領域１３２まで流れる。これにより、冷却対象となる熱気９２０が熱気流路１１２を通過すると、熱気９２０の高温の影響のために、ヒートパイプ１３０の蒸発領域１３１が温められる。そして、熱エネルギーが熱伝導作用によりヒートパイプ１３０の内部まで導熱される。ヒートパイプ１３０の液相媒体１４０は熱エネルギーを吸収した後、気化作用により水蒸気１４１に変化する。水蒸気１４１はヒートパイプ１３０の凝結領域１３２（すなわち、冷気流路１１１）まで上昇する。冷気流路１１１が位置するヒートパイプ１３０の管壁外部を流れる気体は、低温の冷気９１０であるため、凝結領域１３２まで上昇した水蒸気１４１は、低温の作用により凝結して液相媒体１４２に再び戻る。この液相媒体１４２は、ヒートパイプ１３０の凝結領域１３２の管壁から下方に位置する蒸発領域１３１（すなわち、熱気流路１１２）まで還流する。

熱気流路１１２の蒸発領域１３１とヒートパイプ１３０との間で熱交換が行われて冷却作用を達成させ、さらに、ヒートパイプ１３０内の液相媒体１４０が蒸発して水蒸気１４１となり凝結領域１３２まで上昇した後、冷卻されて凝結して液相媒体１４２に再び戻り、ヒートパイプ１３０の内側の管壁に沿って蒸発領域１３１に流れ、熱気により再度加熱されることで反復する熱交換循環が構成される。熱伝導の原理から理解できるように、熱伝導メカニズムは主に相転移（二相）熱伝導であり、二相熱伝導のヒートパイプ１３０内の液相媒体１４０は吸熱して蒸発し、圧力が低い凝結領域１３２へ高速に流れてゆき、この際熱エネルギーが放出されて凝結して液相媒体１４２になり、液相媒体１４２は毛細管現象および重力により蒸発領域１３１に還流して循環が完成する。ヒートパイプ１３０内の液相媒体１４０が反復して循環することで熱伝導の目的が達成される。特に、ヒートパイプ１３０内部が真空状態であり、作動液が水である場合、水は真空状態では熱伝導効率が有効的に高まるため、熱交換サイクルを向上させることが可能になる。

従って、本実施形態に係る熱交換器１００の構造では、各ヒートパイプ１３０は独立した熱伝導部材として機能するため、異常が発生しても設備全体の動作には影響がなく、故障率も低く、故障箇所の修理も簡単である。また、本実施形態に係る熱伝導メカニズムは主に二相熱伝導であり、熱伝導効率（熱伝導係数は約５０ｋｃａｌ／ｍ²・ｈ・℃）が効率的に高められるため、従来の熱交換器に比べ、熱伝導効率は約４０％向上する。

以上、本考案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、本考案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 冷気流路、
１１２ 熱気流路、
１２０ スペーサー、
１３０ ヒートパイプ、
１３１ 蒸発領域、
１３２ 凝結領域、
１４０ 液相媒体、
１４１ 水蒸気、
１４２ 液相媒体、
１５０ フィン、
９１０ 冷気、
９２０ 熱気。

Claims (8)

1. フレームと、
   前記フレームに内設され、かつ、前記フレームを、冷気を通過させる冷気流路と熱気を通過させる熱気流路に分けるスペーサーと、
   前記フレーム内に並設されるとともに、内部に所定量の液相媒体が収容された、封止された金属管からなる複数のヒートパイプと、を有し、
   前記複数のヒートパイプのそれぞれは、前記スペーサーを貫通して配置されており、前記フレームの熱気流路に位置される蒸発領域と前記フレームの冷気流路に位置される凝結領域とを備える熱交換器。
2. 前記複数のヒートパイプのそれぞれの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。
3. 前記複数のヒートパイプのそれぞれ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または請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記複数のヒートパイプのそれぞれの表面に設置された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３に記載の熱交換器。
5. 前記複数のヒートパイプのそれぞれの表面に設置された前記フィンは、隣接する前記ヒートパイプの表面に設置された他の前記フィンに対して交錯するように配置されることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の熱交換器。
6. 前記熱気が前記フレームの熱気流路を通過すると、前記複数のヒートパイプの蒸発領域内にある前記液相媒体が気化して水蒸気を形成し、かつ、当該水蒸気が前記複数のヒートパイプの凝結領域に移動することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱交換器。
7. 前記冷気が前記フレームの冷気流路を通過すると、前記複数のヒートパイプの凝結領域にある水蒸気が凝結して液相媒体を形成し、かつ、当該液相媒体が前記複数のヒートパイプの蒸発領域に流れることを特徴とする請求項６に記載の熱交換器。
8. 前記複数のヒートパイプのそれぞれは、等距離で互いに離隔して配列されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の熱交換器。