JP5105183B2 - 熱交換ユニット及びそれを用いた熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、小型で効率の良い熱交換ユニット及びそれを用いた熱交換器に関する。

熱交換器としてはプレート式熱交換器が最も一般的に知られている。これは、伝熱プレートの複数枚を、枠状ガスケットを介して積層一体化したものであり、伝熱プレートを挟んで第１及び第２の熱交換媒体を流通させることにより、伝熱プレートを通して熱交換を行う装置である。しかし、熱媒体の流路が鋭角に仕切られているため、この部分にスラリーが溜まりやすい。また、小型化が難しいという問題もある。

このような問題点を解決するため、例えば特許文献１では、外枠を設けた四角形のプレートの中心部に送液孔を穿孔し、この送液孔の位置から末広がりの渦巻き状の壁を形成し、再外周を渦巻き状枠体とした液側伝熱板と、蒸気側伝熱板を交互に重設したプレート式熱交換装置が提案されている。しかし、この装置においては、渦巻き状枠体はあくまで熱交換媒体の流通路を長くするための仕切りであり、熱交換は伝熱プレートを通して隣接する「蒸気側伝熱」室との間で行うものである。従って、小型にした際に伝熱面積が小さくなってしまい、効率が低下する。

また、特許文献２には、伝熱面上にガスケットを配設し、重ね合わされた伝熱プレートの複数枚を組み合わせ単位として積層してなり、２枚の伝熱プレート間に形成される熱交換媒体の流路を、上記伝熱プレートの本体中央部と角隅部とに穿設された通液孔との間を連通させる渦巻き状流路となしたプレート式熱交換器が開示されている。この技術は構造的には上記の特許文献１と異なるが、基本的な仕組みはほぼ同じである。すなわち、第１と第２の熱交換媒体はそれぞれ伝熱板を挟んで隣接する流路を通過するのであって、渦巻き状の流路壁は熱交換に寄与しない。従って、熱交換に寄与する伝熱面積は伝熱板の大きさで限定されてしまい、小型にすると熱交換効率が著しく低下してしまう。

さらに、特許文献３には別のタイプのスクロール型積層熱交換器が示されている。これは、多孔金属板よりなる伝熱板とスペーサとを交互に積層して複数個の流体流路を形成し、前記伝熱板の平面内熱移動によって角流体通路を流通する複数流体間の熱交換を行わせる積層熱交換器において、前記スペーサを半径方向に複数個の渦巻き形状の穴を設けた平板で形成し、同一形状のスペーサを伝熱板を介し積層して複数個の渦巻き形状流体流路を形成したことを特徴とする。この熱交換器ではスペーサに複数個の渦巻き形状の穴を設けるため加工が困難であり、体積効率が悪くなる。また、伝熱はこの渦巻き状のスペーサではなくスペーサに隣接配置された平板状の多孔金属板であるため、伝熱面積が限定されてしまう。

一方、金属製無端ベルトの製造方法としては、既存の多くの方法が提案されている。例えば、特許文献４の従来技術の項目に記載されているように、帯状のステンレスシートを素材とし、これを曲げて両端を突き合わせ電子ビーム溶接し、溶接部分を研磨し、最後にメッキして製造する方法が開示されている。

特公昭４３−２９８号公報 特許第３０５４６４８号公報 特公昭６２−１７１５７号公報 特公平７−８４８９４号公報

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、小型で製造が容易であり、熱交換効率の高い熱交換ユニット及びこれを用いた熱交換器を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため本発明による熱交換ユニットは、良熱伝導性素材からなる無端ベルト状リングを渦巻き状に成形し、該リングの上下面をそれぞれガスケットにより密着保持することにより、該リングを隔壁として該リング内外に第１及び第２の熱交換媒体の流通経路を隣接確保したことを特徴とする。

前記ガスケット面に渦巻き状の凹部を設け、前記リングを該凹部内に配することも好適である。

また、前記リングと前記ガスケットとの接触部に弾性緩衝部材を配することもできる。

上記熱交換ユニットを使用した熱交換器としては、渦巻き状に成形した前記リング内側の流通経路両端部近傍、並びに前記リング外側の流通経路にそれぞれ、流体の流入口及び流出口を設けたことを特徴とする。

上記の熱交換ユニットを複数積層し、各ユニット間を連結する流体流入口及び流出口を設けることにより積層型熱交換器とすることも好適である。

熱交換媒体の種類又は交換熱量の程度に応じて、前記各熱交換ユニットを流体の流れに関して並列或いは直列に接続することができる。

また、熱交換媒体の要件により、前記渦巻き状リング外側の流体流入口または流出口のいずれかを、前記ガスケットの側面に開口させることも好適である。

本発明による熱交換ユニットでは、良熱伝導性の無端ベルト状リングを渦巻き状に形成して熱伝導隔壁として使用するため、小さな熱交換器体積内において熱伝導面積を極めて大きくすることが可能となり、また無端ベルト状リングを使用するので熱交換媒体同士が混合する恐れがない。従って、製造が容易で小型かつ熱効率の高い熱交換器を提供することができる。

また、本発明によれば、熱交換ユニットを所望の数だけ積層することが可能となり、また、各ユニット同士の接続も熱交換媒体の流路に関して並列にも直列にもすることができるので、熱交換媒体の種類や交換熱量の程度によって様々な展開が可能となる。

以下、図面に従って本発明の好適な実施例について説明する。図１は、本発明の熱交換ユニットに使用する良熱伝導性の無端ベルト状リングを渦巻き状に形成した状態を示す斜視図である。図９に加工前のリングを示す。このような円環状リングの２箇所を保持してどちらかの保持部を他方に対して回転させることにより、図１に示す渦巻き状リングを得ることができる。このリングは伝熱隔壁となるため、材質としては熱伝導性が高いことが必要であり、また渦巻き状に加工するため可とう性があることも求められる。従って、ステンレス等の金属が特に好適であるが、熱伝導性が高ければ特に材質が限定されるものではない。

図１１には、渦巻き状リングの別の実施例を示す。図の右側が拡大図であり、リング自体に凹凸を形成して表面積を増大してある。これにより、伝熱面積をさらに増やすことができる。

図３に、本発明による積層型熱交換器の第１の実施例斜視図を示した。この実施例では、基本熱交換ユニット１１を３段と底部ユニット３１を１段積層して４段構成とし、一番上部に蓋ユニット２１を配置してボルト２４により全ユニットを結合密着して熱交換器としている。蓋ユニット２１上には第１の熱交換媒体流入口２２及び第１の熱交換媒体流出口２３が設けてある。

図２は、図３に示した積層型熱交換器実施例の蓋ユニット２１を取り除いた状態を示す。図の一番上に見えているのが基本熱交換ユニットであり、円形皿状のガスケット２内に図１に示した無端ベルト状リング隔壁１を収納し、このリング１の内外にそれぞれ第１及び第２の熱交換媒体の流通経路３、４を確保している。また、ガスケット２の周縁部には、複数のボルト穴１２を設け、ボルト等により積層した各ユニットを結合締め付けすることによりリング隔壁１とガスケット２とを密着して、熱交換媒体の混合を防止している。

図には示してないが、ガスケット２表面に渦巻き状の凹部を設け、リング１をこの凹部内に配することにより、リング隔壁１とガスケット２との密着性を向上することができる。また、リング１とガスケット２との接触部に弾性緩衝部材を配することにより、密閉性をさらに確実にすることもできる。また、図１１に示したように、リング隔壁１自体に凹凸を設けることにより表面積を拡大して、熱交換効率を向上することも可能である。

図２及び図３に示した本発明による積層型熱交換器のＡ−Ａ’面での断面図を図５に示す。熱交換器内部は、水平方向にはリング隔壁１により仕切られた第１の熱交換媒体流通路（リング内側経路）７（白色空間）と第２の熱交換媒体流通路（リング外側経路）８（灰色空間）が交互に並んでおり、上下方向に見るとガスケット底面を挟んで基本熱交換ユニット１１と底部熱交換ユニット３１が合わせて４段積層された構成となっている。この実施例においては各熱交換ユニットを並列に接続した構成となっており、各流通経路の流入口部分には隣のユニットとの連絡口５Ａ、６Ａ、また各流出経路の流出口部分にも隣のユニットとの連絡口５Ｂ、６Ｂがそれぞれ設けてある。

図５から明らかなように、底部熱交換ユニット３１は基本熱交換ユニットとほぼ同じ構造であるが、底面に熱交換媒体の流入口３２及び流出口３３が突出している点が異なる。図４に、底部熱交換ユニットの外観を示す。従って、第１の実施例では熱交換ユニット４段構成の例を示したが、最も基本的な構成としては、蓋ユニット２１と底部熱交換ユニット３１のみで熱交換器として機能できる。熱交換能力に応じて基本熱交換ユニット１１の段数を調整できることが本発明の１つの特徴である。

図７には、本発明による第２の熱交換器実施例を示す。この実施例の構成としては、基本的に第１の実施例と同じであるが、各熱交換ユニットのガスケット側面に第２の熱交換媒体の流出開口部を設けた点が異なる。図６に蓋ユニット２１を取り除いた状態を示すが、各熱交換ユニットに熱交換媒体流出口３５を設けたことにより、熱交換した媒体を異なった方向へ分配することが可能となる。図８には、この実施例の底面側外観を示すが、ガスケット側面に熱交換媒体流出口３５を設けたことにより、底面には流入口３２のみが設けてある。

図１０には、第３の熱交換器実施例として、熱交換ユニット３段を直列に接続した構成を示した。この例では、各熱交換媒体は各ユニットの渦巻き状流通経路を通った後で次のユニットに流出するので、各熱交換媒体の連絡口５、６は各ユニットに１つずつとなる。

次に、本発明による熱交換器の熱交換メカニズムについて説明する。まず、図５に示した第１の熱交換器実施例についてであるが、第１の熱交換媒体は蓋ユニット２１の流入口２２より最初の熱交換ユニットに入り、渦巻き状流通経路を経て流出口２３より外部に排出される。また、流入口２２の反対側には連絡口５Ａが形成されており、第２、第３及び底部の熱交換ユニットに順次接続されている。このため、流入した熱交換媒体は各熱交換ユニットに分配され、各渦巻き状流通経路を経た上で最外部に到達する。この最外部には流出用の連絡口５Ｂにより各ユニットが連絡されているため、この連絡口５Ｂに沿って最終的に流体流出口２３に導かれる。第２の熱交換媒体についても、反対側から流入、流出する点以外は、上記第１の熱交換媒体と同様の経路を経る。この実施例では、各熱交換ユニットが並列に接続されるため、ユニットの段数を増やせば熱交換媒体の量を増加させることができる。ただし、その場合は、流入口、連絡口及び流出口のサイズを考慮する必要がある。また、図５から明らかなように、この実施例においては、各熱交換媒体の流入公と流出口は同じ側となる。

次に、図１０に示した第３の熱交換器実施例について熱交換メカニズムを説明する。この実施例の場合、第１の熱交換媒体は流入口２２から導入され、全量が渦巻き状流通経路７を通して最外部に導かれ、連絡口５により次のユニットに流入する。この経過を繰り返して、最終的に流出口２３から流出する。第２の熱交換媒体については、流通方向が逆になるだけで、原理は同じである。この実施例においては、各ユニットが直列に接続されるため、流量は制限されるがそれぞれの熱交換媒体同士の接触面積または接触時間が多くなるため、温度差が大きい媒体の熱交換に適している。また、この実施例では、熱交換媒体の流入と流出がそれぞれ反対方向となる。

本発明の無端ベルト状リングに用いる材料としては、熱伝導性を考慮すると金属が最も好ましいが、これに限定されるものではない。耐久性や使用する熱交換媒体の種類に応じて、適宜材料を選定することができる。また、本発明においては、熱交換は基本的に隔壁リング１により行うため、ガスケット２自体の熱伝導性は問題にならない。従って、隔壁リング１との密着性を考慮して材料を選定することが可能である。また、先に述べたように隔壁リング１とガスケット２との接触部に緩衝材を用いれば、ガスケット２も金属で構成することもでき、これにより熱交換効率がさらに向上できる。

本発明による熱交換ユニットでは、良熱伝導性の無端ベルト状リングを渦巻き状に形成して熱伝導隔壁として使用するため、小さな熱交換器体積内において熱伝導面積を極めて大きくすることが可能となり、また無端ベルト状リングを使用するので熱交換媒体同士が混合する恐れがない。従って、製造が容易で小型かつ熱効率の高い熱交換器を提供することができ、小型熱交換器の性能向上に大いに寄与できる。

本発明による無端ベルト状リングを渦巻き状に形成した熱交換用隔壁を示す斜視図である。 本発明による無端ベルト状リング隔壁を使用した熱交換器第１の実施例の構造を示す斜視図である。 図２に示した第１の実施例に蓋ユニットを載せた完成品の外観を示す斜視図である。 図２に示した第１の実施例を裏側から見た斜視図である。 図２に示した第１の実施例に蓋ユニットを載せた完成品について、Ａ−Ａ’での断面を示す説明図である。 本発明による無端ベルト状リング隔壁を使用した熱交換器第２の実施例の構造を示す斜視図である。 図６に示した第２の実施例に蓋ユニットを載せた完成品の外観を示す斜視図である。 図６に示した第２の実施例を裏側から見た斜視図である。 本発明による無端ベルト状リング隔壁の加工前の形状を示す図である。 本発明による無端ベルト状リング隔壁を使用した熱交換器第３の実施例の構造を示す断面図である。 本発明による無端ベルト状リング隔壁の別の実施例を示す図である。

符号の説明

１ 無端ベルト状リング隔壁
２ ガスケット
３ リング内側経路
４ リング外側経路
５ 内側経路連絡口
５Ａ 内側流入経路連絡口
５Ｂ 内側流出経路連絡口
６ 外側経路連絡口
６Ａ 外側流入経路連絡口
６Ｂ 外側流出経路連絡口
７ 内側経路
８ 外側経路
９ 凹凸
１１ 基本熱交換ユニット
１２ ネジ穴
２１ 蓋ユニット
２２ 流体流入口
２３ 流体流出口
２４ ボルト
３１ 底部熱交換ユニット
３２ 流体流入口
３３ 流体流出口
３４ ボルト穴
３５ 側面流体流出開口部

Claims (8)

1. 良熱伝導性素材からなる無端ベルト状リングを渦巻き状に成形し、該リングの上下面をそれぞれガスケットにより密着保持することにより、該リングを隔壁として該リング内外に第１及び第２の熱交換媒体の流通経路を隣接確保したことを特徴とする熱交換器用熱交換ユニット。
2. 前記ガスケット面に渦巻き状の凹部を設け、前記リングを該凹部内に配したことを特徴とする請求項１記載の熱交換器用熱交換ユニット。
3. 前記リングと前記ガスケットとの接触部に弾性緩衝部材を配したことを特徴とする請求項１または２記載の熱交換器用熱交換ユニット。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の熱交換ユニットを使用し、渦巻き状に成形した前記リング内側の流通経路両端部近傍、並びに前記リング外側の流通経路にそれぞれ、流体の流入口及び流出口を設けたことを特徴とする熱交換器。
5. 請求項１乃至３のいずれかに記載の熱交換ユニットを複数積層し、各ユニット間を連結する流体流入口及び流出口を設けたことを特徴とする請求項４記載の熱交換器。
6. 前記各熱交換ユニットが流体の流れに関して並列接続されていることを特徴とする請求項５記載の熱交換器。
7. 前記各熱交換ユニットが流体の流れに関して直列接続されていることを特徴とする請求項５記載の熱交換器。
8. 前記渦巻き状リング外側の流体流入口または流出口のいずれかが、前記ガスケットの側面に開口していることを特徴とする請求項４乃至７のいずれかに記載の熱交換器。

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