JP6942815B2 - Heat exchanger for heat exchange of fluids of different temperatures - Google Patents
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Description
本発明のケミカルエンジニアリングは異なる温度をもつ流体の熱交換用の熱交換器に関する。 The chemical engineering of the present invention relates to heat exchangers for heat exchange of fluids having different temperatures.
現在までにマイクロチャネル熱交換器の開発に関する報告がなされている。マイクロチャネルは、通常サイズの流路と比べてみると、シェルアンドチューブ型熱交換器およびプレートアンドフレーム型熱交換器などの通常の熱交換器よりも高い伝熱性能を提供している。これは、マイクロチャネル内の流体の流れがチャネル壁から流体へより速く熱を伝達することができ、各チャネル内の流体が同様の流れ断面温度を有し、同じ容積であれば、伝熱表面積が通常の流路よりも大きく、流路内での圧力降下が比較的小さいからである。しかしながら、マイクロチャネルはいくつかの欠点を有しており、それらが用途の制限をもたらしている。例えば、マイクロチャネルは流路が狭いので詰まりを生じやすい。とくに、圧力が非常に異なる流体間の熱交換に使用される場合には、永久変形を生じることがあり得る。 To date, there have been reports on the development of microchannel heat exchangers. Microchannels offer higher heat transfer performance than regular heat exchangers such as shell-and-tube heat exchangers and plate-and-frame heat exchangers when compared to regular-sized channels. This is because the flow of fluid in the microchannel can transfer heat faster from the channel wall to the fluid, and if the fluid in each channel has a similar flow cross-sectional temperature and the same volume, then the heat transfer surface area. Is larger than the normal flow path, and the pressure drop in the flow path is relatively small. However, microchannels have some drawbacks, which limit their use. For example, microchannels are prone to clogging due to their narrow flow paths. Permanent deformation can occur, especially when used for heat exchange between fluids with very different pressures.
熱交換器の流路の特性は、熱交換性能および熱交換器の全体的な強度にとって重要であることが知られている。また、流路の特性は、製造上の可能性と流路の配置とを一緒に示すためのパラメータである。このため、熱交換器の性能を向上させ、かつ前述した用途の制限を克服するために流路の特性を開発する試みがこれまでに継続的に行われてきた。 The characteristics of the heat exchanger flow path are known to be important for heat exchange performance and the overall strength of the heat exchanger. In addition, the characteristics of the flow path are parameters for showing the manufacturing possibility and the arrangement of the flow path together. For this reason, attempts have been continuously made to develop the characteristics of the flow path in order to improve the performance of the heat exchanger and overcome the above-mentioned limitation of use.
米国公開２００４００３１５９２号公報は、３つ以上の流体の流れを熱交換するためのマイクロチャネルを含む熱交換器を開示しており、このチャネル壁は熱変化表面積を増大させるためにフィンを有して平坦である。しかしながら、フィンを取り付けると、熱交換器内のファウリング率が増加する。ファウリング率が増加すると、熱交換器の熱伝達性能が低下して、圧力降下が増加する。さらに、高圧流体と共に使用する場合には、この従来技術の設計は問題を抱えている可能性があり、これは用途の制限をもたらす。 U.S.A. 20040031592 discloses a heat exchanger containing microchannels for heat exchange of three or more fluid streams, the channel walls having fins to increase the heat change surface area. It is flat. However, installing fins increases the fouling rate in the heat exchanger. As the fouling rate increases, the heat transfer performance of the heat exchanger decreases and the pressure drop increases. Moreover, when used with high pressure fluids, this prior art design can be problematic, which limits its use.
米国公開４５１６６３２号公報は、互い違いに積み重ねられたスロット付き熱交換シートおよびスロット無し熱交換シートを含むマイクロチャネル熱交換器を開示している。この従来技術では、スロット付き熱交換シートとスロット無し熱交換シートとは、異なる温度を有する流体のクロスフロー構成を形成するために、互い違いにかつ互いの向きが９０度ずれるように配置されている。それにもかかわらず、この従来技術の熱交換器の流れ構成は高い熱交換性能を与えるものではない。 US Publication No. 45166632 discloses a microchannel heat exchanger that includes staggered stacked heat exchange sheets with slots and heat exchange sheets without slots. In this prior art, the slotted heat exchange sheet and the slotless heat exchange sheet are staggered and offset by 90 degrees to form a cross-flow configuration of fluids with different temperatures. .. Nevertheless, the flow configuration of this prior art heat exchanger does not provide high heat exchange performance.
欧州特許第１８７５９５９号公報は、互い違いに積み重ねられたマイクロチャネル熱交換プレートを含む熱交換器の設置によるエマルジョンの形成方法を開示している。この従来技術の熱交換器のマイクロチャネルは、くねくねと蛇行するスネーク形状のように形成されている。この従来技術の熱交換器では、チャネル内に２つの流動パターン、すなわち対向流と並行流とがつくりだされる。しかしながら、この従来技術の流路設計は、汚染物質を容易に目詰まりさせて、一方の側から他方の側への一方向の流れ経路と比べて流路を洗浄することがより困難になる。 European Patent No. 1875959 discloses a method of forming an emulsion by installing a heat exchanger containing staggered microchannel heat exchange plates. The microchannels of this prior art heat exchanger are shaped like a meandering snake. In this prior art heat exchanger, two flow patterns are created in the channel: countercurrent and parallel. However, this prior art flow path design can easily clog contaminants, making it more difficult to clean the flow path compared to a one-way flow path from one side to the other.
米国特許第８８５８１５９号公報は、低温の空気が通過してガスタービン内のブレードの熱を減少させるための冷却チャネルを備えるガスタービンを開示している。この従来技術の冷却チャネルは、伝熱性能を高めるために、湾曲した内外のリブと各対のリブ間にある台座とを備えている。しかしながら、各対リブ間の台座の性質は、熱交換器の圧力降下を増大させる可能性があるので、圧力が非常に異なる流体間での熱伝達あるいは高粘度の流体間での熱伝達に適用するときに制限を受ける。 US Pat. No. 8,858,159 discloses a gas turbine with a cooling channel for allowing cold air to pass through and reduce the heat of the blades in the gas turbine. This prior art cooling channel comprises curved inner and outer ribs and a pedestal between each pair of ribs to enhance heat transfer performance. However, the nature of the pedestal between each rib can increase the pressure drop in the heat exchanger, making it suitable for heat transfer between fluids with very different pressures or between highly viscous fluids. Be restricted when you do.
米国公開２０１００３１４０８８号公報は、互い違いに交互に積み重ねられたマイクロチャネルからなるプレートを含む熱交換器を開示している。この従来技術のプレートは湾曲するように形成され、マイクロチャネルは流体の流れ方向に沿って平行なチャネルを形成する非対称波形状に設定されている。直接部と曲線部の全長は一定である。しかしながら、この従来技術は、幅寸法や曲率半径等のような波形状チャネルの適切なパラメータを開示していない。 U.S.A. Publication No. 201314088 discloses a heat exchanger that includes plates consisting of staggered alternating microchannels. This prior art plate is formed to be curved and the microchannels are set in an asymmetric wave shape that forms parallel channels along the direction of fluid flow. The total length of the direct part and the curved part is constant. However, this prior art does not disclose appropriate parameters of the wavy channel such as width dimension, radius of curvature and the like.
上記のすべてから、本発明は、とくに流体の熱伝達性能を高め、圧力が非常に異なる流体間での熱交換用の熱交換器に関する問題を低減するために、異なる温度をもつ流体間での熱交換用の熱交換器を提供することを目的とする。 From all of the above, the present invention particularly enhances the heat transfer performance of fluids and reduces the problems with heat exchangers for heat exchange between fluids with very different pressures between fluids with different temperatures. It is an object of the present invention to provide a heat exchanger for heat exchange.
本発明は、異なる温度をもつ流体の熱交換用の熱交換器を提供することに係り、特に異なる温度をもつ流体の熱交換性能を向上させ、圧力が非常に異なる流体間での熱交換用の熱交換器に関する問題を低減することを目的とする。 The present invention relates to providing a heat exchanger for heat exchange of fluids having different temperatures, particularly improving the heat exchange performance of fluids having different temperatures and for heat exchange between fluids having very different pressures. The purpose is to reduce problems with heat exchangers.
本発明の一態様では、本発明は、異なる温度をもつ流体の熱交換用の熱交換器であって、順次交互に積み重ねられた少なくとも１つの平らな熱交換プレート、少なくとも１つの高温熱交換プレートおよび少なくとも１つの低温熱交換プレートを有し、前記高温熱交換プレートの各々を通して高温流体を通流させるために、高温流体入口および高温流体出口が配置され、前記低温熱交換プレートの各々を通して低温流体を通流させるために、低温流体入口および低温流体出口が配置され、前記高温熱交換プレートは高温流路を含み、前記低温熱交換プレートは低温流路を含み、これらの前記流路は、前記流体の流れ方向に延びる長さを有し、 前記流路の各々の側壁は、前記流路の中心線を対称軸として対称的な波形状パターンを有する熱交換器を開示する。 In one aspect of the invention, the invention is a heat exchanger for heat exchange of fluids having different temperatures, at least one flat heat exchange plate and at least one high temperature heat exchange plate stacked alternately in sequence. And having at least one cold heat exchange plate, a hot fluid inlet and a hot fluid outlet are arranged to allow hot fluid to flow through each of the hot heat exchange plates, and cold fluid through each of the cold heat exchange plates. A low temperature fluid inlet and a low temperature fluid outlet are arranged to allow passage, the high temperature heat exchange plate includes a high temperature flow path, the low temperature heat exchange plate includes a low temperature flow path, and these flow paths are said to be said. Discloses a heat exchanger having a length extending in the flow direction of the fluid, each side wall of the flow path having a symmetric wave-shaped pattern with the center line of the flow path as the axis of symmetry.
本発明は、以下の実施形態に従って記述説明されるように、異なる温度をもつ流体の熱を交換するための熱交換器に関する。 The present invention relates to a heat exchanger for exchanging heat of fluids having different temperatures, as described and described according to the following embodiments.
本明細書中で用いられる任意の態様は、特に明記しない限り、本発明の他の態様への適用を含むことを指す。 As used herein, any aspect refers to including application to other aspects of the invention, unless otherwise specified.
本明細書中で使用される技術用語または科学用語は、他に述べられない限り、当業者によって理解されるような定義を有する。 Technical or scientific terms used herein have definitions as will be understood by those skilled in the art unless otherwise stated.
本明細書で言及される任意の道具、機器、方法、または化学薬品は、それらが本発明においてのみ特定の道具、機器、方法、または化学薬品であることが明示されない限り、当業者によって一般的に操作または使用される道具、機器、方法または化学薬品を意味している。 Any tool, device, method, or chemical referred to herein is common to those skilled in the art unless it is explicitly stated that they are a particular tool, device, method, or chemical only in the present invention. Means a tool, device, method or chemical that is operated or used in.
請求項または本明細書において「含む」を有する単数名詞または単数形代名詞の使用は、「１つ」および「１つまたは複数」、「少なくとも１つ」、および「１つまたは複数」を指している。 The use of singular or singular pronouns with "contains" in the claims or in the present specification refers to "one" and "one or more", "at least one", and "one or more". There is.
以下の詳細は、本願明細書中に記載されているが、決して本発明の範囲を限定することを意図するものではない。本発明は、順次交互に積み重ねられた少なくとも１つの平らな熱交換プレート、少なくとも１つの高温熱交換プレートおよび少なくとも１つの低温熱交換プレートを有する熱交換器であって、前記高温熱交換プレートの各々を通して高温流体を通流させるために、高温流体入口および高温流体出口が配置され、前記低温熱交換プレートの各々を通して低温流体を通流させるために、低温流体入口および低温流体出口が配置され、前記高温熱交換プレートは高温流路を含み、前記低温熱交換プレートは低温流路を含み、これらの前記流路は、前記流体の流れ方向に延びる長さを有し、前記流路の各々の側壁は、前記流路の中心線を対称軸として対称的な波形状パターンを有することを特徴とする異なる温度を有する流体の熱交換用の熱交換器を開示している。 The following details are described herein, but are by no means intended to limit the scope of the invention. The present invention is a heat exchanger having at least one flat heat exchange plate, at least one high temperature heat exchange plate and at least one low temperature heat exchange plate stacked alternately in sequence, and each of the high temperature heat exchange plates. A hot fluid inlet and a hot fluid outlet are arranged to allow the hot fluid to flow through, and a cold fluid inlet and a cold fluid outlet are arranged to allow the cold fluid to flow through each of the cold heat exchange plates. The high temperature heat exchange plate includes a high temperature flow path, the low temperature heat exchange plate includes a low temperature flow path, and these flow paths have a length extending in the flow direction of the fluid, and each side wall of the flow path. Discloses a heat exchanger for heat exchange of fluids having different temperatures, which has a symmetric wave-shaped pattern with the center line of the flow path as the axis of symmetry.
図１と図２は、本発明の熱交換器の一態様を示している。この態様では、熱交換器は、順次交互に積み重ねられた少なくとも１つの平らな熱交換プレート１２、少なくとも１つの高温熱交換プレート１４、および少なくとも１つの低温熱交換プレート１６を有し、高温流体を各高温熱交換プレート１４に通流させるために、高温流体入口１８ａと高温流体出口２０ａとが配置され、低温流体を各低温熱交換プレート１６に通流させるために、低温流体入口１８ｂと低温流体出口２０ｂとが配置されている。前記熱交換プレートの各々において、前記入口および出口部品組立体を熱交換器から分離することができる。
1 and 2 show one aspect of the heat exchanger of the present invention. In this embodiment, the heat exchanger has at least one flat
前記高温熱交換プレート１４は高温流路１５を有し、前記低温熱交換プレート１６は低温流路１７を有し、前記流路は前記流体の流れ方向に延びる長さを有し、各流路の側壁は各流路の中心線を対称軸として幾何学的に対称な波形状の曲線パターンを有している。
The high temperature
一実施形態では、高温流路１５および低温流路１７は、１００〜５,０００μｍの範囲の平均幅（ｙ）と、次式による湾曲長さ（ｘ）と曲率半径（ｒ）とを有している。
In one embodiment, the high
好ましくは、前記流路は、１００〜３,０００μｍの範囲の平均幅、１,０００〜３,０００μｍの範囲の湾曲長さ、および２,０００〜５,０００μｍの範囲の曲率半径を有する。 Preferably, the flow path has an average width in the range of 100-3,000 μm, a curvature length in the range of 1,000-3,000 μm, and a radius of curvature in the range of 2,000-5,000 μm.
一実施形態では、高温流路１５および低温流路１７は、各高温熱交換プレート１４の頂部と各低温熱交換プレート１６の頂部とによって設定される平面と比べたときに、約１０〜２,０００μｍの範囲の深さを有する。図２に示すように高温流路１５と低温流路１７とを交互に配置するために、高温熱交換プレート１４と低温熱交換プレート１６とを配置することが好ましい。
In one embodiment, the
一実施形態では、平らな熱交換プレート１２、高温の熱交換プレート１４、および低温の熱交換プレート１６は、約１０〜１０,０００μｍの範囲、好ましくは約１００〜２,０００μｍの範囲の厚さを有する。
In one embodiment, the flat
異なる温度をもつ流体の熱を交換するための十分な強度および寸法安定性をもって効率的に熱交換器を機能させるために、前記熱交換プレートは炭素鋼、ステンレス鋼、アルミニウム、チタン、白金、クロム、銅、またはこれらの合金、好ましくはステンレス鋼３１６グレード（ＳＳ３１６）から製造することができる。 In order for the heat exchanger to function efficiently with sufficient strength and dimensional stability to exchange heat in fluids of different temperatures, the heat exchange plates are made of carbon steel, stainless steel, aluminum, titanium, platinum, chrome. , Copper, or alloys thereof, preferably stainless steel 316 grade (SS316).
一実施形態では、高温熱交換プレート１４および低温熱交換プレート１６は、打抜き機械技術、光化学機械（ＰＣＭ）技術、またはコンピュータ数値制御フライス盤技術によって作製することができる。
In one embodiment, the high temperature
一実施形態では、異なる温度をもつ流体を向流方向に流すために、高温流体入口１８ａと低温流体入口１８ｂとが熱交換器の反対側に配置され、異なる温度をもつ前記流体は、少なくとも１℃、好ましくは少なくとも１０℃の温度差を有することができる。
In one embodiment, the
３つ以上のプレートからなる平らな熱交換プレート１２、高温熱交換プレート１４、および低温熱交換プレート１６を順次交互に積み重ねることができ、高流量の流体を熱交換するための熱交換器に多数の流路を設けるために、より多くの数を積み重ねることが可能であることは当業者によく知られているところである。
A flat
本発明の熱交換器の性能を従来技術の流路（チャネル）を含む熱交換器と比較するために、図４に示す外観の高温流路１５および低温流路１７を有する本発明の熱交換器と、（それぞれ図５と図６の外観に従う）非対称波形状パターン流路およびストレート流路で特徴付けられる高温流路および低温流路を有する熱交換器とについて、以下のようにANSYS Fluentソフトウェアのバージョン16.1を用いるコンピュータ流動力学モデルを構築し、試験した。
In order to compare the performance of the heat exchanger of the present invention with the heat exchanger including the flow path (channel) of the prior art, the heat exchange of the present invention having the high
［本発明の熱交換器］
［熱交換１］
平らな熱交換プレート１２、高温熱交換プレート１４および低温熱交換プレート１６の板厚をそれぞれ０．５ｍｍとした。図４に示す高温流路１５および低温流路１７は、平均幅（ｙ）を約２,０００μｍとし、湾曲長さ（ｘ）を約２,０００μｍとし、曲率半径（ｒ）を約３,０００μｍとした。流路の長さを約２４０ｍｍとし、流路の深さを約１,０００μｍとした。
[Heat exchanger of the present invention]
[Heat exchange 1]
The flat
［熱交換２］
平らな熱交換プレート１２、高温熱交換プレート１４および低温熱交換プレート１６の板厚をそれぞれ０．５ｍｍとした。図４に示す高温流路１５および低温流路１７は、平均幅（ｙ）を約２,０００μｍとし、湾曲長さ（ｘ）を約２,０００μｍとし、曲率半径（ｒ）を約４,０００μｍとした。流路の長さを約２４０ｍｍとし、流路の深さを約１,０００μｍとした。
[Heat exchange 2]
The flat
［熱交換３］
平らな熱交換プレート１２、高温熱交換プレート１４および低温熱交換プレート１６の板厚をそれぞれ０．５ｍｍとした。図４に示す高温流路１５および低温流路１７は、平均幅（ｙ）を約２,０００μｍとし、湾曲長さ（ｘ）を約３,０００μｍとし、曲率半径（ｒ）を約３,０００μｍとした。流路の長さを約２４０ｍｍとし、流路の深さを約１,０００μｍとした。
[Heat exchange 3]
The flat
［熱交換４］
平らな熱交換プレート１２、高温熱交換プレート１４および低温熱交換プレート１６の板厚をそれぞれ０．５ｍｍとした。図４に示す高温流路１５および低温流路１７は、平均幅（ｙ）を約２,０００μｍとし、湾曲長さ（ｘ）を約３,０００μｍとし、曲率半径（ｒ）を約４,０００μｍとした。流路の長さを約２４０ｍｍとし、流路の深さを約１,０００μｍとした。
[Heat exchange 4]
The flat
［比較の熱交換器］
［熱交換Ａ］
比較の熱交換器は、図５に示す非対称波形状パターンを有する高温流路および低温流路の特徴を用いたことを除いて、上記の熱交換器１に記載したような構成要素を備えるものとした。
[Comparison heat exchanger]
[Heat exchange A]
The comparative heat exchanger is provided with the components as described in the heat exchanger 1 above, except that the characteristics of the high temperature flow path and the low temperature flow path having the asymmetric wave shape pattern shown in FIG. 5 are used. And said.
［熱交換Ｂ］
比較の熱交換器は、図５に示す非対称波形状パターンを有する高温流路および低温流路の特徴を用いたことを除いて、上記の熱交換器２に記載したような構成要素を備えるものとした。
[Heat exchange B]
The comparative heat exchanger is provided with the components as described in the heat exchanger 2 above, except that the characteristics of the high temperature flow path and the low temperature flow path having the asymmetric wave shape pattern shown in FIG. 5 are used. And said.
［熱交換Ｃ］
比較の熱交換器は、図５に示す非対称波形状パターンを有する高温流路および低温流路の特徴を用いたことを除いて、上記の熱交換器３に記載したような構成要素を備えるものとした。
[Heat exchange C]
The comparative heat exchanger is provided with the components as described in the heat exchanger 3 above, except that the characteristics of the high temperature flow path and the low temperature flow path having the asymmetric wave shape pattern shown in FIG. 5 are used. And said.
［熱交換Ｄ］
比較の熱交換器は、図５に示す非対称波形状パターンを有する高温流路および低温流路の特徴を用いたことを除いて、上記の熱交換器４に記載したような構成要素を備えるものとした。
[Heat exchange D]
The comparative heat exchanger is provided with the components as described in the
［熱交換Ｅ］
比較の熱交換器は、図６に示す幅が約２,０００μｍのストレート経路を有する高温流路および低温流路の特徴を用いたことを除いて、上記の熱交換器１に記載したような構成要素を備えるものとした。
[Heat exchange E]
The comparative heat exchangers are as described in the heat exchanger 1 above, except that the features of the high temperature and low temperature channels having a straight path with a width of about 2,000 μm shown in FIG. 6 were used. It is supposed to have components.
上記のように異なる流路特性を有する熱交換器について、以下のパラメータを有するANSYS Fluentソフトウェアのバージョン16.1を用いて、それぞれ熱交換性能を試験した。本モデルで用いた流体は、異なる温度の水とし、高温流体（高温水）を約９０℃とし、低温流体（低温水）を約１０℃とした。これらの流体を、各経路内での流速が約０．５８２ｇ ／秒となるように向流方向に流した。その結果を表１および図７に示した。 Heat exchangers with different flow path characteristics as described above were tested for heat exchange performance using ANSYS Fluent software version 16.1 with the following parameters. The fluid used in this model was water having different temperatures, the high temperature fluid (high temperature water) was about 90 ° C, and the low temperature fluid (low temperature water) was about 10 ° C. These fluids were flowed in the countercurrent direction so that the flow velocity in each path was about 0.582 g / sec. The results are shown in Table 1 and FIG.
表１に、高温流路と低温流路の異なる特性を有する熱交換器の出口からの高温流体出口の温度および低温流体出口の温度をそれぞれ示す。 Table 1 shows the temperature of the high temperature fluid outlet from the outlet of the heat exchanger having different characteristics of the high temperature flow path and the low temperature flow path, and the temperature of the low temperature fluid outlet, respectively.
熱交換器の性能は、表１に示されるような高温流体出口の温度および低温流体出口の温度、ならびに図７に示されるような流体体積当たりに伝達される熱から考慮することができる。 The performance of the heat exchanger can be considered from the temperature of the hot fluid outlet and the temperature of the cold fluid outlet as shown in Table 1, and the heat transferred per fluid volume as shown in FIG.
図７から、本発明の熱交換器１と比較用熱交換器Ａ，Ｅとの比較、本発明の熱交換器２と比較用熱交換器Ｂ，Ｅとの比較、本発明の熱交換器３と比較用熱交換器Ｃ，Ｅとの比較、および本発明の熱交換器４と比較用熱交換器Ｄ，Ｅとの比較によって、本発明の熱交換器のほうが流体体積当たりより高い熱伝達を与えることが判明した。本発明の熱交換器のうち、平均幅が約２,０００μｍ、湾曲長さが約３,０００μｍ、曲率半径が約３,０００μｍの対称波形パターンの流路を有する熱交換器３が最も高い性能を提供した。
From FIG. 7, a comparison between the heat exchanger 1 of the present invention and the comparative heat exchangers A and E, a comparison between the heat exchanger 2 of the present invention and the comparative heat exchangers B and E, and the heat exchanger of the present invention. By comparing 3 with the comparative heat exchangers C and E, and by comparing the
さらに、本発明の熱交換器と従来の流路を備える熱交換器との強度を比較するために、上述のように流路の異なる特性を有する熱交換器をANSYS Fluentソフトウェアバージョン16.1を用いて試験した。以下のように各種パラメータを設定した。熱交換プレートは３１６グレードのステンレス鋼（ＳＳ３１６）により製造した。高温流体の圧力は約１．５ＭＰａとした。低温流体の圧力は約０．５ＭＰａとした。熱交換プレートを熱交換プレートの端部に固定した。強度比較試験結果を表２に示した。表中にて、等価応力の各段階における熱交換プレートの体積百分率は、以下の式から算出した。 Further, in order to compare the strength of the heat exchanger of the present invention with a heat exchanger having a conventional flow path, a heat exchanger having different flow path characteristics as described above was used with ANSYS Fluent software version 16.1 Tested. Various parameters were set as follows. The heat exchange plate was made of 316 grade stainless steel (SS316). The pressure of the high temperature fluid was about 1.5 MPa. The pressure of the low temperature fluid was about 0.5 MPa. The heat exchange plate was fixed to the end of the heat exchange plate. The results of the strength comparison test are shown in Table 2. In the table, the volume percentage of the heat exchange plate at each stage of equivalent stress was calculated from the following formula.
表２に、高温流路および低温流路の異なる特性を有する熱交換器の強度の比較を示す。 Table 2 shows a comparison of the intensities of heat exchangers having different characteristics of the high temperature flow path and the low temperature flow path.
表２は本発明の熱交換器と従来の熱交換器との強度の比較を示すものであり、異なる温度の流体の熱伝達中に熱交換器の熱交換プレートに生じた等価応力の各段階における熱交換プレートの最大等価応力および体積百分率から考慮することができる。表から明らかなように、本発明の熱交換器３の流路は、平均幅約２,０００μｍ、湾曲長さ約３ｍｍ、および曲率半径約３ｍｍの対称波形状パターンを有したものであり、その最大強度は、最も低い最大等価応力と、低い等価応力段階（０〜３ＭＰａ）における熱交換プレートの高い体積百分率と、高い等価応力段階（６〜９ＭＰａ）における熱交換プレートの高い体積百分率とから考慮されたものである。さらに、本発明の熱交換器の最大等価応力は、強度試験においてサンプル材料として使用される３１６グレードのステンレス鋼（約２０７ＭＰａ）よりも低い引張降伏強度を有していた。これは、熱交換器の前記熱交換プレートが上記の条件で操作されたときに永久変形しないということを示した。 Table 2 shows a comparison of the strengths of the heat exchanger of the present invention and the conventional heat exchanger, and each stage of the equivalent stress generated in the heat exchange plate of the heat exchanger during the heat transfer of the fluids of different temperatures. It can be considered from the maximum equivalent stress and volume percentage of the heat exchange plate in. As is clear from the table, the flow path of the heat exchanger 3 of the present invention has a symmetrical wave shape pattern having an average width of about 2,000 μm, a curvature length of about 3 mm, and a radius of curvature of about 3 mm. The maximum strength is considered from the lowest maximum equivalent stress, the high volume percentage of the heat exchange plate at the low equivalent stress stage (0-3 MPa), and the high volume percentage of the heat exchange plate at the high equivalent stress stage (6-9 MPa). It was done. Furthermore, the maximum equivalent stress of the heat exchanger of the present invention had a lower tensile yield strength than the 316 grade stainless steel (about 207 MPa) used as the sample material in the strength test. This indicates that the heat exchange plate of the heat exchanger does not permanently deform when operated under the above conditions.
以上の結果から、本発明の熱交換器は、異なる温度の流体の伝熱性能が高く、強度が高いことが確認された。そして、本発明の目的で述べられているように、本発明の熱交換器は圧力が非常に異なる流体を熱交換するために使用することができる。 From the above results, it was confirmed that the heat exchanger of the present invention has high heat transfer performance and high strength of fluids having different temperatures. And, as stated in the object of the present invention, the heat exchanger of the present invention can be used to exchange heat with fluids having very different pressures.
本発明の最良の形態は、本発明の記述説明において提供される通りである。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］異なる温度を有する流体の熱交換用の熱交換器であって、
順次交互に積み重ねられた少なくとも１つの平らな熱交換プレート（１２）、少なくとも１つの高温熱交換プレート（１４）および少なくとも１つの低温熱交換プレート（１６）を有し、
前記高温熱交換プレート（１４）の各々を通して高温流体を通流させるために、高温流体入口（１８ａ）および高温流体出口（２０ａ）が配置され、
前記低温熱交換プレート（１６）の各々を通して低温流体を通流させるために、低温流体入口（１８ｂ）および低温流体出口（２０ｂ）が配置され、
前記高温熱交換プレート（１４）は高温流路（１５）を含み、前記低温熱交換プレート（１６）は低温流路（１７）を含み、
これらの前記流路は、前記流体の流れ方向に延びる長さを有し、
前記流路の各々の側壁は、前記流路の中心線を対称軸として対称的な波形状パターンを有することを特徴とする熱交換器。
［２］前記高温流路（１５）および前記低温流路（１７）は、１００〜５,０００μｍの範囲の平均幅（ｙ）と、式ｘ≦２ｒを満たす湾曲長さ（ｘ）と曲率半径（ｒ）とを有し、但し前記ｘは１００〜１００,０００の範囲にあることを特徴とする［１］に記載の熱交換器。
［３］前記高温流路（１５）および前記低温流路（１７）の前記平均幅は１００〜３,０００μｍの範囲にあり、前記湾曲長さは１,０００〜３,０００μｍの範囲にあり、前記曲率半径は２,０００〜５,０００μｍの範囲にあることを特徴とする［１］又は［２］のいずれか１に記載の熱交換器。
［４］前記高温流路（１５）および前記低温流路（１７）の深さは、前記高温熱交換プレート（１４）の各々の頂部と前記低温熱交換プレート（１６）の各々の頂部とによって画定される平面に従い１０〜２,０００μｍの範囲にあることを特徴とする［１］乃至［３］のいずれか１に記載の熱交換器。
［５］前記高温流路（１５）および前記低温流路（１７）の深さは、前記高温熱交換プレート（１４）の各々の頂部と前記低温熱交換プレート（１６）の各々の頂部とによって画定される平面に従い５００〜１,５００μｍの範囲にあることを特徴とする［４］に記載の熱交換器。
［６］前記高温熱交換プレート（１４）と前記低温熱交換プレート（１６）とは、前記高温流路（１５）と前記低温流路（１７）とが交互に配置される向きに配置されることを特徴とする［４］又は［５］のいずれか１に記載の熱交換器。
［７］前記平らな熱交換プレート（１２）、前記高温熱交換プレート（１４）および前記低温熱交換プレート（１６）は、１０〜１０,０００μｍの範囲の厚さを有することを特徴とする［１］に記載の熱交換器。
［８］前記平らな熱交換プレート（１２）、前記高温熱交換プレート（１４）および前記低温熱交換プレート（１６）は、１００〜２,０００μｍの範囲の厚さを有することを特徴とする［７］に記載の熱交換器。
［９］前記高温流体入口（１８ａ）と前記低温流体入口（１８ｂ）とは、異なる温度を有する流体の対向流を形成するために前記熱交換器の反対側に対向配置されていることを特徴とする［１］に記載の熱交換器。
［１０］前記流体は少なくとも１℃の温度差を有することを特徴とする［１］又は［９］のいずれか１に記載の熱交換器。
［１１］前記流体は少なくとも１０℃の温度差を有することを特徴とする請求項［１０］に記載の熱交換器。
The best form of the present invention is as provided in the description of the present invention.
The inventions described in the claims of the original application of the present application are described below.
[1] A heat exchanger for heat exchange of fluids having different temperatures.
It has at least one flat heat exchange plate (12), at least one hot heat exchange plate (14) and at least one cold heat exchange plate (16) stacked alternately in sequence.
A hot fluid inlet (18a) and a hot fluid outlet (20a) are arranged to allow the hot fluid to flow through each of the hot heat exchange plates (14).
A cold fluid inlet (18b) and a cold fluid outlet (20b) are arranged to allow the cold fluid to flow through each of the cold heat exchange plates (16).
The high temperature heat exchange plate (14) includes a high temperature flow path (15), and the low temperature heat exchange plate (16) includes a low temperature flow path (17).
These flow paths have a length extending in the flow direction of the fluid, and have a length extending in the flow direction of the fluid.
A heat exchanger characterized in that each side wall of the flow path has a symmetric wave-shaped pattern with the center line of the flow path as the axis of symmetry.
[2] The high temperature flow path (15) and the low temperature flow path (17) have an average width (y) in the range of 100 to 5,000 μm, a curvature length (x) satisfying the equation x ≦ 2r, and a radius of curvature. (R) The heat exchanger according to [1], wherein x is in the range of 100 to 100,000.
[3] The average width of the high temperature flow path (15) and the low temperature flow path (17) is in the range of 100 to 3,000 μm, and the curvature length is in the range of 1,000 to 3,000 μm. The heat exchanger according to any one of [1] and [2], wherein the radius of curvature is in the range of 2,000 to 5,000 μm.
[4] The depth of the high temperature flow path (15) and the low temperature flow path (17) depends on each top of the high temperature heat exchange plate (14) and each top of the low temperature heat exchange plate (16). The heat exchanger according to any one of [1] to [3], wherein the heat exchanger is in the range of 10 to 2,000 μm according to the defined plane.
[5] The depth of the high temperature flow path (15) and the low temperature flow path (17) depends on each top of the high temperature heat exchange plate (14) and each top of the low temperature heat exchange plate (16). The heat exchanger according to [4], wherein the heat exchanger is in the range of 500 to 1,500 μm according to the defined plane.
[6] The high temperature heat exchange plate (14) and the low temperature heat exchange plate (16) are arranged in a direction in which the high temperature flow path (15) and the low temperature flow path (17) are alternately arranged. The heat exchanger according to any one of [4] or [5].
[7] The flat heat exchange plate (12), the high temperature heat exchange plate (14), and the low temperature heat exchange plate (16) have a thickness in the range of 10 to 10,000 μm [7]. 1] The heat exchanger according to.
[8] The flat heat exchange plate (12), the high temperature heat exchange plate (14), and the low temperature heat exchange plate (16) have a thickness in the range of 100 to 2,000 μm [8]. 7] The heat exchanger according to.
[9] The high temperature fluid inlet (18a) and the low temperature fluid inlet (18b) are arranged to face each other on opposite sides of the heat exchanger in order to form a countercurrent of fluids having different temperatures. The heat exchanger according to [1].
[10] The heat exchanger according to any one of [1] and [9], wherein the fluid has a temperature difference of at least 1 ° C.
[11] The heat exchanger according to claim [10], wherein the fluid has a temperature difference of at least 10 ° C.
Claims (7)
順次交互に積み重ねられた少なくとも１つの平らな熱交換プレート（１２）、少なくとも１つの高温熱交換プレート（１４）および少なくとも１つの低温熱交換プレート（１６）を有し、
前記高温熱交換プレート（１４）の各々を通して高温流体を通流させるために、高温流体入口（１８ａ）および高温流体出口（２０ａ）が配置され、
前記低温熱交換プレート（１６）の各々を通して低温流体を通流させるために、低温流体入口（１８ｂ）および低温流体出口（２０ｂ）が配置され、
前記高温熱交換プレート（１４）は高温流路（１５）を含み、前記低温熱交換プレート（１６）は低温流路（１７）を含み、
前記高温流路（１５）および前記低温流路（１７）は、前記流体の流れ方向に延びる長さと、１００〜３，０００μｍの範囲の平均幅（ｙ）と、１，０００〜３，０００μｍの範囲の曲線の長さ（ｘ）と、２，０００〜５，０００μｍの範囲の曲線の半径（ｒ）と、前記高温熱交換プレート（１４）の各々の頂部と前記低温熱交換プレート（１６）の各々の頂部とによって画定される平面に従う５００〜１，５００μｍの範囲の深さと、をそれぞれ有し、
前記高温流路（１５）および前記低温流路（１７）の各々の側壁は、前記流路の中心線を対称軸として対称的な波形状パターンを有することを特徴とする熱交換器。 A heat exchanger for heat exchange of fluids with different temperatures.
It has at least one flat heat exchange plate (12), at least one hot heat exchange plate (14) and at least one cold heat exchange plate (16) stacked alternately in sequence.
A hot fluid inlet (18a) and a hot fluid outlet (20a) are arranged to allow the hot fluid to flow through each of the hot heat exchange plates (14).
A cold fluid inlet (18b) and a cold fluid outlet (20b) are arranged to allow the cold fluid to flow through each of the cold heat exchange plates (16).
The high temperature heat exchange plate (14) includes a high temperature flow path (15), and the low temperature heat exchange plate (16) includes a low temperature flow path (17).
The high temperature flow path (15) and the low temperature flow path (17) have a length extending in the flow direction of the fluid, an average width (y) in the range of 100 to 3,000 μm, and 1,000 to 3,000 μm. The length of the curve in the range (x), the radius (r) of the curve in the range of 2,000 to 5,000 μm, the top of each of the high temperature heat exchange plates (14), and the low temperature heat exchange plate (16). ) With a depth in the range of 500 to 1,500 μm, respectively, according to the plane defined by each apex.
A heat exchanger characterized in that each side wall of the high temperature flow path (15) and the low temperature flow path (17) has a symmetric wave shape pattern with the center line of the flow path as the axis of symmetry.
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