KR20190058543A

KR20190058543A - 열 교환기

Info

Publication number: KR20190058543A
Application number: KR1020197011287A
Authority: KR
Inventors: 스구루 타카하시; 야스히로 후지타; 타츠야 모리카와
Original assignee: 스미토모 세이미츠 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2016-10-07
Filing date: 2016-10-07
Publication date: 2019-05-29
Also published as: JP6118008B1; JPWO2018066128A1; EP3524913B1; US11022376B2; EP3524913A4; WO2018066128A1; EP3524913A1; US20200049411A1

Abstract

본 발명의 열 교환기(100)는 제1 유체(7)를 유통시키는 제1 유로(10)와, 제2 유체(8)를 유통시키는 제2 유로(20)와, 서로 인접하는 제1 유로(10)와 제2 유로(20)의 사이에 배치되어, 제1 유로(10)와 제2 유로(20)의 사이의 열 교환량을 조정하는 조정층(30)을 구비한다. 조정층(30)은 제1 부분(31)과 제1 부분(31)보다 전열 성능이 낮은 제2 부분(32)을 포함하며, 조정층(30) 내의 위치에 따라 다른 전열 성능을 갖도록 구성되어 있다.

Description

열 교환기

본 발명은 열 교환기에 관한 것이며, 특히 제1 유체와 제2 유체 사이에서 열 교환을 수행하는 열 교환기에 관한 것이다.

종래에 제1 유체와 제2 유체 사이에서 열 교환을 수행하는 열 교환기가 알려져있다. 이와 같은 열 교환기는, 예를 들면, 일본 공개특허 공보 제2010-101617호에 개시되어 있다.

상기 일본 공개특허 공보 제2010-101617호에는, 제1 유체가 흐르는 제1 통로와 제2 유체가 흐르는 제2 통로가 교대로 배치되어 구성된 열 교환 통로 패키지의 사이에 유체가 흐르지 않는 층을 마련한 플레이트 핀형의 열 교환기가 개시되어 있다. 제1 유체와 제2 유체 사이에서 열 교환을 행할 때, 온도 구배가 커지면 열 응력(應力)이 커지는 점에서, 상기 일본 공개특허 공보 제2010-101617호에서는, 유체가 흐르지 않는 층을 열 교환 통로 패키지의 사이에 배치함으로써, 온도 구배를 억제하여 열 응력을 저감시키고 있다. 상기 일본 공개특허 공보 제2010-101617호의 열 교환기는, 유체 간의 온도차가 큰 천연가스의 액화 또는 기화 등의 용도에 특히 이용된다.

특허 문헌 1: 일본 공개특허 공보 제2010-101617호

여기서, 예를 들면 저온 측의 제1 유체가 극저온의 액화 가스이고, 고온 측의 제2 유체가 물이나 부동액 등일 경우, 응고(동결)하여 통로가 폐색(閉塞)될 가능성이 있다.

상기 일본 공개특허 공보 제2010-101617호의 열 교환기에 의하면, 유체가 흐르지 않는 층을 마련하여 유로 사이에서 열이 과하게 전달되는 것을 억제함으로써 열 응력을 저감시키는 것이 가능한 한편, 유로의 동결 발생 리스크에 대해서는 고려도 되어있지 않으며, 동결 발생에 의한 유로 폐색의 가능성이 있다는 문제점이 있다. 또한, 단순히 유로 사이에 유체가 흐르지 않는 층을 마련하는 것만으로는 열 교환 성능이 저하되기 때문에, 유로 길이를 길게 하는 등에 의하여 열 교환기가 대형화되는 문제점이 있다.

본 발명은, 상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 이루어진 것이며, 본 발명의 일의 목적은 온도차가 큰 유체 사이에서 열 교환을 행하는 경우에도, 유체의 동결을 억제하면서, 대형화를 억제하는 것이 가능한 열 교환기를 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 열 교환기는, 제1 유체를 유통시키는 제1 유로와, 제2 유체를 유통시키는 제2 유로와, 서로 인접하는 제1 유로와 제2 유로의 사이에 배치되어, 제1 유로와 제2 유로 사이의 열 교환량을 조정하는 조정층을 구비하며, 조정층은 제1 부분과 제1 부분보다 전열 성능이 낮은 제2 부분을 포함하며, 조정층 내의 위치에 따라 다른 전열 성능을 갖도록 구성되어 있다.

본 발명에 의한 열 교환기에서는, 상술한 바와 같이, 서로 인접하는 제1 유로와 제2 유로 사이에 배치되어, 제1 유로와 제2 유로 사이의 열 교환량을 조정하는 조정층을 마련한다. 이로써, 제1 유로와 제2 유로 사이의 조정층에 의하여, 제1 유로와 제2 유로 사이에서 열이 과하게 전달되는 것을 억제할 수 있다. 그 결과, 온도차가 큰 유체 사이에서 열 교환을 행하는 경우에도, 유체의 동결을 억제할 수 있다. 그리고, 조정층에 제1 부분과 제1 부분보다 전열 성능이 낮은 제2 부분을 마련하여, 조정층 내의 위치에 따라 다른 전열 성능을 갖도록 조정층을 구성함으로써, 유로 중에서 동결이 발생하기 쉬운 개소에 제2 부분을 배치하여 전열 성능을 충분히 낮추고, 동결이 발생하기 어려운 개소에는 제1 부분을 배치하여 전열 성능을 상대적으로 높여 높은 열 교환 성능을 확보할 수 있다. 이에 따라, 원하는 열 교환량을 실현하기 위하여 필요한 유로 길이가 길어지는 것을 억제할 수 있다. 이상에 의하여, 온도차가 큰 유체들 사이에서 열 교환을 행하는 경우에도, 유체의 동결을 억제하면서 열 교환기의 대형화를 억제할 수 있다.

또한, 상술한 구성을 구비하는 본 발명에 의하면, 열 교환에 의하여 유체의 비등이 발생할 가능성이 있는 경우에도, 이를 억제하는 것이 가능하다. 유로 중에서의 의도하지 않은 비등의 발생은 열 교환기의 강도 상의 부하가 커질 가능성이 있음과 함께, 열 교환기의 사양 상 허용할 수 없는 경우가 있다. 본 발명에서는, 유로 중에서 비등이 발생하기 쉬운 개소에 제2 부분을 배치하여 전열 성능을 충분히 낮추고, 비등이 발생하기 어려운 개소에는 제1 부분을 배치하여 전열 성능을 상대적으로 높일 수 있다. 이에 따라, 원하는 열 교환량을 실현하기 위하여 필요한 유로 길이가 길어지는 것을 억제할 수 있다. 그 결과, 유체의 의도하지 않은 비등을 억제하면서, 열 교환기의 대형화를 억제하는 것이 가능하다.

상술한 본 발명에 의한 열 교환기에 있어서, 바람직하게는, 제2 부분은 조정층 중에서 제2 유체의 입구 또는 출구의 근방과 중첩되는 부분을 포함하는 소정 범위에 마련되어 있다. 이와 같이 구성하면, 예를 들면 제2 유로를 따라 제2 유체의 온도가 단조(單調) 저하되는 경우에, 동결이 발생할 가능성이 높은 제2 유체의 출구 근방과 중첩되는 부분을 포함하도록 제2 부분을 마련함으로써, 동결의 발생을 효과적으로 억제할 수 있다. 또한, 예를 들면 병행류형의 열 교환기에서 제2 유체의 입구 근방에서의 제1 유체의 온도가 극저온이 되고, 제2 유로의 내표면 온도가 동결 온도에 근접하게 되는 경우에, 동결이 발생할 가능성이 높은 제2 유체의 입구 근방과 중첩되는 부분을 포함하도록 제2 부분을 마련함으로써, 동결의 발생을 효과적으로 억제할 수 있다.

상술한 본 발명에 의한 열 교환기에 있어서, 바람직하게는, 제2 유로는 내표면 온도가 제1 유체의 온도에 가장 근접하는 리스크 영역을 포함하고 있고, 제2 부분은 조정층 중에서 제2 유로의 리스크 영역과 중첩되는 부분을 포함하는 소정 범위에 배치되어 있다. 이와 같이 구성하면, 제2 부분을 리스크 영역에 중첩하여 배치함으로써, 보다 확실하게 동결의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 리스크 영역은, 예를 들면 조정층을 마련하지 않는 경우(제1 유로와 제2 유로가 직접 인접하는 경우)에서의 제2 유로의 내표면의 온도 분포를 계산하여, 내표면 온도가 제1 유체의 온도에 가장 근접하는 영역으로서 설정할 수 있다.

상술한 본 발명에 의한 열 교환기에 있어서, 바람직하게는, 조정층은 인접하는 제1 유로와 제2 유로의 사이를 접속하는 열 전도부를 포함하고, 제1 부분 및 제2 부분은 각각 다른 전열 성능을 갖는 열 전도부를 포함하고 있다. 이와 같이 구성하면, 조정층 자체의 형상이나 치수를 조정하는 것이 아닌, 열 전도부의 수나 크기, 재질 등을 변경함으로써, 용이하게 제1 부분 및 제2 부분에 있어서의 전열 성능의 분포를 조정할 수 있다. 그 결과, 조정층에 있어서, 유체의 동결의 발생 리스크에 따른 적절한 전열 성능의 분포를 용이하게 실현할 수 있다.

이 경우, 바람직하게는, 열 전도부는 조정층에 있어서의 단위 면적당 밀도가 다른 것에 의하여 다른 전열 성능을 갖는다. 이와 같이 구성하면, 예를 들면 재질이 다른 복수 종류의 열 전도부를 마련하는 경우와 달리, 단위 면적당 열 전도부의 수를 변경하거나, 크기가 다른 복수의 열 전도부를 등간격으로 배열하는 등에 의하여, 용이하게 열 전도부의 전열 성능을 다르게 할 수 있다.

상기 조정층이 열 전도부를 포함하는 구성에 있어서, 바람직하게는, 제1 유로, 제2 유로 및 조정층은, 각각 평면상의 유로층에 의하여 구성됨과 함께 내부에 전열핀을 갖고, 열 전도부는 조정층 내에 배치된 전열핀에 의하여 구성되며, 전열핀의 각각의 핀부 간의 간격, 또는 핀부의 두께 중 적어도 한쪽이 다른 것에 의하여 다른 전열 성능을 갖는다. 이와 같이 구성하면, 제1 유로, 제2 유로 및 조정층의 기본 구조를 공통화하여, 이른바 플레이트 핀형의 열 교환기의 각 유로층으로서 구성할 수 있다. 그 결과, 조정층에 특수한 구조를 채용하는 경우와 달리, 조정층을 마련하는 경우에도 용이하게 열 교환기로서 구성할 수 있다. 또한, 각각의 핀부 간의 간격이나 핀부의 두께만 다르게 하는 간단한 구성으로, 조정층의 전열 성능을 다르게 할 수 있다.

상술한 본 발명에 의한 열 교환기에 있어서, 바람직하게는, 조정층은 제1 유로와 제2 유로의 사이에 배치되고, 열 교환 시 이외에 있어서 내부에 유체를 유통시키는 것이 가능한 중공(中空)의 유로 구조를 갖는다. 이와 같이 구성하면, 중공 구조에 의하여 용이하게 조정층의 전열 성능을 저하시킬 수 있으므로, 동결의 발생을 효과적으로 억제할 수 있다. 또한, 조정층이 열 교환 시 이외에 있어서 내부에 유체를 유통시키는 것이 가능한 유로 구조를 가짐으로써, 만일, 유체의 동결이 발생한 경우의 대책으로서, 제1 유체와 제2 유체와의 열 교환 시 이외에 있어서 조정층에 동결 온도보다 고온의 열매(熱媒)를 유통시켜 동결을 신속하게 해소하는 것이 가능해진다.

상술한 본 발명에 의한 열 교환기에 있어서, 바람직하게는, 제1 유체는 제1 유로 내에서 증발되는 저온의 액화 가스이고, 제2 유체는 액화 가스에 의하여 냉각되는 액체 상태의 열매이다. 이와 같이 구성하는 경우, 극저온의 제1 유체와 제2 유체의 사이의 열 교환에 의하여, 제2 유체 측에 동결의 가능성이 발생한다. 그 경우에도, 제1 부분 및 제2 부분을 마련하여 조정층의 전열 성능을 다르게 함으로써, 제2 유체의 동결을 억제하는 것이 가능한 범위 내에서 전열 효율을 최대한 높일 수 있으므로, 열 교환기의 대형화를 효과적으로 억제할 수 있다.

이 경우, 바람직하게는, 제1 부분은 조정층 중에서 제1 유로를 흐르는 제1 유체의 기상 영역과 중첩되는 범위에 배치되어 있고, 제2 부분은 조정층 중에서 제1 유로를 흐르는 제1 유체의 기액 혼상 영역과 중첩되는 범위에 배치되어 있다. 이와 같이 구성하면, 제1 유체의 열 전달률이 큰 기액 혼상 영역에서는 전열 성능이 낮은 제2 부분에 의하여 제2 유체의 동결을 억제하고, 제1 유체의 열 전달률이 저하되는 기상 영역에서는 전열 성능이 높은 제1 부분에 의하여 효율적으로 열 교환을 행할 수 있다. 그 결과, 제2 유체의 동결을 억제하면서, 열 교환기를 최대한 콤팩트하게 구성하는 것이 가능해진다.

상기 조정층이 열 교환 시 이외에 있어서 내부에 유체를 유통시키는 것이 가능한 중공의 유로 구조를 갖는 구성에 있어서, 바람직하게는, 조정층은 제2 유로 중의 제2 유체에 동결이 발생한 경우에, 열 교환 시 이외에 있어서 제2 유체의 동결을 해소하기 위한 열매가 공급되도록 구성되어 있다. 이와 같이 구성하면, 제2 유로 중에서 동결이 발생한 경우에도, 열 교환(제1 유체 및 제2 유체의 공급)을 정지한 후에, 동결을 해소하기 위한 열매를 조정층에 공급함으로써, 용이하고 또한 신속하게 동결을 해소할 수 있다.

본 발명에 의하면, 상술한 바와 같이, 온도차가 큰 유체들 사이에서 열 교환을 행하는 경우에도, 유체의 동결을 억제하면서 대형화를 억제하는 것이 가능한 열 교환기를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 형태에 의한 열 교환기를 나타낸 사시도이다.
도 2는 제1 유로, 제2 유로 및 조정층을 나타낸 열 교환기의 모식적인 종단면도이다.
도 3은 제1 유로의 구조를 나타낸 모식적인 수평 단면도이다.
도 4는 제2 유로의 구조를 나타낸 모식적인 수평 단면도이다.
도 5는 조정층의 구조를 나타낸 모식적인 수평 단면도이다.
도 6은 조정층의 제1 부분의 구조를 나타낸 모식적인 단면도 (A) 및 제2 부분의 구조를 나타낸 모식적인 단면도 (B)이다.
도 7은 본 실시형태에 의한 열 교환기에 있어서의 유체의 온도 변화의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도이다.
도 8은 비교예 1에 의한 열 교환기에 있어서의 유체의 온도 변화의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도이다.
도 9는 비교예 2에 의한 열 교환기에 있어서의 유체의 온도 변화의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도이다.
도 10은 비교예 3에 의한 열 교환기에 있어서의 유체의 온도 변화의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도이다.
도 11은 본 발명의 실시 형태의 열 교환기의 변형예를 나타낸 모식도 (A), 변형예에 의한 열 교환기의 상류 측의 단면도 (B) 및 하류 측의 단면도 (C)이다.
도 12는 본 발명의 실시 형태의 조정층의 변형예를 나타낸 모식적인 수평 단면도이다.
도 13은 조정층의 변형예를 설명하기 위한 열 교환기의 모식적인 종단면도이다.
도 14는 직교류형의 열 교환기에 있어서의 조정층의 구성예를 나타낸 모식도이다.
도 15는 제1 유체가 상변화를 하지 않는 경우의 제1 예(제1 유체가 저온 측)를 나타낸 도이다.
도 16은 제1 유체가 상변화를 하지 않는 경우의 제2 예(제1 유체가 고온 측)를 나타낸 도이다.

이하, 본 발명의 실시 형태를 도면에 근거하여 설명한다.

먼저, 도 1 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 실시 형태에 의한 열 교환기(100)의 구성에 대하여 설명한다.

열 교환기의 전체 구성

도 1에 나타내는 열 교환기(100)는 저온의 액화 가스와 열매와의 열 교환에 의하여, 액화 가스의 냉열을 이용하여 열매를 냉각하기 위한 장치(열 교환기)이다.

액화 가스는, 예를 들면, 수소, 산소, 질소 또는 천연 가스 등이다. 액화 가스 증발기에 이용되는 열매는 다양하지만 입수의 용이성(저비용성) 등의 관점에서, 물 또는 해수, 부동액 등의 액체나, 공기 등이 이용된다. 이들 액체나, 공기(공기 중의 수분)는 액화 가스의 공급 온도보다 높은 온도에서 동결되는 성질을 갖는다.

제1 실시 형태에서는, 열 교환기(100)는 플레이트 핀형의 코어(1)를 구비하고 있다. 플레이트 핀형의 코어(1)는 평면상의 유로층(2)이 복수로 적층된 적층 구조를 갖는 열 교환부이다. 이하에서는, 편의상 유로층(2)의 적층 방향을 Z 방향(또는 상하 방향)이라고 하고, Z 방향과 직교하는 수평면 내에서 코어(1)의 한 변을 따른 종방향을 X 방향, 다른 한 변을 따른 횡방향을 Y 방향이라고 한다.

코어(1)를 구성하는 유로층(2)은 전열핀(3)과 전열핀(3)의 외주벽을 구성하는 사이드바(4)를 포함하는 평면상(평판상)의 구조를 갖는다. 또한, 각 유로층(2)이 적층 방향 측의 격벽인 튜브 플레이트(5)에 의하여 구획되어 있다. 전열핀(3)은 파판(波板) 형상의 콜게이트 핀으로 이루어지며, 파상(波狀) 부분의 피크 부분에서 상하의 튜브 플레이트(5)와 접촉하고 있다. 파판 형상의 전열핀(3)은 유로층(2) 내를 구획하여 복수의 유로(채널)를 구성한다. 튜브 플레이트(5) 및 전열핀(3)은 코어(1) 내에서 열을 전달하는 전열면으로서 기능한다. 코어(1)는 적층된 유로층(2)의 적층체를 한 쌍의 사이드 플레이트(6)에 의하여 협지하고, 브레이징 등에 의하여 결합함으로써, 전체적으로 직사각형 상자상(직육면체 형상)으로 형성되어 있다. 코어(1)는, 예를 들면, 스테인리스강 등의 재료에 의하여 구성되어 있다.

코어(1)는 제1 유체(7)를 유통시키는 제1 유로(10)와, 제2 유체(8)를 유통시키는 제2 유로(20)를 포함한다. 본 실시 형태에서는, 제1 유체(7)가 저온 측 유체이며, 제2 유체(8)가 고온 측 유체이다. 즉, 제1 유체(7)는, 제1 유로(10) 내에서 증발되는 저온의 액화 가스이며, 제2 유체(8)는, 액화 가스에 의하여 냉각되는 액체 상태의 열매이다. 제1 유체(7) 및 제2 유체(8)는 한쪽이 다른 쪽과의 열 교환에 의하여 동결될 가능성이 있는 유체인 것으로 한다. 본 실시 형태에서는, 제1 유체(7) 및 제2 유체(8) 중에서 제2 유체(8)가 유로 중에 있어서의 동결의 발생 리스크가 있는 유체이다. 본 실시 형태에 있어서의 일 예로서, 액화 가스는, 예를 들면 액체 수소이며, 열매는, 예를 들면 부동액이다. 부동액은 주로 물과 응고점 강하제(예를 들면 에틸렌글라이콜 등)를 포함한 액체이다. 제1 유체(7)는 특허 청구 범위의 "액화 가스"의 일 예이다. 제2 유체(8)는 특허 청구 범위의 "열매"의 일 예이다.

본 실시 형태에서는, 코어(1)는 서로 인접하는 제1 유로(10)와 제2 유로(20)의 사이에 배치되어, 제1 유로(10)와 제2 유로(20)의 사이의 열 교환량을 조정하는 조정층(30)을 더 구비하고 있다. 조정층(30)은 모든 제1 유로(10)와 제2 유로(20)의 사이에 배치되어 있다. 즉, 코어(1)에서는 제1 유로(10), 조정층(30), 제2 유로(20), 조정층(30), …, 등과 같은 순서로 각 유로층이 적층되어 있다. 이로 인하여, 본 실시 형태에서는, 제1 유로(10)와 제2 유로(20)가 직접(튜브 플레이트(5)를 사이에 두고) 인접하는 경우가 없다.

도 2에 나타내는 바와 같이, 코어(1)는 제1 유로(10)를 유통하는 저온 측의 제1 유체(7)와 제2 유로(20)를 흐르는 고온 측의 제2 유체(8)의 사이에서 조정층(30)을 통하여 열 교환을 시킨다. 제1 실시 형태에서는, 코어(1)는 제1 유로(10)를 유통하는 제1 유체(7)(액체 수소)와의 열 교환에 의하여, 제2 유로(20)를 유통하는 제2 유체(8)(부동액)를 냉각하도록 구성되어 있다. 열 교환기(100)는 열 교환의 결과로 액체 상태의 제2 유체(8)를 소정 온도까지 냉각하여, 액상인 채로 외부에 공급(배출)한다. 열 교환기(100)는 열 교환의 결과로 액상의 제1 유체(7)를 증발시켜, 기상 상태의 가스(7a)로 하여 외부에 공급(배출)한다.

유로층의 구조

다음으로, 도 3 내지 도 5를 참조하여, 개개의 유로층(2)(제1 유로(10), 제2 유로(20), 조정층(30))의 구조에 대하여 설명한다. 또한, 복수의 제1 유로(10)끼리, 복수의 제2 유로(20)끼리, 복수의 조정층(30)끼리는 각각 동일 형상을 갖고 있다. 도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 제1 유로(10), 제2 유로(20) 및 조정층(30)(각 유로층(2))은 유체의 입구나 출구의 위치만 다를 뿐, 평면 형상(XY 방향의 형상)은 대략 공통이다. 제1 유로(10), 제2 유로(20) 및 조정층(30)은 제1 유로(10), 제2 유로(20) 및 조정층(30)은 모두 폭(W1), 길이(L1)(도 3 내지 도 5 참조)를 갖고 있다. 한편, 도 2에 나타낸 바와 같이, 제1 유로(10)의 높이(H1), 제2 유로(20)의 높이(H2), 조정층(30)의 높이(H3)는 서로 일치하고 있어도 되며, 서로 달라도 된다. 상술한 바와 같이, 제1 유로(10), 제2 유로(20) 및 조정층(30)은 각각 평면상의 유로층(2)에 의하여 구성됨과 함께 내부에 전열핀(3)(후술하는 전열핀(13, 23, 34))을 갖고 있다.

제1 유로

도 3에 나타내는 바와 같이, 제1 유로(10)는 X2 측 단부면에 마련된 입구(개구부)(11)와 X1 측 단부면에 마련된 출구(개구부)(12)를 포함하며, X 방향으로 뻗는 직선상 유로로서 형성되어 있다. 도 3의 구성 예에서는, 제1 유체(7)는 입구(11)로부터 출구(12)를 향하여 X1 방향으로 흐른다.

이하, 제1 유로(10)에 마련된 전열핀(3)을 전열핀(13)이라고 한다. 제1 유로(10)의 전열핀(13)은 제1 유로(10)의 입구(11)로부터 출구(12)에 걸쳐 뻗도록 형성되어 있다. 또한, 도 3에서는, 편의상 제1 유로(10)의 중앙부만 전열핀(13)을 도시하고, 다른 부분의 도시를 생략하고 있다. 전열핀(13)은 제1 유로(10)의 전체에 걸쳐 소정의 피치(P1)를 갖는다. 피치는 전열핀(13)(전열핀(3))의 세로판부(도 6 참조)의 간격이다.

입구(11) 및 출구(12)에는 각각 도시하지 않는 헤더 탱크 등이 장착된다. 헤더 탱크를 통하여 외부로부터 입구(11)에 액상의 제1 유체(7)가 공급되며, 출구(12)로부터 헤더 탱크를 통하여 열 교환 후(기화 후)의 제1 유체(7)(가스(7a))가 배출된다. 따라서, 제1 유로(10)는 제1 유로(10)를 흐르는 제1 유체(7)의 상변화에 근거하여, 입구(11) 측으로부터 출구(12) 측을 향하여 액상 영역(L), 기액 혼상 영역(L+V), 기상 영역(V)을 포함하고 있다.

제2 유로

도 4에 나타내는 바와 같이, 제2 유로(20)는 Y2 측 단부면의 X1 측 단부에 마련된 입구(개구부)(21)와 Y1 측 단부면의 X2 측 단부에 마련된 출구(개구부)(22)를 포함하여, X 방향으로 뻗는 직선상 유로로서 형성되어 있다. 도 4의 구성 예에서는, 제2 유체(8)는 입구(21)로부터 출구(22)를 향하여 X2 방향으로 흐른다. 따라서, 본 실시 형태의 열 교환기(100)는 제1 유체(7)의 유통 방향(X1 방향)과 제2 유체(8)의 유통 방향(X2 방향)이 서로 반대 방향이 되는 대향류형의 열 교환기이다.

이하, 제2 유로(20)에 마련된 전열핀(3)을 전열핀(23)이라고 한다. 제2 유로(20)의 전열핀(23)은 제2 유로(20)의 입구(21)로부터 출구(22)에 걸쳐 뻗도록 형성되어 있다. 또한, 도 4에서는, 편의상 제2 유로(20)의 중앙부만 전열핀(23)을 도시하고, 다른 부분의 도시를 생략하고 있다. 전열핀(23)은 입구(21) 및 출구(22)에 마련된 디스트리뷰터부(24)를 제외한 직선부(25)의 전체에 걸쳐 소정의 피치(P2)를 갖는다. 본 실시 형태에서는, 피치(P2)는 피치(P1)보다 작다. 즉, 단위 폭당 세로판부의 매수가 전열핀(13)보다 전열핀(23)이 많으며, 단위 면적당 세로판부의 밀도가 크다. 디스트리뷰터부(24)에서는 직선부(25)와 입구(21) 또는 출구(22)와의 사이에서 제2 유체(8)를 분배(또는 집합)하기 위하여, 직선부(25)와는 피치가 다르다. 디스트리뷰터부(24)와 직선부(25)에서 피치가 동일해도 된다.

입구(21) 및 출구(22)에는 각각 도시하지 않는 헤더 탱크 등이 장착된다. 헤더 탱크를 통하여 외부로부터 입구(21)에 제2 유체(8)가 공급되고, 출구(22)로부터 헤더 탱크를 통하여 열 교환 후의 제2 유체(8)가 배출된다.

조정층

도 5에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태의 조정층(30)은, 평면에서 보았을 때에 제1 유로(10) 및 제2 유로(20)와 일치하는 형상을 갖는 유로층(2)으로서 구성되어 있다. 한편, 본 실시 형태의 조정층(30)은 유체가 유통하지 않는 층으로 되어 있다. 즉, 도 5의 조정층(30)은 전체 둘레가 사이드바(4)에 의하여 둘러싸여 있으며, 입구 및 출구가 형성되어 있지 않다. 조정층(30)은 중공 구조를 갖는다. 또한, 도 5에서는 조정층(30)의 내부가 완전히 폐쇄되어 있도록 도시하고 있지만, 조정층(30)은 진공 상태(저압 상태) 또는 소정의 기체를 충전한 상태로 기밀 밀봉되어 있어도 되고, 일부가 외부와 연통하여 조정층(30)의 내외가 동일한 분위기가 되도록 구성되어도 된다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 조정층(30)이 마련됨으로써, 단순히 제1 유로(10)와 제2 유로(20)의 사이를 튜브 플레이트(5)에 의하여 구획하는 경우와 비교하여, 제1 유로(10)와 제2 유로(20)의 사이의 전열 성능이 저하된다. 즉, 조정층(30)은 제1 유로(10)와 제2 유로(20)의 사이에서(제1 유로(10)와 제2 유로(20)가 직접 인접하는 경우와 비교하여) 열 교환량을 감소시키도록 조정하는 기능을 갖는다.

도 5를 다시 참조하면, 본 실시 형태에서는, 조정층(30)은 제1 부분(31)과 제1 부분(31)보다 전열 성능이 낮은 제2 부분(32)을 포함하며, 조정층(30) 내의 위치에 따라 다른 전열 성능을 갖도록 구성되어 있다. 즉, 조정층(30)은 제1 유로(10) 및 제2 유로(20)와 평행인 면내에 있어서, 전열 성능이 높은 부분(제1 부분(31))과 낮은 부분(제2 부분(32))이 형성되어 있으며, 조정층(30)은 전열 성능의 고저(高低)의 분포를 갖고 있다.

또한, 본 명세서에 있어서, 조정층(30)의 전열 성능이란 조정층(30)을 통하여 제1 유로(10)와 제2 유로(20)의 사이에서 열을 이동시킬 때의 열의 이동 용이성을 의미한다. 전열 성능은 열 전도, 열 전달(대류열 전달), 열 방사의 각각에 의한 열의 이동을 포함하는 종합적인 성능이라고 생각해도 된다.

도 5의 구성 예에서는, 조정층(30)은 1개의 제1 부분(31)과 1개의 제2 부분(32)에 의하여 구성되어 있다. 제2 부분(32)은 조정층(30) 중에서 제2 유로(20)의 입구(21) 또는 출구(22) 근방과 중첩되는 부분을 포함하는 소정 범위에 마련되어 있다. 본 실시 형태에서는, 제2 부분(32)은 제2 유로(20)의 출구(22)의 근방 영역과 인접하는(중첩되는) 부분에 마련되어 있다. 제1 부분(31)은 조정층(30) 중에서 제2 부분(32)이 형성된 소정 범위 이외의 영역에 마련되어 있다. 그 결과, 조정층(30)은 제2 유로(20)의 하류 측에 있어서의 전열 성능이 제2 유로(20)의 상류 측에 있어서의 전열 성능보다 낮아지도록 구성되어 있다.

본 실시 형태에서는, 제2 부분(32)은 조정층(30) 중에서 제2 유로(20)의 리스크 영역(RA)과 중첩되는 부분을 포함하는 소정 범위에 배치되어 있다. 리스크 영역(RA)은 제2 유로(20) 중에서, 내표면 온도가 제1 유체(7)의 온도에 가장 근접하는 영역이다. 제2 유로(20)의 내표면 온도란 제2 유로(20)를 구성하는 튜브 플레이트(5)의 표면 온도이다. 제2 유로(20)의 내표면 온도는 저온 측인 제1 유체(7)의 온도 및 제1 유로(10) 측의 전열 성능에 영향을 받기 때문에, 제1 부분(31) 및 제2 부분(32)의 위치 및 범위는 제1 유로(10)를 흐르는 제1 유체(7)와 제2 유로(20)를 흐르는 제2 유체(8)와의 관계에 의하여 설정된다.

상세하게는, 도 3 및 도 5를 참조하면, 제1 부분(31)은 조정층(30) 중에서 제1 유로(10)를 흐르는 제1 유체(7)의 기상 영역(V)과 중첩되는 범위에 배치되어 있으며, 제2 부분(32)은 조정층(30) 중에서 제1 유로(10)를 흐르는 제1 유체(7)의 기액 혼상 영역(L+V)과 중첩되는 범위에 배치되어 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 제2 부분(32)은 기액 혼상 영역(L+V)에 더하여, 액상 영역(L)과 중첩되는 범위에도 마련되어 있다.

여기서, 제1 유로(10)에 있어서의 전열 성능은 제1 유로(10)를 흐르는 액화 가스의 상변화에 따라 변화한다. 기액 혼상 영역(L+V)은 제1 유체(7)의 열 전달률이 가장 높아지며, 열 교환에 따라 제2 유로(20)의 내표면 온도를 제1 유체(7)의 온도에 가장 근접시키는 영역이다. 즉, 제2 유로(20)에 있어서의 제2 유체(8)의 동결 발생 리스크가 가장 높아지는 리스크 영역(RA)은 제1 유로(10)의 기액 혼상 영역(L+V)과 중첩되는 영역이다. 또, 제2 유로(20)에 있어서, 제1 유로(10)의 액상 영역(L)과 중첩되는 영역은 리스크 영역(RA)의 하류 측(출구(22) 측)이기 때문에, 기액 혼상 영역(L+V)에 이어 동결 발생 리스크가 높아진다. 한편, 기상 영역(V)은 제1 유로(10) 내에 있어서 제1 유체(7)의 온도가 높아지는 영역임과 함께, 제1 유체(7)의 열 전달률이 가장 낮고, 다른 영역과 비교하여 제2 유로(20)의 내표면 온도를 저하시키지 않는다. 이로 인하여, 기상 영역(V)과 중첩되는 영역은 동결 발생 리스크가 낮고, 전열 성능이 높은 제1 부분(31)이 배치 가능한 영역이다.

제1 유로(10)에 있어서의 액상 영역(L), 기액 혼상 영역(L+V), 기상 영역(V)은 유체의 종류, 유량, 입구 온도 및 출구 온도, 사용 압력, 각 유로의 구조 등의 설계 정보에 근거하여, 해석적으로 구하는 것이 가능하다.

도 3 내지 도 5의 구성 예에서는, 액상 영역(L) 및 기액 혼상 영역(L+V)은, 제1 유로(10)의 입구(11)로부터의 거리(D1)(위치(S))까지의 범위이다. 이로 인하여, 조정층(30)의 제2 부분(32)은 X2 측 단부로부터 거리(D1)의 범위로 설정되어 있다. 기상 영역(V)은 제1 유로(10)에 있어서 위치(S)로부터 하류 측(출구(12) 측)의 거리(D2)의 범위이다. 조정층(30)의 제1 부분(31)은 위치(S)로부터 하류 측의 거리(D2)의 범위로 설정되어 있다.

본 실시 형태에서는, 조정층(30)은 인접하는 제1 유로(10)와 제2 유로(20)의 사이를 접속하는 열 전도부(33)를 포함한다. 열 전도부(33)는 조정층(30)과 제1 유로(10)를 구획하는 튜브 플레이트(5)(도 2 참조)와 접함과 함께, 조정층(30)과 제2 유로(20)를 구획하는 튜브 플레이트(5)와 접하도록 마련되며, 주로 내부의 열 전도에 의하여 열을 이동시킨다.

조정층(30)은 유체가 흐르지 않는 중공 구조를 갖고 있으므로, 열 전도부(33)를 통과하는 열 전도에 의한 열의 이동이 대부분이 되며, 열 전달(대류열 전달) 및 열 방사에 의한 열의 이동이 열 전도와 비교하면 근소해지도록 구성되어 있다. 이로 인하여, 조정층(30)에서는 열 전도부(33)의 구조, 배치나 수에 의하여, 전열 성능을 다르게 하는 것이 가능하다.

열 전도부(33)는 제1 유로(10)와 제2 유로(20)의 사이(튜브 플레이트(5)의 사이)를 접속하는 구조이면, 특별히 한정되지 않는다. 열 전도부(33)는, 예를 들면, 기둥상 또는 블록상의 부재여도 되고, 판상이나 격자상의 부재여도 된다. 본 실시 형태에서는, 열 전도부(33)는 조정층(30) 내에 배치된 전열핀(34)(전열핀(3))에 의하여 구성되어 있다. 전열핀(34)은, 다른 유로층(2)의 전열핀(13, 23)과 동일한 콜게이트 핀으로 이루어진다. 이 경우, 도 6에 나타내는 바와 같이, 열 전도부(33)는 전열핀(34) 중에서 튜브 플레이트(5)의 사이를 접속하는 세로판부(35)에 의하여 구성되어 있다. 이로 인하여, 열 전도부(33)는, 도 5에 나타내는 바와 같이, 제1 유체(7)의 유통 방향(X방향)을 따라 뻗음과 함께, 소정의 피치로 간격을 두고 복수 배치되어 있다.

본 실시 형태에서는, 제1 부분(31) 및 제2 부분(32)은 각각 다른 전열 성능을 갖는 열 전도부(33)를 포함하고 있다. 구체적으로는, 열 전도부(33)는 조정층(30)에 있어서의 단위 면적당 밀도가 다른 것에 의하여, 다른 전열 성능을 갖는다. 열 전도부(33)가 전열핀(34)에 의하여 구성되는 본 실시 형태에서는, 열 전도부(33)는 전열핀(34)의 각각의 세로판부(35) 간의 간격을 다르게 함으로써 다른 전열 성능을 갖는다. 즉, 열 전도부(33)(전열핀(34)의 세로판부(35))의 피치가 제1 부분(31)과 제2 부분(32)에서 다르다. 세로판부(35)는 특허 청구 범위의 "핀부"의 일 예이다.

즉, 도 6(B)에 나타내는 바와 같이, 조정층(30)의 제2 부분(32)에는 피치(P3)의 전열핀(34a)이 마련되며, 도 6(A)에 나타내는 바와 같이, 조정층(30)의 제1 부분(31)에는 피치(P4)의 전열핀(34b)이 마련되어 있다. 피치(P3)는, 피치(P4)보다 크다(P3 > P4). 바꾸어 말하면, 단위 폭에 있어서의 열 전도부(33)(전열핀의 세로판부(35))의 수가 제2 부분(32)이 제1 부분(31)보다 적다. 이로 인하여, 단위 면적당 열 전도부(33)의 밀도가 제1 유체(7)의 유통 방향(X방향)을 따라, 제2 부분(32)에서는 상대적으로 성기게(저밀도) 되고, 제1 부분(31)에서는 상대적으로 밀집(고밀도)되어 있다. 피치(P3) 및 피치(P4)는 특허 청구 범위의 "핀부 간의 간격"의 일 예이다.

예를 들면, 도 6(A) 및 도 6(B)의 구성예에서는, 피치(P3)의 전열핀(34a)에는 단위 폭(1인치)당 10매의 세로판부(35)(열 전도부(33))가 마련되며, 피치(P4)의 전열핀(34b)에는 단위 폭당 14매의 세로판부(35)(열 전도부(33))가 마련되어 있는 예를 나타내고 있다.

또한, 제1 부분(31)과 제2 부분(32)에서 세로판부(35)의 두께를 다르게 해도 된다. 즉, 제2 부분(32)의 전열핀(34a)의 두께(t1)와 제1 부분(31)의 전열핀(34b)의 두께(t2)를 서로 다르게 함으로써, 다른 전열 성능을 갖는 열 전도부(33)를 구성해도 된다. 제1 부분(31)과 제2 부분(32)에서 세로판부(35)의 피치 및 두께 양쪽 모두를 서로 다르게 해도 된다. 이 경우, 단위 면적당 세로판부(35)의 밀도를 제2 부분(32)에서 상대적으로 낮아지도록, 제1 부분(31)에서 상대적으로 높아지도록 하면 된다.

이와 같은 구성에 의하여, 조정층(30)의 제2 부분(32)에서는 전열 성능이 상대적으로 낮게 되어 있다. 그 결과, 제2 부분(32)은, 극저온의 제1 유체(7)가 제1 유로(10)의 입구(11)로부터 유입된 경우에도, 제2 유로(20)의 제2 유체(8)가 동결되는 것을 억제한다.

한편, 조정층(30)의 제1 부분(31)에서는 전열 성능이 상대적으로 높게 되어 있다. 그 결과, 제1 부분(31)은 제2 부분(32)과 비교하여 제1 유로(10)와 제2 유로(20)의 사이의 열 교환을 촉진한다.

본 실시 형태의 효과

본 실시 형태에서는, 이하와 같은 효과들을 얻을 수 있다.

본 실시 형태에서는, 상술한 바와 같이, 서로 인접하는 제1 유로(10)와 제2 유로(20)의 사이에 배치되어, 제1 유로(10)와 제2 유로(20)의 사이의 열 교환량을 조정하는 조정층(30)을 마련한다. 이에 따라, 제1 유로(10)와 제2 유로(20)의 사이의 조정층(30)에 의하여, 제1 유로(10)와 제2 유로(20)의 사이에서 열이 과하게 전달되는 것을 억제할 수 있다. 그 결과, 온도차가 큰 유체 사이에서 열 교환을 행하는 경우에도, 유체의 동결을 억제할 수 있다. 그리고, 조정층(30)에 제1 부분(31)과 제1 부분(31)보다 전열 성능이 낮은 제2 부분(32)을 마련하고, 조정층(30) 내의 위치에 따라 다른 전열 성능을 갖도록 조정층(30)을 구성함으로써, 유로 중에서 동결이 발생하기 쉬운 개소에 제2 부분(32)을 배치하여 전열 성능을 충분히 낮추며, 동결이 발생하기 어려운 개소에는 제1 부분(31)을 배치하여 전열 성능을 상대적으로 높여, 높은 열 교환 성능을 확보할 수 있다. 이에 따라, 원하는 열 교환량을 실현하기 위하여 필요한 유로 길이가 길어지는 것을 억제할 수 있다. 이상에 의하여, 온도차가 큰 유체 사이에서 열 교환을 행하는 경우에도, 유체의 동결을 억제하면서, 열 교환기(100)의 대형화를 억제할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 상술한 바와 같이, 제2 부분(32)을 조정층(30) 중에서 제2 유체(8)의 입구(21) 또는 출구(22)의 근방과 중첩되는 부분을 포함하는 소정 범위(거리(D1)의 범위)에 마련한다. 이에 따라, 예를 들면 제2 유로(20)를 따라 제2 유체(8)의 온도가 단조 저하되는 경우에, 동결이 발생할 가능성이 높은 제2 유체(8)의 출구(22) 근방과 중첩되는 부분을 포함하도록 제2 부분(32)을 마련함으로써, 동결의 발생을 효과적으로 억제할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 상술한 바와 같이, 제2 부분(32)을 조정층(30) 중에서 제2 유로(20)의 리스크 영역(RA)(제2 유로(20)의 내표면 온도가 제1 유체(7)의 온도에 가장 근접하는 영역)과 중첩되는 부분을 포함하는 소정 범위(거리(D1)의 범위)에 배치하고 있다. 이로써, 제2 부분(32)을 리스크 영역(RA)에 중첩하여 배치함으로써, 보다 확실하게 동결의 발생을 억제할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 상술한 바와 같이, 조정층(30)에 인접하는 제1 유로(10)와 제2 유로(20)의 사이를 접속하는 열 전도부(33)를 마련하고, 제1 부분(31) 및 제2 부분(32)에 각각 다른 전열 성능을 갖는 열 전도부(33)를 마련한다. 이에 따라, 조정층(30) 자체의 형상이나 치수를 조정하는 것이 아닌, 열 전도부(33)의 수나 크기, 재질 등을 변경함으로써, 용이하게 제1 부분(31) 및 제2 부분(32)에 있어서의 전열 성능의 분포를 조정할 수 있다. 그 결과, 조정층(30)에 있어서, 유체의 동결의 발생 리스크에 따른 적절한 전열 성능의 분포를 용이하게 실현할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 상술한 바와 같이, 열 전도부(33)의 조정층(30)에 있어서의 단위 면적당 밀도(세로판부(35)의 피치)를 다르게 함으로써, 다른 전열 성능을 갖도록 열 전도부(33)를 구성한다. 이에 따라, 예를 들면 재질이 다른 복수 종류의 열 전도부(33)를 마련하는 경우와 달리, 용이하게 열 전도부(33)의 전열 성능을 유통 방향의 위치에 따라 다르게 할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 상술한 바와 같이, 제1 유로(10), 제2 유로(20) 및 조정층(30)은 각각 평면상의 유로층(2)에 의하여 구성한다. 그리고, 열 전도부(33)를 조정층(30) 내에 배치된 전열핀(34)(전열핀(3))에 의하여 구성하고, 전열핀(34)(34a, 34b)의 각각의 세로판부(35) 간의 피치(P3, P4), 또는 세로판부(35)의 두께(t1, t2) 중 적어도 한쪽을 다르게 함으로써, 다른 전열 성능을 갖도록 구성한다. 이에 따라, 제1 유로(10), 제2 유로(20) 및 조정층(30)의 기본 구조를 공통화하고, 플레이트 핀형의 열 교환기(100)의 각 유로층(2)으로써 구성할 수 있다. 그 결과, 조정층(30)에 특수한 구조를 채용하는 경우와 달리, 조정층(30)을 마련하는 경우에도 용이하게 열 교환기(100)로서 구성할 수 있다. 또한, 각각의 세로판부(35) 간의 피치나 두께만 다르게 하는 간단한 구성으로 조정층(30)의 전열 성능을 다르게 할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 상술한 바와 같이, 제1 유체(7)는 제1 유로(10) 내에서 증발되는 저온의 액화 가스이며, 제2 유체(8)는 액화 가스에 의하여 냉각되는 액체 상태의 열매이다. 이와 같이 구성하는 경우, 극저온의 제1 유체(7)와 제2 유체(8)의 사이의 열 교환에 의하여 제2 유체(8) 측에 동결의 가능성이 발생한다. 그 경우에도, 제1 부분(31) 및 제2 부분(32)을 마련하여 조정층(30)의 전열 성능을 다르게 함으로써, 제2 유체(8)의 동결을 억제하는 것이 가능한 범위 내에서 전열 효율을 최대한 높일 수 있으므로, 열 교환기(100)의 대형화를 효과적으로 억제할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 상술한 바와 같이, 제1 부분(31)을 조정층(30) 중에서 제1 유로(10)를 흐르는 제1 유체(7)의 기상 영역(V)과 중첩되는 범위에 배치하고, 제2 부분(32)을 조정층(30) 중에서 제1 유로(10)를 흐르는 제1 유체(7)의 기액 혼상 영역(L+V)과 중첩되는 범위에 배치한다. 이에 따라, 제1 유체(7)의 열 전달률이 큰 기액 혼상 영역(L+V)에서는 전열 성능이 낮은 제2 부분(32)에 의하여 제2 유체(8)의 동결을 억제하고, 제1 유체(7)의 열 전달률이 저하되는 기상 영역(V)에서는 전열 성능이 높은 제1 부분(31)에 의하여 효율적으로 열 교환을 수행할 수 있다. 그 결과, 제2 유체(8)의 동결을 억제하면서, 열 교환기(100)를 최대한 콤팩트하게 구성하는 것이 가능해진다.

시뮬레이션 결과의 설명

다음으로, 도 7 내지 도 10을 참조하여, 본 실시 형태에 의한 열 교환기(100)의 효과에 대하여 시뮬레이션 결과를 이용하여 설명한다. 시뮬레이션에서는 열 교환기를 통과하는 동안의 제1 유체(7) 및 제2 유체(8)의 온도 변화를 산출하여, 유체가 소정의 목표 온도에 이를 때까지(소정의 열 교환량이 얻어질 때까지) 필요한 유로 길이를 구했다.

시뮬레이션은 상술한 본 실시 형태의 열 교환기(100)에 더하여, 조정층(30)을 마련하지 않는 경우(튜브 플레이트(5)에 의하여 제1 유로(10)와 제2 유로(20)가 구획되는 경우)의 비교예 1, 조정층(30)의 전체에 저밀도의 전열핀(34a)만을 마련한 경우(조정층(30)의 전체를 제2 부분(32)의 전열 성능으로 하는 경우)의 비교예 2, 조정층(30)의 전체에 고밀도의 전열핀(34b)만을 마련한 경우(조정층(30)의 전체를 제1 부분(31)의 전열 성능으로 하는 경우)의 비교예 3의 각각에 대하여 행했다.

시뮬레이션에서는 제1 유체(7)로서 수소(액체 수소), 제2 유체(8)로서 부동액을 채용하고, 유량이나 압력 등의 조건을 공통으로 하여 계산했다. 시뮬레이션 조건으로서 액체 수소의 입구 온도가 -253℃, 비점이 -242.5℃, 출구 온도는 -50℃이다. 부동액은 응고점이 -50℃, 입구 온도가 -39℃이며, 수소에 의한 냉각 후의 출구 온도(목표 온도)를 -43℃로 했다. 시뮬레이션에서는 제2 유로(20)와 조정층(30)의 사이의 튜브 플레이트(5)의 표면 온도(제2 유로(20) 측의 표면 온도, 도 2 참조)의 평균을 산출했다. 표면 온도가 -50℃에 도달하는 경우, 제2 유로(20) 내에서 제2 유체(8)의 동결이 발생한다고 생각된다.

도 7은 본 실시 형태의 열 교환기(100), 도 8은 비교예 1, 도 9는 비교예 2, 도 10은 비교예 3의 시뮬레이션 결과를 나타내고 있다. 도 7 내지 도 10에서는, 세로축에 온도[℃], 가로축에 열 교환량[kcal/h]을 나타낸다. 열 교환량의 총량은 모든 시뮬레이션 결과에서 공통이지만, 출구 온도에 도달시키기 위하여 필요한 유로 길이가 다르다. 시뮬레이션에서는 제1 내지 제3 비교예의 유로 길이를, 본 실시 형태의 열 교환기(100)의 유로 길이를 1(기준)로 한 비의 값에 의하여 산출했다.

동결 발생 리스크

도 7 내지 도 10의 공통적인 경향으로서, 액체 수소는, 액상으로 입구에 유입된 후, 비점(-242.5℃)에서 기액 혼상이 되며, 잠열분만큼 온도가 일정한 상태가 계속된 후에 기상 상태에서 재차 온도가 상승한다. 튜브 플레이트(5)의 표면 온도는 수소가 기액 혼상의 상태에서 가장 낮아졌다. 즉, 제2 유로(20) 중에서 기액 혼상 영역(L+V)과 중첩되는 위치에 있는 부분에서 부동액(제2 유체(8))의 동결 발생 리스크가 가장 높아진다.

본 실시 형태의 열 교환기(100)(도 7 참조)에서는, 튜브 플레이트(5)의 표면 온도(제2 유로(20)의 내표면 온도)가 기액 혼상 영역(L+V)에서 최저 온도 -49.8℃가 되었다. 비교예 1(도 8 참조)에서는, 튜브 플레이트(5)의 표면 온도가 최저 온도 -57.3℃가 되었다. 비교예 2(도 9 참조)에서는, 튜브 플레이트(5)의 표면 온도가 최저 온도 -49.8℃가 되었다. 비교예 3(도 10 참조)에서는, 튜브 플레이트(5)의 표면 온도가 최저 온도 -50.9℃가 되었다.

본 실시 형태의 열 교환기(100) 및 비교예 2에서는, 표면 온도가 -50℃ 이상이므로 부동액의 동결은 거의 발생하지 않는 것을 알 수 있다. 한편, 비교예 1 및 비교예 3에서는, 표면 온도가 -50℃를 하회하므로 부동액의 동결이 발생하는 것을 알 수 있다.

유로 길이

본 실시 형태의 열 교환기(100)의 유로 길이를 1로 한 경우, 비교예 1에서는 0.38, 비교예 2에서는 1.18, 비교예 3에서는 0.99가 되었다. 즉, 동일한 열량을 이동시키기 위하여 필요한 유로 길이는 비교예 1 < 비교예 3 < 본 실시 형태 < 비교예 2의 순서가 된다.

시뮬레이션 결과를 종합하면, 조정층(30)을 마련하지 않는 비교예 1이나, 조정층(30)에 고밀도의 전열핀(34b)만을 마련한 비교예 3에서는 전열 성능이 높고 유로 길이는 단축할 수 있지만, 제2 유로(20)에 동결이 발생하기 때문에, 유로의 폐색의 리스크가 있다. 한편, 조정층(30)에 저밀도의 전열핀(34b)만을 마련한 비교예 2에서는 제2 유로(20)에서의 동결을 회피하는 것이 가능한 한편, 유로 길이가 본 실시형태의 1.18배가 되어, 열 교환기가 대형화하는 것을 알 수 있다.

이에 비하여, 본 실시 형태의 열 교환기(100)에서는, 비교예 3과 동일하게 제2 유로(20)에서의 동결을 회피 가능하면서, 비교예 2와 동등한 유로 길이로 액체 수소를 목표 온도까지 상승시키는 것이 가능한 것을 알 수 있다. 따라서, 본 실시 형태의 열 교환기(100)에서는, 유체의 동결을 억제하면서, 대형화를 억제하는 것이 가능한 것이 확인되었다.

또한, 열 교환기(100)에 있어서의 리스크 영역(RA)의 설정, 조정층(30)의 제2 부분(32)의 위치 및 범위의 설정에 있어서는, 도 8에 나타낸 비교예 1(조정층(30)을 마련하지 않는 경우)의 온도 분포에 근거하여 행하는 것이 가능하다. 즉, 먼저, 제1 유로(10) 및 제2 유로(20)의 구조를 결정하고, 비교예 1과 같이 조정층(30)을 마련하지 않는 경우의 온도 분포를 구한다. 계산 결과로부터, 도 8의 예에서는 기액 혼상 영역(L+V)에 리스크 영역(RA)이 존재하는 것을 알 수 있다. 따라서, 리스크 영역(RA)(기액 혼상 영역(L+V))과 안전을 염두에 두고 하류 측의 액상 영역(L)에 제2 부분(32)이 배치되도록 조정층(30)을 마련하면서, 제2 부분(32) 이외의 영역에 전열 성능이 높은 제1 부분(31)을 배치함으로써, 제2 부분(32)의 위치 및 범위를 설정할 수 있다.

변형예

또한, 본 발명의 개시된 실시 형태는, 모든 점에서 예시이며 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 할 것이다. 본 발명의 범위는 상술한 실시 형태의 설명이 아닌 특허 청구 범위에 의하여 나타나며, 또한 특허 청구 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경(변형예)이 포함된다.

예를 들면, 상술한 실시 형태에서는, 저온의 액화 가스를 제1 유체(7)로 하고, 액화 가스를 기화시키기 위한 액체 상태의 열매를 제2 유체(8)로 한 예를 나타냈지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 본 발명에서는, 제1 유체(7)가 연소 후 또는 반응 후의 배기 가스 등의 고온 가스이고, 제2 유체(8)가 고온 가스를 냉각하기 위한 액체 상태의 냉매(물 등)여도 된다. 즉, 제1 유로(10)가 고온 측 유로이고, 제2 유로(20)가 저온 측 유로여도 된다. 이 경우, 열 교환에 의하여, 제2 유로(20)에 있어서 제2 유체(8)의 비등이 발생할 가능성이 있다. 유로 중에서의 의도하지 않은 비등의 발생은, 열 교환기의 강도상의 부하가 커질 가능성이 있음과 함께, 열 교환기의 사양상, 허용할 수 없는 경우가 있다. 본 발명에서는, 유체의 비등의 가능성이 있는 경우에도, 조정층(30)에 의하여, 제2 유로(20) 중에서의 제2 유체(8)의 비등을 억제하는 것이 가능하다. 또한 조정층(30)이 다른 전열 성능을 갖는 제1 부분(31)과 제2 부분(32)을 포함함으로써 높은 열 교환 성능을 확보할 수 있으므로, 열 교환기의 대형화를 억제하는 것이 가능하다.

또한, 상술한 실시 형태에서는, 플레이트 핀형의 열 교환기(100)를 마련한 예를 나타냈지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 본 발명에서는, 플레이트 핀형 이외의 열 교환기여도 된다.

예를 들면 도 11(A) 내지 도 11(C)에 나타내는 변형예와 같이, 다중관식의 열 교환기(200)에 본 발명을 적용해도 된다. 열 교환기(200)에서는 동심상으로 배치된 3개의 원통상의 유로층(102)이 마련되어 있다. 예를 들면, 가장 안쪽 둘레의 유로층(102)에 의하여 제1 유로(10)가 구성되고, 가장 바깥쪽 둘레의 유로층(102)에 의하여 제2 유로(20)가 구성된다. 제1 유로(10)와 제2 유로 사이의 중간의 유로층(102)에 의하여, 조정층(30)이 구성된다. 이러한 변형예에서도, 상술한 실시 형태와 동일하게, 제1 유체(7)의 유통 방향(X 방향)을 따라, 예를 들면 상류 측의 위치(S1)와 하류 측의 위치(S2)에서 조정층(30)의 전열 성능이 다르다. 구체적으로는, 위치(S1)의 단면을 나타내는 도 11(B)와 위치(S2)의 단면을 나타내는 도 11(C)에 나타내는 바와 같이, 조정층(30)에 열 전도부(33)를 배치하고, 열 전도부(33)의 밀도(매수)를 다르게 하면 된다.

이 외에도, 본 발명의 열 교환기는 표리에 유로가 일체 형성된 파형의 금속판을 적층하고, 시일 혹은 용접 등에 의하여 각 유로층을 접합하여 금속판 사이에 유로층을 구성하는 플레이트형의 열 교환기여도 된다. 또한, 상기 열 교환기는 홈 가공에 의하여 유로를 형성한 금속판을 적층하고, 확산 접합 등에 의하여 일체화함으로써, 금속판 사이에 유로층을 구성한 확산 접합형의 열 교환기여도 된다.

또한, 상술한 실시 형태에서는, 제1 유로(10), 조정층(30), 제2 유로(20), 조정층(30), …, 등과 같은 순서로 각 유로층이 1층씩 교대로 적층되는 예를 나타냈지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 본 발명에서는, 동일한 유로층이 복수 연속하여 적층되는 구성이어도 된다. 즉, 제1 유로(10), 제1 유로(10), 조정층(30), 제2 유로(20), 조정층(30), 제1 유로(10), 제1 유로(10), …, 등과 같이, 복수의 제1 유로(10)가 연속하여 적층되어도 된다. 또한, 제1 유로(10), 조정층(30), 조정층(30), 제2 유로(20), 조정층(30), 조정층(30), …, 등과 같이, 복수의 조정층(30)이 연속하여 적층되어도 된다.

또한, 상술한 실시 형태에서는, 조정층(30)을 유체가 유통하지 않는 층으로서 구성한 예를 나타냈지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 도 12의 변형예에 나타내는 바와 같이, 유체가 유통 가능한 조정층(130)을 마련해도 된다. 도 12의 조정층(130)은 제1 유로(10)와 제2 유로(20)의 사이에 배치되며, 열 교환 시 이외에 있어서 내부에 유체를 유통시키는 것이 가능한 중공의 유로 구조를 갖는다. 구체적으로는, 조정층(130)은 Y2 측 단부면의 X2 측 단부에 마련된 입구(개구부)(131)와 Y1 측 단부면의 X1 측 단부에 마련된 출구(개구부)(132)를 포함하며, X 방향으로 뻗는 직선상 유로로 형성되어 있다. 도시하지 않는 헤더 탱크를 통하여 외부로부터 입구(131)에 유체가 공급되고, 출구(132)로부터 헤더 탱크를 통하여 유체가 배출된다. 이 경우, 제1 유체(7)와 제2 유체(8)와의 열 교환 시에는, 조정층(130)에는 유체를 흐르게 하지 않고 공기로 채움으로써, 상기 실시형태의 조정층(30)과 동일한 효과가 얻어진다.

상술한 바와 같이 열 교환 시 이외에 있어서 내부에 유체를 유통시키는 것이 가능한 중공의 유로 구조를 갖는 조정층(130)을 마련하는 경우, 중공 구조에 의하여 용이하게 조정층(130)의 전열 성능을 저하시킬 수 있으므로, 동결이나 비등의 발생을 효과적으로 억제할 수 있다. 또한, 만일 유체의 동결이 발생한 경우의 대책으로서, 제1 유체(7)와 제2 유체(8)와의 열 교환 시 이외에 있어서 조정층(130)에 동결 온도보다 고온의 열매를 유통시켜 동결을 신속하게 해소하는 것이 가능해진다.

즉, 조정층(130)은 제2 유로(20) 중의 제2 유체(8)에 동결이 발생한 경우에, 열 교환 시 이외에 있어서 제2 유체(8)의 동결을 해소하기 위한 열매가 공급되도록 구성되어 있다. 이에 따라, 열 교환의 후에 제2 유로(20) 내에 국소적으로 동결이 발생한 경우에도, 열 교환(제1 유체(7) 및 제2 유체(8)의 공급)을 정지한 후에, 동결을 해소하기 위한 열매를 조정층(130)에 공급함으로써, 용이하고 신속하게 동결을 해소할 수 있다.

또한, 상술한 실시 형태에서는, 조정층(30)을 제1 유로(10) 및 제2 유로(20)와 공통의 유로층(2)에 의하여 구성한 예를 나타냈지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 본 발명에서는, 조정층을 유로층에 의하여 구성할 필요는 없으며, 유로층 이외의 층 구조에 의하여 조정층을 구성해도 된다. 예를 들면 도 13에 나타내는 변형예와 같이, 조정층(30)으로서 단열부(231)를 구비한 판부재(230)를 마련해도 된다. 판부재(230)는 제1 유로(10)와 제2 유로(20)의 사이를 구획하는 튜브 플레이트이다. 판부재(230)는 내부에 마련된 중공의 단열부(231)에 의하여 전열 성능이 낮아져 있으며, 제1 유로(10)와 제2 유로(20)의 사이의 열 교환량을 조정하고 있다. 판부재(230)에는, 예를 들면, 단열부(231)가 복수 마련되며, 격벽부(232)에 의하여 구획되어 있다. 인접하는 제1 유로(10)와 제2 유로(20)의 사이를 접속하는 열 전도부(33)가, 격벽부(232)에 의하여 구성되어 있다. 이러한 변형예에서는, 격벽부(232)의 밀도(즉, 단열부(231)의 밀도)를 다르게 함으로써, 제1 부분(31) 및 제2 부분(32)의 전열 성능을 다르게 하는 것이 가능하다.

또한, 상술한 실시 형태에서는, 제1 유체(7)의 유통 방향과 제2 유체(8)의 유통 방향이 서로 반대 방향이 되는 대향류형의 열 교환기(100)의 예를 나타내지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 본 발명에서는, 대향류형 이외의 병행류형의 열 교환기여도 된다. 병행류형으로 하면 제1 유로(10)의 입구(11)와 제2 유로(20)의 입구(11)가 동일 측에 배치된다. 이로 인하여, 제2 유체(8)의 동결 리스크가 높은 경우, 제1 유체(7)의 온도가 가장 낮은 입구 부근의 영역에서 제2 유체(8)의 온도를 높일 수 있으므로, 동결 리스크를 더 억제할 수 있다. 한편, 제1 유로(10)의 출구 부근에 있어서의 제1 유체(7)와 제2 유체(8)와의 온도 차가 큰 경우에는, 대향류형으로 하는 편이 열 교환 효율이 높아져, 소형화할 수 있으므로 바람직하다. 이 외에도, 열 교환기는 제1 유체(7)의 유통 방향과 제2 유체(8)의 유통 방향이 서로 직교하는 직교류형이어도 된다.

도 14에 직교류형의 열 교환기(300)에 있어서의 조정층(30)의 구성예(제1 부분(31) 및 제2 부분(32)의 배치예)를 나타낸다. 도 14에서는, 고온 측 유체인 제1 유체(7)가 도시하지 않는 제1 유로를 Y1 방향을 향하여 흐르고, 저온 측 유체인 제2 유체(8)가 도시하지 않는 제2 유로를 X1 방향을 향하여 흐르는 경우의 예를 나타내고 있다. 이 경우, 제2 유체(8)에 비등 발생 리스크가 있으며, 리스크 영역(RA)은 제2 유로(20)의 출구 근방이고, 또한 제1 유로(10)의 입구 근방의 부분이 된다. 따라서, 도 14에서는, 조정층(30)의 제2 부분(32)을 제2 유로(20)의 출구 근방이고, 또한 제1 유로(10)의 입구 근방의 모퉁이부와 중첩되는 삼각형상의 범위로 설정하며, 다른 영역에는 제1 부분(31)을 설정한 예를 나타내고 있다.

또한, 상술한 실시 형태에서는, 복수의 제1 유로(10)와 복수의 제2 유로(20)를 마련한 열 교환기(100)의 예를 나타냈지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 본 발명에서는, 제1 유로 및 제2 유로의 수는 특별히 한정되지 않는다. 제1 유로 및 제2 유로가 각각 1개만이어도 되고, 제1 유로 및 제2 유로가 2개 이상의 복수 개 마련되어 있어도 된다.

또한, 상술한 실시 형태에서는, 조정층(30)을 제1 부분(31)과 제2 부분(32)의 2영역으로 나누어 제1 부분(31)과 제2 부분(32)의 전열 성능을 다르게 한 예를 나타냈지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 본 발명에서는, 조정층(30)은 전열 성능이 다른 부분을 3개 이상 포함하고 있어도 된다. 예를 들면, 조정층 중에서 액화 가스의 액상 영역(L)에 인접하는 부분과, 기액 혼상 영역(L+V)에 인접하는 부분과, 기상 영역(V)에 인접하는 부분의 3부분에서 서로 전열 성능을 다르게 해도 된다. 또한, 조정층(30)은 전열 성능이 다른 복수 영역을 포함하는 것이 아닌, 전열 성능이 연속적으로 변화하는 구성이어도 된다. 예를 들면, 열 전도부(33)의 밀도를 제1 유체의 유통 방향의 상류 측으로부터 하류 측을 향하여 연속적으로 증대시켜도 된다.

또한, 상술한 실시 형태에서는, 중공 구조의 조정층(30)을 마련한 예를 나타냈지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 본 발명에서는, 조정층(30)의 내부에 유체나 분체(입상 물질) 또는 다공성 물질 등의 고체를 충전해도 된다. 이 경우, 이들 충전물이 열 전도부로서 기능해도 된다. 충전물의 재질(열 전도율)이나, 입경, 기공률 등을 다르게 함으로써, 전열 성능을 다르게 하는 것이 가능하다.

또한, 상술한 실시 형태에서는, 제1 유로(10) 중에서 제1 유체(7)가 상변화하는 예를 나타냈지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 본 발명에서는, 도 15에 나타내는 바와 같이, 저온 측의 제1 유체(7)가 액층 또는 기상인 채로 상변화하지 않고 제1 유로(10)를 통과하는 구성이어도 된다. 상변화하지 않는 경우, 제1 유로(10) 측의 전열 성능은 대략 일정하다고 생각해도 되므로, 제2 유로(20)에 있어서의 리스크 영역(RA)(동결 발생 리스크)은 제2 유로(20)의 출구 부근이 된다. 또, 도 16에서는, 제2 유체(8)가 저온 측 유체이고, 제1 유체(7)가 고온 측 유체인 예를 나타내고 있다. 이 경우에도, 제2 유로(20)에 있어서의 리스크 영역(RA)(비등 발생 리스크)은 제2 유로(20)의 출구 부근이 된다. 이로 인하여, 도 15나 도 16의 경우, 제2 유로(20)의 출구 부근의 리스크 영역(RA)에 대응하여, 제2 유체(8)의 출구 근방과 중첩되는 부분을 포함하도록 조정층(30)의 제2 부분(32)을 설정하면 된다.

2, 102: 유로층
7: 제1 유체(액화 가스)
8: 제2 유체(열매)
10: 제1 유로
20: 제2 유로
30, 130: 조정층
31: 제1 부분
32: 제2 부분
33: 열 전도부
34(34a, 34b): 전열핀
35: 세로판부(핀부)
50: 리스크 영역
100, 200, 300: 열 교환기
P3, P4: 세로판부 간의 피치(핀부 간의 간격)
t1, t2: 세로판부의 두께
X: 제1 유체의 유통 방향

Claims

제1 유체를 유통시키는 제1 유로와,
제2 유체를 유통시키는 제2 유로와,
서로 인접하는 상기 제1 유로와 상기 제2 유로 사이에 배치되어, 상기 제1 유로와 상기 제2 유로의 사이의 열 교환량을 조정하는 조정층을 구비하고,
상기 조정층은 제1 부분과, 상기 제1 부분보다 전열 성능이 낮은 제2 부분을 포함하며, 상기 조정층 내의 위치에 따라 다른 전열 성능을 갖도록 구성되는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
제 1 항에 있어서,
상기 제2 부분은 상기 조정층 중에서 상기 제2 유로의 입구 또는 출구의 근방과 중첩되는 부분을 포함하는 소정 범위에 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
제 1 항에 있어서,
상기 제2 유로는 내표면 온도가 상기 제1 유체의 온도에 가장 근접하는 리스크 영역을 포함하고 있고,
상기 제2 부분은 상기 조정층 중에서 상기 제2 유로의 상기 리스크 영역과 중첩되는 부분을 포함하는 소정 범위에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
제 1 항에 있어서,
상기 조정층은 인접하는 상기 제1 유로와 상기 제2 유로의 사이를 접속하는 열 전도부를 포함하고,
상기 제1 부분 및 상기 제2 부분은 각각 다른 전열 성능을 갖는 상기 열 전도부를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
제 4 항에 있어서,
상기 열 전도부는 상기 조정층에 있어서의 단위 면적당 밀도가 다른 것에 의하여 다른 전열 성능을 갖는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
제 4 항에 있어서,
상기 제1 유로, 상기 제2 유로 및 상기 조정층은 각각 평면상의 유로층에 의하여 구성됨과 함께 내부에 전열핀을 갖고,
상기 열 전도부는 상기 조정층 내에 배치된 상기 전열핀에 의하여 구성되며, 상기 전열핀의 각각의 핀부 간의 간격, 또는 상기 핀부의 두께 중 적어도 한쪽이 다른 것에 의하여 다른 전열 성능을 갖는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
제 1 항에 있어서,
상기 조정층은 상기 제1 유로와 상기 제2 유로의 사이에 배치되고, 열 교환 시 이외에 있어서 내부에 유체를 유통시키는 것이 가능한 중공의 유로 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 유체는 상기 제1 유로 내에서 증발되는 저온의 액화 가스이고,
상기 제2 유체는 액화 가스에 의하여 냉각되는 액체 상태의 열매인 것을 특징으로 하는 열 교환기.
제 8 항에 있어서,
상기 제1 부분은 상기 조정층 중에서 상기 제1 유로를 흐르는 상기 제1 유체의 기상 영역과 중첩되는 범위에 배치되어 있고,
상기 제2 부분은 상기 조정층 중에서 상기 제1 유로를 흐르는 상기 제1 유체의 기액 혼상 영역과 중첩되는 범위에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
제 7 항에 있어서,
상기 조정층은 상기 제2 유로 중의 상기 제2 유체에 동결이 발생한 경우에, 열 교환 시 이외에 있어서 상기 제2 유체의 동결을 해소하기 위한 열매가 공급되도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 열 교환기.