JP2003185366A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱交換効率が良好で、かつ小型化することの
可能な熱交換器を提供することを目的とする。 【解決手段】 高温流体８を低温流体に対して流動させ
てこれらの流体の間で熱授受させる熱交換器であって、
前記低温流体を収容している低温流体流路に低温域とそ
の低温域より温度の高い高温域との少なくとも二つの温
度領域が形成され、かつこれら少なくとも二つの温度領
域の両方に対して熱交換を生じるように前記高温流体流
路４が形成された複数のユニット１，２，３が、水平方
向に配列されるとともに、各ユニット１，２，３の高温
流体流路４同士が直列に連結されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、高温流体と低温
流体との間で熱交換をおこなうための熱交換器に関する
ものであり、特に隔壁を介して熱交換をおこなうように
構成した熱交換器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】水などの目的とする流体を加熱し、また
蒸発させるために、ヒータで直接加熱する替わりに、他
の高温の流体との間で熱交換する場合がある。そのため
に使用する熱交換器の一例が、特表平１１−５０２３６
６号公報に記載されている。この公報に記載された構成
を簡単に説明すると、平板状の隔壁部を挟んだ両側に流
路が形成されており、各流路は、その隔壁部に対向させ
て配置した側壁との間に波形シートを挟み込むことによ
り形成されている。したがって一方の流路に高温ガスを
流すとともに、他方の流路に冷媒を流すことにより、前
記隔壁部を介してこれらの高温ガスと冷媒との間で熱交
換が生じる。そして、上記の公報に記載された発明で
は、各流路が互いに水平方向を向いていてもよく、ある
いは高温ガスを水平方向に流すとともに、冷媒を上下方
向に流すように、それぞれの流路が互いに交差していて
もよい、とされている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記の公報に記載され
ているように水平方向に沿って配置された流路が、複数
本に区画されている場合や、その流路断面積がある程度
広い場合、その流路に流す流体が上記の高温ガスなどの
気体であれば、流路のほぼ全体にガスが拡散して流れ
る。これに対して流体が水などの液体であれば、流路の
下側の部分に偏在して流れる。したがって上記の公報に
記載された構成のうち、高温ガスと冷媒とを共に水平方
向に流すように構成した場合には、高温ガスと液状の冷
媒との熱交換は、冷媒が偏在している下側の部分のみで
生じ、冷媒の存在しない上側の部分を流れる高温ガス
は、その熱を冷媒に与えることなく、そのまま排気され
てしまうことになる。言い換えれば、高温ガスの流線に
対して垂直な断面内での温度分布が、冷媒側では低く、
冷媒の液面より上側の部分では高くなって、いわゆる面
内温度分布が高低にばらつき、熱交換効率が低下する不
都合がある。

【０００４】また、上記の公報に記載された構成におい
て、冷媒を上下方向に流し、これに対して高温ガスを水
平に流して両者の流動方向を交差させてもよいとされて
いるが、このような構成では、液状の冷媒を流動状態に
維持する必要があるので、冷媒を加熱蒸発させて蒸気を
得ることが困難である。

【０００５】この発明は、上記の技術的課題に着目して
なされたものであり、熱交換効率が良好で、小型化を図
ることのできる熱交換器を提供することを目的とするも
のである。

【０００６】

【課題を解決するための手段およびその作用】上記の目
的を達成するために、請求項１の発明は、高温流体を低
温流体に対して流動させてこれらの流体の間で熱授受さ
せる熱交換器において、前記低温流体を収容している低
温流体収容部に低温域とその低温域より温度の高い高温
域との少なくとも二つの温度領域が形成され、かつこれ
ら少なくとも二つの温度領域の両方を横切るように高温
流体流路が形成された複数のユニットが、水平方向に配
列されるとともに、各ユニットの高温流体流路同士が直
列に連結されていることを特徴とするものである。

【０００７】したがって請求項１の発明では、低温流体
が収容されている低温域と高温域との両方を、高温流体
が必ず通過し、それぞれの領域で熱交換をおこなう。そ
のため、高温流体の流線に垂直な面内におけるいずれの
箇所においても高温流体と低温流体との熱交換がほぼ均
等に生じ、その結果、熱交換効率が良好になる。また、
各ユニットにおける高温流体流路同士が直列に連結され
ているので、高温流体と低温流体との間での熱交換が生
じる流路を、熱交換器全体として長くすることができ
る。そのため、熱交換効率を損なうことなく小型化を図
ることができる。

【０００８】また、請求項２の発明は、請求項１の発明
における少なくともいずれか一つの前記ユニットに前記
高温流体流路が複数本設けられ、それらの複数本の高温
流体流路における前記高温流体と低温流体との熱交換量
が等しくなるように構成されていることを特徴とする熱
交換器である。

【０００９】したがって請求項２の発明では、所定のユ
ニットに送られた高温流体が、複数の流路に分かれて流
動するとしても、各流路での熱交換量が等しくなり、そ
の結果、高温流体の一部が充分な熱量をもったまま流れ
去るなどの事態を回避して、熱交換器全体としての熱交
換効率が良好になる。

【００１０】さらに、請求項３の発明は、請求項１の発
明における少なくともいずれか一つの前記ユニットに前
記高温流体流路が複数本設けられ、それらの複数本の高
温流体流路毎の前記高温流体の流動時間が等しくなるよ
うに構成されていることを特徴とする熱交換器である。

【００１１】したがって請求項３の発明では、所定のユ
ニットに送られた高温流体が、複数の流路に分かれて流
動するとしても、各流路ごとの通過時間が互いに等し
く、それぞれの流路における熱交換量が等しくなる。そ
の結果、高温流体の一部が充分な熱量をもったまま流れ
去るなどの事態を回避して、熱交換器全体としての熱交
換効率が良好になる。

【００１２】またさらに、請求項４の発明は、請求項１
の発明における少なくともいずれか一つの前記ユニット
に前記高温流体流路が複数本設けられ、それらの複数本
の高温流体流路毎の前記高温流体の流動距離が等しくな
るように構成されていることを特徴とする熱交換器であ
る。

【００１３】したがって請求項４の発明では、所定のユ
ニットに送られた高温流体が、複数の流路に分かれて流
動するとしても、各流路ごとの流動距離すなわち低温流
体と熱交換の生じる部分の長さが互いに等しく、それぞ
れの流路における熱交換量が等しくなる。その結果、高
温流体の一部が充分な熱量をもったまま流れ去るなどの
事態を回避して、熱交換器全体としての熱交換効率が良
好になる。

【００１４】そして、請求項５の発明は、請求項１ない
し４のいずれかの発明において、前記低温域が液相の低
温流体によって形成され、その液相の低温流体の液面に
対して所定角度で交差するように前記高温流体流路が形
成されていることを特徴とする熱交換器である。

【００１５】したがって請求項５の発明では、高温流体
が低温流体の液相の部分とそれより上側の部分との両方
を通過するように流れる。そのため、各部分毎の高温流
体と低温流体との熱交換の条件や程度などのバラツキが
抑制され、その結果、高温流体の温度のバラツキが抑制
されるとともに、熱交換効率が良好になる。

【００１６】またそして、請求項６の発明は、請求項１
ないし４のいずれかの発明において、前記低温域が液相
の低温流体によって形成され、その液相の低温流体の液
面に対して垂直となるように前記高温流体流路が形成さ
れていることを特徴とする熱交換器である。

【００１７】したがって請求項６の発明では、高温流体
が低温流体に対してその液面に垂直な向きに流れる。そ
のため、各部分毎の高温流体と低温流体との熱交換の条
件や程度などのバラツキが抑制され、その結果、高温流
体の温度のバラツキが抑制されるとともに、熱交換効率
が良好になる。

【００１８】

【発明の実施の形態】つぎにこの発明を具体例に基づい
て説明する。この発明に係る熱交換器は、高温流体と低
温流体との間で熱交換をおこなう装置であって、その高
温流体の一例は高温ガスであり、より具体的には、炭化
水素と水との改質反応で生じた水素および二酸化炭素を
主体とする改質ガスである。他方、低温流体の一例は前
記高温ガスより低い温度で供給される液体であり、より
具体的には、上記の改質反応の用に供される水である。

【００１９】この発明に係る熱交換器では、これらの高
温流体と低温流体とを直接接触させずに、所定の隔壁あ
るいは管壁などのいわゆる仕切板を介して熱交換させ
る。また、低温流体が液相の場合には、その低温流体を
貯留した状態に保持するとともに、高温流体が流通する
流路が、その液相の低温流体とその液面より上側の気相
の部分との両方を横切る状態に設けられる。

【００２０】この発明においては、低温流体を貯留した
状態で低温流体と高温流体との熱交換をおこなわせるよ
うに構成することができ、その場合、加熱された結果生
じる低温流体蒸気を低温流体の貯留部分から上方に排出
することになる。こうした液相の低温流体の貯留とその
蒸気の流動・排出をおこなう部分を低温流体流路とし、
その低温流体流路と高温流体流路とを交互に積層した構
成することができる。

【００２１】また、上記の高温流体流路は、低温流体を
貯留した容器の内部を貫通するように配置したパイプに
よって構成することができ、あるいは低温流体を貯留し
ている容器に断面矩形のパイプを接触させてその矩形パ
イプを高温流体流路とすることができ、さらにその矩形
パイプの内部に波形シートを挿入して複数の流路に区分
した構成とすることができる。いずれの構成であって
も、この発明における高温流体流路は、低温流体の液面
に対して交差する方向に高温流体を流すように構成され
る。なお、その交差角度は任意であるが、液面に対して
垂直もしくは直角とすれば、構造が簡素化される。

【００２２】液相の低温流体を貯留した低温流体流路も
しくは容器の内部では、液面より下側の液相部分が低温
域を形成し、液面より上側の気相部分が相対的に温度の
高い高温域を形成する。この低温流体を加熱する高温流
体は、その低温域と高温域との両方を通過するように流
動させられるので、その高温流体の流動方向は、上下方
向となる。この上下方向は、飽くまでも低温流体に対す
る相対的な流動方向であり、この発明に係る熱交換器の
全体に対しては、高温流体が水平方向に向けて給排する
ことができる。

【００２３】そのために、この発明に係る熱交換器は、
上記の低温流体を収容する低温流体流路もしくは容器と
高温流体流路とを備えたユニットを、水平方向に複数並
べて接続され、かつそれらの各ユニットにおける高温流
体流路が互いに直列となるように連通されて構成され
る。その高温流体流路の直列接続の形態は、各ユニット
における低温流体に対して高温流体が下向きに流れるよ
うに接続する形態と、低温流体に対して下向きに流れた
後、隣接するユニットでは上向きに流れるように接続す
る形態とのいずれも可能である。

【００２４】各ユニットおいて高温流体流路を複数本設
けた場合、各高温流体流路の断面積や長さ、あるいはそ
の内部での流速を、それぞれの高温流体流路で等しくす
るように構成される。これは、高温流体が各高温流体流
路を流れる時間や距離、あるいは容積、さらに温度をそ
れぞれ等しくして各高温流体流路ごとの熱交換量を等し
くし、その結果、各ユニットあるいは熱交換器全体とし
ての熱交換効率を向上させるためである。

【００２５】高温流体流路を各ユニットで複数本設けた
場合、上記のように構成することにより、各高温流体流
路での高温流体の温度が均一化される。すなわち高温流
体の流線に対して垂直な平面内での高温流体の温度分布
（いわゆる面内温度分布）が均一化される。したがって
熱交換器内の高温流体流路の壁面に適宜の触媒を配置し
て、高温流体に含有される所定の成分の反応を促進させ
る場合、温度分布が均一であるために、効率良く反応を
生じさせ、あるいは触媒の活性を良好な状態に維持でき
る。その反応の一例は、高温流体を改質ガスとした場
合、一酸化炭素の酸化反応である。

【００２６】この発明に係る熱交換器の一例を図１に模
式的に示してある。ここに示す例は、三つのユニット
１，２，３によって構成した例であり、各ユニット１，
２，３はほぼ同一の構成であり、その流路の構成の一例
を図２ないし図４に示してある。

【００２７】すなわち、高温流体流路４と低温流体流路
５とのそれぞれが、幅の狭い矩形断面の流路として構成
されており、これらの各流路４，５が交互に積層されて
いる。また、高温流体流路４と低温流体流路５とのそれ
ぞれの内部には、上下方向に向け、かつ幅方向に対して
直交する方向に一定間隔を空けて配列した複数のフィン
６，７が配置されている。したがって各流路４，５の内
部は、更に細かく区画されている。なお、これらのフィ
ン６，７のいずれかに触媒を設けて、高温流体もしくは
低温流体に含まれる物質についての反応を生じさせるよ
うにしてもよい。

【００２８】高温流体流路４は、図２に示すように、上
下に貫通しており、したがって第１番目と第３番目のユ
ニット１，３においては、高温流体８が上から下に向け
て流動し、また第２番目のユニット２においては、高温
流体８が下から上に向けて流動する。これに対して低温
流体流路５は、上端と下端とが閉じられ、かつ一方の側
面の上部と下部にマニホールド９，１０が設けられた構
造であって、高温流体流路４を挟み込んで積層された複
数の低温流体流路５が、これらのマニホールド９，１０
によって互いに連通されている。

【００２９】そして、下側のマニホールド９には低温流
体１１を供給する供給管１２が取り付けられ、また上側
のマニホールド１０には低温流体１１の蒸気を排出する
排出管１３が取り付けられている。したがって高温流体
８と低温流体１１とが直接接触することはないが、高温
流体８は低温流体１１の蒸気が充満している部分に接触
する部分と液相の低温流体１１が充満している部分に接
触している部分との両方を通って流動するようになって
いる。言い換えれば、高温流体８が低温流体１１の液面
に対して交差する方向に流動するように構成されてい
る。

【００３０】なお、各高温流体流路４は同一の形状およ
び寸法であり、したがって各ユニット１，２，３におけ
る高温流体流路４の長さおよび流路断面積は、いずれも
同じに設定されている。

【００３１】各ユニット１，２，３における上部と下部
とにヘッダー１４，１５が設けられており、各ユニット
１，２，３における前記高温流体流路４がこれらのヘッ
ダー１４，１５に開口して連通している。そして、第１
番目のユニット１における上部ヘッダー１４に高温流体
供給管１６が接続されている。またその第１番目のユニ
ット１における下部ヘッダー１５とこれに隣接する第２
番目のユニット２における下部ヘッダー１５とが互いに
連通されている。さらに、その第２番目のユニット２に
おける上部ヘッダー１４とこれに隣接する第３番目のユ
ニット３における上部ヘッダー１４とが互いに連通され
ている。そして、その第３番目のユニット３における下
部ヘッダー１５に高温流体排出管１７が接続されてい
る。

【００３２】したがって各ユニット１，２，３における
高温流体流路４が直列に接続されている。その結果、各
ユニット１，２，３の高さが低くても、すなわち各ユニ
ット１，２，３毎の高温流体流路４の長さが短くても、
熱交換器の全体としては、低温流体１１との間で熱交換
が生じる高温流体流路４の長さを長くすることができ
る。

【００３３】なお、各ユニット１，２，３における高温
流体流路４中のフィン６に、高温流体８に含まれている
所定の物質の反応を促進する触媒を設ける場合、高温流
体８が、第１番目のユニット１から第３番目のユニット
３に向けて流れる間に低温流体１１に熱を奪われて温度
が次第に低下するので、第１のユニット１には活性温度
が相対的に高い触媒を用い、第２番目のユニット２およ
び第３番目のユニット３には、順に、活性温度が低くな
る触媒を用いることが好ましい。

【００３４】つぎに上記の熱交換器の作用について説明
する。水などの所定の低温流体１１をその供給管１２か
ら供給することにより、各低温流体流路５の内部に所定
の深さに低温流体１１が貯留される。その状態で高温流
体供給管１６から改質ガスなどの高温流体８を熱交換器
に供給する。その高温流体８は、先ず、第１番目のユニ
ット１における上部ヘッダー１４から高温流体流路４を
通って下部ヘッダー１５に流れ、さらに第２番目のユニ
ット２における下部ヘッダー１５からその高温流体流路
４を通って上部ヘッダー１４に流れる。そして、第３番
目のユニット３の上部ヘッダー１４から高温流体流路４
を通って下部ヘッダー１５に流れ、その後、高温流体排
出管１７から所定の箇所に送られる。

【００３５】高温流体８がこのように流通する過程にお
いて、高温流体流路４の壁面を介して低温流体１１との
間で熱交換が生じ、低温流体１１が加熱される。その場
合、高温流体８の温度が低温流体１１の沸点より高けれ
ば、低温流体１１が蒸発し、また温度条件によっては低
温流体１１が沸騰する。これは、高温流体８に対しては
沸騰冷却をおこなうことになる。その結果、低温流体流
路５の内部には、液相の低温流体１１による低温域とそ
の液面より上側の気相の低温流体１１による高温域とが
形成される。

【００３６】前述したように高温流体流路４は、各ヘッ
ダー１４，１５の間で、低温流体１１の液面に対して垂
直もしくは直交するように形成されているので、高温流
体８は低温流体流路５の内部に形成されている低温域と
高温域との両方に間接的に接触するように流れ、それぞ
れの温度領域で熱交換が生じる。そして、複数の高温流
体流路４に分配された高温流体８のいずれもが、必ず、
高温域と低温域との両方に対して熱交換を生じ、しかも
高温域での各高温流体流路４の長さが共に同じであり、
また低温域での各高温流体流路４の長さが共に同じであ
るから、各高温流体流路４毎の流通距離や流通時間が等
しくなり、さらには各高温流体流路４毎の熱交換量が同
じになる。

【００３７】したがって各ユニット１，２，３の内部に
おいて高温流体８の有する熱が低温流体１１に奪われて
その温度が低下するものの、その高温流体８の流線に対
して垂直な面内での高温流体８の温度分布（面内温度分
布）が均一化される。その結果、各ユニット１，２，３
のそれぞれの内部で、均一な熱交換が生じるので、熱交
換器の全体としての熱交換率が良好になる。また、高温
流体８の面内温度分布が均一であるから、各ユニット
１，２，３における高温流体流路４のフィン６に触媒を
付着させて設けた場合、高温流体流路４のいずれの箇所
においても同様に反応が生じ、触媒を使用した反応効率
が良好になる。換言すれば、触媒の活性が全ての部分で
良好になる。

【００３８】上述したように高温流体８は、各ユニット
１，２，３を上下方向に向けて流れるが、複数のユニッ
ト１，２，３が水平方向に配列され、かつ各高温流体流
路４が直列に接続されているので、熱交換面積を充分広
くできるうえに、上下方向の寸法を小さくして小型化を
図ることができる。例えば、車載式の改質器に使用した
場合、改質器の車載性を向上させることができる。

【００３９】なお、この発明は上記の具体例に限定され
ない。例えば、高温流体流路は複数本のパイプによって
構成してもよい。また、ユニットの配列数は二つでもよ
く、あるいは四つ以上であってもよい。さらに、この発
明の熱交換器は、低温流体を沸騰させることにより高温
流体の沸騰冷却をおこなう熱交換器に限られないのであ
り、低温流体を沸点以下の温度範囲で加熱昇温するタイ
プの熱交換器であってもよい。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
よれば、低温流体が収容されている低温域と高温域との
両方で高温流体との熱交換が生じ、それぞれの領域で熱
交換をおこなうため、高温流体と低温流体との間の熱交
換条件のうち少なくとも温度条件が、高温流体の流線に
垂直な面内で等しくなり、その結果、熱交換効率を良好
なものとすることができる。また、各ユニットにおける
高温流体流路同士が直列に連結されているので、高温流
体と低温流体との熱交換をおこなわせる流路を、熱交換
器全体として長くすることができるため、熱交換効率を
損なうことなく小型化を図ることができる。

【００４１】また、請求項２の発明によれば、請求項１
の発明による効果と同様の効果に加え、所定のユニット
に送られた高温流体が、複数の流路に分かれて流動する
としても、各流路での熱交換量が等しくなり、その結
果、高温流体の一部が充分な熱量をもったまま流れ去る
などの事態を回避して、熱交換器全体としての熱交換効
率を向上させることができる。

【００４２】さらに、請求項３の発明によれば、請求項
１の発明による効果と同様の効果に加え、所定のユニッ
トに送られた高温流体が、複数の流路に分かれて流動す
るとしても、各流路ごとの通過時間が互いに等しく、そ
の結果、それぞれの流路における熱交換量が等しくなる
ので、高温流体の一部が充分な熱量をもったまま流れ去
るなどの事態を回避して、熱交換器全体としての熱交換
効率を向上させることができる。

【００４３】またさらに、請求項４の発明によれば、請
求項１の発明による効果と同様の効果に加え、所定のユ
ニットに送られた高温流体が、複数の流路に分かれて流
動するとしても、各流路ごとの流動距離すなわち低温流
体と熱交換の生じる部分の長さが互いに等しく、その結
果、それぞれの流路における熱交換量が等しくなるの
で、高温流体の一部が充分な熱量をもったまま流れ去る
などの事態を回避して、熱交換器全体としての熱交換効
率を向上させることができる。

【００４４】そして、請求項５の発明によれば、請求項
１ないし４のいずれかの発明による効果と同様の効果に
加え、高温流体が低温流体の液相の部分とそれより上側
の部分との両方を通過するように流れるため、各部分毎
の高温流体と低温流体との熱交換の条件や程度などのバ
ラツキが抑制され、その結果、高温流体の温度のバラツ
キを抑制して熱交換効率を向上させることができる。

【００４５】またそして、請求項６の発明によれば、請
求項１ないし４のいずれかの発明による効果と同様の効
果に加え、高温流体が低温流体に対してその液面に垂直
な向きに流れるため、各部分毎の高温流体と低温流体と
の熱交換の条件や程度などのバラツキが抑制され、その
結果、高温流体の温度のバラツキを抑制して熱交換効率
を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明に係る熱交換器の一例を模式的に示
す断面図である。

【図２】 高温流体流路および低温流体流路の構成の一
例を示す模式的な斜視図である。

【図３】 図２のIII−IIIに沿う断面図である。

【図４】 図２のIV−IVに沿う断面図である。

【符号の説明】

１，２，３…ユニット、 ４…高温流体流路、 ５…低
温流体流路、 ８…高温流体、 ９，１０…マニホール
ド、 １１…低温流体、 １４，１５…ヘッダー。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ２８Ｆ 9/02 ３０１ Ｆ２８Ｆ 9/02 ３０１Ｇ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高温流体を低温流体に対して流動させて
   これらの流体の間で熱授受させる熱交換器において、 前記低温流体を収容している低温流体収容部に低温域と
   その低温域より温度の高い高温域との少なくとも二つの
   温度領域が形成され、かつこれら少なくとも二つの温度
   領域の両方を横切るように高温流体流路が形成された複
   数のユニットが、水平方向に配列されるとともに、各ユ
   ニットの高温流体流路同士が直列に連結されていること
   を特徴とする熱交換器。
2. 【請求項２】 少なくともいずれか一つの前記ユニット
   に前記高温流体流路が複数本設けられ、それらの複数本
   の高温流体流路における前記高温流体と低温流体との熱
   交換量が等しくなるように構成されていることを特徴と
   する請求項１に記載の熱交換器。
3. 【請求項３】 少なくともいずれか一つの前記ユニット
   に前記高温流体流路が複数本設けられ、それらの複数本
   の高温流体流路毎の前記高温流体の流動時間が等しくな
   るように構成されていることを特徴とする請求項１に記
   載の熱交換器。
4. 【請求項４】 少なくともいずれか一つの前記ユニット
   に前記高温流体流路が複数本設けられ、それらの複数本
   の高温流体流路毎の前記高温流体の流動距離が等しくな
   るように構成されていることを特徴とする請求項１に記
   載の熱交換器。
5. 【請求項５】 前記低温域が液相の低温流体によって形
   成され、その液相の低温流体の液面に対して所定角度で
   交差するように前記高温流体流路が形成されていること
   を特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の熱交
   換器。
6. 【請求項６】 前記低温域が液相の低温流体によって形
   成され、その液相の低温流体の液面に対して垂直となる
   ように前記高温流体流路が形成されていることを特徴と
   する請求項１ないし４のいずれかに記載の熱交換器。