JPH03505366A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 熱交換器 本発明は、熱交換器に関し、詳しくは、限定されるものではないが、発電所用の 熱交換器に関する。

大水域に、例えば海の表面と底の間に存在する温度差を利用して発電することが 提案されてきた。同様に、産業工程が周囲と異なる温度の水を大量に発生するよ うな状況は、火力発電に適していると考えられてきた。しかし、存在する温度差 は大きくなく、従って発電装置が例えばタービンを駆動する流体の膨張に依存す るならば、流体はかなり低い沸点を持たなければならず（例えばアンモニア）、 水の処理量は多く十分なエネルギを装置に確実に供給することができなければな らない。かかる要件は、装置と熱交換器の設計に問題を提起する。

ロールボンディングとして知られる技術は、従来は家庭用冷蔵庫のような用途の 単板の熱交換器を製造するのに使用されていた。

ロールボンディングでは、熱交換パネルが、２枚のシート材料を所定の位置で互 に接着し、ついでその間に流体を押し込んで非接着領域を押し離し、キャビティ を形成することによって形成される。以下、「ロールボンディング」という用語 はかかる工程をさす。使用される材料は、代表的にはアルミニウムである。

本発明はロールポンディング技術を上述した状況に利用しようとするものである 。

本発明の第１の観点によれば、流体の流路を備え、該流路はその流路内に設けら れ平行に連結された複数のロールボンドした熱交換要素を有し、各熱交換要素は 内部に構成した別の流路を有する、熱交換器を提供する。

熱交換要素は、熱交換器を通る流体の流れに対し低い抵抗を備えるように間隔を 隔てるのが好ましい。従って、熱交換器に流体を流すのに低圧が要求され、それ ゆえにこの熱交換器は所望ならば大気圧に開放する。熱交換要素の間隔は、流体 の温度に依存する流体の必要な処理量によって選択される。

熱交換器は代表的には、互いに隣接して配置されたそれぞれの流入口と、やはり 互いに隣接して配置されたそれぞれの流出口とを縁部に有するロールポンドした パネルのバンクと、流入口に連結された入口マニホールドと、流出口に連結され た出口マニホールドとからなる。入口マニホールド及び／又は出口マニホールド は、流入口及び／又は流出口に固着された鋳造又はモールディングからなる。

好ましくは、熱交換器は、熱交換要素のバンクを備え、各バンクはそれ自体の入 口マニホールドと出口マニホールドを有し、該バンクは平行に連結されている。

マニホールドは又ロールボンディングによって成形することができる。バンクは 、流体の損失なしに各バンクを取外しできるカップリングによって、並列に連結 されるのが好ましい。

熱交換器は、代表的には、流路が、入口室から、第１堰を越え、熱交換器を通り 従って熱交換要素の表面を通り、次いで第２堰を越えて延びるように配置される 。有利には、容器の上下間を比較的均一に流体の流れを分散させる手段を備える 。

熱交換器が熱交換要素のバンクからなるとき、入口室は、代表的には、熱交換要 素の各バンクと並んで容器の一側に沿って延び、別の第１堰は第２流体を入口室 からそれぞれのバンクの方に差し向ける。

本発明は又、既に定義した第１熱交換器を通る作動流体を冷却するように、大水 域から第１熱交換器へ比較的冷たい水を液送する手段と、上述した第１熱交換器 によって既に冷却された作動流体を加熱して加圧するように、海の比較的浅い部 分の大水域から比較的温かい水をやはり既に定義した第２熱交換器へ液送する手 段と、有効な動力を引き出すために加圧された作動流体を使用する手段と、作動 流体を上述した第１熱交換器まで再循環させる手段とからなる発電装置を提供す る。

水をその上部領域と下部領域から液送するとき、大水域は海のような水域の異な る部分である。別の異なる供給源を使用することもできる。

装置は又、空気から水蒸気を凝縮させることによって真水を作るように比較的冷 たい水を使用する手段を存するのが良い。

上述した構成は、異なる状況の要件に容易に適合する。なぜなら、必要な数の同 一のパネルバンクを適当な寸法の容器内に設置し、必要な熱伝達速度及び必要な 流量を作ることができるからである。

ロールボンディング技術の利点は、比較的複雑なマトリックスパターンを個々の 熱交換要素の平行なプレートに形成し、これにより、選択された流体の複雑な流 路を有する熱交換要素を作って、熱伝達特性を最適することができることである 。更に、外側に近いマトリックスパターンが中心に近いマトリックスパターンと 異なって、バンクの異なる熱交換要素に異なるマトリックスパターンを使用する ことによって改善を行うことができる。

パネルの異なるバンクは、通常平行に連結されるが、別の構成では、バンクの一 部又は全部を連続に連結することもできる。

パネルのバンクを平行に連結する場合には、カップリングからの作動流体の損失 なしに任意の選択したバンクを分離できるように、バンクは特別の自己シールカ ップリングによって連結されるのが好ましい。連結がタンクの底を通してなされ なければならない場合に、パネルのバンクを変更するとき海水の漏れを防ぐよう に特別のキャブ装置が設計された。これらの特徴は、非常に重要なものと考えら れる。というのは、これらの特徴により、熱交換器の残りを運転しながら、任意 のバンクを、点検、交換、保守、或いは清掃のため取り外すことができるからで ある。これらの特徴は、ロールポンディング以外の技術、（たとえば押出し）に よって製作されたパネルを使用する状況でも使用することができる。

作動流体例えばアンモニアが凝縮後に熱交換器の底から導びかれる凝縮用熱交換 器について潜在的な問題が予想される。上述した形式のプラントでは、熱交換器 の出口は循環ポンプから相当の距離隔てられ、タンク側壁よりも上方に出口管を 通すことが要求される。かかる場合に、作動流体は低圧になりやすく、流体は沸 点近くにあるので、パイプライン内での再蒸発及びガスロックの形成の問題が起 こり、適正な流れを阻止し、熱交換器の効率に影響を及ぼす。

本発明の第２の観点によれば、ロールポンディングによって形成され、凝縮させ るべき作動流体の流路を構成し、冷却流体の容器内に収容される熱交換要素と、 凝縮した作動流体を熱交換要素の底領域から上方に推進させて凝縮した作動流体 を再循環のために容器の外側の領域に送出させるために、凝縮した加圧駆動流体 を使用する手段とからなる凝縮器を提供する。

従って、本発明の使用は、管から流体を出すのに低圧を利用するのでなく、流体 を出口管から駆動するのに高圧を加える手段を設けることによって、凝縮器出口 管内に生ずるガスロックの問題・　を克服する。加圧された駆動流体を使用する 手段は、各熱交換要素の底に位置したエジェクタポンプすなわち［ジェットポン プＪであるのが特に好ましい。使用される駆動流体は熱交換器内の作動流体と同 じであるが、装置の循環ポンプのような高圧源からジェットポンプに直接供給さ れる。

本発明を、熱交換器を特に参照して説明したが、本発明は例えばプロセス産業内 の他の装置に使用することもできることが認識される。

本発明の第２の観点の別の実施例は、凝縮されるべき作動流体の流路を構成し、 かつ冷却流体の容器内に収容された熱交換要素と、凝縮した作動流体を再循環の ために容器の外側の領域に送出できるように凝縮作動流体を熱交換要素の底領域 から上方に推進させる手段とからなり、作動流体の流路と凝縮した作動流体を推 進させる手段とが熱交換要素内に一体に成形される、凝縮器を提供する。

今、本発明を添付図面を参照して、一例として説明する。

第１図は、本発明により製作され、発電を目的とする装置の概略全体図であり、 第２図は、第１図のｘ−Ｘ線における縦断面図であり、第３図は、第２図の熱交 換器の平面図であり、第４図は、第２図に３５で示す入口マニホールドの（縮尺 通りに示していない）部分切除概略斜視図であり、第５図は、第２図に３６で全 体的に示す取外し可能なカップリングの部分断面、部分立面図であり、 第６図は、マニホールド配置の概略平面図であり、第７図は、本発明の記録的観 点を組込む装置の線図であり、第８図及び第９図は、本発明の第２の観点を組込 む熱交換要素の別の形態図である。

まず第１図を参照すると、冷水がポンプ１によって海底近くから、入口２を通っ て熱交換器３（「凝縮器」）まで液送される。

作動流体、本例ではアンモニア（変形例として、ＨＣＦＣ／ＨＦＣの範囲のもの 、或いは適用に良好な特性を有する他の流体でもよい）が、熱交換器内で冷却さ れ、凝縮される。

次いで、作動流体はポンプ４によって第２熱交換器５（「蒸発器」）に液送され 、ここで、ポンプ７によって海面近くの入口８から供給された温水から潜熱を得 て蒸発する。入口８からの温水は、熱交換器５のプレートに汚損有機体の蓄積を 防ぐように塩素処理プラント５Ａによって断続的に処理される。その結果生じた 圧力下のアンモニアガスは、発電機（図示せず）に連結されたタービン９を駆動 するのに使用される。次いで、アンモニアガスは、熱交換器３に戻り、ここで海 底からの冷水によって再度凝縮される。

熱交換器３を通った後、大気温度に対して依然として冷たい海水は凝縮器１０を 通り、この凝縮器は、真水の供給源を作るため空気から水分を凝縮するのに使用 される。次いで、海水は、海面人口８の領域から適当な距離のところで海に戻さ れる。

熱交換器３を通る流れを変えるとき、或いは発電装置の完全な停止が必要とされ るときには、いつでも水門１２を用いて熱交換器３をバイパスさせることができ る。しかしかかる停止は、この発明の技術を使用するとき、はとんどありそうも ない。

熱交換器３は、鉄鋼ビーム１３及び１４で、及び参照番号１５で示すような正方 形断面の支持体で、支持される。正方形断面の支持体は、側壁１６Ａ１ベースパ ネル１６Ｂ及び端壁１６Ｄによって形成される大型タンクを支持する。タンクの 上部は、入口端及び出口端が開放しており、中央部（パネルのバンクを収容する ）は、シールしてない軽量のデツキ材でカバーされる。このデツキ材は、流水面 をパネルの頂部の高さに保持し、かつ保守係員の体重を支持し、パネルのバンク の点検等のため自由な接近を許容する。デツキ材は、自重で所定の位置に保持さ れてもよいし、或いは簡単な急速解放締結具で保持されてもよい。このタンクの 構成の特徴は、防水シールを介して一緒にボルト止めされた標準パネルで作られ ることである。従って、所望の大きさのタンクを、特定の状況の要求に応じて組 立てることができる。

ポンプ１からの冷水は、第３図に示す入口マニホールド１８でなく管１７から通 る。この入口マニホールドは８つの枝管を有し、各々の枝管は、タンクの壁１６ Ａの対応する孔に通じ、各々の孔は、タンクの区画室の１つへの入口個所である 。区画室（そのうち８つを第３図に示す）は２つの主要な機能を有する。第１に 、区画室は、熱交換器を便利なモジュールに分割する。このモジュールは、作動 流体の漏れ、或いは他の緊急の場合に残りのモジュールからそれぞれ隔絶し、（ 必要ならば排出する）ことができる。

通常の安全な配慮は別として、水に溶け、海中生物を汚染する（アンモニアのよ うな）有毒／危険な作動流体の場合にこの便宜を有することは特に重要である。

第２に、必要とされる保守の程度に応じて、この区画室により、単一のパネルバ ンクを取り出して交換するか、（例えば、主要なタンクの清掃作業を実施するよ うな）区画室全体を閉鎖して排出するかを選択できる。区画室は又、タンクの長 い壁に剛性を与え、側壁に支持用の鉄鋼部材をあまり必要としない。

番孔を通過後、水は沈澱室１９と堰２１に通じる立ち管２０に入る。余分の水流 があると（例えば他の部分の１つが保守等で閉鎖されている一時的な場合）、オ ーバフロー堰２２の上を通る余分の水は、オーバフロー出口２３で排出される。

しかし、通常は、水はすべて、堰２１の上を通り、タンクの区画室の壁と床に支 持された垂直分配器２４Ａ（バリヤ板１６Ｃが上の方に取付られている）に流れ る。分配装置２４Ａの効果は、水流が熱交換要素２５の間のタンクの上下間に均 一に分配されるのを確保することである。熱交換要素は、第３図に最も良く示す ように８つのバンクに配列される。熱交換要素２５を通った後、水は第２の垂直 分配器２４Ｂに入る。この分配器は、逆に水流を集め、第２の堰２６の方へ水を 通し、水は水出口マニホールド２７ヘオーバフローする。この水出口マニホール ドは、出口管２８に通じ、ここから第１図に示すように沈澱タンク１１に通じる 。

第１図に示す熱交換器５は、熱交換器３と同様の原理で製作されるが、異なるロ ールボンドのパターン形態で作られた異なる数の熱交換パネルのバンクが要求さ れる。

区画室毎に１つずつあるこれらのマニホールドは、ロールボンドしたアルミニウ ムを含む幾つかの方法で作ることができる。各マニホールドの入口３０は、主マ ニホールド（図示せず）に連結され、この主マニホールドは適切に配置された大 径管であり、熱交換器の長さに沿って延び、（この特定の８つの区画室の設計に ついて）８つの分岐出口を有する。各マニホールド３０は、１６の出口を有し、 各々は第４図に示すように、パネルマニホールド３４に連結される。各マニホー ルド３４は、熱交換パネルの開口入口部と連結するように配置された内部流路を 形成し、接着材で所定の位置に固着されたアルミニウム鋳物として示されている 。

各熱交換パネル２５は、ロールボンディング技術を使って互に連結された２枚の アルミニウムシート（変形例として、チタンを使用することもできる）によって 形成され、２枚のシートの間に複雑なマトリックスパターンの流路を作る。熱伝 達特性を最適にするために、例えばバンクの外側のマトリックスパターンが中心 近くの層と異なる、バンクの異なるパネルを異なるマトリックスパターンで作っ ても良い。本発明の他の実施例では、隣接したパネルの流路（図示せず）を互に 直接向かい合わないように意図的に配置することができる。この仕方で、あるパ ネルが備えた隆起部分を、隣接したパネルの流路間の凹み部分に向くように作る ことができ、これにより隣接したパネルを他の方法で可能であるよりも一層密接 した間隔に隔てることができる。

作動流体は、パネルを通る流路内で冷えて凝縮し、第５図に示すようにマニホー ルド３５、クイック取外しカップリング３６、可撓性管３７、ロールポンディン グマニホールド３８を介して流れ、次いでポンプ４まで出口ライン３９を通る。

自己シール・取外し自在カップリングは、作動流体の損失なしにパネルのバンク の取外しのためにカップリングを外せるように特別に設計される。

この目的のために、カップリングは分離可能な２つの半部の各々にシール機構を 有する。２つの半部を分離する作用によって、シール機構を両方の半部に作動さ せ、シール機構はあらゆる漏れを実質的に避けるように作動する。この形式の適 当な自己シールカップリングは、ヒートトランスファエンジニア社（ＨＴＥ　　 Ｌｉｄ、）によって作られる。

本発明の原理は、図示した設計で実施されるとき、５印又は６国の水頭以上の圧 力損失を招くことなしに、効率的な熱伝達を達成すると信じられる。

第７図に示す装置は、本発明の第２の観点を利用し、凝縮した流体を管を介して 、比較的温かい水を収容するタンクＣ内の蒸発部Ｂまで送出する循環ポンプＡを 備える。蒸発した流体は、タービンＤを駆動するのに用いられ、引き続いて比較 的冷たい水のタンクＨ内の凝縮器Ｅに供給される。ジェットポンプＦが凝縮器Ｅ の出口に設けられ、凝縮した流体をポンプＡまで戻す。別の供給ラインＧが、ジ ェットポンプＥを駆動するためにポンプＡの出口から直接取り出される。第８図 は、ロールボンディングによって作動流体１２の流路１１を内部に構成した熱交 換要素１０を有する凝縮器Ｅを示す。流体送出ライン３０が、熱交換要素の上部 領域の入口３１で熱交換要素ＩＯに連結され、凝縮した作動流体が熱交換要素の 下部領域に設けられた出口１５で熱交換要素１０を出る。

供給ラインＧは、加圧した凝縮駆動流体を出口１５に隣接して設けられたジェッ トポンプ１３に直接供給し、ジェットポンプ１３と出口１５は出口管１８に流体 を供給する。ジェットポンプ１３は、駆動流体のノズル１６と、ノズル１６及び 出口１５に隣接して出口管１８に構成されたキャビティ１７とからなる。

今、第９図を参照すると、この図に示す凝縮器は、第８図に関して上述したのと 本質的に同じ構成部品であり、添字「Ａ」をつけた同じ参照番号で示す。しかし 、この場合には、熱交換要素！ＯＡ、ジェットポンプ１３Ａ及び出口管１８Ａは 、ロールボンディングによって一体に成形される。この場合、供給ライン１４Ａ は、ロールボンディングによって熱交換器１０Ａ内に少なくとも部分的に成形さ れ、別の入口３２ＡがラインＧとの連結用に設けられる。

運転では、第８図及び第９図に示す実施例は両方とも、同じ仕方で機能する。各 場合に、凝縮器は第７図と関して説明したプラントの部分、すなわちタンク３Ａ 内の凝縮器３又はタンクＨ内の凝縮器Ｅを形成する。作動流体は、循環ポンプ４ 、Ａから送出ライン３０．３０Ａに供給される。作動流体１２、ｊ２Ａの流れは 、熱交換要素１０、ＩＯＡ内の流路１１、ＩＩＡへ差し向けられ、流路１１．Ｉ ＩＡ内で凝縮され、出口１５．１５Ａに送出されて、出口管１８．１８Ａへ送出 される。凝縮作動流体より高圧である駆動流体は、循環ポンプ４、Ａからジェッ トポンプ１３．１３Ａへ直接送出され、ここで駆動流体はノズル１６．１６Ａか らキャビティ１７．１７Ａへ噴出される。キャビティ１７．１７Ａ内の圧力は、 流路１１、ＩＩＡ内よりも低いので、凝縮作動流体１２．１２Ａは出口１５．１ ５Ａから常に流れる。ジェットポンプ１３．１３Ａからの駆動流体は、出口管１ ８．１８Ａ内の流体に圧力を与え、流体を凝縮器から循環ポンプまで駆動するの に役立つ。この仕方で、気泡の形成が減じられ、かりに気泡が形成されても、ポ ンプの作用は、流体が凝縮器Ｅから循環ポンプＡまで駆動されることを意味する 。

上述したジェットポンプは、凝縮器の製造中に簡単に成形され、可動部品を必要 とせず、かつ本質的にメンテナンスフリーである利点を有する。しかし、他の形 式のポンプを使用して、熱交換要素の出口に加圧した駆動流体を作ってもよい。

ＦＩＧ、５ ＦｔＧ、６ 国際調査報告 ＩＩＩＩＰＩｌ＃ＩＩ＋１−＾ｅロー−−Ｃａ電−””ＰＣＴ／（Ｊ！９０１０ ０３６５国際調査報告 ＧＢ　９０００３６５ ＳＡ　　　　３５１５７ 国際調査報告

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. １．流体の流路を備え、該流路は平行に連結された（ここで定義したように）ロ ールポンドした熱交換要素を通る、熱交換器。
2. ２．互に隣接して配置されたそれぞれの流入口と、やはり互に隣接して配置され たそれぞれの流出口とを縁部に有するロールポンドしたパネルのバンクと、流入 口に連結された入口マニホールドと、流出口に連結された出口マニホールドとか らなる、請求の範囲第１項に記載の熱交換器。
3. ３．入口マニホールド及び／又は出口マニホールドは、流入口及び／又は流出口 に固着された鋳造又はモールディングからなる、請求の範囲第２項に記載の熱交 換器。
4. ４．熱交換要素は第２流体の第２流路を構成する容器内に配置され、容器の内側 は大気圧に曝される、請求の範囲第２項に記載の熱交換器。
5. ５．熱交換要素のバンクを備え、各バンクはそれ自体の入口マニホールドと出口 マニホールドを有し、該バンクは平行に連結されている、請求の範囲第２項に記 載の熱交換器。
6. ６．バンクが、流体の損失なしに各バンクを取外しできるカップリングによって 平行に連結される、請求の範囲第５項に記載の熱交換器。
7. ７．第２流体の第２流路は、入口室から、第１堰を越え、容器を通り従って熱交 換要素の表面を通り、次いで第２堰の上を越えて、延びる、請求の範囲第４項に 記載の熱交換器。
8. ８．第２流体の流れを容器の上下間に比較的均一に分配させる手段を備える、請 求の範囲第７項に記載の熱交換器。
9. ９．入口室が、容器の一側に沿って熱交換要素の各バンクに並んで延び、別の第 １堰は第２流体を入口室からそれぞれのバンクの方に差し向ける、請求の範囲第 ４項及び第５項による、請求の範囲第７項に記載の熱交換器。
10. １０．バンクは、ロールポンドしたマニホールドによって平行に連結される、請 求の範囲第５項に記載の熱交換器。
11. １１．熱交換要素は、アルミニウム製又はチタン製である、請求の範囲第１項に 記載の熱交換器。
12. １２．請求の範囲第１項乃至第１１項のいずれかにより製作された第１熱交換器 を通る作動流体を冷却するように、海の比較的深部から比較的冷たい水を第１熱 交換器へ液送する手段と、上述した第１熱交換器によって既に冷却された作動流 体を加熱し加圧するように、海の比較的浅い部分から比較的温かい水をやはり請 求の範囲第１項乃至第１１項のいずれかにより製作された第２熱交換器へ液送す る手段と、有効な動力を得るために加圧した作動流体を使用する手段と、作動流 体を上述した第１熱交換器まで再循環させる手段とからなる発電装置。
13. １３．空気から水素気を凝縮させることによって真水を作るために比較的冷たい 水を使用する手段を備える、請求の範囲第１２項に記載の発電装置。
14. １４．隣接した熱交換要素が向かい合わせに配列され、かつ異なる輪郭を有し、 一方の熱交換要素によって構成された流路が隣接した熱交換要素の流路間の間隔 に向く、請求の範囲第２項に記載の熱交換器。
15. １５．ロールボンディングによって形成され、凝縮されるべき作動流体の流路を 構成し、冷却流体の容器内に収容された熱交換要素と、凝縮した作動流体を熱交 換要素の底領域から上方に推進させて凝縮した作動流体を再循環のために容器の 外側の領域に送出させるために、凝縮した加圧駆動流体を使用する手段とからな る凝縮器。
16. １６．駆動流体の流路と、凝縮した加圧駆動流体を使用する手段とが、熱交換要 素内に一体に成形される、請求の範囲第１５項に記載の熱交換要素からなる凝縮 器。
17. １７．凝縮した作動流体を推進する手段はジェットポンプである、請求の範囲第 １５項に記載の凝縮器。
18. １８．ジェットポンプで使用される駆動流体は、熱交換要素に送出される作動流 体と同じである、請求の範囲第１５項に記載の凝縮器。