JPH1030890A - 熱交換器 - Google Patents

熱交換器

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JPH1030890A
JPH1030890A JP9063231A JP6323197A JPH1030890A JP H1030890 A JPH1030890 A JP H1030890A JP 9063231 A JP9063231 A JP 9063231A JP 6323197 A JP6323197 A JP 6323197A JP H1030890 A JPH1030890 A JP H1030890A
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JP
Japan
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corrugated fin
fin material
heat exchanger
fluid
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JP9063231A
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English (en)
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Paul Alfred Sweeney
ポール・アルフレッド・スウィーニー
Venkat Natarajan
ベンカト・ナタラジャン
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Messer LLC
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BOC Group Inc
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 第１及び第２の流体の間の熱交換を行うため
の熱交換器を提供する。 【解決手段】 垂直方向に配向された複数の通路１２、
１４が、交互に設けられる第１及び第２の通路壁１０の
間に形成される。第１及び第２の流体を熱交換関係にす
るための第１及び第２の通路が設けられる。この目的の
ために、第１の通路１２は、入口２２、及び、出口３６
を含み、これら入口及び出口はそれぞれ、例えば、気体
窒素を第１の通路に導入し、液化された窒素を第１の通
路の底部から排出する。第２の流体を第２の通路の中に
導入するための入口４６も設けられる。液体である第２
の流体は、第２の通路の中で少なくとも部分的に気化さ
れる。上記液体から成る液膜は、千鳥状の溝を有する溝
付きの分割バーの構造によって、第２の通路の中で、そ
のような溝付きの分割バーの長さに沿って分配されて、
そのような通路を形成する通路壁に向かって押し付けら
れる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、隣接して交互に設
けられる熱交換通路の中を流れる２つの流体の間の熱交
換が行われる下降流式リボイラー又は落下膜蒸発器とし
て知られるタイプの熱交換器に関する。より詳細に言え
ば、本発明は、上記２つの流体の一方が、溝付きの分割
バーの構造によって液膜として熱交換通路の中に分配さ
れる液体であるような、熱交換器に関する。更に詳細に
言えば、本発明は、上記液膜が、増大する密度を有する
コルゲート状のフィン材料から成る構造によって、熱交
換通路の中に分配されるような、熱交換器に関する。更
に詳細に言えば、本発明は、上記分割バーの構造によっ
て、液膜の分配が最初に行われ、次に、コルゲート状の
フィン材料の構造によって、液膜の分配が行われるよう
な、熱交換器に関する。ここで、コルゲート状とは、波
形であることを意味する。
【０００２】
【従来の技術】落下膜蒸発器としても知られる下降流式
リボイラーは、一般的には液体及び蒸気である２つの流
体の間の間接的な熱交換を行うためのビヒクルとして使
用される。そのような熱交換器は、複数の平行なプレー
トから構成され、２つの流体の間の間接的な熱交換を行
うための交互に設けられる熱交換通路を形成するように
されることが多い。液体への熱交換を行う場合には、熱
交換効率は、液体のために設けられる熱交換通路の中に
下降する液膜を形成することによって、実現される。効
率を更に増大させるために、上記熱交換通路にコルゲー
ト状のフィン材料のシートを充填して、熱交換通路の中
に垂直方向に配向された溝を形成することができる。そ
のような溝は、液膜が流れるための表面を増大させ、従
って、熱交換を行うことのできる能動領域を増大させ
る。
【０００３】液体が、膜を形成することなく、熱交換通
路を単純に落下する限りにおいては、熱交換効率が損な
われることは明らかである。また、熱交換器の完全な熱
交換効率の可能性は、コルゲート状のフィン材料によっ
て形成される溝の中に液膜が形成されない限り、実現す
ることはできない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上述のように、本発明
は、熱交換通路、及び、該熱交換通路の中に設けられた
コルゲート状のフィン材料によって形成される溝の中に
おける液膜の形成及びその維持を促進するための、液膜
分配装置を提供しようとするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、ある特徴にお
いては、第１及び第２の流体の間の間接的な熱交換を行
うための熱交換器を提供する。この熱交換器は、垂直方
向に配向され且つ隔置されている複数の通路壁を備えて
いる。これら通路壁は、これら通路壁の間で交互に設け
られる複数の第１及び第２の通路を形成し、これら第１
及び第２の通路はそれぞれ、第１及び第２の流体を間接
的な熱交換関係で収容する。第１の流体を第１の通路に
導入するための第１の入口手段、及び、第１の流体を第
１の通路から排出するための第１の出口手段が設けられ
る。第２の流体を液体として第２の通路に導入するため
の第２の入口手段が設けられる。溝付きの分割バーが、
第２の通路を形成する通路壁の間に設けられる。これら
溝付きの分割バーは、隔置され且つ垂直方向に配向され
ていて、第２の通路を形成する通路壁に向けて液体を流
し、従って、通路壁の上における液膜の形成を促進す
る。第２の流体が第１の流体と間接的に熱交換された後
に、該第２の流体を第２の通路から排出するための第２
の出口手段が設けられる。
【０００６】本発明は、別の特徴において、第１及び第
２の流体の間の熱交換を行うための熱交換器を提供す
る。この熱交換器は、垂直方向に配向され且つ隔置され
ている複数の通路壁を備えている。これら通路壁は、こ
れら通路壁の間で交互に設けられる複数の第１及び第２
の通路を形成し、これら第１及び第２の通路はそれぞ
れ、第１及び第２の流体を間接的な熱交換関係で収容す
る。第１のコルゲート状のフィン材料が、第１及び第２
の通路の中に設けられていて、液膜を下降流を生成する
ための垂直方向に配向された溝を形成する。第１の流体
を第１の通路に導入するための第１の入口手段、及び、
第１の流体を第１の通路から排出するための第１の出口
手段が設けられる。第２の流体を液体として第２の通路
に導入するための第２の入口手段が設けられる。垂直方
向に配向された上記溝の上方で上記第２の通路の中に設
けられた少なくとも２つの部分がそれぞれ、第２の及び
第３のコルゲート状のフィン材料を収容する。第２のコ
ルゲート状のフィン材料は、第３のコルゲート状のフィ
ン材料の上方に設けられる。第３のコルゲート状のフィ
ン材料は、第２のコルゲート状のフィン材料のコルゲー
ト密度よりも高いが第１のコルゲート状のフィン材料の
コルゲート密度よりも低いコルゲート密度を有してい
て、第２の通路の中に位置している垂直方向に配向され
た溝の中に液膜を分配する。第２の流体が第１の流体と
間接的に熱交換された後に、該第２の流体を第２の通路
から排出するための第２の出口手段が設けられる。
【０００７】後に説明するように、本発明は、上述の両
方の特徴を互いに組み合わせて、液膜の形成及び液膜の
分布を促進する技術も含む。本明細書（請求の範囲を含
む）で使用する「密度」という用語は、コルゲート状の
フィン材料の単位長さ当たりの折り曲げ部すなわちコル
ゲートの数を意味することに注意する必要がある。
【０００８】請求の範囲には、本件出願人が発明である
と考える主題を明確に記載してあるが、図面を参照する
ことにより、本発明をより良く理解することができよ
う。
【０００９】
【発明の実施の形態】図１及び図２を参照すると、本発
明の熱交換器１が示されている。熱交換器１は、サンプ
と組み合わせて使用されるように設計されている。サン
プは、単純に、熱交換器１を包囲するタンクとすること
ができ、あるいは、例えば、液体酸素を収容するように
設計された二段蒸留塔の低圧塔の中のサンプとすること
ができる。
【００１０】熱交換器１は、気体窒素及び液体酸素とす
ることのできる第１及び第２の流体の間で熱交換を行う
ように構成されている。この目的のために、垂直方向に
配向された隔置された通路壁１０を設けて、交互に設け
られる第１及び第２の通路１２、１４を形成している。
通路通路壁１０は、垂直方向に配向された分割バー１５
の間に挟まれており、従って、第１及び第２の通路１
２、１４のそれぞれの横方向の縁部がシールされてい
る。熱交換器１の側部は、側壁１６によって形成されて
おり、これら側壁のそれぞれの横方向の縁部は、垂直方
向の分割バーに接合されていて、第１の通路１２の最外
方部をシールしている。
【００１１】第１の通路１２の頂部及び底部は、頂部及
び底部の分割バー１７、１８によってシールされてい
る。例えば、液化させるべき気体窒素である第１の流体
が、入側開口２２を有する第１の入口マニホールド２０
に入る。例えば、入口マニホールド２０に入った気体窒
素は、次に、水平方向に配向されたコルゲート状のフィ
ン材料２４によって、水平方向に搬送される。傾斜した
コルゲート状のフィン材料２６が、窒素の水平方向の流
れをより垂直方向に導いて、第１の通路１２に入れる。
熱伝達を行うための表面積を増大させるために、各々の
第１及び第２の通路は、第１のコルゲート状のフィン材
料２８を収容している。通路１２の中における液化の後
に、その結果生じた液体は、傾斜したコルゲート状のフ
ィン材料３０及び水平方向に配向されたコルゲート状の
フィン材料３２を設けることによって、垂直方向から水
平方向に偏向される。次に、液体窒素は、排出開口３６
を有する第１の出口マニホールド３４を設けることによ
って、第１の通路１２から排出される。
【００１２】第１の入口マニホールド２０及び第１の出
口マニホールド３４は、垂直方向に配向された分割バー
１５に接続されている。図示のように、第１の通路１２
をシールするために使用されている垂直方向に配向され
た分割バー１５は、第１の流体が第１の入口マニホール
ド２０から第１の通路に入り、その後、第１の通路１２
から第１の出口マニホールド３４へ排出されるように、
千鳥状に配列されている。
【００１３】第２の流体（例えば、液体酸素とすること
ができる）が、入側開口４６を有する第２の入口マニホ
ールド４４を通ってリザーバ４２に入る。リザーバ４２
の一方の側部は、第２の入口マニホールド４４によって
形成されており、また、他方の側部は、エンドプレート
４７によって形成されている。側壁１６は、第１及び第
２の通路１２、１４の周囲で伸長してリザーバ４２の横
方向の側部を形成するような寸法を有している。液体
は、複数の開口を有する穴あきエンドプレート４８を通
って、第２の通路１４に流入し、その中で液体は膜とし
て下降し、第１の通路１２の中を通ってる第１の流体と
間接的な熱交換を行う。図示のように、第２の通路１４
は、熱交換器１の底部で開口していて、気化していない
液体を熱交換器１の図示の実施例に関連して使用される
サンプの中に落下させる。従って、図示はしていない
が、第２の通路１４に関連して使用される分割バー１５
は、第２の通路１４の全長にわたって伸長している。当
業者は理解できるように、熱交換器１がサンプと共に使
用されない場合には、出口マニホールド又はこれと同様
なものを設けて、熱交換器１から液体を搬送することが
できる。
【００１４】図３を参照すると、開口５０を通る液体
は、溝付きの分割バー５４の上に落下する。これら各々
の分割バーは、長手方向に伸長するピークを有すること
ができる。各々の分割バー５４の側部に形成されている
千鳥状の溝５８を交互に配列することにより、液体は、
下方に且つ通路壁に向かって流れて、液膜の形成を開始
することができる。ピーク５６を省略して、溝付きの分
割バー５４の頂部を平坦にすることができる。分割バー
５４のいずれの実施例においても、千鳥状の溝５８は、
液体が各々の第２の通路１４をその全長に沿って覆っ
て、第２の通路１４を完全に利用することを確実にす
る。
【００１５】上述のように、第１のコルゲート状のフィ
ン材料２８は、第１及び第２の通路１２、１４の両方の
中に設けられている。第１のコルゲート状のフィン材料
２８の波状部は、第１及び第２の通路１２、１４の各々
の中に、垂直方向の溝を形成している。可能な限り多く
のそのような垂直方向の溝の上に膜を形成するために、
第２の、第３の及び第４のコルゲート状のフィン材料６
０、６２、６４を設けて、溝付きの分割バー５４に液膜
を分配させることができる。第２のコルゲート状のフィ
ン材料６２の密度は、その下の第３のコルゲート状のフ
ィン材料６４の密度よりも低い。第１及び第２のコルゲ
ート状のフィン材料６０、６２の間に設けられている第
４のコルゲート状のフィン材料６４の密度は、第１のコ
ルゲート状のフィン材料６０の密度よりも高いが、第２
のコルゲート状のフィン材料６２の密度よりも低い。こ
のようなコルゲート状のフィン材料の構成は、下降する
液膜がコルゲート状のフィン材料のそのような部分を下
降する際に、そのような液膜を益々分割する。第１のコ
ルゲート状のフィルム材料２８によって形成される垂直
方向の溝に液膜を適正に分配するために、第２のコルゲ
ート状のフィン材料６２の密度を、第１のコルゲート状
のフィン材料２８の密度よりも高くしてはならない。
【００１６】多領域のフィン構造（上述の）は、コルゲ
ート状のフィン材料の２つの領域、すなわち、第１の領
域、及び、その下のより高い密度を有する第２の領域か
ら構成することができる。更に、上述のように、そのよ
うな多領域の分布は、単独で用いるか、あるいは、溝付
きの分割バー５４以外の液膜の分布構造と組み合わせて
用いることができる。
【００１７】本発明を好ましい実施例を参照して説明し
たが、当業者には分かるように、本発明の精神及び範囲
から逸脱することなく、種々の追加、変更、及び、省略
を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の熱交換器を図２の線１−１に沿って示
す断面図である。
【図２】図１の線２−２に沿って取った図１の断面図で
ある。
【図３】熱交換器の内部構造を示すために一部を破断し
て示す本発明の熱交換器の部分斜視図である。
【符号の説明】
１ 熱交換器 １０ 通路壁 １２、１４ 通路 ２２ 入口手段 ２８、６０、６２、６４ コルゲート状のフィン材料 ３６ 出口手段 ４６ 第２の入口手段 ５４ 溝付きの分割バー
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ベンカト・ナタラジャン アメリカ合衆国ニュージャージー州07076, スコッチ・プレインズ，カントリー・クラ ブ・レイン 170

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１及び第２の流体の間の熱交換を行う
    ための熱交換器であって、 前記第１及び第２の流体を間接熱伝達の関係でそれぞれ
    収容する交互に設けられた複数の第１及び第２の通路を
    その間に形成するように、垂直方向に配向され且つ隔置
    された複数の通路壁と、 前記第１の流体を前記第１の通路の中に導入するための
    第１の入口手段、及び、前記第１の流体を前記第１の通
    路から排出するための第１の出口手段と、 前記第２の流体を前記第２の通路の中に液体として導入
    するための第２の入口手段と、 前記通路壁の間に設けられていて前記第２の通路を形成
    する溝付きの分割バーであって、垂直方向に配向され且
    つ隔置された溝を形成していて、前記第２の通路を形成
    する前記通路壁に向かって前記液体を流し、これによ
    り、前記通路壁の上における液膜の形成を促進する溝付
    きの分割バーと、 前記第１の流体と間接的に熱交換された後の前記第２の
    流体を前記第２の通路から排出するための第２の出口手
    段とを備えることを特徴とする熱交換器。
  2. 【請求項２】 請求項１の熱交換器において、更に、 前記第１及び第２の通路の中に設けられていて、液膜の
    下降流を生じさせるように垂直方向に配向された溝を形
    成するための第１のコルゲート状のフィン材料と、 前記垂直方向に配向された溝と前記溝付きの分割バーと
    の間の上方で前記第２の通路の中に設けられていて、第
    ２の及び第３のコルゲート状のフィン材料をそれぞれ収
    容している、少なくとも２つの部分とを備えており、 前記第２のコルゲート状のフィン材料は、前記第３のコ
    ルゲート状のフィン材料の上方に設けられており、 前記第３のコルゲート状のフィン材料は、前記第２のコ
    ルゲート状のフィン材料のコルゲート密度よりも高いが
    前記第１のコルゲート状のフィン材料のコルゲート密度
    よりも低いコルゲート密度を有しており、これにより、
    前記第２の通路の中に設けられている前記垂直方向に配
    向された溝の中に前記液膜を分配するように構成されて
    いることを特徴とする熱交換器。
  3. 【請求項３】 請求項１又は２の熱交換器において、前
    記各々の溝付きの分割バーは、長手方向に伸長するピー
    クを有していて、前記液体を前記溝に向かって流すよう
    に構成されていることを特徴とする熱交換器。
  4. 【請求項４】 請求項３の熱交換器において、前記溝付
    きの分割バーの各々の側部の前記溝は、交互に配列され
    るように互いに隔置されていることを特徴とする熱交換
    器。
  5. 【請求項５】 請求項４の熱交換器において、前記出口
    手段は、当該熱交換器の底部領域において開口された前
    記第２の通路を含むことを特徴とする熱交換器。
  6. 【請求項６】 請求項５の熱交換器において、前記第１
    の入口手段及び第２の出口手段は各々、前記第１の流体
    を前記第１の通路に分配するためのマニホールドと、前
    記第１の流体を水平方向に搬送するためのコルゲート状
    のフィン材料と、前記第１の流体を水平方向の流れから
    垂直方向の流れに偏向させる助けをする傾斜したコルゲ
    ート状のフィン材料とを備えることを特徴とする熱交換
    器。
  7. 【請求項７】 請求項６の熱交換器において、前記通路
    壁は、複数の隔置されたプレートを含むことを特徴とす
    る熱交換器。
  8. 【請求項８】 請求項３の熱交換器において、更に、前
    記第２の及び第３のコルゲート状のフィン材料の間に設
    けられている第４のコルゲート状のフィン材料を備えて
    おり、該第４のコルゲート状のフィン材料は、前記第２
    のコルゲート状のフィン材料の密度と前記第３のコルゲ
    ート状のフィン材料の密度との間のコルゲート密度を有
    していることを特徴とする熱交換器。
  9. 【請求項９】 第１及び第２の流体の間の熱交換を行う
    ための熱交換器であって、 前記第１及び第２の流体を間接熱伝達の関係でそれぞれ
    収容する交互に設けられた複数の第１及び第２の通路を
    その間に形成するように、垂直方向に配向され且つ隔置
    された複数の通路壁と、 液膜の下降流を形成するために垂直方向に配向された溝
    を形成するために、前記第１及び第２の通路の中に設け
    られている、第１のコルゲート状のフィン材料と、 前記第１の流体を前記第１の通路の中に導入するための
    第１の入口手段、及び、前記第１の流体を前記第１の通
    路から排出するための第１の出口手段と、 前記第２の流体を前記第２の通路の中に液体として導入
    するための第２の入口手段と、 前記垂直方向に配向された溝の上方で且つ前記第２の通
    路の中に設けられていて、第２の及び第３のコルゲート
    状のフィン材料をそれぞれ収容している、少なくとも２
    つの部分とを備えており、 前記第２のコルゲート状のフィン材料は、前記第３のコ
    ルゲート状のフィン材料の上方に設けられており、 前記第３のコルゲート状のフィン材料は、前記第２のコ
    ルゲート状のフィン材料のコルゲート密度よりも高いが
    前記第１のコルゲート密度よりも低いコルゲート密度を
    有しており、これにより、前記第２の通路の中に設けら
    れている前記垂直方向に配向された溝の中に前記液膜を
    分配するように構成されており、 当該熱交換器は、更に、 前記第２の流体が前記第１の流体と間接的に熱交換され
    た後に、前記第２の流体を前記第２の通路から排出する
    ための第２の出口手段を備えることを特徴とする熱交換
    器。
  10. 【請求項１０】 請求項９の熱交換器において、前記出
    口手段は、当該熱交換器の底部領域において開口された
    前記第２の通路を含むことを特徴とする熱交換器。
  11. 【請求項１１】 請求項１０の熱交換器において、前記
    第１の入口手段及び第２の出口手段は各々、前記第１の
    流体を前記第１の通路に分配するためのマニホールド
    と、前記第１の流体を水平方向に搬送するために水平方
    向に配向されたコルゲート状のフィン材料と、前記第１
    の流体を水平方向の流れから垂直方向の流れに偏向させ
    る助けをする傾斜したコルゲート状のフィン材料とを備
    えることを特徴とする熱交換器。
  12. 【請求項１２】 請求項１１の熱交換器において、前記
    通路壁は、複数の隔置されたプレートを含むことを特徴
    とする熱交換器。
  13. 【請求項１３】 請求項９の熱交換器において、更に、
    前記第２の及び第３のコルゲート状のフィン材料の間に
    設けられている第４のコルゲート状のフィン材料を備え
    ており、該第４のコルゲート状のフィン材料は、前記第
    ２のコルゲート状のフィン材料の密度と前記第３のコル
    ゲート状のフィン材料の密度との間のコルゲート密度を
    有していることを特徴とする熱交換器。
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