JPS593273Y2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案はヒートパイプを用いた熱交換器に関するもので
ある。

従来、ヒートパイプは優れた伝熱素子として知られ、ま
たヒートパイプを用いた熱交換器も公知である。

良く知られるようにヒートパイプは、その管内に作動流
体を封じ込んで加熱側及び冷却側に対し蒸発及び凝縮を
行わしめ、熱輸送を潜熱の形で行わしめるため、加熱部
と冷却部の温度差を小さく保ちながら、パイプ断面積当
りの熱輸送量を大きくすることが出来る。

又熱交換器に組込んだ場合、加熱側及び被加熱側流体の
それぞれをパイプ外で扱うことが出来るため、フィンに
よる伝熱面積が大きくとれるので装置がコンパクトにな
る。

しがしながら、例えばここに廃熱回収のための熱交換器
として考えた場合、出来る限り廃熱を回収する（逃げる
温度を出来るだけ小さくする）ことが要望され、従って
廃熱源の温度降下に伴って沸点の異なった伝熱素子（ヒ
ートパイプ）が必要となり、こうして構成された廃熱回
収用熱交換器も開発されているが、装置は意外と大きく
且つ複雑であり、保守等が頻繁であり、信頼性に劣る等
の欠点を有していた。

本考案はこのような従来技術の欠点を解消するためにな
されたもので、工場や各種の熱機関等からの廃熱回収を
効果的に行なって廃熱エネルギーの有効利用を図ること
を目的とするもののである。

この目的を遠戚するため、本考案の熱交換器は高圧加熱
室に高圧冷却室を並設すると共に低圧加熱室に低圧冷却
室を並設し、前記高圧加熱室と前記低圧加熱室を連通さ
せて高圧加熱室から低圧加熱室に向って加熱媒体を通過
させ、また前記高圧冷却室と前記低圧冷却室を連通させ
て低圧冷却室から高圧冷却室に向って被加熱流体を通過
させ、前記高圧加熱室から高圧冷却室に跨ってヒートパ
イブを設置し、該ヒートパイプは前記高圧加熱室内に介
在する上半分が高圧加熱部を成すと共に、下半分が高圧
冷却部を威し、前記低圧加熱室から低圧冷却室に跨って
ヒートパイプを設置し、該ヒートパイプは前記低圧加熱
室内に介在する上半分が低圧加熱部を威すと共に、下半
分が低圧冷却部を威し、前記低圧冷却部と前記高圧加熱
部とを導管によって連通し、前記高圧冷却部と前記低圧
加熱部とをリザーバー及びフラッシュ弁を含む導管によ
り連通させ、かつ前記リザーバーにパージ管を設置した
ことを特徴とするものである。

以下、添付図面に即して本考案をさらに説明するが、理
解を容易にするため熱機関（ボイラ）の廃熱回収に適用
した例について説明することにする。

まず、ヒートパイプを利用する熱交換器と、従来のよう
に蓄熱形回転式熱交換器を使用し、燃焼用空気の昇温に
より熱効率を上げる空気予熱器形の廃熱回収用熱交換器
とを第１図に即して比較説明する。

同図において、横軸に熱交換器に沿っての距離Ｌ、縦軸
に温度Ｔをとると、廃熱源であるガスの温度降下はＧに
て示される。

この温度降下に伴って従来の蓄熱形回転式空気予熱器を
使用した廃熱回収用熱交換器の場合の被加熱側（空気）
の温度勾配は、はぼ直線状の線Ｒで示される。

一方、本考案および他のヒートパイプを利用した方式に
よる被加熱側の温度勾配は曲線Ｈによって示される。

この相違はヒートパイプを利用した熱交換器で、その作
動流体の温度変化は折線Ｗで示されている（相変化を伴
うため）ように、被加熱側が、それに沿うように温度勾
配となるからである。

これを更に伝熱の面から説明すれば、通常ガス／空気の
熱交換は伝熱壁を介するそれぞれの管壁の熱抵抗は著し
く大きいため（伝熱面の温度差が大きい）、曲線Ｈのよ
うにならずにほぼ直線Ｒのようになる。

ヒートパイプを介すると、中間に相変化を伴う媒質が介
在するため加熱側（ガス）、被加熱側（空気）の伝熱面
つまりヒートパイプの管壁に於てヒートパイプの作動流
体側に著しい熱抵抗の小さい（ヒートパイプの管内壁面
側）境界層を形成するため、伝熱面での温度差が小さく
なることにより空気側の温度上昇勾配は上に凸の曲線を
形成するのである。

つまり伝熱面全体の熱貫流率（総括伝熱係数）が増大し
たことを意味する。

したがって、ヒートパイプ 装置全体としての伝熱面積を著しく小さくすることがで
きる。

ヒートパイプは上記のように顕著な利点を有するので、
従来から熱交換器によくもちいられており、その一例を
説明すれば、第２図は従来提案されている公知のヒート
パイプを用いた廃熱回収用の熱交換器を示すものであり
、この公知のヒートパイプを用いた方法によるヒートパ
イプは下部を加熱側、上部を冷却側としている。

ヒートパイプ内には有機媒体あるいは水を作動流体とす
る熱媒体が封入されているため、パイプ内圧力は加熱側
の温度によって決定づけられるため、廃熱回収を行うよ
うな場合はその回収熱量に制限を有する。

それを回避するため沸点の異なる作動流体を用いて図の
ように高圧側１，４及び低圧側２，３のように分けて配
置する必要がある。

こうして優れた伝熱素子としてのヒートパイプを有効に
廃熱回収用熱交換器として構成し、従来の回転式空気予
熱器等よりコンパクトに設計することが出来た。

しかしながらこの方法は、図中のパージ管２２’．２２
″よりヒートパイプ内に発生する作動流体以外のガスを
定期的にパージするため設けるものであり、図示しない
が作動流体と分離する機構等を有し、作動流体を封入す
るヒートパイプが各々異なると、それぞれに対しパージ
設備を設ける必要があり、装置が複雑となる欠点がある
。

又多様な負荷の変動に対して従来方式のヒートパイプで
は封入されている作動流体を負荷変動のそれぞれの温度
に対応した最適な圧力を選択出来ぬ欠点を有し、この面
での不都合があった。

本考案はかかる従来技術の欠点を解消するもので、その
ため第３図に例示するような構成にしたものである。

本実施例において、１は熱交換器の高圧加熱室、２は低
圧加熱室、３は低圧冷却室、４は高圧冷却室、５と６は
それぞれ加熱流体入口と出口、７と８はそれぞれ冷却流
体入口と出口である。

前記高圧加熱室１から高圧冷却室４に跨ってヒートパイ
プ３０を設置し、該ヒートパイプ３０は前記高圧加熱室
１内に介在する上半分が高圧加熱部９を形成すると共に
、下半分が高圧冷却部１２を形成する。

また前記低圧加熱室２から低圧冷却室３に跨ってヒート
パイプ４０を設置し、該ヒートパイプ４０は前記低圧加
熱室２内に介在する上半分が低圧加熱部１０を形成する
と共に、下半分が低圧冷却部１１を形成する。

９ ａ 、１０ ａ 、ｌｌａ 、１２ａはそれぞれの
加熱部９゜１０および冷却部１１．１２に設けられたフ
ィンである。

この熱交換器において、たとえば熱機関（ボイラ）から
出た高温の廃ガ・スは矢印Ａで示すように高圧加熱室１
の加熱流体人口５から流入し、高圧加熱部９で熱を与え
られて低圧加熱室２に送られ、さらに低圧加熱部１０で
再び熱を与えられて加熱流体出口６から排出される。

一方、被加熱側の流体（空気）は矢印Ｂで示すように低
圧冷却室３の冷却流偉人ロアから該低圧冷却室３内に流
入し、低圧加熱部１０で蒸発したヒートパイプ内の作動
流体は低圧冷却部１１で凝縮し、空気に対して凝縮潜熱
を与えるので、空気の温度は上昇する。

その後、空気はさらに高圧冷却室４に送られ、高圧加熱
部９で蒸発したヒートパイプ内の作動流体は高圧冷却部
１２で凝縮して凝縮潜熱を空気に与え、それにより空気
はさらに昇温して高温の空気となり、冷却流体出口８か
ら排出されＪ所期の熱交換をすべて完了する。

このような熱交換の過程において、低圧域で凝縮した作
動流体は低圧出口ヘッダ−１５からポンプ１８により昇
圧されて導管２０を介して高圧入口ヘッダ−１３に流入
する。

一方、高圧入口ヘッダー１３から高圧域に流入して凝縮
した作動流体は重力により高圧出口ヘッダ−１６からり
ザーバ−２１の中に流入する。

リザーバー２１内に貯留される作動流体は、負荷の変動
に対応して液面制御を行なうフラッシュ弁１７を介して
減圧され、導管１９を通って低圧入口ヘッダ−１４に流
入し、低圧加熱部１０でフラッシュ蒸発した後、低圧加
熱室２から低圧冷却室３、高圧冷却室４、高圧加熱室５
を経て該低圧加熱室２へと強制的に再循環する。

なお、本実施例におけるパージ管２２は従来のものと同
一の機能を果たさせるために設けられるものであるが、
その本数は１本でよい。

さらに、パージガス等の後処理設備（図示せず）も設け
られるが、その後処理設備も１つで足り、装置が非常に
簡単になる。

上記のように、本考案は、高圧加熱室１に高圧冷却室４
を並設すると共に低圧加熱室２に低圧冷却室３を並設し
、前記高圧加熱室１と前記低圧加熱室２を連通させて高
圧加熱室１から低圧加熱室２に向って加熱媒体を通過さ
せ、また前記高圧冷却室４と前記低圧冷却室３を連通さ
せて低圧冷却室３から高圧冷却室４に向って被加熱流体
を通過させ、前記高圧加熱室１から高圧冷却室４に跨っ
てヒートパイプ３０を設置し、該ヒートパイプ３０は前
記高圧加熱室１内に介在する上半分が高圧加熱部９を威
すと共に、下半分が高圧冷却部１２を威し、前記低圧加
熱室２から低圧冷却室３に跨ってヒートパイプ４０を設
置し、該ヒートパイプ４０は前記低圧加熱室２内に介在
する上半分が低圧加熱部１０を威すと共に、下半分が低
圧冷却部１１を威し、前記低圧冷却部１１と前記高圧加
熱部９とを導管２０によって連通し、前記高圧冷却部１
２と前記低圧加熱部１０とをリザーバー２１及びフラシ
ュ弁１７を含む導管１９により連通させ、かつ前記リザ
ーバー２１にパージ管２２を設置したので、ヒートパイ
プの作動液体が低圧冷却室３から高圧加熱室１に流れ、
更に、高圧冷却室４から低圧加熱室２に流れ、熱回収効
率を低下させることなく装置自体を簡略化することが出
来るようになる。

すなわち、本考案によれば、パージ管２２及びパージガ
スなどの処理設備が一つで足りるので、その分だけ装置
自体は構造が簡単になると言う利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は各種熱交換器における距離と温度との関係をグ
ラフで示す図、第２図は従来のヒートパイプを用いた熱
交換器の図式的説明図、第３図は本考案による熱交換器
の一実施例の図式的説明図である。 １・・・・・・高圧加熱室、２・・・・・・低圧加熱室
、３・・・・・・低圧冷却室、４・・・・・・高圧冷却
室、５・・・・・・加熱流体入口、６・・・・・・加熱
流体出口、７・・・・・・冷却流体入口、８・・・・・
・冷却流体出口、９・・・・・・ヒートパイプの高圧加
熱部、１０・・・・・・低圧加熱部、１１・・・・・・
低圧冷却部、１２・・・・・高圧冷却部、１７・・・・
・・フラッシュ弁、１８・・・・・・ポンプ、２１・・
・・・・リザーバー、２２・・・・・・パージ管。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 高圧加熱室１に高圧冷却室４を並設すると共に低圧加熱
   室２に低圧冷却室３を並設し、前記高圧加熱室１と前記
   低圧加熱室２を連通させて高圧加熱室１から低圧加熱室
   ２に向って加熱媒体を通過させ、また前記高圧冷却室４
   と前記低圧冷却室３を連通させて低圧冷却室３から高圧
   冷却室４に向って被加熱流体を通過させ、前記高圧加熱
   室１から高圧冷却室４に跨ってヒートパイプ３０を設置
   し、該ヒートパイプ３０は前記高圧加熱室１内に介在す
   る上半分が高圧加熱部９を威すと共に、下半分が高圧冷
   却部１２を威し、前記低圧加熱室２から低圧冷却室３に
   跨ってヒートパイプ４０を設置し、該ヒートパイプ４０
   は前記低圧加熱室２内に介在する上半分が低圧加熱部１
   ０を威すと共に、下半分が低圧冷却部１１を威し、前記
   低圧冷却部１１と前記高圧加熱部９とを導管２０によっ
   て連通し、前記高圧冷却部１２と前記低圧加熱部１０と
   をリザーバー２１及びフラッシュ弁１７を含む導管１９
   により連通させ、かつ前記リザーバー２１にパージ管２
   ２を設置したことを特徴とする熱交換器。