JPS6015876B2 - 非断熱的精溜用プレイト型熱交換器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、多数の平板材を平行に重ねあわせて流体流
路画成を行ったプレィト型熱交換器に係るものである。

一組の流路部分を通過する流体流と、他の一組の流路部
分を通過する流体流との間の熱交換は、障壁を介する熱
伝導によって達成される。詳細には、この発明は、流路
中に波形フィン材または充装材の設置区画を設けてなる
プレィト型熱交換器に係る。このような型の熱交換器は
、従来、流体流の精溜を目的として実施されている。一
流路中において、気体または水蒸気は上昇して流れ、液
体流に対して逆流する頃向を有する。この液体と蒸気へ
の、または、からの熱伝導は、非断熱的な精溜に適した
他の流路によって達成される。流路中に波形フィンを内
装することによって熱交換効率が改善され、大量規模の
際にも、蒸気と液体間の接触関係がかなりの程度に維持
される。計算上では、相接触する液体と蒸気および一定
期間作動する熱交換器の間の温度差がかなりの値となる
ので、一流路中を通過する流体の性状が、その一端から
池端の間において順次変化する事が予想される。このよ
うな使用を目的としたプレィト型熱交換器の例としては
、米国特許第２７０３７０び号を挙げることができる。
波形フィン材内装により非断熱的渚溜を行うプレィト型
熱交換器には、少なくとも、後述のような２種のものが
ある。本明細書中に述べる「波形フィン充装材」とは、
多孔ないし無孔性の金属板を波形に曲折加工してなる内
装材を意味する。該熱交換器の第１の型式では、二相流
路用として、主波形フィン充装材が設けられ、この波形
フィン充装材の山と谷とは、吸入、排出端附近の案内区
画を除き、実質的に上下方向に伸びるように設置されて
いる。この型式の例示としては、米国特許第３５路４６
１号を挙げることができる。該熱交換器の第２の型式で
は、二相流路用の主波形フィン充装材は、該充袋材の山
と谷とが、吸入、排出端附近案内区画を除いて、実質的
に水平方向に伸びる状態となるように構成されている。
この型式の例としては、米国特許第３５６８４６２号を
挙げることができる。すなわち、上記熱交換器の第１の
型式のものでは、全体的な流体流は、波形フィン充装材
の山と谷とに対して平行となり、液体と蒸気とは相互に
密接しつつ、波形フィン充装材を容易に通り抜けること
ができる。

このような構成を、通過容易の向き（ｅａｓｙｗａｙ）
という。第２の型式の熱交換器では、全体的な流体流は
波形フィン充装材の山と谷とに対して直交し、相互に密
接して流れる流体と蒸気とが、この波形フィン充装材の
区画を流れるのは困難である。このような構成を、通過
困難の向き（ｈａｒｄｗａｙ）と言う。通過困難の向き
の構成を取る場合には、波形フィン充装材には多孔性の
ものを用い、従って、この充装材上の多孔によって流体
流動が可能となる。上記二個の基本的な型式のいずれに
おいても、不都合な点を有しており、この発明は、その
ような不都合を除去することを目的としている。

第１の型式の熱交換器では、流離中の流体を、余りに早
く底部へと流してしまう額向があり、蒸気と液体の接触
のための滞留時間としては、不充分な結果となり易い。
熱交換器流路内を充分な量の流体を移動させるとともに
、該流路の一端から他端へ至る間に該流体の性状を徐々
に変化させるためには、改良された上下方向の構成ない
し流体の綾漫な落下を導く工夫が必要である。上下方向
の構成の改良として、上昇する蒸気流の速度を上げるべ
く波形フィン材の占有城をせばめた場合では、不都合な
ことに、液体の滞留超過（ｃａｎｙ−ｏｖｅｒ）を導き
易く、液体の滞留超過によって、熱交換器の熱交換出力
に限界が生じ、不都合な結果となってしまう。第２の型
式の熱交換器においては、多孔性フィン充装材上の紬孔
の寸法を変更し「液体流体を適当に保持し、その滞留時
間を延長し、液体の上下方向での流れ経路を理想的なも
のとするに充分な程に小さくすればするほど、その流路
は相当に限定され、熱交換出力が限定されてしまうとい
うことが分かっている。

流路中に液体保持空隙を形成すべく、実質的に大きな孔
を設けた部材を用いてこの課題を解決しようとする試み
が、いくつかなされている。そのような考案の実例は、
米国特許第３５１２２６２号中に見ることができる。さ
らに、二相流路の幅を横切って、気体と液体の水平方向
の配分状態をより均一なものとするために、液体再分配
手段を用いて、上述の２型式を結合する試みも行われて
いるが、そのような考案は米国特許第３６１２４９４号
に見ることができる。上述したどの型式の熱交換器にお
いても、その中の液体は、蒸気流の付勢によって押し上
げられるとともに、自重によって降下する煩向を有して
いる。流路中への液体導入は、熱交換器の頭頂部からな
され、液体導出は、熱交換器の底部において行われるの
で、該液体は、順次、その主流部分において適正に降下
することが要求される。上述した先行技術のものでは、
該液体の降下流は、上昇する蒸気流と対向する関係にお
かれる。このような場合、液体と蒸気を相互に接触通過
させるためには、該液体と蒸気を別個の通路によって案
内する場合に比べてかなり大きな流路寸法を必要とする
。該液体の降下する流れの主流は、フィン充装材の間隙
中において、上昇する蒸気流に対向し、潜在する熱交換
効率を実質的に低下させてしまう。フィン充装材の間隙
中において、上記液体は、蒸気の動きに影響を受け、付
勢される傾向を有し、また、流路寸法は、かなり大きな
値とする必要がある。すなわち、各種先行技術の型式の
ものは、現在、以下列挙するような多くの課題に直面し
ている。液体の滞留時間が不充分であること、液体及び
蒸気の水平方向での分配状態が均一でないこと、液体と
蒸気の接触が不適正であること、液体の収納滞留が超過
すること、液体の上下方向での配分状態が不適正である
こと、及び、熱交換効率が制限されること等である。上
述の諸問題を解決するために、この発明では、連続的に
水平方向に交差する降下通路であって気体流体が上昇す
る流路中において液体流体を案内する液体配流手段を設
ける。

この構成の採用により、液体を留めるための手段として
の主要なフィン充装材に依拠することなく、熱交換器で
の液体の滞留時間を延ばすことができる。各水平方向に
流れる液体は上記気体流、すなわちプレィト型熱交換器
流路中を上昇する気体の流れに接触する。換言すれば、
この液体の通路は、液体の部分部分を、いくつかの相異
なる熱交換段階に順次配分する役割を果す。この構成に
より流体を揮発性の高い成分と低い成分に分離可能とな
る。各水平通路上方の波形フィン充装材は長形の熱交換
面として機能する。しかし、このフィン充菱材は、蒸気
一液体間の接触を保障するには薄せず、その間隔を広く
取ることにより、該フィン充装材を滞留超過を防止する
デミスター（ｄｅｍｉｓにｒ）として機能させ、より高
率の出力を達成する。このようにして、熱交換器中の気
体及び液体の流れ率は、問題とする程の値ではなくなり
、広範囲にわたる流れ率での作動を要求される熱処理装
置中においても、この熱交換器の大量熱伝達装置を採用
することができる。さらに、フィン充装材の密度又はそ
の間隔を変更することにより、不都合な液体滞留超過を
避けつつ、熱交換器出力を高めることができる。このよ
うな改良を加えたとしても該熱交換器の効率は良好であ
って、所望の熱交換機能を充分に果す。すなわち、非断
熱的な配流手段を採用したプレィト型熱交換器の作動効
率を改良することがこの発明の目的である。

波形フィン充装材を有し非断熱的な糟溜を企図した高出
力のプレイト型熱交換器を開示することが、この発明の
主要な目的である。

作動流体が広範囲の流れ率において作動する熱処理工程
中で使用するに特に適する非断熱的大量伝熱交換装置を
開示することも、この発明の主要な目的の１つである。

構成簡潔であるとともに製造コスト低廉な非断熱的大量
熱伝熱交換器を開示することも、この発明の他の目的で
ある。この発明の有する上述の、及び他の目的は、添附
図面に関連した以下の説明により明らかとなるつ。

第１乃至６図を参照するに、熱交換器１０には、一般的
に同様の矩形形状で、対面しつつ離隔する平行な板であ
る上下方向に伸びる薄板状金属板１２の複数個が設けら
れる。

この板１２は、その有する高熱伝導性の故に、アルミニ
ュームによって製作することが望ましい。所望ならば、
熱交換器外側の板１２は、実質的に厚手の寸法とし、熱
交換器コァの内部圧力に耐えるに適するものとする。金
属製の密閉部材１４が、上記板１２の相隣接するものど
うしの端緑を密閉状に結合し、各１対の隣接する板１２
の間に上下方向の流路１８，２４を画成する。

この金属製密閉部材１４には、板１２の端縁に沿って、
その縁どうしが相接する状態の複数の延長する金属綾材
を設けるのが望ましい。この綾材の長手方向の端は「板
１２にろう付けする。熱交換流体が熱交換器流路に流入
する、またはここから流出するへッダ−（ｈｅａｄ８）
部分では、各上記捧材間に適当な間隙を設けておく。導
入へッダー部分１６は、第１の熱交換流体を流路１８へ
と案内配流するために設けられ、この第１の熱交≠奥流
体は導出へッダ一部分２０を介することにより流路１８
より排出される。

第２の導入へッダ一部分２２は、第２の気体状熱交換流
体を流路２４へ案内するために設けられており、導出へ
ッダー部分２６は、この熱交換流体を流路２４より排出
せしめるように構成されている。

各流路１８，２４中には、金属薄板を曲折し波形を成形
してなる波形フィン充装材を内隊固着しておく。

この波形フィン充装村として、第４乃至６図において、
３種類のものを示す。

上記各図中、フィン充袋材は、熱交換器の板１２に符合
する一対の金属板間に挟み込んだ厚板の態様として示す
。第４図の波形フィン充装材は単純に波形成形された金
属薄板２８である。第５図のフィン充装材は、穿孔した
後に波形成形した多孔性フィン充装材３０である。第６
図には、不透過性の金属薄板に波形成形を施すとともに
、上記各波形を、均一な間隔ごとに反対方向に突出せし
めて鋸歯状とした鋸歯状フィン充装材３２を示す。この
ような構成であることにより、該充装材の一端から他端
に至る溝ないし通路が設けられる。第４，５，６図に示
すような各種フィン充装材は業界周知の技術事項であり
、これを加工処理して、三角形状、矩形形状等の各種態
様厚板として実施することは容易である。第２，３及び
７図中、フィン充装材厚板は詳細に示さないが、各平行
線は、該フィン充装材の山と谷の方向を示すものである
。

符号２８にて示されるフィン充装材の区画は、第４図に
示すと同機の無孔フィン充装材によって構成される。符
号３川こよって示されるフィン充装材区画は、第５図に
示すと同様の多孔フィン充装材によって構成される。符
号３２によって示されるフィン充装材区画は、第６図に
示すと同様の鋸歯状で多孔のフィン板材により構成する
。充装材上の穿設孔数も、各厚板の厚さも、フィン充装
材の長さも、また、フィン充装材自身の厚さ等も、１つ
の応用から他の応用へと変更して用いることは容易であ
り、このことは当業者には明白であろう。後述する流下
区画（流下手段）４２と４２ａの側壁は無孔の薄板材な
いし、相隣接するフィン充袋材区画間の水平方向の流体
流れを防止する障壁材とする。各実施例において、厚板
ないし波形フィン材の対向面は、仕切り板１２にろう付
けされる。第２図を特に参照するに、液体導入へッダー
部分３６からの液体を案内する液体流案内手段３４が見
られるが、該流体流は、矢印３７にて示す如く屈折蛇行
形に曲りくねった通路を通って流路部２４を通過し導出
へッダー部分３８へと到達する。

液体流の通過経路３７にはいくつかの水平方向の案内底
区画（案内底手段）４０が設けられるが、この案内底区
画４０は、導入へッダー部分２２から導出へッダ一部分
２６に至る「流路部２４中の気体流体通過経路と交差し
ている。水平方向の案内底区画４川ま、流下区画４２に
よって結合されている。流下区画４２は、第４図の符号
２８で示す型の無孔波形フィン材よりなる薄手の厚板と
することが好ましい。必要に要じて、上端及び下端を図
示の如くに傾斜状とする。該流下区画４２は、上端及び
下端の区画を除いて、流路２４の残りの部分と仕切られ
ている。水平方向案内底区画４川ま、第５図の符号３０
に示す多孔の波形フィンよりなる厚板で、水平方向に伸
びるものによって構成する。

このフィン材よりなる箇所の上方に、液体が流路２４と
交差して水平方向に流れるための空間４４を設ける。こ
のフィン材３０上の孔は気体流体が流路２４中を通過す
るのを許容し、該気体流体は、空間４４内で液体中を通
過するとともに上昇し、従って、経路３７に沿って通過
する液体は付勢されて、通路２４中で上昇する気体流体
と接触せしめられる。水平方向案内底区画４０及び流下
区画４２での液頭（ｌｉｑｕｉｄｈｅａｄｓ）の相対的
高さの違いの故に、上記ガス流体は、流下区画４２の液
体中を通過するよりも、むしろ、水平方向案内底区画４
０を通って上昇する。第７乃至９図に示す実施例におい
ては、液体流経路たる水平案内底部分には、流路２４の
各側の密封部材１４より伸びる榛体（案内底手段）４６
が設けられる。

榛体４６は、流路２４の対向する側において、１つの板
１２から他の板１２へと伸びる下方の水平縁部４８を有
する。榛体４６は、また、流路２４の１つの板１２より
伸び、他の板１２に至るとともに、これより離隔する、
第２の上方の水平綾部５０を有する。縁部５０の末端に
は垂下唇部５２を設ける。榛体４６裏面には、その水平
方向に適当な間隔をおいて溝５４を複数個成形し、第８
図に見られるように、該部分を介する気体流体の流路と
して矢印５６の如き曲りくねった流路を画成する。この
構成は液体流下防止装置（ｌｉｑｕｉｄｔｒａｐ）とし
ての機能を有する。綾部４８は導溝を形づくり、榛体４
６上の液体を、熱交換器流路２４と交差して水平方向に
流し、導入へッダ一部分３６または流下区画４２ａから
流路２４の反対側及び流下区画４２ａまたは導出へッダ
ー部分３８へと言う流体流の流れを案内する。流れを下
流させるためには、下方緑部４８に符号５８に示す凹部
を成形し、これにより流下区画４２ａと適当な態様で連
結する。上記榛体４８は流路の性質上、一体的に押出成
形することにより一層効果的に作用する。上記実施例に
おいて複数個の榛体を有する液体配流手段の作用により
、導入へッダー３６から流路２４へ導入される液体と、
入口２２から流路２４へ導入される気体は流路２４内で
蒸発、凝縮、再蒸発、再凝縮をくり返し、その結果揮発
性の高い成分は導出へッダー２６で揮発性の低い成分は
導出へッダー３８で流路２４からの排出が行なわれ、流
体を上記両成分に分離できる。

説明した各実施例において、各種構成部分を適当な治具
中に組込んでも良い。

さらに、構成部分を適当なろう付で被覆し、高温度俗な
いし炉中で組立体全体を加熱し、各部分を単一な一体的
な構造にろう付け加工しても良い。図示するへッダー部
分との適当な連結により、該熱交換器を一定の熱処理装
置中に組み入れることは容易である。該熱交換器が一定
の熱処理装置中に組み入れられた場合、熱は流路１８と
２４との間に配置された板１２を介して伝達される。こ
れらの流路中の波形フィン充装材は、拡大された熱交換
面としての働きを有し、流路中を通過する流体と隣接す
る板Ｉ２の間の熱伝達を行う。さらに、板１２にろう付
けされたフィン充装材は、内部での高圧にも耐えられる
熱交換器コアを形造る。この熱交換器コア内には、紐に
なっている流路中の１つに液体を、繰り返し流し、譲髪
熱交換器中を流れる気体状熱交換流体と密接せしめ、順
次的に異なった段階の液相の配分及び再配分を改良する
ための手段を設ける。液体を上下方向に適当に再配分す
るための手段として、波形フィン構造だけでは、ある種
の限界があることが分かる。

この発明は、波形フィン材のデミスター（ｄｅｍｉｓｔ
ｅｒ）としての利点を利用し、かなり大形の波形よりな
る波形フィン構造においても高率の出力を保障し得るも
のである。大形の波形よりなる波形フィン構造の熱交換
器においては、既述した上下方向の再配分手段がなけれ
ば、大量の熱伝達効果を期待することはできない。本発
明の効果について総括すると、第１に液体配流手段によ
り、流体を揮発性の高い成分と低い成分に分離可能であ
り、液体と気体の水平方向の分配状態が適正及び均一と
なり、その上液体の上下方向での配分状態が適切となる
ことが挙げられる。

第２に挙げられる効果は上記液体配流手段の水平方向案
内底手段及び流下手段を波形フィン充装村の厚板によっ
て構成することで、液体の滞留時間の超過を防止できる
ことである。第３の点は流路中に波形フィンを内装する
ことで熱交換効率が改善され、大量規模の熱交換の際に
も気体と液体間の接触の制御が可能となることである。
以上、この発明のニ好実施例についての説明を行ったが
、この発明はその技術思想の範囲を逸脱することなく各
種の応用が可能であり、上記特許請求の範囲の記載のみ
によって限定される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の思想によるプレィト型熱交換器の
斜視図、第２図は、大量熱伝達が行なわれる流路部の１
つの内部を示す、第１図２一２線断面図、第３図は、第
２図流路部と熱交換関係におかれる他の流路部を示す第
１図の３−３線断面図、第４，５，６図は、第１図熱交
換器の流勝部中に挿着される相異なる態様の波形フィン
充装村の部分斜視図、第７図は、液体配流手段を変更し
た実施例での第２図と同様の図、第８図は、変更した液
体配流手段の断面を示す、第７図の８一８線の拡大断面
図、第９図は、第７，８図中の液体配流手段の拡大斜視
図である。 〔符号の説明〕、１０・・・・・・熱交換器、１２・・
・・・・金属板、１４・・・・・・密閉部材、１６・・
…・導入へッダー、２０・・…・導出へッダー、２２・
・・・・・導入へッダ−、２４・・・・・・流路、２６
・・・・・・導出へッダー、２８・・・・・・フィン充
装材、３０・・・・・・多孔性充装材、３２・・・・・
・鋸歯状充菱材、３６・・・・・・導入へッダー、３８
・・・・・・導出へッダー、４０・・・・・・案内底区
画「 ４２・・・…流下区画、４６・・・・・・榛体。 ＦＩＧ．ｌＦＩＧ．２ ＦＩＧ３ ＦＩＧ．４ ＦＩＧ．５ ＦＩＧ．６ ＦＩＧ．７ ＦＩＧ．８ ＦＩＧ．９

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 離隔し、相対面しつつ平行である同様形状の複数個
   の上下方向に伸びる薄板状金属板と、該上下方向に伸び
   る薄板状金属板の隣接するものどうしをその縁において
   密閉状に連結し該薄板状金属板の相隣接するものどうし
   の間に上下方向の流路を画成する金属製密閉部材とを設
   け、該上下方向の流路の１種類を液体である第１の熱交
   換流体用とし、他の種類のものを気体である第２の熱交
   換流体用とし、該各２種類の流路を順次相挾んで配置し
   、該第１及び第２の種類の流路中には、該流路を限定す
   る両側金属板間に伸び、その各相対する面が該両側金属
   板上にろう付けされた金属製の波形フイン充装材を装嵌
   してなり、上記第２の種類の流路中には、該流路と交差
   しつつ曲りくねつて降下する通路である液体配流手段を
   設け、該液体配流手段は、相異なる上下位置において該
   第２の種類の流路に対して水平に交差し該流路横巾全長
   に伸びる複数個の案内底手段と、該複数個の案内底手段
   を上方のものから下方のものへと順次相異なる端部にお
   いて流体連絡する流下手段とよりなり、該案内底手段は
   、上下方向である第２の種類の流路とも流体連絡してい
   る事を特徴とする非断熱的精溜用プレイト型熱交換器。 ２ 上記液体配流手段の水平方向案内底手段を、水平方
   向に伸びる山と谷とを有する波形フイン充装材の厚板に
   よつて構成した上記第１項記載の非断熱的精溜用プレイ
   ト型熱交換器。３ 上記波形フイン充装材を多孔薄板材
   より成形してなる上記第２項記載の非断熱的精溜用プレ
   イト型熱交換器。 ４ 上記液体配流手段の水平方向案内底手段を、上記第
   ２の種類の流路に交差し、液体流下防止構造を有する棒
   材によつて構成した上記第１項記載の非断熱的精溜用プ
   レイト型熱交換器。 ５ 上記棒材には、表側において上方より下方に伸びる
   垂下唇部及び裏面において水平方向にて離隔する複数個
   の溝を設け、該溝は棒材底面より一定の高さのところま
   で達し上記垂下唇部の下側に連通し液体流下防止構造を
   形成している上記第４項記載の非断熱的精溜用プレイト
   型熱交換器。 ６ 上記棒材は、押出成型した部材である上記第５項記
   載の非断熱的精溜用プレイト型熱交換器。 ７ 上記流下手段を、上下方向に伸びる山と谷とよりな
   る波形フイン充装材の厚板によつて構成した上記第１項
   記載の非断熱的精溜用プレイト型熱交換器。 ８ 上記波形フイン充装材を無孔薄板より成形してなる
   上記第７項記載の非断熱的精溜用プレイト型熱交換器。 ９ 上記液体流下手段を上記金属製密閉部材内側に配置
   してなる上記第１項記載の非断熱的精溜用プレイト型熱
   交換器。