JP2018189352A - Heat exchanger - Google Patents
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Abstract
【課題】気液二相の流体を熱交換する熱交換器において、複数の熱交換流路に流入する気液二相の流体の偏流を抑制して冷媒流路全体として熱交換効率を高く維持する。【解決手段】一実施形態に係る熱交換器は、第1流体が流れる複数の第1流路を形成する複数の第1プレートと、第2流体が流れる複数の第2流路を形成する複数の第2プレートと、を含む積層された複数のプレートで構成されるプレート構成体を備え、前記第1流路の少なくとも一部で前記第1流体は気液二相状態にあり、前記第1流体の供給部と前記複数の第1プレートの各々に形成された前記複数の第1流路とに連通する第1入口ヘッダ空間と、前記第1流体の排出部と前記複数の第1プレートの各々に形成された前記複数の第1流路とに連通する第1出口ヘッダ空間と、が前記複数の第1プレートに形成され、前記第1出口ヘッダ空間は、前記複数の第2プレートを含む前記複数のプレートの積層方向に沿って貫通した空間を形成している。【選択図】図2PROBLEM TO BE SOLVED: To maintain high heat exchange efficiency in the entire refrigerant flow path by suppressing the drift of the gas-liquid two-phase fluid flowing into a plurality of heat exchange channels in a heat exchanger for heat exchange of the gas-liquid two-phase fluid. do. A heat exchanger according to an embodiment has a plurality of first plates forming a plurality of first flow paths through which a first fluid flows, and a plurality of first plates forming a plurality of second flow paths through which a second fluid flows. The first fluid is in a gas-liquid two-phase state in at least a part of the first flow path and comprises a plate structure composed of a second plate of the above and a plurality of laminated plates including the first. A first inlet header space communicating with a fluid supply portion and the plurality of first flow paths formed in each of the plurality of first plates, a first fluid discharge portion, and the plurality of first plates. A first outlet header space communicating with the plurality of first flow paths formed in each is formed in the plurality of first plates, and the first outlet header space includes the plurality of second plates. A space penetrating along the stacking direction of the plurality of plates is formed. [Selection diagram] Fig. 2
Description
本開示は、気液二相の流体を熱交換する熱交換器に関する。 The present disclosure relates to a heat exchanger that exchanges heat between a gas-liquid two-phase fluid.
一次冷媒としてNH3を用い、二次冷媒としてCO2を用いるNH3/CO2冷凍機は、気液二相のNH3を気化させ、これによりCO2蒸気を液化させる熱交換器(CO2液化器)を備える。従来、この種の液化器には、シェルアンドプレート式熱交換器、プレート式熱交換器やシェルアンドチューブ式熱交換器等が使用されている。
特許文献1には、一次冷媒としてNH3を用い、二次冷媒としてCO2を用い、これらの流路をいわゆるマイクロチャンネルと称する多数の微細流路で構成することで、両媒体間の熱交換性能を向上させた熱交換器が開示されている。
The NH 3 is used as the primary refrigerant, NH 3 / CO 2 refrigeration using CO 2 as a secondary refrigerant is vaporized and NH 3 in the gas-liquid two-phase, thereby the heat exchanger for liquefying the CO 2 vapor (CO 2 A liquefier). Conventionally, shell-and-plate heat exchangers, plate-type heat exchangers, shell-and-tube heat exchangers, and the like are used for this type of liquefier.
In Patent Document 1, NH 3 is used as a primary refrigerant, CO 2 is used as a secondary refrigerant, and these flow paths are constituted by a large number of fine flow paths called so-called microchannels, thereby exchanging heat between the two media. A heat exchanger with improved performance is disclosed.
マイクロチャンネル式熱交換器は、多数の微細流路を設けることで、伝熱面積を確保し熱交換性能を向上できると共に、高圧の流体に対応でき、装置のコンパクト化及び冷媒保有量の低減を可能とする。
しかし、気液二相の流体が複数の流路に分流される熱交換器においては、液相の比率が小さい流路は吸熱性能が低下する。そこで、複数の流路間で気液二相流の流量及び気液比を均等に分配する偏流抑制対策が重要になる。
なお、気液密度比が大きいNH3が気液二相流となる場合は特に偏流が起きやすい。
The micro-channel heat exchanger has a large number of fine flow paths to secure a heat transfer area and improve heat exchange performance.It can also handle high-pressure fluids, reducing the equipment size and reducing the amount of refrigerant. Make it possible.
However, in a heat exchanger in which a gas-liquid two-phase fluid is divided into a plurality of flow paths, the heat absorption performance is reduced in a flow path with a small liquid phase ratio. Therefore, it is important to take measures to suppress the uneven flow in which the flow rate and the gas-liquid ratio of the gas-liquid two-phase flow are evenly distributed among the plurality of channels.
Incidentally, in particular drift tends to occur when the gas-liquid density ratio is high NH 3 is a gas-liquid two-phase flow.
一実施形態は、上記課題に鑑み、熱交換流体として気液二相の流体を含む熱交換器において、複数の熱交換流路に流入する気液二相の流体の偏流を抑制して流路全体として熱交換効率を高く維持することを目的とする。 In one embodiment, in view of the above problems, in a heat exchanger including a gas-liquid two-phase fluid as a heat exchange fluid, the flow of the gas-liquid two-phase fluid flowing into the plurality of heat exchange channels is suppressed. The object is to maintain high heat exchange efficiency as a whole.
(1)一実施形態に係る熱交換器は、
第1流体と第2流体とを熱交換させて該第1流体を気化させる熱交換器であって、
前記第1流体が流れる複数の第1流路を形成する複数の第1プレートと、前記第2流体が流れる複数の第2流路を形成する複数の第2プレートと、を含む積層された複数のプレートで構成されるプレート構成体を備え、
前記第1流路の少なくとも一部で前記第1流体は気液二相状態にあり、
前記第1流体の供給部と前記複数の第1プレートの各々に形成された前記複数の第1流路とに連通する第1入口ヘッダ空間と、前記第1流体の排出部と前記複数の第1プレートの各々に形成された前記複数の第1流路とに連通する第1出口ヘッダ空間と、が前記複数の第1プレートに形成され、
前記第1出口ヘッダ空間は、前記複数の第2プレートを含む前記複数のプレートの積層方向に沿って貫通した空間を形成している。
(1) A heat exchanger according to an embodiment
A heat exchanger for exchanging heat between the first fluid and the second fluid to vaporize the first fluid,
A plurality of stacked layers including a plurality of first plates forming a plurality of first flow paths through which the first fluid flows, and a plurality of second plates forming a plurality of second flow paths through which the second fluid flows. Comprising a plate structure composed of
The first fluid is in a gas-liquid two-phase state in at least a part of the first flow path;
A first inlet header space communicating with the first fluid supply section and the plurality of first flow paths formed in each of the plurality of first plates; the first fluid discharge section; A first outlet header space communicating with the plurality of first flow paths formed in each of the one plate is formed in the plurality of first plates;
The first outlet header space forms a space penetrating along the stacking direction of the plurality of plates including the plurality of second plates.
第1入口ヘッダ空間と第1出口ヘッダ空間との間の第1流体の圧力損失は、第1入口ヘッダ空間、第1流路及び第1出口ヘッダ空間における夫々の第1流体の圧力損失の合計である。
上記(1)の構成によれば、第1出口ヘッダ空間が、複数のプレートの積層方向に沿って貫通した空間を形成しているため、蒸気が流れる第1出口ヘッダ空間の流速を小さくして圧力損失を低減できる。これによって、第1流路における第1流体の圧力損失の占める割合が相対的に増加する。
また、第1出口ヘッダ空間の圧力損失が低減することで、複数の第1流路の出口部における圧力損失の差も低減する。
こうして、複数の第1流路間における圧力損失の差を低減できるため、第1流路間の第1流体の偏流によって生じる一部の第1流路における第1流体と第2流体との熱交換性能の低下を抑制できる。これによって、第1流路全体として熱交換効率を高く維持できる。
The pressure loss of the first fluid between the first inlet header space and the first outlet header space is the sum of the pressure losses of the respective first fluids in the first inlet header space, the first flow path, and the first outlet header space. It is.
According to the configuration of (1) above, since the first outlet header space forms a space penetrating along the stacking direction of the plurality of plates, the flow rate of the first outlet header space through which steam flows is reduced. Pressure loss can be reduced. As a result, the ratio of the pressure loss of the first fluid in the first flow path relatively increases.
Moreover, since the pressure loss in the first outlet header space is reduced, the difference in pressure loss at the outlet portions of the plurality of first flow paths is also reduced.
Thus, since the difference in pressure loss between the plurality of first flow paths can be reduced, the heat of the first fluid and the second fluid in some of the first flow paths caused by the drift of the first fluid between the first flow paths. A decrease in exchange performance can be suppressed. Thereby, the heat exchange efficiency can be maintained high as the entire first flow path.
(2)一実施形態では、前記(1)の構成において、
前記第1入口ヘッダ空間は前記複数の第2プレートによって前記複数のプレートの積層方向に沿って分割されている。
上記(2)の構成によれば、第1入口ヘッダ空間は複数の第2プレートによってプレート積層方向に沿って分割されることで、各第1プレートに連通する第1入口ヘッダ空間の容積を減少できる。これによって、各第1プレートに形成された第1流路に流入する第1流体の流量をバランスさせることができるので、偏流抑制効果を向上できる。
(2) In one embodiment, in the configuration of (1),
The first inlet header space is divided by the plurality of second plates along the stacking direction of the plurality of plates.
According to the configuration of (2) above, the first inlet header space is divided along the plate stacking direction by the plurality of second plates, thereby reducing the volume of the first inlet header space communicating with each first plate. it can. As a result, the flow rate of the first fluid flowing into the first flow path formed in each first plate can be balanced, so that the drift suppression effect can be improved.
(3)一実施形態では、前記(1)又は(2)の構成において、
前記複数の第1プレートと前記複数の第2プレートとは、前記複数のプレートの積層方向に沿って交互に配置される。
上記(3)の構成によれば、複数の第1プレートと複数の第2プレートとは、プレート積層方向に沿って交互に配置されることで、各第1プレートに形成された第1流路に連通する第1入口ヘッダ空間の容積を均等に分割できるため、各第1プレートに形成された第1流路に流入する第1流体の偏流抑制効果を向上できる。また、第1流体が流れる第1プレートと第2流体が流れる第2プレートとが積層構造で隣り合って交互に配置されるため、第1流体及び第2流体間で確実な熱交換を行うことができる。
(3) In one embodiment, in the configuration of (1) or (2),
The plurality of first plates and the plurality of second plates are alternately arranged along the stacking direction of the plurality of plates.
According to the configuration of (3) above, the plurality of first plates and the plurality of second plates are alternately arranged along the plate stacking direction, so that the first flow path formed in each first plate Since the volume of the first inlet header space that communicates with each other can be equally divided, the effect of suppressing the drift of the first fluid flowing into the first flow path formed in each first plate can be improved. In addition, since the first plate through which the first fluid flows and the second plate through which the second fluid flows are alternately arranged adjacent to each other in a laminated structure, reliable heat exchange is performed between the first fluid and the second fluid. Can do.
(4)一実施形態では、前記(1)〜(3)の何れかの構成において、
前記第1入口ヘッダ空間は、前記複数の第1プレートの各々において前記複数の第1流路と前記供給部との距離が離れるにつれて流路断面積が漸減するように構成される(以下この構成を「先細り構造」とも言う。)。
上記(4)の構成によれば、第1入口ヘッダ空間上記先細り構造を有するため、各第1プレートに形成された複数の第1流路に上記供給部に近い順から順々に第1流体が分流することで第1入口ヘッダ空間の流量が減少しても、入口ヘッダから各第1流路に流入する第1流体の流速を同等にすることができる。
(4) In one embodiment, in any one of the configurations (1) to (3),
The first inlet header space is configured such that the flow path cross-sectional area gradually decreases as the distance between the plurality of first flow paths and the supply unit increases in each of the plurality of first plates (hereinafter, this configuration). Is also called “tapered structure”.)
According to the configuration of (4), since the first inlet header space has the tapered structure, the plurality of first flow paths formed in the first plates have the first fluid in order from the closest to the supply unit. Even if the flow rate of the first inlet header space decreases due to the diversion, the flow velocity of the first fluid flowing from the inlet header into each first flow path can be made equal.
これによって、第1入口ヘッダ空間及び各第1流路で後述する環状流の形成が可能になり、第1入口ヘッダ空間で環状流を形成維持させることにより、第1流路間の偏流を抑制でき、従って、複数の第1流路において第1流体と第2流体との熱交換性能を向上できる。
また、複数のプレートが積層されて流路が形成される構造において、先細り構造を採用することで、プレート枚数が大きく増減しても容易に対応でき、かつ複雑なヘッダ構造とならない。また、第1流路間の偏流を抑制できる確実な第1流体の供給が行える。
As a result, it becomes possible to form an annular flow, which will be described later, in the first inlet header space and each of the first flow paths, and to suppress the uneven flow between the first flow paths by maintaining the annular flow in the first inlet header space. Therefore, the heat exchange performance between the first fluid and the second fluid can be improved in the plurality of first flow paths.
Further, in a structure in which a plurality of plates are stacked to form a flow path, by adopting a tapered structure, it is possible to easily cope with a large increase or decrease in the number of plates, and a complicated header structure is not obtained. In addition, it is possible to reliably supply the first fluid that can suppress the drift between the first flow paths.
(5)一実施形態では、前記(1)〜(4)の何れかの構成において、
前記第1流体の前記供給部及び前記第1流体の前記排出部が前記プレート構成体に前記積層方向に沿って形成される。
上記(5)の構成によれば、第1流体の供給部及び排出部をプレート構成体に形成することで、第1流体の供給部及び排出部を別な構成体としてプレート構成体の外側に設ける必要がなくなる。さらに、第1流体の供給部と第1入口ヘッダ空間とを接続する配管、及び第1流体の排出部と第2出口ヘッダ空間とを接続する配管が不要になるので、熱交換器をコンパクト化かつ低コスト化できる。
(5) In one embodiment, in any one of the configurations (1) to (4),
The supply portion of the first fluid and the discharge portion of the first fluid are formed in the plate structure along the stacking direction.
According to the configuration of (5) above, the first fluid supply section and the discharge section are formed in the plate structure, so that the first fluid supply section and the discharge section are provided as separate structures outside the plate structure. There is no need to provide it. Furthermore, the piping for connecting the first fluid supply section and the first inlet header space and the piping for connecting the first fluid discharge section and the second outlet header space are not required, so the heat exchanger is made compact. In addition, the cost can be reduced.
(6)一実施形態では、前記(1)〜(5)の何れかの構成において、
前記複数の第1プレートの各々において、前記複数の第1流路は並列に配置され、
前記複数の第2プレートの各々において、前記複数の第2流路は並列に配置されている。
上記(6)の構成によれば、複数の第1流路が並列に配置されているため、第1入口ヘッダ空間を上記(4)の先細り構造とすることで、第1流路間の偏流抑制効果を向上できる。
また、複数の第1流路及び複数の第2流路が共に並列に配置されることで、第1流路及び第2流路を流路全長に亘って近接配置できる。これによって、第1流体と第2流体との熱交換効率を向上できる。
(6) In one embodiment, in any one of the configurations (1) to (5),
In each of the plurality of first plates, the plurality of first flow paths are arranged in parallel,
In each of the plurality of second plates, the plurality of second flow paths are arranged in parallel.
According to the configuration of (6) above, since the plurality of first flow paths are arranged in parallel, the first inlet header space has the tapered structure of (4), so that the drift between the first flow paths is The suppression effect can be improved.
In addition, since the plurality of first flow paths and the plurality of second flow paths are both arranged in parallel, the first flow path and the second flow path can be disposed close to each other over the entire length of the flow path. Thereby, the heat exchange efficiency between the first fluid and the second fluid can be improved.
(7)一実施形態では、前記(1)〜(6)の何れかの構成において、
前記複数の第1プレートの各々に形成された前記複数の第1流路の出口部に設けられた絞りを備える。
上記(7)の構成によれば、複数の第1流路の出口部に絞りを設けることで、各第1流路の圧力損失を増大でき、これによって、各第1流路の圧力損失の絶対値に対する各第1流路間の圧力損失差を相対的に減少でき、これによって、複数の第1流路間の偏流抑制効果を向上できる。
(7) In one embodiment, in any one of the configurations (1) to (6),
A diaphragm is provided at an outlet of the plurality of first flow paths formed in each of the plurality of first plates.
According to the configuration of the above (7), the pressure loss of each first flow path can be increased by providing the throttles at the outlets of the plurality of first flow paths, thereby reducing the pressure loss of each first flow path. The pressure loss difference between the first flow paths with respect to the absolute value can be relatively reduced, thereby improving the drift suppression effect between the plurality of first flow paths.
(8)一実施形態では、前記(1)〜(7)の何れかの構成において、
前記複数の第1プレートの各々に形成された前記複数の第1流路の入口部に設けられた絞りを備える。
上記(8)の構成によれば、複数の第1流路の入口部に絞りを設けることで、第1流体が第1流路内で気化して急激に膨張することによって生じる逆流を防止できる。
(8) In one embodiment, in any one of the configurations (1) to (7),
There is provided a restriction provided at an inlet portion of the plurality of first flow paths formed in each of the plurality of first plates.
According to the configuration of (8) above, by providing the throttles at the inlets of the plurality of first flow paths, it is possible to prevent the backflow that occurs when the first fluid vaporizes and rapidly expands in the first flow path. .
(9)一実施形態では、前記(1)〜(8)の何れかの構成において、
前記第1入口ヘッダ空間及び前記複数の第1プレートに形成された前記複数の第1流路は、前記第1入口ヘッダ空間及び前記複数の第1流路を流れる前記第1流体が環状流を形成するように構成されている。
「環状流」とは、流路の壁面に液相が環状に配置し、流路の中心側に気相が配置する流れを言い、気相と液相とが混じり合った状態を形成している。
上記(9)の構成によれば、第1入口ヘッダ空間及び各第1流路において第1流体が環状流を形成するように構成されているため、第1入口ヘッダ空間に接続された複数の第1流路には、気液が混合された状態で流れ、これによって、第1入口ヘッダ空間及び複数の第1流路で気液混合率を均等に保持できるため、全体として第1流体と第2流体との熱交換性能を向上できる。
(9) In one embodiment, in any one of the configurations (1) to (8),
The plurality of first flow paths formed in the first inlet header space and the plurality of first plates have an annular flow of the first fluid flowing through the first inlet header space and the plurality of first flow paths. It is configured to form.
“Annular flow” refers to a flow in which the liquid phase is arranged in an annular shape on the wall surface of the flow path, and the gas phase is arranged on the center side of the flow path, forming a state in which the gas phase and the liquid phase are mixed. Yes.
According to the configuration of (9) above, since the first fluid is configured to form an annular flow in the first inlet header space and each first flow path, a plurality of pieces connected to the first inlet header space are provided. Since the gas and liquid flow in the first flow path in a mixed state, thereby the gas-liquid mixing ratio can be uniformly maintained in the first inlet header space and the plurality of first flow paths, The heat exchange performance with the second fluid can be improved.
(10)一実施形態では、前記(1)〜(9)の何れかの構成において、
前記複数の第1プレートに形成された前記複数の第1流路及び前記複数の第2プレートに形成された前記複数の第2流路の最大幅が2mm以下である。
上記(10)の構成によれば、複数の第1流路及び第2流路を直径が2mm以下の微細流路とすることで、第1プレートに多数の第1流路を形成できると共に、第2プレートに多数の第2流路を形成できる。これによって、これら流路の伝熱面積を飛躍的に増加できるため、第1流体と第2流体との熱交換量を飛躍的に増加できる。
(10) In one embodiment, in any one of the configurations (1) to (9),
The maximum width of the plurality of first channels formed in the plurality of first plates and the plurality of second channels formed in the plurality of second plates is 2 mm or less.
According to the configuration of (10) above, a plurality of first flow paths and second flow paths can be formed as fine flow paths having a diameter of 2 mm or less, so that a large number of first flow paths can be formed in the first plate. Many second flow paths can be formed in the second plate. Thereby, since the heat transfer area of these flow paths can be dramatically increased, the amount of heat exchange between the first fluid and the second fluid can be dramatically increased.
(11)一実施形態では、前記(1)〜(10)の何れかの構成において、
前記第2流体の供給部と、該供給部及び前記複数の第2流路に連通する第2入口ヘッダ空間と、前記第2流体の排出部と、該排出部及び前記複数の第2流路に連通する第2出口ヘッダ空間と、が前記プレート構成体に形成され、
前記第2入口ヘッダ空間及び前記第2出口ヘッダ空間は、前記複数の第1流路と交差する方向に沿って前記複数の第1流路の両側に配置され、
前記複数の第2流路は、
前記複数の第1流路と交差する方向に沿って配置される入口側領域及び出口側領域と、
前記複数の第1流路と同一方向に沿って配置される中間領域と、
を含む。
(11) In one embodiment, in any one of the configurations (1) to (10),
The second fluid supply section, the second inlet header space communicating with the supply section and the plurality of second flow paths, the second fluid discharge section, the discharge sections, and the plurality of second flow paths. A second outlet header space that communicates with the plate structure,
The second inlet header space and the second outlet header space are disposed on both sides of the plurality of first flow paths along a direction intersecting the plurality of first flow paths,
The plurality of second flow paths are:
An inlet side region and an outlet side region disposed along a direction intersecting the plurality of first flow paths;
An intermediate region disposed along the same direction as the plurality of first flow paths;
including.
上記(11)の構成によれば、第2流路の第2入口ヘッダ空間及び第2出口ヘッダ空間が第1流路と交差する方向に沿って配置されるため、第2入口ヘッダ空間及び第2出口ヘッダ空間を第1流路の第1入口ヘッダ空間及び第1出口ヘッダ空間と干渉させずに配置でき、これによって、第2入口ヘッダ空間及び第2出口ヘッダ空間の配置の自由度を広げることができる。
また、第2流路の中間領域が第1流路と同一方向に沿って配置されるため、中間領域における第1流体と第2流体との熱交換性能を向上できる。
According to the configuration of (11) above, since the second inlet header space and the second outlet header space of the second flow path are arranged along the direction intersecting the first flow path, the second inlet header space and the second The two outlet header spaces can be arranged without interfering with the first inlet header space and the first outlet header space of the first flow path, thereby increasing the degree of freedom of arrangement of the second inlet header space and the second outlet header space. be able to.
In addition, since the intermediate region of the second flow path is disposed along the same direction as the first flow path, the heat exchange performance between the first fluid and the second fluid in the intermediate region can be improved.
(12)一実施形態では、前記(1)〜(11)の何れかの構成において、
前記第1流体及び前記第2流体は冷凍サイクルを構成する冷凍機で用いられる冷媒であり、前記第1流体は一次冷媒であり、前記第2流体は前記一次冷媒と熱交換し前記一次冷媒を加熱する二次冷媒である。
上記(12)の構成によれば、一次冷媒が流れる複数の第1流路間で偏流を抑制でき、複数の第1流路の熱交換性能を均一化でき、これによって、第1流路全体として第1流体と第2流体との熱交換性能を高く維持できる。
(12) In one embodiment, in any one of the configurations (1) to (11),
The first fluid and the second fluid are refrigerants used in a refrigerator constituting a refrigeration cycle, the first fluid is a primary refrigerant, and the second fluid exchanges heat with the primary refrigerant to exchange the primary refrigerant. It is a secondary refrigerant to be heated.
According to the configuration of (12) above, uneven flow can be suppressed between the plurality of first flow paths through which the primary refrigerant flows, and the heat exchange performance of the plurality of first flow paths can be made uniform. As a result, the heat exchange performance between the first fluid and the second fluid can be maintained high.
一実施形態によれば、気液二相の第1流体を第2流体と熱交換する熱交換器において、複数の熱交換流路に流入する第1流体の偏流を抑制し、熱交換器全体として熱交換性能を高く維持できる。 According to one embodiment, in a heat exchanger that exchanges heat between a gas-liquid two-phase first fluid and a second fluid, the drift of the first fluid flowing into the plurality of heat exchange channels is suppressed, and the entire heat exchanger High heat exchange performance can be maintained.
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載され又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一つの構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the components described in the embodiments or shown in the drawings are not intended to limit the scope of the present invention, but are merely illustrative examples.
For example, expressions expressing relative or absolute arrangements such as “in a certain direction”, “along a certain direction”, “parallel”, “orthogonal”, “center”, “concentric” or “coaxial” are strictly In addition to such an arrangement, it is also possible to represent a state of relative displacement with an angle or a distance such that tolerance or the same function can be obtained.
For example, an expression indicating that things such as “identical”, “equal”, and “homogeneous” are in an equal state not only represents an exactly equal state, but also has a tolerance or a difference that can provide the same function. It also represents the existing state.
For example, expressions representing shapes such as quadrangular shapes and cylindrical shapes represent not only geometrically strict shapes such as quadrangular shapes and cylindrical shapes, but also irregularities and chamfers as long as the same effects can be obtained. A shape including a part or the like is also expressed.
On the other hand, the expressions “comprising”, “comprising”, “comprising”, “including”, or “having” one constituent element are not exclusive expressions for excluding the existence of other constituent elements.
図1〜図12は、一実施形態に係る熱交換器10を示す。図1〜図3は熱交換器10の全体図であり、図4は図2中のA―A線に沿う断面図であり、図5は図2中のB−B線に沿う断面図である。
熱交換器10は、図4及び図5に示すように、複数の第1プレート12と複数の第2プレート14とを含む積層された複数のプレートによってプレート構成体16を構成している。複数の第1プレート12には夫々複数の第1流路18が形成され、複数の第2プレート14には夫々複数の第2流路20が形成されている。
1 to 12 show a
As shown in FIGS. 4 and 5, the
図6〜図9は、第1プレート12を示す。図6及び図7は第1プレート12の表面及び裏面を示し、図8は図6中のC―C線に沿う断面図であり、図9は図6中のD―D線に沿う断面図である。図8及び図9は第1プレート12に形成された第1流路18を示す。
図10〜図12は第2プレート14を示す。図10及び図11は第2プレート14の表面及び裏面を示し、図12は図10中のE―E線に沿う断面図であり、第2プレート14に形成された第2流路20を示す。
6 to 9 show the
10 to 12 show the
第1入口ヘッダ空間22及び第1出口ヘッダ空間24がプレート構成体16に形成されている。第1入口ヘッダ空間22は、第1流体供給部26と各第1プレート12に形成された複数の第1流路18とに連通する。第1出口ヘッダ空間24は、第1流体排出部28と各第1プレート12に形成された複数の第1流路18に連通する。
第1出口ヘッダ空間24は、プレート積層方向に沿って貫通した空間を形成している。
A first
The first
上記構成において、第1流体f1(図1参照)は第1流路18の少なくとも一部で気液二相状態にある。第1流体は第1流体供給部26から第1入口ヘッダ空間22を介して複数の第1流路18に流入する。複数の第1流路18を流れる第1流体は複数の第2流路20を流れる第2流体f2(図1参照)と熱交換し、第2流体によって加熱されて蒸発し、第1出口ヘッダ空間24を介して第1流体排出部28に流出する。
In the above configuration, the first fluid f 1 (see FIG. 1) is in a gas-liquid two-phase state in at least a part of the
図6において、第1流体供給部26における第1流体の圧力をPinとし、第1入口ヘッダ空間22における第1流体の圧力をP1とし、任意の第1流路18における第1流体の圧力をP2とし、第1出口ヘッダ空間24における第1流体の圧力をP3とし、第1出口ヘッダ空間24における第1流体の圧力をPoutとする。すべての第1流路18において第1流体供給部26と第1流体排出部28との間の第1流体の圧力損失ΔPは、第1入口ヘッダ空間22の圧力損失ΔP1と、第1流路18の圧力損失ΔP2と、第1出口ヘッダ空間24の圧力損失ΔP3との合計であるから、次の式(1)及び(2)が成り立つ。
ΔP=Pin−Pout
=ΔP1+ΔP2+ΔP3
=(Pin−P1)+(P1−P3)+(P3−Pout) (1)
P1>P2>P3 (2)
In FIG. 6, the pressure of the first fluid in the first
ΔP = P in −P out
= ΔP 1 + ΔP 2 + ΔP 3
= (P in −P 1 ) + (P 1 −P 3 ) + (P 3 −P out ) (1)
P 1 > P 2 > P 3 (2)
気液二相の第1流体が流れる第1流路18の出口部は、第1流路18で第1流体が蒸気となることで第1流体の圧力損失が増大しやすい。従って、第1出口ヘッダ空間24における第1流体の圧力損失ΔP3が大きいと、複数の第1流路18間の圧力損失差も増大する。
上記構成によれば、第1出口ヘッダ空間24が、プレート積層方向に沿って貫通した空間を形成しているため、第1出口ヘッダ空間24の圧力損失ΔP3を低減できる。これによって、第1流路18における第1流体の圧力損失ΔP2の占める割合が相対的に増加する。
また、第1出口ヘッダ空間24の圧力損失ΔP3が低減することで、複数の第1流路18の出口部における圧力損失の差も低減する。
At the outlet of the
According to the above configuration, the first
In addition, the pressure loss [Delta] P 3 of the first
こうして、複数の第1流路18の出口部における圧力損失の差を低減できるため、第1流路間の第1流体の偏流によって生じる一部の第1流路における第1流体と第2流体との熱交換性能の低下を抑制できる。従って、複数の第1流路間の熱交換性能を均一化できるため、第1流路全体として熱交換性能を高く維持できる。
Thus, since the difference in pressure loss at the outlets of the plurality of
一実施形態では、図6と図10に示すように、第1入口ヘッダ空間22は複数の第2プレート14によってプレート積層方向に沿って分割されている。
上記構成によれば、第1入口ヘッダ空間22は複数の第2プレート14によってプレート積層方向に沿って分割されることで、各第1プレート12に連通する第1入口ヘッダ空間22の容積を減少できる。流量及び流速が低下すると、気相と液相とが分離する傾向にあるが、上記構成によれば、第1入口ヘッダ空間22を複数の第2プレート14で分割することで、各第1流路18に流入する第1流体の流量をバランスできると共に、第1入口ヘッダ空間22の容積の減少により流量及び流速の低下を抑制できるため、偏流抑制効果を向上できる。
In one embodiment, as shown in FIGS. 6 and 10, the first
According to the above configuration, the first
一実施形態では、図4及び図5に示すように、複数の第1プレート12と複数の第2プレート14とは、プレート積層方向に沿って交互に配置される。
上記構成によれば、複数の第1プレート12と複数の第2プレート14とがプレート積層方向に沿って交互に配置されることで、各第1プレート12に形成された第1流路18に連通する第1入口ヘッダ空間22の容積を均等に分割できるため、各第1プレート12に形成された第1流路18に流入する第1流体の偏流抑制効果を向上できる。また、第1流体が流れる第1プレート12と第2流体が流れる第2プレート14とが積層構造で隣り合って交互に配置されるため、第1流体及び第2流体間で確実な熱交換を行うことができる。
In one embodiment, as shown in FIGS. 4 and 5, the plurality of
According to the above configuration, the plurality of
一実施形態では、図6及び図7に示すように、第1入口ヘッダ空間22は、各第1プレート12において複数の第1流路18と第1流体供給部26との距離が離れるにつれて流路断面積が漸減する先細り構造を有する。
上記構成によれば、気液二相の第1流体が流れる第1入口ヘッダ空間22が先細り構造を有するため、第1流体供給部26の付近において環状流を形成できる。また、先細り構造を有するために、各第1プレート12に形成された複数の第1流路18に第1流体供給部26に近い順から順々に第1流体が分流して第1入口ヘッダ空間22の流量が減少しても、第1入口ヘッダ空間22から各第1流路18流入する第1流体の流速を同等にすることができる。
In one embodiment, as shown in FIGS. 6 and 7, the first
According to the above configuration, since the first
これにより、第1入口ヘッダ空間22で環状流を維持させて第1流路間の偏流を抑制できるため、複数の第1流路18において第1流体f1と第2流体f2との熱交換効率を向上できる。
また、複数のプレートが積層されて流路が形成される構造において、先細り構造を採用することで、プレート枚数が大きく増減しても容易に対応できかつ複雑なヘッダ構造とならない。また、第1流路18間の偏流を抑制できる確実な第1流体の供給が行える。
Thereby, since the annular flow can be maintained in the first
Further, in a structure in which a plurality of plates are stacked to form a flow path, by adopting a tapered structure, even if the number of plates is greatly increased or decreased, it can be easily handled and a complicated header structure is not obtained. In addition, it is possible to reliably supply the first fluid that can suppress the drift between the
一実施形態では、図6及び図7に示すように、第1流体供給部26及び第1流体排出部28がプレート構成体16にプレート積層方向に沿って形成される。
上記構成によれば、第1流体供給部26及び第1流体排出部28をプレート構成体16に形成することで、第1流体供給部26及び第1流体排出部28をプレート構成体16の外側に夫々別の構成体として設置する必要がなくなる。さらに、第1流体供給部26と第1入口ヘッダ空間22とを接続する配管、及び第1流体排出部28と第1出口ヘッダ空間24とを接続する配管が不要になる。これによって、熱交換器10をコンパクト化かつ低コスト化できる。
In one embodiment, as shown in FIGS. 6 and 7, the first
According to the above configuration, the first
一実施形態では、図6及び図10に示すように、各第1プレート12において、複数の第1流路18は互いに並列に配置される。また、各第2プレート14において、複数の第2流路20は並列に配置される。
上記構成によれば、複数の第1流路18が並列に配置されているため、第1入口ヘッダ空間22を先細り構造とすることで、第1流路間の偏流抑制効果を向上できる。
また、複数の第1流路18及び複数の第2流路20が共に並列に配置されることで、第1流路18及び第2流路20を流路全長に亘って近接配置できる。これによって、第1流体と第2流体との熱交換効率を向上できる。
In one embodiment, as shown in FIGS. 6 and 10, the plurality of
According to the above configuration, since the plurality of
Further, since the plurality of
一実施形態では、複数の第1流路18及び複数の第2流路20は、夫々同一間隔で平行に配置される。
一実施形態では、第1流路18と第2流路20とはプレート積層方向で重なる位置に配置される。これによって、第1流路18と第2流路20とを最も接近位置に配置できるので、第1流体と第2流体との熱交換性能を最大に向上できる。
In one embodiment, the plurality of
In one embodiment, the
一実施形態では、図6に示すように、各第1プレート12に形成された複数の第1流路18の出口部に絞り30が設けられる。
上記構成によれば、絞り30を設けることで、各第1流路の圧力損失を適度に増大できる。これによって、各第1流路の圧力損失の絶対値に対する各第1流路間の圧力損失差を相対的に減少でき、従って、複数の第1流路間の偏流抑制効果を向上できる。
In one embodiment, as shown in FIG. 6, throttles 30 are provided at the outlets of the plurality of
According to the said structure, the pressure loss of each 1st flow path can be increased moderately by providing the aperture_diaphragm |
一実施形態では、図6に示すように、複数の第1プレート12の夫々に形成された複数の第1流路18の入口部に絞り32が設けられる。
上記構成によれば、複数の第1流路の入口部に絞り32を設けることで、第1流体が第1流路内で気化して急激に膨張することによって生じる逆流を防止できる。特に、第1流路18の出口部に絞り30を設けると第1流路18の圧力が増加するので、逆流が生じやすいが、入口部に絞り32を設けることでこの逆流を防止できる。
In one embodiment, as shown in FIG. 6, throttles 32 are provided at the inlet portions of the plurality of
According to the above configuration, by providing the
一実施形態では、第1入口ヘッダ空間22及び複数の第1プレート12に形成された複数の第1流路18は、これらの流れの場で第1流体が環状流を形成するように構成されている。第1入口ヘッダ空間22及び第1流路18の構成、これらを流れる第1流体の性質(例えば、密度、粘性係数等)及び運転条件(例えば、流量、流速等)は、例えば、気液二相流の流動様式を表したベーカ(Baker)線図などによって決められる。
上記構成によれば、第1入口ヘッダ空間22及び第1流路18において第1流体が環状流を形成するため、これらの流場で気液が混じり合った状態となり、気液の分離が起こらない。従って、第1入口ヘッダ空間22及び第1流路18で気液混合率を均等に保持できるため、全体として第1流体と第2流体との熱交換性能を向上できる。
In one embodiment, the plurality of
According to the above configuration, since the first fluid forms an annular flow in the first
一実施形態では、図5、6、図8、9及び図12に示すように、複数の第1プレート12に夫々形成された複数の第1流路18、及び複数の第2プレート14に夫々形成された複数の第2流路20の直径が2mm以下(好ましくは、0.1〜1.0mm)である。
上記構成によれば、第1流路18及び第2流路20を直径が2mm以下の微細流路とすることで、第1プレート12に多数の第1流路18を形成できると共に、第2プレート14に多数の第2流路20を形成できる。これによって、これら流路の伝熱面積を飛躍的に増加できるため、第1流体と第2流体との熱交換効率を飛躍的に増加できる。
In one embodiment, as shown in FIGS. 5, 6, 8, 9, and 12, the plurality of
According to the above configuration, the
なお、好ましくは、熱交換性能を増加させるために、第1流路18及び第2流路20の直径を1mm以下とする。また、好ましくは、第1流路18及び第2流路20の加工の容易さの観点から、第1流路18及び第2流路20の直径を0.1mm以上とする。
なお、図示した実施形態では、第1流路18及び第2流路20の横断面は半円形であるが、矩形、楕円形等他の形状にしてもよい。
Preferably, the diameter of the
In the illustrated embodiment, the cross sections of the
一実施形態では、図2及び図10、11に示すように、第2流体供給部34と、第2流体供給部34及び複数の第2流路20に連通する第2入口ヘッダ空間38と、第2流体排出部36と、第2流体排出部36及び複数の第2流路20に連通する第2出口ヘッダ空間40と、がプレート構成体16に形成される。
また、第2入口ヘッダ空間38及び第2出口ヘッダ空間40は、複数の第1流路18と交差する方向に沿って複数の第1流路18の両側に配置される。さらに、複数の第2流路20は、複数の第1流路18と交差する方向に沿って配置される入口側領域20a及び出口側領域20cと、複数の第1流路18と同一方向に沿って配置される中間領域20bと、を含む。
In one embodiment, as shown in FIGS. 2, 10, and 11, the second
Further, the second
上記構成によれば、第2流路20の第2入口ヘッダ空間38及び第2出口ヘッダ空間40が第1流路18と交差する方向に沿って配置されるため、第2入口ヘッダ空間38及び第2出口ヘッダ空間40を第1流路18の第1入口ヘッダ空間22及び第1出口ヘッダ空間24と干渉させずに配置できる。従って、第2入口ヘッダ空間38及び第2出口ヘッダ空間40の配置の自由度を広げることができる。
また、第2流路20の中間領域20bが第1流路18と同一方向に沿って配置されるため、中間領域20bにおける第1流体と第2流体との熱交換性能を向上できる。
According to the above configuration, since the second
Moreover, since the
一実施形態では、第1流体及び第2流体は冷凍サイクルを構成する冷凍機で用いられる冷媒である。例えば、第1流体は第2流体と熱交換して第2流体を冷却する一次冷媒であり、第2流体は第1流体と熱交換して第1流体を加熱する二次冷媒である。
これによって、一次冷媒が流れる複数の第1流路間で偏流を抑制でき、複数の第1流路の熱交換性能を均一化でき、第1流路全体として第1流体と第2流体との熱交換性能を高く維持できる。
In one embodiment, the first fluid and the second fluid are refrigerants used in a refrigerator constituting a refrigeration cycle. For example, the first fluid is a primary refrigerant that exchanges heat with the second fluid to cool the second fluid, and the second fluid is a secondary refrigerant that exchanges heat with the first fluid and heats the first fluid.
As a result, uneven flow can be suppressed between the plurality of first flow paths through which the primary refrigerant flows, the heat exchange performance of the plurality of first flow paths can be made uniform, and the first fluid and the second fluid can be made uniform as the entire first flow path. High heat exchange performance can be maintained.
一実施形態では、第1流体はNH3であり、第2流体はCO2であり、熱交換器10は、例えば一次冷媒をNH3とし、二次冷媒をCO2とするNH3/CO2冷凍機に設けられ、一次冷媒と二次冷媒とを熱交換させて一次冷媒を気化させるCO2液化器である。
このCO2液化器において、NH3が流れる複数の第1流路間で偏流を抑制でき、複数の第1流路18の熱交換性能を均一化できると共に、第1流路18の圧力損失を抑制できるため、一次冷媒と二次冷媒との熱交換性能を高く維持できる。
気液密度比が大きいNH3の気液二相流は特に偏流が起きやすいが、上記実施形態によれば、複数の第1流路における一次冷媒としてのNH3の偏流を効果的に抑制できる。
In one embodiment, the first fluid is NH 3 , the second fluid is CO 2 , and the
In this CO 2 liquefier, the uneven flow can be suppressed between the plurality of first flow paths through which NH 3 flows, the heat exchange performance of the plurality of
The gas-liquid two-phase flow of NH 3 having a large gas-liquid density ratio is particularly susceptible to drift, but according to the embodiment, it is possible to effectively suppress the drift of NH 3 as the primary refrigerant in the plurality of first flow paths. .
一実施形態では、図1に示すように、プレート構成体16の両側面には端板42及び44が設けられる。一方の端板42には、第1流体供給部26に連通する孔46、第1流体排出部28に連通する孔48、第2流体供給部34に連通する孔50、及び第2流体排出部36に連通する孔52が形成されている。そして、孔46を囲むように第1流体入口管54が設けられ、孔48を囲むように第1流体出口管56が設けられ、孔50を囲むように第2流体入口管58が設けられ、孔52を囲むように第2流体出口管60が設けられる。
第1流体入口管54は第1流体供給管(不図示)に連結され、第1流体出口管56は第1流体排出管(不図示)に連結され、第2流体入口管58は第2流体供給管(不図示)に連結され、第2流体出口管60は第2流体排出管(不図示)に連結される。
他方の端板44は孔、開口等がない板状体である。
In one embodiment, as shown in FIG. 1,
The first
The
一実施形態では、図1及び図3に示すように、第1プレート12、第2プレート14、及び端板42、44は平坦な板状体で構成される。
一実施形態では、第1プレート12、第2プレート14、及び端板42、44は、互いに拡散接合法で接合される。
一実施形態では、図1及び図3に示すように、第1プレート12、第2プレート14、及び端板42、44は四角形の外形を有する。
In one embodiment, as shown in FIGS. 1 and 3, the
In one embodiment, the
In one embodiment, as shown in FIGS. 1 and 3, the
一実施形態では、図1に示すように、第1流体入口管54及び第2流体出口管60が下方に配置され、第1流体出口管56及び第2流体入口管58が上方に配置されるように縦方向に沿って配置される。
一実施形態では、第1プレート12及び第2プレート14は、熱伝導係数が大きくかつ高強度の材料で構成される。これによって、熱交換性能が良くかつ第1プレート12及び第2プレート14の薄肉化が可能になる。
In one embodiment, as shown in FIG. 1, the first
In one embodiment, the
一実施形態によれば、気液二相の第1流体を第2流体と熱交換する熱交換器において、複数の熱交換流路に流入する第1流体の偏流を抑制して熱交換性能を高く維持できる。 According to an embodiment, in a heat exchanger that exchanges heat between a gas-liquid two-phase first fluid and a second fluid, the heat exchange performance is suppressed by suppressing the drift of the first fluid flowing into the plurality of heat exchange channels. Highly maintainable.
10 熱交換器
12 第1プレート
14 第2プレート
16 プレート構成体
18 第1流路
20 第2流路
20a 入口側領域
20b 中間領域
20c 出口側領域
22 第1入口ヘッダ空間
24 第1出口ヘッダ空間
26 第1流体供給部
28 第1流体排出部
30、32 絞り
34 第2流体供給部
36 第2流体排出部
38 第2入口ヘッダ空間
40 第2出口ヘッダ空間
42、44 端板
46、48、50、52 孔
54 第1流体入口管
56 第1流体出口管
58 第2流体入口管
60 第2流体出口管
f1 第1流体
f2 第2流体
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記第1流体が流れる複数の第1流路を形成する複数の第1プレートと、前記第2流体が流れる複数の第2流路を形成する複数の第2プレートと、を含む積層された複数のプレートで構成されるプレート構成体を備え、
前記第1流路の少なくとも一部で前記第1流体は気液二相状態にあり、
前記第1流体の供給部と前記複数の第1プレートの各々に形成された前記複数の第1流路とに連通する第1入口ヘッダ空間と、前記第1流体の排出部と前記複数の第1プレートの各々に形成された前記複数の第1流路とに連通する第1出口ヘッダ空間と、が前記複数の第1プレートに形成され、
前記第1出口ヘッダ空間は、前記複数の第2プレートを含む前記複数のプレートの積層方向に沿って貫通した空間を形成していることを特徴とする熱交換器。 A heat exchanger for exchanging heat between the first fluid and the second fluid to vaporize the first fluid,
A plurality of stacked layers including a plurality of first plates forming a plurality of first flow paths through which the first fluid flows, and a plurality of second plates forming a plurality of second flow paths through which the second fluid flows. Comprising a plate structure composed of
The first fluid is in a gas-liquid two-phase state in at least a part of the first flow path;
A first inlet header space communicating with the first fluid supply section and the plurality of first flow paths formed in each of the plurality of first plates; the first fluid discharge section; A first outlet header space communicating with the plurality of first flow paths formed in each of the one plate is formed in the plurality of first plates;
The heat exchanger according to claim 1, wherein the first outlet header space forms a space penetrating along a stacking direction of the plurality of plates including the plurality of second plates.
前記複数の第2プレートの各々において、前記複数の第2流路は並列に配置されていることを特徴とする請求項1乃至5の何れか一項に記載の熱交換器。 In each of the plurality of first plates, the plurality of first flow paths are arranged in parallel,
6. The heat exchanger according to claim 1, wherein in each of the plurality of second plates, the plurality of second flow paths are arranged in parallel.
前記第2入口ヘッダ空間及び前記第2出口ヘッダ空間は、前記複数の第1流路と交差する方向に沿って前記複数の第1流路の両側に配置され、
前記複数の第2流路は、
前記複数の第1流路と交差する方向に沿って配置される入口側領域及び出口側領域と、
前記複数の第1流路と同一方向に沿って配置される中間領域と、
を含むことを特徴とする請求項1乃至10の何れか一項に記載の熱交換器。 The second fluid supply section, the second inlet header space communicating with the supply section and the plurality of second flow paths, the second fluid discharge section, the discharge sections, and the plurality of second flow paths. A second outlet header space that communicates with the plate structure,
The second inlet header space and the second outlet header space are disposed on both sides of the plurality of first flow paths along a direction intersecting the plurality of first flow paths,
The plurality of second flow paths are:
An inlet side region and an outlet side region disposed along a direction intersecting the plurality of first flow paths;
An intermediate region disposed along the same direction as the plurality of first flow paths;
The heat exchanger according to any one of claims 1 to 10, characterized by comprising:
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