JP2005114324A

JP2005114324A - 再生熱交換器、及び再生熱交換方法

Info

Publication number: JP2005114324A
Application number: JP2003352449A
Authority: JP
Inventors: Nobuhide Kasagi; 伸英笠木; Naoki Shikazono; 直毅鹿園; Yuji Suzuki; 雄二鈴木; Kenichi Morimoto; 賢一森本
Original assignee: University of Tokyo NUC
Current assignee: University of Tokyo NUC
Priority date: 2003-10-10
Filing date: 2003-10-10
Publication date: 2005-04-28
Anticipated expiration: 2023-10-10
Also published as: WO2005036086A1; JP3697523B2

Abstract

【課題】耐熱性及び耐食性などの信頼性を維持するとともに高い伝熱促進機能を有し、十分にコンパクト化することが可能な再生熱交換器を提供する。
【解決手段】波状に折り曲げられた複数の矩形状部材１１を、互いに段差をなして隣接するように組み合わせて再生熱交換器１０を構成する。矩形状部材１１の内部は空洞になっており、流体が伝播する流路を構成している。各矩形状部材１１の内側面１１Ａ、すなわち互いに隣接する流路に対する隔壁１１Ａ上に複数の凹凸リブ１２を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気調和機、冷凍機、ガスタービン、燃料電池などのエネルギーシステムに好適に用いることのできる再生熱交換器及び再生熱交換方法に関する。

従来の再生熱交換器では、波状に折り曲げられた隔壁（部材）を重ねることで、断面形状が長方形などの矩形状を呈する流路を構成したプライマリーサーフェス型熱交換器、及び並行平板隔壁間に波状のコルゲートフィンを挟んだインナーフィン型熱交換器などが多用されている。これらの熱交換器では、その性能向上やコンパクト化を目的に、波状に折り曲げられる伝熱面のピッチを細かくすることで伝熱性能に大きな影響を及ぼす水力直径の小径化が図られてきた。

上述した従来型の再生熱交換器では、ガスタービンなどから排出される高温排気ガスや、腐食成分を含む排気ガスからの熱回収を行う場合、再生熱交換器の信頼性の面から隔壁やインナーフィンの肉厚にはある程度の厚さが要求される。

しかしながら、厚肉板に対してプレスによる曲げ加工などを施し、前述した肉厚の隔壁やインナーフィンを作製することは非常に困難であり、また、前記隔壁などを肉厚化することによって流路断面積が減少し、圧力損失が増大するなどの問題も生じる。さらに、前記隔壁などの肉厚化によって、空調機のフィンで行われているようなスリットなどの前縁効果による伝熱促進技術を適用することも、その肉厚に起因した加工性の問題及び切断部からの腐食などの問題から困難であった。

この結果、従来の再生熱交換器では、伝熱性能の向上に限界があり、より一層の大幅なコンパクト化が困難である。

本発明は、耐熱性及び耐食性などの信頼性を維持するとともに高い伝熱促進機能を有し、十分にコンパクト化することが可能な再生熱交換器を提供することを目的とする。さらに本発明は、前記再生熱交換器を利用した再生熱交換方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明は、
温度の異なる複数の流体を流すための、互いに隣接した複数の矩形状部材を有し、前記複数の矩形状部材それぞれの、前記流体と接触する少なくとも一つの内側面部分に、前記流体の流れ方向と所定の角度をなすように複数の凹凸リブを設けたことを特徴とする、再生熱交換器に関する。

本発明の再生熱交換器によれば、熱交換を行うための、温度の異なる複数の流体を流す互いに隣接した複数の矩形状部材の少なくとも一つの内側面部分、すなわち隔壁部分に前記流体の流れ方向と所定の角度をなすように複数の凹凸リブを設けている。このとき、前記流体が前記隔壁と接触する際に、流路断面内に二次流れ成分、すなわち縦渦が発生し旋回流を生成するようになる。この旋回流によって、前記流体の、前記隔壁近傍で熱交換した成分と、前記流体の、前記矩形状部材の略中心部を流れる主流成分との混合が促進されるため、極めて高い伝熱性能が得られるようになる。

さらに、前記隔壁近傍での流体の速度が増大するため、前記隔壁から伝わってくる熱を前記流体の対流を通じて効率的に伝搬させることができ、前記伝熱性能をさらに向上させることができる。

また、前記旋回流は、前記隔壁からの剥離によって増速したり、乱れたりすることがないため、大きな圧力損失を生じることもない。

さらに、前記凹凸リブはプレス加工で容易に成形することが可能であるため、局所的な薄肉化や切断面の露出などによる信頼性の低下を招くことがない。

したがって、本発明によれば、耐熱性及び耐食性などの信頼性を維持するとともに高い伝熱促進機能を有し、十分にコンパクト化することが可能な再生熱交換器を得ることができる。

なお、本発明の好ましい態様においては、前記複数の凹凸リブは、前記内側面上において互いに交差させる。さらには、前記内側面上において、前記流体の流れ方向に対して前記角度の符号が交互に入れ替わるようにして交差させる。この場合、前記複数の凹凸リブが形成された同一の内側面上、すなわち隔壁上で回転方向の異なる旋回流を生成することができ、上述した伝熱性能をさらに向上させることができるようになる。

また、本発明の他の好ましい態様においては、前記前記複数の凹凸リブの、前記流体の流れ方向とのなす角度を３０度〜８０度とする。前記角度が３０度より小さいと旋回流生成による十分な伝熱性能を実現できない場合があり、前記角度が８０度より大きいと圧力損失が増大して、大きな流動損失が生じ、上述した伝熱性能を発源できない場合がある。

さらに、本発明のその他の好ましい態様においては、前記複数の凹凸リブのピッチが前記矩形状部材の断面における短辺の長さ以下とする。前記ピッチが前記短辺の長さを越えて大きくなると、前記凹凸リブによって前記旋回流を生成することができず、十分な伝熱性能を発源できない場合がある。

なお、本発明は、上述した再生熱交換器を利用した再生熱交換方法に関し、
複数の矩形状部材を互いに隣接するように組み合わせて再生熱交換器を構成する工程と、
前記複数の矩形状部材それぞれの、前記流体と接触する少なくとも一つの内側面部分に、前記流体の流れ方向と所定の角度をなすように複数の凹凸リブを設ける工程と、
前記複数の矩形状部材中に温度の異なる複数の流体を流し、隣接した前記矩形状部材間の隔壁を通じて熱交換を行う工程と、
を具えることを特徴とする。
本発明のその他の特徴及び利点については以下に詳述する。

以下、本発明を発明の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の再生熱交換器の一例を示す構成図である。図１においては、波状に折り曲げられた複数の矩形状部材１１が、互いに段差をなして隣接するように組み合わされることにより、プライマリーサーフェス型の再生熱交換器１０を構成している。矩形状部材１１の内部は空洞になっており、流体が伝播する流路を構成している。各矩形状部材１１の内側面１１Ａ、すなわち互いに隣接する流路に対する隔壁１１Ａ上には複数の凹凸リブ１２が形成されている。

図１に示す再生熱交換器１０の矩形状部材１１内をそれぞれ温度の異なる流体が流れると、これらの流体は隔壁１１Ａを通じて互いに熱の授受を行い、結果として熱交換が行われるようになる。このとき、前記流体が隔壁１１Ａと接触する際に、その流路断面内に二次流れ成分、すなわち縦渦が発生し旋回流を生成するようになる。この旋回流によって、前記流体の、隔壁１１Ａ近傍で熱交換した成分と、前記流体の、矩形状部材１１の略中心部を流れる主流成分との混合が促進されるため、極めて高い伝熱性能が得られるようになる。

さらに、隔壁１１Ａ近傍での流体の速度が増大するため、隔壁１１Ａから伝わってくる熱を前記流体の対流を通じて効率的に伝搬させることができ、前記伝熱性能をさらに向上させることができる。また、前記旋回流は、前記隔壁からの剥離によって増速したり、乱れたりすることがないため、大きな圧力損失を生じることもない。さらに、前記凹凸リブはプレス加工で容易に成形することが可能であるため、局所的な薄肉化や切断面の露出などによる信頼性の低下を招くことがない。

したがって、図１に示す再生熱交換器１０は、耐熱性及び耐食性などの信頼性を維持するとともに高い伝熱促進機能を有し、十分にコンパクト化することが可能となる。

なお、複数の凹凸リブ１２の、図中矢印で示す前記流体の流れ方向とのなす角度θは３０度〜８０度とすることが好ましい。角度θが３０度より小さいと旋回流生成による十分な伝熱性能を実現できない場合があり、角度θが８０度より大きいと圧力損失が増大して、大きな流動損失が生じ、上述した伝熱性能を発源できない場合がある。

また、複数の凹凸リブ１２のピッチＰが矩形状部材１２の断面における短辺の長さＬ以下であることが好ましい。ピッチＰが前記短辺の長さＬを越えて大きくなると、凹凸リブ１２によって前記旋回流を生成することができず、十分な伝熱性能を発源できない場合がある。

なお、再生熱交換器１０を構成する矩形状部材１１の断面の大きさや長さなどは、熱交換の度合いや、その用途に応じて適宜に設定することができる。

図２は、本発明の再生熱交換器の他の例を示す構成図である。図２においては、波状に折り曲げられた複数の矩形状部材２１が、互いに隣接するとともに平板２５間に挟まれるように組み合わされることにより、インナーフィン型の再生熱交換器２０を構成している。矩形状部材２１の内部は空洞になっており、流体が伝播する流路を構成している。各矩形状部材２１の内側面２１Ａ、すなわち互いに隣接する流路に対する隔壁２１Ａ上には複数の凹凸リブ２２が形成されている。

図２に示す再生熱交換器２０の矩形状部材２１内をそれぞれ温度の異なる流体が流れると、これらの流体は隔壁２１Ａを通じて互いに熱の授受を行い、結果として熱交換が行われるようになる。このとき、前記流体が隔壁２１Ａと接触する際に、その流路断面内に二次流れ成分、すなわち縦渦が発生し旋回流を生成するようになる。この旋回流によって、前記流体の、隔壁２１Ａ近傍で熱交換した成分と、前記流体の、矩形状部材２１の略中心部を流れる主流成分との混合が促進されるため、極めて高い伝熱性能が得られるようになる。

さらに、隔壁２１Ａ近傍での流体の速度が増大するため、隔壁２１Ａから伝わってくる熱を前記流体の対流を通じて効率的に伝搬させることができ、前記伝熱性能をさらに向上させることができる。また、前記旋回流は、前記隔壁からの剥離によって増速したり、乱れたりすることがないため、大きな圧力損失を生じることもない。さらに、前記凹凸リブはプレス加工で容易に成形することが可能であるため、局所的な薄肉化や切断面の露出などによる信頼性の低下を招くことがない。

したがって、図２に示す再生熱交換器２０は、耐熱性及び耐食性などの信頼性を維持するとともに高い伝熱促進機能を有し、十分にコンパクト化することが可能となる。

なお、複数の凹凸リブ２２の、図中矢印で示す前記流体の流れ方向とのなす角度ψは３０度〜８０度とすることが好ましい。角度ψが３０度より小さいと旋回流生成による十分な伝熱性能を実現できない場合があり、角度ψが８０度より大きいと圧力損失が増大して、大きな流動損失が生じ、上述した伝熱性能を発源できない場合がある。

また、複数の凹凸リブ２２のピッチＱが矩形状部材２１の断面における短辺の長さＲ以下であることが好ましい。ピッチＱが前記短辺の長さＲを越えて大きくなると、凹凸リブ２２によって前記旋回流を生成することができず、十分な伝熱性能を発源できない場合がある。

なお、再生熱交換器２０を構成する矩形状部材２１の断面の大きさや長さなどは、熱交換の度合いや、その用途に応じて適宜に設定することができる。

図３は、図１に示す再生熱交換器の変形例を示す構成図である。図３においても、図１同様に、波状に折り曲げられた複数の矩形状部材３１が、互いに段差をなして隣接するように組み合わせれることにより、プライマリーサーフェス型の再生熱交換器３０を構成している。矩形状部材３１の内部は空洞になっており、流体が伝播する流路を構成している。そして、各矩形状部材３１の内側面３１Ａ、すなわち互いに隣接する流路に対する側隔壁３１Ａ上には、前記流体の流れ方向において、角度の符号が互いに異なるように交差させ、全体としてＶ字を呈するように複数の凹凸リブ３２が形成されている。

図３に示す再生熱交換器３０の矩形状部材３１内をそれぞれ温度の異なる流体が流れると、これらの流体は隔壁３１Ａを通じて互いに熱の授受を行い、結果として熱交換が行われるようになる。このとき、前記流体が隔壁３１Ａと接触する際に、その流路断面内に互いに逆向きの二次流れ成分、すなわち縦渦が発生し互いに逆方向の旋回流を生成するようになる。すなわち、同一の内隔壁３１Ａ上で回転方向の異なる旋回流を生成することができ、上述した伝熱性能をさらに向上させることができるようになる。

なお、図３に示す再生熱交換器３０に要求されるその他の特性は図１に示す再生熱交換器１０に要求されるものと同じである。

以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。

例えば、上記具体例では凹凸リブのピッチを矩形状部材の断面における短辺との比較で規定しているが、前記矩形状部材の断面が正方形である場合は、いずれかの片の長さとの比較で規定することができる。

また、図３に示す再生熱交換器においては、凹凸リブを流体の流れ方向に対して角度の符号が異なるように交差させ、全体形状がＶ字型となるように形成したが、Ｗ字型となるように形成することもできる。

本発明の再生熱交換器の一例を示す構成図である。本発明の再生熱交換器の他の例を示す構成図である。図１に示す再生熱交換器の変形例を示す構成図である。

符号の説明

１０、２０、３０再生熱変換器
１１、２１、３１矩形状部材
１１Ａ、２１Ａ、３１Ａ矩形状部材の内側面（隔壁）
１２、２２、３２凹凸リブ

Claims

温度の異なる複数の流体を流すための、互いに隣接した複数の矩形状部材を有し、前記複数の矩形状部材それぞれの、前記流体と接触する少なくとも一つの内側面部分に、前記流体の流れ方向と所定の角度をなすように複数の凹凸リブを設けたことを特徴とする、再生熱交換器。
前記複数の凹凸リブは、前記内側面上において互いに交差させたことを特徴とする、請求項１に記載の再生熱交換器。
前記複数の凹凸リブは、前記内側面上において、前記流体の流れ方向に対して前記角度の符号が互いに異なるように交差させたことを特徴とする、請求項２に記載の再生熱交換器。
前記複数の凹凸リブの、前記流体の流れ方向とのなす角度は、３０度〜８０度であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載の再生熱交換器。
前記複数の凹凸リブのピッチが前記矩形状部材の断面における短辺の長さ以下であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載の再生熱交換器。
前記複数の凹凸リブによって前記流体の旋回流を生成することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一に記載の再生熱交換器。
プライマリーサーフェス型の熱交換器を構成することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一に記載の再生熱交換器。
インナーフィン型の熱交換器を構成することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一に記載の再生熱交換器。
複数の矩形状部材を互いに隣接するように組み合わせて再生熱交換器を構成する工程と、
前記複数の矩形状部材それぞれの、前記流体と接触する少なくとも一つの内側面部分に、前記流体の流れ方向と所定の角度をなすように複数の凹凸リブを設ける工程と、
前記複数の矩形状部材中に温度の異なる複数の流体を流し、隣接した前記矩形状部材間の隔壁を通じて熱交換を行う工程と、
を具えることを特徴とする、再生熱交換方法。
前記複数の凹凸リブは、前記内側面上において互いに交差させることを特徴とする、請求項９に記載の再生熱交換方法。
前記複数の凹凸リブは、前記内側面上において、前記流体の流れ方向に対して前記角度の符号が互いに異なるように交差させることを特徴とする、請求項１０に記載の再生熱交換方法。
前記複数の凹凸リブの、前記流体の流れ方向とのなす角度を、３０度〜８０度とすることを特徴とする、請求項９〜１１のいずれか一に記載の再生熱交換方法。
前記複数の凹凸リブのピッチを前記矩形状部材の断面における短辺の長さ以下とすることを特徴とする、請求項９〜１２のいずれか一に記載の再生熱交換方法。
前記複数の凹凸リブによって前記流体の旋回流を生成することを特徴とする、請求項９〜１３のいずれか一に記載の再生熱交換方法。
前記再生熱交換器はプライマリーサーフェス型の熱交換器を構成することを特徴とする、請求項９〜１４のいずれか一に記載の再生熱交換方法。
前記再生熱交換器はインナーフィン型の熱交換器を構成することを特徴とする、請求項９〜１４のいずれか一に記載の再生熱交換方法。