(57)【要約】【課題】熱交換器【解決手段】流体間の熱交換を行うエレメントであり、流体のための流路は、薄く、折畳まれたシート材（１）の両側のスリットからなり、流路のスリット幅（２４）と、該スリットの深さ（２５）の比は、シート材の厚さの０．１５倍未満である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体間の熱交換を行うエレメントであって、該流体の流路が、薄い、折畳まれたシート材（１）の両側のスリットからなり、該流路のスリット幅（２４）とスリットの深さ（２５）の比が前記シート材の厚さの０．１５倍未満であることを特徴とするエレメント。
【請求項２】
前記エレメントの壁部の断面が、均一に湾曲した面に形成され、例えば、一部が円形に、あるいはその他の形状の湾曲部に形成されていることを特徴とする先行請求項に記載のエレメント。
【請求項３】
前記エレメントの壁部が平面状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のエレメント。
【請求項４】
前記エレメントの壁部がチタンで形成されていることを特徴とする先行請求項のいずれか１項に記載のエレメント。
【請求項５】
先行請求項のいずれか１項に記載のエレメントを用いて熱交換器内の液体を蒸発させる方法であって、前記熱交換器の蒸発側の液体を、増大した熱伝達のために、前記熱交換器の蒸発側の液体が蒸発することが達成されるように、互いに接近して配設された前記エレメントの壁部の間に流すことを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１から４のいずれか１項に記載のエレメントを有する蒸留装置であって、その少なくとも一部が熱交換エレメント（１）からなる、仕切り壁（１９）によって分離されているチャンバ（１８）を有し、前記チャンバの上方部分内の液体（２０）からの蒸気（２１）を吸引し、該蒸気を圧縮して分割壁（１９）の下側に送り、そこから凝縮液（２３）が、新たな液体が前記蒸発側に供給されるのと同時に出ることができることを特徴とする蒸留装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、２つの媒体間での熱交換のための熱交換エレメントおよび該エレメントの用途に関する。
【０００２】
熱交換器はよく知られ、多くの接続部において用いられている。本熱交換器は、２つの媒体間の分割壁としてパイプ又はシートを用いる。伝熱、重量及び材料の使用に関する研究を踏まえて、本発明の目的は、上記分割壁ができる限り薄いが、熱交換エレメントの構造は、様々な適用過程における実際の圧力に耐えるのに必要な強度をなお有している熱交換器を開発することである。
【０００３】
パイプ熱交換器は、共通のマントル内にいくつかのパイプを用いて、あるいは、２つの同軸のパイプとして設計される。このような熱交換器は、高圧に耐えるのによく適しており、またそれらは、２つの媒体間の漏れの恐れがない。しかし、パイプは、シートの対応面積よりもかなり高価なため、製造コストが比較的高い。
【０００４】
一方、シート熱交換器は、特に、気密性に関して絶対的な要求がなく、また熱交換器の熱容量が大きい用途において使用される。
【０００５】
上記２種類の公知の熱交換器においては、２つの媒体のフロープロファイルは理想から離れている。本発明に対する比較のための論拠を成す上記公知のシート熱交換器の場合、問題はシート間の限定された流速に関連する。この限定は、その構造のために、各角部における入力及び出力流路が狭く、また媒体が、圧力低下を伴う急な９０°の方向転換をしなければならないということによる。即ち、それは構造上の問題であり、許容できる圧力低下に対して限定を与える、熱交換器内の流速ではない。
【０００６】
熱交換エレメントに沿った流速は、媒体と領域のα値との間の熱伝達にとって重要であり、また、例えば１ｍ／秒のとき１であり、２ｍ／秒のとき１．８である係数としてのα値の計算時に、水の乱流中に加えられる。
【０００７】
実際の媒体が循環する流路が各側部に形成されるように、各シートがジグザグ状に折り重ねられている従来の熱交換器が知られており、例えば、米国特許第１６０１６３７号、欧州特許第０１９７１６９号及びスウェーデン特許第３６２１３７号を参照されたい。これらの全てに共通することは、薄いシート、及び流速がかなり速くなるそのような狭い流路の使用を可能にするように、必要な面密度と構造強度を組み合せていない流路プロファイルを有しているということである。このことは、低熱伝達はより大きな熱交換器を要し、それは低流速も意味するので致命的である。
【０００８】
蒸気の再圧縮における蒸留の原理は知られている。例えば、図７は、沸点まで加熱される液体２０がある、分割壁１９で分離されているチャンバ１８を示す。液体からの蒸気２１は、ファン又はコンプレッサ２２に吸引され、分割壁１９の下の室内に圧入される。高圧のため、該蒸気はここで、蒸発過程の温度よりも高い温度で凝縮する。
【０００９】
そして凝縮熱は、液体に移って対応する量の新たな液体を蒸発させる。凝縮液２３は、新たな液体が蒸発側に導入されると同時に引き出すことができる。
【００１０】
この原理は今日まで産業上、流出部を乾燥させる際に、例えば、粉乳、セルロース等の製造において利用されている。
【００１１】
プロセスの有効係数は、蒸発のエネルギ、ファンエネルギからそれぞれ算出される。所定量の蒸留の場合、ファンエネルギは、蒸発と凝縮の圧力比により決まる。
【００１２】
圧力比及びエネルギ消費量は、分割壁間で必要な伝熱がいかに容易に行われるかによる。
【００１３】
そしてこれは、分割壁の熱伝達として表わされ、ｋ値は、分割壁上に必要な面積の大きさに関する明確な基準である。
【００１４】
水蒸気の場合、ワンステップファンの圧力比の限度は１．１５であり、これは凝縮温度よりも高い約３．５℃を意味する。１００℃の蒸発温度の場合、凝縮は１０３．５℃で起こる。
【００１５】
塵等のパラメータがなければ、全熱伝達、即ち、ｋ値は、ｋ＝１／（１／α１＋ｓ／λ＋１／α２）で算出される。ただし、α１は凝縮側での熱伝達であり、α２は、蒸発側での熱伝達であり、ｓはシートの厚さであり、λは、シートの材質の熱伝達係数に等しい。
【００１６】
α値の一つの最低値は、どれほど高いｋ値が可能であるかの漸近境界を示す。
【００１７】
垂直面の場合、凝縮に対して比較的高いα１値を達成できる。該値が高くなれば、該垂直面が有する高さは低くなる。５０ｍｍの高さの場合、α値は約１３５００Ｗ／ｍ２℃である。
【００１８】
しかし、α２値は、ここで達成できるこのような低温度差における限定要因である。この場合、蒸気表面と沸点との間の温度差は、加熱面からの気泡を伴って沸騰する前に７℃でなければならない。この温度差の場合、水は、水自体の中に小さな蒸気の泡を形成するという事実によって蒸発する。この沸騰に対する形態は、熱伝達が対流過程によって起こるので対流沸騰と呼ばれる。
【００１９】
３．５℃の温度差を伴う対流沸騰の場合、約１８００Ｗ／ｍ２℃より高いα２値は得られない。そのためｋ値は、上述の圧力及び温度における水の蒸留が８．８ｍ２／ｋｇ蒸留／分を要するように低くなる。これは、このような蒸留プラントに対して現実的な面積及びコストを得るには高すぎる。
【００２０】
対流沸騰において熱伝達を増大させる唯一の方法は、例えば、攪拌装置、プロペラ又はポンプによって、水を加熱面に対して動かすことである。
【００２１】
これは、特許請求の範囲に記載された特徴によって定義されるように、本発明に係る熱交換器を用いて達成される。
【００２２】
本発明に係る熱交換器の場合、目的のうちの一つは、機械的補助のない自己循環による高熱伝達を達成することである。しかし、対流沸騰において水中に形成される小さな蒸気の泡の密度は、初期段階において、現実的な程度の自己循環を達成するには小さすぎる。蒸気の泡の密度は、水に対する熱輻射を増大させることにより増加させることができる。これは、所定のパラメータを用いて、少量の水を大きな熱供給面で囲むことにより、実際には水をシート間の狭いスリット内に閉じ込めることにより達成することができる。
【００２３】
本発明は、熱交換器の原理を図８に示す。ここでは、シートが全体として重ね合わせられ、幅２４及び高さ２５のスリットを有しており、水は、頂部に対して開口しているスリット内に現れ、凝縮蒸気は、下側に対して開口しているスリット内に発生する。
【００２４】
スリット２４が狭くなると、熱流速ｑ（Ｗ／ｍ２）が減少する熱量を放射し、蒸気の泡の密度が増加することは明白である。一定の境界においては、蒸気の泡は、結合し始めてより大きな泡になる。これにより水は激しく動きだし、熱流速は増加し、かつ蒸気の泡の量は増加し、自己増幅反応が起きる。そして蒸気の量は、断面の主要部内に、スリットの中央部に蒸気を有する２つの対向する流れを形成し、かつ表面に沿って引っ張られる水の薄膜を形成するように多くなる。
【００２５】
試験では、水が１００℃でスリットが１．５〜２ｍｍの場合、１．８〜２℃の温度差が境界であり、またα値が約１８００Ｗ／ｍ２℃から１８５００Ｗ／ｍ２℃に増加することがわかった。これは、約１８℃の温度差を伴う、あるいは膜の蒸発を伴う通常の速い沸騰によって達成できるレベルであり、上述の工業乾燥プラントで用いられる。
【００２６】
薄い、折畳まれたシート材１の両側にある流体フローの流路のためのスリット２４の幅、及び該スリットのスリット深さ２５が、互いにかつシートの厚さに対して一定の比にある場合に、最善の結果が得られることが知られている。即ち、スリット幅２４とスリット深さ２５の比は、シート材の厚さの０．１５倍未満でなければならない。折畳み部の高さは、高い反対圧力を受けることを避けるように制限されなければならず、そのため、下側での凝縮は、短い流出間隔期間を有すべきである。高さｈ＝５０ｍｍの場合が両側において最善の結果をもたらすと思われる。
【００２７】
両側の熱伝達は良好になるので、シートの厚さは、全体のｋ値に対して負の効果を有し始める。このため、また重量及びコストのため、可能な限り薄いシートを有することが有利である。即ち、０．４〜０．５ｍｍのチタンシートが熱交換器に使用されている。
【００２８】
狭いスリットが必要な場合、原理図に示す直線状のスリットは、比較的小さな圧力差で容易に互いに圧迫することができる。
【００２９】
本発明に係る熱交換器においては、図１に概略的に示すように、互いに圧迫することを防ぐと同時に、清掃のためのアクセス、あるいは、媒体のフローのための閉塞を妨げない、エレメントの構造、シートの波形化のための方法に達した。
【００３０】
２つの媒体を互いに分離するために、熱交換エレメントのスリットは、その端部を閉塞しなければならない。多くの用途において、このことは、適切な材料で該端部を互いに成形することによって簡単に行うことができる。
【００３１】
上記端部は、スリットを互いに溶接することによっても閉塞することができる。また、例えば、ゴムの蓋を該端部に対して押し付けてもよい。
【００３２】
その高いコンパクト性及び清掃時に両側から直接アクセスできることによって、上記熱交換器は、一般的な熱交換器、例えばモータ・クーラに適している。またこの場合、狭いスリットは、特別な熱効果をもたらす。液体の流れは、流速周期で熱伝達が増加することを結果として生じる。スリットが狭い場合、表面近くの流体の乱れは、平均の流速が同じでも、幅広のスリット又はパイプの場合よりも激しい。
【００３３】
本出願においては、熱交換エレメントは、各々入力及び出力をその端部に備えたマントル半体内に密封されている。
【００３４】
温度が約５〜８℃低くされるモータ・クーラによって、問題が具現化できる。５０ｍｍの高さの流路の場合、該流路幅は、１．５〜１．８ｍ／ｓの流速を得るために、１．５〜２ｍｍ未満でなければならない。このことは、縮んで反対側の流路を縮小又は閉塞するために、薄いシートに対して最少の圧力差を要する。
【００３５】
上記エレメントは、全ての折畳み面が同じ方向に湾曲している蛇腹状に折畳まれた薄いシートからなる。流路内の圧力は、隣接する流路内の圧力が異なる場合、該流路の壁部の形状に影響を及ぼす。流路の一方はまっすぐになろうとし、他方は、力が互いに略等しくなるように、側面を内方に引っ張る。熱交換エレメント１は、共に、各端部に入力流路及び出力流路４と５を有する、上部マントル２と下部マントル３との間に配設されている。マントル２、３は、エレメントの流路頂部に対して圧力を働かせてもよく、そのため該エレメントの湾曲部は偏向させられ、それによりさらなる構造強度を得る。流路壁面の湾曲部は、好ましくは平行になっている。
【００３６】
上述の実施例において言及した流路寸法を有するモータ・クーラ及び０．５ｍｍ厚のチタンプレートを用いて、試作品の試験を実施した。該構造は、流路壁部を変形させることなく、５バールを超える差圧に耐えることができた。貫流面積と比較して高い面密度は、同じ貫流速度周期を有するパイプの場合よりも３０％より高いα値を示すことがわかった。全熱伝達ｋ値は、従来のシート熱交換器に対して本質的に高い。
【００３７】
本発明に係る熱交換エレメントは、液体間の熱交換のほかに、対流による液体、一方側の蒸発又は凝縮、及び他方側の気体、例えば空気間での熱交換に適している。
【００３８】
このような実施形態を図３及び４に示す。液体側には、上記エレメントを覆い、かつ流路頂部に固定されているシート６が固定されている。例えば冷却プラントにおける非常に高い圧力差の場合、作用面積を増加させるこぶ状波形を用いることが実用的である。
【００３９】
蒸気段階の再圧縮での蒸留のための有効かつ妥当な複合凝縮器及び蒸発器に対する要求における基礎のうちのいくらかを有している。このような蒸留装置の一つは、実際には、蒸発側からの蒸気がファンに吸い込まれ、該ファンによって、増加した圧力のため、蒸発温度よりも高い温度で該蒸気が凝縮する凝縮側に押し込まれるヒートポンプである。それにより凝縮熱は、対応する新たな量の液体が蒸発するように、蒸発側へ伝達される。このようにして熱エネルギは内部で再循環される。
【００４０】
例えば船上では、海水から新鮮な水を生成するために、蒸発器と呼ばれる蒸留装置が使用されている。該装置は、特別なボイラ内のエネルギ源としてモータからの過剰な熱を利用し、また、海水によって冷却される特別な凝縮器を有している。
【００４１】
しかし、海水の蒸発は、正常に保つと共に、十分な熱伝達を与える解決法への到達に対して、大きな問題を有する。特に大きな問題は、塩とカルシウムが凝結して固い熱絶縁被覆を熱交換器表面に形成するという、いわゆる「スケーリング」である。
【００４２】
蒸気問題は、特に、蒸気の泡がボイラエレメントの表面に形成された際に、該泡が塩分及び水が含んでいた乾燥材料を表面に結晶として残すという事実によって引き起こされる。これらの残差物は、上記被覆の下の温度が、分離効果過程の増加の結果として上昇するので、熱によって固定される該被覆をすぐに形成する。上記スケーリングは、低温での適用及び沸騰、即ち低圧及び薬品の投与によって低減される。
【００４３】
スケーリングを伴う問題が上昇する温度において増加すると考えられていることは正しいが、温度自体が重要な過程であると想定されていることは正しくない。これは、ボイラエレメントの表面温度と沸点との差による。
【００４４】
大気圧での水の沸騰を伴う異なる相の研究により、沸騰は、１〜７Ｋの温度差、上記エレメントの表面で泡の蒸発を伴って７〜２６Ｋの温度差で、及び膜の蒸発を伴って２６Ｋを超える温度差で、対流蒸発において発生することが明らかになった。異なる相においては、熱伝達α値は激しく変動する。
【００４５】
従来の蒸発器での沸騰時の温度差は１５〜２０Ｋの範囲にあるため、沸騰は、泡の相過程で起きる。上記の泡は、ボイラエレメントの表面に形成され、これがスケーリング問題の主な原因である。
【００４６】
上記の再圧縮を伴う蒸留装置での沸騰においては、ファンの消費電力のため、温度差は１．５Ｋ未満になり、これは、沸騰が対流によって起き、上記の泡が水中で形成され、熱交換器の表面には形成されないことを意味する。従って、塩分及び乾燥物質は、表面まで蒸気の泡に追従し、過剰な水に追従する。濃度を低く保つために、従来の蒸発器においては、生成される蒸留量の約２倍の水が供給される。
【００４７】
１．５Ｋの温度差の場合、低α値は熱伝達のために達成され、約１．５〜１．８ｋＶ／ｍ２Ｋ変化する。これは、熱交換器の表面は大きくなければならないため、実際には適用できないほど低い。α値は、強制循環、例えば攪拌装置を用いて実質的に増加させることができないということがわかった。
【００４８】
本発明に係る熱交換器は、大変簡潔な構造、少量の材料、良好な熱伝達及び広範囲における高い実用性によって特徴づけられる。
【００４９】
本発明に係る熱交換器においては、流路は、水を囲む大きな表面と比較して大きくない水の需要を含む。固有の加熱負荷（Ｗ／ｍ２）が非常に低い場合でも、流路内の水の量と比較して比較的大量の蒸気が生成される。このことは、改善されたα値における乱れを発生させる。該乱れは、対流蒸発に対する境界を多少高いレベルへ移動させる。
【００５０】
上述の試作品と同種の熱交換器を、再圧縮蒸気による蒸留のための複合蒸発器及び凝縮器として試験すると、１００℃の海水の場合の沸騰温度、及び１０３℃の凝縮温度において、α値が急激に高くなり始め、蒸気乱れがさらに激しくなり、熱伝達が増大する自己増幅プロセスが起きることがわかった。自己増幅効果は、最初の小さな泡が発生してから水が最初に沸騰するまで数秒しかかからないという事実から明らかである。
【００５１】
本発明にかかる熱交換器を有する蒸留装置を用いた試験においては、α値が１８．５ｋＷ／ｍ２Ｋで安定することがわかった。該安定は、凝縮側での熱伝達が比較的一定に保たれるので、漸近ｋ値がほぼ等しいことを示す。
【００５２】
水平な配置が最良の結果を示すことがわかったが、角度のある配置から垂直位置までも試験したが、概ね許容できる結果が得られた。これらの試験においては、蒸発側を両端部に開口部を有するシート４１で部分的に覆った。下側の開口部は、ほとんどの蒸気が流路を上方へ流れて水になり、実質的な再循環が起きるように、水注Ｈｗｃに耐えていた。
【００５３】
強い乱れが蒸発側を清潔に保ち、全期間にわたってスケーリングが観察されなかったことがわかった。
【００５４】
上述の温度においては、ファンからの蒸気圧力は、約１．５ｍＶｓに相当し、本適用の場合、流路内の湾曲によって与えられる構造強度を当然のこととして必要とする。その強烈さのため、沸騰する海水の場合、チタンは唯一の有用な材質であるが、チタンは高価であり、また熱伝導が弱い。このことも、シートを可能な限り薄く形成するのに重要なことであり、機械的強度は、構造により注意しなければならない。
【００５５】
本発明に係る熱交換エレメントは、折畳まれた長いシートで形成されているので、該エレメントは、継続的な自動制御機械製造によく適している。
【００５６】
このため、そのような製造を可能にする、蒸気シートが２つの機械ステーションを通過する、特別な方法を開発した。
【００５７】
図５のステーションにおいては、蒸気シートは先ずツールナイフ７により鋭く折り曲げられて、２つの９０°湾曲部を有する段状形状にされる。ツールナイフ８及びツールナイフ９は同時に下降し、図１、２に示すように湾曲状に形成するか、あるいは異なる方法で、例えば図８に示すように、例えば平行に波形にすることによって以前の湾曲部の間でシートを形成する。ナイフ８、９は、同時に湾曲角度を形成する。全てのツールナイフ７、８、９は、対応する側面を有する固定した成形ブロック１０に対して押し付けられる。供給機構１１は、上記ツールナイフが上方位置に戻った後に、前方に引き出される。
【００５８】
図６は、図１、２に示すようにシートを湾曲させるツールを示す。水平な波形形状の場合、ツールナイフ８、９及び成形ブロックには、シートの形状に対応した横断溝が一致して形成されている。
【００５９】
予め折り曲げられたシートは引き続き図６に示すステーション内にある。ここで、各湾曲部は、一方の側で２つの押圧プレート１２、１３の間で、他方の側が２つの押圧プレート１４、１５の間で圧迫され、蒸気シートの湾曲部は、その最終的な幅を得る。押圧プレート１２、１４が後方位置に戻った後、押圧プレート１３、１４はそれぞれ上下動し、次の湾曲部への送りを可能にする。前方への送りを確実にするために、送給プレート１５、１６は、それぞれ同時に上下動する。
【００６０】
図６において、下側の押圧プレート１４は前方位置にあり、上側の押圧プレート１２は後方位置にある。非常に薄いシートが接近して折り曲げられる場合、折り曲げ半径を減じる状態で、急激に増大する非常に大きな力が端部において要求される。押圧プレートの角度に対して正接して逆方向に比例する押圧力は、押圧プレート１２、１４の特別なヒンジ手段によって達成される。その結果、上記力は、角度及び動きがゼロに近づくにつれて、無限大に近づく。
【００６１】
上記ステーションは、好ましくは、整列して配置され、かつ同時に作動される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明に係る熱交換エレメントの斜視図。
【図２】
熱交換器ハウジング内に配置された図１の熱交換エレメントを示す図。
【図３】
空気／液体熱交換器に用いられる本発明の図。
【図４】
図３の熱交換器の断面を示す図。
【図５】
本発明に係る熱交換エレメントの製造の第一段階を概略的に示す図。
【図６】
製造の第二段階を示す図。
【図７】
プロセスの原理を概略的に示す図。
【図８】
平面流路及びエレメント壁部を有する熱交換エレメントを概略的に示す図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際公開パンフレット】
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2004509317.tif 000012
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2004509317.tif 000014
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2004509317.tif 000019
2004509317.tif 000020
2004509317.tif 000021
2004509317.tif 000022
2004509317.tif 000023
【国際調査報告】
2004509317.tif 000024
2004509317.tif 000025
2004509317.tif 000026