(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直立平板状熱交換パネルと、該パネルのパネル面に対し高速冷却媒体の噴流を垂直に衝突させ衝突噴流を形成させる複数列直立スリット群と、より構成し、
更に前記複数列直立スリット群は、前記直立平板状熱交換パネルに平行に延設した断面台形状の高速冷却媒体供給ダクトの傾斜面に植設され、スリット間の外側に開放空間を形成させ、該空間により上方排出流の排出路を形成する構成としたことを特徴とする噴流式熱交換器。
【請求項２】
前記複数列直立スリット群は、隣接スリットからの噴流同士がパネル面に衝突後壁面噴流領域において対向噴流同士の衝突を惹起させ、上方排出流を形成させるべく適当間隔に配設した、ことを特徴とする請求項１記載の噴流式熱交換器。
【請求項３】
前記複数列直立スリット群と前記直立平板状熱交換パネル面とは、適当距離をあけて交互にサンドイッチ状に対向並設する、構成としたことを特徴とする請求項１記載の噴流式熱交換器。
【請求項４】
前記冷却媒体は、空気よりなることを特徴とする請求項１記載の噴流式熱交換器。
【請求項５】
直立平板状熱交換パネルと、該パネルのパネル面に対し高速冷却媒体の噴流を垂直に衝突させ衝突噴流を形成させる複数列直立スリット群と、より構成した噴流式熱交換器において、
前記冷却媒体は空気と水との混相流より構成し、該混相流形成用の水滴噴霧ノズルを高速冷却媒体中に設け、
更に前記複数列直立スリット群は、前記直立平板状熱交換パネルに平行延設した断面台形状の高速気流供給ダクトの傾斜面に植設され、スリット間の外側に開放空間を形成させ、該空間により上方排出流の排出路を形成する構成とした、ことを特徴とする蒸発式凝縮器。
【請求項６】
前記複数列直立スリット群は、隣接スリットからの噴流同士がパネル面に衝突後壁面噴流領域において対向噴流同士の衝突を惹起させ、上方排出流を形成させるべく適当間隔に配設した、ことを特徴とする請求項５記載の蒸発式凝縮器。
【請求項７】
前記複数列直立スリット群と前記直立平板状熱交換パネル面とは、適当距離をあけて交互にサンドイッチ状に対向並設する、構成としたことを特徴とする請求項５記載の蒸発式凝縮器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気体等の冷却媒体を用いた凝縮器、蒸発器ないし蒸発器凝縮器兼用の噴流式熱交換器とそれを使用した蒸発式凝縮器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来凝縮器や蒸発器等に使用されている熱交換器では、熱は冷媒から前記冷媒管の管壁を経て冷却媒体である水または空気へ流れる構成を持っている。
例えば、空冷凝縮器の場合は図６に示すように、フィン付きコイル５０の管内の冷媒と外気取り入れ口５２から取り入れ管外を流れるようにした冷却媒体である外気との間で熱交換を行い、冷媒を冷却凝縮させているが、この場合一般に冷媒菅であるコイルには外側に大きな面積を持つフィン５０ａを設けたプレートフィン熱交換器が使用されている。
【０００３】
また、従来の蒸発式凝縮器は、図７に示すように、冷媒の通過する冷媒管５５の外側表面を噴霧水５６ａで濡らしこれに冷却媒体である空気をファン５７を介して取り入れ、水の蒸発潜熱を利用して冷媒を冷却するコイル構造のものが使用されている。この場合噴霧水５６ａは下部の散水溜めタンク５８よりポンプ５９により噴霧管５６を介して循環噴霧するようにしてある。
【０００４】
ところで、上記従来のプレートフィン熱交換器の場合は、冷却媒体である空気側の熱伝達率は冷媒側の熱伝達率と比較して非常に小さいので、熱交換器としては空気側に大きな伝熱面積を付加する必要があり、そのために冷媒管の外側に大きな面積を持つフィンを設ける必要がありスペース効率が悪い問題がある。
また、上記フィン付きの場合空気温度が低下すると空気中の水分がフィンに着霜し伝熱面積を減少させ、熱伝達効率を低下させる問題がある。
また、フィン付き冷媒管の場合通過する気流に温度変化があると熱交換率が低下する問題がある。
【０００５】
また、上記蒸発式凝縮器の場合、多量の水が噴霧水と使用され、また冷媒管がコイル構造のため、コイル内に多量の冷媒が常時保有されることになり、コスト高と冷媒漏洩の場合漏洩量が多くなってしまうマイナス面を持っている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたもので、冷媒の持つ熱を冷媒管の管壁よりの管壁外側の空気側への熱の伝達に際しての、層流による熱伝導を主体とする熱伝達において、フィン表面上の切り起しによる温度境界層の発達阻止による熱伝達率の向上が僅かに図られている従来の手法に対し、本発明では伝熱面における冷却媒体の流れを層流より不安定な乱流に遷移させ物理量であるエンタルピの乱流拡散を起して熱伝達率の格段の向上を図るようにしたもので、そのため、冷却媒体を噴流状に伝熱壁面に衝突させ衝突噴流を形成させ、伝熱面上の壁面噴流領域に乱流を形成させ、さらに隣接衝突噴流同士のよどみ点での左右分離後に前記壁面噴流領域において対向噴流の衝突を惹起させ、熱の効率的外部拡散を図かるようにしたものである。
【０００７】
そのために、従来の冷媒管の代わりに平板状熱交換パネルを使用し、該パネルのパネル面に対し冷却媒体である空気の衝突噴流を形成させ、該噴流がパネル面へ衝突後のパネル面上に形成される壁面噴流領域に二次元乱流壁面噴流を形成させ、高効率の熱伝達を可能にする。
而して上記高効率の熱の授受が終了した噴流は、隣接スリットからの前記同様に形成された二次元乱流壁面噴流との間に対向噴流を形成させ、その衝突により上方排出流を形成して外部へ拡散できるようにし、熱伝達率の著しく高い熱交換器の提供を可能にしたものである。
【０００８】
また、蒸発式凝縮器としては、上記噴流式熱交換器の噴流空気に水を混入させ、水の潜熱の高効率利用を図ったものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明の噴流式熱交換器は、
直立平板状熱交換パネルと、該パネルのパネル面に対し高速冷却媒体の噴流を垂直に衝突させ衝突噴流を形成させる複数列直立スリット群と、より構成し、
更に前記複数列直立スリット群は、前記直立平板状熱交換パネルに平行に延設した断面台形状の高速冷却媒体供給ダクトの傾斜面に植設され、スリット間の外側に開放空間を形成させ、該空間により上方排出流の排出路を形成する構成としたことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の複数列直立スリット群は、隣接スリットからの噴流同士がパネル面に衝突後壁面噴流領域において対向噴流同士の衝突を惹起させ、上方排出流を形成させるべく適当間隔に配設するのがよい。
【００１１】
【００１２】
また、本発明の複数列直立スリット群と前記直立平板状熱交換パネル面とは、適当距離をあけて交互にサンドイッチ状に対向並設するのがよい。
【００１３】
また、本発明の冷却媒体は例えば空気によりなる。
【００１４】
また、本発明の噴流式熱交換器を使用した蒸発式凝縮器は、
請求項５に記載したように、直立平板状熱交換パネルと、該パネルのパネル面に対し高速冷却媒体の噴流を垂直に衝突させ衝突噴流を形成させる複数列直立スリット群と、より構成した噴流式熱交換器において、
前記冷却媒体は空気と水との混相流より構成し、該混相流形成用の水滴噴霧ノズルを高速冷却媒体中に設け、
更に前記複数列直立スリット群は、前記直立平板状熱交換パネルに平行延設した断面台形状の高速気流供給ダクトの傾斜面に植設され、スリット間の外側に開放空間を形成させ、該空間により上方排出流の排出路を形成する構成とした、ことを特徴とする。
【００１５】
また、前記複数列直立スリット群は、隣接スリットからの噴流同士がパネル面に衝突後壁面噴流領域において対向噴流同士の衝突を惹起させ、上方排出流を形成させるべく適当間隔に配設するのがよい。
【００１６】
【００１７】
また、前記複数列直立スリット群と前記直立平板状熱交換パネル面とは、適当距離をあけて交互にサンドイッチ状に対向並設する、構成とするのがよい。
【００１８】
【作用】
従って、請求項１に対応する本発明に係わる噴流式熱交換器は、従来のコイル状冷媒管の代わりに使用した直立平板状熱交換パネルと、該熱交換パネルのパネル面に冷却媒体の２次元噴流による衝突噴流を形成させるべく該パネル面に対し適当距離を於いて並設した複数列直立スリット群と、よりなる構成にしてある。  そのため、複数列直立スリット群より対向位置にある直立平板状熱交換パネルのパネル面に向け吹き出された冷却媒体よりなる高速冷却媒体は、二次元噴流を形成して伝熱面である前記パネル面に垂直に衝突した後衝突中心のよどみ点より左右に分離し、分離した噴流は前記よどみ点のある衝突領域の下流側の壁面噴流領域に二次元乱流壁面噴流を形成する。
上記二次元乱流壁面噴流により、冷却媒体と伝熱面との間では従来の層流による熱伝達に対しては比較にならない程効率の高い乱流熱伝達が行われる。
即ち、上記層流による熱伝達は熱伝導によってのみ熱移動が行われるが、乱流熱伝達においては熱伝導による熱移動に加えて乱流変動によるエンタルピ輸送が重なり合うため、層流に比較し著しく大なる熱伝達率を持つ。しかも、その高効率の熱伝達は前記よどみ点の両側下流に展開された壁面噴流領域で行われる。
更に加えて複数列の直立スリット群は、対向位置にある直立平板状熱交換パネルに対し、平行に延設した断面形状が台形の高速冷却媒体供給ダクトの両面ないし片面の傾斜面に植設され、隣接するスリット間の外側には上方への開放空間を形成させてある。そのため、パネル面への衝突噴流が二次元乱流壁面噴流形成後向流噴流を形成して向流噴流同士が衝突するまでの間上記壁面噴流領域における熱の授受を終了して加熱された冷却媒体は、上方排出流となり境界層の外側に拡散し、下部に滞留することなく前記開放空間を上昇して外部へ排出される。
【００１９】
また、請求項２記載の発明においては、前記複数列直立スリット群のスリット間隔を適当に設定して下記上方排出流が効率よく形成できるようにしたものである。即ち、
隣接位置にあるスリット同士より平行に吹き出される衝突噴流は直立平板状熱交換パネルのパネル面に衝突後よどみ点より左右にそれぞれ分離する。そして衝突領域の下流側の壁面噴流領域に形成された二次元乱流壁面噴流同士は、対向噴流となり前記壁面噴流領域の末端で衝突が惹起される。その衝突により上方への上方排出流が形成される。
隣接スリットの間隔を適当に設定して上記二次元乱流壁面噴流同士が衝突して上方排出流を形成させるようにしてあるため、複数列の多段スリット構造により、さきに衝突噴流により壁面噴流領域において高効率の熱交換をした冷却媒体は上記向流噴流の衝突により前記壁面噴流領域の境界層の外側に分離拡散排出させることができる。
【００２０】
【００２１】
また、請求項３記載の発明においては、
前記複数列直立スリット群は、直立平板状熱交換パネルのパネル両面に対し、前記衝突噴流の形成に必要とする適当距離を置いて、複数列片面直立スリット群→パネル両面→複数列両面スリット群→…→パネル両面→複数列片面直立スリット群、とサンドイッチ状に対向並設してあるため、所用熱交換用空間を適宜設定できる。
【００２２】
また、請求項４記載の発明においては、冷却媒体に例えば空気を使用する構成にしたものである。
【００２３】
また、請求項５記載の発明においては、前記請求項１の噴流式熱交換器を使用した蒸発式凝縮器に関するもので、
直立平板状熱交換パネルと、該パネル面に対し冷却媒体の噴流を垂直に衝突させて衝突噴流を形成させる複数列の直立スリット群と、よりなる噴流式熱交換器において、
前記冷却媒体は空気と水との混相流より構成し、該混相流形成用の水滴噴霧ノズルを高速媒体である高速気流中に設けたもので、
前記請求項１の噴流式熱交換器の効果に加えて、空気とともに水を混合した状態で、前記複数列の直立スリットよりの噴流を形成させてあるため、前記空気と水の混相流の顕熱及び潜熱は冷媒に対し高速熱交換を可能とし、高効率の冷媒の凝縮を可能とすることができる。
【００２４】
また、請求項６記載の発明においては、前記直立スリット群における各スリットの間隔を適当に設定して、各スリットからの噴流がパネル面での衝突噴流を形成後壁面噴流領域において向流噴流同士の衝突を壁面噴流領域の末端付近の適当位置に惹起させ、上方排出流を形成させるようにしたもので、壁面領域での空気の顕熱及び水の潜熱を介しての熱の授受が最適条件で行われるようにしたものである。
【００２５】
また、請求項７記載の発明の作用は、前記請求項３の発明における作用と類似の作用を持つ。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載される構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載が無い限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１は本発明の噴流式熱交換器の概略の構成を示す斜視図で、図２は衝突噴流により形成される衝突噴流領域及び壁面噴流領域の状況を示す図である。図３の（Ａ）はスリットより吹き出した噴流が衝突噴流を形成後上方排出流となり外部へ上昇排出される状況を示す模式図で、同図（Ｂ）は伝熱面である直立平板状熱交換パネルのパネル面における噴流との間の熱交換の状況を示す平面図である。図４は本発明の噴流式熱交換器を蒸発式凝縮器として使用する場合概略構成を示す斜視図である。図５（Ａ）は図４のＶ−Ｖ視図で水滴と混合した混相流がスリットに吸い込まれる状況を示す図で、（Ｂ）は図４の一部破断部分平面図でスリットより空気と水滴の混相流の噴流が熱交換パネルのパネル面へ衝突噴流を形成する状況を示す図である。
【００２７】
図１に示すように、本発明の噴流式熱交換器は、冷媒を凝縮させる直立平板状熱交換パネル１０、１０、…と該パネル１０を挟持するようにしてサンドイッチ状に並設した複数のスリット１２ａを持つ複数列直立スリット群１２と、該スリット群１２を植設させた高速冷却媒体である高速気流供給ダクト１１と、高速気流をスリット１２ａを介して噴流を形成させる高速気流送風用ファン１３と、より構成する。
【００２８】
上記高速気流供給ダクト１１は、前記直立平板状熱交換パネル１０に対し適当距離を置いて並設された台形状の断面形状を持つ筐体よりなり、その片面ないし両面のテーパ状の傾斜面１１ａに直立スリット１２ａを適当間隔を置いて植設して、複数列直列スリット群１２を形成させ、前記高速気流送風用ファン１３により外気を高速気流２１として高速気流供給ダクト１１、１１、…の下部より送り込み、図２に示すように植設されてあるスリット１２ａより吹き出させ噴流１２ｂを形成するようにしてある。
なお、上記直立平板状熱交換パネル１０の熱の伝達面であるパネル面１０ａに対し適当距離を置いてスリット１２ａの吐出口を直面させ、噴流１２ｂをパネル面に対し垂直に吹き出し最適の衝突噴流１５を形成するようにしてある。また、前記スリット１２ａは隣接するスリットの間隔を適当に設定して、後記する二次元乱流壁面噴流１４による熱の授受が効率よく行われるように植設して複数列直立スリット群１２を構成するようにしてある。
【００２９】
なお、直立平板状熱交換パネル１０と複数列直立スリット群１２とは図１に示すように複数列直立スリット群１２が常に直立平板状熱交換パネル１０の両側のパネル面１０ａに対向挟持するように構成し、図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように隣接するスリット１２ａ、１２ａの外側空間に開放空間１８を形成させ、後記する上方排出流２０の排出路を形成するようにしてある。
【００３０】
上記構成であるので、図２に示すようにスリット１２ａよりパネル面１０ａに向け垂直に高速で吹き出された高速気流は二次元噴流１２ｂを形成し、パネル面１０ａに衝突して衝突噴流１５を形成する。衝突噴流１５はパネル面１０ａとの衝突よどみ点の衝突噴流領域１６で左右に分流し、その下流の壁面噴流領域１７に二次元乱流壁面噴流１４を形成する。
上記二次元乱流壁面噴流１４における乱流境界層では壁面に垂直方向の流体運動が活発でエンタルピの輸送も大きく壁面に対する熱伝達量は熱伝導のみにたよる層流に比較し著しく大なる値を持つ。
【００３１】
上記して各スリットの噴流により壁面噴流領域１７で形成された二次元乱流壁面噴流１４は、図３（Ａ）（Ｂ）に示すように、隣接するスリット間ではお互い対向する対向噴流を形成して壁面噴流領域１７の末端部位で衝突して上方排出流２０、２０…を形成し境界層１７ａより外側に拡散離脱する。
即ち、上記壁面噴流領域１７において乱流熱伝達により充分な熱の授受を終了した二次元乱流壁面噴流１４は、壁面噴流領域の適当末端位置で上方排出流２０を形成して外気へ排出される。
【００３２】
上記したように、また、図３（Ｂ）に見るように、本発明の噴流式熱交換器は、熱伝達に必要な部分である壁面噴流領域１７のみに乱流熱伝達を形成させるべく、パネル面の適当位置、適当間隔に衝突噴流１５を形成させた効率的な熱交換器である。
また、上下方向に開口されたスリット状の吐出口を横方向に多数列設けることにより伝熱面である熱交換パネル面へ高速気流を送風するようにしてあるため、前記パネル面には一定温度の気流が衝突し安定した熱交換率を得ることができる。  また、高速気流を熱交換パネル面へ衝突させることで、着霜現象を排除でき、一定能力の熱交換を可能にしている。
【００３３】
図４には、図１に示す本発明の噴流式熱交換器を使用した蒸発式凝縮器の概略の構成を示してある。本発明の蒸発式凝縮器は、図４、図５（Ａ）に見るように、図１の噴流式熱交換器の冷却媒体に空気と水の混相流を使用したもので、混相流形成用の水滴噴霧ノズル２５、２５、…を高速気流供給ダクト１１、１１、…の基部に設け、水タンク２４よりポンプ２８、送水管２２を介して高速気流中に水滴２３ａを噴霧して混相流２３を形成し、直立状のスリット１２ａより混相噴流を熱交換パネル１０のパネル面１０ａに垂直に衝突させ、図５（Ｂ）に示す混相流による衝突噴流２３ｂを形成させるようにしてある。
【００３４】
上記構成であるので、空気とともに水が高速で熱交換パネル面に供給衝突され、熱交換するが、前記したように熱交換に必要な伝熱面にのみに空気と水が接触して乱流熱伝達が行われる。
【００３５】
【発明の効果】
上記構成により、本発明の噴流式熱交換器及び蒸発式凝縮器により、乱流熱伝達を可能にして高効率の熱交換ないし凝縮を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の噴流式熱交換器の概略の構成を示す斜視図である。
【図２】  図１の衝突噴流により形成される衝突噴流領域及び壁面噴流領域の状況を示す図である。
【図３】  （Ａ）は図１において、スリットより吹き出した噴流が衝突噴流を形成後上方排出流となり外部へ上昇排出される状況を示す模式図である。
（Ｂ）は図１において、伝熱面である直立平板状熱交換パネルのパネル面における噴流との間の熱交換の状況を示す平面図である。
【図４】  本発明の噴流式熱交換器を蒸発式凝縮器として使用する場合概略構成を示す斜視図である。
【図５】  （Ａ）は図４のＶ−Ｖ視図で水滴と混合した混相流がスリットに吸い込まれる状況を示す図である。
（Ｂ）は図４の平面図でスリットより空気と水滴の混相流の噴流が熱交換パネルのパネル面へ衝突噴流を形成する状況を示す図である。
【図６】  従来の空気凝縮器の概略の構成を示す図である。
【図７】  従来の蒸発式凝縮器の概略の構成を示す図である。
【符号の説明】
１０  直立平板状熱交換パネル
１０ａ  パネル面
１１  高速気流供給ダクト
１１ａ  傾斜面
１２  複数列直立スリット群
１２ａ  スリット
１２ｂ  噴流
１３  高速空気送風用ファン
１４  二次元乱流壁面噴流
１５  衝突噴流
１５ａ  よどみ点
１６  衝突噴流領域
１７  壁面噴流領域
１８  開放空間
２０  上方排出流
２１  高速気流
２３  混相流
２５  水滴ノズル
【図１】
0003909534.tif 000002
【図２】
0003909534.tif 000003
【図３】
0003909534.tif 000004
【図４】
0003909534.tif 000005
【図５】
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【図６】
0003909534.tif 000007
【図７】
0003909534.tif 000008