(57)【要約】【課題】熱交換を行う流体の実流量を増加させることなく、効率的に熱交換を行うことが可能であり、かつ、小型化が可能な熱交換装置、およびこれを用いた熱交換方法を提供する。【解決手段】第一流体および第二流体が伝熱隔壁の一面側および他面側にそれぞれ沿って流れ、前記伝熱隔壁を介して前記第一流体と前記第二流体との間で熱交換を行う熱交換装置であって、前記伝熱隔壁の一面側および他面側の少なくともいずれか一方において、前記第一流体および前記第二流体の少なくともいずれか一方の一部を流出側から流入側に向けて還流する循環手段を備えた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一流体および第二流体が伝熱隔壁の一面側および他面側にそれぞれ沿って流れ、前記伝熱隔壁を介して前記第一流体と前記第二流体との間で熱交換を行う熱交換装置であって、
前記伝熱隔壁の一面側および他面側の少なくともいずれか一方において、前記第一流体および前記第二流体の少なくともいずれか一方の一部を流出側から流入側に向けて還流する循環手段を備えたことを特徴とする熱交換装置。
【請求項２】
前記伝熱隔壁は、前記第一流体および前記第二流体の少なくともいずれか一方が流れる管路によって構成されることを特徴とする請求項１記載の熱交換装置。
【請求項３】
前記循環手段は、前記第一流体および前記第二流体のそれぞれの一部を流出側から流入側に向けて還流する循環ポンプであることを特徴とする請求項１または２記載の熱交換装置。
【請求項４】
前記循環手段を流れる還流流体は、前記流入側の合流部において、前記第一流体および前記第二流体の少なくともいずれか一方の流れ方向に対して合流することを特徴とする請求項１ないし３いずれか一項記載の熱交換装置。
【請求項５】
前記循環手段に向かう還流流体は、前記流出側の分岐部において、前記第一流体および前記第二流体の少なくともいずれか一方の流れ方向に対して分岐することを特徴とする請求項１ないし４いずれか一項記載の熱交換装置。
【請求項６】
伝熱隔壁の一面側および他面側に沿って第一流体および第二流体をそれぞれ流し、前記伝熱隔壁を介して前記第一流体と前記第二流体との間で熱交換を行う熱交換方法であって、
前記伝熱隔壁の一面側および他面側の少なくともいずれか一方において、前記第一流体および前記第二流体の少なくともいずれか一方の一部を流出側から流入側に向けて還流させ、少なくとも前記伝熱隔壁において、前記第一流体および前記第二流体の少なくともいずれか一方の流量を増加させる循環工程を備えたことを特徴とする熱交換方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、互いに熱エネルギーの異なる流体どうしの間で熱移動を行う熱交換装置、および熱交換方法に関し、詳しくは、流体どうしの間で熱交換を効率的に行うことが可能な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱交換装置（熱交換器）は、互いに熱エネルギーの異なる流体どうしの間で、より熱エネルギーの低い流体に向けて熱を移動させる装置であり、冷却・加熱器、蒸発器、凝縮器、放熱器など多くの機器に使用されている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
こうした熱交換器は、流体の単位流量あたりの熱移動量を高めるほど、効率的に熱交換を行うことができる。このため、従来から、熱交換効率を高めるために、例えば、熱交換を行う流体同士を区画しつつ熱移動させる伝熱隔壁の材料を熱伝導率の高い材料で構成したり、伝熱隔壁の厚みを薄くするなどが行われてきた。また、細管化して、伝熱隔壁の表面積の増大によって熱交換効率を高める方法も広く知られている（例えば、特許文献２を参照）。
【０００４】
しかしながら、伝熱隔壁の熱伝導率は材料に応じた固有の値であり、伝熱隔壁の構成材料の選択による熱伝導率の向上には限界がある。また、伝熱隔壁の厚みを薄くすると、僅かな腐蝕で流体が漏えいしたり、伝熱隔壁の強度が低下するため、流体の流量を大きくすることが難しいという課題がある。更に、伝熱隔壁の表面積を増大させる場合、熱交換装置が大型化し、省スペースで熱交換効率に優れた熱交換装置を提供することが困難であるという課題があった。
【０００５】
一方、熱交換を行う流体の伝熱隔壁における流量を高めると、熱伝導率も高められることが知られている。このため、流体の流量を増加させて流量を高めることによって、熱伝導性を向上させた効率的な熱交換を行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１７７６２３号公報
【特許文献２】特開２０１０−０８５０３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、一般に熱交換を行う流体の流量には設計上の制限があり、流量を高めて熱交換効率を向上させることは困難であった。また、同一面積下で熱交換装置に流入させる流体の実流量を高める場合、流体の熱利用率（温度差が小さくなるため）が下がり資源の無駄使いとなる上に、伝熱隔壁に向けて流体を送り込むポンプの大型化、導入配管の大口径化などが必要になり、コスト上も問題である。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、熱交換装置に流入させる流体の実流量を増加させずに、熱交換装置の内部だけ流体の実流量を増加させることによって、効率的に熱交換を行うことが可能であり、かつ、小型化が可能な熱交換装置、およびこれを用いた熱交換方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
すなわち、本発明の熱交換装置、および熱交換方法は、以下の構成を有する。
［１］第一流体および第二流体が伝熱隔壁の一面側および他面側にそれぞれ沿って流れ、前記伝熱隔壁を介して前記第一流体と前記第二流体との間で熱交換を行う熱交換装置であって、前記伝熱隔壁の一面側および他面側の少なくともいずれか一方において、前記第一流体および前記第二流体の少なくともいずれか一方の一部を流出側から流入側に向けて還流する循環手段を備えたことを特徴とする。
【００１０】
このような構成の熱交換装置によれば、熱交換装置に第一流体や第二流体を流す際に、第一流体や第二流体の一部を伝熱隔壁を含む領域の間で還流させる。これによって、熱交換装置に流入する流体の実流量を増加させなくても、伝熱隔壁を含む領域の間で流体の実流量を高めることができる。そして、実流量が高められた流体は伝熱隔壁での熱交換効率を高める。よって、熱交換効率に優れ、かつ、実流量の増加による資源の無駄使いとなることのない熱交換装置、およびこれを用いた熱交換方法を実現することができる。
【００１１】
［２］前記伝熱隔壁は、前記第一流体および前記第二流体の少なくともいずれか一方が流れる管路によって構成されることを特徴とする。
【００１２】
［３］前記循環手段は、前記第一流体および前記第二流体のそれぞれの一部を流出側から流入側に向けて還流する循環ポンプであることを特徴とする。
【００１３】
［４］前記循環手段を流れる還流流体は、前記流入側の合流部において、前記第一流体および前記第二流体の少なくともいずれか一方の流れ方向に対して合流することを特徴とする。
【００１４】
［５］前記循環手段に向かう還流流体は、前記流出側の分岐部において、前記第一流体および前記第二流体の少なくともいずれか一方の流れ方向に対して分岐することを特徴とする。
【００１５】
［６］伝熱隔壁の一面側および他面側に沿って第一流体および第二流体をそれぞれ流し、前記伝熱隔壁を介して前記第一流体と前記第二流体との間で熱交換を行う熱交換方法であって、前記伝熱隔壁の一面側および他面側の少なくともいずれか一方において、前記第一流体および前記第二流体の少なくともいずれか一方の一部を流出側から流入側に向けて還流させ、少なくとも前記伝熱隔壁において、前記第一流体および前記第二流体の少なくともいずれか一方の流量を増加させる循環工程を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の熱交換装置、および熱交換方法によれば、熱交換装置に流入させる流体の実流量を増加させることなく効率的に熱交換を行うことが可能であり、かつ、熱交換装置の小型化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第一実施形態における熱交換装置を示す模式図である。
【図２】本発明の第二実施形態における熱交換装置を示す模式図である。
【図３】本発明の第三実施形態における熱交換装置を示す模式図である。
【図４】本発明の第四実施形態における熱交換装置を示す模式図である。
【図５】本発明の検証結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明を適用した実施形態である熱交換装置、および熱交換方法について図面を参照して説明する。なお、以下に示す実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、一般的な向流型熱交換ケースで説明し、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
【００１９】
＜第一実施形態＞
図１は、第一実施形態の熱交換装置の一例を示す模式図である。
本実施形態の熱交換装置１０は、中空円筒形の外管（管路）１１と、この外管１１の中心部を貫通する中空円筒形の内管（管路）１２と、循環手段１３とを備えている。内管１２は、その外径が外管１１よりも小さく、外管１１の内周面と内管１２の外周面との間に、熱交換を行う一方の流体である第一流体Ｆ１の流路となる空間が形成される。一方、内管１２の内周面の内側は、熱交換を行う他方の流体である第二流体Ｆ２の流路となる空間を成す。即ち、外管１１と内管１２によって二重管構造を構成している。
【００２０】
内管１２のうち、その外周面で第一流体Ｆ１と接する部分は、第一流体Ｆ１と第二流体Ｆ２とを区画しつつ熱を伝搬させる伝熱隔壁Ｈｗを成す。この伝熱隔壁Ｈｗにおいては、その一面側Ｈｗ１（即ち、内管１２の外周面の一部）において第一流体Ｆ１と接し、他面側Ｈｗ２（即ち、内管１２の内周面の一部）において第二流体Ｆ２と接する。
【００２１】
そして、伝熱隔壁Ｈｗを介して、第一流体Ｆ１と第二流体Ｆ２との間で熱交換が行われる。本実施形態では、それぞれ流入側において、第一流体Ｆ１よりも第二流体Ｆ２のほうが高温であり、伝熱隔壁Ｈｗにおいて、第二流体Ｆ２から第一流体Ｆ１に向けて熱が移動する。即ち、本実施形態は、第二流体Ｆ２を第一流体Ｆ１によって冷却する冷却器の例である。
【００２２】
本実施形態では、伝熱隔壁Ｈｗにおいて、第一流体Ｆ１および第二流体Ｆ２の流れる方向が互いに逆方向である向流とされている。即ち、第一流体Ｆ１は、図１中において、左側が流入側Ｐ１ａ、右側が流出側Ｐ１ｂとされる。一方、第二流体Ｆ２は、図１中において、右側が流入側Ｐ２ａ、左側が流出側Ｐ２ｂとされる。こうした熱交換を行う流体同士を向流とすれば、流体同士を互いに同一方向に流す並流と比較して、熱交換効率が向上する。
【００２３】
なお、第一流体Ｆ１の流入側Ｐ１ａや、第二流体Ｆ２の流入側Ｐ２ａには、それぞれ第一流体Ｆ１、第二流体Ｆ２を熱交換装置１０に導入する供給ポンプ（図示略）が接続されていればよい。
【００２４】
外管１１および内管１２は、熱伝導性に優れた材料、例えば、金属管から構成される。特に、伝熱隔壁Ｈｗを成す内管１２は、熱伝導性に優れた銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金などから構成することが好ましい。また、腐蝕性流体の場合には、当該腐蝕性流体に対する耐蝕性を有する耐蝕性材料を用いることができる。また、内管１２の厚みは、第一流体Ｆ１や第二流体Ｆ２の圧力に耐えられる範囲内で極力薄くすることが好ましい。
【００２５】
本実施形態では、第一流体Ｆ１の流入側Ｐ１ａに接続される位置と、第一流体Ｆ１の流出側Ｐ１ｂに接続される位置とを結ぶように循環手段１３が形成されている。循環手段１３は、例えば、循環ポンプとこれに接続される配管からなり、流出側Ｐ１ｂから流出する第一流体Ｆ１の一部を分岐部Ｄｉ１から還流流体Ｆ３として吸引する。そして、この還流流体Ｆ３を流入側Ｐ１ａに設けられた合流部Ｊｏ１において、熱交換装置１０に流入させる第一流体Ｆ１に合流させる。
【００２６】
こうした還流流体Ｆ３によって、伝熱隔壁Ｈｗと接する領域を含む合流部Ｊｏ１と分岐部Ｄｉ１との区間においては、第一流体Ｆ１の流量は、外部から熱交換装置１０に流入する第一流体Ｆ１の流量に還流流体Ｆ３の流量を加えたもの（Ｆ１＋Ｆ３）となる。こうした流量の増加によって、伝熱隔壁Ｈｗの一面側Ｈｗ１に沿って流れる第一流体Ｆ１の流量が高められる。即ち、伝熱隔壁Ｈｗにおける第一流体Ｆ１の実流量を高めることができる。
【００２７】
外部から熱交換装置１０に流入する第一流体Ｆ１に対する好ましい還流流体Ｆ３の流量範囲は、例えば、外部から熱交換装置１０に流入する第一流体Ｆ１の流量に対して、５０％〜２５０％の範囲にすることが好ましい。なお、理論上は、還流流体Ｆ３の流量を大きくするほど、伝熱効果は高まるが、実施形態に示した構成においては、その耐圧性、一般的な配管材質の腐蝕・耐圧特性と、圧力損失による循環手段１３（循環ポンプ）への制限から、上述した流量範囲としている。こうした還流流体Ｆ３の流量範囲にすることで、伝熱隔壁Ｈｗにおいて、第一流体Ｆ１の実流量を高めることが可能になる。なお、第二流体Ｆ２の配管（内管１２）内では、断面積が均一であるために、外側を流れる第一流体Ｆ１よりも圧損が大きくなるため、流量を５０％〜２００％の範囲にすることが好ましい。
【００２８】
以上のような熱交換装置の作用、およびこれを用いた熱交換方法について説明する。
本実施形態の熱交換装置１０を用いた熱交換方法では、伝熱隔壁Ｈｗの一面側Ｈｗ１において、第一流体Ｆ１の一部を流出側Ｐ１ｂから流入側Ｐ１ａに向けて還流させ、少なくとも伝熱隔壁Ｈｗにおいて、第一流体Ｆ１の流量を増加させる循環工程を備える。
【００２９】
即ち、循環手段１３によって第一流体Ｆ１の一部を流出側Ｐ１ｂから流入側Ｐ１ａに向けて還流（還流流体Ｆ３）させ、伝熱隔壁Ｈｗに沿って流れる領域における流体の流量を第一流体Ｆ１＋還流流体Ｆ３となるように増加させ、これにより第一流体Ｆ１の実流量を向上させる。これによって、外部から熱交換装置１０に流入する第一流体Ｆ１の実流量を増加させなくても、伝熱隔壁Ｈｗに沿った流域において第一流体Ｆ１の実流量が高められる。実流量が高められた第一流体Ｆ１は、伝熱隔壁Ｈｗを介して向流する第二流体Ｆ２から効率的に熱を吸収する。よって、第一流体Ｆ１の一部を還流させない場合と比較して、同一の実流量であっても第二流体Ｆ２をより効果的に冷却することが可能になる。以上の構成によって、装置自体を大型化させることなく、熱交換効率を高めた熱交換装置、およびこれを用いた熱交換方法を実現することができる。
【００３０】
なお、上述した実施形態において、第一流体Ｆ１や第二流体Ｆ２は、液体でも気体でもよい。こうした第一流体Ｆ１や第二流体Ｆ２として、例えば、水、油、有機ガス、無機ガスなどを用いることができる。
【００３１】
また、伝熱隔壁は、上述した中空円筒形の管状体以外にも、平板状の伝熱隔壁や、螺旋形の伝熱隔壁など、流体同士を隔離しつつ熱交換が可能な形状であればどのようなものでもよく、限定されるものではない。
【００３２】
＜第二実施形態＞
図２は、第二実施形態の熱交換装置の一例を示す模式図である。
本実施形態の熱交換装置２０は、中空円筒形の外管１１と、この外管１１の中心部を貫通する中空円筒形の内管１２と、循環手段２３、２４とを備えている。内管１２は、その外径が外管１１よりも小さく、外管１１の内周面と内管１２の外周面との間に、熱交換を行う一方の流体である第一流体Ｆ１の流路となる空間が形成される。一方、内管１２の内周面の内側は、熱交換を行う他方の流体である第二流体Ｆ２の流路となる空間を成す。即ち、外管１１と内管１２によって二重管構造を構成している。
【００３３】
内管１２のうち、その外周面で第一流体Ｆ１と接する部分は、第一流体Ｆ１と第二流体Ｆ２とを区画しつつ熱を伝搬させる伝熱隔壁Ｈｗを成す。この伝熱隔壁Ｈｗにおいては、その一面側Ｈｗ１（即ち、内管１２の外周面の一部）において第一流体Ｆ１と接し、他面側Ｈｗ２（即ち、内管１２の内周面の一部）において第二流体Ｆ２と接する。
【００３４】
そして、伝熱隔壁Ｈｗを介して、第一流体Ｆ１と第二流体Ｆ２との間で熱交換が行われる。本実施形態では、それぞれ流入側において、第二流体Ｆ２は高温蒸気、第一流体Ｆ１は冷却水であり、伝熱隔壁Ｈｗにおいて、第二流体Ｆ２から第一流体Ｆ１に向けて熱が移動し、第二流体Ｆ２が冷却されて液化する。即ち、本実施形態は、熱交換装置の一例として、第二流体Ｆ２を第一流体Ｆ１によって冷却して凝集させる凝集器を示している。
【００３５】
本実施形態では、伝熱隔壁Ｈｗにおいて、第一流体Ｆ１および第二流体Ｆ２の流れる方向が互いに逆方向である向流とされている。即ち、第一流体Ｆ１は、図３中において、左側が流入側Ｐ１ａ、右側が流出側Ｐ１ｂとされる。一方、第二流体Ｆ２は、図３中において、右側が流入側Ｐ２ａ、左側が流出側Ｐ２ｂとされる。こうした熱交換を行う流体同士を向流とすれば、流体同士を互いに同一方向に流す並流と比較して、熱交換効率が向上する。
【００３６】
なお、第一流体Ｆ１の流入側Ｐ１ａや、第二流体Ｆ２の流入側Ｐ２ａには、それぞれ第一流体Ｆ１、第二流体Ｆ２を熱交換装置３０に導入する供給ポンプ（図示略）が接続されていればよい。
【００３７】
外管１１および内管１２は、熱伝導性に優れた材料、例えば、金属管から構成される。特に、伝熱隔壁Ｈｗを成す内管１２は、熱伝導性に優れた銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金などから構成することが好ましい。また、腐蝕性流体の場合には、当該腐蝕性流体に対する耐蝕性を有する耐蝕性材料を用いることができる。また、内管１２の厚みは、第一流体Ｆ１や第二流体Ｆ２の圧力に耐えられる範囲内で極力薄くすることが好ましい。
【００３８】
本実施形態では、第一流体Ｆ１の流入側Ｐ１ａに接続される位置と、第一流体Ｆ１の流出側Ｐ１ｂに接続される位置とを結ぶように循環手段２３が形成されている。循環手段２３は、例えば、循環ポンプとこれに接続される配管からなり、流出側Ｐ１ｂから流出する第一流体Ｆ１の一部を分岐部Ｄｉ１から還流流体Ｆ３ａとして吸引する。そして、この還流流体Ｆ３ａを流入側Ｐ１ａに設けられた合流部Ｊｏ１において、熱交換装置２０に流入させる第一流体Ｆ１に合流させる。
【００３９】
こうした還流流体Ｆ３ａによって、伝熱隔壁Ｈｗと接する領域を含む合流部Ｊｏ１と分岐部Ｄｉ１との区間においては、流体の流量は、外部から熱交換装置２０に流入する第一流体Ｆ１の流量に還流流体Ｆ３ａの流量を加えたもの（Ｆ１＋Ｆ３ａ）となる。こうした流量の増加によって、伝熱隔壁Ｈｗの一面側Ｈｗ１に沿って流れる第一流体Ｆ１の流速が早められる。即ち、伝熱隔壁Ｈｗにおける第一流体Ｆ１の実流量を高めることができる。
【００４０】
また、本実施形態では、第二流体Ｆ２の流入側Ｐ２ａに接続される位置と、第二流体Ｆ２の流出側Ｐ２ｂに接続される位置とを結ぶように循環手段２４が形成されている。循環手段２４は、例えば、循環ポンプとこれに接続される配管からなり、流出側Ｐ２ｂから流出する第二流体Ｆ２の一部を分岐部Ｄｉ２から還流流体Ｆ３ｂとして吸引する。そして、この還流流体Ｆ３ｂを流入側Ｐ２ａに設けられた合流部Ｊｏ２において、熱交換装置２０に流入させる第二流体Ｆ２に合流させる。
【００４１】
こうした還流流体Ｆ３ｂによって、伝熱隔壁Ｈｗと接する領域を含む合流部Ｊｏ２と分岐部Ｄｉ２との区間においては、流体の流量は、外部から熱交換装置２０に流入する第二流体Ｆ２の流量に還流流体Ｆ３ｂの流量を加えたもの（Ｆ２＋Ｆ３ｂ）となる。こうした流量の増加によって、伝熱隔壁Ｈｗの二面側Ｈｗ２に沿って流れる第二流体Ｆ２の流速が早められる。即ち、伝熱隔壁Ｈｗにおける第二流体Ｆ２の実流量を高めることができる。
【００４２】
以上のような熱交換装置の作用、およびこれを用いた熱交換方法について説明する。
本実施形態の熱交換装置２０を用いた熱交換方法では、伝熱隔壁Ｈｗの一面側Ｈｗ１において、第一流体Ｆ１の一部を流出側Ｐ１ｂから流入側Ｐ１ａに向けて還流させ、また、他面側Ｈｗ２において、第二流体Ｆ２の一部を流出側Ｐ２ｂから流入側Ｐ２ａに向けて還流させ、第一流体Ｆ１および第二流体Ｆ２の流量を増加させる循環工程を備える。
【００４３】
即ち、循環手段２３によって、第一流体Ｆ１の一部を流出側Ｐ１ｂから流入側Ｐ１ａに向けて還流させ、伝熱隔壁Ｈｗに沿って流れる領域における第一流体Ｆ１の流量を増加させ、これにより第一流体Ｆ１の実流量を向上させる。また、循環手段２４によって、第二流体Ｆ２の一部を流出側Ｐ２ｂから流入側Ｐ２ａに向けて還流させ、伝熱隔壁Ｈｗに沿って流れる領域における第二流体Ｆ２の流量を増加させ、これにより第二流体Ｆ２の実流量を向上させる。
【００４４】
こうした構成によって、外部から熱交換装置２０に流入する第一流体Ｆ１、および第二流体Ｆ２の実流量をそれぞれ増加させなくても、伝熱隔壁Ｈｗに沿った流域において第一流体Ｆ１、および第二流体Ｆ２の実流量が高められる。実流量が高められた第一流体Ｆ１および第二流体Ｆ２は、互いに効率よく熱交換を行い第一流体Ｆ１の熱を第二流体Ｆ２が効率的に吸収する。よって、第一流体Ｆ１の一部および第二流体Ｆ２の一部をそれぞれ還流させない場合と比較して、同一の実流量であっても第二流体Ｆ２をより効果的に冷却、凝集することが可能になる。以上の構成によって、装置自体を大型化させることなく、熱交換効率を高めた熱交換装置、およびこれを用いた熱交換方法を実現することができる。
【００４５】
なお、上述した実施形態において、第一流体Ｆ１や第二流体Ｆ２は、液体でも気体でもよい。こうした第一流体Ｆ１や第二流体Ｆ２として、例えば、水、油、有機ガス、無機ガスなどを用いることができる。
【００４６】
また、伝熱隔壁は、上述した中空円筒形の管状体以外にも、平板状の伝熱隔壁や、螺旋形の伝熱隔壁など、流体同士を隔離しつつ熱交換が可能な形状であればどのようなものでもよく、限定されるものではない。
【００４７】
＜合流部、分岐部の構成例＞
図３（ａ）は合流部の構成例を示す模式図である。また、図３（ｂ）は分岐部の構成例を示す模式図である。
前述した実施形態に示す熱交換装置の合流部は、外部から熱交換装置に流入する流体の流路（管路）と、循環手段から流入する還流流体の流路（管路）とが互いに直角に接続された例を示している。また、前述した実施形態に示す熱交換装置の分岐部は、熱交換装置から外部に流出する流体の流路（管路）と、循環手段に向けて分岐する還流流体の流路（管路）とが互いに直角に分岐された例を示している。
【００４８】
しかしながら、こうした合流部や分岐部は、互いの流体の合流時や分岐時に生ずる圧力損失を考慮すると、流体の流れ方向に対して直角よりも小さな角度で合流、分岐させる構成とすれば、より一層、流体の圧力損失を低減することができる。
【００４９】
即ち、図３（ａ）に示すように、合流部Ｄｉにおいては、第一流体Ｆ１および第二流体Ｆ２の少なくともいずれか一方の流れ方向に対して鋭角θで合流するように、それぞれの流体の流路を接続させることが好ましい。この場合、鋭角θは、例えば８９°〜１°の範囲、好ましくは６０°〜３０°の範囲、最も好ましくは４５°であればよい。
【００５０】
合流部Ｄｉにおいてそれぞれの流体同士を鋭角で合流させることによって、流体の合流によって生じる圧力損失を小さくし、伝熱隔壁に向かう流体の流速低下を防止し、熱交換効率を高めることができる。
【００５１】
また、図３（ｂ）に示すように、分岐部Ｊｏにおいては、第一流体Ｆ１および第二流体Ｆ２の少なくともいずれか一方の流れ方向に対して鋭角θで分岐するように、それぞれの流体の流路を接続させることが好ましい。この場合、鋭角θは、例えば８９°〜１°の範囲、好ましくは６０°〜３０°の範囲、最も好ましくは４５°であればよい。
【００５２】
分岐部Ｊｏにおいてそれぞれの流体同士を鋭角で分岐させることによって、流体の分岐によって生じる圧力損失を小さくし、伝熱隔壁から流出する流体の流速低下を防止し、熱交換効率を高めることができる。
【００５３】
なお、循環手段を構成する循環ポンプと、合流部Ｄｉや分岐部Ｊｏとを結ぶ還流流体Ｆ３の流路（管路）においても、屈曲させる場合にはその最大屈曲角度を極力小さくすることによって、圧力損失を低減することが好ましい。
【００５４】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【実施例】
【００５５】
（検証例１）
本発明の効果を検証した。検証にあたっては、図２に示す第二実施形態の熱交換装置を用いた。
各流体の基準流速は、内管（伝熱隔壁部分）：２．１ｍ／ｓ、外管：２．０ｍ／ｓ、各流体の温度は内管（伝熱隔壁部分）：５０℃、外管：２０℃とした。
そして、熱交換装置内における流体の流速倍率と、等価伝熱面積との関係を測定した。
流速倍率は、外部から熱交換装置内に流入する流体の流速を１とした場合に、流体の還流量に応じて高められた流速の倍率を示している。また、等価伝熱面積は、流速倍率が１の時に単位熱量の熱交換に必要な伝熱隔壁の面積を１として、流速倍率を上げた時に単位熱量の熱交換に必要な伝熱隔壁がどれだけ必要かを示した数値であり、数値が小さいほど熱交換効率が高い。
こうした検証結果を図４に示す。
【００５６】
図４に示す検証結果によれば、流体の実流量の倍率を上げると、向流方式の効果の消失にも関わらず等価伝熱面積は急速に低下している。これによって、本発明のように、流体の一部を還流させることにより、実流量が高められ、熱交換効率を効果的に向上できることが確認された。
【００５７】
（検証例２）
次に、合流部および分岐部における流体の流路同士の接続角度に応じた、流速倍率と圧力損失との関係を測定した。流体の流路同士の接続角度は、９０°、４５°、３０°にそれぞれ設定し、流速倍率を１〜１０倍まで変化させ、圧力損失（損失ヘッド）を測定した。
こうした検証結果を図５に示す。
【００５８】
図５に示す検証結果によれば、全体として接続角度が４５°の時に最も圧力損失が小さくなり、また、流速倍率の増加による圧力損失の増加割合も小さくできることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明の熱交換装置、熱交換方法は、液体の冷却を行う冷却器、液体を気化させる気化器、ガス体を凝集液化させる凝集器、ガス体を加熱する加熱器など、各種熱交換装置に幅広く適用することが可能である。
【符号の説明】
【００６０】
１０  熱交換装置
１１  外管
１２  内管
１３  還流手段
Ｆ１  第一流体
Ｆ２  第二流体
Ｆ３  還流流体
Ｈｗ  伝熱隔壁
【図１】
2017048961.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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