JP2010136507A - 冷熱用熱発電素子を組み込んだ熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＮＧ等の低温液化ガスを熱交換器で加熱する際にその温度差を利用して熱発電を行うことができる冷熱用熱発電素子を組み込んだ熱交換器を提供する。
【解決手段】海水や温水などの高温流体が流れる伝熱管２０の外周面に熱発電素子２１を設けると共にその外周を保護管２２で覆い、その保護管２２の外周に低温液化ガスを流すようにしたものである。
【選択図】図２

Description

本発明は、低温液化ガスを出荷する際に、低温液化ガスを海水や温水で気化させると共に冷熱源を電力として回収する冷熱用熱発電素子を組み込んだ熱交換器に関するものである。

ＬＮ（液体窒素）、ＬＯＸ（液体酸素）、ＬＮＧ（液化天然ガス）、ＬＥＧ（液化エチレンガス）の貯蔵基地等から低温液化ガスを出荷する時には、これら低温液化ガスを気化器などの熱交換器で加熱して常温のガス或いは高温の液とする必要がある。

低温の液化ガス等の低温液体を加熱、気化させる場合、通常は加熱源として海水、川水、地下水、空気、温水、工場排熱、エンジン等の排気を使用している。これ等の方式では冷熱は大気、海洋に廃棄されている。温水式では余分な燃料も消費して無駄が多い。

従来、大型のＬＮＧ基地では冷熱の利用は発電或は冷凍倉庫の冷却等に利用しているが、これらの設備は大型でないと経済的に有利性が得られないか、冷凍庫のように立地条件等に問題があり必ずしも有効に利用されていないのが実情である。

ＬＮＧのサテライト基地は、その性格上基地で取扱うＬＮＧ量は少ないので、上述の設備では経済的に不利である為に、その冷熱は殆ど廃棄されているのが実情である。

またＬＮＧ基地ではガスの製造量は消費量に対応しているために１日の生産変動が大きい。従って、熱を利用する設備も稼動率と設備の効率（膨張タービン等）を高くする為に、最低のガス消費量に近い点に合わせた設備能力としているのが―般的である。この為に冷熱のかなりの量が大気や海水中に排出されるか、或いは余分な燃料を消費している。

ＬＮＧのサテライト基地のように小規模のＬＮＧ貯蔵基地では、ＬＮＧの気化の熱源として空気或は温水を使用している。この場合熱源として使用された空気は大気中に冷気として廃棄される。又、空温式気化器の伝熱面に付着した氷を除去するために、温水を使用して融解するために燃料を消費すると云う無駄が発生している。

一方温水の場合は、使用後に温水加熱器に返送して再加温して循環する為に燃料を消費している。この場合、冷熱を廃棄するばかりでなく、燃料を更に消費すると云う無駄を発生させる設備となっている。

上記のように大型ＬＮＧ基地でも冷熱は有効に利用されていないし、小型のＬＮＧサテライト基地でも殆ど廃棄され、せいぜい空調位に利用されている程度で有効に利用されていないのが現状である。

冷熱源を回収するシステムとしては、特許文献１に示されるように、ＬＮＧと海水を蒸発器で熱交換する際に、その流路壁を平行パネルで形成し、そのパネル内に多数の熱発電素子を組み込み、ＬＮＧを海水で蒸発させると共に、ＬＮＧと海水の温度差を利用して発電して冷熱源を電力として回収することが提案されている。これにより、大気中に無駄に廃棄されている冷熱を利用価値の高い電気に変換するものである。

特許第３５７１３９０号公報

この特許文献１では、蒸発器は、平行パネルの上下にＬＮＧのヘッダを接続し、その平行パネル間にＬＮＧを流し、平行パネルの外側に海水を流すようにしている。

現在市販されている熱発電素子のモジュールは、セラミック材等からなる二枚の平板ヒートシンク間に金属電極とｐ型及びｎ型半導体をπの字状に交互に連結したものであり、このため熱発電素子を組み込むためには、蒸発器の壁面を平板状の構造にする必要がある。

しかしながら、ＬＮＧと海水の温度差は約２００℃近くあり、蒸発器を平行パネルで構成すると熱収縮による変形を許容する柔構造が必要となるが、反面、ＬＮＧが海水の加熱で気化されたときには、そのガス圧が数ＭＰａとなるため、その圧力に耐え得る剛構造を必要とする。

このように熱収縮に耐え、膨張圧力に耐え得る構造とするには、平板パネルで気化器を構成することは現実的に不可能である。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ＬＮＧ等の低温液化ガスを熱交換器で加熱する際にその温度差を利用して熱発電を行うことができる冷熱用熱発電素子を組み込んだ熱交換器を提供することにある。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、海水や温水などの高温流体が流れる伝熱管の外周面に熱発電素子を設けると共にその外周を保護管で覆い、その保護管の外周に低温液化ガスを流すようにしたことを特徴とする冷熱用熱発電素子を組み込んだ熱交換器である。

請求項２の発明は、低温液化ガスを流す外胴の両端に管板を設けると共にその管板間に多数の伝熱管を設け、これら伝熱管の外周面に熱発電素子を設けると共にその外周に保護管を設け、上記管板に、海水や温水などの高温流体の入口室と出口室を区画形成する頭蓋を設けたことを特徴とする冷熱用熱発電素子を組み込んだ熱交換器である。

請求項３の発明は、海水や温水などの高温流体が流れる伝熱管の外周面に熱発電素子を設けると共にその外周を保護管で覆い、その保護管の外周に低温液化ガスの流れる外管を設けたことを特徴とする冷熱用熱発電素子を組み込んだ熱交換器である。

請求項４の発明は、保護管は、熱発電素子と隙間を形成するように形成され、低温液化ガスとの接触で収縮したときにその内周が熱発電素子と圧着するように形成される請求項１〜３のいずれかに記載の冷熱用熱発電素子を組み込んだ熱交換器である。

請求項５の発明は、熱発電素子は、伝熱管の外周面に沿って円弧状に形成される請求項１〜３のいずれかに記載の冷熱用熱発電素子を組み込んだ熱交換器である。

請求項６の発明は、熱発電素子は、フラットに形成され、伝熱管の外周面にフラットな熱発電素子を取り付ける受け座が形成され、保護管の内周面にフラットな熱発電素子と接触する接触座が形成される請求項１〜４のいずれかに記載の冷熱用熱発電素子を組み込んだ熱交換器である。

本発明によれば、伝熱管の外周に冷熱用熱発電素子を設け、その外周を保護管で覆い、伝熱管に海水や温水などの高温流体を流し、保護管の外周に低温液化ガスを流すことで、低温液化ガスを加熱できると共にその冷熱を利用して発電でき、しかも熱収縮にも圧力にも強い構造とすることができるという優れた効果を発揮するものである。

以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１〜図３は、本発明の冷熱用熱発電素子を組み込んだ熱交換器の一実施の形態を示し、図１は全体図、図２は図１の外胴内の伝熱管の組立状態を示し、図３は図２の伝熱管周りの断面図を示したものである。

なお、図１、図２において冷熱用熱発電素子を組み込んだ熱交換器は横型で示しているが、低温液化ガスが蒸発する場合には縦型に形成してもよい。

図１において、１０は外胴で、外胴１０にＬＮＧなどの低温液化ガスの供給管１１と加熱後に気化されたガスや液体を排出する排出管１２が接続される。

この外胴１０の両端には、フランジ１０ｆが形成され、入口室１５と出口室１６を区画形成する頭蓋１７、１７にフランジ１７ｆが形成され、両フランジ１０ｆ、１７ｆにて、管板１４、１４が挟み込まれて設けられる。入口室１５側の頭蓋１７には、海水や温水の高温流体供給管１８が接続され、出口室１６側の頭蓋１７に排出管１９が接続される。

図２に示すように管板１４、１４間には多数の伝熱管２０が設けられ、その伝熱管２０の外周面に多数の熱発電素子２１がシリコン系接着剤などで接着して設けられる。

管板１４、１４間には熱発電素子２１を覆うように保護管２２が設けられる。保護管２２の取り付けは、保護管２２の両端にフランジ２４を形成しておき、そのフランジ２４を管板１４に、ボルト・ナット２６にて固定して取り付ける。

この保護管２２には、軸方向の収縮を吸収すべく伸縮ベロー部２２ａが形成されると共に、熱発電素子２１で発電した電力を取り出すための導電線口２７が設けられる。

保護管２２は、常温時には、熱発電素子２１と僅かに隙間を形成するような内径に形成され、低温液化ガスが流れた時には熱収縮にて熱発電素子２１と圧着するように形成される。

熱発電素子２１自体は、コストを低くするために市販品を用いる。この熱発電素子２１は、素子を収容するセル内を真空にして熱の損失を最小にしているものが多いが、この方式ではコストが高くなるのでセル内に耐低温性の断熱材を充填して大気圧とした構造に改良したものとしている。この構造では熱利用率が真空断熱に較べて低下するが、全体の発電効率の低下に与える影響度は少ない（真空断熱では約０．２％、断熱材充填では約８％低下）。

市販品の熱発電素子２１は、サイズは種々あるもののフラットな形状であるため、図３（ａ）に示すように伝熱管２０の外周に受け座３０を形成し、保護管２２の内周面にフラットな熱発電素子２１と接触する接触座３１を形成し、受け座３０に熱発電素子２１をシリコン系の接着剤で貼り付け、接触座３１とは隙間をもたせて熱収縮時に圧着するようにすることで、支障なく取り付けることができる。

また、図３（ｂ）に示すように、伝熱管２０の直径が細い場合は、肉厚管を選定して表面を多角形状にフラットに削って受け座３１を形成し、その受け座３１に熱発電素子２１を接着剤により貼り付けて固定するようにしてもよい。

さらに、図３（ｃ）に示すように、熱発電素子２１自体を伝熱管２０の外周面形状に合わせて円弧状に形成することで、伝熱管２０に直接貼り付けるようにしてもよい。なお熱発電素子２１を円弧状にする場合、伝熱管２０の直径が大きい場合は、熱発電素子２１の基盤を少し厚いものを使用し、円周方向の基盤の内外両面を伝熱管２０の外周面と保護管２２の内周面に出来るだけ近い円弧で削って円弧状に形成するようにしてもよい。

これら熱発電素子２１は、そのサイズに合わせて伝熱管２０の円周方向に複数、軸方向に等ピッチで固定し、またその導電線は、適宜直列に接続して導電線口２７から引き出し外胴１０外に延出する。

伝熱管２０は、通常ＳＵＳで形成されるが、熱膨張係数が１５×１０^-6／℃であり、低温液化ガスとしてＬＮＧを気化する場合には冷却時の収縮量が２．８ｍｍ／ｍとなるため、熱収縮が約１／１０倍小さいインバー合金（６４％Ｆｅ−３６％Ｎｉ、熱膨張係数１．７×１０^-6／℃、ＬＮＧ冷却時の収縮量０．３ｍｍ／ｍ）を用いることで、伝熱管２０の収縮量が小さくなるため好ましい。

また保護管２２の両端部に伸縮ベロー部２２ａを形成することで、冷熱収縮時に保護管２２に掛かる応力を低減できる他に、伸縮ベロー部２２ａにて保護管２２が径方向に若干移動できるため、伝熱管２０と保護管２２の軸心が一致していなくとも、保護管２２の径が収縮する際に、伝熱管２０の円周方向の熱発電素子２１に均等に接触することが可能となる。

この保護管２２は、低温液化ガスにより収縮するが、強度自体は伝熱管２０が受けもつため、より肉厚の薄い材料で形成することも可能であり、保護管２２と伝熱管２０間で、かつ熱発電素子２１同士の円周方向と軸方向の隙間に発泡ウレタンなどの断熱材を封入しておくことで、保護管２２と熱発電素子２１の接触を阻害せずに、断熱材で低温液化ガスの膨張時の圧力を受けることができる。よってインバー合金の他に、ＳＵＳで形成してもアルミニウムで形成してもよい。

次に、本実施の形態の作用を、低温液化ガスとしてＬＮＧを気化する例で説明する。

ＬＮＧ貯蔵タンクからのＬＮＧを供給管１１から外胴１０内に供給し、同時に高温流体供給管１８から高温流体としての海水を頭蓋１７内の入口室１５に供給する。海水は入口室１５から各伝熱管２０内を流れて出口室１６に流れ、その間に外胴１０内に供給されたＬＮＧを加熱する。

これによりＬＮＧは気化されて天然ガス（ＮＧ）となって、排出管１２から排出される。

なお、図１、図２では横型で示しているが、供給管１１が下で、排出管１２が上となるように外胴１０を縦型とし、外胴１０の下部からＬＮＧを供給して外胴内で液相を形成し、その上方にガス相を形成しＮＧを排出管１２から排出するように構成してもよい。

このＮＧの気化の際、伝熱管２０に設けられた熱発電素子２１は、内周側が高温で、外周側が低温となるため、起電力が生じ、その電力を導電線を通じて取り出すことが可能となる。

熱発電素子２１は、保護管２２で覆われており、ＬＮＧや天然ガスに直接触れることがないため保護される。また保護管２２は冷熱で径方向に収縮し、その接触座３１或いは保護管２２の内周面が熱発電素子２１と接触するため良好な熱伝達が可能となり、発電効率を高めることができる。また保護管２２は、両端に伸縮ベロー２２ａが形成されているため、軸方向の収縮を吸収できると共に伸縮ベロー２２ａ間に位置した保護管２２は径方向に若干移動可能であり、径方向に収縮した際に、伝熱管２０の円周方向に設けた熱発電素子２１に均等に接触することが可能となる。また保護管２２は断面円形であるため外胴１０内の圧力が高くても、十分な耐圧性を有する。また熱発電素子２１は、シリコン系接着剤などで接着することで、低温でも剥がれることはない。

ここで、熱発電素子２１の発電量を１チップ（３．９ｃｍ×３．９ｃｍ）当たり２０Ｗとし、伝熱管２０の外周面積あたり５１７個／ｍ²貼り付けたとすると発電損失を考慮しても約１０ｋＷ／ｍ²の電力を得ることが可能となる。

次に図４により本発明の他の実施の形態を説明する。

図４は、二重式伝熱管構造で、冷熱用熱発電素子を組み込んだ熱交換器を構成する例を示したもので、基本的には、高温流体が通る伝熱管４０と、伝熱管４０の外周に取り付けられた熱発電素子２１を保護する保護管４２と、その保護管４２の外周に設けられ、ＬＮＧなどの低温液化ガスが流れる外管４４とから構成される。

伝熱管４０、保護管４２及び外管４４の両端には、それぞれフランジ４０ａ、４０ｂ、４２ａ、４２ｂ、４４ａ、４４ｂが設けられ、その一方のフランジ４０ａ、４２ａ、４４ａがパッキンを介して接合されると共にボルト・ナット４５で締結される。

保護管４２の他方のフランジ４２ｂは、伝熱管４０の外周面と接して保護管４２内をシールするように設けられると共に、そのフランジ４２ｂから熱発電素子２１の導電線２１ｒが引き出されるようにされる。また外管４４の他方のフランジ４４ａは、保護管４２の外周面と接して外管４４内をシールするように設けられる。

外管４４には、低温液化ガスの供給管４６と排出管４７が接続され、保護管４２と伝熱管４０には、低温時の収縮を吸収する伸縮ベロー部４２ｃ、４０ｃが形成される。

伝熱管４０に取り付ける熱発電素子２１は、図６（ａ）に示すように、熱発電素子２１を伝熱管４０の外周に沿って円弧状に形成し、保護管４２をその熱発電素子２１外周と隙間を形成するように設けても、或いは図６（ｂ）に示すように、伝熱管４０の外周に受け座５０を形成し、保護管４２の内周面にフラットな熱発電素子２１と接触する接触座５１を形成し、受け座５０に熱発電素子２１を接着剤で貼り付け、接触座３１とは隙間をもたせて設けるようにしてもよい。

この図４の実施の形態においては、伝熱管４０内を海水等の高温流体が流れ、保護管４２と外管４４間にＬＮＧ等の低温液化ガスが流れることで、低温液化ガスが加熱蒸発されると共に、熱発電素子２１で発電を行うことができる。

この場合、伝熱管４０、保護管４２及び外管４４の長さを十分に長くすると十分な伝熱面積を確保できるが、反面出口側での低温液化ガスと高温流体の温度差が小さくなり、熱発電素子２１の発電効率が落ちるため、ＬＮＧの気化器として用いる場合には、この二重式伝熱管構造を多数並列に設けて各伝熱管４０に海水等を流すと共にその各保護管４２と外管４４間にＬＮＧを流して、ＬＮＧをガス化しない温度まで昇温すると共に発電し、その後は、各排出管４７からＬＮＧを集合させると共に熱発電素子２１を組み込まずに、熱交換器のみで、ＬＮＧを常温近くまで加熱してＮＧとするように構成する。

図５は、図４の変形例を示したもので、基本的には伝熱管４０、保護管４２、外管４４で図４と同様に二重式伝熱管構造を構成するものである。

図４の二重式伝熱管構造は、伝熱管４０、保護管４２、外管４４の三重構造であり、一方のフランジ４０ａ、４２ａ、４４ａは、予め取り付けておいてもよいが、他方のフランジ４０ｂ、４２ｂ、４４ｂは、伝熱管４０、保護管４２、外管４４を組み込んだ後に取り付ける構造であり、また分解するためには他方のフランジ４０ｂ、４２ｂ、４４ｂはねじ込み式とする必要がある。

そこで、図５では伝熱管４０に対して保護管４２を簡単に組み付け取り外しができるようにしたものであり、具体的には伝熱管４０の両端にねじ込み式フランジ４０ｆを設け、その伝熱管４０に保護管４２のフランジ４２ａと接続するフランジ４０ａを形成し、保護管４２の他端に伝熱管４０と嵌合する管状の蓋板５３を形成し、その蓋板５３と伝熱管４０とをパテなどのシール材５４でシールし、また保護管４２の外周に外管４４を設けると共に外管４４の両端に蓋板５５を設け、その蓋板５５を保護管４２に一体に溶接等にて取り付けるようにしたものである。

この実施の形態においては、フランジ４０ａ、４２ａを外し、また伝熱管４０のねじ込みフランジ４０ｆを外すことで、保護管４２を外管４４と共に伝熱管４０から外すことができ、伝熱管４０の外周面に取り付けた熱発電素子２１の取り替えなどが簡単に行えるようになる。

本発明の一実施の形態を示す全体図である。 図１の外胴内の伝熱管の組立状態を示す図である。 図２の伝熱管周りの断面図である。 本発明の他の実施の形態を示す図である。 図４の変形例を示す図である。 図４、図５の伝熱管周りの断面図である。

符号の説明

２０ 伝熱管
２１ 熱発電素子
２２ 保護管

Claims (6)

1. 海水や温水等の高温流体が流れる伝熱管の外周面に熱発電素子を設けると共にその外周を保護管で覆い、その保護管の外周に低温液化ガスを流すようにしたことを特徴とする冷熱用熱発電素子を組み込んだ熱交換器。
2. 低温液化ガスを流す外胴の両端に管板を設けると共にその管板間に多数の伝熱管を設け、これら伝熱管の外周面に熱発電素子を設けると共にその外周に保護管を設け、上記管板に、海水や温水などの高温流体の入口室と出口室を区画形成する頭蓋を設けたことを特徴とする冷熱用熱発電素子を組み込んだ熱交換器。
3. 海水や温水などの高温流体が流れる伝熱管の外周面に熱発電素子を設けると共にその外周を保護管で覆い、その保護管の外周に低温液化ガスの流れる外管を設けたことを特徴とする冷熱用熱発電素子を組み込んだ熱交換器。
4. 保護管は、熱発電素子と隙間を形成するように形成され、低温液化ガスとの接触で収縮したときにその内周が熱発電素子と圧着するように形成される請求項１〜３のいずれかに記載の冷熱用熱発電素子を組み込んだ熱交換器。
5. 熱発電素子は、伝熱管の外周面に沿って円弧状に形成される請求項１〜３のいずれかに記載の冷熱用熱発電素子を組み込んだ熱交換器。
6. 熱発電素子は、フラットに形成され、伝熱管の外周面にフラットな熱発電素子を取り付ける受け座が形成され、保護管の内周面にフラットな熱発電素子と接触する接触座が形成される請求項１〜４のいずれかに記載の冷熱用熱発電素子を組み込んだ熱交換器。

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