JP2014077614A

JP2014077614A - 流下液膜蒸発式熱交換器

Info

Publication number: JP2014077614A
Application number: JP2012226915A
Authority: JP
Inventors: Sadao Hasegawa; 貞夫長谷川; Takaharu Yamamoto; 隆晴山本
Original assignee: Mitsubishi Chemical Engineering Corp
Current assignee: Mitsubishi Chemical Engineering Corp
Priority date: 2012-10-12
Filing date: 2012-10-12
Publication date: 2014-05-01
Anticipated expiration: 2032-10-12
Also published as: JP5965281B2

Abstract

【課題】超低温の液化ガスを使用した場合における熱歪問題を無くし、構造が簡単で製作が容易な流下液膜蒸発式熱交換器を提供する。
【解決手段】下面が閉じられた内筒伝熱管１１と、内筒伝熱管１１を収容配置してなる外筒ジャケット１２と、内筒伝熱管１１と外筒ジャケット１２を間に隙間を設けて互いに垂直に接合保持してなる上部液溜めハウジング１３とを備え、内筒伝熱管１１の外壁１１ａと外筒ジャケット１２の内壁１２ａとの間の隙間に前記高温液流体を通液し、かつ、前記低温液化ガス流体を上部液溜めハウジング１３から内筒伝熱管の外壁１１ａに沿って流下させ、内筒伝熱管１１を伝熱面とする伝熱加熱により蒸発し発生する前記低温気化ガスを内筒伝熱管１１上方に排出させるようにした。
【選択図】図３

Description

本発明は、低温側で液化ガス流体を気化させる蒸発潜熱と高温側液流体の顕熱を熱交換させる流下液膜蒸発式熱交換器に関するものであり、特に、低温保持を要する設備の循環冷媒冷却装置において液化ガス流体の蒸発潜熱を利用する熱交換器、または熱交換の目的がその逆である、液化天然ガスを気化させて燃料として供給する液化ガス気化供給装置において高温液を加熱源として利用する熱交換器、および冷凍機の構成要素として置かれる冷媒蒸発器として使われる流下液膜蒸発式熱交換器に関するものである。

小規模なガス供給基地では、液化天然ガスを気化させる熱交換器として、従来から、温水を加熱源とする温水槽式気化器が知られている（例えば、特許文献1参照）。この気化器は、液化天然ガスを流す長い管を温水槽の水中に収容した構造であり、管外の温水から伝熱加熱により管内を流れる液化天然ガスを気化させるものである。しかしながら、この方式では、管外の温水はほとんど静置状態で流れが穏やかなために伝熱効率が悪い。また、さらに管内の液化天然ガスは、気液混相の２相流であることからやはり伝熱効率が悪い。そのために総合的な伝熱効率を表す総括伝熱係数がきわめて小さいこととなり、気液２相流中の液飛沫まで完全な気化ガスを得ようとすると大きな伝熱面積、つまり長大な伝熱管を必要とする。その結果、長い伝熱管を収容するために装置全体の容積及び重量が非常に大きな熱交換器となる。

また、液を蒸発させる熱交換器で伝熱効率の良い方式として、流下液膜式蒸発器が知られている（例えば、特許文献２参照）。この蒸発器は、鉛直に配置された直管の内面に沿わせて上方より液を流下させ、管外面からの加熱により流下液を蒸発させるものである。管外側の加熱源としてはスチーム潜熱によるものが一般的であるが、顕熱による場合も知られている。これら従来からの流下液膜蒸発式熱交換器は、高温側と低温側の温度差が小さい条件で使われているもので、直管の上端と下端が胴体管板で固定されている。対して、蒸発させる液が液化ガスの場合、例えば、液化窒素の沸点-196℃、液化天然ガスの沸点-161℃と超低温であり、管外高温液との温度差が非常に大きく熱歪による困難さが生じる。

特開２００１−２０１２７９号公報。特開２００７−１７８０３４号公報。

上述したように、従来の槽式気化器では大きな構造物になってしまうという問題があった。すなわち、小さな伝熱係数しか取りえないために大きな伝熱面積を要している。

一方、伝熱効率の良い熱交方式として従来の流下液膜式蒸発があるが、液化ガス気化器の場合、大気常温付近の高温加熱側と-100から-200℃の超低温液化ガスという大きな温度差による熱歪から、そのままでの使用は困難である。

そこで、効率の良い伝熱方式にすることにより小さな伝熱面積で小さな構造物にすることができるとともに、超低温の液化ガス流体を使用した場合における熱歪の問題を無くし、構造が簡単で製作が容易な流下液膜蒸発式熱交換器を得るために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明はこの課題を解決することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項１記載の発明は、高温液流体から低温液化ガス流体への伝熱加熱により低温液化ガスを低温気化ガスに蒸発させる流下液膜蒸発式熱交換器において、前記熱交換器は、下面が閉じられた内筒伝熱管と、該内筒伝熱管を収容配置してなる外筒ジャケットと、該内筒伝熱管筒と該外筒ジャケットを間に隙間を設けて互いに垂直に接合保持してなる上部液溜めハウジングとを備え、前記内筒伝熱管の外壁と前記外筒ジャケットの内壁との前記隙間で形成された流路に前記高温液流体を通液し、かつ、前記低温液化ガス流体を前記上部液溜めハウジングから前記内筒伝熱管の内壁面に沿って流下させ、該内筒伝熱管を伝熱面とする伝熱加熱により蒸発し発生する低温気化ガスを前記内筒伝熱管上方に排出させる流下液膜蒸発式熱交換器を提供する。

この構成によれば、伝熱効率の良い流下液膜式熱交換器で低温液化ガス流体を用いる場合、熱歪の問題があるが、熱歪みを避ける手段として、内筒伝熱管として下端面が閉じた内筒伝熱管を採用し、外筒ジャケットとは上部液溜めハウジングのみにて固定される片端支持とすることで、内筒伝熱管と外筒ジャケットの温度差による熱歪の問題を解消できる。また、気化させたい低温液化ガス流体は従来の流下液膜方式と同様に上部液溜めハウジングから内筒伝熱管内壁面に沿って鉛直方向に流下させ、内筒伝熱管外壁面からの加熱によって気化させられ、気化したガスは上方から排出する。以上により、請求項１記載の発明では、熱歪の問題を回避した流下液膜蒸発式熱交換器が可能となる。

なお、熱交換器の総合的な伝熱効率を表す総括伝熱係数は、内筒伝熱管の管内伝熱係数と管外伝熱係数の合成値であり、内筒伝熱管内低温側に採用する流下液膜式での沸騰蒸発は非常に大きな伝熱係数を得られることから、内筒伝熱管外の高温液流れ側の伝熱係数が律速となり、これをいかに大きい値に確保するかが続く課題となる。管表面の液流れにあって、その伝熱係数を大きくするには液流速を十分に速くすることが必要である。そこで、請求項２においては、高温側液流体を通液する前記内筒伝熱管と前記外筒ジャケットの間の隙間内に仕切り板を設けて、高温側液流れの流路内における液流れ通過断面積を狭めるように区切ることで高流速を伝熱面全体にわたって偏流を避けながら一様に確保する。以上により、熱歪みの問題を避けながら、高い伝熱係数で小さな伝熱面積を達成し、コンパクトな液化ガス蒸発用の流下液膜蒸発式熱交換器が可能となる。

さらに、高温側液流れの流路を細かく区切って形成するための仕切り板について、液流れの流路は内筒伝熱管外壁と外筒ジャケット内壁とこの仕切り板によって囲まれることになるが、内筒伝熱管外壁と外筒ジャケット内壁と仕切り板の相互接触部は必ずしも完全密着させる必要は無く僅かな隙間があっても所期目的を達成するのにほとんど影響は無い。液流れのほとんどは形成された流路方向に流れるのであって、圧力差が微小でしかない隙間を漏れ通る液は微量である。そこで、前記仕切り板は内筒伝熱管からあるいは外筒ジャケットから、あるいは上部の上部液溜めハウジングから支持棒にて支持固定する構造が請求項３，４、５として提示される。これによって温度差が大きく熱歪が問題となる内筒伝熱管と外筒ジャケットは上端以外相互に拘束されることなく、かつ仕切り板は容易に自由な配置が可能になり、仕切り板を配置後に内筒伝熱管を外筒ジャケットに挿入して組み立てるという簡単な構造で、容易な製作を実現するという課題を達成することが出来る。

本発明の流下液膜蒸発式熱交換器は、低温液化ガス流体を気化させる熱交換として従来のものに比し、非常にコンパクトであることから、設置の占有面積および空間が小さくて済むという効果が得られる。また、軽量であることから本熱交換器を据え付けるための基礎あるいは架台が簡易で安価で済むという効果が得られる。さらに、簡単な構造で製作が容易であることから、本熱交換器の材料費および設計製作費が安価で済むという効果が得られる。

本発明の実施形態に係る流下液膜蒸発式熱交換器の第１実施例を示し、(ａ)はその熱交換器の断面図、(ｂ)はその熱交換器における高温側液流れの流路を説明する模式図。同上第１実施例である流下液膜蒸発式熱交換器の要部分解断面図。同上第１実施例である流下液膜蒸発式熱交換器の動作説明図。同上第１実施例である流下液膜蒸発式熱交換器における高温側液流れの流路の第１変形例を説明する模式図。同上高温側液流れの流路の第２変形例を説明する模式図。同上高温側液流れの流路の第３変形例を説明する模式図。本発明の実施形態の第２実施例として示す流下液膜蒸発式熱交換器の断面図。図７のＡ−Ａ断面の模式図。同上第２実施例である流下液膜蒸発式熱交換器の動作説明図。

本発明は、効率の良い伝熱方式にすることにより小さな伝熱面積で小さな構造物にすることができるとともに、超低温の液化ガスを使用した場合における熱歪問題を無くし、構造が簡単で製作が容易な流下液膜蒸発式熱交換器を提供すると言う目的を達成するために、以下のことを考慮する。

コンパクト化するためには、第一に伝熱効率を高めて伝熱負荷に対する必要な伝熱面積を小さくすることが重要な要素である。熱交換器の総合的な伝熱効率の程度を表す総括伝熱係数を大きくするためには、高温側と低温側両者の境膜伝熱係数それぞれを大きくする方式あるいは方策をとる必要がある。

まず、低温液化ガス蒸発側の境膜伝熱係数を大きく確保する方式として、流下液膜沸騰伝熱が知られている。さらに、該流下液膜沸騰伝熱には、水平に配置した伝熱管の管外面に上部から液流下させる方式、垂直に配置した伝熱管の管外面に上部から液流下させる方式などもあるが本発明においては最も簡易に均一かつ安定した流下液膜を作れるものとして垂直に配置した伝熱管の管内面に上部から液流下させる方式を採用する。

段落番号０００３に記載した通り、低温液化ガスを用いる流下液膜蒸発式熱交換器では、内筒伝熱管と外筒ジャケットの温度差が非常に大きいことから上下両端固定では熱歪の問題から使用には困難がある。そこで、低温液化ガスを用いる本発明の流下液膜蒸発式熱交換器では、下端面が閉じられた内筒伝熱管と外筒ジャケットとの接合保持を上部液溜めハウジングにて上部端だけで行い、側面および下面は相互に非接合とすることにより熱歪の問題を避けて実現させた。この場合、内筒伝熱管内で蒸発した低温気化ガスは内筒上方に排出させることになる。以上、請求項１の実施形態。

続いて、高温液流体側の境膜伝熱係数を大きく確保するためには、伝熱面に接する高温液の乱流度を高める、つまり流速を速くすることが重要である。所定の液流量において流速を速くするためには、流路断面積を小さくする必要がある。前記請求項１の構成でこれを為す方策としては、単純に内筒伝熱管と外筒ジャケットの隙間を狭めることも考えられるが製作工作上の困難があったり、偏流が起こりやすく期待するほどの効果が出ないという懸念もある。そこで、最良の方策として、隙間を狭めるのではなく隙間を細かく区切って高温側液流れの流路内における液流れ通過断面積を狭める、つまりいわゆる細長い流路を作ることで伝熱管面の広い範囲にわたって一様に高流速を実現させることができる。以上、請求項２の実施形態。

よって、請求項１および２によって必要伝熱面積が小さくてコンパクトな熱交換器を達成することができる。

続いて、前記流路形成用の仕切り板の設置に関して、内筒伝熱管と外筒ジャケットの間の隙間に設けられる該仕切り板は、内筒伝熱管および外筒ジャケットと必ずしも完全に固着されておく必要は無い。外筒ジャケットの内壁あるいは内筒伝熱管の外筒壁と仕切り板の間に微小な隙間があっても、仕切り板で区切られ隣り合う流路間の差圧は小さいので微小隙間から漏れて流れる液量は微小であり、液流体のほとんど多くは仕切り板によって形成された流路に従って流れるので、速い液流速により大きな伝熱係数を確保するという目的は達成される。よって、仕切り板の設置方法として、内筒伝熱管からその外側に向けて支持固定する方法、外筒ジャケットからその内側に向けて支持固定する方法、あるいは、内筒伝熱管上部の上部液溜めハウジングから下方に向けて棒状のような支持体を伸ばしそれによって仕切り板を支持固定する方法が提示される。これらの設置方法であれば、装置完成時には内筒伝熱管と外筒ジャケットによって囲まれた閉じた空間内に配置される仕切り板を事前に前記方法にて容易に任意の流路形状を形成するべく設置した後、内筒伝熱管を外筒ジャケットに挿入し組み上げるということが可能となり、簡易な構造で容易な製作という目的も達成される。以上、請求項３，４，および５の実施形態。

上記した流下液膜蒸発式熱交換器の大きさ形状に関し、最も簡易な形態は内筒伝熱管が一本で外筒ジャケットと円筒同心に配置され且つ内筒伝熱管からその外面に仕切り板を支持固定する形のもの、あるいはやや工作難度はあるも外筒ジャケットからその内面に仕切り板を支持固定する形も可能である。また、所要伝熱負荷など使用条件および設置場所の許容空間形状など環境条件によっては、一つの外筒ジャケットに複数本の内筒伝熱管を収容する形態も可能である。その場合、仕切り板は上部液溜めハウジングからの支持体によって支持固定される形を採ることが出来る。以上、請求項６，７の実施形態。

以下、本発明を実施するための形態(以下、「実施形態」と言う)を、添付図面に基づいて詳細に説明する。

図１乃至図３は本発明の実施形態に係る流下液膜蒸発式熱交換器の第１実施例を示す。同図において、流下液膜蒸発式熱交換器１０は、内筒伝熱管１１と、外筒ジャケット１２と、内筒伝熱管１１と外筒ジャケット１２を接合保持している上部液溜めハウジング１３とを有している。

前記内筒伝熱管１１は、下面が閉じられ、上面が開口されてなる円筒状をした管体である。内筒伝熱管１１の上端外周部分には、内筒伝熱管１１と外筒ジャケット１２を接合保持してなる前記上部液溜めハウジング１３が内筒伝熱管１１の上方を覆うようにして設けられている。また、内筒伝熱管１１の外周面、すなわち内筒伝熱管外壁１１ａ(以下、単に「外壁１１ａ」という)には、仕切り板１４が設けられている。

その仕切り板１４は、例えば、一枚の細長い板でなり、その細長い板を内筒伝熱管１１の外周面(外壁１１ａ)を螺旋状に周回するようにして立設させ、その中心が外筒ジャケット１２の円筒同心と一致するようにして、外壁１１ａ上に支持固定されている。仕切り板１４は、前記外筒ジャケット１２の内周面、すなわち外筒ジャケット１２の外筒ジャケット内壁１２ａ(以下、単に「内壁１２ａ」という)と接しており、該内筒伝熱管１１の外壁１１ａと該外筒ジャケット１２ａの内壁１２ａとの間に高温液流体を流す、図１の(ｂ)に概略を示している螺旋状の高温側液流れの流路１５を形成するものである。なお、仕切り板１４と内筒伝熱管１１の外壁１１ａの間、及び外筒ジャケット１２の内壁１２ａとの間は必ずしも完全密着させる必要はなく、隙間が設けられていてもよい。また、仕切り板１４は、内筒伝熱管１１の外壁１１ａに設けずに、外筒ジャケット１２の内面、すなわち内壁１２ａに内筒伝熱管１１と円筒同心となるようにして設けてもよい。

前記上部液溜めハウジング１３は、上面が開口された環状の容器形に形成されて、その内部に低温液化ガス流体を溜めることができるハウジング部１３ａと、該ハウジング部１３ａの上面を閉じて該ハウジング部１３ａに取り付けられた蓋体１３ｂとを有してなる。そのハウジング部１３ａの底面には前記内筒伝熱管１１の上端部分が、その底面を上面開口側に向かって貫き、該ハウジング部１３ａ内の途中の位置まで突出した状態にして取り付けられている。一方、蓋体１３ｂには、低温液化ガス流体、例えば液体窒素(ＬＮ２)、液化天然ガスが送られて来る低温液化ガス流体経路と接続される低温液化ガス流体供給口１３ｃと、内筒伝熱管１１ａ内で蒸発した低温気化ガスを大気中に放出するための低温気化ガス排出口１３ｄが設けられている。そして、低温液化ガス流体供給口１３ｃには、一端側が図示しない低温液化ガス流体に接続されている低温液化ガス流体供給管(図示せず)の他端側が接続される。

前記外筒ジャケット１２は、下面が閉じられ、上面が開口された円筒管である。また、外筒ジャケット１２の下端外周部には高温液流体入口１７が設けられ、上端外周部には高温液流体出口１８が設けられている。

なお、前記外筒ジャケット１２の内径は、内筒伝熱管１１の外壁１１ａに設けられている前記仕切り板１４の外径に略等しく、その下面側を外筒ジャケット１２の上面側から該外筒ジャケット１２内に挿入できるようになっている。また、外筒ジャケット１２の内壁１２ａ側の長さ(深さ)は、内筒伝熱管１１に設けられた上部液溜めハウジング１３の下面から該内筒伝熱管１１の下面までの長さよりも大きく形成されている。すなわち、内筒伝熱管１１が外筒ジャケット１２内に、外筒ジャケット１２の上端が上部液溜めハウジング１３の下面と当接するまで挿入された際、図１に示すように、内筒伝熱管１１の下面と外筒ジャケット１２の下面の間に隙間αが形成されるように設定されている。

そして、図２に示すように、流下液膜蒸発式熱交換器１０は、上部に上部液溜めハウジング１３を取り付けた内筒伝熱管１１の外側全体を外筒ジャケット１２で覆うようにして、外筒ジャケット１２の上端が上部液溜めハウジング１３の下面と当接するまで、内筒伝熱管１１を外筒ジャケット１２内に挿入し、その後、上部液溜めハウジング１３を介して内筒伝熱管１１と外筒ジャケット１２の間を接合保持して片端支持状態で組み立てられる。また、ハウジング部１３ａの開口が上側を向いて、内筒伝熱管１１と外筒ジャケット１２が垂直に立てられた状態で設置される。

さらに、このようにして組み立てられた流下液膜蒸発式熱交換器１０では、内筒伝熱管１１の外壁１１ａと外筒ジャケット１２の内壁１２ａとの間の隙間に、螺旋状の仕切り板１４で画成された、下端の高温液流体入口１７から上端の高温液流体出口１８まで連続して繋がってなる一本の前記高温側液流れの流路１５が作られる。なお、図１及び図３に示すように、内筒伝熱管１１と外筒ジャケット１２の組立性及び熱歪み等を考慮し、仕切り板１４と外筒ジャケット１２の間に多少の隙間が設けられる。

次に、このように形成された流下液膜蒸発式熱交換器１０の作用を図３を使用して説明する。まず、高温液流体側では、高温液流体が高温液流体入口１７から高温側液流れの流路１５に入り、高温液流体出口１８から出て図示しない高温液流体貯留タンクへ向かう経路で、伝熱面としての内筒伝熱管１１の外壁１１ａに触れながら流れる。

一方、低温液化ガス流体側では、図示せぬ液低温液化ガス流体貯槽から低温液化ガス流体Ｎ(本例では液体窒素)が、低温液化ガス流体供給口１３ｃを通して上部液溜めハウジング１３のハウジング部１３ａ内に供給される。また、ハウジング部１３ａ内に溜まった低温液化ガス流体Ｎの量が、内筒伝熱管１１の上端開口縁１１ｃの高さ位置を超えると低温液化ガス流体Ｎがハウジング部１３ａから内筒伝熱管１１内に溢れ出て、その溢れ出た低温液化ガス流体Ｎが液膜状をなして内筒伝熱管１１の内周面、すなわち内筒伝熱管内壁１１ｂ(以下、単に「内壁１１ｂ」という)を流下する。そして、ハウジング部１３ａ内から溢れ出た低温液化ガス流体Ｎは内筒伝熱管１１の内壁１１ｂを流下する際、その低温液化ガス流体Ｎが内筒伝熱管１１を介して高温液流体と伝熱加熱により熱交換して温められ、流下の途中で蒸発・気化して低温気化ガスとなる。また、低温液化ガス流体Ｎによる気化熱(蒸発潜熱)と高温側液流体の顕熱との熱交換により最終的には高温液流体出口１８から高温液流体貯留タンクに向う高温液流体の温度を下げる。また、内筒伝熱管１１内で気化した低温気化ガスは、低温気化ガス排出口１３ｄを通して排気される。

したがって、この第１の実施例による流下液膜蒸発式熱交換器１０によれば、内筒伝熱管１１の底面と外筒ジャケット１２の底面との間に隙間αを設けて二重管に形成しているので、内筒伝熱管１１と外筒ジャケット１２との間に熱歪みが生じたような場合、その隙間αで歪みを吸収することができる。

また、内筒伝熱管１１と外筒ジャケット１２を別々に形成して上部液溜めハウジングで接合保持しているので、二重構造を容易に形成することができる。

さらに、内筒伝熱管１１と外筒ジャケット１２の間の隙間に形成される高温側液流れの流路１５の流路断面積を狭めるように、その隙間内を仕切り板１４により区切っているので、高温側液流れの流路１５内を流れる高温液流体の流速が上がる。このように高温液流体の流速を上げると総括的に伝熱が良くなる。

なお、高温側液流れの流路１５は螺旋状に形成した仕切り板１４により、単純な螺旋状(スパイラル状)の流路として形成した場合について説明したが、これ以外にも階段状に形成した例えば図４乃至図６に模式図で示すような流路としてもよい。

すなわち、図４は高温側液流れの流路１５の第１変形例を示すもので、高温液流体入口１７から入った高温液流体が内筒伝熱管１１の外壁１１ａに沿って図中左回りに略一周し、その後、外壁１１ａに沿って真っ直ぐ上側に所定距離移動して再び外壁１１ａに沿って左周りに略一周した後、再び外壁１１ａに沿って真っ直ぐ上側に所定距離移動する、という流れを繰り返しながら高温液流体出口１８まで進み、その高温液流体出口１８から図示せぬ高温液流体貯留タンクへ向かうように形成されている。

図５は高温側液流れの流路１５の第２変形例を示すもので、高温液流体入口１７から入った高温液流体が内筒伝熱管１１の外壁１１ａに沿って図中右回りに略一周し、その後、外壁１１ａに沿って真っ直ぐ上側に所定距離移動して再び外壁１１ａに沿って右周りに略一周した後、再び真っ直ぐ上側に所定距離移動する、という流れを繰り返しながら高温液流体出口１８まで進み、その高温液流体出口１８から図示せぬ高温液流体貯留タンクへ向かうように形成されている。

図６は高温側液流れの流路１５の第３変形例を示すもので、低温液流体入口１７から入った低温液流体が内筒伝熱管１１の外壁１１ａに沿って真っ直ぐ上側端部近傍まで移動し、次いで外壁１１ａに沿って右回りに所定距離移動し、続いて真っ直ぐ下側端部近傍まで移動し、その後、右回りに所定距離移動し、再び真っ直ぐ上側端部近傍まで移動する、という流れを繰り返し、最後に上端部近傍から低温液流体出口１８まで進み、その低温液流体出口１８から図示せぬ高温液流体貯留タンクへ向かうように形成されている。

図７乃至図９は本発明の実施形態に係る流下液膜蒸発式熱交換器の第２実施例を示す。なお、第１実施例では１個の外筒ジャケット１２内に１本の内筒伝熱管１１を設けた構造を開示したが、第２実施例は１個の外筒ジャケット内に複数本(本実施例では９本)の内筒伝熱管を設けたものである。そして、図１乃至図３の実施例と同じ構成部分は同一符号を付して説明する。

同図において、流下液膜蒸発式熱交換器２０は、９本の内筒伝熱管２１と、１個の外筒ジャケット１２と、内筒伝熱管２１と外筒ジャケット１２を接合保持している上部液溜めハウジング２３とを有している。

前記各内筒伝熱管２１は、下面が閉じられ、上面が開口されてなる円筒状をした管体である。これら９個に内筒伝熱管１１は、それぞれが前記上部液溜めハウジング２３から平行に垂下された状態にして、その上部液溜めハウジング２３に取り付けられている。また、各内筒伝熱管２１の間には円板状をした仕切り板２４が複数枚(本例では８枚)、互いに上下方向に離して配設されている。また、各仕切り板２４にはそれぞれ、９本の内筒伝熱管２１を各々貫通させる複数個(本例では９個)の孔２４ａと、高温側液流れの流路２５の一部を形成する図８に示す半月状をした切り欠き２４ｂが形成されている。

そして、各仕切り板２４は、それぞれの内筒伝熱管２１を対応する孔２４ａに挿入させるとともに、互いに上下方向に離され、かつ、切り欠き２４ｂが互いに１８０度ずれた位置となるようにして配設され、更に上部液溜めハウジング２３の下面から垂下された複数(本例では４本)の支持棒２６により、上部液溜めハウジング２３の下面に吊り下げられた片端支持状態にして支持固定されている。

また、その仕切り板２４は、前記外筒ジャケット１２の内周面、すなわち外筒ジャケット１２の外筒ジャケット内壁１２ａとの間に隙間を設けて配設されており、そして該内筒伝熱管２１の外壁２１ａと該外筒ジャケット１２ａの内壁１２ａとの間に高温液流体を流す高温側液流れの流路２５を画成するものである。この高温側液流れの流路２５では、切り欠き２４ｂが設けられた箇所でそれぞれ上側と連通されており、切り欠き２４ｂが設けられている位置を互いに１８０度ずらして設けていることにより、高温液流体入口１７から流入された高温液流体は、途中、千鳥状に蛇行しながら上側の高温液流体出口１８に至り、その高温液流体出口１８から流出されて行くようになっている。

前記上部液溜めハウジング２３は、上面が開口された環状の容器形に形成されて、その内部に低温液化ガス流体を溜めることができるハウジング部２３ａと、該ハウジング部２３ａの上面を閉じて該ハウジング部２３ａに取り付けられた蓋体２３ｂとを有してなる。そのハウジング部２３ａの底面には前記各内筒伝熱管２１の上端部分がそれぞれ、その底面を上面開口側に向かって貫き、該ハウジング部２３ａ内の途中の位置まで突出した状態にして取り付けられている。一方、蓋体２３ｂには、低温液化ガス流体、例えば液体窒素(ＬＮ２)、液化天然ガスが送られて来る低温液化ガス流体経路と接続される低温液化ガス流体供給口２３ｃと、内筒伝熱管２１内で蒸発した低温液化ガスを大気中に放出するための低温気化ガス排出口２３ｄが設けられている。そして、低温液化ガス流体供給口２３ｃには、一端側が図示しない低温液化ガス流体貯槽に接続されている低温液化ガス流体供給管(図示せず)の他端側が接続される。

前記外筒ジャケット１２は、第１実施例の場合と同様に、下面が閉じられ、上面が開口された円筒管である。また、外筒ジャケット１２の下端外周部には高温液流体入口１７が設けられ、上端外周部には高温液流体出口１８が設けられている。そして、高温液流体入口１７及び高温液流体出口１８には、それぞれ例えば高温液流体を流す高温液流体管(図示せず)が連結されている。

なお、前記外筒ジャケット１２の内径は、前記仕切り板２４の外径に略等しく、仕切り板２４と上部液溜めハウジング１３及び支持棒２６で一体化された内筒伝熱管１１を外筒ジャケット１２の上面側から該外筒ジャケット１２内に挿入できるようになっている。また、この第２実施例の場合も、外筒ジャケット１２の内壁１２ａ側の長さ(深さ)は、上部液溜めハウジング２３の下面から該各内筒伝熱管２１の下面までの長さよりも大きく形成されており、内筒伝熱管２１が外筒ジャケット１２内に、外筒ジャケット１２の上端が上部液溜めハウジング２３の下面と当接するまで挿入された際、図７に示すように、内筒伝熱管１１の下面と外筒ジャケット１２の下面の間に隙間αが形成されるように設定されている。

そして、流下液膜蒸発式熱交換器２０は、上部に上部液溜めハウジング１３を取り付けた内筒伝熱管２１及び仕切り板２４の外側全体を外筒ジャケット１２で覆うようにして、外筒ジャケット１２の上端が上部液溜めハウジング２３の下面と当接するまで、内筒伝熱管２１及び仕切り板２４を外筒ジャケット１２内に挿入し、その後、上部液溜めハウジング２３と外筒ジャケット１２の間を固定して組み立てられ、またハウジング部２３ａの開口が上側を向いて垂直に立てられた状態で設置される。

また、このように組み立てられた流下液膜式熱交換器２０は、内筒伝熱管２１の外壁２１ａと外筒ジャケット１２の内壁１２ａとの間に、上記仕切り板２４と、その切り欠き２４ｂで画成してなる、一本の上記ジグザグ状をした前記高温側液流れの流路２５が、下端の低温液流体入口１７から上端の低温液流体出口１８まで連続して作られる。

次に、このように形成された流下液膜蒸発式熱交換器２０の作用を、図９を使用して説明する。まず、高温冷媒循環経路では、高温液流体が高温液流体入口１７から高温側液流れの流路２５に入り、高温液流体出口１８から出て図示しない高温液流体貯留タンクへ向かう経路で、伝熱面としての内筒伝熱管２１の外壁２１ａに触れながら流れる。

一方、低温液化ガス流体側では、図示せぬ液低温液化ガス流体貯槽からの低温液化ガス流体Ｎ(本例では液体窒素)が、低温液化ガス流体供給口２３ｃを通して上部液溜めハウジング２３のハウジング部２３ａ内に供給される。また、ハウジング部２３ａ内に溜まった低温液化ガス流体Ｎの量が、内筒伝熱管２１の上端開口縁２１ｂの高さ位置を超えると低温液化ガス流体Ｎがハウジング部２３ａから内筒伝熱管２１内に溢れ出て、その溢れ出た低温液化ガス流体Ｎが液膜状をなして各内筒伝熱管２１の内周面、すなわち内筒伝熱管内壁２１ｂ(以下、単に「内壁２１ｂ」という)を流下する。そして、ハウジング部２３ａ内から溢れ出た低温液化ガス流体Ｎは内筒伝熱管２１の内壁２１ｂを流下する際、その低温液化ガス流体Ｎが内筒伝熱管２１を介して高温液流体と伝熱加熱により熱交換して温められ、流下の途中で蒸発・気化して低温気化ガスとなる。また、低温液化ガス流体Ｎによる気化熱(蒸発潜熱)と高温側液流体の顕熱との熱交換により、最終的には高温液流体出口１８から高温液流体貯留タンクに向う高温液流体の温度を下げる。また、内筒伝熱管２１内で気化した低温気化ガスは、低温気化ガス排出口２３ｄを通して排気される。

したがって、この第２実施例による流下液膜蒸発式熱交換器２０の場合でも、内筒伝熱管２１の底面と外筒ジャケット１２の底面との間に隙間αを設けて二重管に形成しているので、内筒伝熱管２１と外筒ジャケット１２との間に熱歪みが生じたような場合、その隙間αで歪みを吸収することができる。

また、内筒伝熱管２１と外筒ジャケット１２を別々に形成して、その複数本の内筒伝熱管２１を複数枚仕切り板２４と上部液溜めハウジング２３及び支持棒２６で１つに束ね、これを外筒ジャケット１２の内側に挿入して外筒ジャケット１２で外側を覆った形にして接合保持することにより、二重構造を容易に形成することができる。

さらに、内筒伝熱管２１と外筒ジャケット１２の間の隙間に形成される高温側液流れの流路２５の流路断面積を狭めるように、その隙間内を仕切り板１４により区切っているので、高温側液流れの流路１５内を流れる高温液流体の流速が上がり、総括的に伝熱効率が良くなる。

また、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変を為すことができ、そして、本発明が該改変されたものに及ぶことは当然である。

本発明の熱交換器は高温側液流体の顕熱と低温側液化ガスの蒸発潜熱の間で熱交換させたい場合に使われ得るものであり、産業上の用途としては、低温液流体冷却設備に組み込まれる熱交換器、貯留液化ガスを燃料等として消費するためにガス化して供給する液化ガス気化設備に組み込まれる熱交換器、圧縮機による機械式冷凍機に組み込まれる冷媒蒸発用熱交換器などに適用可能である。

１０流下液膜蒸発式熱交換器
１１内筒伝熱管
１１ａ内筒伝熱管外壁
１１ｂ内筒伝熱管内壁
１１ｃ上端開口縁
１２外筒ジャケット
１２ａ外筒ジャケット内壁
１３上部液溜めハウジング
１３ａハウジング部
１３ｂ蓋体
１３ｃ低温液化ガス流体供給口
１３ｄ低温気化ガス排出口
１４仕切り板
１５高温側液流れの流路
１６上端開口部
１７高温液流体入口
１８高温液流体出口
２０流下液膜蒸発式熱交換器
２１内筒伝熱管
２１ａ内筒伝熱管外壁
２３上部液溜めハウジング
２３ａハウジング部
２３ｂ蓋体
２３ｃ液化ガス供給口
２３ｄ気化ガス排出口
２４仕切り板
２４ａ孔
２４ｂ切り欠き
２５高温側液流れの流路
２６支持棒
Ｎ低温液化ガス流体
α 隙間

Claims

高温液流体から低温液化ガス流体への伝熱加熱により低温液化ガスを低温気化ガスに蒸発させる流下液膜蒸発式熱交換器において、前記熱交換器は、下面が閉じられた内筒伝熱管と、該内筒伝熱管を収容配置してなる外筒ジャケットと、該内筒伝熱管と該外筒ジャケットを間に隙間を設けて互いに垂直に接合保持してなる上部液溜めハウジングとを備え、前記内筒伝熱管の外壁と前記外筒ジャケットの内壁との前記隙間で形成された流路に前記高温液流体を通液し、かつ、前記低温液化ガス流体を前記上部液溜めハウジングから前記内筒伝熱管の内壁面に沿って流下させ、該内筒伝熱管を伝熱面とする伝熱加熱により蒸発し発生する低温気化ガスを前記内筒伝熱管上方に排出させることを特徴とする流下液膜蒸発式熱交換器。
上記内筒伝熱管と上記外筒ジャケットの間の上記隙間内に、前記流路内における液流れ通過断面積を狭める仕切り板を設けてなることを特徴とする請求項１記載の流下液膜蒸発式熱交換器。
上記仕切り板は、上記内筒伝熱管からその外面に支持固定されていることを特徴とする請求項２記載の流下液膜蒸発式熱交換器。
上記仕切り板は、上記外筒ジャケットからその内面に支持固定されていることを特徴とする請求項２記載の流下液膜蒸発式熱交換器。
上記仕切り板は、上記上部液溜めハウジングから支持体にて支持固定されていることを特徴とする請求項２記載の流下液膜蒸発式熱交換器。
上記内筒伝熱管が一本のみであり上記外筒ジャケットと円筒同心に配置されていることを特徴とする請求項１,２,３,４または５記載の流下液膜蒸発式熱交換器。
上記内筒伝熱管が二個以上の複数本備えることを特徴とする請求項１,２または５記載の流下液膜蒸発式熱交換器。