JP2018525600A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

本発明は、第１の円筒管（２）と、該第１の円筒管（２）内を同軸に延びるねじ山付きスピンドル（３）とを備えた熱交換器に関しており、この場合第１の円筒管（２）の内面が、案内溝（２２）を有しており、この場合ねじ山付きスピンドル（３）上に、清掃要素（１２）が取り付けられており、それにより、清掃要素（１２）は、ねじ山付きスピンドル（３）の回転によって案内溝（２２）に沿って軸方向にシフトされる。

Description

本発明は、熱交換器、特に天然ガスを乾燥および清掃するための作動媒体としての天然ガス用の熱交換器に関する。

背景技術
作動媒体を加熱または冷却するための熱交換器は、従来技術から広く知られている。以下では一般性を制限することなく、作業媒体の天然ガスをより詳細に考察する。地下貯留層からの天然ガスは、しばしば、特に高い割合の望ましくない付随物質、および特に高い水分量を含む。ここでは、さらなる目的のために使用する前に、天然ガスから付随物質および水分を除去することが望ましい。この目的のために、１つの可能性として、天然ガスを１つ以上のステップで適切な低温へ冷却することが示される。特にこの場合、天然ガスの液化が合目的的であり得る。

天然ガスの冷却の際には、多くの場合、熱交換器の前述した付随物質によって熱伝達面に堆積物が生じ、この場合そのような堆積物の時間経過は、運転条件およびそれぞれの天然ガス組成に依存する。それゆえ熱伝達面は所定の間隔で清掃されなければならない。しかしながら上述した理由により、関連する熱交換器に対して一般的に有効な清掃間隔を示すことは困難である。

公知のガス乾燥機システムは、例えばシリカゲルのような多孔質材料の充填物で作動する。別の方法では、作業ガスの除湿のために、トリエチレングリコールが使用される。この場合このプロセスは、大抵の場合、所望の純度を達成できるようにするために、多段階を保持しなければならない。湿った作動ガスは、水和物形成および腐食の原因である。それゆえに、ガス輸送ネットワークにおいては含水率に関して限界値が適用される。

コンプレッサーステーション、ならびにパイプライン、バルブなどの下流側の要素は、基本的には、乾式作動ガスを用いた運転用に設計されており、そのため、付随物質の他に水も作動媒体から除去されるべきである。ガス乾燥のプロセスは、例えば機械的ステップ（自由水の機械的分離）および熱力学的ステップ（減圧による分離）を含み、最後には、例えば上述したトリエチレングリコールのような高吸湿性物質による吸収ステップを含み得る。このトリエチレングリコールは、ガス流中に噴霧され、残留水分を吸収することができる。

凝縮および凍結される、水、ＣＯ_２ならびに炭化水素化合物などの付随物質は熱伝達面に堆積され、それによって熱伝達が低減する。氷点以上の運転温度でも、熱伝達面にはメタンハイドレートの形成が引き起こされる。

従来技術による乾燥機システムの多孔質充填物は、原則として非常に大きな容積を必要とする。さらにこの充填物は、作動ガスから液体成分、主に水分だけを吸収する。例えば乾燥した不飽和不活性ガスの通流および／または充填物の加熱および／または硬化によって行われる充填物の再生の際には、大量の作動ガスが未使用で排出される。従来技術による公知の乾燥機で、充填物を交換する場合、充填物を完全に交換できるようにするために容器の開放が必要である。このことはコストと労力を要し、生産サイクルの中断を招く。

上述した作動媒体としてのガスの乾燥および清掃のためのプロセスは高価であることが判明している。この場合は上述して欠点を受け入れる必要なしで、プロセスステップの数を低減することが望ましい。

発明の概要
本発明では、第１の円筒管と、該第１の円筒管内を同軸に延びるねじ山付きスピンドルとを備えた熱交換器が提案されており、ここでは、第１の円筒管の内面が案内溝を有しており、ねじ山付きスピンドル上に、清掃要素が取り付けられており、それにより、この清掃要素は、ねじ山付きスピンドルの回転によって案内溝に沿って軸方向にシフトされる。この清掃要素は、第１の円筒管の内面とねじ山付きスピンドルとの間の熱伝達面上の堆積物を清掃するために使用される。この清掃要素は、タペットの形態でねじ山付きスピンドルに直接取り付けられるか、またはそれ自身がねじ山付きスピンドルに直接取り付けられたタペットに取り付けられる。第１の円筒管とねじ山付きスピンドルとの間の介在空間内を熱交換のために通流する作動媒体は、冒頭でも説明したように、特に冷却の際に堆積物を熱伝達面に残す。作動媒体としての天然ガスの場合、これらの堆積物は、特に付随物質および水からなる。前述した堆積物は、清掃要素によって取り上げられ、かつ／または運び去られ、または持ち去られ得る。つまり清掃のために、ねじ山付きスピンドルが操作され、これによって清掃要素が第１の円筒管の内部において軸方向にシフトされ、それによって堆積物が熱伝達面から除去され得る。そのような堆積物は、特にねじ山付きスピンドル上と熱交換器の軸方向に延びる案内溝上に生じる。清掃要素は、これらの面を清掃する。この清掃要素に対しては、好ましくは鋼、とりわけ特に焼き戻し鋼および非鉄金属からの合金、さらに冷間強靱ニッケル合金（インコネルなど）ならいに鋳造材料を使用することができる。

熱交換器の通常運転中、清掃要素は静止位置に置かれ、この静止位置では、作動媒体と冷却剤との間の熱交換に最小限の影響しか及ぼさないかまたは全く影響を及ぼさない。もちろん、作動媒体が加熱されるべき場合には、冷却剤の代わりに加熱材の使用も可能である。清掃は、例えば経験的に求められた周期期間の後かまたは外部から測定された最大許容差圧に達した場合に行われる。この最大許容差圧からは、作動媒体のための自由通流断面積が堆積物に起因して減少したことを推定することができる、

本発明による清掃要素を備えた熱交換器は、手動で開く必要性なしで、熱伝達面の効果的な清掃を可能にする。記述した清掃プロセスは容易に実施可能である。この目的のために、清掃要素を軸方向にシフトさせるために必要とされることは、ねじ山付きスピンドルを回転させるだけである。さらに別のプロセスステップは不要である。特に好ましくは、清掃要素が既存の堆積物を取り去るかまたは運び去る。このようにして、清掃要素の変更に伴って摩耗もしくは経年劣化も防止することができる。

本発明の利点および実施形態
一般性を制限することなく熱交換に使用される冷却剤は、第１の円筒管の外面の周りを流れる。この目的のために好ましくは、熱交換器が第１の円筒管と同軸に配置された第２の円筒管を有している。この関係においてさらに合目的的には、冷却剤を、第２の円筒管と第１の円筒管との間の介在空間に流入もしくは当該介在空間から流出させるために、当該冷却剤用の入口開口部および出口開口部が存在している。同様に合目的的には、作動媒体を、第１の円筒管とねじ山付きスピンドルとの間の介在空間に流入もしくは当該介在空間から流出させるために、当該作動媒体用の入口開口部および出口開口部が存在している。

好ましくは、清掃要素は、実質的に中空円筒状に成形された清掃要素として構成されており、この場合清掃要素の内面は、ねじ山付きスピンドルのねじ山に対応する雌ねじを有しており、さらに清掃要素の外面は、第１の円筒管の内面の案内溝に対応する外溝を有している。このようにして、清掃要素は、簡単な方法で（別個のタペットなしで）ねじ山付きスピンドルに取り付けることができ、第１の円筒管の内面とねじ山付きスピンドルとの間の介在空間内で熱伝達する内面上に根本的に存在する堆積物をできるだけ除去することができる。

合目的的には、清掃要素は、当該清掃要素の、その他の点では実質的に円筒状に成形された周面に凹部を有しており、この場合これらの凹部は軸方向に対して平行に延在している。これらの凹部は、特に清掃要素内で周方向に等距離に配置されている。これらの凹部もしくは切削加工部は、清掃要素内に複数の「歯」または「爪」を形成し、それらは特に清掃中の清掃要素の詰まりまたは固着を防止するのに役立つ。ねじ山付きスピンドルから解離された堆積物は、前述の凹部または切削加工部内に到達することができ、そこからは少なくとも清掃段階中の熱交換器の垂直動作のもとで（清掃要素の移動方向に対して）下方に落下する。このようにして、堆積物の蓄積により、清掃要素の詰まりを効果的に回避することができる。

さらに合目的的には、清掃要素の雌ねじが軸方向で拡大する直径を有している。この構成によって、ねじ溝の清掃は、例えば清掃要素が軸方向でその拡張全体にわたってねじ溝に載置されている場合のように急激に行われないことが達成される。これにより、清掃要素の生じ得るクランプが回避される。清掃要素が軸方向の凹部を有している上述の実施形態と関連して、これによって形成された個々の「爪」または「歯」は、より弾性的になり、さらに外壁部もしくはねじ溝により良好に押し付けられる。さらに別の利点は、これによって形成される自由空間であり、これはクランプ式加工法のチップチャネルに匹敵する。

好ましくは、第１の円筒管の外面は、軸方向に螺旋状に延びるコイルを有している。このコイルは、第１の円筒管の外面の構成部品であり、この外面に被着されるか、または切削加工によって形成される。その後、これらのコイルの介在空間内には、冷却剤が軸方向で螺旋状に通流し得る。それゆえこのコイルを有する第１の円筒管は、冷却コイルとも称され得る。

好ましくは、清掃要素を用いて清掃された堆積物／汚染物質用の堆積物蓄積器は、ねじ山付きスピンドルと第１の円筒管／冷却コイルの内面との間の介在空間と、特に熱的に分離されて接続されている。この好ましい実施形態では、清掃要素が、汚染物質を、特に前述の熱伝達面から、つまりねじ山付きスピンドルと、第１の円筒管の内面との間の介在空間から、熱的に分離された堆積物貯蔵器に搬送している。この熱的分離は、熱交換器のさらなる動作に影響を与えることなしに、堆積物貯蔵器内に集められた付随物質またはその他の堆積物の熱処理を可能にする。この目的のために、好ましくは加熱要素が熱交換器に、またはその内部に存在しかつ堆積物蓄積器内に存在する付随物質／汚染物質を加熱できるように配置されている。作動媒体の冷却の際には、付随物質および水のような、作動媒体内に存在する汚染物質の凝縮が生じる。清掃要素は、凝縮した汚染物質を堆積物貯蔵器に搬送することができ、そのためこの堆積物貯蔵器は、例えば凝縮物液貯器と称することもできる。引き続き収集された凝縮物は、前述の加熱要素を用いて加熱することができる。加熱され溶融された凝縮物は、下流側のバルブの開放により、凝縮物排出口を介して排出することができる。このようにして、所与の時点で、堆積物蓄積器を、自身の側で存在する汚染物質から解放することができる。

好ましくは、清掃過程の期間中に、清掃要素の位置の情報が得られる。この目的のために好ましくは、位置測定手段が存在しかつ清掃要素の軸方向の位置を測定できるように配置されている。そのような位置測定は、予め定められた所定の位置においてねじ山付きスピンドルの回転方向を逆転させることを可能にもしくは容易にさせ、それによって清掃要素は逆方向に戻される。またこの位置測定を用いて、所定の静止位置の到達を簡単な方法で検出することも可能である。

ねじ山付きスピンドルを駆動するために好ましくは、駆動モータが使用され、この場合は駆動モータと、ねじ山付きスピンドルと第１の円筒管の内面との間の介在空間との間に、つまり駆動モータと、熱交換器の熱伝達面との間に、粒子障壁が存在している。そのような粒子障壁は、作動媒体が熱交換器に通流する空間内への異物の浸入を防止し、逆からは、駆動モータもしくはその軸受を粒子から保護するために使用される。

要約すると、本発明による熱交換器は以下の好ましい構造で確かめることができ、この場合個々の特徴は必ずしも本明細書で特定された組み合わせで実現される必要はない。雌ねじ山付きスピンドルは、第１の円筒管もしくは冷却コイルによって取り囲まれている。後者は、第２の円筒管もしくは外側円筒管によって取り囲まれている。ねじ山付きスピンドルと冷却コイルとの間の介在空間は、入口開口部を介してこの空間に供給され、出口開口部を介して熱交換後にこの空間から除去される作動媒体の作動空間を形成する。通流方向を逆転することは合目的的であり得る。その際にはこの目的のために前述の入口開口部が出口開口部として使用され、前述の出口開口部が入口開口部として使用される。しかしながら、そのようなケースでは、前述の入口開口部の側にさらに別の出口開口部を設け、前述の出口開口部の側に、作動媒体用のさらに別の入口開口部を熱交換器に設けることが有利である。このケースでは、それぞれ作動媒体の流入と流出のための２つの相対向するポートが利用可能であり、これらは以下では「両面」入口開口部もしくは「両面」出口開口部とも称する。冷却剤は、冷却剤入口開口部を介して、冷却コイルと外側円筒管との間の介在空間に添加され、この介在空間を通って冷却剤出口開口部に通流し、それによって当該介在空間を再び離れる。これらの冷却剤入口開口部および出口開口部については、作動媒体用の入口開口部および出口開口について述べられたことが類似のように当て嵌まる。すなわち好ましくは、両面冷却剤入口開口部および出口開口部が設けられる。合目的的には、冷却剤の通流が作動媒体の通流に対して向流で行われる。また合目的的には、冷却剤の通流が作動媒体の通流に対して並流で行われる。

熱交換器の一方の側には、ねじ山付きスピンドルを回転させる駆動モータが存在している。このねじ山付きスピンドルは、軸受に支承されている。この軸受には、位置測定手段が存在しており、この位置測定手段は、ねじ山付きスピンドルのねじ山の既知のピッチのもとで、駆動モータの回転数に基づいて、ねじ山付きスピンドルによって移動される清掃要素の位置に関する情報を提供することができる。リーマとも称され得るこの清掃要素は、好ましくは駆動モータと同じ側のその静止位置に存在し、この駆動モータから粒子障壁によって分離されている。そのような粒子障壁は、例えばＰＴＦＥから製造されていてもよく、それゆえ低温でも粒子がそこに蓄積するくらいに柔らかい。シャフトからの径方向の距離は、可及的に短く、理想的には１／１０ｍｍほど、好ましくは０．４ｍｍよりも短く、より好ましくは０．３ｍｍよりも短く、さらに好ましくはほぼ０．２ｍｍに等しい。

熱交換器の他方の側には、作動媒体が通流する作動空間の端部に、特にこの作動空間から熱的に分離されている堆積物蓄積器もしくは凝縮物貯蔵器が存在する。これには引き続き加熱要素が続いており、この加熱要素は、凝縮物貯蔵器を加熱するためにこれと熱的に結合されている。凝縮物貯蔵器は、当該凝縮物貯蔵器の内容物を空にすることができるように、凝縮物排出口を介して熱交換器の周辺につながっている。同様に、この熱交換器の端部には、ねじ山付きスピンドルのための摺動軸受ブッシュが存在している。

以下では、そのように好ましい本発明による熱交換器の動作形式をより詳細に説明する。通流方向に応じて、それぞれの作動媒体入口開口部を通って、湿って汚染された作動媒体が、ねじ山付きスピンドルと冷却コイルとの間の空間内に流入し、反対側の出口開口部の方向に流れる。この作動媒体はこの場合、ねじ山付きスピンドルの回転軸に沿って冷却コイルの内面の案内溝を流れる。冷却コイルは、冷却剤によって熱を取り去り、その場合この冷却剤は、好ましくは作動媒体と向流で、冷却コイルと外側円筒管との間に形成された空間内を流れる。この冷却に起因して作動媒体の温度は低下し、熱伝達面におけるそれらの液化温度もしくは固化温度に応じて付随物質もしくは汚染物質が脱落する。これらの汚染物質は、作動媒体と冷却コイルとの間の熱伝達能力を低下させる。

熱伝達面を清掃化する目的のために、ねじ山付きスピンドルは駆動モータによって回転される。駆動モータのハウジングはこの場合好ましくは、作動媒体が通流する介在空間と接続され、それによって作動圧力が負荷される。ねじ山付きスピンドルのねじ山は、この場合好ましくは、台形輪郭を有する右回りのねじ山として実施されているが、ここでは原理的には左回りのねじ山もその他の側面形状も考えられ好ましいものであり得る。これについてはさらに以下の記載も参照されたい。清掃要素もしくはリーマは、一方でねじ山付きスピンドルのねじ山に係合し、他方では冷却コイルの案内溝もしくは輪郭溝に係合し、これによって清掃要素は並進移動される。

ねじ山付きスピンドルの所定のねじ山ピッチに基づいて、位置検出手段によって測定された駆動モータの回転数を用いて、清掃要素の位置を検出することができる。清掃要素はこの場合、作動空間端部の熱的に分離された凝縮物貯蔵器もしくは堆積物蓄積器まで摺動する。それにより、清掃要素は、既存の付随する堆積物を凝縮物貯蔵器内に押し出す。対応する位置に達すると同時に、駆動モータの回転方向が逆転し、清掃要素は、粒子障壁に隣接するその静止位置に戻る。収集された凝縮物は、加熱要素によって加熱可能であり、物質の状態に応じて溶融または気化され、それに続いて、下流側のバルブの開放により、好ましくは両面凝縮物排出口を通って排出される。

特に好ましくは、複数の直列に接続された熱交換器が熱交換器システムに組み合わされる。そのような段階的構造により、汚染物質は、個々の段階がそれぞれより低い温度のもとで作動される場合に、「凍結させる」ことが可能になる。

前述の台形輪郭を有するねじ山付きスピンドルに対して代替的に、好ましくは交差形ねじ山を有するねじ山付きスピンドルを使用することができる。そのようなねじ山付きスピンドルは、それ自体公知であり、交差形ねじ山付きスピンドルとも称される。台形輪郭を有するねじ山付きスピンドルは、その回転方向に応じて１つの割り当てられた移動方向のみを常に再現することができ、その結果、回転方向の反転のもとで同じ様に逆転する。回転方向を逆転させるには、駆動モータの給電部内のスイッチング素子もしくは変速ギアボックスが必要である。駆動モータまたは切換ギアの電源にスイッチング素子が必要である。清掃要素などのねじ山付きスピンドル上を摺動する要素の所定の終端位置を越える走行を回避するために、これらには頻繁に位置ストッパが装備されている。代替的に、摺動要素の位置は、位置検出手段によって検出される。

交差形ねじ山付きスピンドルの使用は、これらの欠点を克服する。交差形ねじ山は、好ましくはスピンドル上の左右のねじ山もそれぞれ同じピッチで再現されるように構造化されており、それらのそれぞれの端部位置において、ねじ溝内を摺動する少なくとも１つの摺動ブロックが第１の移動方向から第２の移動方向に移動する反転箇所を有している。そのためねじ山付きスピンドルのシャフトの回転方向は、常に同じままである。したがって、交差形ねじ山付きスピンドルを使用する場合には、清掃要素の位置に対する上述した位置測定手段の必要性もなくなる。この目的のために、上述の終端位置の決定、つまり清掃要素の静止位置の決定は、代替的な方法を介して行われなければならない。この目的のために、例えば清掃要素の２つの終端位置におけるトルクの際立った変化が記録されるトルク測定が可能である。付加的または代替的に、静止位置の終端位置または少なくとも上端位置は、イニシエータを用いて、つまりリミットスイッチを用いて求めることができる。

したがって、簡単な実施形態では、本発明による熱交換器は、ねじ山内を摺動する少なくとも１つの摺動ブロックと、例えばボルトを介して摺動ブロックに接続されたリーマもしくは清掃要素とを有している交差形ねじ山付きスピンドルを備える。

交差形ねじ山付きスピンドルを使用する利点は、シャフトの回転方向を変更することのない、移動方向の自動的な反転にあり、そのため電動モータの制動および再始動は時代遅れのものとなり、このことも、より省エネ的なプロセスの結果につながる。さらに、既に述べたように、回転方向を反転させるための電気的装置を設ける必要はなく、もしくは制御装置において相応のプログラム部分が省かれる。全体として、熱交換器の清掃過程は、省かれた方向反転によって短縮される。清掃要素の終端位置は、交差形ねじ山の反転研磨面によって自動的に定まるため、それによって越えることはできない。最後に、上述した位置測定手段を省略することができる。

本発明はさらに、ガスを液化するための本発明による熱交換器の使用に関している。ここでは、第１の円筒管に対して同軸に第２の円筒管が配置され、この場合第１の円筒管と第２の円筒管との間に冷却剤が通流する。さらに、第１の円筒管とねじ山付きスピンドルとの間に、液化すべきガスを含む作動媒体が通流する。上述の天然ガスの例では、液化すべきガスは、例えば窒素であってもよい。冷却媒体は、作動媒体よりも低い温度で通流し、この場合冷却媒体の圧力および温度、ならびに作動媒体の圧力は、冷却媒体との熱交換によって作動媒体中の液化すべきガスが液化されるように設定される。上述した天然ガスの例では、例えば冷却媒体として、１バールの圧力および−１９６℃の温度の液化窒素を使用することができる。作動媒体（天然ガス）は、特に、例えば１０バールの圧力を有する上流側の熱交換器による相応の事前冷却の後に導入される。冷却媒体との熱交換により、天然ガスに含まれる窒素を−１７０℃以下の温度に冷却することができ、それによって、この窒素は１０バールの圧力で液化する。

前述の方法は、作動媒体中の１つ以上の成分としてヘリウム、酸素および／または水素の液化に類似して使用することができる。ヘリウム、水素および酸素の液化の具体例は以下に示す。

例えばガス混合気からの分離目的での様々なガスの液化。

Ｏ _２ の液化：
冷却媒体、好ましくは１〜１５バールの液体窒素；
冷却媒体の温度範囲−１６３℃＠１５バール〜−１９６℃＠１バール；
液化すべきＯ_２の圧力、１バール〜５０バール；
第１の液化温度＠１バール、−１８３℃；
第２の液化温度＠５０バール、−１１９℃；
この冷却媒体の圧力は、それぞれ、冷却媒体の温度が常に作動媒体の温度よりも低くなるように選択される。

Ｈ _２ の液化：
冷却媒体、好ましくは１〜２．２バールの液体ヘリウム；
冷却媒体の温度範囲、−２６７℃＠２．２バール〜−２６８℃＠１バール；
この冷却媒体の圧力は、それぞれ、冷却媒体の温度が常に作動媒体の温度よりも低くなるように選択される。

代替的冷却媒体、１〜１３バールの間の液体水素；
冷却媒体の温度範囲、−２４０℃＠１３バール〜−２５３℃＠１バール、
冷却媒体として、液化すべき媒体と同じ媒体が使用される特殊なケースにおいては、冷却媒体の圧力は作動媒体の圧力よりも低くされなければならず、その結果、冷却剤の温度はより低い平衡点に基づきより低くなる。

液化すべきＨ_２の圧力、１バール〜１３バール；
第１の液化温度＠１バール、−２５３℃；
第２の液化温度＠１３バール、−２４０℃。

Ｈｅの液化：
冷却媒体、好ましくは１〜２．２バールの液体ヘリウム；
冷却媒体の温度範囲、−２６７℃＠２．２ｂａｒ〜−２６８℃＠１バール；
冷却媒体として、液化すべき媒体と同じ媒体が使用される特殊なケースにおいては、冷却媒体の圧力は作動媒体の圧力よりも低くされなければならず、その結果、冷却剤の温度はより低い平衡点に基づきより低くなる。

液化すべきＨｅの圧力、１バール〜２．２バール；
第１の液化温度＠１バール、−２６８℃；
第２の液化温度＠２．２バール、−２６７℃。

前述した特徴および以下でさらに説明すべき特徴は、本発明の権利範囲から逸脱することなく、それぞれ示された組み合わせにおいてのみではなく、他の組み合わせにおいてもあるいは単独においても使用可能であることが理解される。

本発明は、１つの実施例に基づいて図面に概略的に示されており、以下では図面を参照して説明する。

本発明による熱交換器の好ましい実施形態の概略的縦断面図 図１に示された熱交換器の第１の円筒管としての冷却コイルを示した図 図１による熱交換器に使用される清掃要素を示した図 交差形ねじ山を有するねじ山付きスピンドルの概略的断面図

図面の詳細な説明
図１は、特に天然ガスを冷却するために使用することができるような熱交換器１３の一実施形態の縦断面を概略的に示す。この簡単な実施形態では、熱交換器１３は、冷却コイル２を取り囲む外側円筒管１を備えている。この冷却コイル２は、自身の側で円筒管として実施されており、その外面に少なくとも１つの、好ましくは螺旋状の流路２３を有しており、この流路２３は、冷却剤の案内に用いられる。図２に示されているように、この流路２３は、冷却コイル２の外面上の対応するコイル２１によって形成される。中空円筒状の冷却コイルの内面は、案内溝もしくは輪郭溝２２を有する。この少なくとも１つの案内溝２２は、清掃要素またはリーマ１２の案内に用いられる。

冷却コイル２の内部には、当該冷却コイル２に対して同軸にねじ山付きスピンドル３が存在している。このねじ山付きスピンドル３は、駆動モータ４によって駆動され、好ましくはアキシャル／ラジアル複合軸受５として実施されている軸受箇所において支承されている。ねじ山付きスピンドル３の他方の端部では、このねじ山付きスピンドル３が好ましくは滑り軸受ブッシュ８として実施されているラジアル軸受け箇所において支承されている。その他にこの熱交換器１３の当該端部には、熱伝達しないように熱的に分離された凝縮物貯蔵器７並びに当該凝縮物貯蔵器７内の凝縮物を加熱するための加熱要素９が存在している。

熱交換器１３の他方の端部では、粒子障壁１１が、駆動モータ４を作動媒体のための作動空間から分離している。この粒子障壁１１はその他に、駆動モータ４および軸受５を粗い粒子から保護するために用いられるが、ガスシールとしては働かない。

ここで示される図１による実施形態では、複数の外側円筒管１がクランプ装置１０によって接続されている。このクランプ装置１０は、雌ねじを有する２つのユニオンナットが外側円筒管１にねじ込まれるように構造化されており、この外側円筒管１は雄ねじを備えている。これらのユニオンナットはねじを用いて締め付けられ、個々のセグメントは相互に押し付けられ、シールによって封止される。そのような複数の外側円筒管も、「外側円筒管」と解され、称され得る。

清掃要素またはリーマ１２は、その静止位置において粒子障壁１１に隣接して配置される。駆動モータ４の運転開始の際に、ねじ山付きスピンドル３は回転され、それによってリーマ１２がねじ山付きスピンドル上を冷却コイル２の案内溝もしくは輪郭溝２２に沿って軸方向に移動する。本明細書の例では、例えば台形輪郭を有するねじ山付きスピンドル３が使用される。リーマ１２の移動方向の反転は、ねじ山付きスピンドル３の回転方向の反転が前提となる。ねじ山付きスピンドル３の別の実施形態は、図４に関連して以下に説明される。

熱交換器１３の動作中は、作動媒体入口開口部１４を介して例えば湿って汚染された作動媒体が、ねじ山付きスピンドル３と冷却コイル２との間の介在空間内に案内され、熱交換器１３の他方の端部における作動媒体出口開口部１５に軸方向で通流する。この場合この作動媒体は、中空円筒状の冷却コイル２の内面の輪郭溝２２内を（図２参照）ねじ山付きスピンドル３の回転軸に沿って通流する。冷却剤入口開口部１６を介して冷却コイル２と外側円筒管１との間の空間に冷却剤が供給され、この冷却剤は、熱交換器１３の他方の端部に流れ、この冷却剤は冷却剤出口開口部１７を通って当該他方の端部から離れる。この場合この冷却剤は、外側円筒管１と冷却コイル２との間に形成された流路２３内を螺旋状に軸方向に流れる。この冷却剤は、冷却コイル２から熱を取り去り、それによって、作動媒体からも熱を取り去る。

特殊な用途では、地下の洞窟から４〜最大で２２０バールの圧力の天然ガスが、約２０℃の温度まで温度調節される。第１の熱交換器では、作動媒体が好ましくは１℃に冷却される。第１の熱交換器に直列に接続された第２の熱交換器では、作動媒体が、好ましくは−４０℃〜−６０℃に冷却される。第３の段階では、作動媒体は、好ましくは−８０℃〜−１５０℃に冷却され、最終段階では、作動媒体は、再び直列に接続された熱交換器を解して液化される。この場合天然ガスの温度は、−１９６℃まで低下し、この場合は天然ガスの過冷却につながる。ここでの第１段階では水分の大半が取り除かれ、次の段階では主に高級炭化水素、ＣＯ_２ならびにさらに別の付随物質が取り除かれる。熱交換器１３の各段階に存在するリーマ１２により、凝縮された成分がそれぞれの熱伝達面から清掃され得る。

最初の２つの熱交換器段は、この具体的な相互接続の場合、冷却機によって冷却され、２つのさらに別の熱交換器段は、液体窒素、極低温液体ＣＮＧまたは極低温ガス状窒素によって冷却される。熱交換器の最大動作圧力は３００バールであり、許容動作温度は１００℃〜−２００℃である。

冷却媒体、例えば最大１０バールの窒素と、作動媒体、ここではとりわけ４〜２２０バールの窒素を含む不随物質を伴うＣＮＧとの間の異なる圧力比によって、高圧（例えば１０バール）の不随物質としての窒素は、異なる圧力依存相転移に起因して、低圧（例えば１バール）の液体窒素によって液化され、堆積させることができる。それにより、ここで提案される熱交換器１３は、窒素を液化するためにも使用することができる。

熱伝達面の清掃目的のために、例えば、第１段階における水もしくは氷の除去、もしくは第２段階およびさらなる段階における高級炭化水素、ＣＯ_２およびさらに別の付随物質の除去のために、一段のねじ山付きスピンドル３は駆動モータ４によって回転される。一方ではねじ山付きスピンドル３のねじ山に係合し、他方では冷却コイル２の輪郭溝２２に係合するリーマ１２は、これにより並進移動させられる。リーマ１２は、凝縮物貯蔵器７方向の自身の経路上で、前述の凝縮した付随物質を連行する。これらは凝縮物貯蔵器７に到達するとそこへ自動的に押し込まれる。位置測定手段６は、ねじ山付きスピンドル３の所定のねじ山ピッチに基づいて、駆動モータ４の測定された回転数からリーマ１２の位置を決定することができる。凝縮物貯蔵器７の位置に達すると同時に駆動モータ４の回転方向が反転され、それによってリーマ１２はその静止位置に戻される。この静止位置が上端位置を示し、凝縮物貯蔵器７の位置が熱交換器の垂直位置におけるリーマ１２の下端位置を示す場合には合目的的である。

回収された凝縮物は、加熱要素９を介して加熱されると共に溶融される。下流側のバルブを開くことによって、付随物質は凝縮物排出口１８を通して排出することができる。

熱交換器１３の熱交換面の清掃は、例えば経験的に求められた周期期間の後かまたは外部から測定された最大許容差圧に達した場合に行われる。この最大許容差圧からは、作動空間内の自由通流断面積が堆積した付随物質に起因して減少したことを推定することができる。この清掃によって、可及的に高くて一定した熱伝達値が得られる。従来技術によるシステムと比較して、この熱交換器１３は、効果的に使用される熱伝達面に基づいて、より小さな構造容積を必要とするだけである。

熱交換器１３のセグメント式構造は、モジュール構造を可能にする。それにより、熱伝達能力は、熱伝達面の拡大もしくは縮小によって可変である。

前述の位置検出手段６の使用により、リーマ１２の実際位置が常に監視される。滑りを測定することにより、場合によって生じ得る詰まりを早期に識別することができる。

なお、ここで説明する熱交換器１３は、天然ガスの液化のためにだけでなく、相応の作動媒体を用いた多くの工業用途に対しても適合化可能であり、使用可能であることに留意すべきである。リーマ１２は、あまり複雑でない交換部品として、それぞれの使用領域のニーズに適合化させることができ、損傷した場合には速やかに交換することができる。

図３は、熱交換器１３において使用され得るようなリーマ１２または清掃要素１２を示す。リーマ１２の外溝１２２が示されており、これらの外溝１２２は、冷却コイル２の案内溝２２に対応している。リーマ１２の雌ねじ１２１は、ねじ山付きスピンドル３のねじ山に対応している。リーマ１２は、凹部もしくは切削加工部１２３を有する。後者によれば、リーマ１２は複数の「歯」もしくは「爪」を含んでおり、それらは堆積物がねじ山内に蓄積されてリーマ１２が固着することを防止している。堆積物は詳細には凹部もしくは切削加工部１２３を通って介在空間内に入り、熱交換器の垂直位置のもとで下方の方向の凝縮物貯蔵器７に落下し得る。さらに、清掃移動方向で拡大しているリーマ１２の内径は、清掃プロセスの開始時に汚染されているねじ山付きスピンドルへの容易な挿入のために用いられる。

最後に、図４は、ねじ山付きスピンドル３’の代替的実施形態を示しており、ここでは交差形ねじ山付きスピンドル３’である。交差形ねじ山のシャフトには符号３１が付されている。その内部で動作する摺動ブロックには符号３２が付されている。この実施形態では、リーマ１２は摺動ブロック３２に接続され、ねじ山付きスピンドル３’の回転の際に軸方向に移動する。

ここでの利点は、既に上記で説明したように、ねじ溝内で摺動する摺動ブロック３２が、ねじ山付きスピンドル３’の回転時に、シャフト３１の回転方向を変えることなく、第１の移動方向から反対の第２の移動方向に唯一の回転方向で移動することである。

左右のねじ山の重畳により、シャフト３１上では典型的なデルタ形のパターンが形成される。

同様に上述したように、ねじ山付きスピンドル３’は、より省エネ的なプロセスを可能にする。なぜなら電気モータが制動される必要も再始動される必要もないからである。その他にもリーマ１２の位置測定と、ひいては図１に示されている位置測定手段６も省くことが可能である。熱交換器１３の清掃過程は、方向転換の省略によりさらに短縮される。

１ 外側円筒管、第２の円筒管
２ 冷却コイル、第１の円筒管
３，３’ ねじ山付きスピンドル
４ 駆動モータ
５ アキシャル／ラジアル軸受
６ 位置測定手段
７ 凝縮物貯蔵器、堆積物蓄積器
８ 摺動軸受ブッシュ
９ 加熱要素
１０ クランプ装置
１１ 粒子障壁
１２ リーマ、清掃要素
１３ 熱交換器
１４ 作動媒体入口開口部
１５ 作動媒体出口開口部
１６ 冷却剤入口開口部
１７ 冷却剤出口開口部
１８ 凝縮物排出口
２１ コイル
２２ 案内溝、輪郭溝
２３ 流路
１２１ 清掃要素の雌ねじ
１２２ 外溝
１２３ 凹部、切削加工部
３１ ねじ山付きスピンドル３’のシャフト
３２ 摺動ブロック

Claims (20)

1. 第１の円筒管（２）と、該第１の円筒管（２）内を同軸に延びるねじ山付きスピンドル（３）とを備えた熱交換器であって、
   前記第１の円筒管（２）の内面が、案内溝（２２）を有しており、
   前記ねじ山付きスピンドル（３）上に、清掃要素（１２）が取り付けられており、それにより、前記清掃要素（１２）は、前記ねじ山付きスピンドル（３）の回転によって前記案内溝（２２）に沿って軸方向に送られる、熱交換器。
2. 前記熱交換器は、前記第１の円筒管（２）と同軸に配置された第２の円筒管（１）を備えている、請求項１記載の熱交換器。
3. 前記第１の円筒管（２）の外面は、軸方向に螺旋状に延びるコイル（２１）を有している、請求項１または２記載の熱交換器。
4. 前記清掃要素（１２）は、実質的に中空円筒状に成形された清掃要素（１２）として構成されており、前記清掃要素（１２）の内面は、前記ねじ山付きスピンドル（３）のねじ山に対応する雌ねじ（１２１）を有しており、さらに前記清掃要素（１２）の外面は、前記第１の円筒管（２）の内面の前記案内溝（２２）に対応する外溝（１２２）を有している、請求項１から３までのいずれか１項記載の熱交換器。
5. 前記清掃要素（１２）は、その他の点では実質的に円筒状に成形された周面に凹部（１２３）を有しており、該凹部（１２３）は、前記軸方向に対して平行に延在している、請求項４記載の熱交換器。
6. 前記凹部（１２３）は、前記清掃要素（１２）内で周方向に等距離に配置されている、請求項５記載の熱交換器。
7. 前記清掃要素（１２）の前記雌ねじ（１２１）は、軸方向で拡大する直径を有している、請求項４から６までのいずれか１項記載の熱交換器。
8. 前記冷却剤を、前記第２の円筒管（１）と前記第１の円筒管（２）との間の介在空間に流入または当該介在空間から流出させるために、当該冷却剤用の入口開口部（１６）および出口開口部（１７）が存在している、請求項１から７までのいずれか１項記載の熱交換器。
9. 前記作動媒体を、前記第１の円筒管（２）と前記ねじ山付きスピンドル（３）との間の介在空間に流入または当該介在空間から流出させるために、当該作動媒体用の入口開口部（１４）および出口開口部（１５）が存在している、請求項１から８までのいずれか１項記載の熱交換器。
10. 前記清掃要素（１２）を用いて洗い流された汚染物質用の堆積物蓄積器（７）は、前記ねじ山付きスピンドル（３）と前記第１の円筒管（２）の内面との間の介在空間と、特に熱的に分離されて接続されている、請求項１から９までのいずれか１項記載の熱交換器。
11. 加熱要素（９）が存在しかつ前記堆積物蓄積器（７）内に存在する汚染物質を加熱できるように配置されている、請求項１０記載の熱交換器。
12. 位置測定手段（６）が存在しかつ前記清掃要素（１２）の軸方向の位置を測定できるように配置されている、請求項１から１１までのいずれか１項記載の熱交換器。
13. 前記ねじ山付きスピンドル（３）を駆動するために駆動モータ（４）が存在しており、さらに該駆動モータ（４）と、前記ねじ山付きスピンドル（３）と前記第１の円筒管（２）の内面との間の前記介在空間との間に、粒子障壁（１１）が存在している、請求項１から１２までのいずれか１項記載の熱交換器。
14. 前記ねじ山付きスピンドル（３）は、ねじ山輪郭として台形輪郭を有している、請求項１から１３までのいずれか１項記載の熱交換器。
15. 前記ねじ山付きスピンドル（３’）は、ねじ山として交差形ねじ山を有する、請求項１から１３までのいずれか１項記載の熱交換器。
16. 前記ねじ山付きスピンドル（３’）の前記交差形ねじ山のねじ溝に、摺動ブロック（３２）が摺動可能に支承されており、該摺動ブロック（３２）は、前記清掃要素（１２）と接続されている、請求項１５記載の熱交換器。
17. 直列に接続された複数の、請求項１から１６までのいずれか１項記載の熱交換器を備えている熱交換器システム。
18. 請求項１から１６までのいずれか１項記載の熱交換器の使用であって、
    ガスを液化するために、
    第１の円筒管（２）に対して同軸に第２の円筒管（１）が配置され、
    前記第１の円筒管と前記第２の円筒管との間に冷却剤が通流し、
    前記第１の円筒管（２）とねじ山付きスピンドル（３）との間に、液化すべきガスを含む作動媒体が通流し、
    前記冷却媒体は、前記作動媒体よりも低い温度で通流し、
    前記冷却媒体の圧力および温度、ならびに前記作動媒体の圧力は、前記冷却媒体との熱交換によって、前記作動媒体中の前記液化すべきガスが液化されるように設定される、熱交換器の使用。
19. 前記冷却媒体として、前記液化すべきガスと同じ媒体を使用し、前記冷却媒体の圧力は、前記作動媒体の圧力より低く選択される、請求項１８記載の使用。
20. 前記作動媒体中の１つ以上の成分としての窒素、ヘリウム、酸素および／または水素を液化するための請求項１８または１９記載の使用。

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