JP3211018U - 柱状熱輸送装置及び流体物質の熱輸送用の配管 - Google Patents

Abstract

【課題】流体物質と作業物質とが動的に熱交換を繰り返し、熱輸送によって流体物質を加熱又は凝縮させることが可能な柱状熱輸送装置及び流体物質の熱輸送用の配管を提供する。【解決手段】柱状熱輸送装置は、熱伝導性柱状ハウジング１と仕切り板２とを備える。熱伝導性柱状ハウジングの内腔は密閉空間である。仕切り板は、熱伝導性柱状ハウジングの内腔を、熱伝導性柱状ハウジングの長手方向の軸に沿った複数の中空柱状のチャンバ４に仕切る。チャンバの内部には、作業物質が充填され柱状熱配管が挿通されている。チャンバの内壁には、熱伝導材で作製された複数のマイクロフィン３が設けられ、隣り合うマイクロフィンの間には、行列状の微細溝９が形成されている。微細溝は、作業物質がチャンバ内を流れる際に生ずる抵抗を低減させる。【選択図】図１

Description

本考案は、柱状熱輸送装置及び流体物質の熱輸送用の配管に関する。

様々な産業分野において、流体物質、例えば、石油、水、ガスに対する加熱又は熱交換に対する需要がある。一方で、産業余熱が大量に発生し、このような余熱を回収利用することで、エネルギーを節約することができる。この２つの方面の需要に応じた熱輸送設備は、熱輸送と流体物質の輸送をスムーズにするように、通常は大型化しなければならない。この熱輸送の過程において、温度は、安全を確保可能な範囲に維持されている。
例えば、採掘される粘稠な石油を地下から地面まで輸送する過程においては、地面の温度で石油が冷やされて非常に稠密になり、効率的に輸送し難い。そのため、採掘井口の輸送配管を加熱して油温を８０℃〜１２０℃に制御する必要がある。石油輸送過程における油温を制御するための技術と装置は、改善されつつある。近年、水ジャケット加熱炉は、信頼性の高い安全性能を有し、油田地面作業に幅広く応用されている。特に、油田の井口、中継基地、ユニオンステーションにおいては、直接火筒加熱炉と管式加熱炉とを徐々に代替してきている。

水ジャケット加熱炉の作動原理を説明する。現在、一般的には天然ガスである燃料によって発生する高温煙気は、煙管を介してハウジングにおける中間媒質水と熱交換する。中間媒質水が熱を吸収すると、飽和蒸気が発生する。発生した蒸気が加熱コイルまで上昇すると、コイルにおける原油と相変化熱交換が行われ、コイルにおける媒質は加熱される。蒸気は、相変化後の復水として水浴に戻り、再び加熱されて蒸発し、このような循環を繰り返す。これにより、加熱炉のハウジング内において、動的バランスが形成される。水ジャケット炉によって加熱する場合に、煙気と水の熱交換によって蒸気が発生する過程と、水蒸気が加熱コイルまで上昇し、コイルを加熱することで管内の原油へ熱輸送する過程との二つの重要な熱交換過程がある。そのため、火筒煙管及び加熱コイルの熱輸送は、水ジャケット炉の熱輸送を左右する要因である。

加熱コイルは、主に炉内の蒸気に浸没される。管内の原油への蒸気の熱の伝達過程は、蒸気のコイルの外面への放熱過程と、コイル壁における熱伝導過程と、コイルの内壁の原油への放熱過程とを含む。非特許文献１の記載によると、管内に輸送される原油は、強制的に流動状態になるとされている。しかし、原油、特に稠油の性質の制限により、コイル内壁の放熱係数は高くない。そのため、コイル内壁と原油の熱交換は、コイルの熱交換性能を制約する大きな難関であるとも示されている。熱配管の熱交換技術は、相変化による熱交換方式なので熱輸送効率が高く、産業において幅広く応用されている。熱配管の主な熱輸送方法は蒸発と凝縮であり、熱輸送能力が大きく、温度制御能力が強く、熱輸送効率が高いという特徴を有している。熱水炉における熱配管の石油輸送配管の加熱への応用については、熱配管技術によって熱輸送を強化させることで熱交換性能低下の問題を解決可能であることが、既に非特許文献２において提案されている。

李清芳、三次元内部フィン付管の水ジャケット炉への応用、石油計画設計、２００４、１５（６）、３８−４０ 尹余昇，挿入部材による熱輸送強化の熱水炉への応用、産業ボイラー、１９９８、１（５８）、２１−２３

非特許文献１で述べた熱交換性能の差以外に、水ジャケット炉自身の作動原理により、さらに、以下のような問題がいくつか存在している。
１．熱が送油管の外部から内部へ輸送されるので、管壁近傍部分の原油の受熱が多く、管軸心部分の原油の受熱が少ないことにより、管内の原油の温度が不均一になり、輸送速度に影響する。さらに、管壁近傍部分の原油の温度が１２０℃に達しても管中心の原油の温度が８０℃以下のままの可能性があり、これにより、中心にワックスが形成され閉塞が起こる。
２．水ジャケット炉に採用される燃料は、現在、天然ガスが一般的である。天然ガスの埋蔵量が限られ、石油を採掘する過程に天然ガスが消耗されると、経済的ではなく、省エネルギーや排気低減に不利である。
３．水ジャケット炉によって石油配管を加熱する場所は、石油採掘の作業地にある。石油採掘の作業地において、天然ガスを水ジャケット炉の燃料として用いる際には、非常に厳重な安全管理が必要であるため、管理コストが高くなる。
現在、石油送油管に水ジャケット炉加熱を採用する場合における欠点について、確実で効率的な解決手段はまだない。
非特許文献２で提案された手法では、送油管内の原油の受熱の不均一、加熱炉燃料の安全管理等の問題を解決できない。
従来の石油送油配管加熱技術は、上記のような欠点があるがいまだ効率的な解决方法や手段がない。

本考案は、上記課題に応じて創作されたものであり、その目的は、柱状熱輸送装置及び流体物質の熱輸送用の配管を提供することである。

本考案により提供される柱状熱輸送装置は、
密閉された内腔を有する熱伝導性柱状ハウジングと、熱伝導性柱状ハウジングの内腔を、熱伝導性柱状ハウジングの長手軸に沿った複数の中空柱状のチャンバに仕切る仕切り板と、を備える。チャンバには、作業物質が充填されている。チャンバには、柱状熱配管がさらに挿通されている。チャンバの内壁には、熱伝導材で形成された複数のマイクロフィンが設けられており、隣り合うマイクロフィンの間は、作業物質がチャンバ内を流れる際に生ずる抵抗を低減させることが可能な微細溝が設けられている。柱状熱配管の内壁には、熱伝導材で形成された複数のマイクロフィンが設けられ、隣り合うマイクロフィンの間には、作業物質が柱状熱配管内を流れる際に生ずる抵抗を低減させることが可能な微細溝が設けられている。
本考案により提供される柱状熱輸送装置は、全体的に、外形が柱状であることにより、従来の一般的な流体配管への取付が容易であり、内部の作業物質は、熱伝導性柱状ハウジングの外壁を流体から吸熱し、又は流体へ放熱することで、相変化することができる。逆に、流体物質と相変化し続ける作業物質とが動的に熱交換を繰り返すことにより流体物質に対する熱輸送による加熱又は凝縮を実現する。複数のチャンバ及びマイクロフィンを設けることにより、作業物質の相変化過程における迅速な流動に寄与する。柱状熱配管を設けることは、作業物質の相変化流動に寄与する微細溝の数を増加させ、柱状熱輸送装置の熱交換効率を向上させるためである。

本考案において、チャンバは、上記熱伝導性柱状ハウジングの軸を軸心として、対称かつ均一に分布していることが好ましい。
本考案において、熱伝導性柱状ハウジングは、円筒であることが好ましい。
本考案において、チャンバのそれぞれは、独立した密閉空間であることが好ましい。
本考案において、少なくとも２つのチャンバの一端は開放しており、チャンバ内に充填された作業物質は、異なるチャンバの間を流動可能であることが好ましい。
本考案において、熱伝導性柱状ハウジングの両端には、他の柱状熱輸送装置が接続するとともに、接続された隣り合う柱状熱輸送装置同士の間の熱輸送を可能にするハウジング軸方向接続構造が設けられていることが好ましい。

本考案において、熱伝導性柱状ハウジングの少なくとも一端には、熱伝導性柱状ハウジングに熱輸送を可能にする熱源供給装置を接続するハウジング熱源接続部材が設けられていることが好ましい。
本考案において、熱伝導性柱状ハウジングの材料は金属熱伝導材であることが好ましい。
本考案により提供される柱状熱輸送装置は、配管における流体に対して熱交換する必要がある配管に直接的に取付することができる。大型産業に適用可能であり、例えば、産業排水、排気に対する余熱回収、配管輸送中の石油に対する加熱等の場合に、従来の配管を改造する必要がない。また、装置自身のサイズは使用場所の必要に応じて、大型化又は微細化することができる。熱輸送が均一で、配管内の流体物質のスムーズな流動に影響しない利点を有している。

本考案は、図２Ａ、２Ｂに示すように、柱状熱輸送装置に基づいて、上記に記載の柱状熱輸送装置を備える流体物質の熱輸送用の配管を提供する。
熱伝導性柱状ハウジングと配管との間には、流体物質が配管の軸方向に沿って流動するための貫通穴７が開けられていることを特徴とする流体物質の熱輸送用の配管を提供する。
本考案において、図２Ｂに示すように、柱状熱輸送装置は、互いに離間して平行するように配管に複数設けられており、配管の内壁には、配管の軸心へ延出し、柱状熱輸送装置を支持または取付可能にする配管内固着部材が設けられていることが好ましい。当業者は、配管の大きさ、柱状熱輸送装置の重さに応じて、配管内固着部材を異なる構造にすることができ、例えば、配管の内壁には、柱状熱輸送装置の数に対応するカラー状の構造がはんだ付けされており、柱状熱輸送装置はカラーに挿通されている。
本考案において、図２Ｂに示すように、柱状熱輸送装置の熱伝導性柱状ハウジングの外壁には、他の柱状熱輸送装置の熱伝導性柱状ハウジングと互いに接続または固着可能にするための熱輸送ハウジング横向き接続部材が設けられていることが好ましい。
本考案において、図３に示すように、柱状熱輸送装置は、配管の軸心に設けられており、配管と熱伝導性柱状ハウジングとは一体成型されており、貫通穴７は、熱伝導性柱状ハウジングの周りに沿って均一に分布していることが好ましい。

本考案において、配管と熱伝導性柱状ハウジングとの一体成型に用いられる材料は熱伝導材であることが好ましい。
本考案において、熱伝導性柱状ハウジングの両端には、他の柱状熱輸送装置が接続するとともに、接続された隣り合う柱状熱輸送装置の間の熱輸送を可能にするための接続構造が設けられていることが好ましい。
本考案において、配管の両端には、他の配管を接続するための配管縦向き接続構造が設けられており、２本の上記配管が繋がる場合に、２本の上記配管における柱状熱輸送装置の間が熱輸送可能に接触するように、柱状熱輸送装置の長さは配管の長さと一致していることが好ましい。

本考案の柱状熱輸送装置の模式図である。 本考案の流体物質を加熱する配管の模式図である。 本考案の柱状熱輸送装置が複数設けられている配管の模式図である。 本考案の流体物質を加熱する他の配管の模式図である

以下に、図面と具体的な実施形態によって本考案を説明する。
図１に示すように、本考案による柱状熱輸送装置は、熱伝導性柱状ハウジング１と仕切り板２とを備える。熱伝導性柱状ハウジング１が有する内腔は密閉されている。仕切り板２は、熱伝導性柱状ハウジング１の内腔を熱伝導性柱状ハウジング１の長手軸に沿った複数の中空柱状のチャンバ４に仕切る。チャンバ４内には、作業物質が充填されている。チャンバ４の内壁には、熱伝導材で形成された複数のマイクロフィン３が順に設けられており、隣り合うマイクロフィン３の間には、行列状の微細溝９が形成されている。微細溝９は、作業物質がチャンバ４内を流れる際に生ずる抵抗を低減させるように設けられている。

柱状熱輸送装置は、全体的な外形が柱状であることにより、従来の一般的な流体配管への取付が容易である。内部の作業物質は、熱伝導性柱状ハウジング１の外壁を流れる流体から吸熱し、又は流体へ放熱することで、相変化することができる。逆に、流体物質と相変化し続ける作業物質とが動的に熱交換を繰り返すことにより、流体物質に対する熱輸送による加熱又は凝縮を実現する。複数のチャンバ４及びマイクロフィン３を設けることにより、作業物質の相変化過程における迅速な流動に寄与する。また、熱伝導性柱状ハウジング１は、作業物質と流体物質との間の効率的な熱交換のために、熱伝導材で形成される必要がある。使用場所によっては、熱伝導性柱状ハウジング１を形成するための熱伝導材は、他の性能、特に腐食耐性を有する必要がある。例えば、流体物質が金属に対する腐食性を有する物質である場合に、熱伝導材として金属性質の熱伝導材を選択してはいけない。当業者であれば、従来の熱伝導材からこれらの性能を有する材料を選択することができる。熱伝導性柱状ハウジング１は、その内腔に仕切り板２と仕切り板２で形成された各チャンバが封止される。

本考案のある実施形態において、チャンバ４は、対称かつ均一に分布していることが好ましい。これにより、作業物質は流動しやすくなり、周囲に均一に熱輸送可能である。
本考案のある実施形態において、熱伝導性柱状ハウジング１は、円筒であることが好ましい。これにより、周囲へ均一に熱輸送可能である。
本考案のある実施形態において、チャンバ４のそれぞれは、独立した密閉空間であることが好ましい。この設計により、各チャンバの間は、互いに影響せず使用寿命の延長が可能である。
本考案の他の実施形態において、少なくとも２つのチャンバ４の一端は開放しており、チャンバ４に充填された作業物質は、異なるチャンバ４の間を流動可能であることが好ましい。これにより、作業物質の相変化過程におけるスムーズな流動が可能である。ただし、２つ以上のチャンバ４の両端は連通するが、熱伝導性柱状ハウジング１の内腔は依然として密閉されている。

本考案のある実施形態において、熱伝導性柱状ハウジング１の両端には、他の柱状熱輸送装置が接続するとともに、接続された隣り合う柱状熱輸送装置同士の間の熱輸送を可能にするハウジング軸方向接続構造が設けられていることが好ましい。これにより、本考案の柱状熱輸送装置の長さを実際の必要に応じて延長可能である。
本考案のある実施形態において、熱伝導性柱状ハウジング１の少なくとも一端には、熱伝導性柱状ハウジング１に熱輸送を可能にする熱源供給装置を接続するハウジング熱源接続部材が設けられていることが好ましい。ハウジング熱源接続部材として、例えば、電気加熱端子がある。
本考案のある実施形態において、熱伝導性柱状ハウジング１の材料は金属熱伝導材であることが好ましい。
本考案により提供される柱状熱輸送装置は、配管における流体に対して熱交換する必要がある配管に直接的に取付することができる。例えば、産業排水、排気に対する余熱回収、配管輸送中の石油に対する加熱等の大型設備に適用可能である。従来の配管を改造する必要がない。装置自身のサイズは、使用場所の必要に応じて大型化又は微細化することができる。熱輸送が均一で配管内の流体物質のスムーズな流動に影響しない利点を有している。

本考案の他の実施形態として、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、流体物質の熱輸送用の配管５（以後配管５とする）が得られる。配管５は、いずれかの上記実施形態における柱状熱輸送装置を備える。熱伝導性柱状ハウジング１と配管５との間には、流体物質が配管５の軸方向に沿って流動するための貫通穴７が開けられている。
本考案のある実施形態において、図２Ｂに示すように、柱状熱輸送装置は、互いに離間して平行するように配管５に複数設けられている。配管５の内壁には、配管５の軸心へ延出し、柱状熱輸送装置を支持または取付可能にする配管内固着部材６が設けられていることが好ましい。当業者は、配管５の大きさ、柱状熱輸送装置の重さに応じて、配管内固着部材６を異なる構造にすることができる。例えば、配管５の内壁には、柱状熱輸送装置の数に対応するカラー状の構造がはんだ付けされており、柱状熱輸送装置はカラーに挿通されている。
本考案のある実施形態において、図２Ｂに示すように、柱状熱輸送装置の熱伝導性柱状ハウジング１の外壁には、他の柱状熱輸送装置の熱伝導性柱状ハウジング１と互いに接続または固着可能するための熱輸送ハウジング横向き接続部材８が設けられていることが好ましい。

本考案のある実施形態において、図３に示すように、柱状熱輸送装置は、配管５の軸心に設けられており、配管５と熱伝導性柱状ハウジング１とは一体成型されている。貫通穴７は、熱伝導性柱状ハウジング１の周りに沿って均一に分布していることが好ましい。
本考案のある実施形態において、配管５と熱伝導性柱状ハウジング１との一体成型に用いられる材料は熱伝導材であることが好ましい。
本考案のある実施形態において、配管５の両端には、他の配管５を接続するための配管縦向き接続構造が設けられており、２本の配管５が繋がる場合に、２本の配管５における柱状熱輸送装置の間が熱輸送可能に接触するように、柱状熱輸送装置の長さは配管５の長さと一致していることが好ましい。

１ 熱伝導性柱状ハウジング
２ 仕切り板
３ マイクロフィン
４ チャンバ
５ 配管
６ 配管内固着部材
７ 貫通穴
８ 熱輸送ハウジング横向き接続部材
９ 微細溝

Claims (15)

1. 密閉された内腔を有する熱伝導性柱状ハウジングと、
   前記内腔を前記熱伝導性柱状ハウジングの長手軸に沿った複数の中空柱状のチャンバに仕切る仕切り板と、
   を備え、
   前記チャンバには、作業物質が充填され、
   前記チャンバには、更に柱状熱配管が挿通され、
   前記チャンバの内壁には、熱伝導材で形成された複数のマイクロフィンが設けられ、隣り合うマイクロフィンの間には、前記作業物質がチャンバ内を流れる際に生ずる抵抗を低減させることが可能な微細溝が設けられ、
   前記柱状熱配管の内壁には、熱伝導材で形成された複数のマイクロフィンが設けられ、隣り合う前記マイクロフィンの間には、前記作業物質が前記柱状熱配管内を流れる際に生ずる抵抗を低減させることが可能な微細溝が設けられていることを特徴とする柱状熱輸送装置。
2. 複数の前記チャンバは、前記熱伝導性柱状ハウジングの軸を軸心として、対称かつ均一に分布していることを特徴とする請求項１に記載の柱状熱輸送装置。
3. 前記熱伝導性柱状ハウジングは、円筒であることを特徴とする請求項１または２に記載の柱状熱輸送装置。
4. 複数の前記チャンバは、それぞれ独立した密閉空間であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の柱状熱輸送装置。
5. 少なくとも２つの前記チャンバの一端は開放しており、前記チャンバ内に充填された前記作業物質は、異なる前記チャンバの間を流動可能であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の柱状熱輸送装置。
6. 前記熱伝導性柱状ハウジングの両端には、他の柱状熱輸送装置が接続するとともに、接続された隣り合う柱状熱輸送装置同士の間で熱輸送を可能にするハウジング軸方向接続構造が設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の柱状熱輸送装置。
7. 前記熱伝導性柱状ハウジングの少なくとも一端には、前記熱伝導性柱状ハウジングに熱輸送を可能にする熱源供給装置を接続するハウジング熱源接続部材が設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の柱状熱輸送装置。
8. 前記熱伝導性柱状ハウジングの材料は、金属熱伝導材であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の柱状熱輸送装置。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の柱状熱輸送装置を備える流体物質の熱輸送用の配管であって、
   前記熱伝導性柱状ハウジングと前記配管との間には、流体物質が前記配管の軸方向に沿って流動するための貫通穴が開けられていることを特徴とする流体物質の熱輸送用の配管。
10. 前記柱状熱輸送装置は、互いに離間して平行するように前記配管に複数設けられており、前記配管の内壁には、前記配管の軸心へ延出し、前記柱状熱輸送装置を支持または取付可能にする配管内固着部材が設けられていることを特徴とする請求項９に記載の配管。
11. 前記柱状熱輸送装置の前記熱伝導性柱状ハウジングの外壁には、他の前記柱状熱輸送装置の前記熱伝導性柱状ハウジングと互いに接続または固着可能にする熱輸送ハウジング横向き接続部材が設けられていることを特徴とする請求項１０に記載の配管。
12. 前記柱状熱輸送装置は、前記配管の軸心に設けられており、前記配管の内壁には、前記配管の軸心へ延出し、前記柱状熱輸送装置を取付可能にする固着部材が設けられていることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか一項に記載の配管。
13. 前記柱状熱輸送装置は、前記配管の軸心に設けられており、前記配管と前記熱伝導性柱状ハウジングとは一体成型されており、前記貫通穴は、前記熱伝導性柱状ハウジングの周りに沿って均一に分布していることを特徴とする請求項９に記載の配管。
14. 前記配管と前記熱伝導性柱状ハウジングとの一体成型に用いられる材料は、熱伝導材であることを特徴とする請求項１３に記載の配管。
15. 前記配管の両端には、他の前記配管を接続するための配管縦向き接続構造が設けられており、２本の前記配管が繋がる場合に、２本の前記配管における柱状熱輸送装置の間が熱輸送可能に接触するように、前記柱状熱輸送装置の長さは前記配管の長さと一致していることを特徴とする請求項９〜１４のいずれか一項に記載の配管。

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