JP3218451B2 - 熱交換流路及び熱交換装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【従来の技術】本発明は、熱交換流路およびそれを備え
た熱交換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、窒素、酸素、アルゴン、その他の
ガスは液化した状態で超低温貯槽に貯蔵しておき、利用
に際し、貯蔵している液化ガスを蒸発器に導き、大気温
度、若しくは温水で蒸発させてガス化させている。

【０００３】しかしながら、従来においては、液化ガス
の冷熱を有効利用することなく、無駄にしている。この
冷熱を有効利用して空気、窒素、酸素、アルゴン、水素
等のガス、または液とガスの混合ガス等の流体を冷却す
るには、超低温貯槽と蒸発器との間に熱交換器を介在さ
せることが考えられる。

【０００４】そして、従来の熱交換器としては、コイル
式、二重管式、注水式、套管式、フィン付多管式等、種
々の構成が知られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来の熱交換器では、冷却すべき流体が管内を規
則正しく流れ、管の壁面から受ける温度の影響が少ない
ため、冷却効果に劣る。そこで、冷却効果を高めるた
め、下流側で膨張弁のように絞ると、大量の流体を冷却
処理することができない。したがって、従来の熱交換器
では、大量で一定温度の流体を確保することが要求され
る場合には、利用することができないという問題があっ
た。

【０００６】本発明は、上記のような従来の問題を解決
するものであり、流体を絞り込むことなく、大量の流体
を効率良く熱交換することができ、したがって、大量で
一定圧力、一定温度の熱交換流体を得ることができて利
用の便を図ることができ、また、構成の簡素化を図るこ
とができ、したがって、故障をなくすことができるとと
もに、コストの低下を図ることができるようにした熱交
換流路およびそれを備えた熱交換装置を提供することを
目的とするものである。

【０００７】

【課題を解説するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の第１は、並列状態で配置され周方向に連通
した複数の環状管と、この環状管における流入口と流出
口の位置が周方向にずれるように前記環状管に形成され
た複数の流入口および流出口と、異なる環状管に形成さ
れた前記流入口と前記流出口とを連通した複数の連通管
とから熱交換装置用の熱交換流路を構成したものであ
る。

【０００８】本発明の第２は、伝熱媒体が供給、排出さ
れる熱交換容器と、この熱交換容器内に設けられた前記
熱交換流路と、この熱交換流路に連通された流体の供給
管および排出管とから熱交換装置を構成したものであ
る。。ここで、前記熱交換流路が供給口側と排出口側と
にタンクを有し、各タンクに供給管と排出管を連通する
のが好ましい。

【０００９】上記のように構成された本発明によれば、
熱交換容器を伝熱媒体で満たし、供給管から熱交換する
ための流体を熱交換流路へ供給すると、熱交換流路で
は、供給された流体が複数並列状態で配置された環状管
と、これらを連通する連通管とを流れるが、環状管にお
ける流入口と流出口の位置が周方向にずらされているの
で、流体は熱交換流路の壁面に繰り返して衝突しながら
乱流となって流れ、この間、伝熱媒体の熱を奪うことが
でき、熱交換後の流体は排出管により熱交換容器外へ排
出することができる。このように、流体を熱交換流路の
壁面に繰り返して衝突させながら、乱流状態で流すこと
により、流体が壁面の温度の影響を多く受け、しかも、
各環状管路で各連通管路から送られてきた流体を同一条
件にして分散するようにしているので、流体を絞り込む
ことなく、大量の流体を効率良く熱交換することができ
る。また、熱交換流路は流路の接続により構成すること
ができるので、構成の簡素化を図ることができる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の一実施例について図面を参照
しながら説明する。図１は本発明の一実施例における熱
交換装置を示す要部の斜視図、図２は同熱交換装置を液
化窒素の超低温貯槽と蒸発器との間に組み込んだ使用例
を示す概略系統図である。

【００１１】図２に示すように、超低温貯槽１は液化窒
素を−１９６℃で貯蔵することができ、この超低温貯槽
１の底部は本発明の熱交換装置２の熱交換容器３の底部
に管４により連通され、管４の途中にバルブ５が設けら
れている。熱交換容器３の上部は蒸発器６の入口に管８
により連通され、蒸発器６の出口に供給管９が連通され
ている。熱交換装置２の熱交換容器３内には後述するよ
うに熱交換流路１０が配置され、この熱交換流路１０に
は熱交換容器３に挿通されたドライ空気の供給管１１と
排出管１２とが連通されている。供給管１１と排出管１
２の途中にはバルブ１３と１４が設けられ、排出管１２
はタンク１５に連通されている。タンク１５には複数本
の供給管１６が連通され、各供給管１６の途中にはバル
ブ１７が設けられている。

【００１２】上記熱交換流路１０は、図１に示すよう
に、周方向流路である円周方向に連通した環状管１８、
連通流路である連通管１９、供給口側のタンク２０、排
出口側のタンク２１等から構成される。環状管１８は垂
直軸の回りで上下方向に所望の間隔を有するように並列
状態で複数列（図示例では５列）に配置され、隣り合う
環状管１８同士が複数箇所で垂直方向の連通管１９によ
り連通されている。上下の各列の連通管１９同士は、互
いに周方向に交互にずらされてほぼ等間隔に配置され、
これにより各列の環状管１８における流入口と流出口の
位置が周方向に交互にずらされ、これら流入口と流出口
が直線上で対向しないように設定されている。複数列の
環状管１８の下部内側と上部内側とに供給口側のタンク
２０と排出口側のタンク２１とが配置され、供給口側の
タンク２０はその中間部が最下位の環状管１８と放射状
に配置された連通管２２により連通され、排出口側のタ
ンク２１はその上端部が最上位の環状管１８と放射状に
配置された連通管２３により連通されている。そして、
上記供給管１１が供給口側のタンク２０の底部に連通さ
れ、上記排出管１２が排出口側のタンク２１の底部に連
通されている。

【００１３】熱交換容器３、上記熱交換流路１０を構成
する環状管１８、連通管１９、タンク２０，２１、連通
管２２，２３および供給管１１、排出管１２は、低温に
耐える材料、例えば、ステンレス、銅により形成されて
いる。

【００１４】以上の構成において、以下、その動作につ
いて説明する。超低温貯槽１から管４により伝熱媒体で
ある液化窒素を熱交換装置２の熱交換容器３内に供給し
て満たす。容器３は氷結防止の為、断熱材７が施こされ
ている。この状態で供給管１１から熱交換により冷却す
るためのドライ空気を液化窒素に浸された熱交換流路１
０の供給口側タンク２０へ供給する。タンク２０内へ供
給されたドライ空気は、連通管２２を通って最下位の環
状管１８に流入し、最下位の環状管１８から連通管１９
を通ってその上位の環状管１８に流入する。ドライ空気
は、以下、順次、連通管１９を通って上位の環状管１８
に流入し、最上位の環状管１８から連通管２３を通って
排出口側のタンク２１に流入する。このようにしてドラ
イ空気が流れる間に、各管１８，１９，２２，２３およ
びタンク２０，２１において、それらの壁面から冷媒で
ある液化窒素の冷熱を奪い、冷却される。このとき、ド
ライ空気が連通管２２から最下位の環状管１８に流入し
た際、環状管１８の壁面に衝突し、また、上記のように
各列の環状管１８における流入口の位置が周方向に交互
にずらされ、流入口と流出口が直線上で対向しないよう
に設定されているので、ドライ空気が連通管１９から環
状管１８へ流入した際、環状管１８の壁面に衝突して左
右に分かれ、更に、同様に隣の連通管１９から流入して
環状管１８の壁面に衝突して分かれたドライ空気と衝突
し、乱流となって順次最上位の環状管１８へ流れてい
く。このようにドライ空気が繰り返して壁面に衝突し、
壁面の温度の影響を多く受ける乱流状態で流れ、しか
も、各環状管１８で各ラインの連通管１９から送られて
きたドライ空気を同一条件にして一定のラインのみドラ
イ空気が流れず、分散するようにしているので、液化窒
素から効率良く冷熱を奪うことができる。供給管１１が
排出管の逆作用に、又、排出管１２が供給管の逆作用と
なっても同様である。

【００１５】上記熱交換により冷却されたドライ空気は
タンク２１から排出管１２によりタンク１５に流出し、
ここで、複数本の供給管１６により所望の使用現場へ分
配することができる。各使用現場においては、常温の空
気と混合するなどにより適当な温度に調整して使用する
ことができる。一方、上記熱交換により冷熱を奪われた
液化窒素は管８により蒸発器６へ導かれ、大気温度、若
しくは温水で蒸発し、窒素ガスとなる。このようにして
得られた窒素ガスを供給管９により所望の使用現場へ供
給することができる。

【００１６】従来のように液化窒素を直接、蒸発器６へ
供給するのに対し、本発明実施例の熱交換装置２により
熱交換に利用した後、蒸発器６へ供給するようにすれ
ば、液化窒素の温度が上昇しているので、蒸発器６によ
る蒸発効率を向上させることができる。

【００１７】このように上記実施例によれば、ドライ空
気を絞り込むことなく、大量のドライ空気を効率良く熱
交換することができるので、一定温度に冷却された大量
のドライ空気を得ることができる。また、ドライ空気を
供給管１１から供給口側のタンク２０へ一旦溜めるの
で、ドライ空気を各ラインの連通管１９へ一定圧力、一
定流量で供給することができる。また、各ラインの連通
管１９から一定の温度に冷却された後のドライ空気を排
出口側のタンク２１へ一旦溜めるので、冷却後のドライ
空気を一定圧力、一定流量で使用現場へ供給することが
できる。そして、環状管１８、連通管１９等の径、面
積、長さ、タンク２０，２１の体積を大きくすることに
より冷却するドライ空気を簡単に増量することができ
る。

【００１８】なお、上記実施例では、周方向流路、連通
流路、供給路、排出路等に断面円形の管１８，１９，１
１，１２を用いているが、断面角形のものを用いてもよ
い。また、周方向流路は環状に限らず、角形でもよく、
連通管１９も等間隔に配置しなくてもよい。また、伝熱
媒体としては液化窒素のほかに、液化酸素、液化アルゴ
ン等の冷媒を用いることができることは勿論のこと、温
度を上げる目的の場合は熱媒を用いることもでき、熱交
換すべき流体もドライ空気のほかに、窒素、酸素、水
素、アルゴン、天然ガス等のガスは勿論のこと、液とガ
スの混合ガス等を用いることができる。更に、周方向流
路である環状管１８が水平軸の回りで横方向に並列状態
で複数列に配置するようにしてもよい。このほか、本発
明は、その基本的技術思想を逸脱しない範囲で種々設計
変更することができる。

【００１９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、熱
交換容器を伝熱媒体で満たし、供給管から熱交換するた
めの流体を熱交換流路へ供給すると、熱交換流路では、
供給された流体が複数並列状態で配置された環状管と、
これらを連通する連通管とを流れるが、環状管における
流入口と流出口の位置が周方向にずらされているので、
流体は熱交換流路の壁面に繰り返して衝突しながら乱流
となって流れ、この間、伝熱媒体の熱を奪うことがで
き、熱交換後の流体は排出管により熱交換容器外へ排出
することができる。このように、流体を熱交換流路の壁
面に繰り返して衝突させながら、乱流状態で流すことに
より、流体が壁面の温度の影響を多く受け、しかも、各
環状管で各連通管から送られてきた流体を同一条件にし
流体が特定の連通管を流れることなくて分散するように
しているので、流体を絞り込むことなく、大量の流体を
効率良く熱交換することができる。したがって、大量で
一定温度の熱交換流体を得ることができて利用の便を図
ることができる。また、熱交換流路は管の接続により構
成することができるので、構成の簡素化を図ることがで
きる。したがって、故障をなくすことができるととも
に、コストの低下を図ることができる。

【００２０】また、熱交換流路が供給口側と排出口側と
にタンクを有し、各タンクに供給管と排出管を連通する
ことにより、流体を供給管から供給口側のタンクへ一旦
溜めて流体を各ラインの連通管へ一定圧力、一定流量で
供給することができ、また、各ラインの連通管から一定
温度に熱交換された後の流体を排出口側のタンクに一旦
溜めて一定圧力、一定流量で使用現場へ供給することが
できるので、更に一層安定的に利用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における熱交換装置を示す要
部の斜視図である。

【図２】同熱交換装置を液化窒素の超低温貯槽と蒸発器
との間に組み込んだ使用例を示す概略系統図である。

【符号の説明】

２ 熱交換装置 ３ 熱交換容器 １０ 熱交換流路 １１ 供給管 １２ 排出管 １８ 環状管（周方向流路） １９ 連通管 ２０ 供給口側のタンク ２１ 排出口側のタンク

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】並列状態で配置され周方向に連通した複数
   の環状管と、各環状管において流入口と流出口の位置が
   周方向にずれるように各環状管に形成された複数の流入
   口および流出口と、異なる環状管に形成された前記流入
   口と前記流出口とを連通した複数の連通管とからなり、
   一の環状管に形成された前記流入口に供給管を介して流
   体を供給し、他の環状管に形成された前記流出口から排
   出管を介して流体を排出する熱交換装置用の熱交換流
   路。
2. 【請求項２】 伝熱媒体が供給、排出される熱交換容器
   と、この熱交換容器内に設けられた請求項１に記載の熱
   交換流路と、この熱交換流路に連通された流体の供給管
   および排出管とを備えた熱交換装置。
3. 【請求項３】 熱交換流路が供給口側と排出口側とにタ
   ンクを有し、各タンクに供給管と排出管が連通された請
   求項２記載の熱交換装置。