JP3746760B2 - 流体循環装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体循環装置に関し、詳細には、熱交換器（装置）に関する。該装置は、一方において二面体形状の本体部を含み、該二面体の第一面には流体出入用の少なくとも１つの開口部があり、他方において、漏れを防止するように前記開口部を覆う、流体を収容・排出する球状部（bulb or flask）を含むタイプのものである。
【０００２】
本発明は、より具体的には、例えば、空気蒸留プラントの蒸発器／コンデンサ、冷却ユニットの蒸発器又は蒸留塔のリボイラー等の、少なくとも１つの二相の流体を処理する熱サイフォン型若しくは流下薄膜型の熱交換器、或いは、限定された空間に配置される熱交換器、例えば、或るコンプレッサの中間段階の熱交換器に関する。
【０００３】
【従来の技術】
上記最初のアプリケーションでは、安全性のために、乾燥状態まで蒸発器／コンデンサでの蒸発を回避することがしばしば必要である。このために、例えば空気蒸留二重塔の低圧塔からの底部の酸素等の蒸発された生成物を二相状態で熱交換器から発出させ、気体相からの液滴を取り除くと共に液体の再利用を可能にする相分離装置を通過させなければならない。
【０００４】
斯かる従来技術の熱交換器では、二相の流体は、二相に分離させるために略半円筒形状の出口ボックスにより集められ、熱交換器の別の球状部にパイプを通して運ばれる。この方法は、熱交換器を製造することに関して多くの比較的困難な溶接作業を含むと共に、比較的複雑で、大きく、高価な構造がもたらされる。
【０００５】
同様に、上記別のアプリケーションにおいては、交換器本体部は、流体出入用の半円筒状ボックスを２つの端部として含むのが一般的であるが、これではコンプレッサの他の構成部にこれらのボックスを連絡することが複雑になり、結合された装置も大きくなってしまう。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記のようなタイプの熱交換器の構造を簡略化することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的のために、本発明の主題は、球状部が、本体部に対して、本体部第１エッジを超えて延出し、球状部が、少なくとも２つの金属シートを相互溶着した構成を有し、該金属シートが、円筒状、球状、楕円状の中から選んだ１の形状を呈することを特徴とするようなタイプの熱交換器である。
【０００８】
本発明は、本体部と球状部とを含む流体循環装置において、
本体部は、間に扁平な通路を画成する平行積み重ねプレートと、該プレート間に配置される波形のスペーサと、通路端をシールするバーと、を含み、
本体部は、第１エッジに沿って交差する第１面及び第２面を画成し、
第１面及び第２面の各々は、前記プレートの対応する第１端部及び第２端部と、対応する第１バー及び第２バーと、を含み、
第１面は、第１バーによって閉じられない流体の出入用の開口を少なくとも１つ含み、
球状部は、耐漏れ式に開口を覆い、
球状部は、本体部に対して、第１エッジを超えて延出し、
球状部は、第１エッジ全体を囲っており、
球状部は、少なくとも２つの金属シートを相互溶着した構成を有し、該金属シートが、円筒状、球状、楕円状の中から選んだ１の形状を呈し、
前記連続的な球状部開口は、第１面及び第２面に全体的に溶着される球状部開口エッジによって画成されることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１〜図３に図解的に示される熱交換器１は、例えば、流下膜型空気蒸留二重塔の主蒸発器／コンデンサであり、約５〜６バールの絶対気圧で窒素を凝縮することにより大気圧において液体酸素を部分的に蒸発させるように意図されたものである。そのような蒸発器／コンデンサの一例は、EP-A-0,130,122に開示されている。
【００１０】
熱交換器１は、様々の備品（fittings）を具備した鉛直方向に延びる平行六面体形状の交換器本体部（ボディ）２を含む。「処理流体（treated fluid）」として知られている特定の流体（本実施例では、部分蒸発した液体酸素）が、熱交換器内を循環し、本体部２の中で部分蒸発や凝縮を被る。前述の備品は、単相の処理流体を送出するためのパイプ４に連結される入口ボックス３と、出てくる二相の流体を液体相及び蒸発相に分離するための球状部（バルブ）５と、を含む。本体部２には、出口ボックス６と入口ボックス７が設けられる。両ボックス６、７は、補助流体（本実施例では、窒素）の出力及び入力のためにそれぞれ使用され、各々にはパイプ８、９が連結される。
【００１１】
更に詳細には、本体部２は、間に波形のスペーサ１７が介装され、サーマルフィンを構成する鉛直の平行な矩形プレート１０のスタック（集合体）を含む。プレート１０の各対は、略扁平な形状の通路（空間）を画成する。これらの通路（空間）は、２つのグループに割り振られ、一方は、処理流体（本実施例では、酸素）の通過用、他方は、補助流体（窒素）の通過用である。
【００１２】
通路（空間）の各々は、外周面（四つの周面）においてバー１１によって全体的に（正確には、次のように）閉じられる。即ち、処理流体（酸素）は、矢印LOで示されるように、本体部２の一方側（図１では、右側）の上方に設けられるパイプ４及び入口ボックス３を介して、（上述のように割り振られる）処理流体用の通路（空間）に入り、そこから球状体５内部に出て行く。これを可能にするために、処理流体用の各通路は、上方（右側）において入口ボックス３と連通する。即ち、この連通部分（入口窓）はバーで閉じられない。また、処理流体用の各通路は、下方において球状体５内部と連通する。即ち、この連通部分（出口窓）はバーで閉じられない。
【００１３】
他方、補助流体（窒素）は、矢印GNで示されるように、本体部２の他方側（図１では、左側）の上方に設けられるパイプ９及び入口ボックス７を介して、（上述のように割り振られる）補助流体用の各通路に入り、そこから出口ボックス６を介してパイプ８内に出て行く（矢印LN）。これを可能にするために、補助流体用の各通路は、上方（左側）において入口ボックス７と連通する。即ち、この連通部分（入口窓）９はバーで閉じられない。また、補助流体用の各通路は、下方（右側）において出口ボックス６と連通する。即ち、この連通部分（出口窓）はバーで閉じられない。
【００１４】
本体部２は、プレートとスペーサとバーとを重ねて単一ステップで炉内鑞付けを行うことによって製造される。ボックス３、６、７は、略半円筒形状を有する。それらは、球状部５と同じように本体部２に取付けられる（詳細後述）。
【００１５】
球状部５は、図３に良好に示されるように、円形をベースにした円筒状の３つの金属シート（中央金属シート１２と２つの側部金属シート１４）の溶接組立体から構成される。中央金属シート１２の軸線は、ボックス３及び６の側とは反対の側にある鉛直面と本体部２の下面との水平交差部１３と一致する。中央金属シート１２の半径は、プレート１０の幅Ｗに等しい（図１）。他方、２つの側部金属シート１４もプレート１０の幅Ｗに等しい半径を有する。側部金属シート１４の軸線１６及び１７は、前記水平交差部１３と垂直に交わる。軸線１６及び１７と交差部１３を含む直径面は、２つの端部プレート１０Ａ及び１０Ｂの底端面を含む。図１及び３から理解されるように、中央金属シート１２は、水平エッジ１５から始まり、下側に延び、それから上側に延び、交差部エッジ１３を含む鉛直面上に至るように湾曲する。側部金属シート１４の各々は、両側が中央金属シート１２と接合される。
【００１６】
球状部５は、単一片として形成される広い開口部を有するように実現され、そのリムは次のように画成される。即ち、本体部２のベースの連続した３つの側部に倣うＵ形のアウトライン（換言すると、バー１１及びプレートのリムを含む、エッジ１５及び２つの端部プレート１０Ａ、１０Ｂの下部リム）と、直線部１９によって連結される２つの円弧１８を含み、Ｕ形アウトラインの端部と接合する湾曲アウトラインとである。Ｕ形アウトラインは、本体部２の３つの対応エッジに沿って溶着され、湾曲アウトラインは、バー１１及びプレート１０の端部から構成される隣接する鉛直面２０に溶着される。説明を分かり易くするために、以下、この面２０を、『正面』と呼ぶことにする。
【００１７】
球状部５内のベースにおいて無拘束で現出する通路は、相分離体として機能し、本体部２を越えて底部に向かって延びると共に正面に向かって延びる、ということが理解されよう。収集される液体酸素は、球状部５の底部ポイントに配置される出口オリフィス２１を介して排出される。ガス状の酸素は、上部ポイント領域に設けられる出口オリフィス２２を介して排出される。
【００１８】
図４〜図６の別の形態は、２つの点でのみ上記のものとは異なる。即ち、第１に、液体酸素は、本体部２の上面を全体的に覆う入口ボックス２３を介して本体部２の上部に導入される。第２に、側部金属シート１４から中央金属シート１２への移り変わりは、ミカン果実の一粒の外面のような円筒形セクタ状を有する中間金属シート２４を間に挟んで多段状に構成される。図示実施態様では、上から見て（図６）、各側に２つの中間金属シート２４があり、それぞれ相互に３０°ずれている。
【００１９】
中間金属シートの数を無限に増やすことにより、図７及び図８の構成がもたらされる。斯かる構成では、各側において、金属シート１４及び２４の組み合わせが１／４の球体で置き換えられる。更に、図７及び図８において、２つの１／４球体の中心が一致するように製造されるため、中心の円筒用金属シート１２の側部が１つなくなり、これにより、横に突き出る球状部は半球体２５となる。
【００２０】
この別の形態（図７及び図８）は、比較的厚みの薄い単純な交換器本体部の場合に特に良く適合する。もっとも、図４に図解的に示されるように、金属シート１２を介在させれば、２つの本体部を並べて鉛直溶着部２６で相互溶着したような二重本体部型（ひいては、多重本体部型）の熱交換器が形成される。
【００２１】
図４〜図８の態様においては、図１〜図３に示されるように、本体部２の下側に配置される球状部の一部は、平面視でＶを構成する、円筒体の交差部に沿って相互に溶着される、軸線が相互に垂直である３つの円筒状金属シート１２、１４を含む（図８）。そのような形状を『半ドーム』形状と呼ぶことにする。
【００２２】
上述した総ての実施形態は、二組の流体が実質的に大気圧にある場合の流下薄膜型蒸発器／コンデンサのケースで使用することができるばかりでなく、この流体が加圧される場合にも使用することができる。実際、球状部の全方向におけるドーム型の形状により内圧にも耐えることができるようになり、更に、交換器本体部との結合がプレート１０の端部及びバー１１において全体的に行われるので、球状部の内圧により本体部上に生じる引張力（pull）が端部プレート１０Ａ、１０Ｂには生じない。
【００２３】
他方、二相の流体が大気圧下にあるアプリケーションの場合、球状部はプレート１０Ａ、１０Ｂに固定でき、球状部としてより簡単な構造を採用できる。従って、図９及び図１０の態様においては、水平軸線を具えた単純な円筒体状にされる金属シート１２が用いられ、該円筒体は、本体部２によって水平な直径面まで切り取られ、プレート１０Ａからプレート１０Ｂまで延びる。金属シート１２は、本体部２の後方下部リム１５に沿って本体部２の正面２０に溶着される。半楕円形の軸方向部の端部プレート２７によって金属シート１２の各端部がシールされる球状部は、金属シート１２の端部に溶着されると共に対応するプレート１０Ａ又は１０Ｂに溶着される。球状部５に集められる液体酸素を戻すためのポンプ２８も図９に示されている。上述した実施例の各々において、このポンプを用いることができる。
【００２４】
図１１〜図１６は、大気圧において若しくは加圧下で二相の流体と共に使用され得る球状部５用の他の可能な構成を示している。これらの総ての別態様はそれぞれ、本体部２の下側に位置する半ドーム形状部２９を有する。
【００２５】
図１１及び図１２の場合において、半ドーム形状部の側部金属シート１４は、前方に向かって延在する。球状部は、湾曲部３１に沿って金属シート１４を横切る鉛直軸線を具えた円筒体３０を含む。湾曲部３１は、平面Ｐ内に存在し、平面Ｐは、エッジ１３を貫通すると共に、底部方向で４５°後方に向かって傾いている。エッジ１３の上側において、円筒体３０の半分が本体部２によって切り取られている。半楕円形部分３２の端部プレートは、円筒体３０の下端に溶着されている。該下端は、金属シート１４よりも低い高さにある。円筒体３０の上端は、上部半ドームを構成するように、面２０に包含される水平軸線を具えた別の円筒状金属シート３３によって切り取られている。従って、球状部５を構成する部材の組み合わせ２９−３０−３２−３３は、プレート１０の下端部に単に沿い且つ正面２０上で本体部２に対して再度接続される。
【００２６】
前方に突出する球状部５の一部がエッジ１３の高さまで立ち上がっているような別の態様も図１１に破線で示されている。しかも、面Ｐに包含される補強プレート３４は、このエッジから球状部内に取付けることができる。
【００２７】
図１３に示す別の態様は、平面Ｐがエッジ１３から下方向且つ前方へと傾斜するように金属シート１４の部分２９を延長して単一の半円筒体形態にしたという点でのみ、上記構成と異なる。円筒体３０の半円筒状部分に配置される、液滴の分離に適した装置３５が示されている。
【００２８】
図１４に示す別態様は、金属シート１４の底部ポイントから下方向に長くなった部分１４Ａを更に含む。この部分１４Ａは、球状部の液体貯蔵量の増大を可能にする。
【００２９】
図１５及び図１６の態様では、金属シート１４の円筒体は、面２０を越えた水平軸線を具えた完全な円筒体になるように延長されており、半楕円部分３７の端部プレートによって前方側でシールされる。
【００３０】
図１７〜図２７は、二相の流体が本体部２の上面３８から出るケース、例えば、熱サイフォン型の空気蒸留二重塔の主蒸発器／コンデンサに適用される本発明の種々の実施態様を示す。各ケースにおいて、球状部は、この面３８を全体的に覆うと共に本体部２の正面２０を覆うように延在し、従って、面３８の上側及び下側にそれぞれ配置される上部ポイント及び底部ポイントを有する。更に、各ケースにおいて、球状部のリムは、上述した理由から、端部プレート１０Ａ、１０Ｂに溶着されない。
【００３１】
図１７〜図１９の実施態様は、図１〜図３のものを単に逆にすることによって得られる。しかしながら、この蒸発器／コンデンサでは、窒素が酸素の方に且つ交換器の下流方向に向流されて濃縮される。図１９は、本体部２と球状部５のみを示すように簡素化した図である。
【００３２】
図２０及び図２１の別態様は、単純にパイプ３９を追加したものである。オリフィス２１から延びているパイプ３９は、液体酸素を交換器本体部内に入れるために、球状部５に集まった液体酸素をボックス３に戻すために使用される。
【００３３】
同様に、図２２で示す別態様は、実質的に図１１及び図１２のものを逆にすることにより得られる。球状部の底部に集められる液体酸素は、本体部２の下面の周囲に溶着される交換器下方ドーム４０の中にパイプ４１を介して戻される。
【００３４】
図２３の別態様では、球状部の半円筒体３０は、ドーム４０の側部金属シート４１の前方への半円筒状の延長部分と交わるまで、底部に向かって延出する。交差面部４２は、エッジ１３から底部に向かって、そして前方に向かって傾いている平面Ｐ内に存在する。半円筒体３０は、パイプ４１と比べて大きな内部空間を有する。
【００３５】
図２２及び図２３の構成では、蒸発される液体酸素がパイプ４Ａを介して球状部５内に導入される。
【００３６】
図２３の破線で示すように、半円筒体３０から半円筒体４１への変化は、例えば丸みを帯びるように緩やかにできる。
【００３７】
図２４〜図３１は、上述の形状を変更できる方法を示す。側面図において、円筒体の中心を、図２４の破線で思い出される図１７〜図１９の態様から底部方向且つ後方へ（図２４）、又は水平方向且つ後方（図25）へとオフセットできる。このような変更により、全体空間的な要求及び液体貯蔵量を特定の各アプリケーションにおいて変更できる。
【００３８】
また、図２６〜図２９に示されるように、円形円筒体や楕円円筒体にしたり、球形を楕円形に変える等、所望の様々の形状を構成することができる。
【００３９】
更に、球状部５の幅を本体部２の厚みより小さくすること（図３０）や球状部５を前方及び後方の両方向に本体部２を越えて延在させること（図３１）の少なくとも一方が可能である。
【００４０】
図３２は、二相の流体を処理する他の状況において本発明を如何に有効利用できるかを示す。熱交搬器本体部２（これも鑞付けプレートタイプである）は、装置４３から、例えばコンプレッサステージからパイプ４４を介して到達した単一相の流体を加熱又は冷却して、パイプ４５を介して装置４３（又は別の装置）へと戻すように意図される。本体部２の各端部に設けられた球状部５の形状によって、横方向に突出したこの球状部、パイプ４４及び４５の連結部が大いに簡素化され、ユニットの省スペース化を図れる。これは匁論、本体部２の端部１つだけに球状部５が設けられるケースにも妥当する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施態様に係る熱交換器の図解的な側面図である。
【図２】図１の矢印II線に沿って見た第１実施態様の熱交換器を示す図である。
【図３】第１実施態様の熱交換器の斜視図である。
【図４】第１実施態様とは別の形態の熱交換器の、図２に類似する図である。
【図５】図４の矢印Ｖに沿って見た図である。
【図６】図４の熱交換器の平面図である。
【図７】図４の熱交換器とは別の形態の、図１に類似の部分図である。
【図８】図７の熱交換器の底面図である。
【図９】図７の熱交換器とは別の変形形態の、図１に類似した図である。
【図１０】図９の矢印Ｘに沿って見た図である．
【図１１】図９の熱交換器とは別の形態の、図１に類似した図である。
【図１２】図１１の熱交換器の底面図である。
【図１３】図１１の熱交換器とは別の形態の、図１に類似した図である。
【図１４】他の態様を示す、図１３に類似した図である。
【図１５】別の態様を示す、図１３に類似した図である．
【図１６】図１５の熱交換器の底面図である。
【図１７】本発明に係る他の態様の、図１に類似した図である。
【図１８】本発明に係る他の態様の、図２に類似した図であって、図１７の矢印ＸＶIIIに沿って見た図である。
【図１９】本発明に係る他の態様の、図３に類似した図である。
【図２０】本発明に係る熱サイフォン型の蒸発器／コンデンサの、図１７に類似した図である。
【図２１】図２０の矢印ＸＸＩに沿って見た図である。
【図２２】別の態様の、図２０に類似した図である。
【図２３】他の態様の類似図である。
【図２４】本発明に係る熱交換器の可能な変更例を示す図解的な要部側面図である。
【図２５】本発明に係る熱交換器の可能な変更例を示す図解的な要部側面図である。
【図２６】本発明に係る熱交換器の可能な変更例を示す図解的な要部側面図である。
【図２７】本発明に係る熱交換器の可能な変更例を示す図解的な要部側面図である。
【図２８】図２６に対応する正面図である。
【図２９】図２７に対応する正面図である。
【図３０】図２の別態様を示す、図１５に類似した部分図である。
【図３１】図１５の別態様を示す、図１５に類似した部分図である。
【図３２】本発明の他の適用例を示す図解図である。
【符号の説明】
１…熱交換器
２…（交換器）本体部
３…入口ボックス
４、８、９…パイプ
５…球状部
６、７…ボックス
１０…プレート
１１…バー
１２…中央金属シート
１３…エッジ（交差部）
１４…側部金属シート
１５…エッジ
２１、２２…オリフィス

Claims (10)

1. 本体部と球状部とを含む流体循環装置において、
   本体部は、間に扁平な通路を画成する平行積み重ねプレートと、該プレート間に配置される波形のスペーサと、通路端をシールするバーと、を含み、
   本体部は、第１エッジに沿って交差する第１面及び第２面を画成し、
   第１面及び第２面の各々は、前記プレートの対応する第１端部及び第２端部と、対応する第１バー及び第２バーと、を含み、
   第１面は、第１バーによって閉じられない流体の出入用の開口を少なくとも１つ含み、
   球状部は、耐漏れ式に開口を覆い、
   球状部は、本体部に対して、第１エッジを超えて延出し、
   球状部は、第１エッジ全体を囲っており、
   球状部は、少なくとも２つの金属シートを相互溶着した構成を有し、該金属シートが、円筒状、球状、楕円状の中から選んだ１の形状を呈し、
   前記連続的な球状部開口は、第１面及び第２面に全体的に溶着される球状部開口エッジによって画成されることを特徴とする流体循環装置。
2. 球状部は、２つの端部金属シート及び１つの中央金属シートという３つの円筒状金属シートを含み、
   該２つの端部金属シートは、中央金属シートの軸線を垂直に横切る軸線を各々有することを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 本装置は、熱交換器であり、
   本体部は、平行六面体であり、
   本体部の第１面は、本体部の上面及び下面の一方であり、
   流体は、前記開口を介して本体部から出る二相流体であり、
   球状部は、下側箇所の液体出口と、上側箇所のガス出口と、を含むことを特徴とする請求項１記載の装置。
4. 本体部の第１面は、上面であり、
   球状部の液体出口は、本体部の下側位置に配置される液体入口とつながっていることを特徴とする請求項３記載の装置。
5. 球状部は、本体部の下面を覆い、該本体部の下面部分は、前記液体入口と連通していることを特徴とする請求項４記載の装置。
6. 本体部と球状部とを含む流体循環装置において、
   本体部は、間に扁平な通路を画成する平行積み重ねプレートと、該プレート間に配置される波形のスペーサと、通路端をシールするバーと、を含み、
   本体部は、第１エッジに沿って交差する上面もしくは下面及び一側面を画成し、
   前記上面もしくは下面及び一側面の各々は、前記プレートの対応する第１端部及び第２端部と、対応する第１バー及び第２バーと、を含み、
   前記上面もしくは下面は、第１バーによって閉じられない流体の出入用の開口を少なくとも１つ含み、
   本体部は、第１エッジに対向する第２エッジに沿って上面もしくは下面と交差すると共に前記一側面に対向する他側面を有し、
   該他側面は、プレートの第３端部と第３バーとを含み、
   球状部は、耐漏れ式に開口を覆い、
   球状部は、本体部に対して、第１エッジ及び第２エッジを超えて延出し、
   球状部は、第１エッジと第２エッジとの全体を囲っており、
   球状部は、少なくとも２つの金属シートを相互溶着した構成を有し、該金属シートが、円筒状、球状、楕円状の中から選んだ１の形状を呈し、
   前記連続的な球状部開口は、上面もしくは下面、一側面、及び他側面に全体的に溶着される球状部開口エッジによって画成されることを特徴とする流体循環装置。
7. 球状部は、２つの端部金属シート及び１つの中央金属シートという３つの円筒状金属シートを含み、
   該２つの端部金属シートは、中央金属シートの軸線を垂直に横切る軸線を各々有することを特徴とする請求項６記載の装置。
8. 本装置は、熱交換器であり、
   本体部は、平行六面体であり、
   流体は、前記開口を介して本体部から出る二相流体であり、
   球状部は、下側箇所の液体出口と、上側箇所のガス出口と、を含むことを特徴とする請求項６記載の装置。
9. 本体部の前記上面もしくは下面は、上面であり、
   球状部の液体出口は、本体部の下側位置に配置される液体入口とつながっていることを特徴とする請求項８記載の装置。
10. 球状部は、本体部の下面を覆い、該本体部の下面部分は、前記液体入口と連通していることを特徴とする請求項９記載の装置。

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