JP5483226B2 - 純粋な水蒸気を生成するための方法と装置 - Google Patents

Description

（技術分野）
本発明は、特別な目的のために、純度の高い水蒸気を生成することに関する。具体的には、本発明は、流下膜式蒸発器と上昇用通路を用いて水滴と不純物を分離して、純粋な水蒸気を生成することに関する。

（背景技術）
従来、医薬の製造や、滅菌を必要とする薬の使用、また注射用の水の精製をはじめとして、様々な医療分野で純度の高い蒸気が求められている。例えば、米国特許第３，８７５，０１７号明細書は、このような蒸気を精製するための方法と装置について開示している。この従来例は流下腹式蒸発器について開示しており、この装置は垂直方向に延びる加熱蒸発用チューブの束を加熱用ジャケット（ヒーティングジャケット）内に覆われるように有し、さらにこの外側をシェルによって覆っており、加熱用ジャケットと外側のシェルとの間に環状の空間を形成している。このため、蒸発用チューブの上方端部から水を供給すると、チューブの内面に沿って流下して、加熱蒸発されて蒸気となり、チューブの束の下方端部から排気される。次に、蒸気流は流動方向を１８０°転換して、加熱用ジャケットと外側のシェルとの間の空間内で上昇する。この際、加熱用ジャケットの外面には螺旋状の通路を形成するフィンが取付けられて、フィンの端部とシェルの内面との間に狭い隙間を形成する。このため、上昇する蒸気は螺旋状の通路内に流入することを強いられて、蒸発物中に含まれる水滴は外側のシェルに向って遠心力により振り飛ばされる。この水滴は外側のシェルの壁に付着して、水膜を形成して膜状流下し、最後に装置の底部に液体のプールを形成する。そして、このプールから、精製された純粋な蒸気の量と比例して、水の流れが排出流として抜き出される。ただし、蒸発物中の水の相が不純物を多量に含むと、この不純物は排出流中にも多量に含まれるようになる。また、純度の高い水を精製するために、螺旋状の通路の上方から、蒸気を消費点（コンサンプションポイント）、つまり腹水器（コンデンサ）まで導いている。

上述した装置の変化例として、米国特許第５，９８３，８４２号明細書の開示例がある。この先行技術では、チューブの束の下方端部から排気される蒸発物は、装置の底部に設けられるバッフルフィンの回転運動によって作用され、また上昇用の空間は頂部に向って狭まっている。この際、螺旋状の通路は上昇用空間の頂部に設けられて、閉口し、つまり、フィンは外側のシェルの内面と接する。この場合、下方に流下して排出される相は形成されず、しかし水滴は螺旋状の通路の上方に設けられる環状の通路内に加速して集められる。そして、異なるチューブを用いて、残りの水の相を装置の底部に戻している。

（発明の開示）
本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、純度の高い蒸気を精製するため、流下膜式蒸発器の上昇用通路内で水滴と不純物を分離する効果を高めた、より向上された方法と装置を提供することを目的とする。本発明のさらなる目的は、この改良された装置を備えて、純粋な水を精製し、配分するためのシステムを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明に係る装置は加熱用ジャケットと共に垂直に延びるチューブの束を使用し、即ち、通常のタイプの流下膜式蒸発器を使用する。この際、蒸発物はチューブの束の下方端部から排気される。

また、本発明では、蒸発物から水滴と不純物とを分離する装置は、一本のダウンパイプ（縦樋）を有し、流動方向を１８０°転換する前に、この内部に蒸発物を流動させて、そしてダウンパイプの外面と中間のシェルの内面との間の上昇用通路（空間）内に流入させる。この際、ダウンパイプの先端部をテーパ付けて、じょうご状に形成してもよい。

上昇用通路の上方部には螺旋状のフィン（回転翼）が取付けられ、蒸発物を上方に向けて螺旋状に、回転運動させる。この際、本発明では、中間のシェルに少なくとも一つの開口部またはアウトレット・スリットを備えて、遠心力により螺旋状の通路の周囲まで振り飛ばされた水滴を通り抜けさせる。この開口部の外側には、外側のシェルに冷却された表面を備えて、蒸気の凝縮を行わせる。

外側のシェルの内面上で凝縮した蒸気はラジアル方向外側に向う流れを形成して、蒸気、水滴及び不純物を上記内面に向って運ぶようにする。そして、水膜を形成すると、外側及び中間のシェルの間の空間内で前記表面に沿って膜状流下する。この結果、装置（ユニット）の底部に水のプールが形成されて、中間のシェルの下方端部を水没させる。排出された水の制御された流れは、プールから抜き出される。そして、螺旋状の通路の上方端部から出た、純粋で、乾燥した蒸気が装置から排気される。

さらに、本発明は、蒸気発生器の内部の部品を取り外し自在に構成して、メンテナンスと清浄を容易にし、器具全体が圧力容器に求められる要求事項を満足させる必要がないようにする。

（好適な実施形態の説明）
以下、添付した図を参照して、本発明に係る好適な実施形態について説明する。
図１は、流下膜式蒸発器を構成する、シェル・アンド・チューブ形熱交換器を直立位置で示す図である。加熱蒸発用チューブ１はジャケット２により覆われ、この中にインレットとアウトレット４、５を介して熱媒を流す。また、インレット６を介してチューブの上方端部から給水する。そして、蒸発器の下方端部に本発明の実施の形態に係る分離装置を接続する。

ここで図２を参照して、分離装置の構成について説明する。同図を参照して、蒸発物はダウンパイプ７内に流入する。図示する実施の形態では、ダウンパイプ７の上方端部をじょうご状の形状として、蒸発器内と同様に分離装置内の外径を等しく保つようにする。蒸発物はダウンパイプの下方端部から排気され、装置の底部付近の水面８と接近し、そして１８０°向きを変えて、ダウンパイプと中間のシェル１０との間の環状の上昇用通路（空間）９内に流入する。この際、螺旋状のフィン１１を用いて、蒸発物用の螺旋状の通路１２を形成する。

蒸発物を螺旋状に運動させると、遠心力が生じて、この力により蒸発物中に含まれる水滴は通路１２の周囲に向って振り飛ばされる。この際、蒸発物中に含まれる異物は凝縮用の核（心）として作用することができ、またこの現象はこの異物が螺旋状の通路の周囲に向って振り飛ばされることを向上させる。そして、純粋で、乾いた蒸気がこの螺旋状の通路１２から出ると、接合部（継手）２１を介して、この装置から排気される。

この際、中間のシェル１０に少なくとも一つの開口部１３を設けて、振り飛ばされる水滴が中間のシェルと外側のシェル１４との間の空間１６内に流入できるようにする。この際、外側のシェル１４には温度制御用ジャケット１５が備えられる。このジャケットはシェル１４の内面を冷却するように用いられ、空間１６内に流入する蒸気は上記内面上で凝縮して、膜状流下する。この凝縮によって、開口部１３から螺旋状の経路１２内に向う逆流は生じることはない。この際、適切の数の開口部１３が、適当な形状で提供される。以上のように、水滴と不純物は遠心力によってシェル１０の内壁に向って運ばれて開口部を抜け、そして蒸気の凝縮によって生じるラジアル方向外側に向う流れによって、外側のシェル１４の冷却された内壁にまで運ばれる。

また、開口部は螺旋状の通路の外周囲、即ちシェル１０にて、垂直のスリットとして構成されてもよい。また、１つ又は複数のスリットを螺旋状のフィンと平行に形成してもよく、また、開口部を円形、楕円形または他の形状に形成して、螺旋状の通路に沿った回転運動を行う水滴を捕獲することを向上させるように、端部を配向させてもよい。

また、凝縮液と水滴からなる水のプールの液面は、中間のシェル１０の下方端部１７の上方に保たれる。このため、蒸発物の流れは、上述した通路に沿ってのみ可能となる。この際、スペーサ・インデント１８を用いて、中間のシェルの下方端部を中央に位置決めさせてもよい。尚、不純物を豊富に含む排出流は符号１９で示す位置から排出される。また、水位を監視するために、サイトグラス２０を備えてもよい。

図３は、図２に示した装置の平面図を示しており、特に温度制御用のジャケットの位置での断面を示している。同図を参照して、大きな矢印は螺旋状の通路内での蒸発物の回転運動を示している。また、小さな矢印で示すように、開口部１３はバッフル（そらせ板）３４を備えて、通路の周囲に運ばれる水滴と不純物を効果的に取込めるようにする。

好ましくは、外側のシェル１４の温度は制御されて、凝縮を適切な割合で行えるようにする。この際、エネルギーを保つために、ジャケット１５内に給水してもよい。この温度制御手段によって、要求される量と純度に基づいて、形成する放出水の量を制御できる。

次に、図４を参照して、本発明の実施の形態に係る、純粋な蒸気を精製するためのシステムについて説明する。図示されるように、流下膜式蒸発器２２に対して、ポンプ２３を用いて給水する。また、この蒸発器は本発明の実施の形態に係る分離装置２４を備える。加熱蒸気（ヒーティング・スチーム）はバルブ２５を介して流入し、復水（凝縮液）は接合部（パイプは示していない）２６から抜き出される。そして、純粋な蒸気はライン２７とバルブ２８を介して、蒸発器から排気され、純粋な蒸気のライン用のバルブ２９と純粋な蒸気用のトラップ３０とを有する配気（分配）用ネットワークに流入する。一方、不純物を豊富に含む排出された水はライン３１を介して分離装置２４から抜き出される。また、温度制御用のジャケットに用いる供給用と戻り用のライン３２、３３が備えられる。

尚、先行技術の装置では、分離装置の腐食性でかつ密閉された構造のため、蒸気用通路に簡単にアクセスすることができないといった問題があった。特に内部構造を圧力容器のシェルと一体化するため、圧力容器の構造に特有の面倒な解除操作を経なければこの内部構造を変更することができなかった。これに対して、本発明の実施の形態に係る装置では、外側のシェル１４の部品のみが圧力容器の要求事項を満たせば足り、従って、この内部の部品１０及び／または細部は、任意の、防腐性の物質から製造することができ、また清浄時と検査時に取り外し自在に構成することができる。このような物質として、例えば、フルオロカーボンポリマ、セラミック素材、特殊鋼または他の任意の物質を用いることができる。尚、この物質は圧力容器のシェルに対して溶着固定されるのに適切である必要はない。さらに、様々な処理量と純度の要求基準に適合できるように、内部の部品を交換自在に構成してもよい。

本発明の実施の形態に係る分離装置を備えた流下膜式蒸発器を有する蒸気発生器を示す図である。 本発明の実施の形態に係る分離装置の細部を示す図である。 図２に示した分離装置の平断面図である。 図２に示した装置を有する、純粋な蒸気を精製するためのシステムを示す図である。

Claims (6)

1. 蒸発物に螺旋状の回転運動を作用させて、遠心力によって水滴を分離することにより、蒸発物を浄化して純粋な水蒸気を生成するための方法であって、
   流下膜式蒸発器によって蒸発物を作り出し、
   螺旋状の通路を形成するフィンを含んだ環状の上昇用通路に、前記蒸発物を流入させ、
   前記螺旋状の通路の外周囲には、バッフルを備えた少なくとも一つの開口部が設けられており、
   前記開口部の外側に設けられて、温度制御手段により冷却される表面上に、前記水滴及び不純物を補集する、ことを特徴とする方法。
   
2. 前記冷却される表面の温度は、給水用の水を用いて制御されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
   
3. 蒸発物を浄化して純粋な水蒸気を生成するための装置を含む流下膜式蒸発器であって、前記装置は、
   外側のシェル、
   ダウンパイプと中間のシェルとの間に螺旋状の通路を形成するフィンを含んだ環状の上昇用通路、
   前記中間のシェルと前記外側のシェルとの間の空間、
   前記中間のシェルに設けられ、バッフルを備えた少なくとも一つの開口部、及び、
   該開口部の外側に設けられて、前記外側のシェルの表面を冷却するための温度制御手段、を有し、
   前記装置は、前記流下膜式蒸発器の下方端部に接続され、前記蒸気物がまず前記ダウンパイプ内に流入し、次に前記環状の上昇用通路内に流入するようになっていることを特徴とする装置。
   
4. 前記開口部は垂直のスリットであることを特徴とする請求項３に記載の装置。
   
5. 前記外側のシェルの内部の少なくとも一部は、分離可能であることを特徴とする請求項３または４に記載の装置。
   
6. 前記外側のシェルの内部の少なくとも一部は、前記外側のシェルと異なる、防腐物質から形成されることを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の装置。

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