JP6421107B2

JP6421107B2 - 気化器

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Publication number: JP6421107B2
Application number: JP2015210799A
Authority: JP
Inventors: 章大塩; 智彦長濱; 一三服部; 直也宮上
Original assignee: Shinko Engineering and Maintenance Co Ltd
Current assignee: Shinko Engineering and Maintenance Co Ltd
Priority date: 2015-10-27
Filing date: 2015-10-27
Publication date: 2018-11-07
Anticipated expiration: 2035-10-27
Also published as: JP2017082881A

Description

本発明は、ＬＮＧなどの液化ガスを加熱用流体により気化させる気化器に関する。

ＬＮＧ（液化天然ガス）などの液化ガスを、加熱用流体で気化させる気化器として、例えば特許文献１、２に記載されたものがある。特許文献１の図２や特許文献２の図１に記載されているように、これらの気化器においては、液化ガスが流される伝熱管が、直管部と反転部とを組み合わせてなる蛇行状の配管となっている。このように伝熱管を蛇行状とすることで、液化ガスと加熱用流体との接触領域を増加させ、気化機能を向上させることができる。

また、特許文献１では、液化ガスの入口部分における加熱用流体の流速が他の部分における流速よりも速くなるように、半月状の切欠き部を上下交互に備えた複数の邪魔板を、本体容器（胴体）の内部に配置している。特許文献２では、同じく半月状の切欠き部を上下交互に備えた複数の邪魔板（バッフル）を、本体容器（胴体）の内部に等間隔で配置している。

特開２００４−９３０９８号公報特許第４３１３６０５公報

特許文献１、２に記載のように、切欠き部を上下交互に備えた複数の邪魔板を所定の間隔をあけて本体容器（胴体）の内部に配置することで、本体容器（胴体）の内部を流れる加熱用流体の流速分布を均一にしたり、流速を調整したりすることができる。

本発明者らは、前記したような複数の邪魔板を本体容器の内部に備える小型の気化器に関し、加熱用流体の温度を低下させる試験を行ったところ、３０℃までは安定して運転を継続することができたが、加熱用流体の温度を２０℃まで低下させると数分で出口ガス（気化ガス）の温度の低下が始まり、１５分程度で本体容器外面のうちの邪魔板取付箇所付近で着霜するという現象を確認した。原因として、本体容器内の邪魔板取付箇所付近で加熱用流体が澱み、これにより熱伝達が局部的に悪化して当該流体が凍結し、凍結が成長していった結果、冷やされた本体容器外面に着霜したものと想定される。

なお、大型の気化器においては、本体容器の内面とその内部の伝熱管との間にある程度の間隔を確保することができるので、邪魔板取付箇所付近で加熱用流体が澱んだとしても、この部分は熱伝達にあまり寄与する部分ではなく、加熱用流体がこの部分で凍結するようなことは生じにくい。

また、上記したような本体容器の内部に伝熱管を設け、本体容器の内部に加熱用流体を流して伝熱管内の液化ガスを気化させるという気化器においては、本体容器内を流れる加熱用流体の流速を大きくすることで、液化ガスと加熱用流体との熱交換を促進させることができる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、本体容器内の邪魔板取付箇所付近で加熱用流体が澱むことを防止できるとともに、加熱用流体の流速を従来よりも増大させることができる内部構造を備える気化器を提供することである。

本発明は、液化ガスを加熱用流体により気化させる気化器であって、筒状の本体容器と、前記本体容器の内部に配置され、前記液化ガスが流される伝熱管と、前記本体容器の軸方向に沿って直線状に延びる形状を有し、前記軸方向から見て前記本体容器内の中央部に配置される断面積低減部材と、を備える。前記伝熱管は、前記軸方向に沿って延びる直管部と、前記軸方向の端部に位置する反転部とを有して蛇行状に形成され、前記本体容器の内面と前記断面積低減部材の外面との間の環状空間に前記直管部が配置されるとともに、当該環状空間に前記加熱用流体が流される。前記軸方向に沿って螺旋状に延びる帯状の邪魔板が前記環状空間に配置されていることを特徴とする。

本発明にかかる気化器によれば、加熱用流体が流される環状空間の断面積は、本体容器の断面積よりも断面積低減部材の断面積分だけ小さくなるため、断面積低減部材を設けない場合と比べて、加熱用流体の流速を大きくすることができる。また、断面積低減部材を設けることに加えて環状空間に配置する邪魔板の形状を軸方向に沿って螺旋状に延びる帯状とすることで、本体容器内の邪魔板取付箇所付近で加熱用流体が澱むことを防止することができるとともに、特許文献１、２に記載のような複数の邪魔板に比べて、加熱用流体の流速をより増大させることができる。

本発明の一実施形態に係る気化器の断面図である。図１のＡ−Ａ断面図である。図１のＢ−Ｂ断面図である。図１のＣ−Ｃ断面図である。

以下、本発明に係る気化器の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施形態では、気化させる液化ガスをＬＮＧ（液化天然ガス）としているが、気化対象はＬＮＧに限定されることはない。同様に、液化ガスを気化させる加熱用流体についても、以下に示す温水に限定されず、その他の液体を加熱用流体として用いることが可能である。加熱用流体として水を用いる場合、常温水を用いることが可能であり、水の温度の下限は１５℃程度である。また、本発明は小型の気化器に適する。

（気化器の構成）
図１に示すように、気化器１００は、筒状の本体容器１０と、本体容器１０内に配置される蛇行状に形成された伝熱管２０とを備える。伝熱管２０の一方の端部はＬＮＧ供給口３１であり、他方の端部はＮＧ排出口３２である。ＮＧとは、ＬＮＧが気化したガス（天然ガス）のことである。また、本体容器１０には、当本体容器１０内に温水を供給するための温水供給管４１、および当該本体容器１０内から温水を排出するための温水排出管４２が取り付けられている。

かかる構成により、伝熱管２０内を流れるＬＮＧが、本体容器１０内を流れる温水との熱交換によって温められ、ＬＮＧは気化する。なお、本体容器１０内を流れる温水は、ＬＮＧを気化させるだけでなく、ＬＮＧが気化したＮＧを加温する役割も有する。

（本体容器）
本体容器１０は、その内部に温水が供給される筒状の容器であり、円筒状の本体部１１と、本体部１１の両端を閉塞する蓋部１２、１３とを有して構成される。本実施形態では、本体容器１０の軸方向（以下、「容器軸方向」と称する）が水平となるように、本体容器１０を支持部材９０によって支持しているが、容器軸方向が水平となるように配置することは必須ではない。また、本体容器１０の容器軸方向に対する直交断面の形状は、円形に限定されず、例えば多角形等とすることも可能である。

図１において右端部に設けられた蓋部１２は、カップ形状を有しており、そのフランジ部１２ａを本体部１１のフランジ部１１ａに突き合わせた状態で、本体部１１に対してボルト固定される。一方、図１において左端部に設けられた蓋部１３は、円盤形状を有しており、その周縁部を本体部１１のフランジ部１１ｂに突き合わせた状態で、本体部１１に対してボルト固定される。蓋部１２、１３ともに、ボルトを外すことで本体部１１から取り外すことが可能な、着脱自在な構成となっている。

（伝熱管）
伝熱管２０は、ＬＮＧが流される配管であり、容器軸方向に沿って延びる直管部２１と、容器軸方向の両端部に位置する反転部２２とを組み合わせることで、全体として蛇行状に形成されている。以下、図１のＡ−Ａ断面図である図２、図１のＢ−Ｂ断面図である図３、および図１のＣ−Ｃ断面図である図４を適宜参照しつつ、伝熱管２０の詳細について説明する。

図２〜図４に示すように、本実施形態の伝熱管２０は、直管部２１（２１ａ〜２１ｈ）を８つ有するとともに、異なる２つの直管部２１をつなげるＵ字状の反転部２２（２２ａ〜２２ｇ）を７つ有する８段構造となっている。具体的には、伝熱管２０は、ＬＮＧの流路の上流側から下流側に向かって、容器外に位置する端部がＬＮＧ供給口３１となっている直管部２１ａ、反転部２２ａ、直管部２１ｂ、反転部２２ｂ、直管部２１ｃ、反転部２２ｃ、直管部２１ｄ、反転部２２ｄ、直管部２１ｅ、反転部２２ｅ、直管部２１ｆ、反転部２２ｆ、直管部２１ｇ、反転部２２ｇ、および容器外に位置する端部がＮＧ排出口３２となっている直管部２１ｈ、が順番にひとつながりとなって蛇行状に形成されている。

ここで、本体容器１０の左端側（一端側）に位置する反転部２２ｂ、２２ｄ、２２ｆは、直管を曲げ加工することによって、直管部２１と一体的に形成されている。具体的には、例えば反転部２２ｂは、直管の中央部を曲げることによって形成されており、反転部２２ｂの上流側、下流側にそれぞれ位置する直管部２１ｂ、２１ｃとともに、１本の連続管として構成されている。反転部２２ｄ、２２ｆについても同様である。

一方、本体容器１０の右端側（他端側）に位置する反転部２２ａ、２２ｃ、２２ｅ、２２ｇは、例えば１８０°エルボ等からなるＵ字状の継手を、直管部２１に溶接することで形成されている。具体的には、例えば反転部２２ａは、直管部２１ａ、２１ｂの右端にＵ字状の継手を溶接することで構成されている（このＵ字状の継手部分が反転部２２ａである）。反転部２２ｃ、２２ｅ、２２ｇについても同様である。なお、上記継手の溶接箇所Ｗは、図１に示すようにカップ状の蓋部１２の内部に位置する。

なお、上記した本体容器１０の左端側（一端側）に位置する反転部２２ｂ、２２ｄ、２２ｆの曲げ半径は、本体容器１０の右端側（他端側）に位置する反転部２２ａ、２２ｃ、２２ｅ、２２ｇ（Ｕ字状の継手を溶接したもの）の曲げ半径よりも大きい。

伝熱管２０の具体構成、すなわち直管部２１や反転部２２の具体的な個数や位置などは、本実施形態のものに限定されず、適宜変更が可能である。また、本実施形態では、ＬＮＧ供給口３１からＮＧ排出口３２に至るＬＮＧの流路が１つのみの１パス式としているが、伝熱管２０を複数設けて複数パス式としてもよい。

（温水供給管および温水排出管）
温水供給管４１は、温水を本体容器１０内に供給する管であり、本体容器１０の下部の左端部に接続される。一方、温水排出管４２は、温水を本体容器１０から排出する管であり、本体容器１０の下部の右端部に接続される。したがって、本体容器１０に供給された温水は、温水供給管４１から温水排出管４２に向かって、基本的に図１の左側から右側に向かって流れることになる。ただし、温水供給管４１および温水排出管４２の配置はこれに限定されるものでない。

（断面積低減部材）
断面積低減部材５０は、本体容器１０内を流れる温水の流速を大きくすべく、容器軸方向に直交する断面（以下、「直交断面」と称する）における流路断面積を低減させるための部材である。本実施形態では、断面積低減部材５０を、容器軸方向の両端部が閉塞された、直線状に延びる中空の円筒状の部材としているが、これに限定されるものではない。例えば、断面積低減部材５０を直線状に延びる中実の部材としてもよいし、断面形状を円形以外の多角形等としてもよい。

図２〜図４に示すように、断面積低減部材５０は、容器軸方向から見て、すなわち直交断面において、本体容器１０の中央部に配置されている。断面積低減部材５０の図１における左端部は、固定部材５１によって本体容器１０の蓋部１３に固定されている。また、断面積低減部材５０の外周面には、容器軸方向に沿って螺旋状に延びる後述する帯状の邪魔板６０が溶接等により固定されている。つまり、断面積低減部材５０は、螺旋状に延びる帯状の邪魔板６０によって実質的に支持されている。

断面積低減部材５０を設けることにより、本体容器１０の内周面と断面積低減部材５０の外周面との間に環状空間Ｒが形成される。この環状空間Ｒに、伝熱管２０の直管部２１が配置されるとともに、温水が流される。直交断面における環状空間Ｒの断面積は、断面積低減部材５０の分だけ減少しているため、本体容器１０内を流れる温水の流速を大きくすることができる。

（邪魔板）
邪魔板６０は、本体容器１０内を温水が澱みなく流れるようにするための部材であり、図１などに示すように、容器軸方向に沿って螺旋状に延びる帯状の部材である。図２〜図４に示すように、この邪魔板６０は、容器軸方向に対する直交断面視において、容器軸方向から見て環状空間Ｒの径方向全体にわたって設けられている。これにより、本体容器１０の内周面と、断面積低減部材５０の外周面と、当該邪魔板６０とにより、螺旋状に延びる温水（加熱用流体）の流路が本体容器１０の中に区画形成される。なお、邪魔板６０には、伝熱管２０と同等の径を有する円形の孔６０ａ〜６０ｈが形成されており、伝熱管２０の各直管部２１ａ〜２１ｈが、それぞれ、各孔６０ａ〜６０ｈに挿入されるように構成されている。

螺旋状に延びる本実施形態の帯状の邪魔板６０は、１枚の邪魔板である。すなわち、邪魔板６０をネジに例えたとき、邪魔板６０が一回転したとしたときの容器軸方向に進む距離（リード）は、邪魔板６０の山と山との間の距離（ピッチ）に等しい。なお、多条ネジのように、螺旋状に延びる帯状の複数枚の邪魔板を断面積低減部材５０の外周面に取り付けた形態としてもよい。

ここで、本体容器１０の内径をＤ１、断面積低減部材５０の外径をＤ２、螺旋状に延びる邪魔板６０のピッチ（山と山との間の距離、容器軸方向で隣り合う邪魔板部間の距離）をＰとすると、Ｄ２＜Ｐ＜Ｄ１の関係が成立していることが好ましい。図３を参照されたい。本実施形態では、伝熱管２０を構成する各直管部２１ａ〜２１ｈを容器軸を中心とする仮想の円上に配置し、その仮想円の直径をＤ３とすると、Ｄ３＝（Ｄ１＋Ｄ２）／２というように、環状空間Ｒの径方向中央に容器軸まわりに等位相差で各直管部２１ａ〜２１ｈを配置し、且つ、邪魔板６０のピッチＰ≒Ｄ３というように、上記仮想円の直径Ｄ３と邪魔板６０のピッチＰとをほぼ同じにしている。また、このピッチＰは、温水の流入側から出口側まで一定のピッチとなっている。

このような配置形態で、中空円筒状の断面積低減部材５０、螺旋状に延びる帯状の邪魔板６０、および伝熱管２０を構成する各直管部２１ａ〜２１ｈを本体容器１０の中に設けることで、本体容器１０の内周面と、断面積低減部材５０の外周面と、邪魔板６０とにより区画形成された螺旋状に延びる流路を温水の入口側から出口側へ向けて断面積低減部材５０まわりを温水が螺旋状に流れるので、その流路断面のいずれの部位においても温水が澱むことは防止される。一方、特許文献１，２に記載のような複数の邪魔板を交互に配置する形態の温水の流れを蛇行させる邪魔板では、流れが澱んでしまう場所が本体容器内にどうしても形成されてしまう。

（作用・効果）
本実施形態の気化器１００によれば、加熱用流体が流される環状空間Ｒの断面積は、本体容器１０の断面積よりも断面積低減部材５０の断面積分だけ小さくなるため、断面積低減部材５０を設けない場合と比べて、加熱用流体の流速を大きくすることができる。また、断面積低減部材５０を設けることに加えて環状空間Ｒに配置する邪魔板６０の形状を容器軸方向に沿って螺旋状に延びる帯状とすることで、本体容器１０内の邪魔板取付箇所付近（本体容器１０内面と邪魔板６０とが当たる部分）で加熱用流体が澱むことを防止することができるとともに、特許文献１、２に記載のような複数の邪魔板に比べて、加熱用流体の流速をより増大させることができる。具体的には、本件発明者らが行った数値解析によれば、加熱用流体（例えば、水）の流速を０．４ｍ／秒程度にすることができる。なお、複数の邪魔板を交互に配置する特許文献１、２に記載のような従来の気化器では、加熱用流体（例えば、水）の流速は、同様の数値解析によると０．１ｍ／秒程度であるので、約４倍にまで流速をあげることができることになる。このように加熱用流体の流速を増大させることで、ＬＮＧ（液化ガス）と加熱用流体との熱交換を促進させることができる。また、上記したように、本体容器１０内の邪魔板取付箇所付近で加熱用流体が澱むことも防止できるので、この点からも、ＬＮＧ（液化ガス）と加熱用流体との熱交換を促進させることができる。

なお、特許文献１、２に記載のような従来の気化器において、本体容器内の邪魔板取付箇所付近で加熱用流体が澱む場合、本体容器の内面とその内部の伝熱管との間の間隔を広げれば、邪魔板取付箇所付近で加熱用流体が澱んだとしても、この部分は熱伝達にあまり寄与する部分でなくなるので、加熱用流体の澱みに起因する熱伝達の悪化は抑えられる。この場合、本体容器の内径を大きくすることで上記間隔を広げることになるが、本体容器の内径を大きくすると、加熱用流体の流速がその分低下し、熱伝達が悪化してしまう。そのため、本発明では、本体容器１０内の中央部に断面積低減部材５０を設けるとともに、その周囲に、容器軸方向に沿って螺旋状に延びる帯状の邪魔板６０を配置することで、加熱用流体の流速を確保しつつ、加熱用流体が澱むことを防止している。なお、邪魔板６０の形状を螺旋状とすることで、前記したように、加熱用流体の流速を増大させることができる。

また、本実施形態では、本体容器１０の容器軸方向に対する直交断面視において、容器軸方向から見て環状空間Ｒの径方向全体にわたって帯状の邪魔板６０を設けている。この構成によると、本体容器１０内を流れる加熱用流体のほぼ全量が断面積低減部材５０まわりを旋回する流れとなり、本体容器１０内を容器軸方向に直線的に流れる加熱用流体の流れ（容器軸方向に邪魔板６０から漏れる流れ）を極少にすることができるので、加熱用流体の流速をより増大させることができる。

また、本実施形態では、本体容器１０の内径をＤ１、断面積低減部材５０の外径をＤ２、螺旋状に延びる邪魔板６０のピッチをＰとすると、Ｄ２＜Ｐ＜Ｄ１の関係が成立する邪魔板６０のピッチＰとなっている。断面積低減部材５０の外径Ｄ２よりもピッチＰを大きくすることで、加熱用流体の流路が長くなりすぎて抵抗が増えることを防止できる。また、邪魔板６０の条数が多くなって製作コスト増になってしまうことも防止できる。一方、本体容器１０の内径Ｄ１よりもピッチＰを小さくすることで、伝熱管２０の直管部２１と邪魔板６０との交差角度が９０度から大きく離れることを防止できる。これにより、邪魔板６０に形成する直管部２１を挿入するための孔（６０ａ〜６０ｈ）の形状を真円ではなく、挿入されたときの直管部２１の角度に応じた長円にする必要が生じにくくなるので、邪魔板６０の製作コストを抑えることができる。そのため、Ｄ２＜Ｐ＜Ｄ１の関係が成立する邪魔板６０のピッチＰとすることが好ましい。

また、本実施形態では、伝熱管２０を構成する反転部２２のうちの一部の反転部２２ｂ、２２ｄ、２２ｆを曲げ加工によって直管部２１と一体的に形成している。ここで、伝熱管２０の直管部２１と反転部２２とを溶接した場合、溶接箇所から亀裂等が生じて損傷の原因となりやすい。そこで、反転部２２を曲げ加工によって直管部２１と一体形成することで、溶接が不要となり、亀裂発生の問題を回避することができる。

特に本実施形態では、容器軸方向の一端側（図１の左端側）の反転部２２ｂ、２２ｄ、２２ｆを、曲げ加工によって直管部２１と一体的に形成しており、一方、容器軸方向の他端側（図１の右端側）の反転部２２ａ、２２ｃ、２２ｅ、２２ｇを、Ｕ字状の継手を直管部２１に溶接することで形成している。したがって、気化器１００のメンテナンス時に溶接箇所を点検する場合、上記一端側には伝熱管２０に溶接箇所が存在しないため、蓋部１３を取り外して点検するといった必要がなく、メンテナンスを容易に行うことができる。

さらに、本体容器１０の他端側の端部は、着脱自在な蓋部１２となっている。したがって、蓋部１２を取り外すことで、容易に反転部２２ａ、２２ｃ、２２ｅ、２２ｇの溶接箇所Ｗを点検することができる。

特に本実施形態では、溶接箇所Ｗがカップ状の蓋部１２の内部に位置しており、蓋部１２を外すと、反転部２２ａ、２２ｃ、２２ｅ、２２ｇの溶接箇所Ｗが露出するようになっている。このため、溶接箇所Ｗの点検が一層容易に行えるものとなっている。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上記実施形態の要素を適宜組み合わせまたは種々の変更を加えることが可能である。

１０：本体容器
２０：伝熱管
２１：直管部
２２：反転部
５０：断面積低減部材
６０：邪魔板
１００：気化器
Ｄ１：本体容器の内径
Ｄ２：断面積低減部材の外径
Ｐ：邪魔板のピッチ
Ｒ：環状空間

Claims

液化ガスを加熱用流体により気化させる気化器であって、
筒状の本体容器と、
前記本体容器の内部に配置され、前記液化ガスが流される伝熱管と、
前記本体容器の軸方向に沿って直線状に延びる形状を有し、前記軸方向から見て前記本体容器内の中央部に配置される断面積低減部材と、
を備え、
前記伝熱管は、前記軸方向に沿って延びる直管部と、前記軸方向の端部に位置する反転部とを有して蛇行状に形成され、
前記本体容器の内面と前記断面積低減部材の外面との間の環状空間の径方向中央に前記軸方向まわりに前記直管部が配置されるとともに、当該環状空間に前記加熱用流体が流され、
前記軸方向に沿って螺旋状に延びる帯状の邪魔板が前記環状空間に配置されていることを特徴とする気化器。
請求項１に記載の気化器において、
前記帯状の邪魔板は、前記本体容器の前記軸方向に対する直交断面視において、前記軸方向から見て前記環状空間の径方向全体にわたって設けられていることを特徴とする気化器。
請求項１または２に記載の気化器において、
前記本体容器および前記断面積低減部材の前記軸方向に対する直交断面の形状はいずれも円形であり、
前記本体容器の内径をＤ１、前記断面積低減部材の外径をＤ２、螺旋状に延びる前記邪魔板のピッチをＰとすると、下記の（式１）が成立することを特徴とする気化器。
Ｄ２＜Ｐ＜Ｄ１・・・・・（式１）
請求項１〜３のいずれかに記載の気化器において、
前記邪魔板に形成された孔に前記直管部が挿入されていることを特徴とする気化器。