JPH03168592A - 散布式薄膜熱交換方法とその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の係る分野 本発明は熱交換器、より詳細には散布式薄膜蒸発器に係
る。

従ｍ五 敗布式ｉＪ膜蒸発器（Ｔｒｉｃｋｌｉｎｇ　ｆｉｌｍｅ
ｖａｐｏｒａｔｏｒｓ，以後ＴＦＥと略称する）は、流
体と非常に薄い液体流との間で液体流に気泡を発生する
ことなく熱交換を行なう目的で化学工業、農業、食品工
業、空調および冷凍の分野で広く使用されている。

従ってＴＦＥは、気化すべき比較的大きな厚さの液相全
部が加熱壁の表面に形成される気泡巣となるボイラーと
は区別されるものである。

ＴＦＥはボイラーに比べて多くの利点がある。

まず、気泡を発生しないために加熱壁に酒石が被着する
のが遅くなる。また熱伝達レベルが高いために、操業時
の熱勾配が低く、設備の有効寿命に好結果をもたらす。

最後にＴＦＥは熱安定性の低い液体も気化させることが
できる。

但し、ＴＦＥにも２つの欠点がある。まず、ＴＦＥの先
頭部においては液体流を薄い均等層にして分配するのが
困難である。第二にこの層を破壊することなく維持し、
細かい流れにして集めることが困難であり、先頭壁に乾
燥する領域を生じる結果となる。

ＴＦＥの実際の性能は主として２つの大きさで決定する
ことがでぎる。第一にＴＦＥの全容積または質量に対す
る１秒あたりに気化される液体流質量である比出力によ
ってであり、比出力は容積または質量単位あたりの移Ｉ
Ｉ流五によっても表される。第二に、ＴＦＥを通過する
液体流の気化画分である気化速度によってである。動作
の実行可能性と所要保守レベルも上記の大きさと比べる
と数量化し難いものであるがやはり考慮に入れるべき性
能要素であり、特に汚損、付着または腐食速度について
はこれらの要素が重要になる。

気化すべき液体膜が流れ落らる簡単な垂直加熱壁から成
る「基本的なＪ　ＴＦＥは上記のような欠点を呈するの
であるが、この「基本的Ｊ　ＴＦＥに対する改良が多く
の特許に記載されている。

欧州特許第２２１７２２＠は流体の流れを均等に分配す
ると共に熱伝達効率を高めることを目的として、その外
表面に「歯形」フィンを列状に配置して相互に組分けし
た垂直流路を備え、該フィンが加熱壁に沿って流れる液
体流を分敗して細かく分ける乱流促進装置となる熱交換
装置について記載している。

またＷＯ特許８２／　００５９７号は気化速度を高める
ことを目的として、流体を循環させる垂直流路を備え、
該流路の外表面にはその外表面を伝って流れる液体流の
両分を永久的に保持する貯留部を設けることによって、
液体流のＴＦＥ内滞留時間が長くなるように構戊された
熱交換装置について記載している。

及１口工迫 上記２つの特許は部分的な解決にすぎず、所望の性能の
全てを達成し得るものではない。例えば、欧州特許第０
２２１７２２号は液体流を分散して液滴や小さな流れに
することによって液体流分配の規則性を改良したにすぎ
ず、気化速度については単純な加熱壁から成るＴＦＥの
それと変わらない。同様にＷＯ特許８２／　００５９７
号についても、平均滞留時間、ひいては気化速度を高め
ているが、熱伝達流の改良は行なっておらず、最大でも
単純な加熱壁のそれと等しいにすぎない。実際、例えば
椀形の小型貯留部にたまった液体流が厚い層を形成する
が、液体の熱伝導率はＴＦＥに使用される伝熱性材料の
１００分の１から５００分の１であるためにその厚い層
が熱伝達に悪影響を及ぼす。さらに小形椀の中に液体が
たまることによって動作中、特に液体が流れを停止した
時に付着または汚損を生しる危険性が高くなる。

本発明の目的は先行技術では同時に達成することのでき
ない次の３つの要件を同時に満足することにある。

１．高比出力 ２．高気化速度《滞留時間が長いこと）３．付着および
汚損速度の低いこと。

丈盈遺 本発明の第１の目的は、熱伝達性材料から成る実質的に
垂直の管２の内部を流れる流体１と前記管の外部を流れ
気相と接触する液体流３との間で熱交換する方法であっ
て、前記液体流を、前記管と熱接触している伝熱性材料
から成る少なくとも１つの流路１４によって支持案内さ
れる薄い層として重力により下降せしめ、高比出カと高
気化速度を獲得できるように前記流路を水平線に対して
連続的に傾斜していることを特徴とする。

各流路はフィンによって構成されており、フィンは外縁
部８を上方へ折返した形状とすることができる。またフ
ィンは管２とその中心軸５を中心として螺旋状に配置さ
れ、管の外壁７の一部がチャネルの壁部を構成する。流
休１を管の中で循環させ、液体流３を流路上部に配設さ
れた導入口９から各流路に導入して（第２図参照）液体
流が、流路１４内を自重により流れるようにし、前記流
路に導入された時点での液体流とは温度および／または
組成が異なる液体流を流路の下部に配設されている吐出
口１０より各流路から回収する方法で流体１と流体流３
との間の熱交換を行なう。

本発明方法のこのような特長により、液体流が螺旋流路
１４の床において物理的に案内されるため液体流を下記
の点で制御することが可能になる。

・液体流の平均速度、ひいては、ＴＦＥ内の平均滞留時
間は本質的に螺旋の角度α（第２図参照）によって決定
される。気化速度を高くしたい場合、または滞留時間を
長くしたい場合、角度αを例えば数度と小さくすると良
い。

・液体流を流路周辺部に集めようとする遠心力を補償す
るように流路の縦断面形状（第５ａ図第５ｂ図参照）を
構成しているため、厚さの均等な薄い膜流を獲得するこ
とができる。但し、流路全体に均等に分配された薄膜を
１得するためには、液体流によって流路を湿潤すること
も必要条件となる。

また本発明の方法は、液体流と管内を循環する液体との
間の熱交換を行なう液体流とフィンとの界面を想定する
か、あるいは熱量及び物質の交換の場合の液体流と気相
との界面を想定するかに関わらず、交換用界面の大きさ
を要件に適合させることが可能になる。これらの界面の
大きさはＴＦＥの比出力に影響を及ぼす要素である。

例えば本発明による方法は、比出力と気化速度を同時に
かつ個別に最適化することを可能にする。

この他にも汚れの付着および汚損を抑制する上で非常に
効果的な２つの特長、すなわち流体流全体が均等に移動
するということと、液体流が停止した時ＴＦＥ内に液体
が残らないという特長を有している。どちらの特長もＴ
ＦＥ内での固体堆積の危険性を低減するものである。こ
の項の終わりにはその他の利点についても明らかとなろ
う。

本発明によると、管内を循環する流体と液体流との間の
熱エネルギーの交換を下記のように両方向で行うことが
できる。

・流体から液体流にカロリーを与える場合は、液体流の
入口温度が上昇し、気化または脱離が行なわれる。

・流体が液体流から熱を受け取る場合は、気相から液相
への凝縮または蒸気または気体の液体流への吸収が生じ
る。どちらの場合も液体流は化学反応または物理化学反
応の場になるが、これらの反応では、微細化された同相
が液体流の中に懸濁された形で存在し得る。これはｒｏ
ａｍ化された触媒等として最初に導入されているか、あ
るいはＴＦＥ内で形成されるためである。

管内を循環する流体は液体、蒸気、気体の何れでもよく
、選択的には加圧されている。また燃焼気体でもよく、
その場合のＴＦＥは管の径をより大きくしたものとなろ
う（第６図参照）。

本発明の方法の最も一般的な用途は冷凍および空調分野
と化学、薬学、農業食品分野であり、希薄水溶液の濃縮
、熱交換を要する気液反応、例えば塩酸気体の水への吸
収、有機化合物の酸化または水素化に関連することが多
い。後者の場合、気体流を液体流の上にある螺旋空間１
２の中で液体流と反対方向に循環させるのが望ましい。

また気相を大気圧以外の圧力に維持することも可能であ
る。

圧力が大気圧より低ければ脱離が容易になる。同様に液
相への揮発性化合物の吸収または維持には大気圧より高
い圧力が必要になる。これらの用途、特に気体・液体間
の化学反応の場合、１回だけ液体流を通過させて所要程
度のｌ気液反応が達成されなければＴＦＥの先頭部にお
いて液体流を再循環させることができる。

本発明の第２の目的は、上記本発明の方法を実施するこ
とのできる装置および装置アセンブリを提供することで
ある。

説明の明快さを期するため、上の「方法」の部分で説明
した特徴については「装置」の部分では重複を避けるこ
とにする。

本発明による装置はまず下記のようなｇｉ置の幾伺学的
形状を決定するパラメータによって特徴づけられ、各パ
ラメータの数値は技術と化学工学とＴＦＥの実際の使用
とに関連する各種基準によって決定される。

・流体１を循環させる中央管２は横断面を円形とするこ
とができ、その場合の外径Ｄｅは１Ｈ〜１０００Ｍ、好
適には５〜１００ｔｎＩＲになる。

また断面を正方形、長方形く第３図参照）、三角形、楕
円形、平行四辺形とすることができ、その場合の大きい
方の外径Ｄｅは１馴〜２０００．、好適には５〜５００
姻として、フィンが偽似螺旋を形成するようにする。説
明上の拘束を避けるため、「螺旋」または「螺旋形」と
いう語は断面が円形以外の管を取囲む偽似螺旋を有する
装置も含むものとする。

円形以外の形状とする利点は、ある種の小型化を必要と
する場合や幾何学的に拘束のある別の装置にＴＦＥを一
体化しなければならない場合に顕著である。

・管の周りに延びるｖＡ旋フィン４のＩＩ￥ｉＬａは管
の外径Ｄｅに関係する。Ｌａ：Ｄｅ（７）比Ｇｌ．０５
〜５、好適には０．１〜１であり、この比は同一のＴＦ
Ｅにおいてその高さと共に変化し得る。例えば高レベル
の気化を伴う方法においては、ＴＦＥ上部のフィンの幅
を下部のフィンの幅より大きくするのが望ましい。その
場合フィンの幅Ｌａと管の外径Ｄｅを同時に変えること
によってＴＦＥの長さ全体に亘って、２Ｌａ＋Ｄｅの合
計を一定に保つようにすることで円錘台形状になるのを
防止することができる。

・螺旋フィンは管から最も離れたフィン端部において角
度αの傾斜を有し、また外径Ｄｔの円筒形ＴＦＥ　（第
２図参照）に関してｐ一π・Ｄｔ・ｔａｎαの等式を満
足するピッチｐを有する。角度αは１゜〜６０゜好適に
は、３″〜１０”であり、同一のＴＦＥ内で変化させて
液体流の速度を局所的に変史することもできる。

・螺旋フィンは幅Ｌａと管の軸と平行に測定したフィン
基部の厚さＥｂとが関連する。実際、フィンは液体流を
支持するだけでなく、熱の流れの全部ではないにせよそ
の大部分を伝達する働きもするため、管から最も遠くに
位置するフィンの端部にも熱流を伝達するためには、フ
ィンの基部をある程度の厚さにする必要がある。Ｌａ：
Ｅｂの比を２０未満、好適には１０未満にしなければな
らない．この比の下限は０．５、好適には１である。こ
れ以下になるとフィンの相対的厚さが機械的性質または
熱伝達上の理由から不適切なものになるのが普通である
。

本発明によるＴＦＥは少なくとも１つの螺旋フィンを備
えるが、生産性の理由から熱の伝達に支障のない限りフ
ィンの数を複数にする方がよい。

フィンの最大数いはｐ／Ｅｂの比にほほ等しくなる。こ
の時ビッチｐは基本的仕様となる外径Ｄｔおよび角度ａ
の選択によって決定され、フィン基部の厚さＥｂはフィ
ンの幅１−ａによって決定される。

管から最も遠くに位置するフィン先端部の厚さを管軸を
含む平面において測定した数値Ｅｅは、台形フィンの場
合のゼロから２つの連続旋回部間の距離ＤＳまで変化し
得る。距離［）Ｓは「フィンのピッチ対フィン数の比」
に等しい。

螺旋フィンは管軸を含む平面に位置する母面６を変位さ
せることによって描かれる。この母面は全部または−・
部に曲線部または直線部を含み、フィン面Ｓａ（管軸平
面におけるフィンの断面）と母面の上部によって拘束ざ
れる流路面Ｓｃ（流路の断面〉とを形成しく第１ｂ図参
照）、その他に管の外壁および／または次の旋回部の一
部または下部が位置することになる（第５ａ図）。これ
ら２つの表面は、それ以外の点では等しいが表面Ｓａが
液体流量、すなわち液体流が流路全休を占有していない
場合の流路自休の表面積ＳＣに従って変化するため、相
互に依存する関係にあり、ＳＣ／Ｓａの比は゜、１〜１
゜、好適には０．５〜５の範囲である。

薄い層を維持しながら交換表面積を大幅に拡大し得る（
第５ａ図，第５ｂ図参照）表面湿潤現象の良い面を引き
出すためには、旋回部を相互にできるだけ近接させて、
数瀾から数十緬程度の間隔で配置するのが有利である。

本発明による装置は上記以外にも下記のような特徴を有
する。

・流路床に選択的に螺旋状の溝を設け、交換表面積を大
きくして液体流を薄い層の状態で流し易くすることがで
きる。また流路床の表面に着脱式の非常に細かい網を設
けるなどの方法によって該表面を粗面にし、乱流を促進
して伝達流を増大することも可能である。

・おそらくは管内の流体とは異なる流体を好適には液体
流と反対方向に循環させる中空フィン（第ＩＣ図）を用
いることによって熱交換を増大する必要のある場合があ
る。中空フィンを管内部と連通させてもよい（第１図ｄ
〉。

・化学反応の実施に使用されるＴＦＥのは場合、管およ
び／またはフィン（中空、中実を問わず）を多孔質にし
て管および／またはフィンの中を循環する流体と流路内
を循環する液体との間で物質の移動が行われるようにす
ることもできる。例えば、流体へと液体Ｂを徐々に反応
させて形成と同時に抽出すべき揮発性化合物Ｃを形成し
たい場合、流体八を多孔質の管および／または多孔質の
中空フィンの中で循環させる一方、液体Ｂを螺旋流路内
で循環させる。特に流体への圧力に作用することによっ
て試薬八を試薬Ｂと徐々に接触させ、揮発性化合物Ｃを
抽出することが可能になる。また、管を熱伝達性流体の
搬送具として作用させ、試薬Ａを中空の多孔質フィン内
でのみ循環させてもよい。

・フィンの外縁部８が上へ折返された形状となるが、こ
れをフィンと一休化してもフィンに取付Ｇｔてもよく、
いくつかの機能、例えば液体流を案内する機能、さらに
気流を案内する機能、ＴＦＥ外部との熱接触を保証する
機能または逆にＴＦＥを断熱する機能等を持たせること
ができる。

所望のｉ能に応じて外縁部を断熱性材料または熱伝達性
材料で形戒し、高さを変更したり、フィンと共に剛性を
多少とも強めればよいことが理解されよう。

本発明によるＴＦＥは管と１つまたは複数のフィンから
成り、該フィンは選択的に折返し縁部を有し、管および
フィンは熱伝導率１Ｗ・ｍ−’Ｋ−１以上、好適には８
Ｗ　−　ｍ−１−　Ｋ−１以上の材料で形成される。

フィンと折返り縁部を異なる材料で形成できるのと同様
に、管と各フィンを異なる材料で形成してもよい。これ
らの材料は下記から選択するのが好適である。

・グラファイトおよび炭素化材料を、必ずしも最終特性
を呈さなくても機械加工、押出し等の技術により獲得さ
れる形状が保持される処理段階に到達することろまで機
械加工、好適には自動押出し等の周知技術により成形し
て、熱伝達性としたもの。・金属および合金を、機械加
工、好適には粉末金属の自動成形、焼結等の周知の方法
で成形したもの。

・熱伝達性セラミックを成形、押出し等の周知の方法に
より成形したもの。

・プラスチック材料を押出し、射出戊形等の周知の方法
で成形して熱伝達性としたもの。

・熱伝達性の複合材料および多局材料を押出し、躬出成
形、金型成形、引抜き成形等の周知の方法で戒形したも
の。

本発明によると、各種部品、すなわち管とフィンと場合
によっては折返し縁部とを組立てることによってＴＦＥ
を獲得することができ、組立て方法は機械的手段によっ
ても、溶接、接着その他周知の組立て手段によってもよ
い。液体流と逆方向に気相を循環させたい場合、折返し
縁部をＴＦＥの外径（ＴＦＥが円筒形の場合）と実質的
に等しい内径を有する管で構成するのが有｛りである。

例えば、フィンと「折返し縁部」管との間での熱接触を
良くしたい場合、すなわち「折返し縁部」管が熱交換に
寄与するようにしたいは場合、ＴＦＥを「折返し縁部」
管の中に圧入することになる。

そうでない場合は内側に溝を切った「折返し縁部」管の
中にＴＦＥを螺合させてもよいしく第４図参照）、「折
返し縁部」管の中に滑り込ませるだけでもよい。この場
合の「折返し縁部」管は−ｒ　Ｆ　Ｅとの間に十分な間
隙を有し、ＴＦＥに用いる材料と同じ材料または断熱性
材料で構成される（例えば熱収縮性プラスチック材料か
ら成る管または外装）．． 先にも述べたように、本発明では液体流を薄い層状に分
敗しようとする（本発明装置は液体流を薄い層にしない
で使用される場合もある）が、この目的は流路の実際の
寸法だけでなく、液体流による流路の湿潤性によっても
達成される。この湿潤性を高くするためには流路床に表
面酸化等の表面処理を行なう必要が生じる。一般にＴ　
Ｆ　Ｅの表面の全部または一部に対して該表面の熱伝導
率を良くする処理（金属の電解メッキ〉や管またはフィ
ンの多孔度を所用レベルに調節できるようにする処理が
行われる。

本発明によるＴＦＥはそのままでも使用できるモジュー
ルであるが、その処理能力を高めるためにこのようなＴ
ＦＥモジュールを多数同時に並行して作用させるのが望
ましい。この目的で全てのモジュールを外囲体１６の中
に入れるが、この時の配置は外囲体１６が円筒形の場合
は密な六角形を形成するようにする（第７ａ図、第７ｂ
図、第８図参照）。これらのモジュールと関連するのが
下記の手段である。・各モジュールに液体流９を供給す
るために外囲体の上部に配設される手段１１；・外囲体
底部において液体流１０を回収する手段１８；・好適に
は外囲体下部に設けられた１つのまたはそれ以上の導入
口１９と、好適には外囲体の上部に設けられた１つまた
はそれ以上の排出口２０と協勤して気相を循、させるた
めの手段： ・管の内部とフィンが中空の場合のフィンの内部とで流
体を循環させるための手段。

また、ＴＦＥモジュールの端部と端部を突合せ配置にし
て、周知の管連続手段によりそれらを整列させた状態で
固着保持することにより、流体流の滞留時間を長くする
ことも有利である。

以上に述べた本発明の利点に加えて、フィンの上を流れ
る液体流の流体力学に関連する利点もいくつかある。

フィンが螺旋形状であるために液体が平行な流れとなっ
て流れず、実際には下記の２つの相反する現象が生じる
ことが経験的に証明されている。

・液体の軌道の実際の曲り具合による流れの遠心運動。

・内側壁部付近での局部傾斜の方が外縁部の傾斜より大
ぎいことによる流れの求心運動。

そのため、いろいろな流れが半径方向で相当混合される
結果になる。

その第１の結果として装置の先頭部にフィンの幅全体に
液体を均等に分敗させるための分故装置を設ける必要が
なくなる。均等性が自発的に生まれるためである。

第２の結果として、乾燥区域の出現の可能性が低減する
。乾燥区域が生じても、液体の横方向運動によってすぐ
に「再湿潤」されるためである。

垂直壁土を水の膜が流れ落ちる場合、乾燥区域出現閾値
はレイノルド数にして液体流が徐々に消失する３０前後
になる。

実施例４に述べるようにグラファイト製のフィンを備え
る直径１７０Ｉｌｍの管の場合、明白な表面乾燥を生じ
ることなくレイノルド数１０まで減少した。

第３の結果として、半径方向の混合により液体流のあら
ゆる部分で滞留時間が均等になり、このことは同時に品
質の定常性の要因となり、また感熱性製品の場合には非
常に有利な要因となる。

最後に第４の結果として、熱伝達性能に直接の影響を与
える熱伝達係数が増大する。

下記の実施例と添付図面は本発明を説明するものであり
、これらを参照することで本発明の機能、実施方法およ
び利点が容易に理解できるようになるであろう。

［実験例］ 見隻亘ユ ＬＥ　ＣＡＲＢＯＮＥ　ＬＯＲＲＡＩＮＥ社製含浸グラ
ファイト円筒形ブロックを機械加工してＴＦＥを製造し
た。

ＴＦＥの幾何学的特徴 ・ビッチＯ＝２０ｎで第５ａ図に示す縦断面図を有する
単一フィン形ＴＦＥ． ・外径Ｄｅ＝５０．．． ●フィン幅１　ａ　＝　５０Ｍ ◆フィン基部の厚さＥｂ＝１５履 ・フィン端部の厚ざＥｅ＝５ＦＭ ・螺旋角度α＝２．４３゜ ・流路傾斜角度β＝６゜ ・高さＨ＝　　ａｏｏ． ・熱交換面積の増加 Ｓ 一５ ・熱出力Ｑの増加（＝ｈ−ｓ・Δ丁） ・少しづつ流れる膜の厚さを通しての上と下での温度差
を示すΔ丁は２つのＴＦＥにおいて同じ数値になると考
えられる。

・伝達係数ｈはそれぞれのＴＦＥに関して実験的に測定
した。液体流の速度を同じにした場合、フィン上の係数
ｈは垂直線上の係数ｈｏのほぼ３倍になる（ｈｏ＝　　
ＩＫＷ−ｍ−２・Ｋ　　，ｈ＝　３ＫＷ−ｍ−２−Ｋ−
’）。

−１ これは遠心力による半径方向の循環流から生じる流体の
流れが乱流混合されるためであると考えられる。従って
、 Ｑ 一１５ ＱＯ となる。しかしフィンの熱抵抗を考！ｔると、これがゼ
ロになることはあり得ないため、上に定義したようなグ
ラファイト製フィンに対する熱出力の比は約４になる。

Ｑ０ 気化速度 流速Ｕを同一としく単位ｍ−ｓ”），従ってレイノルド
数を同一とした場合、 フィン上を流れる 液体流は、 Ｍ一ρ　・ Ｕ ・　Ｌａ となるのに対し、 基本的ＴＦＥの管壁を流れる液 休流は、 ＭＯ−ρＵ●π◆Ｄｅである。

Ｑｏ／Ｍｏ ＱＯ ・流速Ｕを同一とする時の液体の装置内Ｒ留時間ｔｓは
、 円筒形管については、 口 ｔｓｏ Ｕ ・本発明によるＴＦＥについては ｐ Ｕ Ｓ ｎ　α 式中のＬｓ一旋回部の平均長（一 ３００．） α一旋回部の平均傾斜角（α＝ ３．８６ ） 結論として、 垂直グラファイト壁を有するＴＦ Ｅから本発明にょるＴＦＥに移行することにょっで、 ・比気化出力が実質的に ４倍 ・気化速度が１２倍 ・滞留時間が２３０倍 になった。

災１ｌ４２ 実験例１と同じ幾何学的特徴を有するアルミニウムの円
筒形ブロックを機械加工してＴＦＥを製造した。

その後の実験方法も実験例１に倣った。

結果として、垂直アルミニウム壁を有するＴＦＥから本
発明のＴＦＥに変えることにって、・比気化出力が７倍 ・気化速度が２３倍 ・滞留時間が２３０倍 になった。

実験例３ 第７ａ図と第７ｂ図と第８図とは１組のフィン付き管を
垂直円筒ドラムに収容して成る蒸発装置の原理をボす。

これらの管は燃焼室から出る加熱ガスの通過によって加
熱される（ガス、燃料等による運転）。

第７ｂ図に示すように、管はフィン縁部間に５０馴の間
隔をあけながら六角形を形成するように配置される。こ
うしてドラムを貫通して横断面積１ｍあたり２９本の管
が設けらる。ｈ＝３ＫＷ・ｍ　−２　，　Ｋ　−　１．
△ｔ＝５℃の時、管１ｍあたりの熱出力を求めると１１
．８Ｋ　ｗになり、全部の管の比出力はフィンを備えな
い場合９０Ｋｗ／ｙｆであるのに対して３４０ＫＷ／一
となる。

実験例４ ＬＥ　ＣＡＲＢＯＮＥ　ＬＯＲＲＡＩｌ４１１：社製含
浸グラフ７イト円筒形ブロックを機械加工してＴＦＥを
製造した。

ＴＦＥの幾何学的特徴 ・ビッチｐ　＝　２０．で第Ｌａ図に示す縦断面を有す
る単一フィン形ＴＦＥ． ・外径Ｄｅ＝１７０ｍｍ、 ・管壁の厚さ＝１０網 フィン幅Ｌａ＝５２ｓＩ ・平均角α＝Ｌ６４゜ ・高さ一 ６００Ｍ 取得結果 Ｓ ３ ＱＯ Ｍ Ｔ ＝２４ すなわち、 比気化出力が ２．３倍、 気化速度が２４ 倍になった。

失ｍ互 第６図はこのようなフィン付き管を燃焼室の壁として使
用した例を示している。その内径は１５０層、高さは６
００順である。２８の旋回部から成る１つの螺旋が設け
られており、気化目的の表面積は全体で０．９０ｍとな
っている。

実験結果に基づいて計算すると、気化出力Ｑが１２Ｋ　
Ｗの場合、液体膜の気化面の温度が１００℃であればグ
ラフ７イト壁の内面（すなわち燃焼火炎と接触する壁面
）の温度は１０７℃になる。

このように［が低いとグラファイトが損傷を受けること
はない。経験的に４００℃前後までは過剰酸素が存在し
ていてもグラフ７イトは火炎による侵食に対する耐性を
有することが証明されている。

【図面の簡単な説明】

同じ機能を有する同様の要素については同じ参？符号を
付して示す。 第１図は管と螺旋フィン旋回部を管の垂直軸に沿って取
った断面で示す複数の部分図であり、第Ｌａ図及び第１
ｂ図は下記の記号を表している。 Ｄｅ一管の外径 Ｄｔ＝ＴＦＥの外径 Ｌａ−フィンの幅 Ｅｂ＝フィン基部の厚さ Ｅｅ−フィン先端部の厚さ ■ｓ＝連続する旋回部間の距離 ３ｃ＝流路の表面積（断面〉 Ｓａ＝フィンの表面（断面） 第ＩＣ図は中空フィンを概略的に示した図、第１ｄ図は
折返し縁部の代替的形式を示している図である。 第２図は２つのフィンを有するＴＦＥの外観図であり、
螺旋の角度αとビツチｐが示されている図である。 第３図は横断面が矩形のＴＦＥをその垂直軸に対して直
角に取った断面図である。 第４図は折返し縁部が内側に溝を切った管で構成される
ＴＦＥを垂直軸上で取った断面図である。 第５ａ図及び第５ｂ図は管とフィン旋回部の一部を垂直
軸上で取った断面図を示し、第５ａ図は直１１部分のみ
で構成される母面の一例を示しているのに対し、第５ｂ
図の母面は曲線を含んでいる図である。 第６図は燃焼室壁部として使用ざれる大径管を備えるＴ
ＦＥを示す図である。 第７ａ図は複数の並列ＴＦＥを含むアセンブリを垂直軸
上で取った断面で示すと共に、それらの機能方法を示し
ている図である。 第７ｂ図は六角形状に密に配置したＴＦＥを垂直帖に対
して直角に取った断面で示す図である。 第８図はＴＦＥの主要部分を相互に分離して示す全体図
であり、ＴＦＥ設備一式の組立て品を示している図であ
る。 １・・・・・・流体、２・・・・・・管、３・・・・・
・液体流、８・・・・・・折返し外縁部、９・・・・・
・導入口、１０・・・・・・吐出口、１４・・・・・・
流路。

Claims (42)

【特許請求の範囲】
1. （１）熱伝導性材料から成る実質的に垂直の管の内部を
   流れる流体と前記管の外部を気相と接触して流れる液体
   流との間で熱交換する方法であつて、前記液体流を、前
   記管と熱接触する熱伝導性材料から成る少なくとも１つ
   の流路によって支持案内しながら薄い層として重力によ
   り下降せしめ、高い比出力と高い気化速度を獲得できる
   ように、前記流路を水平線に対して連続的に傾斜させる
   ことを特徴とする方法。
2. （２）各流路をフィンで構成し、該フィンの外縁部を選
   択的に上方への折返し縁部とし、該フィンを管およびそ
   の中心軸の周りに螺旋状に配設し、前記管の外壁の一部
   が選択的に前記流路の壁部を構成し、前記流体を管内で
   循環せしめ、流路上部に配設されている導入口から各流
   路に液体流を導入して液体流を該流路内部で重力により
   流下せしめ、各流路下部に配設されてる吐出口を通じて
   前記流路に導入された時点での液体流と温度および／ま
   たは化学組成の異なる液体流を回収することによって前
   記流体と液体流との間で加熱交換を行なう請求項１に記
   載の熱交換方法。
3. （３）前記流路に導入口から導入された時の液体流の温
   度よりも高い温度で流体を前記管の内部で循環させるこ
   とにより、前記液体流に吸熱性の物理化学変化を生じさ
   せる請求項２に記載の熱交換方法。
4. （４）前記流路に導入口から導入された時の前記液体流
   の温度よりも低い温度で前記管の内部に流体を循環させ
   ることにより、前記液体流に発熱性の物理化学変化を生
   じさせる請求項２に記載の熱交換方法。
5. （５）前記外部の気相が、前記液体流の流れと反対方向
   に循環して前記液体流に対する物理化学変化に寄与する
   気流である請求項３または４に記載の熱交換方法。
6. （６）前記気流が、下降する体流の流れと反対方向に乗
   り越えて行く螺旋状上昇流であって気体と液体との間の
   接触を促進する請求項５に記載の熱交換方法。
7. （７）前記気相の圧力が大気圧と異なる請求項１から６
   のいずれか一項に記載の熱交換方法。
8. （８）請求項１から７のいずれか一項に記載の方法によ
   り熱交換を実施するための装置であつて、その内部に流
   体を循環させるための、横断面が円形で外径Ｄｅが１ｍ
   ｍから１０００ｍｍ、好適には５ｍｍから１００ｍｍの
   実質的に垂直の管から成り、前記管が、その外側に熱伝
   導性材料から成る螺旋状フィンを水平線に対して連続的
   に傾斜させると共に前記管と熱接触させた状態で備えて
   おり、前記フィンが流路の全部または一部を形成するこ
   とにより液体流の薄い層を該流路内で重力により生じさ
   せるように構成されて成る装置。
9. （９）請求項１から７のいずれか一項に記載の方法によ
   り熱交換を実施するための装置であって、その内部に流
   体を循環させるための、横断面が非円形で正方形、長方
   形、三角形、楕円形または平行四辺形であり且つ最も長
   い方の外径Ｄｅが１ｍｍから２０００ｍｍ、好適には５
   ｍｍから５００ｍｍの実質的に垂直の管を含んで成り、
   前記管が、その外側に熱伝導性材料から成る擬似螺旋形
   フィンを水平線に対して連続的に傾斜させると共に前記
   管と熱接触させた状態で備えており、前記フィンが流路
   の全部または一部を形成することにより液体流の薄い層
   を該流路内で重力により下降させるように構成されて成
   る装置。
10. （１０）フィン幅Ｌａと最大外径Ｄｅとの比が０．０５
    〜５、好適には０．１〜１である請求項８または９に記
    載の装置。
11. （１１）Ｌａ：Ｄｅの比が同一装置の上部から下部に向
    かって、０．０５から５まで、または５から０．０５ま
    で可変であり、Ｌａおよび／またはＤｅが単独であるい
    は同時に変化してＬａ：Ｄｅの比を変化させる請求項１
    ０に記載の装置。
12. （１２）各フィンによつて形成される螺旋形または擬似
    螺旋形の、前記管から最も遠くに位置するフィン端部に
    おいて水平線に対して測定した角度αが１゜〜６０゜、
    好適には３゜〜１０゜であって同一の装置内で可変であ
    る請求項１１に記載の装置。
13. （１３）フィン幅Ｌａと管の軸および前記管の外表面と
    平行に測定したフィン基部の厚さＥｂとの比が０．５か
    ら２０の間、好適には１から１０の間で可変である請求
    項１２に記載の装置。
14. （１４）前記管の軸に対して垂直の平面内で数えたフィ
    ンの最大数ｎが、前記フィンによつて形成される螺旋ま
    たは擬似螺旋のピッチと前記フィンの基部の厚さＥｂと
    の比以下である請求項１３に記載の装置。
15. （１５）前記フィンの端部の厚さＥｅが、１つ又は複数
    のフィンに関して０から前記管の軸を含む平面で測定し
    た２つの連続旋回部間の距離Ｄｓまで可変である請求項
    １４に記載の装置。
16. （１６）前記フィンの断面形状が、前記管の軸を含む平
    面において測定したフィンの表面積Ｓａと流路の表面積
    Ｓｃとの比が０．１〜１０、好適には０．５〜５となる
    ようにＳａとＳｃを決定している請求項１５に記載の装
    置。
17. （１７）前記フィン表面積Ｓａが直線部分によって確定
    されている請求項１６に記載の装置。
18. （１８）前記フィン表面積Ｓａが直線部分のみによって
    画定されている請求項１７に記載の装置。
19. （１９）前記液体流と接触する前記フィンの上部と選択
    的に管外部とに溝が切られてあつて、前記液体流と前記
    流路床との間での熱交換用表面積を大きくしている請求
    項１７に記載の装置。
20. （２０）前記フィンの上部と選択的に前記液体流と接触
    する管部分とに凹凸が設けられてあつて、乱流を促進し
    て移動流を増大する請求項１９に記載の装置。
21. （２１）前記フィンを中空として、その中を前記管内を
    流れる前記流体と異なるものでもよい流体を前記液体流
    と反対方向に移動させ得るように構成されている請求項
    ２０に記載の装置。
22. （２２）前記管の材料と選択的に前記フィンの材料を多
    孔質に且つ薄膜効果を呈するものとし、前記流体の一部
    が前記管の壁および前記フィンの材料を通過し、物理的
    、化学的または物理化学的に前記液体流と作用し合うよ
    うに構成されて成る請求項２１に記載の装置。
23. （２３）前記管の材料を前記フィンの材料と異なるもの
    としてもよい請求項２２に記載の装置。
24. （２４）前記上方への折返し外縁部の材料を前記フィン
    の残りの部分を構成する材料と異なるものとしてもよく
    、且つ選択的に断熱性材料で形成し得る請求項２３に記
    載の装置。
25. （２５）前記管と前記フィンとの材料を熱伝導率が１Ｗ
    ・ｍ＾−＾１・Ｋ＾−＾１以上、好適には、８Ｗ・ｍ＾
    −＾１・Ｋ＾−＾１以上の材料の中から選択する請求項
    ８から２４のいずれか一項に記載の装置。
26. （２６）前記管および／または前記フィンの材料をグラ
    ファイトまたは熱伝導性の炭素化材料とする請求項２５
    に記載の装置。
27. （２７）前記管および／または前記フィンの材料を金属
    または合金とする請求項２５に記載の装置。
28. （２８）前記管および／または前記フィンの材料を熱伝
    導性セラミック材料とする請求項２５に記載の装置。
29. （２９）前記管および／または前記フィンの材料を熱伝
    導性にしたプラスチック材料とする請求項２５に記載の
    装置。
30. （３０）前記管および／または前記フィンの材料を熱伝
    導性の複合材料または多層材料とする請求項２５に記載
    の装置。
31. （３１）前記材料が、その全ての処理段階において機械
    加工または押出しされることによって前記装置の形状を
    維持するようにして製造される請求項２６に記載の装置
    または装置部品。
32. （３２）前記材料の機械加工または型成形、あるいは前
    記材料の金属粉の焼結によって製造される請求項２７に
    記載の装置または装置部品。
33. （３３）前記材料の型成形または押出しによつて製造さ
    れる請求項２８に記載の装置または装置部品。
34. （３４）前記材料の押出しまたは射出成形によつて製造
    される請求項２９に記載の装置または装置部品。
35. （３５）前記材料の押出し、射出成形、型成形または引
    抜き成形のいずれかによって製造される請求項３０に記
    載の装置または装置部品。
36. （３６）請求項３１から３５に記載の装置部品を機械組
    立て、溶接、接着のいずれかの方法によつて組立てて成
    る装置。
37. （３７）上方への折返し外縁部を備えていない装置を上
    方への折返し外縁部と共に組立てて前記流路を形成し、
    また選択的に気相体積を前記装置の１つまたは複数のフ
    ィンの旋回部間に形成される空間に限定するようにして
    気相を液体流と反対方向に循環させるように構成されて
    成る請求項３６に記載の装置。
38. （３８）上方への折返し外縁部が選択的に内側に溝が切
    られた管であり、その内側寸法が前記装置の外側寸法に
    実質的に対応している請求項３７に記載の装置。
39. （３９）前記装置の全部または一部が処理段階または表
    面被覆を受けていることを特徴とする請求項３１から３
    ７のいずれか一項に記載の装置。
40. （４０）前記装置の複数を相互に平行に配列して収容す
    る外囲体と、 前記外囲体の上部に配設されて液体流を供給する手段と
    、 前記外囲体の下部に配設されて液体流を回収する手段と
    、 好適には外囲体底部に設けられた１つまたは複数の導入
    口と、好適には外囲体上部に設けられた１つまたは複数
    の吐出口とを含んで気相を循環させる手段と、 熱エネルギー交換能力を増加するために、前記流体を前
    記管の内部及び選択的に前記フィンの内部で循環させる
    手段とを含んで成る請求項８から３０のいずれか一項に
    記載の装置の組立て品。
41. （４１）前記複数の装置が、周知の管結合手段により相
    互に端部と端部を突合せて配置され且つ整列状態に維持
    されている請求項８から３０のいずれか一項に記載の装
    置の組立て品。
42. （４２）請求項１から７のいずれか一項に記載の方法を
    、特に工業用蒸発器および空調装置における脱着と気化
    への、また気液反応器および空調装置における気体また
    は蒸気の凝縮と吸収への応用。