JPH11241896A - 熱交換装置及びそれを用いた装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱エネルギーの伝熱性能を従来に比べて大幅
に向上することで、上述した従来の技術が有する問題点
を解消することのできる熱交換エレメント及びその応用
装置を提供する。 【解決手段】 流路を有する金属製エレメント１０１
と、この金属製エレメントの外周部に付設される加熱手
段１０４とを備え、この加熱手段１０４によって前記流
路を流れる流体を加熱又は冷却する熱交換装置におい
て、前記金属製エレメント１０１には前記流路を流れる
流体に渦流れを発生させて流路内の流体の温度境界層を
破壊すると共に渦拡散させるための多数の略螺旋状の細
管１０７からなる流路を形成したものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高温の媒体から低
温の媒体へ（あるいは、その逆方向に）熱エネルギーを
移動する装置において、効率よく熱エネルギーを移動す
るための構造に関するものであり、目的対象別の分類に
よれば、加熱器、冷却器（放熱器）、凝縮器、蒸発器、
ボイラー、原子炉などに利用できる。また、民生用機器
においては、瞬間湯沸器や風呂沸かし器などに利用でき
る。されに、本発明は、一体構造であるため耐圧力に優
れ、高圧状態の流体の加熱にも利用できる。

【０００２】

【従来の技術】一般に、高温の媒体から低温の媒体へ
（あるいは、その逆方向に）熱エネルギーを移動する装
置を熱交換器といい、熱エネルギーの移動形式から隔壁
式、蓄熱式、直接接触式に分類され、さらに熱交換エレ
メントの内部構造からシェル・アンド・チューブ式、二
重管式、コイル式、渦巻き式、プレート式等が知られて
いる。また、流動方式による分類では、並流型、向流
型、直交流型、混合型、マルチパス型がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の構成の隔壁式熱
交換器を例に取れば、全熱通過量は、全伝熱面積、有効
温度差、熱通過率の積で表されるため、高温源の熱エネ
ルギーをより多く低温の二次媒体に移動させるために
は、その伝熱性能（熱通過率など）や熱媒体の熱容量比
が同じであれば、伝熱面積及び温度差を増大する方法が
とられる。

【０００４】しかしながら、伝熱面積の制約を受ける場
合、所要の全熱通過量を得るためには、一般に大きな温
度差にせざるを得ないが、高温源側の壁近傍から流路中
心部に向かって、二次媒体に大きな温度勾配が生じ、所
望の温度まで加熱しようとすると、壁近傍を流れる二次
媒体が加熱過多となり、熱交換中に組成変化を起こす問
題がある。また逆に、温度差に制約を受ける場合は、伝
熱面積を増加せざるを得ず、装置の大型化が避けられな
いという問題がある。

【０００５】さらに、従来の構成では、伝熱面積を増大
させるために、熱交換エレメントを薄肉管や薄板などに
よって構成するため、熱媒体間の圧力差を高めることが
できないという問題があり、また、伝熱面積を増大させ
るために、熱交換エレメントを複雑な形状で構成する
と、熱伝導率の悪いスケールや湯垢の付着により伝熱性
能の経時劣化を招くという問題がある。

【０００６】従来の構成では、流路を流れる流体の温度
と熱交換エレメントの温度とは一致せず、熱交換エレメ
ントの温度を基準にして流体の温度を制御するとなる
と、流体の温度を正確に制御することができない。

【０００７】具体的な課題として、従来の熱交換器を用
いて、流体を連続的に加熱（冷却）しようとするとき、
管路半径方向で温度分布が生じ易く、例えば、ガソリン
などの多沸点成分の炭化水素混合物やエンジン潤滑油、
あるいは高分子接着剤などの低熱伝導流体では、組成変
化を起こしてしまうという問題があり、ましてや水素、
メタン、アルコールなどの危険流体を加熱する場合は爆
発の危険を伴うことなどが挙げられる。

【０００８】別の具体的な課題として、一般ごみ焼却施
設などから排出される焼却灰に含まれるダイオキシンの
毒性が社会問題となっているが、このダイオキシンは分
子構造が安定しているため分解が困難であり、紫外線や
微生物を利用した従来の技術では、経済性、処理時間や
分解率などの点で課題がある。

【０００９】しかし、すべての有機物を分解できる超臨
界水を用いれば、ダイオキシンを容易に分解できること
が知られている。すなわち、超臨界水中では、高温の水
蒸気なみの高速分子が、液体水に匹敵する高密度でダイ
オキシンに衝突するため、分子構造が安定しているダイ
オキシンも短時間で分解される。

【００１０】この超臨界水を製造するためには、３７４
℃、２１８気圧といわれる臨界条件以上の超高温高圧状
態を得ることが必要であり、省エネルギーの観点からこ
れを高いエネルギー効率で達成することが要請されてい
る。

【００１１】別の具体的な課題として、従来の風呂沸か
し器では、追い炊きする場合、風呂内の湯を熱交換器に
導き、ガスバーナーなどで加熱するため、熱交換器の内
壁に湯垢が付着し、非衛生的である。また、長期間の使
用によって、熱交換器の内壁に湯垢が固着し、スケール
になると伝熱性能の経時劣化を招き、エネルギー効率が
低下する。

【００１２】更に、別の具体的な課題は、高温流体が流
れる管路の管壁に対して、当該流路の管軸に略直交して
接続され、前記流体の圧力を計測する圧力計において、
当該圧力計の計測部に直接、高温流体の圧力波が伝播す
ると、測定値に誤差が生じたり、最悪の場合は計測不能
となる。

【００１３】本発明の目的は、熱エネルギーの伝熱性能
を従来に比べて大幅に向上することで、上述した従来の
技術が有する問題点を解消することのできる熱交換エレ
メント及びその応用装置を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、流路を有する金属製エレメントと、この金属製エレ
メントの外周部に付設される加熱手段又は冷却手段とを
備え、この加熱手段又は冷却手段によって前記流路を流
れる流体を加熱又は冷却する熱交換装置において、前記
金属製エレメントには前記流路を流れる流体に渦流れを
発生させて流路内の流体の温度境界層を破壊すると共に
渦拡散させるための多数の略螺旋状の細管からなる流路
を形成したことを特徴とする。

【００１５】本発明によれば、金属製エレメントには、
多数の細孔が貫通し、加熱（あるいは冷却）対象の流体
が流される。一方、前記金属製エレメントの外周部に付
設される加熱手段又は冷却手段の熱源からの熱エネルギ
ーは、熱伝導により前記金属製エレメントに移動する。
外部の熱源から正の熱エネルギーを供給すれば、流体は
加熱され、負の熱エネルギーを供給すれば、流体は冷却
される。

【００１６】熱媒体には熱容量の大きな流体を任意に選
定でき、また、前記金属製エレメントの材質には、銅系
合金やアルミニウム系合金などの熱伝導率が優れた金属
を選定することで、外部の熱源から前記金属製エレメン
トに至る熱伝導効率を十分に高められる。

【００１７】前記金属製エレメントには、流路方向に穿
通した多数の略螺旋状の細管を有するが、この細管の流
路断面積を極めて小さく設け、しかも軸方向に略螺旋状
に貫通することで、この細管内を流れる加熱（あるいは
冷却）対象の流体のレイノルズ数を高め、渦流を生じさ
せる。

【００１８】細管内壁と加熱（あるいは冷却）対象流体
間の熱エネルギーの伝達は、固体壁と流体間の熱伝達に
支配されるが、このように細管内を対象流体が渦流にな
って流れると、速度境界層のみならず温度境界層も破壊
され、両境界層は、層流状態から乱流状態となる。

【００１９】一般に、層流熱伝達率に比べて、乱流熱伝
達率は二桁以上も大きいため、従来のシェル・アンド・
チューブ式、二重管式、コイル式、渦巻き式、プレート
式等の層流熱伝達による構成に比べて、極めて高い伝熱
性能が得られるため、加熱（あるいは冷却）対象とする
流体に容易に熱エネルギーが移動する。

【００２０】さらに、細管内壁から対象流体に移動した
熱エネルギーは、対象流体の渦流によって拡散し、半径
方向にも移動するため、対象流体の温度を均一化するよ
うに作用する。この結果、必要最小限の全伝熱量によっ
て対象流体全体を均一に所望の温度まで加熱（あるいは
冷却）することが可能となる。

【００２１】また、対象流体が流れる前記金属製エレメ
ントは、銅系合金やアルミニウム系合金（理想的には、
熱伝導率が最も優れる銀または銀系合金）等の剛体構造
体で形成するならば、熱媒体との圧力差を高めることが
できると共に、伝熱性能が極めて優れるため、伝熱面積
を増大させるために熱交換エレメントを複雑な形状で構
成する必要がない。

【００２２】従来の熱交換器では、流体を連続的に加熱
（冷却）しようとするとき、管路半径方向で温度分布が
生じ易く、例えばガソリン等の多沸点成分の炭化水素混
合物やエンジン潤滑油、あるいは高分子接着剤などの低
熱伝導流体では、組成変化を起こしてしまうといった問
題がある。

【００２３】この発明では、水素、メタン、アルコール
等の危険流体を安全に所望の温度まで加熱することが可
能となる。

【００２４】請求項２に記載の発明は、流路を有する金
属製エレメントと、この金属製エレメントの外周部に付
設される加熱手段又は冷却手段とを備え、この加熱手段
又は冷却手段によって前記流路を流れる流体を加熱又は
冷却する熱交換装置において、前記金属製エレメントに
は熱交換装置の動作中に前記流路を流れる流体の温度と
当該金属製エレメントの温度とがほぼ等しくなるように
設定された多数の略螺旋状の細管からなる流路を形成し
たことを特徴とする。

【００２５】この発明では、熱交換装置の動作中に、金
属製エレメントの流路を流れる流体の温度と当該金属製
エレメントの温度とがほぼ等しくなる。

【００２６】この構成であれば、金属製エレメントの流
路を流れる流体の温度を制御する場合に、例えば金属製
エレメントの温度を検出して、この検出温度に従ってフ
ィードバック制御を実施することにより、金属製エレメ
ントの流路を流れる流体の温度を正確に制御することが
できる。

【００２７】請求項３に記載の発明は、請求項１又は２
に記載のものにおいて、金属製エレメントの流路に水を
高圧縮する高圧縮手段を接続し、この高圧縮された水を
前記金属製エレメントの流路に導いて、超臨界水の生成
に必要な超高圧高温状態を得ることを特徴とする。

【００２８】この発明によれば、吐出圧力が極めて高圧
な例えばラジアル・プランジャ・ポンプに、前記請求項
に掲げた極めて熱交換効率の高い流体加熱器を接続する
ことで、超臨界水の生成に必要な３７４℃以上、２１８
気圧以上とされる超高温高圧状態を高いエネルギー効率
で得ることができる。

【００２９】更に、この超臨界水の簡易製造装置を用い
れば、少ないエネルギー消費で、短時間且つほぼ完全に
ダイオキシンを分解処理することができる。

【００３０】請求項４に記載の発明は、浴槽内に付設さ
れると共に、流路を有する金属製エレメントと、この金
属製エレメントの流路に行き管及び戻り管の閉管路で接
続されると共に、浴槽外に付設される加熱手段とを備え
る風呂沸かし装置であって、前記金属製エレメントには
装置の動作中に前記流路を流れる流体の温度と当該金属
製エレメントの温度とがほぼ等しくなるように設定され
た多数の略螺旋状の細管からなる流路を形成したことを
特徴とする。

【００３１】本発明によれば、追い炊きする場合も、浴
槽外に付設した流体加熱器によって高温となった熱媒体
を、循環ポンプによって浴槽内に付設した金属製エレメ
ントに導き（基本構成は、循環ポンプを装備しなくと
も、機能する）、間接的に浴槽内の湯を沸かす。このた
め、長期間の使用によって、熱交換器の内壁に湯垢が固
着し、スケールとなり伝熱性能の経時劣化を招き、エネ
ルギー効率が低下するといった問題が解消される。

【００３２】しかも、金属製エレメントの熱伝達効率が
極めて優れているため、流路内径φｄの細管ｎ本の表面
積に対して、浴槽内の水との熱交換外径φＤによる表面
積の割合、「Ｄ／ｎｄ」を自由に設計できる等のため、
浴槽内のエレメント表面は円滑なので、湯垢の発生がな
い。

【００３３】請求項５に記載の発明は、高温の流体が流
れる管路の管壁に対して、当該管路の管軸に略直交して
接続され、前記流体の圧力を計測する圧力計装置であっ
て、前記圧力計の計測部と管路との間には流路を有する
金属製エレメントを備え、この金属製エレメントには熱
衝撃による影響を受けることなく圧力計測を可能とした
多数の略螺旋状の細管からなる流路を形成したことを特
徴とする。

【００３４】本発明によれば、当該圧力計の計測部と前
記管路との間に前記請求項による金属製エレメントを介
装することによって直接、高温流体の圧力波が当該圧力
計の計測部に伝播することがなくなるため、熱衝撃によ
る影響を受けることなく、正確な圧力計測が可能とな
る。

【００３５】

【発明の実施の形態】本発明の一実施形態を、添付した
図１〜図３を用いて説明する。

【００３６】本実施形態による熱交換装置は、図１に示
すように、軸方向に貫通した多数の略螺旋状の細管１０
７を有する金属製エレメント１０１と、この金属製エレ
メント１０１の出入り口に接続された接続具１０２、１
０３と、金属製エレメント１０１の外周部に付設された
加熱手段（冷却手段）１０４とを備える。

【００３７】この加熱手段１０４は、金属製エレメント
１０１の外側に金属製の筒体１０５を設け、この筒体１
０５と接続具１０２、１０３と固定具１０６を溶接する
ことによって、この筒体１０５と金属製エレメント１０
１との間の環状空間に、熱媒体タンクの行き管１０９及
び戻り管１０８を接続して構成される。

【００３８】図２は、金属製エレメント１０１の半径方
向の断面図である。金属製エレメント１０１には、軸方
向に貫通した直径１０ｍｍ以下、好ましくは１ｍｍ以下
の多数の略螺旋状の細管１０７が形成される。

【００３９】図３は、細管１０７の拡大断面図である。
細管１０７の内面は螺旋状に形成されるため、この細管
１０７内を流れる流体には、図３に矢印ａで示すような
渦（剥離流）が形成される。

【００４０】この金属製エレメント１０１を製造する場
合には、例えば低融点の第一の線材を芯として、他の高
融点の第二の線材を第一の線材の周囲に巻き付け、これ
らを金属粉末内に配置し、第一の線材は溶融するが、第
二の線材は溶融しない温度帯で加熱し、これによって第
一の線材を溶融して第二の線材の巻線の間隙を封じて、
図３に示すような略螺旋状の細管１０７を形成する。

【００４１】次に、この金属製エレメントの作用を説明
する。加熱（冷却）したい流体を、金属製エレメント１
０１の入口に接続された接続具１０２より流入し、熱媒
体を熱交換器１０４の行き管１０７より流入する。伝熱
工学上、流れの向きは両者が対向するように選ぶことが
望ましい。

【００４２】金属製エレメント１０１の細管１０７に流
した流体の温度より、十分に高温の熱媒体を加熱手段１
０４へ流せば、加熱手段１０４は加熱器として作用し、
流体は金属製エレメント１０１の細管１０７を流れるう
ちに前記熱媒体と熱交換して、加熱された状態で流出す
る。

【００４３】金属製エレメント１０１には、前記のよう
な多数の細管１０７が貫通し、この細管１０７の流路面
積は極めて小さく、しかも軸方向に略螺旋状に貫通する
ので、この細管１０７内を流れる流体には、図３に示す
ように渦流が発生し、この細管１０７内を渦流となって
流れると、流体内部に亘ってほぼ均一に熱伝達されるの
で、所望の温度まで流体を簡単に加熱することができ
る。

【００４４】従来の構成では、流路の外周近傍を流れる
流体が過熱過多になり、流体の組成変化を起こすといっ
た問題が発生するが、この実施形態では、この問題が解
消されるので、加熱対象流体に、多沸点成分から構成さ
れるガソリンやエンジン潤滑油、或いは接着剤などの低
熱伝導流体、あるいは水素、メタン、アルコールなどの
危険流体への適用が可能となる。

【００４５】この実施形態では、金属製エレメント１０
１には多数の細管１０７が貫通し、この細管１０７の流
路面積は極めて小さく、しかも軸方向に略螺旋状に貫通
するので、熱交換装置の動作中に金属製エレメント１０
１の細管１０７を流れる流体の温度と金属製エレメント
１０１の温度とがほぼ等しくなる。

【００４６】この構成であれば、金属製エレメント１０
１の流路を流れる流体の温度を制御する場合に、例えば
金属製エレメント１０１自体の温度を検出して、この検
出温度に従ってフィードバック制御を実施することによ
り、金属製エレメント１０１の流路を流れる流体の温度
を正確に制御できる。

【００４７】また、金属製エレメント１０１内に流した
流体の温度より、十分に低温の熱媒体を冷却手段１０４
へ流せば、この冷却手段１０４は冷却器として作用し、
流体は金属製エレメント１０１の細管１０７を流れるう
ちに前記熱媒体と熱交換して、冷却された状態で流出す
る。

【００４８】冷却する場合も、加熱する場合と同様の作
用によって、所望の温度まで流体を均一に冷却すること
ができる。

【００４９】次に、図４を用いて別の実施形態を説明す
る。

【００５０】図４ａに本実施形態による熱交換装置を示
す。この熱交換装置は、図４ａに示すように、金属製エ
レメント２０１と、この金属製エレメント２０１の出入
り口に接続された接続具２０２、２０３と、金属製エレ
メント２０１の外周部に嵌合された金属製構造体２０４
とを備える。

【００５１】この金属製構造体２０４には、図４ｂに示
すように、複数の棒状加熱体２０５が内装される。金属
製構造体２０４の外側には断熱材２０６を介して金属製
の筒体２０７を設け、この筒体２０７は、接続具２０
２、２０３と固定具２０８とによって接合されている。

【００５２】金属製構造体２０４は、図４ｂに示すよう
に軸方向及び半径方向に分割可能な構造（実施例）であ
り、金属製エレメント２０１と軸方向同心円上に複数の
棒状加熱体２０５が内装され、締め具２１２によって固
定される。

【００５３】棒状加熱体２０５の入力端子２０９は、耐
熱被覆電線２１０によって固定具２０８に嵌合した絶縁
端子２１１に結線されており、外部電源の電気エネルギ
ーを棒状加熱体２０５へ供給することができる。

【００５４】本実施形態では、金属製エレメントにおけ
る加熱手段に相当する部分が複数の棒状加熱体２０５を
内装した金属製構造体２０４に置き換えられる。

【００５５】次に、この熱交換装置の作用を説明する。

【００５６】加熱したい流体を、金属製エレメント２０
１の入口に接続された接続具２０２より流入し、棒状加
熱体２０５に通電すれば、流体は金属製エレメント２０
１の細管２０１ａを流れるうちに金属製構造体２０４を
介して、棒状加熱体２０５の熱エネルギーを吸収して、
加熱された状態で流出する。

【００５７】本実施形態は、流体を加熱する場合に限定
されるが、高温の熱媒体を必要とせず、小型で可搬性に
優れた熱交換装置を構成することができる。

【００５８】なお、優れた加熱性能が得られるため経済
的であること、金属製エレメント２０１が一体構造で剛
性に優れるため高圧流体を安全に加熱できること、流体
内部に亘ってほぼ均一に熱伝達されるので、例えば、加
熱対象流体に、多沸点成分から構成されるガソリンやエ
ンジン潤滑油、或いは接着剤などの低熱伝導流体、或い
は水素、メタン、アルコールなどの危険流体への適用が
可能となることなどの特徴は、請求項１に準じる。

【００５９】上述の特徴を活かした「自動車用噴射式エ
ンジン」等への実施形態について、図５を用いて説明す
る。

【００６０】軽油やガソリンなどの燃料２１３が、高圧
噴射ポンプ２１２に供給される。そして、高圧噴射ポン
プ２１２により、燃料２１３が所定の圧力まで上昇さ
れ、本実施形態による金属製エレメント２１４を経て、
噴射ノズル２１６に供給され、シリンダー（図示せず）
内に噴射される。

【００６１】軽油やガソリンなどの燃料２１３は多種沸
点成分から成ること及び危険性のため、タンク内での温
度上昇手法は困難である。一方、エンジンでは、補器を
装着することによるエンジン本来の性能が変化すること
を嫌うため、熱交換のために燃料流路長さが大きく異な
ることは大きな問題である。また、従来の熱交換では表
面熱伝達のため、熱伝達部で希望加熱温度以上にせざる
を得ず、燃料の変性やガム質生成を招かざるを得なかっ
た。

【００６２】本実施形態による金属製エレメント２１４
を使用することにより、その熱伝達効率の高さ故に、最
少の流路長さで、燃料の変性やガム質生成を招くことな
く、燃料温度を希望の温度まで容易に上昇させることが
可能である。しかも、高耐圧性能故に、ディーゼルエン
ジンやシリンダー内直接噴射式ガソリンエンジンの高圧
噴射ラインの装着可能である。

【００６３】図５は、その一例を示したものであるが、
高温熱源として、本来は捨てられている、「排気ガス
や、冷却水、潤滑油２１５」から熱を得て、エネルギー
の回収を行うと共に、高圧噴射せずとも、噴霧の微粒子
化を図り、燃焼の改善も図っている点に大きな特徴があ
る。

【００６４】次に、図６を用いて超臨界水製造装置及
び、これを用いたダイオキシン処理装置の一実施形態に
ついて説明する。

【００６５】まず、超臨界水製造装置としての実施形態
を説明する。前記各実施形態に記載のものと同様の構成
からなる熱交換装置（以下、流体加熱器３０７とい
う。）の上流に吐出圧力が３００気圧以上の高圧縮手段
（例えば、ラジアル・プランジャ・ポンプ３０６）を設
置し、このラジアル・プランジャ・ポンプ３０６によっ
て水を３００気圧以上に圧縮し、前記の流体加熱器３０
７に導くことで４００℃以上に加熱すれば、超臨界水の
生成条件とされる３７４℃以上、２１８気圧以上の超高
温高圧状態を達成することができる。

【００６６】すなわち、本実施形態によれば、流体加熱
器３０１の優れた熱交換効率によって経済的に超臨界水
を、連続的に製造できる。また、比較的簡単かつ小型の
構成が可能であり、超臨界水を連続的に製造することが
できる。

【００６７】次に、前記超臨界水製造装置を利用したダ
イオキシン処理装置の一実施形態について説明する。図
６に示すように、底部に撹拌器３０２を付設した撹拌槽
３０１には、水注入管３０３及び酸化剤注入管３０４が
取り付けられており、撹拌槽３０１内において水と酸化
剤が十分に混合される。

【００６８】分解反応を促進するための酸化剤には、過
酸化水素水などが考えられる。水と酸化剤の混合液は、
フィルター３０５を経て高圧ラジアル・プランジャ・ポ
ンプ３０６に導かれる。フィルター２０５は、ラジアル
・プランジャ・ポンプ３０６への固形物の流入を防ぐた
めに設けられる。

【００６９】水と酸化剤の混合液は、ラジアル・プラン
ジャ・ポンプ３０６によって圧送され、さらに流体加熱
器３０７によって加熱される。

【００７０】このようにして生成された高温高圧液体
は、「焼却灰３０９の充填された処理タンク３１１」へ
導かれ、処理タンク３１１内が液体により満たされた
後、調圧弁３１１により、水の臨界圧に制御される。

【００７１】この結果、処理タンク３１１内は臨界状態
に保持される。なお、流体加熱器３０７以降、調圧弁３
１１に至る流路は、断熱処理される。あるいは、処理タ
ンク３１１後の反応を促進するため、処理タンク３１１
から調圧弁３１１に至る流路において、必要に応じて、
流体加熱器３０７と同様の流体加熱器を付加して再加熱
を行う。圧力制御弁３１０により、流体加熱器３０７の
内部において臨界条件が達成された水と酸化剤の混合液
は、逆止弁３０８を経て、予め焼却灰３０９が充填され
た処理タンク３１１に流入する。なお、この逆止弁３０
８は、処理中にラジアル・プランジャ・ポンプ３０６が
停止しても、処理タンク３１１内の流体を逆流させない
ために設けられる。

【００７２】処理タンク３１１及び流体加熱器３０７
は、耐圧４００気圧以上、耐温度５００℃以上の強度を
持ち、前記の逆止弁３０８や配管３１２も含めて、全て
の構成部品は耐酸性材料（例えばステンレス鋼）で構成
される。処理タンク３１１には、焼却灰の投入口３１
３、処理済みの焼却灰の排出口３１４、圧力制御弁３１
０への行き管の接続具３１５が設けられている。圧力制
御弁３１０と処理タンクの間には、フィルタ３１６と必
要に応じて、流体加熱器３０７が設けられる。処理タン
ク３１１内において、焼却灰３０９に含まれるダイオキ
シンは、超臨界水によって短時間で完全に分解され、生
成物である水、二酸化炭素、塩化水素などの無害な物質
に高分解率で分解される。

【００７３】なお、図中には示していないが、生成物で
ある塩酸水素は中和装置によって塩化ナトリウム（塩）
に、二酸化炭素は改質装置でメタノールに二次処理され
る。また、超臨界水は有機化合物を容易に分解するが、
無機化合物は分解できないため、ダイオキシンが除去さ
れた焼却灰が残る。このダイオキシンが除去された安全
な焼却灰は、煉瓦などに焼成される。

【００７４】本実施形態によれば、流体加熱器３１０の
優れた熱交換効率によって経済的に超臨界水を製造で
き、これを利用して従来の技術に比べて経済性、処理時
間や分解率などの点で優れるダイオキシン処理装置を構
成することが可能となる。

【００７５】尚、本実施形態による超臨界水を用いたダ
イオキシン処理装置は、クローズド・システムであり、
かつ環境に対して無害な水を用いるため、二次汚染の恐
れがないという特徴がある。

【００７６】次に、図７を用いて圧力計の一実施形態に
ついて説明する。

【００７７】図７に示すように、高温流体が流れる管４
０１の管壁４０１ａに対して、当該管軸に略直交して金
属製冷却ホルダー４０２が螺旋接合される。この金属製
冷却ホルダー４０２の底部には、前記実施形態とほぼ同
様の金属製エレメント４０３が嵌合され、その上部に圧
力計４０４が極薄の耐熱ガスケット４０５ａを介して内
装されている。尚、４０４ａは圧力計の計測部である。

【００７８】圧力計４０４は、更に極薄の耐熱ガスケッ
ト４０５ａを介して、圧力計４０４の信号線４０６を導
くための穴４０７ａを有する押え具４０７によって螺旋
固定されている。この金属製冷却ホルダー４０２と金属
製エレメント４０３及び圧力計４０４は、同軸上にあっ
て冷却水を流すためのリング形状の空隙４０８ａ、４０
８ｂを構成する。

【００７９】金属製冷却ホルダー４０２の上部には、冷
却水の入り口４０９と出口４１０があり、入り口４０９
より圧力計４０４の外周部に構成される空隙４０８ａに
至る貫通孔４１１、さらに空隙４０８ａより金属製エレ
メント４０３の外周部に構成される空隙４０８ｂに至る
貫通孔４１２、さらに空隙４０８ｂより空隙４０８ａを
経て、出口４１０に至る貫通孔４１３、４１４を有す
る。

【００８０】すなわち、冷却水は入り口４０９より空隙
４０８ａに流入し、圧力計を冷却し、更に貫通孔４１２
を通って、金属製エレメント４０３を冷却し、出口４１
０より排出される。

【００８１】この実施形態では、管４０１を流れる流体
が圧力計の定格温度より遙かに高温であっても圧力計４
０４の計測部４０４ａには、水冷されている金属製エレ
メント４０３を介して測定対象の流体の圧力が作用す
る。

【００８２】この金属製エレメント４０３の熱交換効率
は極めて優れるため、当該流体の熱衝撃波が圧力計４０
４の計測部４０４ａに直接伝播することがなく、圧力計
４０４における温度ドリフトなどの計測誤差が解消さ
れ、あるいは計測不能となるなどの問題が改善される。

【００８３】次に、図８を用いて風呂沸かし器の一実施
形態について説明する。

【００８４】図８に示すように、浴槽５０１内に付設し
た金属製エレメント５０２の入り口５０２ａの上流に
は、循環ポンプ５０６（装備しなくとも機能する）が行
き管５０４を介して流体加熱器５０３の出口５０３ｂに
接続される。

【００８５】一方、前記金属製エレメント５０２の出口
５０２ｂの下流は、戻り管５０５を介して前記流体加熱
器５０３の入り口５０３ａに接続される。これらによっ
て構成される閉管路系には、熱容量の大きな熱媒体（水
やエチレングリコールなど）が封入されており、循環ポ
ンプ５０６によって強制循環させられる。

【００８６】また、浴槽内には水温検出器５０７が付設
されており、制御装置５０８によって浴槽内の水温が所
望の温度に達しているか判断する。

【００８７】制御装置５０８は、浴槽内の水温が所望の
温度に達していないと判断した場合、循環ポンプ５０６
を運転するとともに、流体加熱器５０３に内装された複
数の棒状加熱体５０９に通電する。流体加熱器５０３の
内部を通過する熱媒体は、棒状加熱体５０９によって供
給された熱エネルギーを高効率で吸熱し、高温となって
浴槽５０１内に付設した金属製エレメント５０２に流入
する。金属製エレメント５０２は低温の浴槽内の水中に
あるため、熱媒体の熱エネルギーは、金属製エレメント
５０２から浴槽内の水に移動する。

【００８８】金属製エレメント５０２には熱交換装置の
動作中に流路を流れる流体の温度と当該金属製エレメン
ト５０２の温度とがほぼ等しくなるように設定された多
数の略螺旋状の細管からなる流路が形成され、これによ
れば、棒状加熱体５０９によって供給された熱エネルギ
ーを高効率で、金属製エレメント５０２から浴槽内の水
に移動させることができる。

【００８９】制御装置５０８は、浴槽内の水温が所望の
温度に達したことを判定したら、ブザー５０８ａを鳴ら
すとともに、循環ポンプ５０６の運転を停止するととも
に、流体加熱器５０３に内装された複数の棒状加熱体５
０９への通電を遮断する。

【００９０】以上の作用によって、浴槽内の水が入浴に
適した温度まで昇温し、所望の温度で保持されるが、上
記の実施形態で明らかなように、本発明では、浴槽外に
付設した流体加熱器５０３によって高温となった熱媒体
を、循環ポンプ５０６によって浴槽内に付設した金属製
エレメント５０２に導き、間接的に浴槽内の湯を沸かす
ので湯垢の発生がなく、衛生的である。

【００９１】また、浴槽内の湯を直接、熱交換器に導く
従来の風呂沸かし器の如く、長期間の使用によって、熱
交換器の内壁に湯垢が固着し、スケールとなり伝熱性能
の経時劣化を招き、エネルギー効率が低下することもな
くなる。

【００９２】さらに、浴槽内に付設した金属製エレメン
ト５０２は極めて熱交換効率が優れることから、経済性
に優れる上、伝熱面積を増加するために複雑な形状とす
る必要がなく、平滑面のままでよいため日常的維持も極
めて簡単となる。

【００９３】以上、一実施形態に基づいて本発明を説明
したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではな
く、「加熱」を「冷却」に置き換えたり、加熱手段を電
気ヒーター以外の他の手段に置き換えるなど、本発明の
趣旨を逸脱しない範囲で変更が可能である。

【００９４】

【発明の効果】請求項１に記載の発明では、金属製エレ
メントに貫通した多数の流路断面積を極めて小さくした
細孔を設け、しかも軸方向に略螺旋状に貫通すること
で、この細孔内を流れる媒体のレイノルズ数を高め、渦
流を生ぜしめ、乱流熱伝達とすることで、従来方式に比
べて、極めて高い伝熱性能が得られる。

【００９５】さらに、細孔内壁から媒体に移動した熱エ
ネルギーは、媒体の渦流によって拡散し、媒体半径方向
にも移動するため、媒体の温度を均一化するように作用
し、必要最小限の全伝熱量によって媒体全体を均一に所
望の温度まで加熱（あるいは冷却）することが可能とな
る。

【００９６】請求項２に記載の発明では、熱交換装置の
動作中に、金属製エレメントの流路を流れる流体の温度
と当該金属製エレメントの温度とがほぼ等しくなる。

【００９７】この構成であれば、金属製エレメントの流
路を流れる流体の温度を制御する場合に、例えば金属製
エレメントの温度を検出して、この検出温度に従ってフ
ィードバック制御を実施することにより、金属製エレメ
ントの流路を流れる流体の温度を正確に制御することが
できる。

【００９８】請求項３に記載の発明では、吐出圧力が極
めて高圧な例えばラジアル・プランジャ・ポンプに、前
記請求項に掲げた極めて熱交換効率の高い流体加熱器を
接続することで、超臨界水の生成に必要な３７４℃以
上、２１８気圧以上とされる超高温高圧状態を高いエネ
ルギー効率で得ることができる。

【００９９】更に、この超臨界水の簡易製造装置を用い
れば、少ないエネルギー消費で、短時間且つほぼ完全に
ダイオキシンを分解処理することができる。

【０１００】請求項４に記載の発明では、追い炊きする
場合も、浴槽外に付設した流体加熱器によって高温とな
った熱媒体を、循環ポンプによって浴槽内に付設した金
属製エレメントに導き（基本構成は、循環ポンプを装備
しなくとも、機能する）、間接的に浴槽内の湯を沸か
す。このため、長期間の使用によって、熱交換器の内壁
に湯垢が固着し、スケールとなり伝熱性能の経時劣化を
招き、エネルギー効率が低下するといった問題が解消さ
れる。

【０１０１】しかも、金属製エレメントの熱伝達効率が
極めて優れているため、流路内径φｄの細管ｎ本の表面
積に対して、浴槽内の水との熱交換外径φＤによる表面
積の割合、「Ｄ／ｎｄ」を自由に設計できる等のため、
浴槽内のエレメント表面は円滑なので、湯垢の発生がな
い。

【０１０２】請求項５に記載の発明では、当該圧力計の
計測部と前記管路との間に前記請求項による金属製エレ
メントを介装することによって直接、高温流体の圧力波
が当該圧力計の計測部に伝播することがなくなるため、
熱衝撃による影響を受けることなく、正確な圧力計測が
可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による熱交換装置の一実施形態を示す断
面図である。

【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。

【図３】細管の拡大図である。

【図４】ａは別の実施形態を示す断面図、ｂはａのＢ−
Ｂ断面図である。

【図５】熱交換装置を自動車用エンジンに利用した噴射
燃料の微粒子化装置の一実施形態を示す構成図である。

【図６】超臨界水製造装置とこれを利用したダイオキシ
ン処理装置の一実施形態を示す構成図である。

【図７】圧力計の一実施形態を示す断面図である。

【図８】風呂沸かし器の一実施形態を示す構成図であ
る。

【符号の説明】

１０１，２０１ 金属製エレメント １０４，２０４ 加熱手段（冷却手段） １０７，２０１ａ 細管 ２１２ 高圧噴射ポンプ ２１４ 金属製エレメント ２１６ 噴射ノズル ３０７ 熱交換装置（流体加熱器） ３０６ 高圧縮手段（ラジアル・プランジャ・ポンプ） ３０７ 流体加熱器 ４０２ 金属製冷却ホルダー ４０４ 圧力計 ４０４ａ 計測部 ５０１ 浴槽 ５０２ 金属製エレメント ５０６ 循環ポンプ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流路を有する金属製エレメントと、この
   金属製エレメントの外周部に付設される加熱手段又は冷
   却手段とを備え、この加熱手段又は冷却手段によって前
   記流路を流れる流体を加熱又は冷却する熱交換装置にお
   いて、 前記金属製エレメントには前記流路を流れる流体に渦流
   れを発生させて流路内の流体の温度境界層を破壊すると
   共に渦拡散させるための多数の略螺旋状の細管からなる
   流路を形成したことを特徴とする熱交換装置。
2. 【請求項２】 流路を有する金属製エレメントと、この
   金属製エレメントの外周部に付設される加熱手段又は冷
   却手段とを備え、この加熱手段又は冷却手段によって前
   記流路を流れる流体を加熱又は冷却する熱交換装置にお
   いて、 前記金属製エレメントには熱交換装置の動作中に前記流
   路を流れる流体の温度と当該金属製エレメントの温度と
   がほぼ等しくなるように設定された多数の略螺旋状の細
   管からなる流路を形成したことを特徴とする熱交換装
   置。
3. 【請求項３】 前記金属製エレメントの流路に水を高圧
   縮する高圧縮手段を接続し、この高圧縮された水を前記
   金属製エレメントの流路に導いて、超臨界水の生成に必
   要な超高圧高温状態を得ることを特徴とする請求項１又
   は２に記載の熱交換装置を用いた装置。
4. 【請求項４】 浴槽内に付設されると共に、流路を有す
   る金属製エレメントと、この金属製エレメントの流路に
   行き管及び戻り管の閉管路で接続されると共に、浴槽外
   に付設される加熱手段とを備える風呂沸かし装置であっ
   て、 前記金属製エレメントには装置の動作中に前記流路を流
   れる流体の温度と当該金属製エレメントの温度とがほぼ
   等しくなるように設定された多数の略螺旋状の細管から
   なる流路を形成したことを特徴とする装置。
5. 【請求項５】 高温の流体が流れる管路の管壁に対し
   て、当該管路の管軸に略直交して接続され、前記流体の
   圧力を計測する圧力計装置であって、 前記圧力計の計測部と管路との間には流路を有する金属
   製エレメントを備え、この金属製エレメントには熱衝撃
   による影響を受けることなく圧力計測を可能とした多数
   の略螺旋状の細管からなる流路を形成したことを特徴と
   する装置。