WO2019016909A1 - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

噴霧された被熱交換液体に対して適切に熱交換を行うことが可能な熱交換器を提供する。 内部で熱交換を行わせる熱交換容器（３）と、熱交換容器（３）内に被熱交換液体を噴霧する噴霧ノズル（５）と、噴霧された被熱交換液体のミスト（Ｍ）に対して気体を噴射する噴射ノズル（７）と、噴射された気体の下流側に位置し被熱交換液体を排出するための排出口（９）とを備える。

Description

熱交換器

　本発明は、気化器や蒸気発生器等に供される熱交換器に関する。

　熱交換器は、温度の異なる２つの物体を接触させて一方の物体を加熱或は冷却する装置であり、気化器、蒸気発生器、食品製造や化学薬品製造、冷蔵保管といった産業用として広く使用されている。

　例えば、気化器としては、特開２０１０－２１９４２１号公報に記載のものがある。この気化器では、ヒーターにより筒状の気化室内を加熱し、この気化室内に薄膜形成用の液体を噴霧することで気化させて、排出口から気化した液体を排出するようになっている。

　しかし、従来の気化器では、噴霧された液体の一部が気化する前に加熱容器の内面に付着し、付着した液体が熱分解や重合反応をすることで堆積する。この堆積が排出口付近でも生じるため、堆積物によって排出口が狭くなるという問題がある。

　実公昭５５－８８３２号公報には、蒸発室内に伝熱管群を配置し、液体を伝熱管群に散布して蒸発させる蒸発装置が開示されている。

　かかる蒸発装置では、散布された液体の一部が伝熱管群に接触せずに通り過ぎ、十分に蒸発が行われない問題がある。

　この蒸発装置の構成は、伝熱管内を通る熱媒体の温度を制御することで、液体を加熱又は冷却する装置としても適用可能であるが、蒸発装置の場合と同様、散布された液体が伝熱管群に接触せずに通り過ぎてしまい、液体の加熱や冷却が不十分になる問題がある。

　このように、気化器、蒸発装置、液体の加熱又は冷却装置等に適用される熱交換器では、噴霧された熱交換対象の液体である被熱交換液体に対して適切に熱交換を行うことができず、これに起因して上記のような問題が生じていた。

　解決しようとする問題点は、噴霧された被熱交換液体に対して適切に熱交換を行うことができないという点である。

　本発明は、噴霧された被熱交換液体に対して適切に熱交換を行うことが可能な熱交換器を提供する。

　この熱交換器は、内部で熱交換を行わせる熱交換容器と、該熱交換容器内に被熱交換液体を噴霧する噴霧口と、前記噴霧された前記被熱交換液体に対して気体を噴射する噴射口と、前記気体の下流側に位置し前記被熱交換液体を排出するための排出口とを備える。

　本発明の熱交換器は、噴射された気体により、噴霧された被熱交換液体の滞留時間を長くすることができ、熱交換容器の内部での被熱交換液体に対する熱交換を適切に行わせることができる。

本発明の実施例１に係る熱交換器を適用した気化器を示す概略図である。 図１の気化器を示す斜視図である。 図２の気化器の斜視断面図である。 図２の気化器の斜視断面図である。 図２の気化器のボディの平面図である。 図２の気化器の噴霧ノズル周辺を示す断面図である。 図１の噴射ノズルの噴射口の噴射方向を示す概念図であり、図７（Ａ）は、熱交換容器の内面に対する角度θ１、図７（Ｂ）は、熱交換容器の径方向に対する角度θ２を示している。 本発明の実施例２に係る熱交換器を適用した気化器を示す概略図である。 図８の気化器のボトムの概略平面図である。 本発明の実施例３に係る熱交換器を適用した加熱冷却装置を示す概略図である。 図１０の加熱冷却装置を示す概略図である。 図１１の加熱冷却装置の熱交換部を示す熱交換室の断面図である。 図１１の加熱冷却装置のノズルの配置を示す熱交換室の断面図である。 図１１の加熱冷却装置のノズルと熱交換部との関係を示す概略図である。 本発明の実施例４に係る熱交換器を適用した加熱冷却装置を示す概略図である。 本発明の実施例５に係る熱交換器を適用した蒸気発生装置を有する分離システムの概略構成図である。

　噴霧された被熱交換液体に対して適切に熱交換を行うという目的を、熱交換容器内に被熱交換液体を噴霧し、噴霧された被熱交換液体に対して気体を噴射する熱交換器により実現した。

　具体的には、熱交換器は、内部で熱交換を行わせる熱交換容器と、該熱交換容器内に被熱交換液体を噴霧する噴霧口と、前記噴霧された前記被熱交換液体に対して気体を噴射する噴射口と、前記噴射された気体の下流側に位置し前記被熱交換液体を排出するための排出口とを備える。

　熱交換器は、被熱交換液体の冷却装置又は加熱装置、蒸気発生装置、気化器等として適用することが可能である。

　熱交換器を加熱装置、蒸気発生装置、気化器等に適用する場合は、熱交換容器を加熱し熱交換容器内を噴霧された被熱交換液体を加熱する加熱空間とするヒーターを備える。

　噴射口から噴射される気体は、加熱空気のスワール流であることが好ましい。

　また、熱交換器を冷却装置又は加熱装置として適用する場合には、一側が噴霧口に対向すると共に他側が噴射口に対向した網目状の伝熱管からなる熱交換部を備えてもよい。

　また、熱交換器を利用して分離システムを構築することも可能である。分離システムは、熱交換器の排出口に接続されたスチームセパレータを備える。熱交換器は、被熱交換液体の蒸気を発生させ、スチームセパレータは、熱交換器の排出口から排出された蒸気を蒸気成分と濃縮液とに分離する。

　　［気化器の構成］
　図１は、本発明の実施例１に係る熱交換器を適用した気化器の概略図、図２は、気化器の斜視図、図３は、同斜視断面図、図４は、異なる面での同斜視断面図、図５は、気化器のボディを示す平面図である。

　本実施例の熱交換器としての気化器１は、例えば半導体の製造ライン等に設けられ、被熱交換液体を気化して供給するためのものである。

　被熱交換液体は、特に限定されるものではないが、例えば、塩酸、硫酸、硝酸、クロム酸、リン酸、弗酸、酢酸、過塩素酸、臭化水素酸、弗化珪酸、ホウ酸等の腐食性を有する酸類、アンモニア、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム等のアルカリ類、及び塩素化珪素等の金属塩類等の溶液、さらには高純度水等である。

　本実施例の気化器１は、熱交換容器３と、噴霧口５ａを有する噴霧ノズル５と、噴射口７ａを有する噴射ノズル７と、排出口９とを備えている。

　熱交換容器３は、内部で後述する噴霧された被熱交換液体（ミストＭ）に対する熱交換を行わせるものである。熱交換容器３の材質は、特に限定されるものではないが、例えばステンレス等の金属、耐薬品性に優れた塩化ビニルやフッ素樹脂等となっている。この熱交換容器３は、ボディ１１、トップ部１３、及びボトム部１５からなっている。

　ボディ１１は、筒状に形成されており、周壁部１１ａで囲まれた内部に円筒形状の空間部１２を有している。空間部１２の径は、一定であるが、熱交換容器３の軸方向において変化させても良い。

　ボディ１１の周壁部１１ａ内には、軸方向にヒーター１７が周方向所定間隔毎に配置されている。ヒーター１７は、熱交換容器３を加熱し熱交換容器３内を後述する噴霧された被熱交換液体を加熱する加熱空間とするものである。

　本実施例のヒーター１７は、周壁部１１ａを軸方向に貫通する保持孔１１ｂ内に保持されている。ただし、ヒーター１７は、熱交換容器３を加熱できるものであれば、特に限定されるものではない。例えば、ヒーター１７は、ボディ１１の周囲に巻き付けるものであってもよい。

　ボディ１１の軸方向の両端は、トップ部１３及びボトム部１５によって閉止されている。

　トップ部１３は、熱交換容器３の一端部を構成するものである。トップ部１３は、ボディ１１とは別体の板状に形成されており、外周部がボディ１１に対してボルト１９により締結されて固定されている。

　具体的には、トップ部１３の外周部を貫通したボルト１９の雄ねじ部１９ａが、ボディ１１に設けられた雌ねじ部１１ｃに螺合している。ボディ１１の雌ねじ部１１ｃは、ヒーター用の保持孔１１ｂを避けた位置において、ボディ１１の周壁部１１ａの周方向複数個所に形成されている。なお、トップ部１３は、ボディ１１に対して溶接等により一体に構成することも可能である。

　トップ部１３の中央部には、噴霧ノズル５が取り付けられている。図６は、噴霧ノズル５周辺を示す断面図である。

　噴霧ノズル５は、図１及び図６のように、熱交換容器３のトップ部１３を貫通した状態で支持され、先端の噴霧口５ａを熱交換容器３の内部空間に臨ませている。

　噴霧ノズル５の本体部５ｂは、トップ部１３から外側に位置している。この本体部５ｂに被熱交換液体の液体供給管２１及びキャリアガスのガス供給管２３が接続されている。

　従って、噴霧ノズル５は、液体供給管２１から供給される被熱交換液体を、ガス供給管２３から供給される窒素等のキャリアガスによって、熱交換容器３内に噴霧する構成となっている。

　この噴霧ノズル５は、本体部５ｂが熱交換容器３外に位置しているため、全体として熱交換容器３の熱の影響を受けにくく、且つ噴霧口５ａが被熱交換液体の噴霧によって冷却される。

　このため、噴霧ノズル５は、噴霧口５ａで被熱交換液体が熱分解、熱重合されることによる詰まりが抑制されるようになっている。

　被熱交換液体の供給量は、液体供給管２１に設けられたフローコントローラ２５ａによって制御されている。同様に、キャリアガスの供給量は、ガス供給管２３に設けられたフローコントローラ２５ｂによって制御されている。

　噴霧ノズル５の噴霧中心軸Ｘは、本実施例において、熱交換容器３の軸方向に沿っており、これにより、噴霧方向は、軸方向に沿った熱交換容器３の他端へ向けた方向となっている。なお、噴霧中心軸Ｘは、熱交換容器３の軸方向に対して傾斜させることも可能である。

　噴霧ノズル５の噴霧流量及び噴霧角度は、特に限定されるものではないが、本実施例においてそれぞれ約４５度及び約１５度となっている。

　図１～図４のように、ボトム部１５は、熱交換容器３の他端部を構成するものである。このボトム部１５は、ブロック状に形成されており、外周部がボディ１１に対してボルト２７により締結されて固定されている。

　具体的には、トップ部１３と同様、ボトム部１５の外周部を貫通したボルト２７の雄ねじ部２７ａが、ボディ１１に設けられた雌ねじ部１１ｄに螺合している。ボディ１１の雌ねじ部１１ｄは、ヒーター用の保持孔１１ｂを避けた位置において、ボディ１１の周壁部１１ａの周方向複数個所に形成されている。

　ボトム部１５は、内部に凹部２９が形成されている。凹部２９は、ボディ１１の空間部１２と連通氏、空間部１２と共に熱交換容器３の内部空間を構成している。凹部２９は、第一部分２９ａ及び第二部分２９ｂとで形成されている。

　凹部２９の第一部分２９ａは、ボディ１１の空間部１２と隣接して同一の径を有する。凹部２９の第二部分２９ｂは、熱交換容器３の他端に向けて漸次径が小さくなるテーパ形状となっている。本実施例の第二部分２９ｂは、放物線状に径が小さくなっているが、直線状に径が小さくなる構成とすることも可能である。

　このボトム部１５には、噴射ノズル７及び排出口９が設けられている。

　噴射ノズル７は、噴霧ノズル５から噴霧された被熱交換液体に対して、気体を噴射するものである。気体は、本実施例において加熱空気であるが、窒素等の他の気体であっても良い。他の気体とする場合は、被熱交換液体に影響しないものであればよいため、キャリアガスと同一の気体とするのが好ましい。また、噴出させる気体は、加熱しなくても良い。

　本実施例の噴射ノズル７は、ボトム部１５を内外に貫通し、熱交換容器３外で噴射気体供給管３１に接続され、熱交換容器３内で噴射口７ａが凹部２９の第一部分２９ａの内面に対向している。

　噴射気体供給管３１は、フローコントローラ２５ｃ及び熱交換器３３が接続されており、噴射される気体をフローコントローラ２５ｃの制御下で熱交換器３３を介して加熱しつつ噴射ノズル７に供給する。供給された気体は、噴射ノズル７の噴射口７ａから噴射される。

　なお、熱交換器３３は、本願出願人がＰＣＴ／ＪＰ２０１６／００３０８０において提案した熱交換器を用いても良いが、一般的な熱交換器で十分である。

　噴射ノズル７の噴射口７ａは、当該噴射口７ａからの気体の噴射方向が、熱交換容器３の径方向に対して熱交換容器３の一端側に傾斜し且つ熱交換容器３の内面に沿って気体が流れるように指向している。

　図７は、噴射ノズル７の噴射口７ａの噴射方向を示す概念図であり、図７（Ａ）は、熱交換容器３の内面に対する寝かせ角度θ１、図７（Ｂ）は、熱交換容器３の噴霧ノズル５側への傾斜角度θ２を示している。

　なお、図７（Ａ）及び（Ｂ）は、噴射口７ａの角度を概念的に示しているものである。従って、本実施例の噴射ノズル７のように、先端が湾曲している形態では、噴射口７ａが指向している方向と熱交換容器３の径方向Ｙに対する角度をいう。

　図７のように、本実施例において、噴射口７ａの噴射方向は、寝かせ角度θ１が約４５度、傾斜角度θ２が約７５度となっている。なお、寝かせ角度θ１及び傾斜角度θ２は、被熱交換液体の流量等に応じて、適宜変更することが可能である。

　かかる噴射ノズル７の噴射口７ａから噴射された気体は、熱交換容器３の内面に沿ってらせん状に旋回しつつ、熱交換容器３の一端側へ向かうスワール流ＳＦとなる。

　スワール流ＳＦの中心軸は、熱交換容器３の軸方向に沿っており、これにより、スワール流ＳＦの噴射方向は、軸方向に沿った熱交換容器３の一端へ向けた方向となっている。従って、スワール流ＳＦの噴射方向は、被熱交換液体の噴霧方向とは真逆になっている。

　ただし、スワール流ＳＦの噴射方向及び被熱交換液体の噴霧方向は、逆向きの指向性を有していればよく、例えば、噴霧方向を軸方向に対して傾けることで両方向間の角度が鈍角となるようにしてもよい。

　かかる噴射ノズル７よりも、熱交換容器３の軸方向の他端側に排出口９が設けられている。これにより、排出口９は、スワール流ＳＦの下流側に位置している。スワール流ＳＦの下流側とは、噴霧された被熱交換液体に衝突する部分であるスワール流ＳＦの上流側よりも下流側であることを意味する。

　従って、スワール流ＳＦの下流側には、スワール流ＳＦの噴射口７ａよりも下流側である部分だけでなく、噴射口７ａよりも上流側のスワール流ＳＦの内部も含まれる。

　本実施例の排出口９は、熱交換容器３のボトム部１５の内外を貫通して軸方向に伸びる孔が熱交換容器３内に開口することで形成されている。この排出口９は、熱交換容器３の軸心部から径方向に偏倚して位置している。排出口９の外側端部には、排出管３５が取り付けられている。この排出管３５により、気化された被熱交換液体が例えば半導体製造等の次工程へと搬送される。

　　［気化器の動作］
　本実施例の気化器１は、図示しないコントローラの制御により、ヒーター１７により熱交換容器３を加熱し、熱交換容器３内を所定の温度にする。そして、フローコントローラ２５ａ，２５ｂ，２５ｃによる制御を通じ、噴霧ノズル５から被熱交換液体を噴霧すると共に噴霧された被熱交換液体に対して噴射ノズル７からスワール流ＳＦを噴射させる。

　噴霧された被熱交換液体（ミストＭ）は、熱交換容器３内の加熱空間との間で熱交換を行いつつ、スワール流ＳＦに衝突することになる。このとき、スワール流ＳＦが加熱空気であるため、被熱交換液体のミストＭとスワール流ＳＦとの間で熱交換が行われる。

　従って、被熱交換液体のミストＭは、熱交換容器３内の加熱空間との間だけでなく、スワール流ＳＦとの間でも熱交換が行われ、気化が促進される。

　また、被熱交換液体のミストＭは、スワール流ＳＦに捉えられて排出口９から遠ざかるように運ばれることになり、熱交換容器３の内面への付着が抑制されると共に熱交換容器３内での滞留時間が長くなる。

　特に、スワール流ＳＦは、熱交換容器３の内面に沿っているため、熱交換容器３の内面付近で被熱交換液体のミストＭを確実に捉えて、熱交換容器３の内面への付着を確実に抑制できる。また、スワール流ＳＦは、捉えた被熱交換液体のミストＭをらせん状に運ぶので、滞留時間を確実に長くすることができる。

　従って、本実施例では、被熱交換液体のミストＭを確実に滞留させながら気化させることができる。なお、噴射ノズル７から噴射される気体は、スワール流ＳＦでなく、直線的に噴射されるものであっても、被熱交換液体のミストＭの滞留時間を長くすることができればよい。

　しかも、上記のようにミストＭを強制的に滞留させると、噴霧された直後のミストＭの低温分子と噴射された気体によって加熱されたミストＭの高温分子との間で密度差が生じ、滞留中に高温分子から低温分子に熱を効率よく吸収させることができ、より確実に被熱交換液体のミストＭを気化させることができる。

　被熱交換液体のミストＭが熱交換容器３の内面に付着しても、スワール流ＳＦが熱交換容器３の内面から被熱交換液体をそぎ落として捉えることになる。

　従って、本実施例では、より確実に被熱交換液体を滞留させながら気化させることができる。

　気化した被熱交換液体は、体積が大幅に上昇するため、被熱交換容器３内の圧力を大幅に上昇させ、排出口９とは逆向きのスワール流ＳＦが存在していても、排出口９から排出される。

　　［実施例１の効果］
　本実施例の熱交換器が適用された気化器１は、内部で熱交換を行わせる熱交換容器３と、熱交換容器３内に被熱交換液体を噴霧する噴霧ノズル５と、噴霧された被熱交換液体のミストＭに対して気体を噴射する噴射ノズル７と、噴射された気体の下流側に位置し被熱交換液体を排出するための排出口９とを備える。

　従って、気化器１では、噴射された気体により、噴霧された被熱交換液体のミストＭの滞留時間を長くすることができ、熱交換容器３の内部での被熱交換液体に対する熱交換を適切に行わせることができ、被熱交換液体を確実に気化できる。

　しかも、本実施例では、上記のようにミストＭを強制的に滞留させると、噴霧された直後のミストＭの低温分子と噴射された気体によって加熱されたミストＭの高温分子との間で密度差が生じ、滞留中に高温分子から低温分子に熱を効率よく吸収させることができ、より確実に被熱交換液体を気化させることができる。

　このため、本実施例の気化器１では、例えば、薄膜形成用のガスを生成する場合等でも被熱交換液体が熱交換容器３の付着して排出口９を狭めるようなことがなく、長寿命化を図ることができる。また、本実施例では、噴霧ノズル５の本体部５ｂが熱交換容器３外に露出することで、全体として熱交換容器３の熱の影響を受けにくく、且つ噴霧口５ａが被熱交換液体の噴霧によって冷却されるため、噴霧口５ａの詰まりを抑制して、さらに長寿命化を図ることができる。

　さらに、本実施例では、熱交換容器３内へ至る被熱交換液体が大流量であっても、上記のように被熱交換液体のミストＭを熱交換容器３内で滞留させることによって、被熱交換液体を確実に気化できる。

　しかも、上記のように被熱交換液体のミストＭを熱交換容器３内で滞留させることによって被熱交換液体を確実に気化できるので、熱交換容器３を加熱するヒーター１７の加熱温度を低減することが可能となる。

　この結果、半導体製造装置等の金属を腐食させる被熱交換液体を気化させる装置においては、耐薬品性に優れた樹脂を用いて熱交換容器３を形成する必要があるが、そのような被熱交換液体を確実に気化させつつ、加熱温度の低減によって樹脂製の熱交換容器３の熱による損傷を抑制することができる。

　例えば、ウエハの表面処理のためのＨＭＤＳ（hexamethyldisilazane）処理においては、通常、バブリング方式を用いて被熱交換液体であるＨＭＤＳ液の気化を行っているが、気化能力が毎分５ｇ程度の流量が限界であり、流量が不安定であるという問題もある。

　これに対し、本実施例の気化器１では、熱交換容器３を樹脂製にすることでＨＭＤＳ処理に対応することができ、しかも毎分５０ｇ程度までの大流量に対応することが可能であるため、ＨＭＤＳ処理に有用である。

　また、本実施例では、上記のように被熱交換液体のミストＭを熱交換容器３内で滞留させることによって被熱交換液体を確実に気化できるので、被熱交換液体の噴霧時のキャリアガスの割合を抑えることができる。

　さらに、本実施例では、構造が簡易であるため、部品点数を大幅に削減することができる。

　また、本実施例の排出口９は、熱交換容器３の軸心部から径方向に偏倚して位置している。従って、熱交換容器３の内面に噴霧された被熱交換液体が付着して流下するような場合でも、排出口９に至る被熱交換液体を少なくすることができ、長寿命化に寄与することができる。

　気化した被熱交換液体は、体積が大幅に上昇するため、被熱交換容器３内の圧力を大幅に上昇させ、噴霧された被熱交換液体を排出口９から離反させるように気体が噴射されても、排出口９から確実に排出できる。

　本実施例において、噴射ノズル７から噴射される気体は、スワール流ＳＦであるため、熱交換容器３の内面付近で被熱交換液体のミストＭを確実に捉えて、熱交換容器３の内面への付着を確実に抑制でき、且つ捉えた被熱交換液体のミストＭをらせん状に運ぶので、滞留時間を確実に長くすることができる。

　従って、本実施例では、熱交換容器３の内部での被熱交換液体に対する熱交換を、より適切に行わせることができる。

　本実施例では、噴射ノズルから噴射されるスワール流ＳＦが加熱された空気であるので、被熱交換液体のミストＭとスワール流ＳＦとの間でも熱交換を行うことで、被熱交換液体の気化が促進できる。

　図８は、本発明の実施例２に係る熱交換器を適用した気化器を示す概略図、図９は、図８の気化器の熱交換容器のボトム部を示す平面図である。実施例２は、実施例１と対応する構成部分に同符号又は同符号にＡを付した符号を用いて重複した説明を省略する。

　本実施例の気化器１Ａは、実施例１に対し、熱交換容器３Ａのボトム部１５Ａの凹部２９Ａの形状を変更したものである。

　凹部２９Ａは、内面が全体として放物線状に形成されており、ボディ１１Ａの内面の一部も凹部２９Ａの内面に連続する放物線状に形成されている。

　これらボディ１１Ａ及びボトム部１５Ａの凹部２９Ａの内面、つまり熱交換容器３Ａの内面が取り外し可能に取り付けられた樹脂製のライナー３６によって被覆されている。

　ライナー３６は、耐薬品性に優れた塩化ビニルやフッ素樹脂等からなる筒状体であり、本実施例において金属製の熱交換容器３Ａのボディ１１Ａ及びボトム１５Ａの凹部２９Ａの内面に嵌合している。

　ライナー３６は、熱交換容器３Ａを被熱交換液体から保護すると共に被熱交換液体が付着して化合物が堆積した場合に交換できるようになっている。なお、ライナー３６は、実施例１のように省略しても良いし、他の実施例に適用することも可能である。本実施例において、ライナー３６を省略する場合は、熱交換容器３Ａは、被熱交換液体の種類に応じて樹脂又は金属によって形成すればよい。

　噴射ノズル７Ａは、周方向において凹部２９Ａの内面に沿っていると共に熱交換容器３Ａの径方向に対して熱交換容器３Ａの一端側に向けて傾斜している。

　これにより、本実施例では、噴射ノズル７Ａの噴射口７Ａａから噴出された空気が、凹部２９Ａの内面に沿ってらせん状に拡がってスワール流ＳＦを容易に発生させることができる。

　また、本実施例の気化器１Ａでは、ライナー３６によって熱交換容器３Ａの内面を取り外し可能に被覆することにより、金属によって熱交換容器３Ａを構成しても、被熱交換液体が金属を腐食させる液体である場合にも適用可能であり、且つ長寿命化を図ることも可能となる。

　その他、本実施例でも、実施例１と同様の作用効果を奏することができる。

　図１０は、本発明の実施例３に係る熱交換器を適用した加熱冷却装置の概略図、図１１は、図１０の加熱冷却装置を部分的に示す拡大図である。実施例３は、実施例１と対応する構成部分に同符号又は同符号にＢを付した符号を用いて重複した説明を省略する。

　本実施例の熱交換器としての加熱冷却装置１Ｂは、被熱交換液体の温度制御に用いられ、被熱交換液体を所望の温度まで加熱又は冷却するものである。この加熱冷却装置１Ｂは、熱交換容器３Ｂと、噴霧ノズル５Ｂと、噴射ノズル７Ｂと、排出口９Ｂとを備えている。

　本実施例の熱交換容器３Ｂは、箱状に形成されており、一端に噴霧ノズル５Ｂが設けられ、他端に加熱又は冷却後の被熱交換液体を溜める貯留部３７が区画されている。貯留部３７には、排出口９Ｂが設けられている。

　熱交換容器３Ｂには、噴霧ノズル５Ｂに対向して熱交換部３９が設けられている。

　図１２は、図１１の加熱冷却装置１Ｂの熱交換部３９を示す熱交換容器３Ｂの断面図である。

　熱交換部３９は、図１１及び図１２のように、網目状に配置した伝熱管３９ａを複数層に配置し、各層の伝熱管３９ａを相互に接続したものである。熱交換部３９の伝熱管３９ａは、熱交換容器３Ｂ外に引き出されてヒートポンプ４１に接続されている。ヒートポンプ４１は、熱媒体を伝熱管３９ａを介して熱交換部３９へ送るものである。

　この熱交換部３９と貯留部３７との間には、熱交換容器３Ｂに噴射ノズル７Ｂが設けられている。

　図１３は、図１１の加熱冷却装置１の噴射ノズル７Ｂの配置を示す熱交換容器３Ｂの断面図である。

　噴射ノズル７Ｂは、図１１及び図１３のように、熱交換容器３Ｂの周方向に複数設けられている。本実施例では、熱交換容器３Ｂが内外周を断面矩形に形成された筒状に形成されており、熱交換容器３Ｂの各辺に２つの噴射ノズル７Ｂが配置されている。各噴射ノズル７Ｂは、熱交換部３９に向けて斜めに配置されている。

　図１４は、図１１の加熱冷却装置１の噴霧ノズル及び熱交換部を示す概略図である。

　本実施例の加熱冷却装置１では、図１４のように、噴霧ノズル５Ｂから被熱交換液体が噴霧されると、被熱交換液体のミストＭが熱交換部３９に至る。熱交換部３９では、被熱交換液体のミストＭと伝熱管３９ａとの間で熱交換が行われ、被熱交換液体の加熱又は冷却が行われる。

　このとき、噴射ノズル７Ｂからの気体が被熱交換液体のミストＭに衝突し、被熱交換液体のミストＭが噴射された気体に捉えられ、熱交換容器３内での滞留時間が長くなる。

　特に、本実施例では、熱交換部３９が網目状の伝熱管３９ａで構成されているため、熱交換部３９内に乱流が生じて、熱交換部３９内に被熱交換液体のミストＭが滞留しつつ熱交換部３９の伝熱管３９ａとの間で熱交換が行われる。

　さらに、滞留中に噴霧された直後の熱交換前のミストＭが熱交換後のミストＭと接触することにより、両ミストＭの分子間の密度差によって熱交換をより確実に行わせることができる。

　従って、本実施例では、被熱交換液体のミストＭを確実に滞留させながら加熱又は冷却することができる。

　熱交換部３９によって加熱又は冷却された被熱交換液体は、熱交換部３９から流下して貯留部３７に溜められる。溜められた加熱又は冷却後の被熱交換液体は、排出口９から排出される。

　本実施例の熱交換器が適用された加熱冷却装置１は、内部で熱交換を行わせる熱交換容器３Ｂと、熱交換容器３Ｂ内に被熱交換液体を噴霧する噴霧ノズル５Ｂと、噴霧された被熱交換液体に対して気体を噴射する噴射ノズル７Ｂと、噴射された気体の下流側に位置し被熱交換液体を排出するための排出口９Ｂとを備える。

　従って、加熱冷却装置１Ｂでは、噴射された気体により、噴霧された被熱交換液体の滞留時間を長くすることができ、熱交換容器３の内部での被熱交換液体に対する熱交換を適切に行わせることができ、被熱交換液体を確実に加熱又は冷却できる。

　本実施例では、熱交換部３９が網目状の伝熱管３９ａであり、熱交換部３９に一側から対向する噴霧ノズル５Ｂより被熱交換液体が噴霧され、他側から対向する噴射ノズル７Ｂより気体が噴き付けられるので、熱交換部３９で乱流を生じさせて被熱交換液体のミストＭを滞留させ、より適切に熱交換を行わせることができる。

　図１５は、本発明の実施例４に係る熱交換器を適用した加熱冷却装置を示す概略図である。実施例４は、実施例３と対応する構成部分に同符号又は同符号にＣを付した符号を用いて重複した説明を省略する。

　本実施例の熱交換器としての加熱冷却装置１Ｃは、実施例３の加熱冷却装置１Ｃから熱交換部３９を省略し、噴射ノズル７Ｃから冷風又は熱風を噴射することによって被熱交換液体を所望の温度まで冷却又は加熱するものである。

　すなわち、本実施例の噴射ノズル７Ｃは、気体を供給するための供給路３８中に気体を冷却又は加熱するための熱交換部４０が設けられている。熱交換部４０は、ヒートポンプ４２に接続され、ヒートポンプ４２からの熱媒体により供給路３８中の気体を冷却又は加熱する。

　かかる加熱冷却装置１Ｃでは、噴霧ノズル５Ｃから被熱交換液体が噴霧されると、被熱交換液体のミストＭに対して噴射ノズル７Ｃから気体が噴射される。噴射された気体は、熱交換部４０によって冷却又は加熱されているため、ミストＭに衝突して熱交換を行う。これにより、ミストＭを加熱又は冷却することができる。

　また、気体が被熱交換液体のミストＭに衝突することで、被熱交換液体のミストＭが噴射された気体に捉えられ、熱交換容器３内で滞留する。

　この滞留時には、噴霧された直後のミストＭと噴射された気体によって冷却又は加熱されたミストＭとの高温分子及び低温分子間で密度差が生じる。

　かかる密度差によって、高温分子から低温分子に熱を効率よく吸収させることができ、確実に被熱交換液体のミストＭを加熱又は冷却することができる。

　従って、加熱冷却装置１Ｃでは、噴射された気体により、噴霧された被熱交換液体を冷却又は加熱しつつ強制的に滞留させ、且つ滞留中に冷却又は加熱前後の被熱交換液体を接触させて、被熱交換液体を確実に冷却又は加熱できる。

　その他、本実施例では、実施例３と同様の作用効果を奏することができる。

　図１６は、本発明の実施例５に係る熱交換器を適用した蒸気発生装置を有する分離システムの概略図である。実施例５は、実施例１と対応する構成部分に同符号又は同符号にＤを付した符号を用いて重複した説明を省略する。

　本実施例の分離システム４３は、実施例１の気化器１と同一構成の熱交換器である第一及び第二の蒸気発生装置１Ｄａ及び１Ｄｂを利用したものである。なお、蒸気発生装置１Ｄａ及び１Ｄｂは、ヒーター１７の温度が実施例１の気化器１よりも低く設定されており、熱交換容器３内に噴霧された被熱交換液体が気化せずに蒸気となるものである。

　分離システム４３は、第一の蒸気発生装置１Ｄａの上流側で液体供給管２１Ｄに分離対象となる被熱交換液体の貯留槽４５が接続されている。第一の蒸気発生装置１Ｄａの下流側には、排出管３５Ｄに第一のスチームセパレータ４７ａが接続されている。

　第一のスチームセパレータ４７ａは、例えば、比重の違いにより、蒸気成分と濃縮液とを分離するものである。この第一のスチームセパレータ４７ａの蒸気取出管４９は、第一の蒸気発生装置１Ｄａの熱交換容器３Ｄの外周にコイル状に巻き付けられている。これにより、蒸気を利用して熱交換容器３Ｄを補助的に加熱する構成になっている。

　第一のスチームセパレータ４７ａの液取出管５１は、第二の蒸気発生装置１Ｄｂの上流側で液体供給管として機能する。第二の蒸気発生装置１Ｄｂは、第一の蒸気発生装置１Ｄａよりも容量が小さい。この第二の蒸気発生装置１Ｄｂの下流側には、排出管３５Ｄに第二のスチームセパレータ４７ｂが接続されている。

　第二の蒸気発生装置１Ｄｂの熱交換容器３Ｄの外周には、第一の蒸気発生装置１Ｄａの熱交換容器３Ｄを経た第一のスチームセパレータ４７ａの蒸気取出管４９がコイル状に巻き付けられている。従って、第二の蒸気発生装置１Ｄｂでも、蒸気を利用して補助的に加熱が行われる構成になっている。

　第二のスチームセパレータ４７ｂは、第一のスチームセパレータ４７ａと同一構成であり、且つ第一のスチームセパレータ４７ａよりも容量が小さい。この第二のスチームセパレータ４７ｂは、蒸気取出管４９が排出先等に接続され、液取出管５１が濃縮液の貯留槽５３に至っている。

　かかる分離システム４３では、例えば被熱交換液体としての重金属汚染溶液を第一の蒸気発生装置１Ｄａに供給すると、実施例１の気化と同様の処理により重金属汚染溶液の蒸気が発生する。

　発生した蒸気は、第一の蒸気発生装置１Ｄａの排出管３５を介して第一のスチームセパレータ４７ａに送られる。第一のスチームセパレータ４７ａでは、比重の違いから蒸気と濃縮液とを分離する。

　分離された蒸気は、第一のスチームセパレータ４７ａの蒸気取出管４９から取り出されて第一の蒸気発生装置１Ｄａの熱交換容器３Ｄ及び第二の蒸気発生装置１Ｄｂの熱交換容器３Ｄの加熱に用いられた後、排出先に送られる。

　一方、分離された濃縮液は、液取出管５１から第二の蒸気発生装置１Ｄｂに送られ、第一の蒸気発生装置１Ｄａと同様にして濃縮液に対する蒸気を発生させる。

　発生した蒸気は、排出管３５Ｄを介して第二のスチームセパレータ４７ｂに送られ、第二のスチームセパレータ４７ｂで比重の違いから蒸気と濃縮液とに分離される。

　分離された蒸気は、第二のスチームセパレータ４７ｂの蒸気取出管４９から取り出された排出先へ排出され、分離された濃縮液は、貯留槽５３に送られる。

　このように、本実施例では、重金属汚染溶液等を分離により浄化することができる。なお、被熱交換液体として重金属汚染溶液の場合について説明したが、これに限定されるものではなく、分離や浄化が要求される溶液であれば被熱交換液体とすることが可能である。

　例えば、放射能汚染水も、分離システム４３の被熱交換液体とすることで、放射性物質（濃縮液）と浄化された水（蒸気）とを分離することが可能である。

　また、本実施例の分離システム４３は、濃縮装置としても用いることができる。例えば、被熱交換液体として薬剤などのエキスや溶液とすることにより、薬剤等の濃縮が可能である。

１，１Ａ　気化器（熱交換器）
１Ｂ　加熱冷却装置（熱交換器）
１Ｄａ，１Ｄｂ　蒸気発生装置
３，３Ａ，３Ｂ，３Ｄ　熱交換容器
５ａ，５Ａａ　噴霧口
７ａ，７Ａａ　噴射口
９，９Ｂ　排出口
１１，１１Ａ　ボディ
１７　ヒーター
３９　熱交換部
３９ａ　伝熱管
４３　分離システム
４７ａ，４７ｂ　スチームセパレータ
 

Claims (7)

1. 　内部で熱交換を行わせる熱交換容器と、
   　該熱交換容器内に被熱交換液体を噴霧する噴霧口と、
   　前記噴霧された前記被熱交換液体に対して気体を噴射する噴射口と、
   　前記噴射された気体の下流側に位置し前記被熱交換液体を排出するための排出口と、
   　を備えたことを特徴とする熱交換器。
2. 　請求項１記載の熱交換器であって、
   　前記熱交換容器を加熱し前記熱交換容器内を前記噴霧された前記被熱交換液体を加熱する加熱空間とするヒーターを備えた、
   　ことを特徴とする熱交換器。
3. 　請求項２記載の熱交換器であって、
   　前記噴射口から噴射される前記気体は、スワール流である、
   　ことを特徴とする熱交換器。
4. 　請求項２又は３記載の熱交換器であって、
   　前記噴射口から噴射される前記気体は、加熱された空気である、
   　ことを特徴とする熱交換器。
5. 　請求項１～４の何れか一項に記載の熱交換器であって、
   　前記熱交換容器は、金属製であり、
   　前記熱交換容器の内面は、取り外し可能に取り付けられた樹脂製のライナーによって被覆された、
   　ことを特徴とする熱交換器。
6. 　請求項１記載の熱交換器であって、
   　一側が前記噴霧口に対向すると共に他側が前記噴射口に対向した網目状の伝熱管からなる熱交換部を備えた、
   　ことを特徴とする熱交換器。
7. 　請求項１～４の何れか一項に記載の熱交換器を備えた分離システムであって、
   　前記熱交換器の排出口に接続されたスチームセパレータを備え、
   　前記熱交換器は、前記被熱交換液体の蒸気を発生させ、
   　前記スチームセパレータは、前記熱交換器の排出口から排出された蒸気を蒸気成分と濃縮液とに分離する、
   　ことを特徴とする分離システム。
    

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