WO2021144912A1

WO2021144912A1 - 熱交換器

Info

Publication number: WO2021144912A1
Application number: PCT/JP2020/001246
Authority: WO
Inventors: 磯弘杉浦; 丸本　義幸; 嘉郭
Original assignee: カグラベーパーテック株式会社
Priority date: 2020-01-16
Filing date: 2020-01-16
Publication date: 2021-07-22
Also published as: CN113412390A

Abstract

小型でありながら高い気化効率が得られる熱交換器を提供する。　直柱体状をなす金属製の本体ブロックの中央に、カートリッジヒータを垂直方向に収容した加熱部を設けると共に、該加熱部の周囲に液状の液化ガスを導入して前記カートリッジヒータからの熱伝導により気化する熱交換流路を設けた熱交換器であって、前記熱交換流路は、前記本体ブロックの上面または下面から前記カートリッジヒータと平行して前記加熱部の周囲に環列状をなすように穿設した複数の垂直孔と、前記本体ブロックの側面から隣合う前記垂直孔の上部同士と下部同士を交互に連通するように穿設した複数の水平孔と、前記本体ブロックの表面に開口する前記垂直孔及び水平孔の開口部を閉塞するプラグとによって、前記加熱部を取り囲む１本の矩形波状に構成した。

Description

熱交換器

　この発明は、ＬＰＧやＬＮＧなどの液化ガスを気化するのに適した小型の熱交換器に関するものである。

　従来から液化ガスを気化する熱交換器として工業用や業務用などで利用する小型の熱交換器は知られている。この種の熱交換器は、例えば特許文献１に開示されているように、コイル状に巻き回した管を円筒状の本体内に鋳込み、その中央部にヒータを挿通するための孔が設けられている。そして、ヒータによって本体を加熱し、管内をＬＰＧなどの液化ガスを通過させることによって気化させ、ＬＰＧガスを得るものである。

　しかしながら、上記熱交換器は、液化ガスの流路である管を金属で鋳込むため、長期の稼働によって管が老朽化したり、管の内壁がなんらかの理由によって傷ついた場合にはこれを修理することが困難である。しかも、管は金属によって鋳込まれているために、外部から目視によって点検することは事実上不可能であった。したがって、当該熱交換器の場合は、気化効率が急激に低下したり、管が老朽化したときは、装置全体を交換する必要があった。

　一方、特許文献２には、一体成形の鍛造材から成る四角柱形状の本体に、当該本体の長手方向に沿って平行に延伸させた縦横数列の複数の伝熱孔を穿設し、加熱流体の伝熱孔と被加熱流体の伝熱孔とを互いに隣接させて一列おきに交互に配置させ、本体の長手方向の側面の一端に加熱流体の流入孔を備えると共にその他端に被加熱流体の流入孔を備え、その対向側面の一端には加熱流体の流入孔に対向させて被加熱流体の流出孔を設けると共にその他端には被加熱流体の流入孔に対向させて加熱流体の流出孔を設けたユニット型熱交換器が開示されている。

　この熱交換によれば、一体成形の鍛造材から成る四角柱形状の本体に縦横数列の伝熱孔を穿設し、加熱流体の伝熱孔と被加熱流体の伝熱孔とを互いに隣接させて一列おきに交互に配置させてあるため、その構造が簡単であると共に、低廉且つ容易に製造でき、保守点検が容易であるとされる。

特開昭６１－２４８９８号公報特開平４－２７０８９４号公報

　しかしながら、特許文献２に開示の熱交換器は、被加熱流体との熱交換用の熱源として加熱流体を用いるものであるため、そもそも加熱流体を生成するための熱源を別途必要とする。つまり、被加熱流体が例えば液化ガスであり、加熱流体が例えば温水である場合、温水の熱源として給湯器などの燃焼装置が必要となる。さらに、加熱流体は被加熱流体との熱交換によって次第に温度が下がっていくため、そのままでは被加熱流体たる液化ガスを気化するための温度を保つことができない。したがって、熱交換によって温度が下がった被加熱流体を上述した燃焼装置にて再加熱することになるが、そのためには熱交換器と燃焼装置の間に被加熱流体を循環させるためのポンプが必要となり、全体として大掛かりなシステムとなる。

　また、当該熱交換器は、加熱流体と被加熱流体の伝熱孔を一列おきに交互に設けた構成であるため、加熱流体の伝熱孔の本数と被加熱流体のそれは同じとなる。つまり、本体に穿設される伝熱孔の総本数は被加熱流体の伝熱孔の２倍に達するが、一つの本体に穿設できる伝熱孔の本数は限られるから、気化効率の向上のために伝熱孔の本数を増やすとすれば本体の大きさ、引いては装置全体が大型化することになる。

　本発明は上述した課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、小型でありながら高い気化効率が得られる熱交換器を提供することにある。

　上述した目的を達成するために本発明では、直柱体状をなす金属製の本体ブロックの中央に、カートリッジヒータを垂直方向に収容した加熱部を設けると共に、該加熱部の周囲に液状の液化ガスを導入して前記カートリッジヒータからの熱伝導により気化する熱交換流路を設けた熱交換器であって、前記熱交換流路は、前記本体ブロックの上面または下面から前記カートリッジヒータと平行して前記加熱部の周囲に環列状をなすように穿設した複数の垂直孔と、前記本体ブロックの側面から隣合う前記垂直孔の上部同士と下部同士を交互に連通するように穿設した複数の水平孔と、前記本体ブロックの表面に開口する前記垂直孔及び水平孔の開口部を閉塞するプラグとによって、前記加熱部を取り囲む１本の矩形波状に構成するという手段を用いた。

　上記手段において、本体ブロックは、比較的安価で、成形性と熱伝導性が良好なアルミニウムを使用することが好ましい。ただし、これよりも高価な銅など、他の金属を使用することも可能である。また、形状は直柱体状であり、直方体や立方体などの四角柱が代表的であるが、三角柱や断面多角形のものも該当し、また、側面が曲面となる円柱は、側面が平面で構成される角柱よりもプラグの取り付けにやや難があるが、本体ブロックを円柱としたものも排除しない。カートリッジヒータは、ニクロム線を金属シースで被覆した棒状のヒータであり、本体ブロックに穿設した挿入孔に精度高く挿入することができ、温度管理や制御が比較的容易であり、しかも、メンテナンスが容易であるため、本発明の熱源として採用する。本発明では、このカートリッジヒータに液化ガスが直に接触することがないため、防爆性にも優れる。

　そして、本発明では、加熱部（カートリッジヒータ）によって本体ブロックを加熱し、その周囲の熱交換流路に熱を伝えて液化ガスを気化させる際、カートリッジヒータの挿入孔にて若干の熱抵抗が生じるが、その他の部分は熱伝導性が良好な金属製の本体ブロックであるため、全体として熱抵抗が小さく、温度ドロップが抑制されて、熱交換流路に対する伝熱効率が良好である。また、熱交換流路の大部分が垂直孔で構成されており、この垂直孔はカートリッジヒータと平行するため、熱の伝わりに無駄がない。さらに、垂直孔の上部と下部は、水平孔によって９０度に折曲した構造となっており、この部分で液化ガスの流れに乱れが生じ、攪拌効果によって伝熱が促進されるという利点もある。なお、水平孔は厳密に水平でなくてもよく、垂直孔との角度も上述した９０度に限定せず、これよりも大きな角度となることは差し支えない。

　加熱部は、１本のカートリッジヒータで構成することも可能であるが、複数のカートリッジヒータを使用する場合の選択的手段として、複数のカートリッジヒータそれぞれを本体ブロックの中心線から等距離に収容してなると共に、熱交換流路は、複数の垂直孔それぞれを最も近接する前記カートリッジヒータから等距離に穿設することもある。この手段では、カートリッジヒータの本数だけ本体ブロックの加熱量が高まり、また、各カートリッジヒータから本体ブロックへの伝熱に温度ムラがなく、各垂直孔を均等に加熱することができるため、気化効率が上昇する。なお、「等距離」とは、穿設時に生じる誤差を全く許さない厳密なものではなく、設計思想として存在することで足りるものである。また、複数のカートリッジヒータを使用する場合の別構成として、全部の垂直孔を上述のように近接するカートリッジヒータから等距離に配列するのではなく、熱交換流路の上流側と下流側で距離を変え、上流側の垂直孔を下流側よりもカートリッジヒータに近づけるように配列することで、上流側での気化効率を上げるという手段も本発明は含む。

　熱交換流路における垂直孔の本数は、本体ブロックの形状や大きさ、カートリッジヒータの本数等によって適宜変更することができ、一列当たりの垂直孔の数が３本以内であれば、水平孔は、隣合う垂直孔の上部同士及び下部同士を液化ガスの流れと同方向に穿設した一態様で済む。しかし、熱交換流路の全体長をより長くして、気化量等を増加させるために、一列当たりの垂直孔の数を４本以上とした場合、左右両側の２本を除いた中間の垂直孔については、上記態様の水平孔であると左右両側の垂直孔と干渉してしまう。つまり、水平孔は、常に本体ブロックの側面から穿設するから、ある一列について垂直孔が例えばＡＢＣの順で３本平行している場合、水平孔は、液化ガスの流れと同方向に穿設することで、ＡとＢの上部同士、ＢとＣの下部同士を連通することができる。これに対して、ある一列の垂直孔がＡＢＣＤの順で４本平行している場合、ＡとＢ、ＣとＤについては、上記と同じように、液化ガスの流れと同方向の水平孔によって上部同士・下部同士を連通させることができるが、中間に位置するＢとＣの２本についても、液化ガスの流れと同方向に水平孔を穿設した場合、器内に使用を予定しない余分な開口が生じ、これを水平孔の穿設後にプラグ等で閉塞する手間が生ずる。そこで、本発明では、一列当たりの垂直孔の数が４本以上のとき、水平孔は、左右両側の垂直孔と、これに隣接する中間の垂直孔とを連通する場合は、上記態様と同様に、前記液化ガスの流れと同方向に穿設する一方、前記中間の垂直孔同士を連通する場合は、前記液化ガスの流れと垂直方向に穿設するという手段を選択的に用いる。当該手段によれば、後者態様の水平孔を備えることで、垂直孔の本数を増加した場合にも対応できるという拡張性をもたらす。なお、左右両側の垂直孔と、これと隣合う中間の垂直孔とを連通する前者態様の水平孔は、その径を垂直孔の径と合致させることができる一方、中間の垂直孔同士を連通させる後者態様の水平孔は、その径を隣合う２本の垂直孔の離間距離よりも大きくし、さらに両垂直孔にオーバーラップして穿設することになる。また、一列当たりの垂直孔の数が３本以内であっても、水平孔全部を液化ガスの流れと垂直方向に穿設してもよく、さらに、一列当たりの垂直孔の数が４本以上であっても、水平孔全部を液化ガスの流れと同方向に穿設することも本発明に含むものである。

　垂直孔は、本発明では本体ブロックを上下貫通して穿設することを含むが、この場合、１本の垂直孔につき、本体ブロックの上面と下面の２箇所に開口部が形成され、これを閉塞するプラグも２つ必要となる。そこで本発明では、本体ブロックの上面または下面の一方から穿設して、これに対向する反対面までは貫通しない態様とするという手段を用いる。これによって、垂直孔１本当たりの開口部の数は１つとなり、プラグの必要数を減らすことができる。

　一方、カートリッジヒータの挿入孔については、本体ブロックへの伝熱性の面では、カートリッジヒータをより密に挿入孔に挿入することが好ましく、具体的にはカートリッジヒータと挿入孔とのすき間をなくすように、カートリッジヒータに熱伝導グリスを塗布してから挿入孔に挿入することが好ましい。しかし、挿入孔の態様として、一端が閉塞した非貫通の挿入孔の場合、熱伝導グリスを塗布したカートリッジヒータを挿入する際の空気抜き穴がないため、空気バネが生じて、カートリッジヒータを最後まで挿入孔に挿入することが難しくなる。そこで本発明では、挿入孔を本体ブロックに上下貫通して設けるという手段を選択的に用いる。この手段では、一方の開口からカートリッジヒータを挿入したとき、反対面の開口が空気抜き穴として機能するため、一方が閉塞した非貫通の挿入孔と比べて、カートリッジヒータをスムーズに挿入することができる。

　また、熱交換流路に対して液化ガスの入口と出口を設ける際、液状の液化ガスを導入する入口を本体ブロックの下面側に設ける一方、気化した液化ガスを排出する出口を前記本体ブロックの上面側に設けることが好ましい。比重が小さい気化後の液化ガスは自然と上昇するので、圧送手段を用いずに気化後の液化ガスを本器の外部に排出することができるからである。なお、この選択的手段は、本器を直立に立てて設置することを前提とした好適例であるが、液状の液化ガスの入口を本体ブロックの上面側に設けるなど、当該入口や液化ガスの出口の位置は任意とすることができる。

　他方、プラグは、垂直孔及び水平孔の開口部にねじ込んで閉塞するねじ込みプラグであることが好ましい。前記開口部を確実にシールすることができ、Ｏリングやパッキンのようにシール部分を定期的に分解や交換するという手間が省けるからである。また、熱交換流路の内面を洗浄等する際に、プラグの取り外しが容易だからである。

　本発明によれば、熱源としてカートリッジヒータを採用し、これを直柱体状の金属製本体ブロックの中央に挿入して加熱部を構成し、当該加熱部を取り囲むように１本の矩形波状の熱交換流路を構成したので、加熱流体を熱源とした従来の熱交換器よりも、小型でありながら、気化効率の高い熱交換器を提供することができた。

本発明の一実施形態に係る熱交換器の斜視図同、（ａ）正面図、（ｂ）背面図、（ｃ）平面図、（ｄ）底面図、（ｅ）左側面図、（ｆ）右側面図同、図２（ｂ）のＡ－Ａ線断面図同、図２（ｂ）のＢ－Ｂ線断面図同、図２（ｃ）のＣ－Ｃ線断面図同、カートリッジヒータの挿入孔等を削除し、本体ブロックを前後分断して液化ガスの流れを示す説明図

　以下、本発明の好ましい実施の形態を添付した図面に従って説明する。図１は本発明の一実施形態に係る熱交換器を示す斜視図、図２はその基本六面図であって、直柱体状の本体ブロック１に対して、その中央に熱源であるカートリッジヒータ（図示せず）のヒータ挿入孔２を４本穿設して加熱部３を構成する一方、該加熱部３の周囲に１１本の垂直孔４を前記ヒータ挿入孔２と平行して穿設すると共に、隣合う前記垂直孔４の上部同士と下部同士を交互に水平孔５・６により連通し、さらに本体ブロック１の表面に開口する垂直孔４と水平孔５・６の開口部をプラグ７・８で閉塞することで、最終的には前記加熱部３を取り囲んで全ての垂直孔４と水平孔５・６が連通した１本の矩形波状の熱交換流路を構成している。

　各部の詳細について説明すると、まず、本体ブロック１は、熱伝導性が良好で、成形も比較的容易なアルミニウムを素材として、その無垢材等を直柱体状に成形している。この実施形態では、横断面が正方形な縦長な直方体（角柱）を採用している。具体的寸法は、一例として横断面を１０５ｍｍ角とし、高さを２５７ｍｍとしている。なお、１ａは設置に際してボルト止め等をするために本体ブロック１の下面側に連設した台座部である。

　このような本体ブロック１の中央には４本のヒータ挿入孔２が穿設されているが、本実施形態では、図５に示すように、各ヒータ挿入孔２を本体ブロック１の中心線ＣＬから等距離の位置に、等間隔で配列している。これによって加熱部３周囲の温度分布を均一にすることができる。また、各ヒータ挿入孔２は、本体ブロック１の上下を貫通するように穿設している。これは、ヒータ挿入孔２にカートリッジヒータをグリス等を使って圧入する際、挿入側と反対側の開口が圧抜き口となって、カートリッジヒータをスムーズに圧入することができるからである。なお、カートリッジヒータの挿入後は、ヒータ挿入孔２の片方の開口はリード線の引き出し口とする一方、もう片方の開口はねじ込みプラグ等によって閉塞する。本実施形態では、本体ブロック１の下面（底面）側を開口したままとし、上面（天面）側の開口は閉塞している。

　そして、上述したヒータ挿入孔２に挿入した４本のカートリッジヒータを一組として加熱部３を構成し、その周囲には、熱交換流路の主たる構成要素である垂直孔４を穿設している。この垂直孔４は、ヒータ挿入孔２と平行して垂直方向に穿設されるもので、本実施形態では、図３・４に示すように、最も近接するヒータ挿入孔２との離間距離が等距離となるように、合計１１本の垂直孔４を加熱部３を取り囲む環列状に配置している。なお、この場合の等距離は、穿設時に誤差を全く許さない厳密なものではなく、設計思想として存在することで足りるものである。

　また、垂直孔４を穿設する際、本体ブロック１を上下貫通させてもよいが、そうすると、垂直孔４の上下が開口部となるため、その両方を閉塞するためには、１本の垂直孔３につき、常に２つのプラグ７が必要となる。そこで、本実施形態では、図５に示すように、垂直孔４を本体ブロック１の上面から穿設して、反対側の下面を貫通しない非貫通孔としている。これによって、開口部が１箇所となり、プラグ７の必要数を半減することができる。また、上下に完全に貫通させる場合よりも切削屑の量も減らすことができる。なお、開口部を閉塞するプラグ７には、ねじ込みプラグを採用することが、シール性やメンテナンス性の面で有利であるが、これに限定するものではない。

　上述した要領で構成した１１本の垂直孔４を水平孔５・６により隣合う垂直孔の上部と下部を交互に連通させ、最終的には、図６に示すような、全体として上部と下部が交互に折れ曲がった矩形波状の熱交換流路を構成するのであるが、本実施形態では、垂直孔４の位置によって二つの態様の水平孔５・６を使い分けている。即ち、本実施形態の場合、環列状をなす１１本の垂直孔４は、一列当たりの垂直孔４の本数が４本以上となる列が存在し、その穿設位置から大別すると、図２（ｃ）に示すように、本体ブロック１の対角線上に位置する合計３本の垂直孔４ａと、それ以外の中間の垂直孔４ｂとに分けられる。なお、より一般的には、垂直孔４ａは、本体ブロック１の各側面において本体ブロック１の角部に近接する左右両側に位置するものと言い換えることができ、垂直孔４ｂは垂直孔４ａに挟まれた中間に位置するものと言い換えることができる。

　こうした穿設位置が異なる２種類の垂直孔４ａ・４ｂについて、両側の垂直孔４ａと中間の垂直孔４ｂとを連通するときは、図３・４に示すように、本体ブロック１の側面から液化ガスの流れと同方向に水平孔５を穿設している。一方、中間の垂直孔４ｂ同士の場合は、本体ブロック１の側面から液化ガスの流れと垂直方向に水平孔６を穿設して連通させている。

　なお、これら水平孔５・６は、上述のように液化ガスの流れに対する穿設の向きが異なる他、前者水平孔５であれば垂直孔４ａ・４ｂとほぼ同径の比較的小径で済むのに対して、後者水平孔６では隣合う垂直孔４ｂの離間距離を超える大径とする必要があるというように、径の大きさも異なるが、何れにしても、この部分で液化ガスの流れが乱れて、攪拌効果により伝熱が促進され、液化ガスをより確実に気化させることができる。

　最後に、水平孔５・６についても、その開口部をねじ込みプラグ等のプラグ７・８で閉塞することで、１本の連続する矩形波状の熱交換流路が完成する。そして、当該熱交換流路の何れかの箇所に液化ガスの入口と出入を設けるが、この実施形態では、図６に示すように、正面側における中間の垂直孔４ｂを始点として、その下部に液状の液化ガスを導入する継手（液入口）９を設け、左側面側における中間の垂直孔４ｂを終点として、その上部開口にプラグの代わりに継手（ガス出口）１０を設けている。

　なお、上記実施形態は、本発明の一形態であって、本体ブロックは円柱状などの他の直柱体状であってもよく、また、加熱部を構成するカートリッジヒータ（の挿入孔）の数や、熱交換流路を構成する垂直孔・水平孔の数も、所望する気化量等に応じて増減することができる。

１　本体ブロック
２　ヒータ挿入孔
３　加熱部
４　垂直孔
５・６　水平孔
７・８　プラグ
９　液入口
１０　ガス出口

Claims

直柱体状をなす金属製の本体ブロックの中央に、カートリッジヒータを垂直方向に収容した加熱部を設けると共に、該加熱部の周囲に液状の液化ガスを導入して前記カートリッジヒータからの熱伝導により気化する熱交換流路を設けた熱交換器であって、前記熱交換流路は、前記本体ブロックの上面または下面から前記カートリッジヒータと平行して前記加熱部の周囲に環列状をなすように穿設した複数の垂直孔と、前記本体ブロックの側面から隣合う前記垂直孔の上部同士と下部同士を交互に連通するように穿設した複数の水平孔と、前記本体ブロックの表面に開口する前記垂直孔及び水平孔の開口部を閉塞するプラグとによって、前記加熱部を取り囲む１本の矩形波状に構成したことを特徴とする熱交換器。
加熱部は、複数のカートリッジヒータそれぞれを本体ブロックの中心線から等距離に収容してなると共に、熱交換流路は、複数の垂直孔それぞれを最も近接する前記カートリッジヒータから等距離に穿設してなる請求項１記載の熱交換器。
熱交換流路は、一列当たりの垂直孔の数が４本以上であるとき、水平孔は、左右両側の垂直孔と中間の垂直孔とは前記液化ガスの流れと同方向に穿設して連通させる一方、前記中間の垂直孔同士は前記液化ガスの流れと垂直方向に穿設して連通させてなる請求項１または２記載の熱交換器。
垂直孔は、本体ブロックの上面または下面から穿設して、反対面には貫通しない態様とした請求項１、２または３記載の熱交換器。
カートリッジヒータは、本体ブロックに上下貫通して設けた挿入孔に収容した請求項１から４のうち何れか一項記載の熱交換器。
熱交換流路に対して、液状の液化ガスを導入する入口を本体ブロックの下面側に設ける一方、気化した液化ガスを排出する出口を前記本体ブロックの上面側に設けた請求項１から５のうち何れか一項記載の熱交換器。
プラグは、垂直孔及び水平孔の開口部にねじ込んで閉塞するねじ込みプラグである請求項１から６のうち何れか一項記載の熱交換器。