(57)【要約】【課題】コイル式の熱交換器について、ケーシングに加熱媒体を伝熱管に冷却媒体を流通させる場合に、伝熱管の入口側において、加熱媒体が冷却媒体に過剰冷却されて着氷が生じるのを防止する。【解決手段】熱交換器１の内筒３０は、冷却媒体通路２０の出口ノズル２５と対向する端面に、導入孔３１ａを有し、冷却媒体通路２０の入口ノズル２４と対向する端面に、導入孔３１ａよりも小径の噴射孔３２ａを有する。導入孔３１ａから流入して内筒３０の内部に満たされた加熱媒体は、内筒３０の外部かつケーシング１０の内部を流通する加熱媒体の流圧が、導入孔３１ａを通じて負荷されることにより、噴射孔３２ａを通じて内筒３０の外部へと押し出される。噴射孔３２ａから冷却媒体通路２０の入口ノズル２４に向けて、まだ冷却媒体と熱交換されていない高温の加熱媒体が噴射されるため、伝熱管２１、２２、２３の入口側を流通する低温の冷却媒体によって、ケーシング１０を流通する加熱媒体が過剰冷却されて凍り付くことが防止される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
長手方向の両端部に入口ポート１１および出口ポート１２をそれぞれ有して、前記入口ポート１１から前記出口ポート１２に向けて内部を加熱媒体が流通可能なケーシング１０と、
前記ケーシング１０の内部に、ケーシング１０の長手方向とその軸心の方向とがほぼ一致するように単層または同心上に複数層にコイル形に巻き回される伝熱管２１、２２、２３を有し、前記ケーシング１０の外部に、ケーシング１０の長手方向の両端部からそれぞれ引き出される入口ノズル２４および出口ノズル２５を有して、その入口ノズル２４から出口ノズル２５に向けて内部を冷却媒体が流通可能な冷却媒体通路２０と、
前記冷却媒体通路２０の伝熱管２１、２２、２３の中に、その軸心の方向が前記伝熱管２１、２２、２３の軸心の方向とほぼ一致するように配置されている内筒３０と、を備え、
前記内筒３０は、前記出口ノズル２５との対向面に単数または複数の導入孔３１ａを有し、前記入口ノズル２４との対向面に前記導入孔３１ａの総開口面積よりもその総開口面積の小さい単数または複数の噴射孔３２ａを有して、その導入孔３１ａから噴射孔３２ａに向けて内部を加熱媒体が流通可能となっている熱交換器。
【請求項２】
前記入口ノズル２４および出口ノズル２５と前記各伝熱管２１、２２、２３の端部とは、前記入口ノズル２４および出口ノズル２５のそれぞれの外周に沿って放射形に配置された複数の連結管２６を介して接続されている請求項１に記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コイル式の熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱交換器として、特許文献１および２のような、いわゆるコイル式の熱交換器が汎用されている。
コイル式の熱交換器は、ケーシングと、ケーシング内でその軸心の方向がケーシングの長手方向とほぼ一致するように単層または同心上に複数層にコイル形（円筒形）に巻回された伝熱管と、伝熱管の当該コイル形に巻回された箇所の中に挿入されている内筒と、を有する。
そして、ケーシングの入口側から出口側に向けて加熱媒体を、伝熱管の入口側から出口側に向けて冷却媒体をそれぞれ流通させ、伝熱管の管壁を介して流体間で熱交換をおこなうものである。
【０００３】
ここで内筒は、その両端部が閉塞されて内部に流体が入り込まないようになっているため、ケーシング内を流通する加熱媒体は、内筒が障壁となって伝熱管の管壁近傍に沿って偏って配流されることになる。このため、伝熱管の管壁を介した熱交換の効率が向上するようになっている。
熱交換の効率を追求する際には、流体の流通方向として、加熱媒体と冷却媒体が同じ向きに流れる平行流よりも、加熱媒体と冷却媒体が逆向きに流れる対向流が用いられている。
【０００４】
コイル式の熱交換器に流通させる流体は種々のものがあるが、たとえば、冷却媒体の伝熱管の入口側における温度が、ケーシング内を流通する加熱媒体の氷結点温度以下の場合には、熱交換時にその加熱媒体が伝熱管の入口側で過剰冷却されて凍り付き、管壁や内筒、ケーシングに着氷してしまうおそれがある。
とくに上述のような対向流の場合には、加熱媒体は伝熱管の入口付近に到達するまでに既に相当程度冷却されているため、着氷が発生する可能性がより高くなる。そして、このように着氷が発生すると、加熱媒体の正常な流通が妨げられ、熱交換の効率が大きく低下してしまう。
【０００５】
以上のような熱交換時における加熱媒体の過剰冷却にともなう着氷発生は、冷却媒体として液化天然ガス、液体水素、液体二酸化炭素などの低温液化ガスを取り扱う工業分野一般において、共通して生じ得る問題であるため、改善が要請される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２０９０７４号公報
【特許文献２】特開平８−３２７２５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで本発明の解決すべき課題は、コイル式の熱交換器について、ケーシングに加熱媒体を伝熱管に冷却媒体を流通させる場合に、伝熱管の入口側において、加熱媒体が冷却媒体により過剰冷却されて着氷が生じるのを防止することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記した課題を解決するため、本発明の熱交換器では、内筒の伝熱管の出口側の端面に内部に加熱媒体が流入可能な導入孔を設け、内筒の伝熱管の入口側の端面に内部の加熱媒体が流出可能な前記導入孔よりも開口面積の小さな噴射孔を設けたのである。
【０００９】
より詳しくは、発明にかかる熱交換器を、長手方向の両端部に入口ポートおよび出口ポートをそれぞれ有して、その入口ポートから出口ポートに向けて内部を加熱媒体が流通可能なケーシングと、前記ケーシングの内部に、ケーシングの長手方向とその軸心の方向とがほぼ一致するように単層または同心上に複数層にコイル形に巻き回される伝熱管を有し、前記ケーシングの外部に、ケーシングの長手方向の両端部からそれぞれ引き出される入口ノズルおよび出口ノズルを有して、その入口ノズルから出口ノズルに向けて内部を冷却媒体が流通可能な冷却媒体通路と、前記冷却媒体通路のコイル形の伝熱管の中に、その軸心の方向が前記伝熱管のコイルの軸心の方向とほぼ一致するように配置されている内筒と、を備えるものとしたのである。そして前記内筒は、前記出口ノズルとの対向面に単数または複数の導入孔を有し、前記入口ノズルとの対向面に前記導入孔の総開口面積よりもその総開口面積の小さい単数または複数の噴射孔を有して、その導入孔から噴射孔に向けて内部を加熱媒体が流通可能な構成としたのである。
【００１０】
熱交換器の運転時には、内筒の内部が導入孔を通じて流入した加熱媒体によってほぼ満水状態になると、内筒の外部を流通する加熱媒体の流圧が、内筒の導入孔を通じてその内部の加熱媒体へと負荷される。これにより、内筒の内部の加熱媒体は、噴射孔を通じて伝熱管の入口ノズルに向けて徐々に押し出されることになる。
噴射孔からの流出量に同量の加熱媒体が、噴射孔よりも総開口面積の大きな導入孔を通じて、内筒の内部へとその都度充当されるため、内筒の満水状態が常時維持されることになる。
高温の加熱媒体が入口ノズルに向けて噴射されるため、入口ノズル付近において冷却媒体により着氷が発生することが防止される。
【００１１】
さらに前記入口ノズルおよび出口ノズルと前記伝熱管の端部とは、前記入口ノズルおよび出口ノズルのそれぞれの外周に沿って放射形に配置された複数の連結管を介して接続されているのが好ましい。
このように構成すると、仮に一部の連結管に着氷が生じても、それによって加熱媒体の通路全体が閉塞されることがない。
【発明の効果】
【００１２】
以上のように、本発明の熱交換器では、その内筒の噴射孔から入口ノズルに向けて、冷却媒体とほとんど熱交換されていない高温の加熱媒体が噴射されるため、伝熱管の入口側を流通する冷却媒体により、ケーシングを流通する加熱媒体が過剰冷却されて着氷が発生することが防止される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】熱交換器の一部縦断正面図
【図２】熱交換器の一部縦断正面図
【図３】図２の要部拡大図
【図４】図１のIV−IV線横断面図
【図５】図１のＶ−Ｖ線横断面図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
図１から図５に示す実施形態の熱交換器は、加熱媒体として温水を、冷却媒体として液化天然ガスを、対向流に流通させて、液化天然ガスを温水によりほぼ常温にまで昇温させるのに好適に用いられる。そして、冷却媒体の入口側において加熱媒体が過剰冷却されて着氷が生じることが防止されている。
【００１５】
図１〜５に示すように、実施形態の熱交換器１は、いわゆるコイル式の熱交換器であって、ケーシング１０と、それぞれケーシング１０に収容された、冷却媒体通路２０および内筒３０を有する。そして冷却媒体通路２０の伝熱管２１、２２、２３の管壁を介して、ケーシング１０を流通する加熱媒体と冷却媒体通路２０を流通する冷却媒体の間で熱交換がなされるものであり、その内筒３０に、上述したような着氷の発生を防止する手段が講じられている。また、仮に着氷が生じたとしても、加熱媒体の流れが閉塞されることを防止する手段が講じられている。
図示のように実施形態の熱交換器１では、横置きタイプ、すなわちケーシング１０の長手方向が水平方向を向くように設置されているものではなく、縦置きタイプ、すなわちケーシング１０の長手方向が鉛直方向を向くように設置されている。
【００１６】
図１〜５に示すように、ケーシング１０は略円筒形をなしており、その胴部の上部に加熱媒体を内部に導入可能な筒形の入口ポート１１を、その胴部の下部に加熱媒体を内部から排出可能な筒形の出口ポート１２をそれぞれ有している。こうして、入口ポート１１から出口ポート１２に向けて、ケーシング１０の内部を加熱媒体が下降する向きに流通可能になっている。
ケーシング１０の寸法は特に限定されないが、その外径が４００〜５００ｍｍ程度、その長さが１２００〜１５００ｍｍ程度であることが例示できる。
【００１７】
ケーシング１０の上下両端面には、頂部フランジ１３および底部フランジ１４が設けられており、ここにそれぞれフランジカバー１３ａ、１４ａが重ね合わされ、ボルト止め等の適宜手段により固定されている。
なお、頂部フランジ１３および底部フランジ１４とフランジカバー１３ａ、１４ａの間には、適宜ガスケット等が装着されることで、その間からの加熱媒体の漏れ出しが防止されている。
【００１８】
図１および図２のように、冷却媒体通路２０は、ケーシング１０の内部において、ケーシング１０の軸心とほぼ一致するように、内層伝熱管２１、中層伝熱管２２および外層伝熱管２３の三層に、同心のコイル形に巻回されている。各伝熱管２１、２２、２３の間および外層伝熱管２３とケーシング１０の胴部の間には、加熱媒体が流通可能な寸法の隙間が設けられている。
ここで伝熱管２１、２２，２３の寸法は特に限定されないが、その外径が２５〜３５ｍｍ程度であることが例示できる。各伝熱管２１、２２、２３の間の隙間の寸法も特に限定されないが、６〜１０ｍｍ程度であることが例示できる。伝熱管２１、２２、２３の総表面積（伝熱面積）も特に限定されないが、３〜５ｍ２程度が例示できる。
内層伝熱管２１、中層伝熱管２２および外層伝熱管２３の下端部はそれぞれ入口ノズル２４に、同上端部はそれぞれ出口ノズル２５に、複数の連結管２６を介して接続されている。入口ノズル２４や出口ノズル２５の寸法は特に限定されないが、その外径が７０〜８０ｍｍ程度であることが例示できる。
こうして、入口ノズル２４から出口ノズル２５に向けて、冷却媒体通路２０の内部を冷却媒体が上昇する向きに流通可能となっている。勿論これとは逆に、入口ノズル２４を上方に、出口ノズル２５を下方に配置して、冷却媒体通路２０の内部を冷却媒体が下降する向きに流通させてもよい。
なお図４のように、内層伝熱管２１、中層伝熱管２２および外層伝熱管２３のそれぞれの端部は、ノズルの周方向にπ／３ずつ位相をずらして放射形に配置された６つの連結管２６を介して接続されている。このようにノズルの周方向にほぼ均等に連結管２６を配することで、仮に一部の連結管２６に着氷が生じても、加熱媒体の通路の全体が閉塞されることが防止され、また冷却媒体通路２０を流通する冷却媒体に偏流が生じるのを防止している
【００１９】
さらに入口ノズル２４および出口ノズル２５は、ケーシング１０のフランジカバー１３ａ、１４ａを貫通してそれぞれケーシング１０の外部へと引き出されている。ケーシング１０の外部に引き出された入口ノズル２４の下端部および出口ノズル２５の上端部には、それぞれ横向きのフランジ２４ａおよび縦向きのフランジ２５ａが設けられて、外部の機器と接続可能となっている。
なお、入口ノズル２４および出口ノズル２５とフランジカバー１３ａ、１４ａとは、溶接等の適宜手段により水密な状態に固定されている。これにより、冷却媒体通路２０はケーシングに支持されることになる。
【００２０】
図１および図２のように、内層伝熱管２１、中層伝熱管２２および外層伝熱管２３の中には、略円筒形の内筒３０が挿入され、伝熱管２１、２２、２３の軸心と内筒３０の軸心がほぼ一致した状態に配置されている。内筒３０と内層伝熱管２１の間には、加熱媒体が流通可能な隙間が設けられている。
内筒３０の上下両端面には、それぞれ略円板形の頂部キャップ３１および底部キャップ３２が被せられ、溶接等の適宜手段により固定されている。
内筒３０の寸法は特に限定されないが、その外径が１５０〜２５０ｍｍ程度、その長さが５００〜６００ｍｍ程度であることが例示できる。
【００２１】
図３のように、頂部キャップ３１には比較的大径（たとえば５０〜１００ｍｍ）の導入孔３１ａが、底部キャップ３２には比較的小径（たとえば５〜１０ｍｍ）の噴射孔３２ａが、それぞれ設けられている。これにより、ケーシング１０の内部を入口ポート１１から出口ポート１２に向けて下降する加熱媒体は、導入孔３１ａを通じて内筒３０の内部へと流入し、噴射孔３２ａを通じて内筒３０の外部へと流出可能となっている。こうして、内筒３０は、いわば加熱媒体のバイパス通路として機能する。
上述のように、導入孔３１ａは比較的大径であり、噴射孔３２ａは比較的小径であることから、加熱媒体は、内筒３０の内部には比較的流入しやすい反面、内筒３０の外部には比較的流出しにくくなっている。
【００２２】
ここで、導入孔３１ａは冷却媒体通路２０の出口ノズル２５の下端面に、噴射孔３２ａは冷却媒体通路２０の入口ノズル２４の上端面に、それぞれケーシング１０の軸方向に間隔をあけて対向している。
また内筒３０には、図５のように、導入孔３１ａの外周に沿って等間隔をあけて配置され、図３のように、頂部キャップ３１から上方へと突出する複数のサポートリブ３３が設けられている。
このサポートリブ３３の上端部が、冷却媒体通路２０の出口ノズル２５の外周面に溶接等の適宜手段により固定されることで、内筒３０は冷却媒体通路に上方より支持されている。隣接するサポートリブ３３の間には大きな空隙が形成されているため、加熱媒体はこの空隙を通じて導入孔３１ａに流入可能となっている。
【００２３】
また、ケーシング１０の頂部フランジ１３に固定されたフランジカバー１３ａの上面には、図示省略の取付金具が設けられており、ここに吊り下げ用のチェーン等を取り付け可能となっている。したがって、その取付金具を通じて、熱交換器１の全体、すなわちケーシング１０、ケーシング１０に入口ノズル２４や出口ノズル２５を介して固定される伝熱管２１、２２、２３、および出口ノズル２５にサポートリブ３３を介して固定される内筒３０を、すべて上方から吊り下げて支持できるようになっている。
【００２４】
実施形態の熱交換器１の構成は以上のようであり、いまケーシング１０の入口ポート１１から出口ポート１２にかけて下降する加熱媒体を、冷却媒体通路２０の入口ノズル２４から出口ノズル２５にかけて上昇する冷却媒体を、対向流で流通させると、冷却媒体通路２０の管壁を介して加熱媒体と冷却媒体との間で熱交換がなされることになる。
加熱媒体として６５℃程度の温水を、冷却媒体として−１５０℃程度の液化天然ガスを、それぞれ用い、温水により液化天然ガスを４５℃程度の常温にまで加熱する用途が例示できる。なおこのとき、温水は６０℃未満にまで温度が低下する。
【００２５】
ここで内筒３０の両端面は、頂部キャップ３１および底部キャップ３２によりほぼ閉塞され、流体が流通しにくくなっているため、ケーシング１０の内部の加熱媒体は、その大半が内筒３０を避けて冷却媒体通路２０の内層伝熱管２１、中層伝熱管２２および外層伝熱管２３の管壁の近傍を流通することになる。加熱媒体と冷却媒体との熱交換は伝熱管２１、２２、２３の管壁を介しておこなわれるため、加熱媒体の大半が管壁の近傍を流れることにより、熱交換の効率が向上している。
【００２６】
他方、ケーシング１０の内部の加熱媒体の一部は、隣接するサポートリブ３３の間の隙間を通り、頂部キャップ３１に設けられた導入孔３１ａを通じて内筒３０の内部に流入する。導入孔３１ａからの流入により、内筒３０の内部が徐々に加熱媒体で満たされてゆく。
こうして内筒３０がほぼ満水状態になると、ケーシング１０の内部における加熱媒体の流圧等により、内筒３０の内部の加熱媒体は、底部キャップ３２に設けられた噴射孔３２ａから冷却媒体通路２０の入口ノズル２４に向けて徐々に押し出される。
噴射孔３２ａは上述のように比較的小径であるため、噴射孔３２ａからの加熱媒体の流出量は比較的少量である。そして、その流出量に相当する量の加熱媒体が、噴射孔３２ａよりも大径の導入孔３１ａを通じて、内筒３０の内部へとその都度充当されて、内筒３０の満水状態が維持されることになる。導入孔３１ａのほうが噴射孔３２ａよりも大径であるため、導入孔３１ａから内筒３０の内部への流入量が、噴射孔３２ａから内筒３０の外部への流出量よりも下回ることはない。
【００２７】
内筒３０の内部を、伝熱管２１、２２、２３の管壁から離れて流通する加熱媒体は、熱交換にほとんど寄与しておらず、したがって温度が高い状態が維持されているが、この加熱媒体が冷却媒体通路２０の入口ノズル２４に向けて噴射孔３２ａから噴射される。
一般に、冷却媒体通路２０の入口ノズル２４には、まだ加熱媒体とほとんど熱交換がされていない非常に低温の冷却媒体が流通している。他方、ケーシング１０の内を冷却媒体とは対向流で流通する加熱媒体は、入口ノズル２４の付近に到達するまでに既に相当程度冷却されている。そのため、入口ノズル２４近辺の加熱媒体が冷却媒体で過剰冷却されて凍り付き、入口ノズル２４や、連結管２６、内筒３０の底部キャップ３２、その近辺のケーシング１０に着氷が生じうる。
しかし本実施形態の熱交換器１では、上述のように内筒３０の噴射孔３２ａから入口ノズル２４に向けて、まだ冷却媒体とほとんど熱交換されていない高温の加熱媒体が噴射されるため、このような着氷の発生が防止される。
なお内筒３０の内部を加熱媒体が流通すると、その流量分だけ伝熱管２０の近傍を流通する加熱媒体の量が減少することになって熱交換の効率が低下しうる。しかし、噴射孔３２ａは小径であり、内筒３０内に流れ込む加熱媒体の量はごくわずかであって全体の流量から見ればほぼ無視できる量である。このため、内筒３０に加熱媒体のバイパス通路が形成されることに伴なう熱交換の効率の低下は、ほとんど生じない。
また、連結管２６は放射状に配置されているため、仮にその一部に着氷が生じても加熱媒体の通路全体を閉塞することはないようになっており、加熱媒体の流通が確保されている。
【００２８】
今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正と変形を含むものであることが意図される。
【００２９】
たとえば実施形態では、伝熱管を内層伝熱管２１、中層伝熱管２２および外層伝熱管２３の三層構造としているが、層の数を減らして二層構造や単層構造にしてもよいし、逆に層の数を増やして四層構造以上にしてもよい。
【００３０】
実施形態では、内筒３０の上端面を頂部キャップ３１で閉塞し、ここに導入孔３１ａを穿孔しているが、内筒３０の上端面にキャップ等を被せず、その上端面全体を開放して導入孔３１ａとしてもよい。
また実施形態では、導入孔３１ａおよび噴射孔３２ａを単一の孔としているが一方または双方の孔を複数設けてもよい。さらに内筒３０の外径と頂部キャップ３１や底部キャップ３２の外径とに寸法差を設けて、被せた際にできる隙間を導入孔３１ａおよび噴射孔３２ａとしてもよい。頂部キャップ３１や底部キャップ３２の外縁（外周）に溝等を設けるなどして、これを導入孔３１ａおよび噴射孔３２ａとしてもよい。導入孔３１ａおよび噴射孔３２ａは、頂部キャップ３１や底部キャップ３２の中央に設けられている必要はない。
導入孔３１ａおよび噴射孔３２ａは円孔に限定されず、角孔等でもよい。
いずれにせよ、噴射孔３２ａの総開口面積が導入孔３１ａの総開口面積よりも小さければよく、たとえば噴射孔３２ａが複数設けられ、導入孔３１ａが単数設けられている場合には、各噴射孔３２ａの開口面積の合計が、単一の導入孔３１ａの開口面積を下回るように設定する。
なお実施形態では、内筒３０の入口ノズル２４および出口ノズル２５との対向面である両端面は、頂部キャップ３１および底部キャップ３２により構成されて、ほぼフラットとなっているが、対向面は、導入孔３１ａおよび噴射孔３２ａが形成可能である限りにおいて、半球面などの曲面形や円錐形、角錐形などでもよい。
実施形態では、入口ノズル２４および出口ノズル２５と伝熱管２１、２２，２３とを連結管２６を介して接続しているが、伝熱管２１、２２、２３を放射状に延長して連結管２６を介することなく直接入口ノズル２４および出口ノズル２５に接続してもよい。連結管２６が存在する場合でも、その本数は実施形態には限定されない。
実施形態では、熱交換器１を縦置きタイプとしたが、横置きタイプとしてもよいことは無論である。加熱媒体や冷却媒体は温水や液化天然ガスに限定されない。
【符号の説明】
【００３１】
１  熱交換器
１０  ケーシング
１１  入口ポート
１２  出口ポート
１３  頂部フランジ
１３ａ  フランジカバー
１４  底部フランジ
１４ａ  フランジカバー
２０  冷却媒体通路
２１  内層伝熱管
２２  中層伝熱管
２３  外層伝熱管
２４  入口ノズル
２４ａ  フランジ
２５  出口ノズル
２５ａ  フランジ
２６  連結管
３０  内筒
３１  頂部キャップ
３１ａ  導入孔
３２  底部キャップ
３２ａ  噴射孔
３３  サポートリブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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