(57)【要約】【課題】ループ熱交換熱輸送機器において、流体送入口から流入する気液二相流体が、溶液収納容器内を通過する容器内パイプに衝突し、エロージョン・コロージョンにより、パイプを短期間に浸食して、容器内パイプに貫通孔を開けるのを防止する。【解決手段】昇温された熱交換用循環溶液を収容する溶液収納容器と、この溶液収納容器の溶液送出口に接続された溶液送出パイプと、この溶液送出パイプに継合し、且つ、上記溶液収納容器内を貫通する容器内パイプと、この容器内パイプに継合し、且つ、上記溶液収納容器の気液二相流体送入口に接続された気液二相流体送入パイプと、上記溶液送出パイプの外表面に設けられた顕熱放出熱交換器と、上記気液二相流体送入パイプの外表面に設けられた加熱熱交換器とを備えたループ熱交換熱輸送機器において、上記容器内パイプの表面に、上記気液二相流体送入口と対向して防御板を設ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
昇温された熱交換用循環溶液を収容する溶液収納容器と、この溶液収納容器の溶液送出口に接続された溶液送出パイプと、この溶液送出パイプに継合し、且つ、上記溶液収納容器内を貫通する容器内パイプと、この容器内パイプに継合し、且つ、上記溶液収納容器の気液二相流体送入口に接続された気液二相流体送入パイプと、上記溶液送出パイプの外表面に設けられた顕熱放出熱交換器と、上記容器内パイプの表面に、上記気液二相流体送入口と対向して設けられた防御板と、上記気液二相流体送入パイプの外表面に設けられた加熱熱交換器とを備えているループ熱交換熱輸送機器。
【請求項２】
防御板が、山形の切妻屋根の形状であり、この防御板のＶ字溝部分が容器内パイプと接合していることを特徴とする請求項１に記載のループ熱交換熱輸送機器。
【請求項３】
防御板が、半円パイプの形状であり、この防御板の内側部分が容器内パイプと接合していることを特徴とする請求項１に記載のループ熱交換熱輸送機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高熱源から低熱源へ熱を輸送する熱交換熱輸送機器に関するものであり、特に、液体が循環して熱を輸送するループ熱交換熱輸送機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
熱交換器はその使途や伝熱形態によって、加熱器、予熱器、蒸発器、冷却器、凝縮器などとも呼ばれており、数多くのものが広く実用化に供されている。
その一つとして、外部動力の使用を必要とせず、熱交換用循環溶液の気液相変化を利用して高熱源から低熱源へ熱輸送する熱交換熱輸送機器がある。その中でも、高い熱輸送能力を有するものとして、高温度に昇温した熱交換用循環溶液を収容する熱交換循環溶液収納容器と、この容器の溶液送出口に設けた溶液送出パイプと、熱交換循環溶液収納容器内を通過する容器内パイプと、熱交換循環溶液収納容器の気液二相流体送入口に設けた気液二相流体送入パイプと、上記溶液送出パイプと容器内パイプと気液二相流体送入パイプとを連接する一連の循環溶液輸送パイプの溶液送出パイプ路に設けた顕熱放出熱交換器と、さらに上記循環溶液輸送パイプの気液二相流体送入パイプ路に設けた加熱熱交換器とで構成されたループ熱交換熱輸送機器が知られている。（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１２２３９２号公報（第３頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来、ループ熱交換熱輸送機器などの熱交換器は、構成材料として熱伝導率が高いので、銅もしくはアルミニウムが用いられている。
最近、熱交換用循環溶液として、環境負荷が低い物質である純水や不凍液（エチレングリコール、プロピオングリコールなどを含んだ水溶液）などの水系溶液が用いられるようになっている。そのため、上記従来のループ熱交換熱輸送機器では、熱交換循環溶液収納容器の気液二相流体送入口から流入する気液二相流体が、熱交換循環溶液収納容器内を通過する容器内パイプに衝突し、エロージョン・コロージョン（潰食）により、上記パイプを短期間に浸食して、貫通孔を開けるとの問題があった。
【０００５】
上記、エロージョン・コロージョン（潰食）の防止として、上記容器内パイプを、耐エロージョン・コロージョン性の高い金属配管や樹脂配管やライニング配管に替える方法があるが、これらの配管では熱伝導性が小さく、熱交換効率が低下し、輸送する熱量が低下するとの問題があった。
【０００６】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、熱交換用循環溶液に水系溶液が用いられたループ熱交換熱輸送機器において、輸送する熱量が大きく、容器内パイプのエロージョン・コロージョンが防止されたループ熱交換熱輸送機器を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のループ熱交換熱輸送機器は、昇温された熱交換用循環溶液を収容する溶液収納容器と、この溶液収納容器の溶液送出口に接続された溶液送出パイプと、この溶液送出パイプに継合し、且つ、上記溶液収納容器内を貫通する容器内パイプと、この容器内パイプに継合し、且つ、上記溶液収納容器の気液二相流体送入口に接続された気液二相流体送入パイプと、上記溶液送出パイプの外表面に設けられた顕熱放出熱交換器と、上記容器内パイプの表面に、上記気液二相流体送入口と対向して設けられた防御板と、上記気液二相流体送入パイプの外表面に設けられた加熱熱交換器とを備えているものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のループ熱交換熱輸送機器は、昇温された熱交換用循環溶液を収容する溶液収納容器と、この溶液収納容器の溶液送出口に接続された溶液送出パイプと、この溶液送出パイプに継合し、且つ、上記溶液収納容器内を貫通する容器内パイプと、この容器内パイプに継合し、且つ、上記溶液収納容器の気液二相流体送入口に接続された気液二相流体送入パイプと、上記溶液送出パイプの外表面に設けられた顕熱放出熱交換器と、上記容器内パイプの表面に、上記気液二相流体送入口と対向して設けられた防御板と、上記気液二相流体送入パイプの外表面に設けられた加熱熱交換器とを備えていることにより、流入する熱交換用循環溶液による容器内パイプのエロージョン・コロージョンが防止でき、寿命の長いループ熱交換熱輸送機器を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１.
図１は、本発明の実施の形態１におけるループ熱交換熱輸送機器を示す断面模式図である。図１に示すように、本実施の形態のループ熱交換熱輸送機器２０は、熱交換用循環溶液２とこの溶液２が相変化して潜熱を保有する蒸気３とを収容する熱交換循環溶液収納容器１（この後溶液収納容器と記す）と、溶液収納容器１の溶液送出口４に接続された溶液送出パイプ５と、溶液送出パイプ５に継合し、溶液収納容器１内を通過（または貫通）する容器内パイプ６と、容器内パイプ６に継合し、溶液収納容器１の気液二相流体送入口７に接続された気液二相流体送入パイプ８と、溶液送出パイプ５の外表面に設けられた顕熱放出熱交換器１０と、容器内パイプ６の外表面に設けられた防御板１３と、気液二相流体送入パイプ８の外表面に設けられた加熱熱交換器１１とを備えている。
すなわち、上記、溶液送出パイプ５と、容器内パイプ６と、気液二相流体送入パイプ８とは、一連状に連接する循環溶液輸送パイプＡを形成しており、溶液収納容器１に収容された熱交換用循環溶液２は、溶液収納容器１を出て、溶液送出パイプ５から容器内パイプ６を経て気液二相流体送入パイプ８から溶液収納容器１に戻るようになっている。
また、顕熱放出熱交換器１０は、溶液送出パイプ５の流通路を高温度の熱を保有して流通する熱交換用循環溶液２の顕熱を放出させて熱交換し、熱交換用循環溶液２を低温度に冷却するものである。加熱熱交換器１１は顕熱放出熱交換器１０を通って低温度となった熱交換用循環溶液２を、気液二相流体送入パイプ８の流通路で、気液二相域の高温度に加熱するものである。
【００１０】
上記のように構成された本実施の形態のループ熱交換熱輸送機器２０は、次の様にして熱が輸送される。ループ熱交換熱輸送機器２０内を流動しながら循環する高温度の熱を保有する熱交換用循環溶液２は、循環溶液輸送パイプＡの溶液送出パイプ５を通過する際に顕熱放出熱交換器１０で顕熱を放出し熱交換し低温度に冷却される。この冷却された熱交換用循環溶液２は、溶液収納容器１に収容された気液二相流体の熱交換用循環溶液２内を貫通する容器内パイプ５を通過する際に、高温度の蒸気３で予熱されて昇温し、さらに気液二相流体送入パイプ８を流動する途中路に設けられた加熱熱交換器１１によってさらに高温度に昇温させられて沸騰し蒸気泡を発生させながら、溶液収納容器１に戻る。溶液収納容器１に戻った熱交換用循環溶液２は循環溶液輸送パイプＡを流動しながら再び冷却され予熱された後、さらに沸騰する高温度に昇温する。
すなわち本実施の形態においては、熱交換用循環溶液２の相変化、加熱熱交換器１１から気液二相流体送入口７までの気液二相流体送入パイプ８内と容器内パイプ６および溶液収納容器１と下方気液二相流体送入パイプ８内との間の熱交換用循環溶液２の密度差（つまり、この密度差により生じる浮力）を利用し、熱交換用循環溶液２が機器内を循環する。また、この循環を繰り返しながら加熱熱交換器１１から伝達された高温度の熱が、顕熱放出熱交換器１０から熱を必要とする別の機器に輸送される。
【００１１】
本実施の形態のループ熱交換熱輸送機器２０では、熱交換用循環溶液２に、純水あるいは、エチレングリコールやプロピオングリコールなどを含んだ水溶液が用いられる。
本実施の形態のループ熱交換熱輸送機器２０では、気液二相流体送入口７と対向し、且つ、気液二相流体送入口７から流入した熱交換循環溶液の気液二相流があたる容器内パイプ６の部分に防御板１３が設けられている。図２は、実施の形態１のループ熱交換熱輸送機器における防御板を説明する溶液収納容器部分の拡大模式図（ａ）とこの拡大模式図のｍ−ｍ断面模式図（ｂ）である。図１および図２に示すように、本実施の形態のループ熱交換熱輸送機器２０に用いられる防御板１３は平板あり、その高さｈは気液二相流体送入口７の径の１.５〜２倍が好ましく、その幅ｗは容器内パイプ６の外径の１〜１.５倍が好ましく、その厚さｔは容器内パイプ６の肉厚以上であるのが好ましい。ｈが気液二相流体送入口７の径の１.５倍以上で、ｗが容器内パイプ６の外径の１倍以上で、ｔは容器内パイプ６の肉厚以上であると、容器内パイプ６のエロージョン・コロージョンを防止する能力が大きい。また、ｈが気液二相流体送入口７の径の２倍以下で、ｗが容器内パイプ６の外径の１.５倍以下であると、熱交換効率に優れ気液二相流体による容器内パイプ６を流れる熱交換用循環溶液２を加熱が十分であるとともに、流入した熱交換循環溶液の気液二相流による容器内パイプ６へ加わる圧力が小さく、容器内パイプ６の応力腐食の影響が小さい。
【００１２】
本実施の形態のループ熱交換熱輸送機器２０に用いられる、防御板１３には、腐食電位が、容器内パイプ６に用いられる銅と同じか銅よりも卑であり、且つ耐エロージョン性が、溶液内パイプ６に用いられる銅以上である金属が用いられる。具体的には、チタン、ステンレス鋼または砲金が用いられる。そして、防御板１３の容器内パイプ６への取り付け方法はろう付けが望ましい。すなわち、防御板１３に用いられる金属の腐食電位が、溶液内パイプ６に用いられる銅と同じか銅よりも卑であるので、溶液内パイプ６は異種金属接触腐食の発生がない。
【００１３】
本実施の形態のループ熱交換熱輸送機器２０は、気液二相流体送入口７と対向し、且つ、気液二相流体送入口７から流入する気液二相流体があたる容器内パイプ６の面に、防御板１３が設けられており、熱交換循環溶液収納容器１内の溶液と容器内パイプ６の溶液との熱交換を効率に行うとともに、容器内パイプ６のエロージョン・コロージョンを防止するとができる。
【００１４】
実施の形態２.
図３は、本発明の実施の形態２のループ熱交換熱輸送機器における防御板を説明する溶液収納容器部分の拡大模式図（ａ）とこの拡大模式図のｍ−ｍ断面模式図（ｂ）である。
図３に示すように、本実施の形態のループ熱交換熱輸送機器は、防御板１４が山形の切妻屋根の形状であり、この防御板１４のＶ字溝部分が容器内パイプ６と接合しているほかは実施の形態１と同様のループ熱交換熱輸送機器である。防御板１４の容器内パイプ６への取り付け方法は実施の形態１と同様のろう付けが望ましい。
防御板１４は、防御板１４の頂上部分が気液二相流体送入口７と対向するように容器内パイプ６の表面に設けられている。防御板１４の頂上部分の角度θは特に１８０°未満であれば特に限定されないが、９０°±１０°が好ましい。また、図３に示す山形の切妻屋根形状の両裾端の間隔Ｌは容器内パイプ６の外径の１〜１.５倍が好ましい。防御板１４の高さｈと厚さｔとは実施の形態１の防御板と同様である。Ｌは容器内パイプ６の外径の１〜１.５倍であるので、容器内パイプ６のエロージョン・コロージョンを防止する能力が大きく、気液二相流体と容器内パイプ６を流れる熱交換用循環溶液との熱交換効率も優れている。
【００１５】
本実施の形態のループ熱交換熱輸送機器は、実施の形態１のループ熱交換熱輸送機器と同様な効果を有するとともに、山形の切妻屋根形状の防御板１４であるので、気液二相流体送入口７から流入する気液二相流体から受ける圧力をさらに低減でき、伝送する熱量が多い熱交換循環溶液の流速の速いループ熱交換熱輸送機器においても、容器内パイプ６の受ける圧力を低減し、容器内パイプ６の応力腐食を防止する。
【００１６】
実施の形態３.
図４は、本発明の実施の形態３のループ熱交換熱輸送機器における防御板を説明する溶液収納容器部分の拡大模式図（ａ）とこの拡大模式図のｍ−ｍ断面模式図（ｂ）である。
図４に示すように、本実施の形態のループ熱交換熱輸送機器は、防御板として、半円パイプの形状であり、この防御板の内側部分が容器内パイプと接合しているほかは実施の形態１と同様のループ熱交換熱輸送機器である。
防御板１５は、円弧の内径ｒが容器内パイプ６の外径にほぼ等しく、容器内パイプ６の気液二相流体送入口７に対向する半円部を覆うものである。防御板１５の高さｈと厚さｔとは、実施の形態１の防御板と同様である。防御板１５の容器内パイプ６への取り付け方法は実施の形態１と同様のろう付けが望ましい。
本実施の形態のループ熱交換熱輸送機器は、半円弧状の防御板１５であるので、実施の形態２のループ熱交換熱輸送機器と同様な効果を有する。
【実施例】
【００１７】
次に、実施例にて本発明のループ熱交換熱輸送機器の効果を説明する。
【００１８】
実施例１．
外径が１２ｍｍで肉厚が１ｍｍの銅の容器内パイプ６と、内径が１０ｍｍの気液二相流体送入口７と、幅ｗが１２ｍｍ、高さｈが１６ｍｍ、厚さｔが１ｍｍである平板状のステンレス製防御板とを備えた実施の形態１に示すループ熱交換熱輸送機器を用い、次に示す条件で、容器内パイプ６の腐食試験を実施した。試験条件は、循環溶液に純水を用い、溶液収納容器１内に戻る二相流体の温度を１００℃、流速を１０ｍ／ｓｅｃとし、試験時間を１ヶ月間とした。評価は、容器内パイプ６の最も薄くなった部分の肉厚ｔｍを測定し、（１）式から求めた腐食速度Ｖｃで行った。
Ｖｃ＝（ｔ０−ｔｍ）×１２            （１）
但し  Ｖｃ：腐食速度（μｍ／年）、ｔ０：容器内パイプの初期の厚さ（μｍ）
ｔｍ：容器内パイプの１ヶ月試験後の最も薄い部分の厚さ（μｍ）
得られたＶｃ値を防御板の仕様とともに表１に示した。
【００１９】
実施例２〜３．
平板状の防御板を表１に示す金属とした以外、実施例１と同様にして、容器内パイプ６の腐食速度Ｖｃを求め、得られたＶｃ値を防御板の仕様とともに表１に示した。
【００２０】
実施例４.
頂上部分の角度θが９０°、両裾端の間隔Ｌが１５ｍｍ、高さｈが１６ｍｍ、厚さｔが１ｍｍである山形の切妻屋根の形状のステンレス製防御板１４を備えた実施の形態２に示すループ熱交換熱輸送機器を用いた以外、実施例１と同様なループ熱交換熱輸送機器を用い、実施例１と同様にして、容器内パイプ６の腐食速度Ｖｃを求め、得られたＶｃ値を防御板の仕様とともに表１に示した。
【００２１】
実施例５.
円弧の内径ｒが１２.１ｍｍであり、高さｈが１６ｍｍ、厚さｔが１ｍｍである半円パイプの形状のステンレス製防御板１５を備えた実施の形態３に示すループ熱交換熱輸送機器を用いた以外、実施例１と同様なループ熱交換熱輸送機器を用い、実施例１と同様にして、容器内パイプ６の腐食速度Ｖｃを求め、得られたＶｃ値を防御板の仕様とともに表１に示した。
【００２２】
比較例１.
防御板を設けなった以外、実施例１と同様なループ熱交換熱輸送機器を用い、実施例１と同様にして、容器内パイプ６の腐食速度Ｖｃを求め、得られたＶｃ値を防御板の仕様とともに表１に示した。
【００２３】
表１から明らかなように、比較例１の防御板を設けない場合、容器内パイプの腐食速度は１１００μｍと大きく、肉厚１ｍｍの銅の容器内パイプでは、使用時間１年以内に孔があくことが推察されるが、実施例１〜５に示す防御板を設けると、溶液内パイプの腐食速度が極端に小さくなり、溶液内パイプの腐食寿命を大幅に向上できる。
【００２４】
【表１】
2006064193.tif 000003
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】実施の形態１のループ熱交換熱輸送機器を示す断面模式図である。
【図２】実施の形態１のループ熱交換熱輸送機器における防御板を説明する溶液収納容器部分の拡大模式図（ａ）とこの拡大模式図のｍ−ｍ断面模式図（ｂ）である。
【図３】実施の形態２のループ熱交換熱輸送機器における防御板を説明する溶液収納容器部分の拡大模式図（ａ）とこの拡大模式図のｍ−ｍ断面模式図（ｂ）である。
【図４】実施の形態３のループ熱交換熱輸送機器における防御板を説明する溶液収納容器部分の拡大模式図（ａ）とこの拡大模式図のｍ−ｍ断面模式図（ｂ）である。
【符号の説明】
【００２６】
１  溶液収納容器、５  溶液送出パイプ、６  容器内パイプ６、７  気液二相流体送入口、８  気液二相流体送入パイプ、１３，１４，１５  防御板、２０  ループ熱交換熱輸送機器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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