(57)【要約】【課題】高い熱流束を利用できる沸点近傍で運転しつつ突沸現象を回避し、高い熱効率、高い濃縮効率を享受し、もって、伝熱部材の長大化を防止し、装置の小型化により、設置スペースの制約から解放し、低コストを実現する。【解決手段】  真空容器内で、伝熱体外表面上に形成された実質的に鉛直方向の溝が水平方向に離反して複数形成された流路を重力落下する原液と、該伝熱体内部に流れる熱媒との間で熱交換を行う伝熱体であって、  該伝熱体は鉛直方向に複数段離隔配置される伝熱体群を構成し、各伝熱体の上端及び下端には先細部を備えることを特徴とする熱交換器を使用する表面流下式濃縮装置により沸点近傍で運転しつつ突沸現象を回避し、高い熱効率、高い濃縮効率と装置の小型化を追求する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝熱体外表面上に形成された実質的に鉛直方向の溝が水平方向に離反して複数形成された流路を重力落下する原液と、該伝熱体内部に流れる熱媒との間で熱交換を行う伝熱体であって、
該伝熱体は鉛直方向に複数段離隔配置される伝熱体群を構成し、各伝熱体の上端及び下端には先細部を備えることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記伝熱体が鉛直方向に複数段離隔配置される伝熱体群は、複数離隔配置されていることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項３】
前記伝熱体外表面に形成される前記溝の側面が、開口端に向かって開口幅を大きく形成されていることを特徴とする請求項１又は２のいずか一方に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記伝熱体外表面に形成される前記溝間は隣接する溝を谷部とする山形に形成されていることを特徴とする請求項１〜３項のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記伝熱体は、その伝熱体長手方向に垂直な断面形状が鉛直軸について左右線対称であることを特徴とする請求項１〜４項のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項６】
請求項１記載の前記熱交換器の前記伝熱体は、その伝熱体長手方向の鉛直断面形状を菱形とすることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の熱交換器。
【請求項７】
請求項１記載の前記熱交換器の前記伝熱体は、その長手方向に垂直な断面形状の上端下端が先細形を備える円形又は長円形であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の熱交換器。
【請求項８】
請求項１記載の熱交換器の前記伝熱体は、その長手方向に垂直な断面形状を辺の数を偶数とする多角形であって、多角形の角を前記先細部とし、角を上下端に配置することを特徴とする請求項１〜５のうちいずれか一項記載の熱交換器。
【請求項９】
前記伝熱体群には、伝熱体内の一つ以上の熱媒流路の熱媒温度若しくは流量を変えた伝熱体、伝熱体内の一つ以上の熱媒流路に熱媒を流さない伝熱体又は伝熱体内の一つ以上の流路に冷媒を流す伝熱体のうち少なくとも一つの伝熱体を備えることを特徴とする請求項１〜８のうちいずれか一項記載の熱交換器。
【請求項１０】
請求項１記載の前記溝は、少なくとも下流で下流方向に漸次拡幅していることを特徴とする請求項１〜９のうちいずれか一項記載の熱交換器。
【請求項１１】
前記伝熱体外表面に形成される前記溝間は隣接する溝を谷部とする山形に形成されていることを特徴とする請求項１〜１０のうちいずれか一項記載の熱交換器。
【請求項１２】
前記伝熱体の本体の上部及び下部には、端部に向かう先細部を備え、この両先細部の間であって、各先細部の基部側と水平方向に延在する液溜まり凹部を介して離隔し、前記流路が、前記伝熱体の本体の両外表面に上に各々形成されていることを特徴とする請求項１〜１１のうちいずれか一項記載の熱交換器
【請求項１３】
前記伝熱体は、基材をステンレス鋼よりも熱伝導性の良いセラミックス材料であることを特徴とする請求項１〜１２項のうちいずれか一項記載の熱交換器
【請求項１４】
前記伝熱体の基材表面を基材よりも伝熱性が高い、ステンレス鋼材、セラミックス材又は高熱伝導性高分子材で被膜することを特徴とする請求項１〜１３項のうちのいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項１５】
前記セラミックス材は、炭化ケイ素、窒化アルミニウム又はアルミナを主成分とすることを特徴とする請求項１３又は１４のいずれか一方に記載の熱交換器。
【請求項１６】
真空化手段に連結された真空容器内に、設置される蒸発器に請求項１〜１５記載の熱交換器のうち少なくともいずれか一つを用いたことを特徴とする表面流下式濃縮装置。
【請求項１７】
下段へ流下する程、伝熱器外面に形成される流下路溝数が減ずることを特徴とする請求項１６記載の濃縮装置。
【請求項１８】
前記伝熱体に超音波振動を加える手段を備えたことを特徴とする請求項１６又は１７のうちいずれか一方に記載の濃縮装置。
【請求項１９】
真空化手段に連結された真空容器内に複数段の伝熱体群を用いる表面流下式濃縮方法であって、
該伝熱体最上端に形成された先細部に原液が滴下又は流下される段階と、
該伝熱体に形成される溝を流路として流れる原液が、流下液と溝側壁との界面で薄膜を生成し蒸発する段階と、
上段の伝熱体外表面から原液液膜が剥離せず該伝熱体最下端に形成された先細部に合流する段階と、
上段伝熱体最下端に流下した原液は、伝熱体最下端の先細部からその下段に位置する下段伝熱体最上端の先細部へ滴下又は流下する段階を、
液が上段から下段への伝熱体を順次流下し真空容器底部へ滴下するまで繰返すことを特徴とする表面流下式濃縮方法。
【請求項２０】
突沸発生状況を検知する手段と、
予め設定されてルールにより突沸を判定制御する手段と、
運転条件を制御する手段を備え、
突沸の発生状況と前記ルールに照らし蒸発を促進する判定であれば、
蒸発を促進する運転制御をし、
突沸の発生状況と前記ルールに照らし突沸を抑制する判定であれば、
蒸発を抑制する運転制御をすることを特徴とする突沸制御手段を備えたことを特徴とする
請求項１９項記載の濃縮方法。
【請求項２１】
請求項１９又は２０のいずれか一方に記載の表面流下式濃縮方法を使用する濃縮装置。
【請求項２２】
前記セラミックス材を用いた前記伝熱体は、押出し成形又は加圧成形により形成することを特徴とする請求項１３〜１５のうちいずれかの一項に記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に濃縮操作の対象になる流体（以下で原液と云う）が熱影響を受けやすい場合や、装置材料の腐食性を有する場合においても、原液の濃縮に用いて好適である伝熱部（受熱又は放熱の機能を担う熱交換器部位を云う）の表面に工夫を施した原液流下式の濃縮操作を行う熱交換器及びその熱交換器を使用する濃縮装置並びに表面流下式濃縮方法及びその装置に関するものである。原液が伝熱部の表面を流下する方式によって濃縮を行う技術は、伝熱部を流下する原液が薄膜を生成することにより、液相全体に速やかに伝熱（加熱や放熱）が行われる為に、伝熱効率に優れ、省エネルギー、ＣＯ２削減等の観点で、時代の要請に応える技術である。
【背景技術】
【０００２】
糖類・エキス類等熱影響を受けやすい原液の濃縮では、短時間に一過性又は濃縮過程を経る回数を制御し品質を管理することが要求され、好ましくは一回の処理プロセスで所定濃度まで濃縮されることが求められる。
【０００３】
そのためには、原液の供給量を制御し、薄膜液として供給することによって、薄膜からの溶媒蒸発により効率よく一回のプロセスで所定の濃度まで濃縮することが望まれる。
【０００４】
それ故、表面流下式により僅かな原液を伝熱部に供給し、且つ所定の濃度に到達させるため、伝熱部にできるだけ均一に流下させることが要求されるが、様々の要因により、伝熱部にできるだけ均一に薄膜で流下させることが困難であり、効率的な熱交換ができず、結果として多数の伝熱部材を要したり、伝熱部位が長大にならざるを得ず、装置が大型化し、高コストとなっている。
【０００５】
その一つの要因が突沸であり、原液が伝熱部において受熱した結果として局所的な過熱状態となった場合には、突沸が生じ、以下の問題点が生ずる。
１）  均等な流下が阻害され、濃縮液の濃縮が不十分となること
２）  突沸現象により飛散する原液又は濃縮中途の濃縮液（以下、後者を半濃縮液と云い、前者後者を総称し処理液という）（以下）は熱せられたまま飛散しその熱は容器内又は容器壁に散逸又は吸収されてしまい熱効率を阻害し、結果として濃縮効率を阻害すること
３）  濃縮が足りないまま容器壁面に衝突液化し落下する原液又は半濃縮液は、濃縮度を希釈化し、全体として濃縮不十分となること
４）  突沸現象により飛散するミスト化した原液又は半濃縮液が溶媒蒸気に混ざり、減圧機構により吸引され容器から排出されること
【０００６】
こうした突沸による悪影響を排するため、突沸を回避する手段として考慮できる方法は以下である。
ａ）加熱に用いる熱媒の温度や流速を低下させる。
ｂ）原液の流量を増加させる。
ｃ）蒸発による潜熱の消費を含む原液の放熱を促進する。
【０００７】
ところが、
ａ）による方法では、加熱側の流体（熱媒）と受熱側の流体（原液）の間の温度差（対数平均温度差）が減少することにより、効率的な熱交換ができず、結果として多数の伝熱部材を要したり、伝熱部位が長大にならざるを得ず、装置が大型化し、高コストとなってしまう悪影響を生じる。
ｂ）による方法は、原液が伝熱部において薄膜を形成して効率的な熱交換を行うという表面流下式の技術の有用性を損なってしまうことになり、結果的にａ）と同様に効率的な熱交換ができず、多数の伝熱部材を要したり、伝熱部位が長大にならざるを得ず、装置が大型化し、高コストとなってしまうという悪影響を生じる。
ｃ）による方法は、受熱側の流体（原液）が加熱側の流体（熱媒）から受け取った熱が、受熱側の流体（原液）に滞留することなく、速やかに受熱側の流体（原液）から蒸発によって潜熱に消費されれば、原液温度は過熱状態に至らず突沸を回避することが可能になる。  
【０００８】
ここで、伝熱部を流下する原液の均一性が高い時、伝熱部において突沸が発生する状況を整理すると、
Ａ）薄膜流れが破断する場合、
Ｂ）薄膜流れが維持されていても、加熱速度が過大で濃縮液流の中流又は下流で過熱状態となる場合、
に分類される。Ａ）は、例えば、局所的な原液の流下量過少により生ずる。
【０００９】
ところで、吸収型冷凍機でよく用いられている熱交換方式には、伝熱体群を真空容器内に水平に多数設置し、冷却液を伝熱体群に噴霧流下しその蒸発潜熱により伝熱体内を流れる冷媒を冷やすというものがある。冷却にさほどの動力を要さず、省エネルギーという利点を有する。冷却能力は、伝熱体群のサイズ・数によりスケール性を確保するものであり、濃縮装置にも応用できそうである。この吸収型冷凍機で用いられる流下式熱交換方式は濃縮に用いる伝熱体設計課題に示唆を得られそうである。
【００１０】
さて、突沸が発生する条件のうち上記Ａの薄膜流れの破断は、薄膜が管軸方向の膜の拡がりを維持できないときと、薄膜の伝熱体からの剥離落下位置のバラツキによるときの二種に大別される。前者に対しては、例えば、蒸発管では管軸方向のフィンを設け、管軸方向への流れを作り、局所的なドライアウトの発生を防止する提案（特許文献１）がある。特許文献１は、蒸発装置に係る発明であってただ蒸発さへすれば要求は満たされるのであるが、濃縮装置では、所定の濃度にすることが求められ、濃縮の加熱工程もできるだけ均一であることが望ましい。本来であれば、伝熱体全面に原液が行きわたらせるのが濃縮効率の点では最も良いのであるが、濃縮装置では、その上更に均一な薄膜流れを作らないと流れの滞留とドライアウトの発生で析出物が発生してしまい、流下する原液が溶質を欠き所要の量を確保できないことになりかねないという問題などを生起する懸念を生じる。管軸方向にフィンや溝を加工する場合には、原液を水平方向に分配する効果は期待できるものの、水平方向に導かれた原液が、該フィンや溝の水平方向に亘り均等に鉛直方向へ流下することは困難になり、該フィンの近傍や水平方向の溝で原液が液溜りを形成し、伝熱効率を悪化させる懸念も生じる。従って、寧ろ伝熱体の表面全体における均一な薄膜状での原液の流れの維持を優先すべきとの立場に立てば、特許文献１のように管軸方向への薄膜を広げるのは好ましくなく、管の断面に沿った溝により流れの維持を確保することが好ましいものと考えられる。この溝は、一方で伝熱体と外部の接触面積を大きくする効果がある。そのため放熱面積を大きくするための放熱フィンの構成として溝を形成するという提案も古くからあるが（特許文献２）、濃縮装置で溝により流れの維持を確保する際には、溝の設計によっては溝を流れる原液の蒸発は限定されたものになりかねず、ここで相応しい溝は、放熱フィン形成に伴う溝というよりは、溝が開放部に開かれ溝内での蒸気循環を活発とする比較的浅い溝である。
【００１１】
こうして、剥離を生じず伝熱体と処理液の接触を維持する伝熱体の外周形状設計と溝の配置形状をどのように設計すればよいのかが課題となる。
【００１２】
伝熱体の外周形状（以下で伝熱体形状と云う）が適当でなく、伝熱体からの剥離落下位置のバラツキにより薄膜流れが破断すると、すなわち、早期に流れが伝熱体から剥離すれば、剥離後伝熱体からの熱流を受けないため蒸発量は減少するという不都合が発生する。極端な形状で言えば、伝熱体の下半分が下方に凹面形状を向け形成されていれば、上半分の円管面から凹面形状面に転ずる境界で伝熱体を流下する薄膜流れは管から剥離し、下方へ滴下するであろう。そこまで極端な形状の変化でなくとも、溝を流下する液と伝熱体面との表面張力と液に働く重力、伝熱体の外形が真円であれば曲面を流れる液の遠心力との均衡が崩れたときには、伝熱体からの剥離落下位置は最下位位置ではなく最下端に到達する前に剥離滴下することになる。
【００１３】
特許文献３の図８Ａ及び図８Ｂは、流下する液が伝熱円管の最下端から落下するように伝熱体下端を尖状とすることを提案しているが、伝熱体上端では伝熱体の長手方向から見て円周方向左右に流下する流量の制御が困難なため伝熱体上端を凹面とし（図８Ｂ）、上段の伝熱体から滴下する液を該凹面で受止め、液だまりからの溢れにより左右円周面へ均等に流下させる提案をしているが、本発明に係る一過性の濃縮により濃縮を行うことを要件とする場合には、液溜まりの液の循環、淀みを解消する制御をすることが困難であるし、流れの滞りによっては、析出物の形成に至りかねず採用できない。
【００１４】
特許文献４では、図２ｄに伝熱体形状を長円形の伝熱体断面形状とし上下の伝熱体を互いに密接する構造を開示し、密接部の隙間を０〜２ｍｍ程度とすることで密接部に液溜まりを形成することを提案する。しかしながら、伝熱体同士の凸曲面同士の近接で実質的に軸方向の横溝が形成され、表面張力による溝内への滞留作用が生ずるところ、本発明に係る一過性の濃縮により濃縮を行うことを要件とする場合には、液溜まり内での液の循環、淀みを制御することが困難であるし、流れの滞りによっては、析出物の形成の元ともなりかねず採用できない。表面流下式濃縮では、下流への流れを保つことが大切なのである。
【００１５】
こうして、伝熱体の溝と合わせ伝熱体の形状を、伝熱体からの原液剥離落下位置を伝熱体の最下位点としつつ確実な上方から下方への薄膜流れを維持させるものとする課題が見出され、同時に下方の先細部で薄膜から処理液を受取る側では、伝熱体長手方向から見て左右に均等に処理を振り分けるものとするという課題もパラレルに見出される。
【００１６】
突沸が発生する場合Ｂについては、原液が受熱する速度を原液が放熱する速度に一致もしくは接近するように低下させること、すなわち加熱源の熱媒温度を低下させることが最も容易である。しかしこの場合には、原液と熱媒との温度差が小さくなるため濃縮に必要な流下距離が大きく伸びてしまい、装置が大型化してしまうという難点があり、そもそもの課題が解消さない。
【００１７】
こうして、装置の小型化を目指すには、何をすればよいか、すなわち、原液が蒸発によって放熱する速度を、原液が受熱する速度に一致もしくは接近するように向上させること、すなわち優れた蒸発放熱機構を提案することが課題となる。
【００１８】
以上に示されるように、本発明の課題は、蒸発装置、吸収式冷凍機に用いられる流下式熱交換器の課題とオーバーラップする面もあるが、濃縮装置として水平伝熱体の表面形状と溝化を施そうとする点、従来、認識も示唆もされていないものであり、従来技術とは立ち位置を異にするもので、従来の濃縮装置に用いられる水平伝熱体及びこれを使用する濃縮装置では、取り立ててそのまま採用できる解決策は見出されない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】特開１０−３２５６８９
【特許文献２】特開平５−３４０６４６
【特許文献３】米国特許５６４５１２４号
【特許文献４】特開２００３−２５４６８３
【特許文献５】特開昭５７−１５０７９８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
本発明の主たる課題は、以下のとおりである。
課題１：伝熱体群の配置、伝熱体の形状創意工夫により突沸現象を未然に防止すべく水平伝熱体群での均等な流下を確保し、ドライアウト・析出物を発生させぬこと。
課題２：伝熱体の溝と合わせ伝熱体の形状を工夫し、伝熱体からの原液剥離落下位置を伝熱体の最下位点とする仕組みを提案すること。
課題３：装置の工夫により原液が蒸発によって放熱する速度を、原液が受熱する速度に一致もしくは接近するように向上させた優れた蒸発放熱機構を提案し、装置の小型化を図ること。
以上の課題を解決し、高い加熱速度を維持し、高い熱流束を利用しつつ過熱を避け、高い熱効率と濃縮効率を達成し、もって、伝熱部材の長大化を防止し、装置の小型化により、設置スペースの制約から解放し、低コストを実現する効果を得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記課題を解決した本発明は次記のとおりである。
【００２２】
＜請求項１記載の発明＞
伝熱体外表面上に形成された実質的に鉛直方向の溝が水平方向に離反して複数形成された流路を重力落下する原液と、該伝熱体内部に流れる熱媒との間で熱交換を行う伝熱体であって、
該伝熱体は鉛直方向に複数段離隔配置される伝熱体群を構成し、各伝熱体の上端及び下端には先細部を備えることを特徴とする熱交換器。
【００２３】
（作用効果）
溝付きの表面流下式濃縮方法では、原液が伝熱体表面に加工された溝の中を重力によって流下する際、溝の内部において原液の持つ表面張力が機能し、非常に薄い液膜を形成することによって、熱交換を促進しようとするものである。請求項１に係る発明では、単に伝熱体表面上を流下させる場合に比して、互いに離隔する上段の伝熱体の下端先細部から下段の伝熱体の上端先細部へ滴下させるが、上下段は近接されていれば表面張力作用により伝熱体間に架橋液膜が生成される。この間は伝熱体で温められた原液溶媒は両伝熱体を跨いで流下する間に四方に開放された空間へ蒸発発散することができ、蒸発を促進することができるため、高い濃縮性能を発揮すると共にこの間に蒸発によって冷却され、たとえ、上段伝熱体下部で過熱状態となっていても、流下中に潜熱により冷却され、下段伝熱体で加熱流下する間も突沸が生じる程、過熱状態に達せぬよう調節する途を拓く。
【００２４】
下段への滴下では、軸方向から見て伝熱体両側から伝熱体外周を実質的に鉛直方向に形成された溝を流下する液は、両側から云わば１点に集められ、両流れが合流し、下段の伝熱体上端の先細部に集中滴下され、下段伝熱体面上左右に均等に分かれ下段の溝に導かれ流下する。溝を流下するときには、溝側壁界面で表面張力により薄膜が生成され、薄膜は蒸発を促進し流下する原液は濃縮される。多段の伝熱体を流下するにつれ、全体として均一な濃縮処理液となり、一過性の濃縮により濃縮を行うという要件に照らし、液溜まりを発生させず、淀みも発生させず、上下段伝熱体の間隔が滴下する液滴の大きさに適合し伝熱体間の滴下又は伝熱体間で液膜の架橋を構成されれば、表面張力の作用による合流作用により液の均一化が図られ、流れの滞りを避け、析出物の形成も排し好適である。ここで先細部とは、先端部が尖ったものは勿論のこと、先に行くに従い細く形成されている部位を指す。
【００２５】
請求項１に係る発明では、複数の伝熱体段を上段から下段へ流下する間に高い温度域の伝熱体外表面の実質的に鉛直方の溝を流路として重力落下する間に処理液に繰返し加熱を与え、高い蒸発性能を発揮し、高濃縮効率を発揮し、かつ伝熱体間を滴下又は架橋流下する間に適度に液冷されるので突沸に至る過熱を避けることができ、突沸を回避しつつ伝熱体面に均一に薄膜で流下させることを可能とし、所定の熱交換を実現し、結果として熱交換器を小型化小容量化し、熱交換器の長大化を回避し、装置を小型化し、低コストの熱交換器を提供する。
【００２６】
＜請求項２記載の発明＞
前記伝熱体が鉛直方向に複数段離隔配置される伝熱体群は、複数離隔配置されていることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【００２７】
（作用効果）
伝熱体は請求項１記載の構成により鉛直方向に複数段離隔配置され、ひとつの群を形成し、上下の処理液の流下により所定の濃度へ濃縮されるという質的側面を担保し、請求項２記載のように該伝熱管群を複数離隔配置することで、所定の濃縮量を確保するという量的側面を担保する。複数離隔配置の方法として、伝熱体の伝熱面が互いに対向するよう配置すると突沸により液が飛散する場合でも、互いの対向する伝熱面が受けとめ、再熱により蒸発を促すこともできる。
【００２８】
＜請求項３記載の発明＞
前記伝熱体外表面に形成される前記溝の側面が、開口端に向かって開口幅を大きく形成されていることを特徴とする請求項１又は２のいずか一方に記載の熱交換器。
【００２９】
（作用効果）
開口部を漸次広く形成し側壁壁面は開口部へ拡がるよう傾き角度が形成されるように溝形状を形成しておけば、開口部へ近付くほど側壁面が開口部へ拡がっているので、この液膜先端付近の膜厚は表面張力の作用がより強く働き、さらに薄くなり、溶媒の蒸発速度が促進され、濃縮効率を高めるという効果が得られる。
【００３０】
なお、特許文献５は外表面に軸方向に山谷の繰返し形状を成す溝を有する伝熱体について、山部の液を表面張力により谷部へ引き込み、山部に薄膜を生成する伝熱体を提案するが、本発明は、山部における効率的な伝熱を狙うのではなく（溝間の間隔も規定しない）、むしろ山部ではなく谷部（溝内）に優先的に原液を流下させてやり、溝内における原液の表面張力を利用した薄膜の形成によって効率的な熱交換を行うということを狙ったアプローチを取る点で異なる。
【００３１】
＜請求項４記載の発明＞
前記伝熱体外表面に形成される前記溝間は隣接する溝を谷部とする山形に形成されていることを特徴とする請求項１〜３項のいずれか一項に記載の熱交換器。
【００３２】
（作用効果）
請求項１に係る発明では、伝熱体群に処理液を単に流下させる場合に比して、互いに離隔する上段の伝熱体の下端先細部から下段の伝熱体の上端先細部へ滴下させ、上下段伝熱体の間隔が滴下する液滴の大きさに適合し伝熱体間の滴下又は伝熱体間で液膜の架橋が構成されれば、液膜は溝間の先細部にも充填され、条件によっては溝間の前記伝熱体外表面に拡がり流下する場合もあり得る。
【００３３】
このような場合であっても、再び液が溝に集まり溝側壁界面で薄膜を形成し、活発な蒸発作用を呈する仕組みを本請求項で立てている。すなわち、溝間は隣接する溝を谷部とする山形に形成されていれば、溝間の先細部に生成された液膜から溝間の伝熱体外表面に垂れる液は山形形状部の表面張力により溝間に吸引され、溝に合流する作用を与え、濃縮度を上げた処理は溝を流下する。溝に収まった処理液は、側壁に表面張力の作用により薄膜を形成し、活発に蒸発する。
【００３４】
＜請求項５記載の発明＞
前記伝熱体は、その伝熱体長手方向に垂直な断面形状が鉛直軸について左右線対称であることを特徴とする請求項１〜４項のいずれか一項に記載の熱交換器。
【００３５】
（作用効果）
請求項１記載の熱交換器の前記伝熱体は、その長手方向に垂直な断面形状は、必ずしも正多角形、真円、楕円である必要はないが、左右の流下速度は均一であることが好ましく、垂直軸について断面外縁は左右対称であることが好ましい。その断面形状が左右対称でない場合でも、溝の経路長は左右で同一であることが好ましい。
【００３６】
＜請求項６記載の発明＞
請求項１記載の前記熱交換器の前記伝熱体は、その伝熱体長手方向の鉛直断面形状を菱形とすることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の熱交換器。
【００３７】
（作用効果）
請求項１記載の熱交換器の前記伝熱体は、その伝熱体長手方向に垂直な断面形状を菱形とし、菱形の頂点を上端及び下端として配置すれば、互いに離隔する段間を上段の伝熱体の下端先細部から下段の伝熱体の上端先細部へ滴下させる構成を最も単純な形状で実現でき、製作も容易で経済的であり、低コストを目標の一つとする本旨に沿う。流下液の伝熱体からの剥離を避けるため、菱形の長軸を鉛直方向とすることが好ましく、短軸の角は丸みを持たせることが好ましい。
【００３８】
＜請求項７記載の発明＞
請求項１記載の前記熱交換器の前記伝熱体は、その長手方向に垂直な断面形状の上端下端が先細形を備える円形又は長円形であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の熱交換器。
【００３９】
（作用効果）
本発明に係る伝熱体群の段間の滴下は、上段先細部の先端から下段先細部の先端に滴下するものと構成される。上段の一方の面を流下する液と他方の面を流下する液は先細部の先端でひとつに合流し、下段の先細部の先端に到達する。流下する流量を調整すれば、原液は、滴下ではなく連続流体として架橋流下し、下段の伝熱体では管軸方向から見て流れは左右に分かれ各左右の伝熱体外周面を単調に流下する（降下する）。このように流下する液は、上下段の伝熱体の対向する先細部で合流と分岐を経ることで伝熱体外周左右面のばらつきが均一化する作用を提供し、伝熱体面に均一に薄膜で流下させる作用を提供する。この点、上端部に何ら形状の工夫を施されていない円形又は長円形を断面とする伝熱体に上段から下段に滴下又は流下しても、滴下後の外周面上左右への分岐は不安定であり、偶然形成された下段伝熱体上端部での液面形状によりいずれかの面下への流下の偏りが生ずる恐れがある。偏りが生じた側では、流量過多で液の昇温が不十分となり、偏りにより流量が少なくなった側では、ドライアウトが発生する可能性もある。このために断面形状が円形又は長円形であっても、前記伝熱体は、その断面形状の上端下端が先細形を備えることが好ましい。この場合も外周面からの剥離を避けるため及び液と伝熱体外周面の接触距離を確保するために長円形の長軸を鉛直方向とすることが好ましい。
【００４０】
＜請求項８記載の発明＞
請求項１記載の熱交換器の前記伝熱体は、その長手方向に垂直な断面形状を辺の数を偶数とする多角形であって、多角形の角を前記先細部とし、角を上下端に配置することを特徴とする請求項１〜５のうちいずれか一項記載の熱交換器。
【００４１】
（作用効果）
菱形以上の辺数を持つ多角形を断面形状とするときも、菱形同様に頂点を上端及び下端として配置すれば、互いに離隔する段間を上段の伝熱体の下端先細部から下段の伝熱体の上端先細部へ滴下させる構成を最も単純な形状で実現でき、製作も容易で経済的であり、低コストを目標の一つとする本旨に沿うことは請求項３記載の菱形の断面形状を有する熱交換器と同様であり、上端部及び下端部以外の角は丸みを持たせることが好ましいのも同様である。
【００４２】
＜請求項９記載の発明＞
前記伝熱体群には、伝熱体内の一つ以上の熱媒流路の熱媒温度若しくは流量を変えた伝熱体、伝熱体内の一つ以上の熱媒流路に熱媒を流さない伝熱体又は伝熱体内の一つ以上の流路に冷媒を流す伝熱体のうち少なくとも一つの伝熱体を備えることを特徴とする請求項１〜８のうちいずれか一項記載の熱交換器。
【００４３】
（作用効果）
熱設計によっては、請求項１記載の発明の作用効果に記載したような上段から下段への流下では蒸発潜熱の消費による原液の冷却が十分でなく、下段の伝熱体からの再加熱により流下中に臨界点を超え過熱状態となることもある。このような場合には、上段には熱媒を流すが下段の伝熱体には熱媒を流さず、下段の伝熱体の流下中は再加熱せず、蒸発潜熱による冷却を行い、十分に温度を下げた後にその更に次段において再加熱をするものとし、突沸を回避する。上方伝熱体下部で過熱状態となっていても、伝熱体間の架橋流下中に蒸発潜熱により冷却され、さらに下部伝熱体で流下する間も冷却を続け突沸が生じる程過熱状態に達せぬよう突沸を防止する仕組みを構成する。熱媒を流す伝熱体と熱媒を流さない伝熱体は一つずつに限らず、各々二つ以上の伝熱体を組の要素として構成し、複数の組を鉛直方向に積層してもよし、伝熱体に複数の流路を備え、一部の流路の熱媒温度や流量を変更し、流下する原液の温度を管理する。
【００４４】
熱に特に弱い物質を含む原液の濃縮に際しては、一部の伝熱体の熱媒流路に冷媒を流し所定濃度への濃縮が完了した後に速やかに冷却することを可能とし、流下する原液の温度をより木目細やかに管理する効果を得る。
【００４５】
以上のような様々な熱媒温度の組み合わせにより伝熱体の温度を細かく調整する伝熱体の複数段構成で熱交換器を構成する。この熱交換器により、
１）伝熱体群の配置、伝熱体の形状創意工夫により突沸現象を未然に防止すべく水平伝熱体群での均等な流下を確保し、ドライアウト・析出物を発生させない
２）伝熱体の溝と合わせ伝熱体の形状を工夫し、伝熱体からの原液剥離落下位置を伝熱体の最下位点とする仕組みを実現する
３）装置の工夫により原液が蒸発によって放熱する速度を、原液が受熱する速度に一致もしくは接近するように向上させた優れた蒸発放熱機構を実現する
４）原液の物性が熱に弱く、短時間で濃縮した後に速やかに冷却することによって原液の変質を防ぐ機構を実現する
等、高い加熱速度を維持し、高い熱流束を利用しつつ過熱を避け、高い熱効率と濃縮効率を達成し、もって、伝熱部材の長大化を防止し、装置の小型化により、設置スペースの制約から解放し、低コストを実現する効果を提供しているし、原液が長時間高温の状態におかれることにともなって生じる品質劣化（変質）の影響を防止させることも可能となる。
【００４６】
＜請求項１０記載の発明＞
請求項１記載の前記溝は、少なくとも下流で下流方向に漸次拡幅していることを特徴とする請求項１〜９のうちいずれか一項記載の熱交換器。
【００４７】
（作用効果）
表面流下式濃縮方法では、滴下し下流に行くほど液の濃度が増す。多くの場合、液の濃度が増せば粘度が増す関係にある。したがって、このような多くのケースでは、下流に行くほど粘性抵抗が増すのであるから、溶媒の蒸発による体積の現象と下流に行くほど増加する粘性抵抗とのバランスによっては、粘性抵抗を減少させる手当てをしないと液膜が下流に行くほど厚くなり、溝から溢れ流下が不安定になる可能性もある。その弊害を防止するため、溶媒・溶質の特性を考慮し、下流で下流方向に拡幅していることが好ましい。結果として、均等な流下を確保し、濃縮液の所定の濃度への濃縮を可能とする効果を得る。
【００４８】
＜請求項１１記載の発明＞
前記伝熱体外表面に形成される前記溝間は隣接する溝を谷部とする山形に形成されていることを特徴とする請求項１〜１０のうちいずれか一項記載の熱交換器。
【００４９】
（作用効果）
請求項１に係る発明では、伝熱体群に処理液を単に流下させる場合に比して、互いに離隔する上段の伝熱体の下端先細部から下段の伝熱体の上端先細部へ滴下させ、上下段伝熱体の間隔が滴下する液滴の大きさに適合し伝熱体間の滴下又は伝熱体間で液膜の架橋が構成されれば、液膜は溝間の先細部にも充填され、条件によっては溝間の伝熱体外表面に拡がり流下する場合もあり得る。
【００５０】
このような場合であっても、再び液が溝に集まり溝側壁界面で薄膜を形成し、活発な蒸発作用を呈する仕組みを本請求項で立てている。すなわち、溝間は隣接する溝を谷部とする山形に形成されていれば、溝間の先細部に生成された液膜から溝間の伝熱体外表面に垂れる液は山形形状部の表面張力により溝間に吸引され、溝に合流する作用を与え、濃縮度を上げた処理は溝を流下する。溝に収まった処理液は、側壁に表面張力の作用により薄膜を形成し、活発に蒸発する。
【００５１】
＜請求項１２記載の発明＞
前記伝熱体の本体の上部及び下部には、端部に向かう先細部を備え、この両先細部の間であって、各先細部の基部側と水平方向に延在する液溜まり凹部を介して離隔し、前記流路が、前記伝熱体の本体の両外表面に上に各々形成されていることを特徴とする請求項１〜１１のうちいずれか一項記載の熱交換器
【００５２】
＜作用効果＞
請求項１２に係る発明では、伝熱体を伝熱プレート状と伝熱プレートの両外表面には、溝が形成され、溝側壁界面で原液薄膜を形成し、熱媒流路から供給される熱流を元に処理液を蒸発させる。伝熱プレートは互いに離隔する複数段からなる伝熱プレート群を構成し柔軟な配置により濃縮仕様に適合する処理能力を構成することができる。
伝熱体の本体の上部及び下部には、端部に向かう先細部を備え、この両先細部の間であって、各先細部の基部側と水平方向に延在する液溜まり凹部を介して離隔し、この凹部の隙間の毛細管効果で原液を水平方向に引き伸ばして全ての溝に液が行き渡るようにしている。
【００５３】
＜請求項１３記載の発明＞
前記伝熱体は、基材をステンレス鋼よりも熱伝導性の良いセラミックス材料であることを特徴とする請求項１〜１２項のうちいずれか一項記載の熱交換器。
【００５４】
（作用効果）
伝熱体は、表面張力・基材の濡れ性にもよるが、その表面に1ｍｍないしそれ以下０．５ｍｍ程度の幅、深さの溝を形成するものであり、かような溝は金属であれば表面を活性化し易くさせ、突沸の発生により衝撃波も発生するので表面劣化が促進される可能性がある。一方、炭化ケイ素、窒化アルミニウム及びアルミナを主成分とするセラミックスはその表面に1ｍｍないしそれ以下０．５ｍｍ程度の幅、深さの溝を形成しつつ押出成形できれば、熱伝導率特性も金属一般よりも優れ、本発明に係る伝熱部材の基材材料として好適である。
【００５５】
＜請求項１４記載の発明＞
前記伝熱体の基材表面を基材よりも伝熱性が高い、ステンレス鋼材、セラミックス材又は高熱伝導性高分子材で被膜することを特徴とする請求項１〜１３項のうちのいずれか一項に記載の熱交換器。
【００５６】
（作用効果）
基材は、熱媒体、例えば温水との耐食性と熱伝導性、耐久性等の相性と加工性、組立製作面、コスト等の特性から選択される一方で、原液との熱交換を実施する伝熱体表面は、原液との耐食性、熱伝導性を考慮し最適な被膜材量を選択することで、濡れ性の最適化も含め選択することが好ましい。
【００５７】
＜請求項１５記載の発明＞
前記セラミックス材は、炭化ケイ素、窒化アルミニウム又はアルミナを主成分とすることを特徴とする請求項１３又は１４のいずれか一方に記載の熱交換器。
【００５８】
（作用効果）
炭化ケイ素、窒化アルミニウム又はアルミナは、セラミックスの中でも熱伝導率が高いもので伝熱部材の材料として好適である。ここでいう主成分とは、前記セラミックスを構成する全成分100質量％に対して、50質量％以上を占める成分をいう。主成分の同定については、Ｘ線回折法を用い、主成分の含有量については蛍光Ｘ線分析法またはＩＣＰ発光分析法により求めればよい。
【００５９】
＜請求項１６記載の発明＞
真空化手段に連結された真空容器内に、設置される蒸発器に請求項１〜１５記載の熱交換器のうち少なくともいずれか一つを用いたことを特徴とする表面流下式濃縮装置。
【００６０】
（作用効果）
本発明に係る表面流下式熱交換機を用いて原液の濃縮液を製造する装置についての発明である。
【００６１】
＜請求項１７記載の発明＞
下段へ流下する程、伝熱器外面に形成される流下路溝数が減ずることを特徴とする請求項１６記載の濃縮装置。
【００６２】
（作用効果）
請求項１７記載の表面流下式濃縮装置で積層構造の伝熱体群の上方には原液の分配手段を有し、ここから各伝熱体へ原液が流下される多段構成とするが下段へ下りる程液は濃縮され、体積が減少する。したがって、流路数がそのままであると流下する液が途切れ、ドライアウトや突沸の恐れが生ずるし、濃度が高くなれば粘度が高くなる性質の液だと粘性抵抗が大きくなり、ますますドライアウトや突沸の恐れが強くなる。そこで、下段へ行く程、溝を合流させ、溝を流れる流量を確保し、突沸現象を未然に防止し水平伝熱体群での均等な流下を確保し、ドライアウト・析出物を発生させない機構としている。
【００６３】
＜請求項１８記載の発明＞
前記伝熱体に超音波振動を加える手段を備えたことを特徴とする請求項１６又は１７のうちいずれか一方に記載の濃縮装置。
【００６４】
（作用効果）
伝熱体に超音波振動子で定常振動を加えると、適度な振動は均一な流下を促し、蒸発を促す作用を期待でき、液の流下と蒸発の安定化に寄与する。
【００６５】
＜請求項１９記載の発明＞
真空化手段に連結された真空容器内に複数段の伝熱体群を用いる表面流下式濃縮方法であって、
該伝熱体最上端に形成された先細部に原液が滴下又は流下される段階と、
該伝熱体に形成される溝を流路として流れる原液が、流下液と溝側壁との界面で薄膜を生成し蒸発する段階と、
上段の伝熱体外表面から原液液膜が剥離せず該伝熱体最下端に形成された先細部に合流する段階と、
上段伝熱体最下端に流下した原液は、伝熱体最下端の先細部からその下段に位置する下段伝熱体最上端の先細部へ滴下又は流下する段階を、
液が上段から下段への伝熱体を順次流下し真空容器底部へ滴下するまで繰返すことを特徴とする表面流下式濃縮方法。
【００６６】
（作用効果）
本発明に係る表面流下式熱交換機を用いて原液の濃縮方法についての発明である。
【００６７】
＜請求項２０記載の発明＞
突沸発生状況を検知する手段と、
予め設定されてルールにより突沸を判定制御する手段と、
運転条件を制御する手段を備え、
突沸の発生状況と前記ルールに照らし蒸発を促進する判定であれば、
蒸発を促進する運転制御をし、
突沸の発生状況と前記ルールに照らし突沸を抑制する判定であれば、
蒸発を抑制する運転制御をすることを特徴とする突沸制御手段を備えたことを特徴とする
請求項１９項記載の濃縮方法。
【００６８】
（作用効果）
突沸は、液過熱状態、液の粘度・熱特性、伝熱面での流れ、伝熱面の濡れ性及び伝熱面の局所温度等が複雑に絡む確率過程と認識すべきであり、本発明に係る表面流下式濃縮方法では、液膜という僅かな流量の液を加熱するものであり、小型化を目指せば、局所的な過熱が生ずる運転条件と成らざるを得ないし、そのような限界的な条件下であれば、運転条件により過熱を避ける制御を追求するよりも、むしろ、局所的に生ずる突沸をモニターし、この発生を運転条件に反映させることが得策である。
【００６９】
この考え方の元、請求項２０記載の発明では、運転条件を制御する手段と突沸発生状況を検知する手段を備え、後者により突沸の発生を検知し、突沸の発生から運転状況を把握し、予め設定されているルールにより突沸を判定制御する手段を備え、この手段により前記運転状況を入力として、過熱により突沸が僅かでも発生すれば抑制すべきと評価判定すれば、運転条件を制御する手段により、突沸を抑制する運転条件、例えば、熱媒体流量の抑制、熱交換器収納容器内の圧力を上げる等の変更をしたり、全体として蒸発量が不足で未だ所定の突沸が発生する程の加熱域に達していないものであり、蒸発量を促進すべきと評価判定する場合には、運転条件を制御する手段により、蒸発を促進する条件、例えば、熱媒体流量の増加、熱交換器収納容器内の減圧等の運転条件の変更をする。
【００７０】
突沸発生状況を検知する手段は、温度・流量・圧力等の間接的な手段よりも突沸は物理現象であるという特性を活かし、超音波センサーによる突沸発生の音波の検知やカメラによる伝熱面、容器内雰囲気の直接監視が有効であり、好ましい。
【００７１】
＜請求項２１記載の発明＞
請求項１９又は２０のいずれか一方に記載の表面流下式濃縮方法を使用する濃縮装置。
【００７２】
（作用効果）
本発明に係る表面流下式濃縮方法を用いて原液の濃縮液を製造する装置についての発明である。請求項２１項記載の濃縮装置は請求項１９又は２０のいずれか一方に記載の表面流下式濃縮方法を具現化した製造設備に相当するものである。該製造方法を用いて原液の濃縮液を製造する装置は、本発明の生産方法の発明の製造装置に該当する。
【００７３】
＜請求項２２記載の発明＞
前記セラミックス材を用いた前記伝熱体は、押出し成形又は加圧成形により形成することを特徴とする請求項１３〜１５のうちいずれかの一項に記載の熱交換器。      
【００７４】
（作用効果）
セラミックス材は、金属材料と異なり、押出しや加圧成型によって溝を形成でき、切削などの加工による溝の形成がなくなれば、コストを抑える効果を得られる。本方式であれば、溝の加工によって材料の変形を生じてしまったり、残留応力によって加熱した場合に変形したりする可能性もない。さらにセラミックス材は、腐食に非常に強いという特性がある。セラミックスは、熱膨張もステンレスより小さいので、精密に焼結する技術を確立できれば、メリットは大きい。特に、押出し方向に同一の溝形を備えるプレート型の伝熱体の製造には、押出し成形が好適である。溝が斜行するもの等、押出し方向に同一の溝形をもたないものは、加圧成形によるのが好適であり、金属加工を要さず、量産に向く成形法を利用できることがセラミックス材の利点である。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明に係る濃縮装置の一実施態様を示す模式側面図である。
【図２】本発明に係る熱交換器の一実施形態のうち菱形断面形状の伝熱体溝から滴下する処理液を示す模式図である。
【図３】本発明に係る熱交換器の一実施形態における伝熱体の積層スタック構造を示す模式図である。
【図４】本発明に係る熱交換器の伝熱体積層構造の第二の実施態様を示す模式図である。
【図５】本発明に係る熱交換器の伝熱体積層構造の第三の実施態様を示す模式図である。
【図６】本発明に係る熱交換器の伝熱体の第四の実施態様を示す突状端を備える真円断面形状示す模式断面図である。
【図７】本発明に係る熱交換器の伝熱体の第五の実施態様を示す突状端を備える長円断面形状示す模式断面図である。
【図８】本発明に係る熱交換器の伝熱体の第六の実施態様を示す伝熱体内面にフィンを設けたもの断面形状を示す模式断面図である。
【図９】本発明に係る熱交換器の伝熱体の第七の実施態様を示す伝熱体内面にフィンを設けたもの断面形状を示す模式断面図である。
【図１０】対向する突状端に形成される架橋液を説明する断面模式図である。
【図１１】第八の実施形態に係る突沸制御手段を備えた濃縮装置の機能連携説明図である。
【図１２】伝熱体の溝部の詳細を示す水平断面図である。
【図１３】本発明に係る熱交換器の第九の実施形態における伝熱体構造の積層スタック構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００７６】
以下、本発明の一実施形態について添付図面を参照しながら詳説する。
図１は、本発明に係る濃縮装置の一実施態様を示す模式側面図であり、図２は、本発明に係る熱交換器の一実施形態のうち菱形断面形状の伝熱体溝から滴下する処理液を示す模式図であり、図３は、本発明に係る熱交換器の一実施形態における伝熱体の積層スタック構造を示す模式図である。
【００７７】
図１に示されるように、本発明に係る濃縮装置１で使用する熱交換器２は液の蒸発機能を担い真空容器内４１に設置される。熱交換器の伝熱体１０は真空容器内に水平に積層設置され端板４２，４７で支持されている。真空手段により真空容器は排気口４５から吸引され、処理圧力に設定される。原液は、原液投入口４４から投入され、原液分配器４６を経由し原液スプリッター４３より熱交換器２の最上部に設置されている伝熱体１０の溝１１（図２参照）へ滴下される。伝熱体は図２に示すように内部流路には熱媒である温水が流され、伝熱体外表面に形成されている溝１１を流路として流下する処理液と熱交換し、処理液の溶媒を蒸発させ液を濃縮する。水平に設置されている伝熱体１０は上下方向に多段にスタックされている。図２に示されるように伝熱体１０は、その上端及び下端に先細形状１４，１５を呈する菱形であり、断面から見れば左右対称の形状とし、左右の流路となすその外周に形成される溝の行程長さは左右で同一とし、左右で均等の流れを実現する。菱形の角度は緩やかな縦長と形成されており、水平端では、淀みを避けるため丸められ、かつ、外表面を流下する処理液が途中で重力及び流れの遠心力で剥離しないように丸みが形成されている。
【００７８】
上段の伝熱体１０の下端は先細１４に形成され先端からは、離隔距離が大きければ、左右から流下される処理液が均等に下段の伝熱体１０へ滴１２のように滴下されるが、本発明では滴下すべき原液は、十分に近接する下段の伝熱体の上端に形成される先細部１５に受け止められて、両者は近接配置されているために、表面張力の作用により液の架橋を生成し、流量が盛んなときには、溝間を跨る架橋１７が形成され、下段の伝熱体１０の外周に形成されている溝１１へ導かれ、この溝を流路として再び伝熱体の外周部を重力の作用により流下し、以下、これを繰返し、下段の伝熱体１０に液滴１３を滴下する。熱交換器２の最下段の伝熱体１０から滴下し終えると濃縮工程Ｓ０を完了し、濃縮液は液出口４８から排出される。熱交換器２には超音波振動子５０が据えられ、熱交換器を振動子させ、原液スプリッター４３からの原液の流出を促し、伝熱体からの液滴下を促進し、合わせて伝熱体面からの蒸発を促進し、汚れの付着も防止する。図３に示すように、熱交換器２内の伝熱体１０は上方にも水平方向にも積層されコンパクトな空間で熱交換処理を行い、経済的な構成を実現する。      
【００７９】
図１で原液スプリッター４３より熱交換器２の最上部に設置されている伝熱体１０へ滴下される際にも、上記と同じ原理を働かせ、溝間を跨る架橋１７を形成し、溝間に均等に液が配分され均一な濃縮を実現する。
【００８０】
図４は、本発明に係る熱交換器の伝熱体積層構造の第二の実施態様を示す模式図である。図４の最上部の伝熱体１０で熱せられた処理液は、続けて次段の伝熱体２０で続けて熱せられると過熱域に達し突沸を招きかねないので、本実施例では、次段の伝熱体２０は温水は流さず、処理液は余熱で外表面の溝を流下する間に蒸発し、放熱する。次段の伝熱体１０には、伝熱体内部に温水が通され再び処理液は加熱され、活発に蒸発をし、温水が流されない次段の伝熱体２０に滴下し、再び放熱し冷まされ、過熱による突沸を防止する。このように、管内に熱媒体を流す加熱・蒸発ゾーンと管内に熱媒を流さない蒸発液冷ゾーンとを交互に構成し、全体として適切な温度制御を実現する。この多段構成を活用し、流路に熱媒を流さない代わりに温度を下げた熱媒を流し、温度調整をよりきめ細かく管理することもできるし、また、流路には熱媒の代わりに冷媒を流し、原液の種類によっては、液を速やかに冷却し温度による改質を低減させることもできる。
【００８１】
図５は、本発明に係る熱交換器の伝熱体積層構造の第三の実施態様を示す模式図である。伝熱体１０上段から下段に向けて流下する処理液は、下段に向かうにつれて濃度が高まり、処理容量が減少する。したがって、上段部と同様の熱流で熱交換処理を行うと、流れが途絶えてオーバーヒート状態となり、ドライアウトにより析出物が出るなど不都合が発生する場合もある。本実施例では、上段から下段に下がるにつれて、処理液の体積の減少に連れて流路を２４本から１２本へ、さらに６本へと減少させ、常に流路に一定の処理液を流し、ある程度の流下速度を確保し均一な処理を実現する。伝熱体１０の溝数は伝熱体２１へ行けば半減し、伝熱体３１へ下りればさらに半減する構成となっている。伝熱体１０と２１の間には近接する先細部間に処理液の架橋２３が生成され、下段の伝熱体２１へ流下される。下段の伝熱体の溝からそれて溝間に垂れてしまった液も溝間の外表面は隣接する溝との間に山が形成されているので、表面張力の作用により、溢れて垂れた処理液２２も溝１１引き込まれる。自動的に溝に処理液が合流する仕組みが組み込まれている。
伝熱体内部を流れる熱媒である温水は、最上段の伝熱体１１は高温水に、中段の伝熱体２１は中温水に、最下段の３１は低温水が流され、処理内容により各伝熱体の温度制御を伝熱体毎に細やかに行う。最下段の３１は低温水とし、濃縮済みの液温を早く下げ、濃縮液の温度による変質を防止する作用も与えることができる。
【００８２】
図６は、本発明に係る熱交換器の伝熱体の第四の実施態様のうち突状端を備える真円断面形状を示す模式断面図である。この実施例では、伝熱体１０の断面形状を真円とし、上下端に先細部を設けている。シンプルな形状である。
図７は、本発明に係る熱交換器の伝熱体の第五の実施態様のうち突状端を備える長円断面形状を示す模式断面図である。断面形状を長円とし、外表面の溝を流下するに際して、真円断面形状に比べて中途で液が剥離落下しにくい形状として、合わせて流路長をより長く構成し熱交換を促進する。
図８は、本発明に係る熱交換器の伝熱体の第六の実施態様のうち伝熱体内面にフィンを設けたものの断面形状を示す模式断面図である。伝熱体内面にフィンを設け温水との熱交換効率を向上させている。
図９は、本発明に係る熱交換器の伝熱体の第七の実施態様のうち伝熱体内面にフィンを設けたものの断面形状を示す模式断面図である。伝熱体内面にフィンを設け温水との熱交換効率を向上させている。
図１０は、対向する突状端に形成される架橋液１６を説明する断面模式図である。伝熱体の上下端は先細状に構成されているので、先細部１４，１５間に滴下時に表面張力が働き、処理液による架橋１６が構成され、下段でも左右に等しく処理液が振り分けられ、均一な濃縮工程を実現する。
【００８３】
図１１は、第八の実施形態に係る突沸制御手段を備えた濃縮装置の機能連携説明図である。第一の実施形態で示す濃縮工程Ｓ０に突沸制御工程Ｓ１５を加えた濃縮方法の工程間連携図である。  突出制御工程Ｓ１５は、突出発生検知工程と突沸判定工程及び運転制御工程の各サブ工程からなる。
【００８４】
突出発生検知工程Ｓ１は、超音波信号レベルを測定時間間隔毎に超音波センサーにより突沸の発生に伴う超音波を信号変換し、アナログデジタル信号変換の後、運転制御装置へ入力する。
【００８５】
突沸判定工程Ｓ２は、濃縮原液の種類、要求される濃縮度、伝熱面温度等の諸要素に依存するが、伝熱面の２０％に突沸が発生している状況であると判断される超音波信号レベルを受け取れば、予め設定されている突沸判定ルールＳ３を参照し、突沸を抑制すべき処理を運転制御工程に命ずる。
【００８６】
運転制御工程Ｓ４は、突沸判定工程から指示される条件により、運転条件を変更し、予め設定されている運転モードを実行する。突沸を抑制すべき運転モードであれば、突沸を抑制する運転条件、例えば、熱媒体流量の抑制、熱交換器収納容器内の圧力を上げる等の変更を指示し、自動運転により又はマニュアル運転により運転条件を変更する。
【００８７】
蒸発量を促進すべきと評価判定する場合には、運転条件を制御する手段により、蒸発を促進する条件、熱媒体流量の増加、熱交換器収納容器内の減圧等の変更をする。
【００８８】
この濃縮方法を使用すれば、濃縮条件を最適化し過度の運転上による溶質の析出を防止し、熱収支の無駄を排するともに所要の濃縮能力を確保することができる。
【００８９】
本発明の、複数の伝熱体形状や多段構成の伝熱体構成は、熱交換器内すべてに同一のものである必要はなく、これらを組み合わせても、その一部を各該当する請求項に係る発明によるものとしてもいずれの構成でもよい。
【００９０】
図１２は、本発明の実施態様における溝の断面形状を示す図である。伝熱体１０表面には複数の溝１９が形成されている。流路として作用する溝内の形状は、溝の側面が、開口端に向かって開口幅を大きく形成されていることを特徴としており、開口部を漸次広く形成し側壁壁面７０は開口部へ拡がるよう傾き角度が形成されるように溝形状を形成しておけば、開口部へ近付くほど側壁面７０が開口部へ拡がり、溝内では、開口端へは同一の傾斜角を与え、この液膜先端付近の膜厚は表面張力の作用がより強く働き、薄膜７１が生成されさらに薄くなり、溶媒の蒸発は促され、濃縮効率を高めるという効果が得られる。
【００９１】
伝熱体１１外表面に形成される溝間は隣接する溝１１を谷部とする山形７２に形成されている。  伝熱体上段から滴下される条件によっては下段の溝間の伝熱体外表面に処理液７３が拡がり流下する場合もあり得る。
【００９２】
このような場合であっても、再び処理液７３は表面張力の作用により図の矢印で示すように山から落ち、再度集まり溝側壁界面７０で薄膜７１を形成し、活発な蒸発作用を呈する。溝間は隣接する溝を谷部とする山形７２に形成されていれば、溝間の先細部に生成された液膜から溝間の伝熱体外表面に垂れる液７３は山形形状部の表面張力により溝間に吸引され、溝内に合流する作用を与え、濃縮度を上げた処理液は溝を流下する。溝に収まった処理液は、側壁に表面張力の作用により薄膜７１を形成し、活発に蒸発する。
【００９３】
図１３は、本発明に係る第九の実施形態である伝熱体の積層スタック構成５を示す模式図である。真空化手段に連結された真空容器内に鉛直設置される伝熱体８１は伝熱体コア８０に貼り合わせ伝熱体構造を形成し支持孔を通じて積層スタック構成に設置されている。伝熱体８１の鉛直両面上に設けられている溝１１に流下され、溝が開口部に向かい開かれて形成されている溝側壁界面で重力により落下しつつ薄膜を形成する原液と、伝熱体コア８０内部に複数設けた熱媒流路８４を流れる熱媒との間で熱交換し原液の濃縮を行う表面流下式プレート濃縮装置である。
【００９４】
該伝熱体構造は互いの伝熱体８１を離隔させ複数段のスタック、複数列の積層からなる伝熱体構造群を構成し、各伝熱体構造の上端及び下端は先細部１４，１５を備え、上段の伝熱体構造から下段の伝熱体構造への液流下では、上段伝熱体構造最下端の先細部１４と下段伝熱体構造最上段の先細部１５間に液滴又は液膜が生成される多段流下構成とし、隣接する伝熱体８２，８３は、複数列離隔して列方向に積層設置され、上段の伝熱体構造から下段の伝熱体構造へ順次原液が前記先細部１４，１５を経由し滴下又は流下され、前記伝熱体構造各段を流下する原液が最下段まで滴下又は流下処理され真空容器底部で濃縮液となる。
【００９５】
伝熱体構造のトップに流下される原液は、トップが先細部で形成されているため、原液は両面に分配される。原液は、伝熱体コア外面を流下し、伝熱体と伝熱体コアで形成されている僅かな隙間８６に流入すると表面張力の作用で伝熱体幅一杯に均等な膜を生成する。均等な膜は溝１１に吸引され、均等に流下する。万一、溝間に原液が垂れてしまっても、伝熱体８１の溝間は山形７２に形成され、溝間に原液が垂れてしまっても山形部分の表面張力により、液は溝に落とし込まれる。
【００９６】
１）  処理液が伝熱体構造の下端１４に達すると、下段の伝熱体構造の上端１５に形成されている先細部との間に液膜が生成される。両面で濃縮された液がこの架橋膜で一体となり、エッジを境に再び両面の伝熱体へ流下する。
２）  本実施態様では、以下の効果が得られる。
３）  伝熱体構造の積層スタック構成により、伝熱体構造のスタック段数を変更することで濃縮度を変更することができる
４）  伝熱体構造をユニット単位として、装置構成を標準化でき、伝熱体構造のスタック段数、水平積層行列数の増加により容易に大型化設計ができる。
５）  伝熱体構造の段毎に熱媒を変えたり、伝熱体コア内部を流れる熱媒孔毎に熱媒温度を変えたり、これらの単位で加熱を行わなかったりと精密な温度制御ができる。
６）  原液が溝に集まる仕組みが組込まれ、効率的な濃縮と均一な濃縮液を提供することができる。
７）  伝熱体構造は、積層スタックの構成に便宜であり、装置の省スペースが図られ、省エネルギー化に貢献でき、発明の目的に沿うものである。
【００９７】
以上、本発明に係る実施の形態を説明したが、本発明は係る実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
本発明は、表面流下式濃縮方法に関するもので、特に熱影響を受けやすい原液の濃縮に用いて好適であり、小型の省エネルギー装置で実施可能とし、低温で一流下による高純度の濃縮液を提供する。
【符号の説明】
【００９９】
1…濃縮装置、２…熱交換器、１０…伝熱体、１１…溝、１２、１３…液滴、１４…最下端先細部、１５…最上端先細部、１９…伝熱面溝群、２３…架橋液膜、２２…液ダレ、４０…熱媒流路（冷媒流路）、４１…真空容器、４２…端板、４３…原液スプリッター、４４…原液入口、４５…排出口、４６…原液分配器、４８…濃縮液出口、７０…溝側壁、７１…薄膜液、７２…溝間山形、７３…液ダレ、８０…伝熱体コア、８１…伝熱体、８２，８３…対向する伝熱体、８４…熱媒口、８５…伝熱体コア支持孔、８６…処理液分配スプリッタ、Ｓ０…濃縮工程、Ｓ１５…突沸制御工程、Ｓ１…突沸発生検知工程、Ｓ２…突沸判定、Ｓ３…突沸判定ルール、Ｓ４…運転制御工程
【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１】
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【図２】
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【図５】
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