(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換対象の流体を流す配管と、この配管に対して熱の授受を行なう熱源とをアルミニウムにて鋳込んでなり、また、前記配管がスパイラル状であり、該配管に取り囲まれるように前記熱源を該配管のスパイラルの中に位置させ、かつ、前記熱源と前記配管との間に前記アルミニウムを介在させてあることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
熱交換対象の流体を流す配管と、この配管に対して熱の授受を行なう熱源とを、配管内に不活性ガスを流しながらアルミニウムにて鋳込んでなり、また、前記配管がスパイラル状であり、該配管に取り囲まれるように前記熱源を該配管のスパイラルの中に位置させ、かつ、前記熱源と前記配管との間に前記アルミニウムを介在させてあることを特徴とする熱交換器。
【請求項３】
気化対象の液体を流す耐腐食性の配管と、この配管を加熱するヒータとをアルミニウムにて鋳込んでなり、また、前記配管がスパイラル状であり、該配管に取り囲まれるように前記ヒータを該配管のスパイラルの中に位置させ、かつ、前記ヒータと前記配管との間に前記アルミニウムを介在させてあることを特徴とする気化器。
【請求項４】
気化対象の液体を流す耐腐食性の配管と、この配管を加熱するヒータとを、配管内に不活性ガスを流しながらアルミニウムにて鋳込んでなり、また、前記配管がスパイラル状であり、該配管に取り囲まれるように前記ヒータを該配管のスパイラルの中に位置させ、かつ、前記ヒータと前記配管との間に前記アルミニウムを介在させてあることを特徴とする気化器。
【請求項５】
温度センサを前記配管に近接または接触させてなる請求項３または４に記載の気化器。
【請求項６】
前記ヒータが１本のヒータを折り畳んでなる請求項３〜５の何れかに記載の気化器。
【請求項７】
請求項３〜６の何れかに記載の気化器と、この気化器の配管に所定流量のキャリアガスを供給するガスマスフローコントローラと、同配管に所定流量の気化対象の液体を供給する液体マスフローコントローラとを有することを特徴とする気化システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱交換器、気化器、および、この気化器を用いた気化システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、熱交換器として流体同士の熱の交換を行うものや、ヒータなどの個体によって流体を加熱したり、電子冷却器などの個体によって流体を冷却するものがある。また、ヒータを用いて液体を加熱して、これを気化する気化器が多くの分野で用いられている。
【０００３】
図６は従来の代表的な気化器２１の構成の一例を示す斜視図である。図６において、２２はアルミニウムからなる気化器２１の下ブロック、２３は上ブロック、２４は両ブロック２２，２３の間に挟まるように固定される配管（カラム）である。２５は前記アルミブロック２２，２３の適所に埋設されたヒータ、２６は上下ブロック２２，２３の適所に埋設されてカラム２４の温度を測定する温度センサである。
【０００４】
すなわち、ブロック２２，２３の間にカラム２４を挟んだ状態でヒータ２５を加熱することにより、このヒータ２５によって発生した熱がアルミブロック２２，２３を介してカラム２４に到達し、カラム２４内の流体を加熱する。そして、カラム２４が十分に加熱されることにより、カラム２４内を流れる液体が気化されて流出する。また、カラム２４内には熱伝導率を改善するために、ステンレスやチタン等の充填材を充填されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の気化器２１では、ヒータ２５から加熱対象となる液体を流通するカラム２４までの間にアルミブロック２２，２３との接触部分が多数あり、各部材２２〜２６の組み付けるためには、幾らかの隙間が生じることは避けられなかった。そして、熱の伝達経路に生じた少なくとも幾らかの空間が熱伝達の妨げとなっていた。
【０００６】
そこで、従来よりアルミブロック２２，２３とカラム２４，ヒータ２５，温度センサ２６の接触部分に熱伝達を良くするための熱伝導パテを介在させることや、カラム２４内に熱伝導率を向上するための充填材を封入することが行われている。ところが、熱伝導パテを塗布したとしても各部材２２〜２６の接触部分には幾らかの隙間が残り、これによって熱伝導率の低下が生じるだけでなく、たとえ隙間を完全になくすことができたとしても熱伝導パテはアルミブロック２２，２３に比べて熱伝導が低かった。そして、熱伝導率の低下によってカラム２４内で気化する際に必要とする気化熱（熱の減少分）を補うための熱伝達を行うことができず、これが気化不良の原因となっていた。
【０００７】
また、熱伝導率の向上のためにカラム２４内にステンレスやチタン等の充填材を詰めることも行われているが、この場合には、メッシュと呼ばれる蓋にてカラム２４内に充填材を密閉する必要があり、その構造が複雑になることは避けられなかった。そして、前記充填材を配管２４内に充填することによって、その流路が狭くなり、これによって気化できる液体の流量が限定されるという問題もあった。加えて、カラム２４内の充填材の影響で圧力損失が大きくなることも避けられなかった。
【０００８】
さらに、カラム２４内の充填材は、カラム２４の内部において液体の気化熱によってその温度が降下するので、この温度降下の検知が遅れたり、極端な場合は検知ができなかったりする場合もあった。すなわち、前記気化器２１において、熱検知と熱供給の理想的な関係は、カラム２４内の充填材中心部で気化熱によって奪われた熱低下をいち早く検知し、ヒータ２５へフィードバックをかけることである。しかしながら、前記気化器２１の構成では、カラム２４内の充填材中心部で起こった熱低下が温度センサ２６とヒータ２５の位置関係による熱平衡によって飽和してしまうので、カラム２４内の充填材中心部で起こった熱低下の正確な状況を温度センサに伝達することができなくなるといった現象が起こり、結果としてヒータ２５から十分な熱を供給できず、気化不良を起こす原因となっている。
【０００９】
これらの問題に加えて、従来の気化器は、その部品点数が多くなることや、構造が複雑になることが必至であるから、その製造コストが高くなることが避けられなかった。
【００１０】
本発明は、上述の実情を考慮に入れてなされたものであって、その目的は、気化量増加、低圧損化、コストダウン、低消費電力化、小型化を達成する熱交換器、気化器、および、この気化器を用いた気化システムを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、第１発明の熱交換器は、熱交換対象の流体を流す配管と、この配管に対して熱の授受を行なう熱源とをアルミニウムにて鋳込んでなり、また、前記配管がスパイラル状であり、該配管に取り囲まれるように前記熱源を該配管のスパイラルの中に位置させ、かつ、前記熱源と前記配管との間に前記アルミニウムを介在させてあることを特徴としている。すなわち、安価で軽量であるアルミニウムを用いて配管と熱源を鋳込むことにより、熱伝導の妨げとなる隙間をなくすことができ、それだけ熱伝導ロスを少なくすることができる。とりわけ、アルミニウムは銀，銅，金に続いて熱伝導率が優れているので熱伝導率を飛躍的に向上できるだけでなく、その融点が６６０．４℃であるから単体の金属としては比較的低く、配管，熱源を傷めることなく鋳込むことができる。
【００１２】
また、第２発明の熱交換器は、熱交換対象の流体を流す配管と、この配管に対して熱の授受を行なう熱源とを、配管内に不活性ガスを流しながらアルミニウムにて鋳込んでなり、また、前記配管がスパイラル状であり、該配管に取り囲まれるように前記熱源を該配管のスパイラルの中に位置させ、かつ、前記熱源と前記配管との間に前記アルミニウムを介在させてあることを特徴としている。すなわち、配管内に不活性ガスを流しながら鋳込むことにより配管内を酸化することなく、鋳込むことができる。
【００１３】
第３発明の気化器は、気化対象の液体を流す耐腐食性の配管と、この配管を加熱するヒータとをアルミニウムにて鋳込んでなり、また、前記配管がスパイラル状であり、該配管に取り囲まれるように前記ヒータを該配管のスパイラルの中に位置させ、かつ、前記ヒータと前記配管との間に前記アルミニウムを介在させてあることを特徴としている。すなわち、鋳込みによって配管とヒータとの間に熱伝導の妨げとなる空間を極めて容易に無くすことができる。また、液体の気化によって気化熱が吸収されて配管の温度が低下しても、配管とヒータとの間の熱伝導が極めて良く、従来の気化器に生じた熱平衡の問題が生じることはなく、配管をヒータによって十分に加熱でき、確実な気化を行うことができる。さらに、鋳込みによって連結される配管とヒータの接続は相互の位置関係に全く関係なく行えるので、各部材はどのようにでも配置でき、極めて簡単にその熱伝導を最大限に改善することができる。
【００１４】
そして、熱伝導が改善されることにより、熱交換がよりスムーズに行われて、小型の気化器によってより大量の液体を気化することができる。また、従来のように熱伝導パテを使用したり、充填材を充填するまでもなく熱伝達率を向上できるので、気化器を構成する部品の点数を少なくすることができ、それだけコストダウンを達成できる。
【００１５】
第４発明の気化器は、気化対象の液体を流す耐腐食性の配管と、この配管を加熱するヒータとを、配管内に不活性ガスを流しながらアルミニウムにて鋳込んでなり、また、前記配管がスパイラル状であり、該配管に取り囲まれるように前記ヒータを該配管のスパイラルの中に位置させ、かつ、前記ヒータと前記配管との間に前記アルミニウムを介在させてあることを特徴としている。すなわち、配管内に不活性ガスを流しながら鋳込むことにより配管内を酸化することなく、鋳込むことができる。
【００１６】
温度センサを前記配管に近接または接触させてなる場合には、温度センサを配管に近接または接触されるように鋳込むことにより、温度センサは配管の温度を確実に測定することができる。
【００１７】
前記ヒータが１本のヒータを折り畳んでなる場合には、ヒータの部品点数を少なくすることができ、それだけ、部品点数を少なくすることができる。
【００１８】
本発明の気化システムは、前記気化器と、この気化器の配管に所定流量のキャリアガスを供給するガスマスフローコントローラと、同配管に所定流量の気化対象の液体を供給する液体マスフローコントローラとを有することを特徴としている。したがって、前記気化システムを用いることにより、気化対象の液体を気化し、これをキャリアガスによって所定の流量で供給することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施例を示す気化器１の例を示す斜視図であり、図２は側面図である。図１，２において、２は気化対象となる液体Ｌを流す耐腐食性（例えばステンテス製）の配管、３はこの配管２を加熱するヒータ、４は配管２の温度を測定する温度センサ、５は前記各部材２〜４をアルミニウムにて鋳込んで形成される外形（アルミブロック）を示している。
【００２０】
前記配管２は直径１／４インチのステンレス製であり、本例ではその全長が３１００ｍｍであり、中心径７０ｍｍのスパイラルを描くように、１３周半巻いて形成されている。本例では、気化対象となる液体Ｌは配管２の一端２ａから流入し、気化された気体Ｇは他端２ｂから流出するように構成されている。
【００２１】
ヒータ３の容量は例えば１ｋＷであり１本のヒータを前記アルミブロック内で２往復するように折り畳んでなり、前記配管２のスパイラルの中に位置させている。温度センサ４は配管２の近傍または配管２に接触するように配置されており、特に例えば配管２の下流側における配管２の温度を測定する。そして図外の制御回路は温度センサ４によって測定された温度が所定の温度以下になるように、ヒータ３に供給する電力を調節する。
【００２２】
すなわち、ヒータ３によって流体に加えられる熱量は、その温度が液体Ｌを気化させる以上の化学反応を起こさせることがない程度に、温度調節されるように構成されている。
【００２３】
前記各部材２〜４は、上述のように配置した状態で一点鎖線に示すように全ての部材２〜４を封入できる大きさの容積を有する容器（図外）にセットし、配管２内に不活性ガスとしてアルゴンガスを流しながら、７００℃程度に加熱して溶解したアルミニウムを流し込んでアルミブロック５を形成する。本例の場合、アルミブロック５の外形寸法は、その高さおよび奥行きが９０ｍｍであり、その長さが２２２ｍｍである。なお、本例では不活性ガスの例としてアルゴンガスを配管２内に流すことにより、配管２の内部が熱によって酸化することを防止しているが、アルゴンガスの代わりに他の不活性ガスを用いてもよい。
【００２４】
本発明の気化器１を構成する各部材２〜４はアルミニウムによって鋳込まれるので、本例のようにスパイラル状に巻き取った配管２であっても複雑な形状のブロックを組み合わせることなく極めて容易に完全に隙間なくアルミニウムで覆うことができる。また、ヒータ３や温度センサ４の配置も自由に決められるので、最も効率的な配管２，ヒータ３，温度センサ４の配置を自在に設定できる。そして、ヒータ３や温度センサ４の位置をどのように設定してもアルミニウムによって隙間なく鋳込まれるので、その熱伝達の効率を最大限に良くすることができる。
【００２５】
アルミニウムは、単体の金属としては比較的低い６６０．４℃で溶解するので、配管２，ヒータ３，温度センサ４として、この温度よりも高い融点を有するものを選択すれば、その材質を選ぶ必要はない。また、アルミニウムは銀，銅，金に続いて高い熱伝導率を有するものであるから、アルミニウムで鋳込むことにより、ヒータ３からの熱をより効果的に配管２に伝達させることができる。なお、本発明ではアルミニウムを鋳込むことにより、軽量かつ安価で、容易に熱伝導率を上げることができるが、鋳込みに用いる金属として銀や銅を用いたほうがより高い熱伝導率を得ることができることはいうまでもない。
【００２６】
次に、前記構成の気化器１の動作を説明すると、ヒータ３を用いて加熱することにより、その熱が図２の矢印Ａに示すように、アルミニウムを伝達して確実に配管２に到達し、配管２の温度が上昇する。すなわち、ヒータ３が配管２によって形成されたスパイラルの中に配置されているので、ヒータ３から発生した熱が先ず周囲の配管３を加熱することができ、これによって効率を上げることができる。このとき、ヒータ３と配管２との間にはアルミニウムだけが介在しており、接続部分や空洞などの熱伝達の妨げとなるものが何もなく、極めて効率的に配管２を加熱できる。
【００２７】
また、配管２内で液体Ｌが気化すると気化熱が取り去られて配管２の温度が低下するが、温度センサ４は配管２に接するように配置されているので、この温度センサ４によって配管２の温度低下を確実に検知することができる。とりわけ、アルミニウムの鋳込みによって配管２に接するように配置された温度センサ４は配管２の温度を遅れ時間なしに正確に測定でき、図外の制御回路によってヒータ３に供給する電力の調節を行う。
【００２８】
なお、温度センサ４の位置は配管２に接するものであることがより望ましいが、その近傍に位置するものであってもよい。つまり、温度センサ４が配管２に接していても近傍に配置されていても、アルミニウムの鋳込みの作業には何ら問題となることがなく、その機能にも大差が生じることはない。
【００２９】
配管２の一端２ａから供給された液体は配管２内を流動する間にヒータ３からの熱をもらって気化し、気化熱を奪って下流側の他端２ｂから排出される。そして、一旦気化されたあとは気化熱を必要としないので、配管２の温度を下げることもない。すなわち、配管２の上流側においては気化熱によって配管２の温度が低下するが、配管２の下流側においては気化熱を必要としていない。したがって、下流側における配管２の温度が液体を気化させる程度以上の温度であるとき、配管２を流れる液体Ｌは完全に気化されて、気体Ｇとして排出されることになる。
【００３０】
本例の場合、配管２がスパイラル状に配置されて、その長さが十分に確保されているので、配管２の内部を流動する液体が気化するために十分な熱量を受けることができる。したがって、配管２内に熱伝導率を向上するための充填材を詰め込んだりする必要がなく、充填材を使用したときに生じる圧力損失をなくすことができる。また、従来のような充填材を充填する代わりに配管２の長さを長くして液体Ｌに対する熱伝導を向上しているので、液体Ｌの気化熱が奪われても、この熱低下の正確な状況を温度センサによって検出でき、気化不良の発生を防止できる。そして、充填材の充填を省略することにより、その構造を可及的に簡素にすることができる。
【００３１】
また、ヒータ３を配管２のスパイラルのほゞ中心に位置するように配置しているので、ヒータ３と配管２との間のアルミニウムが熱の均等を図るものとなり、配管２に局部的な高温部を形成することがない。つまり、上述した圧力損失を無くす効果に加えて配管２を均等に加熱できる効果があるので、気化器として理想的な熱の供給を行なうことができる。
【００３２】
次に、表１，表２を用いて、本発明の気化器１を従来の気化器２１と比較して、その性能の差を明らかにする。
【００３３】
【表１】
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【００３４】
表１に示すように、前述した例の気化器１を用いて気化潜熱が比較的大きい水にて実験を行ったところ、本発明の気化器１では最大２２ｇ／ｍｉｎの水を長期間にわたって安定に気化することが可能となった。他方、従来の気化器２１を用いた場合は、設定温度を本例と同じ１２０℃として、４ｇ／ｍｉｎ程度の水しか安定して気化することができなかった。
【００３５】
また、従来の気化器２１の設定温度を２００℃，３００℃に上げたところで、最大流量は５ｇ／ｍｉｎや７ｇ／ｍｉｎ程度にしかならなかった。さらに、気化器の大きさは、本発明の気化器１が90×90×222 (mm)であるのに対して、従来の気化器２１は70× 140×500(mm) であり、本発明の気化器１がコンパクトに形成できる。
【００３６】
すなわち、本発明の気化器１は従来の気化器２１に比べて、その容積比が３７％程度の大きさでありながら、最大気化量を５．５倍に向上することができるだけでなく、ヒータの容量を半分にし、圧力損失を約３５％に引き下げることができることが分かる。つまり、より小さな容積で従来の気化器２１に対して全ての点で優れた気化器１を供給することができる。
【００３７】
【表２】
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【００３８】
表２は気化器１，２１に２０Ｌのキャリアガスを流した状態で、水を０，５，１０，１５ｇ／ｍｉｎ加熱したときに、生じる圧損の大きさを比較して示している。表２が示すように、気化器２１の圧力損失は設定温度を上げればあげるほど大きくなってしまうことが分かる。
【００３９】
そして、表２に示すように、本発明の気化器１では水を１５ｇ／ｍｉｎ流したとしても、圧損は２９．９ｋＰａ程度であり、圧損の大きさを十分に抑えることができている。他方、従来の気化器２１を用いた場合は、設定温度を本例と同じ１２０℃とした場合に、水を流さない状態でも４５ｋＰａの圧損が生じており、水を１０ｇ／ｍｉｎ流すと圧損は１０６ｋＰａまで上昇することが分かる。なお、このとき水は気化器２１によって気化されることなく流出する。
【００４０】
一方、流れる水の全量を気化させるためにヒータの温度を上げて、３００℃に設定すると圧損も大きくなる。そして、１５ｇ／ｍｉｎの水を気化しようとすると、５００ｋＰａの圧力で気化器２１に流し込んだとしても流れないという状態になることが分かる。
【００４１】
図３，４は前記気化器１の変形例を示す図である。図３，４に示す、気化器１は配管２とヒータ３とをアルミニウム５によって鋳込んだ後に、適所にセンサ取付け穴４ａを掘削し、この穴４ａに対してセンサ４を挿入している。また、センサ４は取付け穴４ａに対して熱伝導パテを介在させて取り付けることにより、熱伝達ができるだけ良くなるように構成している。
【００４２】
すなわち、図１，２に示した例のように、気化対象の液体を流す耐腐食性の配管と、この配管を加熱するヒータと、配管の温度を測定する温度センサとをアルミニウムにて鋳込むことにより、熱伝達を最大限に良くすることが可能であるが、図３，４に示す例のように、アルミニウム５による鋳込みを行った後でセンサ４を取付けることにより、鋳込みのときの熱によってセンサ４が破損することを防止できる。
【００４３】
また、アルミニウム５は比較的柔らかい金属であるので、ステンレス製の配管２に傷を付けることなく穴４ａを掘削することができ、穴４ａの位置を配管２の近くに配置することが容易となる。すなわち、センサ４を配管２に近づけて配置することにより、配管２の温度変化をできるだけ直接的に検出することができる。
【００４４】
図５は前記気化器１を用いた気化システム１’の構成を示す図である。
図５において、６は図１，２に示した前記配管２の上流側の流路７に設けられて窒素ガスのような不活性ガスをキャリアガスＣとして定流量流すためのガスマスフローコントローラ、８は前記流路７に合流して気化対象となる液体Ｌを定流量流すための液体マスフローコントローラ、９は気化器１のヒータ３および温度センサ４に接続されて、配管２の温度を例えば１２０℃に温度調整して加熱するための温度制御回路である。
【００４５】
１０は前記配管２の下流側の流路であって、本例では１２０℃に保温するヒータ１１と、このヒータ１１の温度調節回路１２とを有している。１３はガスマスフローメータのモニタであって、前記気化システム１’を用いて気化された後の気体ＧとキャリアガスＣの流量を測定するガスマスフローメータである。なお、このガスフローメータ１３は常に約１２０℃に温度調整されており、流量を測定したキャリアガスＣおよび気体Ｇは大気中に放出される。
【００４６】
前記気化システム１’はガスマスフローコントローラ６によってキャリアガスＣの流量を調節しながら液体マスフローコントローラ８によって液体Ｌの流量を調節し、両流体Ｃ，Ｌを混合したものを気化器１に供給でき、液体Ｌを完全に気化できる。したがって、必要とする所定流量の液体Ｌを気体Ｇに変換すると共に、両流体Ｃ，Ｌの混合比を正確に調節することによって、所定濃度に希釈して下流側の機器に供給することができる。
【００４７】
しかも、気化器１によって気化できる液体Ｌの流量が飛躍的に向上するので、大流量を必要とするラインにおいても導入することができる。また、気化器１が小型化するので、気化システム１’全体の大きさも小型にすることができる。
【００４８】
なお、上述した各例では熱交換器の一例として、ヒータ３によって液体Ｌを加熱し気化する気化器を例示しているが、本発明は気化器ではない別の熱交換器にも適用できることはいうまでもない。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、安価で軽量であるアルミニウムを用いて配管と熱源を鋳込むことにより、熱伝導の妨げとなる隙間を完全になくして熱伝導ロスを可及的に小さくすることができる。とりわけ、アルミニウムは銀，銅，金に続いて熱伝導率が優れているので熱伝導率を飛躍的に向上できるだけでなく、その融点が６６０．４℃であるから単体の金属としては比較的低く、配管，熱源，温度センサを傷めることなく鋳込むことができる。
【００５０】
また、液体の気化によって気化熱が吸収されて配管の温度が低下しても、配管とヒータとの間の熱伝導が極めて良く、従来の気化器に生じた熱平衡の問題が生じることはなく、配管をヒータによって十分に加熱できるので、より確実な気化を行うことができ、気化できる流体の流量を飛躍的に増大することができる。さらに、鋳込みによって連結される配管とヒータとの接続は相互の位置関係に全く関係なく行えるので、各部材はどのようにでも配置でき、その製造に不要な手間がかかるところがなく、製造コストを引き下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の気化器（熱交換器）の一例を示す斜視図である。
【図２】前記気化器の側面図である。
【図３】前記気化器の変形例を示す図である。
【図４】前記気化器の側面図である。
【図５】本発明の気化システムの一例を示すブロック図である。
【図６】従来の代表的な気化器の構成を示す図である。
【符号の説明】
１…熱交換器（気化器）、１’…気化システム、２…配管、３…熱源（ヒータ）、５…鋳込まれたアルミニウム、６…ガスマスフローコントローラ、８…液体マスフローコントローラ。
【図１】
0004393687.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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