特許 5770959 熱交換器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】5770959

(24)【登録日】2015年7月3日

(45)【発行日】2015年8月26日

(54)【発明の名称】熱交換器

(51)【国際特許分類】

   F28F 13/12 20060101AFI20150806BHJP

   F28D 1/06 20060101ALI20150806BHJP

   F28D 7/02 20060101ALI20150806BHJP

   F17C 9/02 20060101ALI20150806BHJP

【ＦＩ】

   F28F13/12 Z

   F28D1/06 A

   F28D7/02

   F17C9/02

【請求項の数】4

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2015-57850(P2015-57850)

(22)【出願日】2015年3月20日

(62)【分割の表示】特願2014-127065(P2014-127065)の分割

【原出願日】2014年6月20日

【審査請求日】2015年3月20日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】390010010

【氏名又は名称】日本ガス開発株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100074332

【弁理士】

【氏名又は名称】藤本 昇

(74)【代理人】

【識別番号】100138416

【弁理士】

【氏名又は名称】北田 明

(72)【発明者】

【氏名】三浦 哲也

【審査官】 安島 智也

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０００−２２７２８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−０２９７６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−０３７０９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実公昭１６−０１４０７５（ＪＰ，Ｙ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２８Ｆ １３／１２

Ｆ２８Ｄ １／０６

Ｆ２８Ｄ ７／０２

Ｆ１７Ｃ ９／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

流体を収容する容器と、該容器内の流体を撹拌するための流体を該容器内へ供給するための供給管と、前記容器内に配置され一端に開口部が形成されかつ他端側に該開口部を通して入り込んだ流体を排出可能に構成された流体案内用の筒体とを備え、前記容器内の筒体の一端の開口部側から他端側へ流体を流すように該筒体内へ流体を供給するための延出ノズル部を前記供給管から延出し、
前記筒体は、
一端の開口部が延出ノズル部と共に、
該延出ノズル部から前記開口部を介して筒体内へ流体を供給することによって、該筒体の周囲の流体が該開口部から該筒体内へ引き込まれるエゼクターを形成しており、
前記筒体の他端側から排出される流体と接触して熱交換するように伝熱管が該筒体の周囲に配置され、
前記伝熱管の一端から液化ガスが供給され、かつ、一端から供給された液化ガスが該伝熱管の他端から前記容器外へ排出され、
前記伝熱管の一端側に前記筒体の他端側から流体が供給されて該伝熱管内の液化ガスを気化し、気化した液化ガスが該伝熱管の他端側へ移動するように構成されていることを特徴とする熱交換器。

【請求項2】

前記筒体は、該筒体内の流体を径外方向に流出させるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。

【請求項3】

前記筒体は、他端側の端部が閉じられており、かつ、該筒体内の流体を径外方向に流出させるように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交換器。

【請求項4】

前記筒体は、他端側の端部が閉じられており、かつ、他端側の周面に該筒体外へ流体を排出するための多数の孔が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１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、エゼクター効果により流体の流れを速く（促進）することによって、熱交換率を高めることができる熱交換器に関する。

【背景技術】

【0002】

かかる熱交換器は、加熱用の媒体としての温水を供給すべく下部に設けられた媒体入口及び供給された温水を外部へ導出すべく上部に設けられた媒体出口を備えたバス（容器）と、バス内部に配置され前記温水との接触により熱交換するための液化ガスを案内するためのコイル状の配管とを備えた熱交換器が提案されている（例えば特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００９−２９９８５８号公報（図４参照）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記構成の熱交換器は、媒体入口から供給された温水が、バス内部を移動して媒体出口まで移動するまでの間にコイル状の配管に接触することによって、配管内の液化ガスが熱交換によって温められる。このときの温水が流れる速さが熱交換率に大きく影響するのであるが、収容量の大きなバス（容器）に媒体入口から温水を単に供給するだけでは、温水の流れを速くすることができない。そのため、熱交換率を十分に上げることができない。因みに、温水の温度を高める、又は大型なポンプを用いて温水の流れを速くすることが考えられるが、コストが高くなってしまい、実施しにくいものであり、改善の余地があった。

【0005】

本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、コストが高くなることを抑制しながらも、流体の流れを速くして効率を高めることができる熱交換器を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の熱交換器は、前述の課題解決のために、流体を収容する容器と、該容器内の流体を撹拌するための流体を該容器内へ供給するための供給管と、前記容器内に配置され一端に開口部が形成されかつ他端側に該開口部を通して入り込んだ流体を排出可能に構成された流体案内用の筒体とを備え、前記容器内の筒体の一端の開口部側から他端側へ流体を流すように該筒体内へ流体を供給するための延出ノズル部を前記供給管から延出し、前記筒体は、一端の開口部が延出ノズル部と共に、該延出ノズル部から前記開口部を介して筒体内へ流体を供給することによって、該筒体の周囲の流体が該開口部から該筒体内へ引き込まれるエゼクターを形成しており、前記筒体の他端側から排出される流体と接触して熱交換するように伝熱管が該筒体の周囲に配置され、前記伝熱管の一端から液化ガスが供給され、かつ、一端から供給された液化ガスが該伝熱管の他端から前記容器外へ排出され、前記伝熱管の一端側に前記筒体の他端側から流体が供給されて該伝熱管内の液化ガスを気化し、気化した液化ガスが該伝熱管の他端側へ移動するように構成されていることを特徴としている。

【0007】

かかる構成によれば、供給管から延出された延出ノズル部から筒体内へ流体を供給して容器内の筒体の一端の開口部側から他端側へ流体を流すことによって、筒体の周囲の流体がエゼクター効果により開口部を通して筒体内へ引き込まれ、筒体の他端側から排出される。筒体の他端側から排出される流体がそれなりの流速で伝熱管に接触することによって、熱効率を向上させることができる。これによって、伝熱管の一端側に筒体の他端側から流体が供給されて伝熱管内の液化ガスを気化し、気化した液化ガスが伝熱管の他端側へ移動する。

【0008】

また、本発明の熱交換器は、前記筒体が、該筒体内の流体を径外方向に流出させるように構成されていてもよい。

【0009】

上記構成のように、筒体が、筒体内の流体を径外方向に流出させるように構成されることによって、筒体内から径外方向に流出する流体を伝熱管に直接当てることができるので、熱効率を向上させることができる。

【0010】

また、本発明の熱交換器は、前記筒体が、他端側の端部が閉じられており、かつ、該筒体内の流体を径外方向に流出させるように構成されていてもよい。

【0011】

上記構成のように、筒体が、他端側の端部が閉じられており、かつ、該筒体内の流体を径外方向に流出させるように構成されることによって、他端側へ移動する流体が閉じられた端部に当たって筒体内から径外方向に流出する。その径外方向に流出する流体を伝熱管に直接当てることができるので、熱効率を向上させることができる。

【0012】

また、本発明の熱交換器は、前記筒体は、他端側の端部が閉じられており、かつ、他端側の周面に該筒体外へ流体を排出するための多数の孔が形成されていてもよい。

【0013】

上記構成のように、他端側の周面に形成された多数の孔から筒体内の流体を径外方向に流出させることによって、伝熱管に流体を直接当てることができるので、熱効率を向上させることができる。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、延出ノズル部から筒体内へ流体を供給する構成にすることによって、エゼクター効果を利用して開口部を通して筒体内へ引き込まれた流体が、筒体の他端側から排出されて伝熱管に接触するので、コストが高くなることを抑制しながらも、流体の流れを速くして効率を高めることができる熱交換器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明に係る熱交換器を備える気化装置の概略図である。

【図2】同熱交換器の縦断側面図である。

【図3】（ａ）〜（ｄ）は筒体の他の形状を示す図、（ｅ）は、筒体に対する延出ノズル部の位置を変更した図、（ｆ）は延出ノズル部の長さが変更できる他の例を示す図である。

【図4】（ａ），（ｂ）は筒体の他の形状を示す図、（ｃ）〜（ｅ）は延出ノズル部の他の例を示す図である。

【図5】（ａ）〜（ｄ）は複数の筒体を設けた他の形態を示す図である。

【図6】（ａ）〜（ｃ）は参考例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明に係る熱交換器の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

【0017】

図１に、液化ガスを熱交換によって気化させるための気化装置１を示している。この気化装置１は、タンクコイル式熱交換器２と、タンクコイル式熱交換器２に熱交換用の流体である温水を供給するためのボイラー装置３とを備えている。

【0018】

タンクコイル式熱交換器２は、供給される温水を収容するための容器４と、容器内４に配置され供給される温水との接触によって熱交換する伝熱管５とを備えている。

【0019】

容器４は、上下方向に長い縦長状で円筒状（角筒状でもよい）の容器からなり、上下端が閉じられている。また、容器４の上端部の周方向一箇所に温水を水平方向から供給するための供給管６が接続されている。また、容器４の下端部の周方向一箇所に温水を外部へ導出するための導出管７が接続されている。ここでは、供給管６と導出管７とを周方向において同一位置で容器４に接続しているが、異なる位置で接続する構成であってもよい。

【0020】

伝熱管５は、巻径が異なるようにコイル状に巻かれた複数本（ここでは３本であるが、３本でなくても良い）のコイル伝熱管５Ａ，５Ｂ，５Ｃ（外側に位置するものほど大きな直径になっている）からなり、断面形状が円形（ここでは断面形状は円形であるが、円形にはこだわらない）になっている。これら３本のコイル伝熱管５Ａ，５Ｂ，５Ｃの始端（下端）には、一本の太い第１配管８が分岐部を介して接続され、３本のコイル伝熱管５Ａ，５Ｂ，５Ｃの終端（上端）には、合流部を介して一本の太い第２配管９に接続されている。従って、第１配管８から供給された液化ガスは、３本のコイル伝熱管５Ａ，５Ｂ，５Ｃの内部を移動する移動中に容器４内を対流する流体（温水）との接触によって熱交換されて気化し、気化した液化ガスが第２配管９に受け渡される。要するに、コイル伝熱管５Ａ，５Ｂ，５Ｃには、液体状態の液化ガスが下方から供給されて気化状態になった液化ガスが上方へ排出されて所定場所へ移送される。特に、温水の温度が低い場合、コイル内の流体が例えばＬＮＧのような極低温流体である場合、温水が氷となりやがて氷が成長を続け、伝熱効率を低下させたり温水側の流路を阻害する問題も本発明は解消することができる。

【0021】

３本のコイル伝熱管５Ａ，５Ｂ，５Ｃの内側には、空間１０が形成され、その内側空間１０に一端である上端が開放された温水案内用の円筒状の筒体１１を配置し、その筒体１１の上端の開口部１１Ａに臨むように供給管６から延出されて筒体１１内へ温水を供給するための延出ノズル部１２を設けている。この延出ノズル部１２の先端は、延出ノズル部１２からの流体の吐出方向が筒体１１の軸方向に沿い、かつ、筒体１１の開口部１１Ａから流体を筒体１１内に流入できるように、筒体１１の軸線に沿って配置されている。従って、延出ノズル部１２から筒体１１内に確実に流体を供給させることで、エゼクター効果を確実に発揮させることができる。

【0022】

筒体１１は、上下方向に長い筒体からなり、容器４の上下方向の全長のほぼ７５％の長さに構成しているが、容器４の上下方向の全長の半分以上であることが好ましい。このように、筒体１１の軸方向長さを容器４の縦寸法の半分以上から構成すれば、容器４内の流体を容器４内全体（全域）で対流させることができる。

【0023】

また、筒体１１は、他端である下端が円形の蓋１３で閉じられている。筒体１１の下端部の周面には、筒体１１内の温水を筒体１１外へ排出するための多数の孔１４が形成されている。これら孔１４は、筒体１１の上下方向における全長のほぼ半分となる筒体１１の下半分に適当間隔を置いて形成されている。このように、筒体１１の一端よりも他端側の周面に形成された孔１４から筒体１１内の流体（温水）を径外方向に流出させて、伝熱管５Ａ，５Ｂ，５Ｃに流体（温水）を直接当てることができるので、熱効率を向上させることができる。

【0024】

延出ノズル部１２は、容器４の側壁から容器４の中心部に向かって流体を案内すべく水平方向に延びる水平管１２ａと、水平管１２ａの容器中心側端から下方に流体の流れを変更すべく水平管に接続されるＬ型継手１２ｂと、このＬ型継手１２ｂの下端に接続されて下方へ流体を排出する上下方向に向かって延びる縦管１２ｃとを備えているが、一本のＬ字管で構成してもよい。

【0025】

従って、図２に示すように、筒体１１の開口部１１Ａの上方から筒体１１内部へ入り込んだ延出ノズル部１２の先端部から温水を筒体１１内へ供給することによって、矢印で示すように、筒体１１の周囲の温水がエゼクター効果により筒体１１内部へ引き込まれ、他端側から排出される。これによって、容器４内に収容されている温水が、供給される温水によってそれなりの流速で容器４内において筒体１１を通して対流する。よって、容器４内を対流する温水によって、容器４内の撹拌効率を高めることができる。そして、筒体１１の下方へ移動した温水は、孔１４を通して径外方向に流出させて、伝熱管５Ａ，５Ｂ，５Ｃに温水を直接当てることができる。孔１４を通して排出された温水は、延出ノズル部１２からの温水の供給によるエゼクター効果により上昇し、筒体１１の開口部１１Ａに吸引されて再度筒体１１内へ移動し、図２に矢印で示す向きにそれなりの流速で対流を繰り返す。このように撹拌効率の高い撹拌装置を用いることによって、容器４内で撹拌される温水がコイル伝熱管５Ａ，５Ｂ，５Ｃに接触する接触量を増大させることができ、温水に対するコイル伝熱管５Ａ，５Ｂ，５Ｃの熱交換率を高めることができる。本発明によれば、例えば効率化を高めることで機器の小型化や温水の氷結抑制並びに撹拌効果による利点等を得ることができる。

【0026】

ボイラー装置３は、容器４内の温水を吸引して容器４内へ供給するためのポンプ１５と、ポンプ１５で吸引した温水を約６０℃（温度は液化ガスが安全に気化することができる温度であれば、どのような温度に設定してもよい）まで加熱するボイラー１６と、ボイラー１６に供給する燃料としてのプロパンガス（ＬＰＧ）１７とを備えている。尚、ポンプ１５とボイラー１６との配管内には、圧力計１８及び流量計１９が設けられ、ポンプ１５による所定量の温水を常に供給できるようにポンプ１５を駆動制御している。

【0027】

尚、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

【0028】

例えば、筒体１１を、図３（ａ）に示すように、孔のない円筒状の筒体から構成している。この場合、延出ノズル部１２からの温水は、筒体１１の下端の開口部１１Ｂから排出される。図３（ａ）では、図１のように蓋１３や孔１４がなく下端が開放されている筒体１１であるが、エゼクター効果は得られる。また、図３（ｂ）では、筒体１１の上端部に上端に向かうほど内径が大きくなる拡径部１１ａと、筒体１１の長さ方向中間部に他の部分よりも小さな内径を有するように内側に膨出する膨出部１１ｂとを備えている。延出ノズル部１２からの温水は、筒体１１の下端の開口部１１Ｂから排出される。図３（ｃ）では、図３（ｂ）の筒体１１の下端の開口部１１Ｂを蓋２０で閉じるとともに筒体１１に供給された温水を外部に排出する多数の孔２１を筒体１１の下端部（ほぼ下半分の部分）の周面に形成している。図３（ｄ）では、筒体１１の下端部を他の部分よりも大きな内径を有するように外側に膨出する膨出部２２を備えている。図３（ｅ）では、上端に向かうほど内径が大きくなる拡径部１１ａを上端部に備えた筒体１１からなり、延出ノズル部１２の先端部を筒体１１の拡径部１１ａの直下の周面から貫通して筒体１１内に配置している。図３（ｆ）は、延出ノズル部１２が伸縮できるように構成されており、温水を噴出する位置を上下方向で調整することができるようにしている。

【0029】

また、図４（ａ）では、筒体１１の下端に流路を複数（ここでは２つ）に分岐させるための分岐部２３を取り付けている。図４（ｂ）では、筒体１１の下端に流体の排出方向を水平方向へ変更するための湾曲筒２４を備えている（筒体１１と延出ノズルは必ずしも直管状である必要はない）。図４（ｃ）では、延出ノズル部１２の下端（先端）に、下端に向かうほど内径が小さくなるテーパー筒２５を備えている。尚、筒体１１は上下方向に真っ直ぐに延びるストレート筒である（筒体１１は、図３（ａ）〜（ｆ）で示した形状等、変更可能である）。図４（ｄ）では、延出ノズル部１２からの温水を複数（図では３つ）に分岐させて筒体１１内に供給する構成を示している。具体的には、延出ノズル部１２の水平管１２ａに２個の三方継手２６Ａを接続し、これら三方継手２６Ａ，２６Ａの下側接続口のそれぞれに縦管２６Ｂを接続し、水平管１２ａの終端にＬ型継手２６Ｃを接続し、Ｌ型継手２６Ｃの下側接続口に縦管２６Ｄを接続している。図４（ｅ）では、筒体１１に温水を上下２か所から供給すべく上下一対の延出ノズル部１２Ａ，１２Ｂを配置している。各延出ノズル部１２Ａ又は１２Ｂは、水平方向に延びる水平管１２ａと、水平管１２ａから下方に流体の流れを変更すべく水平管１２ａに接続されるＬ型継手１２ｂと、このＬ型継手１２ｂの下端に接続されて下方へ流体を排出する上下方向に向かって延びる縦管１２ｃとを備えている。

【0030】

また、図５では筒体１１を複数設けた場合を示している。図５（ａ）では、同一長さの３本の筒体１１，１１，１１を水平方向で併設し、それらに温水を分岐させて供給する構成である。温水を分岐させる構成としては、図４（ｄ）と同じであるため、同一符号を付すとともに説明を省略している。図５（ｂ）では、上下姿勢で同一長さの２本の縦向きの筒体１１，１１を配置するとともに、これら筒体１１，１１よりも短い筒体２８を水平姿勢に配置している（ここでは、短い筒体２８を示しているが、短くなくても良い）。この場合、延出ノズル部１２を水平方向に延ばし、延出ノズル部１２から２本の筒体１１，１１に分岐供給する構成は図５（ａ）と同じく、延出ノズル部１２の水平管１２ａに２個の三方継手２６Ａ，２６Ａを接続し、三方継手２６Ａ，２６Ａの下側接続口のそれぞれに縦管２６Ｂを接続している。図５（ｃ）では、長さの異なる４本の筒体３０，３１，３２，３３を配置した場合を示している。又、右側に位置する筒体３３は、他の筒体３０，３１，３２の内径よりも大きな内径を有している。この場合、延出ノズル部１２の水平管１２ａに対して３個の三方継手２６Ａ，２６Ａ，２６Ａを接続し、それら三方継手２６Ａ，２６Ａ，２６Ａの下側接続口のそれぞれに縦管２６Ｂを接続している。尚、延出ノズル部１２の水平管１２ａの終端の接続構成は、図５（ａ）と同一であるため、同一の符号を付すとともに説明を省略している。図５（ｄ）では、複数（図では２本）の筒体１１，１１を上下に所定間隔を置いて配置し、それら筒体１１，１１に図４（ｅ）で示した上下一対の延出ノズル部１２Ａ，１２Ｂから温水を供給するように構成している。上下一対の延出ノズル部１２Ａ，１２Ｂは、図４（ｅ）で説明した通りである。

【0031】

前記実施形態では、筒体１１の軸方向を上下方向に一致する（合う）ように配置したが、水平方向に一致する（合う）ように横向きに配置してもよいし、また、斜め方向に一致する（合う）ように配置してもよい。要するに、筒体１１の向きは自由に変更することができる。また、実施形態では、筒体１１の上方から温水（流体）を供給して下方から温水（流体）を排出したが、下方から温水（流体）を供給して上方から温水（流体）を排出してもよい。

【0032】

また、前記実施形態では、タンクコイル式の熱交換器を示したが、タンクジャケット式、多管円筒式、多重円筒式等の他の形式の熱交換器であってもよい。

【0033】

また、前記実施形態では、加熱する熱交換器を示したが、冷却する熱交換器にも適用できる。また、図６（ａ）では、液体である水Ｗが収容された容器４内に設けた筒体１１内に供給管６から延出された延出ノズル部１２から流体である蒸気（スチーム）を供給して容器４内の水を加熱する熱交換器が示されている。延出ノズル部１２は、下方からスチームを供給している以外の具体的構成は、図１と同一であるため、同一の符号を付すとともに、説明を省略している。また、筒体１１の全長にわたって孔１４が形成されている。また、熱交換器以外にも本発明は適用できる。例えば図６（ｂ）に示すように、流体Ｗが収容された容器４内に設けた２本の筒体１１，１１内に２本の供給管６Ａ，６Ｂからそれぞれ延出された延出ノズル部１２Ａ，１２Ｂから流体であるエア（空気）を供給して容器４内の流体を撹拌するパブリング機構が示されている。延出ノズル部１２Ａ，１２Ｂは、下方からエアを供給している以外の具体的構成は、図１と同一であるため、同一の符号を付すとともに、説明を省略している。また、図６（ｃ）では、流体（液体）Ｗが収容された容器４内に設けた水平姿勢の２本の筒体１１，１１内に２本の供給管６Ａ，６Ｂからそれぞれ延出された一直線状で水平姿勢の延出ノズル部１２Ａ，１２Ｂから流体（気体又は液体）を供給して、容器４内の流体（液体）を撹拌する撹拌装置が示されている。また、図６（ａ），（ｂ），（ｃ）の容器４は、図１のような上端が閉じられているタイプではなく、上端が開放されているタイプを示している。

【符号の説明】

【0034】

１…気化装置、２…タンクコイル式熱交換器、３…ボイラー装置、４…容器、５…伝熱管、５Ａ，５Ｂ，５Ｃ…コイル伝熱管、６，６Ａ，６Ｂ…供給管、７…導出管、８，９…配管、１０…内側空間、１１…筒体、１１Ａ，１１Ｂ…開口部、１１ａ…拡径部、１１ｂ…膨出部、１２，１２Ａ，１２Ｂ…延出ノズル部、１３…蓋、１４…孔、１５…ポンプ、１６…ボイラー、１８…圧力計、１９…流量計、２０…蓋、２１…孔、２２…膨出部、２３…分岐部、２４…湾曲筒、２５…テーパー筒、２８，３０，３１，３２，３３…筒体

【要約】

【課題】コストが高くなることを抑制しながらも、流体の流れを速くして効率を高めることができる熱交換器を提供する。
【解決手段】流体を収容する容器４と、容器４内の流体を撹拌するための流体を容器４内へ供給するための供給管６と、容器４内に配置され一端に開口部１１Ａが形成されかつ他端側に開口部１１Ａを通して入り込んだ流体を排出可能に構成された筒体１１とを備え、容器４内の筒体１１の一端の開口部１１Ａ側から他端側へ流体を流すように筒体１１内へ流体を供給するための延出ノズル部１２を供給管６から延出した。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】