JP2001153573A - 熱交換器およびその製造方法 - Google Patents

熱交換器およびその製造方法

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JP2001153573A JP34170099A JP34170099A JP2001153573A JP 2001153573 A JP2001153573 A JP 2001153573A JP 34170099 A JP34170099 A JP 34170099A JP 34170099 A JP34170099 A JP 34170099A JP 2001153573 A JP2001153573 A JP 2001153573A
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heat transfer
heat
heated
heat exchanger
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Hidefumi Araki
秀文 荒木
Harumi Wakana
晴美 若菜
Koichi Chino
耕一 千野
Mitsugi Nakahara
中原　　貢
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Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】可燃性流体などの熱交換器で、流路が破損した
場合でも加熱側流体と被加熱側流体の混合を抑制できる
熱交換器を提供する。 【解決手段】熱交換器の加熱側流体流路と被加熱側流体
流路をそれぞれ独立流路とし、それぞれの間は伝熱性部
材で結合する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、可燃性物質や毒物
等、流路から漏洩することが望ましくない流体を安全に
熱交換させるのに好適な熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来技術としては、可燃性の液化天然ガ
ス（以下、ＬＮＧと称する）と圧縮空気とを熱交換する
熱交換器に関しては、特開平10−47080 号公報に記載の
ものがある。この従来技術には、漏洩による不測の事象
を回避するため、不燃性の中間冷媒を介在させて熱交換
させることが提案されている。また、特開平9−279132
号公報では、ＬＮＧと熱交換をさせるための不燃性の冷
媒についての検討がなされている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】前述した２つの従来技
術のように、熱交換媒体としてＬＮＧといった可燃性物
質や毒物等を使用する熱交換器にあっては、媒体の漏
洩、あるいは加熱側流体と被加熱側流体との混合によっ
て燃焼や爆発，汚染といった事象に発展してしまう虞が
あるため、安全性についても考慮されることが望まれて
いた。
【０００４】本発明は上記した点に鑑みなされたもので
あって、その目的とするところは、熱交換媒体の混合を
抑制する熱交換器を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の熱交換器は、加熱側流体を流通させる加熱
側伝熱管と、被加熱側流体を流通させる被加熱側伝熱管
とを有し、前記加熱側伝熱管と被加熱側伝熱管とが熱伝
導性の部材で結合されたことを特徴とする。
【０００６】また、本発明の液体空気製造システムは、
空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された空気を
冷却する冷却器と、該冷却器で冷却された空気とＬＮＧ
とを熱交換する第１の熱交換器と、該第１の熱交換器で
熱交換された空気と低温空気とを熱交換する第２の熱交
換器と、該第２の熱交換器で熱交換された空気を液化す
る膨張弁と、該膨張弁で液化された液体空気を貯蔵する
タンクと、前記第１の熱交換器を経た空気の一部を等エ
ントロピ膨張させて前記第２の熱交換器に導く膨張ター
ビンとを備えた液体空気製造システムであって、前記第
１の熱交換器は、空気を流通させる加熱側伝熱管と、Ｌ
ＮＧを流通させる被加熱側伝熱管とを有し、前記加熱側
伝熱管と被加熱側伝熱管とが熱伝導性の部材で結合され
たことを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】図２は、本発明の第１の実施例で
あるＬＮＧ冷熱利用型液体空気製造システムの系統図を
示す。図２に示す本実施例では、プロセス空気を二段階
で高圧に圧縮する空気圧縮機５１および５２、圧縮され
て高温となったプロセス空気３０，３１と冷却水１０，
１１とを熱交換する熱交換器５５および５６，低温の戻
り空気３５によりプロセス空気３１をさらに冷却する熱
交換器５７，低温の戻り空気３５とプロセス空気３１の
一部の空気３９とを熱交換させる熱交換器７０ｂ，プロ
セス空気３１から分岐した高圧の空気３２を等エントロ
ピ膨張させ寒冷空気３３を発生させる膨張タービン６
０，膨張タービン６０で発生した寒冷空気３３とプロセ
ス空気３１とを熱交換させ、空気の液化に必要な温度ま
でプロセス空気３１を冷却する深冷熱交換器６１，低温
高圧の空気３４を等エンタルピ膨張させ、膨張タンク６
３で部分的に液化する膨張弁６２，膨張タンク６３で生
成した液体空気３６を貯蔵する液体空気貯蔵タンク６
４，ＬＮＧ貯蔵タンク４３から配管を経由して供給され
るＬＮＧ４０とプロセス空気３１から分岐された空気３
７とを熱交換させる熱交換器７０ａを備えている。
【０００８】図１は、図２に示す熱交換器７０ａの詳細
図である。図１に示す本実施例の熱交換器７０ａは、加
熱側流体伝熱管群２０と、被加熱側流体伝熱管群２１を
備え、これら伝熱管群の夫々の管軸は互いに平行であ
り、アルミニウム合金製のプレートフィン２２によって
互いに結合されている。加熱側流体伝熱管群２０と、被
加熱側流体伝熱管群２１は銅製のチューブであり、熱伝
達を促進するために管内面に溝加工がなされている。ま
た、加熱側流体伝熱管群２０には加熱側流体（プロセス
空気３７）を供給或いは排出するヘッダ２５が接続さ
れ、被加熱側流体伝熱管群２１には被加熱側流体（ＬＮ
Ｇ４０）を供給或いは排出するヘッダ２６が接続されて
いる。
【０００９】さらに、これらの伝熱管は図１に示すよう
に、加熱側流体伝熱管群２０と被加熱側流体伝熱管群２
１の一方の管端が中心軸に対して９０°の角度（図中点
線Ａに対する点線Ｂの角度）で緩やかに曲げ加工されて
いる。また、加熱側流体伝熱管群２０と被加熱側流体伝
熱管群２１は、プレートフィン２２に対し互いに対向す
る向きに挿入された後に、図示しないマンドレルによっ
て拡管され、プレートフィン２２と機械的に接合されて
いる。なお、本実施例におけるプレートフィン２２の厚
さは０.３ mm、ピッチは３mmである。また、各伝熱管の
管端部には、ヘッダ２５および２６が接続され、各伝熱
管群の流れをまとめている。
【００１０】上述したように本実施例の熱交換器７０ａ
では、加熱側流体の流路配管である加熱側流体伝熱管群
２０と、被加熱側流体の流路配管である被加熱側流体伝
熱管群２１とを独立して設け、これらの流路配管の外面
を熱伝導性の部材であるプレートフィン２２で接合して
いる。熱伝達は、加熱側流体伝熱配管群２０〜プレート
フィン２２〜被加熱側流体伝熱管群２１という経路でな
される。ここで、万が一、加熱側流路配管または被加熱
側流路配管が破損し、流体が漏えいしたとしても、加熱
側流路配管または被加熱側流路配管は各々独立した配管
で形成されているので、漏洩した流体は熱交換する相手
側の流体と混合することを抑制することが可能となる。
【００１１】また、本実施例の熱交換器では、伝熱管群
の一方の温度端で加熱側流体伝熱管群２０が曲げ加工さ
れており、他方の温度端では被加熱側流体伝熱管群２１
が曲げ加工されている。このように伝熱管群を形成する
ことで、熱交換器７０ａの両方の温度端では、どちらか
の流体の管端部が曲がっているので、各流体の管端部が
干渉することは無く、流体毎に別々のヘッダを取り付け
ることが容易となる。また、どちらの流体の管群も、一
端に直線な管端部分を有するので、伝熱管を挿入可能な
複数の孔を有する熱伝導性の部材、例えばプレートフィ
ン２２などの熱伝導性の部材に挿入し、これら伝熱管内
に機械力あるいは流体力などを作用させて拡管すること
で、伝熱管群と熱伝導性の部材を機械的に結合させるこ
とが可能となる。
【００１２】また、図１に示すように本実施例の熱交換
器７０ａでは、伝熱管群は挿入する先端の反対側の管端
が曲げ加工されており、加熱側流体伝熱管群２０と被加
熱側流体伝熱管群２１が、孔加工された熱伝導性の部材
に対して互いに対向する向きに挿入するように形成され
ている。このように伝熱管群を形成することにより、熱
交換器の両方の温度端ではどちらかの流体の管端部が曲
がっているので、各流体の管端部が干渉することが無く
なり、さらに流体毎に別々のヘッダを取り付けることが
容易となる。
【００１３】また、特開平10−47080号公報，特開平9−
279132号公報に記載の熱交換器では、可燃性のＬＮＧと
熱交換させるための媒体として不燃性の中間冷媒を使用
しているが、中間冷媒を用いた場合、冷媒を循環させる
機構が必要となりシステム全体が複雑化してしまうほ
か、冷媒が液体であるため使用可能な温度範囲も制限さ
れてしまうが、本実施例によればシステムを簡素化して
取り扱いを容易にすることができる。
【００１４】次に、図２を用いて本実施例の動作を説明
する。液体空気の原料であるプロセス空気は、空気圧縮
機５１により０.７ＭＰａ まで圧縮されることで、温度
が２６０℃まで上昇する。高温に圧縮されたプロセス空
気３０は熱交換器５５により冷却水１０と熱交換し、３
０℃まで冷却される。熱交換器５５で冷却された後、戻
り空気３５と合流した０.７ＭＰaの空気は、空気圧縮機
５２により５ＭＰａまで圧縮されることで、温度が２８
０℃まで上昇する。空気圧縮機５２で圧縮されたプロセ
ス空気３１は、熱交換器５６にて冷却水１１と熱交換さ
れ、４０℃まで冷却する。さらに、プロセス空気３１は
熱交換器５７により低温の戻り空気３５と熱交換して５
℃まで冷却され、除湿した後に熱交換器７０ａおよび７
０ｂに分岐して供給される。
【００１５】熱交換器５７を経て分岐される空気は、熱
交換器７０ａの加熱側流体として５℃のプロセス空気３
７が供給される。一方、熱交換器７０ａには被加熱側流
体として−１５０℃のＬＮＧ４０が供給される。熱交換
器７０ａに供給された媒体は熱交換することで、プロセ
ス空気３７は−１３５℃まで冷却され、ＬＮＧ４０は−
１０℃のＮＧとなる。また、分岐されたもう一方の空気
である熱交換器７０ｂに供給される５℃のプロセス空気
３９は、被加熱側流体である−１４０℃の低温戻り空気
３５と熱交換される結果、プロセス空気３７は−１３５
℃まで冷却され、低温戻り空気３５は−１０℃まで温度
が上昇する。
【００１６】熱交換器７０ａ，７０ｂで冷却された−１
３５℃のプロセス空気は、熱交換器７０ａ，７０ｂを通
過後にその約３０％が分岐され、分岐したプロセス空気
３２は膨張タービン６０に供給される。膨張タービン６
０ではプロセス空気３２を等エントロピ膨張させ、−１
７４℃の寒冷空気３３を発生させる。この寒冷空気３３
と、膨張タンク６３から発生する低温戻り空気３５は深
冷熱交換器６１に供給されて、分岐した残り約７０％の
−１３５℃のプロセス空気３８と熱交換を行い、プロセ
ス空気３８を−１６５℃まで冷却する。
【００１７】温度−１６５℃，圧力５ＭＰａのプロセス
空気３４は、膨張弁６２で０.７MPaまで等エンタルピ膨
張させ、膨張タンク６３内に約９０％を液化させる。液
化しなかった空気は、０.７ＭＰａ の低温戻り空気３５
として前記した上流側のプロセスの冷却に使用される。
膨張タンク６３の液体空気３６は、さらに大気圧の液体
空気貯蔵タンク６４へ放出され、約８０％が温度−１９
５℃の液体窒素となり、約２０％は気化して排出され
る。本実施例の場合、得られた液体空気の保有する冷熱
量に対する必要動力の比である作動係数は約０.５ であ
り、通常の空気液化サイクルの作動係数が０.３ 前後で
あることを考慮すると、ＬＮＧ冷熱の利用により大幅な
動力の削減がなされたことになる。
【００１８】次に、熱交換器７０ａの安全機構について
図３を用いて説明する。熱交換器７０ａは、図３に示す
ようにコールドボックス８０に収容され、窒素等の不活
性ガス雰囲気中に設置する。本実施例では、コールドボ
ックス８０には圧力計８１およびガス検知器８２を設置
しており、天然ガス（ＮＧ）の漏洩を検知した場合に
は、制御回路８３の指令により遮断弁８５ａ〜８５ｄが
自動閉鎖するように設定している。また、コールドボッ
クス８０には、内部の圧力がある限度より上昇すると自
動的に開口するラプチャーディスク８６が設置されてお
り、ラプチャーディスク８６の開口部は配管８７により
フレアスタック８８に接続されている。以下、熱交換器
７０ａにおいて漏洩を検知した場合の動作を説明する。
本実施例では、加熱側流体伝熱管群２０ａには、冷却さ
れるプロセス空気３７が、被加熱側流体伝熱管群２１ａ
にはＬＮＧ４０を加圧して加熱したＮＧ４１が流動す
る。熱交換器７０ａは、コールドボックス８０に収容さ
れ、コールドボックス８０内に充填されている窒素等の
不活性ガスの圧力は、大気圧程度になるように制御され
ている。
【００１９】ここで、ＮＧ４１が流動する被加熱側流体
伝熱管群２１ａの何れかの部位が損傷した場合を想定す
る。ＮＧ４１は、窒素が充填されたコールドボックス８
０内へ放出される。コールドボックス８０には圧力計８
１およびガス検知器８２が設置してあり、圧力の変化
と、ガス濃度の変化を検出することにより、制御回路８
３の指令により遮断弁８５ａ〜８５ｄが閉鎖する。次
に、コールドボックス８０の圧力が設定した限度より上
昇すると、ラプチャーディスク８６が自動的に破裂して
開口し、ＮＧ４１が助燃性の空気と混合することは無
く、コールドボックス８０に充填された不活性ガスと混
合しながら配管８７を経由してフレアスタック８８に導
かれ、未燃ガスを燃焼しながら安全に系外に排出され
る。これらの事象は、熱交換器７０ａの遮断弁８５ａお
よび８５ｂの内側に存在するＮＧ４１が全て放出され次
第、速やかに終了する。
【００２０】図４は、図２に示す熱交換器７０ａの他の
実施形態を示した図である。図１に示す熱交換器７０ａ
では、伝熱管の一方の管端が一箇所だけ曲げ加工されて
いるが、図４に示す本実施例のように、二箇所にわたる
曲げ加工を施しても良い。この場合、曲げ加工の工数は
増加するが、ヘッダ２５ａ，２６ａの取り付け向きが同
一となり、ヘッダ２５ａ，２６ａを解体して内部を点検
する際のアクセスに有利である。
【００２１】図５は、本発明の第２の実施例であるＬＮ
Ｇ冷熱利用型液体空気製造システムの系統図を示す。図
２に示した第１の実施例では、熱交換器５７を通過した
プロセス空気３１は熱交換器７０ａ，７０ｂの二つのル
ートに分岐させていたが、図５に示す本実施例では熱交
換器７０一つでプロセス空気３１の冷却を行っている。
【００２２】図６は、図５に示す熱交換器７０の詳細図
である。図１に示す熱交換器７０ａでは、加熱側流体伝
熱管群２０と被加熱側流体伝熱管群２１とをプレートフ
ィン２２によって結合しているが、図６に示す熱交換器
７０は加熱側流体伝熱管群２０，被加熱側流体伝熱管群
２１ａ及び２１ｂのこれら管群の間隙に銅粒子２８を充
填している。この場合、熱伝達は、加熱側流体伝熱管群
２０〜銅粒子２８〜被加熱側流体伝熱管群２１ａ、ある
いは加熱側流体伝熱管群２０〜銅粒子２８〜被加熱側流
体伝熱管群２１ｂという経路でなされる。なお、加熱側
流体伝熱管群２０には加熱側流体としてプロセス空気３
１が供給され、被加熱側流体伝熱管群２１ａには被加熱
側流体としてＬＮＧ４０、被加熱側流体伝熱管群２１ｂ
には同じく被加熱側流体として低温戻り空気３５が供給
される。
【００２３】本実施例では、熱伝達を銅粒子２８を介し
て行っているため、伝熱管をプレートフィンに挿入する
必要が無くなり、図１のような伝熱管の一方ではなく両
方の管端部の曲げ加工が可能となる。したがって、図６
に示すようにヘッダ２５，２６ａ，２６ｂの複数のヘッ
ダを取り付けることができる。図２で示した実施例で
は、熱交換器をプロセス空気３７−ＬＮＧ４０の熱交換
器７０ａと、プロセス空気３９−低温戻り空気３５の熱
交換器７０ｂの合計二種類の熱交換器に分けていたが、
この実施例では、同一の熱交換器７０で三流体の熱交換
が可能となる。即ち、加熱側流体伝熱管群２０はプロセ
ス空気３１のみを流すが、被加熱側流体の伝熱管は、被
加熱側流体伝熱管群２１ａおよび２１ｂに分割すること
により、ＬＮＧ４０と低温戻り空気３５の二種類の被加
熱側流体を別々に流すことが可能となる。このときの安
全対策は図７のようになる。万が一の想定事象の際に
は、図３で説明した実施例の場合と同様に、制御回路８
３の指令により遮断弁８５ａ〜８５ｄが閉鎖するに加え
て、低温戻り空気３５の遮断弁８５ｅ〜８５ｆが閉鎖す
る。
【００２４】銅粒子２８を充填した場合の特有の効果と
して、銅粒子が熱容量を有するため、流量の変動などに
対する伝熱管の温度変化が緩やかになる効果がある。発
電所向けや、都市ガス向けのＮＧの需要量は、一日のう
ちでも時刻により変動が大きく、空気液化システムの生
産量を変動させないためには、熱交換器７０の伝熱管部
分の熱容量が大きいほうが良い。銅粒子の熱伝導率は大
きく、加熱側流体伝熱管群２０と、被加熱側流体伝熱管
群２１ａおよび２１ｂの間隙を大きくすることにより熱
容量も容易に増大でき、２４時間一定の空気液化システ
ムの運転が可能となる。
【００２５】以上の２つの実施例で説明した熱交換器で
はＬＮＧ冷熱利用液体空気製造システムの実施形態につ
いて例示したが、これらの他にも、例えば、液体空気を
利用したエネルギー貯蔵発電システム等、ＬＮＧの冷熱
を利用するシステムの全てに適用可能である。
【００２６】
【発明の効果】本発明によれば、加熱側流体流路と被加
熱側流体流路をそれぞれ独立とし、これらの流路間を伝
熱性の部材や物質で熱的に結合したことにより、可燃性
物質や毒物等、漏えいすることが望ましくない流体を熱
交換する場合に、加熱側流体と被加熱側流体の混合を防
ぐ。また、伝熱性の物質が熱容量を持つことから、熱交
換流体の流量が変動した場合にも安定して熱交換するこ
とができる。本発明をＬＮＧ冷熱利用システムの熱交換
器に適用することにより、安全なＬＮＧ冷熱利用システ
ムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す熱交換器の斜視図。
【図２】本発明の第１の実施例であるＬＮＧ冷熱利用液
体空気製造システムの概要図。
【図３】本発明の一実施例である安全機構の概要図。
【図４】本発明の一実施例を示す熱交換器の斜視図。
【図５】本発明の第２の実施例であるＬＮＧ冷熱利用液
体空気製造システムの概要図。
【図６】本発明の一実施例を示す熱交換器の斜視図。
【図７】本発明の一実施例である安全機構の概要図。
【符号の説明】
２０…加熱側流体伝熱管群、２１…被加熱側流体伝熱管
群、２２…プレートフィン、２５，２６…ヘッダ、４０
…ＬＮＧ、４１…ＮＧ、４３…ＬＮＧ貯蔵タンク、５
１，５２…空気圧縮機、５５，５６，５７，７０，７０
ａ，７０ｂ…熱交換器、６０…膨張タービン、６１…深
冷熱交換器、６２…膨張弁、６３…膨張タンク、６４…
液体空気貯蔵タンク、８０…コールドボックス、８１…
圧力計、８２…ガス検知器、８３…制御回路、８５ａ〜
８５ｆ…遮断弁、８６…ラプチャーディスク、８７…配
管、８８…フレアスタック。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 千野 耕一 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発研究所内 (72)発明者 中原 貢 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発研究所内 Ｆターム(参考） 3L103 AA42 BB27 BB30 CC18 CC22 DD09 DD42 4D047 AA08 CA07 CA16 CA17 DA17 DB01

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】加熱側流体を流通させる加熱側伝熱管と、
    被加熱側流体を流通させる被加熱側伝熱管とを有し、前
    記加熱側伝熱管と被加熱側伝熱管とが熱伝導性の部材で
    結合されたことを特徴とする熱交換器。
  2. 【請求項２】その一端側に加熱側流体を供給するヘッダ
    が接続され、他端側に前記加熱側流体を排出するヘッダ
    が接続された加熱側伝熱管と、その一端側に被加熱側流
    体を供給するヘッダが接続され、他端側に前記被加熱側
    流体を排出するヘッダが接続された被加熱側伝熱管とを
    有し、該加熱側伝熱管と被加熱側流体伝熱管の夫々の管
    の外壁面を熱伝導性の部材により結合したことを特徴と
    する熱交換器。
  3. 【請求項３】その一端側に加熱側流体を供給するヘッダ
    が接続され、他端側に前記加熱側流体を排出するヘッダ
    が接続された加熱側伝熱管と、その一端側に被加熱側流
    体を供給するヘッダが接続され、他端側に前記被加熱側
    流体を排出するヘッダが接続された被加熱側伝熱管とを
    有し、該加熱側伝熱管と被加熱側流体伝熱管の夫々の管
    の間隙部分に熱伝導性の物質で充填したことを特徴とす
    る熱交換器。
  4. 【請求項４】請求項１，２，３の何れかに記載の熱交換
    器において、前記伝熱管は一方の温度端では加熱側流体
    伝熱管群が曲げ加工されており、他方の温度端では被加
    熱側流体伝熱管群が曲げ加工されていることを特徴とす
    る熱交換器。
  5. 【請求項５】請求項１または２に記載の熱交換器におい
    て、前記熱伝導性の部材は伝熱管を挿入可能な複数の孔
    が形成されたものであって、該複数の孔に挿入される伝
    熱管は挿入する先端の反対側の管端が曲げ加工されてお
    り、加熱側流体伝熱管と被加熱側流体伝熱管が、孔加工
    された熱伝導性の部材に対し互いに対向する向きに挿入
    されることを特徴とする熱交換器。
  6. 【請求項６】空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮
    された空気を冷却する冷却器と、該冷却器で冷却された
    空気とＬＮＧとを熱交換する第１の熱交換器と、該第１
    の熱交換器で熱交換された空気と低温空気とを熱交換す
    る第２の熱交換器と、該第２の熱交換器で熱交換された
    空気を液化する膨張弁と、該膨張弁で液化された液体空
    気を貯蔵するタンクと、前記第１の熱交換器を経た空気
    の一部を等エントロピ膨張させて前記第２の熱交換器に
    導く膨張タービンとを備えた液体空気製造システムであ
    って、前記第１の熱交換器は、空気を流通させる加熱側
    伝熱管と、ＬＮＧを流通させる被加熱側伝熱管とを有
    し、前記加熱側伝熱管と被加熱側伝熱管とが熱伝導性の
    部材で結合されたことを特徴とする液体空気製造システ
    ム。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US12007176B2 (en) * 2016-03-30 2024-06-11 Woodside Energy Technologies Pty Ltd Heat exchanger and method of manufacturing a heat exchanger

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