JP2787593B2 - 蒸発器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、第一流体通路の液媒と第二流体通路の流体
とで熱交換を行い、第一流体通路の液媒を蒸発させる蒸
発器に関する。

〔従来の技術〕

従来の蒸発器の一例として、第二流体通路の流体が凝
縮する窒素ガスである、空気液化分離装置の複精留塔の
上部塔と下部塔間に連設されて用いられる液化酸素を蒸
発する凝縮蒸発器を挙げて説明する。

例えば特開昭56−56592号公報に記載されているよう
に、垂直方向を多数の平行な仕切板により仕切り、第一
流体通路（酸素室）と第二流体通路（窒素室）の二室を
交互に隣接して積層した、いわゆるプレートフィン式熱
交換器と呼ばれているものが多く用いられている。

このようなプレートフィン式凝縮蒸発器の第一流体通
路である酸素室は、内部に垂直方向に伝熱板を配設して
上下方向の蒸発流路を多数形成するとともに、該蒸発流
路の上下両端部を開口させて下端部を液化酸素の導入口
とし、上端部を酸素ガスと液化酸素の混合流の導出口と
している。この酸素室は、凝縮蒸発器全体が上部塔の底
部空間に溜まる液媒（液化酸素）中に浸漬されることに
より、液化酸素で満たされており、酸素室内の液化酸素
は、隣接する第二流体通路である窒素室に下部塔から導
入される窒素ガスと熱交換を行い、これを冷却して凝縮
することにより暖められてその一部が蒸発して酸素ガス
の気泡となり、蒸発流路を上昇する。液化酸素は、この
酸素ガス及び液化酸素の気液混合相と酸素室外の液化酸
素との密度差により酸素室内を上昇し、凝縮蒸発器の内
外に循環流を形成している。

一方、窒素室は、四周が密閉された室内に、酸素室が
同様に垂直方向の伝熱板を配設して上下方向の凝縮流路
を多数形成しており、該凝縮流路の上下に設けられたヘ
ッダーを介して下部塔に接続されている。そして、上部
のヘッダーから下部塔上部の窒素ガスを前記凝縮流路に
下向流として導入し、該凝縮流路で前記液化酸素と熱交
換を行って凝縮した液化窒素を下部のヘッダーから導出
している。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、このような従来の凝縮蒸発器は、その
全体を上部塔底部空間の液化酸素内に浸漬して使用する
ために、該空間に多量の液化酸素を貯液保有させなけれ
ば、凝縮蒸発器の機能を十分に発揮させることができな
かった。そのために、装置の起動時間が長くかかった
り、停止時に放出する液化酸素量が多くなり、動力費の
損失となっていた。さらに大量の液化酸素を保有するこ
とで、万一の場合に備えるための保安上の問題も大き
い。

また、凝縮蒸発器全体を液化酸素中に浸漬して用いて
いるので、液化酸素の液深により凝縮蒸発器の下部の液
化酸素の圧力が上昇し、沸点上昇を生じるため、酸素室
の下部から蒸発流路に流入する液化酸素が過冷状態とな
る。そのため、酸素室の下部では蒸発流路を上昇する液
化酸素を沸騰開始温度まで伝熱効率の低い対流伝熱によ
り加温しなければならず、該流路の伝熱効率を低下させ
るとともに、酸素室と窒素室との温度差を確保するため
に、窒素ガスの凝縮温度を高める必要があり、このため
窒素ガスの圧力、即ち下部塔の運転圧力を上昇させなけ
ればならず、原料空気の圧縮に要する動力を増加させて
いた。

さらに凝縮側の窒素室は、垂直方向の凝縮流路を窒素
ガスが凝縮しながら流下するため、該流路の下部では液
化窒素量が増加し、厚い液膜となって伝熱面の表面を覆
うので、これが熱抵抗層となり伝熱性能を低下させてい
た。

特に、大型の空気液化分離装置に用いる凝縮蒸発器で
は、設置場所の関係から幅方向に制約を受けて高さ方向
の寸法を大きくせざるを得ないため、前述の液化酸素の
液深による影響や、凝縮した液化窒素の液膜の影響等が
大きくなり熱交換効率が低下するとともに、凝縮蒸発器
を浸漬させるための液化酸素の必要量が大量となり、起
動時間の問題や保安上の問題も大きくなる。

そこで本発明は、酸素室（第一流体通路）側の液化酸
素（液媒）の必要量を低減するとともに、液化酸素の液
深による影響を低減して、その分窒素室（第二流体通
路）間との必要温度差を低減し、さらに窒素室側の凝縮
液による伝熱性能の低下を低減させることのできる蒸発
器を提供することを目的としている。

〔問題点を解決するための手段〕

上記した目的を達成するために、本発明の凝縮蒸発器
の第１の構成は、第一流体通路の液媒と第二流体通路の
流体とで熱交換を行う蒸発器において、複数の第一流体
通路と第二流体通路とを上下方向に主として交互に積層
し、前記第一流体通路の一端に前記液媒を第一流体通路
に導入する液媒導入手段を設けるとともに他側端を開放
して液媒の導出部とし、前記第二流体通路には、その一
端側に前記流体を第二流体通路に導入する流体導入手段
を設けるとともに他端側を導出部としたことを特徴とし
ている。また、本発明の第２の構成は、前記第一流体通
路が、液媒導入側から導出側に向かって昇り勾配を有し
ていることを特徴としている。さらに、第３の構成は、
前記第一流体通路と第二流体通路は、それぞれの通路間
に配設した仕切板により仕切って画成されるとともに、
該仕切板間に波形伝熱フィンが配設されていることを特
徴としている。

第４の構成は、前記液媒導入手段が、前記第一流体通
路の液媒導入端に連通する、上下多段に配設された複数
の液溜及び／又は液受と、該液溜及び／又は液受に液媒
を供給する液媒供給手段とを有し、前記液溜及び／又は
液受は上部が開放されていることを特徴としている。第
５の構成は、第４の構成において、前記液媒供給手段
が、前記上下多段に配設された液溜及び／又は液受に沿
って配設された液供給管と、該液溜及び／又は液受の側
壁に設けられて、液供給管と各液溜及び／又は液受とを
連通する液媒供給孔とを有することを特徴としており、
第６の構成は、第４の構成において、前記第一流体通路
の導出端側に連通して、該第一流体通路の導出端部から
流出する液媒を受ける上部が開放された複数の液受を上
下多段に設けるとともに、該液受に流出した液媒を前記
液溜に戻す液戻し流路を設けたことを特徴としている。

第７の構成は、第６の構成において、前記液戻し流路
は、管又は樋、あるいは前記第一流体通路間に、前記第
二流体通路と隣接しないように設けられた流路のいずれ
かにより形成されていることを特徴としている。

第８の構成は、第４の構成の蒸発器を複数基配設する
とともに、各蒸発器の第一流体通路の導出端部から流出
する液媒を、他の蒸発器の液溜に供給して液媒を順次他
の蒸発器の第一流体通路へ循環させるように構成したこ
とを特徴としている。

第９の構成は、前記蒸発器が、第１流体通路の液媒を
蒸発させるとともに、第二流体通路の流体を凝縮させる
凝縮蒸発器である。

〔作 用〕

第１の構成のごとく、蒸発させる液媒を液媒導入手段
から第一流体通路に、該液媒と熱交換させる流体を流体
導入手段から第二流体通路にそれぞれ導入することによ
り、蒸発器を液媒中に浸漬せずに運転することができ、
液媒の必要量を大幅に低減するとともに、液深による影
響を低減することができ、流体間の温度差を極限まで詰
めた小温度差及び省エネルギー型蒸発器の製作が可能と
なる。

第２の構成のごとく、第一流体通路を、液媒導入側か
ら導出側に向かって昇り勾配にすることにより、蒸発生
成したガスの気泡がその浮上力で第一流体通路内から流
出し易く、液媒の流動を促進して熱伝達率を高めること
ができる。

第３の構成のごとく、両通路を仕切板により仕切って
画成するとともに、該仕切板間に波形伝熱フィンを配設
することにより、本発明の蒸発器を容易に製作すること
ができる。

第４の構成のごとく、上下多段の液溜及び／又は液受
と液媒供給手段とで前記液媒導入手段を形成することに
より、上部を開放した各液溜及び／又は液受部分で圧力
を開放できるので、液媒の液深を蒸発器の高さに関係な
く各液溜及び／又は液受の深さとすることができる。こ
れにより、蒸発器の高さを高くして蒸発能力を増加でき
るので、蒸発器の設置面積が限定される場合に有益であ
る。

第５の構成のごとく、液溜及び／又は液受に沿って液
供給管を配設して両者を液媒供給孔で連通させることに
より、前記液媒供給手段を容易に形成でき、液媒供給孔
の径を調整することで、各液溜及び／又は液受への液媒
の供給量を調整することができる。

第６の構成のごとく、第一流体通路の導入側に液溜を
有する蒸発器の第一流体通路の導出側に液受を設けると
ともに、液戻し流路を設けることにより、第一流体通路
に導入する液媒を自己循環させることができる。

第７の構成に示すごとく、管又は樋、あるいは前記第
一流体通路間に設けられた流路により、前記液戻し流路
を容易に形成することができる。

第８の構成によれば、複数の蒸発器間で順次他の蒸発
器液に液媒を授受させて循環させることができる。

第９の構成によれば、第一流体通路の液媒を蒸発させ
るとともに、第二流体通路の流体を凝縮させることによ
り凝縮蒸発器として用いることができる。

上記第６乃至第８の構成により、蒸発器下方に流下す
る液媒量を低減できるので、例えば液化酸素ポンプ又は
サーモサイフォンリボイラーにより循環する液化酸素量
が少量で良くなり、再循環設備費及び液化酸素ポンプの
動力費を削減することができる。

〔実施例〕

本発明は、第二流体通路の流体を、凝縮する窒素ガス
に限定するものではないが、以下、本発明を、第一流体
通路の蒸発する液媒を酸素、第二流体通路で凝縮する流
体を窒素とした例につき、図面に基づいてさらに詳細に
説明する。尚、液の流れ方向を実線矢印、ガスの流れ方
向を破線矢印で示す。

まず、第１図乃至第４図は本発明の一実施例を示すも
ので、前述の液溜，液受及び液戻し流路を備えた凝縮蒸
発器を示すものである。

蒸発器の１種である凝縮蒸発器１は、多数の第一流体
通路（酸素室）10,10,…と、第二流体通路（窒素室）2
0,20,…とを、水平面に対して所定の傾斜を設けて上下
方向に交互に積層して形成したもので、酸素室10の勾配
の下端側11には、液化酸素LOを酸素室10内に導入する液
媒導入手段である液溜30,30,…が上下多段に設けられ、
勾配の上端側12の導出部には、酸素室10の端部から流出
する未蒸発の液化酸素LOを受ける液受31,31,…が、液溜
30と同様に上下多段に設けられている。また、窒素室20
の勾配の上端側21には、窒素ガスGNを窒素室20内に導入
する流体導入手段である入口ヘッダー40が設けられ、勾
配の下端側22には、窒素室20内で凝縮した液化窒素LNを
導出する出口ヘッダー41が設けられている。

上記酸素室10と窒素室20とは、第４図に示すように、
多数の仕切板2,2,…を所定の角度で傾斜させて平行に積
層して形成されるもので、該仕切板間2,2,…にはサイド
バー3,3,…と波形伝熱フィン4,4,…が配置されて所定の
通路が形成されている。上記酸素室10は、該酸素室10の
傾斜方向に向けて波形伝熱フィン４の折目線を配置する
とともに、該波形伝熱フィン４の両側にサイドバー3,3
を配置して両側を閉塞し、傾斜方向両端を開放させた蒸
発通路13を形成している。

また上記窒素室20は、その四周にそれぞれサイドバー
3,3を設けて窒素室20内と凝縮蒸発器１の外部雰囲気と
を遮断しており、傾斜方向の一側に配置したサイドバー
３の傾斜方向両端を側方に開口させて前記入口ヘッダー
40と出口ヘッダー41にそれぞれ連通するガス導入口23と
液導出口24を形成している。この窒素室20の内部には、
その勾配の中央部に位置して上記酸素室10と同方向に波
形伝熱フィン４を配置した凝縮通路部25と、波形伝熱フ
ィン４を斜めに配置して上記ガス導入口23から導入され
る窒素ガスGNを凝縮通路部25に均等に分配するガス分配
部26と、同様に波形伝熱フィン４を斜めに配置して凝縮
通路部25で凝縮した液化窒素LNを集合して上記液導出口
24に導出する液集合部27とが形成されている。

この凝縮蒸発器１の製作は、上記仕切板2,サイドバー
3,波形伝熱フィン４等としてアルミニウムを用いれば、
従来のアルミニウム製プレートフィン式凝縮蒸発器と同
様のブレージング製造技術により容易に行うことができ
る。

上記酸素室10の傾斜角度は、前記蒸発通路13の長さや
接続する液溜30の深さ等により適宜に選定されるもの
で、該酸素室10を略水平に設けることも可能であるが、
液化酸素LOの流れ方向に対して昇り勾配に設けた方が蒸
発生成した酸素ガスGOの気泡がその浮上力で酸素室10内
から一方向へ流出し易いとともに、波形伝熱フィン４に
よって形成された狭い通路においては、気泡間に液化酸
素を挟み込む状態で液化酸素LOを同伴するから、液化酸
素LOの流動を促進して熱伝達率を高めることができる。
逆に酸素室10の傾斜を必要以上に大きくすると蒸発通路
13が長くなり、必然的に液深が増大するため好ましくな
い。

また、上端部に液化酸素が存在しなくなりドライアウ
トを生じないように傾斜角度を設定する。即ち、上記実
施例のように、酸素室10を適度な昇り勾配に形成するこ
とにより、蒸発した酸素ガスGOの気泡がその浮上力で液
化酸素LOの流動を促進して酸素室10の勾配の上端側12か
ら流出させるため、液化酸素LOの蒸発が効果的に行わ
れ、蒸発した酸素ガスGOの滞留も生じないので凝縮蒸発
器１の熱交換効率を向上させることができる。尚、酸素
室10内の液化酸素を流動させる駆動力を、主として酸素
ガスの浮上力で説明したが、酸素室10内の気液混合相と
液溜30内の液化酸素との密度差も流動を促進しているこ
とは言うまでもない。

さらに、上記酸素室10の傾斜角度は、該酸素室10に平
行に置かれる窒素室20における凝縮した液化窒素LNの流
れに支障の無い範囲で設定することが必要であり、窒素
室20において前記凝縮通路部25で凝縮した液化窒素LNを
可及的速やかに流下させて通路内に滞留させることのな
い勾配とすべきである。

然して、この窒素通路（凝縮通路部25）は、従来の垂
直な通路と比較して流路長を短く、かつ窒素通路の全通
路断面積を大幅に増加させることができるので、凝縮液
の膜厚を低減でき、凝縮液（液化窒素LN）の通路内の滞
留量を低減できるので、凝縮液による伝熱性能の低下を
防止できる。

この観点から、本発明の蒸発器は、第一流体通路の液
媒を蒸発させるとともに、第二流体通路に凝縮性ガスを
流して凝縮を行わせるのに最適な熱交換器である。しか
し、このことが第二流体通路の流体を、凝縮するガスに
限定するものではない。

また、酸素室10を形成する仕切板の上下間隔は、酸素
ガスGOが液化酸素LOを同伴するのに適した幅に設定すべ
きであり、この幅が大き過ぎると酸素ガスGOの浮上力で
液化酸素LOを同伴させることが困難になる。狭い流路を
形成するために波形伝熱フィンを用いているが、波形伝
熱フィンのみに限定されるものではない。また、酸素室
10を形成する流路は、該流路内に不本意にアセチレン等
の炭化水素類の濃縮を生じた時、これが壁面に析出附着
しないように、液化酸素LOの流れによって析出物を洗い
流すために蒸発量より過剰量の液化酸素LOの循環流を形
成させるのが良い。このために流路を狭く形成し、液化
酸素循環流を促進させることが望ましい。

即ち、酸素室10及び窒素室20の傾斜角度や通路形状及
び長さ等は、各室における気液の流量や温度差等の各種
の条件により最適な状態に設定されるものである。

次に、前記液溜30は、一側の開口が上下数段の酸素室
10の勾配の下端側11に連通し、各液溜30に供給される液
化酸素LOを各酸素室10内に供給するもので、上部を開口
させて外部雰囲気に圧力を開放し、各液溜30内の液深を
小さくして液化酸素LOの液圧の影響を低減している。

上記液溜30の一側には、各液溜30に液化酸素LOを供給
する液供給管32が設けられている。この液供給管32は、
液溜30側の側壁33を各液溜30の側壁と兼ねるように形成
されており、各液溜30と液供給管32は、該側壁33に穿設
された液供給孔34により連通しており、液供給管32を流
下する液化酸素LOは、この液供給孔34から液溜30内に供
給される。この液供給孔34は、液溜30の上下の配置位置
により所定の径で形成されており、各液溜30に所定量の
液化酸素LOを供給できるように形成されている。

また、液化酸素LO中には、不純物である炭化水素類が
含有されており、液化酸素LOの蒸発によって次第に濃縮
されてくるので、一定量を常に排液して未濃縮の液化酸
素LOを入替え、酸素室10内を循環している液化酸素LO中
の炭化水素濃度を一定値以下に調整する必要がある。そ
のため、一定量の液化酸素LOの排液を行うとともに、各
液溜30内の液化酸素LOの量を均等にするために、各液溜
30の側壁上縁には、堰35が切欠形成されている。即ち、
前記液供給管32から蒸発量より過剰の液化酸素LOを各液
溜30に供給し、過剰の液化酸素LOを該堰35からオーバー
フローさせることにより、各液溜30内の液化酸素量を略
一定に保つとともに、炭化水素が濃縮された液化酸素と
未濃縮の液化酸素とを混合して液化酸素中の炭化水素を
希釈することで、炭化水素量を所定値以下に保つように
形成している。

一方の液受31は、上記液溜30と略同様に形成されるも
ので、一側の開口が上下数段の酸素室10の勾配の上端側
12に連通し、各酸素室10の端部から導出流下する液化酸
素LOを受けるとともに、該液受31の上部の開口から酸素
室10内で蒸発した酸素ガスGOを液化酸素LOと分離させて
凝縮蒸発器１の上方に上昇させる。

この液溜30と液受31は、上記のごとく上下複数の酸素
室10を一つのブロックとしてそれぞれ対応させて設けら
れており、該液溜30と液受31との間には、液戻り流路と
なる管路36が設けられている。この管路36は、液受31内
に導出流下した液化酸素LOを、液化酸素LOの液ヘッドに
より元の液溜30に戻して酸素室10に循環させるものであ
る。

このように構成された酸素室10に導入される液化酸素
LOは、前記液供給管32から液供給孔34を介して各液溜30
に供給され、それぞれの液溜30から酸素室10内に流入す
る。各酸素室10内の液化酸素LOは、仕切板２を介して隣
接する窒素室20内を流れる窒素ガスGNと熱交換を行い、
その一部が蒸発して酸素ガスGOの気泡となる。この酸素
ガスGOの気泡は、酸素室10内の液化酸素LOと共に酸素室
10を上昇後、出口端で液化酸素LOと分離して上下の液受
31,31の間から凝縮蒸発器１の上方に向かって上昇す
る。

一方、酸素室10内で蒸発しなかった液化酸素LOは、前
記酸素ガスGOに同伴されて酸素室10の出口端から導出
し、前記液受31に流下する。この酸素室の液受31に導出
流下した液化酸素LOは、前記管路36を通って元の液溜30
内に流下し、該液溜30から再び酸素室10に導入される。
この時、一部の液化酸素LOは、前記堰35からオーバーフ
ローして下段の液溜30あるいは凝縮蒸発器１の下方に流
下する。

即ち、液供給管32から液溜30に供給された液化酸素LO
は、該液溜30から酸素室10に導入されて一部が蒸発しな
がら液受31に至り、該液受31から管路36を流下して元の
液溜30に戻る経路で循環し、各酸素室10で蒸発した量、
及び堰35からオーバーフローする量に見合う量の液化酸
素LOが液供給管32から液供給孔34を介して液溜30に補給
される。

一方、前記窒素室20に導入される窒素ガスGNは、前記
入口ヘッダー40に供給されて前記ガス導入口23から窒素
室20内のガス分配部26に流入し、該ガス分配部26で整流
されて凝縮通路部25に導入される。この凝縮通路部25で
前述の酸素室10内の液化酸素LOと熱交換して凝縮した液
化窒素LNは、該窒素室20の勾配により凝縮通路部25を流
下し、前記液集合部27で集合して前記液導出口24から出
口ヘッダー41に導出される。また窒素ガスGN中に含まれ
る水素やヘリウム等の非凝縮ガスGXは、出口ヘッダー41
の上部に設けられたパージノズル42から導出される。

このように形成した凝縮蒸発器１は、液化酸素LOの圧
力を各液溜30の部分で開放できるので、従来の液化酸素
中に浸漬して用いる凝縮蒸発器に比べて、液化酸素LOの
液深による圧力上昇が少なくなり、液化酸素LOの液深に
よる影響を低減させることができ、その分流体間の温度
差を低減することができるので、最小の温度差でも熱交
換が可能であり、従来の蒸発器の温度差と比較して大幅
に低減された。

さらに、液受31と管路36とを設けたことにより、凝縮
蒸発器１の下方に流下する液化酸素量を低減させること
ができる。即ち、各液溜30からオーバーフローして凝縮
蒸発器１の下方に流下する液化酸素量は、酸素室10内の
液化酸素LO中に炭化水素が濃縮されるのを防止できる程
度とすればよいため、液供給管32より供給する液化酸素
LOの量は、凝縮蒸発器１内で蒸発する液化酸素量よりも
僅かに多くするだけで十分であり、この過剰分の液化酸
素LOがオーバーフローして流下するのみで炭化水素の濃
縮を防止できるので、凝縮蒸発器１の下方に流下する液
化酸素量を低減することができる。これにより、液化酸
素ポンプあるいはサーモサイフォンリボイラー等によっ
て揚上すべき液化酸素量を大幅に低減できるから、これ
らの装置を小型化でき、設備費に加えてその動力費等も
低減することができる。尚、上記揚上手段により揚液さ
れる液化酸素は、吸着器でアセチレン等の炭化水素を除
去することができる。

一方の窒素室20は、凝縮蒸発器１の高さを高くしても
通路長さが長くなることがないので、凝縮した液化窒素
LNの液膜厚さの増加を防止できる。また凝縮蒸発器１の
高さを高くすることにより、窒素室全通路断面積を大幅
に増加させることができるので、伝熱性能を向上させて
熱交換効率を向上させることができるばかりでなく、液
溜30によって蒸発側の高さ制約も解消されたことと相俟
って設置面積に制限のある場合には伝熱面積を蒸発器高
さを高くして増加できるので、設置面積を低減すること
ができる。

尚、本実施例の凝縮蒸発器１においては、酸素室10及
び窒素室20を仕切板２により仕切って両室を層状に形成
したが、中空押出し型材等、その内部を一方あるいは両
者の通路とした中空部材を積層して形成することもでき
る。また、両室内に波形伝熱フィン４を配設して通路を
形成するとともに、伝熱面積の増大を図っているが、こ
のようなフィンを配設せずに両室を形成することもで
き、適当な間隔で適宜な伝熱板等を配設してもよい。さ
らに、酸素室10の通路面を多孔質層等からなる沸騰促進
伝熱面としたり、窒素室20の通路面にフルート加工等の
凝縮促進伝熱面を形成することもできる。尚、波形伝熱
フィン等を室内に配設する場合には、有孔フィン等を用
いて圧力や流量の均等化を図ることが望ましい。

また、本実施例のごとく、酸素室10の液化酸素導入手
段として上下多段に配置した液溜30を用いることで、前
述のごとく液深の影響を低減させることができるが、高
さ寸法の低い凝縮蒸発器等、液深の影響を無視すること
ができる場合には、酸素室10への液化酸素導入手段を管
路やヘッダー等とすることもできる。

さらに、本実施例では、上下の各液溜30と液受31をそ
れぞれ対応させて設けているが、各液溜30と液受31の大
きさを上下方向で変えたり、液溜30と液受31をそれぞれ
別の酸素室ブロック毎に配置したり、あるいは液受31か
らの液戻し流路（管路36）を対応する液溜30より下段に
接続しても良い。さらに各液溜30への液化酸素LOの供給
は、全ての液溜30又は液受31と液供給管32とをそれぞれ
連通させる流路で接続してもよく、液供給管32を設けず
に最上段の液溜のみに液化酸素LOを供給し、液溜30ある
いは液受31から前述の堰35あるいはオーバーフロー管あ
るいは液戻し流路等により下段の液溜30あるいは液受31
に順次液化酸素LOを流下させる構造とすることもでき
る。

また、各液溜30への液化酸素LOの供給量の調節は、流
量調節機構を設けたり、液供給孔34の径や、堰35の位
置，大きさ、あるいは堰に代えてオーバーフロー管を用
いた場合には、該オーバーフロー管の口径，取付位置等
を調整することにより行うことができる。

さらに、前記液受31及び液戻し流路を設けずに形成す
ることもできる。このとき、凝縮蒸発器１の下方に流下
した液化酸素は、液化酸素ポンプ等の適宜な揚上手段で
揚上循環させることができ、この液化酸素を揚上するこ
となく、系外に導出して液化酸素及び／又は酸素ガスと
して回収することもできる。あるいは製品として多量の
液化酸素を採取するような装置の場合には、上記液受31
や液戻し流路等を設けずに、あるいは上下方向の一部に
設けて、流下させる液化酸素量を調整することもでき
る。

尚、蒸発させる流体を完全に蒸発させても問題の無い
場合は、液受や液戻し流路、さらに液溜のオーバーフロ
ー用の堰等を設けずに形成しても何等差支えない。

また、上記液戻し流路は、前述のごとく管路36で形成
することもできるが、上部が開口した樋状の流路でも形
成することができる。

第５図及び第６図は、この液戻し流路の他の実施例を
示すもので、各液溜30及び液受31に対応するように、前
記酸素室10,10間に配置される窒素室20の一部を液戻し
流路となる液戻し室37に代えたものである。尚、以下の
説明において前記第１図乃至第４図に示す凝縮蒸発器１
と同一要素のものには同一符号を付して詳細な説明を省
略する。

この凝縮蒸発器１は、図に示すように、各液溜30及び
液受31の底部と接続する酸素室10の上部に隣接する通
路、即ち、前記実施例では窒素室であった通路の勾配上
下両端を、酸素室10と同様に開放して液溜30と液受31と
を連通させ、該液受31内の液化酸素LOを液溜30に戻す液
戻し室37としたものである。

この液戻し室37は、その上下を酸素室10,10に挟まれ
ているため、窒素室20と接触しないので、窒素ガスGNと
の熱交換量が少なく、液化酸素LOの蒸発量も少ない。従
って、前述のごとく酸素室10から液受31に流出する未蒸
発の液化酸素LOを、液受31と液溜30との液ヘッドの差に
より液戻し室37を流下させて液溜30に戻し、前記実施例
と同様に酸素室10を循環させることができる。尚、この
液戻し室37の内部には、液流れの抵抗となるようなもの
は配置しないことが望ましい。

上記液戻し室37は、凝縮蒸発器１の製作工程におい
て、前記サイドバー３及び波形伝熱フィン４の配置を変
えるだけで酸素室10や窒素室20と同時に一体に形成する
ことができる。従って、凝縮蒸発器１の外部に配管する
ものに比べて製作工程を単純化することができ、輸送や
組立ての際の取扱い性にも優れている。

次に第７図は、前記実施例に示したものと同様の構成
の凝縮蒸発器１を複数基配設するとともに、隣接する凝
縮蒸発器1,1の液受31と液溜30とを一体化させた実施例
を示すものである。

即ち、１つの凝縮蒸発器１の酸素室10から流下する液
化酸素LOは、該凝縮蒸発器１に隣接する凝縮蒸発器１と
の間に設けられた液受兼液溜38に流下し、隣接する凝縮
蒸発器１の酸素室10内に導入される。以下、順次各凝縮
蒸発器１の酸素室10で蒸発しなかった液化酸素LOは、上
記液受兼液溜38を介して下流側の凝縮蒸発器１の酸素室
10に導入されていく。各液受兼液溜38には、それぞれ液
供給管32から液化酸素LOが補給され、炭化水素の濃縮を
防止している。

また、複数の凝縮蒸発器１を円周状に配置して無端状
に液化酸素LOを循環させることもでき、各凝縮蒸発器１
にそれぞれ液溜30と液受31とを設けて、管路や樋等の液
供給流路で接続してもよい。さらに、２基の凝縮蒸発器
1,1の両通路の傾斜を逆方向となるように設置して液溜3
0と液受31を対応するように配置し、２基の凝縮蒸発器
1,1間で液化酸素LOを循環させることもできる。

第８図及び第９図は本発明の凝縮蒸発器１を空気液化
分離装置の複精留塔50の凝縮蒸発器に適用した実施例を
示すものである。

本実施例では、上部塔51の下部空間内に４基の凝縮蒸
発器1,1を円周状に配置している。この凝縮蒸発器１
は、前記第５図及び第６図に示した液戻し室37を設けた
構造のものであって、下部塔52から上部塔51の中心部に
立設した窒素ガス供給用のマニホールド管53を中心とし
て、該マニホールド管53側に液溜30を向けて配置されて
いる。

上部塔51の精留段54から流下する液化酸素LOは、液化
酸素受55から管56を介して液化酸素溜57に流下し、ここ
からさらに液供給管32を流下して液供給孔34から各液溜
30に分配される。各液溜30内の液化酸素LOは、前述のご
とくそれぞれ酸素室10内に導入されて一部が蒸発しなが
ら、気液混合流となって酸素室10内を上昇し、出口端で
未蒸発の液化酸素LOと分離して上昇し、一部が製品酸素
ガスGOとしてノズル58から導出され、残部が上部塔51の
上昇ガスとなる。また蒸発しなかった液化酸素LOは、液
受31から液戻し室37を流下して元の液溜30に戻り、液供
給管32から供給される液化酸素LOと混合して再び酸素室
10内に流入する。

上記液溜30内の液化酸素LOの一部は、前述の炭化水素
濃縮防止用の液化酸素として堰あるいはオーバーフロー
管から上部塔51の底部に流下する。この底部に流下した
液化酸素LOは、ノズル59から導出され、液化酸素ポンプ
あるいはサーモサイフォンリボイラー等の揚上手段60に
より前記液化酸素溜57に揚上されるとともに、該液化酸
素LO中に濃縮した炭化水素が吸着装置61により除去され
る。

一方、下部塔52上部の窒素ガスGNは、前記マニホール
ド管53を上昇して連結管62から各凝縮蒸発器1,1の入口
ヘッダー40に供給され、前述のごとく各窒素室20に導入
される。窒素室20内で凝縮した液化窒素LNは、出口ヘッ
ダー41を経てノズル63から導出される。

このように、本発明の凝縮蒸発器１を、空気液化分離
装置における液化酸素LOの蒸発と窒素ガスGNの凝縮との
熱交換に用いることにより、液化酸素LOの圧力が各液溜
30の部分で開放されるので、従来、液深が通常２メート
ルであった液化酸素中に浸漬して用いる凝縮蒸発器に比
べて、液化酸素LOの液深による圧力上昇（沸点上昇）が
少なくなり、液化酸素LOの液深による影響をほとんど無
くすことが可能となり、流体間の温度差を従来の１〜２
℃から最小0.3℃まで低減できる。

また、上部塔51下部に大量の液化酸素LOを貯留するこ
となく装置の運転を行なえるので、装置の起動時間や保
安上の問題も容易に解決できる。

さらに、凝縮した液化窒素LNの液膜の影響も低減する
ので熱交換効率が向上し、液化酸素LOの液深の影響が解
消されたことと相俟って、液化酸素LOと窒素ガスGNの温
度差を極限まで詰めた凝縮蒸発器を製作することが可能
となる。これにより、窒素ガスの凝縮温度、即ち、この
温度を決める窒素ガスGNの圧力を低減させることができ
るから、下部塔52の運転圧力を低くでき、原料空気圧縮
機の動力費も低減させることが可能となり、製品ガス等
の動力原単位を低減することができる。

加えて、液化酸素LOの液圧の影響がほとんど無いので
凝縮蒸発器１の高さ方向の形状的制限が無くなり、凝縮
蒸発器の高さを高くすることで処理能力を大幅に増加さ
せることが可能になり、設置面積の制限が低減し、大型
空気分離装置用精留塔に組込むことが容易にでき、精留
塔を上下一体構造で製作することが可能となる。また、
液化酸素ポンプ等の再循環設備費及び動力費を大幅に低
減させることができる。

尚、本発明の蒸発器は、空気液化分離における液化酸
素と窒素ガスとの熱交換による蒸発と凝縮以外の、他の
液媒の蒸発と流体（凝縮する流体に限定されない）との
熱交換に用いた場合にも同様の作用効果を得ることがで
き、空気分離装置以外の他のプロセスにおける小温度差
蒸発器にも省エネルギー型蒸発器として応用可能なこと
は言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の蒸発器は、第１・第２
の両流体通路を上下に積層するとともに、蒸発させる液
媒を第１の流体通路の一端から導入するように構成した
ので、蒸発器を液媒中に浸漬せずに少ない液媒量で運転
することができ、起動時間を短縮させるとともに、液深
による影響を低減することができる。また、液媒の液圧
の影響及び第２流体通路の流体が凝縮する流体である場
合は、その液膜の影響がほとんど無いので、液媒と流体
とを効率良く熱交換させることができ、蒸発器の熱交換
効率が向上し、流体間の温度差を極小に低減できる。ま
た、蒸発器の高さ方向の形状的制限が無くなり、蒸発器
高さを高くすることにより、処理能力を大幅に増加させ
ることが可能になり、設置面積を低減できる。また、本
発明の蒸発器は、一般的な仕切板と波形伝熱フィンを用
いることにより、特殊な工程や部材を必要とせずに従来
と同様の手段で容易に製作することができる。

さらに、第一流体通路の液媒導入手段として、上部を
開放した液溜を用いることにより、各液溜部分で圧力を
開放できるので、液媒の液深を蒸発器の高さに関係なく
各液溜の深さとすることができる。特に液溜に沿って液
供給管を配設し、液媒供給孔で連通させることにより液
媒導入手段を容易に形成でき、液媒供給孔の径を調整す
ることで、各液溜への液媒供給量を調整することができ
る。

また、第一流体通路に液受と液戻し流路を設けて液媒
を循環させることにより、液媒供給量を低減することが
できる。この液戻し流路は、管又は樋、あるいは前記第
一流体通路間に設けられた流路により容易に形成するこ
とができる。特に第一流体通路間に液戻し流路を設けた
場合には、蒸発器の両通路の形成と同時に液戻し流路を
形成でき、配管作業等を省略できるとともに、精留塔等
への組付け作業性も向上させることができる。さらに複
数の蒸発器の液受と液溜との間を管や樋等の液供給流路
で接続することにより、複数の蒸発器間で液媒を循環さ
せることもできる。

従って、本発明の蒸発器は、処理量の多い大型の空気
液化分離装置の凝縮蒸発器に特に好適なもので、装置全
体の小型化や運転動力費の低減が図れ、製品の動力原単
位を低減させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第４図は本発明の蒸発器の一実施例を示すも
ので、第１図は凝縮蒸発器の一部切欠正面図、第２図は
同じく一部切欠右側面図、第３図は同じく一部切欠斜視
図、第４図は同じく要部の分解斜視図、第５図及び第６
図は液戻し流路の他の実施例を示すもので、第５図は凝
縮蒸発器の一部切欠正面図、第６図は同じく一部切欠右
側面図、第７図は複数の凝縮蒸発器の液受と液溜との間
を液供給流路で接続した実施例を示す一部切欠正面図、
第８図及び第９図は複精留塔に適用した実施例を示すも
ので、第８図は複精留塔の要部の断面正面図、第９図は
同じく断面平面図である。 １……凝縮蒸発器、２……仕切板、４……波形伝熱フィ
ン、10……第一流体通路（酸素室）、20……第二流体通
路（窒素室）、30……液溜、31……液受、32……液供給
管、34……液供給孔、36……管路、37……液戻し室、40
……入口ヘッダー、41……出口ヘッダー、50……複精留
塔、51……上部塔、52……下部塔、GN……窒素ガス、GO
……酸素ガス、LN……液化窒素、LO……液化酸素

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−17601（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−267877（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−253782（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−97885（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−233985（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F25J 5/00 F28D 9/00 - 9/04 F28F 3/00 311 F28F 3/08 311

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第一流体通路の液媒と第二流体通路の流体
   とで熱交換を行う蒸発器において、複数の第一流体通路
   と第二流体通路とを上下方向に主として交互に積層し、
   前記第一流体通路の一端に前記液媒を第一流体通路に導
   入する液媒導入手段を設けるとともに他端側を開放して
   液媒の導出部とし、前記第二流体通路には、その一端側
   に前記流体を第二流体通路に導入する流体導入手段を設
   けるとともに他端側を導出部としたことを特徴とする蒸
   発器。
2. 【請求項２】前記第一流体通路は、液媒導入側から導出
   側に向かって昇り勾配を有していることを特徴とする請
   求項１記載の蒸発器。
3. 【請求項３】前記第一流体通路と第二流体通路は、それ
   ぞれの通路間に配設した仕切板により仕切って画成され
   るとともに、該仕切板間に波形伝熱フィンが配設されて
   いることを特徴とする請求項１記載の蒸発器。
4. 【請求項４】前記液媒導入手段は、前記第一流体通路の
   液媒導入端に連通する、上下多段に配設された複数の液
   溜及び／又は液受と、該液溜及び／又は液受に液媒を供
   給する液媒供給手段とを有し、前記液溜及び／又は液受
   は上部が開放されていることを特徴とする請求項１記載
   の蒸発器。
5. 【請求項５】前記液媒供給手段は、前記上下多段に配設
   された液溜及び／又は液受に沿って配設された液供給管
   と、該液溜及び／又は液受の側壁に設けられて、液供給
   管と各液溜及び／又は液受とを連通する液媒供給孔とを
   有することを特徴とする請求項４記載の蒸発器。
6. 【請求項６】前記第一流体通路の導出端側に連通して、
   該第一流体通路の導出端部から流出する液媒を受ける上
   部が開放された複数の液受を上下多段に設けるととも
   に、該液受に流出した液媒を前記液溜に戻す液戻し流路
   を設けたことを特徴とする請求項４記載の蒸発器。
7. 【請求項７】前記液戻し流路は、管又は樋、あるいは前
   記第一流体通路間に、前記第二流体通路と隣接しないよ
   うに設けられた流路のいずれかにより形成されているこ
   とを特徴とする請求項６記載の蒸発器。
8. 【請求項８】請求項４記載の蒸発器を複数基配設すると
   ともに、各蒸発器の第一流体通路の導出端部から流出す
   る液媒を、他の蒸発器の液溜に供給して液媒を順次他の
   蒸発器の第一流体通路へ循環させるように構成したこと
   を特徴とする蒸発器。
9. 【請求項９】第一流体通路の液媒を蒸発させるととも
   に、第二流体通路の流体を凝縮させることを特徴とする
   請求項１記載の蒸発器。