多段贮液式冷凝蒸发器的制作方法

本发明涉及一种贮液式冷凝蒸发器，其通过将设置在至少两个蒸发区域上的贮液器内的液体导入到蒸发通道并与流过冷凝流道的气体进行换热，从而利用热虹吸作用来使所述液体蒸发，并且使所述气体冷凝。

本申请在2014年8月22日于日本申请的特愿2014-169825号的基础上要求优先权，并在此援引其内容。

背景技术：

贮液式冷凝蒸发器使来自由复式精馏塔构造的空气液化分离装置的低压蒸馏塔(以下，称为“低压塔”)的塔底的液化氧和来自高压蒸馏塔(以下，称为“高压塔”)的塔顶的氮气进行间接换热。由此，贮液式冷凝蒸发器通过使一部分液化氧进行蒸发汽化以生成低压塔的上升气体，并且使氮气进行冷凝液化以生成两塔的回流液。

这种贮液式冷凝蒸发器通常使用利用板翅型换热器芯的冷凝蒸发器。该板翅型换热器芯具有多条由经由分隔板相邻的冷凝通道和蒸发通道构造的换热通道。该板翅型换热器芯被浸渍到贮液器内，并且被形成为以气体形态导入的冷凝流体(氮气)通过与贮液器内的蒸发流体(液化氧)进行间接换热而在冷凝通道中进行冷凝液化并流向换热器芯的下方，并且从换热器芯的下方导入到蒸发通道中的液化氧进行局部蒸发汽化以流向换热器芯的上方。

蒸发通道内的从下方的流入和朝向上方的流动通过因蒸发导致流体密度小于贮液器内的密度而产生(热虹吸效应)，但由于将换热器芯整体浸渍到液化氧中而使用，因此根据液化氧的液头(液ヘッド)在比其沸点更低的温度下流入到换热器芯中。液头是指通过将压力换算为液体的高度来表示的单位。因此，不仅在开始沸腾之前需要某种程度的芯高度，而且由于温度上升至沸点而无法确保冷凝流体与氮气之间的温度差，因此导致氮气的压力升高且运转费增加。

为了解决因液化氧的液头引起的上述问题，专利文献1中公开了一种“多段浴冷凝器”，其通过将蒸发区域分隔为上下多个，并在各蒸发区域设置多段用于贮留液化氧的贮液器，从而抑制沸点上升并提高效率。在将贮液器设为多段的情况下，需要用于将设置于各蒸发区域的贮液器之间连通并将液化氧供给到各贮液器中的机构。关于这一点，在专利文献1中，如专利文献1中的图1、图4所示，在换热器芯的宽度方向的双面或一面上设置有用于贮留液体的贮液部和用于将各贮液部连通并将液体供给到各贮液器中的机构。

专利文献1：特开2003-535301号公报

但是，专利文献1的多段浴冷凝器存在如下问题：设置在换热器芯的外侧面上的贮液部和液体的连通机构复杂，从而其制作成本提高。

技术实现要素：

本发明是为了解决上述问题而提出的，其目的在于得到一种多段贮液式冷凝蒸发器，其能够以简单的结构紧凑地实现设置于换热器芯的贮液器和将各贮液器连通的机构。

为了解决上述课题，本发明人考虑了将连通各贮液部并向各贮液部供给液体的机构插入到换热器芯中的方案。本发明是基于这种考虑而提出的，具体而言具备以下结构。

(1)本发明的多段贮液式冷凝蒸发器具备：冷凝通道，气体流过所述冷凝通道而冷凝，所述冷凝通道上下连通；蒸发通道，供与所述气体进行换热而蒸发的液体流通且被分隔为多段；一段以上的贮液部，贮留向所述蒸发通道供给及流出的液体；和液体连通通道，用于使所述贮液部的液体从上侧的贮液部流向下侧的贮液部，所述多段贮液式冷凝蒸发器具有：换热器芯，由换热部和液体连通部构造，所述换热部通过相邻层压由板片和翅片构造的所述冷凝通道和所述蒸发通道而形成，所述液体连通部由设置于所述换热部的堆积高度方向的至少一侧的所述液体连通通道形成；和一段以上的所述贮液部，与所述蒸发通道的段数对应地形成在所述换热器芯的宽度方向的至少一侧的侧面上。

(2)在所述蒸发通道中形成有：蒸发导入流道，用于将各贮液部的液体导入到经分隔的各蒸发通道中；和蒸发流出流道，用于使上升的气液二相流体向各贮液部流出，在所述液体连通通道中形成有：连通导入流道，用于将各贮液部的液体导入到液体连通通道中；和连通流出流道，用于使液体向下侧的贮液部流出。

(3)另外，根据上述(2)所述的多段贮液式冷凝蒸发器，所述连通导入流道的入口被设置在比所述蒸发流出流道的出口位置更靠下方。

(4)另外，根据上述(2)所述的多段贮液式冷凝蒸发器，所述蒸发导入流道的入口的高度位置和所述连通流出流道的出口的高度位置错开设置。

(5)另外，根据上述(1)至(4)中的任一项所述的多段贮液式冷凝蒸发器，所述各贮液部为封闭空间，在各贮液部设置有用于取出流出到所述贮液部中的蒸发气体的蒸发气体取出口。

(6)另外，根据上述(5)所述的多段贮液式冷凝蒸发器，在所述贮液部中的最上段的贮液部设置有用于从外部导入液体的液体导入口，在最下段的贮液部设置有用于将液体排出到外部的液体排出口。

(7)另外，根据上述(1)至(4)中的任一项所述的多段贮液式冷凝蒸发器，所述贮液部被开放，所述多段贮液式冷凝蒸发器进一步具备气体汇集容器，所述气体汇集容器收集流出到所述各贮液部中的蒸发气体。

(8)另外，根据上述(1)至(7)中的任一项所述的多段贮液式冷凝蒸发器，所述贮液部被设置在所述换热器芯的宽度方向的两侧。

(8)另外，根据上述(1)至(8)中任一项的所述的多段贮液式冷凝蒸发器，所述液体连通通道被设置在所述换热器芯的堆积高度方向的两侧面上。

本发明的多段贮液式冷凝蒸发器具有如下结构：换热器芯，由换热部和液体连通部构造，所述换热部通过相邻层压由板片和翅片构造的所述冷凝通道和所述蒸发通道而形成，所述液体连通部由设置于所述换热部的堆积高度方向的至少一侧的所述液体连通通道形成；和一段以上的贮液部，与所述蒸发通道的段数对应地形成在所述换热器芯的宽度方向的至少一侧的侧面上。由此，与由管道构造连通通道的现有的冷凝器相比较，结构简单且能够实现紧凑化。

另外，由于通过设为如上所述的结构，作为换热器芯能够一体制造，因此能降低制造成本。

附图说明

图1是本发明的一实施方式所涉及的多段贮液式冷凝蒸发器的立体图。

图2是透视表示本发明的一实施方式所涉及的多段贮液式冷凝蒸发器的一部分的立体图。

图3是本发明的一实施方式所涉及的多段贮液式冷凝蒸发器芯的功能说明图。

图4是本发明的一实施方式所涉及的多段贮液式冷凝蒸发器的结构说明图。

图5是构造本发明的一实施方式所涉及的多段贮液式冷凝蒸发器芯的各通道的说明图。

图6是本发明的一实施方式所涉及的多段贮液式冷凝蒸发器芯的基本结构的说明图(其一)。

图7是本发明的一实施方式所涉及的多段贮液式冷凝蒸发器芯的基本结构的说明图(其二)。

图8是应用本发明的一实施方式所涉及的多段贮液式冷凝蒸发器的空气液化分离装置的说明图。

图9是本发明的一实施方式所涉及的多段贮液式冷凝蒸发器的贮液部的另一形式的说明图。

图10是本发明的一实施方式所涉及的多段贮液式冷凝蒸发器的贮液部的又一形式的说明图。

图11是本发明的另一实施方式所涉及的多段贮液式冷凝蒸发器的贮液部的说明图。

图12是本发明的另一实施方式所涉及的多段贮液式冷凝蒸发器的贮液部的另一形式的说明图。

图13是本发明的另一实施方式所涉及的多段贮液式冷凝蒸发器的气体汇集容器的说明图(其一)。

图14是本发明的另一实施方式所涉及的多段贮液式冷凝蒸发器的气体汇集容器的说明图(其二)。

图15是本发明的另一实施方式所涉及的多段贮液式冷凝蒸发器芯的另一形式的说明图(其一)。

图16是本发明的另一实施方式所涉及的多段贮液式冷凝蒸发器芯的另一形式的说明图(其二)。

图17是应用本发明的另一实施方式所涉及的多段贮液式冷凝蒸发器的空气液化分离装置的说明图。

图18是应用本发明的另一实施方式所涉及的多段贮液式冷凝蒸发器的空气液化分离装置的另一形式的说明图。

具体实施方式

下面，对本发明的优选例进行说明，但本发明并不限定于这些例。在不脱离本发明的主旨的范围内，能够进行结构的附加、省略、置换及其它变更。

[实施方式1]

例如图1、图2所示，本发明的一实施方式所涉及的多段贮液式冷凝蒸发器1由在上下方向上相连的四个蒸发区域(从上起按第一蒸发区域9～第四蒸发区域15顺序)构造。在此，蒸发区域是指通过使气体和液体进行换热而使液体蒸发的区域。如图3所示，多段贮液式冷凝蒸发器1具有：换热器芯5，由换热部3和液体连通部4构造，所述液体连通部4由设置在换热部3的堆积高度方向的两侧面上的第一液体连通通道35～第三液体连通通道39形成；和多段贮液部7，被形成在换热器芯5的宽度方向的两侧。

下面，对各结构进行详细说明。在以下的说明中，以多段贮液式冷凝蒸发器1被用作空气液化分离装置的主冷凝蒸发器的情况为例进行说明，所述空气液化分离装置通过使氮气和液态氧进行换热而使氮气冷凝，并且使液态氧蒸发。

<换热部>

换热部3通过在内部使液态氧和氮气流通并彼此进行换热而使氮气冷凝，并且使液态氧蒸发，在换热部3的内部相邻层压有冷凝通道17和蒸发通道19。

在本实施方式中，如图3所示，换热部3通过层压四层的冷凝通道(A)和五层的蒸发通道(B)而形成。

冷凝通道17和蒸发通道19为通过层压如图6所示的、板片25(管板)、翅片27(波纹翅片)和横挡29等而形成的所谓板翅型通道。板片25和翅片27形成流道，横挡29分隔已形成的流道并具有加固功能。在图3及图5中涂黑表示横挡29。通过层压板片25和翅片27而形成的流道的翅片27的朝向为流道的方向。通过改变朝向的方式组合多个翅片27，能够形成各种方向的流道，例如如图7所示，通过组合纵向翅片27和横向翅片27，能够形成从横向到纵向进而从纵向到横向流动的流道。

冷凝通道17通过使用纵向翅片而形成，如图3或图5所示，流道以从换热器芯5的上端面连通至下端面的方式形成。氮气从冷凝通道17的上端流入，在通过冷凝通道内部的期间被冷却，并从下端作为液态氮流出。

如图3及图5所示，在每个蒸发区域独立设置有蒸发通道19，如图5所示，通过在换热器芯5的宽度方向上配置横向翅片和与横向翅片连通的纵向翅片而形成蒸发通道19。贮留在各蒸发通道19的贮液部7中的液态氧从下部的由横向翅片构造的蒸发导入流道19a流入，并沿纵向翅片蒸发的同时上升，从而以气液二相流体的状态通过上部的由横向翅片构造的蒸发流出流道19b返回到贮液部7。

如图2所示，在换热器芯5的上端设置有用于对多个冷凝通道17分配并供给氮气的氮气集管21，在氮气集管21中设置有氮气导入管21a。

另外，如图2所示，在换热器芯5的下端设置有对由冷凝通道17冷凝的液态氮进行集液的液态氮集管23，从图略的液态氮取出管中取出聚集在液态氮集管23中的液态氮。

<液体连通部>

第一液体连通通道35～第三液体连通通道39形成液体连通部4，并且被设置在换热部3的堆积高度方向的两侧面上。如图3所示，第二液体连通通道37由板片31和翅片形成在换热部3侧面的D层内，并且第一液体连通通道和第三液体连通通道进而通过在该D层外侧的C层内设置翅片和板片31而形成。

图5示出第一液体连通通道35～第三液体连通通道39的翅片结构的一例，与蒸发通道同样，组合纵向翅片和横向翅片而成。

为了简化，在图5中省略了表示纵向翅片的一部分线。关于第一液体连通通道35～第三液体连通通道39的翅片，为了使液态氧平稳地流下而优选使用压力损失少的翅片(例如间隔大的翅片)。

第一液体连通通道35为从第一蒸发区域9朝向第二蒸发区域11的连通通道，第一液体连通通道35为从第三蒸发区域13朝向第四蒸发区域15的连通通道，所述第一液体连通通道35和所述第一液体连通通道35形成在同一个C层内。另外，第二液体连通通道37为从第二蒸发区域11朝向第三蒸发区域13的连通通道，所述第二液体连通通道37形成在D层内。

在构造液体连通部4的C层、D层中形成有不作为通道发挥功能的部位(虚拟通道)，在图3、图5中用网格表示该虚拟通道部分。

在第一液体连通通道35及第三液体连通通道39的上部形成有用于导入第一蒸发区域9及第三蒸发区域13的各贮液部7中的液态氧的由横向翅片构造的第一连通导入流道35a及第三连通导入流道39a，在第一液体连通通道35及第三液体连通通道39的下部形成有用于将液态氧导出到第二蒸发区域11及第四蒸发区域15的各贮液部7中的由横向翅片构造的第一连通流出流道35b及第三连通流出流道39b。

同样，在第二液体连通通道37的上部形成有第二连通导入流道37a，在第二液体连通通道37的下部形成有第二连通流出流道37b。

如上述，由于能够通过在换热部3的侧面配置板片31和翅片而形成由第一液体连通通道35～第三液体连通通道39构造的液体连通部，因此与以往那样由管道构造连通通道的现有的冷凝器相比较，结构简单且能够实现紧凑化。

另外，通过设为如上所述的结构，能够将液体连通部4和换热部3作为板翅型换热器芯5一体制造。具体而言，可通过组装构造换热器芯5的换热部3和液体连通部4的板片25、翅片27以及横挡29(参照图6)，并将组装后的装置放入到加热炉中进行真空焊接而制造。

另外，由于将第一液体连通通道35至第三液体连通通道39的连通通道部4设置在外侧面而非设置在换热部3的内侧，因此能避免与冷凝通道17的流体之间的换热。

在图3及图4所示的例中，将液体连通部4设置在换热部3的两侧，但也可以只设置在一侧。但是，设置在两侧时，液态氧的流下平稳。

由于所有处理量的液态氧被供给到第一蒸发区域9的贮液部7中，并且各蒸发区域中的蒸发量几乎相等，因此流过连通通道的流量按第一液体连通通道35、第二液体连通通道37、第三液体连通通道39的顺序减小。因此，通过改变各连通通道的入口(连通导入流道)开口部的大小以使流体阻力相同，从而使各贮液器的液头均等。

<贮液部>

在换热器芯5的宽度方向的至少一侧面按蒸发区域设置有贮液部7。在本例中，如图1及图2所示，按蒸发区域在换热器芯5的宽度方向的两侧面设置有贮液部7，各贮液部为封闭空间。在图5中，省略一侧贮液部7的图示。

在第一蒸发区域9的贮液部7设置有用于从外部导入液体(液态氧)的液体导入口41，在第四蒸发区域15的贮液部7设置有用于将液体(液态氧)排出到外部的液体排出口43(参照图2)。

另外，贮液部7兼有用于汇集氧气的作用，在各贮液部7设置有用于取出流出所述贮液部的蒸发气体(氧气)的蒸发气体取出口7a(参照图2)。

[多段贮液式冷凝蒸发器的工作说明]

与多段贮液式冷凝蒸发器1的工作一同，关于使用以上述方式构造的多段贮液式冷凝蒸发器1对氮气和液态氧进行换热的方法进行说明。

从外部经由液体导入口41向第一蒸发区域9的贮液部7导入液态氧并将其贮留。另一方面，经由氮气集管21向冷凝通道17导入氮气。

贮留在贮液部7中的液态氧因水头压力而从蒸发导入流道19a流入到蒸发通道19内，贮液部7内的液面和蒸发通道19内的液面高度相同。

当在该状态下氮气通过冷凝通道17内时，所述氮气和蒸发通道19内的液态氧进行换热，一部分液态氧进行蒸发汽化而成为氧气，蒸发通道19内的液态氧成为气液混合状态(气液二相流体)。在蒸发通道19内的液态氧与贮液部7的液态氧之间产生密度差，从而在蒸发通道19内产生上升流，从蒸发流出流道19b作为气液二相流体导出。从贮液部7的蒸发气体取出口7a取出导出后的蒸发氧气，另一方面，未蒸发的液态氧返回到贮液部7，在贮液部7与蒸发通道19之间形成循环流(热虹吸作用)。

当贮液部7的液面高度为第一连通导入流道35a的高度以上时，液态氧从第一连通导入流道35a流入到第一连通流道35中，并从第一连通流出流道35b导出而贮留在第二蒸发区域的贮液部7中。

当液态氧贮留在第二蒸发区域11的贮液部7中时，与第一蒸发区域9同样，液态氧从蒸发导入流道19a流入到蒸发通道19中并从蒸发流出流道19b以气液二相流体导出，并且当贮液部7的液面高度为第二连通导入流道37a的高度以上时，液态氧流入到第二连通流道37中，并经由第二连通流出流道37b导入到下段的第三蒸发区域13的贮液部7中。

从第三蒸发区域13朝向第四蒸发区域15的液态氧的流动也相同。为了使液面恒定，经由液体排出口43取出贮留在第四蒸发区域15的贮液部7中的液态氧。

另一方面，在氮气通过冷凝通道17的期间，与相邻的蒸发通道19内的液态氧进行换热而被冷凝(液化)并从冷凝通道17的下端流下，经由液态氮集管23、液态氮取出管取出液态氮。

从上述工作说明可知，由于从蒸发流出流道19b向贮液部7导出气液二相流体，因此为了不阻碍该导出，优选贮液部7的液面位于比蒸发流出流道19b更靠下方。因此，优选将各蒸发区域中的连通导入流道(第一连通导入流道35a、第二连通导入流道37a和第三连通导入流道39a)的高度设定为比蒸发流出流道19b更靠下方。

在贮液部7中，液态氧在蒸发导入流道19a附近从贮液部7流向换热器芯5的内部方向，在连通流出流道(第一连通流出流道35b、第二连通流出流道37b和第三连通流出流道39b)附近从换热器芯5流向贮液部7的方向。因此，在蒸发导入流道19a与连通流出流道接近的情况下，有可能因逆向流动互相干涉而产生沉淀，因此优选尽可能分开配置蒸发导入流道19a和连通流出流道，例如错开设置蒸发导入流道19a的高度位置和连通流出流道的高度位置即可。

但是，进一步优选蒸发导入流道19a的高度位置比连通流出流道的高度位置更低。如此，即使在启动时等贮留在贮液部7中的液态氧量较少，也能够使液态氧流入到蒸发导入流道19a。

[多段贮液式冷凝蒸发器的使用例]

接着，图8示出将以上述方式构造的多段贮液式冷凝蒸发器1用作空气液化分离装置51的主冷凝蒸发器的例。

图8的高压塔53和低压塔55为异体，将图1所示的冷凝蒸发器作为主冷凝蒸发器使用。在图8中，对与图1相同的结构使用相同的附图标记。高压塔53内例如以6.0bar运转，低压塔55内例如以1.4bar运转。向高压塔53供给原料空气，并通过蒸馏，在塔底制造富氧液化空气，在塔顶制造氮气。该氮气的全部或一部分被供给到多段贮液式冷凝蒸发器1中并冷凝液化，作为回流液被供给到高压塔和低压塔的塔顶中。

在低压塔55中，主要将高压塔塔底的富氧液化空气作为原料进行蒸馏，从而在塔顶制造低压氮气，在塔底制造液态氧，该液态氧被供给到多段贮液式冷凝蒸发器1中并进行蒸发汽化，作为低压塔上升气体返回到塔底。

在上述说明中，如图1、图2及图5所示，作为贮液部7的一例，在每个蒸发区域以圆顶状形成贮液部7，但也可以例如图9所示那样，由分隔板45划分贮液部7的内部。或者，还可以如图10所示那样被构造为，在各蒸发区域的各贮液部7中使用单独覆盖蒸发导入流道19a和连通流出流道以及蒸发流出流道19b和连通导入流道(参照图5)的圆顶形状的集管，并用连接管59连结各所述集管彼此。由此，能够使贮液部7紧凑化。

[实施方式2]

在上述说明中，以贮液部7具有用于贮留液态氧的作用和用于汇集氧气的作用为例进行了说明，但贮液部7并不一定具有汇集氧气的作用。图11及图12示出这种贮液部的一例。图11示出图1所示的多段贮液式冷凝蒸发器的变形例，图12示出图10所示的贮液部的变形例，图11及图12均为贮液部7的上部开放的开放型多段贮液式冷凝蒸发器60。

在图11及图12中，对与图1及图10相同的结构使用相同的附图标记。

如图13所示，在开放型多段贮液式冷凝蒸发器60的情况下，将其放入到覆盖多段贮液式冷凝蒸发器60整体的气体汇集容器61中，在气体汇集容器61中汇集流出到各贮液部中的蒸发气体(氧气)即可。

另外，在图11及图12所示的多段贮液式冷凝蒸发器的情况下，还可以在最下段的蒸发区域中不设置贮液部7，而是如图14所示那样，通过气体汇集容器61贮留液态氧。在该情况下，例如图15所示，优选在最下段的蒸发区域中，将蒸发导入流道19a设置在蒸发通道B的下端面上，例如如图16所示，进一步优选将液态氮集管23设置在冷凝通道A的下端部侧面上。

图17示出将如上述那样的开放型多段贮液式冷凝蒸发器60用作主冷凝蒸发器的空气液化分离装置63。

空气液化分离装置63为图8所示的空气液化分离装置51的变形例，将图15所示的冷凝蒸发器作为主冷凝蒸发器使用。在图17中，对与图8相同的结构使用相同的附图标记。在该情况下，多段贮液式冷凝蒸发器60容纳在气体汇集容器61中，从气体汇集容器61的上部经由取出管61a取出氧气并供给到低压塔55中，另一方面，从下部作为制品取出液态氧。

此外，作为使用开放型多段贮液式冷凝蒸发器60的空气液化分离装置的另一形式，图18示出空气液化分离装置65。空气液化分离装置65示出高压塔53和低压塔55一体构造的装置，在低压塔55的下部容纳有多段贮液式冷凝蒸发器60。在图18中，对与图8及图17相同的结构使用相同的附图标记。在该情况下，低压塔55的下部具有气体汇集容器的作用(液态氧的贮留和氧气的汇集)。

由于在上述实施方式1和实施方式2中蒸发区域为四段，因此示出了形成第一液体连通通道35～第三液体连通通道39的例，但也可以与蒸发区域的数量相应地适当变更液体连通流道的数量和形状等。

产业上的可利用性

能够得到一种多段贮液式冷凝蒸发器，其能够以简单的结构紧凑地实现设置于冷凝蒸发器芯的贮液器和将各贮液器连通的机构。

附图标记说明

A层 冷凝通道

B层 蒸发通道

C层 液体连通通道

D层 液体连通通道

1 多段贮液式冷凝蒸发器(实施方式1)

3 换热部

4 液体连通部

5 换热器芯

7 贮液部

7a 蒸发气体取出口

9 第一蒸发区域

11 第二蒸发区域

13 第三蒸发区域

15 第四蒸发区域

17 冷凝通道

19 蒸发通道

19a 蒸发导入流道

19b 蒸发流出流道

21 氮气集管

21a 氮气导入管

23 液态氮集管

25 板片

27 翅片

29 横挡

31 通道形成板

35 第一液体连通通道

35a 第一连通导入流道

35b 第一连通流出流道

37 第二液体连通通道

37a 第二连通导入流道

37b 第二连通流出流道

39 第三液体连通通道

39a 第三连通导入流道

39b 第三连通流出流道

41 液体导入口

43 液体排出口

45 分隔板

51 空气液化分离装置

53 高压塔

55 低压塔

59 连接管

60 多段贮液式冷凝蒸发器(实施方式2)

61 气体汇集容器

61a 取出管

63 空气液化分离装置(另一形式)

65 空气液化分离装置(又一形式)