JP2011080678A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトでありながら容量の増大が可能であると共に、衛生面で高いレベルを実現可能な熱交換器を提供する。
【解決手段】実施形態に係る熱交換器１は、同一平面内で延在する、内部を第一流体が流れるチューブ２１が、前記平面に垂直な方向に並列して多層に設置された多層チューブ部２０と、多層チューブ部２０を内包すると共に内部を第二流体が流れる角型シェル１０と、を備え、第一流体と第二流体との間で熱交換を行う。多層チューブ部２０を構成する各チューブ２１は、水平方向にジグザグしながら鉛直方向に延在して配置されていると共に、チューブ２１内で流体溜まりが発生しないように全ての部分に勾配がつけられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、管式の熱交換器に関し、特に、衛生面で高いレベルが求められるサニタリー用途に適した熱交換器に関する。

従来から様々な産業分野で、温度の高い物体から低い物体へ効率的に熱を移動させるための熱交換器が使用されている。ここで、食品製造や医薬品製造等のサニタリープラントにおいては、衛生面で高いレベルが求められるため、サニタリー用途で使用される熱交換器に対しては、高い洗浄性、雑菌や異物等の混入防止のための高いシール性、雑菌の繁殖等を防ぐための流路内への流体の滞留阻止等が求められる。

サニタリー用途の熱交換器としては、例えば、下記特許文献１及び２に開示された多管式熱交換器が提供されている。多管式熱交換器においては、円筒胴内に、筒方向（鉛直方向）に延在する多数の伝熱管が配列されており、伝熱管内面近傍を流れる流体と、円筒胴内の伝熱管外面近傍を流れる流体との間で熱交換が行われるように構成されている。

特開２００２−１３８９８号公報 特開平８−３１３１８８号公報

ところで、従来の多管式熱交換器において、熱交換容量（伝熱面積）を増やすためには、伝熱管の全長を延ばす必要があるが、伝熱管を延ばすと、熱交換器全体を細長く延ばす必要があるため、熱交換器が大型化し、設置場所等の問題が生じてしまう。特に、サニタリー用途の熱交換器は、部屋の大きさが制限されるクリーンルーム内に上下方向（鉛直方向）に延在して設置されるケースが多く、熱交換器が大型化すると、プラント内へ設置できなくなってしまう。

また、伝熱管の全長を伸ばすために、上記特許文献２のように伝熱管を折り返した場合には、伝熱管内に蒸留水等の液体が残る液溜まりが発生しやすくなり、衛生面で高いレベルが求められるサニタリー用途の熱交換器にとっては望ましくない。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、コンパクトでありながら容量の増大が可能であると共に、衛生面で高いレベルを実現可能な熱交換器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明に係る熱交換器は、同一平面内で延在する、内部を第一流体が流れるチューブが、前記平面に垂直な方向に並列して多層に設置された多層チューブ部と、前記多層チューブ部を内包すると共に内部を第二流体が流れるシェルと、を備え、前記第一流体と前記第二流体との間で熱交換を行うことを特徴とする。

本発明によれば、コンパクトさを維持しながら熱交換容量の増大を容易に行うことができる。また、本発明によれば、衛生面で高いレベルを維持することもできる。

図１は、本実施形態に係る熱交換器の斜視図である。 図２は、本実施形態に係る熱交換器の断面図である。 図３は、図２におけるＡ−Ａ線による断面図である。 図４は、図２におけるＢ−Ｂ線による断面図である。 図５は、本実施形態の変形例に係る熱交換器の水平断面図である。

まず、図１〜図４を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る熱交換器の斜視図である。図２は、本実施形態に係る熱交換器の断面図である。図３は、図２におけるＡ−Ａ線による断面図、図４は、図２におけるＢ−Ｂ線による断面図である。なお、本実施形態に係る熱交換器は、医薬品製造や食品製造等のサニタリー用途で用いられる熱交換器であり、クリーンルーム内に設置される。

図１〜図４に示すように、熱交換器１は、角型（直方体）の筐体である角型シェル１０と、角型シェル１０内を延在する伝熱管としてのチューブ２１が積層して設置された多層チューブ部２０とを備えている。本実施形態では、多層チューブ部２０のチューブ２１内を蒸留水（第一流体）が流れ、角型シェル１０の内壁面と多層チューブ部２０の外表面との間に形成される内部空間を熱媒体（第二流体：冷却水）が流れ、蒸留水と熱媒体との間で熱交換が行われる。

角型シェル１０の下部には、熱媒体入口として機能する入口フランジ１１ａ，１１ｂが設置されている。入口フランジ１１ａは角型シェル１０の下面に、入口フランジ１１ｂは角型シェル１０の側面に設置されており、熱交換器１の設置状況に応じて、一方のフランジ１１に熱媒体供給管を接続し、他方のフランジ１１を塞いで使用される。

また、角型シェル１０の上部には、熱媒体出口として機能する出口フランジ１２ａ，１２ｂが設置されている。出口フランジ１２ａは角型シェル１０の上面に、出口フランジ１２ｂは角型シェル１０の側面に設置されており、熱交換器の設置状況に応じて、一方のフランジ１２に熱媒体回収管を接続し、他方のフランジ１２を塞いで使用される。

このように、熱交換器１は、設置場所の配管等の状況に応じて、熱媒体供給管や回収管を、熱交換器１の上面、下面、側面の所望の場所に接続することが可能であるので、様々な環境にフレキシブルに設置することができる。

角型シェル１０の内部には、左右の内壁面から交互に水平に内部に突き出たバッフル板１５，１６が設置されている。図２において、右側内壁面に固定されたバッフル板１５は、左側内壁面から角型シェル１０の幅の７割程度まで突き出ており、左側内壁面に固定されたバッフル板１６は、右側内壁面から同７割程度まで突き出ている。

また、同図に示すように、バッフル板１５，１６は、鉛直方向において交互に等間隔で４枚ずつ設置されている。これら左右のバッフル板１５，１６と角型シェル１０の内壁面とにより、角型シェル１０内を水平方向にジグザグしながら鉛直方向に延在する第二流体用ジグザグ流路（第二流路）が形成される。また、このジグザグの第二流路内を延在するチューブ２１もジグザグに延在することになる。

このように、流路をジグザグに形成することで、流路長が長くなり、伝熱面積が増えるため、熱交換効率を大きく向上させることができると共に、ジグザグな流路内を流れることで流体が撹拌され、温度の均一化及び流速が上がるにより熱交換効率を向上させることもできる。

また、このバッフル板１５，１６は、図４等に示すように、溶接により角型シェル１０の内壁面に強固に固定されている。バッフル板１５は、基部が角型シェル１０の図２における右側内壁面に、両側端部の基部から先端までの半分程度が角型シェル１０の前後内壁面に溶接されている。バッフル板１６は、基部が角型シェル１０の図２における左側内壁面に、両側端部の基部から先端までの半分程度が角型シェル１０の前後内壁面に溶接されている。

このように、略長方形板状のバッフル板１５，１６は、その三方側面が角型シェル１０の内壁面に溶接固定されているので、角型シェル１０の補強板として作用する。角型シェル１０内には、高温や低温の熱媒体が流れるため、角型シェル１０には、流体が流入することによりシェルが広がる方向に応力がかかる。特に、角型の場合には、円筒型と比べて応力によって変形や溶接割れが生じやすいが、本実施形態では、内壁面に溶接固定されたバッフル板１５，１６の補強により、角型シェル１０の変形を防止することができる。

角型シェル１０内に内包される多層チューブ部２０を構成する積層された各チューブ２１は、角型シェル１０の下面に設置された結合フランジ２２に入口端２１ｅ及び出口端２１ｆが接続・固定されている。また、チューブ２１は、上記ジグザグ第二流路内を下端から上端まで往復しており、入口端２１ｅが結合フランジ２２に接続された往路管２１ａがジグザグ第二流路内をジグザグに折れ曲がりながら上方に延在する。

また、復路管２１ｂは、ジグザグ第二流路内をジグザグに折れ曲がりながら下方に延在し、出口端２１ｆが結合フランジ２２に接続されている。この各チューブ２１内が、第一流体用流路（第一流路）となる。

また、各チューブ２１は、下端である入口端２１ｅ及び出口端２１ｆ近傍だけが角型シェル１０に対して固定されており、他端である上端は角型シェル１０に対して固定されておらず、フリーとなっている。よって、温度差や熱膨張率の違いにより、角型シェル１０とチューブ２１との間で伸縮長の違いが出たとしても吸収することができ、溶接割れ等の不具合が生じることもない。

結合フランジ２２は、内部に二つの空間２２ａ，２２ｂが形成されており、多層チューブ部２０への流体の入口として機能する内部空間２２ａは、空間への入口２５とつながっていると共に、全てのチューブ２１の入口端２１ｅがこの内部空間２２ａに接続されている。また、内部空間２２ｂは、空間からの出口２６につながっていると共に、全てのチューブ２１の出口端２１ｆがこの内部空間２２ｂに接続されている。

したがって、結合フランジ２２の入口２５から送り込まれる第一流体は、入口内部空間２２ａを介して各チューブ２１内へと流れ込み、各チューブ２１内を流れた後に出口内部空間２２ｂへと集まり、出口２６から熱交換器１の外部へと出ることになる。

また、図２〜図４に示すように、各チューブ２１は、同一平面（図２の紙面に平行な鉛直平面）内において延在しているため、厚みが小さく、積層しても多層チューブ部２０をコンパクトに形成することができる。

また、図２に示すように、チューブ２１は、チューブ２１内に液溜まりが発生することのないように、全ての部分で勾配がつけられている。なお、ここでいう勾配がつけられているとは、鉛直な状態も含んでいる。往路管２１ａは、入口端２１ｅから離れるにしたがって高くなるように構成され、復路管２１ｂは、出口端２１ｆに近づくにしたがって低くなるように構成されている。

ここで、熱交換器１のサイズは、高さが816mm、幅が400mm、奥行き（厚み）が180mmであり、厚みの小さなチューブ２１を奥行き方向に積層することで、熱交換容量を大きくしながら、コンパクトさを維持している。

以上、本実施形態に係る熱交換器１の構成について詳細に説明したが、続いて、熱交換器１の使用態様について、説明する。熱交換器１の設置時には、クリーンルーム内を循環する蒸留水の供給ラインが結合フランジ２２の入口２５に接続されると共に、蒸留水の回収ラインが結合フランジ２２の出口２６に接続される。これにより、各チューブ２１内の流路（第一流路）に蒸留水が供給される。また、結合フランジ２２の入口２５には、切替弁によりピュアスチームや圧縮エアーを選択的に供給可能に構成されている。

また、入口フランジ１１ａ又は入口フランジ１１ｂには、冷却水の供給ラインが接続され、出口フランジ１２ａ又は出口フランジ１２ｂには、冷却水の回収ラインが接続される。これにより、角型シェル１０の内壁面と多層チューブ部２０の外表面との間に形成される流路（第二流路）に冷却水が供給される。

そして、第二流路を流れる冷却水と第一流路を流れる蒸留水との間で熱交換が行われることで、蒸留水が所定温度に冷却され、冷却された蒸留水がクリーンルーム内に供給される。蒸留水が流れるチューブ２１内は、定期的に滅菌洗浄（定置洗浄）を行う必要があり、滅菌洗浄時には、クリーンな蒸気であるピュアスチームをチューブ２１内に供給して滅菌を行う。

滅菌後、チューブ２１内に残留水が発生すると雑菌の繁殖につながるおそれがあるために、残留水が発生しないようにする必要がある。このため、チューブ２１には、流体溜まりが生じないように全ての部分に勾配がつけられているので、残留水は全て排出される。但し、確実に流体溜まりを阻止するため、排水後、クリーン圧縮エアーをチューブ２１内に供給するエアブローが行われる。

以上、本実施形態について詳細に説明したが、本実施形態によれば、伝熱管として同一平面内で延在するチューブ２１を採用しているので、このチューブ２１の積層数を増減するだけで、容易且つコンパクトに熱交換容量を変更することができる。特に、本実施形態では、同じ形状のチューブ２１を多層化しているため、容量変更時の設計計算も容易に行うことができる。

また、本実施形態では、鉛直方向に延在するチューブ２１を横方向に積層化しているので、大容量化にあたって、高さ方向のサイズを大きくすることなく、横方向に大きくするだけで良い。したがって、高さ方向の制限の多いクリーンルーム内でも、容易に大容量化を実現できる。

また、本実施形態によれば、第一流体が流れる第一流路と、第二流体が流れる第二流路とがジグザグに鉛直方向に延在して形成されているので、効率よく熱交換を行うことができる。また、本実施形態によれば、第二流路を形成するチューブの全ての部分に勾配がつけられているので、チューブ内での液溜まりの発生を防止できる。

続いて、本実施形態の変形例について説明する。図５は、本実施形態の変形例に係る熱交換器の水平断面を示す図であり、上記実施形態の図４に相当する図面である。同図に示すように、本変形例に係る熱交換器１は、上記実施形態の角型シェル１０の代わりに、円筒型シェル１０’を備え、バッフルプレートを設置していないことを特徴とし、その他の構成は上記実施形態と同様であるため説明を省略する。

本変形例によれば、上記実施形態と同様の作用効果を奏すると共に、円筒型シェル１０’を採用したことで、角型シェルに比べればシェル内に無駄なスペースが生じ、コンパクト性は犠牲になるものの、構造的な強度が非常に高くなる。よって、非常に高温の熱媒体又は低温の熱媒体を使用する場合等、熱膨張や熱伸縮によって大きな応力がかかる場合には、本変形例の採用の望ましい。

また、円筒型シェルを採用する本変形例によれば、シェルの強度が高いため、上記実施形態のような補強板を設置しなくても良い。したがって、熱交換効率を上げるためにはバッフルプレートを設置するのが望ましいが、円筒型シェルの内壁面に溶接固定しなくても良く、製造コストを下げることができる。

以上、変形例も含めて本発明の実施の形態について説明したが、本発明の実施の形態は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態に係る熱交換器は、サニタリー用途に適しているが、その他の用途にも使用できることは言うまでもない。

また、上記実施形態では、多層チューブ部において、同じ形状のチューブを多層化しているが、同一平面内で延在するチューブであれば、異なる形状のチューブを積層しても良い。

また、上記実施形態では、シェルの下端に入口が位置するチューブを上方に延在してから折り返し、シェルの下端に出口も位置しているが、折り返し構造のチューブではなく、上方に出口を設置しても良い。

１，２ 熱交換器
１０ 角型シェル
１０’ 円筒型シェル
１１ 入口フランジ
１２ 出口フランジ
１５，１６ バッフル板
２０ 多層チューブ部
２１ チューブ
２２ 結合フランジ
２５ 入口
２６ 出口

Claims (4)

1. 同一平面内で延在する、内部を第一流体が流れるチューブが、前記平面に垂直な方向に並列して多層に設置された多層チューブ部と、
   前記多層チューブ部を内包すると共に内部を第二流体が流れるシェルと、を備え、前記第一流体と前記第二流体との間で熱交換を行うことを特徴とする熱交換器。
2. 前記多層チューブ部を構成する各チューブは、水平方向にジグザグしながら鉛直方向に延在して配置されていると共に、チューブ内で流体溜まりが発生しないように全ての部分に勾配がつけられていることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
3. 前記多層チューブ部を構成する各チューブの前記第二流体の入口端及び出口端が、前記多層チューブ部の下端に位置して前記シェルに対して固定されると共に、各チューブの上端側は前記シェルに対して固定されずフリーとなっていることを特徴とする請求項２記載の熱交換器。
4. 前記シェルは、前記シェル内を流れる前記第二流体の第二流路をジグザグに形成するためのバッフル板であって、前記シェルの内側壁面に固定されることで、前記シェルの補強板を兼ねるバッフル板をさらに有することを特徴とする請求項１乃至３何れか１項に記載の熱交換器。

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