JP2011099614A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】金属の優れた機械的強度及び熱伝導率と、フッ素樹脂の優れた耐食性及び高清浄性を併せ持つとともに、管板に対する引抜き強度が高く、しかも金属管に対するフッ素樹脂被膜の密着性及びシール性に優れている伝熱管を備えた熱交換器を提供すること。
【解決手段】内部を流体が流通する複数本の伝熱管と、前記伝熱管を内部に収容するシェルと、前記伝熱管の両端部を夫々固定する一対の管板を備えた熱交換器であって、前記伝熱管は、フッ素樹脂により内面が被覆された金属管からなるとともに、前記内面に傷を有することなく前記管板に対して拡管固定されており、前記管板に対する引抜き強度が２００００Ｎ以上であることを特徴とする熱交換器とする。
【選択図】図１

Description

本発明は熱交換器に関し、より詳しくは多管式の熱交換器に関する。

従来の一般的な熱交換器として、内部を流体が流通する複数本の伝熱管と、伝熱管を内部に収容するシェルと、伝熱管の両端部を夫々固定する一対の管板を備えた構造を有するシェルアンドチューブ型熱交換器が知られている。

通常、この種の熱交換器においては、伝熱管は機械的強度及び熱伝導性に優れた炭素鋼やステンレス鋼等の金属素材から形成されている。しかし、金属製の管は、酸やアルカリ等の高腐食性液体を流通させると腐食してしまうため、高腐食性液体の処理には使用することができない。また、金属イオンが処理液中に溶出する虞があるため、医薬や半導体等の高清浄性を要求される用途には使用することができない。

上記した金属製の伝熱管を備えた熱交換器が有する問題点を解決し得る熱交換器として、フッソ樹脂製の伝熱管を使用した熱交換器（特許文献１参照）が知られている。
しかしながら、フッソ樹脂製の伝熱管を使用した熱交換器は、伝熱管の機械的強度が低いために強度を確保するために肉厚を厚くしなければならない。ところが、フッソ樹脂は元々金属に比べて熱伝導率が低いため、肉厚を厚くすることによって熱交換効率が大きく低下してしまう。

上記した金属製の伝熱管を備えた熱交換器とフッソ樹脂製の伝熱管を備えた熱交換器の双方の問題点を解決するために、金属管の内面をフッ素樹脂により被覆した伝熱管を備えた熱交換器が提案されている（特許文献２参照）。
特許文献２に記載された熱交換器は、伝熱管が金属とフッ素樹脂の二層構造となっていることにより、金属の優れた機械的強度及び熱伝導率と、フッ素樹脂の優れた耐食性及び高清浄性を併せ持つことができる。

しかしながら、特許文献２に記載された熱交換器では、管板に対する伝熱管の固定強度（引抜き強度）を充分に得ることができないという問題がある。
熱交換器においては、内部を流通する流体によって伝熱管が加熱されて伸長すると、伝熱管と管板との固定部に引張応力が生じる。そのため、管板に対する伝熱管の固定強度（引抜き強度）が低いと、引張応力によって管板から伝熱管が外れる虞がある。

管板に対して金属製の伝熱管を固定するための方法としては、チューブエキスパンダと呼ばれる金属製のリング状拡管具を使用して、管板との接合部において伝熱管を拡管する方法が知られている。
しかしながら、この方法は、特許文献２に記載された熱交換器のような、内面がフッ素樹脂で被覆された金属管に適用することはできない。これは、拡管作業時におけるエキスパンダとの摩擦によって内面のフッ素樹脂被膜に傷が付いたり被膜が剥離したりすることにより、伝熱管の耐食性が著しく低下するためである。
つまり、従来、内面がフッ素樹脂で被覆された金属製の伝熱管を、内面のフッ素樹脂を傷付けることなく拡管して管板に固定することはできなかったため、管板に対する伝熱管の固定強度（引抜き強度）を充分に得ることができなかった。

また、特許文献２に記載の熱交換器では、金属管の内側に管状に形成したフッ素樹脂を引き込み、引き込まれた管状のフッ素樹脂の端部にフレアを形成し、このフレアを管板の外側表面に融着させている。
しかしながら、この特許文献２に記載された方法では、管状のフッソ樹脂と金属管内面とを強固に密着させることができない。そのため、熱交換器内部を高減圧状態とすると、管状のフッソ樹脂が金属管から剥離し、密着性及びシール性（気密性・液密性）が著しく低下してしまうという問題がある。

実開昭４８−１０７３５３号公報 特公平８−２３４７９号公報

本発明は、上記した従来の熱交換器が有する問題点を悉く解決するためになされたものであって、金属の優れた機械的強度及び熱伝導率と、フッ素樹脂の優れた耐食性及び高清浄性を併せ持つとともに、管板に対する引抜き強度が高く、しかも金属管に対するフッ素樹脂被膜の密着性及びシール性に優れている伝熱管を備えた熱交換器を提供するものである。

請求項１に係る発明は、内部を流体が流通する複数本の伝熱管と、前記伝熱管を内部に収容するシェルと、前記伝熱管の両端部を夫々固定する一対の管板を備えた熱交換器であって、前記伝熱管は、フッ素樹脂により内面が被覆された金属管からなるとともに、前記内面に傷を有することなく前記管板に対して拡管固定されており、前記管板に対する引抜き強度が２００００Ｎ以上であることを特徴とする熱交換器に関する。

請求項２に係る発明は、前記伝熱管は、前記フッ素樹脂が前記金属管の内面に溶着されており、前記管板の外側表面にはフッ素樹脂被膜が形成されており、前記伝熱管の端部にはフッソ樹脂からなるカラーが取り付けられており、前記カラーは、円筒状の胴部と、該胴部の一端に形成されたフランジ部とを有するとともに、前記胴部が前記伝熱管内面に溶着され、前記フランジ部が前記管板の外側表面に溶着されていることを特徴とする請求項１記載の熱交換器に関する。

請求項１に係る発明によれば、伝熱管は、フッ素樹脂により内面が被覆された金属管からなり、内面に傷を有することなく管板に対して拡管固定されており、管板に対する引抜き強度が２００００Ｎ以上であることから、金属の優れた機械的強度及び熱伝導率と、フッ素樹脂の優れた耐食性及び高清浄性を併せ持つとともに、管板に対する引抜き強度が高い伝熱管を備えた熱交換器となる。

請求項２に係る発明によれば、フッソ樹脂被膜が金属管内面に対して溶着されるとともに、カラーの胴部が伝熱管内面に溶着され、カラーのフランジ部が管板の外側表面に溶着されていることにより、フッ素樹脂被膜の密着性に優れた熱交換器となり、高減圧条件下においてもフッ素樹脂被膜の剥離が生じることがなく使用することができる。また、伝熱管と管板の微小隙間からの液漏れを防ぐことができ、シール性にも優れたものとなる。

本発明に係る熱交換器の全体構成を示す部分断面図である。 図１のＡ−Ａ線矢視図である。 図１のＢ部拡大図である。 伝熱管と管板の固定部分（伝熱管の拡径部分）の拡大図である。

以下、本発明に係る熱交換器の好適な実施形態について、図面を適宜参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る熱交換器の全体構成を示す部分断面図であり、図２は図１のＡ−Ａ線矢視図、図３は図１のＢ部拡大図である。
本発明に係る熱交換器は、内部を流体（被処理液）が流通する複数本の伝熱管（１）と、これら複数本の伝熱管（１）を内部に収容するシェル（２）と、複数本の伝熱管（１）の両端部を夫々固定する一対の管板（３）を備えており、一般にシェルアンドチューブ型と呼ばれる多管式熱交換器である。
尚、図１では、図を見易くするために伝熱管（１）は１本のみ描いている。

伝熱管（１）は、ステンレス鋼等からなる金属管（１１）の内面がフッ素樹脂からなる被膜（１２）により被覆された二層構造を有している（図３参照）。
金属管（１１）の肉厚は、管径や材質に応じて適宜設定することができるが、例えば１．２〜２．０ｍｍの範囲に設定される。
フッ素樹脂の被膜（１２）の厚みは、好適には０．１〜０．５ｍｍの範囲に設定される。これは、厚みが０．５ｍｍを超えると伝熱管の熱交換効率が大きく低下し、０．１ｍｍ未満とすると被膜の耐久性が大きく低下し、いずれの場合も好ましくないからである。

フッ素樹脂の種類は特に限定されず、例えば、ポリテトラフルオロエチレン・エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、フッ化ビニリデン樹脂（ＶＦ２）等を使用することができる。本発明においては、エチレン−四フッ化エチレン共重合樹脂（ＥＴＦＥ）が好適に使用される。

金属管（１１）の内面にフッ素樹脂の被膜（１２）を形成する方法としては、金属管（１１）の内面にフッ素樹脂の被膜（１２）を溶着する方法を採用することが好ましい。
より具体的には、内面がプライマー処理された金属管（１１）の内部にフッ素樹脂製のチューブを挿入し、加熱炉内で加熱することにより、フッ素樹脂製のチューブを溶融拡径させて金属管（１１）の内面に溶着させる方法が好適に採用される。この方法において、フッ素樹脂製チューブの厚みは、０．４〜０．８ｍｍのものが好適に使用される。
このように、金属管（１１）の内面にフッ素樹脂の被膜（１２）を溶着することにより、金属管（１１）の内面にフッ素樹脂の被膜（１２）を強固に密着させることができ、熱交換器を高減圧条件下で使用しても被膜（１２）が金属管（１１）の内面から剥離することがない。特に、フッソ樹脂製のチューブを使用して被膜（１２）を形成することにより、金属管（１１）の内面の全面に亘って満遍なく強固に密着された被膜（１２）を得ることができる。

シェル（２）は、ステンレス鋼等の金属材料から形成された中空体であって、円筒状の胴部（２１）と、胴部（２１）の両端に夫々接合された略半球状のチャネル部（２２）とからなる。
胴部（２１）の両端には管板（３）が夫々取り付けられており、一端側の管板（３）に伝熱管（１）の一端部が固定され、他端側の管板（３）に伝熱管（１）の他端部が固定されている。伝熱管（１）の両端部は、夫々の管板（３）の外側表面（３１）において開口している。

胴部（２１）における一対の管板（３）の間の空間には、管板（３）と平行に延びる複数のバッフル（邪魔板）（４）が配設されている。複数のバッフル（４）はタイロッド（７）により所定間隔で固定されている。
バッフル（４）は、上方から下方に延びる上バッフル（４１）と、下方から上方に延びる下バッフル（４２）が、シェルの長さ方向に交互に配設されている。

胴部（２１）には、熱媒体（熱媒又は冷媒）の入口（２３）と、熱媒体の出口（２４）が設けられている。
具体的には、入口（２３）は上バッフル（４１）とその近傍側（一端側）の管板（３）の間において上方に延びる管路として設けられ、出口（２４）は下バッフル（４２）とその近傍側（他端側）の管板（３）の間において下方に延びる管路として設けられている。

一方（出口（２４）側）のチャネル部（２２）には、内部空間を上下に仕切る仕切板（２５）と、内部空間に被処理液を取り入れる入液口（２６）と、内部空間から被処理液を取り出す出液口（２７）が備えられている。
入液口（２６）は仕切板（２５）の上部空間と連通しており、出液口（２７）は仕切板（２５）の下部空間と連通している。

熱媒体は、入口（２３）から胴部（２１）に取り入れられ、上バッフル（４１）と下バッフル（４２）により方向転換させられて蛇行しながら胴部（２１）内を流通し、出口（２４）から取り出される。
被処理液は、入液口（２６）から一方のチャネル部（２２）の上部空間に取り入れられ、上部の伝熱管（１）の内部を通って他方のチャネル部（２２）の内部空間へと移動した後、反転して下部の伝熱管の内部を通って一方のチャネル部（２２）の下部空間に入り、出液口（２７）から取り出される。
被処理液は、伝熱管（１）の内部を流通する際に、胴部（２１）内を流通する熱媒体との間で熱交換が行われ、冷却又は加熱されることとなる。

管板（３）は、炭素鋼やステンレス鋼等の金属板からなり、その厚みは例えば３０〜３５ｍｍ程度である。
管板（３）には、図２に示すように、チャネル部（２２）のフランジと接合するためのボルトが挿通される貫通孔（３２）と、伝熱管（１）の端部が嵌入固定される貫通孔（３３）が形成されている。

図４は、伝熱管（１）と管板（３）の固定部分の拡大図である。（尚、図１と図３ではこの固定部分の詳細は省略されている。）
図示の如く、伝熱管（１）は管板（３）に対して拡管固定されている。
管板（３）には、２本の環状溝（３４）が間隔をあけて形成されている。
伝熱管（１）は、部分的に半径方向に拡張（拡径）されており、拡径部分が環状溝（３４）に入り込むことにより、管板（３）に対して固定されている。
環状溝（３４）の幅は４〜６ｍｍとすることが好ましい。これは、４ｍｍ未満であると管板（３）に対する伝熱管（１）の固定強度（引抜き強度）が充分に得られず、６ｍｍを超えても固定強度の向上が望めないためである。
環状溝（３４）の深さは０．４〜０．６ｍｍとすることが好ましい。これは、０．４ｍｍ未満であると管板（３）に対する伝熱管（１）の固定強度が充分に得られず、０．６ｍｍを超えても固定強度の向上が望めないためである。
環状溝（３４）の数は特に限定されず、１本のみでもよいが、図示例のように伝熱管の長さ方向に間隔をあけて複数本設けると、管板（３）に対する伝熱管（１）の固定強度が向上するため好ましい。

伝熱管（１）の拡径（即ち拡管）は液圧（水圧等）により行われる。液圧による拡管は、高圧の液体（水等）を利用して行うことができる。
より具体的には、金属製の管の長さ方向に部分的に合成樹脂等からなる可撓性部分を設けた拡径治具を使用し、伝熱管（１）内の環状溝（３１）に対応する部分に可撓性部分を配置し、拡径治具内に高圧の液体を供給して可撓性部分を半径方向に拡張させ、この拡張力を利用して伝熱管（１）を拡径させる方法により行うことができる。
拡管時の液圧は、伝熱管（１）の材質や肉厚に応じて適宜設定されるが、２５０〜４００ＭＰａとすることが好ましく、３００〜４００ＭＰａとすることがより好ましい。これは、液圧が２５０ＭＰａ未満であると拡管率が低くなって管板に対する伝熱管の固定強度が不十分となり、４００ＭＰａを超えても固定強度の向上が望めないためである。
伝熱管（１）の拡管率は２〜６％、好ましくは３〜６％とされる。

上記したように、伝熱管（１）を液圧を利用して拡管することにより、伝熱管（１）の内面（即ちフッ素樹脂の被膜（１２））に傷を付けることなく伝熱管（１）を拡管して管板（３）に固定することが可能となる。
管板（３）に対する伝熱管（１）の引抜き強度（引張強度）は２００００Ｎ以上、好ましくは３００００Ｎ以上に設定される。これは、引抜き強度が２００００Ｎ未満であると、伝熱管（１）が内部を流通する流体によって加熱されて伸長した時に、管板との固定部に生じる引張応力によって管板から伝熱管が外れる虞があるためである。
尚、引抜き強度は、株式会社島津製作所製のオートグラフAG-100kNGで、試験速度を5 mm/min（試験時室温25℃）の条件で測定された値である。

図３は、図１のＢ部拡大図であって、管板（３）に対する伝熱管（１）の固定構造を示している。
伝熱管（１）の端部にはフッソ樹脂からなるカラー（５）が取り付けられており、管板（３）の外側表面（３１）にはフッ素樹脂被膜（６）が形成されている。
カラー（５）及びフッ素樹脂被膜（６）を構成するフッ素樹脂の種類は、伝熱管（１）の内面に形成されたフッ素樹脂の被膜（１２）と同じとすることが好ましく、エチレン−四フッ化エチレン共重合樹脂（ＥＴＦＥ）が好適に使用される。
カラー（５）及びフッ素樹脂被膜（６）の厚みは、金属管（１１）の内面に形成されたフッ素樹脂の被膜（１２）より厚いことが好ましく、具体的には１〜３ｍｍとすることが好ましい。

カラー（５）は、円筒状の胴部（５１）と、胴部（５１）の一端に形成されたフランジ部（５２）とを有している。
胴部（５１）は伝熱管（１）の内部に嵌入されており、胴部（５１）の外面が伝熱管（１）の内面に溶着されている。
フランジ部（５２）は、伝熱管（１）の端面を覆うように拡がるとともに、管板（３）の外側表面（３１）に形成されたフッ素樹脂被膜（６）に溶着されている。
このように、カラー（５）の胴部（５１）の外面が伝熱管（１）の内面に溶着され、フランジ部（５２）が管板（３）の外側表面に形成されたフッ素樹脂被膜（６）に溶着されていることにより、伝熱管（１）と管板（３）の微小隙間からの液漏れを防ぐことができ、シール性に優れたものとなる。
また、金属管（１１）の内面に形成されたフッ素樹脂の被膜（１２）とは別部材であるフッ素樹脂製のカラー（５）を使用して端部シール処理を行うことにより、金属管（１１）の内面に形成されたフッ素樹脂の被膜（１２）は薄くしたまま、伝熱管（１）と管板（３）との接合部分のみフッ素樹脂を厚く形成することができる。そのため、熱交換効率を低下させることなく、シール性を向上させることが可能となる。

本発明は、特に酸性やアルカリ性等の高腐食性の流体を処理するための熱交換器として好適に利用され、高減圧条件下において処理を行うための熱交換器としても好適に利用される。

１ 伝熱管
１１ 金属管
１２ フッ素樹脂からなる被膜
３ 管板
３１ 外側表面
５ カラー
５１ 胴部
５２ フランジ部
６ フッ素樹脂被膜

Claims (2)

1. 内部を流体が流通する複数本の伝熱管と、
   前記伝熱管を内部に収容するシェルと、
   前記伝熱管の両端部を夫々固定する一対の管板を備えた熱交換器であって、
   前記伝熱管は、
   フッ素樹脂により内面が被覆された金属管からなるとともに、
   前記内面に傷を有することなく前記管板に対して拡管固定されており、
   前記管板に対する引抜き強度が２００００Ｎ以上である
   ことを特徴とする熱交換器。
2. 前記伝熱管は、前記フッ素樹脂が前記金属管の内面に溶着されており、
   前記管板の外側表面にはフッ素樹脂被膜が形成されており、
   前記伝熱管の端部にはフッソ樹脂からなるカラーが取り付けられており、
   前記カラーは、円筒状の胴部と、該胴部の一端に形成されたフランジ部とを有するとともに、前記胴部が前記金属管の内面に溶着され、前記フランジ部が前記管板の外側表面に溶着されていることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。

Images