JP2011506897A - 渦巻き式熱交換器 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも１枚の巻かれた渦巻き状シートによって形成された渦巻き状本体（２）であって、少なくとも第１の媒体用の第１の渦巻き状流路及び第２の媒体用の第２の渦巻き状流路を形成する渦巻き状本体（２）を含み、渦巻き状本体（２）が、第１の流路と第２の流路とを連通する連結部材（８ａ、８ｂ、９ａ、９ｂ）を備えたほぼ円筒形のシェル（４）で囲まれている渦巻き式熱交換器（１）において、シェル（４）が、少なくとも２つのシェル部分（４ａ、４ｂ）を有し、渦巻き状本体（２）が、その外周面上に固定的に取り付けられた少なくとも１つのフランジ（３）を備え、それによって、少なくとも２つのシェル部分（４ａ、４ｂ）が柔軟に取り付けられている渦巻き式熱交換器（１）に関する。

Description

本発明は、概して、様々な目的で温度の異なる２つの流体間の熱伝達を可能にする渦巻き式熱交換器に関する。特に、本発明は、渦巻き式熱交換器を組み立てるために渦巻き状本体と外部シェルとを互いに溶接しなくても済むようになっている渦巻き式熱交換器に関する。

従来、渦巻き式熱交換器は巻き取り工程によって製造されている。２枚のシートをそれぞれの端部の所で互いに溶接し、溶接された継ぎ目をシートの中央部に構成する。分離した２つの通路または流路の境界を定めるように、引き込み式マンドレルなどを使用して２枚のシートを互いに巻いて、シートの渦巻状部材を形成する。流路の幅に相当する高さを有する間隔部材をシートに取り付ける。

マンドレルの引き込み後、渦巻き状部材の中央に入口／出口の２つの流路を形成する。その２つの流路は、シートの中央部によって互いに分離される。渦巻き状部材の外周上にシェルを溶接する。渦巻き状部材の側端部を加工し、その際渦巻き状流路は、様々な方法で２つの側端部の所で横方向に閉じられる。通常、それらの端部の各々にカバーが取り付けられる。カバーの一つは、中央へ延びて、２つの流路のそれぞれと連通する２本の連結管を含んでよい。渦巻き状流路の半径方向外側端部の所で、シェルまたは渦巻き状部材にそれぞれのヘッダを溶接し、それぞれの流路に出口／入口部材を形成する。または、単一のシートを使用して熱交換器を製造する。

渦巻き式熱交換器を洗浄することを可能にするために、従来、様々な解決手段が使用されている。イギリス特許出願第２１４０５４９号には、中央渦巻き状本体を含む中央通路体を有する熱交換器が開示されている。カバープレートは中央通路体の両側面上のフランジである。それによって、この渦巻き式熱交換器の流路は、洗浄時のために容易に進入可能である。他の文献である米国特許第４５４６８２６号では、３つの部品、中央部分及び２つの部分を含むシェルを有する従来の渦巻き式熱交換器が開示されている。端部のフランジは、対応する中央部のフランジに取り付けられる。

イギリス特許出願第１２６０３２７号では、シェルに収納された渦巻き状で管状のコイル部材を有する熱交換器が開示されている。このシェルは、フランジ及びボルトによって接合された上部と下部とを有する。

従来の渦巻き式熱交換器が有する１つの問題は、シートで形成された渦巻き状本体が渦巻き式熱交換器のカバーまたはシェルに溶接されるため、渦巻き状本体が摩耗した場合に交換することができないことである。

本発明の目的は、従来技術の渦巻き式熱交換器に関する上述の問題を解消することである。さらに具体的には、本発明の目的は、シェルが渦巻き状本体に対して柔軟に配置され、渦巻き状本体を重作業無しに新品の渦巻き状本体と交換できるスペアパーツとすることができ、渦巻き式熱交換器の各部品を並行して製造することができ、洗浄時のために容易に進入可能である渦巻き式熱交換器である。

この目的は、少なくとも１枚の巻かれた渦巻き状シートによって形成された渦巻き状本体であって、少なくとも第１の媒体用の第１の渦巻き状流路及び第２の媒体用の第２の渦巻き状流路を形成する渦巻き状本体を含み、渦巻き状本体が、第１の流路と第２の流路とを連通する連結部材を備えたほぼ円筒形のシェルで囲まれ、シェルは、少なくとも２つのシェル部分を有し、渦巻き状本体が、その外周面上に固定的に取り付けられた少なくとも１つのフランジを備え、それによって、少なくとも２つのシェル部分は柔軟に取り付けられている渦巻き式熱交換器によって実現される。

本発明の更なる態様によれば、渦巻き状本体のフランジが、少なくとも１つのフランジから渦巻き状本体の端部までの距離が等しくなるように、渦巻き状本体の中央に対称的に配置されている。

本発明の他の態様によれば、渦巻き状本体のフランジが、少なくとも１つのフランジから渦巻き状本体の端部までの距離が異なるように、渦巻き状本体の周囲に非対称的に配置されている。

渦巻き状本体の少なくとも１つのフランジが、渦巻き式熱交換器の最も外側の空間を少なくとも２つの空間に分割し、該最も外側の空間が、渦巻き状本体の端部に対してフランジの位置に、渦巻き状本体の外周及び少なくとも２つのシェル部分によって画定されている。

渦巻き状本体の周囲に沿ったフランジの位置は、渦巻き式熱交換器の媒体の速度の制御を可能にする。

本発明の他の態様によれば、各シェル部分が、２つの流路の一方と連通する２つの連結部材を備え、かつ各シェル部分が、２つの流路の一方と連通するように、その周面上に１つの連結部材と、その１つの端面上に配置された１つの連結部材と、を備える。

本発明の他の態様によれば、少なくとも２つのシェル部分が、少なくとも２つのシェル部分の開放端部に配置され、渦巻き状本体のフランジにシェル部分を固定的に取り付けるためのフランジをそれぞれ備える。２つのシェル部分のフランジが、渦巻き状本体に対する２つのシェル部分の取り付け及び／または取り外しを独立して行うことができるように配置されている。

本発明の更なる態様によれば、渦巻き状本体の端部とシェル部分の閉端部の内側表面との間に柔軟に配置されたガスケットをさらに備える。渦巻き式熱交換器は、シェル部分のフランジと渦巻き状本体のフランジとの間に配置された他の１組のガスケットもまた備える。

本発明の他の目的は、容量を増やすかまたは伝熱距離を長くするために容易に使用することのできる渦巻き式熱交換器を提供することである。

この目的は、直列または並列に配置された渦巻き式熱交換器のシステムであって、渦巻き式熱交換器が、少なくとも１枚の巻かれた渦巻き状シートによって形成された渦巻き状本体であって、少なくとも第１の媒体用の第１の渦巻き状流路及び第２の媒体用の第２の渦巻き状流路を形成する渦巻き状本体を含み、渦巻き状本体が、第１の流路と第２の流路とを連通する連結部材を備えたほぼ円筒形のシェルで囲まれ、シェルは、少なくとも２つのシェル部分を有し、渦巻き状本体が、その外周面上に固定的に取り付けられた少なくとも１つのフランジを備え、それによって、少なくとも２つのシェル部分は柔軟に取り付けられている渦巻き式熱交換器を含むシステムによって実現される。

本発明の他の態様は、従属クレーム及び説明から明らかである。

他の目的、特徴、及び利点は、図面に基づく本発明のいくつかの実施形態についての以下の詳細な説明から明らかになろう。

本発明による渦巻き式熱交換器の分解図である。 本発明による渦巻き式熱交換器の断面図である。 並列に連結された本発明による渦巻き式熱交換器の断面図である。 並列に連結された本発明による渦巻き式熱交換器の断面図である。 直列に連結された本発明による渦巻き式熱交換器の断面図である。 直列に連結された本発明による渦巻き式熱交換器の断面図である。 本発明による他の実施形態の渦巻き式熱交換器の断面図である。 本発明による他の実施形態の渦巻き式熱交換器の断面図である。 本発明による他の実施形態の渦巻き式熱交換器の断面図である。

渦巻き式熱交換器は、共通の中央軸の周りのそれぞれの渦巻き状経路に沿って延び、かつほぼ互いに平行な少なくとも２つの渦巻き状流路を形成する少なくとも２枚の渦巻き状シートを含み、各流路が中央軸に対してほぼ接線方向に熱交換流体が流れるのを可能にするように、各流路は、それぞれの流路とそれぞれの出口／入口導管との間の連通を可能にし、かつ中央軸に対してそれぞれの流路の半径方向外側部分に位置する半径方向外側のオリフィスと、それぞれの流路とそれぞれの入口／出口チャンバとの間の連通を可能にする半径方向内側オリフィスと、を含み、中央軸は、半径方向内側オリフィスの所で入口／出口チャンバを通って延びている。流路の幅に相当する高さを有する間隔部材が、シートに取り付けられている。

図１には、本発明による渦巻き式熱交換器１の分解図が示されている。渦巻き式熱交換器１は、引き込み式マンドレルの周りに２枚の金属シートを巻くことによって従来の方法で形成された渦巻き状本体２を含んでいる。シートは、シートに取り付けられるかまたはシートの表面に形成された間隔部材（不図示）を備えている。間隔部材は、シート同士の間に流路を形成する働きをし、流路の幅に相当する高さを有している。図面では、渦巻き状本体２は、いくつかの巻きを有するようにしか概略的に示されていないが、渦巻き状本体２が、それ以上の巻きを含んでよく、巻きが、渦巻き状本体２の中央から渦巻き状本体２の周囲までいっぱいに形成されていることは明らかである。渦巻き状本体２の外周の中央または中間部に、フランジ３が取り付けられている。渦巻き状本体２は、２つの別個のシェル部分４ａ及び４ｂを有するシェル４で囲まれている。シェル部分４ａ及び４ｂのそれぞれは、渦巻き状本体２の半分を囲んでいる。フランジ３は通常、溶接によって渦巻き状本体２に取り付けられるが、他の手段によっても可能である。

シェル部分４ａは、開放端部５ａを有する円筒として形成されており、開放端部５ａは、渦巻き状本体２のフランジ３に対応するフランジ６ａを備え、シェル部分４ａがフランジ３に取り付けるのを可能にする。シェル部分４ａの他方の端部７ａは、シェル部分４ａの端部７ａの中心に取り付けられた第１の連結部材８ａを有して密閉されている。シェル部分４ａの外壁に第２の連結部材９ａが取り付けられている。シェル部分４ｂは、フランジ６ｂを含む開放端部と、第１の連結部材８ｂを含む閉端部７ｂと、シェル部分４ｂの外壁に取り付けられた第２の連結部材９ｂと、を有するシェル部分４ａとほぼ同一である。連結部材８ａ−８ｂ及び９ａ−９ｂは通常、シェル部分に溶接され、すべての連結部材が、渦巻き式熱交換器１が一部であるシステムの配管構成に渦巻き式熱交換器１を連結するためのフランジを備えている。

渦巻き式熱交換器１は、ガスケット１０ａ、１０ｂをさらに備えており、各ガスケットは、流路同士を互いに密封するために、渦巻き状本体２の端部１１ａ、１１ｂとそれぞれのシェル部分４ａ、４ｂの閉端部７ａ、７ｂの内側表面との間に配置されている。ガスケット１０ａ、１０ｂは、渦巻き状本体２と同様な渦巻き状に形成されていてもよく、そのときには渦巻き状本体２の各巻き上に押し込まれる。または、ガスケット１０ａ、１０ｂは、渦巻き状本体２とシェル部分４ａ及び４ｂの閉端部７ａ、７ｂの内側表面との間に押し込まれる。ガスケットは、密封効果が得られるかぎり他の方法で形成されていてもよい。他の１組のガスケット（不図示）が、シェル部分４ａ、４ｂのフランジ６ａ、６ｂと渦巻き状本体２のフランジ３との間に設けられている。

シェル部分４ａ、４ｂは通常、渦巻き状本体２に取り付けられ、すなわち、シェル部分４ａ、４ｂのフランジ６ａ、６ｂは、ボルト連結部、クランプ連結部のような共通の継手によって渦巻き状本体２のフランジ３に取り付けられている。渦巻き状本体２に対するシェル部分４ａ、４ｂの取り付け及び／または取り外しを別々に行うことができるように、渦巻き状本体２のフランジ３に取り付ける、シェル部分のフランジ６ａ、６ｂのための別々の継手を有することも可能である。

図２ａには、本発明による渦巻き式熱交換器１の断面図が示されている。

上記では説明していないが、当業者には、渦巻き状本体の外側表面に通常、渦巻き式熱交換器の作動流体の圧力に抵抗するようにシェルの内側表面によりかかって支持するスタッドまたは間隔部材が備えられることは明らかである。

渦巻き式熱交換器１の機能は以下のとおりである。第１媒体は、入口として形成され、配管構成に連結されている第１の連結部材８ａを通って渦巻き式熱交換器１に入る。第１の連結部材８ａは、渦巻き状本体２の第１の流路と連通しており、第１の媒体は、出口として形成された第２の連通部材９ａへ第１の流路を通して送られ、そこで第１の媒体は渦巻き式熱交換器１から出る。第２の連通部材９ａは、第１の媒体の更なる輸送のための配管構成に連結されている。

第２の媒体は、入口として形成され、配管構成に連結されている第２の連結部材９ｂを通って渦巻き式熱交換器１に入る。第２の連結部材９ｂは、渦巻き状本体２の第２の流路と連通しており、第１の媒体は、出口として形成された第１の連結部材８ｂへ第２の流路を通して送られ、そこで第２の媒体は渦巻き式熱交換器１から出る。第１の連通部材８ｂは、第２の媒体の更なる輸送のための配管構成に連結されている。

渦巻き状本体２の内側で、一方の媒体が加熱され他方の媒体が冷却されるように、第１及び第２の媒体の間で熱交換が起こる。渦巻き式熱交換器１の特定の用途によって２つの媒体の選択は異なる。上記では、２つの媒体が渦巻き式熱交換器を通って逆方向に循環するものとして説明したが、２つの媒体が平行な方向に循環してもよいことは明らかである。

本発明による渦巻き式熱交換器の容量を増やすために、図３ａ及び図３ｂに示すように、複数の渦巻き式熱交換器を並列に連結することができる。図３ａでは、２つの渦巻き式熱交換器１ａ、１ｂが、２つの渦巻き式熱交換器１ａ、１ｂの間に配置された中間部２０に並列に連結されている。中間部２０は、両方の渦巻き式熱交換器１ａ、１ｂ用の媒体の一方のための出口連結部として働く。図３ｂでは、３つの渦巻き式熱交換器１ａ、１ｂ、１ｃが、２つの渦巻き式熱交換器１ｂ、１ｃの間に配置された第１の中間部２０及び２つの渦巻き式熱交換器１ａ、１ｂの間に配置された第２の中間部３０に並列に連結されている。第１の中間部２０は、２つの渦巻き式熱交換器１ｂ、１ｃ用の２つの媒体のうちの第１の媒体のための出口連結部として働き、第２の中間部３０は、２つの渦巻き式熱交換器１ａ、１ｂ用の２つの媒体のうちの第２の媒体のための入口連結部として働く。

本発明による渦巻き式熱交換器の伝熱距離を長くするために、図４ａ及び図４ｂに示すように、複数の渦巻き式熱交換器を直列に連結することができる。渦巻き式熱交換器のある種の用途では伝熱距離を長くすることが望まれ、そこでは媒体同士の間の熱伝達がより長い時間必要である。図４ａでは、２つの渦巻き式熱交換器１ａ、１ｂが直列に連結されている。渦巻き式熱交換器１ａ、１ｂは、第１の媒体については、第１の渦巻き式熱交換器１ａの出口連結部が第２の渦巻き式熱交換器１ｂの入口連結部に直接連結され、他方では第２の媒体については、第１の渦巻き式熱交換器の出口連結部が第２の媒体用の第２の渦巻き式熱交換器１ｂの入口連結部に管５０を介して連結されるように配置されている。

図４ｂでは、３つの渦巻き式熱交換器１ａ、１ｂ、１ｃが直列に連結されている。２つの渦巻き式熱交換器が直列に連結される場合と同様に、渦巻き式熱交換器１ａ、１ｂは、第１の媒体については、第１の渦巻き式熱交換器１ａの出口連結部が第２の渦巻き式熱交換器１ｂの入口連結部に直接連結され、他方では第２の媒体については、第１の渦巻き式熱交換器１ａの出口連結部が第２の媒体用の第２の渦巻き式熱交換器１ｂの入口連結部に管５０を介して連結されるように配置されている。さらに、第３の渦巻き式熱交換器１ｃは、第１の媒体用の第２の渦巻き式熱交換器１ｂの出口連結部が第３の渦巻き式熱交換器１ｃの入口連結部に管６０を介して連結されるように配置されている。第２の媒体用の第２の渦巻き式熱交換器１ｂの出口連結部は、第３の渦巻き式熱交換器１ｃの入口連結部に直接連結されている。

２つまたは３つの渦巻き式熱交換器１が並列または直列に連結される場合しか示されていないが、渦巻き式熱交換器の特定の用途の必要に応じてさらに渦巻き式熱交換器を連結することができ、かつ本発明が図示の実施形態に限定されないことは明らかである。

図５ａには、本発明による渦巻き式熱交換器１の通常の構成が開示されている。図５ｂには、本発明の他の実施形態が開示されており、そこでは、フランジ３は、フランジ３から渦巻き状本体２の２つの端部までの距離が等しくないように、渦巻き式熱交換器１の渦巻き状本体２に非対称的に取り付けられるかまたは据え付けられている。図５ｃには、この実施例の代わりの形態が示されており、そこでは、中間シェル４ｃが渦巻き式熱交換器１の、渦巻き状本体２の２つのフランジ３ａ、３ｂの間に備えられている。シェル部分４ａ、４ｂは、上述と同様の渦巻き状本体２に取り付けられている。図５ｃには、シェル部分４ａ、４ｂが、長さが等しいように示されているが、シェル部分４ａ、４ｂを、フランジ３ａ、３ｂから渦巻き状本体２の２つの端部までの距離が等しくないように、図５ｂのシェル部分４ａ、４ｂのように構成できることは明らかである。

フランジ３を図５ｂに示されているように渦巻き状本体２の中央からずれた位置に設けることによって、または図５ｃに示されているように中間シェル４ｃを有する２つのフランジ３ａ、３ｂを設けることによって、「最後の旋回」、すなわち、シェル部分４ａ、４ｂと渦巻き状本体２の周囲との間の空間の体積を変更することができ、したがって、「最後の旋回」における媒体の速度を調節することができる。これは、ある臨界速度を有する媒体を用いるとき、または臨界速度を有する２つの流体用の中間シェル４ｃを用いるとき（図５ｃ参照）に有利である。

フランジが渦巻き状本体の外側表面または周囲を２つの別個のチャンバに分割しているため、媒体を渦巻き状本体の長さの２分の１だけ分散すればよいので媒体の分散が改善される。

本発明による渦巻き式熱交換器のシェルは２つの別個の独立したシェル部分として設けられるので、２つのシェル部分用に異なる材料を使用することが可能である。

シェルにのみ取り付けられ渦巻き状本体には接触しない連結部材を設け、他の部分には渦巻き式熱交換器の通常の構成を用いることによる利点は、熱疲労または熱応力が著しく低減されることである。

本発明による渦巻き式熱交換器は特に、洗浄しやすく、渦巻き状本体を交換することができ、渦巻き状本体を交換するのが容易なのでほぼ連続的な生産が可能であり、シェルと渦巻き状本体を並行して製造できるため渦巻き式熱交換器の製造がより高速にかつより低コストになる点で有利である。

上記の説明では、連結部材という単語は、渦巻き式熱交換器、具体的には渦巻き式熱交換器の流路に連結される部材として使用されているが、連結部材が、通常渦巻き式熱交換器上に溶接される連結管などであり、連結部材に他の配管構成を連結する手段を含んでよいことを理解されたい。

本発明は、上記で説明しかつ図面に示された実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲内の任意の方法で補足し修正することができる。

Claims (11)

1. 少なくとも１枚の巻かれた渦巻き状シートによって形成された渦巻き状本体（２）であって、少なくとも第１の媒体用の第１の渦巻き状流路及び第２の媒体用の第２の渦巻き状流路を形成する渦巻き状本体（２）を含み、
   前記渦巻き状本体（２）が、前記第１の流路と前記第２の流路とを連通する連結部材（８ａ、８ｂ、９ａ、９ｂ）を備えたほぼ円筒形のシェル（４）で囲まれている渦巻き式熱交換器（１）において、
   前記シェル（４）が少なくとも２つのシェル部分（４ａ、４ｂ）を有し、
   前記渦巻き状本体（２）が、その外周面上に固定的に取り付けられた少なくとも１つのフランジ（３）を備え、それによって、前記少なくとも２つのシェル部分（４ａ、４ｂ）が柔軟に取り付けられていることを特徴とする渦巻き式熱交換器。
2. 前記渦巻き状本体（２）の前記フランジ（３）が、前記少なくとも１つのフランジ（３）から前記渦巻き状本体（２）の端部（１１ａ、１１ｂ）までの距離が等しくなるように、前記渦巻き状本体（２）の中央に対称的に配置された、請求項１に記載の渦巻き式熱交換器（１）。
3. 前記渦巻き状本体（２）の前記フランジ（３）が、前記少なくとも１つのフランジ（３）から前記渦巻き状本体（２）の端部（１１ａ、１１ｂ）までの距離が異なるように、前記渦巻き状本体（２）の周囲に非対称的に配置された、請求項１に記載の渦巻き式熱交換器（１）。
4. 前記渦巻き状本体（２）の前記少なくとも１つのフランジ（３）が、前記渦巻き式熱交換器（１）の最も外側の空間を少なくとも２つの空間に分割し、該最も外側の空間が、前記渦巻き状本体（２）の外周及び前記少なくとも２つのシェル部分（４ａ、４ｂ）によって画定されている、請求項２または３のいずれかに記載の渦巻き式熱交換器（１）。
5. 前記各シェル部分（４ａ、４ｂ）が、前記２つの流路の一方と連通する２つの連結部材（８ａ、９ａ、８ｂ、９ｂ）を備える、請求項１に記載の渦巻き式熱交換器（１）。
6. 前記各シェル部分（４ａ、４ｂ）が、前記２つの流路の一方と連通するように、その周面上に１つの連結部材（９ａ、９ｂ）と、その１つの端面（７ａ、７ｂ）上に配置された１つの連結部材（８ａ、８ｂ）と、を備える、請求項５に記載の渦巻き式熱交換器（１）。
7. 前記少なくとも２つのシェル部分（４ａ、４ｂ）が、前記少なくとも２つのシェル部分（４ａ、４ｂ）の開放端部（５ａ、５ｂ）に配置され、前記渦巻き状本体（２）の前記フランジ（３）に前記シェル部分（４ａ、４ｂ）を固定的に取り付けるためのフランジ（６ａ、６ｂ）をそれぞれ備える、請求項１に記載の渦巻き式熱交換器（１）。
8. 前記２つのシェル部分（４ａ、４ｂ）の前記フランジ（６ａ、６ｂ）が、前記渦巻き状本体（２）に対する前記２つのシェル部分（４ａ、４ｂ）の取り付け及び／または取り外しを独立して行うことができるように配置された、請求項７に記載の渦巻き式熱交換器（１）。
9. 前記渦巻き状本体（２）の端部（１１ａ、１１ｂ）と前記シェル部分（４ａ、４ｂ）の閉端部（７ａ、７ｂ）の内側表面との間に柔軟に配置されたガスケット（１０ａ、１０ｂ）をさらに備える、請求項１から８のいずれか１項に記載の渦巻き式熱交換器（１）。
10. 前記シェル部分（４ａ、４ｂ）のフランジ（６ａ、６ｂ）と前記渦巻き状本体（２）の前記フランジ（３）との間に配置された他の１組のガスケットを備える、請求項９に記載の渦巻き式熱交換器（１）。
11. 直列または並列に配置された渦巻き式熱交換器（１）のシステムであって、前記渦巻き式熱交換器（１）が、請求項１から１１のいずれか１項に記載されたとおりに構成されていることを特徴とするシステム。

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