JP2019105417A - 多管式熱交換器および熱交換システム - Google Patents

Abstract

【課題】 胴側流体の流通経路の全体に亘り流速の均一化を図る。【解決手段】 多管式熱交換器１は、胴側流体Ｆ２の流通領域８に、伝熱管１０の管群９を備える。流通領域８には、容器軸心方向の２個所でリング状のバッフル１３ａ，１３ｂにより仕切られた３つの区画１５ａ，１５ｂ，１５ｃを形成する。区画１５ａと区画１５ｃは、胴側流体Ｆ２が容器内に流入する流入区画とし、区画１５ｂは、胴側流体Ｆ２が容器外へ流出する流出区画とする。バッフル１３ａ，１３ｂは、開口部１４ａ，１４ｂに近い領域の方が、遠い領域に比して、管挿通孔と伝熱管１０との隙間の流路断面積が大きくなる構成とする。これにより、区画１５ａ，１５ｃの圧力を同様とすることで、各区画１５ａ，１５ｃから区画１５ｂへの胴側流体Ｆ２の流入を同様にし、更に、流入区画となる各区画１５ａ，１５ｂでは、内周側でのリークを増やすことで、管群直交流の内周側での増速を抑制する。【選択図】図１

Description

本発明は、複数の伝熱管内を流通させる流体と、各伝熱管の外側を流通させる別の流体との熱交換を行う多管式熱交換器、および、熱交換システムに関するものである。

熱交換器の一つとしては、多管式熱交換器が知られている。

また、多管式熱交換器型の反応器として、多管式反応器が知られている。この多管式反応器は、多管式熱交換器の構成を基本として、伝熱管内に触媒が充填された構成を更に備えたものである。よって、多管式反応器は、多管式熱交換器の一種と捉えることができる。

多管式熱交換器の一般的な構成は、容器（シェル）の胴内に、平行に配置された複数の伝熱管による管群が設けられている。各伝熱管の一端側と他端側には、管側流体の分配ヘッダと集合ヘッダがそれぞれ接続されている。

容器の胴には、胴側流体の入口と出口が設けられ、胴内における各伝熱管の外側の領域が、胴側流体の流通領域とされている。

胴側流体の流通領域には、伝熱管の長手方向の複数個所に、バッフル（邪魔板、そらせ板とも称する）が備えられている。

バッフルとしては、シングルセグメンタル形式のバッフルや、ダブルセグメンタル形式のバッフルが広く用いられている。また、ディスク状（円板状）のバッフルとドーナツ状（リング状）のバッフルとを交互に配置したディスクアンドドーナツ形式といわれるバッフルも用いられている（たとえば、特許文献１参照）。

これらのバッフルを備えた多管式熱交換器は、胴側流体の流通領域に、バッフルによって仕切られた複数段の区画が形成され、胴側流体は、各バッフルで流れの向きが１８０度折り返されながら各区画を順に流れる。したがって、各区画では、胴側流体の流れの方向が、常に各伝熱管の長手方向に直交する方向の流れ、すなわち、管群直交方向の流れとなって各伝熱管に当たるようになる。以下、胴側流体の管群直交方向の流れは、管群直交流という。

この状態で、多管式熱交換器は、管群の各伝熱管内を流通させる管側流体と、シェルの胴内で前記各伝熱管の外面に接する胴側流体との間で熱交換を行うようにしてある。この際、多管式熱交換器としての多管式反応器の場合は、管群の各伝熱管内を流通させる管側流体が伝熱管に充填された触媒の存在下で触媒反応するときの温度が、各伝熱管の外面に接する胴側流体との熱交換によってコントロールされる。

特許第６１５６８６０号公報

ところで、バッフルは、管群の各伝熱管の配置に応じた位置に個別の管挿通孔が穿設され、各管挿通孔に各伝熱管が挿通された構成となっている。そのため、バッフルでは、管挿通孔の内周面と、伝熱管の外周面との間に隙間が形成されている。

胴側流体の流通経路では、胴側流体の流通時の圧力損失に伴い、流通経路の上流側から下流側に向けて、胴側流体の圧力が徐々に低下する。

したがって、バッフルを挟んで隣接する２つの区画の間では、胴側流体の流通経路の上流側に位置する区画から下流側に位置する区画へ、前記隙間を通過する胴側流体の流れ、所謂リークが生じる。

なお、バッフルは、通常、全面に亘り均一な厚み寸法を備えており、各管挿通孔は均一な径で設けられている。そのため、各管挿通孔で形成されている前記隙間は、胴側流体のリークに関わる流路断面積および流路長が、すべての管挿通孔で同様になっている。

そのため、個々の管挿通孔の位置で生じるリークの流量の大小は、管挿通孔の一方の開口部側での胴側流体の圧力と、他方の開口部側での胴側流体の圧力との圧力差の大小に依存して決まる。

多管式熱交換器が、胴側流体の流通領域に２枚以上のバッフルによって仕切られた３段以上の区画を備え、３段以上の区画により胴側流体が蛇行して流れる一連の流通経路が構成されている場合は、各区画で生じるリークは以下のようになる。

流通経路の最上流側の区画では、下流側の隣接区画へのリークによる流出のみが生じる。流通経路の最下流側の区画では、上流側の隣接区画からのリークによる流入のみが生じる。

これに対し、流通経路の最上流側と最下流側とを除く中間部の区画では、上流側の隣接区画からのリークによる流入と、下流側の隣接区画に対するリークによる流出とが同時に生じる。したがって、中間部の区画では、管群直交流の流量の絶対値は、最上流側の区画や最下流側の区画に比して小さくなる。

更に、それぞれの区画内では、前記流通経路に沿い上流側に位置する部分である上流側領域から、下流側に位置する部分である下流側領域に向けて、胴側流体の圧力の低下が生じている。

中間部の区画における上流側領域は、上流側の隣接区画における下流側領域と、下流側の隣接区画における下流側領域とに、それぞれバッフルを介して隣接している。中間部の区画における下流側領域は、上流側の隣接区画における上流側領域と、下流側の隣接区画における上流側領域とに、それぞれバッフルを介して隣接している。

そのため、中間部の区画では、区画内で上流側から下流側へ行くにしたがって、上流側の隣接区画との圧力差が増大する。よって、中間部の区画は、区画内で上流側から下流側へ行くにしたがって、上流側の隣接区画からのリークによる流入量が増加する。

また、中間部の区画では、区画内で上流側から下流側へ行くにしたがって、下流側の隣接区画との圧力差が減少する。よって、中間部の区画は、区画内で上流側から下流側へ行くにしたがって、下流側の隣接区画へのリークによる流出量が減少する。

したがって、中間部の区画は、管群直交流に対してリークによる流入と流出とが混在して生じ、しかも、区画内の上下流方向で、リークによる流入量と、リークによる流出量がそれぞれ変化する。

ここで、各区画について、容器における管群直交方向の位置を基準とする、管群直交流の流量（流量の絶対値）の分布を、流量プロファイルという。

最上流側の区画についての流量プロファイルと、最下流側の区画についての流量プロファイルとは、おおよそ同様の傾向になる。しかし、管群直交方向の位置の変化に応じて、管群直交流の流速には差が生じてしまう。

更に、中間部の区画では、管群直交流の流量の絶対値が、最上流側の区画や最下流側の区画に比して小さくなっている。そのため、中間部の区画は、流量プロファイルが、最上流側の区画や最下流側の区画についての流量プロファイルとは明らかに異なる。しかも、中間部の区画でも、管群直交方向の位置の変化に応じて、管群直交流の流速には変化が生じてしまう。

そのため、中間部の区画は、最上流側の区画や最下流側の区画に比して、熱交換能が劣っている。特に、多管式熱交換器の一種である多管式反応器では、伝熱管の長手方向の中間部での発熱量が長手方向の両端部よりも大きくなることが多いが、前記のように胴側流体の流通領域に複数のバッフルで仕切られた３段以上の区画が形成され、この３段以上の区画が一連に繋がる胴側流体の流通経路とされた構成の場合は、伝熱管を冷却したい部分での冷却能が低下していることになる。

更に、多管式熱交換器では、各区画における管群直交流の上流側となる領域と、下流側となる領域についても、胴側流体の流速の差に起因する熱交換能の差が生じてしまう。

そこで、本発明は、胴側流体の流通領域に、複数のバッフルで仕切られて胴側流体を管群直交流として流通させる区画を３段以上備える形式の多管式熱交換器において、胴側流体の流速を、胴側流体の流通経路の全域に亘り均一化を図ることができる多管式熱交換器、および、該多管式熱交換器を備える熱交換システムを提供しようとするものである。

本発明は、上記課題を解決するために、容器と、前記容器内に該容器の一端側から他端側に延びる方向に沿って配置されて、第１の流体を流通させる伝熱管の管群と、前記容器内における前記管群の各伝熱管の外側に設けられた第２の流体の流通領域とを備え、前記第２の流体の流通領域には、前記各伝熱管を挿通させる管挿通孔と開口部とを備えた複数のバッフルで仕切られて形成されて、前記第２の流体が管群直交流として流通する区画を、３区画以上の複数区画で備え、前記複数区画は、前記第２の流体が前記容器の外部から内部へ流入する流入区画と、前記第２の流体が前記容器の内部から外部へ流出する流出区画とに交互に設定され、更に、前記バッフルは、片面側の前記流入区画における前記第２の流体の流通方向の上流側から、下流側に向けて、前記管挿通孔と前記伝熱管との隙間のリークに対する流動抵抗が順次小さくなる構成を備えた多管式熱交換器とする。

前記バッフルは、片面側の前記流入区画における前記第２の流体の流通方向の上流側から、下流側に向けて、前記バッフルの厚さｔ、前記管挿通孔の径Ｄ、前記伝熱管の径ｄを用いて、Ｚ＝２ｔ／（Ｄ−ｄ）の式で定義されるＺの値が順次小さくなる構成を備えた構成としてある。

前記複数区画のうち、両端部の区画を除く中間部の区画内に、前記伝熱管の長手方向に垂直な姿勢で配置された仕切板を備えた構成としてある。

また、前記構成を備えた多管式熱交換器と、前記多管式熱交換器に第２の流体を供給する供給手段とを備え、前記供給手段は、前記多管式熱交換器に前記第２の流体を供給する各供給ライン、または、前記多管式熱交換器から前記第２の流体を回収する各回収ラインに、圧力制御弁を備える構成を有する熱交換システムとする。

本発明の多管式熱交換器および熱交換システムによれば、胴側流体の流通領域に、複数のバッフルで仕切られて胴側流体を管群直交流として流通させる区画を３段以上備える形式の多管式熱交換器において、胴側流体の流速を、胴側流体の流通経路の全域に亘り均一化を図ることができる。

多管式熱交換器の第１実施形態を、容器軸心に沿う面で切断して示す概略図である。 図１の多管式熱交換器を、容器軸心に垂直な面で切断して示す概略図である。 図１の多管式熱交換器におけるバッフルの構成を示す図である。 図１の多管式熱交換器における胴側流体の流通経路を示す図である。 多管式熱交換器の第２実施形態を示す概略図である。 多管式熱交換器の第３実施形態を示す概略図である。 多管式熱交換器の第４実施形態を示す概略図である。 多管式熱交換器の第５実施形態を示すもので、胴側流体の流通経路を示す図である。 多管式熱交換器の第６実施形態を示すもので、胴側流体の流通経路を示す図である。 多管式熱交換器の第７実施形態を示す概略図である。 多管式熱交換器の第８実施形態を示す概略図である。 多管式熱交換器の第９実施形態を示す概略図である。 本発明の多管式熱交換器について行った流動解析に関するもので、解析に用いた本発明の多管式熱交換器の解析モデルを示す図である。 本発明の多管式熱交換器の解析モデルについて行った流動解析の結果を示す図である。 本発明の多管式熱交換器の解析モデルについて行った流動解析の別の結果を示す図である。 本発明の多管式熱交換器の解析モデルについて行った流動解析の更に別の結果を示す図である。 本発明の多管式熱交換器の解析モデルについて行った流動解析の更に別の結果を示す図である。 本発明の多管式熱交換器の解析モデルについて行った流動解析の更に別の結果を示す図である。 本発明の多管式熱交換器の解析モデルについて行った流動解析の更に別の結果を示す図である。 比較例について行った流動解析の結果を示す図である。

本発明の多管式熱交換器について、図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
図１は、多管式熱交換器の第１実施形態を示すもので、容器軸心位置での概略断面図である。図２は、図１の多管式熱交換器の容器軸心に垂直な面での断面を示すもので、図２（ａ）は、図１のＡ−Ａ方向矢視図、図２（ｂ）は、図１のＢ−Ｂ方向矢視図である。図３は、バッフルの構成を示すもので、図３（ａ）はバッフルの四半円の部分を容器軸心方向の片側から見た図、図３（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、バッフルにおける開口部からの距離が異なる位置に設けられた管挿通孔について、それぞれの断面を拡大して示す図である。図４は、本実施形態の多管式熱交換器における胴側流体の流通経路を示す模式図である。

本実施形態の多管式熱交換器は、図１、図２（ａ）（ｂ）に符号１で示すもので、円筒状の容器２を備える。本実施形態では、容器２は、容器２の軸心に沿う方向が上下方向となる姿勢に配置されている。容器２の軸心方向に沿う方向は、以下、容器軸心方向という。

容器２内の容器軸心方向の一端側となる個所（図１では上端側の個所）には、管板３により仕切られた第１の流体としての管側流体Ｆ１の分配ヘッダ４が設けられている。容器２内の容器軸心方向の他端側となる個所（図１では下端側の個所）には、別の管板５により仕切られた管側流体Ｆ１の集合ヘッダ６が設けられている。

容器２における管板３と管板５の間に位置する円筒状の部分は胴７である。胴７の内側には、容器軸心方向に平行に配置された複数の伝熱管１０による管群９が設けられている。なお、図１に示した伝熱管１０の数や、伝熱管１０同士の間隔は、図示するための便宜上のものであり、実際の伝熱管１０の数や伝熱管１０同士の間隔を反映したものではない。また、図示する便宜上、図１と図２（ａ）（ｂ）、更に、後述する図３（ａ）では、伝熱管１０の数や伝熱管１０の配置は異なっている（後述する各実施形態の図においても同様）。

各伝熱管１０の一端部は、管板３を介して分配ヘッダ４に連通接続されている。各伝熱管１０の他端部は、管板５を介して集合ヘッダ６に連通接続されている。

容器２の軸心方向の一端部には、管側流体Ｆ１の入口１１が、分配ヘッダ４に連通して設けられている。容器２の軸心方向の他端部には、管側流体Ｆ１の出口１２が、集合ヘッダ６に連通して設けられている。

入口１１の上流側には、図示しない管側流体Ｆ１の供給部が接続される。これにより、供給部より管側流体Ｆ１が供給されると、管側流体Ｆ１は、入口１１を通して分配ヘッダ４に流入し、この分配ヘッダ４内から、管群９を形成している各伝熱管１０内に供給される。各伝熱管１０内に供給された管側流体Ｆ１は、各伝熱管１０内を通過する間に、各伝熱管１０の外面に接する後述の第２の流体としての胴側流体Ｆ２と、各伝熱管１０の管壁を介して間接的に熱交換される。各伝熱管１０内を通過した後の管側流体Ｆ１は、集合ヘッダ６で集合させられた後、出口１２を通して容器２の外部へ取り出される。この容器２の外部へ取り出された管側流体Ｆ１は、出口１２の下流側に接続された図示しない管側流体Ｆ１の需要先や回収部に送られるようにすればよい。

胴７の内側の空間部で且つ各伝熱管１０の外側の領域は、胴側流体Ｆ２の流通領域８となる。

本実施形態の多管式熱交換器１は、流通領域８における容器軸心方向の複数個所、たとえば、２個所に、バッフル１３ａとバッフル１３ｂとを備えた構成とされている。

各バッフル１３ａ，１３ｂは、流通領域８の容器軸心方向に垂直な面での断面形状を有する円板の中央部に、円形の開口部１４ａ，１４ｂを備えたリング状の構成とされている。各バッフル１３ａ，１３ｂは、外周部が、容器２の胴７の内面に、周方向の複数個所で溶接などにより取り付けられて支持されている。

これにより、流通領域８には、容器軸心方向に、各バッフル１３ａ，１３ｂにより仕切られた３段の区画１５ａ，１５ｂ，１５ｃが形成されている。各区画１５ａ，１５ｂ，１５ｃは、説明の便宜上、容器軸心方向の一端側（図１（ａ）では上端側）に位置するものから順に、１段目の区画１５ａ、２段目の区画１５ｂ、３段目の区画１５ｃという。

１段目の区画１５ａと２段目の区画１５ｂは、バッフル１３ａの開口部１４ａを介して、互いの中央部同士が連通している。また、２段目の区画１５ｂと３段目の区画１５ｃは、バッフル１３ｂの開口部１４ｂを介して、互いの中央部同士が連通している。

各バッフル１３ａ，１３ｂは、管群９の各伝熱管１０の配置に個別に対応する位置に、図３（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示すように、管挿通孔１６を備えた構成とされている。各管挿通孔１６には、対応する伝熱管１０が挿通配置されている。この各バッフル１３ａ，１３ｂの管挿通孔１６の詳細については、後述する。

本実施形態では、図４に、本実施形態の多管式熱交換器１における胴側流体Ｆ２の流通経路を模式的に示すように、胴側流体Ｆ２の流通領域８にバッフル１３ａ，１３ｂで仕切られて形成された３つの区画１５ａ，１５ｂ，１５ｃのうち、１段目の区画１５ａと３段目の区画１５ｃとが、外部から容器２内へ胴側流体Ｆ２が流入する区画に設定されている。２段目の区画１５ｂは、容器２内から外部へ胴側流体Ｆ２が流出する区画に設定されている。以下、外部から容器２内へ胴側流体Ｆ２が流入する区画は、流入区画といい、容器２内から外部へ胴側流体Ｆ２が流出する区画は、流出区画という。

なお、図４は、容器２の胴７の部分について、容器軸心位置での断面を示している。図４において、図１、図２（ａ）（ｂ）に示したものと同一のものには同一符号が付してある。また、図４では、便宜上、容器２の胴７以外の部分、各バッフル１３ａ，１３ｂにおける管挿通孔１６、各伝熱管１０、および、後述する開口部１７ａ，１７ｂ，１７ｃ、分散板１９、入口２０、入口２１、出口２２の記載は省略してある。

各区画１５ａ，１５ｂ，１５ｃにおける容器軸心方向に沿う方向の寸法を流路幅というものとする（後述する各実施形態においても同様）。

本実施形態では、図４に示すように、１段目の区画１５ａの流路幅と、３段目の区画１５ｃの流路幅とが、同様の寸法Ｗに設定されている。また、２段目の区画の流路幅は、１段目の区画１５ａの流路幅と、３段目の区画１５ｃの流路幅とを足した寸法となる２Ｗに設定されている。

なお、前記した１段目と３段目の各区画１５ａ，１５ｃの流路幅同士の関連について、「同様の寸法」は、同一の寸法に厳密に限定されるものではなく、製造時の誤差など、本発明の効果が得られる範囲で許容される誤差を含んでいてもよい。同様に、寸法Ｗと２Ｗとの比についても、本発明の効果が得られる範囲で許容される誤差を含んでいてもよい。

図１、図２（ａ）（ｂ）に示すように、胴７の周壁には、容器軸心方向における各区画１５ａ，１５ｂ，１５ｃとそれぞれ対応する個所に、開口部１７ａ，１７ｂ，１７ｃが、各区画１５ａ，１５ｂ，１５ｃに個別に連通した状態で設けられている。各開口部１７ａ，１７ｂ，１７ｃは、胴７の周方向に断続した状態で、周方向の全周に亘り設けられている。なお、図示しないが、各開口部１７ａ，１７ｂ，１７ｃは、周方向の全周に亘り連続して設けられた構成であってもよい。この場合、胴７の周壁は、各開口部１７ａ，１７ｂ，１７ｃの部分で周方向の全周に亘り切り欠かれると、周壁が容器軸心方向に分断された状態になってしまう。よって、この場合は、それぞれの開口部１７ａ，１７ｂ，１７ｃの容器軸心方向の一端側と他端側に位置している胴７の周壁同士を、各開口部１７ａ，１７ｂ，１７ｃに配置される、後述する分散板１９を介して、繋いだ構成とすればよい。

各開口部１７ａ，１７ｂ，１７ｃの外側には、胴７の外周面に沿って延びる樋状のヘッダ部材１８ａ，１８ｂ，１８ｃが、周方向の全周に亘り各開口部１７ａ，１７ｂ，１７ｃを覆うように配置されて、胴７の外周面に取り付けられている。

更に、開口部１７ａ，１７ｂ，１７ｃには、分散板１９が備えられている。分散板１９は、開口部１７ａ，１７ｂ，１７ｃを胴側流体Ｆ２が通過するときに或る程度の圧力損失を生じさせて、胴側流体Ｆ２の周方向への分散を促すためのものである。分散板１９は、前記の胴側流体Ｆ２の分散促進機能を備えていれば、多孔板、パンチングメタル、スリットを設けた板、メッシュを用いる構成など、任意の構成のものを採用してよい。

また、分散板１９は、胴７の周壁に、内外方向に貫通する孔やスリットを穿設した構成としてもよい。この場合は、分散板１９は胴７の周壁の一部であるため、各開口部１７ａ，１７ｂ，１７ｃは、実際の開口ではなく、胴７の周壁における孔やスリットが設けられた領域を指すものとなる。

更に、ヘッダ部材１８ａとヘッダ部材１８ｃには、周方向の１個所に、胴側流体Ｆ２の入口２０，２１を備え、ヘッダ部材１８ｂには、周方向の１個所に、胴側流体Ｆ２の出口２２を備えた構成とされている。

これにより、ヘッダ部材１８ａの内側の空間は、入口２０から供給される胴側流体Ｆ２を、容器２の外部で周方向に分散させてから、開口部１７ａを通して１段目の区画１５ａの外周部に流入させる分配ヘッダ２３となる。同様に、ヘッダ部材１８ｃの内側の空間は、入口２１から供給される胴側流体Ｆ２を、容器２の外部で周方向に分散させてから、開口部１７ｃを通して３段目の区画１５ｃの外周部に流入させる分配ヘッダ２４となる。

一方、ヘッダ部材１８ｂの内側の空間は、２段目の区画１５ｂの外周部から開口部１７ｂを通して容器２の外部へ流出する胴側流体Ｆ２を、集合させてから出口２２へ導く集合ヘッダ２５となる。

したがって、１段目の区画１５ａと３段目の区画１５ｃは、それぞれ、容器２外部の分配ヘッダ２３，２４から胴側流体Ｆ２が容器２内へ流入する流入区画となり、２段目の区画１５ｂは、流出区画となる。

なお、図２（ａ）（ｂ）では、図示する便宜上、分散板１９を周方向に均等な構造で示した。しかし、入口２０、入口２１（図１参照）、出口２２の周方向の配置と、胴側流体Ｆ２の流通方向などを考慮して、分散板１９は、胴側流体Ｆ２が通過時に生じる圧力損失が、周方向に均一に分布していないものであってもよいことは勿論である。また、各開口部１７ａ，１７ｂ，１７ｃに備える各分散板１９は、同一構成のものでもよいし、同一構成のものでなくてもよい。

更に、本実施形態の多管式熱交換器１は、各バッフル１３ａ，１３ｂにて、流入区画である第１の区画１５ａおよび第３の区画１５ｃにおける胴側流体Ｆ２の流通方向の上流側から、下流側の開口部１４ａ，１４ｂに向けて、管挿通孔１６と伝熱管１０との隙間のリークに対する流動抵抗が、順次小さくなる構成を備えている。

なお、この構成は、各バッフル１３ａ，１３ｂを基準にすると、本実施形態の多管式熱交換器１は、各バッフル１３ａ，１３ｂにて、開口部１４ａ，１４ｂからの距離が大となるにしたがって、管挿通孔１６と伝熱管１０との隙間のリークに対する流動抵抗が順次大きくなる構成を備えている、と表現することもできる。

ここで、バッフル１３ａ，１３ｂの各管挿通孔１６の位置で生じるリークについて考えると、管挿通孔１６と伝熱管１０との隙間における流動抵抗が大きくなるほど、リークの流量は少なくなり、一方、隙間における流動抵抗が小さくなるほど、リークの流量は多くなる。

隙間におけるリークに対する流動抵抗は、隙間の流路断面積が大きくなるに従って低下し、また、隙間の流路長が短くなるに従って低下する。

隙間の流路断面積は、管挿通孔１６の断面積と、伝熱管１０の断面積との差であるため、管挿通孔１６の径（内径）と、伝熱管１０の径（外径）との差の影響を受ける。

隙間の流路長は、バッフル１３ａ，１３ｂの厚さに依存する。

したがって、隙間の流動抵抗の大小は、たとえば、以下の式で定義されるパラメータＺ（隙間形状係数Ｚ）の大小を用いて評価することができる。
Ｚ＝２ｔ／（Ｄ−ｄ）
ここで、ｔはバッフルの厚さ、Ｄは管挿通孔の径、ｄは伝熱管の径である。

そこで、本実施形態の多管式熱交換器１は、各バッフル１３ａ，１３ｂにて、流入区画である第１の区画１５ａおよび第３の区画１５ｃにおける胴側流体Ｆ２の流通方向の上流側から、下流側に向けて、各管挿通孔１６の位置で、パラメータＺの値が順次小さくなる構成を備えている。

なお、パラメータＺの値は、バッフル１３ａ，１３ｂの厚さｔ、管挿通孔１６の径Ｄ、伝熱管１０の径ｄという３つの値で決まるが、本実施形態では、管挿通孔１６の径Ｄのみを変化させる手法により、前記したような位置に応じたパラメータＺの値の差を備える構成としてある。

具体的には、本実施形態における各バッフル１３ａ，１３ｂは、図３（ａ）に示すように、中央部に円形の開口部１４ａ，１４ｂを備えたリング状の構成とされている。また、第１の区画１５ａと第３の区画１５ｃは、外周部に流入した胴側流体Ｆ２が開口部１４ａ，１４ｂに向けて半径方向に沿って内向きに流通する区画となっている。

よって、本実施形態では、図３（ａ）に示すように、各バッフル１３ａ，１３ｂに対し、開口部１４ａ，１４ｂからの距離が大きくなるにしたがって、すなわち、本実施形態では、半径方向に沿い内周側から外周側へ、複数の同心円状の領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を並べて複数設定する。更に、各バッフル１３ａ，１３ｂは、図３（ｄ）に示す最も外周寄りの領域Ｒ３における管挿通孔１６の径に比して、図３（ｃ）に示すように、より内周側に位置する領域Ｒ２における管挿通孔１６が、より大きな径を有し、図３（ｂ）に示すように、更に内周側に位置する領域Ｒ１における管挿通孔１６が、更に大きな径を有する構成としてある。

なお、図３（ａ）では、図示する便宜上、半径方向に３つの領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３のみを示したが、実際の多管式熱交換器１では、容器２の径は図に比して大幅に大きく、また、伝熱管１０の半径方向に配列される本数も多いので、同心円状に設定する領域の半径方向の寸法を幅広く取れば、管挿通孔１６の径寸法の変化はステップ状になるが、円周状の領域の半径方向の寸法を狭く設定すれば、管挿通孔１６の径寸法の変化はほぼ連続的になる。

この構成によれば、バッフル１３ａ，１３ｂは、全面に亘り均一な厚さｔを有するものを用いることができるため、部分的に厚さを変える場合に比して、バッフル１３ａ，１３ｂの製造を容易なものとすることができる。また、この構成では、伝熱管１０は、すべて均一な径ｄを備えるものを使用することができるため、各伝熱管１０の胴側流体Ｆ２との伝熱面積を均一にすることができると共に、各伝熱管１０に、管側流体Ｆ１を均一に流通させることができる。

以上の構成としてある本実施形態の多管式熱交換器１は、入口２０に胴側流体Ｆ２が供給されると、胴側流体Ｆ２は、入口２０から分配ヘッダ２３に流入し、分配ヘッダ２３で周方向に分散された後、開口部１７ａを通して１段目の区画１５ａの外周部に流入する。

１段目の区画１５ａでは、外周部に流入した胴側流体Ｆ２は、主として、バッフル１３ａに沿い１段目の区画１５ａの中央部に向けて流れる。よって、図１、図２（ａ）、図４に示すように、１段目の区画１５ａでは、胴側流体Ｆ２の主流Ｍａは、容器２の半径方向に沿って外周側から内周側に向かう管群直交流となる。

１段目の区画１５ａの中央部に達した胴側流体Ｆ２の主流Ｍａは、バッフル１３ａの開口部１４ａを通して２段目の区画１５ｂの中央部へ向かう流れとなる。

この際、１段目の区画１５ａでは、胴側流体Ｆ２の一部は、図３（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示すように、バッフル１３ａの各管挿通孔１６の内面と、各伝熱管１０の外面との間の隙間を通して２段目の区画１５ｂへ流出するリークＬａとなる。

また、本実施形態の多管式熱交換器１は、入口２１に胴側流体Ｆ２が供給されると、胴側流体Ｆ２は、入口２１から分配ヘッダ２４に流入し、分配ヘッダ２４で周方向に分散された後、開口部１７ｃを通して３段目の区画１５ｃの外周部に流入する。

３段目の区画１５ｃでは、外周部に流入した胴側流体Ｆ２は、主として、バッフル１３ｂに沿い３段目の区画１５ｃの中央部に向けて流れる。よって、図１、図４に示すように、３段目の区画１５ｃでは、胴側流体Ｆ２の主流Ｍｃは、容器２の半径方向に沿って外周側から内周側に向かう管群直交流となる。

３段目の区画１５ｃの中央部に達した胴側流体Ｆ２の主流Ｍｃは、バッフル１３ｂの開口部１４ｂを通して２段目の区画１５ｂの中央部へ向かう流れとなる。

この際、３段目の区画１５ｃでは、前記１段目の区画１５ａと同様に、胴側流体Ｆ２の一部は、バッフル１３ｂの各管挿通孔（図示せず）の内面と、各伝熱管１０（図１参照）の外面との間の隙間を通して、図４に示すように２段目の区画１５ｂ側へ流出するリークＬｃとなる。

２段目の区画１５ｂでは、中央部に、容器軸心方向の両側から、１段目の区画１５ａにおける胴側流体Ｆ２の主流Ｍａと、３段目の区画１５ｃにおける胴側流体Ｆ２の主流Ｍｃとが流入する。２段目の区画１５ｂの中央部に流入した胴側流体Ｆ２は、２段目の区画１５ｂ内で流通可能な方向が外周側の開口部１７ｂに向かう方向に制限される。そのため、図１、図２（ｂ）、図４に示すように、２段目の区画１５ｂでは、胴側流体Ｆ２の主流Ｍｂは、容器２の半径方向に沿って内周側から外周側へ向かう管群直交流となる。

２段目の区画１５ｂに形成される胴側流体Ｆ２の主流Ｍｂには、前記各バッフル１３ａ，１３ｂを介して１段目と３段目の各区画１５ａ，１５ｃから流入するリークＬａ，Ｌｃが合流される。その後、２段目の区画１５ｂの外周部に達した胴側流体Ｆ２は、開口部１７ｂを通して集合ヘッダ２５に流入し、集合ヘッダ２５で周方向に集合させられた後、出口２２から排出される。

ここで、本明細書では、本発明の多管式熱交換器の構成を説明する便宜上、流通領域８に設けられた複数のバッフルのそれぞれを基準として、仮想のパスを、次のように定義する。

仮想のパスは、基準とされた１つのバッフルの一方の面側に形成された流入路と、該バッフルの開口部と、該バッフルの他方の面側に形成された流出路とを含む胴側流体Ｆ２の一連の流路であり、且つ、設定された流量、たとえば流量Ｑで流入路へ流入する胴側流体Ｆ２が、流出路から流量Ｑで流出する流路である。なお、前記バッフルを挟んだ配置の流入路と流出路との間では、流入路から流出路へのリークが生じるので、仮想のパスが前記のような一連の流路であるとしても、その途中では、胴側流体Ｆ２の流量はリークの発生量に応じて流量Ｑよりも低減する。

本実施形態の多管式熱交換器１では、流通領域８に設けられた２つのバッフル１３ａ，１３ｂのうち、バッフル１３ａを基準とする仮想のパスは、胴側流体Ｆ２が、バッフル１３ａの上面側の流入路である１段目の区画１５ａを流通した後、バッフル１３ａの開口部１４ａを通過して流れの向きが折り返され、次いで、バッフル１３ａの下面側の流出路である２段目の区画１５ｂを流通する流路となる。このバッフル１３ａを基準とする仮想のパスの経路の概略は、図４では、主流Ｍａの矢印と主流Ｍｂの矢印とを開口部１４ａに配置された半円弧状の矢印で繋いだ線で示される。

また、バッフル１３ｂを基準とする仮想のパスは、胴側流体Ｆ２が、バッフル１３ｂの下面側の流入路である３段目の区画１５ｃを流通した後、バッフル１３ｂの開口部１４ｂを通過して流れの向きが折り返され、次いで、バッフル１３ｂの上面の流出路である２段目の区画１５ｂを流通する流路となる。このバッフル１３ｂを基準とする仮想のパスの経路の概略は、図４に、主流Ｍｃの矢印と主流Ｍｂの矢印とを開口部１４ｂに配置された半円弧状の矢印で繋いだ線で示される。

したがって、各区画１５ａ，１５ｂ，１５ｃのうち、端部に位置する１段目の区画１５ａは、片側にのみバッフル１３ａが存在しているので、そのバッフル１３ａを基準とする１つの仮想のパスの流入路となっている。

同様に、端部に位置する３段目の区画１５ｃは、片側にのみバッフル１３ｂが存在しているので、そのバッフル１３ｂを基準とする１つの仮想のパスの流入路となっている。

これに対し、中間部に位置する２段目の区画１５ｂは、両側にバッフル１３ａ，１３ｂが存在している。そのため、２段目の区画１５ｂは、バッフル１３ａを基準とする仮想のパスの流出路と、バッフル１３ｂを基準とする仮想のパスの流出路とが合わさったものであると見做すことができる。なお、仮想のパスは、あくまでも、本発明の多管式熱交換器の構成を説明するための仮想の流路であって、実際の２段目の区画１５ｂにて、１段目の区画１５ａから流入する胴側流体Ｆ２と、３段目の区画１５ｃから流入する胴側流体Ｆ２との混合が生じることに何ら問題はない。

このように、２段目の区画１５ｂは、２つの仮想のパスの流出路が合わさったものであると考えられるため、２段目の区画１５ｂの流路幅が寸法２Ｗとされているとしても、１つずつの仮想のパスの流出路は、流路幅が寸法Ｗとなる。

したがって、本実施形態では、バッフル１３ａを基準とする仮想のパス、および、バッフル１３ｂを基準とする仮想のパスは、流入路の流路幅と流出路の流路幅との比率が１：１の設定とされている。

本実施形態の多管式熱交換器１では、１段目の区画１５ａに開口部１７ａから供給された胴側流体Ｆ２の圧力と、３段目の区画１５ｃに開口部１７ｃから供給された胴側流体Ｆ２の圧力とが同様であれば、１段目の区画１５ａから２段目の区画１５ｂへのリークＬａによる流出と、３段目の区画１５ｃから２段目の区画１５ｂへのリークＬｃによる流出とが同様に生じる。

ここで、容器２における管群直交方向の位置を基準とする、管群直交流の流量（流量の絶対値）の分布を、流量プロファイルという。本実施形態の多管式熱交換器１では、各区画１５ａ，１５ｂ，１５ｃ内での胴側流体Ｆ２の流れは、容器２の半径方向に沿う方向となっている。したがって、本実施形態では、流量プロファイルは、容器２の半径方向の位置を基準とする管群直交流の流量（流量の絶対値）の分布として求めることができる。

この流量プロファイルを各区画１５ａ，１５ｂ，１５ｃについて求めると、１段目の区画１５ａについての流量プロファイルと、３段目の区画１５ｃについての流量プロファイルとは、同様になる。１段目と３段目の各区画１５ａ，１５ｃは、それぞれ１つの仮想のパスにのみ属する流入路であるため、１段目と３段目の各区画１５ａ，１５ｃについての流量プロファイルは、そのまま仮想のパス当たりの流量プロファイルとなる。

２段目の区画１５ｂは、１段目と３段目の各区画１５ａ，１５ｃの主流Ｍａ，Ｍｃと、各区画１５ａ，１５ｃから流出するリークＬａ，Ｌｃとが流入する。この際、容器２の半径方向のある位置について、１段目と３段目の各区画１５ａ，１５ｃにおけるリークＬａ，Ｌｃによる管群直交流の流量の減少分は、２段目の区画１５ｂにおける管群直交流の流量の増加分と一致する。２段目の区画１５ｂでは、胴側流体Ｆ２の管群直交流の流量（流量の絶対値）は、１段目と３段目のそれぞれの区画１５ａ，１５ｃにおける管群直交流の流量（流量の絶対値）に比してほぼ２倍となっている。しかし、前記したように、２段目の区画１５ｂは、２つの仮想のパスの流出路が合わさったものであると見做すことができるので、２段目の区画１５ｂにおいても、仮想のパス当たりの流量プロファイルは、１段目と３段目の各区画１５ａ，１５ｃについての流量プロファイルと同様になる。

以上の点に鑑みて、本実施形態の多管式熱交換器１を使用する場合は、図１（ａ）に示すように、入口２０と入口２１に、入口２０と入口２１に供給する胴側流体Ｆ２の圧力を制御する機能を備えた供給手段２６を接続して、熱交換システムを形成すればよい。この供給手段２６の構成については、後述する。

更に、本実施形態の多管式熱交換器１では、各バッフル１３ａ，１３ｂに設定した領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３ごとに管挿通孔１６の径を変化させることで、流入区画である第１の区画１５ａおよび第３の区画１５ｃにおける胴側流体Ｆ２の流通方向の上流側から、下流側に向けて、各管挿通孔１６の位置でパラメータＺの値が順次小さくなる構成を備えている。

そのため、パラメータＺの値が大小異なる各バッフル１３ａ，１３ｂの外周側と内周側とでは、１段目と３段目の各区画１５ａ，１５ｃから流出して２段目の区画に流入するリークＬａ，Ｌｃに対する流動抵抗が、外周側に比して内周側の方が小さくなっている。

よって、１段目と３段目の各区画１５ａ，１５ｃでは、各バッフル１３ａ，１３ｂに設定された各領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３にて、各バッフル１３ａ，１３ｂの内周側、すなわち、開口部１４ａ，１４ｂに近付くほど、２段目の区画１５ｂへのリークＬａ，Ｌｃが生じやすくなる。そのため、１段目と３段目の各区画１５ａ，１５ｃでは、外周側から流入した胴側流体Ｆ２が、開口部１４ａ，１４ｂへ向けて半径方向に沿い内向きに流れるときには、２段目の区画１５ｂへのリークＬａ，Ｌｃの量は、次第に増加するよう調整される。

なお、従来の多管式熱交換器は、バッフルに備えた管挿通孔が均一な径とされた構成を備えている。かかる形式のバッフルにより仕切られて形成された従来の多管式熱交換器における各段の区画（流路）では、内周側での管群直交流の流速が、外周側に比して増加してしまう。このことは、後述する従来の管群直交流形式の多管式熱交換器の解析モデルＳｃ「（図１３（ｂ）参照）を用いた解析結果（図２０参照）から明らかである。

これに対し、本実施形態の多管式熱交換器１における１段目と３段目の各区画１５ａ，１５ｃでは、前記したように、外周側から流入した胴側流体Ｆ２が、半径方向に沿い内向きに流れるときに、２段目の区画１５ｂへのリークＬａ，Ｌｃの量が次第に増加するので、内周側での管群直交流の流速の増加を抑えることができる。よって、１段目と３段目の各区画１５ａ，１５ｃでは、それぞれの胴側流体Ｆ２の流通経路にて、胴側流体Ｆ２の流速の均一化を図ることができる。

２段目の区画１５ｂでは、開口部１４ａ，１４ｂから流入した胴側流体Ｆ２が、外周側へ向けて半径方向に沿い外向きに流れるときには、１段目と３段目の各区画１５ａ，１５ｃからのリークＬａ，Ｌｃによって流量は次第に増加するため、バッフル１３ａ，１３ｂの開口部１４ａ，１４ｂからの距離に関する流速分布は、１段目と３段目の各区画１５ａ，１５ｃと同様になる。

したがって、本実施形態の多管式熱交換器１は、胴側流体Ｆ２の流通領域８に、複数のバッフル１３ａ，１３ｂで仕切られて胴側流体Ｆ２を管群直交流として流通させる３段の区画１５ａ，１５ｂ，１５ｃを備えた形式にて、胴側流体Ｆ２の流速を、胴側流体Ｆ２の流通経路の全域に亘り均一化させることができる。

この効果は、本実施形態の多管式熱交換器１が、次の２つの構成を共に備えることで達成されている。第１の構成は、１段目、２段目、３段目の各区画１５ａ，１５ｂ，１５ｃを、流入区画と流出区画とに交互に設定して、１段目の区画１５ａの流量プロファイルと、３段目の区画１５ｃの流量プロファイルと、２段目の区画１５ｂにおける仮想のパス当たりの流量プロファイルとを同様にする構成である。第２の構成は、流入区画における胴側流体Ｆ２の流通方向の上流側から、下流側に向けて、管挿通孔１６と伝熱管１０との隙間のリークに対する流動抵抗が順次小さくなる構成である。この第２の構成は、本実施形態では、各バッフル１３ａ，１３ｂに設定した領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３ごとに管挿通孔１６の径を変化させることで実現している。

したがって、多管式熱交換器が、従来のように、胴側流体の流通領域に２枚以上のバッフルによって仕切られた３段以上の区画を備え、３段以上の区画により胴側流体が蛇行して流れる一連の流通経路が構成されている場合は、たとえ、各バッフルについて、管挿通孔の径に、本実施形態の多管式熱交換器１におけるバッフル１３ａ，１３ｂと同様の分布を備えたとしても、胴側流体の流速を、胴側流体の流通経路の全域に亘り均一化させることは困難である。これは、以下の理由による。

すなわち、胴側流体の流通領域に３段以上の区画により胴側流体が蛇行して流れる一連の流通経路が構成されている場合は、流通経路の最上流側の区画と、最下流側の区画についての流量プロファイルはおおよそ同様の傾向になる。しかし、中間部の区画では、管群直交流に対してリークによる流入と流出とが混在して生じるために、管群直交流の流量の絶対値が、最上流側の区画や最下流側の区画に比して小さくなる。しかも、中間部の区画では、区画内の上下流方向で、リークによる流入量と、リークによる流出量がそれぞれ変化する。よって、中間部の区画における流量プロファイルは、最上流側の区画や、最下流側の区画についての流量プロファイルとは相違する。

よって、この場合は、流量プロファイルの相違に起因して、流通経路の最上流側の区画、および、最下流側の区画に関して、胴側流体の流速の均一化を図るために望まれるバッフルを介したリーク量の分布と、流通経路の中間部の区画に関して、胴側流体の流速の均一化を図るために望まれるバッフルを介したリーク量の分布が、相違する。したがって、流量プロファイルが相違する区画の間に配置されるバッフルについて、両側の区画で胴側流体の流速の均一化を共に図るためには、各バッフルについて、最適な設計を個別に見つけ出す必要があり、その設計は極めて煩雑になってしまう。しかも、各バッフルについては、必ずしも設計解が存在するとは限らないという問題もある。

次に、本実施形態の多管式熱交換器１を使用した熱交換システムの形成に用いる供給手段２６について説明する。

供給手段２６は、たとえば、入口２０に接続された供給ライン２７と、入口２１に接続された供給ライン２８と、各供給ライン２７，２８の上流側に接続された共通のポンプ２９とを備えている。更に、供給ライン２７には、圧力制御弁３０と、供給ライン２７における圧力制御弁３０よりも下流側、すなわち入口２０側に設けられた圧力計などの圧力検出手段３１とを備え、供給ライン２８には、圧力制御弁３２と、供給ライン２８における圧力制御弁３２よりも下流側、すなわち入口２１側に設けられた圧力計などの圧力検出手段３３とを備えた構成とされている。

本実施形態の多管式熱交換器１では、胴側流体Ｆ２が入口２０から分配ヘッダ２３、開口部１７ａの分散板１９を経て１段目の区画１５ａに流入するときに生じる圧力損失は、設計情報に基づく数値計算や、試験などにより明らかにすることができる。同様に、胴側流体Ｆ２が入口２１から分配ヘッダ２４、開口部１７ｃの分散板１９を経て３段目の区画１５ｃに流入するときに生じる圧力損失は、設計情報に基づく数値計算や試験などにより明らかにすることができる。

したがって、圧力検出手段３１の検出結果からは、入口２０から分配ヘッダ２３を経て１段目の区画１５ａに流入する胴側流体Ｆ２の圧力の情報を得ることができる。また、圧力検出手段３３の検出結果からは、入口２１から分配ヘッダ２４を経て３段目の区画１５ｃに流入する胴側流体Ｆ２の圧力の情報を得ることができる。

そこで、供給手段２６には、１段目の区画１５ａに流入する胴側流体Ｆ２の圧力と、３段目の区画１５ｃに流入する胴側流体Ｆ２の圧力とが同様になるように、入口２０へ供給する胴側流体Ｆ２の圧力の目標値と、入口２１へ供給する胴側流体Ｆ２の圧力の目標値と、それぞれの目標値に対する誤差の許容範囲が設定される。

供給手段２６では、圧力検出手段３１による圧力の検出値と、圧力検出手段３３による圧力の検出値とが、それぞれに設定された目標値からの許容誤差の範囲に収まるように、圧力制御弁３０および圧力制御弁３２が制御される。

あるいは、供給手段２６は、圧力検出手段３１による圧力の検出値と、圧力検出手段３３による圧力の検出値の双方を監視して、圧力制御弁３０と圧力制御弁３２に適宜制御指令を与える図示しない制御手段を備えた構成としてもよい。供給手段２６にこの種の制御手段を備えた場合は、たとえば、ポンプ２９の運転状態を変化させるときにも、１段目の区画１５ａに流入する胴側流体Ｆ２の圧力と、３段目の区画１５ｃに流入する胴側流体Ｆ２の圧力とを同様に制御することができる。

なお、図１では、共通のポンプ２９に接続された供給ライン２７と供給ライン２８に個別の圧力制御弁３０，３２を備えた構成を示したが、供給ライン２７と供給ライン２８に個別のポンプを備えた構成として、各圧力検出手段３１，３３の圧力の検出値に基づいて、各ポンプの吐出圧力を制御するようにしてもよい。

本実施形態では、更に、供給手段２６で胴側流体Ｆ２を循環利用するため、ポンプ２９の吸入側には、本実施形態の多管式熱交換器１の出口２２が、胴側流体Ｆ２の回収ライン３４を介して接続されている。ポンプ２９の吐出側には、胴側流体Ｆ２と図示しない熱媒体とを熱交換させる熱交換器３５が設けられている。したがって、本実施形態の多管式熱交換器１へ供給される胴側流体Ｆ２の温度は、熱交換器３５で調整される。

たとえば、本実施形態の多管式熱交換器１が、胴側流体Ｆ２により管側流体Ｆ１を冷却する機能を備える場合は、熱交換器３５は、入口２０，２１への供給時に比して温度上昇した状態で出口２２から回収される胴側流体Ｆ２を対象として、その放熱を行わせる機能を備えるものとすればよい。

一方、本実施形態の多管式熱交換器１が、胴側流体Ｆ２により管側流体Ｆ１を加熱する機能を備える場合は、熱交換器３５は、入口２０，２１への供給時に比して温度低下した状態で出口２２から回収される胴側流体Ｆ２を対象として、その加熱を行う機能を備えるものとすればよい。

なお、図１では、熱交換器３５を、ポンプ２９の吐出側に１つ備えた構成を例示したが、供給ライン２７と供給ライン２８に個別の熱交換器３５を備える構成や、ポンプ２９の吸入側に熱交換器３５を備える構成としてもよいことは勿論である。

以上の構成としてある熱交換システムによれば、供給手段２６のポンプ２９の運転により、本実施形態の多管式熱交換器１の入口２０と入口２１に胴側流体Ｆ２を供給して、１段目の区画１５ａに流入する胴側流体Ｆ２の圧力と、３段目の区画１５ｃへ流入する胴側流体Ｆ２の圧力とを同様に制御することができる。

したがって、本実施形態の多管式熱交換器１では、胴側流体Ｆ２の流通領域８に複数のバッフル１３ａ，１３ｂで仕切られて形成されて、胴側流体Ｆ２を管群直交流として流通させるすべての区画１５ａ，１５ｂ，１５ｃについて、仮想のパス当たりの流量プロファイルの均一化を図ることができる。

よって、本実施形態の多管式熱交換器１は、胴側流体Ｆ２の流通経路の全域に亘り、胴側流体Ｆ２の流速を、従来の多管式熱交換器に比して均一化を図ることができる。このことは、後述する数値解析（流動解析）の結果から明らかである。

そのため、本実施形態の多管式熱交換器１は、各伝熱管１０の管外側の熱伝達率を一定にして、管群９の全域で均等に熱交換させることができる。したがって、本実施形態の多管式熱交換器１は、胴側流体Ｆ２の流通経路に、従来の多管式熱交換器に存在していたような流量プロファイルが異なっていて熱交換能が劣る区画を有しないものとすることができる。

更に、本実施形態の多管式熱交換器１では、入口２０に供給された胴側流体Ｆ２が容器２内で通るのは、１段目と２段目の２つの区画１５ａ，１５ｂのみである。同様に、入口２１に供給された胴側流体Ｆ２が容器２内で通るのは、３段目と２段目の２つの区画１５ｃ，１５ｂのみである。

そのため、本実施形態の多管式熱交換器１は、胴側流体Ｆ２の単位時間当たりの供給量が同じ場合、胴側流体Ｆ２が蛇行して流れる３段以上の区画を備えた従来の多管式熱交換器に比して、胴側流体Ｆ２の圧力損失の低減化を図ることができる。これにより、本実施形態の多管式熱交換器１は、供給手段２６に備えて胴側流体Ｆ２の供給を行うポンプ２９に必要とされるポンプ動力の低減化を図る場合に有利な構成とすることができる。

［第１実施形態の応用例］
第１実施形態の多管式熱交換器１は、２段目の区画１５ｂを、外部から容器２内へ胴側流体Ｆ２が流入する流入区画とし、１段目の区画１５ａと３段目の区画１５ｃを、容器２内から外部へ胴側流体Ｆ２が流出する流出区画としてもよい。

この場合は、図示しないが、ヘッダ部材１８ｂに、胴側流体Ｆ２の入口を設け、ヘッダ部材１８ａとヘッダ部材１８ｃに、胴側流体Ｆ２の出口を設けた構成とすればよい。これにより、ヘッダ部材１８ｂの内側の空間が、入口から供給される胴側流体Ｆ２を、周方向に分散させてから、開口部１７ｂを通して２段目の区画１５ｂに流入させる分配ヘッダとなる。

一方、ヘッダ部材１８ａとヘッダ部材１８ｃの内側の空間は、それぞれ対応する区画１５ａ，１５ｃから開口部１７ａ，１７ｃを通して流出する胴側流体Ｆ２を、集合させてから出口へ導く集合ヘッダとなる。

また、この場合、供給手段２６は、図１に示した構成において、ポンプの吸入側と吐出側とを入れ替えて、回収ライン３４を胴側流体Ｆ２の供給ラインとして用い、供給ライン２７，２８を胴側流体Ｆ２の回収ラインとして用いる構成とすればよい。その際、圧力制御弁３０，３２は、圧力検出手段３１，３３で検出される背圧を制御することで、１段目の区画１５ａと３段目の区画１５ｃの圧力が同様になるように制御する機能を備えるようにすればよい。

本応用例の構成によれば、２段目の区画１５ｂに開口部１７ｂから供給された胴側流体の主流は、図４に示した主流Ｍｂとは逆の方向の流れとなる。すなわち、胴側流体Ｆ２の主流は、２段目の区画１５ｂでは、容器２の半径方向に沿って外周側から内周側に向かう管群直交流となり、その後、各バッフル１３ａ，１３ｂの開口部１４ａ，１４ｂを通して１段目の区画１５ａと３段目の区画１５ｃに流入し、該各区画１５ａ，１５ｃで容器２の半径方向に沿って内周側から外周側に向かう管群直交流となる。

この際、本応用例では、１段目の区画１５ａと３段目の区画１５ｃの圧力が同様とされているため、２段目の区画１５ｂから１段目の区画１５ａと３段目の区画１５ｃとに分かれて流れる主流の流量は同様になる。更に、２段目の区画１５ｂから１段目の区画１５ａへのリークによる流出と、２段目の区画１５ｂから３段目の区画１５ｃへのリークによる流出とが同様に生じる。

本応用例では、１段目の区画１５ａは、バッフル１３ａを基準とする１つの仮想のパスの流出路となる。同様に、３段目の区画１５ｃは、バッフル１３ｂを基準とする１つの仮想のパスの流出路となる。

また、２段目の区画１５ｂは、バッフル１３ａを基準とする仮想のパスの流入路と、バッフル１３ｂを基準とする仮想のパスの流入路とが合わさったものと見做すことができる。

よって、本応用例によっても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

［第２実施形態］
図５は、多管式熱交換器の第２実施形態を示すもので、図５（ａ）は、容器軸心位置での概略断面図、図５（ｂ）は、仕切板の一部を拡大して示す図である。

なお、図５（ａ）（ｂ）において、第１実施形態と同一のものには同一符号を付して、その説明を省略する。

本実施形態の多管式熱交換器は、図５（ａ）に符号１ａで示すもので、第１実施形態と同様の構成に加えて、２段目の区画１５ｂにおける容器軸心方向の中間部に、容器軸心方向に垂直な姿勢で配置された仕切板３６を備えた構成としたものである。

仕切板３６は、少なくとも、各バッフル１３ａ，１３ｂの開口部１４ａ，１４ｂよりも大きな円板形状として、容器２の軸心位置に、容器軸心方向に垂直な姿勢で配置された構成を備えることが好ましい。これは、１段目の区画１５ａからバッフル１３ａの開口部１４ａを通して２段目の区画１５ｂに流入する胴側流体Ｆ２の流れが、仕切板３６における開口部１４ａに臨む側の面に当たるようにして、流れの向きを径方向外向きとなる方向へ案内するためである。また、同様に、３段目の区画１５ｃからバッフル１３ｂの開口部１４ｂを通して２段目の区画１５ｂに流入する胴側流体Ｆ２の流れが、仕切板３６における開口部１４ｂに臨む側の面に当たるようにして、流れの向きを径方向外向きとなる方向へ案内するためである。

本実施形態では、仕切板３６は、流通領域８の容器軸心方向に垂直な面での断面形状の円板に、図５（ｂ）に示すように、管群９の各伝熱管１０の配置に個別に対応する配置で管挿通孔３７を備えた構成とされている。なお、仕切板３６における管挿通孔３７は、仕切板３６全体に亘り均一な径で設けられていればよい。また、仕切板３６における管挿通孔３７は、各バッフル１３ａ，１３ｂにおける管挿通孔１６と同様に、径寸法の分布を備えた状態で設けられていてもよい。かかる構成の仕切板３６は、仕切板３６を各バッフル１３ａ，１３ｂと重ねた状態で、管挿通孔３７および管挿通孔１６の穴あけ加工を一度に行うことが可能になる。

仕切板３６の各管挿通孔３７には、対応する伝熱管１０が挿通配置されている。仕切板３６は、外周部が、容器２の胴７の内面に、周方向の複数個所で溶接などにより取り付けられて支持されている。

これにより、２段目の区画１５ｂは、仕切板３６によって容器軸心方向の一端側と他端側に分割された２つの分割流路３８ａ，３８ｂを備えた構成とされている。

したがって、本実施形態では、２段目の区画１５ｂにおいて、分割流路３８ａは、バッフル１３ａを基準とする仮想のパスの流出路として機能し、分割流路３８ｂは、バッフル１３ｂを基準とする仮想のパスの流出路として機能するようになる。

なお、本実施形態では、前記したように仕切板３６の外周部を胴７の内面に取り付けるようにしてある。そのため、胴７の周壁に設ける開口部１７ｂは、各分割流路３８ａ，３８ｂの外周側に、仕切板３６の取付位置を避けた配置で、容器軸心方向に２分割された分割開口部３９ａ，３９ｂとして設けられている。

以上の構成としてある本実施形態の多管式熱交換器１ａは、第１実施形態と同様に使用して、同様の効果を得ることができる。

また、１段目の区画１５ａと３段目の区画１５ｃで胴側流体Ｆ２の圧力が同様となっているため、２段目の区画１５ｂでは、１段目の区画１５ａから分割流路３８ａへの主流ＭａおよびリークＬａによる流入と、３段目の区画１５ｃから分割流路３８ｂへの主流ＭｃおよびリークＬｃによる流入とが同様に生じる。したがって、分割流路３８ａと分割流路３８ｂとでは、胴側流体Ｆ２の圧力がほぼ同様になる。

そのため、仕切板３６には、各管挿通孔３７の内面と、各伝熱管１０の外面との間に隙間が存在しているが、この隙間を通過する胴側流体Ｆ２の流れはほとんど生じない。よって、２段目の区画１５ｂでは、胴側流体Ｆ２は、仕切板３６の両側の各分割流路３８ａ，３８ｂで円滑に案内されて、共に径方向外向きの流れとなる。

したがって、本実施形態の多管式熱交換器１ａによれば、２段目の区画１５ｂにて、１段目の区画１５ａから流入する胴側流体Ｆ２の流れと、３段目の区画１５ｃから流入する胴側流体Ｆ２の流れとを、互いに混合させることなく整流することができ、よって、胴側流体Ｆ２の流れについて、圧力損失の低減化を図ることができる。

なお、前述したように、分割流路３８ａと分割流路３８ｂとでは圧力差がないため、仕切板３６は、分割流路３８ａと分割流路３８ｂとが連通する図示しない開口部を備える構成や、仕切板３６の外周部と胴７の内面との間に隙間が存在するような構成であってもよい。なお、仕切板３６を胴７の内面から離して設ける場合は、半径方向に沿って配置された支持部材を介して胴７の内面に支持させるか、あるいは、バッフル１３ａ，１３ｂの開口部１４ａ，１４ｂに通して配置した容器軸心方向に延びる支持部材を介して管板３，５に支持させるようにすればよい。このような構成としても、前記したと同様の効果を得ることができる。

［第３実施形態］
図６は、多管式熱交換器の第３実施形態として、第２実施形態の応用例を示すもので、容器軸心位置での概略断面図である。

なお、図６において、第２実施形態と同一のものには同一符号を付して、その説明を省略する。

本実施形態の多管式熱交換器は、図６に符号１ｂで示すもので、第２実施形態と同様の構成において、２段目の区画１５ｂの各分割流路３８ａ，３８ｂの外周側に共通の集合ヘッダ２５を備えた構成に代えて、各分割流路３８ａ，３８ｂの外周側に、個別の集合ヘッダ４０ａ，４０ｂを備えた構成としたものである。

各分割開口部３９ａ，３９ｂの外側には、図５に示したヘッダ部材１８ａ，１８ｃと同様の出口４２ａ，４２ｂを備えたヘッダ部材４１ａ，４１ｂが個別に取り付けられている。これにより、各集合ヘッダ４０ａ，４０ｂは、各ヘッダ部材４１ａ，４１ｂの内側に形成されている。

更に、本実施形態の多管式熱交換器１ｂは、各分配ヘッダ２３，２４の入口２０，２１と、各集合ヘッダ４０ａ，４０ｂの出口４２ａ，４２ｂに、図６に示す如き供給手段２６ａを接続して、熱交換システムが構成されている。

供給手段２６ａは、たとえば、入口２１に接続された供給ライン２８と、供給ライン２８の上流側に接続されたポンプ４３と、ポンプ４３の吸入側と出口４２ａとを接続する回収ライン４４を備え、更に、入口２０に接続された供給ライン２７と、供給ライン２７の上流側に接続されたポンプ４５と、ポンプ４５の吸入側と出口４２ｂとを接続する回収ライン４６を備えた構成とされている。

各供給ライン２７，２８には、図１に示したと同様の圧力制御弁３０，３２と圧力検出手段３１，３３とが設けられている。

更に、本実施形態の供給手段２６ａは、出口４２ａから回収される胴側流体Ｆ２が流通する供給ライン２８にのみ、図１に示したと同様の熱交換器３５を備えた構成とされている。

以上の構成としてある熱交換システムを使用する場合は、第１実施形態で説明したと同様に、供給手段２６ａには、１段目の区画１５ａに流入する胴側流体Ｆ２の圧力と、３段目の区画１５ｃに流入する胴側流体Ｆ２の圧力とが同様になるように、入口２０へ供給する胴側流体Ｆ２の圧力の目標値と、入口２１へ供給する胴側流体Ｆ２の圧力の目標値と、それぞれの目標値に対する誤差の許容範囲が設定される。この状態で、供給手段２６ａでは、各ポンプ４３，４５が運転される。

ポンプ４３から吐出されて熱交換器３５で温度調整された胴側流体Ｆ２は、供給ライン２８を経て入口２１へ供給される。入口２１に供給された胴側流体Ｆ２は、分配ヘッダ２４で周方向に分散された後、開口部１７ｃを通して３段目の区画１５ｃの外周部に流入する。

３段目の区画１５ｃの外周部に流入した胴側流体Ｆ２の主流は、３段目の区画１５ｃを径方向内向きに流れ、バッフル１３ｂの開口部１４ｂを経て分割流路３８ｂに流入し、分割流路３８ｂを径方向外向きに流れてから分割開口部３９ｂに達する。この点は、第２実施形態と同様である。

その後、分割開口部３９ｂに到達した胴側流体Ｆ２は、集合ヘッダ４０ｂで集合させられた後に、出口４２ｂから排出される。

出口４２ｂから回収ライン４６に回収された胴側流体Ｆ２は、ポンプ４５の運転により昇圧された後、供給ライン２７を経て、入口２０へ供給される。

入口２０に供給された胴側流体Ｆ２は、分配ヘッダ２３で周方向に分散された後、開口部１７ａを通して１段目の区画１５ａの外周部に流入する。

１段目の区画１５ａの外周部に流入した胴側流体Ｆ２の主流は、１段目の区画１５ａを径方向内向きに流れ、バッフル１３ａの開口部１４ａを経て分割流路３８ａに流入し、分割流路３８ａを径方向外向きに流れてから分割開口部３９ａに達する。この点は、第２実施形態と同様である。

その後、分割開口部３９ａに到達した胴側流体Ｆ２は、集合ヘッダ４０ａで集合させられた後に、出口４２ａから排出される。

出口４２ａから回収された胴側流体Ｆ２は、回収ライン４４を経てポンプ４３に再び供給される。

このように、本実施形態では、熱交換器３５で温度が調整された状態で入口２１に供給される胴側流体Ｆ２を、先ず、３段目の区画１５ｃおよび分割流路３８ｂを流通させて、伝熱管１０内を流通する管側流体Ｆ１と熱交換させることができる。この熱交換により温度が変化した胴側流体Ｆ２は、更に、１段目の区画１５ａおよび分割流路３８ａを流通させて、伝熱管１０内を流通する管側流体Ｆ１との熱交換に利用することができる。

このような胴側流体Ｆ２の利用方式においても、供給手段２６ａでは、各圧力制御弁３０，３２および各圧力検出手段３１，３３を用いて、１段目の区画１５ａに流入する胴側流体Ｆ２の圧力と、３段目の区画１５ｃへ流入する胴側流体Ｆ２の圧力とを同様に制御することができる。

したがって、本実施形態の多管式熱交換器１ｂによっても、胴側流体Ｆ２の流通領域８に複数のバッフル１３ａ，１３ｂで仕切られて形成され、胴側流体Ｆ２を管群直交流として流通させる１段目の区画１５ａ、２段目の区画１５ｂの各分割流路３８ａ，３８ｂ、３段目の区画１５ｃについて、仮想のパス当たりの流量プロファイルの均一化を図ることができる。

また、本実施形態の多管式熱交換器１ｂは、胴側流体Ｆ２の流速を、胴側流体Ｆ２の流通経路の全域に亘り均一化を図ることができる。

［第４実施形態］
ところで、前記各実施形態は、胴７内の胴側流体Ｆ２の流通領域８に、容器軸心方向の２個所にバッフル１３ａ，１３ｂを備えて、胴側流体Ｆ２を管群直交流として流通させる区画を容器軸心方向に３段の区画１５ａ，１５ｂ，１５ｃとして備える構成を例示した。

これに対し、本発明の多管式熱交換器は、流通領域８に容器軸心方向に配列して設けるバッフルの数を増やして、胴側流体Ｆ２を管群直交流として流通させる区画を、容器軸心方向に４段以上で備える構成としてもよい。

図７は、多管式熱交換器の第４実施形態を示すもので、胴側流体の流通経路を示す模式図である。なお、図７では、図３と同様に構成の一部の記載を省略してある。

また、図７において、第１実施形態と同一のものには同一符号を付して、その説明を省略する。

本実施形態の多管式熱交換器は、図７に符号１ｃで示すもので、胴７内の流通領域８について、容器軸心方向の４個所に、バッフル１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃ，１３０ｄを備える構成としたものである。

各バッフル１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃ，１３０ｄは、第１実施形態におけるバッフル１３ａ，１３ｂと同様に、中央部に開口部１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄを備えたリング状の構成とされている。

これにより、流通領域８には、容器軸心方向に、各バッフル１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃ，１３０ｄにより仕切られた５段の区画１５０ａ，１５０ｂ，１５０ｃ，１５０ｄ，１５０ｅが形成されている。各区画１５０ａ，１５０ｂ，１５０ｃ，１５０ｄ，１５０ｅは、説明の便宜上、容器軸心方向の一端側（図７では上端側）に位置するものから順に、ｎ段目（１，２，３…）という。

更に、各区画１５０ａ，１５０ｂ，１５０ｃ，１５０ｄ，１５０ｅのうち、容器軸心方向の一端側から奇数番目の各区画１５０ａ，１５０ｃ，１５０ｅは、外周側に、第１実施形態における分配ヘッダ２３，２４と同様の分配ヘッダ４７，４８，４９を備えた構成とされている。

また、容器軸心方向の一端側から偶数番目の各区画１５０ｂ，１５０ｄは、外周側に、第１実施形態における集合ヘッダ２５と同様の集合ヘッダ５０，５１を備えた構成とされている。

これにより、本実施形態の多管式熱交換器１ｃは、１段目、３段目、５段目の各区画１５０ａ，１５０ｃ，１５０ｅが、外部から容器２内へ胴側流体Ｆ２が流入する流入区画となり、２段目と４段目の各区画１５０ｂ，１５０ｄが、容器２内から外部へ胴側流体Ｆ２が流出する流出区画となる。

また、本実施形態では、１段目と５段目の各区画１５０ａ，１５０ｅの流路幅が同様に設定され、この寸法をＷとすると、残りの各区画１５０ｂ，１５０ｃ，１５０ｄの流路幅が寸法２Ｗとなるように設定されている。

したがって、本実施形態では、流入区画となる各区画１５０ａ，１５０ｃ，１５０ｅのうち、端部に位置する１段目の区画１５０ａは、片側にのみバッフル１３０ａが存在しているので、そのバッフル１３０ａを基準とする１つの仮想のパスの流入路となる。

同様に、端部に位置する５段目の区画１５０ｅは、片側にのみバッフル１３０ｄが存在しているので、そのバッフル１３０ｄを基準とする１つの仮想のパスの流入路となる。

これに対し、中間部に位置する３段目の区画１５０ｃは、両側にバッフル１３０ｂ，１３０ｃが存在している。そのため、３段目の区画１５０ｃは、バッフル１３０ｂを基準とする仮想のパスの流入路と、バッフル１３０ｃを基準とする仮想のパスの流入路とが合わさったものであると見做すことができる。このように、３段目の区画１５０ｃは、２つの仮想のパスの流入路が合わさったものであると考えられるため、３段目の区画１５０ｃにおいても、１つの仮想のパス当たりの流入路の流路幅は、１段目および５段目の各区画１５０ａ，１５０ｅと同様の寸法Ｗになっている。

一方、流出区画となる２段目の区画１５０ｂは、両側にバッフル１３０ａ，１３０ｂが存在している。そのため、２段目の区画１５０ｂは、バッフル１３０ａを基準とする仮想のパスの流出路と、バッフル１３０ｂを基準とする仮想のパスの流出路とが合わさったものであると見做すことができる。

同様に、流出区画となる４段目の区画１５０ｄは、両側にバッフル１３０ｃ，１３０ｄが存在している。そのため、４段目の区画１５０ｄは、バッフル１３０ｃを基準とする仮想のパスの流出路と、バッフル１３０ｄを基準とする仮想のパスの流出路とが合わさったものであると見做すことができる。

このように、２段目の区画１５０ｂと、４段目の区画１５０ｄは、いずれも２つの仮想のパスの流出路が合わさったものであると考えられるため、これらの各区画１５０ｂ，１５０ｄの流路幅が寸法２Ｗとされているとしても、１つの仮想のパス当たりの流出路の流路幅は、寸法Ｗである。

したがって、本実施形態では、各バッフル１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃ，１３０ｄを基準とする仮想のパスは、それぞれ流入路の流路幅と流出路の流路幅との比率が１：１の設定となっている。

各バッフル１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃ，１３０ｄは、図示しないが、第１実施形態における図３（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示したバッフル１３ａ，１３ｂと同様に、開口部１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄからの距離が異なる領域ごとに、異なる径の管挿通孔１６を備えた構成とされている。

以上の構成としてある本実施形態の多管式熱交換器１ｃは、流入区画となる各区画１５０ａ，１５０ｃ，１５０ｅに供給される胴側流体Ｆ２の圧力が同様であれば、１段目の区画１５０ａから２段目の区画１５０ｂへのリークによる流出と、３段目の区画１５０ｃから２段目の区画１５０ｂへのリークによる流出と、３段目の区画１５０ｃから４段目の区画１５０ｄへのリークによる流出と、５段目の区画１５０ｅから４段目の区画１５０ｄへのリークによる流出とが同様に生じる。

したがって、本実施形態の多管式熱交換器１ｃによれば、胴側流体Ｆ２の流通領域８に複数のバッフル１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃ，１３０ｄで仕切られて形成されて、胴側流体Ｆ２を管群直交流として流通させるすべての区画１５０ａ，１５０ｂ，１５０ｃ，１５０ｄ，１５０ｅについて、第１実施形態と同様に、仮想のパス当たりの流量プロファイルの均一化を図ることができる。

更に、第１実施形態と同様に、胴側流体Ｆ２の流速を、胴側流体Ｆ２の流通経路の全域に亘り均一化を図ることができる。

なお、本実施形態の多管式熱交換器１ｃは、図７に二点鎖線で示すように、２段目、３段目、４段目の各区画１５０ｂ，１５０ｃ，１５０ｄに、前記第２実施形態における仕切板３６と同様の仕切板３６を備えた構成としてもよい。

［第５実施形態］
図８は、多管式熱交換器の第５実施形態を示すもので、胴側流体の流通経路を示す模式図である。なお、図８では、図３と同様に構成の一部の記載を省略してある。

また、図８において、第１実施形態と同一のものには同一符号を付して、その説明を省略する。

本実施形態の多管式熱交換器は、図８に符号１ｄで示すもので、胴７内の流通領域８について、容器軸心方向の３個所に、バッフル１３１ａ，１３１ｂ，１３１ｃを備える構成としたものである。

各バッフル１３１ａ，１３１ｂ，１３１ｃは、第１実施形態におけるバッフル１３ａ，１３ｂと同様に、中央部に開口部１４１ａ，１４１ｂ，１４１ｃを備えたリング状の構成とされている。

これにより、流通領域８には、容器軸心方向に、各バッフル１３１ａ，１３１ｂ，１３１ｃにより仕切られた４段の区画１５１ａ，１５１ｂ，１５１ｃ，１５１ｄが形成されている。各区画１５１ａ，１５１ｂ，１５１ｃ，１５１ｄは、説明の便宜上、容器軸心方向の一端側（図８では上端側）に位置するものから順に、ｎ段目（１，２，３…）という。

更に、各区画１５１ａ，１５１ｂ，１５１ｃ，１５１ｄのうち、容器軸心方向の一端側から奇数番目の各区画１５１ａ，１５１ｃは、外周側に、第１実施形態における分配ヘッダ２３，２４と同様の分配ヘッダ５２，５３を備えた構成とされている。

また、容器軸心方向の一端側から偶数番目の各区画１５１ｂ，１５１ｄは、外周側に、第１実施形態における集合ヘッダ２５と同様の集合ヘッダ５４，５５を備えた構成とされている。

これにより、本実施形態の多管式熱交換器１ｄは、１段目、３段目の各区画１５１ａ，１５１ｃが、外部から容器２内へ胴側流体Ｆ２が流入する流入区画となり、２段目と４段目の各区画１５１ｂ，１５１ｄが、容器２内から外部へ胴側流体Ｆ２が流出する流出区画となる。

また、本実施形態では、１段目と４段目の各区画１５１ａ，１５１ｄの流路幅が同様に設定され、この寸法をＷとすると、残りの各区画１５１ｂ，１５１ｃの流路幅が寸法２Ｗとなるように設定されている。

したがって、本実施形態では、流入区画となる各区画１５１ａ，１５１ｃのうち、端部に位置する１段目の区画１５１ａは、片側にのみバッフル１３１ａが存在しているので、そのバッフル１３１ａを基準とする１つの仮想のパスの流入路となる。

これに対し、中間部に位置する３段目の区画１５１ｃは、両側にバッフル１３１ｂ，１３１ｃが存在している。そのため、３段目の区画１５１ｃは、バッフル１３１ｂを基準とする仮想のパスの流入路と、バッフル１３１ｃを基準とする仮想のパスの流入路とが合わさったものであると見做すことができる。このように、３段目の区画１５１ｃは、２つの仮想のパスの流入路が合わさったものであると考えられるため、３段目の区画１５１ｃにおいても、１つの仮想のパス当たりの流入路の流路幅は、１段目の区画１５１ａと同様の寸法Ｗになっている。

一方、流出区画となる各区画１５１ｂ，１５１ｄのうち、４段目の区画１５１ｄは、片側にのみバッフル１３１ｃが存在しているので、そのバッフル１３１ｃを基準とする１つの仮想のパスの流出路となる。

これに対し、中間部に位置する２段目の区画１５１ｂは、両側にバッフル１３１ａ，１３１ｂが存在している。そのため、２段目の区画１５１ｂは、バッフル１３１ａを基準とする仮想のパスの流出路と、バッフル１３１ｂを基準とする仮想のパスの流出路とが合わさったものであると見做すことができる。このように、２段目の区画１５１ｂは、２つの仮想のパスの流出路が合わさったものであると考えられるため、２段目の区画１５１ｂにおいても、１つの仮想のパス当たりの流出路の流路幅は、４段目の区画１５１ｄと同様の寸法Ｗになっている。

したがって、本実施形態では、各バッフル１３１ａ，１３１ｂ，１３１ｃを基準とする仮想のパスは、それぞれ流入路の流路幅と流出路の流路幅との比率が１：１の設定となっている。

各バッフル１３１ａ，１３１ｂ，１３１ｃは、図示しないが、第１実施形態における図３（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示したバッフル１３ａ，１３ｂと同様に、開口部１４１ａ，１４１ｂ，１４１ｃからの距離が異なる領域ごとに、異なる径の管挿通孔１６を備えた構成とされている。

以上の構成としてある本実施形態の多管式熱交換器１ｄは、流入区画となる各区画１５１ａ，１５１ｃに供給される胴側流体Ｆ２の圧力が同様であれば、１段目の区画１５１ａから２段目の区画１５１ｂへのリークによる流出と、３段目の区画１５１ｃから２段目の区画１５１ｂへのリークによる流出と、３段目の区画１５１ｃから４段目の区画１５１ｄへのリークによる流出とが同様に生じる。

したがって、本実施形態の多管式熱交換器１ｄによれば、胴側流体Ｆ２の流通領域８に複数のバッフル１３１ａ，１３１ｂ，１３１ｃで仕切られて形成されて、胴側流体Ｆ２を管群直交流として流通させるすべての区画１５１ａ，１５１ｂ，１５１ｃ，１５１ｄについて、仮想のパス当たりの流量プロファイルの均一化を図ることができる。

更に、本実施形態の多管式熱交換器１ｄによれば、第１実施形態と同様に、胴側流体Ｆ２の流速を、胴側流体Ｆ２の流通経路の全域に亘り均一化を図ることができる。

なお、本実施形態の多管式熱交換器１ｄは、図８に二点鎖線で示すように、２段目、３段目の各区画１５１ｂ，１５１ｃに、前記第２実施形態における仕切板３６と同様の仕切板３６を備えた構成としてもよい。

［第６実施形態］
前記各実施形態では、胴側流体Ｆ２の流通領域８に備える複数のバッフル１３ａ，１３ｂ，１３０ａ〜１３０ｄ，１３１ａ〜１３１ｃを、円板の中央部に円形の開口部１４ａ，１４ｂ，１４０ａ〜１４０ｄ，１４１ａ〜１４１ｃを備えてなるリング状の構成を有するものとしたが、バッフルは他の形状としてもよい。

図９は、多管式熱交換器の第６実施形態を示すもので、図９（ａ）は、容器軸心位置での概略断面図、図９（ｂ）は、図９（ａ）のＣ−Ｃ方向矢視図、図９（ｃ）は、図９（ａ）のＤ−Ｄ方向矢視図である。

なお、図９（ａ）（ｂ）（ｃ）において、第１実施形態と同一のものには同一符号を付して、その説明を省略する。

本実施形態の多管式熱交換器は、図９（ａ）（ｂ）（ｃ）に符号１ｅで示すもので、第１実施形態と同様の構成において、バッフル１３２ａ，１３２ｂを、従来のシングルセグメンタル形式のバッフルと同様の構成としたものである。

すなわち、バッフル１３２ａ，１３２ｂは、流通領域８の容器軸心方向に垂直な面での断面形状を有する円板の周方向の一部を、弦に沿って切欠いた形状とされている。各バッフル１３２ａ，１３２ｂは、切欠き部分の周方向位置を揃えた姿勢として、外周部が、容器２の胴７の内面に、周方向の複数個所で取り付けられて支持されている。

これにより、流通領域８には、第１実施形態と同様に、容器軸心方向に、各バッフル１３２ａ，１３２ｂにより仕切られた３段の区画１５ａ，１５ｂ，１５ｃが形成されている。

また、流通領域８の容器軸心方向におけるバッフル１３２ａが取り付けられた個所には、バッフル１３２ａの切欠き部分と、胴７の周壁とによって囲まれた内側に、１段目の区画１５ａと２段目の区画１５ｂとが連通する開口部１４２ａが形成されている。

更に、流通領域８の容器軸心方向におけるバッフル１３２ｂが取り付けられた個所には、バッフル１３２ｂの切欠き部分と、胴７の周壁とによって囲まれた内側に、２段目の区画１５ｂと３段目の区画１５ｃとが連通する開口部１４２ｂが形成されている。

本実施形態では、胴７の周壁に各区画１５ａ，１５ｂ，１５ｃに対応させて設ける各開口部１７ａ，１７ｂ，１７ｃは、容器２の軸心位置を中心として、各開口部１４２ａ，１４２ｂと対称配置となる周方向位置に設けられている。

更に、本実施形態におけるバッフル１３２ａ，１３２ｂは、第１実施形態におけるバッフル１３ａ，１３ｂと同様に、流入区画である第１の区画１５ａおよび第３の区画１５ｃにおける胴側流体Ｆ２の流通方向の上流側から、下流側に向けて、各管挿通孔１６の位置でパラメータＺの値が順次小さくなる構成を備えている。

具体的には、バッフル１３２ａ，１３２ｂは、図９（ｂ）（ｃ）に示すように、開口部１４２ａ，１４２ｂからの距離が大きくなるにしたがって、複数の領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を並べて複数設定する。

更に、各バッフル１３２ａ，１３２ｂは、設定された領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３ごとに、図３（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示した第１実施形態における管挿通孔１６と同様に、異なる径の管挿通孔１６を備えた構成とされている。

各ヘッダ部材１８ａ，１８ｂ，１８ｃと、分配ヘッダ２３、分配ヘッダ２４、集合ヘッダ２５は、前記各開口部１７ａ，１７ｂ，１７ｃの配置に対応する周方向配置として設けられている。

以上の構成としてある本実施形態の多管式熱交換器１ｅによっても、１段目の区画１５ａに開口部１７ａから供給された胴側流体Ｆ２の圧力と、３段目の区画１５ｃに開口部１７ｃから供給された胴側流体Ｆ２の圧力とを同様とすることにより、胴側流体Ｆ２を管群直交流として流通させるすべての区画１５ａ，１５ｂ，１５ｃについて、仮想のパス当たりの流量プロファイルの均一化を図ることができる。

なお、本実施形態では、各区画１５ａ，１５ｂ，１５ｃにおける胴側流体Ｆ２の管群直交流は、各開口部１７ａ，１７ｂ，１７ｃと、バッフル１３２ａ，１３２ｂにより形成された各開口部１４２ａ，１４２ｂと、を結ぶ容器２の直径に平行な方向となる。そのため、前記流量プロファイルは、容器２における前記所定の直径に平行な方向の位置を基準として、管群直交流の流量（流量の絶対値）の分布を示したものとすればよい。

更に、本実施形態の多管式熱交換器１ｅによれば、第１実施形態と同様に、胴側流体Ｆ２の流速を、胴側流体Ｆ２の流通経路の全域に亘り均一化を図ることができる。

［第７実施形態］
図１０は、多管式熱交換器の第７実施形態を示すもので、図１０（ａ）は、容器軸心位置での概略断面図、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）のＥ−Ｅ方向矢視図、図１０（ｃ）は、図１０（ａ）のＦ−Ｆ方向矢視図である。

なお、図１０（ａ）（ｂ）（ｃ）において、第１実施形態と同一のものには同一符号を付して、その説明を省略する。

本実施形態の多管式熱交換器は、図１０（ａ）（ｂ）（ｃ）に符号１ｆで示すもので、第１実施形態と同様の構成において、バッフル１３３ａ，１３３ｂを、従来のダブルセグメンタル形式のバッフルと同様の構成としたものである。

すなわち、バッフル１３３ａ，１３３ｂは、流通領域８の容器軸心方向に垂直な面での断面形状を有する円板を、一方向の直径に沿う位置で切欠いて、切欠き部分に沿う弦と円弧とで囲まれた形状の一対の部材で構成されている。各バッフル１３３ａ，１３３ｂは、切欠き部分の延びる方向を揃えた姿勢として、外周部の円弧部分が、容器２の胴７の内面に、周方向の複数個所で取り付けられて支持されている。

これにより、流通領域８には、第１実施形態と同様に、容器軸心方向に、各バッフル１３３ａ，１３３ｂにより仕切られた３段の区画１５ａ，１５ｂ，１５ｃが形成されている。

また、流通領域８の容器軸心方向におけるバッフル１３３ａが取り付けられた個所には、バッフル１３３ａの切欠き部分と、胴７の周壁とによって囲まれた内側に、１段目の区画１５ａと２段目の区画１５ｂとが連通する開口部１４３ａが形成されている。

更に、流通領域８の容器軸心方向におけるバッフル１３３ｂが取り付けられた個所には、バッフル１３３ｂの切欠き部分と、胴７の周壁とによって囲まれた内側に、２段目の区画１５ｂと３段目の区画１５ｃとが連通する開口部１４３ｂが形成されている。

本実施形態では、胴７の周壁に各区画１５ａ，１５ｂ，１５ｃに対応させて設ける各開口部１７ａ，１７ｂ，１７ｃは、前記各開口部１４３ａ，１４３ｂが形成されている直径の方向から９０度ずれた周方向位置に設けられている。

更に、本実施形態におけるバッフル１３３ａ，１３３ｂは、第１実施形態におけるバッフル１３ａ，１３ｂと同様に、流入区画である第１の区画１５ａおよび第３の区画１５ｃにおける胴側流体Ｆ２の流通方向の上流側から、下流側に向けて、各管挿通孔１６の位置でパラメータＺの値が順次小さくなる構成を備えている。

具体的には、バッフル１３３ａ，１３３ｂは、図１０（ｂ）（ｃ）に示すように、開口部１４３ａ，１４３ｂからの距離が大きくなるにしたがって、複数の領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を並べて複数設定する。

更に、各バッフル１３３ａ，１３３ｂは、設定された領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３ごとに、図３（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示した第１実施形態における管挿通孔１６と同様に、異なる径の管挿通孔１６を備えた構成とされている。

各ヘッダ部材１８ａ，１８ｂ，１８ｃと、分配ヘッダ２３、分配ヘッダ２４、集合ヘッダ２５は、前記各開口部１７ａ，１７ｂ，１７ｃの配置に対応する周方向配置として設けられている。

以上の構成としてある本実施形態の多管式熱交換器１ｆによっても、１段目の区画１５ａに開口部１７ａから供給された胴側流体Ｆ２の圧力と、３段目の区画１５ｃに開口部１７ｃから供給された胴側流体Ｆ２の圧力とを同様とすることにより、胴側流体Ｆ２を管群直交流として流通させるすべての区画１５ａ，１５ｂ，１５ｃについて、仮想のパス当たりの流量プロファイルの均一化を図ることができる。

なお、本実施形態では、各区画１５ａ，１５ｂ，１５ｃにおける胴側流体Ｆ２の管群直交流は、各開口部１７ａ，１７ｂ，１７ｃと、バッフル１３３ａ，１３３ｂにより形成された開口部１４３ａ，１４３ｂと、を結ぶ方向、すなわち、前記各開口部１４３ａ，１４３ｂの延びる方向とほぼ直交する方向になる。そのため、前記流量プロファイルは、容器２における前記所定の方向の位置を基準として、管群直交流の流量（流量の絶対値）の分布を示したものとすればよい。

更に、本実施形態の多管式熱交換器１ｆによれば、第１実施形態と同様に、胴側流体Ｆ２の流速を、胴側流体Ｆ２の流通経路の全域に亘り均一化を図ることができる。

［第８実施形態］
図１１は、多管式熱交換器の第８実施形態を示すもので、容器軸心位置での概略断面図である。

なお、図１１において、第１実施形態と同一のものには同一符号を付して、その説明を省略する。

本実施形態の多管式熱交換器は、図１１に符号１ｇで示すもので、第１実施形態と同様の構成において、管群９の各伝熱管１０に、触媒５６が充填された構成としてある。

更に、各伝熱管１０に流通させる管側流体Ｆ１は、触媒５６を介した触媒反応の対象とする反応原料および反応生成物としてのプロセス流体とし、流通領域８の各区画１５ａ，１５ｂ，１５ｃを流通させる胴側流体Ｆ２は、熱媒とした構成とされている。

なお、本実施形態の多管式熱交換器１ｇでは、熱媒としての胴側流体Ｆ２は、触媒反応が発熱反応の場合は、冷却媒体を用いるようにし、触媒反応が吸熱反応の場合は、加熱媒体を用いるようにすればよい。更に、熱媒としての胴側流体Ｆ２の種類は、触媒反応に所望される温度条件等に応じて適宜選定すればよい。

本実施形態の多管式熱交換器１ｇを使用する場合は、管側流体Ｆ１の入口１１への供給と、胴側流体Ｆ２の入口２０，２１への供給を行う。

この際、１段目の区画１５ａに開口部１７ａから供給された胴側流体Ｆ２の圧力と、３段目の区画１５ｃに開口部１７ｃから供給された胴側流体Ｆ２の圧力とが同様となるように、胴側流体Ｆ２の入口２０，２１への供給を制御する。

これにより、各伝熱管１０の内部で、触媒５６により反応原料より反応生成物を生成させる触媒反応が進行する。

この際、本実施形態の多管式熱交換器１ｇでは、第１実施形態と同様に、胴側流体Ｆ２を管群直交流として流通させるすべての区画１５ａ，１５ｂ，１５ｃについて、仮想のパス当たりの流量プロファイルの均一化が図られている。

このため、各伝熱管１０に対しては、長手方向の全長に亘り、同様の熱交換能を得ることができる。

更に、本実施形態の多管式熱交換器１ｇによれば、第１実施形態と同様に、胴側流体Ｆ２の流速を、胴側流体Ｆ２の流通経路の全域に亘り均一化を図ることができる。

このため、各伝熱管１０では、同様の熱交換能を得ることができる。

よって、本実施形態の多管式熱交換器１ｇでは、従来の多管式反応器で生じていたような、伝熱管１０の長手方向中間部での熱交換能が低下するという問題や、伝熱管１０が配置されている位置に応じて、伝熱管１０ごとの熱交換能に差が生じるという問題を回避することができる。

したがって、本実施形態の多管式熱交換器１ｇは、各伝熱管１０で触媒反応を良好に進行させることが可能な多管式反応器として使用することができる。

なお、本実施形態のように各伝熱管１０に触媒５６を充填する構成は、前述の各実施形態に適用してもよいことは勿論である。

［第９実施形態］
ところで、前記各実施形態および応用例は、流入区画における胴側流体Ｆ２の流通方向の上流側から、下流側に向けて、各管挿通孔１６の位置でパラメータＺの値が順次小さくなる構成として、バッフル１３ａ，１３ｂ，１３０ａ〜１３０ｄ，１３１ａ〜１３１ｃ，１３２ａ，１３２ｂ，１３３ａ，１３３ｂに、開口部１４ａ，１４ｂ，１４０ａ〜１４０ｄ，１４１ａ〜１４１ｃ，１４２ａ，１４２ｂ，１４３ａ，１４３ｂからの距離が異なる領域ごとに径の異なる管挿通孔１６を備える構成を例示した。

これに対し、本発明の多管式熱交換器は、各管挿通孔１６の位置でパラメータＺの値が順次小さくなる構成として、バッフルの開口部からの距離が異なる領域ごとに、バッフルの厚さを変化させる構成を採用してもよい。

図１２は、多管式熱交換器の第９実施形態を示すもので、図１２（ａ）はバッフルの四半円の部分を容器軸心方向の片側から見た図、図１２（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、バッフルにおける開口部からの距離が異なる位置に設けられた管挿通孔について、それぞれの断面を拡大して示す図である。

なお、本実施形態の多管式熱交換器１は、バッフルの構成以外は図１に示した第１実施形態と同様である。また、図１２（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）において、第１実施形態と同一のものには同一符号を付して、その説明を省略する。

本実施形態の多管式熱交換器１は、図１２（ａ）に示す如きバッフル１３４を備えている。

本実施形態にけるバッフル１３４は、図１２（ａ）に示すように、第１実施形態におけるバッフル１３ａ，１３ｂと同様に、開口部１４４からの距離に応じて複数の同心円状の領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３が設定されている。

更に、バッフル１３４は、図１２（ｄ）に示す最も外周寄りの領域Ｒ３における厚さに比して、図１２（ｃ）に示すように、より内周側に位置する領域Ｒ２では厚さが減少し、図１２（ｂ）に示すように、更に内周側に位置する領域Ｒ１では、更に厚さが減少した構成を備えている。

一方、図１２（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示すように、各領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３にそれぞれ設けられる管挿通孔１６は、すべて同様の径とされている。

したがって、本実施形態では、前述したパラメータＺの式における分母を一定にしつつ、分子側の値を相違させることで、開口部１４４からの距離が異なる領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３ごとに、各管挿通孔１６の位置でパラメータＺの値に差が生じる構成としてある。

なお、図示しないが、バッフル１３４にて、各領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３ごとに、バッフル１３４自体の厚さを変化させることに加えて、管挿通孔１６の径を変化させる構成を採用してもよいことは勿論である。このようにすれば、前述したパラメータＺの式における分母と分子を共に変化させて、パラメータＺの値を変化させることができる。

以上の構成としてある本実施形態の多管式熱交換器１は、第１実施形態と同様に使用して同様の効果を得ることができる。

なお、本実施形態におけるバッフル１３４は、第２、第３、第４、第５、第８の各実施形態に適用してもよいことは勿論である。

また、図１２（ａ）では、バッフル１３４は、円板の中央部に、円形の開口部１４４を備えたリング状の構成のものを例示した。これに対し、本実施形態におけるバッフル１３４の領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３ごとにバッフル１３４自体の厚さを変えるという考えは、図９（ａ）（ｂ）（ｃ）に示した第６実施形態におけるシングルセグメンタル形式のバッフル１３２ａ，１３２ｂや、図１０（ａ）（ｂ）（ｃ）に示した第７実施形態におけるダブルセグメンタル形式のバッフル１３３ａ，１３３ｂに対して、それぞれ、領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３ごとに厚さを変える構成として適用してもよい。

［胴側流体の流通経路のパターン］
ここで、前述の各実施形態および応用例から明らかとなる流通領域８における胴側流体Ｆ２の流通経路のパターンについて述べる。

本発明の多管式熱交換器は、容器２の胴７内における胴側流体Ｆ２の流通領域８に、容器軸心方向の複数個所に配置された複数のバッフルを備える。

各バッフルは、管群９の各伝熱管１０を挿通させる管挿通孔１６を備えると共に、容器軸心方向に胴側流体Ｆ２を通す開口部を形成可能なものとする。

更に、各バッフルは、一方の面側に形成される流入区画における胴側流体Ｆ２の流通方向の上流側から、下流側に向けて、各管挿通孔１６の位置で、前述したパラメータＺの値が順次小さくなる構成を備えている。

これにより、流通領域８には、各バッフルで仕切られて、胴側流体Ｆ２を管群直交流として流通させる区画を、容器軸心方向に３区画以上の複数区画で備える。なお、バッフルは、前記開口部を形成できれば、リング状と欠円形状のいずれであってもよい。また、容器軸心方向に配列される区画の数は、奇数と偶数のいずれであってもよい。

容器軸心方向に配列された各区画は、胴側流体Ｆ２が容器２外から容器２内へ流入する流入区画と、胴側流体Ｆ２が容器２内から容器２外へ流出する流出区画とに交互に設定される。この際、容器軸心方向の一端側から奇数番目の区画を流入区画とし、且つ偶数番目の区画を流出区画とする構成と、容器軸心方向の一端側から奇数番目の区画を流出区画とし、且つ偶数番目の区画を流入区画とする構成のいずれを採用してもよい。

また、各区画の流路幅は、以下の２つの条件を満たすように設定される。

第１の条件は、各バッフルを基準とする仮想のパスにおける流入路の流路幅と、流出路の流路幅との比率が、１：１に設定されるという条件である。

第２の条件は、各バッフルを基準とする仮想のパスは、流入路の流路幅同士、流出路の流路幅同士が同様に設定されるという条件である。

したがって、本発明の多管式熱交換器にて、胴側流体Ｆ２の流通領域８に複数のバッフルで仕切られて形成される複数の区画の流路は、一般化すると、以下のように設定される。なお、バッフルを基準とする仮想のパスにおける流入路の流路幅、および、流出路の流路幅は、共にｘとする。

流通領域に形成される区画の数が奇数、偶数のいずれの場合も、流通領域に形成される各区画の流路幅の比は、「ｘ，２ｘ，ｘ」、「ｘ，２ｘ，…，ｘ」（…の部分は「２ｘ」の繰り返し）というように設定される。

以上の構成を備えた本発明の多管式熱交換器によれば、各流入区画に供給された胴側流体Ｆ２の圧力を同様にすることにより、すべての区画について、仮想のパス当たりの流量プロファイルの均一化を図ることができる。

また、以上の構成を備えた本発明の多管式熱交換器によれば、各流出区画の出口側での胴側流体Ｆ２の圧力（背圧）を同様にすることによっても、すべての区画について、仮想のパス当たりの流量プロファイルの均一化を図ることができる。

更に、これらいずれの場合も、本発明の多管式熱交換器によれば、胴側流体Ｆ２の流通領域８に、複数のバッフルで仕切られて胴側流体Ｆ２を管群直交流として流通させる３段以上の区画を備えた構成にて、胴側流体Ｆ２の流速を、胴側流体Ｆ２の流通経路の全域に亘り均一化を図ることができる。

なお、前記流路幅の寸法については、厳密に限定されるものではなく、製造時の誤差など、本発明の効果が得られる範囲で許容される誤差を含んでいてもよいことは勿論である。

更に、容器軸心方向の両端部に位置する区画以外の中間部の区画には、第２実施形態に示した仕切板３６を備えた構成としてもよい。仕切板３６を備える構成とする場合は、１つの区画内で仕切板３６の両側に形成される２つの分割流路に対して、胴７の周壁に個別の開口部を備える構成としてもよい。また、このように各分割流路に対し個別の開口部を備える場合は、該各開口部に対して共通のヘッダを備える構成としてもよいし、個別のヘッダを備える構成としてもよい。

また、本発明は前述の各実施形態および応用例のみに限定されるものではなく、ヘッダ部材１８ａ，１８ｂ，１８ｃや、ヘッダ部材４１ａ，４１ｂを別々の部材とした構成を示したが、胴７の外面に沿って容器軸心方向に延びる樋状の部材の内部空間を仕切板で仕切ることで、容器軸心方向に分配ヘッダおよび集合ヘッダを適宜形成させる構成としてもよい。

流通領域８に設けるバッフルの数は、５以上としてもよい。したがって、本発明の多管式熱交換器は、流通領域８に、容器軸心方向に６以上の区画を備える構成としてもよい。

管群９における各伝熱管１０の配列としては、三角配列を例示したが、正方配列などの図示した以外の規則配列や、その他、任意の配列を採用してもよい。また、各伝熱管１０の径や本数、配列ピッチは適宜変更してよい。

容器２の軸心方向寸法と径寸法との比、容器２内における各管板３と５の設置位置、分配ヘッダ４と集合ヘッダ６の容積、各管板３と５同士の間隔、入口１１と出口１２の配置、各区画に対応して胴７の周壁に備える各開口部の容器軸心方向の寸法等は、管側流体Ｆ１と胴側流体Ｆ２の供給量や、温度条件等の熱交換処理に所望される種々の条件に応じて、図示したものから適宜変更してもよい。

管側流体Ｆ１および胴側流体Ｆ２は、ガスまたは液体のいずれであってもよい。

本発明の多管式熱交換器は、いかなる熱交換処理を行う熱交換器に適用してもよい。

本発明の多管式熱交換器は、容器２の軸心方向を、上下方向以外のいかなる方向に向けた姿勢で用いるようにしてもよい。

その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明の多管式熱交換器について、図１３（ａ）に示した如き管路網の解析モデルＳを設定して、胴側流体Ｆ２の流量配分について管路網の解析手法による流動解析を行った。

図１３（ａ）に示すように、解析モデルＳは、胴側流体Ｆ２の流通領域８（図１参照）に、容器軸心方向にバッフル１３ａ，１３ｂにより仕切られて形成された３つの区画１５ａ，１５ｂ，１５ｃを備えた構成のものである。

更に、解析モデルＳは、図６に示した第３実施形態の多管式熱交換器１ｂと同様に、区画１５ｂには、仕切板３６によって容器軸心方向に２分割された分割流路３８ａ，３８ｂを備えると共に、各分割流路３８ａ，３８ｂの外周側に個別の集合ヘッダ４０ａ，４０ｂを備えた構成としてある。これにより、区画１５ｂについては、区画１５ａから主流とリークによる胴側流体Ｆ２の流入が生じる分割流路３８ａと、区画１５ｃから主流とリークによる胴側流体Ｆ２の流入が生じる分割流路３８ｂとを、独立した流路として取り扱うことができるようにしてある。

また、解析モデルＳは、区画１５ａの外周側に分配ヘッダ２３を備え、区画１５ｃの外周側に分配ヘッダ２４を備えた構成とされている。

図１３（ｂ）は、比較例の解析モデルＳｃである。比較例は、従来の管群直交流形式の多管式熱交換器であって、胴側流体Ｆ２の流通領域に、容器軸心方向の３個所に胴側流体Ｆ２の流れ方向を変更するためのドーナツ状のバッフル２枚とディスク状のバッフル１枚を設けてなる４段流路構成としたものである。この比較例の構成について、管路網を設定して、上記と同様に、胴側流体Ｆ２の流量配分について流動解析を行った。

図１３（ｂ）において、符号ａ１〜ａ４は、流通領域の上部と下部に設けられた２枚のドーナツ状のバッフルｂ１，ｂ３とその間の１枚のディスク状のバッフルｂ２により仕切られて形成された１段目から４段目の流路を示している。また、符号ｃは、１段目の流路ａ１の外周部に設けられた胴側流体Ｆ２の分配ヘッダ、符号ｄは、４段目の流路ａ４の外周部に設けられた胴側流体Ｆ２の集合ヘッダである。

比較例の解析モデルＳｃは、各段の流路ａ１〜ａ４の流路幅を、本発明の多管式熱交換器の解析モデルＳにおける区画１５ａ、分割流路３８ａ、分割流路３８ｂ、区画１５ｃの流路幅と同様に設定してある。また、本発明の多管式熱交換器の解析モデルＳ、および、比較例の解析モデルＳｃを用いた流動解析では、伝熱管１０（図６参照）の配列は正三角形配列とし、配列の一辺の長さは、管ピッチ／管径＝１．２６として計算した。また、解析モデル全体に供給する胴側流体Ｆ２の流量の条件を同様に設定した。

なお、図１３（ａ）（ｂ）は、いずれも、左端が容器２（図６参照）の軸心位置を示し、右端側が容器２の外周部となっている。

また、解析モデルＳおよび解析モデルＳｃの計算条件では、胴側流体Ｆ２は、各伝熱管１０の管内側における管側流体Ｆ１（図１参照）の熱伝達率に比して管外側の熱伝達率が大きくなるように、密度、比熱、熱伝導率や流量を設定した。

図１３（ａ）（ｂ）において、図中の破線は管群９（図６参照）の設置領域を示している。また、図１３（ａ）における丸付きの数字１〜２２と丸付きの数字１´〜２２´、および、図１３（ｂ）における丸付きの数字１〜４２は、圧力の観測位置となる節点の番号を示している。図１３（ａ）（ｂ）の図中の数字は、各節点間の流路番号を示している。なお、図１３（ａ）において、流路２２〜２９，２２´〜２９´は、バッフル１３ａ，１３ｂの管挿通孔１６（図３（ｂ）（ｃ）（ｄ）参照）において管群９の伝熱管１０との間に形成された隙間を通過するリークによる流路を示している。同様に、図１３（ｂ）において、流路４２〜４９、流路５０〜５７、流路５８〜６５は、バッフルｂ１、バッフルｂ２、バッフルｂ３の管挿通孔で生じるリークによる流路を示している。

なお、図１３（ａ）に示した解析モデルＳでは、仕切板３６は、管挿通孔３７（図５（ｂ）参照）と伝熱管１０と間に、図１３（ａ）に一点鎖線で示すように、分割流路３８ａと分割流路３８ｂの双方に連通する隙間が存在しているが、前述したように、この隙間を通過する胴側流体Ｆ２の流れはほとんど生じない。よって、図１３（ａ）の解析モデルＳは、仕切板３６を通過する胴側流体Ｆ２の流れはゼロとおくことができる。よって、分配ヘッダ２３、区画１５ａ、分割流路３８ａ、集合ヘッダ４０ａからなる系統の管路網と、分配ヘッダ２４、区画１５ｃ、分割流路３８ｂ、集合ヘッダ４０ｂからなる系統の管路網とは、個別に設定して数値解析を行うことができる。この際、各系統の管路網は、図１３（ａ）に示すように、仕切板３６を中心に対称な配置として設定することができる。よって、流動解析は、１つの系統の管路網について実施すればよい。

流動解析は、図１３（ａ）に示した解析モデルＳと、図１３（ｂ）に示した解析モデルＳｃについては、各節点における連続則と、任意の２節点間の圧力損失が経路によらず一定であること、を利用して管路網の流量配分を解析した。なお、後述する図１７、図１８、図１９（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）にて、流速一定を実現するＺの分布に関するＲ_ｏｕｔ／Ｒ_ｉｎの影響、Ｒ_ｏｕｔ／ｄの影響、Ｒｅの影響についての解析では、管挿通孔１６と伝熱管１０との隙間の分布は、管群直交方向の流速がすべて等しくなるように、順解析を繰り返す収束計算を行って算出している。

ここで、以下の説明で用いる記号を示す。
Ｒ_ｏｕｔは管群９の設置領域の外半径、Ｒ_ｉｎは管群９の設置領域の内半径、ｄは伝熱管１０の径、ｒは容器２の半径座標である。
Ｒｅは管群直交方向に沿う流れのレイノルズ数であり次の式で示される。
Ｒｅ＝（Ｕ・ｄ）／ν
ここで、Ｕは隣接する伝熱管１０同士の最小隙間断面積に基づく平均流速、νは流体の動粘性係数である。
Ｚは、前記したようにバッフルの厚さｔ、管挿通孔の径Ｄ、伝熱管１０の径ｄを基に、
Ｚ＝２ｔ／（Ｄ−ｄ）
で定義されるパラメータである。

本発明の多管式熱交換器の解析モデルＳについての解析結果は、図１４、図１５、図１６、図１７、図１８、図１９（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示す。

図１４は、容器２の半径方向に関する管群直交流の流量分布を示す解析結果である。なお、横軸は、容器２の半径を、管群９の設置領域の外半径で割ることにより無次元化した値である。また、Ｒ_ｏｕｔ／Ｒ_ｉｎ＝１０、Ｒ_ｏｕｔ／ｄ＝３３．３とし、Ｒｅ＝５．０×１０^４の条件と、Ｒｅ＝６．６×１０^３の条件についての結果を示している。

図１５は、容器２の半径方向に関する管群直交流の流速分布を示す解析結果である。なお、図１５における横軸は、図１４と同様に無次元化した値である。また、解析の条件は、図１４に示したと同様である。

図１６は、容器の半径方向に関する全圧分布の解析結果である。なお、図１６における横軸は、図１４と同様に無次元化した値である。また、解析の条件は、Ｒ_ｏｕｔ／ｄ＝３３．３、Ｒｅ＝６．６×１０^３とした場合についての結果を示している。図１６における「◇」は、Ｒ_ｏｕｔ／Ｒ_ｉｎ＝４の条件による結果であり、「○」は、Ｒ_ｏｕｔ／Ｒ_ｉｎ＝１０の条件による結果である。

図１７は、流速一定を実現するＺの分布に関するＲ_ｏｕｔ／Ｒ_ｉｎの影響を示す結果である。横軸は、容器２の半径を、管群９の設置領域の内半径で割ることにより無次元化した値である。また、解析の条件は、Ｒ_ｏｕｔ／ｄ＝３３．３、Ｒｅ＝６．６×１０^３とした場合についての結果を示している。図１７において、「○」は、Ｒ_ｏｕｔ／Ｒ_ｉｎ＝２０の条件による結果、「◇」は、Ｒ_ｏｕｔ／Ｒ_ｉｎ＝１０の条件による結果、「□」は、Ｒ_ｏｕｔ／Ｒ_ｉｎ＝４の条件による結果、「△」は、Ｒ_ｏｕｔ／Ｒ_ｉｎ＝２の条件による結果、をそれぞれ示している。

図１８は、流速一定を実現するＺの分布に関するＲ_ｏｕｔ／ｄの影響を示す結果である。なお、図１８における横軸は、図１７と同様に無次元化した値である。また、解析の条件は、Ｒ_ｏｕｔ／Ｒ_ｉｎ＝１０、Ｒｅ＝６．６×１０^３とした場合についての結果を示している。図１８において、「○」は、Ｒ_ｏｕｔ／ｄ＝２００の条件による結果、「△」は、Ｒ_ｏｕｔ／ｄ＝１３３．３の条件による結果、「◇」は、Ｒ_ｏｕｔ／ｄ＝６６．７の条件による結果、「□」は、Ｒ_ｏｕｔ／ｄ＝３３．３の条件による結果、をそれぞれ示している。

図１９（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、流速一定を実現するＺの分布に関するＲｅの影響を示す結果である。図１９（ａ）は、Ｒ_ｏｕｔ／Ｒ_ｉｎ＝２０の場合、図１９（ｂ）は、Ｒ_ｏｕｔ／Ｒ_ｉｎ＝１０の場合、図１９（ｃ）は、Ｒ_ｏｕｔ／Ｒ_ｉｎ＝４の場合、図１９（ｄ）は、Ｒ_ｏｕｔ／Ｒ_ｉｎ＝２の場合の結果をそれぞれ示す。なお、図１９（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）における横軸は、図１７と同様に無次元化した値である。また、解析の条件は、Ｒ_ｏｕｔ／ｄ＝３３．３で統一している。

図１９（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）において、「◇」は、Ｒｅ＝１．０×１０^３、「□」は、Ｒｅ＝６．６×１０^３、「◇」は、Ｒｅ＝５．０×１０^４、の各条件による結果をそれぞれ示している。

図２０は、比較例の解析モデルＳｃについて、容器２の半径方向に関する各段の流路ａ１，ａ２，ａ３，ａ４における管群直交方向の流速分布の解析結果である。なお、横軸は、図１４と同様に無次元化した値である。図２０において、「×」は１段目の流路、「△」は２段目の流路、「□」は３段目の流路、「◇」は４段目の流路の流速をそれぞれ示している。

図１４の結果は、本発明の多管式熱交換器の解析モデルＳにおける上方から順に配列された区画１５ａ、分割流路３８ａ、分割流路３８ｂ、区画１５ｃのそれぞれの流量分布を示しているが、すべて重なっている。このことから、本発明の多管式熱交換器では、仮想のパス当たりの流量プロファイルの均一化を図ることができることが分かる。

図１５の結果は、本発明の多管式熱交換器の解析モデルＳにおける上方から順に配列された区画１５ａ、分割流路３８ａ、分割流路３８ｂ、区画１５ｃのそれぞれの流速分布を示しているが、すべて重なっている。更に、容器２の半径方向の異なる位置でも、流速はほぼ均一に保持できることが分かる。

一方、図２０の結果からは、従来の多管式熱交換器では、各段の流路では、流速が異なり、更には、容器の径方向位置が変化することに伴って、管群直交方向の流速も変化していることが分かる。

したがって、図１５の結果を図２０の結果と比較することにより、本発明の多管式熱交換器では、胴側流体Ｆ２の流速を、胴側流体Ｆ２の流通経路の全域に亘り均一化を図ることができることが明らかである。よって、本発明の多管式熱交換器は、各伝熱管に、均一な熱交換能を得ることができる。

また、図１７、図１８、図１９（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）の結果からは、本発明の多管式熱交換器は、Ｒｅ、Ｒ_ｏｕｔ／ｄ、Ｒ_ｏｕｔ／Ｒ_ｉｎの各パラメータの変化に対しても、幅広く対応可能であることが分かる。本発明者等は、Ｒｅ＝１０００〜５００００、Ｒ_ｏｕｔ／ｄ＝３３．３〜２００、Ｒ_ｏｕｔ／Ｒ_ｉｎ＝２〜２０の範囲で、流速一定を実現するＺの分布を得ることができる知見を得ている。

なお、Ｚの値は、流入区画における上流側よりも下流側の方が胴側流体の流速が大とならないように設定すればよい。

１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ，１ｇ 多管式熱交換器、２ 容器、８ 流通領域、９ 管群、１０ 伝熱管、１３ａ，１３ｂ バッフル、１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃ，１３０ｄ バッフル、１３１ａ，１３１ｂ，１３１ｃ バッフル、１３２ａ，１３２ｂ バッフル、１３３ａ，１３３ｂ バッフル、１３４ バッフル、１４ａ，１４ｂ 開口部、１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄ 開口部、１４１ａ，１４１ｂ，１４１ｃ 開口部、１４２ａ，１４２ｂ 開口部、１４３ａ，１４３ｂ 開口部、１４４ 開口部、１５ａ，１５ｂ，１５ｃ 区画、１５０ａ，１５０ｂ，１５０ｃ，１５０ｄ，１５０ｅ 区画、１５１ａ，１５１ｂ，１５１ｃ，１５１ｄ 区画、１６ 管挿通孔、２６，２６ａ 供給手段、２７ 供給ライン、２８ 供給ライン、３０ 圧力制御弁、３２ 圧力制御弁、３６ 仕切板、Ｆ１ 管側流体（第１の流体）、Ｆ２ 胴側流体（第２の流体
）

Claims (4)

1. 容器と、
   前記容器内に該容器の一端側から他端側に延びる方向に沿って配置されて、第１の流体を流通させる伝熱管の管群と、
   前記容器内における前記管群の各伝熱管の外側に設けられた第２の流体の流通領域とを備え、
   前記第２の流体の流通領域には、前記各伝熱管を挿通させる管挿通孔と開口部とを備えた複数のバッフルで仕切られて形成されて、前記第２の流体が管群直交流として流通する区画を、３区画以上の複数区画で備え、
   前記複数区画は、前記第２の流体が前記容器の外部から内部へ流入する流入区画と、前記第２の流体が前記容器の内部から外部へ流出する流出区画とに交互に設定され、
   更に、前記バッフルは、片面側の前記流入区画における前記第２の流体の流通方向の上流側から、下流側に向けて、前記管挿通孔と前記伝熱管との隙間のリークに対する流動抵抗が順次小さくなる構成を備えたこと
   を特徴とする多管式熱交換器。
2. 前記バッフルは、片面側の前記流入区画における前記第２の流体の流通方向の上流側から、下流側に向けて、前記バッフルの厚さｔ、前記管挿通孔の径Ｄ、前記伝熱管の径ｄを用いて、Ｚ＝２ｔ／（Ｄ−ｄ）の式で定義されるＺの値が順次小さくなる構成を備えた
   請求項１記載の多管式熱交換器。
3. 前記複数区画のうち、両端部の区画を除く中間部の区画内に、前記伝熱管の長手方向に垂直な姿勢で配置された仕切板を備えた
   請求項１または２記載の多管式熱交換器。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の多管式熱交換器と、
   前記多管式熱交換器に第２の流体を供給する供給手段とを備え、
   前記供給手段は、前記多管式熱交換器に前記第２の流体を供給する各供給ライン、または、前記多管式熱交換器から前記第２の流体を回収する各回収ラインに、圧力制御弁を備えること
   を特徴とする熱交換システム。

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