JP2021105506A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換の効率を表す総括伝熱係数を上げることに有利な構造を備えた熱交換器を提供する。【解決手段】内筒６１と外筒５２の間に形成される空間内に螺旋状に周回する第一流路１１と第二流路２１と第三流路３１の３つの流路が設けられる。これらは、内側伝熱体４１と外側伝熱体５１とによって区画され、これら伝熱体を介して熱交換が行われる。これらの伝熱体は螺旋状に周回し、軸方向断面図において断面形状がネジ形状であり、ネジ状に組み立てられる。オネジ部とメネジ部の形状を変えることにより第一流路１１の流路面積を変化させると共に、第二流路２１及び第三流路３１は螺旋状に形成され、伝熱体を介して熱交換が行われる。【選択図】図１

Description

本発明は、液体特に固体が分散されたスラリー液体や高粘度液体もしくは蒸気等を含む流体に対して、冷媒や熱媒、もしくは蒸気等の流体を用いて加熱あるいは冷却をなすことを目的とする熱交換器に関するものである。

化学及び食品製造の工程やトナーやインクジェット等の製造工程には急冷や高速加熱等の要求が多い。また出来るだけ必要な設置スペースを小さくし、機器自体の大きさも小型化する要求があり、熱交換器の高性能化を求められている。そして付着が少なく洗浄性に優れ、耐圧性、耐食性、かつ低コストが要求される。

従来、特許文献１に開示されているように、複数のステージを持つシェルアンドチューブリアクターが知られている。このリアクターは少なくとも２つのタイプの領域を備え、両者は、システムの要求に応じて、システムから熱を除去またはシステムへ熱を供給するのに寄与する。リアクターは反応領域のグループを備え、これは反応を促進するための触媒が備えられ、また同時に熱を除去または供給するチューブを備える。
ところがこの特許文献１に記載のものにあっては、チューブ内に付着等が発生した場合、洗浄がし難いし、洗浄できたか否かなど洗浄状態が簡単には確認できない。
また、シェル側の熱媒の保有量が多く、オーバーシュートやアンダーシュートの発生が起こりやすく基本的には古典的な熱交換器であるため総括伝熱係数を画期的に増やすことが難しい。さらにチューブシートにチューブが取り付けられているため、熱に対する膨張と伸縮を繰り返す反応には、採用しづらい。また、細管状の伝熱管の内部にコーティングやライニングの施工は実質的に不可能であるし、その構造上他の流路においても耐食材のコーティングやライニングの施工が難しく、耐食性などの観点からも改善が求まられている。特に前記伝熱管内を耐食材でコーティングやライニングすることは実質的に不可能であり、たとえできたとしても量産性が悪くコスト面から実用性のない物とならざるを得ない。

特許文献２には略三角形の断面形状を有する液体側伝熱管をコイル状に形成し、その外周に冷媒側伝熱管をコイル状に配置し、液体側伝熱管と冷媒側伝熱管を接合したことを特徴とする熱交換器が記載されている。しかしながら伝熱面積が余りにも小さく、給湯器等に特化されており、小型化や洗浄性、高性能化や低コスト化は実現出来ていない。

特許文献３には、容器形状を有する第一の流路形成部材と、前記第一の流路形成部材の内側に前記第一の流路形成部材に対して取り外し可能に配置された第二の流路形成部材とを備え、前期第一の流路形成部材は、容器形状の周壁部の内周面の径が上部から下部に向かって漸次小さくなり、かつ熱交換用液体を流す第一流路が前記周壁部内に形成され、前記第一の流路形成部材の前記内周面と前記第二の流路形成部材の外周面との間には、これら内周面と外周面とによって前記熱交換用液体と熱交換される被熱交換液体を流す螺旋状の第二流路が形成されている熱交換器が記載されている。
しかしながら流路が漸次減少していくために伝熱面の通過流速も漸次変化するために一般工業には応用し難く、かつ沸騰を伴う熱交換の場合は、発生ガスの滞留箇所が多くありドライアウトを起こしやすい。

特許文献４には、螺旋形状を持つ少なくとも二つの同芯チューブを備えているチューブ状流れモジュールが記載されている。このチューブ状流れモジュールは、熱交換機能を備えたフローリアクターに適用することが示されている。このモジュールでは、内側のチューブと外側チューブはネジ状に組み立てられチューブとチューブの間に流体のための流れ経路を定めている事が特徴となっている。しかしながら平均流れ方向は軸方向であり、四方八方に作り出された流れから改良プラグ流れ状況を作り出すことが目的であり、流体の主たる流れについて、完全な螺旋流に近い流れを作り出し、熱交換の効率を表す総括伝熱係数を上げるべき思想ではない。具体的には、特許文献４では、チューブを螺旋形状としたものであっても、チューブとチューブの間に形成される流路の幅を均一なものとすることによって、軸方向への流れに螺旋流を加味することで、改良プラグ流れ状況を作り出すように構成したものであり、熱交換の効率を高めるために螺旋流を作り出すものではなかった。

特表２０１２−５２９６２６号公報 特開２０１３−２４５３６号公報 特開２０１５−８１７１６号公報 特表２０１５−５０２８４２号公報

上記に鑑み本発明の課題は、熱交換の効率を表す総括伝熱係数を上げることに有利な構造を備えた熱交換器を提供することにある。
また、本発明の他の課題は、伝熱部に被処物や発生ガスが滞留することを抑制するのに適した構造を有する熱交換器を提供することにある。
本発明の他の課題は、洗浄性の良い熱交換器を提供することにある。
本発明のさらに他の課題は、分解可能な熱交換器を提供することである。
また本発明はコーティング施工も可能な熱交換器を提供することを課題とする。

本発明は、同芯の内筒と外筒の間に形成される空間内に螺旋状に周回する第一流路と第二流路と第三流路の３つの流路が設けられ、前記第一流路内を流れる第一の流体である被処理流動体と前記第二流路内及び前記第三流路内を流れる第二及び第三の流体との間に伝熱体を介して熱交換が行われる熱交換器の改良に関するものである。
本発明にあっては、前記伝熱体は、前記内筒及び外筒で形成される隙間に配位され螺旋状に周回し、軸方向断面図において断面形状がネジ形状であり、ネジ状に組み立てられ、オネジ部とメネジ部の形状を変えることにより第一流路の流路面積を変化させると共に、前記第二及び第三流路は螺旋状に形成され、前記伝熱体を介して前記熱交換が行われるものである。

前記伝熱体は、前記内筒及び外筒で形成される隙間に配位され螺旋状に周回し、軸方向断面図において断面形状がネジ形状であり、ネジ状に組み立てられ、オネジ部とメネジ部のネジ山の角度を変えることでオネジ部とメネジ部の形状を変えるものとして実施することができる。

また本発明は、筒状の内側伝熱体をオネジ部とし筒状の外側伝熱体をメネジ部として前記伝熱体がネジ状に組み合わせられ、前記内側伝熱体と前記外側伝熱体との間が第一の流体が流される第一流路とされ、前記内側伝熱体を挟んでその内側に設けられた第二流路と、前記外側伝熱体を挟んでその外側に設けられた第三流路とを備え、前記第二流路を流れる第二の流体と前記第一流体との間で内側伝熱体を介して熱交換が行われると共に、前記第三流路を流れる第三の流体と前記第一流体との間で外側伝熱体を介して熱交換が行われるように構成された熱交換器において、次の手段を特徴とするものを提供する。本発明にあっては、前記第一流路は、螺旋状に周回する流路であり、半径方向における前記第一流路の最大流路幅（α）と前記第一流路の最小流路幅（β）との比率（α／β）が２以上である（２＜α／β＜∞）ものとすることができる。

本発明は、同芯の内筒と外筒とを備え、前記内筒の外側に前記内側伝熱体が固定され、前記外筒の内側に前記外側伝熱体が固定され、前記内筒と前記内側伝熱体との間を前記第二流路とし、前記外筒と前記外側伝熱体との間を前記第三流路として実施することができる。
前記第二流路と前記第三流路は、いずれも螺旋状に周回する流路として実施することができる。

また本発明は、前記オネジ部としての前記内側伝熱体のネジ山の角度（θ１）と前記メネジ部としての前記外側伝熱体の両フランクのなす角度（θ２）との角度の差と、前記オネジ部としての前記内側伝熱体のネジ山の高さと前記メネジ部としての前記外側伝熱体のネジ山の高さとの高さの差との少なくとも何れか一方の差によって生じる空間が、前記第一流路であるものとして実施することもできる。
前記第一流路と前記第二流路及び前記第三流路は前記第一の流体と前記第二の流体及び前記第三の流体が溜まる可能性のある水平部を備えていないことが望ましい。
また、前記同芯に配置された前記内筒と前記外筒の間に形成される前記空間が同芯上に複数あるものとすることもできる。
前記第一流路を含む前記第一の流体の流れる通過流路は、耐食材料でコーティングされていることが望ましい。前記耐食材料コーティングとしては、フッ素樹脂コーティングを示すことができる。

本発明は、熱交換の効率を表す総括伝熱係数を上げることに有利な構造を備えた熱交換器を提供することができたものである。
本発明は、伝熱部に被処理物や発生ガスが滞留することを抑制するのに適した構造を有する熱交換器を提供することができたものである。
本発明は、洗浄性の良い熱交換器を提供することができたものである。
本発明は、分解し易い構造を備えた熱交換器を提供することができたものである。
本発明はコーティングの施工も可能な熱交換器を提供することができたものである。

より具体的に説明すると、化学及び食品製造の工程やトナーやインクジェット等の製造工程には急冷や高速加熱等の要求が多く、その対象物すなわち被処理流体は、高粘度液や微粒子を含むスラリー状液体、付着物質も多く含まれる。そもそも熱交換器の性能は、単位体積当たりの伝熱面積と総括伝熱係数で表される。そして、単位体積当たりの伝熱面積と総括伝熱係数は、大きな程性能が高く熱交換機能が高いものになる。
本発明により単位当たりの伝熱面積は先行文献に比して相当大きなものである。また、熱交換伝熱面での伝熱抵抗や汚れ係数は、材料由来や環境由来のため説明は省くが、総括伝熱係数を上げるためには、熱交換伝熱面での乱流度合いが一番大きなファクターとなる。被処理流動体と熱媒の流速を上げたり、邪魔板を設置したり、各種対応されるがその都度圧力損失が問題となる。これらより圧力損失を最小限にとどめ乱流状態を作るためには、被処理流動体及び熱媒と共に螺旋流を活用したものである。螺旋流は遠心力の影響を受け、乱流状態を簡易に作れ、レイノルズ数を上昇させ、さらにまた向流で使用した場合にはより一層性能が高い熱交換器を実現できたものである。

また蒸発を伴う加熱操作の場合は、発生ガスが滞留すると熱伝導率が発生ガス単相流と同程度の低いオーダーまで低下する。この現象は、ドライアウトと呼ばれ、伝熱面に沿って流れていた液膜が蒸発して消失し，気相が直接伝熱面に接することにより起こってしまう。また確実にスケールアップが必要とされ、高性能化はもちろんの事、大型になっても計算通り処理されなければならない。
これらを解決する為に、被処理物の流速と圧力損失の関係を見直し流速を上げても圧力損失が大きくなり過ぎない構造を提案できたものである。特に高粘度被処理物や沈降し易いスラリー状液体の場合効果が大きいし、汚れや付着が少ないものである。
また、伝熱体を略三角形にすることにより液だまりや発生ガスのたまりが無く、かつ伝熱面積を大きくとる事ができ、非対応処理物の物理的性質から略三角形の形状を選択し設計の自由度も有している。
また被処理物の保有量も少なく急速加熱や急速冷却にも対応しやすく、同時に熱媒や冷媒も同じように保有量が少ない為、機器の小型化や高性能化、制御の容易化が実現できた。
本構造上、非常に簡単なため分解や組み立てが容易であり、耐食材料でコーティングも可能とする。

本願発明の第１の実施の形態に係る熱交換器の軸方向断面図である。 図１の要部拡大断面図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、それぞれ本願発明の実施の形態に係る熱交換器の変更例を示す要部の軸方向断面図である。

以下図面を参照して本発明の実施の形態に係る熱交換器について説明する。

（流体について）
実施の形態では、熱交換を行う目的となる流体を第一流体Ｆ１として説明する。熱交換は、二つの流体間で熱エネルギーの交換を行うものであるため、主従の区別を行う必要はないが、通常は特定の１つの流体に対する加温冷却の処理を目的として行われる場合が多い。そこで、この実施の形態では、加温冷却の処理を目的となる第一流体Ｆ１の流路を第一流体Ｆ１として説明する。第一流体Ｆ１に対して熱交換を行う流体を第二流体Ｆ２として説明する。また、第一流体Ｆ１に対して熱交換を行う他の流体を第三流体Ｆ３として説明する。
この第一流体Ｆ１としては、気体や液体やスラリーや流動体など様々なものを被処理流動体として例示することができる。第二流体Ｆ２及び第三流体Ｆ３には、水蒸気や温水や冷水や窒素ガスなどの熱媒体を例示することができる。ただしこれらの流体の種類は固定的に考えるべきではなく、第一流体Ｆ１を熱媒体としたり、第二流体Ｆ２や第三流体Ｆ３が熱交換の目的となる流体として実施することを妨げない。
内筒６１は、その上下端に設けられた内軸部６３が、外筒６２の上下端に設けられた固定筒部６４内に挿入されて内軸部６３と固定筒部６４が、固定されることによって結合されるものであり、この結合状態で内側伝熱体４１と外側伝熱体５１との位置関係も固定される。

（第１の実施の形態の概要）
図1及び図２に示す第１の実施の形態に係る熱交換器は、同芯に配置された内筒６１と外筒６２とを備えたもので、さらに内側や外側に他の筒を備えたものであっても構わない。
内筒６１と外筒６２の間の空間は、内側伝熱体４１と外側伝熱体５１によって３つの空間に区画される。内側伝熱体４１と外側伝熱体５１は、全体として同芯の略筒状であり、これらは内筒６１と外筒６２も同芯である。
内側伝熱体４１と外側伝熱体５１の間の空間が第一流路１１を構成し、内筒６１と内側伝熱体４１の間の空間が第二流路２１を構成し、外筒６２と外側伝熱体５１の間の空間が第三流路３１を構成し、これらの流路はいずれも螺旋状に周回して、内筒６１及び外筒６２の軸方向に進むものである。
内側伝熱体４１と内筒６１との固定や、外側伝熱体５１と外筒６２との固定は、溶接などによって気密性および液密性を保った状態でなされることで、各流路の流体が混合しないように分離する。
内側伝熱体４１を介して第一流体Ｆ１と第二流体Ｆ２との間で熱交換が行われ、外側伝熱体５１を介して第一流体Ｆ１と第三流体Ｆ３との間で熱交換が行われる。
内側伝熱体４１は内筒６１の外側に固定され一体として回転可能であり、外側伝熱体５１は外筒６２の内側に固定され一体として回転可能である。
内側伝熱体４１をオネジ部とし、外側伝熱体５１をメネジ部として両者はネジ状に組付けられるもので、内側伝熱体４１及び内筒６１を、外側伝熱体５１及び外筒６２に対して相対的に回転させることによって、これらは分離可能に組付けられる。
分離した状態では、第一流路１１を規定する流路構成面は、内側伝熱体４１の側と外側伝熱体５１の側とに分離される。

（内側伝熱体４１と外側伝熱体５１について）
内側伝熱体４１は、内筒６１の外周面を螺旋状に旋回しながら軸方向に進むもので、軸方向断面図において断面形状が略三角形である。
外側伝熱体５１は、外筒６２の内周面を螺旋状に旋回しながら軸方向に進むもので、軸方向断面図において断面形状が略三角形である。
両者のピッチ及びリード角は同一であり、内側伝熱体４１をオネジ部として外側伝熱体５１をメネジ部として両者は組付けられる。従って内側伝熱体４１についてはオネジとしてその説明を行い、外側伝熱体５１についてはメネジとしてその説明を行う。
内側伝熱体４１は、最も外径の小さな谷底部４４と、最も外径の大きな山頂部４５と、谷底部４４と山頂部４５とを結ぶ第１傾斜部４２及び第２傾斜部４３とを備えており、谷底部４４で内筒６１に固定されている。また外側伝熱体５１は、最も内径の小さな山頂部５５と、最も内径の大きな谷底部５４と、山頂部５５と谷底部５４とを結ぶ第１傾斜部５２及び第２傾斜部５３とを備えており、谷底部５４で外筒６２に固定されている。
そしてこの例では、図２（Ａ）に示すように谷底部４４と山頂部５５の径は略同一で、両者が接触しているものとして実施できるほか、図２（Ｂ）に示すように内側伝熱体４１の谷底部４４の外径が外側伝熱体５１の山頂部５５の内径よりもわずかに小さく、両者の間に隙間が開けられたものであっても構わない。この隙間は第一流路１１の最小流路幅（β）となるものであって、図２（Ａ）に示すように接触している場合はβ＝０であり、図２（Ｂ）に示すように隙間がある場合でもβ≦４ｍｍであることが好ましい。

また、内側伝熱体４１の第１傾斜部４２と第２傾斜部４３とがなすねじ山の角度（θ1）は、外側伝熱体５１の第１傾斜部５２と第２傾斜部５３とがなす両フランクのなす角度（θ2）よりも大きい。これによって図２（Ａ）に示すように、内側伝熱体４１の第１傾斜部４２及び第２傾斜部４３と外側伝熱体５１の第１傾斜部５２及び第２傾斜部５３との間に空間が形成され、この空間が第一流路１１となるものである。そして内側伝熱体４１の山頂部４５と外側伝熱体５１の谷底部５４との間においては、この空間が最も大きくて半径方向における第一流路１１の最大流路幅（α）を規定する。第一流路１１の最大流路幅（α）と最小流路幅（β）との比率（α／β）は２以上、より好ましくは１０以上であることが好ましく、谷底部４４と山頂部５５が接触している場合はβ＝０となり、α／β＝∞となる。

なお、三角形は数学的な意味では、頂点で２斜辺が交わるが、金属板の加工など工業的な生産を前提とすれば、頂点にはアールが付されたり、軸方向に長さのある断面形状となるのが一般的である。したがって略三角形とは、数学的な三角形の意味だけではなくこれらの工業的生産を前提とした形状を含めて理解されるべきである。なお、頂部及び谷部が軸方向に長さのある断面形状となる場合、その軸方向長さが長くなるに従って、流体の詰まりが生じる恐れが高まるため、その軸方向長さは、１つの傾斜部の軸方向長さよりも短いことが適当である。

次に、内側伝熱体４１と外側伝熱体５１の厚みｔ（図２（Ａ）参照）は、これらを挟んで流体の熱交換が行われるので、熱交換の効率を考えて、０．２ｍｍ〜３ｍｍであることが好ましく、０．５ｍｍ〜２ｍｍであることがより好ましい。内筒６１や外筒６２の厚みも同様としてもよい。但し、構造体として作用する強度を考えて変更してもよく、これに限られない。

内側伝熱体４１や外側伝熱体５１は、少なくとも一つの屈曲部分（直線が角度を持って曲がっているものの他、弧状に湾曲している湾曲部分を含めて屈曲部分と言う）を有する立体形状部から構成されているとも言える。立体形状部は、少なくとも一つの屈曲部分を有してその内面側と外面側との双方に流体を流すことができる空間（第一流路１１、第二流路２１、第三流路３１）を形成できる形状を備えたものである。具体的には立体形状部は、多角形の角筒や円筒をその軸方向に沿って割ったような形状を備えた長尺状体であり、この例では立体形状部は、４角筒を、その軸方向に沿って、断面四角形の対角線上で割ったような形状を備えた長尺状体である。立体形状部は、内筒６１の外周面と外筒６２の内周面にそれぞれ巻き付けられて、その上下の端辺が内筒６１の外周面と外筒６２の内周面にそれぞれ固定されている。

（第一流路１１について）
この実施の形態における第一流路１１は、内側伝熱体４１の第１傾斜部４２及び第２傾斜部４３と、第１傾斜部５２及び第２傾斜部５３とで規定される多角形の空間であり、熱交換の主たる対象となる第一流体Ｆ１の流路となる。
この実施の形態に係る熱交換器は、図２（Ａ）に示すように、前述のように内側伝熱体４１の山頂部４５と外側伝熱体５１の谷底部５４と間の空間が、半径方向における第一流路１１の最大流路幅（α）を規定する。谷底部４４と山頂部５５が接触している場合は最小流路幅（β）が０となり、α／β＝∞となるため、第一流体Ｆ１は、完全な螺旋流となって、周回を繰り返しながら、軸方向に進むことになる。その結果、熱交換や化学反応がなされる流路長を長くすることができると共に、螺旋流を活用して、高い熱交換器を実現することができる。即ち、螺旋流は遠心力の影響を受け、乱流状態を簡易に作ることができ、これによってレイノルズ数を上昇させることにより性能が高い熱交換器を実現できるものである。その結果、熱交換の効率を表す総括伝熱係数を上げることができる。

また、図２（Ｂ）の場合のように、谷底部４４と山頂部５５の間に隙間がある場合でも、第一流路１１の最大流路幅（α）と最小流路幅（β）との比率（α／β）を２以上、より好ましくは１０以上とすることによって、ショートパスして軸方向に流れる流体を極力少なくすることができ、全体としての流れは螺旋流となる。
具体的には、最小流路幅（β）は０ｍｍ〜４ｍｍであることが好ましく、また、最大流路幅（α）は、４ｍｍ〜７５ｍｍであることが好ましく、１０ｍｍ〜５０ｍｍであることがより好ましいが、第一流路１１の空間の形状及び大きさは、内側伝熱体４１のねじ山の角度（θ1）と外側伝熱体５１の両フランクのなす角度（θ2）との角度差によって規定されるもので、流体の種類や処理目的に応じてこれらの角度を変更して実施することができる。

また、図３（Ａ）に示すように外側伝熱体５１を、軸方向に間隔を隔てて周回させることもできるし、図示は省略するが内側伝熱体４１を軸方向に間隔を隔てて周回させても構わない。この場合、周回する外側伝熱体５１同士の間に位置する外筒６２が谷底部５４となるものであって、第一流路１１は第１傾斜部４２、第２傾斜部４３、第１傾斜部５２、第２傾斜部５３及び谷底部５４で囲まれた空間となる。
この谷底部５４の軸方向長さを長くすれば第一流路１１の断面積（流路面積）を増やすことができる反面、第三流路３１の断面積（流路面積）が低下することになるため、全体的な熱交換率を視野に入れつつ両者のバランスを考慮してその長さを決定して実施することができる。

内側伝熱体４１の第１傾斜部４２、第２傾斜部４３や外側伝熱体５１の第１傾斜部５２、第２傾斜部５３は軸方向断面図において直線状であることが適当であるが、弓状などに湾曲した曲線であっても構わないし、図３（Ｂ）に示すように全体を曲線で構成して構わない。
ただし、上記の各断面形状は、第一流体Ｆ１などの被処理物もしくは気体が溜まる可能性のない形状であることが好ましい。例えば平坦な水平部や凹部が流路の一部に設けることは、特別な目的がない限り避ける方が好ましい。

また図３（Ｃ）に示すように、内側伝熱体４１の谷底部４４を、軸方向に長さのあるものとして、内側伝熱体４１を全体として１つの筒状体として実施することもできる。この場合、内側伝熱体４１は、第１傾斜部４２、第２傾斜部４３及び山頂部４５で規定される立体形状部と、フラットな板状の谷底部４４とで構成されることになり、これらが全体として筒状体を構成することになる。同様に外側伝熱体５１についても、第１傾斜部５２、第２傾斜部５３及び山頂部５５で規定される立体形状部と、フラットな板状の谷底部５４とで構成された筒状体として実施することもできる。
これらの場合、内側伝熱体４１及び外側伝熱体５１は、谷底部４４と内筒６１の間あるいは谷底部５４と外筒６２の間に隙間のないものとすることもできるし、隙間（μ）を設けて実施しても構わない。この隙間（μ）を設ける場合には４ｍｍ以下とすることが適当である。この隙間（μ）をあまりにも大きなものとした場合には、第二流体Ｆ２や第三流体Ｆ３について螺旋状に流れることなく軸方向にショートパスして流れる流体の量が多くなり、熱交換の効率を低下させる恐れが生じる。

この第一流路１１には、第一流体Ｆ１として気体や液体やスラリーや流動体など様々なものが流れることが想定される。その際、流体の種類によっては第一流路１１中に高粘度の物質や沈降し易いスラリーが付着する恐れがある。この実施の形態では第一流路１１が軸方向の断面略三角形をなしていると共に、行き止まりとなった狭隘部分が存在しないため、付着の発生を抑制することができる構造となっている。

また、分解清掃を行う場合にも、内筒６１及び内側伝熱体４１と外筒６２及び外側伝熱体５１とを相対的に回転させてネジを外す要領で分離すれば、第一流路１１は、第一流路１１の内周側の表面（内側伝熱体４１及び内筒６１の外周面）と、第一流路１１の外周側の表面（外側伝熱体５１及び外筒６2の内周面）とが、完全に分離して露出すると共に、これらの表面に現れる角度は何れも９０度以上となっている。従って、第一流路１１を隅々まで清掃することができるし、清掃完了時の状態も確認しやすい。
これに対して、断面円形のコイルを外筒の内周面と内筒の外周面との間に配置した場合は、その隙間は狭隘にならざるを得ないし、内筒と外筒とを分離しても、コイル状の伝熱管を分離しなければ、上記半径方向から見てコイル状の伝熱管の裏側半分は表側半分に隠れて直接露出していない。その結果、隅々までの洗浄が困難であるし、洗浄状態が簡単には確認できない。
第一流路１１などの流体の通過経路を規定する各面の素材は、金属など第一流体Ｆ１などの種類に応じて選択して実施することができる。さらに、その表面を耐食材料でコーティングしておくことも好ましい。耐食材料によるコーティングとしては、グラスライニングもしくはフッ素樹脂コーティング、セラミックコーティングを例示することができる。その際、内筒６１と内側伝熱体４１とを固定した後、あるいは外筒６２と外側伝熱体５１とを固定した後で耐食材料の加工を行なった後に両者を螺合させて組付ければ、第一流路１１の内面全体を確実にコーティングすることができる。

（第二流路２１について）
内側伝熱体４１と内筒６１の間の空間が、軸方向断面形状略三角形の第二流路２１を構成する。この第二流路２１は、第一流路１１と同様、螺旋状に周回するものであるが、第一流路１１と異なり、軸方向断面図において閉ざされた空間であるため、上記のようにネジ式で二つに分離しただけでは、閉ざされた状態が維持される。ところが第二流路２１は通常、水蒸気や温水や冷水や窒素ガスなどの熱媒体が第二流体Ｆ２として通されるため、第一流路１１と異なり流体などの付着が生ずるおそれが少ない。

（第三流路３１について）
外側伝熱体５１と外筒６２の間の空間が、軸方向断面形状略三角形の第三流路３１を構成する。この第三流路３１は、第一流路１１と同様、螺旋状に周回するものであるが、第一流路１１と異なり、軸方向断面図において閉ざされた空間であるため、上記のようにネジ式で二つに分離しただけでは、閉ざされた状態が維持される。ところが第三流路３１は通常、水蒸気や温水や冷水や窒素ガスなどの熱媒体が第三流体Ｆ３として通されるため、第一流路１１と異なり流体などの付着が生ずるおそれが少ない。
なお、第一流路１１、第二流路２１、第三流路３１の周回方向は異なるもの（例えば時計回りと反時計回り）であっても構わないし同じものであっても構わない。

（流入部及び流出部について）
第一流体Ｆ１は、図１の下端の固定筒部６４に設けられた流入部１２からその内部の環状流路６５を経て螺旋状の第一流路１１の中に入り、螺旋状に周回しながら上方に進み、上端の固定筒部６４に設けられた環状流路６５を経て流出部１３から外部へ流出する。なお、流入部１２を複数設けることによって、複数の流体を環状流路６５で混合することもできるし、スタティックミキサーや連続ミキサーなどの系外に設けられた混合器（図示せず）にて予め混合した流体を導入することもできる。
第二流体Ｆ２は、図１の上端の内軸部６３を貫通して設けられた流入部２２から螺旋状の第二流路２１の中に入り、螺旋状に周回しながら下方に進み、下端の内軸部６３に設けられた流出部２３から外部へ流出する。
第三流体Ｆ３は、図１の外筒６２の上端寄りに設けられた流入部３２から螺旋状の第三流路３１の中に入り、螺旋状に周回しながら下方に進み、外筒６２の下端寄りに設けられた流出部３３から外部へ流出する。
なお、各流路の流入部と流出部は逆にして実施することもできる。
第一流路１１、第二流路２１、第三流路３１など、第一流体Ｆ１、第二流体Ｆ２、第三流体Ｆ３の通過経路を規定する各面の素材は、金属など第一流体Ｆ１と第二流体Ｆ２の種類に応じて選択して実施することができるが、その表面を耐食材料でコーティングしておくことも好ましい。耐食材料によるコーティングとしては、グラスライニングもしくはフッ素樹脂コーティング、セラミックコーティングを例示することができる。

（他の実施の形態）
本発明は上述の実施の形態の他種々変更して実施することができる。例えば、内側伝熱体４１によるオネジの高さと外側伝熱体５１によるメネジの高さを異なるものとすることによって、第一流路１１を構成することもできる。具体的には図３（Ｄ）に示すように、内側伝熱体４１の第１傾斜部４２と第２傾斜部４３で規定されるねじ山の角度（θ１）と、外側伝熱体５１の第１傾斜部５２と第２傾斜部５３で規定される両フランクのなす角度（θ２）とを同じ角度とすると共に、内側伝熱体４１側のネジ山の高さを低くして山頂部４５を軸方向に長さのあるものとすることによって、山頂部４５、第１傾斜部５２、及び第２傾斜部５３で規定される空間を第一流路１１とすることもできる。
また、上述の各実施の形態では、内筒６１と外筒６２を、いずれも円筒体として実施したが、螺旋状に伸びる凸状、凹状を備えたチューブとして実施することにより、第二流路２１及び第三流路３１の各流路の断面積を大きくすることができる。
また、図示はしないが、内筒６１と外筒６２の内側や外側に他の筒体を配置し、その筒体との間にも内側伝熱体４１と外側伝熱体５１とを配置して、上述の熱交換のための空間が同芯上に複数あるものとして実施することもできる。

Ｆ１ 第一流体
Ｆ２ 第二流体
Ｆ３ 第三流体
１１ 第一流路
１２ 流入部
１３ 流出部
２１ 第二流路
２２ 流入部
２３ 流出部
３１ 第三流路
３２ 流入部
３３ 流出部
４１ 内側伝熱体
４２ 第１傾斜部
４３ 第２傾斜部
４４ 谷底部
４５ 山頂部
４６ ねじ山の角度θ1
５１ 外側伝熱体
５２ 第１傾斜部
５３ 第２傾斜部
５４ 谷底部
５５ 山頂部
５６ 両フランクのなす角度θ2
６１ 内筒
６２ 外筒
６３ 内軸部
６４ 固定筒部
６５ 環状流路

Claims (8)

1. 同芯の内筒と外筒の間に形成される空間内に螺旋状に周回する第一流路と第二流路と第三流路の３つの流路が設けられ、
   前記第一流路内を流れる第一の流体である被処理流動体と前記第二流路内及び前記第三流路内を流れる第二及び第三の流体との間に伝熱体を介して熱交換が行われる熱交換器において、
   前記伝熱体は、前記内筒及び外筒で形成される隙間に配位され螺旋状に周回し、軸方向断面図において断面形状がネジ形状であり、ネジ状に組み立てられ、オネジ部とメネジ部の形状を変えることにより第一流路の流路面積を変化させると共に、前記第二及び第三流路は螺旋状に形成され、前記伝熱体を介して前記熱交換が行われることを特徴とする熱交換器。
2. 前記伝熱体は、前記内筒及び外筒で形成される隙間に配位され螺旋状に周回し、軸方向断面図において断面形状がネジ形状であり、ネジ状に組み立てられ、オネジ部とメネジ部のネジ山の角度を変えることでオネジ部とメネジ部の形状を変えることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
3. 筒状の内側伝熱体をオネジ部とし筒状の外側伝熱体をメネジ部として前記伝熱体がネジ状に組み合わせられ、前記内側伝熱体と前記外側伝熱体との間が第一の流体が流される第一流路とされ、前記内側伝熱体を挟んでその内側に設けられた第二流路と、前記外側伝熱体を挟んでその外側に設けられた第三流路とを備え、前記第二流路を流れる第二の流体と前記第一流体との間で内側伝熱体を介して熱交換が行われると共に、前記第三流路を流れる第三の流体と前記第一流体との間で外側伝熱体を介して熱交換が行われるように構成された熱交換器において、
   前記第一流路は、螺旋状に周回する流路であり、
   半径方向における前記第一流路の最大流路幅（α）と前記第一流路の最小流路幅（β）との比率（α／β）が２以上である（２＜α／β＜∞）ことを特徴とする熱交換器。
4. 同芯の内筒と外筒とを備え、前記内筒の外側に前記内側伝熱体が固定され、前記外筒の内側に前記外側伝熱体が固定され、
   前記内筒と前記内側伝熱体との間を前記第二流路とし、
   前記外筒と前記外側伝熱体との間を前記第三流路とし、
   前記第二流路と前記第三流路は、いずれも螺旋状に周回する流路であり、
   前記オネジ部としての前記内側伝熱体のネジ山の角度（θ１）と前記メネジ部としての前記外側伝熱体の両フランクのなす角度（θ２）との角度の差と、前記オネジ部としての前記内側伝熱体のネジ山の高さと前記メネジ部としての前記外側伝熱体のネジ山の高さとの高さの差との少なくとも何れか一方の差によって生じる空間が、前記第一流路であることを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
5. 前記第一流路と前記第二流路及び前記第三流路は前記第一の流体と前記第二の流体及び前記第三の流体が溜まる可能性のある水平部を備えていないことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の何れかに記載の熱交換器。
6. 前記同芯に配置された前記内筒と前記外筒の間に形成される前記空間が同芯上に複数あることを特徴とする請求項１〜5の何れかに記載の熱交換器。
7. 前記第一流路を含む前記第一の流体の流れる通過流路が耐食材料でコーティングされていることを特徴とする請求項１〜6の何れかに記載の熱交換器。
8. 前記耐食材料コーティングがフッ素樹脂コーティングであることを特徴とする請求項１〜6の何れかに記載の熱交換器。

Images