JP3100051B2 - 熱交換用管体及び熱交換器 - Google Patents

熱交換用管体及び熱交換器

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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は管内にミキサーエレメントを備えた熱交換用
管体,及び内管内にミキサーエレメントを備えた内外管
からなり内管と外管との間で流体の熱交換を行なう熱交
換器に関する。ここで,「熱交換器」とは熱交換機能を
も必要とする反応器や混合器を包含するものとする。
[従来の技術及び課題] 従来の熱交換器において,熱交換率を向上させるため
多数の伝熱フィンやバッフルプレートを備えたものがあ
る。しかし,この種の熱交換器では,流体が層状に流れ
るいわゆるチャンネリング現象を生じ,熱交換向上の点
で限界ある。
そのため,例えば内管内に180゜捻りのバッフルプレ
ートを90゜接続角をもって逆向きに交互に接続した,い
わゆるスタティックミキサを用いることにより,流動促
進作用により熱交換効率を高めることも一般に行なわれ
ている。
又,重合等の反応器として,流速と温度の均一化のた
め特定のミキサーエレメントを備えた二重管型の容器を
利用した例もある。例えば,いわゆる“ノリタケ リア
クター”や“スルザーパッキン”(Chemical Engineeri
ng Progress,July1986,42−48)などである。しかし,
例えば発熱反応熱を除去する反応器として使用した場
合,発熱反応速度が高いとき伝熱面積が不足して,エレ
メント等に焦げ付きを生ずることもある。
本発明はより一層の熱交換効率向上を図ることを課題
とする。
[解決手段及び作用] そこで,本発明はかかる課題を解決するために下記手
段を採用した。
即ち、管内において長手方向に延びるミキサーエレメ
ント二以上を備え,前記ミキサーエレメントは,180゜以
上の捻り角度を有する板体であって,その内部に熱媒体
を通過させる空洞を有するミキサーエレメントであり,
前記ミキサーエレメント二以上は接続角度0゜〜90゜で
連結してなり,隣接する前記ミキサーエレメントが逆方
向の捻りになっている熱交換用管体である。
また、外管と,該外管内に空隙をもって配設される内
管一又は二以上とからなる熱交換器において,内管内に
おいて長手方向に延びるミキサーエレメント二以上と,
ミキサーエレメントの内部空洞と内外管の空隙とを連通
する接続管と,を備え,前記ミキサーエレメントは,180
゜以下の捻り角度を有する板体であって,その内部に熱
媒体を通過させる空洞を有するミキサーエレメントであ
り,前記ミキサーエレメント二以上は接続角度0゜〜90
゜で連結してなり,接続する前記ミキサーエレメントが
逆方向の捻りになっている熱交換器である。
こうした手段によれば,内管壁を通じての熱伝達に加
えて,エレメントの内部空洞にも熱媒体を通過させるこ
とによりエレメント壁を通じての熱伝達も可能となり,
従来のいわゆるスタティックミキサを利用したものに比
して,伝熱面積を著しく増大させることが可能となる。
特に,エレメントの内部空洞は極めて狭い空洞であるた
め,熱伝達係数が著しく高い。
[好適な手段] ミキサーエレメントの内部空洞は,エレメントの全域
に亘って存在していることが好ましい。板体面積にほぼ
相当する分,伝熱面積を高めることができる。板体の内
部空洞を画成する内壁面に流体の流通方向に沿って延び
る溝を付けたり,又内部空洞を二以上の単位空洞をもっ
て構成させてもよい(第1A〜1C図)。エレメントの肉厚
(内部空洞形成後)は,強度を維持できる限り,薄くす
ることにより,内部空洞を大きくできる。
二以上のミキサーエレメントを管(内管)内に備える
場合,従来のスタティックミキサと同様に,エレメント
二以上を接続角度90゜で連続してなり,接続するミキサ
ーエレメントを逆方向の捻りのものにすることが,流動
促進作用による熱交換効率向上のために好ましい。
又,接続角度0゜をもって連続し,かつ交互に逆方向
捻りのものを配設すれば,本発明の優れた伝熱効果を維
持しつつ,圧力損失を著しく低減でき,省エネルギの見
地から好ましい。特に長大管等の熱交換器において,又
低粘性液体に対しこの効果が顕著であり,実用上の利点
が大きい。又,逆捩り攪拌の効果が付与され,内外管の
空隙内のバッフルは必ずしも要しない。
管内壁とのミキサーエレメントの接合は,ろう付が好
ましい。容易に接合でき高伝熱効率を確保できる。尚,
この接合によって内管の補強にもなりその内厚を薄くし
てもたわみが少なく,その分更に伝熱効率増大に資す
る。接続管は,この接合部或いは非接合部のいずれに備
えてもよい。接合部に備えれば圧力損失を低く抑えるこ
とができる一方,内管とエレメントとの非接合部におい
て接続管をもって連結すればその接続管壁を通じての熱
伝達がより多く加味され,伝熱面積のより一層の増大に
寄与できる。
ミキサーエレメントの数は用途に応じて適宜選択され
る。隣接するミキサーエレメントはその連結部において
エレメント壁を一部開口し,必要に応じて接続管を介し
て,内部空洞同士を連通させる。又,二以上のエレメン
トを備える場合,各エレメントを製造した後,溶接,ロ
ウ付するか,或いは当初より一体のものとして製造す
る。
尚,各ミキサーエレメントの長手方向長さ(L)の内
管内径(D)に対する比(L/D)は,通常のスタティッ
クミキサのエレメントと同様に,1〜3程度が好ましい。
熱交換用媒体としては液体,特にRe>104の低粘性液
体例えば水に対して有効である。液体に特有な熱交換時
の難点(チャンネリング現象)も殆んど生じない。
[実施例] 第1A〜1C図は本実施例の熱交換器に用いることができ
るミキサーエレメント1を示す。各エレメント1はいず
れも捻り角度180゜を有する板体であって,板体外形に
略対応させてその全域に亘って内部空洞1aが形成されて
いる。内部空洞1aは単なる平坦な一体空洞(第1A図),
軸方向に延びる複数の溝を有する空洞(第1B図),同じ
く軸線方向に延びる複数の単位空洞(第1C図)等,種々
のものを採用できる。
この内部空洞1aの存在,特に狭い空洞として存在する
ことによって,従来の典型的なスタティックミキサのエ
レメントに比して,伝熱係数を約2倍まで高めることが
できる。
ミキサーエレメント1は,内管内を流れる液体の種類
・圧力に応じ,好ましくは良好な熱伝導性を有する材
料,例えばSS41,SUS316,Cu,Ni等の金属,又は炭化珪素
等のセラミックスで構成される。
次に,このミキサーエレメント1を備えた熱交換器A
の第一実施例を第2図に示す。同図において,2は内管,3
は外管,4は接続管である。
本例においては,隣接するエレメント1を交互に逆捻
りとし,かつ接続角度90゜をもって連続させている。左
端及び右端に位置するエレメント1はその軸心部におい
て,夫々内外管の空隙(上方部又は下方部)から伸びる
接続管4に接続され,エレメントの内部空洞1aと内外管
の空隙とが連通されている。又,隣接する各エレメント
1間の接続部においても,内部空洞1a同士を連通するた
めに,短い接続管4を備えている。尚,各エレメントの
内部空洞1a…は,軸心部における接続管4,4との連結部
を除き,閉成されている。
本例の熱交換器Aによれば,内管2内を流通する熱媒
(第1流体)は,エレメント1の存在によって,その流
れに相対位相のずれを強制されると同時に分割を繰返し
均一化が促進される。一方,内外管の空隙を流通する熱
媒(第2流体)は,接続管4を介して各エレメントの内
部空洞1a…をも流通する。そのため,第1流体と第2流
体との熱交換は,内管2壁だけでなく,各エレメント1
…壁を通じても行なわれる。従って,本例の熱交換器A
を用いて熱媒としての流体の熱交換を行なえば,従来の
ものに比して,伝熱面積が約1.7〜1.8倍になるので,熱
交換効率を大幅に向上できる(後述の計算参照)。加え
て,接続管4…,特に上流側,下流側において内外管の
空隙まで長く伸びる接続管4,4の壁を介しても熱交換が
なされるので,全体として伝熱面積は従来の約1.9倍に
もなる。
第3図は本発明に該当しない参考例を示したものであ
る。本例においては,各エレメント1(図では2個)を
独立に備え,前記第一実施例と同様に内管2壁及びエレ
メント1壁を介しての効率的な熱交換を個別に行なうも
のである。又,エレメント1の内部空洞1aと内外管の空
隙との連通は,エレメント1と内管2との接合部(エレ
メント1側壁)に備えられた短い接続管4を介してなさ
れる。しかも,接続管4は,(第2)流体の入口・出口
直近に,位置して開口されている。従って,全体として
前記実施例のものに比して,圧力損失を低く抑える構成
となっている。
第4図は熱交換器Aの第二実施例を示したものであ
る。本例においては,前記第一実施例とは異なり,各ミ
キサーエレメント1…はエレメント毎に捻り方向が逆向
き,かつ接続角度0゜をもって連結されている。そのた
め各エレメント1は内管2内において長手方向に延びる
連続した一の螺旋シートとして存在する。そのため,本
例のエレメント1は内管2内に配備されたとき,内管2
を二のチャンネルに分割するだけである。従って,逆捻
り攪拌作用によって,均一化がより促進され,内管2内
を流通する熱媒を有効な熱交換に資することができると
共に,二分割のみであるので圧力損失が格段に低いもの
となる。又,前記第一実施例とは異なり,接続するエレ
メント1の内部空洞1a同士を連通するための接続管を必
要とせず,従ってこの点からも圧力損失が低いものとな
る。
第5図は熱交換器Aの第三実施例を示したものであ
る。本例においては,ミキサーエレメント1…(図では
2個)からなる部分が内外管2,3に接合固定されておら
ず,ミキサーエレメント1及び該エレメントに一体とな
った接続管4が取出し自在になっている。従って,使用
後においてエレメント1等に洗浄の必要が生ずる場合,
例えば食品等の混合器として利用する場合に好適であ
る。各エレメントの空洞1a…には軸心に沿って仕切壁1b
が存在し,「IN」より末端接続管4を通じて空洞1a内に
侵入してきた流体が,矢印方向により奥に位置するエレ
メント側(図では右側)まで流入した後リターンして末
端接続管4を通じて「OUT」より排出されることにな
る。尚,エレメント1,1同士の接合部に位置する接続管
4は,流体の往路と復路とを形成する二つの流路を備え
ている。
[発明の効果] 以上のように,本発明によれば,従来のいわゆるスタ
ティックミキサを用いてなる熱交換器に比しても,単位
容積当りの伝熱面積を約1.7倍以上高めることができ,
熱交換効率を著しく向上させることができる。そのた
め,高温熱媒の熱交換においてもエレメント,管等の焦
げ付きを極力防止できる。又,ジャケットの必要性も大
幅に軽減できる。
又,僅かな付帯設備で従来の装置をそのまま利用でき
る。必要に応じて,圧力損失を低く抑えることもでき
る。
尚,本発明の熱交換器におけるミキサーエレメント
は,それ自体流体の均一な混合に寄与でき,熱交換効率
の著しい向上と相俟って,熱交換機能を併有する反応器
や混合器の使用可能分野の拡大にも貢献できる。
(伝熱面積の計算) 1.従来 内管の内側表面積S1=πD×1.5D=4.71D2(ここで,D
は内管の直径又は各エレメントの幅,1.5Dは各エレメン
トの軸方向長さを示す) 2.本発明 (1)内管の内側表面積S1=4.71D2 (2)エレメントの表面積(S2故に,伝熱面積合計S=S1+S2=8.19D2 本発明による伝熱面積の増加は概算 同一径同一長さの熱交換器で約1.74倍の伝熱面積が確保
できる。
【図面の簡単な説明】
第1A,1B及び1C図は,本発明の熱交換器に用いることが
できるミキサーエレメントの例を示す斜視図, 第2図は第一実施例の熱交換器を示した側断面図, 第3図は参考例の熱交換器を示した側断面図, 第4図は第二実施例の熱交換器を示した側断面図,そし
て 第5図は第三実施例の熱交換器を示した側断面図, を夫々表わす。 1……ミキサーエレメント 1a……内部空洞、2……内管 3……外管、4……接続管
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F28F 1/02 F28D 7/10

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】管内において長手方向に延びるミキサーエ
    レメント二以上を備え, 前記ミキサーエレメントは,180゜以下の捻り角度を有す
    る板体であって,その内部に熱媒体を通過させる空洞を
    有するミキサーエレメントであり, 前記ミキサーエレメント二以上は接続角度0゜〜90゜で
    連結してなり, 隣接する前記ミキサーエレメントが逆方向の捻りになっ
    ていることを特徴とする熱交換用管体。
  2. 【請求項2】外管と,該外管内に空隙をもって配設され
    る内管一又は二以上とからなる熱交換器において, 内管内において長手方向に延びるミキサーエレメント二
    以上と, ミキサーエレメントの内部空洞と内外管の空隙とを連通
    する接続管と, を備え, 前記ミキサーエレメントは,180゜以下の捻り角度を有す
    る板体であって,その内部に熱媒体を通過させる空洞を
    有するミキサーエレメントであり, 前記ミキサーエレメント二以上は接続角度0゜〜90゜で
    連結してなり, 隣接する前記ミキサーエレメントが逆方向の捻りになっ
    ていることを特徴とする熱交換器。
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