JP4499970B2 - スパイラル式熱交換器 - Google Patents

Description

【０００１】
発明の背景と従来技術
本発明は、それぞれの渦巻状の通路に沿って共通の中心軸線のまわりに延び、互いに実質的に平行な少なくとも２つの渦巻状の流路を形成する少なくとも２つの渦巻状のシートを有するスパイラル式熱交換器において、各流路が、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、中心軸線に対してそれぞれの流路の半径方向外側に位置してい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／出口室との間の連通を可能にする半径方向内側のオリフィスとを有し、それにより、各流路が熱交換用の流体を中心軸線に対して実質的に接線方向に流すことができ、また、中心軸線が入口／出口室の半径方向内側のオリフィスを通るスパイラル式熱交換器に関する。
【０００２】
このようなスパイラル式熱交換器はスウェーデン特許第１５１３１８号に開示されている。この公知の熱交換器は、巻かれた中心部を有する従来の構造のものである。この熱交換器は、２枚の金属性のシートを接合し、金属性のシートを分割型マンドレルに差し込み、それからシートを同軸の渦巻状の２つの流路を形成するように巻くことによって得られる。その後、分割型マンドレルは引き抜かれ、それによってスパイラル式熱交換器の中心に、半円形の筒状の２つの空間が各流路に１つずつ形成される。十分な剛性を得るために、棒形状の補強材が、実質的に半径方向に広がる半円形状の空間にしばしば配置されている。
【０００３】
他の公知のスパイラル式熱交換器は、渦巻状の２つのシートが接合されている中心管を備えている。中心管には、渦巻状のシートの間の２つの流路に通じる開口部が設けられている。この２つの流路に対する熱交換用の流体の入口／出口室となる半円形の２つの流路を形成するために、中心のシートが管に挿入される。この公知の構造では、中心のシートを中心の管の内面に接合する適切な溶着を行うことがことが困難である。
【０００４】
スウェーデン特許第８０１０７号には、中心管が渦巻状の一方の流路の出口室を形成しているのに対し、中心管を囲む環状室が他方の流路の入口室を形成している、同様の熱交換器が開示されている。
【０００５】
スパイラル式熱交換器は、繊維または他の粒子を含んでいる熱交換用の流体が、実際にはしばしば使用される。従来の熱交換器では、補強材および中心の管の穴に繊維や粒子が詰まり、そのため熱交換器を頻繁に分解して清掃する必要がある。また、開口部を備えた中心管は、特に熱交換用の流体が繊維や粒子を含んでいる場合に開口部の周囲が浸食されやすい。
【０００６】
イギリス特許第２４４０４号には、中空体を中心に有する、別のタイプのスパイラル式熱交換器が開示されている。しかしながら、熱交換器の中心に配置される内部の出口室および入口室は無い。また、内部の出口導管および入口導管は、一方のエンドプレートを貫通して同方向に延びている。半径方向内側の出口および入口導管が中心から外れた位置にあるため、当該エンドプレートは高い応力を受ける。また、この文献における熱交換器の入口部および出口部の構造では熱交換用の流体は滑らかに流れることができない。
【０００７】
スウェーデン特許第１１２６５６号には、一方の熱交換用媒体を軸方向に流すように部分的に設計されたスパイラル式熱交換器の多数の異なる実施態様が開示されている。接線方向の流れを用いるかなり複雑な構造は、内部に入口室と出口室が設けられている中心体を有し、中心体の壁の縦方向の開口を介して流入できるようになっている。
【０００８】
ＥＰＯ第２１４５８９号には、断面が長円形状のスパイラル式熱交換器が開示されている。この熱交換器は、熱交換用の流体が流入できないと目される中心部を有する。しかしながら、入口室と出口室が熱交換器の中心軸線からずれていることがこの文献から明らかである。また、ＥＰＯ第２１４５８９号に開示されている構造は高圧には適していない。
【０００９】
米国特許第４０８９３７０号、米国特許第５５０５２５５号、および米国特許第２０８１６７８号には、少なくとも１つの流路を通る軸流のための、別のタイプのスパイラル式熱交換器が開示されている。
発明の概要
本発明の目的は、接線方向の流れに適するように設計され、上述した従来の熱交換器の欠点を改善したスパイラル式熱交換器を提供することにある。特に、繊維または他の粒子を含む熱交換用の流体を実質的に妨げることなく流せるスパイラル式熱交換器を目指している。
【００１０】
この目的は、中心軸線のまわりに延び、流路および入口／出口室に対して実質的に閉じた中心体を有することを特徴とする、冒頭に記載した熱交換器によって達成される。
【００１１】
閉じた中心体とすることにより、熱交換用の流体が中心体の内部にまで及ぶことなく、流路に直接導入させることができる。その結果、従来のスパイラル式熱交換器の粒子または繊維の詰まりおよび中心構造の浸食に関する問題を克服できる。また、このような構造により、入口および出口部の流路の流れ領域が一定となり、流路の主要部分の流れ領域と実質的に等しくなる。したがって、熱交換用の流体がスパイラル式熱交換器に流入した直後に適切な流速にすることができる。従来のスパイラル式熱交換器の内部の入口および出口部の流速は遅すぎることが多く、それが前述の詰まりの問題を増していた。実質的に閉じた中心体は、熱交換用の流体の流れが中心体を全く通れないようにすることが必要不可欠である。
【００１２】
本発明の実施態様によれば、入口／出口室が、一方の流路の半径方向内側のオリフィスで、前記中心体から一方の軸線方向に延びるとともに、入口／出口室が、他方の流路の半径方向内側のオリフィスで、前記中心体から反対の軸線方向に延びている。したがって、２つの同軸の入口および／または出口導管を得ることができ、スパイラル式熱交換器の端板の設計にとって有利である。
【００１３】
本発明の他の実施態様によれば、中心体は概ね筒形をしている。特に中心体は概ね円筒形であってもよい。このような円形の断面形状により、中心体およびスパイラル式熱交換器の強度および剛性を高めることができる。中心体は、実質的に連続的な外面を有することが有利である。際だったくぼみ、際だった隆起部、またはそれ以外のエッジが全くない均一な、このような連続的な表面により、遮られない流れと中心体の高強度が得られる。また、中心体は中心軸線と実質的に同軸であってもよい。
【００１４】
本発明のさらに他の実施態様によれば、中心体は中空である。したがって、中心体の強度を維持しながらスパイラル式熱交換器の重量を低レベルに留めることができる。
【００１５】
本発明のさらに他の実施態様によれば、中心体が、中心軸線方向の渦巻状のシート幅の大部分に対応する距離で中心軸線に沿って延びている。それによって、スパイラル式熱交換器の中心に、渦巻状のシート用の固定された支持部が形成され、熱交換器の中心部分の流路の有利な構造を得ることができる。
【００１６】
本発明のさらに他の実施態様によれば、スパイラル式熱交換器は、２つの端板を有し、渦巻状のシートと中心体が両端板間に配置されている。各端板は、前記各オリフィスが、開口のそれぞれの１つに通じており、中心軸線が通る中心開口を有することもできる。
【００１７】
本発明のさらに別の実施態様によれば、渦巻状のシートのそれぞれが線に沿って中心体に接合されている。前記接合線は中心軸線と実質的に平行であってもよく、中心軸線について対角線上で互いに反対側に配置されることが好ましい。
【００１８】
次に、本発明を種々の実施態様により、添付図面を参照しながらさらに詳しく説明する。
発明の種々の実施形態の詳細な説明
図１と２に、本発明によるスパイラル式熱交換器の第１の実施形態を概略的に示す。熱交換器は、それぞれの渦巻状の通路に沿って共通の中心軸線ｘのまわりに延びる２つの渦巻状のシート１、２を有する。２つの渦巻状の金属シート１、２は、中心軸線ｘと実質的に平行なそれぞれの線７に沿って中心体３に接合されている。線７は、図２に示されているように中心軸線ｘについて対角線上で互いに反対側に配置される。中心体３は、渦巻状の２つのシート１、２が接合されている実質的に連続的な外面を備えた概ね円筒形をしている。渦巻状のシート１、２はそれぞれの線７に沿った溶着によって中心体３に接合してもよいが、別の接合方法を用いてもよい。
【００１９】
渦巻状の２つのシート１、２は、互いに実質的に平行な渦巻状の２つの流路４、５を形成している。各流路は、熱交換用の流体を中心軸線ｘに対して実質的に接線方向に流すことができる。すなわち、熱交換用流体の主な流れ方向は前記渦巻状の通路に沿っている。
【００２０】
図示されている中心体３は中空であり、すなわち中空の内部空間６を有する。また、中心体３は閉じており、すなわち内部空間６は２つの流路４、５または周囲の空間から流入することがない。中空の内部空間６内の圧力は個々の状況に応じて選択でき、例えば、流路４、５内の圧力より低い、特に大気圧より低い圧力であってもよい。しかしながら、中心体３の中空の内部空間６内の圧力は大気圧であってもよいし、大気圧より高くてもよい。
【００２１】
図１に開示されている実施形態では、中心体３は、中心軸線ｘの方向の渦巻状のシート１、２の幅の大部分に対応する距離で中心軸線ｘに沿って延びている。スパイラル式熱交換器は、開示されている実施形態ではエンドプレートとして形成されている２つの端板８、９を有する。各端板８、９は、導管路１０および１１がそれぞれ延びている、中心の開口を有する。導管路１０、１１は中心軸線ｘと実質的に同軸で、互いに反対方向に延びている。
【００２２】
各流路４、５は、それぞれの流路４、５とそれぞれの入口／出口室１３および１４との間の連通を可能にする半径方向内側のオリフィスを有する。図１に開示されている実施形態では、各入口／出口室１３、１４は、中心軸線ｘが貫通するように配置され、中心の開口とそれぞれの端板８、９の導管路１０、１１とによって構成されている。さらに、各流路４、５は、それぞれの流路４、５とそれぞれの出口／入口導管１５および１６との間の連通を可能にする半径方向外側のオリフィスを有する。したがって、媒体は、それぞれの流路４、５を介して半径方向内側の入口／出口室１３、１４から半径方向外側の出口／入口導管１５、１６へ、または半径方向外側の出口／入口導管１５、１６から半径方向内側の入口／出口室１３、１４へ反対方向に流れることができる。両流路４、５のうちの第１の流路４は、両端板８、９のうちの第２の端板９に面する端部が渦巻状の金属条片１７によって閉じられている。同様に、第２の流路５は、第１の端板８に面する端部が渦巻状の金属条片１８によって閉じられている。金属条片１７、１８は、それ自体が公知の方法によって渦巻状のシート１、２に溶着されてもよい。あるいは、金属条片１７、１８は、渦巻状のシート１、２の一部として形成されてもよい。
【００２３】
スパイラル式熱交換器は、実質的に円形であり、２つの出口／入口導管１５、１６が接合されている外側の円筒状のシェル２０も有する。図から分かるように、中心体３と渦巻状の金属シート１、２は、シェル２０と端板８、９によって形成される筐体の内部に収納されている。
【００２４】
図１および２に開示されている実施形態では、入口／出口室１３、１４は、導管路１０、１１と、端板８、９のそれぞれの中心の開口とによって形成されている。入口／出口室１３、１４は、半径方向の断面が円形で、中心軸線ｘに対して実質的に同軸である。
【００２５】
図３に、中心体３の中心軸線ｘに沿った長さが、中心軸線ｘの方向の渦巻状のシート１、２の幅よりも幾分か短い点が第１の実施形態と異なる、本発明の第２の実施形態を開示する。第２の実施形態では、入口／出口室１３、１４が端板８、９と中心体３の間に設けられている。
【００２６】
本発明は開示された実施形態に限定されるものでなく、前述の請求の範囲内で変更および修正され得るものである。
【００２７】
流路４、５を、それぞれの端板８、９に面する２つの端部領域に対して別の構造にすることにも着目している。例えば、すべての流路４、５は開いていてもよく、すなわち金属条片１７、１８が用いられず、流路４、５が互いに閉じており、２つの端板８、９によって囲まれているものであってもよい。それにより、入口／出口室１３、１４を区切る配置を形成する必要がある。また、金属条片１７、１８によって流路４、５を閉じることも可能である。
【００２８】
中心体３の端面は、図面に開示されている実質的に平坦な形状以外の別の形状であってもよい。例えば、端面を凸状、特に半球状にすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態のスパイラル式熱交換器の軸線方向の断面図である。
【図２】 図１のスパイラル式熱交換器の半径方向の断面図である。
【図３】 本発明の第２の実施形態のスパイラル式熱交換器の軸線方向の断面図である。

Claims (13)

1. それぞれの渦巻状の通路に沿って共通の中心軸線（ｘ）のまわりに延び、互いに実質的に平行な少なくとも２つの渦巻状の流路（４、５）を形成する、少なくとも２つの渦巻状のシート（１、２）を有し、前記各流路（４、５）が、前記それぞれの流路（４、５）とそれぞれの出口／入口導管（１５、１６）との間の連通を可能にし、前記中心軸線（ｘ）に対して前記それぞれの流路（４、５）の半径方向外側に位置している半径方向外側のオリフィスと、前記それぞれの流路（４、５）とそれぞれの入口／出口室（１３、１４）との間の連通を可能にする半径方向内側のオリフィスとを有し、それにより、前記各流路が熱交換用の流体を前記中心軸線（ｘ）に対して実質的に接線方向に流すことができ、また、前記中心軸線（ｘ）が前記入口／出口室（１３、１４）の前記半径方向内側のオリフィスを通るスパイラル式熱交換器において、
   前記中心軸線（ｘ）のまわりに延び、前記流路（４、５）および前記入口／出口室（１３、１４）に対して実質的に閉じた中心体（３）を有することを特徴とするスパイラル式熱交換器。
2. 前記入口／出口室（１３、１４）が、一方の流路（４、５）の前記半径方向内側のオリフィスで、前記中心体（３）から一方の軸線方向に延びるとともに、前記入口／出口室（１３、１４）が、他方の流路（４、５）の前記半径方向内側のオリフィスで、前記中心体（３）から反対の軸線方向に延びていることを特徴とする、請求項１に記載のスパイラル式熱交換器。
3. 前記中心体（３）が、概ね筒形であることを特徴とする、請求項１から２のいずれか１項に記載のスパイラル式熱交換器。
4. 前記中心体（３）が、概ね円筒形であることを特徴とする、請求項３に記載のスパイラル式熱交換器。
5. 前記中心体（３）が、実質的に連続的な外面を有することを特徴とする、請求項１から４のうちのいずれか１項に記載のスパイラル式熱交換器。
6. 前記中心体（３）が、前記中心軸線（ｘ）と実質的に同軸であることを特徴とする、請求項１から５のうちのいずれか１項に記載のスパイラル式熱交換器。
7. 前記中心体（３）が、中空（６）であることを特徴とする、請求項１から６のうちのいずれか１項に記載のスパイラル式熱交換器。
8. 前記中心体（３）が、前記中心軸線（ｘ）の方向の前記渦巻状のシート（１、２）の幅の大部分に対応する距離で前記中心軸線（ｘ）に沿って延びていることを特徴とする、請求項１から７のうちのいずれか１項に記載のスパイラル式熱交換器。
9. ２つの端板（８、９）を有し、前記渦巻状のシート（１、２）と前記中心体（３）が前記両端板（８、９）の間に配置されていることを特徴とする、請求項１から８のうちのいずれか１項に記載のスパイラル式熱交換器。
10. 前記各端板（８、９）は、前記中心軸線（ｘ）が通る中心の開口を有することを特徴とする、請求項９に記載のスパイラル式熱交換器。
11. 前記各渦巻状のシート（１、２）が、線（７）に沿って前記中心体に接合されていることを特徴とする、請求項１から１０のうちのいずれか１項に記載のスパイラル式熱交換器。
12. 前記接合線（７）が、前記中心軸線（ｘ）と実質的に平行であることを特徴とする、請求項１１に記載のスパイラル式熱交換器。
13. 前記接合線（７）が、前記中心軸線（ｘ）について対角線上で互いに反対側に配置されていることを特徴とする、請求項１１から１２のいずれか１項に記載のスパイラル式熱交換器。

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