JP5435605B1 - 掻取式熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】プロセス流体を圧入するためのポンプが不要であり、簡易な構造で安価な掻取式熱交換器を提供する。
【解決手段】掻取式熱交換器１は、伝熱管２０の内壁２００に密接して往復移動しながら回転する吸引送出体３０がプロセス流体入口部２１側からプロセス流体出口部２２に向かって移動すると、プロセス流体入口部２１からプロセス流体が伝熱管２０内に吸引され、同時に、既に吸引されて逆止弁３１０，３２０を介して吸引送出体３０を通され、プロセス流体出口部２２側に排出されたプロセス流体をプロセス流体出口部２２に押し出す。伝熱管２０内でプロセス流体は、ジャケット管１０と伝熱管２０との間を流れる熱冷媒と熱交換する。伝熱管２０の内壁２００に付着したプロセス流体は、掻取部３３が回転しながら掻き取る。
【選択図】図１

Description

本発明は、管状のジャケットと該ジャケット内に延設した伝熱管との間に熱冷媒を通し、伝熱管内にプロセス流体を通して、伝熱管の内壁に付着するプロセス流体を掻き取りながら熱交換する掻取式熱交換器に関する。

従来から、流体を扱う熱交管器としては、チューブ式、プレート式、スパイラス式熱交換器等がある。特に高粘度流体やスラリー流体を扱う熱交換器には、掻取式熱交換器が使用されている。これは、対象とする流体が高粘度流体やスラリー流体の場合、非ニュートン流体としての特性を持つものが多いからである。例えば、食品、医薬品、化粧品、洗剤等のプロセス流体は、温度領域において粘度特性が大きく変化する場合が多い。

このような高粘度流体やスラリー流体を加熱・冷却する掻取式熱交換器の例として、特許文献１に示すようなものがある。すなわち、伝熱面を隔てて、処理物の通過するシリンダーと、シリンダーの外周に熱媒または冷媒を通過させるジャケットとが設けられており、シリンダーの中心には、回転可能な中心軸が延設され、この中心軸には、シリンダーの伝熱面と接することが可能なブレードを取り付けた掻取羽根を設けたものである。そして、この掻取式熱交換器は、従来の掻取式熱交換器と同様に処理物を処理物入口からシリンダー内にポンプ等によって圧入するようにしたものである。

特開平１０−１７９０７４号公報

しかしながら、このような従来の技術では、伝熱面と処理物であるプロセス流体の固液界面を強制的に掻取羽根で掻き取り撹拌するとともに高粘度流体やスラリー流体をポンプで圧送するために大きな動力が必要であり、その構成も大掛かりなものとなるという問題点がある。また、大きな動力が必要であることから、効率を良くするために伝熱面積を大きくして大量のプロセス流体を投入できるようにすると、極めて高価なものとなってしまうという問題点が有った。

本発明は、このような従来の技術が有する問題点に着目してなされたもので、プロセス流体を圧入するためのポンプが不要であり、簡易な構造で安価な掻取式熱交換器を提供することを目的としている。

かかる目的を達成するための本発明の要旨とするところは、次の各項の発明に存する。
［１］管状のジャケット（１０）と該ジャケット（１０）内に延設した伝熱管（２０）との間に熱冷媒を通し、前記伝熱管（２０）内にプロセス流体を通して、前記伝熱管（２０）の内壁（２００）に付着するプロセス流体を掻き取りながらプロセス流体と熱冷媒との間で熱交換する掻取式熱交換器（１）において、
前記伝熱管（２０）の内壁（２００）に密接し、前記伝熱管（２０）内を往復移動しながら回転してプロセス流体を前記伝熱管（２０）内に吸引するとともにプロセス流体を掻き取りながら前記伝熱管（２０）から送出する吸引送出体（３０）を備え、
前記伝熱管（２０）は、内壁（２００）に円弧状の山（２１１）と谷（２１２）が雌螺子様に螺旋状に形成された螺旋状部（２１０）を有する波形管であり、
前記吸引送出体（３０）は、両端部（３１，３２）が前記伝熱管（２０）の螺旋状部（２１０）に密接螺合し、前記伝熱管（２０）の内壁（２００）に付着したプロセス流体を掻き取る掻取部（３３）を前記両端部（３１，３２）の間に有し、前記伝熱管（２０）内に吸引したプロセス流体が一方の端部（３１）から内部に流入し、もう一方の端部（３２）から前記伝熱管（２０）内に流出するように前記両端部（３１，３２）に逆止弁（３１０，３２０）を配設し、
前記伝熱管（２０）内に流出したプロセス流体は、前記吸引送出体（３０）の往復移動にともなって前記もう一方の端部（３２）によって前記伝熱管（２０）の外に押し出されるようにしたことを特徴とする掻取式熱交換器（１）。

［２］管状のジャケット（１０）と該ジャケット（１０）内に延設した伝熱管（２０）との間に熱冷媒を通し、前記伝熱管（２０）内にプロセス流体を通し、前記伝熱管（２０）の内壁（２００）に付着するプロセス流体を掻き取りながらプロセス流体と熱冷媒との間で熱交換する掻取式熱交換器（１）において、
前記伝熱管（２０）の内壁（２００）に密接し、前記伝熱管（２０）内を往復移動しながら回転してプロセス流体を前記伝熱管（２０）内に吸引するとともにプロセス流体を掻き取りながら前記伝熱管（２０）から送出する吸引送出体（３０）を備え、
前記伝熱管（２０）は、内壁（２００）に円弧状の山（２１１）と谷（２１２）が雌螺子様に螺旋状に形成された螺旋状部（２１０）を有する波形管であり、プロセス流体を導入するためのプロセス流体入口部（２１）を一端部に有し、もう一方の端部にプロセス流体を排出するためのプロセス流体出口部（２２）を有し、
前記吸引送出体（３０）は、前記プロセス流体入口部（２１）に近い取込端部（３１）と前記プロセス流体出口部（２２）に近い排出端部（３２）とが前記伝熱管（２０）の螺旋状部（２１０）に密接螺合し、前記取込端部（３１）と前記排出端部（３２）との間に前記伝熱管（２０）の内壁（２００）に付着したプロセス流体を掻き取る掻取部（３３）を有し、
前記取込端部（３１）は、プロセス流体の流入のみを可能にする逆止弁（３１０）を有し、
前記排出端部（３２）は、プロセス流体の流出のみを可能にする逆止弁（３２０）を有し、
前記掻取部（３３）は、前記伝熱管（２０）の内壁（２００）の螺旋状部（２１０）の山（２１１）から谷（２１２）にかけての面に密接可能な形状の掻取羽根（３３１）を有し、
前記吸引送出体（３０）は、前記プロセス流体入口部（２１）側から前記プロセス流体出口部（２２）に向かって回転しながら移動するときに、前記プロセス流体入口部（２１）と前記取込端部（３１）との間にプロセス流体を吸引するとともに前記排出端部（３２）と前記プロセス流体出口部（２２）との間のプロセス流体を前記プロセス流体出口部（２２）から前記伝熱管（２０）の外に押し出し、
前記プロセス流体出口部（２２）側から前記プロセス流体入口部（２１）に向かって移動するときに、前記吸引したプロセス流体を前記取込端部（３１）から取り込むとともに取り込んだプロセス流体を前記排出端部（３２）から排出し、
前記吸引送出体（３０）が回転しながら移動する間、前記掻取羽根（３３１）が伝熱管（２０）の内壁（２００）からプロセス流体を掻き落とすことを特徴とする掻取式熱交換器（１）。

［３］前記伝熱管（２０）内の中心に沿って延設された、モータ（Ｍ）によって正逆可能に回転する回転軸（２３）を備え、
前記吸引送出体（３０）は、前記回転軸（２３）が貫通し、該回転軸（２３）の正逆回転に応じて移動方向が異なることを特徴とする［１］または［２］に記載の掻取式熱交換器（１）。

［４］前記吸引送出体（３０）は、全長が前記伝熱管（２０）全長の１／２以下であることを特徴とする［１］から［３］の何れか一項に記載の掻取式熱交換器（１）。

［５］前記ジャケット（１０）内に延設され、前記吸引送出体（３０）を有する伝熱管（２０）を複数直列に連結したことを特徴とする［１］から［４］の何れか一項に記載の掻取式熱交換器（１）。

前記本発明は次のように作用する。
掻取式熱交換器（１）によって熱交換する場合には、ジャケット（１０）とジャケット（１０）内に延設した伝熱管（２０）との間には熱媒または冷媒（以下、「熱冷媒」と記す。）を通す。この熱冷媒と熱交換させるプロセス流体は、伝熱管（２０）の一端部に設けたプロセス流体入口部（２１）から伝熱管（２０）内に導入する。

このプロセス流体を導入する際は、伝熱管（２０）の内壁（２００）に密接し、伝熱管（２０）内を往復移動しながら回転する吸引送出体（３０）を駆動する。吸引送出体（３０）がプロセス流体入口部（２１）側からプロセス流体出口部（２２）に向かって回転しながら移動すると、吸引送出体（３０）と伝熱管（２０）の内壁（２００）とは密接しているので、プロセス流体入口部（２１）と吸引送出体（３０）の一方の端部である取込端部（３１）との間に陰圧が生じてプロセス流体入口部（２１）から伝熱管（２０）内へプロセス流体が吸引される。

このとき、吸引送出体（３０）のもう一方の端部である排出端部（３２）と伝熱管（２０）のプロセス流体出口部（２２）との間に在るプロセス流体は、吸引送出体（３０）の排出端部（３２）に押されてプロセス流体出口部（２２）から伝熱管（２０）の外へ押し出される。排出端部（３２）には逆止弁（３２０）が設けられているので、排出端部（３２）がプロセス流体を押しても、プロセス流体が吸引送出体（３０）内に逆流してくることはない。

次に、吸引送出体（３０）がプロセス流体出口部（２２）側からプロセス流体入口部（２１）に向かって回転しながら移動すると、前記のようにしてプロセス流体入口部（２１）と吸引送出体（３０）の取込端部（３１）との間に吸引されたプロセス流体が取込端部（３１）に押される。取込端部（３１）には逆止弁（３１０）が設けてあるので、取込端部（３１）がプロセス流体を押すようになると、プロセス流体は逆止弁（３１０）を通って吸引送出体（３０）内に取り込まれる。

吸引送出体（３０）内に取り込まれたプロセス流体は、後から続いて取り込まれて来るプロセス流体に押されて、排出端部（３２）に設けた逆止弁（３２０）を通って伝熱管（２０）内に押し出される。吸引送出体（３０）が回転しながら移動する間は、取込端部（３１）と排出端部（３２）の間に設けた掻取部が伝熱管（２０）の内壁（２００）に付着したプロセス流体の掻き取りを続ける。

このように、伝熱管（２０）の内壁（２００）に密接する吸引送出体（３０）が伝熱管（２０）内で往復移動を繰り返すことにより、プロセス流体を伝熱管（２０）内に吸引して導入することができるとともに熱冷媒との間で熱交換が行われたプロセス流体を伝熱管（２０）から排出することができる。

このように、プロセス流体を伝熱管（２０）内に導入するための圧入ポンプなどは一切不要であるので、掻取式熱交換器（１）の構造が簡易となり、製造コストの低減化を図ることもできる。

伝熱管（２０）は、内壁（２００）に山（２１１）と谷（２１２）が雌螺子様に形成された螺旋状部（２１０）を有するものとし、吸引送出体（３０）は、プロセス流体入口部（２１）に近い取込端部（３１）と前記プロセス流体出口部（２２）に近い排出端部（３２）とが伝熱管（２０）の螺旋状部（２１０）に密接螺合するものとし、掻取部は、伝熱管（２０）の内壁（２００）の山（２１１）から谷（２１２）にかけての面に密接可能な形状を有する掻取羽根（３３１）とすることにより、吸引送出体（３０）の移動や掻取羽根（３３１）によるプロセス流体の掻き取り動作がスムーズで効果的になる。

吸引送出体（３０）は、伝熱管（２０）内の中心に沿って延設された回転軸（２３）に貫通されており、この回転軸（２３）がモータ（Ｍ）によって回転する。吸引送出体は、回転軸（２３）に固定されていないので、回転軸（２３）が回転すると、伝熱管（２０）の螺旋状部（２１０）に密接螺合している取込端部（３１）と排出端部（３２）とが回転しながら伝熱管（２０）内を移動する。移動方向は、回転軸（２３）から受ける回転の方向によって異なる。

吸引送出体（３０）は、全長が伝熱管（２０）全長の１／２以下であれば効率よくプロセス流体を移動させることができる。

なお、ジャケット（１０）内に延設され、吸引送出体（３０）を有する伝熱管（２０）を複数直列に連結することもできる。この場合、上流に配設された伝熱管（２０）から排出されたプロセス流体は押されて下流側の伝熱管（２０）に導入されるとともに、下流に配設された伝熱管（２０）の内部で移動する吸入送出部が前記と同様に動作してプロセス流体を伝熱管（２０）内に吸引する。その後の作用は前記した作用と同様である。

本発明にかかる掻取式熱交換器によれば、伝熱管内を移動する吸引送出体が伝熱管内へのプロセス流体の吸引導入と、伝熱管内からのプロセス流体の排出をするので、プロセス流体を伝熱管に圧入するための圧入ポンプを備える必要がなく、構成が簡易になるとともに製造コストの低減を図ることもできる。

本発明の一実施の形態に係る掻取式熱交換器を示す斜視図である。 図１における吸引送出体を構成する取込端部および排出端部を説明する説明図である。 図１における吸引送出体を構成する掻取部を説明する説明図である。

以下、図面に基づき本発明の好適な一実施の形態を説明する。
各図は本発明の一実施の形態を示している。
図１に例示した掻取式熱交換器１は、高粘度流体やスラリー流体などのプロセス流体を加熱・冷却する掻取式熱交換器である。プロセス流体は、食品であれば例えばケチャップ、マヨネーズ、あんこ、食用クリーム、アイスクリームなどであり、化粧品であればクリーム状のものなどが挙げられる。掻取式熱交換器１は、管状のジャケット１０内に伝熱管２０が延設されている。伝熱管２０の内部には、後述する吸引送出体３０が配設されている。

図１に例示したものは、この掻取式熱交換器１を２機直列に連結したものを取付架台２に上下２段に配設したものである。上段の掻取式熱交換器１と下段の掻取式熱交換器１とは、それらの伝熱管２０の端部同士がプロセス流体連通管４０によって連通されている。掻取式熱交換器１は、２機に限らず、３機以上を直列に連結してもよい。また、上下に２段にする必要もなく、水平方向に多段に連結してもよい。また、複数機を連結するのではなく、掻取式熱交換器１を単体で配設してもよい。掻取式熱交換器１を単体で使用する場合には、プロセス流体入口管２１を設けた端部とは反対側の端部に設けたプロセス流体連通管４０に換えてプロセス流体出口管２２が設けられる。

上段の掻取式熱交換器１と下段の掻取式熱交換器１とは、それぞれの伝熱管２０とジャケット１０との間に形成された間隙同士を連通する熱冷媒連通管５０によっても連結されている。この伝熱管２０とジャケット１０との間に形成された間隙は、例えば熱水や蒸気のような熱媒体または、例えば水やフレオンのような冷媒体（以下、総称して「熱冷媒」と記す。）を通すためのものである。

下段の掻取式熱交換器１のジャケット１０の端部には、熱冷媒を注入するための熱冷媒入口管１１が設けられている。また、上段の掻取式熱交換器１のジャケット１０の端部には、熱冷媒を排出するための熱冷媒出口管１２が設けられている。

この熱冷媒出口管１２の近傍には、プロセス流体を伝熱管２０内に導入するためのプロセス流体入口管２１が伝熱管２０の端部に設けられている。このプロセス流体入口管２１には、プロセス流体を投入するためのホッパー６０が取り付けられている。一方、下段の掻取式熱交換器１の熱冷媒入口管１１の近傍には、プロセス流体を伝熱管２０内から排出するためのプロセス流体出口管２２が伝熱管２０の端部に設けられている。

伝熱管２０は、内壁２００に円弧状に連続する山２１１と谷２１２が雌螺子様に螺旋状に形成された螺旋状部２１０を有する波形管である。伝熱管２０の内部には、伝熱管２０の中心に沿って回転軸２３が延設されている。伝熱管２０の両端部のうちプロセス流体入口管２１が設けられている方の端部には、メカニカルシールなどの軸封装置２４が取り付けられている。

この軸封装置２４よりも外側にはスラスト軸受２５が配設されており、回転軸２３を支持している。スラスト軸受２５に支持されている回転軸２３は、正逆回転可能なモータＭの駆動軸に連結されている。伝熱管２０のもう一方の端部には、ブッシュ式の回転軸受２６が配設されており、回転軸２３の一端を支持している。

伝熱管２０の内部には、伝熱管２０の内壁２００に密接して往復移動しながら回転する前記吸引送出体３０が配設されている。吸引送出体３０は、プロセス流体入口管２１に近い方の円板状の取込端部３１とプロセス流体出口管２２に近い方の円板状の排出端部３２とを連結して成るものである。取込端部３１と排出端部３２とは例えば複数本の不図示のシャフトによって連結されている。取込端部３１と排出端部３２との距離は、図１では伝熱管２０の全長の１／２であるように例示してあるが、それより短くてもよい。

これら取込端部３１と排出端部３２との中間の複数個所には、伝熱管２０の内壁２００に付着したプロセス流体を掻き取る掻取部３３配設されている。掻取部３３は、取込端部３１と排出端部３２との中間に少なくとも１つ配設すればよい。

図２に示すように、取込端部３１および排出端部３２は、厚みのある円板状に成形されたものであり、例えば金属で作られている。取込端部３１および排出端部３２は、何れもその側面が伝熱管２０の螺旋状部２１０に密接螺合する形状に形成されている。すなわち、螺旋状部２１０の山２１１および谷２１２と同様の山３０１と谷３０２が雄螺子様に螺旋状に形成されている。取込端部３１および排出端部３２と伝熱管２０の螺旋状部２１０との密接は、多少の空隙が生じてもプロセス流体が高粘度のものであるので、空隙に入り込んだプロセス流体によって密接状態が保持される。取込端部３１および排出端部３２それぞれの中心には矩形の回転軸貫通孔３０３が穿設されている。

この回転軸貫通孔３０３には、前記の回転軸２３が挿通する。回転軸２３は、少なくとも取込端部３１と排出端部３２が移動する範囲では、断面が回転軸貫通孔３０３と同様の形状になっている。したがって、回転軸２３は、取込端部３１と排出端部３２との間で空回りすることなく、回転を取込端部３１と排出端部３２とに伝達することができる。また、回転軸２３は、取込端部３１と排出端部３２を貫通しているだけであり、取込端部３１および排出端部３２に固定されていないので、取込端部３１および排出端部３２は回転軸２３の回転力で回転しながら回転軸２３に沿って移動することができる。すなわち、吸引送出体３０は、伝熱管２０内を回転しながら回転軸２３に沿って移動することができる。なお、回転軸貫通孔３０３の形状および回転軸貫通孔３０３を貫通する回転軸２３の部分の形状は、図示した矩形に限らず、回転軸貫通孔３０３を貫通する回転軸２３が空転しない形状であればよい。

取込端部３１には逆止弁３１０を設けてある。また、排出端部３２にも同様に逆止弁３２０を設けてある。

逆止弁３１０は、取込端部３１に穿設した逆止弁貫通孔３１１を塞ぐディスク弁３１２と、コイルスプリングＳを有している。ディスク弁３１２の中心には全長が逆止弁貫通孔３１１よりも長い芯棒３１３が延設されており、芯棒３１３の端部にはストッパ３１４が設けられている。芯棒３１３の直径は、コイルスプリングＳの直径よりも小さく、コイルスプリングＳは、芯棒３１３に圧縮された状態で巻装されている。ストッパ３１４は、芯棒３１３に巻装したコイルスプリングＳが外れないような形状および大きさを有している。排出端部３２にも逆止弁貫通孔３１１と同様の逆止弁貫通孔３２１が穿設されている。逆止弁３２０は、逆止弁３１０と同様にストッパ３２４を有する芯棒３２３がディスク弁３２２に延設されておりコイルスプリングＳが圧縮された状態で芯棒３２３に巻装されている。

逆止弁３１０は、吸引送出体３０よりも上流からのプロセス流体が吸引送出体３０内に流入することのみを可能にするものであり、吸引送出体３０内のプロセス流体が吸引送出体３０よりも上流側に逆流して出てしまうことを防止している。また、逆止弁３２０は、吸引送出体３０に取り込んだプロセス流体が吸引送出体３０よりも下流に流出することのみを可能にするものであり、吸引送出体３０よりも下流のプロセス流体が逆流して吸引送出体３０内に入り込んでしまうことを防止している。

取込端部３１と排出端部３２との中間に設けられている掻取部３３は、取込端部３１および排出端部３２と同様に側面が伝熱管２０の螺旋状部２１０に密接螺合する形状に形成された円板状の回転体３３０を有している。この回転体３３０には、伝熱管２０の螺旋状部２１０に付着したプロセス流体を掻き取るための掻取羽根３３１が枢支軸３３２に揺動自在に枢支されている。

掻取羽根３３１は、二股に分かれた掻取先端部３３１ａ，３３１ａを有している。掻取先端部３３１ａ，３３１ａは、掻取部３３の回転方向に対して互いに前後関係を有する方向に延びている。これら掻取先端部３３１ａ，３３１ａは、螺旋状部２１０の山２１１から谷２１２にかけての面に接触する形状、すなわち、伝熱管２０の螺旋状部２１０の接線上に密接する形状を有している。掻取羽根３３１は、揺動自在であるので、掻取先端部３３１ａが山２１１から谷２１２にかけての面の全体に接した状態と、山２１１から谷２１２にかけての面から離れた状態とになることができる。２つの掻取先端部３３１ａ，３３１ａは、吸引送出体３０の移動方向側にあるものが山２１１から谷２１２にかけての面に密接する。

回転体３３０には、取込端部３１および排出端部３２の中心に穿設された回転軸貫通孔３０３と同様の回転軸貫通孔３３３が穿設されており、回転軸２３が貫通している。また、回転体３３０には、プロセス流体が通り抜けることのできる流通孔３３４が穿設されている。

このように構成された掻取式熱交換器１と同様の掻取式熱交換器１が取付架台２の下段に配設されており、これらはプロセス流体連通管４０によって連通しているので、掻取式熱交換器１から押し出されたプロセス流体は、下段の掻取式熱交換器１に取り込まれる。下段の掻取式熱交換器１に取り込まれたプロセス流体は、上段の掻取式熱交換器１を通過したときと同様に移動しながら熱交換される。

下段の掻取式熱交換器１で熱交換が済んだプロセス流体は、プロセス流体出口管２２から掻取式熱交換器１の外へ排出される。また、熱冷媒入口管１１から下段の掻取式熱交換器１に流入して上段の掻取式熱交換器１の熱冷媒出口管１２から流出する熱冷媒が再び下段の熱冷媒入口管１１から下段の掻取式熱交換器１に流入するように不図示の循環管路が配設されている。

次に作用を説明する。
掻取式熱交換器１によるプロセス流体の熱交換は、ジャケット１０とジャケット１０内に延設した伝熱管２０との間に通す熱冷媒との間で伝熱管２０を介して行われる。熱冷媒は、下段の掻取式熱交換器１の一端側に設けた熱冷媒入口管１１から掻取式熱交換器１に入り、他端側に設けた熱冷媒連通管５０を通って上段の掻取式熱交換器１一端側に入る。上段の掻取式熱交換器１に入った熱冷媒は、掻取式熱交換器１の他端側に設けた熱冷媒出口管１２から上段の掻取式熱交換器１を出て、不図示の循環管路を通って再び下段の掻取式熱交換器１の熱冷媒入口管１１から掻取式熱交換器１に入る。熱冷媒はこのように循環している。

この熱冷媒と熱交換させるプロセス流体は、取付架台２の上段に配設した掻取式熱交換器１のプロセス流体入口部２１に取り付けられているホッパー６０に投入される。モータＭが駆動して回転軸２３を回転させること、吸引送出体３０が回転軸２３の回転によって回転しながら伝熱管２０内を移動する。

吸引送出体３０の取込端部３１がプロセス流体入口管２１の近傍にある状態からプロセス流体連通管４０の連結されている端部側へ移動すると、吸引送出体３０の取込端部３１および排出端部３２それぞれの側面が伝熱管２０の内壁２００の螺旋状部２１０に密接した状態にあるので、吸引送出体３０の移動にともなってプロセス流体入口管２１から取込端部３１までの空間に陰圧が生じる。この陰圧によって高粘度のプロセス流体が伝熱管２０内に吸引される。プロセス流体の吸引は、吸引送出体３０がプロセス流体連通管４０の連結されている端部に達するまで続く。

次に、吸引送出体３０がプロセス流体入口管２１側へ戻ってくるときは、吸引送出体３０の取込端部３１は、伝熱管２０内に吸引されたプロセス流体を押すことになる。取込端部３１がプロセス流体を押すと、取込端部３１に設けられ、コイルスプリングＳの弾撥力によって閉状態にあった逆止弁３１０がプロセス流体に押されて開状態となるので、プロセス流体は、逆止弁３１０を通って吸引送出体３０内に取り込まれる。

次に、再び吸引送出体３０がプロセス流体連通管４０の連結されている端部側へ移動すると、前記と同様にして伝熱管２０内にプロセス流体が吸引される。次に、再び吸引送出体３０がプロセス流体入口管２１側へと戻ると、前記と同様にして吸引送出体３０内にプロセス流体が取り込まれる。

このとき、新たに取り込まれたプロセス流体は、それ以前の工程で吸引送出体３０内に取り込まれたプロセス流体を押すので、吸引送出体３０の排出端部３２に設けられ、コイルスプリングＳの弾撥力によって閉状態にあった逆止弁３２０が開状態となり、逆止弁３２０を通してプロセス流体が吸引送出体３０の外の伝熱管２０内に押し出される。

次に、再び吸引送出体３０がプロセス流体連通管４０側に向かって移動すると、前記と同様にプロセス流体入口管２１からプロセス流体が伝熱管２０に吸引導入されると同時に、それ以前の工程でプロセス流体連通管４０が連結された伝熱管２０の端部と吸引送出体３０の排出端部３２との間に押し出されていたプロセス流体は、排出端部３２に押されてプロセス流体連通管４０から伝熱管２０の外へ押し出される。このとき、排出端部３２には逆止弁３２０が設けられているので、排出端部３２がプロセス流体を押しても、プロセス流体が吸引送出体３０内に逆流することはない。

これ以降は、吸引送出体３０が一往復する間に、伝熱管２０へのプロセス流体の吸引導入と伝熱管２０からプロセス流体連通管４０へのプロセス流体の押し出しが行われる。このように、伝熱管２０の内壁２００に密接する吸引送出体３０が伝熱管２０内で往復移動を繰り返すことにより、プロセス流体を伝熱管２０内に吸引して導入することができるとともに熱冷媒との間で熱交換が行われたプロセス流体を伝熱管２０から排出して、プロセス流体連通管４０を通して下段の掻取式熱交換器１に送出すことができる。

以上のように吸引送出体３０が移動する間、掻取部３３に設けた掻取羽根３３１が伝熱管２０の螺旋状部２１０に付着したプロセス流体を掻き取り続ける。掻取羽根３３１は枢支軸３３２に揺動自在に枢支されているので、吸引送出体３０が回転しながら移動すると、掻取部３３の回転方向側に向いている側面が螺旋状部２１０に付着しているプロセス流体に押される。

これにより、掻取羽根３３１が回転して、掻取部３３の回転方向側にある掻取先端部３３１ａが螺旋状部２１０の山２１１から谷２１２にかけての面に密接した状態になる。これにより、螺旋状部２１０に付着したプロセス流体で掻取部３３の回転方向側にあるものが掻取羽根３３１によって掻き取られる。吸引送出体３０の移動方向が逆になると、すなわち掻取部３３の回転方向が逆になると、それまで螺旋状部２１０の面に密接していた掻取先端部３３１ａは螺旋状部２１０の面から離れ、回転方向側となるもう一方の掻取先端部３３１ａが螺旋状部２１０の面に密接する。

上段の掻取式熱交換器１と下段の掻取式熱交換器１とでは、それぞれの吸引送出体３０の移動方向がシンクロしており、下段の掻取式熱交換器１の吸引送出体３０は、上段の掻取式熱交換器１の吸引送出体３０によって押し出されたプロセス流体がプロセス流体連通管４０を通して下段の掻取式熱交換器１の伝熱管２０に投入されるのに合わせて、伝熱管２０内を移動する。すなわち、図１の紙面上では、上段の掻取式熱交換器１の吸引送出体３０が右側から左側へ移動するのにシンクロして、下段の掻取式熱交換器１の吸引送出体３０は、伝熱管２０内を左側から右側へ向けて移動する。したがって、プロセス流体連通管４０を通して下段の掻取式熱交換器１の伝熱管２０内に押し出されたプロセス流体は、吸引送出体３０の左側から右側への移動によって生じた陰圧により、伝熱管２０の中央部に向かって容易に吸引され、投入される。

下段の掻取式熱交換器１においても上段の掻取式熱交換器１と同様に吸引送出体３０が伝熱管２０内で往復移動を繰り返すことにより、プロセス流体を伝熱管２０内に吸引して導入するとともに熱冷媒との間で熱交換が行われ、熱交換の終了したプロセス流体を伝熱管２０のプロセス流体出口管２２から排出する。

以上のように、本実施の形態に係る掻取式熱交換器１は、プロセス流体を伝熱管２０内に導入するための圧入ポンプは不要である。これにより、掻取式熱交換器１の構造が簡易となり、製造コストの低減化を図ることもできる。

Ｍ…モータ
Ｓ…コイルスプリング
１…掻取式熱交換器
２…取付架台
１０…ジャケット
１１…熱冷媒入口管
１２…熱冷媒出口管
２０…伝熱管
２１…プロセス流体入口部
２２…プロセス流体出口部
２３…回転軸
２４…軸封装置
２５…スラスト軸受
２６…回転軸受
３０…吸引送出体
３１…取込端部
３２…排出端部
３３…掻取部
４０…プロセス流体連通管
５０…熱冷媒連通管
６０…ホッパー
２００…内壁
２１０…螺旋状部
２１１…螺旋状部の山
２１２…螺旋状部の谷
３０１…取込端部および排出端部の山
３０２…取込端部および排出端部の谷
３０３，３３３…回転軸貫通孔
３１０，３２０…逆止弁
３１１，３２１…逆止弁貫通孔
３１２，３２２…ディスク弁
３１３，３２３…芯棒
３１４，３２４…ストッパ
３３０…回転体
３３１…掻取羽根
３３１ａ…掻取先端部
３３２…枢支軸
３３４…流通孔

Claims (5)

1. 管状のジャケットと該ジャケット内に延設した伝熱管との間に熱冷媒を通し、前記伝熱管内にプロセス流体を通して、前記伝熱管の内壁に付着するプロセス流体を掻き取りながらプロセス流体と熱冷媒との間で熱交換する掻取式熱交換器において、
   前記伝熱管の内壁に密接し、前記伝熱管内を往復移動しながら回転してプロセス流体を前記伝熱管内に吸引するとともにプロセス流体を掻き取りながら前記伝熱管から送出する吸引送出体を備え、
   前記伝熱管は、内壁に円弧状の山と谷が雌螺子様に螺旋状に形成された螺旋状部を有する波形管であり、
   前記吸引送出体は、両端部が前記伝熱管の螺旋状部に密接螺合し、前記伝熱管の内壁に付着したプロセス流体を掻き取る掻取部を前記両端部の間に有し、前記伝熱管内に吸引したプロセス流体が一方の端部から内部に流入し、もう一方の端部から前記伝熱管内に流出するように前記両端部に逆止弁を配設し、
   前記伝熱管内に流出したプロセス流体は、前記吸引送出体の往復移動にともなって前記もう一方の端部によって前記伝熱管の外に押し出されるようにしたことを特徴とする掻取式熱交換器。
2. 管状のジャケットと該ジャケット内に延設した伝熱管との間に熱冷媒を通し、前記伝熱管内にプロセス流体を通し、前記伝熱管の内壁に付着するプロセス流体を掻き取りながらプロセス流体と熱冷媒との間で熱交換する掻取式熱交換器において、
   前記伝熱管の内壁に密接し、前記伝熱管内を往復移動しながら回転してプロセス流体を前記伝熱管内に吸引するとともにプロセス流体を掻き取りながら前記伝熱管から送出する吸引送出体を備え、
   前記伝熱管は、内壁に円弧状の山と谷が雌螺子様に螺旋状に形成された螺旋状部を有する波形管であり、プロセス流体を導入するためのプロセス流体入口部を一端部に有し、もう一方の端部にプロセス流体を排出するためのプロセス流体出口部を有し、
   前記吸引送出体は、前記プロセス流体入口部に近い取込端部と前記プロセス流体出口部に近い排出端部とが前記伝熱管の螺旋状部に密接螺合し、前記取込端部と前記排出端部との間に前記伝熱管の内壁に付着したプロセス流体を掻き取る掻取部を有し、
   前記取込端部は、プロセス流体の流入のみを可能にする逆止弁を有し、
   前記排出端部は、プロセス流体の流出のみを可能にする逆止弁を有し、
   前記掻取部は、前記伝熱管の内壁の螺旋状部の山から谷にかけての面に密接可能な形状の掻取羽根を有し、
   前記吸引送出体は、前記プロセス流体入口部側から前記プロセス流体出口部に向かって回転しながら移動するときに、前記プロセス流体入口部と前記取込端部との間にプロセス流体を吸引するとともに前記排出端部と前記プロセス流体出口部との間のプロセス流体を前記プロセス流体出口部から前記伝熱管の外に押し出し、
   前記プロセス流体出口部側から前記プロセス流体入口部に向かって移動するときに、前記吸引したプロセス流体を前記取込端部から取り込むとともに取り込んだプロセス流体を前記排出端部から排出し、
   前記吸引送出体が回転しながら移動する間、前記掻取羽根が伝熱管の内壁からプロセス流体を掻き落とすことを特徴とする掻取式熱交換器。
3. 前記伝熱管内の中心に沿って延設された、モータによって正逆可能に回転する回転軸を備え、
   前記吸引送出体は、前記回転軸が貫通し、該回転軸の正逆回転に応じて移動方向が異なることを特徴とする請求項１または２に記載の掻取式熱交換器。
4. 前記吸引送出体は、全長が前記伝熱管全長の１／２以下であることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の掻取式熱交換器。
5. 前記ジャケット内に延設され、前記吸引送出体を有する伝熱管を複数直列に連結したことを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の掻取式熱交換器。

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