JP5650503B2 - 熱交換装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換作用を利用して加熱又は冷却を行うための熱交換装置の技術分野に関し、特に、結晶成分を含んだ流動性材料から結晶を生成するための熱交換装置に関する。

薬品などの結晶製品や、味噌などの粘性製品の製造現場では、特許文献１に開示されたような熱交換装置が広く一般に用いられている。図７に従来の熱交換装置の代表例を示す。

特開平２−５９０４２号公報

図７の熱交換装置は、内部にシャフト６を備えたシリンダ２と、該シリンダの外壁面に沿って熱媒又は冷媒を流通させるためのジャケット４と、シャフト６を回転駆動するモータ８とを有している。シャフト６には複数のブレード６４が設けられており、シャフト６が回転することでブレード６４，６４…がシリンダ内壁に沿って回動する。ジャケット４はシリンダ２の外壁を囲繞するように外装され、その内部には熱媒又は冷媒を流通させるための空間４５が形成されている。

ポンプを用いてシリンダ２内に流動性材料（原材料）を送入し、ブレード６４，６４…が回動する領域へ押し流すと、該流動性材料がシリンダ内壁面で熱交換作用を受けるとともに、熱交換を受けた部位の境膜が回動ブレード６４，６４…の各先端部によって掻取られる。このような作用を有する熱交換装置は、加熱に用いる場合には、材料の焦げ付きや熱影響などを防げるといった利点があり、また、冷却に用いる場合には、材料の固まりや凍てつきなどを防げるといった利点があるため、産業界で広く一般的に用いられている。

例えば、薬品などの結晶製品の製造にあたっては、ジャケット４の供給口４１および排出口４２を介してその内部空間４５に冷媒を流通させ、シリンダ２を外壁側から冷却する。一方、シリンダ２の原料入口２１からは、結晶成分を含有する材料がポンプで送入される。シリンダ２内に送入された材料は、ジャケット４内の冷媒からシリンダを介して熱交換作用を受け、シリンダ内壁面上で晶析する。シリンダ内壁面上に析出した結晶は、回動するブレード６４，６４…によって掻取られるとともに、該結晶を多量に含んだスラリー状（ざら目状）の流体となって製品出口２２へと押し流される。

また熱交換装置は、粘性製品である味噌の仕上冷却工程においてアルコール（防腐剤）を添加する場合にも用いられる。この場合も、ジャケット４の供給口４１および排出口４２を介してその内部空間４５に冷媒を流通させ、シリンダ２を外壁側から冷却する。一方、シリンダ２の原料入口２１からは、仕上げ前の加熱された味噌とアルコールが送入される。シリンダ２内に送入されたこれらの材料は、押し流される過程で、シリンダ内壁面での熱交換作用と、ブレード６４，６４…による掻取作用を受け、やがて全体が冷却された状態で製品出口２２から排出される。

このような熱交換装置は、その優れた効果が認められ、上述したような種々の分野で広く利用されている。ところが、薬品などの結晶製品の製造にあたっては、析出させる「結晶」に起因して以下のような問題点が生じ、その改善が強く望まれていた。

薬品などの結晶製品の製造では、シリンダ内での晶析と掻取りが繰り返されるため、シリンダ内における材料の流動性は徐々に失われていく。最終的には、スラリー状（ざら目状）の低温低流動性材料が、結晶を多量に含んだ状態で、製品出口へ押し流されてくる。このような低流動性で極低温の材料が、最後部のブレードを超えて製品出口付近に至ると、シリンダの内壁や製品出口の内壁に結晶が滞積して固着し始め、次第にその滞積量を増やし、やがて製品出口が詰まって閉塞するといった問題がある。

また結晶製品の製造では、製品出口から排出される流体の結晶濃度を高めるために、排出された該流体を原料入口から再送入し循環させる場合がある。ところが、循環を繰り返す過程で、結晶濃度が高まるとともに流体が過冷却され、やがて、前述した製品出口の場合と同様に、滞積し固着した結晶によって原料入口も閉塞するといった問題がある。

このように、析出した結晶によって原料入口や製品出口が閉塞されると、装置の運転を止めて、滞積した結晶を取り除く作業が必要となる。そのため、結晶製品の製造では、熱交換装置の度重なる停止によって製造効率が低下し、また、装置内に滞積した結晶の除去作業が必要なため作業効率が低下するといった問題がある。

なお、上述した従来技術の問題点は、熱交換装置を結晶製品の製造に用いる場合に限って生じる特有の問題点であって、その他の製品の製造では生じることはない。例えば前述した味噌の製造では、熱交換により味噌は冷却作用を受けるにすぎず、該冷却過程で結晶を生ずることはないので、上述したような問題は発生しない。

上記従来技術の問題点に鑑み、本発明の目的は、熱交換装置を用いた結晶製品の製造において、滞ることなく確実に結晶体を生成することができ、かつ、材料の入口・出口を閉塞することなく材料の流入・流出が円滑にかつ確実に行える熱交換装置を提供することにある。

上述した本発明の目的は、
シリンダ外周面に沿って流通する熱交換用流体と、シリンダ内に送入された結晶成分含有の被処理物との間で、シリンダを介して熱交換を行う熱交換装置であって、前記被処理物から結晶製品を製造するために用いられる装置において、
伝熱体として機能し、内部で前記被処理物を流通させるシリンダと、
前記シリンダ内に設けられた回転自在のシャフトと、
前記シャフトに設けられ、シリンダ内壁上で熱交換を受けて析出した結晶を掻き取るための掻取部材と、
前記シリンダ内に設けられ、掻取った前記結晶を含有する被処理物をシリンダ内で掻き乱すための攪乱部材と、
を有する熱交換装置によって達成される。

前記攪乱部材がピンから構成され、前記シャフト及び／又は前記シリンダ内壁に少なくとも１つ立設されている。当該ピンを、前記シャフト及び前記シリンダ内壁に櫛歯状に複数立設してもよい。

本発明によれば、シリンダ内には、掻取部材だけでなく、シリンダ内で被処理物を掻き乱すための攪乱部材も設けられている。
このような攪乱部材を設けることにより、シリンダ内を流動する被処理物に対して攪乱作用（被処理物を掻き乱して結晶の滞積や塊の形成を妨げ流動性を確保する作用）を与えることができる。このように、掻取られた結晶を多量に含む被処理物に対し攪乱作用を与えることで、結晶が滞積したり或いは結晶同士が結合して大きな塊を形成するのを防止できる。
その結果、シリンダ内での被処理物の流動性が確保され、被処理物が入口から円滑に流入し、また、出口から円滑に排出されるようになる。
したがって、シリンダの入口付近や出口付近の内壁に結晶が滞積することがなく、材料の出入り口が詰まって閉塞されるのを確実に防止できる。

本発明に係る熱交換装置を示す図である。 図２（Ａ）は図１のａ−ａ線に沿った拡大断面図であり、図２（Ｂ）は図１のｂ−ｂ線に沿った拡大断面図である。 図１に示す熱交換装置の製品出口側の構成を示す拡大図である。 本発明に係る熱交換装置の変形例を示す図である。 図４のｃ−ｃ線に沿った断面図であって、シャフト側のピンを回動させている状態を示している。 本発明に係る熱交換装置の他の変形例を示す図である。 従来の熱交換装置を示す図である。

以下、図１〜図６に基づいて本発明の具体的実施形態について説明する。
図１〜図３には本発明の実施形態の代表例を示し、図４〜図６には変形例を示す。

（熱交換装置の構成）
図１〜図３に示す本発明の熱交換装置は、原材料である被処理物が送入されるシリンダ２と、該シリンダの外壁に沿って熱交換用流体（熱媒又は冷媒）を流通させるためのジャケット４と、シリンダ２内に同軸的に設けられたシャフト６と、該シャフトを回転駆動するモータ８とを有している。シャフト６の外周面には、羽根状の掻取部材であるブレード６５と、攪乱部材であるピン７１が設けられている。

なお、本発明において「被処理物」とは、熱交換装置によって熱交換処理される流動性の原材料である。送入される被処理物は、結晶を析出させるための原材料（熱交換を受けて晶出する結晶成分を含んだ流動性材料）であり、１種に限らず、２種以上の被処理物が同時に送入される場合も含まれる。

シリンダ２は、反応容器として機能するとともに伝熱体として機能する。シリンダ２の両端側にはそれぞれ、原材料である被処理物を連続して送入するための原料入口２１と、熱交換作用を受けた被処理物が製品となって排出される製品出口２２とが設けられている。原料入口２１への被処理物の送入は、圧送ポンプを用いて行われる。シリンダ２内に送入されると、被処理物は、シリンダ内の熱交換領域２４において熱交換作用を受けるとともに、回動するブレード６５，６５…によって掻取られて、製品出口２２側へ押し流される。

シリンダ２の外周には、シリンダ外壁を囲繞するようにジャケット４が外装されている。ジャケット４の内側には、熱交換用流体（被処理物との間で熱交換される熱媒又は冷媒）を流通させるための円筒状空間４５が形成されている。熱交換用流体の具体例としては、スチームや温水などの熱媒や、チルドウォーターやブラインなどの冷媒が挙げられる。

ジャケット４の内側にある円筒状空間４５は、シリンダ外壁とジャケット内壁とによって画成されている。この円筒状空間４５には、供給口４１を介して熱交換用流体が流入し、シリンダ外壁に沿ってその周囲を流通し、熱交換作用に供されて排出口４２から排出される。熱交換用流体は、空間４５内を流通する過程で、シリンダ２を介してシリンダ内の被処理物との間で熱交換を受ける。なお、熱交換効率を上げるために、必要に応じて、ジャケット４に保温材を外装することも可能である。

シャフト６は、後述するブレード６５及びピン７１が設けられるシャフト本体６１と、回転自在に支持される両端の回転軸６２，６３とを有している。シャフト本体６１は、その両端がそれぞれシリンダ２の原料入口２１及び製品出口２２を臨むように位置決めされている。両端の回転軸６２，６３はそれぞれ、メカニカルシールされた状態で図示しない軸受によって回転自在によって支持されている。シャフト６の一端はモータ８の回転軸に連結されている。シャフト６の外周には、その軸方向に沿ってブレード６５（掻取部材）が複数配設されている。また本発明では、ブレード６５に加えて、シリンダ２内の材料を掻き乱すためのピン７１（攪乱部材）が複数立設されている。

本実施形態において、複数のブレード６５，６５…は、図１に示すようにシャフト軸方向では直列状に２列設けられ、また、図２（Ａ）の断面図に示すように周方向において180°間隔で２列設けられている。なお、ブレード６５，６５…の配置は図示するものに限定されず、例えば、ブレードを３列以上設けるようにしてもよい。或いは、複数のブレードを列状ではなく分散配置するようにしてもよい。

各ブレード６５は、図２（Ａ）に示すようにシャフト本体６１に植設されたベース６７に連結されており、それぞれがスクレーパのような掻取部材として機能する。シャフト６が回転している間、各ブレード６５はその先端部がシリンダ２の内壁に接触した状態で、該シャフトと一体となってシリンダ内壁に沿って回動する。

シリンダ６内の熱交換領域２４を流動する被処理物は、シリンダ内壁面（伝熱面）に接する部位において熱交換（急冷作用又は急熱作用）を受け、この熱交換を受けた部位は、回動するブレード６５，６５…の各先端部によって速やかに掻取られる。掻取られて空いた壁面上のスペースには、被処理物の別の部位が速やかに流れ込み、再び同様の熱交換と掻取りが行われる。したがって、被処理物がシリンダ内の熱交換領域２４を流動する過程で、被処理物に対する部分的な熱交換と当該部分に対する掻取が連続して行われ、最終的に、被処理物の全体に対して満遍なく熱交換が行われる。

ピン７１は、シャフト本体６１の両端に複数立設されており、各ピンが材料を掻き乱すための攪乱部材として機能する。図１〜図３に例示する実施形態では、櫛歯状に直列に並んだ一群のピン７１，７１…が、複数セット設けられている。原料入口２１と熱交換領域２４の間のシャフト部分（図１でシャフト本体６１の左端側）には、一例として、櫛歯状の並んだピン７１，７１…が、周方向に180°ずらして２セット設けられている。同様に、製品出口２２と熱交換領域２４の間のシャフト部分（図１でシャフト本体６１の右端側）にも、櫛歯状に並んだピンが２セット設けられている。シャフト本体６１の両端に設けられた櫛歯状のピン７１は、周方向の反対側にある櫛歯状のピン７１に対し、回動軌跡が重ならないようにずらした位置に立設されている（図３参照）。

図１でシャフト本体６１の右端側に立設されたピン７１，７１…は、後述する結晶製品の製造において、掻取った結晶によって製品出口２２が閉塞されるのを防止する役割を担っている。
一方、図１でシャフト本体６１の左端側に立設されたピン７１，７１…は、後述する結晶製品を循環式（送入→熱交換→排出→再送入…の繰り返し方式）で製造する場合において、掻取った結晶によって原料入口２１が閉塞されるのを防止する役割を担っている。

なお、ブレード６５及びピン７１の数・取付位置・寸法・形状は、図示するものに限定されず、用途やシリンダのサイズ等に応じて適宜変更することが可能である。

以下、本発明の熱交換装置の具体的作用について説明する。

（結晶製品を製造する場合の作用）
薬品などの結晶製品を製造する場合には、ジャケット４内に熱交換用流体として冷媒を供給し、シリンダ外壁に沿って流通させてシリンダ２を十分に冷却する。続いて、モータ８を駆動させてシャフト６を回転させるとともに、結晶成分を含んだ流動性材料（被処理物）を圧送ポンプで原料入口２１に連続送入する。原料入口２１からシリンダ２内に流入した材料は、圧送される後続の材料によってブレード６５が配設された方向へ押し流される。

続いて、シリンダ内の熱交換領域２４（ジャケット４が外装された範囲のシリンダ２内の領域）に達すると、材料中の結晶成分が、シリンダ内壁面に接する部分で熱交換（急冷）を受けて晶析するとともに、析出した結晶が凍てつく前に、回動するブレード６５，６５…の各先端部によって速やかに掻取られる（削り取られる）。したがって、材料が熱交換領域２４を流動する過程で、熱交換による晶析とブレード６５，６５…による結晶の掻取りが繰り返され、次第に材料中の結晶量が増し、やがて、所定の結晶を大量に含んだ低流動性のスラリー状材料（ざら目状）となって、当該熱交換領域２４から押し流される。

図１及び図３に示すように熱交換領域２４の外ではブレード６５が設けられていないため、過冷却状態の低流動性の材料は、シリンダ２の内壁や製品出口２２の内壁に滞積し易く、また、結晶同士が結合し易い状態となっており、従来装置であれば製品出口２２を閉塞する可能性がある。

しかしながら本発明では、シリンダ内の製品出口２２側に、材料を掻き乱す攪乱部材として回動するピン７１，７１…が立設されているため、熱交換領域から出てきた材料が掻き乱される。これにより、シリンダ内壁や製品出口の内壁への材料の滞積が妨げられ、また、結晶同士が結合して塊を形成している場合には、それを破砕して流動性が確保される。その結果、結晶を多量に含有するスラリー状の材料が、製品出口２２を閉塞することなく、押し流されて製品出口２２から円滑に排出される。

なお、排出されたスラリー状の材料は、結晶を分離するための次工程に供されてもよく、或いは、再度熱交換装置に送入して結晶量の増加を図るようにしてもよい。後者の場合（結晶量の増加を図る場合）には、シリンダに対して材料を循環させるようにしてもよい。ここでいう循環とは、シリンダ内の熱交換領域２４を経て製品出口２２から排出された材料を、原料入口２１を介して再びシリンダ内に再送入し熱交換領域２４に流通させること、すなわち、下記の工程１）〜４）を必要サイクル繰り返すことをいう。
１）原料槽に貯留された材料を原料入口２１からシリンダ内にポンプで送入する。
２）熱交換領域２４を流通する過程で熱交換（晶析）させとともに結晶を掻き取る。
３）製品出口２２から結晶混じりの材料を排出させる。
４）排出された結晶混じりの材料をもとの原料槽で受ける。

（変形例）
上述した実施形態は本発明の一例であって、特許請求の範囲の記載の範囲内で種々の変形例を採用することが可能である。

例えば、攪乱部材をなすピンの配置は、図１〜図３に示すものに限定されず、図４及び図５に示すような態様で配置することもできる。図４及び図５に示す熱交換装置では、シャフト本体６１に対し櫛歯状にピン７２（回動ピン）を複数立設するとともに、シリンダ内壁側にもピン７３（非回動の固定ピン）を複数配設している。シリンダ側の固定ピン７３は、回動ピン７２の動作の障害とならないように、該回動ピンの立設位置に対しずらした位置に設けられている。シャフト６と一体となって回動ピン７２が回動すると、該回動ピンは、シリンダ側の固定ピン７３，７３間の間隙（又は端にある固定ピン７３の脇）を通って擦れ違うようになっている。

なお図４には、製品出口２２側のピン配置の変形例について図示したが、同様のピン配置を、図１に示す原料入口２１側にも採用することが可能である。これにより、製品出口２２側の閉塞が防止されるだけでなく、原料入口２１側の閉塞も防止される。したがって、前述した循環式に熱交換を行う場合であっても、結晶の滞積と出入り口２１，２２の閉塞を確実に防止して、効率的に結晶の生成と材料の排出を行うことができる。

また図１では、シャフト本体６１の両端（原料入口２１側および製品出口２２側）に、ピン７１，７１…を配置する構成を図示しているが、これらのピンの取付位置は図示するものに限定されるものではない。本発明において、攪乱部材をなすピンは、シャフト本体６１の両端に限定されず、必要に応じて任意の位置に取り付けることが可能である。

例えば、用途に応じて、原料入口２１側にのみピンを備えたものや、逆に、製品出口２２側にのみピンを備えたものを提供することが可能である。

また、例えば図６に示すように、シリンダ２内の原料入口２１側および製品出口２２側に加えて、その中間領域（熱交換領域２４の範囲）にピン７２，７３を設けることも可能である。

その他、上述した実施形態では、断面円形のピンを用いているが、ピンの形状はこれに限定されるものではなく、断面楕円形、断面半円形、断面多角形（矩形・三角形・四角形、台形、楔形を含む）など、必要に応じて様々な形状を採用することが可能である。

２ シリンダ
４ ジャケット
６ シャフト
８ モータ
２１ 原料入口
２２ 製品出口
２４ 熱交換領域
４１ 供給口
４２ 排出口
４５ 円筒状空間
６１ シャフト本体
６２ 回転軸
６３ 回転軸
６４ ブレード
６５ ブレード（掻取部材）
６７ ベース
７１ ピン（攪乱部材）
７２ 回動ピン（攪乱部材）
７３ 固定ピン（攪乱部材）

Claims (3)

1. シリンダ外周面に沿って流通する熱交換用流体と、熱交換を受けて晶出する結晶成分を含んだ流動性の被処理物との間で、シリンダを介して熱交換を行う熱交換装置であって、
   前記被処理物の入口と出口を具備し、伝熱体として機能するシリンダと、
   前記シリンダ内に設けられた回転自在のシャフトと、
   前記シャフトに設けられ、シリンダ内壁上で熱交換を受けた被処理物を掻き取るための掻取部材と、
   前記シリンダ内の出口側に設けられ、該シリンダの出口から円滑に排出されるように被処理物を掻き乱して流動性を確保するための第１の攪乱部材と、
   前記シリンダ内の入口側に設けられ、該シリンダの入口から円滑に流入できるように被処理物を掻き乱して流動性を確保するための第２の攪乱部材と、
   を有することを特徴とする熱交換装置。
2. 前記攪乱部材がピンから構成され、前記シャフト及び／又は前記シリンダ内壁に少なくとも１つ立設されていることを特徴とする請求項１記載の熱交換装置。
3. 前記攪乱部材がピンから構成され、前記シャフト及び前記シリンダ内壁に櫛歯状に複数立設されていることを特徴とする請求項１記載の熱交換装置。

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