JP6026692B1 - 多管式熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた熱交換効率と、被処理液体中の固形物の閉止板への堆積防止との両立を実現できる多管式熱交換器を提供する。【解決手段】固形物を含有する被処理液体が流通する複数の流通管２０の外側に熱交換媒体が流通するように構成した収納管４０、及び収納管４０の開口を閉止する閉止板を備えた少なくとも一本以上の熱交換器本体１０と、被処理液体の液体導入部材とを備える多管式熱交換器であって、液体導入部材との連結部には出口側を含めた他の部分の小径部より大径の大径連結部４３を有し、大径連結部４３は出口側に設けられた閉止板３１より大径の大径閉止板３２で閉止され且つ液体導入部材に接続されており、複数の流通管２０は小径部４２内では隣接する管との間隔が所定寸法で配置され、大径連結部４３内では大径閉止板３２に近いほど間隔が大きい大間隔となっている。【選択図】図２

Description

本発明は、多管式熱交換器に関し、特に、固形物を含む流体食品などの液体を処理する場合に適用して有用なものである。

従来、被処理液体を効率的に加熱又は冷却するために、多管式熱交換器が用いられている。多管式熱交換器は、収納管（シェル）の内部に複数の流通管（チューブ）を並列に配置した熱交換器本体を備えている。また、収納管の両端の開口には、当該開口を閉止する閉止板が取り付けられている。閉止板には複数の貫通孔が形成されており、各貫通孔に、収納管の内部に収容された各流通管が連結されている。

多管式熱交換器は、熱交換器本体を少なくとも一本以上と、熱交換器本体の入口側に接続する液体導入部材を備えている。一方の熱交換器本体から排出された被処理液体は液体導入部材を介して他方の熱交換器本体の閉止板に開口した各流通管内に流入する。一方、収納管の内部であり、かつ流通管の外部の空間には熱交換媒体が流通可能となっている。このような構成とすることで、多管式熱交換器では、収納管内の熱交換媒体と流通管内の被処理液体とで熱交換が行われる。

ここで、被処理液体に固形物を含む場合、例えば、果実ジュースのように「さのう」と称される繊維を含むような場合においては、「さのう」が閉止板の表面に現れた流通管の各開口部の間に堆積する場合がある。

そこで、流通管の間隔を繊維の大きさよりも大きくなるように流通管を閉止板に固定することにより、繊維の堆積を防止した多管式熱交換器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、流通管の間隔を大きくすると、熱交換の効率が低下するという問題がある。また、特許文献１には、流通管に間隔を拡げた分配管を接続した構造も提案されているが、複数の流通管と複数の分配管とを正確に接続するには、製造工程が非常に煩雑化するという問題がある。また、分配管を流通する際にエネルギーロスが発生するという問題もある。

そこで、優れた熱交換効率と、被処理液体中の固形物の閉止板への堆積防止との両立を図った多管式熱交換器の提供が望まれている。

特許第４２９６１１７号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、優れた熱交換効率と、被処理液体中の固形物の閉止板への堆積防止との両立を実現できる多管式熱交換器を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の第１の態様は、固形物を含有する被処理液体が内部を流通する複数の流通管、前記流通管を収納するとともに該流通管の外側に熱交換媒体が流通するように構成した収納管、及び前記流通管の開口が前記収納管の開口に露出するように保持するとともに前記収納管の開口を閉止する閉止板を備えた少なくとも一本以上の熱交換器本体と、前記熱交換器本体の入口側に接続して前記被処理液体の流路を構成する液体導入部材とを備える多管式熱交換器であって、前記熱交換器本体の前記収納管は、円筒状に形成された小径部と、前記入口側の前記液体導入部材との連結部側の一部に設けられ且つ前記小径部より大径の大径連結部とを有し、該大径連結部の前記小径部側にはテーパー部が設けられ、前記小径部の前記出口側は閉止板で閉止される一方、前記大径連結部は前記閉止板より大径の大径閉止板で閉止され且つ前記液体導入部材に接続されており、前記収納管内の複数の前記流通管は、前記小径部内では隣接する管の間の間隔が所定寸法で配置され、前記大径連結部内では、前記大径閉止板に近いほど前記間隔が大きくなって前記大径閉止板との接続端部の隣接する管の間の間隔が前記所定寸法より大きい大間隔となっていることを特徴とする多管式熱交換器にある。

かかる第１の態様では、流通管同士の間隔は、収納管内の大部分において熱交換効率が高い所定寸法であり、液体導入部材に連結される熱交換器本体の被処理液体が流入される流入側の大径連結部内の大径閉止板との接続端部において所定寸法より大きい大間隔となっていることにより、熱交換効率を高く維持し、且つ被処理流体の流入側の閉止板の表面において、固形物が付着、堆積することを抑制することができる。

本発明の第２の態様は、第１の態様に記載する多管式熱交換器において、前記流通管は、前記小径部内と前記大径連結部内とで連続した管であることを特徴とする多管式熱交換器にある。

かかる第２の態様では、収納管内の流通管は、小径部内と大径連結部内とで連続しているので、流通管を接続することなく熱交換器本体を製造でき、液漏れ等の虞もない。

本発明の第３の態様は、第１又は２の態様に記載する多管式熱交換器において、前記収納管は、前記小径部と前記大径連結部とで連続した管であることを特徴とする多管式熱交換器にある。

かかる第３の態様では、収納管内は、小径部と大径連結部とで連続しているので、収納管を接続することなく熱交換器本体を製造でき、液漏れ等の虞もない。

本発明の第４の態様は、第１〜３の何れかの態様に記載する多管式熱交換器において、前記液体導入部材は、前記大径連結部に接続された円筒状流路部材と、該円筒状流路部材の側面に接続されて前記被処理液体が導入される導入管とで構成されることを特徴とする多管式熱交換器にある。

かかる第４の態様では、液体導入部材を比較的容易に構成できる。

本発明の第５の態様は、第４の態様に記載する多管式熱交換器において、前記円筒状流路部材の前記大径閉止板に対向した端面は、内側が凹面となる凹面又は球面であることを特徴とする多管式熱交換器にある。

かかる第５の態様では、被処理液体が導入される液体導入部材内において、大径閉止板に対向する端面の周縁部や大径閉止板の表面において、固形物が付着、堆積することをより確実に抑制することができる。

本発明の第６の態様は、第１〜５の何れかの態様に記載する多管式熱交換器において、前記熱交換器本体を二本以上有し、一対の前記熱交換器本体の前記収納管同士を接続して前記被処理液体の流路を構成する液体接続部材を備え、前記液体接続部材は、前記収納管の前記出口側に接続される出口側流路部材と、前記液体導入部材と、前記出口側流路部材と前記液体導入部材とを連結する連結管とを有することを特徴とする多管式熱交換器にある。

かかる第６の態様では、一対の前記熱交換器本体同士を接続する液体接続部材においても、被処理液体が流入される流入側の大径連結部内の大径閉止板との接続端部において所定寸法より大きい大間隔となっていることにより、熱交換効率を高く維持し、且つ被処理流体の流入側の閉止板の表面において、固形物が付着、堆積することを抑制することができる。

本発明の第７の態様は、第１〜６の何れかの態様に記載する多管式熱交換器において、前記大径連結部内の前記大径閉止板との接続端における隣接する前記流通管の流路同士の間の間隔は、前記被処理液体に含有される前記固形物の最大長さの寸法の分布の２σにおける寸法の７０％の寸法より大きく設定されていることを特徴とする多管式熱交換器にある。

かかる第７の態様では、被処理液体が導入される熱交換器本体の大径閉止板の表面において、固形物が付着、堆積することをより確実に抑制することができる。

本発明によれば、優れた熱交換効率と、被処理液体中の固形物の閉止板への堆積防止との両立を図った多管式熱交換器が提供される。

本実施形態に係る多管式熱交換器に用いられる液体導入部材の平面図である。 本実施形態に係る多管式熱交換器の要部断面図である。 図２のＡ−Ａ′線断面図である。 図２のＢ−Ｂ′線断面図である。 被処理液体の流れの状態を示す模式図である。

以下、本発明を実施するための形態について説明する。なお、実施形態の説明は例示であり、本発明は以下の説明に限定されない。

〈実施形態１〉
図１は本実施形態に係る多管式熱交換器平面図であり、図２はその要部断面図であり、図３及び図４は図２のＡ−Ａ′線及びＢ−Ｂ′線断面図である。これらの図を用いて本実施形態に係る多管式熱交換器について説明する。

図示するように、多管式熱交換器１（以降、熱交換器１ともいう）は、被処理液体の熱交換を行う多管式熱交換器本体１０（以降、熱交換器本体１０ともいう。）を少なくとも２つ以上と、一対の熱交換器本体１０に着脱自在に取り付けられる液体接続部材５０とを備える。固形物を含有する被処理液体は、特に限定はないが、例えば、果実や野菜を由来とする繊維などの固形物を含む果実飲料などを被処理液体として挙げることができる。

本実施形態に係る熱交換器１は、例として、２本の熱交換器本体１０を有する。以後、二本の熱交換器本体１０を区別して説明する際には、熱交換器本体１０ａ、熱交換器本体１０ｂと記載する。２本の熱交換器本体を区別せずに説明する際には、熱交換器本体１０と記載する。

熱交換器本体１０は、被処理液体が内部を流通する流通管２０と、流通管２０を固定する閉止板３０と、流通管２０が収納される収納管４０とを備えている。

流通管２０は、被処理液体が流通する部材であり、流通管２０の内部である流路２１に被処理液体が流通する。本実施形態では、流通管２０は、円筒状に形成されている。

収納管４０は、流通管２０を内部の流路４１に収納するとともに、流通管２０の外側に熱交換媒体が流通するように構成した管状の部材である。本実施形態では、収納管４０は、複数の流通管２０を流路４１に収容し得る内径を有する円筒状に形成された小径部４２と、小径部４２の一端側に接続された、相対的に大径の大径連結部４３とからなる。すなわち、収納管４０は、小径部４２と、大径連結部４３とを接続することにより構成され、大径連結部４３の小径部４２との接続端にはテーパー部４３ａが設けられている。閉止板３０は、収納管４０の一端部である小径部４２の開口部４４を閉止する閉止板３１と、他端部である大径連結部４３の開口部４５を閉止する大径閉止板３２とからなる。

閉止板３１及び大径閉止板３２は、流通管２０の開口部２２が収納管４０の開口部４４、４５に露出するように保持するとともに収納管４０の開口部４４、４５を閉止する部材である。具体的には、閉止板３１及び大径閉止板３２は、流通管２０が挿通する貫通孔を複数有する円板状の部材として形成されている。

閉止板３１及び大径閉止板３２の各貫通孔には、複数（本実施形態では７本）の流通管２０が挿通され、流通管２０の開口部２２を形成する端面と閉止板３１及び大径閉止板３２の表面３１１、３２１とがほぼ面一となった状態で、溶接などにより閉止板３１及び大径閉止板３２に固定されている。このように、各流通管２０の端部は閉止板３１及び大径閉止板３２に直交するように閉止板３１及び大径閉止板３２に保持されている。

本実施形態では、小径部４２の内径と同一の外径を有する閉止板３１に保持された隣接する流通管２０の間の間隔Ｄ１は、小径部４２内の流通管２０の間の間隔と同じである。一方、大径連結部４３の内径と同一の外径を有する大径閉止板３２に保持された隣接する流通管２０の間の間隔Ｄ２は、間隔Ｄ１より大きい大間隔となっている。よって、小径部４２から大径連結部４３内に連続的に配置される流通管２０は、大径連結部４３内に、小径部４２側から大径閉止板３２に近付くほど、間隔が大きくなるように円周方向外側の流通管２０が屈曲した拡開部２５を有し、拡開部２５の端部が大径閉止板３２に保持されている。

流通管２０を保持した閉止板３１及び大径閉止板３２は、収納管４０の両端の開口部４４、４５を閉止し、収納管４０に固定されている。このように流通管２０を保持した閉止板３１及び大径閉止板３２が収納管４０の両端の開口部４４、４５を閉止することで、流通管２０に流通する被処理液体とは混合することなく、熱交換媒体が流通する流路４１が形成されている。

また、収納管４０の開口部４４、４５に近い端部には、収納管４０の流路４１を連通する連通管４６が設けられており、各収納管４０の流路４１は、一方向に連通するように連結されている。

このように、収納管４０の流路４１に供給された熱交換媒体は、流路４１内に配置された流通管２０の表面に接触することで、流通管２０の流路２１内の被処理液体と熱交換することが可能となっている。

また、液体接続部材５０は、被処理液体が流通する流路を構成する部材であり、一対の熱交換器本体１０を連結するものである。本実施形態では、一方の熱交換器本体１０ａにおいて被処理液体を熱交換した後、当該被処理液体を他方の熱交換器本体１０ｂに導入して熱交換を連続的に行うとする。このような場合、液体接続部材５０は、熱交換器本体１０ａにおいて熱交換した被処理液体を、熱交換器本体１０ｂに導入する流路として機能する。

本実施形態に係る液体接続部材５０は、小径部４２の端部に接続される出口側の円筒状流路部材５１と、入口側の大径連結部４３に接続される大径の円筒状流路部材５２と、これら円筒状流路部材５１、５２の側面同士を連結する連通管５３とを備えている。入口側の円筒状流路部材５２が液体導入部材となる。

円筒状流路部材５１は、小径部４２と同じ内径を有する円筒部材５１１と、円筒部材５１１の小径部４２とは反対側の端部に接合された、内側が凹面となるように球面状部材５１２とを具備し、球面状部材５１２の凹面が閉止板３１に対向するように接続されている。また、円筒状流路部材５２は、大径連結部４３と同じ内径を有する円筒部材５２１と、円筒部材５２１の大径連結部４３とは反対側の端部に接合された、内側が凹面となるように球面状部材５２２とを具備し、球面状部材５２２の凹面が大径閉止板３２に対向するように接続されている。ここで、円筒部材５１１と球面状部材５１２、及び円筒部材５２１と球面状部材５２２とは溶接により接合されている。

また、円筒状流路部材５１と円筒状流路部材５２とは、円筒部材５１１、５２１の側面で連通管５３を介して連結されている。

球面状部材５１２、５２２は、完全な球面を意味するものではなく、被処理液体が流通する流路を構成する内面が略球又は略楕円となっているものも含む。本実施形態では、球面状部材５１２、５２２は、内面が略球面状となるように形成されている。なお、特に、下流側の円筒状流路部材５２に関しては、全体を球面状としてもよい。また、球面状部材５１２、５２２を特に設けずに、平面の端面としてもよい。しかしながら、液体導入部材である円筒状流路部材５２に球面状部材５２２を設けないと、導入される被処理液体の流れを乱す効果が得られず、固形物が大径閉止板３２上に堆積するのを抑制する効果が低下する。

また、円筒状流路部材５１、５２には、開口部の外側に突出したフランジ部５１３、５２３が形成され、大径連結部４３の開口部にもフランジ部４３１が設けられている。一方、各収納管４０の小径部４２の開口部にも、外側に突出したフランジ部４２１が形成されている。フランジ部５１３及びフランジ部４２１は、互いに当接した状態で、図示しないクランプにより締め付けられて固定され、また、フランジ部５２３及びフランジ部４３１は図示しないクランプにより締め付けられて固定されている。

このように液体接続部材５０を各熱交換器本体１０ａ、１０ｂの収納管４０に接続し、クランプで固定することで、被処理液体は、熱交換器本体１０ａの流通管２０から排出され、液体接続部材５０の円筒状流路部材５１内で合流し、連通管５３及び円筒状流路部材５２を経て熱交換器本体１０ｂの各流通管２０に流入する。すなわち、複数の熱交換器本体１０に被処理液体を連続的に流通させて熱交換させることができる。

ここで、図３に示すように、小径部４２に設けられた閉止板３１の貫通孔に接合された流通管２０の間の間隔は、Ｄ１となり、大径連結部４３に設けられた大径閉止板３２の貫通孔に接合された流通管２０の間の間隔は、Ｄ１より大きい大間隔であるＤ２となっている。よって、円筒状流路部材５２から大径閉止板３２に接合された各流通管２０に被処理液体が流入していく際に、被処理液体中の固形物が大径閉止板３２の表面３２１、すなわち、流通管２０の開口部２２の間に堆積するのが抑制される。また、小径部４２内の流通管２０の間隔はＤ１と小さくなっているので、熱交換効率は高く保たれている。

大径閉止板３２における固形物の堆積を抑制するためには、図４に示すように、大径連結部４３内の大径閉止板３２における隣接する流通管２０の流路同士の間の間隔Ｄ３は、被処理液体に含有される固形物（固形物が平面状又は立体状であればその最大長さ）の寸法の分布の２σにおける寸法（２σ最大値という）より大きくなっているのが望ましく、さらに好ましくは、３σにおける寸法（３σ最大値）より大きくなっているのが望ましい。

このような大径閉止板３２とすると、円筒状流路部材５２の球面状部材５２２を設けなくても、固形物の大径閉止板３２上への堆積が防止できることがわかっている。

すなわち、球面状部材５２２を設けない場合でも、大径連結部４３内の大径閉止板３２における流通管２０の流路間の間隔Ｄ３を、被処理液体に含有される固形物（固形物が平面状又は立体状であればその最大長さ）の寸法の分布の２σにおける寸法（２σ最大値という）とすると、２σ以内の固形物の大径閉止板３２における堆積を抑制することができる。また、間隔Ｄ３を３σにおける寸法（３σ最大値）とすると、３σ以内の固形物の大径閉止板３２における堆積を抑制することができる。

本実施形態では、円筒状流路部材５２に円筒部材５２１と球面状部材５２２を設けているので、図４に示すように、大径連結部４３内の大径閉止板３２における流通管２０の流路間の間隔Ｄ３は、被処理液体に含有される固形物（固形物が平面状又は立体状であればその最大長さ）の寸法の分布の２σにおける寸法（２σ最大値という）の７０％の寸法より、好ましくは８０％の寸法より大きくなっていれば、２σ以内の固形物の大径閉止板３２における堆積を抑制することができる。また、好ましくは、３σにおける寸法（３σ最大値）の７０％の寸法より、好ましくは８０％の寸法より大きくなっていれば、３σ以内の固形物の大径閉止板３２における堆積を抑制することができる。

本実施形態における固形物の堆積の抑制は、以下のようになると推定される。

円筒状流路部材５２に円筒部材５２１と球面状部材５２２を設けているので、図５（ａ）に示すように、連通管５３から導入された被処理液体は、球面状部材５２２の内面の凹面に沿った流れが形成され、これが大径閉止板３２に表面に沿った流れが形成される。また、図５（ｂ）に示すように、連通管５３から導入された被処理液体は、円筒部材５２１の連通管５３に対向する側面に沿って戻る流れが形成され、これも大径閉止板３２の表面に沿った流れになる。すなわち、円筒部材５２１内においては、流通管２０に被処理液体が流入するとともに、大径閉止板３２に平行な面及び直交方向（閉止板３０の面に垂直な方向）に流れが形成され、「さのう」など被処理液体中の固形物が大径閉止板３２の各流通管２０の間に付着したとしても、該固形物を被処理液体の流れにより、大径閉止板３２の表面に沿った方向に押し流し、さらには、大径閉止板３２の表面から剥離させることができ、堆積することが防止される。

よって、このような流れによる堆積抑制と、間隔Ｄ３を大きくすることによる堆積抑制とが相俟って、間隔Ｄ３を大きくする率を低減することができるという効果がある。

なお、多管式熱交換器１の最も上流側の多管式熱交換器本体１０の入口側には大径連結部４３が設けられ、端部は、大径閉止板３２で閉止され、液体導入部材５５が接続されている。液体導入部材５５は、円筒状流路部材５２と同様に円筒部材５２１と球面状部材５２２とからなり、円筒部材５２１の側面には、被処理液体を導入する導入管５６が接続されている。

〈他の実施形態〉
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の基本的な構成は上述したものに限定されるものではない。

例えば、液体接続部材５０は、熱交換器本体１０に着脱可能な別体のものであったが、熱交換器本体１０と一体的な構成としてもよい。

また、熱交換器本体１０を複数本有するものとしたが、１本であってもよい。

１ 多管式熱交換器（熱交換器）
１０、１０ａ、１０ｂ 多管式熱交換器本体（熱交換器本体）
２０ 流通管
３０、３１ 閉止板
３２ 大径閉止板
４０ 収納管
４２ 小径部
４３ 大径連結部
５０ 液体接続部材
５１ 円筒状流路部材
５２ 円筒状流路部材（液体導入部材）
５３ 連通管
５５ 液体導入部材
５６ 導入管
５１１、５２１ 円筒部材
５１２、５２２ 球面状部材

Claims (7)

1. 固形物を含有する被処理液体が内部を流通する複数の流通管、前記流通管を収納するとともに該流通管の外側に熱交換媒体が流通するように構成した収納管、及び前記流通管の開口が前記収納管の開口に露出するように保持するとともに前記収納管の開口を閉止する閉止板を備えた少なくとも一本以上の熱交換器本体と、
   前記熱交換器本体の入口側に接続して前記被処理液体の流路を構成する液体導入部材とを備える多管式熱交換器であって、
   前記熱交換器本体の前記収納管は、円筒状に形成された小径部と、前記入口側の前記液体導入部材との連結部側の一部に設けられ且つ前記小径部より大径の大径連結部とを有し、該大径連結部の前記小径部側にはテーパー部が設けられ、前記小径部の前記出口側は閉止板で閉止される一方、前記大径連結部は前記閉止板より大径の大径閉止板で閉止され且つ前記液体導入部材に接続されており、
   前記収納管内の複数の前記流通管は、前記小径部内では隣接する管の間の間隔が所定寸法で配置され、前記大径連結部内では、前記大径閉止板に近いほど前記間隔が大きくなって前記大径閉止板との接続端部の隣接する管の間の間隔が前記所定寸法より大きい大間隔となっている
   ことを特徴とする多管式熱交換器。
2. 請求項１に記載する多管式熱交換器において、
   前記流通管は、前記小径部内と前記大径連結部内とで連続した管である
   ことを特徴とする多管式熱交換器。
3. 請求項１又は２に記載する多管式熱交換器において、
   前記収納管は、前記小径部と前記大径連結部とで連続した管である
   ことを特徴とする多管式熱交換器。
4. 請求項１〜３の何れか一項に記載する多管式熱交換器において、
   前記液体導入部材は、前記大径連結部に接続された円筒状流路部材と、該円筒状流路部材の側面に接続されて前記被処理液体が導入される導入管とで構成される
   ことを特徴とする多管式熱交換器。
5. 請求項４に記載する多管式熱交換器において、前記円筒状流路部材の前記大径閉止板に対向した端面は、内側が凹面となる凹面又は球面である
   ことを特徴とする多管式熱交換器。
6. 請求項１〜５の何れか一項に記載する多管式熱交換器において、
   前記熱交換器本体を二本以上有し、
   一対の前記熱交換器本体の前記収納管同士を接続して前記被処理液体の流路を構成する液体接続部材を備え、
   前記液体接続部材は、前記収納管の前記出口側に接続される出口側流路部材と、前記液体導入部材と、前記出口側流路部材と前記液体導入部材とを連結する連結管とを有する
   ことを特徴とする多管式熱交換器。
7. 請求項１〜６の何れか一項に記載する多管式熱交換器において、
   前記大径連結部内の前記大径閉止板における隣接する前記流通管の流路同士の間の間隔は、前記被処理液体に含有される前記固形物の最大長さの寸法の分布の２σにおける最大長さの寸法の７０％の寸法より大きく設定されている
   ことを特徴とする多管式熱交換器。

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