JP6310453B2 - チューブ式熱交換器 - Google Patents

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Description

本発明は、熱交換媒体と被熱交換流体との熱交換を行なうチューブ式熱交換器に関する。
従来のチューブ式熱交換器としては、例えば特開２０１０−２５３９４号公報に示されたものがある。これは、コルゲートスパイラルチューブ式熱交換器に、複数のスパイラルチューブに連通する被熱交換流体取入管と被熱交換流体取出管とを接続すると共に、熱交換器のシェルに連通する熱交換媒体供給管と熱交換媒体排出管とを接続したものである。
特開２０１０−２５３９４号公報
上記従来のチューブ式熱交換器は、被熱交換流体取入管からの被熱交換流体の流量が低下すると、複数のスパイラルチューブ内の被熱交換流体の流速が低下し、複数のスパイラルチューブ内での被熱交換流体の乱流が生じ難くなるために、被熱交換流体と熱交換媒体との熱交換効率が低下し、熱交換媒体として熱媒を用いる場合は被熱交換流体取出管から取出される被熱交換流体が設定温度以下に低下するおそれがあり、熱交換媒体として冷媒を用いる場合は被熱交換流体取出管から取出される被熱交換流体が設定温度以上に上昇するおそれがあった。また、被熱交換流体取入管からの被熱交換流体の流量が十分ある場合において、被熱交換流体取出管からの被熱交換流体の取出量が減少すると、スパイラルチューブ全体の伝熱面積が過剰となるために、被熱交換流体と熱交換媒体との熱交換が過剰となり、熱交換媒体として熱媒を用いる場合は被熱交換流体取出管から取出される被熱交換流体が設定温度以上に上昇するおそれがあり、熱交換媒体として冷媒を用いる場合は被熱交換流体取出管から取出される被熱交換流体が設定温度以下に低下するおそれがあった。
したがって本発明が解決しようとする課題は、被熱交換流体取入管からの被熱交換流体の流量が低下した場合や被熱交換流体取出管からの被熱交換流体の取出量が減少した場合に、被熱交換流体取出管から取出される被熱交換流体が設定温度以上に上昇したり設定温度以下に低下したりすることを防止できる熱交換器を提供することである。
上記の課題を解決するために、本発明のチューブ式熱交換器は、複数のチューブに連通する被熱交換流体取入管と被熱交換流体取出管とを接続すると共にシェルに連通する熱交換媒体供給管と熱交換媒体排出管とを接続したものにおいて、前記被熱交換流体取入管と前記複数のチューブとの間に、前記被熱交換流体取入管と前記複数のチューブの一部とを連通する連通路を設けるとともに、前記被熱交換流体取入管と前記複数のチューブの他部とを前記被熱交換流体取入管側から作用する力が前記複数のチューブの他部側から作用する力よりも大きくなったときに連通し小さくなったときに遮断する弁を設けたことを特徴とする。
本発明によれば、被熱交換流体取入管からの被熱交換流体の流量が低下すると、被熱交換流体取入管側から作用する力が減少して複数のチューブの他部側から作用する力よりも小さくなるので、弁が被熱交換流体取入管と複数のチューブの他部との間を遮断する。これにより、連通路を通して被熱交換流体が複数のチューブの一部にのみ供給され、複数のチューブの一部内の被熱交換流体の流速の低下を防止できるので、熱交換媒体として熱媒を用いる場合に被熱交換流体取出管から取出される被熱交換流体が設定温度以下に低下することがないとともに、熱交換媒体として冷媒を用いる場合に被熱交換流体取出管から取出される被熱交換流体が設定温度以上に上昇することがないという効果を奏する。
また、被熱交換流体取出管からの被熱交換流体取出量が減少すると、複数のチューブの他部側から作用する力が増加して被熱交換流体取入管側から作用する力が複数のチューブの他部側から作用する力よりも小さくなるので、弁が被熱交換流体取入管と複数のチューブの他部との間を遮断する。これにより、連通路を通して被熱交換流体が複数のスパイラルチューブの一部にのみ供給され、伝熱面積が過剰となることを防止できるので、熱交換媒体として熱媒を用いる場合に被熱交換流体取出管から取出される被熱交換流体が設定温度以上に上昇することがないとともに、熱交換媒体として冷媒を用いる場合に被熱交換流体取出管から取出される被熱交換流体が設定温度以下に低下することがないという効果を奏する。
本発明の実施の形態に係るチューブ式熱交換器の断面図。 図１の弁の断面図。 図２の弁の平面図。 本発明の別の実施の形態に係る弁の断面図。 図４の弁の平面図。
以下、本発明の実施の形態について、図１乃至図３を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態に係るチューブ式熱交換器の断面図であり、図２は図１の弁８の断面図であり、図３は図２の弁８の平面図である。チューブ式熱交換器としてのコルゲートスパイラルチューブ式熱交換器１に、複数のスパイラルチューブ２に連通する被熱交換流体取入管３と被熱交換流体取出管４とを接続すると共に熱交換器１のシェル（胴体の内部側空間）に連通する熱交換媒体供給管５と熱交換媒体排出管６とを接続する。被熱交換流体取出管４に開閉弁７を取り付ける。
図１乃至図２に示すように、被熱交換流体取入管３と複数のスパイラルチューブ２との間に、被熱交換流体取入管３と複数のスパイラルチューブの他部２ｂとを連通したり遮断したりする弁８を設ける。
図２乃至図３に示すように、弁８は、被熱交換流体取入管３と複数のスパイラルチューブの一部２ａとを連通する連通路９を備えており、スパイラルチューブ側フランジと被熱交換流体取入管側フランジの間に配置され図示しないボルトとナットからなる締結手段によって移動不能に挟持される。なお、図２乃至図３において、複数のスパイラルチューブ２は、それぞれ断面が円形状をなしており、複数のスパイラルチューブの一部２ａ及び複数のスパイラルチューブの他部２ｂとして図示している。
また、図示しているスパイラルチューブの一部２ａ及び複数のスパイラルチューブの他部２ｂは、複数のスパイラルチューブ２の全てを示したものではなく、実際には各チューブ間にもスパイラルチューブが密に詰まって存在する。なお、各スパイラルチューブの断面形状は、円形以外の形状であってもよい。例えば、各スパイラルチューブの断面形状は、断面が六角形等の多角形状であってもよい。
弁８の弁ケーシング１０に入口１１と環状弁座１２と出口１３とを形成する。弁ケーシング１０の内周壁に弁体１４の外周を案内するリブ１５を複数個例えば４個設ける。環状弁座１２の出口１３側にディスク状の弁体１４を配置する。リブ１５の溝に、中心に流体通過用孔を有するばね受け１６の外周を嵌めて配置し、弁体１４とばね受け１６との間に弁体１４を環状弁座１２に付勢するコイルばね１７を配置する。
弁８は、被熱交換流体取入管３側から作用する流体圧力による力が、複数のスパイラルチューブの他部２ｂ側から作用する流体圧力とコイルばね１７の弾性力と弁体１４の自重とを合わせた力よりも大きくなったときに、被熱交換流体取入管３と複数のスパイラルチューブの他部２ｂとを連通させる。
一方、弁８は、被熱交換流体取入管３側から作用する流体圧力による力が、複数のスパイラルチューブの他部２ｂ側から作用する流体圧力とコイルばね１７の弾性力と弁体１４の自重とを合わせた力よりも小さくなったときに、被熱交換流体取入管３と複数のスパイラルチューブの他部２ｂとの連通を遮断する。
弁８は、コイルばね１７を省略することができ、この場合、被熱交換流体取入管３側から作用する流体圧力による力が、複数のスパイラルチューブの他部２ｂ側から作用する流体圧力と弁体１４の自重とを合わせた力よりも大きくなったときに、被熱交換流体取入管３と複数のスパイラルチューブの他部２ｂとを連通させ、複数のスパイラルチューブの他部２ｂ側から作用する流体圧力と弁体１４の自重とを合わせた力よりも小さくなったときに、被熱交換流体取入管３と複数のスパイラルチューブの他部２ｂとの連通を遮断するようにすることもできる。
連通路９は弁８の外周の弁ケーシング１０に複数個例えば４個設ける。なお、連通路９は、弁８と一体に形成したり弁８とは別体に弁８の外側に設けたりすることができる。
被熱交換流体取入管３からの被熱交換流体は、例えば水からなる。この場合、熱交換媒体の熱媒は、水よりも高温の蒸気や温水からなり、熱交換媒体の冷媒は、水よりも低温の冷水からなる。また、被熱交換流体取入管３からの被熱交換流体は、水以外に、燃料やアルコールや飲料等の各種液体からなり、熱交換媒体の熱媒は、蒸気や温水以外に、被熱交換流体よりも高温のシリコーン油やダウサム等の各種液体や温風等の各種気体からなり、熱交換媒体の冷媒は、被熱交換流体よりも低温の液化窒素やブライン等の各種液体やフロンや二酸化炭素等の各種気体からなる。
被熱交換流体取入管３からの被熱交換流体の流量が低下すると、被熱交換流体取入管３側から作用する力が減少して、被熱交換流体取入管３側から作用する力が複数のスパイラルチューブの他部２ｂ側から作用する力（複数のスパイラルチューブの他部２ｂ側から作用する流体圧力とコイルばね１７の弾性力と弁体１４の自重とを合わせた力）よりも小さくなるので、弁体１４が環状弁座１２に着座し、弁８が被熱交換流体取入管３と複数のスパイラルチューブの他部２ｂとの間を遮断する。これにより、連通路９を通して被熱交換流体が複数のスパイラルチューブの一部２ａにのみ供給され、複数のスパイラルチューブの一部２ａ内の被熱交換流体の流速の低下を防止できるので、熱交換媒体として熱媒を用いる場合に被熱交換流体取出管４から取出される被熱交換流体が設定温度以下に低下することがないとともに、熱交換媒体として冷媒を用いる場合に被熱交換流体取出管４から取出される被熱交換流体が設定温度以上に上昇することがない。
また、被熱交換流体取出管４からの被熱交換流体取出量が減少すると、複数のスパイラルチューブ側から作用する力が増加して、被熱交換流体取入管３側から作用する力が複数のスパイラルチューブの他部２ｂ側から作用する力（複数のスパイラルチューブの他部２ｂ側から作用する流体圧力とコイルばね１７の弾性力と弁体１４の自重とを合わせた力）よりも小さくなるので、弁体１４が環状弁座１２に着座することにより、弁８が被熱交換流体取入管３と複数のスパイラルチューブの他部２ｂとの間を遮断する。これにより、連通路９を通して被熱交換流体が複数のスパイラルチューブの一部２ａにのみ供給され、伝熱面積が過剰となることを防止できるので、熱交換媒体として熱媒を用いる場合に被熱交換流体取出管４から取出される被熱交換流体が設定温度以上に上昇することがないとともに、熱交換媒体として冷媒を用いる場合に被熱交換流体取出管４から取出される被熱交換流体が設定温度以下に低下することがない。
本発明の別の実施の形態について、図４乃至図５を参照して説明する。図４は本発明の別の実施の形態に係る弁１８の断面図であり、図５は図４の弁１８の平面図である。図４乃至図５において、被熱交換流体取入管３と複数のスパイラルチューブとの間に、被熱交換流体取入管３と複数のスパイラルチューブの他部２ｂとを連通したり遮断したりする弁１８を設ける。
図４乃至図５に示すように、弁１８は、被熱交換流体取入管３と複数のスパイラルチューブの一部２ａとを連通する連通路１９を備えており、スパイラルチューブ側フランジと被熱交換流体取入管側フランジの間に配置され図示しないボルトとナットからなる締結手段によって移動不能に挟持される。
弁１８の弁ケーシング２０に入口２１と環状弁座２２と出口２３とを形成する。弁ケーシング２０の内周壁に弁体２４の外周を案内するリブ２５を複数個例えば４個設ける。環状弁座２２の出口２３側にディスク状の弁体２４を配置する。リブ２５の溝に、中心に流体通過用孔を有するばね受け２６の外周を嵌めて配置し、弁体２４とばね受け２６との間に弁体２４を環状弁座２２に付勢するコイルばね２７を配置する。
弁１８は、被熱交換流体取入管３側から作用する流体圧力による力が、複数のスパイラルチューブの側から作用する流体圧力とコイルばね２７の弾性力と弁体２４の自重とを合わせた力よりも大きくなったときに、被熱交換流体取入管３と複数のスパイラルチューブの他部２ｂとを連通させる。
一方、弁１８は、被熱交換流体取入管３側から作用する流体圧力による力が、複数のスパイラルチューブの側から作用する流体圧力とコイルばね２７の弾性力と弁体２４の自重とを合わせた力よりも小さくなったときに、被熱交換流体取入管３と複数のスパイラルチューブの他部２ｂとの連通を遮断する。
弁１８は、コイルばね２７を省略することができ、この場合、被熱交換流体取入管３側から作用する流体圧力による力が、複数のスパイラルチューブの側から作用する流体圧力と弁体２４の自重とを合わせた力よりも大きくなったときに、被熱交換流体取入管３と複数のスパイラルチューブの他部２ｂとを連通させ、複数のスパイラルチューブの側から作用する流体圧力と弁体２４の自重とを合わせた力よりも小さくなったときに、被熱交換流体取入管３と複数のスパイラルチューブの他部２ｂとの連通を遮断するようにすることもできる。
なお、連通路１９は、弁１８の弁体２４の中心に開けた貫通孔１９ａと弁体２４に溶接により固着した内側円筒１９ｂの内側とばね受け２６に溶接により固着するとともに内側円筒１９ｂが気密的に摺動する外側円筒１９ｃの内側とで形成する。
上記図１乃至図３に示す実施の形態及び図４乃至図５に示す実施の形態においては、スパイラルチューブを用いた熱交換器について説明したが、ストレートチューブやその他のチューブを用いた熱交換器に適用してもよい。
本発明は、熱交換媒体と被熱交換流体との熱交換を行なうチューブ式熱交換器に利用することができる。
１ コルゲートスパイラルチューブ式熱交換器
２ スパイラルチューブ
３ 被熱交換流体取入管
４ 被熱交換流体取出管
５ 熱交換媒体供給管
６ 熱交換媒体排出管
７ 開閉弁
８ 弁
９ 連通路
１０ 弁ケーシング
１１ 入口
１２ 環状弁座
１３ 出口
１４ 弁体
１５ リブ
１６ ばね受け
１７ コイルばね

Claims (5)

  1. チューブ式熱交換器に、複数のチューブに連通する被熱交換流体取入管と被熱交換流体取出管とを接続すると共にシェルに連通する熱交換媒体供給管と熱交換媒体排出管とを接続したものにおいて、前記被熱交換流体取入管と前記複数のチューブとの間に、前記被熱交換流体取入管と前記複数のチューブの一部とを連通する連通路を設けるとともに、前記被熱交換流体取入管と前記複数のチューブの他部とを前記被熱交換流体取入管側から作用する流体圧力による力が前記複数のチューブの他部側から作用する流体圧力を含む力よりも大きくなったときに連通し小さくなったときに遮断する弁を設け、前記連通路を前記弁の外周に設けたことを特徴とするチューブ式熱交換器。
  2. チューブ式熱交換器に、複数のチューブに連通する被熱交換流体取入管と被熱交換流体取出管とを接続すると共にシェルに連通する熱交換媒体供給管と熱交換媒体排出管とを接続したものにおいて、前記被熱交換流体取入管と前記複数のチューブとの間に、前記被熱交換流体取入管と前記複数のチューブの一部とを連通する連通路を設けるとともに、前記被熱交換流体取入管と前記複数のチューブの他部とを前記被熱交換流体取入管側から作用する流体圧力による力が前記複数のチューブの側から作用する流体圧力を含む力よりも大きくなったときに連通し小さくなったときに遮断する弁を設け、前記連通路を前記弁の弁体に設けたことを特徴とするチューブ式熱交換器。
  3. 前記複数のチューブが複数のコルゲートスパイラルチューブであることを特徴とする請求項１又は２に記載のチューブ式熱交換器。
  4. 前記複数のチューブの他部側から作用する流体圧力を含む力が前記複数のチューブの他部側の流体圧力と前記弁のコイルばねの弾性力及び弁体の自重とを合わせた力であることを特徴とする請求項１に記載のチューブ式熱交換器。
  5. 前記複数のチューブの他部側から作用する流体圧力を含む力が前記複数のチューブの他部側の流体圧力と前記弁の弁体の自重とを合わせた力であることを特徴とする請求項１に記載のチューブ式熱交換器。
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