JP6435100B2 - 液膜形成部材および液膜式熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、鉛直方向に配置された伝熱管等の液体流下管の上部開口に装着されて、上記液体流下管の内壁に液体の均一な膜を形成させるための液膜形成部材およびこれを装着した液膜式熱交換器に関するものである。

多管式の熱交換器であって、伝熱管を鉛直方向に配置して液体を当該伝熱管内に流下させる液膜式熱交換器は、伝熱管を水平方向に配置した横型の熱交換器と比較して圧力損失が少なく、よって当該伝熱管の前後における差圧が小さいために、特に上記液体と熱媒体との温度差が小さい場合においても効率的な熱交換を行うことができるという利点がある。このため、この種の液膜式熱交換器は、様々な分野において、蒸発器、冷却器あるいは濃縮器として用いられている。

ところで、上記液膜式熱交換器は、通常本体の上部から内部に液体を供給し、内部の上部管板上に一定量滞留させながら、ヘッドによって連続的に上記伝熱管内に流下させるものであるために、本体内の伝熱管外を流れる熱媒体と効率的に熱交換を行わせるためには、極力上記液体を、伝熱管の内壁に沿って均一な液膜を形成させつつ流下させることが望ましい。

一方、従来の液膜式熱交換器においては、図１０に示すように、上部管板４０に上端部が固定されて当該上部管板４０上に開口する伝熱管４１の上端開口４１ａに、上端部にＶ字状の切欠き部４２が周方向に等間隔をおいた複数個所（図では４箇所）に形成された円筒状の分配器４３を嵌入して、上部管板４０上に層状をなす液体を、切欠き部４２から伝熱管４１内に流下させる構成が多く採用されている。

ところが、上記従来の液膜式熱交換器にあっては、図１１に示すように、条件によっては液体Ｒが切欠き部４２から勢いよく伝熱管４１の内部に流入するために、伝熱管４１の内壁４１ａに沿う液膜を形成させることができないという問題点があった。

そこで、例えば下記特許文献１においては、図１２に示すように、垂直に配置された伝熱管５０の上端開口に設けられ、伝熱管５０の上方に貯留された液体を伝熱管５０に流入させて伝熱管５０の内面５０ａに薄膜を形成する液膜形成用キャップであって、上面５１ａが封止され底面が開口した中空円柱状のキャップ本体５１と、このキャップ本体５１の周壁に形成され、液体が旋回流を生じる方向に上面５１ａから垂直下方に向かって延在する切欠部５２とを備える液膜形成用キャップが提案されている。

特開２０１１−２５７０６５号公報

しかしながら、上記従来の液膜形成用キャップによれば、中空円柱状のキャップ本体５１の内面５１ｂが、伝熱管５０の内面５０ａよりも内方に位置しているために、切欠部５２から流入した液体がキャップ本体５１の内面５１ｂにおいて旋回流を生じても、キャップ本体５１の下端部からそのまま下方に流下し易く、伝熱管５０の内面５０ａに液膜を形成させる効果は小さい。加えて、キャップ本体５０の上面５１ａが封止されているために、伝熱管５０内における熱交換で蒸発ガスが生成される用途には用いることができない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、確実に液体を鉛直方向に配置された伝熱管等の液体流下管の内壁に沿って均一な液膜を形成させて流下させることができる液膜形成部材およびこれを装着した液膜式熱交換器を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、軸線を鉛直方向に向けて配置された複数本の液体流下管の上端開口部に装着される液膜形成部材であって、筒状に形成され、かつ外周面に、当該外周面から軸線と直交する方向に突出して上記液体流下管の内壁に嵌入される支持部が形成された第１部材と、上記第１部材の内部に設けられて筒状に形成された内筒部材とを備え、上記支持部が、上記外周面の周方向に間隔をおいた複数箇所に形成され、上記第１部材の径方向内方および上記第１部材の軸線方向の両端に開口する中空に形成されることにより、上記支持部間に上記第１部材の軸線と直交する方向に凹状をなすとともに上記第１部材の軸線方向に直線状に延在して両端に開口する流路形成凹部が形成されるとともに、上記内筒部材により上記支持部において上記径方向内方への開口が塞がれて上記第１部材の軸線方向の両端に開口する第２の流路が形成されてなることを特徴とするものである。

そして、請求項２に記載の発明は、軸線方向を鉛直方向に向けて配置される筒状の胴板の両端部が鏡板によって塞がれた本体と、この本体内の上下部に水平に配置されて当該本体内を区画する上部管板および下部管板と、これら上下部管板間に並列的に配置された複数本の伝熱管とを備えてなり、かつ上記上部管板から突出する上記伝熱管の上端開口部に、請求項１に記載の液膜形成部材がその一部を上記伝熱管から上方に突出させて装着されていることを特徴とするものである。

請求項１〜２のいずれかに記載の発明によれば、筒状に形成された液膜形成部材の外周面に、伝熱管等の液体流下管の内壁に嵌入される支持部を形成するとともに、これら支持部間に、軸線と直交する方向に凹状をなし、かつ上記軸線方向に直線状に延在して両端に開口する流路形成凹部を形成しているために、液膜形成部材の上端から流路形成凹部に流入した液体を上記流路形成凹部内において液体流下管の内壁に沿って下端部まで案内して、そのまま液体流下管の内壁に沿って周方向に拡がらせつつ均一な液膜を形成させて流下させることができる。

さらに、液膜形成部材が筒状に形成されている場合に、支持部を中空に形成するとともに、液膜形成部材の内部に上記支持部の内方への開口を塞ぐ内筒部材を設けているために、上記支持部と内筒部材との間に軸線方向の両端に開口する第２の流路を形成することができる。

この結果、液層の液面から支持部間の流路形成凹部内に流入している状態から、さらに液量が増加した際には、それよりも上方に位置する液膜形成部材の上端部から、支持部内に形成されている上記第２の流路を通じても、液体を液体流下管の内壁に沿って流下させることが可能になる。

本発明に係る液膜式熱交換器の一実施形態を示す一部断面視した斜視図である。 図１の要部であって本発明に係る液膜形成部材の第１の実施形態を装着した状態を示す一部断面視した斜視図である。 （ａ）は図２の平面図、（ｂ）は上記液膜形成部材の第１変形例を示す平面図、（ｃ）は第２変形例を示す平面図、（ｄ）は第３変形例を示す平面図である。 図２の作用を説明するための斜視図である。 本発明に係る液膜形成部材の第２の実施形態を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）や正面図、（ｃ）は底面図である。 本発明に係る液膜形成部材の第３の実施形態を示す斜視図である。 （ａ）は図６の平面図、（ｂ）は同じく正面図である。 図６の状態から液量が増加した状態を示す斜視図である。 （ａ）は図８の平面図、（ｂ）は同じく要部の正面図である。 従来の分配器を示す斜視図である。 図１０の分配器による液体の流下状態を模式的に示す縦断面図である。 従来の液膜形成用キャップを示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は縦断面図である。

図１〜図３は、本発明の液膜形成部材の第１の実施形態を装着した本発明の液膜式熱交換器（以下、熱交換器と略す。）の実施形態を示すもので、図中符号１がこの熱交換器の本体である。
この本体１は、軸線方向を鉛直方向に向けて配置される円筒状の胴板２の両端部が鏡板３によって塞がれた周知のもので、この本体１内に伝熱管アッセンブリが収納されている。この伝熱管アッセンブリは、円板状の上部管板４および下部管板５間に複数本の伝熱管（液体流下管）６が並列的に設けられて上下部管板４、５に気密的あるいは液密的に一体化されたものである。そして、この伝熱管アッセンブリは、上下部管板４、５の外周部分が各々シール材を介して胴板２および鏡板３のフランジ間に挟まれ、ボルト結合されることにより本体１内に取り付けられている。

そして、上側の鏡板３の頂部に、散水器１９を備えた液体の供給口３ａが設けられ、下側の鏡板３の底部に、上記液体の排出口３ｂが設けられている。他方、胴部２の上部に熱媒体の供給口２ａが設けられるとともに、供給口２ａに対して径方向の反対側の下部に、熱媒体の排出口２ｂが設けられている。

ここで、伝熱管６は、その上下端部を上下部管板４、５から鏡板３内へ数ｍｍ突出させて上下部管板４、５に固定されており、上端開口部に、液膜形成部材７がその一部を鏡板３側に突出させて装着されている。

この液膜形成部材７は、図２および図３（ａ）に示すように、全体として略円筒状の部材で、外径が装着される伝熱管６内にきつく嵌合する寸法に形成されている。そして、この液膜形成部材７の外周面に、軸線方向に延在して上下端部に開口する断面円弧状の流路形成凹部８が円周方向に等間隔をおいて複数条（図では８条）形成されている。これにより、流路形成凹部８の間が、伝熱管６の内壁に嵌入される支持部９とされている。

図３（ｂ）は、上記液膜形成部材７の第１変形例を示すものである。この液膜形成部材１０は、断面六角形の筒状に形成されたもので、各角部において伝熱管６の内壁に嵌合する寸法に形成されている。これにより、各角部が支持部１１とされるとともに、隣接する支持部１１間に軸線方向に延在して上下端部に開口する流路形成凹部１２が形成されている。

また、図３（ｃ）は、上記液膜形成部材７の第２変形例を示すもので、この液膜形成部材１３においては、外周面に軸線方向に延在して上下端部に開口する断面三角形状の流路形成凹部１４が円周方向に隣接して多数形成されている。これにより、流路形成凹部１４の間が、伝熱管６の内壁に嵌入される断面三角形状の支持部１５とされている。

さらに、図３（ｄ）は、上記液膜形成部材７の第３変形例を示すもので、この液膜形成部材１６においては、円筒部の外周面に、軸線方向に延在して上下端部に至る複数本（図では６本）の凸部が円周方向に等間隔をおいて形成されている。そして、この凸部が伝熱管６の内壁に嵌入される支持部１７とされるとともに、隣接する支持部１７間に、軸線と直交する方向に凹状をなし、軸線方向に直線状に延在して両端に開口する流路形成凹部１８が形成されている。

以上の構成からなる第１の実施形態の液膜形成部材７（１０、１３、１６）を装着した液膜式熱交換器においては、図１および図４に示すように、熱交換器の供給口３ａの散水器１９から噴散された液体Ｒが、上部管板４から突出する伝熱管６の上端位置まで液体Ｒの層を形成しつつ、順次伝熱管６の上端から当該伝熱管６の内壁と液膜形成部材７の流路形成凹部８とによって形成された流路に流入する。この際に、上部管板４上に液体Ｒの層を形成させて伝熱管６に流入する液体Ｒにヘッドを付与することにより、伝熱管６を流下する液体のレベルの誤差を吸収することができる。次いで、上記液体Ｒは、流路形成凹部８内を下方に流れて、その下端部から伝熱管６の内壁に沿って周方向に広がり、液膜を形成して伝熱管６を流下する。この過程において、供給口２ａから供給された熱媒体と熱交換する。

このように、上記液膜形成部材７（１０、１３、１６）およびこれを装着した熱交換器によれば、液膜形成部材７（１０、１３、１６）の上端から流路形成凹部８（１２、１４、１８）に流入した液体Ｒが、流路形成凹部８（１２、１４、１８）内において伝熱管６の内壁に沿って下端部まで案内され、さらに伝熱管６の内壁に沿って拡がりつつ均一な液膜を形成して流下するために、確実に液体Ｒを鉛直方向に配置された伝熱管６の内壁に沿って液膜を形成させて流下させることができる。

図５は、本発明に係る液膜形成部材の第２の実施形態を示すものである。
この液膜形成部材２０は、概観略円筒状の部材で、同様に外径が装着される伝熱管６内にきつく嵌合する寸法に形成されている。そして、この液膜形成部材２０の外周面に、軸線方向に延在して上下端部に開口する断面円弧状の流路形成凹部２１が円周方向に等間隔を複数条（図では４条）形成されることにより、流路形成凹部２１の間に伝熱管６の内壁に嵌入される支持部２２が形成されている。

さらに、この液膜形成部材２０においては、略中央部から下端部に向けて、流路形成凹部２１の周方向の幅寸法が漸次大きくなるとともに、径方向の深さ寸法が漸次小さくなるように形成されている。これに伴い、支持部２２の周方向の幅寸法は、下端部に向けて漸次小さくなるように形成されている。

したがって、本実施形態の液膜形成部材２０によれば、第１の実施形態に示したものと同様の作用効果が得られることに加えて、その略中央部から下端部に向けて、流路形成凹部２１の周方向の幅寸法が漸次大きくなるとともに、径方向の深さ寸法が漸次小さくなるように形成しているために、より一層確実に、液体Ｒの出口となる液膜形成部材２０の下端部において伝熱管６の略全周にわたって液膜を形成させて流下させることが可能になる。

次いで、図６〜図９は、本発明に係る液膜形成部材の第３の実施形態を示すものである。
この液膜形成部材３３は、第１の実施形態に示した液膜形成部材７の内部に、さらに内筒部材３４を挿入することによって構成されたものである。この内筒部材３４は、液膜形成部材７よりも軸線方向の長さ寸法が大きく形成された円筒状のもので、その外径寸法が液膜形成部材７における流路形成凹部８の底部間に挿入される寸法に形成されている。

すなわち、この内筒部材３４は、支持部９の内方への開口を塞いで軸線方向の両端に開口する流路３５を形成するように配置されている。さらに、この内筒部材３４は、液膜形成部材７の下端部から突出する下部３４ａが、下端部に向けて漸次拡径するラッパ状に形成されている。そして、この内筒部材３４は、その上部を液膜形成部材７の上端部から突出させて装着されている。

上記構成からなる第３の実施形態の液膜形成部材３３によれば、第１の実施形態に液膜形成部材７が奏する作用効果に加えて、さらに液膜形成部材７の内部に支持部９の内方への開口を塞ぐ内筒部材３４を設けているために、支持部９と内筒部材３４との間に、流路形成凹部８よりも上方位置において開口して下端部に至る第２の流路３５を形成することができる。

この結果、平常状態に、図６に示す液深Ｄの液体Ｒの層が形成されている場合には、その液面から液膜形成部材７の流路形成凹部８内に流入する。そして、図８に示すように、上記液体Ｒの量が増加して液深Ｄ _１が液膜形成部材７の上端開口位置まで上昇すると、図８および図９に示すように、液膜形成部材７の上端から内筒部材３４と支持部９の中空部分との間に形成されている第２の流路３５を通じても、液体Ｒを伝熱管６の内壁に沿って流下させることができる。

この際に、内筒部材３４の下端３４ａを、下方に向けて漸次拡径するラッパ状に形成しているために、図９（ｂ）に示すように、流路３５内を流下した液体Ｒを液膜形成部材７の下端部から伝熱管６の内壁側に向けて案内することができ、よって確実に伝熱管６の内壁に液膜を形成させて流下させることができる。

なお、上記実施形態においては、本発明に係る液膜形成部材を液体流下管の一種である伝熱管６の上端開口に装着した場合についてのみ説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば軸線を鉛直方向に向けて配置されて、減圧雰囲気化において内部を流下する液体を蒸発させることにより含有成分を濃縮する濃縮器の蒸発管等の各種液体流下管（熱交換を伴わない機器の液体流下管）にも同様にして使用することが可能である。

１ 本体
２ 胴板
３ 鏡板
４ 上部管板
５ 下部管板
６ 伝熱管（液体流下管）
７、１０、１３、１６、２０、３３ 液膜形成部材
８、１２、１４、１８、２１ 流路形成凹部
９、１１、１５、１７、２２ 支持部
３４ 内筒部材
３５ 流路

Claims (2)

1. 軸線を鉛直方向に向けて配置された複数本の液体流下管の上端開口部に装着される液膜形成部材であって、
   筒状に形成され、かつ外周面に、当該外周面から軸線と直交する方向に突出して上記液体流下管の内壁に嵌入される支持部が形成された第１部材と、
   上記第１部材の内部に設けられて筒状に形成された内筒部材とを備え、
   上記支持部が、上記外周面の周方向に間隔をおいた複数箇所に形成され、上記第１部材の径方向内方および上記第１部材の軸線方向の両端に開口する中空に形成されることにより、
   上記支持部間に上記第１部材の軸線と直交する方向に凹状をなすとともに上記第１部材の軸線方向に直線状に延在して両端に開口する流路形成凹部が形成されるとともに、
   上記内筒部材により上記支持部において上記径方向内方への開口が塞がれて上記第１部材の軸線方向の両端に開口する第２の流路が形成されてなることを特徴とする液膜形成部材。
2. 軸線方向を鉛直方向に向けて配置される筒状の胴板の両端部が鏡板によって塞がれた本体と、この本体内の上下部に水平に配置されて当該本体内を区画する上部管板および下部管板と、これら上下部管板間に並列的に配置された複数本の伝熱管とを備えてなり、かつ上記上部管板から突出する上記伝熱管の上端開口部に、請求項１に記載の液膜形成部材が、その一部を上記伝熱管から上方に突出させて装着されていることを特徴とする液膜式熱交換器。

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