JPH03241290A

JPH03241290A - 熱交換用管体及び熱交換器

Info

Publication number: JPH03241290A
Application number: JP2036245A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Akahori; 赤堀　哲雄; Akira Kato; 朗加藤
Original assignee: Noritake Co Ltd
Current assignee: Noritake Co Ltd
Priority date: 1990-02-19
Filing date: 1990-02-19
Publication date: 1991-10-28
Anticipated expiration: 2015-10-16
Also published as: JP3100051B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明はミキサーエレメント、及び内管内にミキサーエ
レメントを備えた内外管からなり内管と外管との間で流
体の熱交換を行なう熱交換器に関する。ここで、「熱交
換器」とは熱交換機能をも必要とする反応器や混合器を
包含するものとする。

［従来の技術及び課題］従来の熱交換器においては、熱交換率を向上させるため
多数の伝熱フィンやバッフルプレートを備えたものがあ
る。しかし、この種の熱交換器では、流体が層状に流れ
るいわゆるチャンネリング現象を生じ、熱交換向上の点
で限界ある。

そのため２例えば内管内に１８０’捻りのバッフルプレ
ートを９０＠接続角をもって逆向きに交互に接続した。

いわゆるスタティックミキサを用いることにより、流動
促進作用により熱交換効率を高めることも一般に行なわ
れている。

又１重合等の反応器として、流速と温度の均一化のため
特定のミキサーエレメントを備えた二重前型の容器を利
用した例もある。例えば、いわゆる“ノリタケ　リアク
ター“や“スルザーパッキン”　　（Ｃｈｅｍｉｃａｌ
　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｌｎｇ　Ｐｒｏｇｒｅｓｓ、　Ｊｕ
ｌｙ１９８Ｂ、　４２−４８）などである。しかし１例
えば発熱反応熱を除去する反応器として使用した場合１
発熱反応速度が高いとき伝熱面積が不足して、エレメン
ト等に焦げ付きを生ずることもある。

本発明はより一層の熱交換効率向上を図ることを課題と
する。

［解決手段及び作用］そこで１本発明はかかる課題を解決するために下記手段
を採用した。

捻り角度１８０６を有する板体であって、その内部が空
洞となっていることを特徴とするミキサエレメント。

このミキサーエレメントを、管内において長手方向に延
ばして備えれば、熱交換用管体が構成される。

更に、この熱交換用管体を内管とし、該内管一又は二辺
上を外管内に空隙をもって配設し、かつミキサーエレメ
ントの内部空洞と内外管の空隙とを連続する接続管を備
えれば、熱交換器の主要部が構成される。

こうした手段によれば、内管壁を通じての熱伝達に加え
て、エレメントの内部空洞にも熱媒体を通過させること
によりエレメント壁を通じての熱伝達も可能となり、従
来のいわゆるスタティックミキサを利用したものに比し
て、伝熱面積を著しく増大させることが可能となる。特
に、エレメントの内部空洞は極めて狭い空洞であるため
、熱伝達係数が著しく高い。

［好適な手段］ミキサーエレメントの内部空洞は、エレメントの全域に
亘って存在していることが好ましい。板体面積にほぼ相
当する分、伝熱面積を高めることができる。板体の内部
空洞を画成する内壁面に流体の流通方向に沿って延びる
溝を付けたり、又内部空洞を二辺上の単位空洞をもって
構成させてもよい（第１Ａ〜ＩＣ図）。エレメントの肉
厚（内部空洞形成後）は９強度を維持できる限り、薄く
することにより、内部空洞を大きくできる。

二辺上のミキサーエレメントを管（内管）内に備える場
合、従来のスタティックミキサと同様に、エレメント二
以上を接続角度９０°で連続してなり、隣接するミキサ
ーエレメントを逆方向の捻りのものにすることが、流動
促進作用による熱交換効率向上のために好ましい。

又、接続角度０＠をもって連続し、かつ交互に逆方向捻
りのものを配設すれば２本発明の優れた伝熱効果を維持
しつつ、圧力損失を著しく低減でき、省エネルギの見地
から好ましい。特に長大管等の熱交換器において、又低
粘性液体に対しこの効果が顕著であり、実用上の利点が
大きい。又。

逆捩り攪拌の効果が付与され、内外管の空隙内のバッフ
ルは必ずしも要しない。

管内壁とのミキサーエレメントの接合は、ろう付が好ま
しい。容易に接合でき高伝熱効率を確保できる。尚、こ
の接合によって内管の補強にもなりその肉厚を薄くして
もたわみが少なく、その分更に伝熱効率増大に資する。

接続管は、この接合部或いは非接合部のいずれに備えて
もよい。接合部に備えれば圧力損失を低く抑えることが
できる一方、内管とエレメントとの非接合部において接
続管をもって連結すればその接続管壁を通じての熱伝達
がより多く加味され、伝熱面°積のより一層の増大に寄
与できる。

ミキサーエレメントの数は用途に応じて適宜選択される
。隣接するミキサーエレメントはその連結部においてエ
レメント壁を一部開口し、必要に応じて接続管を介して
、内部空洞同士を連通させる。又、二辺上のエレメント
を備える場合、各エレメントを製造した後、溶接、ロウ
付するか、或いは当初より一体のものとして製造する。

尚、各ミキサーエレメントの長手力向長さ（Ｌ）の内管
内径（Ｄ）に対する比（Ｌ　／　Ｄ　）は２通常のスタ
ティックミキサのエレメントと同様に、１〜３程度が好
ましい。

熱交換用媒体としては液体、特にＲｅ　＞　ＩＱ’の低
粘性液体例えば水に対して有効である。液体に特有な熱
交換時の難点（チャンネリング現象）も殆んど生じない
。

［実施例コ第１Ａ〜ＩＣ図は本実施例に係るミキサーエレメント１
を示す。各エレメント１はいずれも捻り角度１８０°を
有する板体であって、板体外形に略対応させてその全域
に亘って内部空洞１ａが形成されている。内部空洞１ａ
は単なる平坦な一体空洞（第１Ａ図）、軸方向に延びる
複数の溝を有する空洞（第１Ｂ図）、同じく軸線方向に
延びる複数の単位空洞（第１Ｃ図）等９種々のものを採
用できる。

この内部空洞１ａの存在、特に狭い空洞として存在する
ことによって、従来の典型的なスタティックミキサのエ
レメントに比して、伝熱係数を約２倍まで高めることが
できる。

ミキサーエレメント１は、内管内を流れる液体の種類・
圧力に応じ、好ましくは良好な熱伝導性を有する材料１
例えば５Ｓ４１．５ＵＳ３１Ｂ、　　Ｃｕ、　Ｎ　ｉ等
の金属、又は炭化珪素等のセラミックスで構成される。

次に、このミキサーエレメント１を備えた熱交換器Ａの
第一実施例を第２図に示す。同図において、２は内管、
３は外管、４は接続管である。

本例においては、隣接するエレメント１を交互に逆捻り
とし、かつ接続角度９０’をもって連続させている。左
端及び右端に位置するエレメント１はその軸心部におい
て、夫々内外管の空隙（上方部又は下方部）から伸びる
接続管４に接続され。

エレメントの内部空洞１ａと内外管の空隙とが連通され
ている。又、隣接する各エレメント１間の接続部におい
ても、内部空洞１ａ同士を連通ずるために、短い接続管
４を備えている。尚、各エレメントの内部空洞１ａ・・
・は、軸心部における接続管４，４との連結部を除き、
閉成されている。

本例の熱交換器Ａによれば、内管２内を流通する熱媒（
第１流体）は、エレメント１の存在によって、その流れ
に相対位相のずれを強制されると同時に分割を繰返し均
一化が促進される。

一方、内外管の空隙を流通する熱媒（第２流体）は、接
続管４を介して各エレメントの内部空洞１ａ・・・をも
流通する。そのため、第１流体と第２流体との熱交換は
、内管２壁だけでなく、各ニレメントド・・壁を通じて
も行なわれる。従って１本例の熱交換器Ａを用いて熱媒
としての流体の熱交換を行なえば、従来のものに比して
、伝熱面積が約１．７〜１．８倍になるので、熱交換効
率を大幅に向上できる（後述の計算参照）。加えて、接
続管４・・・、特に上流側、下流側において内外管の空
隙まで長く伸びる接続管４，４の壁を介しても熱交換が
なされるので、全体として伝熱面積は従来の約　１，９
倍にもなる。

第３図は熱交換器Ａの第二実施例を示したものである。

本例においては、各エレメント１　（図では２個）を独
立に備え、前記第一実施例と同様に内管２壁及びエレメ
ント１壁を介しての効率的な熱交換を個別に行なうもの
である。又、エレメント１の内部空洞１ａと内外管の空
隙との連通は。

エレメント１と内管２との接合部（エレメント１側壁）
に備えられた短い接続管４を介してなされる。しかも、
接続管４は、（第２）流体の入口・出口直近に１位置し
て開口されている。従って。

全体として前記実施例のものに比して、圧力損失を低く
抑える構成となっている。

第４図は熱交換器Ａの第三実施例を示したものである。

本例においては、前記第一実施例とは異なり、各ミキサ
ーニレメントド・・はエレメント毎に捻り方向が逆向き
、かつ接続角度０°をもって連結されている。そのため
各エレメント１は内管２内において長手方向に延びる連
続したーの螺旋シートとして存在する。そのため２本例
のエレメント１は内管２内に配備されたとき、内管２を
二のチャンネルに分割するだけである。従って、逆捻り
攪拌作用によって、均一化がより促進され。

内管２内を流通する熱媒を有効な熱交換に資することが
できると共に、二分割のみであるので圧力損失が格段に
低いものとなる。又、前記第一実施例とは異なり、隣接
するエレメント１の内部空洞１ａ同士を連通ずるための
接続管を必要とせず、従ってこの点からも圧力損失が低
いものとなる。

第５図は熱交換器Ａの第四実施例を示したものである。

本例においては、ミキサーニレメントド・・（図では２
個）からなる部分が内外管２．３に接合固定されておら
ず、ミキサーエレメント１及び該エレメントに一体とな
った接続管４が取出し自在になっている。従って、使用
後においてエレメント１等に洗浄の必要が生ずる場合１
例えば食品等の混合器として利用する場合に好適である
。

各エレメントの空洞１ａ・・・には軸心に沿って仕切壁
１ｂが存在し、ｒｌＮＪより末端接続管４を通じて空洞
１ａ内に侵入してきた流体が、矢印方向により奥に位置
するエレメント側（図では右側）まで流入した後リター
ンして末端接続管４を通じてｒＯＵＴＪより排出される
ことになる。尚、エレメント１．１同士の接合部に位置
する接続管４は、流体の往路と復路とを形成する二つの
流路を備えている。

［発明の効果］以−Ｌのように１本発明によれば、従来のいわゆるスタ
ティックミキサを用いてなる熱交換器に比しても、単位
容積当りの伝熱面積を約１．７倍以上高めることができ
、熱交換効率を著しく向上させることができる。そのた
め、高温熱媒の熱交換においてもエレメント、管等の焦
げ付きを極力防止できる。又、ジャケットの必要性も大
幅に軽減できる。

又、僅かな付帯設備で従来の装置をそのまま利用できる
。必要に応じて、圧力損失を低く抑えることもできる。

尚、ミキサーエレメントは、それ自体流体の均一な混合
に寄与でき、熱交換効率の著しい向上と相俟って、熱交
換機能を併有する反応器や混合器の使用可能分野の拡大
にも貢献できる。

（伝熱面積の計算）１、従来内管の内側表面積Ｓ１−πＤＸＬ、５Ｄ−４，７１Ｄ　
２（ここで、Ｄは内管の直径又は各エレメントの幅、　
　１．５Ｄは各エレメントの軸方向長さを示す）２、本発明（１）内管の内側表面積Ｓ、　−４，７１Ｄ２（２）エ
レメントの表面積（Ｓ２） −３，４８２Ｄ２故に、伝熱面積合計Ｓ　−Ｓ、　十３２−８．１９Ｄ２
本発明による伝熱面積の増加は概算同一径同一長さの熱交換器で約１，７４倍の伝熱面積が
確保できる。

（以下余白）

【図面の簡単な説明】

第１Ａ、ＩＢ及びＩＣ図は１本発明に係るミキサーエレ
メントの例を示す斜視図。第２図は第一実施例の熱交換器を示した側断面図。第３図は第二実施例の熱交換器を示した側断面図。第４図は第三実施例の熱交換器を示した側断面図、そし
て第５図は第四実施例の熱交換器を示した側断面図。を夫々表わす。１・・ミキサーエレメント

Claims

【特許請求の範囲】（１）捻り角度１８０゜を有する板体であって、その内
部が空洞となっていることを特徴とするミキサーエレメ
ント。（２）管内において長手方向に延びる請求項１のミキサ
ーエレメント一又は二以上を備えていることを特徴とす
る熱交換用管体。（３）ミキサーエレメント二以上を接続角度０゜〜９０
゜で連結してなり、隣接するミキサーエレメントが逆方向の捻りになってい
る請求項２記載の熱交換用管体。（４）外管と、該外管
内に空隙をもって配設される内管一又は二以上とからな
る熱交換器において、内管内において長手方向に延びる
請求項１のミキサーエレメント一又は二以上と、ミキサーエレメントの内部空洞と内外管の空隙とを連通
する接続管と、を備えていることを特徴とする熱交換器。（５）ミキサーエレメント二以上を接続角度０゜〜９０
゜で連結してなり、隣接するミキサーエレメントが逆方向の捻りになってい
る請求項４記載の熱交換器。