JPH11264678A

JPH11264678A - 多管式熱交換器

Info

Publication number: JPH11264678A
Application number: JP10091037A
Authority: JP
Inventors: Kiyotaka Okamoto; 清孝岡本; Kotaro Ito; 光太郎伊藤; Yoshihiko Honda; 芳彦本多
Original assignee: Snow Brand Milk Products Co Ltd
Current assignee: Snow Brand Milk Products Co Ltd
Priority date: 1998-03-18
Filing date: 1998-03-18
Publication date: 1999-09-28
Anticipated expiration: 2018-03-18
Also published as: JP3336251B2

Abstract

(57)【要約】【課題】低い供給圧力で層流状態で送液でき，しか
も，熱交換率が高い多管式熱交換器を提供する。【解決手段】第１の流体が充填される筒形状の胴体１
０内に，第２の流体が充填される複数の管１２ａ〜１２
ｈを互いに平行に配置してなる多管式熱交換器１におい
て，胴体１０の側方に第２の流体の入口３０と出口３１
を対向して配置すると共に，複数の管１２ａ〜１２ｈを
移動自在とし，かつ，その移動に伴って各管１２ａ〜１
２ｈの両端が第２の流体の入口３０と出口３１に順次一
致していくように構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は，二つの流体同士の
間で熱交換を行わせるための多管式熱交換器に関する。

【０００２】

【従来の技術】温度が異なる二つの流体を熱的に接触さ
せることにより，熱エネルギーを移動させて，流体を冷
却や加熱するために，熱交換器が用いられている。熱交
換器には種々の形式のものがあるが，その中でも筒形状
の胴体内に複数の管を互いに平行に配置した構成の多管
式熱交換器は，構造が簡単で堅固であり，用途が多いこ
とから，広く利用されている。この多管式熱交換器は，
胴体（シェル）内に管（チューブ）を配置した構造であ
ることから，シェルアンドチューブ熱交換器とも呼ばれ
る。そして，従来の多管式熱交換器は管の端部同士を連
通させて，管内に流体を連続的に流し，その間に外部か
ら熱エネルギーを除去もしくは付加することにより，管
内に流した流体を冷却もしくは加熱する構成になってい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで，従来の多管
式熱交換器は，いずれも胴体内に配置された複数の管の
端部同士をＵ字管や適当なチャンバーなどを介して直列
に接続して，流通経路を長く形成した管内に流体を連続
的に流すことにより，冷却効率を向上させている。従来
の多管式熱交換器は，流通経路が湾曲しており，距離も
長いために圧力損失が大きくなり，高い供給圧力をもっ
た送液ポンプが必要であった。特に，例えばチーズやゼ
リーなどの製造工程において原料を冷却する場合，管内
を流れる途中で原料が冷却されてゲル化し粘度が高くな
るため，熱交換器の出口付近で閉塞を起こしやすく，原
料を押し出すのに非常に高い供給圧力が必要となってい
た。

【０００４】また，従来の多管式熱交換器は，流通経路
の湾曲と供給圧力が高いことによって，管内を流れる原
料が乱流状態になっていた。しかし，乱流を生じると熱
交換効率は高くなる反面，原料の組織を壊してしまい，
製品にダメージを与える要因になっていた。

【０００５】一方，送液ポンプの供給圧力を低減させる
ために，並列に並べた複数の管に同時に流体を流すよう
にした冷却器もあるが，その場合流れやすい管に流体が
多く流れ，流体が内面に付着することによって流路が狭
くなった管には流体が流れ込みにくくなり，流体の流通
経路が短くなることもあって，十分な冷却が得られなく
なってしまうといった問題がある。

【０００６】従って本発明の目的は，低い供給圧力で層
流状態で送液でき，しかも，熱交換率が高い多管式熱交
換器を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に，請求項１の発明にあっては，第１の流体が充填され
る筒形状の胴体内に，第２の流体が充填される複数の管
を互いに平行に配置してなる多管式熱交換器において，
胴体の側方に第２の流体の入口と出口を対向して配置す
ると共に，複数の管を移動自在とし，かつ，その移動に
伴って各管の両端が第２の流体の入口と出口に順次一致
していくように構成したことを特徴としている。

【０００８】この請求項１の多管式熱交換器にあって
は，先ず，胴体内に第１の流体を充填し，複数の管を移
動させることにより，胴体の側方に配置された入口と出
口に管の両端をそれぞれ一致させ，各管内に第２の流体
を順次充填していく。そして，第２の流体を充填した管
を移動させ，この移動中に管の表面を通して第１の流体
と第２の流体を熱交換させる。そして，再び胴体の側方
に配置された入口と出口に管の両端をそれぞれ一致さ
せ，入口を介して管内に次の第２の流体を充填する。こ
れにより，先に管内に充填されていた熱交換の終了した
第２の流体を押し出す。また，新しく管内に充填された
第２の流体は，先と同様に管が移動している間に順次熱
交換される。以上の工程を繰り返すことにより，第１の
流体と第２の流体を熱交換させ，第２の流体を連続的に
冷却もしくは加熱する。このように，請求項１の多管式
熱交換器によれば，胴体内に配置された管を複数に分割
しているので，各管の距離を短くでき，低い供給圧力で
管内に第２の流体を充填できるようになる。また，第２
の流体を充填した管を移動させながら第１の流体との間
で熱交換させているので，熱交換の時間も十分にとるこ
とができる。

【０００９】この請求項１の多管式熱交換器において，
請求項２に記載したように，複数の管がいずれも直線形
状であることが好ましい。そうすれば，胴体の側方に配
置された入口と出口の間で第２の流体を真っ直ぐに流す
ことができて，管内に第２の流体をスムーズに充填で
き，また，既に熱交換の終了した第２の流体を管内から
スムーズに押し出すことができるようになる。また，管
が直線形状であれば，より低い供給圧力で管内に第２の
流体を充填でき，しかも，管内に第２の流体を充填する
際や，第２の流体を管内から押し出す際に乱流を生ずる
ことがなく，層流状態で第２の流体を送液できるように
なる。

【００１０】また，例えば請求項３に記載したように，
胴体内において複数の管を円周上に配置し，その円周上
に沿って複数の管を移動させる構成としても良い。そう
すれば，複数の管を回転させて円周上に沿って移動させ
ることにより，各管の両端を胴体の側方に配置された入
口と出口に順次一致させることができるようになる。な
お，この請求項３のように複数の管を円周上に配置する
ためには，例えば請求項４に記載したように，複数の管
を胴体内に一体的に支持し，胴体の回転に伴って複数の
管を円周上に沿って移動させる構成としても良い。

【００１１】更に，請求項５に記載したように，第２の
流体の入口に，圧力調整器を装着しても良い。そうすれ
ば，各管の両端が胴体両端に配置された入口と出口に一
致していない場合に，第２の流体の供給圧力を圧力調整
器に逃がすことができ，供給側の圧力上昇を防止できる
ようになる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下，本発明の好ましい実施の形
態を，図面を用いて説明する。図１は，本発明の実施の
形態にかかる多管式熱交換器１の正面図であり，図２
は，多管式熱交換器１の縦断面図である。この実施の形
態では，両端が閉塞された中空の円筒形状をなす胴体１
０の中央を軸１１によって支持しており，図示しない回
転機構の稼働によって軸１１に回転動力が伝達されて，
胴体１０全体が回転するようになっている。

【００１３】胴体１０の内部には，両端が開口した中空
の管１２ａ〜１２ｈが，胴体１０の両側板１３，１４に
よって胴体１０と一体的に支持されることにより，互い
に平行に配置されている。図３に示すように，この例で
は，合計で８本の管１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，
１２ｅ，１２ｆ，１２ｇ，１２ｈを有している。各管１
２ａ〜１２ｈはいずれも直線形状であって，胴体１０中
央の軸１１といずれも平行に配置されている。また，各
管１２ａ〜１２ｈは軸１１を中心とする円周上に，中心
角４５゜ずつの等間隔をあけて配置されており，前述し
た図示しない回転機構の稼働によって胴体１０が回転す
ると，これら各管１２ａ〜１２ｈが円周上に沿って回転
移動する構成となっている。

【００１４】胴体１０の周面には，一対の孔１５，１６
が開口している。これら孔１５，１６は，胴体１０の周
面においてほぼ対角線上に位置するように，なるべく距
離を離して配置されている。また，胴体１０の周面に
は，これら孔１５，１６を外側から覆うようにして，ケ
ーシング１７，１８が取り付けられている。但し，これ
らケーシング１７，１８は，図示しない部材等によって
外部から固定されて回転せず，胴体１０は，これらケー
シング１７，１８の内側において回転するようになって
いる。ケーシング１７，１８は同様の構成を有している
ので，図４をもとにして一方のケーシング１７を代表に
説明する。ケーシング１７は，胴体１０の周面を囲むよ
うにリング形状をなしており，ケーシング１７の内側に
は，樋形状の空間２０が気密に形成されている。また，
この空間２０に連通するように回路２１が接続されてい
る。なお，図２に示すように，他方のケーシング１８も
同様に内側に空間２２を有するリング形状をなし，ケー
シング１８の外側には空間２２に連通する回路２３が接
続されている。そして，図示の例では，回路２１を介し
てケーシング１７内側の空間２０に第１の流体が供給さ
れることにより，第１の流体が孔１５から胴体１０の内
部に充填されるようになっている。また，こうして胴体
１０の内部に充填された第１の流体は，胴体１０内に配
置された各管１２ａ〜１２ｈの外面に熱的に接触して熱
交換を行うようになっている。更に，こうして胴体１０
内において熱交換を終了した第１の流体が，孔１６から
ケーシング１８内側の空間２２に入った後，回路２３を
介して排出されるようになっている。

【００１５】胴体１０の両側方には，カバー体２５，２
６が取り付けられている。但し，これらカバー体２５，
２６も図示しない部材等によって外部から固定されて回
転せず，胴体１０は，これらカバー体２５，２６の間に
おいて回転するようになっている。カバー体２５，２６
は同様の構成を有しているので，図５をもとにして一方
のカバー体２５を代表に説明する。カバー体２５には，
パイプ形状に形成された第２の流体の入口３０が接続さ
れている。この入口３０の位置は，先に説明した胴体１
０内の各管１２ａ〜１２ｈと同じ円周上に配置されてい
る。但し，各管１２ａ〜１２ｈが中心角４５゜ずつの等
間隔をあけて８箇所に配置されているのに対して，入口
３０は，一箇所だけに設けられている。また図１，２に
示すように，他方のカバー体２６には，カバー体２５の
入口３０と同様の，パイプ形状に形成された第２の流体
の出口３１が接続されている。この出口３１の位置は，
カバー体２５の入口３０と対向するように配置されてい
る。このため，胴体１０の回転に伴って各管１２ａ〜１
２ｈが円周上を回転移動すると，各管１２ａ〜１２ｈの
両端が，第２の流体の入口３０と出口３１に順次一致す
る構成となっている。また，胴体１０を回転駆動してい
る図示しない回転機構は，各管１２ａ〜１２ｈの両端を
第２の流体の入口３０と出口３１に一致させる毎に胴体
１０の回転を一時停止させるべく，４５゜ずつ回転して
は一時停止する間欠回転を胴体１０の軸１１に伝達する
ようになっている。そして，図示の例では，各管１２ａ
〜１２ｈの両端を第２の流体の入口３０と出口３１にそ
れぞれ一致させた状態で，入口３０から第２の流体が供
給されることにより，第２の流体が各管１２ａ〜１２ｈ
に順次充填されるようになっている。また，こうして各
管１２ａ〜１２ｈに各管１２ａ〜１２ｈに充填された第
２の流体は，胴体１０が１回転している間に，各管１２
ａ〜１２ｈの壁面を介して，胴体１０の内部に充填され
た第１の流体と熱的に接触して熱交換を行うようになっ
ている。更に，こうして各管１２ａ〜１２ｈ内において
熱交換を終了した第２の流体は，胴体１０が１回転した
後，再び各管１２ａ〜１２ｈの両端が第２の流体の入口
３０と出口３１にそれぞれ一致して，入口３０から次の
第２の流体が供給されることにより，各管１２ａ〜１２
ｈから押し出されて，出口３１から排出されるようにな
っている。

【００１６】また，図１に示すように，カバー体２５に
設けられた第２の流体の入口３０には，弁３５を介して
圧力調整器３６が装着されている。各管１２ａ〜１２ｈ
に対して第２の流体を充填しない胴体１０の回転中にお
いては，弁３５を閉じ，入口３０に向かって供給される
第２の流体の圧力を圧力調整器３６に逃がすように構成
されている。

【００１７】さて，以上のように構成された本発明の実
施の形態にかかる多管式熱交換器１において，先ず，回
路２１を介してケーシング１７内側の空間２０に第１の
流体を供給し，孔１５から胴体１０の内部に第１の流体
を充填する。そして，胴体１０の内部において，第１の
流体を各管１２ａ〜１２ｈの外面に熱的に接触させる。
また，胴体１０内において熱交換を終了した第１の流体
を，孔１６からケーシング１８内側の空間２２に入れ，
回路２３を介して排出する。

【００１８】一方，このように胴体１０内に第１の流体
を流通させながら，図示しない回転機構の稼働によって
胴体１０を回転させ，各管１２ａ〜１２ｈを円周上に沿
って回転移動させる。これにより，例えば先ず管１２ａ
の両端が，胴体１０の両側方に取り付けられたカバー体
２５，２６の入口３０と出口３１にそれぞれ一致した状
態となり，胴体１０の回転は一時停止する。すると，弁
３５が開くことにより，第２の流体が管１２ａに充填さ
れる。

【００１９】こうして管１２ａに第２の流体が充填され
ると，弁３５が閉じられ，第２の流体の充填が一時停止
する。この場合，第２の流体の供給圧力を圧力調整器３
６に逃がすことにより，供給側の圧力上昇を防止でき
る。次に，再び図示しない回転機構の稼働によって胴体
１０が回転を開始する。そして，胴体１０が４５゜回転
して，次の管１２ｂの両端が，胴体１０の両側方に取り
付けられたカバー体２５，２６の入口３０と出口３１に
それぞれ一致した状態となると，胴体１０の回転は再び
一時停止する。すると，弁３５が開くことにより，第２
の流体が管１２ｂに充填される。こうして，同様の工程
を繰り返すことにより，各管１２ａ〜１２ｈに第２の流
体が順次充填されていく。

【００２０】そして，図示しない回転機構の稼働による
胴体１０の回転中に，各管１２ａ〜１２ｈに充填した第
２の流体を，胴体１０内部に充填された第１の流体と各
管１２ａ〜１２ｈの壁面を介して熱交換させることによ
り，第２の流体を冷却もしくは加熱することができる。

【００２１】そして，最初に管１２ａに第２の流体を充
填したときから胴体１０が丁度１回転（３６０゜回転）
すると，再び管１２ａの両端が，胴体１０の両側方に取
り付けられたカバー体２５，２６の入口３０と出口３１
にそれぞれ一致した状態となり，胴体１０の回転は一時
停止する。すると，先と同様に弁３５が開くことによ
り，次の第２の流体が管１２ａに充填される。これによ
り，先に管１２ａ内に充填されていたことによって熱交
換の終了した第２の流体は出口３１から押し出される。

【００２２】こうして管１２ａに次の第２の流体が充填
されると，弁３５が閉じられ，第２の流体の充填が一時
停止する。この場合も，第２の流体の供給圧力を圧力調
整器３６に逃がすことにより，供給側の圧力上昇を防止
できる。次に，再び図示しない回転機構の稼働によって
胴体１０が回転を開始する。そして，胴体１０が４５゜
回転して，次の管１２ｂの両端が，胴体１０の両側方に
取り付けられたカバー体２５，２６の入口３０と出口３
１にそれぞれ一致した状態となると，胴体１０の回転は
再び一時停止する。すると，弁３５が開くことにより，
次の第２の流体が管１２ｂに充填される。これにより，
先に管１２ｂ内に充填されていたことによって熱交換の
終了した第２の流体は出口３１から押し出される。

【００２３】こうして，同様の工程を繰り返すことによ
り，各管１２ａ〜１２ｈに次の第２の流体が順次充填さ
れていくと共に，第１の流体と熱的に接触して冷却もし
くは加熱された第２の流体が各管１２ａ〜１２ｈから押
し出されて，多管式熱交換器１から連続的に排出されて
いく。なお，各管１２ａ〜１２ｈが直線形状であるた
め，このように各管１２ａ〜１２ｈに第２の流体を充填
する場合や，各管１２ａ〜１２ｈから第２の流体を押し
出す場合には，入口３０と出口３１の間で第２の流体を
真っ直ぐに流すことにより，より低い供給圧力で第２の
流体をスムーズに充填でき，また，既に熱交換の終了し
た第２の流体を各管１２ａ〜１２ｈからスムーズに押し
出すことができる。しかも，各管１２ａ〜１２ｈ内に第
２の流体を充填する際や各管１２ａ〜１２ｈから第２の
流体を押し出す際に乱流を生ずることがなく，組織破壊
を起こさない層流状態で第２の流体を送液することがで
きる。また，胴体１０が１回転する間中，第２の流体と
第１の流体との間で熱交換が行われるので，熱交換の時
間も十分にとることができる。

【００２４】以上，本発明の好ましい実施の形態の一例
を説明したが，本発明は説明した形態に限定されないこ
とは勿論であり，適宜変形実施することが可能である。
例えば，複数の管は８本に限らず，７本以下でも９本以
上でも良い。また，第１の流体によって第２の流体を加
熱もしくは冷却する場合に限らず，第２の流体によって
第１の流体を加熱もしくは冷却する場合にも，本発明の
多管式熱交換器を利用することができる。

【００２５】

【実施例】次に，実施の形態で説明した多管式熱交換器
を実際に作成し，実施例を行った。実施例の多管式熱交
換器では，管径１インチの円管８本を胴体内に設置し
た。この円管の長さ（熱交換部長）は各々２ｍである。
また，比較例として二重管式熱交換器（熱交換部長１６
ｍ）を用いた。実施例の多管式熱交換器と比較例の二重
管式熱交換器の仕様を表１に示す。

【００２６】

【表１】

【００２７】第２の流体である原料は，牛乳を常法によ
り調製して得た全固形分１４．８％のチーズカード１０
０部に対し，カラギーナンとローカストビーンガムを８
対２の割合で混合した安定剤の５％溶液を１０部添加混
合したものを用いた。処理条件は，温度６０℃の原料を
定量ポンプで６０ｋｇ／ｈの流量で多管式熱交換器の円
管内に供給し，胴体内に充填した第１の流体により冷却
した。円管内への原料の供給速度（線速度）は４ｃｍ／
ｓになり，冷却管１本（２ｍ）の通過時間は５０秒間に
なるので，一本の円管に対する原料の供給時間サイクル
は４６秒間に設定した。運転方法は，６０℃のチーズを
最初の円管に４６秒間供給した後，供給側の弁を閉じ，
胴体を４５゜ずつ間欠回転させて順次次の円管に原料を
充填させた。胴体の回転中は，弁を閉じて原料を圧力調
整器内に供給することにより，供給圧力の急上昇を防止
した。円管内へ原料を供給する際には，弁を開いて圧力
調整器内に滞留しているチーズカードもシリンダーによ
り同時に供給した。円管への原料の４６秒間供給→弁閉
→胴体が回転→次の円管をセット→弁開，の工程を８サ
イクル繰り返し，この８サイクルの工程が繰り返される
間に，円管内に充填された原料チーズカードが静止状態
で冷却される。

【００２８】実施例の多管式熱交換器で冷却されたチー
ズカードは，１８℃まで冷却されていた。供給側の圧力
は０．０３ＭＰａであった。実施例の多管式熱交換器で
冷却されたチーズカードの粘度をＢ型粘度計で測定した
ところ，１２ｒｐｍでは２８Ｐａ・ｓであった。このサ
ンプルをカップに充填し，５℃の冷蔵庫で２日間保存し
たのちレオメーターで圧縮硬さを測定したところ，荷重
３２０ｇｆを示した。

【００２９】一方，比較例の二重管式熱交換器に６０ｋ
ｇ／ｈの流量で原料のチーズカードを供給したところ，
出口温度は１７℃と多管式熱交換器とほぼ同じであった
が，供給圧力は０．１６ＭＰａと５倍ほど高かった。比
較例の二重管式熱交換器で冷却したサンプルの粘度は１
８Ｐａ・ｓ，圧縮硬さは荷重２００ｇｆといずれも低か
った。

【００３０】このように実施例の多管式熱交換器は，原
料を所望の温度まで冷却しても供給圧力を低下でき，さ
らにサンプルの粘度および圧縮硬さも高い値を示し，製
品の特性を損することなく冷却できた。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば，複数に分割することに
より流通経路を短く形成した管内に第２の流体を供給し
ているので，低い供給圧力で原料を送液できるようにな
る。また，管を直線形状にすることにより，管内に対す
る第２の流体の供給と押し出しをスムーズに行うことが
できるようになり，しかも，層流状態で送液できるの
で，原料の組織を壊すことがなく，製品にダメージを与
えることもない。また，第２の流体を充填した管を移動
させながら第１の流体との間で熱交換させており，熱交
換の時間も十分にとることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態にかかる多管式熱交換器の
正面図である。

【図２】本発明の実施の形態にかかる多管式熱交換器の
縦断面図である。

【図３】胴体の斜視図である。

【図４】ケーシングの部分断面図である。

【図５】カバー体の斜視図である。

【符号の説明】

１多管式熱交換器１０胴体１１軸１２ａ〜１２ｈ管３０第２の流体の入口３１第２の流体の出口３６圧力調整器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の流体が充填される筒形状の胴体内
に，第２の流体が充填される複数の管を互いに平行に配
置してなる多管式熱交換器において，胴体の側方に第２
の流体の入口と出口を対向して配置すると共に，複数の
管を移動自在とし，かつ，その移動に伴って各管の両端
が第２の流体の入口と出口に順次一致していくように構
成したことを特徴とする，多管式熱交換器。
【請求項２】複数の管がいずれも直線形状であること
を特徴とする，請求項１に記載の多管式熱交換器。
【請求項３】胴体内において複数の管を円周上に配置
し，その円周上に沿って複数の管を移動させる構成とし
たことを特徴とする，請求項１又は２に記載の多管式熱
交換器。
【請求項４】複数の管を胴体内に一体的に支持し，胴
体の回転に伴って複数の管を円周上に沿って移動させる
構成としたことを特徴とする，請求項３に記載の多管式
熱交換器。
【請求項５】第２の流体の入口に，圧力調整器を装着
したことを特徴とする，請求項１，２，３又は４のいず
れかに記載の多管式熱交換器。