WO2011064839A1 - 熱交換器 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger, and more particularly to a heat exchanger such as a heater / cooler that can be used for a process in which the flow rate of a fluid to be processed is small, particularly a chemical experiment.
  • the performance generally required for a heat exchanger is heat exchange performance, corrosion resistance, pressure resistance and robustness, cleanability, downsizing, etc., and low cost is required.
  • conventional heat exchangers mainly use multi-tube type, double-pipe type, coil type, plate type, etc., and the structure is complex or difficult to miniaturize, expensive, cleaning
  • drawbacks such as poor nature.
  • a heat exchanger used for a small flow rate treatment, particularly a chemical experiment is generally a glass coil type or a glass double tube type.
  • the heat exchange performance cannot be expected due to the low thermal conductivity of the glass itself, but it takes a lot of labor to clean the treated material adhering to the coil, and may not be able to clean completely.
  • many heat exchangers must be prepared and the cost is high.
  • there is a high risk of breakage and in particular, when distributing a treatment with risk, cost is also required for safety measures.
  • a coiled heat transfer tube is arranged in a space formed between an inner cylinder and an outer cylinder, and the inside of the heat transfer tube is used as one flow path.
  • a heat exchanger is known in which a coiled space sandwiched between the heat transfer tubes in the space is used as the other flow path, and efficient heat exchange is realized between one and the other fluid.
  • the heat transfer tube is not fixed to both the outer peripheral surface of the inner cylinder and the inner peripheral surface of the outer cylinder, and the heat transfer tube is in a natural state. Stops being attached. For this reason, when the viscosity of the fluid is high, the heat transfer tube expands and contracts due to flow resistance or the like, and for example, the coiled pitch is not uniform and may be partially narrowed or clogged.
  • an object of the present invention is to arrange a coiled heat transfer tube in a space formed between an inner cylinder and an outer cylinder, and the inside of the heat transfer tube as one flow path
  • An object of the present invention is to improve a heat exchanger of a type in which a coiled space sandwiched between the heat transfer tubes serves as the other flow path, and heat exchange is performed between one and the other fluid.
  • one object is to provide a heat exchanger in which the heat transfer tubes can be easily attached and detached, and the other purpose is to suppress changes in the flow path area due to deformation of the heat transfer tubes due to flow resistance or the like. Therefore, it is an object of the present invention to provide a heat exchanger that can achieve either of the two purposes.
  • a more specific purpose is to provide a heat exchanger that is small and efficient in heat exchange and that allows the fluid to be processed to pass through small flow rate processing, especially various chemical experiments, at a lower cost than conventional products. Is an issue.
  • the invention according to claim 1 of the present application is that a coiled heat transfer tube 1 is arranged in a space 7 formed between an inner tube 5 and an outer tube 6, and the heat transfer tube is arranged.
  • 1 is one flow path
  • the coiled space 4 sandwiched between the heat transfer tubes 1 in the space 7 is the other flow path
  • heat exchange is performed between one and the other fluid.
  • the heat transfer tube 1 is provided with a tension mechanism for maintaining an expansion / contraction force that acts to expand or contract the coiled diameter from the natural state, and the expansion / contraction force is applied to the heat transfer tube 1 by the tension mechanism.
  • a heat exchanger characterized in that heat exchange is performed between one and the other fluid in a heated state.
  • the heat transfer tube 1 is not fixed to both the outer peripheral surface of the inner tube 5 and the inner peripheral surface of the outer tube 6, and the heat transfer tube is formed by the tension mechanism.
  • the coiled diameter of 1 is expanded or contracted from a natural state, and the heat transfer tube 1 is brought into close contact or pressure contact with the inner cylinder 5 or the outer cylinder 6 by the expansion or contraction.
  • a heat exchanger according to 1 is provided.
  • the axial load of the coil applied when the heat transfer tube 1 is displaced by 10% in the axial length of the coil relative to its natural state is 10 kg or less.
  • a heat exchanger according to claim 1 or 2 is provided.
  • the material of the heat transfer tube 1 is made of a metal such as stainless steel, hastelloy, inconel, titanium, copper or nickel; an acrylic resin such as ABS, polyethylene, polypropylene or PMMA; polycarbonate, PTFE or PFA.
  • the invention according to claim 5 of the present application provides the heat exchanger according to claim 4, wherein an outer diameter of the heat transfer tube 1 is 28 mm or less.
  • the coiled heat transfer tube 1 is arranged in a space 7 formed between the inner tube 5 and the outer tube 6, and the inside of the heat transfer tube 1 is connected to one flow path.
  • the coiled heat transfer is performed.
  • the heat tube 1 is elastically deformed from a natural state, the heat transfer tube 1 is in close contact or pressure contact with the inner tube 5 or the outer tube 6, and the heat transfer tube 1 is elastically deformed between one and the other fluid.
  • a heat exchanger characterized in that heat exchange is performed.
  • the heat exchanger according to the present invention maintains a state in which expansion / contraction force is applied to the heat transfer tube 1 by a tension mechanism in a use state, that is, at least during heat exchange. Therefore, a force is always applied to the heat transfer tube, and accordingly, even when the heat transfer tube is not in contact with the inner tube 5 or the outer tube 6, the heat transfer tube is not easily deformed due to flow resistance or the like, and the coiled heat transfer tube 1 Can alleviate uneven deformation. More preferably, even if the heat transfer tube 1 is not fixed to both the outer peripheral surface of the inner tube 5 and the inner peripheral surface of the outer tube 6, the heat transfer tube 1 is moved by the action of the tension mechanism.
  • the coiled heat transfer tube 1 can be easily attached and detached. Specifically, in a free state, the heat transfer tube 1 is arranged in a state where an appropriate clearance is set between the inner cylinder 5 and the outer cylinder 6, and then in a tension state, the expansion / contraction force is generated to generate a coil shape. The heat transfer tube 1 is brought into contact with either the inner cylinder 5 or the outer cylinder 6, and the expansion / contraction force is maintained by a tension mechanism, thereby maintaining the contact state.
  • a heat exchanger tube can be easily removed by canceling
  • the expansion and contraction of the heat transfer tube due to the flow of the heat medium can be prevented, and the structure can be simplified as compared with the conventional product. Therefore, the number of manufacturing steps can be reduced, and thus the heat exchanger can be provided at a low cost. .
  • (A) is structure explanatory drawing of the heat exchanger which concerns on embodiment of this invention, (B) is the same top view.
  • (A) is structure explanatory drawing of the heat exchanger which concerns on other embodiment of this invention, (B) is the same top view.
  • (A) is structure explanatory drawing of the heat exchanger which concerns on other embodiment of this invention, (B) is the same top view.
  • (A) is principal part expansion explanatory drawing in the assembly
  • (B) is principal part expansion explanatory drawing at the time of the assembly
  • the heat exchanger has an inner cylinder 5 and an outer cylinder 6 whose side surfaces are substantially circular in cross section, and upper and lower ends thereof are closed by upper and lower closing portions 9 and 8.
  • the inner cylinder 5 and the lower closing part 8 are integrated.
  • the coiled heat transfer tube 1 is installed so as to be in close contact or pressure contact with at least one of the outer periphery of the inner cylinder 5 and the inner periphery of the outer cylinder 6. It can be connected to piping outside the heat exchanger through the portions 9 and 8. However, the heat transfer tube 1 is not fixed to both the outer peripheral surface of the inner cylinder 5 and the inner peripheral surface of the outer cylinder 6. Between the turns of the coiled heat transfer tube 1, a coiled space 4 having a predetermined interval surrounded by the upper and lower heat transfer tubes 1 and the inner and outer cylinders 5 and 6 having different turns is formed.
  • the illustrated coiled heat transfer tube 1 and the inner and outer cylinders 5 and 6 are formed in a cylindrical shape having a uniform diameter in the vertical direction, they may be implemented as those having different diameters in the vertical direction, such as a truncated cone or an inverted truncated cone. it can.
  • the heat transfer tube 1 is preferably made of a material that can expand and contract and has high durability such as corrosion resistance, pressure resistance, and robustness against the target fluid to be treated.
  • metals such as stainless steel, hastelloy, inconel, titanium, copper, and nickel; acrylic resins such as ABS, polyethylene, polypropylene, and PMMA; fluorine-based resins such as polycarbonate, PTFE, and PFA; and epoxy resins.
  • the coiled space 4 outside the heat transfer tube 1, in other words, the coiled space 4 between the heat transfer tube 1 and the heat transfer tube 1 is a space through which the heat medium 3 flows.
  • the heating medium 3 enters and exits from a nozzle 10 provided in the upper and lower closing portions 9 and 8. Thereby, the heat medium 3 can be circulated through the space 7 and the coiled space 4.
  • the fluid 2 to be treated is circulated in the upward direction (U direction) in FIG. 1 and the heat medium 3 is circulated in the downward direction (S direction). Both the fluid to be treated 2 and the heat medium 3 can prevent an increase in pressure loss, secure a large overall heat transfer coefficient, and can be performed efficiently and effectively. However, this does not prevent the two fluids from flowing in the same direction.
  • the heat transfer tube 1 is assembled to the lower closing portion 8 and the inner cylinder 5 that are manufactured as an integral type.
  • a smooth mounting operation can be performed by setting an appropriate clearance 4c between the inner cylinder 5 and the heat transfer tube 1 (see FIG. 4A).
  • the heat transfer tube 1 is fixed to the lower closed portion 8. This fixing is performed with a tension mechanism 11.
  • the tension mechanism 11 is for maintaining the expansion / contraction force that acts to expand or contract the coiled diameter of the heat transfer tube 1 from the natural state.
  • the biting joint 11 is employed.
  • Other embodiments include a method using a clamp, a saddle band, a strap, a bracket, or the like, and may be fixed by welding or adhesion (not shown).
  • the tension mechanism 11 only maintains the expansion / contraction force, and other means may be used to generate the expansion / contraction force. In the case of the bite joint 11, the expansion / contraction force is generated and the expansion / contraction force is generated. The power is maintained.
  • the coiled diameter of the heat transfer tube 1 is reduced by pulling the heat transfer tube 1 in the U direction, and the heat transfer tube 1 is brought into close contact or pressure contact with the inner cylinder 5 (FIG. 4B). Thereafter, the outer cylinder 6 and the upper closing part 9 having a small gap 4d and the outer diameter of the coiled diameter of the assembled heat transfer tube 1 are assembled.
  • the outer cylinder 6 and the upper closing part 9 may be integrated or may be disassembled.
  • the outer cylinder 6 while pulling the heat transfer tube 1 in the U direction, the outer cylinder 6 is mounted outside the heat transfer tube 1 while maintaining the slight gap 4d, and the upper closing portion 9 is temporarily mounted. Under this temporary mounting state, the upper end of the heat transfer tube 1 is fixed to the upper closing part 9 while maintaining the pulled state in the U direction, and the mounting of the outer cylinder 6 and the upper closing part 9 is completed.
  • the tension mechanism 11 of the upper closing part 9 may be capable of adjusting the upper end position of the outer cylinder 6 like a bite joint 11 similar to the lower closing part 8 or may be a fixing means that cannot be adjusted. .
  • the load is 10 kg or less when the expandable / contractable coiled heat transfer tube 1 is displaced by 10% with respect to its natural length.
  • the outer diameter of the heat transfer tube 1 is 28 mm or less, which enables the heat transfer tube 1 having a small coiled diameter to be processed, and small heat exchange. Can be provided.
  • the above example is suitable for the heat transfer tube 1 having a natural state inner diameter larger than the outer diameter of the inner tube 5, but the heat transfer tube 1 has a natural state inner diameter larger than the outer diameter of the inner tube 5 and the heat transfer tube 1.
  • the following method can be adopted. Release the pulling force in the U direction under the above temporary mounting condition. As a result, the coil of the heat transfer tube 1 is in close contact or pressure contact with the inner peripheral surface of the attached outer cylinder 6 in an attempt to return to the natural state. Then, the upper end of the heat transfer tube 1 is fixed to the upper closing portion 9 in a state where the heat transfer tube is in close contact or pressure contact with the outer tube 6, and the mounting of the outer tube 6 and the upper closing portion 9 is completed.
  • the natural state inner diameter of the heat transfer tube 1 is larger than the outer diameter of the inner tube 5 and the natural state outer diameter of the heat transfer tube 1 is smaller than the inner diameter of the outer tube 6, the following method is adopted. You can also. That is, it is mounted with an appropriate clearance 4c between the inner tube 5 and the heat transfer tube 1, and the outer tube 6 and the upper closing portion 9 having a slight gap with the outer diameter of the coiled diameter of the heat transfer tube 1. Assemble. In this state, by operating the biting joint 11 or the like, the heat transfer tube 1 is pulled in the vertical direction so that the upper and lower ends move away from each other to generate an expansion / contraction force (in this case, a contraction force). The shape diameter is reduced, the heat transfer tube 1 is brought into close contact or pressure contact with the inner cylinder 5, and this expansion / contraction force is maintained to maintain the close contact or pressure contact state.
  • an expansion / contraction force in this case, a contraction force
  • the heat transfer tube 1 is brought into close contact or pressure contact with the inner cylinder 5, but as another embodiment, by pushing the heat transfer tube 1 downward (S direction) (ie, upper and lower ends) A method in which the coiled diameter is increased and the heat transfer tube 1 is brought into close contact or pressure contact with the outer cylinder 6.
  • the upper and lower ends of the heat transfer tube 1 are pushed and pulled in the axial direction of the coil.
  • the upper and lower ends of the heat transfer tube 1 may be pushed and pulled in the direction in which the coil spiral extends.
  • the direction of pushing and pulling can be appropriately changed on condition that expansion / contraction force can be generated.
  • the upper and lower sides are exemplified, but the upper and lower sides may be reversed. That is, upper and lower can be read as one side and the other side.
  • the heat transfer tube 1 can be arranged on the concentric circle of the inner and outer tubes in the space 7 formed between the inner tube 5 and the outer tube 6, and the heat transfer tube 1 and the heat transfer tube in the space 7.
  • the coil-shaped space 4 sandwiched between 1 and 1 can be used as a flow path of the heat medium 3.
  • the heat exchanger according to the present invention can be easily disassembled by the reverse procedure of the above assembling method.
  • the heat transfer tube 1 even if the heat transfer tube 1 is not fixed, it is in close contact or pressure contact with at least one of the outer periphery of the inner cylinder 5 and the inner periphery of the outer cylinder 6. Since the displacement of the coiled heat transfer tube 1 due to the generated flow resistance can be prevented, the above problems can be solved.
  • a plurality of heat transfer tubes 1 can be implemented.
  • the number of heat transfer tubes 1 to be assembled at the same time is not particularly limited. It is determined by the required flow rate of the fluid to be processed and the number of types.
  • An example in the case of assembling a plurality of heat transfer tubes is shown in FIGS. 2 (A) (B) and 3 (A) (B).
  • the heat transfer tube 1a is connected to the lower closed portion 8 (or the upper closed portion 9) and the inner cylinder 5 which are integrally formed.
  • the heat transfer tube 1b are assembled and fixed to different positions of the lower closing portion 8, respectively, and the heat transfer tube 1a and the heat transfer tube 1b are brought into intimate contact or pressure contact with the inner tube 5 by the above mechanism, and then the outer tube 6 and the upper closing portion 9 ( Alternatively, a plurality of heat transfer tubes 1 can be assembled by assembling the lower closing portion 8).
  • the coiled diameter of the heat transfer tube 1 can be assembled as a concentric circle. In that case, the heat transfer tube 1a is assembled to the lower closing portion 8 (or the upper closing portion 9) and the inner cylinder 5 which are integrally manufactured, and the heat transfer tube 1a is brought into close contact or pressure contact with the inner cylinder 5 by the above mechanism, and then transferred.
  • the outer cylinder 6a having a slight gap with the outer diameter of the coiled diameter of the heat tube 1a is assembled.
  • the heat transfer tube 1b is assembled to the lower closing portion 8 (or the upper closing portion 9), and the heat transfer tube 1b is brought into close contact or pressure contact with the outer peripheral surface of the outer cylinder 6a by the above mechanism.
  • the plurality of heat transfer tubes 1 can be assembled by assembling the outer cylinder 6b and the upper closing portion 9 (or the lower closing portion 8).
  • coiled spaces 4a and 4b are formed.
  • the fluid to be treated 2 such as water or an organic solvent used for various chemical experiments
  • a solution in which a solute is dissolved, or a fine particle dispersion flows through the heat transfer tube 1.
  • the heat transfer tube 1 it is necessary to frequently replace the heat transfer tube 1 due to a change in the experiment contents.
  • solids or powders contained in the fluid 2 to be treated or solutes dissolved in the fluid 2 to be treated are deposited due to temperature change, concentration change, drying, etc., they adhere to the heat transfer tube 1 or become clogged. In such a case, it is necessary to replace the heat transfer tube 1.
  • the heat exchanger structure of the present invention cannot be expected in a general small flow rate processing, particularly a throw-in type heat exchanger or a double tube type heat exchanger used in various chemical experiments. Solves the problems of the throw-in heat exchanger and double-tube heat exchanger. Further, when the heat transfer tube 1 needs to be replaced as described above, the structure of the heat exchanger of the present invention is very simple compared to the multi-tube heat exchanger and the plate heat exchanger. It is characterized by being very easy to assemble and disassemble. Further, since the heat exchanger can be easily disassembled and cleaned as well as the exchange of the heat transfer tubes, it is not necessary to discard the heat exchanger itself or to perform costly cleaning like a conventional heat exchanger.
  • the inner tube 5 When the inner diameter ⁇ of the coiled heat transfer tube 1 is larger than or equal to the outer diameter ⁇ of the inner tube 5 ( ⁇ ⁇ ⁇ ), the inner tube 5 is inserted into the heat transfer tube 1 in its natural state, and after the insertion, When the heat pipe 1 is pulled in a direction in which both ends thereof are moved away, the outer diameter ⁇ of the inner cylinder 5 and the inner diameter ⁇ of the heat transfer pipe 1 are equalized by an external force, and the heat transfer pipe 1 is in close contact or pressure contact with the inner cylinder 5. Even if ⁇ ⁇ ⁇ , it does not prevent the heat transfer tube 1 from being compressed to increase the inner diameter ⁇ in order to facilitate insertion.

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Abstract

小型で効率良く熱交換が行なえ、小流量処理、特に各種化学実験にも対応できるよう、被処理流体が通過する伝熱管を容易に交換でき、従来品よりも安価に熱交換器を提供する事を課題とする。コイル状に製作された伝熱管1 を例えば一体型で製作された下閉塞部8及び内筒5に組み付けその後伝熱管1をU 方向に引張りコイル状直径が小径化することにより内筒5に密接もしくは圧接しその後伝熱管1の外径と僅かな隙間をもった外筒6及び上閉塞部9を組み付けた熱交換器であり、伝熱管1内に被処理流体2を流通させ、内外筒5,6との間に形成され、上下閉塞部8、9により閉鎖された空間7内にコイル状に配位された伝熱管1と伝熱管1とに挟まれるコイル状空間4に熱媒を流通させ効率良く熱交換が行なえ、上記組み付け方法と逆の順で容易に分解でき、伝熱管1を容易に交換できる。

Description

熱交換器
本発明は、熱交換器、特に、被処理流体の流量が小流量の処理、とりわけ化学実験などにも対応できる加熱・冷却器などの熱交換器に関するものである。
一般的に熱交換器に求められる性能は、熱交換性能、耐食性、耐圧性や堅牢性、洗浄性、小型化などであり、低コストが要求される。しかしながら従来の熱交換器には多管式、二重管式、コイル式、プレ-ト式などが主に使用されており、構造が複雑であり、または小型化が難しい、高価である、洗浄性が悪いなどの欠点がある。特に小流量処理、特に化学実験などに用いられる熱交換器は、ガラス製コイル式もしくは、ガラス製二重管式が一般的である。この場合、ガラス自体の熱伝導率の低さから其の熱交換性能は、期待できないが、コイルに付着した処理物を洗浄する場合多くの労力を要するし、完全な洗浄を出来ない場合もあり、結果的に多くの熱交換器を準備しなければならず、コストも大きい。また、破損の危険性も多く、特に危険を伴う処理物を流通させる場合、安全対策にもコストを要する。
従来より、特許文献1に開示されているように、内筒と外筒との間に形成される空間内にコイル状の伝熱管が配位され、上記伝熱管内が一方の流路とされ、前記空間内の上記伝熱管同士に挟まれたコイル状空間が他方の流路とされ、一方と他方の流体間に効率的な熱交換が実現する熱交換器が知られている。
ところが、この特許文献1の熱交換器にあっては、上記伝熱管は、上記内筒の外周面と上記外筒の内周面との双方に固定されておらず、伝熱管は自然状態で装着されているに止まる。そのため、流体の粘度が高い場合などにあっては、流れ抵抗などによって、伝熱管が伸縮し、例えばコイル状のピッチが不均一となり部分的に狭くなったり詰まってしまうおそれがある。
また、この特許文献1の熱交換器の製造や分解を考えた場合、内筒と外筒との間に形成される空間内にコイル状の伝熱管を装着したり取り出しを検討すると、伝熱管と内筒および外筒とのクリアランスを大きくすると装脱は容易となるが、コイル状の伝熱管は空間内で自由状態となり、上記の伝熱管が伸縮に伴う問題が発生するおそれがある。他方、クリアランスをなくすと、伝熱管の装脱が困難になる。
特開2002-147976号公報
 上記に鑑み本発明の課題は、内筒と外筒との間に形成される空間内にコイル状の伝熱管が配位され、上記伝熱管内が一方の流路とされ、前記空間内の上記伝熱管同士に挟まれたコイル状空間が他方の流路とされ、一方と他方の流体間に熱交換が行なわれるタイプの熱交換器を改良することにある。具体的には、伝熱管を容易に装脱できる熱交換器を提供することを一の目的とし、他の目的は、流れ抵抗などによる伝熱管の変形に伴う流路面積の変化を抑制することにあり、両目的のいずれかを達成することができる熱交換器を提供せんとするものである。さらに、より具体的な目的として、小型で効率良く熱交換が行え、小流量処理、特に各種化学実験に対応すべく被処理流体が通過する、従来品よりも安価に熱交換器を提供する事を課題とする。
 上記課題を解決するために、まず本願請求項1に係る発明は、内筒5と外筒6との間に形成される空間7内にコイル状の伝熱管1が配位され、上記伝熱管1内が一方の流路とされ、前記空間7内の上記伝熱管1同士に挟まれたコイル状空間4が他方の流路とされ、一方と他方の流体間に熱交換が行なわれる熱交換器において、上記伝熱管1コイル状の径を自然状態よりも拡大又は収縮させるように作用する拡縮力を維持するための緊張機構を備え、上記緊張機構によって拡縮力が上記伝熱管1に加えられた状態で一方と他方の流体間に熱交換が行なわれることを特徴とする熱交換器を提供する。
本願の請求項2に係る発明は、上記伝熱管1が、上記内筒5の外周面と上記外筒6の内周面との双方に固定されておらず、上記緊張機構によって、上記伝熱管1のコイル状の径が自然状態よりも拡大又は収縮しており、この拡大又は収縮によって上記伝熱管1が内筒5もしくは外筒6に密接もしくは圧接させられていることを特徴とする請求項1記載の熱交換器を提供する。
本願の請求項3に係る発明は、上記伝熱管1が、コイルの軸方向長さを、その自然状態に比して10%変位させた時に加わるコイルの軸方向の荷重が10kg以下であることを特徴とする請求項1又は2記載の熱交換器を提供する。
 本願の請求項4に係る発明は、上記伝熱管1の材質が、ステンレス、ハステロイ、インコネル、チタン、銅、ニッケルなどの金属;ABS,ポリエチレン、ポリプロピレン、PMMAなどのアクリル樹脂;ポリカーボネート、PTFE,PFAなどのフッソ系樹脂;エポキシ樹脂である請求項3記載の熱交換器を提供する。
 本願の請求項5に係る発明は、上記伝熱管1の外径が28mm以下であることを特徴とする請求項4記載の熱交換器を提供する。
 本願の請求項6に係る発明は、内筒5と外筒6との間に形成される空間7内にコイル状の伝熱管1が配位され、上記伝熱管1内が一方の流路とされ、前記空間7内の上記伝熱管1同士に挟まれたコイル状空間4が他方の流路とされ、一方と他方の流体間に熱交換が行なわれる熱交換器において、上記コイル状の伝熱管1が自然状態から弾性変形させられて、上記伝熱管1が内筒5もしくは外筒6に密接もしくは圧接させられており、上記伝熱管1が弾性変形した状態で一方と他方の流体間に熱交換が行なわれることを特徴とする熱交換器を提供する。
 本発明に係る熱交換器は、使用状態において、即ち少なくとも熱交換中において、緊張機構によって拡縮力が上記伝熱管1に加えられた状態を維持する。そのため、伝熱管には常に力が加わった状態となり、その分、内筒5もしくは外筒6に接触していない状態でも、流れ抵抗などによる伝熱管の変形が生じにくく、コイル状の伝熱管1が不均一に変形することを緩和することができる。より望ましくは、上記伝熱管1が、上記内筒5の外周面と上記外筒6の内周面との双方に固定されておらずとも、上記緊張機構の作用で、上記伝熱管1を内筒5もしくは外筒6に密接もしくは圧接させることにより、より一層、変形が生じにくいものとなる。
本発明に係る熱交換器の他の作用効果としては、上記のコイル状の伝熱管1の着脱が容易となる。具体的には、自由状態下で、内筒5と外筒6の間に適当なクリアランスを設定した状態で伝熱管1を配位し、その後、緊張状態にして拡縮力を発生させてコイル状の伝熱管1を内筒5と外筒6とのいずれかに接触させ、緊張機構によって拡縮力を維持することで、その接触状態を維持する。そして、分解等の際には、拡縮力を解除することで、容易に伝熱管を取り外すことができる。あるいは、クリアランスがない状態(接触する状態)で、装着した後、拡縮力を加えて圧接状態にし、この圧接状態を緊張機構によって維持する。そして、分解時には、拡縮力を解除することで、伝熱管を比較的容易に取り外すことができる。
よって、より具体的には、効率良い熱交換はもとより、伝熱管の詰まりや付着など発生した場合でも容易に伝熱管を交換でき、従来の様に熱交換器自体を廃棄したりコストをかけて洗浄する必要がなくなる。また熱媒の流れによる伝熱管の伸縮の発生を防止でき、従来品に比べて構造を簡略化できるため、製造工数を削減でき、よって安価に熱交換器を提供することができたものである。
(A)は本願発明の実施の形態に係る熱交換器の構造説明図であり、(B)は同平面図である。 (A)は本願発明の他の実施の形態に係る熱交換器の構造説明図であり、(B)は同平面図である。 (A)は本願発明のさらに他の実施の形態に係る熱交換器の構造説明図であり、(B)は同平面図である。 (A)は本願発明の実施の形態に係る熱交換器の組付作業中の要部拡大説明図であり、(B)は同組付作業完了時の要部拡大説明図である。
 次に図面に基いて本願発明の実施の一形態について説明する。なお本発明における上下左右は、相対的な位置関係を示すに止まり、絶対的な位置を特定するものではない。
 この熱交換器は、図1に示すように、その側面が実質的に断面円形の内筒5と外筒6とからなり、その上下端は上下閉塞部9,8により閉鎖されている。この例では、内筒5と下閉塞部8は一体型である。また、他の実施の形態として、下閉塞部8では無く、上閉塞部9が内筒5と一体型の場合が挙げられるし、下閉塞部8及び上閉塞部9ともに内筒5と一体型をとらずに着脱可能なものとしても良い。
 内外筒5,6間の空間7にはコイル状の伝熱管1が内筒5の外周または外筒6の内周の少なくともどちらか一方に密接もしくは圧接されるように設置させており、上下閉塞部9,8を貫通して熱交換器外部の配管と接続可能とされている。ただし、この伝熱管1は、上記内筒5の外周面と上記外筒6の内周面との双方に固定されていない。このコイル状の伝熱管1の周回間には、この周回違いの上下伝熱管1と内外筒5,6とで囲まれる所定の間隔をもつコイル状空間4が形成される。図示のコイル状の伝熱管1と内外筒5,6は、上下に径の均一な円筒形として実施しているが、円錐台や逆円錐台など、上下に径の異なるものとして実施することもできる。
伝熱管1の内部には例えば水や有機溶媒、または溶質を溶解した溶液や微粒子分散液などの被処理流体2が流通する。伝熱管1の材質は伸縮可能で、目的とする被処理流体に対する耐食性、耐圧性や堅牢性などの耐久性が高いものを用いることが好ましい。例えばステンレス、ハステロイ、インコネル、チタン、銅、ニッケルなどの金属;ABS,ポリエチレン、ポリプロピレン、PMMAなどのアクリル樹脂;ポリカーボネート、PTFE,PFAなどのフッソ系樹脂;エポキシ樹脂などが挙げられる。
 伝熱管1の外部、コイル状空間4言い換えると伝熱管1と伝熱管1との間のコイル状空間4は、熱媒3を流通させる空間である。熱媒3の出入りは上下閉塞部9,8に設けられた、ノズル10より行われる。これにより熱媒3を空間7及びコイル状空間4に流通させることができる。被処理流体2の熱交換は、まず被処理流体2を図1における上方向(U方向)に流通させ、熱媒3を下方向(S方向)に流通させることによって完全対向流を形成し、被処理流体2及び熱媒3ともに圧力損失の増大を防止し、大きな総括伝熱係数を確保でき、効率的かつ効果的に行うことができる。但し、両流体を同一方向に流通させることを妨げるものではない。
 本発明に係る熱交換器の組み付け及び分解について説明する。まず、一体型で作製された下閉塞部8及び内筒5に伝熱管1を組み付ける。この装着に際しては、内筒5と伝熱管1との間に適度なクリアランス4cを設定することで、スムーズな装着作業を行うことができる(図4(A)参照)。装着後、伝熱管1を下閉塞部8に固定する。この固定は、緊張機構11を備えたもので行う。緊張機構11は、伝熱管1のコイル状の径を自然状態よりも拡大又は収縮させるように作用する拡縮力を維持するためのものであり、図示例では、食い込み継ぎ手11を採用している。他の実施の形態としてはクランプや、サドルバンド、ストラップやブラケットなどを用いる方法などが挙げられ、その他、溶接や接着等による固定であってもよい(図示無し)。なお、この緊張機構11は、拡縮力を維持するだけとし、拡縮力を発生させるのは、他の手段であってもよいが、この食い込み継ぎ手11の場合には、拡縮力を発生させると共に拡縮力を維持するものとなっている。
 次に、伝熱管1をU方向に引っ張ることによって、伝熱管1のコイル状直径を小径化させ、伝熱管1を内筒5に密接もしくは圧接させる(図4(B))。その後、組みつけられた伝熱管1のコイル状直径の外径と僅かな隙間4dを持った外筒6及び上閉塞部9を組み付ける。外筒6と上閉塞部9は一体型であっても良いし、分解可能であっても良い。
 より具体的には、伝熱管1をU方向に引っ張りながら、僅かな隙間4dを維持しつつ、伝熱管1の外側に外筒6を装着し、上閉塞部9を仮に装着する。この仮の装着状態下で、U方向に引っ張り状態を維持しながら、伝熱管1の上端を上閉塞部9に固定し、外筒6と上閉塞部9の装着を完了する。上閉塞部9の緊張機構11は、下閉塞部8と同様の食い込み継ぎ手11のように、外筒6の上端位置を調整できるものであってもよく、調整不能な固定手段であってもよい。
 このとき、容易な組み付け及び分解を可能とするためには、伸縮可能なコイル状の伝熱管1がその自然長に対して伸縮量10%変位させた時、荷重10kg以下である事が好ましい。また、小流量処理、例えば各種化学実験を目的とする場合には伝熱管1の外径が28mm以下の小管径が好ましく、コイル状直径の小さな伝熱管1を加工可能にし、小型の熱交換器を提供できる。
 上記例は、伝熱管1の自然状態の内径が内筒5の外径よりも大きいものに適するが、伝熱管1の自然状態の内径が内筒5の外径よりも大きく、且つ伝熱管1の自然状態の外径が外筒6の内径よりも大きい場合には、次の方法が採用できる。上記の仮の装着状態下で、U方向に引っ張り力を解除する。これによって、伝熱管1のコイルは自然状態の大きさに戻ろうとして、装着した外筒6の内周面に密接もしくは圧接する。そして、この外筒6へ伝熱管が密接もしくは圧接した状態で伝熱管1の上端を上閉塞部9に固定し、外筒6と上閉塞部9の装着を完了する。
 さらに、伝熱管1の自然状態の内径が内筒5の外径よりも大きく、且つ伝熱管1の自然状態の外径が外筒6の内径よりも小さい場合には、下記の方法を採ることも出来る。即ち、内筒5と伝熱管1との間に適度なクリアランス4cを設定した状態で装着し、伝熱管1のコイル状直径の外径と僅かな隙間を持った外筒6及び上閉塞部9を組み付ける。この状態で、食い込み継ぎ手11を操作する等して、伝熱管1を上下方向に互いに上下端が遠ざかる方向に引っ張り、拡縮力(この場合には縮小する力)を発生させ、伝熱管1のコイル状直径を小径化させ、伝熱管1を内筒5に密接もしくは圧接させ、この拡縮力を維持して密接又は圧接状態を維持する。
 上記実施の形態においては、伝熱管1を内筒5に密接もしくは圧接させたが、他の実施の形態として、伝熱管1を上方から下方(S方向)に押し込む事によって、(即ち、上下端を接近させる事によって)コイル状直径を大径化させ、伝熱管1を外筒6に密接もしくは圧接させる方法が挙げられる。また、この例では、コイルの軸方向に、伝熱管1の上下端を押し引きしたが、例えば、伝熱管1の上下端をコイルの螺旋の伸びる方向に押し引きしてもよい。このように押し引きの方向は、拡縮力を発生させ得ることを条件に適宜変更できる。また上記の説明では、上下を例示したが、上下逆でもよい。即ち、上と下は、一方側と他方側と読み替えることができる。
 上記発明により、内筒5と外筒6との間に形成される空間7内に伝熱管1を内外筒の同心円上に配位させることができ、前記空間7内の伝熱管1と伝熱管1とに挟まれるコイル状空間4を熱媒3の流路とすることができる。本発明に係る熱交換器の分解は上記組み付けの方法と逆の手順で容易に行う事ができる。
 コイル状の伝熱管1が、空間7内において固定されていない場合には、熱媒3の流れ抵抗などによって、伝熱管1が伸縮し、例えばコイル状のピッチが詰まってしまう場合などが想定される。言い換えると、熱媒3の流れ抵抗によってコイル状の伝熱管1同士が近づき、最終的にコイル状空間4が存在しなくなる方向にコイル状の伝熱管1が移動する場合などが想定される。その場合には、コイル状空間4に熱媒3が流れ難くなることによって全く熱交換が出来ない場合や効果的または効率良く熱交換が出来ない場合、さらに伝熱管1の破損や寿命低下の原因となる事が考えられる。本発明において、伝熱管1は固定されておらずとも、内筒5の外周、または外筒6の内周の少なくともどちらか一方に密接もしくは圧接しているため、熱媒3を流通させることによって発生する流れ抵抗による、コイル状である伝熱管1の変位を防止することができるため、上記のような問題を解決できる。
また、伝熱管1は複数本でも実施出来る。同時に組み付ける伝熱管1の本数は特に限定されない。必要な被処理流体の流量や、種類の数などにより決定される。複数本の伝熱管を組み付ける場合の一例を図2(A)(B)及び図3(A)(B)に示す。例えば図2に示すように伝熱管1のコイル状直径を同径として組み付ける方法の場合には、一体型で作製された下閉塞部8(または上閉塞部9)及び内筒5に伝熱管1a及び伝熱管1bを組み付け、それぞれ下閉塞部8の異なる位置に固定し、伝熱管1a及び伝熱管1bを上記機構によって内筒5に密接もしくは圧接させ、その後、外筒6及び上閉塞部9(または下閉塞部8)を組み付けることによって複数本の伝熱管1を組み付けることができる。他の実施の形態として、図3に示すように、伝熱管1のコイル状直径を同心円として組み付ける方法でも実施できる。その場合は、一体型で作製された下閉塞部8(または上閉塞部9)及び内筒5に伝熱管1aを組み付け、伝熱管1aを上記機構によって内筒5に密接もしくは圧接させ、次いで伝熱管1aのコイル状直径の外径と僅かな隙間を持った外筒6aを組み付ける。次いで、下閉塞部8(または上閉塞部9)に伝熱管1bを組み付け、伝熱管1bを上記機構によって、外筒6aの外周面に密接もしくは圧接させる。その後、外筒6b及び上閉塞部9(または下閉塞部8)を組み付けることによって複数本の伝熱管1を組み付けることができる。図3に示す実施の形態においては、コイル状空間4a及び4bが形成されることになる。また、3本以上の伝熱管を組み付ける場合も上記材質及び組み付け方法と同様の方法で実施する事が可能である。その場合には、同径としての組み付けと同心円としての組み付けとを組み合わせて実施することも可能である。
 伝熱管1の内部には、前記の通り、小流量処理、特に各種化学実験に用いる水や有機溶媒、または溶質を溶解した溶液や微粒子分散液などの被処理流体2が流通する。そのため、実験内容の変更などによって度々伝熱管1を交換する必要が発生する。その他、被処理流体2に含まれる固体や粉末、または被処理流体2に溶解している溶質が温度変化や濃度変化、乾燥などによって析出した場合には、伝熱管1内に付着したり、詰まりが発生し、そのような場合にも伝熱管1の交換が必要となる。
 一般的な小流量処理、特に各種化学実験に使用されている投げ込み式の熱交換器や二重管式の熱交換器では、熱交換の効率が期待できない為、本発明における熱交換器の構造が前記投げ込み式の熱交換器や二重管式の熱交換器の問題を解決した。さらに上記のように伝熱管1の交換の必要が生じた場合にも、多管式熱交換器やプレート式熱交換器に比べて本発明の熱交換器の構造が非常に単純であるため、組み立て及び分解が非常に容易に行えることが特徴である。また、伝熱管の交換だけでなく熱交換器を容易に分解洗浄できるため、従来の熱交換器のように熱交換器自体を廃棄したり、コストをかけて洗浄する必要がない。
なお、伝熱管の弾性変形による内筒5と外筒6への密接もしくは圧接の形態としては、複数種類が実施可能であり、これを下記に示す。
(第1の形態)内筒5の外径α、外筒6の内径β、コイル状の伝熱管1の内径γ、コイル状の伝熱管1の外径θとする。内筒5の外径αに対して、コイル状の伝熱管1の内径γが大きいか或いは等しい場合(α≦γ)、自然状態のまま伝熱管1に内筒5を挿入し、挿入後伝熱管1をその両端が遠ざかる方向に引っ張ってやると、外力により内筒5の外径αと伝熱管1の内径γが等しくなり、伝熱管1が内筒5に密着又は圧接する。なお、α≦γであっても、挿入を容易にするために、伝熱管1を圧縮して内径γを大きくすることを妨げるものではない。
(第2の形態)内筒5の外径αに対して、コイル状の伝熱管1の内径γが小さい場合(α>γ)、伝熱管1を圧縮して内径γを広げた状態で内筒5を挿入する。挿入後、圧縮する力を解除し、さらに必要に応じて引っ張ってやると、伝熱管1は弾性変形により内筒5の外径αと伝熱管1の内径γが等しくなり、伝熱管1が内筒5に密着又は圧接する。
(第3の形態)外筒6の内径βに対して、コイル状の伝熱管1の外径θが小さいか或いは等しい場合(β≧θ)、自然状態のまま伝熱管1を外筒6に挿入し、挿入後伝熱管1を圧縮してやると、外力により外筒6の内径βと伝熱管1の外径θが等しくなり、伝熱管1が外筒6に密着又は圧接する。なお、β≧θであっても、挿入を容易にするために、伝熱管1を引張して外径θを小さくすることを妨げるものではない。
(第4の形態)外筒6の内径βに対して、コイル状の伝熱管1の外径θが大きい場合(β<θ)、伝熱管1を引張状態としてその径を小さくし、外筒6に挿入する。挿入後、引張力を解除し、必要に応じて圧縮すると、外筒6の内径βと伝熱管1の外径θが等しくなり、伝熱管1が外筒6に密着又は圧接する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
符号の説明
 1 伝熱管
 3 熱媒
 4 コイル状空間
 5 内筒
 6 外筒
 8 下閉塞部
 9 上閉塞部
11 緊張機構

Claims (6)

  1. 内筒と外筒との間に形成される空間内にコイル状の伝熱管が配位され、上記伝熱管内が一方の流路とされ、前記空間内の上記伝熱管同士に挟まれたコイル状空間が他方の流路とされ、一方と他方の流体間に熱交換が行なわれる熱交換器において、
    上記伝熱管コイル状の径を自然状態よりも拡大又は収縮させるように作用する拡縮力を維持するための緊張機構を備え、
    上記緊張機構によって拡縮力が上記伝熱管に加えられた状態で一方と他方の流体間に熱交換が行なわれることを特徴とする熱交換器。
  2. 上記伝熱管は、上記内筒の外周面と上記外筒の内周面との双方に固定されておらず、
    上記緊張機構によって、上記伝熱管のコイル状の径が自然状態よりも拡大又は収縮しており、この拡大又は収縮によって上記伝熱管が内筒もしくは外筒に密接もしくは圧接させられていることを特徴とする請求項1記載の熱交換器。
  3. 上記伝熱管は、コイルの軸方向長さを、その自然状態に比して10%変位させた時に加わるコイルの軸方向の荷重が10kg以下であることを特徴とする請求項1又は2記載の熱交換器。
  4. 上記伝熱管の材質が、ステンレス、ハステロイ、インコネル、チタン、銅、ニッケルなどの金属;ABS,ポリエチレン、ポリプロピレン、PMMAなどのアクリル樹脂;ポリカーボネート、PTFE,PFAなどのフッソ系樹脂;エポキシ樹脂からなる群から選択された少なくとも一種である請求項3記載の熱交換器。
  5. 上記伝熱管1の外径が28mm以下であることを特徴とする請求項4記載の熱交換器。
  6. 内筒と外筒との間に形成される空間内にコイル状の伝熱管が配位され、上記伝熱管内が一方の流路とされ、前記空間内の上記伝熱管同士に挟まれたコイル状空間が他方の流路とされ、一方と他方の流体間に熱交換が行なわれる熱交換器において、
    上記コイル状の伝熱管径が自然状態から弾性変形させられて、上記伝熱管が内筒もしくは外筒に密接もしくは圧接させられており、上記伝熱管が弾性変形した状態で一方と他方の流体間に熱交換が行なわれることを特徴とする熱交換器。
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