JP2022158672A - シェルアンドチューブ型熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】流体の流れを制御するバッフルの形状を工夫して、角部分で流れの淀みを生じることなく、且つ適度な乱流効果を発揮して優れた熱交換効率を得ることができるシェルアンドチューブ型熱交換器を提供する。
【解決手段】バッフル３００は、その中心軸線に対して同軸方向かつ線対称に配置した、一方向に旋回する螺旋板３３０と、逆方向に旋回する逆螺旋板３４０とを一体に結合した形状であって、前記バッフル３００によって区画されたケース管１００内においてチューブ２００外を流れる流体は、互いに逆向きの螺旋状に流れる。
【選択図】図４

Description

本発明は、シェル（以下「ケース管」という）内に複数本のチューブを内装してチューブ内を流れる流体とケース管内でチューブ外を流れる流体との間で熱交換を行う、シェルアンドチューブ型熱交換器に関する。

円筒形のケース管内に複数本のチューブを内装しながらケース管及びチューブの長手方向に対し直角方向に円板状のバッフル板を所定間隔で配設し、チューブ内を流れる流体とケース管内でチューブ外を流れる流体との間で熱交換を行う方式の熱交換器は、例えば特開２０１１－１１７６５６号公報（特許文献１）に記載されているように周知であり、一般にシェルアンドチューブ型熱交換器と呼ばれている。

この種のシェルアンドチューブ型熱交換器においては、チューブ内を流れる流体と、ケース管内でチューブ外を流れる流体との熱交換を迅速かつ十分に行えることが求められ、その熱交換効率を高めるべく、バッフル板を設置してチューブ外を流れる流体の流れを調整することがよく行われている。

前記特許文献１記載のシェルアンドチューブ型熱交換器では、円板の外周側の一部を切欠いたバッフル板を、その切り欠きが交互に反対側になる向きでケース管の内周面に外周面を密着して連設してあり、ケース管内でチューブ外の流体が各切欠を通りながら蛇行して流れるようになっており、チューブ内の流体の方向に対してチューブ外の流体が直角に流れる状態（直交流）となり、高い熱交換効率が得られる構造を有している。

また、例えば特開２０００－２２７２９９号公報（特許文献２）のように、ケース管内に配置したバッフル板が、外側に切り欠きを形成したもの（分流邪魔板）と、中心側に切り欠きを形成したもの（合流邪魔板）の２種を交互に並べたものとして、チューブ外の流体が内向きと外向きに交互に直角に流れる状態（直交流）となり、高い熱交換効率が得られる構造を有しているシェルアンドチューブ型熱交換器も知られている。

しかしながら、前記各シェルアンドチューブ型熱交換器において、チューブ外を流れる流体は、ケース管内で切り欠きを通過する際にその部分に配置したチューブとほぼ同軸の方向に流れるためにチューブ内を流れる流体との熱交換が十分になされない恐れがあることに加え、その切り欠きから次の切り欠きに向かう際にチューブに対してやや斜めに流れながら、流れの向きを変える角部分に流れの淀みを生じることから、圧力の損失や熱交換効率の低下を生じることが懸念される。

これに対し、例えば特開昭５９－１２２９４号公報（特許文献３）または特開昭５９－１７３６９５号公報（特許文献４）に記載されたように、ケース管内に配置したバッフル板が螺旋状のものであるシェルアンドチューブ型熱交換器が知られている。

このような螺旋状のバッフル板を用いたシェルアンドチューブ型熱交換器において、チューブ外を流れる流体は、流体入口と流体出口の間を時計回りか半時計周りのどちらかの方向に流れる過程でチューブ内の流体との間で熱交換が行われるため、チューブ外を流れる流体の流れの向きが変わらずに流れの淀みが生じないという利点を有するが、反面、チューブ外を流れる流体がスムーズに流れすぎて乱流を生じさせず、十分な熱交換効率を得られないという恐れがあった。

そこで、角部分で流れの淀みを生じることなく、且つ適度な乱流効果を発揮して優れた熱交換効率を得ることのできるバッフル板を備えたシェルアンドチューブ型熱交換器が望まれていた。

特開２０１１－１１７６５６号公報 特開２０００－２２７２９９号公報 特開昭５９－１２２９４号公報 特開昭５９－１７３６９５号公報

本発明は、ケース管内に内装した複数本のチューブ内を流れる流体と、ケース管内でチューブ外を流れる流体との間で熱交換を行うシェルアンドチューブ型熱交換器において、前記ケース管内に配置されて前記チューブ外を流れる流体の流れを制御するバッフルを、角部分で流れの淀みを生じることなく、且つ適度な乱流効果を発揮して優れた熱交換効率を得られるものとすることを課題とする。

上記課題を解決するためになされた本発明であるシェルアンドチューブ型熱交換器は、円筒状のケース管と、複数本のチューブと、複数個の挿通孔を設けたバッフルと、を備え、前記バッフルが前記各挿通孔に前記チューブを挿通しながら配設されて前記ケース管内を長手方向に区画しており、前記チューブ内を流れる流体と前記ケース管内で前記チューブ外を流れる流体との間で熱交換を行うシェルアンドチューブ型熱交換器において、
前記バッフルは、その中心軸線に対して同軸方向かつ線対称に配置した、一方向に旋回する螺旋板と、逆方向に旋回する逆螺旋板とを一体に結合した形状であって、
前記バッフルによって区画された前記ケース管内において前記チューブ外を流れる流体は、互いに逆向きの螺旋状に流れることを特徴とする。

本発明によれば、ケース管内を区画して流体の流れを制御するバッフルを螺旋板と逆螺旋板を一体に結合した形状で構成し、前記ケース管内でチューブ外を流れる流体が互いに逆向きの螺旋状に流れる特殊な螺旋構造としたことで、従来発明のようにバッフル板の角部分が存在しないため流れの淀みを生じることなく、且つ分岐と合流を繰り返すことで適度な乱流効果を発揮して優れた熱交換効率を得られるシェルアンドチューブ型熱交換器を提供することができる。

また、前記バッフルは、その中心軸線から等間隔に離間して前記中心軸線と同軸に形成された２本のシャフトを有し、一方の前記シャフトの周囲に前記螺旋板が、他方の前記シャフトの周囲に前記逆螺旋板が形成されている場合、強度および加工性の向上を図ることができるため特に望ましい。

更に、前記ケース管は前記チューブ外を流れる流体が通過する流体入口および流体出口が形成されており、
前記バッフルは、長さ方向における一方の端部に前記流体入口の軸線に対して傾斜する入口側整流板が、他方の端部に前記流体出口の軸線に対して傾斜する出口側整流板が形成されている場合、前記入口側整流板および前記出口側整流板によってチューブ外を流れる流体の流れの方向が制御され、より流れの淀みを生じることなくスムーズに通過させることができる。

また、前記バッフルが継ぎ目のない１つの部品で形成されている場合、つまり、例えば３Ｄプリンタによって製造することで継ぎ目のない１つの部品で前記バッフルを成形することが可能であるが、このような製造手段によって１つの部品で製造することによって、射出成型や切削加工が困難な凹凸の多い複雑な形状かつ多数の孔を有する本発明のバッフルのような部品であっても比較的容易に製造することが可能となるため、生産性の向上や省コスト化を実現することができる。

バッフルの形状の工夫によりケース管内でチューブ外を流れる流体が互いに逆向きの螺旋状に流れる特殊な螺旋構造とした本発明によれば、前記ケース管内で前記チューブ外を流れる流体は流れの淀みを生じることなく、且つ分岐と合流を繰り返すことで適度な乱流効果を発揮して優れた熱交換効率を得られる。

本発明の好ましい実施の形態であるシェルアンドチューブ型熱交換器の分解した状態を示す斜視図。 図１に示した実施の形態における組み立て状態を示す斜視図。 図２の縦断面図。 図２の横断面図。 図１に示した実施の形態におけるバッフルを示す斜視図。 図１に示した実施の形態におけるバッフルの挿通孔を形成していない状態を示す、（ａ）斜視図、（ｂ）反対方向から見た斜視図。 図１に示した実施の形態におけるバッフルの挿通孔を形成していない状態を示す、（ａ）平面図、（ｂ）左側面図、（ｃ）正面図、（ｄ）右側面図、（ｅ）背面図、（ｆ）底面図。 図１に示した実施の形態におけるバッフルの挿通孔を形成していない状態を示す（ａ）拡大正面図、（ｂ）中心軸線から左右に分断した際の逆螺旋板側を示す概略図。 図８（ｂ）に示したバッフルの切断面を示す概略図。 図８（ｂ）に示したバッフルを平面視するとともに補助線を加えた説明図。 図３におけるＡ－Ａ線断面図。 図３におけるＢ－Ｂ線断面図。 図３におけるＣ－Ｃ線断面図。 図３におけるＤ－Ｄ線断面図。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について詳細に説明する。尚、説明に際し、長手方向とは円筒状のケース管１０及びチューブ２０の中心線に平行な方向を指すものとする。

図１は本発明の好ましい実施の形態であるシェルアンドチューブ型熱交換器１の分解した状態を示す斜視図であり、図２はその組み立て状態を示す斜視図、図３は図２の縦断面図、図４は図２の横断面図である。

これらの図に示したように、シェルアンドチューブ型熱交換器１は、円筒状のケース管１００と、複数本のチューブ２００と、複数個の挿通孔３０１を設けたバッフル３００と、を備えており、前記バッフル１００が、挿通孔３０１にチューブ２００を各々挿通しながら、ケース管１００内に収装されることでケース管１００内を長手方向に区画しており、チューブ２００内を流れる第１流体とケース管１００内でチューブ２００外を流れる第２流体との間で熱交換を行うものである。

前記ケース管１００は、両端を開口するとともに各開口縁１１１，１１３において外側に向けて全周に突出したフランジ１１２，１１４を形成した胴体１１０と、前記胴体１１０の下面に取り付けられた一対の脚部１２０，１２０と、前記胴体１１０の一方（手前側）の開口縁１１１にガスケット１３０を介して締結部品１４０により取り付けられる手前側蓋体１５０と、前記胴体１１０の他方（奥側）の開口縁１１２にガスケット１３０を介して締結部品１４０により取り付けられる奥側蓋体１６０と、を有している。

また、前記手前側蓋体１５０には上側に突出形成された第１流体入口１５１と、下側に突出形成された第１流体出口１５２とが設けられ、前記胴体１１０の上面には長手方向の一方（手前側）に近接して突出形成された第２流体入口１１５と、長手方向の他方（奥側）に近接して突出形成された第２流体出口１１６とが設けられている。

なお、前記図１乃至図４には描写を省略したが、第１流体および第２流体を前記ケース管内からそれぞれ排出するためのドレン弁を前記ケース管に形成するものとしてもよい。

チューブ２００は、前記バッフル３００の挿通孔３０１に各々挿通された状態で、一方（手前側）の端部に取り付けられた手前側固定板２１０と、他方（奥側）の端部に取り付けられた奥側固定板２２０とに固定されることによって一体の熱交換ユニット１０として組み立てられた状態で前記ケース管１００に収装される。

バッフル３００は、全体として円筒状を呈し、前記胴体１１０の内径と略同一の外径であって、その中心軸線Ｃ１から等間隔に離間して前記中心軸線Ｃ１と同軸に形成された２本のシャフト３１０，３２０と、一方の前記シャフト３１０の周囲に形成された螺旋板３３０と、他方の前記シャフト３２０の周囲に形成された逆螺旋板３４０と、長さ方向における一方の端部に前記第２流体入口１１５の軸線に対して傾斜して形成された入口側整流板３３１，３４１と、他方の端部に前記第２流体出口１１６の軸線に対して傾斜して形成された出口側整流板３３２，３４２と、を有し、前記中心軸線Ｃ１に対して同軸方向かつ線対称に配置した螺旋板３３０と逆螺旋板３４０が一体に結合した形状であり、前記螺旋板３３０および逆螺旋板３４０には、前記チューブ２００を長手方向に挿通するための複数の挿通孔３０１が中心軸線Ｃ１と同軸に形成されている（図５参照）。

前記バッフル３００は、全体が継ぎ目のない１つの部品で形成されており、本実施の形態では３Ｄプリンタによって成形されている。

３Ｄプリンタのような、複雑な形状であっても加工を可能とする製造手段によって１つの部品で製造することによって、射出成型や切削加工が困難な凹凸の多い複雑な形状かつ多数の孔を有する本発明のバッフル３００のような部品であっても比較的容易に製造することが可能となるため、生産性の向上や省コスト化を実現することができる。

３Ｄプリンタの造形方式については特に限定されるものではなく、例えば液槽光重合法（光造形式）、材料噴射法（インクジェット式）、粉末床溶融結合法（粉末焼結式）、材料押出法（熱溶解方式）その他の造形方式から適宜選択して使用可能である。

なお、前記シャフト３１０，３２０、前記螺旋板３３０、および前記逆螺旋板３４０をそれぞれ別個に製造して一体に結合するものとしてもよく、また、一方の前記シャフト３１０と前記螺旋板３３０、他方の前記シャフト３２０と前記逆螺旋板３４０を一組としてそれぞれ別個に製造してから一体に結合するものとしてもよい。

前記シャフト３１０，３２０を設け、前記シャフト３１０，３２０が前記手前側固定板２１０と前記奥側固定板２２０との間に挟まれるように介設されることによって、位置決めの効果および補強の効果を発揮することが可能となっているが、前記シャフト３１０，３２０を有さずに螺旋板および逆螺旋板のみからバッフルを形成するものとしてもよい（図示せず）。

前記バッフル３００を構成する素材は特に問わないが、例えば合成樹脂や金属など、３Ｄプリンタの方式に適した種々の素材を選択して使用可能である。また、３Ｄプリンタを用いない製造方法による場合も、当該製造方法に適した種々の素材を選択して使用可能である。

図６は前記バッフル３００の挿通孔３０１を形成していない状態を示す斜視図、図７は前記バッフル３００の挿通孔３０１を形成していない状態を示す６面図、図８は前記バッフル３００の挿通孔３０１を形成していない状態の拡大正面図および中心軸線から左右に分断した状態を示す図、図９は左右に分断した際の前記バッフル３００（逆螺旋板３４０側）の切断面を示す図、図１０は左右に分断した前記バッフル３００（逆螺旋板３４０側）を平面視するとともに補助線を加えた説明図である。

これら図面に示すように、前記バッフル３００は中心軸線Ｃ１を境に対称な形状をしており、前記螺旋板３３０は前記バッフル３００の中心軸線Ｃ１から所定距離を離間して同軸に設けられた一方のシャフト３１０を軸としてその周囲において軸線方向に進みながら一方向（反時計回り）に旋回しつつ立設するように形成され、前記逆螺旋板３４０は前記バッフル３００の中心軸線Ｃ１から所定距離を離間して同軸に設けられた他方のシャフト３２０を軸として軸線方向に進みながらその周囲に逆方向（時計回り）に旋回しつつ立設するように形成されており、平面視した際には前記螺旋板３３０および前記逆螺旋板３４０は互いに逆向きの半円形状をしている。

より詳細に説明すると、前記バッフル３００を左右に分断した際の逆螺旋板３４０側を示した平面図である前記図１０に示したように、前記逆螺旋板３４０は、前記バッフル３００の中心軸Ｃ１と前記シャフト３２０の中心軸Ｃ２を結んだ線分Ｌ１と、前記線分Ｌ１と前記中心軸Ｃ１の交点から直角に伸ばした直線Ｌ２とを取ったとき、前記直線Ｌ２で長手方向に切り欠いたような形状をしている。

なお、符号３０３は前記第２流体入口１１５側（ケース管１００上面側）に位置する前記直線Ｌ２と前記バッフル３００の外周３０２の交点、符号３０４はその反対側（ケース管１００下面側）に位置する前記直線Ｌ２と前記バッフル３００の外周３０２の交点である。

このとき、前記図１０に示すように、前記シャフト３２０が前記バッフルの中心軸線Ｃ１から所定距離Ｄ１だけ離間しており、前記逆螺旋板３４０は、前記シャフト３２０を軸として軸線方向に進みながらその周囲に前記逆方向に旋回しつつ立設するように形成されていることから、黒矢印で示したように図示する奥行方向に下る傾斜が設けられており、前記第２流体をこの傾斜に沿って螺旋状に流すことが可能である。

なお、前記逆螺旋板３４０と対称形状である前記螺旋板３３０も、上述した前記逆螺旋板３４０と同様の構造を有する。

前記螺旋板３３０と前記逆螺旋板３４０は同一のピッチを有しており、結合部分（図９においてハッチングを付した切断面に相当する部分）がちょうど合わさるように形成されている。

本実施の形態における前記逆螺旋板は、前記シャフト３２０の周囲を４周強する程度の長さを有するが、長さはこれに限られるものではなく、例えばケース管の長さに応じて、より長いものとしても、より短いものとしても実施可能である。

図３および図４に示すように、前記熱交換ユニット１０を収装したケース管１００内は、前記バッフル３００によって長手方向に区画され、ケース管１００内でチューブ２００外を流れる前記第２流体が通過する流体通路が形成される。

図３および図４において白抜き矢印で示した流れが、チューブ２００内を流れる第１流体の流れであり、黒矢印で示した流れが、ケース管１００内でチューブ２００外を流れる第２流体の流れである。

チューブ２００内を流れる第１流体の流れについては、従来周知のシェルアンドチューブ型熱交換器と同様であって、手前側蓋体１５０の内側には前記第１流体入口１５１と前記第１流体出口１５２の間に隔壁１５３が形成されているため、前記第１流体入口１５１から導入された第１流体は、前記隔壁１５３によって前記第１流体出口１５２への通過を禁じられるため、開口している上半分のチューブ２００内を反対側（奥側）へと進み、前記奥側蓋体１６０の内部空間に達した後反転して、開口している下半分のチューブ２００内を元の方向（手前側）へと進み、最終的に前記第１流体出口１５２から排出されるものであって、その過程で第２流体との熱交換が行われる。

そして、ケース管１００内でチューブ２００外を流れる第２流体の流れについて、本実施の形態であるシェルアンドチューブ型熱交換器１の縦断面図である図３を見る限りにおいては、第２流体は単なる螺旋状に流れているように見えるが、切断面を変えて横断面図とした図４を見ると分かるように、ケース管１００内における外周側と中心側を交互に通過する互いに逆向きの二つの螺旋を描いた特殊な流れが形成されている。

図１１は前記図３におけるＡ－Ａ線断面図、図１２は前記図３におけるＢ－Ｂ線断面図、図１３は前記図３におけるＣ－Ｃ線断面図、図１４は前記図３におけるＤ－Ｄ線断面図であり、これらの図において黒矢印で示した流れが、ケース管１００内でチューブ２００外を流れる第２流体の流れを示す。以下、これらの図に基づいてケース管１００内でチューブ２００外を流れる第２流体の流れをより詳細に説明する。

まず、前記第２流体入口１１５から導入された第２流体は、前記バッフル３００の一方の端部に形成された前記入口側整流板３３１，３４１によって図示する左右方向に分岐し、前記螺旋板３３０および前記逆螺旋板３４０の傾斜に沿って、前記ケース管１００内における外周側（前記胴体１１０と前記シャフト３１０，３２０との間）を通過していく（図１１参照）。

この図に示すように、前記入口側整流板３５０はほぼ直角をなすように２つの板状片を結合した逆Ｖ字型をしており、第２流体入口１１５の軸線上に逆Ｖ字の角が合致するように配置されているため、スムーズに図示する左右方向に第２流体の流れを分岐させることができる。

次に、外周側を通過した第２流体は、前記螺旋板３３０および前記逆螺旋板３４０の傾斜に沿って合流し、前記ケース管１００内における中心側（前記胴体１１０の中心軸，前記シャフト３１０，３２０同士の間）を通過していく（図１２参照）。

続いて、中心側を通過した第２流体は、前記螺旋板３３０および前記逆螺旋板３４０の傾斜に沿って図示する左右方向に分岐し、前記ケース管１００内における外周側（前記胴体１１０と前記シャフト３１０，３２０との間）を通過していく（図１３参照）。

最後に、外周側を通過した第２流体は、前記螺旋板３３０および前記逆螺旋板３４０の傾斜に沿って合流し、前記ケース管１００内における中心側（前記胴体１１０の中心，前記シャフト３１０，３２０同士の間）を通過した後、上方に位置する前記第２流体出口１１６から排出される。このとき、前記バッフル３００の他方の端部に形成された前記出口側整流板３６０，３６０によって前記第２流体１１６の逆流が防がれている（図１４参照）。

なお、前記出口側整流板３６０，３６０は２つの板状片を離間して配置し、前記第２流体出口１１６方向に向けて広がる逆ハの字型をしているため、第２流体出口１１６付近の第２流体の流れを制御してスムーズに前記第２流体出口１１６から第２流体を排出することができる。

このように、ケース管１００内を区画して流体の流れを制御するバッフル３００を螺旋板３３０と逆螺旋板３４０を一体に結合した形状で構成し、前記ケース管１００内でチューブ２００外を流れる流体が互いに逆向きの螺旋状に流れる特殊な螺旋構造としたことで、従来発明のようにバッフル板の角部分が存在しないため流れの淀みを生じることなく、且つ分岐と合流を繰り返すことで適度な乱流効果を発揮して優れた熱交換効率を得ることができる。

１ シェルアンドチューブ型熱交換器、１０ 熱交換ユニット、１００ ケース管、１１０ 胴体、１１１ 開口縁、１１２ フランジ、１１３ 開口縁、１１４ フランジ、１１５ 第２流体入口、１１６ 第２流体出口、１２０ 脚部、１３０ ガスケット、１４０ 締結部品、１５０ 手前側蓋体、１５１ 第１流体入口、１５２ 第１流体出口、１５３ 隔壁、１６０ 奥側蓋体、２００ チューブ、２１０ 手前側固定板、２２０ 奥側固定板、３００ バッフル、３０１ 挿通孔、３０２ 外周、３０３，３０４ 交点、３１０，３２０ シャフト、３３０ 螺旋板、３４０ 逆螺旋板、３５０ 入口側整流板、３６０ 出口側整流板

Claims (4)

1. 円筒状のケース管と、複数本のチューブと、複数個の挿通孔を設けたバッフルと、を備え、前記バッフルが前記各挿通孔に前記チューブを挿通しながら配設されて前記ケース管内を長手方向に区画しており、前記チューブ内を流れる流体と前記ケース管内で前記チューブ外を流れる流体との間で熱交換を行うシェルアンドチューブ型熱交換器において、
   前記バッフルは、その中心軸線に対して同軸方向かつ線対称に配置した、一方向に旋回する螺旋板と、逆方向に旋回する逆螺旋板とを一体に結合した形状であって、
   前記バッフルによって区画された前記ケース管内において前記チューブ外を流れる流体は、互いに逆向きの螺旋状に流れることを特徴とするシェルアンドチューブ型熱交換器。
2. 前記バッフルは、等間隔に離間して前記中心軸線と同軸に形成された２本のシャフトを有し、一方の前記シャフトの周囲に前記螺旋板が、他方の前記シャフトの周囲に前記逆螺旋板が形成されていることを特徴とする請求項１記載のシェルアンドチューブ型熱交換器。
3. 前記ケース管は前記チューブ外を流れる流体が通過する流体入口および流体出口が形成されており、
   前記バッフルは、長さ方向における一方の端部に前記流体入口の軸線に対して傾斜する入口側整流板が、他方の端部に前記流体出口の軸線に対して傾斜する出口側整流板が形成されていることを特徴とする請求項１または２記載のシェルアンドチューブ型熱交換器。
4. 前記バッフルが継ぎ目のない１つの部品で形成されていることを特徴とする請求項１，２または３記載のシェルアンドチューブ型熱交換器。

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