特開 2024-127185 多管式熱交換器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024127185

(43)【公開日】2024-09-20

(54)【発明の名称】多管式熱交換器

(51)【国際特許分類】

   F28D 7/16 20060101AFI20240912BHJP

【ＦＩ】

F28D7/16 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023036163

(22)【出願日】2023-03-09

(71)【出願人】

【識別番号】000005234

【氏名又は名称】富士電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110004185

【氏名又は名称】インフォート弁理士法人

(74)【代理人】

【識別番号】100121083

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 宏義

(74)【代理人】

【識別番号】100138391

【弁理士】

【氏名又は名称】天田 昌行

(74)【代理人】

【識別番号】100132067

【弁理士】

【氏名又は名称】岡田 喜雅

(74)【代理人】

【識別番号】100120444

【弁理士】

【氏名又は名称】北川 雅章

(72)【発明者】

【氏名】吉田 時空

(72)【発明者】

【氏名】安嶋 賢哲

(72)【発明者】

【氏名】藤本 裕地

(72)【発明者】

【氏名】武塙 浩太郎

(72)【発明者】

【氏名】峯松 繁行

【テーマコード（参考）】

3L103

【Ｆターム（参考）】

3L103AA17

3L103AA37

3L103BB01

3L103CC02

3L103CC12

3L103CC15

3L103DD08

3L103DD19

(57)【要約】

【課題】熱伝達率を高めることができ、シェルを流れる第１流体の圧力損失を低減できる多管式熱交換器を提供すること。
【解決手段】多管式熱交換器（１）は、第１流体が流れるシェル（１０）と、第１流体と熱交換する第２流体が流れる複数のチューブ（２１）と、シェルの内部を流れる第１流体を蛇行させる複数のバッフル（３０）とを備えている。バッフルは、中心軸（Ｃ）を挟む一方領域（３１）と他方領域（３２）とを備え、一方領域にて第１流体の流れを折り返している。バッフルには、チューブが挿通される複数の穴（３６）が形成される。複数の穴のうち、バッフルの一方領域に形成される穴の少なくとも１つは通過穴（３６ａ）とされ、通過穴にて第１流体が通過してチューブを流れる第２流体と熱交換する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

所定の中心軸方向に延出する中空形状に設けられ、内部に前記中心軸方向の一端側から他端側に向かって第１流体が流れるシェルと、
前記シェルの内部にて前記中心軸方向と平行に延出し、前記第１流体と熱交換する第２流体が内部を流れる複数のチューブと、
前記シェルの内部にて前記中心軸方向に間隔をあけて複数設けられ、前記中心軸方向に対し交差方向に向けられて前記シェルの内部を流れる前記第１流体を蛇行させるバッフルとを備えた多管式熱交換器であって、
前記バッフルは、前記交差方向にて前記中心軸を挟む一方領域と他方領域とを備え、前記一方領域にて前記第１流体の前記中心軸方向の流れを前記交差方向に折り返し、前記他方領域における前記中心軸の反対側にて前記第１流体が前記中心軸方向に流れ、
前記バッフルには、前記チューブが挿通される複数の穴が形成され、
前記複数の穴のうち、前記一方領域に形成される前記穴の少なくとも１つは通過穴とされ、該通過穴にて、前記第１流体が通過して前記チューブを流れる前記第２流体と熱交換することを特徴とする多管式熱交換器。

【請求項2】

前記バッフルは、前記一方領域による前記第１流体の折り返し方向にて最も上流側の前記穴を前記通過穴とす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】

前記バッフルは、前記一方領域にて前記シェルの内周面に隣り合う前記穴を前記通過穴とす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4】

前記通過穴は、他の前記穴に比べて大きい開口面積を有していることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の多管式熱交換器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、多管式熱交換器に関し、特に、シェル内の流体をバッフルによって蛇行させて熱交換を行う多管式熱交換器に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１は、多数のチューブが収納された缶胴内に、切欠を有する複数のバッフル板を相互に間隔を置いて配設した多管式熱交換器を開示している。特許文献１は、缶胴の入口ノズルから出口ノズルに流れるシェル側流体を、バッフル板よりなる流路にジグザグに流す間に、シェル側流体とチューブ内の流体とで熱交換を行っている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】実全昭５６－１５４６９４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１では、缶胴内のクロスフロー部にて入口側バッフル板の切欠から流入したシェル側流体の流れが出口側バッフル板に衝突して方向転換し、その切欠から流出している。特許文献１は、入口側バッフル板の下流側であって切欠と反対側の端部付近にて、シェル側流体の流れが淀んでチューブ内の流体への熱伝達率が低下する点、シェル側流体が出口側バッフル板と衝突することで圧力損失が発生する点で改善の余地があった。

【0005】

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、熱伝達率を高めることができ、シェルを流れる第１流体の圧力損失を低減することができる多管式熱交換器を提供することを目的の一つとする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明における一態様の多管式熱交換器は、所定の中心軸方向に延出する中空形状に設けられ、内部に前記中心軸方向の一端側から他端側に向かって第１流体が流れるシェルと、前記シェルの内部にて前記中心軸方向と平行に延出し、前記第１流体と熱交換する第２流体が内部を流れる複数のチューブと、前記シェルの内部にて前記中心軸方向に間隔をあけて複数設けられ、前記中心軸方向に対し交差方向に向けられて前記シェルの内部を流れる前記第１流体を蛇行させるバッフルとを備えた多管式熱交換器であって、前記バッフルは、前記交差方向にて前記中心軸を挟む一方領域と他方領域とを備え、前記一方領域にて前記第１流体の前記中心軸方向の流れを前記交差方向に折り返し、前記他方領域における前記中心軸の反対側にて前記第１流体が前記中心軸方向に流れ、前記バッフルには、前記チューブが挿通される複数の穴が形成され、前記複数の穴のうち、前記一方領域に形成される前記穴の少なくとも１つは通過穴とされ、該通過穴にて、前記第１流体が通過して前記チューブを流れる前記第２流体と熱交換することを特徴とする。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、バッフルの一方領域に形成される通過穴に第１流体を流し、かかる第１流体とチューブ内の第２流体とで熱交換することができる。これにより、第１流体のバッフルへの衝突を緩和して圧力損失を低減でき、且つ、バッフルによる第１流体の折り返しにて淀みが発生することを抑制して第２流体との熱伝達率向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施の形態に係る多管式熱交換器を一部断面視した概略正面図である。

【図2】図１のＡ部拡大図である。

【図3】図２のＢ－Ｂ線断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本発明の一実施の形態に係る多管式熱交換器について、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、下記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で適宜変形して実施することができるものである。以下の図においては、説明の便宜上、一部の構成を省略することがある。また、以下の説明において、特に明示しない限り、「前」、「後」、「上」、「下」、「左」、「右」は各図に示す矢印方向を基準として用いる。但し、以下の実施の形態での各構成の向きは、一例にすぎず、任意の向きに変更することができる。

【0010】

図１は、実施の形態に係る多管式熱交換器を一部断面視した概略正面図である。図１に示すように、多管式熱交換器１は、前後方向（水平方向）に延出する形状を備えたシェル１０と、シェル１０の内部に配置される複数のチューブ２１（図２参照）より構成される管群２０とを備えている。また、多管式熱交換器１は、シェル１０の内部に設けられる複数のバッフル３０を備えている。本実施の形態における多管式熱交換器１は、産業用途等の大型の熱交換器として用いられるが、それ以外の様々な用途に用いることを妨げるものでない。

【0011】

シェル１０は、主として、前後方向に平行な中心軸Ｃ方向に延出する中空の円筒形状に設けられる。シェル１０には第１流体が流れ、該第１流体は、シェル１０における中心軸Ｃ方向の一端側となる後端側から他端側となる前端側に向かって図１の破線で示すように流れる。よって、シェル１０にて、第１流体の上流側が後側になり、第１流体の下流側が前側となる。第１流体は、後述する第２流体と熱交換する熱媒体であり、特に限定されるものでないが溶融塩とすることが例示できる。

【0012】

シェル１０の後方上部位置には、第１流体が流入されるシェル入口部１１が設けられる。シェル１０の前方下部位置には、第１流体が流出されるシェル出口部１２が設けられる。シェル１０の前端には管群２０をシェル１０内に接続する接続部１５が設けられる。

【0013】

図１にて、管群２０は、図示の便宜上、多数本のチューブ２１を１本の配管として表している。管群２０は、両端側が接続部１５に接続され、シェル１０の内部にて中心軸Ｃ方向と平行に延出しつつシェル１０の後端側で１８０°反転するよう設けられている。管群２０を構成するチューブ２１の内部には第２流体が流れる。第２流体は、第１流体と熱交換する熱媒体であり、特に限定されるものでないが水や蒸気とすることが例示できる。第１流体及び第２流体は、何れが相対的に高温又は低温となってもよい。

【0014】

ここで、管群２０に第２流体を流入するための入口部２３が接続部１５の上部位置に設けられ、管群２０から第２流体を流出するための出口部２４が接続部１５の下部位置に設けられる。

【0015】

バッフル３０は、中心軸Ｃ方向に所定間隔をあけて複数設けられている。各バッフル３０は、中心軸Ｃ方向に対して直交（交差）する方向に向けられている。言い換えると、各バッフル３０は、前後方向に対して直交する上下及び左右方向（図１の紙面直交方向）に平行となる方向に向けられている。

【0016】

バッフル３０は、中心軸Ｃ方向に対して交差する方向となる上下方向にて、中心軸Ｃを挟む一方領域３１と他方領域３２とを備えている。一方領域３１は、シェル１０内の上半部または下半部を閉塞し、シェル１０内の第１流体における中心軸Ｃ方向の流れを遮る領域とされる。一方領域３１によって流れを遮られた第１流体は、前方向から上下方向に折り返されて流れるようになる。

【0017】

他方領域３２は、中心軸Ｃを挟んで一方領域３１と上下反対側の領域とされる。他方領域３２は、中心軸Ｃから一方領域３１とは反対側に所定の上下幅を備えている。かかる上下幅は、シェル１０の内周の半径寸法より短く形成され、他方領域３２の先端側（中心軸Ｃの反対側）とシェル１０の内周との間を開放して第１流体が中心軸Ｃ方向に流れるようになる。

【0018】

中心軸Ｃ方向にて、他方領域３２の下方を開放するバッフル３０と、他方領域３２の上方を開放するバッフル３０とが交互に配置される。これにより、シェル１０の内部を流れる第１流体がバッフル３０によって衝突及び折り返しを繰り返し、後方から前方に向かって流れつつ上下方向に蛇行して流れるようになる。

【0019】

多管式熱交換器１においては、シェル１０の内部で蛇行して流れる第１流体と、管群２０を流れる第２流体との間で熱交換が行われる。複数のバッフル３０によってシェル１０の内部を仕切ることで第１流体の流路面積を小さくして流速を高め、熱伝達率を向上できる。また、バッフル３０の間隔を変えることで、所定流速に合わせた設計を行い易くなる他、シェル１０の内周面に沿う位置に第１流体の流れが集中することをシールストリップ等の簡易な構造によって防止可能となる。

【0020】

図２は、図１のＡ部拡大図である。図３は、図２のＢ－Ｂ線断面図である。図２及び図３に示すように、シェル１０の内部にあっては、円筒状の複数のチューブ２１が満遍なく配置され、バッフル３０には、チューブ２１が挿通される円形の複数の穴３６が形成される。ここで、図３に示すように、中心軸Ｃを通過して左右方向に延出する位置を一方領域３１及び他方領域３２の境界位置Ｐとする。本実施の形態では、一方領域３１に形成される穴３６は、境界位置Ｐに重なる穴３６及び他方領域３２に形成される穴３６に比べて大きい開口面積を有しており、相対的に大径となるように形成されている。以下、複数の穴３６のうち、一方領域３１に形成される穴３６については、通過穴３６ａと称する。

【0021】

通過穴３６ａは、中心軸Ｃ方向に直交する断面視での内周形状がチューブ２１の外周形状より大きく形成されている。よって、通過穴３６ａの内周とチューブ２１の外周との間には、第１流体の通過を許容する隙間が形成される。

【0022】

境界位置Ｐに重なる穴３６及び他方領域３２に形成される穴３６は、内周形状がチューブ２１の外周形状と同一に形成されている。なお、本明細書において、「同一」は、寸法等が完全に一致する状態の他、同一を意図して製造しつつ加工精度や公差、尤度等によって若干相違する状態も含む意味である。よって、通過穴３６ａ以外の穴３６において、第１流体が若干通過する場合があるが、かかる通過による第１流体と第２流体との熱交換は極めて微小で特に考慮しない設計がなされる。

【0023】

ここで、上記実施の形態の作用、機能を説明するための比較構造について検討する。比較構造にて、上記実施の形態と同一ないし類似する構成については、同じ符号を付して説明する。比較構造は、実施の形態に対し、バッフル３０に形成される全ての穴３６の内周形状がチューブ２１の外周形状と同一とした構成とされる。

【0024】

比較構造においては、図２の流れＦａで示すように、シェル１０の内部を前方に向かって流れる第１流体がバッフル３０の後面に衝突すると、該衝突による圧力損失が大きくなる。また、第１流体がバッフル３０に衝突することにより、バッフル３０の後面に沿うシェル１０の内周面寄りの領域Ｓ１にて、第１流体の流れＦａが剥離して渦流が発生し易くなり、これによっても圧力損失が大きくなる。更には、図２の流れＦｂで示すように、第１流体がバッフル３０を通過して前方（下流側）に向かって流れるにあたり、バッフル３０の前面に沿うシェル１０の内周面寄りの領域Ｓ２に十分な量の第１流体が流れ難くなる。このため、領域Ｓ２にて第１流体が滞留する死水域が発生し、熱伝達率が低下することとなる。

【0025】

これに対し、上記実施の形態にあっては、バッフル３０の一方領域３１に通過穴３６ａを形成し、図２の流れＦで示すように、通過穴３６ａとチューブ２１との間の隙間での第１流体の通過を許容している。かかる流れＦによって、第１流体のバッフル３０の後面に対する衝突を緩和でき、領域Ｓ１での渦流の発生も抑えることができるので、圧力損失を抑制可能となる。

【0026】

また、通過穴３６ａを通る流れＦによって、領域Ｓ２にて流れる第１流体の量を増やすことができ、領域Ｓ２における第１流体の滞留を抑制して熱伝達率を高めることができる。更に、第１流体が通過穴３６ａを通ることで、チューブ２１内の第２流体と第１流体が熱交換できるようになって熱伝達率をより高めることができる。しかも、第１流体が通過穴３６ａとチューブ２１との間の狭い隙間を通ることで流れＦが加速されるので、流速上昇による熱伝達率の向上を図ることもできる。このように、上記実施の形態によれば、第１流体の圧力損失の抑制と、熱伝達率の向上とを同時に達成することができる。

【0027】

また、第１流体が凝固性流体である場合、バッフル３０周りに凝固性流体が滞留し凝固することを防ぐことができ、多管式熱交換器１を安定して運転継続することができる。

【0028】

本発明の実施の形態は上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の趣旨を逸脱しない範囲において様々に変更、置換、変形されてもよい。さらには、技術の進歩又は派生する別技術によって、本発明の技術的思想を別の仕方で実現することができれば、その方法を用いて実施されてもよい。したがって、特許請求の範囲は、本発明の技術的思想の範囲内に含まれ得る全ての実施態様をカバーしている。

【0029】

上記実施の形態にて、チューブ２１の断面形状及び穴３６を円形としたが、これに限られるものでなく、楕円形や方形、多角形にする等、他の形状としてもよい。また、通過穴３６ａは、チューブ２１との間の隙間に第１流体が通過してチューブ２１を流れる第２流体と熱交換できる限りにおいて、チューブ２１の断面と異なる形状としてもよい。

【0030】

また、バッフル３０の向きは、中心軸Ｃ方向に対する直交方向に限定されず、例えば、該直交方向から前後方向に所定角度向きを変えた角度としてもよい。

【0031】

また、管群２０は、中間で反転した形状に限られず、中心軸Ｃ方向に直線的に形成してもよい。

【0032】

また、図２の流れＦを許容する通過穴３６ａの形成数、形成位置は、上記実施の形態に限定されるものでなく、種々の変更が可能である。例えば、一方領域３１に形成される穴３６に加え、境界位置Ｐに重なる穴３６においても通過穴３６ａとしてもよい。

【0033】

また、図２及び図３にて、最上位の穴３６だけ通過穴３６ａとしたり、これに加え最上位の穴３６に隣り合う穴３６を通過穴３６ａとしたり、一方領域３１にてシェル１０の内周面に沿って隣り合う穴３６だけを通過穴３６ａとしたりしてもよい。このように通過穴３６ａとする穴３６を種々選択した設計が可能であり、バッフル３０にて第１流体の滞留や渦流が発生し易い位置に部分的に通過穴３６ａを形成することができる。

【0034】

ここで、図２のバッフル３０において、一方領域３１による第１流体の折り返し方向は、上流側が上方となり、下流側が下方となり、上述した最上位の穴３６は、バッフル３０にて最も上流側に位置する穴３６とされる。

【符号の説明】

【0035】

１ ：多管式熱交換器
１０ ：シェル
２１ ：チューブ
３０ ：バッフル
３１ ：一方領域
３２ ：他方領域
３６ ：穴
３６ａ ：通過穴
Ｃ ：中心軸

【図1】

【図2】

【図3】