特許 7236765 熱交換器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-03-02

(45)【発行日】2023-03-10

(54)【発明の名称】熱交換器

(51)【国際特許分類】

   F28D 7/10 20060101AFI20230303BHJP

   F28D 1/06 20060101ALI20230303BHJP

   F28F 1/04 20060101ALI20230303BHJP

   F28D 7/12 20060101ALI20230303BHJP

   F28D 7/02 20060101ALI20230303BHJP

   F28F 1/06 20060101ALI20230303BHJP

【ＦＩ】

F28D7/10 A

F28D1/06 B

F28F1/04

F28D7/12

F28D7/02

F28F1/06

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2021214267

(22)【出願日】2021-12-28

【審査請求日】2022-01-26

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】721012656

【氏名又は名称】株式会社システムサポート

(74)【代理人】

【識別番号】110002310

【氏名又は名称】弁理士法人あい特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】山田洋三

【審査官】岩▲崎▼ 則昌

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０２１／１３１００５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０２１／１２４５８２（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２８Ｄ ７／１０

Ｆ２８Ｄ １／０６

Ｆ２８Ｆ １／０４

Ｆ２８Ｄ ７／１２

Ｆ２８Ｄ ７／０２

Ｆ２８Ｆ １／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

処理液を熱交換する熱交換器であって、
熱媒又は冷媒が流通する第１の内部空間を有する筒状の第１のジャケットと、
前記第１のジャケットの内周壁を構成する伝熱用外筒と、
外周壁を有し、熱媒又は冷媒が流通する第２の内部空間を有する第２のジャケットと、
前記伝熱用外筒に挿脱可能に内挿される伝熱用内軸であって、前記第２のジャケットの前記外周壁を構成する伝熱用内軸とを含み、
前記伝熱用内軸の外周面には、前記伝熱用外筒の内周面とによって前記処理液が流通する処理液流路を区画するスパイラル溝が形成され、
前記第２の内部空間は、前記外周壁の内周面によって区画される筒状空間であり、
前記第２の内部空間には、蛇行しながら軸方向に延び、かつ熱媒又は冷媒が流通する媒体流通路が形成される、熱交換器。

【請求項2】

前記外周壁の前記内周面が、円筒面である、請求項１に記載の熱交換器。

【請求項3】

前記スパイラル溝の溝断面形状が角形である、請求項１又は２に記載の熱交換器。

【請求項4】

前記スパイラル溝の溝断面形状が波形である、請求項１又は２に記載の熱交換器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は医薬・化粧品、ファインケミカル・新素材、食品などのあらゆる分野に適用可能な熱交換器に関する。

【背景技術】

【0002】

現状一般的に用いられているコイル管式熱交換器は、処理液を通過させるための銅管・ステンレス鋼管又はガラス管などのコイル管とその外周を加熱・冷却するための熱媒又は冷媒を流すシェルで構成されている。

【0003】

生産工場や研究所においてコイル管式熱交換器の定期的又は品種替え・色替え前の洗浄は、接液部であるコイル管内側に洗浄液注入後に高圧水流で洗い流す方法が多く用いられている。この方法では洗浄後にコイル管内面を目視確認することはできない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１３―０４０７０６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

コイル管式熱交換器の洗浄方法については、上注の通りである。洗浄後目視にてコイル管内を確認することはできない上に殺菌処理も困難である。

【0006】

処理物の中には医薬品・化粧品・新素材など、付加価値が高く微少であっても異物の混入を嫌う処理物が多くある。品種及び色替えなどを考慮すると、熱交換器内部の処理液接液部を完全に洗浄し確認することが望ましい。

【0007】

本発明の解決課題は、洗浄後に洗浄結果を目視で確認可能な熱交換器を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

この発明の一実施形態は、処理液を熱交換する熱交換器であって、第１の内部空間を区画し、当該第１の内部空間を熱媒又は冷媒が流通する筒状の第１のジャケットと、前記第１のジャケットの内筒壁を構成する伝熱用外筒と、前記伝熱用外筒に内挿される伝熱用内軸であって、外周面にスパイラル溝が形成された伝熱用内軸とを含む、熱交換器を提供する。そして、前記スパイラル溝と前記伝熱用外筒の内周面とによって、前記処理液が流通する処理液流路が区画される。

【0009】

この発明の一実施形態では、前記熱交換器が、第２の内部空間を区画し、当該第２の内部空間を熱媒又は冷媒が流通する第２のジャケットをさらに含む。そして、前記スパイラル溝の底壁が、前記第２のジャケットの外周壁を構成する。

【0010】

前記伝熱用内軸が、前記伝熱用外筒に挿脱可能であってもよい。前記伝熱用内軸が、第２のジャケットの前記外周壁を構成してもよい。前記第２のジャケットの前記外周壁の内周面によって、筒状空間からなる第２の内部空間が区画されていてもよい。前記第２の内部空間には、蛇行しながら軸方向に延び、かつ熱媒又は冷媒が流通する媒体流路が形成されていてもよい。
前記第２の内部空間を区画する前記外周壁の前記内周面が、円筒面であってもよい。
この発明の一実施形態では、前記スパイラル溝の溝断面形状が角形である。

【0011】

この発明の一実施形態では、前記スパイラル溝の溝断面形状が波形である。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、洗浄後に洗浄結果を目視で確認可能な熱交換器を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明に係る熱交換器全体断面図である。

【図2】伝熱用外筒と伝熱用内軸のスパイラル溝部角形断面図である。

【図3】伝熱用外筒と伝熱用内軸のスパイラル溝部波形断面図である。

【図4】第１のジャケット（外側伝熱管）の断面図である。

【図5】第２のジャケット（伝熱用内軸）の断面図である。

【図6】Ｄ形バッフルプレートの平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

図１は、本発明の実施形態の熱交換器１００の全体の断面図である。

【0015】

本熱交換器１００は第１のジャケット１１と、第２のジャケット１２と、伝熱用外筒３１と、伝熱用内軸５２とを備えている。

【0016】

第１のジャケット１１は内部に略円筒状の第１の内部空間１３を区画している。

【0017】

第１のジャケット１１は、一端が閉塞した二重の略円筒状である。

【0018】

第１のジャケット１１の伝熱用外筒フランジ３８、及び、第２のジャケット１２の蓋板５７は、それぞれヘルール形状であり、パッキン５９と締結クランプ５８により一体化できる。また、伝熱用外筒フランジ３８、及び、第２のジャケットの蓋板５７がそれぞれ規格フランジ形状の場合は、ガスケットと六角ボルトナットで一体化できる。

【0019】

第１のジャケット１１は、ステンレス鋼を用いて形成されている。第１の内部空間１３には、熱媒又は冷媒が流通する。熱媒としてはシリコーンオイルや高温スチーム等があげられる。冷媒としてはプロピレングリコールやエチレングリコールなどを主成分とした不凍液や水等があげられる。

【0020】

第１のジャケット１１の内周壁の伝熱用外筒３１の外周壁３２からは、螺旋状のバッフルプレート３３が内側に向けて延びている。バッフルプレート３３の先端と第１のジャケット１１の内周筒壁との間には連続状の隙間が形成されている。バッフルプレート３３によって第１の内部空間１３に、螺旋状の流路が区画される。

【0021】

伝熱用外筒３１は、第１のジャケット１１の内周壁を構成している。つまり、伝熱用外筒３１の外周壁が、第１のジャケット１１の内周壁を構成している。伝熱用外筒３１は、ステンレス鋼を用いて形成されている。

【0022】

伝熱用外筒３１は溶接等を用いて第１のジャケット１１の外周壁３２に結合されている。

【0023】

伝熱用内軸５２は、伝熱用外筒３１に内挿される軸体であって、ステンレス鋼を用いて形成されている。伝熱用内軸５２は円筒管によって構成されている。伝熱用内軸５２の外周面には、スパイラル溝５１が形成されている。スパイラル溝５１は、図２に示すように、断面形状が角形又は、図３に示すように、断面形状が波形であっても良い。

【0024】

第２のジャケット１２は、内部に第２の内部空間１４を区画している。第２のジャケット１２は、両端が閉塞した略円筒状である。第２のジャケット１２は、ステンレス鋼を用いて形成されている。第２の内部空間１４には、熱媒又は冷媒が流通する。

【0025】

第２のジャケット１２の外周壁が伝熱用内軸５２によって構成されている。すなわち、スパイラル溝５１の底壁が第２ジャケット１２の外周壁を構成している。

【0026】

スパイラル溝５１と伝熱用外筒３１の内周面とによって、熱交換対象の処理液が流通する螺旋状の処理液流路１５が区画される。

【0027】

第２のジャケット１２の第２の内部空間１４には、略Ｄ状の複数のＤ形バッフルプレート５６Ａ、５６Ｂが交互等間隔に配置されている。複数のＤ形バッフルプレート５６Ａ、５６Ｂによって第２の内部空間１４に、蛇行状の流路が形成されている。

【0028】

処理液流路１５は処理液入口３４と処理液出口３５とを両端に有している。処理液入口３４は、処理液供給配管に接続されている。処理液出口３５は、処理液回収配管に接続されている。

【0029】

第１のジャケット１１の端面板には熱媒や冷媒が第１の内部空間１３に流入するための外側入口３６が形成されている。第１のジャケット１１の外周壁３２には熱媒や冷媒が第１の内部空間１３から流出するための外側出口３７が形成されている。外側入口３６及び外側出口３７は、第１の内部空間１３に連通している。

【0030】

外側入口３６は、熱媒や冷媒等の媒体の供給源に接続されている。

【0031】

外側出口３７は、次に述べる内側入口５３に接続されている。

【0032】

第２のジャケット１２の端面板には熱媒や冷媒が第２の内部空間１４に流入するための内側入口５３及び内側出口５４が形成されている。内側入口５３には、延長管５５が接続されており、延長管５５が第２の内部空間１４を軸方向に延びて、その先端が他方側の端面板の付近まで延びている。

【0033】

延長管５５の先端開口６０及び内側出口５４が、第２の内部空間１４に連通している。

【0034】

外側出口３７が、内側入口５３に接続されている。内側出口５４が熱媒や冷媒の回収配管に接続されている。

【0035】

外側入口３６から第１のジャケット１１に流入した熱媒や冷媒が第１の内部空間１３に形成された螺旋状の流路を通って流れ、外側出口３７から流出する。

【0036】

流出した熱媒や冷媒は、内部入口５３を介して延長管５５に流入し、その先端開口６０から第２の内部空間１４に流入する。

【0037】

流入した熱媒や冷媒は、第２の内部空間１４に形成された蛇行状の流路を通って流れ、内側出口５４から流出する。

【0038】

媒や冷媒等の媒体の供給源を外側入口３６と内側入口５３にそれぞれ接続し、外側出口３７と内側出口５４に回収配管を接続しても良い。

【0039】

また、熱媒や冷媒等の媒体の流れを逆向きに接続してもよい。

【0040】

一方、処理液入口３４から処理液流路１５に流入した処理液が螺旋状の処理液流路１５を流れる。処理液流路１５が伝熱用外筒３１とスパイラル溝５１とによって区画されているので、処理液流路１５を流れる処理液を、第１及び第２のジャケット１１，１２との間で熱交換させることができる。

【0041】

また、処理液の流れを逆向きに接続してもよい。

【0042】

本熱交換器１００は医薬・化粧品、ファインケミカル・新素材、食品などのあらゆる分野の生産工程で、使用されているコイル管式熱交換器の洗浄性をより向上させることができる。

【0043】

本熱交換器１００は使用後に洗浄・殺菌が必要な熱交換対象物の処理にも有効であり、現状流水洗浄・エタノール希釈溶液による溜め込み殺菌を行っているが、目視洗浄・殺菌処理をより確実なものにできる。

【0044】

本熱交換器１００の使用方法及び熱交換性能は、コイル管式熱交換器とほぼ同等なので、生産ラインや装置に付属している熱交換器との付け替えを容易に行うことができる。

【0045】

伝熱用内軸５２の外周面にスパイラル溝５１を設けた伝熱用内軸５２の製作は、パイプ材に得たい溝形状・寸法に合ったリード・ピッチを定めたネジ切削加工で容易に製作できる。

【0046】

伝熱用外筒３１に、外周面にスパイラル溝５１を設けた伝熱用内軸５２を挿入して組立てると、出現するスパイラル状の処理液流路１５で、伝熱用外筒３１から引き抜くと図４・図５に示すように伝熱用外筒３１、および、伝熱用内軸５２のスパイラル溝５１が露出し、直接、ブラシなどで容易に洗浄できる。

【0047】

伝熱用外筒３１と伝熱用内軸５２のスパイラル溝５１山部には、組立式のため０．５～１．０ｍｍの溝山部隙間１６が存在する、よってショートパスする処理液が存在するが、熱貫流率の最も良い部分を通過するので熱交換効率には問題はない。

【0048】

医薬・化粧品、食品などの分野では、使用後伝熱用外筒３１から引き抜くと図４・図５に示すように伝熱用外筒３１及び伝熱用内軸５２のスパイラル溝５１が露出し、殺菌・除菌処理を容易にすることができる。

【0049】

高圧微粒化装置などのように処理物にエネルギーを付加して分散・微粒化乳化・解砕・粉砕を行う装置の場合、効果が上がれば上がるほど熱が発生する、そして処理物のほとんどが温度上昇を嫌う傾向にあるため、熱交換器の取り付けは不可欠である。

【0050】

本発明の熱交換器の熱交換能力の確認を行うため、次の試験を行った。

【0051】

高圧乳化分散装置システマイザーミニ（システムサポート社製）を用い、製作した本発明の熱交換器、及び、コイル式熱交換器で、それぞれ高圧運転時の総括伝熱係数を求め、熱交換能力の平均値を比較した。

【0052】

先ず、熱交換器に、試料（処理液）及びチラー（クールエースＣＡ－１１１５、東京理科器械社製）水出入口温度計を設置し、試料（水道水３００ｍＬ、２８℃）を高圧運転１００、２５０ＭＰａで運転し、１パスごとの温度変化を記録した。

【0053】

次に、得られた数値をもとに、対数平均温度差ΔＴｍ［℃］及び熱交換負荷Ｗ［ｋｃａｌ／ｈ］、総括伝熱係数Ｕ［ｋｃａｌ／（ｍ^２・ｈ・℃）］を算出し、その平均値を求めた。

【0054】

対数平均温度差ΔＴｍ［℃］は、次式数１により求められる。

【0055】

（数１） ΔＴｍ ＝ （ΔＴ－Δｔ） ／ Ｌｎ（ΔＴ／Δｔ）

【0056】

熱交換負荷Ｗ［ｋｃａｌ／ｈ］は、次式数２により求められる。

【0057】

（数２） Ｗ ＝ Ｃａ × Ｑ × ΔＴ

【0058】

総括伝熱係数Ｕ［ｋｃａｌ／（ｍ^２・ｈ・℃）］は、次式数３により求められる。

【0059】

（数３） Ｕ ＝ Ｗ／Ａ × ΔＴｍ

【0060】

なお、比較試験に使用した本発明の熱交換器の流路形状は、一辺３．０ｍｍ四角形で、伝熱面積Ａ＝０．０１５ｍ^２、比熱係数Ｃａ＝１、製品流量Ｑ＝５．４ｋｇ/ｈｒである。コイル式熱交換器の流路形状は、コイル径φ４．０ｍｍ、伝熱面積Ａ＝０．０１９３ｍ^２、比熱係数Ｃａ＝１、製品流量Ｑ＝５．４ｋｇ/ｈｒである。

【0061】

熱交換能力の比較試験結果を下記に示す。

【0062】

【表1】

【0063】

【表2】

【0064】

熱交換能力の比較試験により総括伝熱係数及びその平均値を求めた結果、表１のコイル式熱交換器に比べて、表２の本発明の熱交換器の数値がいずれも高かった。以上のことより、本発明の熱交換器の熱交換能力を確認することができた。

【符号の説明】

【0065】

１１ 第１のジャケット
１２ 第２のジャケット
１３ 第１の内部空間
１４ 第２の内部空間
１５ 処理液流路
１６ 溝山部隙間
３１ 伝熱用外筒
３２ 第１のジャケットの外周壁
３３ バッフルプレート
３４ 処理液入口
３５ 処理液出口
３６ 外側入口
３７ 外側出口
３８ 伝熱用外筒フランジ
５１ スパイラル溝
５２ 伝熱用内軸
５３ 内側入口
５４ 内側出口
５５ 延長管
５６Ａ、５６Ｂ Ｄ形バッフルプレート
５７ 第２のジャケットの蓋板
５８ 締結クランプ
５９ パッキン
６０ 先端開口
１００ 本熱交換器

【要約】

【課題】洗浄後に洗浄結果を目視で確認可能な熱交換器を提供する。
【解決手段】熱媒・冷媒を通すことができる第１のジャケットを備えた外側伝熱管の伝熱用外筒３１に、内部に熱媒・冷媒を通すことができる第２のジャケットを備え、外周面にスパイラル溝５１を設けた伝熱用内軸５２を挿入して組立てると、内外伝熱面を備えたスパイラル状の処理液流路１５の熱交換器ができ上がる。使用後に、外側伝熱管の伝熱用外筒３１から伝熱用内軸５２を引き抜くと図４・図５に示すように外側伝熱管の内面、および、伝熱用内軸５２外周のスパイラル溝５１が露出し、接液部全てを目視洗浄できる状態になる。
【選択図】 図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】