JP6766999B2 - シェルアンドチューブ型熱交換器 - Google Patents

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、その切欠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、きわめて高い熱交換効率が得られる構造を有している。

しかし、高熱交換効率を有する前記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、ケース管内で切欠を通過する際にその部分に配置したチューブとほぼ同一方向に流れることに加え、その切欠から次の切欠に向かう際にチューブに対してやや斜めに流れながら、バッフル板の切欠とは反対側の角部分に流れの淀みを生じることから、この点について熱交換効率を向上させるという点で改善の余地がある。

このようなシェルアンドチューブ型熱交換器の問題点に対し、実開昭６２−１１８９８６号公報には、その第３図に示すように、周壁の一部を遠心方向に突出したシェル突出部の長手方向を亘って形成することで断面形状を前方後円形にしたケース管として、切欠のない円形のバッフル板を内装しながら、そのシェル突出部から径方向に指向された仕切板でシェル突出部内を周方向２分割するとともに、各バッフル板に設けたバッフル突出部でシェル突出部の周方向に２分割した部分を交互に閉塞したことにより、ケース管側の流体を各バッフル板間で旋回流動させるものであり、ケース管側の流体がバッフル板間でチューブに対しほぼ直角に流れやすくなるとともに、チューブに沿って流れる部分を殆どなくすことができる。

しかしながら、このように円筒形のケース管の周壁に長手方向総てに亘ってシェル突出部を精密に形成することは容易ではないことに加え、そのシェル突出部内を仕切板で２分割しながらバッフル突出部でそれを交互に閉塞させる工程にも手間を要するため、多量生産が困難で且つ過剰な製造コストを要するものとなってしまうという問題点がある。

特開２０１１−１１７６５６号公報 実開昭６２−１１８９８６号公報

本発明は、上記のような問題を解決しようとするものであり、過剰なコストアップを伴うことなく熱交換効率に優れたシェルアンドチューブ型熱交換器を提供することを課題とする。

前記課題を解決するためになされた本発明は、円筒状のケース管と、複数本のチューブと、複数個の挿通孔を有して外縁の一部に切欠のある複数枚の円板状の丸形バッフル板とを備え、その丸形バッフル板がその挿通孔にチューブを挿通しながら所定間隔で配設されてケース管内を長手方向に区画しており、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、その丸形バッフル板に加えケース管内を中央部と左右の両端部の短手方向３つの部分に区画する１対の長板状の方形バッフル板が、一方の長辺側をケース管の内周面に近接するとともに他方の長辺側と前記内周面との間に隙間を有して短手方向の連通口を開口させながらケース管内で長手方向に亘って平行に内装され、前記丸形バッフル板は、前記中央部のみでチューブを挿通しながら前記１対のバッフル板が係合して支持されているとともに、左右の両端部の長手方向を閉鎖しながら中央部の短手方向の両連通口が開口する側とは反対側に形成した切欠により長手方向の連通口が開口する中央連通型と、中央部の長手方向を閉鎖しながら左右の両端部の前記方形バッフル板で区画される部分に形成した左右１対の切欠により長手方向の連通口が開口する両端連通型の２種類からなり、この２種類の丸形バッフル板が長手方向に交互に連設されていることを特徴とする。

ケース管内を長手方向に区画する丸形バッフル板に加え、ケース管内を中央部と左右の両端部の短手方向３つの部分に区画する１対の方形バッフル板を設け、中央連通型と両端連通型の２種類の丸形バッフル板を長手方向に交互に連設しただけの簡易な構成により、ケース管内で丸形バッフル板の両端部に開口した長手方向の連通口を通って次の空間に入った流体が、短手方向の連通口を通って中央部のチューブが挿通された部分を直角に流れてから、ケース管の内周面に突き当たる端縁側に開口した長手方向の連通口を通って次の空間に入り、次の空間で中央部をチューブに対し直角に流れてから短手方向の連通口を通って両端部の長手方向の連通口に入ることになり、且つ、流体が切欠を挿通したチューブに対して平行に流れる箇所が中央連通型の丸形バッフル板の切欠を通る部分だけであることから、流体が中央部と左右の両端部を行き来しながら大部分の行程でチューブに対して直角に流れる（直交流）構成となるため、過剰なコストアップを伴うことなく極めて熱交換効率に優れたものとなる。

また、このシェルアンドチューブ型熱交換器において、その１対の方形バッフル板は、複数枚の丸形バッフル板を所定間隔で支持・固定するスペーサーを兼ねているものとすれば、スペーサーを配設するためにチューブの配設本数を減らす必要のないものとなる。

更に、上述したシェルアンドチューブ型熱交換器において、その丸形バッフル板における方形バッフル板との係合構造は、中央連通型のものが中央部になる位置に形成した切欠の左右両端側から平行に延設されて各々方形バッフル板を挿入・係合可能な幅・深さを有してなる切込みであり、両端連通型のものが左右の両端部になる位置に形成した１対の切欠における中央部寄りに形成した方形バッフル板を挿入・係合可能な幅・深さを有した部分であることを特徴としたものとすれば、１対の方形バッフル板に丸形バッフル板を堅固且つ容易に係合させやすいものとなる。

更にまた、上述したシェルアンドチューブ型熱交換器において、前記中央部で短手方向の連通口が開口する側の中央位置で、前記方形バッフル板よりも短手方向に短い第３の方形バッフル板が、ケース管の内周面に一方の長辺側を近接するとともに前記１対の方形バッフル板の中間位置に他方の長辺側を向けながらケース管内で長手方向に亘って内装されていることを特徴としたものとすれば、丸形バッフル板を一層安定して支持しやすくなることに加え、短手方向の連通口を出入りする流体の整流機能を発揮することから、熱交換効率に一層優れたものとなる。

ケース管内を長手方向に区画する丸形バッフル板に加え中央部と左右の両端部の短手方向３つの部分に区画する１対の方形バッフル板を有するとともに、中央連通型と両端連通型の２種類の丸形バッフル板を長手方向交互に連設した本発明によると、製造が容易で過剰なコストアップを伴うことなく熱交換効率に優れたものとすることができる。

本発明における好ましい実施の形態の分解した状態を示す斜視図。 （ａ）は図１のＡ−Ａ線に沿う拡大した断面図、（ｂ）は図１のＢ−Ｂ線に沿う拡大した断面図である。 図１に示した実施の形態におけるケース管に内装されている熱交換複合体の斜視図である。 図１に示した実施の形態における２種類の丸形バッフル板の平面図であって、（ａ）は両端連通型のもの、（ｂ）は中央連通型のものである。 図１に示した実施の形態における熱交換複合体の分解斜視図である。 熱交換複合体の異なる実施の形態を示す斜視図である。 図６に示した熱交換複合体２Ｂを用いたシェルアンドチューブ型熱交換器１Ｂの長手方向を直角な面で切断して拡大した断面図であって、（ａ）は両端連通型の丸形バッフル板３ｂが見える部分で切断した状態、（ｂ）は中央連通型の丸形バッフル板４ｂが見える部分で切断した状態である

以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための形態を説明する。尚、説明に際し、長手方向とは円筒状のケース管及びチューブの中心線に平行な方向を、短手方向とは前記長手方向に対して直角の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１Ａの分解斜視図、図２（ａ）は図１のＡ−Ａ線に沿う拡大した断面図、図２（ｂ）は図１のＢ−Ｂ線に沿う拡大した断面図であり、図３はこのシェルアンドチューブ型熱交換器１Ａのケース管７内に内装されている熱交換複合体２Ａを示している（チューブ５は本数を一部省略）。

このシェルアンドチューブ型熱交換器１Ａは、図１および図２に示すように、円筒状のケース管７と、複数本のチューブ５と、複数個の挿通孔３０を有して外縁の一部に切欠３１，３２のある複数枚の円板状の丸形バッフル板３（両端連通型）と、複数個の挿通孔４０を有して外縁の一部に切欠４１のある複数枚の円板状の丸形バッフル板４（中央連通型）とを備えており、その丸形バッフル板３，４が、挿通孔３０，４０にチューブ５を各々挿通しながら、図３に示すように所定間隔で配設されてケース管７内を長手方向に区画しており、チューブ５内を流れる流体（図示せず）とケース管７内でチューブ５外を流れる流体（図示せず）との間で熱交換を行うものである。

そして、その複数枚の丸形バッフル板３，４に加え、ケース管７内を中央部１０ａと左右の両端部１０ｂ，１０ｃの短手方向３つの部分に区画する１対の長板状の方形バッフル板６ａ，６ｂが、一方の長辺側をケース管７の内周面に近接するとともに他方の長辺側と前記内周面との間に隙間を有して短手方向の連通口６１０，６２０，６３０，６４０を各々開口させながら、図３に示すようにケース管７内で長手方向に亘って平行に内装されている。

上述した複数枚の丸形バッフル板３，４は、中央部１０ａになる部分のみでチューブ５を挿通するとともに、左右の両端部１０ｂ，１０ｃになる部分との境界位置に形成した係合構造に、方形バッフル板６ａ，６ｂが各々係合した状態で支持されており、その丸形バッフル板３は、図１（ａ）に示したように、中央部１０ａになる部分の長手方向を閉鎖するとともに、左右の両端部１０ｂ，１０ｃになる部分で方形バッフル板６ａ，６ｂにより区画される部分に形成した左右一対の切欠３１，３２により、長手方向の連通口３１０，３２０を開口する構造である両端連通型とされている。

一方、丸形バッフル板４は、図２（ｂ）に示したように、左右の両端部１０ｂ，１０ｃになる部分の長手方向を閉鎖するとともに、中央部１０ａになる部分で短手方向の両連通口６３０，６４０が開口する側とは反対の端縁側に形成した切欠４１０により、長手方向の連通口４１０を開口する構造である中央連通型とされている。そして、この２種類の丸形バッフル板３，４が、図１または図３に示したように長手方向に交互に連設されている。

即ち、本発明のシェルアンドチューブ型熱交換器１Ａは、ケース管７内を長手方向に区画する丸形バッフル板３，４に加え、ケース管７内を中央部１０ａと左右の両端部１０ｂ，１０ｃの短手方向３つの部分に区画する１対の長板状の方形バッフル板６ａ，６ｂを備えるとともに、両端連通型と中央連通型の２種類の丸形バッフル板３，４をケース管７の長手方向に交互に連設しただけの簡易な構成とされており、その製造において過剰なコストアップを要しないものとなっている。

そして、図２（ａ）に示した丸形バッフル板３の左右の両端部１０ｂ，１０ｃの切欠３１，３２による長手方向の連通口３１０，３２０を通って図２（ｂ）に示す次の空間に入った流体が、矢印のように短手方向の連通口６３０，６４０を通って中央部１０ａのチューブ５を挿通した部分を直角に流れて端縁側でケース管７の内周面に突き当たり、その部分に形成した切欠４１による長手方向の連通口４１０を通って図２（ａ）に示す次の空間に入り、矢印のように中央部１０ａをチューブ５に対し直角に流れてから、短手方向の連通口６１０，６２０を通って左右の両端部１０ｂ，１０ｃの連通口３１０，３２０に入るようになっている。

このように、ケース管７内でチューブ５の外側を流れる流体が、中央部１０ａと左右の両端部１０ｂ，１０ｃを行き来しながら流れるとともに、その流体が切欠部分に配置したチューブ５に対し平行に流れる箇所が、中央連通型の丸形バッフル板４の切欠４１を通る時だけである（従来例の２分の１の回数）ことから、大部分の行程でチューブ５に対して直角に流れる（直交流）ことになるため、極めて優れた熱交換効率を実現することができる。また、上述したように、本発明は、比較的簡単な構成によるものであるとともに組立も容易であることから、その製造にあたって過剰なコストアップを伴うものではない。

図４（ａ）は、本実施の形態において使用される両端連通型の丸形バッフル板３を示し、図４（ｂ）は中央連通型の丸形バッフル板４を示している。上述したように、丸形バッフル板３，４は、その中央部１０ａになる部分にのみチューブ５を挿通させる挿通孔３０，４０を有しており、左右の両端部１０ｂ，１０ｃになる部分には有していない。

そして、両端連通型の丸形バッフル板３は、左右の両端部１０ｂ，１０ｃになる部分の方形バッフル板６ａ，６ｂで区画される側の殆どが切欠３１，３２とされており、中央連通型の丸形バッフル板４は、中央部１０ａになる部分の短手方向の連通口６３０，６４０が開口する側とは反対側（方形バッフル板６ａ，６ｂで挟まれた部分のケース管７内周面側）で内周面から所定の範囲が切欠４１０とされている。

また、その丸形バッフル板３，４における方形バッフル板６ａ，６ｂとの係合構造は、中央連通型の丸形バッフル板４が、中央部１０ａになる部分に形成された切欠４１の左右両端側から平行に延設されて方形バッフル板６ａ，６ｂを各々挿入して係合可能な幅・深さを有した切込み４２，４２とされ、両端連通型の丸形バッフル板３は、左右の両端部１０ｂ，１０ｃになる部分に形成した１対の切欠３１，３２における中央部１０ａ寄りで方形バッフル６ａ，６ｂを挿入・係合可能な幅・深さに形成された部分からなる切込み３３，３４とされており、１対の方形バッフル板６ａ，６ｂに丸形バッフル板３，４を各々堅固に係合させやすい構造となっている。

図５は、図３の熱交換複合体２Ａの分解斜視図を示している。本実施の形態のシェルアンドチューブ型熱交換器１Ａでは、形状の異なる両端連通型と中央連通型の２種類の丸形バッフル板３，４が、長手方向に交互に配設されながら１対の方形バッフル板６ａ，６ｂにより係合・固定された状態で支持されている。そのため、斯かる１対の方形バッフル板６ａ，６ｂは、複数枚の丸形バッフル板３，４を所定間隔で支持・固定するスペーサーを兼ねたものとなっており、例えば前記特許文献１の図２におけるロッド部材のようなスペーサーを配設するために、チューブの配設本数を減らしてしまう必要がない。

図６は、本発明の異なる熱交換複合体２Ｂを示している（チューブ５は本数を一部省略）。この熱交換複合体２Ｂは、上述した前記図１乃至図５に示した実施の形態における方形バッフル板６ａ，６ｂよりも短手方向に短い第３の方形バッフル板６ｃが、中央部１０ａになる位置の短手方向の連通口６１０，６２０，６３０，６４０が開口する側の中央位置で、図示しないケース管７の内周面に一方の長辺側を近接するとともに１対の方形バッフル板６ａ，６ｂの中間位置に他方の長辺側を向けながら、ケース管７内で長手方向に亘って内装されている点が異なる。

図７は、図６に示した熱交換複合体２Ｂを用いたシェルアンドチューブ型熱交換器１Ｂの長手方向を直角な面で切断して拡大した断面図であって、（ａ）は両端連通型の丸形バッフル板３ｂが見える部分で切断した状態、（ｂ）は中央連通型の丸形バッフル板４ｂが見える部分で切断した状態である。

本実施の形態は、第３の方形バッフル板６ｃを設けたことにより、複数枚の丸形バッフル板３ｂ，４ｂを一層安定した状態で支持しやすくなることに加え、短手方向の連通口６１０，６２０，６３０，６４０を出入りする流体の整流機能を発揮しながら、チューブ５を挿通した中央部１０ａにおける流れが安定しやすくなるため、一層熱交換効率に優れたものとなる。

以上、述べたように本発明によると、シェルアンドチューブ型熱交換器について過剰なコストアップを伴うことなく、熱交換効率に極めて優れたものとすることができた。

１Ａ，１Ｂ シェルアンドチューブ型熱交換器、２Ａ，２Ｂ 熱交換複合体、３，３ｂ，４，４ｂ 丸形バッフル板、５ チューブ、６ａ，６ｂ，６ｃ 方形バッフル板、７ ケース管、１０ａ 中央部、１０ｂ，１０ｃ 両端部、３０，４０ 挿通孔、３１，３２，４１ 切欠、３３，３４，４２，４３ 切込み、３１０，３２０，４１０，６１０，６２０，６３０，６４０ 連通口

Claims (4)

1. 円筒状のケース管と、複数本のチューブと、複数個の挿通孔を有して外縁の一部に切欠のある複数枚の円板状の丸形バッフル板とを備え、前記丸形バッフル板が前記挿通孔に前記チューブを挿通しながら所定間隔で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、前記丸形バッフル板に加え前記ケース管内を中央部と左右の両端部の短手方向３つの部分に区画する１対の長板状の方形バッフル板が、一方の長辺側を前記ケース管の内周面に近接するとともに他方の長辺側と前記内周面との間に隙間を有して短手方向の連通口を開口させながら前記ケース管内で長手方向に亘って平行に内装され、前記丸形バッフル板は、前記中央部のみで前記チューブを挿通しながら前記１対のバッフル板が係合して支持されているとともに、前記左右の両端部の長手方向を閉鎖しながら前記中央部の短手方向の両連通口が開口する側とは反対側に形成した前記切欠により長手方向の連通口が開口する中央連通型と、前記中央部の長手方向を閉鎖しながら前記左右の両端部の前記方形バッフル板で区画される部分に形成した左右１対の前記切欠により長手方向の連通口が開口する両端連通型の２種類からなり、これら２種類の丸形バッフル板が長手方向に交互に連設されてい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１対の方形バッフル板は、前記複数枚の丸形バッフル板を所定間隔で支持・固定するスペーサーを兼ねていることを特徴とする請求項１に記載したシェルアンドチューブ型熱交換器。
3. 前記丸形バッフル板における前記１対の方形バッフル板との係合構造は、前記中央連通型のものが前記中央部になる位置に形成した切欠の左右両端側から平行に延設されて各々前記方形バッフル板を挿入・係合可能な幅・深さを有してなる切込みであり、前記両端連通型のものが前記左右の両端部になる位置に形成した１対の切欠における中央部寄りに形成した前記方形バッフル板を挿入・係合可能な幅・深さを有した部分であることを特徴とする請求項１または２に記載したシェルアンドチューブ型熱交換器。
4. 前記中央部で前記短手方向の連通口が開口する側の中央位置で、前記１対の方形バッフル板よりも短手方向に短い第３の方形バッフル板が、前記ケース管の内周面に一方の長辺側を近接するとともに前記１対の方形バッフル板の中間位置に他方の長辺側を向けながら前記ケース管内で長手方向に亘って内装されていることを特徴とする請求項１，２または３に記載したシェルアンドチューブ型熱交換器。

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