(57)【要約】
【課題】  多管式モジュール熱交換器において、チタン製又はステンレス製の波形管をバッフルプレートによって確実に支えることより、波形管の振動や摩耗などを効果的に抑制する。伝熱管としての波形管の波形部の軸長などを適切に定めることによって、波形管の振動や熱交換効率の低下を抑制する。
【解決手段】  チタン製又はステンレス製の波形管２に形成した平滑管部２２をバッフルプレート５の孔部５１に挿通させると共に、平滑管部２２の長さをバッフルプレート５の孔部５１の軸長よりも長くすることによって、平滑管部２２とバッフルプレート５との位置ずれを吸収させる。波形部２１の軸長寸法Ｌ１を、シェル１の内径寸法Ｄの０．５〜３．５倍に定める。波形管２の波形部２１の山高さ寸法ｈを、山形部の頂部での内径寸法Ｈの１〜２０％に定める。
【選択図】        図１
0003100937.tif 000002
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
第１流体通路を形成するシェルの内部に、多数の波形管の集合によって形成される第２流体通路が配備されていると共に、上記シェルの内部の軸方向複数箇所に設けられて第１流体通路を蛇行させるバッフルプレートに形成された複数の孔部のそれぞれに上記波形管が個別に挿通されている多管式モジュール熱交換器において、
上記波形管がチタン製又はステンレス製であって、その波形管におけるバッフルプレートの上記孔部に対する挿通箇所が、外周面に凹凸を有しない平滑管部として形成されていると共に、その平滑管部の長さがバッフルプレートの上記孔部の軸長よりも長くなっていることを特徴とする多管式モジュール熱交換器。
【請求項２】
上記波形管の軸方向の少なくとも２箇所以上に上記平滑管部が備わり、軸方向で相隣接する２箇所の平滑管部の相互間全体に亘って備わっている波形部の軸長寸法が、円筒状の上記シェルの内径寸法の０．５〜３．５倍である請求項１に記載した多管式モジュール熱交換器。
【請求項３】
上記平滑管部の軸長が５〜５０ｍｍである請求項１又は請求項２に記載した多管式モジュール熱交換器。
【請求項４】
上記波形管の波形部の山高さ寸法が、波形部の山形部の頂部での内径寸法の１〜２０％である請求項１ないし請求項３のいずれかに記載した多管式モジュール熱交換器。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、多管式モジュール熱交換器、特に、第１流体通路を形成するシェルの内部に多数の波形管の集合によって形成される第２流体通路が配備されていて、シェルの内部の軸方向複数箇所に、上記第１流体通路を蛇行させるためのバッフルプレートが配備されている多管式モジュール熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
特開平９−２２９５７９号公報に多管式熱交換器（多管式モジュール熱交換器）が示されている。この公報に記載されている多管式熱交換器は、第１流体通路を形成するシェル（胴体）の内部に、螺旋溝を有する多数の波形管（伝熱管）の集合によって形成される第２流体通路が配備されていると共に、上記シェルの内部の軸方向複数箇所に設けられて第１流体通路を蛇行させるバッフルプレートに形成された複数の孔部のそれぞれに上記波形管が個別に挿通されている。また、この公報には、複数箇所のバッフルプレートによって上記第１流体通路を蛇行させることも記載されている。さらに、この公報には、波形管にチタン又はステンレス製の管を用い得ることが記載されているほか、その波形管におけるバッフルプレートの上記孔部に対する挿通箇所が、外周面に凹凸を有しない平滑管部として形成されていることが示唆されている。
【０００３】
一方、上記公報に記載されているような多管式モジュール熱交換器によると、一般的には、波形管内の流体が管壁に形成されている溝に沿って流れはじめて乱流運動による攪拌効果を発生するので、管壁との接面流速が速くなり伝熱を妨げる境膜の形成が抑制されて伝熱性能が向上するということが従来より知られている。
【考案の開示】
【考案が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記公報には、波形管の平滑管部の長さと、その平滑管部が挿通されているバッフルプレートの孔部の軸長との関係については記載されていない。
【０００５】
ところで、螺旋溝などによって外面が波形に形成されている波形管の軸方向複数箇所に平滑管部を形成した管を製作する場合、その製造技術上の問題から、波形管の軸方向での平滑管部の位置を高精度に定めるには高度の技術が必要になって製作コストが極端に高くなるので、一般的には、平滑管部の位置精度をそれほど高精度には定めないことが多い。そのような場合において、たとえば、上記した波形管の平滑管部形成箇所以外の箇所である波形部をできるだけ長くすることにより上記した乱流運動による攪拌効果を高めて熱交換効率を向上させるために、平滑管部の長さをバッフルプレートの孔部の軸長と同等に定めておくと、製造された波形管の平滑管部の位置ずれによってその平滑管部が必ずしもバッフルプレートの孔部によっては支えられないという事態が起こり、その場合には、波形部がバッフルプレートの孔部によって支えられるようになる。そして、そのように波形部がバッフルプレートの孔部によって支えられていると、当該熱交換器の運転中に、チタンやステンレスを材料とする波形管のしなりや振動がバッフルプレートによって十分に抑制されなくなって波形管に対する支持安定性や支持信頼性が損なわれるという問題があるほか、バッフルプレートの孔部に対する挿通箇所での波形管の摩耗が顕著に発生するおそれがあるという問題がある。
【０００６】
本考案は以上の問題に鑑みてなされたものであり、チタンやステンレスを材料とする波形管を伝熱管とし、その波形管の中間部に形成した平滑管部をバッフルプレートによって支えるようにした多管式モジュール熱交換器において、平滑管部形成箇所の位置が必ずしも高精度に定められていなくても、バッフルプレートによって波形管の平滑管部を確実に支えさせて波形管に対する支持安定性や支持信頼性を向上させることができ、併せて、バッフルプレートの孔部に対する挿通箇所での波形管の摩耗を確実に抑制することのできる多管式モジュール熱交換器を提供することを目的とする。
【０００７】
また、本考案は、中間部に平滑管部を有する波形管の波形部の軸長をシェルの内径との関係で適切に定めることによって、波形管の振動や熱交換効率の低下を抑制することのできる多管式モジュール熱交換器を提供することを目的とする。
【０００８】
さらに、本考案は、波形管の形状を適切に定めることによって、波形管の振動や熱交換効率の低下を抑制することのできる多管式モジュール熱交換器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本考案に係る多管式モジュール熱交換器は、第１流体通路を形成するシェルの内部に、多数の波形管の集合によって形成される第２流体通路が配備されていると共に、上記シェルの内部の軸方向複数箇所に設けられて第１流体通路を蛇行させるバッフルプレートに形成された複数の孔部のそれぞれに上記波形管が個別に挿通されている多管式モジュール熱交換器において、上記波形管がチタン製又はステンレス製であって、その波形管におけるバッフルプレートの上記孔部に対する挿通箇所が、外周面に凹凸を有しない平滑管部として形成されていると共に、その平滑管部の長さがバッフルプレートの上記孔部の軸長よりも長くなっている。
【００１０】
この構成であれば、波形管における平滑管部の形成箇所の位置精度を低く抑えても、その平滑管部の長さがバッフルプレートの上記孔部の軸長よりも長くなっていることにより、平滑管部がバッフルプレートの孔部に確実に挿通されてそのバッフルプレートによって支えられるようになる。そのため、波形管を安価に製作することができるものでありながら、バッフルプレートによる波形管の支持安定性や支持信頼性が向上し、併せて、バッフルプレートの孔部に対する挿通箇所での波形管の摩耗を確実に抑制することが可能になる。
【００１１】
本考案では、上記波形管の軸方向の少なくとも２箇所以上に上記平滑管部が備わり、軸方向で相隣接する２箇所の平滑管部の相互間全体に亘って備わっている波形部の軸長寸法が、円筒状の上記シェルの内径寸法の０．５〜３．５倍であることが望ましい。これによれば、波形管内部での流体の乱流運動による攪拌効果が十分に発揮されて伝熱性能の低下が生じず、しかも、バッフルプレートによる波形管の支持箇所の間隔の広さが適切な範囲に収まって波形管のしなりや振動が十分に抑制される。そして、波形部の軸長寸法がシェルの内径寸法の０．５倍よりも短いと、波形管内部での流体の乱流運動による攪拌効果が十分に発揮されなくおそれがあるのに対し、波形部の軸長寸法がシェルの内径寸法の３．５倍より長いと、バッフルプレートによる波形管の支持箇所の間隔が広くなりすぎて波形管のしなりや振動が十分に抑制されなくなるおそれがある。
【００１２】
本考案では、上記平滑管部の軸長が５〜５０ｍｍであることが望ましい。平滑管部の軸長がこの範囲内に定められていると、波形管の製造時の平滑管部の形成箇所の位置精度がそれほど高くなく、しかも、バッフルプレートと波形管との組付け精度がそれほど高くなくても、バッフルプレートによって波形管の平滑管部が確実に支えられるようになり、バッフルプレートの孔部に対する挿通箇所での波形管の摩耗を確実に抑制することが可能になる。
【００１３】
本考案では、上記波形管の波形部の山高さ寸法が、波形部の山形部の頂部での内径寸法の１〜２０％であることが望ましい。波形部の山高さ寸法がこの範囲に定められていると、波形管の内部の第２流体通路を流れる流体が淀みなく流れて循環効率が向上し、併せて、流体の圧力損失が少なく抑えられて波形管の振動や振動に伴う破損が防止される。これに対し、波形部の山高さ寸法が上記範囲よりも短いと、波形管内部での流体の乱流運動による攪拌効果が十分に発揮されなくなって熱交換効率が著しく低下するおそれがあり、波形部の山高さ寸法が上記範囲よりも長いと、流体に淀みが生じて熱交換効率が低下するだけでなく、波形管が振動や振動に伴う破損を起こすおそれがある。
【考案の効果】
【００１４】
以上のように、本考案によれば、チタンやステンレスを材料とする波形管の中間部に形成した平滑管部の形成箇所の位置が必ずしも高精度に定められていなくても、バッフルプレートによって波形管の平滑管部を確実に支えさせて波形管に対する支持安定性や支持信頼性を向上させることができ、併せて、バッフルプレートの孔部に対する挿通箇所での波形管の摩耗を確実に抑制することができるようになる。そのため、波形管の耐用寿命が向上する。また、中間部に平滑管部を有する波形管の波形部の軸長をシェルの内径との関係で適切に定めたり、平滑管部の長さを具体的に特定したので、波形管の振動や熱交換効率の低下が確実に抑制される。さらに、波形管の波形部の山高さを適切に定めたので、波形管の振動や振動に伴う破損、熱交換効率の低下を確実に抑制することが可能になる。
【考案を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は本考案に係る多管式モジュール熱交換器Ａを概略で示した一部破断側面図、図２はバッフルプレート５の孔部５１に対する波形管２の挿通箇所を示した説明図、図３は波形管２の要部を示した一部破断側面図である。
【００１６】
図１の熱交換器Ａにおいて、第１流体通路を形成する円筒状のシェル１の胴体の両端部に第１流体Ｆ１の入口１１と出口１２とが振り分けて備わっており、シェル１の両端開口が、第２流体Ｆ２の入口１３と出口１４とに振り分けられている。シェル１の内部に、多数の波形管２の集合によって形成される第２流体通路が配備されている。また、シェル１の内部の軸方向複数箇所にバッフルプレート５が設置されている。これらのバッフルプレート５は、円板の一部をその直径方向に平行に切除した形状、たとえば半円形状又はドーム形状の輪郭線を持つ形状に形成されていて、その欠除箇所ではシェル１の内部の第１流体通路が開放されている。また、相隣接している２つのバッフルプレート５は、シェル１の内部の第１流体通路の開放箇所がシェル１の軸線を挟んで反対側に位置している。そのため、シェル１の内部の第１流体通路は、複数箇所のバッフルプレート５によって蛇行状に形作られる。第２流体通路を形成している個々の波形管２の一端部と他端部とは、シェル１の一端側と他端側とに設置されている面板１５に固着されている。
【００１７】
波形管２はチタン製又はステンレス製である。この波形管２は、図２又は図３のようにその管壁が全体として螺旋状に形成されていて、その外周面の基本的な側面視形状は波形の凹凸が備わった形状である。そして、その軸方向複数箇所に、外周面に凹凸を有しない平滑管部２２が形成されている。さらに具体的には、波形管２は、外周面に凹凸を有する波形部２１と外周面に凹凸を有しない上記平滑管部２２とを有していて、平滑管部２２以外の箇所はすべて波形部２１として形成されている。
【００１８】
図示していないけれども、それぞれのバッフルプレート５には同一パターンで図２に示した円形の孔部５１が多数箇所に開設されている。そして、それらの孔部５１のそれぞれに波形管２の平滑管部２２が個別に挿通されている。また、平滑管部２２の長さＬ２（図１参照）は、図２で判るように、バッフルプレート５の孔部５１の軸長よりも長くなっている。そのため、チタンやステンレスを材料とする直管に絞り加工を施して波形部２１と平滑管部２２とを形成した場合に、平滑管部２２の形成箇所に位置ずれがあったり、波形管２をシェル１の内部に組み込む場合にその組込み精度に多少の狂いがあったり、さらには、シェル１に対するバッフルプレート５の組込み精度に多少の狂いがあったりしたとしても、バッフルプレート５の孔部５１に対する波形管２の挿通箇所は、必ず波形管２の平滑管部２２になる。そのため、バッフルプレート５の孔部５１と波形管２の平滑管部２２とが位置ずれしてしまって波形管２の波形部２１がバッフルプレート５により支えられるようになったために、バッフルプレート５による波形管２の支持安定性や支持信頼性が損なわれるという事態が発生しない。一般的な波形管の製造技術を採用し、一般的な組込み精度を採用した場合に、上記のような作用を確実に発揮し得る平滑管部２２の長さは５〜５０ｍｍであることを確認している。そして、平滑管部２２の長さを５〜５０ｍｍの範囲に定めると、平滑管部２２がバッフルプレート５によって確実に支えられるようになってバッフルプレート５の孔部５１に対する挿通箇所での波形管２の摩耗を確実に抑制することが可能になる。
【００１９】
上記したように、平滑管部２２の長さを５〜５０ｍｍの範囲に定めると、平滑管部２２がバッフルプレート５によって確実に支えられるようになってバッフルプレート５の孔部５１に対する挿通箇所での波形管２の摩耗を確実に抑制することが可能になる、という作用ないし効果が奏されるけれども、この平滑管部２２の位置は、波形管２の波形部２１の長さによって定まるものである。また、波形部２１は、冒頭で説明した波形管２内部での流体の乱流運動による攪拌効果を十分に得られる長さであることを必要とし、その長さが短すぎると流体が十分に乱流運動を行わなくなって熱交換効率が著しく低下するおそれがある。その一方で、波形部２１の長さが長すぎると、バッフルプレート５による波形管２の支持箇所の間隔が広くなりすぎて波形管２のしなりや振動が十分に抑制されなくなるおそれがあり、波形管２のしなりや振動が十分に抑制されなくなると、波形管２が振動によって破断したり亀裂を生じたりすることになる。特に、波形管２が、軽量で熱伝導性に優れる金属であるチタンやステンレスで製作されている場合にその傾向が大きい。
【００２０】
そこで、軸方向で相隣接する２箇所の平滑管部２２の相互間全体に亘って備わっている波形部２１の軸長寸法Ｌ１を、円筒状のシェル１の内径寸法Ｄの０．５〜３．５倍に定めてある。この範囲に波形部２１の軸長寸法Ｌ１を定めておくと、波形管２内部での流体の乱流運動による攪拌効果が十分に発揮されて伝熱性能の低下が生じず、しかも、バッフルプレート５による波形管２の支持箇所の間隔の広さが適切な範囲に収まって波形管２のしなりや振動が十分に抑制される。そして、波形部２１の軸長寸法Ｌ１がシェル１の内径寸法Ｄの０．５倍よりも短いと、波形管２内部での流体の乱流運動による攪拌効果が十分に発揮されなくおそれがあるのに対し、波形部２１の軸長寸法Ｌ１がシェル１の内径寸法Ｄの３．５倍より長いと、バッフルプレート５による波形管２の支持箇所の間隔が広くなりすぎて波形管２のしなりや振動が十分に抑制されなくなるおそれを生じる。たとえば、内径寸法Ｄが４８．６φ（４０Ａ）のシェル１と組み合わせる波形管２の内径寸法が９．５２φである場合には、その波形管２の波形部２１の軸長寸法Ｌ１を２４．３〜１７０．１ｍｍの範囲に定めるのが適切であり、内径寸法Ｄが１６５．２φ（１５０Ａ）のシェル１と組み合わせる波形管２の内径寸法が９．５２φである場合には、その波形管２の波形部２１の軸長寸法Ｌ１を８２．６〜５７８．２ｍｍの範囲に定めるのが適切である。なお、実施形態では、内径寸法Ｄが４８．６φ（４０Ａ）のシェル１に、波形部２１の長さが１３６ｍｍで、内径寸法が９．５２φの波形管２を組み合わせてある。
【００２１】
波形管２内部での流体の乱流運動による攪拌効果を高めて熱交換効率を向上させるためには、波形管２の波形部２１の山高さ寸法を適切に定めることによって、波形部２１の内部を流れる流体に淀みが形成されないようにすることが必要である。そこで、図３に示した波形管２の波形部２１の山高さ寸法ｈを、波形部２１の山形部の頂部での内径寸法Ｈの１〜２０％に定めてある。波形部２１の山高さ寸法ｈがこの範囲に定められていると、波形管２の内部の第２流体通路を流れる流体が淀みなく流れて循環効率が向上し、併せて、流体の圧力損失が少なく抑えられて波形管の振動や振動に伴う破損が防止される。これに対し、波形部２１の山高さ寸法ｈが上記範囲よりも短いと、波形管２内部での流体の乱流運動による攪拌効果が十分に発揮されなくなって熱交換効率が著しく低下することが判っており、また、波形部２１の山高さ寸法ｈが上記範囲よりも長いと、流体に淀みが生じて熱交換効率が低下するだけでなく、流体の圧力損失が大きくなったり、波形管２が振動や振動に伴う破損を起こしたりするおそれのあることが判っている。この実施形態では、内径寸法が９．５２φである波形管２の谷形部の内径を８．８５φに定めることによって、波形部２１の山高さ寸法ｈを上記範囲内に定めてある。特に望ましくは、上記山高さ寸法ｈを０．２〜１．０ｍｍにするとよく、この範囲を越える山高さ寸法ｈでは、波形管２の振動が激しくなりすぎてバッフルプレート５によってその振動を抑制することが困難になる。
【００２２】
なお、この実施形態では、波形管２に２箇所より多い箇所に、バッフルプレート５によって支えられた平滑管部２２を具備させてあるけれども、バッフルプレート５によって支えられる平滑管部２２は、少なくとも波形管の２箇所に形成されていればよい。平滑管部２２を何箇所に形成するかは、波形管２の長さや内径などを勘案して適宜選定すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本考案に係る多管式モジュール熱交換器を概略で示した一部破断側面図である。
【図２】バッフルプレートの孔部に対する波形管の挿通箇所を示した説明図である。
【図３】波形管の要部を示した一部破断側面図である。
【符号の説明】
【００２４】
１  シェル
２  波形管
５  バッフルプレート
２１  波形部
２２  平滑管部
５１  孔部
Ａ  多管式モジュール熱交換器
Ｄ  シェルの内径寸法
ｈ  波形部の山高さ寸法
Ｈ  波形部の山形部の頂部での内径寸法
Ｌ１  波形部の軸長寸法
Ｌ２  平滑管部の長さ（軸長）
【図１】
0003100937.tif 000003
【図２】
0003100937.tif 000004
【図３】
0003100937.tif 000005