(57)【要約】  発明の実施形態は、流体が流入する第１流路が形成された流入部と、複数の貫通孔が形成され、第１流路の断面積より広い断面積を有する一面を備えながら内部空間が形成されているシェル、および第１流路を通して流入する流体が流動可能な管状部材であって、シェルの内部空間に位置しかつ、一端部は貫通孔と連通する複数のチューブを含む本体部と、流入部とシェルの一面との間を連結し、シェルの一面に向かう方向に沿って断面積が広くなる第２流路が形成された拡管部と、第２流路に配置され、第１流路を通して流入する流体の流れを複数のチューブに分配する装置であって、拡管部と隣接したシェルの一面から流入部に隣接する方向に沿って離隔して配置され、互いに同心を有する複数のリング部材を含む流体流れ分配器とを含み、流入部と複数のリング部材との間には他の部材が配置されないようにする、熱交換器を開示する。
2021501301.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が流入する第１流路が形成された流入部と、
複数の貫通孔が形成され、前記第１流路の断面積より広い断面積を有する一面を備えながら内部空間が形成されているシェル、および前記第１流路を通して流入する流体が流動可能な管状部材であって、前記シェルの内部空間に位置しかつ、一端部は前記貫通孔と連通する複数のチューブを含む本体部と、
前記流入部と前記シェルの一面との間を連結し、前記シェルの一面に向かう方向に沿って断面積が広くなる第２流路が形成された拡管部と、
前記第２流路に配置され、前記第１流路を通して流入する流体の流れを前記複数のチューブに分配する装置であって、前記拡管部と隣接した前記シェルの一面から前記流入部に隣接する方向に沿って離隔して配置され、互いに同心を有する複数のリング部材を含む流体流れ分配器とを含み、
前記流入部と前記複数のリング部材との間には他の部材が配置されないようにする、熱交換器。
【請求項２】
前記リング部材の断面は、円形である、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記シェルの一面の形状と、前記シェルの一面と平行に切断した前記第１流路および前記第２流路の各断面は、円形である、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記シェルの一面に対向する前記リング部材の一側面と、前記シェルの一面との間の距離は、前記各リング部材ごとに同一である、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記複数のリング部材の同心は、前記シェルの一面と垂直でかつ、前記シェルの一面の中心を通る仮想の中心線上に位置している、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記シェルの一面に対向する前記リング部材の一側面と、前記流入部に対向する前記リング部材の他側面との間の距離は、前記各リング部材ごとに同一である、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項７】
前記リング部材の内側部と外側部との間の厚さは、前記各リング部材ごとに同一である、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項８】
前記リング部材の内側部および外側部は、前記シェルの一面に隣接する方向に沿って前記第２流路の内側面に向かうように傾斜して形成される、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項９】
前記複数のリング部材の少なくとも１つの直径は、前記第１流路の直径より大きい、請求項２に記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、熱交換器に関し、具体的には、熱交換器の熱交換が起こる本体部に流入する流体が均一に通過しながら熱交換が効率的に行われるようにするために、熱交換器の本体部の流体入口の前方に流体流れ分配器を配置することで、本体部に流入する流体の均一度を高められる熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
シェルおよびチューブ熱交換器（ＳＴＨＸ：Ｓｈｅｌｌ  ａｎｄ  ｔｕｂｅ  ｈｅａｔ  ｅｘｃｈａｎｇｅｒ）は現在最も広く用いられる熱交換器であって、耐久性が強いため、−２５０℃〜８００℃の温度および６０００ＰＳＩの圧力で運用され、発電所、精油工場およびその他の大型産業分野で広く用いられている。
【０００３】
一般的に、熱交換器の熱交換が起こる本体部に流れる流体は均一に分布するという仮定の下で大部分の熱交換器の設計が始まる。しかし、実際の熱交換器では、幾何学的形状や作動時の運営条件などによって、実際に熱交換が行われるチューブに入る流量は大きな差を有することとなり、これは熱交換器の性能の低下に大きな影響を与える。
【０００４】
また、熱交換が行われるチューブに流入する流量に差があれば、熱交換器の内部に沈積している異物（炭素化合物残渣、浮遊物質など）を除去するための脱炭素（ｄｅｃｏｋｉｎｇ）処理工程の際、チューブの流体流入口周辺とチューブの内部などの熱交換器の内部での腐食発生が活性化されることがある。
【０００５】
したがって、流体流れの均一度を高めて熱交換効率の向上および熱交換器の内部での腐食発生を防止するために、熱交換器の本体部の入口側に流体の流れを分配可能な物体を配置することで、熱交換器の性能を高めるための技術が提示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の実施形態は、熱交換器で熱交換が起こる本体部のチューブに供給される流体の流れを均一に分配可能な流体流れ分配器が備えられ、これによって、熱交換器の性能の向上および熱交換器の内部での腐食発生を防止できる熱交換器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一実施形態に係る熱交換器は、流体が流入する第１流路が形成された流入部と、複数の貫通孔が形成され、第１流路の断面積より広い断面積を有する一面を備えながら内部空間が形成されているシェル、および第１流路を通して流入する流体が流動可能な管状部材であって、シェルの内部空間に位置しかつ、一端部は貫通孔と連通する複数のチューブを含む本体部と、流入部と前記シェルの一面との間を連結し、シェルの一面に向かう方向に沿って断面積が広くなる第２流路が形成された拡管部と、第２流路に配置され、第１流路を通して流入する流体の流れを複数のチューブに分配する装置であって、拡管部と隣接したシェルの一面から流入部に隣接する方向に沿って離隔して配置され、互いに同心を有する複数のリング部材を含む流体流れ分配器とを含み、流入部と複数のリング部材との間には他の部材が配置されないようにする、熱交換器を開示する。
【０００８】
本実施形態において、リング部材の断面は、円形であってもよい。
【０００９】
本実施形態において、シェルの一面の形状と、シェルの一面と平行に切断した第１流路および第２流路の各断面は、円形であってもよい。
【００１０】
本実施形態において、シェルの一面に対向するリング部材の一側面と、シェルの一面との間の距離は、各リング部材ごとに同一であってもよい。
【００１１】
本実施形態において、複数のリング部材の同心は、シェルの一面と垂直でかつ、シェルの一面の中心を通る仮想の中心線上に位置していてもよい。
【００１２】
本実施形態において、シェルの一面に対向するリング部材の一側面と、流入部に対向するリング部材の他側面との間の距離は、各リング部材ごとに同一であってもよい。
【００１３】
本実施形態において、リング部材の内側部と外側部との間の厚さは、各リング部材ごとに同一であってもよい。
【００１４】
本実施形態において、リング部材の内側部および外側部は、シェルの一面に隣接する方向に沿って第２流路の内側面に向かうように傾斜して形成される。
【００１５】
本実施形態において、複数のリング部材の少なくとも１つの直径は、第１流路の直径より大きくてよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の実施形態に係る熱交換器は、熱交換器の内部に流入する流体の流れを、流体流れ分配器を介して、熱交換が起こる本体部のチューブに均一に分配して熱交換の効率を向上させ、熱交換器の内部での腐食発生を防止して熱交換器の寿命の短縮を予防することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係る熱交換器を示す模式図である。
【図２】図１に示された流体流れ分配器の全体斜視図である。
【図３】図２に示された流体流れ分配器を含む拡管部の内部およびその周辺部を示す側断面図である。
【図４Ａ】本発明の一実施形態に係る流体流れ分配器を含む熱交換器の拡管部の内部およびその周辺部を示す透視図である。
【図４Ｂ】比較例１による流体流れ分配器を含む熱交換器の拡管部の内部およびその周辺部を示す透視図である。
【図４Ｃ】比較例２による流体流れ分配器を含む熱交換器の拡管部の内部およびその周辺部を示す透視図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る流体流れ分配器を含む熱交換器、および比較例１、比較例２による流体流れ分配器を含む熱交換器それぞれのシェルの一面で測定される流体の圧力分布の実験結果を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る流体流れ分配器を含む熱交換器、および比較例１、比較例２による流体流れ分配器を含む熱交換器それぞれのシェルの一面上に配置されるチューブの流入口で測定される流体の速力分布の実験結果を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る流体流れ分配器を含む熱交換器、および比較例１、比較例２による流体流れ分配器を含む熱交換器それぞれの内部で測定される流体の流量を解析した流線分布の実験結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明は、添付した図面と共に詳細に後述する実施例を参照すれば明確になる。しかし、本発明は、以下に開示される実施例に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態で実現され、単に本実施例は本発明の開示が完全になるようにし、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものであり、本発明は請求項の範疇によって定義される。一方、本明細書で使われた用語は実施例を説明するためのものであり、本発明を制限しようとするものではない。本明細書において、単数形は、文章で特に言及しない限り、複数形も含む。明細書で使われる「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および／または「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、言及された構成要素、段階、動作および／または素子は、１つ以上の他の構成要素、段階、動作および／または素子の存在または追加を排除しない。第１、第２などの用語は多様な構成要素を説明するのに使われるが、構成要素は用語によって限定されてはならない。用語は、１つの構成要素を他の構成要素から区別する目的でのみ使われる。
【００１９】
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２０】
図１は、本発明の一実施形態に係る熱交換器を示す模式図である。図２は、図１に示された流体流れ分配器の全体斜視図である。図３は、図２に示された流体流れ分配器を含む拡管部の内部およびその周辺部を示す側断面図である。
【００２１】
図１〜図３を参照すれば、本発明の一実施形態は、熱交換器に関し、熱交換が起こる本体部１３０に流入する流体が均一に通過しながら熱交換が効率的に行われるようにするために、本体部１３０の流体入口の前方に流体流れ分配器１４０を配置することで、本体部１３０に流入する流体の均一度を高められる熱交換器１００に関する。
【００２２】
本発明の一実施形態に係る熱交換器１００は、炭化水素の熱分解工程で使用可能である。炭化水素の熱分解工程は、石油化学産業で主に用いられるエチレンおよびプロピレンのような硬質オレフィンの生産のための大規模な工程である。ナフサ、メタン、エタン、プロパン、またはブタンのような供給原料は熱分解されて硬質炭化水素を生成することができる。工程で生産されるガスは、高温で安定しておらず冷却が必要になるが、この時、本発明の一実施形態に係る熱交換器１００が使用可能である。熱交換器１００に用いられる流体の一例として炭化水素を言及したが、これに限定されず、熱交換が必要な流体であればいかなる種類でも利用可能である。
【００２３】
本発明の一実施形態に係る熱交換器１００は、流体が流入する流入部１１０と、流入部１１０を通して流入した流体を通過させ、他の熱交換媒体と熱交換可能にする本体部１３０と、流入部１１０と本体部１３０とを互いに連結する拡管部１２０と、拡管部１２０内に配置され、流体の流れを分配する流体流れ分配器１４０とを含むことができる。
【００２４】
流入部１１０には流体が流入する第１流路１１１が形成される。ここで、流体は、高温のガスでもよいし、高温のガスは、第１流路１１１を通して本体部１３０と隣接する方向に流入することができる。
【００２５】
本体部１３０は、シェル（ｓｈｅｌｌ）１３１、および複数のチューブ１３２を含むことができる。
【００２６】
シェル１３１は、内部空間が形成できるように長手方向に延びた円筒形状であってもよい。シェルの一面１３１ａは、第１流路１１１の断面と向かい合う側の面であって、第１流路１１１の断面積より広い断面積を有し、複数の貫通孔１３３が形成される。シェルの他面１３１ｂは、シェルの一面１３１ａとは内部空間を挟んで反対側に位置する面であって、シェルの一面１３１ａと同様に、第１流路の断面積より広い断面積を有し、複数の貫通孔１３３が形成される。
【００２７】
複数のチューブ１３２は、第１流路１１１を通して流入する流体がシェル１３１の内部空間で流動可能な流路の役割を果たす管状部材であって、シェル１３１の内部空間に位置していてもよい。詳しくは、各チューブ１３２は、シェル１３１の長手方向に沿って延びた円形のチューブ１３２であってもよいし、一端部はシェルの一面１３１ａに形成された貫通孔１３３に連通するように配置され、他端部はシェルの他面１３１ｂに形成された貫通孔１３３に連通するように配置される。複数のチューブ１３２は、それぞれ互いに同一の間隔で離隔して配列される。第１流路１１１を通して流入する流体は、チューブ１３２の一端部を流入口にしてチューブ１３２内に流入し、チューブ１３２の他端部を流出口にしてチューブ１３２の外に流出することができる。
【００２８】
シェル１３１の内部空間中におけるチューブ１３２の外側領域には、チューブ１３２を冷却させることが可能な熱交換媒体が収容される。チューブ１３２の内部に流入する流体は、チューブ１３２を介在させて熱交換媒体と熱交換を行うことができる。すなわち、チューブ１３２の内部に流入する流体の一例である高温ガスは、熱交換媒体と熱交換されることにより冷却できる。
【００２９】
拡管部１２０には、流入部１１０とシェル１３１の一面１３１ａとの間を連結し、シェル１３１の一面１３１ａに向かう方向に沿って断面積が広くなる第２流路１２１が形成される。第２流路１２１は、流入部１１０からシェルの一面１３１ａに向かう方向に沿ってその断面積の拡大する割合が次第に増加し、所定の地点からは次第に緩和される。
【００３０】
第１流路１１１、第２流路１２１およびチューブ１３２の素材としては、優れた熱交換性能および耐久性を考慮しなければならないとともに、流体が流れる流路を容易に形成できなければならないので、熱伝導性と機械加工性が良いアルミニウムや銅、または優れた耐熱性および耐食性を有するステンレス鋼やニッケル、コバルト系の合金（インコネル、モネルなど）などを使用することができるが、これに限定されない。第１流路１１１および第２流路１２１は、それぞれ流入部１１０と拡管部１２０の内部に形成される流路であって、その形成方法をみると、流入部１１０と拡管部１２０の内部にセラミック素材などの耐火物質（ｒｅｆｒａｃｔｏｒｙ）を流入させ、これを固体化させて成形する過程により形成される。
【００３１】
シェルの一面１３１ａの形状と、シェルの一面１３１ａと平行に切断した第１流路１１１および第２流路１２１の各断面は、円形であってもよい。シェルの一面１３１ａは、本体部１３０の長手方向に垂直な方向に形成された平面であり得る。
【００３２】
一方、第１流路１１１を通して第２流路１２１に流入する流体は、第２流路１２１の断面積が第１流路１１１よりも広いため、第２流路１２１内の流量分布は、第１流路１１１に対応する中央領域にさらに集中し、流速も中央領域がその周辺領域より速い。この理由から、シェルの一面１３１ａ上に配置された複数のチューブ１３２それぞれの流入口には流体が均一に流入しなくなる。
【００３３】
上述した問題を解決するために、流体流れ分配器１４０は、各チューブ１３２に連通した貫通孔１３３に流体の流れを均一に分配するために、第２流路１２１に配置される。流体流れ分配器１４０は、シェルの一面１３１ａよりも、第１流路１１１により近く配置される。流体流れ分配器１４０は、高温の流体に反応しないように、耐熱性および耐食性に優れた素材が使用可能である。
【００３４】
流体流れ分配器１４０は、拡管部１２０と隣接したシェルの一面１３１ａから流入部１１０に隣接する方向に離隔して配置され、互いに同心を有する複数のリング部材１４１を含むことができる。リング部材１４１は、流体が通過可能な中空を備えた部材であって、その断面の形状は、円形であってもよい。詳しくは、リング部材１４１をシェルの一面１３１ａと平行に切断して形成された断面は、内側部１４１ａおよび外側部１４１ｂの間の厚さを考慮すれば、ドーナツ状の円形リング形状であってもよい。複数のリング部材１４１の同心は、シェルの一面１３１ａから流入部１１０に隣接する方向に離隔しており、シェルの一面１３１ａと平行な仮想の平面上に位置していてもよい。複数のリング部材１４１は、それぞれ直径が異なるが、互いに同心を形成し、仮想の同一平面上の位置に配置されるので、流体の流れを互いに隣接する２つのリング部材１４１間の空間に分配およびガイドすることができる。
【００３５】
シェルの一面１３１ａに対向するリング部材１４１の一側面と、シェルの一面１３１ａとの間の距離δｄ１は、各リング部材１４１ごとに実質的に同一であってもよい。実質的に同一であるというのは、シェルの一面１３１ａに対向するリング部材１４１の一側面とシェルの一面１３１ａとの間の距離δｄ１を各リング部材１４１ごとに同一に意図したものの、製造工程上の精度の低下に伴ってその距離が異なる誤差が発生しうるが、このような誤差は無視できることを意味する。シェルの一面１３１ａに対向するリング部材１４１の一側面は、シェルの一面１３１ａから流入部１１０に隣接する方向に離隔しており、シェルの一面１３１ａと平行な仮想の平面上に位置することが好ましい。もし、流体流れ分配器１４０が複数のリング部材１４１を含み、それぞれのリング部材１４１が流体の流れ方向に沿って互いに離隔して並べられ、シェルの一面１３１ａとそれに対向するリング部材１４１の一側面との間の距離がそれぞれ異なっていれば、いずれか１つのリング部材１４１は、それより下流に配置されるリング部材１４１側への流体の流れの分配を妨げることがあるからである。
【００３６】
複数のリング部材１４１の同心は、シェルの一面１３１ａと垂直にシェルの一面１３１ａの中心を通る仮想の中心線Ｃ上に位置していてもよい。シェルの一面１３１ａと平行に切断した第１流路１１１の断面の中心は、前記中心線Ｃ上に位置していてもよい。シェルの一面１３１ａと平行に切断した第２流路１２１の断面の中心は、前記中心線Ｃ上に位置していてもよい。すなわち、第１流路１１１の断面の中心、第２流路１２１の断面の中心、複数のリング部材１４１の同心および本体部の一面１３１ａの中心は、前記中心線Ｃ上に位置していてもよい。
【００３７】
シェルの一面１３１ａに対向するリング部材１４１の一側面と、流入部１１０に対向するリング部材１４１の他側面との間の距離δｄ２は、各リング部材１４１ごとに同一であってもよい。
【００３８】
リング部材１４１の内側部１４１ａおよび外側部１４１ｂは、シェルの一面１３１ａに隣接する方向に沿って第２流路１２１の内側面に向かうように傾斜して形成される。複数のリング部材１４１の少なくとも１つの内側部１４１ａおよび外側部１４１ｂは、シェルの一面１３１ａに隣接する方向に沿って第２流路１２１の内側面に向かうように傾斜して形成される。リング部材１４１の内側部１４１ａおよび外側部１４１ｂが傾斜した程度を示す傾斜度は、内側部１４１ａおよび外側部１４１ｂが傾斜して形成されている各リング部材１４１ごとに異なっているか、または同一であってもよい。リング部材１４１ごとに傾斜度が異なっている場合、相対的に外側に配置されたリング部材１４１であるほど、傾斜度がより大きいことが好ましい。すなわち、内側に配置されたリング部材１４１が仮想の中心線Ｃ’と形成する角度θ１よりも、外側に配置されたリング部材１４１が仮想の中心線Ｃと平行な仮想の線Ｃ’’と形成する角度θ２がより大きく、これよりも外側に配置されたリング部材１４１が仮想の中心線Ｃと平行な仮想の線Ｃ’’’と形成する角度θ３がより大きい。第２流路１２１の断面積は、シェルの一面１３１ａに隣接する方向に沿って拡大し、これによって、第２流路１２１の内側面もシェルの一面１３１ａに対して傾斜して形成される。リング部材１４１上の内側部１４１ａおよび外側部１４１ｂの傾斜は、第２流路１２１上で中央領域に集中する流体の流れ分布を周辺領域に分散させるガイドの役割を果たすことができる。
【００３９】
リング部材１４１の内側部１４１ａと外側部１４１ｂとの間の厚さδｄ３、δｄ４、δｄ５は、各リング部材１４１ごとに同一であってもよい。ここで、厚さは、リング部材１４１の内側部１４１ａと外側部１４１ｂとの間の最短距離を意味することができる。
【００４０】
隣接する２つのリング部材１４１間の間隔δｄ６、δｄ７は、異なっているか、または同一であってもよい。隣接する２つのリング部材１４１間の間隔δｄ６、δｄ７が異なっている場合、比較的外側に配置された隣接する２つのリング部材１４１間の間隔δｄ６が、内側に配置された隣接する２つのリング部材１４１間の間隔δｄ７より広い。複数のリング部材１４１のうち、直径が最も小さいリング部材１４１の直径δｄ８は、それぞれのリング部材１４１間の間隔δｄ６、δｄ７と異なっているか、または同一であってもよい。
【００４１】
複数のリング部材１４１の少なくとも１つの直径は、第１流路１１１の直径δｔ１より大きくてよい。すなわち、複数のリング部材１４１のうち、最外角に位置するリング部材の直径δｄ９は、第１流路１１１の直径δｔ１より大きい。ここで、直径は、リング部材１４１の厚さを考慮して外径を意味することができる。上述のように、リング部材１４１が傾斜を形成する場合において、直径は、リング部材１４１上のシェルの一面１３１ａに最も隣接した一側面が形成する円の外径を意味することができる。これによって、断面積が小さい第１流路１１１から流入する流体が、断面積が大きいシェルの一面１３１ａの外角部分に配列されたチューブ１３２の流入口にも均一に流入できる効果がある。
【００４２】
流入部１１０と複数のリング部材１４１との間には他の部材が配置されない。ここで、他の部材とは、流入部１１０と複数のリング部材１４１との間に配置されて流体の流れを妨げる部材である。例えば、プレート、円錐状部材など、流体の流れに対抗する体積が形成された部材である。シェルの一面１３１ａと複数のリング部材１４１との間にも他の部材が配置されなくてよい。
【００４３】
一方、流体流れ分配器１４０は、第１連結部材１４２ａおよび第２連結部材１４２ｂを含むことができる。第１連結部材１４２ａは、複数のリング部材１４１を互いに連結する部材である。第２連結部材１４２ｂは、第２流路１２１上で複数のリング部材１４１が所定の位置を維持できるように、最外角のリング部材１４１と第２流路１２１の少なくとも内面とを互いに連結させる部材である。第２連結部材１４２ｂは、第２流路１２１の内面に溝を形成し、その溝に第２連結部材１４２ｂを挿入する方法で第２流路１２１に固定される。この時、第２連結部材１４２ｂの一端部は、第２流路１２１の内面を貫通して第２流路１２１の外側に位置していてもよい。一方、溝の大きさと第２連結部材１４２ｂの一端部の大きさとが一致していれば、高温の流体から熱が伝達される第２連結部材１４２ｂの熱膨張によって、第２流路１２１の内面が損傷することがある。したがって、溝の大きさは、第２連結部材１４２ｂの一端部の大きさより大きく形成され、第２連結部材１４２ｂと溝との間に遊びが形成されることが好ましい。第１連結部材１４２ａの両末端は、互いに隣接する直径の小さいリング部材１４１の外側面と直径の大きいリング部材１４１の内側面に固定されてそれぞれのリング部材を連結することができる。第１連結部材１４２ａと第２連結部材１４２ｂの長手方向に延びた中心軸は一致してもよい。連結部材１４２は複数備えられる。
【００４４】
以下、実験例を通じて本発明をより詳細に説明する。下記の実験例は単に説明するためのものであり、本発明を制限しない。
【００４５】
図４Ａ、図４Ｂおよび図４Ｃは、それぞれ本発明の一実施形態に係る流体流れ分配器を含む熱交換器、および比較例１、比較例２による流体流れ分配器を含む熱交換器それぞれの拡管部の内部およびその周辺部を示す透視図である。
【００４６】
図４を参照すれば、図４Ａは、本発明の一実施形態に係る流体流れ分配器１４０が配置された熱交換器１００の第２流路１２１の内部、図４Ｂは、比較例１による流体流れ分配器が配置された熱交換器の第２流路１２１の内部、および図４Ｃは、比較例２による流体流れ分配器が配置された熱交換器の第２流路１２１の内部を示す。ここで、一実施形態、比較例１および２における第１流路１１１の直径は２４７ｍｍ、第２流路１２１の長さは１５０ｍｍ、シェル１３１の断面積の直径は７２３ｍｍとした。下記の実験例１、２および３のためのシミュレーションは、ＡＮＳＹＳ  Ｆｌｕｅｎｔ  ｖ１８を用い、熱交換器内に投入される流体に関連する情報は、０．７７８ｋｇ／ｓの流量、１１１０Ｋの温度および理想気体（Ｉｄｅａｌ  Ｇａｓ）であると設定した。
【００４７】
一実施形態は、第２流路１２１の内部に直径が異なる３つのリング部材１４１が同心を形成して配列されており、リング部材１４１の両側面がそれぞれ第１流路１１１およびシェルの一面１３１ａに対向しており、両側面間の距離がすべて同一であってもよい。また、リング部材１４１の内側部１４１ａおよび外側部１４１ｂは、シェルの一面１３１ａに隣接する方向に沿って第２流路１２１の内側面に向かうように傾斜して形成されており、それぞれのリング部材を連結する連結部材１４２が互いに交差している（図４Ａ参照）。
【００４８】
比較例１は、第２流路１２１の内部に第１流路１１１と隣接して円錐状部材Ａ＿ａが位置し、円錐状部材Ａ＿ａの頂点が第１流路１１１に対向している。また、円錐状部材Ａ＿ａの下流には円形リングＡ＿ｂが離隔して位置している。円形リングＡ＿ｂの直径は、第１流路１１１の直径より小さく形成されている。円錐状部材Ａ＿ａと円形リングＡ−ｂは、長手方向に延びた支持部材を介してそれぞれ第２流路１２１の内面に連結されて位置固定される。一般的に、支持部材は流体の流動に及ぼす影響が小さいので、実験および結果の解析時に無視できる（図４Ｂ参照）。
【００４９】
比較例２は、シェルの一面１３１ａから第１流路１１１に隣接する方向に次第に直径が小くなる複数のリング部材Ｂが一定の隔離距離を形成して配列されて全体的に円錐形状をなしており、複数のリング部材を連結する４つの連結部材がシェルの一面１３１ａ近くから第２流路１２１の内面に向かって屈曲を形成して延びている。一方、比較例２は、米国登録特許（ＵＳ５０２９６３７）に開示されたリング部材Ｂの条件が反映できるようにして、複数のリング部材Ｂの第１流路１１１と対面している一側面の断面積の合計を、第１流路１１１の断面積と同一に構成した。このような複数のリング部材Ｂは、すべて第１流路の直径より小さいか、同一の直径を有する（図４Ｃ参照）。
【００５０】
流体を第１流路１１１および第２流路１２１を通過させた後、本体部１３０のチューブ１３２に流入させて、本発明の一実施形態、比較例１および比較例２による熱交換器１００の第２流路１２１における流体の流れをシミュレーションした。シミュレーションした結果に対する標準偏差／平均は変動係数であって、特定変数の分布程度を意味することができる。本実験例を通じて、それぞれ流体の圧力、速力および流量の測定位置での分布程度を示し、標準偏差／平均の値が小さいほど、測定値がより均一に分布したものと見なされる。
【００５１】
図５は、本発明の一実施形態に係る流体流れ分配器を含む熱交換器、および比較例１、比較例２による流体流れ分配器を含む熱交換器それぞれのシェルの一面で測定される流体の圧力分布の実験結果を示す図である。ここで、シェルの一面に測定される圧力分布の実験結果は、静圧解析により導出されたものである。
【００５２】
実験例１−実施形態、比較例１および比較例２のシェルの一面１３１ａにおける流体の圧力分布の測定結果（図５および表１参照）
【００５３】
【表１】
2021501301.tif 000003
【００５４】
本発明の一実施形態（図５（ａ）参照）、比較例１（図５（ｂ）参照）、比較例２（図５（ｃ）参照）の本体部の一面１３１ａにおける圧力分布をみると、実施形態の最小圧力（０．００６ｋｇ／ｃｍ２）が、比較例１の最小圧力（０．００１ｋｇ／ｃｍ２）より大きく、実施形態の最大圧力（０．０２５ｋｇ／ｃｍ２）は、比較例１の最大圧力（０．０３２ｇ／ｃｍ２）より小さく、実施形態の標準偏差／平均（０．５２０）は、比較例１の標準偏差／平均（０．６８０）に比べて小さいことが分かる。これによって、実施形態の場合が、比較例１の場合に比べて、シェルの一面１３１ａの圧力分布がより均一であることを確認することができる。一方、実施形態と比較例２とを比較すれば、本体部の一面１３１ａでの標準偏差／平均値は、実施形態が比較例２よりも大きくなり、圧力分布の面では、比較例２が実施形態よりも均一であることが分かった。ただし、流体の流れ分布の均一度は、シェルの一面１３１ａでの流体の圧力分布よりも、直接的に熱交換が起こるチューブ１３２の内部に流入する流体の速力分布や流線分布がより実質的に有意味であり得るので、以下、流体の速力分布、流線分布を説明する。
【００５５】
図６は、本発明の一実施形態に係る流体流れ分配器を含む熱交換器、および比較例１、比較例２による流体流れ分配器を含む熱交換器それぞれのシェルの一面上に配置されるチューブの流入口で測定される流体の速力分布の実験結果を示す図である。
【００５６】
実験例２−実施形態、比較例１および比較例２のシェルの一面１３１ａに形成されたチューブ１３２の入口におけるシェルの一面１３１ａと垂直な方向の流体の速力分布の測定結果（図６および表２参照）
【００５７】
【表２】
2021501301.tif 000004
【００５８】
本発明の一実施形態（図６（ａ）参照）、比較例１（図６（ｂ）参照）、比較例２（図６（ｃ）参照）のシェルの一面１３１ａ上に配置されるチューブ１３２の流入口におけるシェルの一面１３１ａと垂直な方向の流体の速力分布をみると、実施形態の最大速力（１１５．７０ｍ／ｓ）および標準偏差／平均（０．２１２）が、比較例１の最大速力（１４０．２５ｍ／ｓ）および標準偏差／平均（０．３５８）、比較例２の最大速力（１２０．９０ｍ／ｓ）および標準偏差／平均（０．２４４）と比較して最も低いことが分かる。実施形態の最大速力および標準偏差／平均が小さいというのは、シェルの一面１３１ａ上に配置される複数のチューブ１３２の流入口のうち、流体が最も速く流入するチューブ１３２の流入口での流速が、比較例１および比較例２の流速と比較して遅く、実施形態の複数のチューブ１３２に流入する流体の速力分布が、比較例１および比較例２の速力分布と比較してより均一であると考えられる。したがって、実施形態の場合、流体が複数のチューブ１３２に全体的に均一に供給されると考えられ、これは流体の流れがより均一であるともいえる。また、比較例１の場合、最小速力（−４．６０）が負数になっていることから、シェルの一面１３１ａで逆流が起こることが分かる。実施形態の場合には、最小速力が０であることから、逆流が起こらないことが分かる。
【００５９】
図７は、本発明の一実施形態に係る流体流れ分配器を含む熱交換器、および比較例１、比較例２による流体流れ分配器を含む熱交換器それぞれの内部で測定される流体の流量を解析した流線分布の実験結果を示す図である。
【００６０】
実験例３−実施形態、比較例１および比較例２の第２流路１２１およびその周辺における流体の流れおよび流線分布の測定結果（図７および表３参照）
【００６１】
【表３】
2021501301.tif 000005
【００６２】
本発明の一実施形態（図７（ａ）参照）、比較例１（図７（ｂ）参照）、比較例２（図７（ｃ）参照）の第２流路１２１およびその周辺における流体の流れおよび流線分布をみると、実施形態の場合の最小流量（０．０３４ｋｇ／ｓ）は、比較例１の最小流量（０．０３２ｋｇ／ｓ）および比較例２の最小流量（０．０３４ｋｇ／ｓ）と類似しており、実施形態の最大流量（０．０４９ｋｇ／ｓ）は、比較例１の最大流量（０．０５８ｋｇ／ｓ）および比較例２の最大流量（０．０５３ｋｇ／ｓ）より小さく、実施形態の標準偏差／平均（０．１１７）は、比較例１の測定値（０．２４０）および比較例２の測定値（０．１６４）より小さいことを確認することができる。したがって、実施形態の場合が、比較例１および比較例２の場合より最大流量と最小流量との差が小さく、標準偏差／平均が小さいので、流線分布が均一であると考えられる。また、比較例１の場合、円錐状の分配器の周りで渦流が発生することが分かる。比較例２の場合、第２流路１２１の最外角部分とチューブ１３２の内部で渦流が発生することが分かる。第２流路１２１の内部での渦流は、第２流路１２１の内部での異物（炭素化合物残渣など）などの沈殿発生の可能性を高め、チューブ１３２の内部での渦流は熱交換性能を低下させることがある。実施形態の場合には、比較例１、２のような渦流が発生しないことを確認することができる。
【００６３】
上述した本発明の一実施形態に係る熱交換器１００の作動の一例は次の通りである。
【００６４】
流体は、流入部１１０に形成された第１流路１１１を通して拡管部１２０の第２流路１２１および本体部１３０の複数のチューブ１３２に流入することができる。流体は、第２流路１２１の内部に配置された流体流れ分配器１４０を通過しながら流れが分配され、面積が広いシェルの一面１３１ａに形成された貫通孔１３３を通してチューブ１３２に均一に流入することができる。流体は、本体部の複数のチューブ１３２を通過しながら本体部１３０のシェル１３１の内部に収容された熱交換媒体とチューブ１３２を介在させて円滑に熱交換が起こり得る。
【００６５】
上述した本発明の一実施形態に係る熱交換器１００の効果は次の通りである。
【００６６】
流体流れ分配器１４０は、流体の流れを分配して本体部１３０の複数のチューブ１３２に流体を均一に流入させて熱交換が効率的に起こるようにする。
【００６７】
熱交換器１００に流入する流体は、炭化水素を含むことができる。炭化水素は、熱交換器１００の内部に堆積しうる。第２流路１２１およびチューブ１３２の内部で渦流の発生などから流体の流れが不均一になれば、炭化水素が第２流路１２１およびチューブ１３２の内部に堆積し、これによって、チューブ１３２が詰まったり、第２流路１２１の内壁が厚くなって流体の流れがより不均一になる悪循環がもたらされる。流体流れ分配器１４０は、第２流路１２１およびチューブ１３２の内部での渦流を発生させないことにより、炭化水素の内部堆積を防ぐことができる。
【００６８】
シェルの一面１３１ａに対向するリング部材１４１の一側面と、シェルの一面１３１ａとの間の距離δｄ１は、各リング部材１４１ごとに同一であってもよいので、複数のリング部材１４１は、流体の流れ方向に沿って互いに離隔して並べられていなくてもよい。したがって、それぞれのリング部材１４１の間に流入する流体の流れを妨げない。
【００６９】
流入部１１０と複数のリング部材１４１との間には他の部材が配置されないので、流体の流れを妨げない。
【００７０】
たとえ、本発明が上述した好ましい実施例に関して説明されたが、発明の要旨と範囲を逸脱することなく多様な修正や変形をすることが可能である。したがって、添付した特許請求の範囲には、本発明の要旨に属する限り、かかる修正や変形を含むであろう。
【符号の説明】
【００７１】
１００：熱交換器
１１０：流入部
１１１：第１流路
１２０：拡管部
１２１：第２流路
１３０：本体部
１３１：シェル
１３１ａ：シェルの一面
１３１ｂ：シェルの他面
１３２：チューブ
１３３：貫通孔
１４０：流体流れ分配器
１４１：リング部材
１４１ａ：内側部
１４１ｂ：外側部
１４２：連結部材
１４２ａ：第１連結部材
１４２ｂ：第２連結部材
Ｃ：仮想の中心線
【図１】
2021501301.tif 000006
【図２】
2021501301.tif 000007
【図３】
2021501301.tif 000008
【図４Ａ】
2021501301.tif 000009
【図４Ｂ】
2021501301.tif 000010
【図４Ｃ】
2021501301.tif 000011
【図５】
2021501301.tif 000012
【図６】
2021501301.tif 000013
【図７】
2021501301.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】令和2年4月30日(2020.4.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が流入する第１流路が形成された流入部と、
複数の貫通孔が形成され、前記第１流路の断面積より広い断面積を有する一面を備えながら内部空間が形成されているシェル、および前記第１流路を通して流入する流体が流動可能な管状部材であって、前記シェルの内部空間に位置しかつ、一端部は前記貫通孔と連通する複数のチューブを含む本体部と、
前記流入部と前記シェルの一面との間を連結し、前記シェルの一面に向かう方向に沿って断面積が広くなる第２流路が形成された拡管部と、
前記第２流路に配置され、前記第１流路を通して流入する流体の流れを前記複数のチューブに分配する装置であって、前記拡管部と隣接した前記シェルの一面から前記流入部に隣接する方向に沿って離隔して配置され、互いに同心を有する複数のリング部材を含む流体流れ分配器とを含み、
前記流入部と前記複数のリング部材との間には他の部材が配置されないようにする、熱交換器。
【請求項２】
前記リング部材の断面は、円形である、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記シェルの一面の形状と、前記シェルの一面と平行に切断した前記第１流路および前記第２流路の各断面は、円形である、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記シェルの一面に対向する前記リング部材の一側面と、前記シェルの一面との間の距離は、前記各リング部材ごとに同一である、請求項１〜３のいずれかに記載の熱交換器。
【請求項５】
前記複数のリング部材の中心は、前記シェルの一面と垂直でかつ、前記シェルの一面の中心を通る仮想の中心線上に位置している、請求項１〜４のいずれかに記載の熱交換器。
【請求項６】
前記シェルの一面に対向する前記リング部材の一側面と、前記流入部に対向する前記リング部材の他側面との間の距離は、前記各リング部材ごとに同一である、請求項１〜５のいずれかに記載の熱交換器。
【請求項７】
前記リング部材の内側部と外側部との間の厚さは、前記各リング部材ごとに同一である、請求項１〜６のいずれかにに記載の熱交換器。
【請求項８】
前記リング部材の内側部および外側部は、前記シェルの一面に隣接する方向に沿って前記第２流路の内側面に向かうように傾斜して形成される、請求項１〜７のいずれかに記載の熱交換器。
【請求項９】
前記複数のリング部材の少なくとも１つの直径は、前記第１流路の直径より大きい、請求項２、４〜８のいずれかに記載の熱交換器。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
本実施形態において、複数のリング部材の中心は、シェルの一面と垂直でかつ、シェルの一面の中心を通る仮想の中心線上に位置していてもよい。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３４】
流体流れ分配器１４０は、拡管部１２０と隣接したシェルの一面１３１ａから流入部１１０に隣接する方向に離隔して配置され、互いに同心を有する複数のリング部材１４１を含むことができる。リング部材１４１は、流体が通過可能な中空を備えた部材であって、その断面の形状は、円形であってもよい。詳しくは、リング部材１４１をシェルの一面１３１ａと平行に切断して形成された断面は、内側部１４１ａおよび外側部１４１ｂの間の厚さを考慮すれば、ドーナツ状の円形リング形状であってもよい。複数のリング部材１４１の中心は、シェルの一面１３１ａから流入部１１０に隣接する方向に離隔しており、シェルの一面１３１ａと平行な仮想の平面上に位置していてもよい。複数のリング部材１４１は、それぞれ直径が異なるが、互いに同心を形成し、仮想の同一平面上の位置に配置されるので、流体の流れを互いに隣接する２つのリング部材１４１間の空間に分配およびガイドすることができる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３６】
複数のリング部材１４１の中心は、シェルの一面１３１ａと垂直にシェルの一面１３１ａの中心を通る仮想の中心線Ｃ上に位置していてもよい。シェルの一面１３１ａと平行に切断した第１流路１１１の断面の中心は、前記中心線Ｃ上に位置していてもよい。シェルの一面１３１ａと平行に切断した第２流路１２１の断面の中心は、前記中心線Ｃ上に位置していてもよい。すなわち、第１流路１１１の断面の中心、第２流路１２１の断面の中心、複数のリング部材１４１の中心および本体部の一面１３１ａの中心は、前記中心線Ｃ上に位置していてもよい。
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2021501301.tif 000015
【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
2021501301.tif 000016
【国際調査報告】
2021501301.tif 000017
2021501301.tif 000018
2021501301.tif 000019
2021501301.tif 000020