(57)【要約】【課題】シェルアンドチューブ形熱交換器において、導入流体の偏流を抑制し、伝熱性能を向上させる。【解決手段】胴体（３）の上部における軸方向の中央部分に、１本の導入管（４）が接続されている。伝熱管（１０）と導入管（４）との間には、多孔板（１７）が設けられている。多孔板（１７）上における導入管（４）と対向する位置には、当て板（２１）が設けられている。多孔板（１７）の両端側には、胴体（３）内を導入空間（１９）と伝熱空間（２０）とに仕切る仕切板（１８）が設けられている。【選択図】　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
密閉型の筒形胴体（３）と、前記筒形胴体（３）の内部に配置された複数の伝熱管（１０）とを備え、前記筒形胴体（３）の内部において前記伝熱管（１０）の外部を流れる第１流体と前記伝熱管（１０）の内部を流れる第２流体とを熱交換させるシェルアンドチューブ形熱交換器であって、
前記筒形胴体（３）の外周部に接続され、前記筒形胴体（３）の内方に向かって第１流体を導入する導入管（４）と、
前記筒形胴体（３）の内部における前記導入管（４）と前記伝熱管（１０）との間に設けられ、前記筒形胴体（３）の軸方向に延びる多孔板（１７）と、
前記多孔板（１７）上における前記導入管（４）の導入口に対向する位置に設けられ、前記導入管（４）から導入される第１流体を受け止めて当該第１流体の流れ方向を変化させる当て板（２１）とを備えているシェルアンドチューブ形熱交換器。
【請求項２】
密閉型の筒形胴体（３）と、前記筒形胴体（３）の内部に配置された複数の伝熱管（１０）とを備え、前記筒形胴体（３）の内部において前記伝熱管（１０）の外部を流れる第１流体と前記伝熱管（１０）の内部を流れる第２流体とを熱交換させるシェルアンドチューブ形熱交換器であって、
前記筒形胴体（３）の外周部に接続され、前記筒形胴体（３）の内方に向かって第１流体を導入する導入管（４）と、
前記筒形胴体（３）の内部における前記導入管（４）と前記伝熱管（１０）との間に設けられ、前記筒形胴体（３）の軸方向に延びる多孔板（１７）と、
前記筒形胴体（３）の内部に設けられ、前記多孔板（１７）とともに前記多孔板（１７）の前記導入管（４）側の空間（１９）と前記伝熱管（１０）側の空間（２０）とを仕切る仕切部材（１８）とを備えているシェルアンドチューブ形熱交換器。
【請求項３】
前記筒形胴体（３）の内部に設けられ、前記多孔板（１７）とともに前記多孔板（１７）の前記導入管（４）側の空間（１９）と前記多孔板（１７）の前記伝熱管（１０）側の空間（２０）とを仕切る仕切部材（１８）を備えている請求項１記載のシェルアンドチューブ形熱交換器。
【請求項４】
第１流体を導入する導入管は、１本の導入管（４）のみからなる請求項１〜３のいずれか一つに記載のシェルアンドチューブ形熱交換器。
【請求項５】
前記筒形胴体（３）は、軸方向が水平方向を向くように横向きに設置され、
前記導入管（４）は、前記筒形胴体（３）の上部に接続されて第１流体を下方に向かって導入し、
前記第１流体は、ガス冷媒からなっている請求項１〜４のいずれか一つに記載のシェルアンドチューブ形熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シェルアンドチューブ形熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、熱交換器の一種として、シェルアンドチューブ形熱交換器は様々な用途に用いられている。シェルアンドチューブ形熱交換器は、密閉式の筒形胴体の内部に複数の伝熱管を備え、筒形胴体内において、これら伝熱管の外部を流れる流体と内部を流れる流体とを熱交換させるものである。
【０００３】
ところで、熱交換器の伝熱性能を向上させるためには、熱交換器の全体において満遍なく熱交換を行わせる必要がある。そのためには、伝熱管の外部を流れる流体を、筒形胴体の全体に均等に分配することが好ましい。
【０００４】
そこで、従来は、図７に示すように、流体の導入管（１０１）を筒形胴体（１００）の上部における軸方向中央部分に接続し、更に、筒形胴体（１００）内の上部に、軸方向に延びる多孔板（１０２）を設けていた。このような構成により、導入管（１０１）から導入される流体が多孔板（１０２）によって分散され、流体が筒形胴体（１００）の広い範囲にわたって供給されることが期待される。このように、従来は、上記構成によって流体の均等分配が図られていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記構成を用いたシェルアンドチューブ形熱交換器であっても、導入管（１０１）から導入される流体の条件によっては、流体の分配に偏りが生じ、伝熱性能を十分に向上させることができない場合があった。例えば、流体の流速が大きい場合には、導入管（１０１）から導入される流体は、そのまま導入方向に向かって多孔板（１０２）の孔を素通りしやすくなる。そのため、流体の動圧の影響が大きくなり、導入管（１０１）の近傍では流量が多く、逆に、導入管（１０１）から離れた箇所では流量が少なくなりやすい。その結果、流体の偏流を生じやすかった。
【０００６】
上記のような偏流を防止するために、図８に示すように、導入管（１０１）を複数の導入管（１０１ａ，１０１ｂ）に分岐し、それら導入管（１０１ａ，１０１ｂ）を通じて、筒形胴体（１００）の軸方向に沿った複数箇所から流体を導入することが考えられる。しかし、このような構成では、複数の導入管（１０１ａ．１０１ｂ）を接続するために、筒形胴体（１００）に複数の導入口を設ける必要がある。したがって、構成の複雑化を招く要因となる。また、各導入管（１０１ａ，１０１ｂ）に対して流体を均等に分配しなければならず、導入管（１０１ａ，１０１ｂ）の分岐に伴って新たな技術課題を招くことにもなる。
【０００７】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、シェルアンドチューブ形熱交換器における導入流体の偏流を抑制し、伝熱性能を向上させることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載のシェルアンドチューブ形熱交換器は、密閉型の筒形胴体（３）と、前記筒形胴体（３）の内部に配置された複数の伝熱管（１０）とを備え、前記筒形胴体（３）の内部において前記伝熱管（１０）の外部を流れる第１流体と前記伝熱管（１０）の内部を流れる第２流体とを熱交換させるシェルアンドチューブ形熱交換器であって、前記筒形胴体（３）の外周部に接続され、前記筒形胴体（３）の内方に向かって第１流体を導入する導入管（４）と、前記筒形胴体（３）の内部における前記導入管（４）と前記伝熱管（１０）との間に設けられ、前記筒形胴体（３）の軸方向に延びる多孔板（１７）と、前記多孔板（１７）上における前記導入管（４）の導入口に対向する位置に設けられ、前記導入管（４）から導入される第１流体を受け止めて当該第１流体の流れ方向を変化させる当て板（２１）とを備えているものである。
【０００９】
上記シェルアンドチューブ形熱交換器では、第１流体は、導入管を通じて筒形胴体の内部に導入される。この際、導入管の導入口に対向する位置に当て板が設けられているので、導入直後の第１流体は当て板に衝突する。したがって、第１流体が導入方向に向かって多孔板の孔を素通りすることがなくなる。そして、当て板と衝突した第１流体は、その流れ方向を多孔板の表面に沿った方向に変化させ、多孔板の長手方向に沿って分散する。そして、多孔板の表面に分散した第１流体は、多孔板の孔を通過し、伝熱管に向かって流れる。このようにして、第１流体は比較的均等に分配されるので、第１流体の偏流は抑制される。
【００１０】
請求項２記載のシェルアンドチューブ形熱交換器は、密閉型の筒形胴体（３）と、前記筒形胴体（３）の内部に配置された複数の伝熱管（１０）とを備え、前記筒形胴体（３）の内部において前記伝熱管（１０）の外部を流れる第１流体と前記伝熱管（１０）の内部を流れる第２流体とを熱交換させるシェルアンドチューブ形熱交換器であって、前記筒形胴体（３）の外周部に接続され、前記筒形胴体（３）の内方に向かって第１流体を導入する導入管（４）と、前記筒形胴体（３）の内部における前記導入管（４）と前記伝熱管（１０）との間に設けられ、前記筒形胴体（３）の軸方向に延びる多孔板（１７）と、前記筒形胴体（３）の内部に設けられ、前記多孔板（１７）とともに前記多孔板（１７）の前記導入管（４）側の空間（１９）と前記伝熱管（１０）側の空間（２０）とを仕切る仕切部材（１８）とを備えているものである。
【００１１】
上記シェルアンドチューブ形熱交換器では、多孔板及び仕切部材を境にして、多孔板の導入管側の空間（以下、導入空間という）は、多孔板の伝熱管側の空間（以下、伝熱空間という）から区画される。そして、導入管からの第１流体は、まず導入空間に導入される。その結果、導入空間内の第１流体の静圧は、伝熱空間内の第１流体の静圧よりも高くなる。つまり、導入空間の内外の静圧差が大きくなる。その結果、上記静圧差が主な駆動力となって、第１流体は導入空間から伝熱空間に流れ出す。
【００１２】
このように、導入空間から伝熱空間に向かう第１流体の流れに関して、静圧差の影響の方が動圧の影響よりも大きくなる。ところで、動圧の影響は導入管からの距離に依存するが、静圧の影響は導入管からの距離には無関係である。したがって、動圧の影響が相対的に小さくなることにより、第１流体の偏流は抑制される。
【００１３】
請求項３記載のシェルアンドチューブ形熱交換器は、請求項１記載のシェルアンドチューブ形熱交換器において、前記筒形胴体（３）の内部に設けられ、前記多孔板（１７）とともに前記多孔板（１７）の前記導入管（４）側の空間（１９）と前記多孔板（１７）の前記伝熱管（１０）側の空間（２０）とを仕切る仕切部材（１８）を備えているものである。
【００１４】
上記シェルアンドチューブ形熱交換器では、請求項２記載のシェルアンドチューブ形熱交換器と同様の理由に基づき、第１流体の偏流が更に抑制される。
【００１５】
請求項４記載のシェルアンドチューブ形熱交換器は、請求項１〜３のいずれか一つに記載のシェルアンドチューブ形熱交換器において、第１流体を導入する導入管は、１本の導入管（４）のみからなるものである。
【００１６】
上記シェルアンドチューブ形熱交換器では、第１流体の導入口を複数設ける必要がなく、構成が簡単になる。
【００１７】
請求項５記載のシェルアンドチューブ形熱交換器は、請求項１〜４のいずれか一つに記載のシェルアンドチューブ形熱交換器において、前記筒形胴体（３）は、軸方向が水平方向を向くように横向きに設置され、前記導入管（４）は、前記筒形胴体（３）の上部に接続されて第１流体を下方に向かって導入し、前記第１流体は、ガス冷媒からなっているものである。
【００１８】
このことにより、シェルアンドチューブ形熱交換器の好適な形態が得られる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２０】
図１に示すように、シェルアンドチューブ形熱交換器（１）は、支持台（２，２）に固定され、軸方向が水平方向を向くように横向きに設置されている。なお、シェルアンドチューブ形熱交換器（１）は、船舶内に設けられている。シェルアンドチューブ形熱交換器（１）は、密閉型の円筒形の胴体（３）と、胴体（３）の内部に設けられた複数の伝熱管（１０）（図２及び図３参照）とを備えている。胴体（３）の軸方向の一端側には前蓋（７）が設けられ、他端側には後蓋（８）が設けられている。
【００２１】
胴体（３）の長手方向の中央部分における上部には、冷媒の導入管（４）が接続されている。胴体（３）の下部における長手方向の中央部分と両端部との間には、それぞれ冷媒の導出管（５）が接続されている。両導出管（５）は胴体（３）の長手方向の中央部で連結され、連結部分には冷媒出口弁（６）が設けられている。図示は省略するが、冷媒出口弁（６）には冷媒配管が接続されている。
【００２２】
前蓋（７）には、水の流入管（９）と流出管（図示せず）とが接続されている。流入管（９）と上記流出管とは水平方向に並んでおり、図１においては、上記流出管は流入管（９）の裏側に位置している。
【００２３】
図２に示すように、胴体（３）の内部の一端側には前側管板（１１）が設けられ、他端側には後側管板（１２）が設けられている。前側管板（１１）及び後側管板（１２）には、複数の伝熱管（１０）が挿入されている。言い換えると、伝熱管（１０）の一端側は前側管板（１１）に支持され、伝熱管（１０）の他端側は後側管板（１２）に支持されている。
【００２４】
伝熱管（１０）の一端は、前側管板（１１）と前蓋（７）とにより区画された空間（１３）に開口しており、伝熱管（１０）の他端は、後側管板（１２）と後蓋（８）とにより区画された空間（１４）に開口している。図示は省略するが、前蓋（７）の内部には、空間（１３）を水の流入管（９）側と流出管（図示せず）側とに仕切る仕切板が設けられている。このような構成により、流入管（９）から流入した水は、空間（１４）側に向かって流れた後、Ｕターンして流出管側に戻り、流出管から流出する。すなわち、流入管（９）から流入した水は、空間（１３）の流入管（９）側に流入し、一部の伝熱管（１０）内を空間（１４）側に流れた後、空間（１４）に流入する。そして、空間（１４）に流入した水は、他の伝熱管（１０）内を空間（１３）側に流れた後、空間（１３）の流出管側に流入し、当該空間（１３）から流出管に流れ出る。
【００２５】
伝熱管（１０）は、支持バンド（１５）によって束ねられている。図３に示すように、伝熱管（１０）には伝熱フィン（１６）が設けられている。伝熱フィン（１６）の形状や材質は特に限定されるものではないが、本実施形態では、伝熱フィン（１６）は略円板状に形成されている。なお、理解の容易のため、図２では伝熱フィン（１６）の図示は省略している。
【００２６】
図２に示すように、伝熱管（１０）の上方には、図４に示すようなパンチングメタルからなる多孔板（１７）が設けられている。多孔板（１７）は、胴体（３）の軸方向に細長い長方形状の平板であり、胴体（３）のほぼ全長にわたって延びている。図３に示すように、多孔板（１７）の長辺は、胴体（３）の内壁面と接触している。図２に示すように、多孔板（１７）の長手方向の両端には、上方に延びる仕切板（１８）が設けられている。この仕切板（１８）と多孔板（１７）とにより、多孔板（１７）の上方には冷媒の導入空間（１９）が区画され、多孔板（１７）の下方には、冷媒が熱交換を行う伝熱空間（２０）が区画されている。なお、多孔板（１７）と仕切板（１８）とは別部材で形成されていてもよく、同一部材により一体的に形成されていてもよい。
【００２７】
本シェルアンドチューブ形熱交換器（１）の多孔板（１７）は、この種の熱交換器に使用されていた従来の多孔板に比べて開口率が小さい。例えば、従来の多孔板では開口率が３０％以上であったのに対し、本実施形態の多孔板（１７）の開口率は５％〜１０％である。ただし、多孔板（１７）の開口率は、熱交換器（１）の寸法や導入管（４）から導入される流体の種類又は速度等に応じて、適宜設定することができる。多孔板（１７）の開口率は上記数値範囲に限定されるものではない。
【００２８】
多孔板（１７）上における導入管（４）の導入口に対向する位置には、当て板（２１）が設けられている。当て板（２１）は、導入管（４）から導入されるガス冷媒を受け止め、当該ガス冷媒の流れ方向を下向き方向から横向き方向に変化させるものである。本実施形態では、当て板（２１）は、孔の形成されていない無孔板によって構成されている。ただし、当て板（２１）はガス冷媒の流れ方向を十分に変化させるものであればよく、例えば、多孔板（１７）よりも開口率の小さな穴あき板によって形成されていてもよい。
【００２９】
ところで、当て板（２１）の面積が小さすぎると、導入管（４）から導入されたガス冷媒のうち、そのまま多孔板（１７）を通過して下向きに流れ出す冷媒の量が多くなる。一方、当て板（２１）の面積が大きすぎると、伝熱空間（２０）における当て板（２１）の下方に、ガス冷媒が流れにくくなる。そこで、当て板（２１）の面積は導入管（４）の開口面積の１〜３倍程度が好ましい。本実施形態では、当て板（２１）の面積は導入管（４）の開口面積の２倍に設定されている。ただし、当て板（２１）の面積は、熱交換器（１）の寸法やガス冷媒の流速等に応じて適宜に設定すればよく、上記数値範囲に限定されるものではない。
【００３０】
導入管（４）の開口端と当て板（２１）との間の間隔は、１０〜４０ｍｍに設定されている。ただし、上記間隔も熱交換器（１）の寸法やガス冷媒の流速等に応じて適宜に設定することができる。
【００３１】
次に、シェルアンドチューブ形熱交換器（１）の熱交換動作について説明する。本実施形態では、互いに熱交換を行う第１及び第２の流体として、相変化を行う冷媒と水とを用いる。そして、導入管（４）から高温のガス冷媒を導入する一方、流入管（９）から冷却水を導入し、これらガス冷媒と冷却水とを熱交換させてガス冷媒を凝縮させる。つまり、本実施形態では、シェルアンドチューブ形熱交換器（１）は、冷媒を凝縮させる凝縮器として用いられる。
【００３２】
前述したように、流入管（９）から導入された冷却水は、一部の伝熱管（１０）内を前蓋（７）側から後蓋（８）側へ流れた後、後蓋（８）内の空間（１４）において折り返し、他の伝熱管（１０）内を後蓋（８）側から前蓋（７）へ流れ、流出管（図示せず）から排出される。
【００３３】
一方、図５及び図６に示すように、ガス冷媒は、導入管（４）から下向きに導入され、当て板（２１）に衝突する。これにより、ガス冷媒の流れ方向が下向き方向から横向き方向に変化する。したがって、ガス冷媒は多孔板（１７）を素通りしにくくなる一方、多孔板（１７）の表面に沿って導入空間（１９）に満遍なく流れ込むことになる。
【００３４】
導入空間（１９）は多孔板（１７）及び仕切板（１８）によって仕切られているため、導入空間（１９）の圧力は伝熱空間（２０）の圧力よりも高くなる。その結果、導入空間（１９）と伝熱空間（２０）との間に、相当程度の静圧差が生じる。そして、導入空間（１９）内のガス冷媒は、上記静圧差が駆動力となって多孔板（１７）を通過し、伝熱空間（２０）に流れ込む。この際、ガス冷媒は、多孔板（１７）の全体から伝熱空間（２０）に流れ込み、伝熱空間（２０）の全体に満遍なく供給されることになる。
【００３５】
伝熱空間（２０）に流れ込んだガス冷媒は、伝熱管（１０）及び伝熱フィン（１６）を介して、伝熱管（１０）内の冷却水と熱交換を行う。その結果、ガス冷媒は冷却され、凝縮する。凝縮した液冷媒は、胴体（３）の下部に溜まり、導出管（５）から流出する。
【００３６】
以上のように、本シェルアンドチューブ形熱交換器（１）によれば、導入管（４）から導入されたガス冷媒は当て板（２１）に当たって流れ方向が変わるので、多孔板（１７）をそのまま素通りすることがない。そのため、導入管（４）の導入方向（真下方向）に向かって大量のガス冷媒が流れ込むことが防止される。したがって、ガス冷媒の偏流が抑制される。
【００３７】
また、多孔板（１７）及び仕切板（１８）により導入空間（１９）を仕切っているので、導入空間（１９）と伝熱空間（２０）との間に所定の圧力差（静圧差）を生じさせることができる。そのため、ガス冷媒の流れの慣性力に依存することなく、主に静圧差によってガス冷媒を分配することができる。言い換えると、ガス冷媒の動圧の影響を相対的に小さく抑えることができる。したがって、ガス冷媒の偏流を効果的に抑制することができる。
【００３８】
特に、多孔板（１７）の開口率を従来よりも小さくしたので、導入空間（１９）と伝熱空間（２０）との圧力差を、冷媒の偏流を防止するために十分な大きさにすることができる。したがって、冷媒の偏流を防止するための圧力差を簡易な構成により発生させることができる。
【００３９】
上述のようにガス冷媒の偏流を防止することができるので、伝熱空間（２０）の全体において満遍なく熱交換を行うことができる。したがって、有効伝熱面積を拡大することができ、伝熱性能を向上させることができる。
【００４０】
また、ガス冷媒の偏流が防止できるので、胴体（３）の軸方向に沿って複数の導入管を配置する必要がなくなり、導入管（４）は１本で足りる。したがって、シェルアンドチューブ形熱交換器（１）の構成を簡単化することができる。
【００４１】
なお、仕切板（１８）は、導入空間（１９）の全体を仕切るものでなくてもよく、導入空間（１９）と伝熱空間（２０）との間に所定の圧力差を生じさせる限り、導入空間（１９）の一部を仕切るものであってもよい。
【００４２】
本シェルアンドチューブ形熱交換器（１）は船舶内に設置された熱交換器であるため、船舶の姿勢が変わっても液冷媒を確実に導出できるように、胴体（３）の軸方向に沿って２本の導出管（５）が設けられていた。しかし、導出管（５）の本数は限定されるものではなく、１本でもよく、あるいは３本以上であってもよい。もちろん、シェルアンドチューブ形熱交換器（１）の設置箇所及び用途は特に限定されるものではない。
【００４３】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、導入管から導入された第１流体は、多孔板上に設けられた当て板によって受け止められ、その流れ方向が変化して、多孔板に沿って筒形胴体の軸方向に流れる。そのため、第１流体の大部分がそのまま導入方向に向かって流れ込むことが防止され、また、第１流体は筒形胴体の軸方向の広範囲にわたって分散する。このように、第１流体は筒形胴体の全体にわたって満遍なく供給され、第１流体の偏流が防止される。したがって、伝熱性能を向上させることができる。
【００４４】
請求項２記載の発明によれば、筒形胴体の内部が多孔板及び仕切部材によって導入管側の空間（導入空間）と伝熱管側の空間（伝熱空間）とに仕切られるため、導入空間と伝熱空間とにおいて静圧差が生じ、第１流体は主として静圧差によって伝熱空間に流れ込むことになる。そのため、動圧の影響が少なくなり、第１流体の偏流が防止される。したがって、伝熱性能を向上させることができる。
【００４５】
請求項３記載の発明によれば、上記請求項２記載の発明と同様の理由により、伝熱性能の更なる向上を図ることができる。
【００４６】
請求項４記載の発明によれば、第１流体の導入部を複数設ける必要がなくなり、構成の簡略化を図ることができる。
【００４７】
請求項５記載の発明によれば、上述の効果を奏する好適なシェルアンドチューブ形熱交換器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係るシェルアンドチューブ形熱交換器の側面図である。
【図２】実施形態に係るシェルアンドチューブ形熱交換器の主要な内部構成を示す一部切り欠き断面図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図４】多孔板の部分平面図である。
【図５】冷媒の流れを示すためのシェルアンドチューブ形熱交換器の概念図である。
【図６】冷媒の流れを示すためのシェルアンドチューブ形熱交換器の部分断面図である。
【図７】従来のシェルアンドチューブ形熱交換器の概念図である。
【図８】従来のシェルアンドチューブ形熱交換器の概念図である。
【符号の説明】
（１）　　シェルアンドチューブ形熱交換器
（３）　　　胴体（筒形胴体）
（４）　　　導入管
（５）　　　導出管
（６）　　　冷媒出口弁
（９）　　　流入管
（１０）　　伝熱管
（１６）　　伝熱フィン
（１７）　　多孔板
（１８）　　仕切板（仕切部材）
（１９）　　導入空間
（２０）　　伝熱空間
（２１）　　当て板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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