(57)【要約】【課題】  流体境膜の形成を極力阻止することが可能となり、熱交換効率を大幅に向上させることができ、連続の長時間運転を維持できるとともに、大きな省エネ効果が期待できる熱交換器を簡便かつ安価に提供すること。【解決手段】  熱交換パイプ１の管壁を介して熱交換を行なう熱交換器において、熱交換パイプ１に内接させたコイル状のスプリング２と、前記スプリング２を回転および／または往復運動させる動力装置６とを装備する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換パイプの管壁を介して熱交換を行なう熱交換器において、熱交換パイプに内接させたコイル状のスプリングと、前記スプリングを回転および／または往復運動させる動力装置とを装備したことを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記スプリングは、複数個の単体のスプリングが隣位する単体のスプリングの端部同士を当接させて配設されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記スプリングは、複数個の単体のスプリングが連結手段により連結されて配設されていることを特徴とする請求項１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、熱交換パイプの管壁を介して前記熱交換パイプを取り巻く熱媒と前記熱交換パイプ内を移動する流体とが熱交換を行なう熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
前記熱交換器において、熱交換パイプ内部を流体が移動する場合、レイノズル数4000以上の乱流であっても、熱交換パイプの内壁の近くには、ごく薄い層流の膜が生じてしまい、難流動性の液体においては、ほとんど移動しない場合も考えられる。この薄い層流の膜を流体境膜というが、管壁を介して熱交換を行う単位操作において、この流体境膜の形成が熱交換効率を極度に低下させる原因となる。
【０００３】
つまり、冷却用熱交換器においては、温度低下とともに液体の粘度が増大し、流速低下や流体成分の凝固・結晶析出等による固着現象が発生し易い。また、加熱用熱交換器においては、過熱による流体成分の濃縮等により、焦げ付き固着が発生し易くなり、いずれの場合も流体境膜の厚みが増大する事により、熱交換効率が著しく低下してしまう最大要因となる。
【０００４】
このような熱交換パイプを用いる熱交換器の流体境膜の発生を抑制する方法としては、熱交換パイプの断面形状を凹凸にしたり、管路を屈曲させて、レイノズル数を増大することにより、乱流効果による流体境膜を抑制する方法（例えば、特許文献１参照）や、大口径の熱交換パイプにおいては、肉部に機械的に回転するスクレーパ一等を装備した掻き取り装置により固着物を除去する方法（特許文献２参照）等が開発されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２２１０９４号公報
【特許文献２】登録実用新案第３０４１０３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、熱交換パイプの断面形状を凹凸にしたり、管路を屈曲させる方法は、熱交換パイプの製作に高度な技術が要求され、製作コストが高くなり易く、また、原料の停滞や固着が発生し易い等の問題点も多い。一方、スクレーパー等の機械的な掻き取り装置を装備した熱交換器においては、小口径の熱交換パイプでは、パイプ内部に機械的な掻き取り装置を装着する事が非常に困難であり構造も複雑となる。また、メンテナンス時にこれを引き抜くため、熱交換パイプと同等以上の引き抜きスペースを作業環境に確保する必要がある。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、これらの課題を解決すベく、この流体境膜の形成を極力阻止することが可能となり、熱交換効率を大幅に向上させることができ、そのため、連続の長時間運転を維持できるとともに、大きな省エネ効果が期待できる熱交換器を、簡便かつ安価に提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の熱交換器は、熱交換パイプの管壁を介して熱交換を行なう熱交換器において、熱交換パイプに内接させたスプリングと、前記スプリングを回転および／または往復運動させる動力装置とを装備したことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の別の熱交換器は、前記スプリングは、複数個の単体のスプリングが隣位する単体のスプリングの端部同士を当接させて配設されていることを特徴とし、さらに、本発明のさらに別の熱交換器は、前記スプリングは、複数個の単体のスプリングが連結手段により連結されて配設されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
このような特徴を備えた本発明は、スプリングを動力装置によって強制的に回転および／または往復（伸縮・移動）運動させることにより、熱交換パイプの内壁に形成される流体境膜を強制的に破壊し、流体境膜の形成を極力阻止することが可能であるため、熱移動は、熱交換パイプの管壁の厚さのみの温度勾配によって行われることになり、大幅な熱伝導速度の増加が期待できる。そのため、連続の長時間運転を維持できるとともに、大きな省エネ効果が期待できる。
【００１１】
さらに、熱交換パイプは、市販の安価な円筒形の直管パイプも利用でき、パイプ自体の直線性が損なわれた、多少湾曲変形したパイプでも、内接するスプリング自体が湾曲変形した状態で装着可能である。
【００１２】
スプリングは、小口径から大口径まで、巻き外径に対して、その線径(断面積)と巻きピッチ等を工夫する事により、伸縮（弾性）強度や機械的強度を容易に調節することが可能であるなど優れた利点が多く、この性質を利用して、簡便かつ安価で熱交換効率の高い熱交換器を提供することができる。
【００１３】
さらに、前記熱交換パイプ内に配設するスプリングを、複数個の単体のスプリングにより構成することで、配設時やメンテナンス時の作業環境スペースが、１本のスプリングを配設する場合に比して小さなスペースで足りる。
【００１４】
また、特に、前記熱交換パイプが曲管の場合等、その熱交換パイプの曲がり位置に合わせて前記連結手段を位置させるような構成とすることで、熱交換パイプ内への配設作業も簡便となり、動力装置から伝達される駆動力を全長に亘って伝達させ、強制的に回転および／または往復運動させ、熱交換パイプの内壁に形成される流体境膜を強制的に破壊することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の熱交換器の基本構成と流体境膜を破壊する原理を説明するための要部説明図
【図２】本発明の第１実施例であって、熱交換パイプ内のスプリングを往復運動させる動力装置をスプリングの片側に備えた熱交換器の要部説明図
【図３】本発明の第２実施例であって、熱交換パイプ内のスプリングを往復運動させる動力装置をスプリングの両側に備えた熱交換器の要部説明図
【図４】本発明の第３実施例であって、多管式熱交換器において、熱交換パイプ内のスプリングを往復運動させる動力装置をスプリングの両側に備えた熱交換器の要部説明図
【図５】本発明の第４実施例であって、熱交換パイプ内のスプリングを回転運動させる動力装置をスプリングの片側に備えた熱交換器の要部説明図
【図６】熱交換パイプ内に複数個の単体スプリングを装着させる場合の要部説明図（ａ）と、単体スプリングの配列と巻き方向との関係の説明図（ｂ）
【図７】熱交換パイプ内に複数個の単体スプリングを連結した状態で装着させる場合の要部説明図（ａ）と、単体スプリングの連結状態の説明図（ｂ）
【図８】単体スプリングの末端部の処理状態を示す平面図
【図９】連結金具の構成を説明するための説明図（ａ）、（ｂ）と、（ｂ）におけるＡ−Ａ断面図（ｃ）、並びにスプリングの末端部の係止状態を説明する透視平面図（ｄ）
【発明を実施するための形態】
【００１６】
まず、本発明の熱交換器の基本構成と、流体境膜を破壊する原理について、図１を用いて説明する。
【００１７】
本発明の熱交換器は、図１に示すように、円筒形の熱交換パイプ１と、前記熱交換パイプ１の内径より僅かに小さい外径寸法を有し、熱交換パイプ内の少なくとも一部（特に、外壁が熱媒と接触する部分近傍）において、熱交換パイプ１の内壁に摺接させた状態（内接状態）で装着されるコイル状のスプリング（以下、単に、スプリングと記す）２とを備えている。スプリング２の一方端は、動力伝達軸３と物理的に固定されている。符号４及び符号５は、動力伝達軸３の軸振れ防止と液封を行うための軸受け部材と、ベアリング、Ｏリング、オイルシール、メカニカルシール及びグランドパッキン等のシール部材で構成されたシール部品であり、その構造を限定するものではない。符号６は、動力伝達軸３を回転および／または往復運動させるための動力装置である。熱交換パイプ１の外側は、熱媒エリア８であり、保温または断熱構造体で囲われ、その内部に熱媒である気体または液体が循環若しくは通過可能に構成されている。符号９は、原料流体の給排口であり、熱交換時には一方が供給口、他方は排出口となる。符号７は、液封部品から液漏れが生じた場合の排液口である。
【００１８】
図１において、原料流体が一方の原料給排口９からポンプ等で、連続的または断続的に供給され、熱交換パイプ１の内部を移動しつつ、熱媒エリア８における熱媒との温度差によって熱交換を行いながら、他方の原料給排口９から排出される。
【００１９】
このとき、原料流体は、熱交換パイプ１の内部に装着されたスプリング２との衝突低抗により、スプリング２の巻き方向に沿った旋回流を伴いながら乱流移動するため、原料流体が攪拌混合され、温度の均一化が期待できる。しかし、このまま運転を継続すると、熱交換パイプ１の内壁付近には、殆ど移動しない流体境膜が形成され、時間の経過とともにこの流体境膜は、その厚みを増大し、ついにはこれが熱交換ハイプ１の内壁に固着し、熱交換効率を著しく低下させる最大要因となる。つまり、通常、熱伝導は、熱交換パイプ１の固体壁を伝わって内部の流体の間で熱量の授受を行う筈であるが、固体壁と移動流体の境界面に形成される薄い層流の流体境膜の厚さにより生じる温度勾配が、熱伝導速度を大きく阻害することとなる。すなわち、熱移動は、熱交換パイプ１の管壁の厚さと、流体境膜の厚さの総和の距離を移動して、熱媒と原料流体との温度差による熱伝達が行われていることになる。
【００２０】
そこで、本発明の熱交換器においては、熱交換パイプ１の内部に装着され、熱交換パイプ１の内壁に接するスプリング２を、動力装置６とそれに接続された動力伝達軸３とによって、前記熱交換パイプの内壁に摺接させつつ強制的に回転および／または往復運動させることにより、熱交換パイプ１の内壁に形成される流体境膜をスプリング２により強制的に破壊することとする。なお、スプリング２の往復運動とは、スプリング２自体が熱交換パイプ１の管路内を往復移動（伸縮を伴う場合もある）することの他、スプリング２自体が伸縮するような軸方向の往復移動をも含む概念とする。
【００２１】
このように、流体境膜を強制的に破壊すれば、流体境膜の形成を極力阻止することが可能であるため、熱移動は、熱交換パイプ１の管壁の厚さのみの温度勾配によって行われることになり、大幅な熱伝導速度の増加が期待できる。そのため、連続の長時間運転を維持できるとともに、大きな省エネ効果が期待できる。
【００２２】
なお、熱交換器においてスプリング２を往復運動のみさせる場合、熱交換パイプ１はその断面形状が円形となる円管でなくともよい。スプリング２についても同様である。
【００２３】
次に、本発明の熱交換器の実施例を説明する。
【００２４】
［実施例１］
図２は、一般的な二重管式熱交換器であり、熱交換パイプ１の内部に装着されたスプリング２は、動力装置としての往復運動用シリンダー６に接続された動力伝達軸３と物理的に固定されており、軸受け部材としての摺動軸受け４によって軸ぶれを抑制している。また、シール部材としてのＯリング５は、液漏れを防止している。なお、符号１０は、触媒エリアを構成する熱媒通過ジャケット８に形成された熱媒の給排口であり、符号１１は、点検口である。
【００２５】
そして、往復運動用シリンダー６を連続または断続的に伸縮作動させることにより、スプリング２を熱交換パイブ１の内部で往復移動させ、原料流体を攪拌するとともに、熱交換パイプ１の内壁面に形成する流体境膜を破壊する。この際、往復作動シリンダー６の最小作動ストロークは、スプリング２の巻きピッチと線径（板厚）との和でよい。例えば、線径３ｍｍの線材をピッチ１０ｍｍでコイル巻きしたスプリングであれば、移動ストロークが、１３ｍｍ以上であれば、十分にその役割を果たすことになる。
【００２６】
［実施例２］
図３は、実施例１に示した二重管式熱交換器等において、熱交換パイプ１の長さが２〜４ｍと長い場合、及び原料流体の粘度が高い難流動体において、流体境膜の固着が強固に発生し易い場合等、実施例１に示すような片側のみの往復運動用シリンダー６だけでは、その往復運動動力がスプリング２の全長に対して十分に伝達されないことが懸念される場合、熱交換パイプ１の両側に往復運動用シリンダー６を装備することにより解決する実施例である。
【００２７】
この場合、スプリング２と動力伝達軸３は、物理的に固定する必要はない。なお、２台の往復運動用シリンダー６は、互いに同方向または反対方向に伸縮作動させ、スプリング２を長さ方向に往復移動あるいは伸縮させることによって、流体境膜を破壊する操作を行うことが可能である。
【００２８】
［実施例３］
図４は、一般的な多管式熱交換器の全ての熱交換パイプ１の内部に、それぞれスプリング２を平行させて配設し、その両端に装備した動力装置としての往復運動用シリンダー６を互いに同方向または反対方向に伸縮作動させ、往復運動用シリンダー６に接続された動力伝達軸としての動力伝達円盤３により、全てのスプリング２を同時に伸縮あるいは往復移動させることによって、流体境膜を破壊することを可能にした実施例である。この場合、各スプリング２と動力伝達円盤３を物理的に固定する必要はない。
【００２９】
［実施例４］
図５は、二重管式熱交換器において、熱交換パイプ１の内部に装着されたスプリング２を回転運動させる場合の実施例であり、スプリング２と回転軸３は物理的に強固に固定されているものとする。また、符号５は、シール部材としてのメカニカルシールである。
【００３０】
動力装置としてのギヤードモータ６は、連続または断続的に運転され、回転方向もスプリング２の巻き方向に対して、電気的に正転または反転が行えるように運転制御する。これにより、実施例１乃至実施例３のように、スプリング２を往復運動させる場合と比較すると、熱交換パイプ１の管路内を通過する原料流体を、より激しく攪拌混合することが可能となり、さらに熱交換効率を向上させる効果が期待できる。また、管路内の残留液を掻き出すことも可能である。
【００３１】
なお、本実施形態においては、さらに、前記動力装置としてのギヤードモータ６に代えて、ピストンロッドが回転しながら伸縮するエアシリンダを用い、さらに積極的に、スプリング２を回転および往復運動させる構成とすることも可能である。
【００３２】
［実施例５］
図６は、熱交換パイプ１の内部に装着するスプリングが、一体成型からなる長尺なスプリング２を装着することが困難な場合、その１本の長尺なるスプリング２を複数個（本実施例においては３つ）のスプリング２ａ〜２ｃに分割して配設する、換言すれば、１本の長尺なるスプリング２に代えて複数個の単体のスプリング２ａ〜２ｃを隣位の単体のスプリング２ａ〜２ｃと端部同士を当接させるようにして配設する場合の実施例である。この場合の熱交換器は、熱交換機は、実施例２および実施例３に示したような、両側に往復運動用シリンダー６を装備した熱交換機であってもよいし、実施例１および実施例４に示したような、駆動源の反対側においてスプリングが壁に当接するような構成の熱交換機であってもよい。
【００３３】
各単体のスプリング２ａ〜２ｃの末端部は、お互いが絡み合わないように工夫する必要がある。単体のスプリング２ａ〜２ｃを複数個装着する場合、右巻き、左巻き、右巻きのように順次反対巻きのスプリング２ａ〜２ｃを交互に装着することにより、連続した一体成型のスプリング２よりも乱流攪拌効果を増大させることが可能となる。
【００３４】
［実施例６］
図７は、実施例１及び実施例４のように、片側にのみ動力装置６を装備した熱交換器において、複数個（本実施形態においては４つ）の単体スプリング２ａ〜２ｄを装着した場合の実施例である。
【００３５】
各単体のスプリング２ａ〜２ｄの末端部を、図８に示すように、中心線方向にＬ曲げした構造とするとともに、各スプリング２ａ〜２ｄを、連結手段１２としての二分割式の連絡金具１２ａ〜１２ｃによって順次連結し、要望する長さとすることが可能となる。
【００３６】
連結金具１２ａ〜１２ｃは、図９に示すように、対向配置される一対の金具本体１３ａ、１３ｂを有し、金具本体１３ａ、１３ｂの対向面にはそれぞれ、スプリング２の末端部を収納する半割円状とされ、金具本体１３ａ、１３ｂの幅方向に延びる２本の溝部１４が対向して形成されている。溝部１４の内周面には、図９（ｃ）に示すように、金具本体１３ａ、１３ｂの幅方向端部側から中央部へ向かって漸次盛り上がる凸部１５が形成されている。さらに、一方の金具本体１３ａには両金具本体１３ａ、１３ｂをねじ止めするためのねじ挿通孔１６が形成されており、他方の金具本体１３ｂにはねじ挿通孔１６と対向する位置に雌ねじ１７が形成されている。よって、一対の金具本体１３ａ、１３ｂの２本の溝部１４にそれぞれ、連結させる２本のスプリング２の末端部のL曲げ部分を位置させた状態でねじ１８を締め込むことにより、溝部１４内の凸部１５をL曲げ部分に強く押し当てつつ、２本のスプリング２を連結させることができる。
【００３７】
連結金具１２ａ〜１２ｃを用いて複数の単体スプリング２ａ〜２ｄを連結させたスプリング２は、円筒形の熱交換パイプ１が緩やかに湾曲変形していても、確実に末端部まで往復運動および／または回転運動動力を伝達することが可能である。特に、熱交換パイプ１が曲管であっても、その熱交換パイプ１の曲がり位置に合わせて連結手段を位置させるような構成とすることで、熱交換パイプ１内への配設作業も簡便となる。なお、連結手段１２および、図７に示す動力伝達軸３の構造ならびに単体スプリング２ａ〜２ｄの末端部処理の方法等は、本実施例に限定しない。
【００３８】
さらに、前述の実施例のうち、スプリングの片側にのみ動力装置を設けた熱交換器の実施例を示す図１，図２、図５および図７においては、動力装置は、熱交換パイプ１の管路内を通過する原料流体の流れ方向における上流側に設けられているが、動力装置は下流側に設けてもよいことは言うまでもない。
【符号の説明】
【００３９】
１  熱交換パイプ
２  スプリング
２ａ〜２ｄ  単体スプリング
３  動力伝達軸
４  軸受け部材
５  シール部材
６  動力装置
７  排液口
８  熱媒エリア
９  原料給排口
１０  給排口
１１  点検口
１２  連結手段
１２ａ〜１２ｃ  連結金具
１３  金具本体
１４  溝部
１５  凸部
１６  ねじ挿通孔
１７  雌ねじ
１８  ねじ
【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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【図９】
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