(57)【要約】【課題】流路内に支持構造物を設ける場合において、流路の減肉を十分に抑制できる支持構造物を提供すること。【解決手段】本発明の支持構造物１は、一対の面の間を流体が上流から下流に一方向に流れる流体流通構造において、一方の面に、当該面から他方の面に向かうように設けられた板状の支持構造物１であって、前記支持構造物１を、前記流体の流れ方向と平行かつ前記支持構造物１の延びる方向と直角な面で断面した場合に、前記支持構造物１の断面形状が、上流に向かって先細り状となっていることを特徴とする。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の面の間を流体が上流から下流に一方向に流れる流体流通構造において、一方の面に、当該面から他方の面に向かうように設けられた板状の支持構造物であって、
前記支持構造物を、前記流体の流れ方向と平行かつ前記支持構造物の延びる方向と直角な面で断面した場合に、前記支持構造物の断面形状が、上流に向かって先細り状となっている
ことを特徴とする支持構造物。
【請求項２】
請求項１に記載の支持構造物において、
前記支持構造物の上流側の断面形状が、三角形状である
ことを特徴とする支持構造物。
【請求項３】
請求項２に記載の支持構造物において、
前記支持構造物の上流側の断面形状が、前記支持構造物の上流側の先端を頂点とする二等辺三角形状である
ことを特徴とする支持構造物。
【請求項４】
請求項３に記載の支持構造物において、
前記二等辺三角形状における頂角の角度は、１２０°以下である
ことを特徴とする支持構造物。
【請求項５】
請求項２に記載の支持構造物において、
前記支持構造物の上流側の断面形状が、前記支持構造物の上流側を斜辺とする直角三角形状である
ことを特徴とする支持構造物。
【請求項６】
請求項５に記載の支持構造物において、
前記直角三角形状における斜辺と上流側の隣辺とでなす角度が、６０°以下である
ことを特徴とする支持構造物。
【請求項７】
請求項１に記載の支持構造物において、
前記支持構造物の上流側の断面形状が、略半円形状である
ことを特徴とする支持構造物。
【請求項８】
請求項７に記載の支持構造物において、
前記略半円形状における、弦の長さ寸法をＹ、前記弦から弧の最突出部までの長さ寸法をＸとした場合に、下記条件を満たす
Ｘ／Ｙ≧０．５
ことを特徴とする支持構造物。
【請求項９】
請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の支持構造物において、
前記流体流通構造は、外管と、前記外管に内包される内管とを備える二重管式の配管であり、
前記一対の面は、互いに対向する前記内管の外壁であり、
前記支持構造物は、前記内管の外壁同士の間隔を固定するためのものである
ことを特徴とする支持構造物。
【請求項１０】
請求項９に記載の支持構造物において、
前記二重管式の配管は、熱交換器用の配管である
ことを特徴とする支持構造物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、支持構造物に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱交換器などの装置では、内管と、内管を覆う外管とを備える二重管式の構造が採用されている。このような二重管式の熱交換器では、内管中を流通する流体と、外管内壁と内管外壁との間や内管外壁同士の間を流通する流体との間で熱交換がされる構成が採用されている。また、外管内に複数の内管を備えるような二重管式熱交換器では、隣接する内管同士の間にフィンなどの支持構造物を設けることが提案されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２４１０８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、引用文献１に記載のような二重管式熱交換器では、隣接する内管外壁同士の間に設けられた支持構造物に流体が反射されることにより、支持構造物の流体の流れの上流側端部の近傍において、流体の流路を構成する内管外壁に減肉が生じるという問題がある。
【０００５】
そこで、本発明は、流路内に支持構造物を設ける場合において、流路の減肉を十分に抑制できる支持構造物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】
【０００６】
前記課題を解決すべく、本発明は、以下のような支持構造物を提供するものである。
すなわち、本発明の支持構造物は、一対の面の間を流体が上流から下流に一方向に流れる流体流通構造において、一方の面に、当該面から他方の面に向かうように設けられた板状の支持構造物であって、前記支持構造物を、前記流体の流れ方向と平行かつ前記支持構造物の延びる方向と直角な面で断面した場合に、前記支持構造物の断面形状が、上流に向かって先細り状となっていることを特徴とするものである。
なお、本発明において、流体とは、液体、気体、液体・気体中に固体が分散した状態のものをいう。
【０００７】
本発明においては、支持構造物の断面形状が、上流に向かって先細り状となっているため、流体の流れ方向と直角な面の面積は、比較的に小さくなる。そして、かかる面の面積が比較的に小さいために流体の流れは滑らかになり、支持構造物に反射した流体が流路である一対の面の方向に向かうのを抑制できる。そのため、流路内に支持構造物を設ける場合において、流路の減肉を十分に抑制できる。
【０００８】
本発明の支持構造物においては、前記支持構造物の上流側の断面形状が、三角形状であってもよい。
このような場合、前記支持構造物の上流側の断面形状が、前記支持構造物の上流側の先端を頂点とする二等辺三角形状であってもよい。このときに、前記二等辺三角形状における頂角の角度は、１２０°以下であることが好ましい。
また、このような場合、前記支持構造物の上流側の断面形状が、前記支持構造物の上流側を斜辺とする直角三角形状であってもよい。このときに、前記直角三角形状における斜辺と上流側の隣辺とでなす角度が、６０°以下であることが好ましい。
このような構成とすれば、支持構造物に反射した流体が流路である一対の面の方向に向かうのをより確実に抑制できる。そして、流路内に支持構造物を設ける場合において、流路の減肉を十分に抑制できる。
【０００９】
本発明の支持構造物においては、前記支持構造物の上流側の断面形状が、略半円形状であってもよい。
このような場合、前記略半円形状における、弦の長さ寸法をＹ、前記弦から弧の最突出部までの長さ寸法をＸとした場合に、下記条件を満たすことが好ましい。
Ｘ／Ｙ≧０．５
このような構成とすれば、支持構造物に反射した流体が流路である一対の面の方向に向かうのをより確実に抑制できる。そして、流路内に支持構造物を設ける場合において、流路の減肉を十分に抑制できる。
【００１０】
本発明の支持構造物においては、前記流体流通構造は、外管と、前記外管に内包される内管とを備える二重管式の配管であり、前記一対の面は、互いに対向する前記内管の外壁であり、前記支持構造物は、前記内管の外壁同士の間隔を固定するためのものであることが好ましい。
このような場合、前記二重管式の配管は、熱交換器用の配管であることが好ましい。
本発明の支持構造物を、熱交換器用の二重管式の配管に用いれば、内管の外壁の減肉を十分に抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第一実施形態における支持構造物を備える熱交換器を示す概略図である。
【図２】前記第一実施形態における支持構造物を備える熱交換器の一部を示す拡大概略図である。
【図３】前記第一実施形態における支持構造物を備える熱交換器の一部を示す拡大斜視図である。
【図４】前記第一実施形態における支持構造物を示す概略図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ断面図である。
【図６】本発明の第二実施形態における支持構造物を示す概略図である。
【図７】本発明の第三実施形態における支持構造物を示す概略図である。
【図８】汎用熱流体解析ソフトウェアを用いた解析における計算領域を示す説明図である。
【図９】比較対象１（従来例）の支持構造物を示す概略図である。
【図１０】比較対象２の支持構造物を示す概略図である。
【図１１】前記第一実施形態の支持構造物について、汎用熱流体解析ソフトウェアにてエロージョンの具合を解析した結果を示す説明図である。
【図１２】前記第二実施形態の支持構造物について、汎用熱流体解析ソフトウェアにてエロージョンの具合を解析した結果を示す説明図である。
【図１３】前記第三実施形態の支持構造物について、汎用熱流体解析ソフトウェアにてエロージョンの具合を解析した結果を示す説明図である。
【図１４】比較対象１における支持構造物について、汎用熱流体解析ソフトウェアにてエロージョンの具合を解析した結果を示す説明図である。
【図１５】比較対象２における支持構造物について、汎用熱流体解析ソフトウェアにてエロージョンの具合を解析した結果を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
また、実施形態では、熱交換器用の二重管式の配管に支持構造物を設けた場合を例に挙げて説明する。
［第一実施形態］
本発明の一態様（第一実施形態）における支持構造物１を備える熱交換器１００は、図１に示すように、複数の内管２と、これを内包する外管３と、を備えている。
内管２は、断面形状が円形状の管である。
外管３は、断面形状が六角形状の管である。そして、図１に示すように、外管３には、複数の内管２が内包されている。これらの内管２は、六角形の一辺あたり８本の内管２が配置されている。
また、図１および図２に示すように、内管２の外壁２１には、板状の支持構造物１が設けられている。支持構造物１により、内管２の外壁２１同士が接触することを防ぐことができ、また、内管２の外壁２１同士の間の距離を一定に保つことができる。
【００１３】
図３は、本実施形態における熱交換器１００の一部を示す拡大斜視図である。
熱交換器１００においては、内管２の内部と、外管３の内部であって内管２の外壁２１同士の間とで、異なる流体が流通している。そして、これらの流体間で、熱の交換が行われる。なお、これらの流体は、特に限定されず、適宜公知のものを使用できる。
また、熱交換器１００においては、図３における下方（上流）から上方（下流）に流体が流通する。また、図３に示すように、内管２の外壁２１には、この外壁２１から他の内管２の外壁２１に向かうように設けられた支持構造物１が、内管２あたり３本ずつ設けられている。
【００１４】
本実施形態においては、図４に示すように、支持構造物１を、流体の流れ方向と平行かつ支持構造物１の延びる方向と直角な面で断面した場合に、支持構造物１の断面形状が、上流に向かって先細り状となっていることが必要である。このようにすれば、支持構造物１に反射した流体が内管２の外壁２１の方向に向かうのを抑制できる。なお、図４中の矢印は、流体の流れを示す。
具体的には、支持構造物１の上流側の断面形状は、図５に示すように、支持構造物１の上流側の先端を頂点とする二等辺三角形状である。このときに、前記二等辺三角形状における頂角の角度θ１は、１２０°以下であることが好ましく、２０°以上１２０°以下であることがより好ましく、４０°以上９０°以下であることが特に好ましい。前記角度が前記範囲内であれば、支持構造物１に反射した流体が内管２の外壁２１の方向に向かうのをより確実に抑制できる。
【００１５】
以上のような熱交換器１００では、次のようにして、異なる流体の間で熱交換をする。ここでは、異なる２つの流体が、原料油ガスおよび生成油ガスである場合について説明する。
図３における下方（上流）から上方（下流）に、外管３の内部であって内管２の外壁２１同士の間を生成油ガスが流通する。一方で、内管２の内部には、原料油ガスが流通している。そして、内管２の外壁２１を介して熱交換を行うことで、原料油ガスおよび生成油ガスの間で熱交換をする。
このような場合、内管２の外壁２１に設けられた支持構造物１に反射した生成油ガスが外壁２１に衝突することで、外壁２１に摩耗（エロージョン）が生じ、外壁２１に減肉が生じるという問題がある。しかしながら、本実施形態では、支持構造物１の上流側の断面形状が、支持構造物１の上流側の先端を頂点とする二等辺三角形状となっているため、生成油ガスの流れ方向と直角な面の面積は、非常に小さくなる。そして、かかる面の面積が小さいために生成油ガスの流れは滑らかになり、支持構造物に反射した生成油ガスが流路を構成する内管２の外壁２１の方向に向かうのを抑制できる。
【００１６】
前記したような実施形態によれば、外管３の内部であって内管２の外壁２１同士の間に、流体を流した場合において、流路を構成する内管２の外壁２１の減肉を十分に抑制できるという効果を奏する。
【００１７】
［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について図６を用いて説明する。
図６は、本発明の第二実施形態における支持構造物１Ａを示す斜視断面図である。第二実施形態における支持構造物１Ａを備える熱交換器の構成は、支持構造物１Ａの形状が異なる以外は第一実施形態における熱交換器１００と同様の構成であるので、支持構造物１Ａについて説明する。
支持構造物１Ａの上流側の断面形状は、図６に示すように、支持構造物１の上流側を斜辺とする直角三角形状である。このときに、直角三角形状における斜辺と上流側の隣辺とでなす角度θ２は、６０°以下であることが好ましく、１０°以上６０°以下であることがより好ましく、２０°以上４５°以下であることが特に好ましい。前記角度が前記範囲内であれば、支持構造物に反射した流体が流路である一対の面の方向に向かうのをより確実に抑制できる。
第二実施形態における支持構造物１Ａにおいても、前述の第一実施形態の効果と同様の効果を奏する。
【００１８】
［第三実施形態］
次に、本発明の第三実施形態について図７を用いて説明する。
図７は、本発明の第二実施形態における支持構造物１Ｂを示す斜視断面図である。第三実施形態における支持構造物１Ｂを備える熱交換器の構成は、支持構造物１Ｂの形状が異なる以外は第一実施形態における熱交換器１００と同様の構成であるので、支持構造物１Ｂについて説明する。
支持構造物１Ｂの上流側の断面形状は、図７に示すように、略半円形状である。このような場合、前記略半円形状における、弦の長さ寸法をＹ、前記弦から弧の最突出部までの長さ寸法をＸとした場合に、下記条件を満たすことが好ましい。
Ｘ／Ｙ≧０．５
また、Ｘ／Ｙの値は、０．６以上１以下であることがより好ましく、０．７以上１以下であることが特に好ましい。前記Ｘ／Ｙの値が前記範囲内であれば、支持構造物に反射した流体が流路である一対の面の方向に向かうのをより確実に抑制できる。
第三実施形態における支持構造物１Ｂにおいても、前述の第一実施形態の効果と同様の効果を奏する。
【００１９】
［実施形態の作用効果の確認］
前記実施形態においては、流路を構成する内管２の外壁２１の減肉を十分に抑制できることを確認するために、以下に示すような解析を行った。
汎用熱流体解析ソフトウェア（ＡＮＳＹＳ社製のＦＬＵＥＮＴ（フルエント））を用いて、内管外壁に支持構造物を有する熱交換器に流体を流通した場合について、Ｒｅａｌｉｚａｂｌｅ  ｋ−εモデル（Ｒｋε）での流動解析および粒子追跡解析を行い、エロージョンの具合を求めた。
具体的には、以下の条件を設定し、それぞれ解析した。
【００２０】
（共通条件）
計算領域：図８に示す二点鎖線に囲われた領域
流通ガス流量：４８２２９ｍ３／ｈｒ
流通ガス密度：０．７４７ｋｇ／ｍ３
流通ガス粘度：０．０２２ｍＰａ・ｓ
流通粒子形状：球形
流通粒子直径：２００μｍ
流通粒子密度：２０００ｋｇ／ｍ３
【００２１】
（解析１）
支持構造物の形態を、図４に示す、第一実施形態における支持構造物１とした場合について、エロージョンの具合を解析した。得られた結果を図１１に示す。
図１１に示す結果からも明らかなように、第一実施形態における支持構造物１を採用した場合には、内管２の外壁２１のエロージョンを抑制できることが確認された。
（解析２）
支持構造物の形態を、図６に示す、第二実施形態における支持構造物１Ａとした場合について、エロージョンの具合を解析した。得られた結果を図１２に示す。
図１２に示す結果からも明らかなように、第二実施形態における支持構造物１Ａを採用した場合には、内管２の外壁２１のエロージョンを抑制できることが確認された。
（解析３）
支持構造物の形態を、図７に示す、第三実施形態における支持構造物１Ｂとした場合について、エロージョンの具合を解析した。得られた結果を図１３に示す。
図１３に示す結果からも明らかなように、第三実施形態における支持構造物１Ｂを採用した場合には、内管２の外壁２１のエロージョンを抑制できることが確認された。
（解析４）
支持構造物の形態を、図９に示す、比較対象１（従来例）における支持構造物１Ｃとした場合について、エロージョンの具合を解析した。得られた結果を図１４に示す。
図１４に示す結果からも明らかなように、比較対象１における支持構造物１Ｃを採用した場合には、内管２の外壁２１にエロージョンが発生することが確認された。
（解析５）
支持構造物の形態を、図１０に示す、比較対象２における支持構造物１Ｄとした場合について、エロージョンの具合を解析した。得られた結果を図１５に示す。
図１５に示す結果からも明らかなように、比較対象２における支持構造物１Ｄを採用した場合には、内管２の外壁２１にエロージョンが発生することが確認された。
【００２２】
図１１〜図１５に示す結果からも明らかなように、支持構造物１を、流体の流れ方向と平行かつ支持構造物１の延びる方向と直角な面で断面した場合に、支持構造物１の断面形状が、上流に向かって先細り状となっている場合（第一実施形態〜第三実施形態）には、流路を構成する内管２の外壁２１のエロージョンを抑制でき、内管２の外壁２１の減肉を十分に抑制できることが確認された。
【００２３】
［実施形態の変形］
なお、以上説明した態様は、本発明の一態様を示したものであって、本発明は、前記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の構成を備え、目的および効果を達成できる範囲内での変形や改良が、本発明の内容に含まれるものであることはいうまでもない。また、本発明を実施する際における具体的な構造および形状などは、本発明の目的および効果を達成できる範囲内において、他の構造や形状などとしても問題はない。本発明は前記した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形や改良は、本発明に含まれるものである。
【００２４】
例えば、本実施形態では、熱交換器用の二重管式の配管に支持構造物１を設けているが、これに限定されない。例えば、流体の流路内に支持構造物１を設ける場合において、流路の減肉が問題となる構造物に、本発明の支持構造物１を適宜採用することができる。
また、本実施形態では、内管２の断面形状は円形状であり、外管３の断面形状が六角形状であったが、これに限定されない。例えば、内管２の断面形状は、四角形状であってもよく、六角形状であってもよい。また、外管３の断面形状は、四角形状であってもよく、円形状であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明の支持構造物は、熱交換器用の二重管式の配管などに好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００２６】
１，１Ａ，１Ｂ…支持構造物
２…内管
３…外管
２１…外壁
１００…熱交換器
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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