(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）対向する末端を有し、所定のチューブ間隔に従って間隔を置いて配置される複数のチューブであって、該末端は、各々チューブシートと接触するチューブ；および
（ｂ）複数のワイヤー製支持コイルからなり、該支持コイルは、らせん状に巻かれた素材からなるチューブ支持構造体
を含む熱交換器であって、
該チューブ（ａ）は、各々その長さの少なくとも一部が該支持コイルの内側円周内に包含され、
前記各支持コイルを構成する前記ワイヤーの直径は、実質的に、前記チューブ間の前記所定のチューブ間隔に等しく、
前記各コイルは、時計回りまたは反時計回りに巻かれ、隣接する前記チューブを包含する前記コイル同士は、異なる方向に巻かれ、相互に接触して隣接する前記コイルは、溶接される
ことを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記各コイルは、時計回りまたは反時計回りに巻かれ、該各コイルは、該各コイルと異なる方向に巻かれた他のコイルとのみ重なり合っ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】
前記各コイルは、縦の長さが実質的に前記各チューブと同じであることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記各コイルは、前記各チューブの一部に沿って伸びる複数個の部分コイルからなり、該部分コイルは、該部分コイル間に間隙を置いて、該チューブの長さに沿って断続的に配置されることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記らせん状に巻かれた支持体コイルは、該支持体コイルの内側円周内に包含される前記チューブの第一の組、および該コイルの外側円周で構成される表面により支持される該チューブの第二の組を支持することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記各コイルは、縦の長さが実質的に前記各チューブと同じであることを特徴とする請求項５に記載の熱交換器。
【請求項７】
前記各コイルは、前記各チューブの一部に沿って伸びる複数個の部分コイルからなり、該部分コイルは、該部分コイル間に間隙を置いて、該チューブの長さに沿って断続的に配置されることを特徴とする請求項５に記載の熱交換器。
【請求項８】
前記各チューブに沿った前記各部分コイルの巻き方は、該各チューブに隣接して配置される各チューブの縦の長さに沿って配置された該部分コイルの巻き方と反対であることを特徴とする請求項７に記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は全般に、熱交換器に関する。より詳しくは、熱交換装置におけるチューブの支持構造体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱交換器は何十年も前に開発され、熱移動を必要とする多くの用途において極めて有用であり続けている。その基本的な設計に関して多くの改良が為されたにも拘らず、依然として、熱交換器を商業規模のプロセスに含めることに付随するトレードオフおよび設計上の問題が存在する。
【０００３】
熱交換器を用いることに伴う問題の一つは、ファウリング性向である。ファウリングとは、プロセス流体の流れおよび熱移動の結果として、熱交換器の表面に種々の析出物および被膜が生成されることをいう。種々のタイプのファウリングがあり、これには腐食、無機物の析出、重合、結晶化、コーキング、沈殿および生物学的要因によるものが含まれる。腐食については、プロセス流体と、熱交換器の構成に用いられる素材の相互作用の結果として、熱交換器の表面が腐食されることがある。種々のファウリングタイプが相互に影響しあって、更により多くのファウリングがもたらされることがあるという事実により、事態は更により悪化される。ファウリングにより、熱移動に対する一層の抵抗がもたらされることが有り得るし、また実際もたらされ、これにより、熱移動の性能が低下される。ファウリングはまた、交換器内の流体の流れに関し、圧力低下を増大する原因となる。
【０００４】
今日用いられる多くの熱交換器にはバッフルが包含されている。バッフルは流路内に装入され、チューブ外側の流体の流れが確実にチューブを横切るようにしている。しかし、バッフルは交換器のシェル側にデッドゾーンを生じるので、残念ながら、ファウリング問題を増大するのに資する。
【０００５】
商業規模の装置で通常用いられる熱交換器のタイプの一つは、一方の流体がチューブの内側を流れ、他の流体がシェル内の、チューブ外側の部分に押し込まれるシェル−チューブ型熱交換器である。典型的には、バッフルが、チューブを支持し、流体が曲がりくねったチューブ束を横切って押し込まれるように配置されている。
【０００６】
ファウリングは、より高い流速を用いることにより低減することができる。実際、ある研究においては、流速を二倍にすることにより、５０％を超えるファウリング低減が達成されることが示された。より高い流速を用いることにより、ファウリング問題が実質的に減少し、または消滅することさえもありうるが、一般には、バッフルによって系内に生じる過大な圧力低下のため、残念ながら通常のシェル−チューブ型熱交換器のシェル側では、より高い流速は達成されない。
【０００７】
熱交換器を用いることに関連してしばしば生じる他の問題は、チューブの振動による損傷である。流体の流れがチューブに直交するクロスフローの装置では、チューブの振動は最も激しく、また最も起こり易い。ただし、非クロスフロー（即ち、流体の流れが軸方向）の装置でも、非常に高い流速の場合には、チューブの振動による損傷が生じる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
既存のシェル−チューブ型熱交換器は、必要な熱移動を維持するために、典型的にはバッフルを用いなければならないという事実を黙認している。しかし、これは熱交換器内に「デッドゾーン」をもたらし、そこでは流れが最少、または存在しないことすらある。一般に、これらのデッドゾーンは過大なファウリングをもたらす。他のタイプの熱交換器では、バッフルを用いても、用いなくてもよい。用いる場合には、ファウリングが増大するという同じ問題が存在する。更に、バッフルが取付けられた熱交換器においては、例えばクロスフローの装置は、流れによって起こる振動の結果としてのチューブ損傷の可能性というさらなる問題をもたらす。これらの損傷に際しては、プロセスをしばしば中断または停止して、費用がかかり、時間もかかる装置の修理を行わねばならない。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、熱交換器には、典型的なシェル−チューブ型熱交換器にあるバッフルに代えて用いられるチューブ支持体系が含まれる。本発明のシェル−チューブ型熱交換器では、らせん状に巻かれたワイヤーを用いてチューブ支持構造体が形成され、熱交換器のシェル内に収納されている。ワイヤーのコイルは、熱交換器のチューブ間の間隔に実質的に等しい直径、または、他の実施形態においては、チューブ間の間隔の１／２に等しい直径を有することができる。
【００１０】
即ち、本発明の第１の発明は、（ａ）対向する末端を有し、所定のチューブ間隔に従って間隔を置いて配置される複数のチューブであって、該末端は、各々チューブシートと接触するチューブ；および
（ｂ）複数のワイヤー製支持コイルからなり、該支持コイルは、らせん状に巻かれた素材からなるチューブ支持構造体
を含む熱交換器であって、
該チューブ（ａ）は、各々その長さの少なくとも一部が該支持コイルの内側円周内に包含されることを特徴とする熱交換器である。
【００１１】
本発明の第２の発明は、前記各支持コイルを構成する前記ワイヤーの直径は、前記チューブ間隔の１／２〜前記チューブ間隔の範囲にあり、該支持コイルは、一部が相互に重なることを特徴とする第１の発明に記載の熱交換器である。
【００１２】
本発明の第３の発明は、前記各支持コイルを構成する前記ワイヤーの直径は、実質的に、前記チューブ間の前記所定のチューブ間隔に等しいことを特徴とする第１の発明に記載の熱交換器である。
【００１３】
本発明の第４の発明は、前記各支持コイルを構成する前記ワイヤーの直径は、実質的に前記チューブ間隔の１／２に等しく、該支持コイルは、相互に点接触することを特徴とする第１の発明に記載の熱交換器である。
【００１４】
本発明の第５の発明は、前記各コイルは、時計回りまたは反時計回りに巻かれ、該各コイルは、該各コイルと異なる方向に巻かれた他のコイルとのみ点接触することを特徴とする第４の発明に記載の熱交換器である。
【００１５】
本発明の第６の発明は、前記各コイルは、時計回りまたは反時計回りに巻かれ、該各コイルは、該各コイルと異なる方向に巻かれた他のコイルとのみ重なり合っていることを特徴とする第１〜３の発明のいずれかに記載の熱交換器である。
【００１６】
本発明の第７の発明は、前記各コイルは、縦の長さが実質的に前記各チューブと同じであることを特徴とする第１の発明に記載の熱交換器である。
【００１７】
本発明の第８の発明は、前記各コイルは、前記各チューブの一部に沿って伸びる複数個の部分コイルからなり、該部分コイルは、該部分コイル間に間隙を置いて、該チューブの長さに沿って断続的に配置されることを特徴とする第１の発明に記載の熱交換器である。
【００１８】
本発明の第９の発明は、前記各コイルは、円形、楕円形、長方形または正方形の断面を有するワイヤーから構成されることを特徴とする第１の発明に記載の熱交換器である。
【００１９】
本発明の第１０の発明は、前記らせん状に巻かれた支持体コイルは、該支持体コイルの内側円周内に包含される前記チューブの第一の組、および該コイルの外側円周で構成される表面により支持される該チューブの第二の組を支持し、該各支持体コイルを構成する前記ワイヤーの直径は、実質的に、前記チューブ間の前記所定のチューブ間隔に等しいことを特徴とする第１の発明に記載の熱交換器である。
【００２０】
本発明の第１１の発明は、前記チューブは、相互に三角形ピッチの位置付けで配置されることを特徴とする第１０の発明に記載の熱交換器である。
【００２１】
本発明の第１２の発明は、前記各支持コイルを構成する前記ワイヤーの直径は、実質的に前記チューブ間隔の１／２〜１の範囲にあり、該支持コイルは、一部が相互に重なっていることを特徴とする第１０の発明に記載の熱交換器である。
【００２２】
本発明の第１３の発明は、前記各支持コイルの直径は、実質的に前記チューブ間隔の１／２に等しく、該支持コイルは、相互に点接触することを特徴とする第１０の発明に記載の熱交換器である。
【００２３】
本発明の第１４の発明は、前記各コイルは、時計回りまたは反時計回りに巻かれ、該各コイルは、該各コイルと異なる方向で巻かれた他のコイルとのみ重なり合っていることを特徴とする第１０の発明に記載の熱交換器である。
【００２４】
本発明の第１５の発明は、前記各コイルは、縦の長さが実質的に前記各チューブと同じであることを特徴とする第１０の発明に記載の熱交換器である。
【００２５】
本発明の第１６の発明は、前記各コイルは、前記各チューブの一部に沿って伸びる複数個の部分コイルからなり、該部分コイルは、該部分コイル間に間隙を置いて、該チューブの長さに沿って断続的に配置されることを特徴とする第１０の発明に記載の熱交換器である。
【００２６】
本発明の第１７の発明は、前記各チューブに沿った前記各部分コイルの巻き方は、該各チューブに隣接して配置される各チューブの縦の長さに沿って配置された該部分コイルの巻き方と反対であることを特徴とする第１６の発明に記載の熱交換器である。
【００２７】
好ましい実施形態においては、支持構造体のコイルは、支持構造体内において時計回りの回転と反時計回りの回転を交互に有する。支持構造体を構成するコイルは、相互に重なっていてもよく、また他の実施形態においては、コイルは、他と点接触していてもよい。
【００２８】
デッドゾーンおよびそれに関連するファウリングの問題を排除するために、高速の軸方向の流れを用いる。流れによって起こる、チューブの損傷をもたらすチューブ振動、熱膨張の問題および急速なファウリングを促進するデッドゾーンの顕著な低減をはじめとする、その他の利点が達成される。デッドゾーン（ファウリングをもたらし、また既知タイプの熱交換器に特徴的である）を排除するために、シェル側に軸方向の流れを提供してもよい。
【００２９】
本熱交換器の設計により、交換器のシェル側における高い流速での運転が可能となり、ファウリングが実質的に減少される。速度を制限するものは、本質的には侵食限界およびポンプサイズのみである。また、本発明の本チューブ支持体系を用いると、流れの幾何学的形態が簡単であり、バイパスまたは漏れストリームを全く有さないので、熱交換器の性能予測がより容易に為される。結果として、熱交換器を設計するのに用いる計算がより簡単になる。加えて、必要な熱移動特性を得るためのバッフルは必要でない。
【００３０】
【発明の実施の形態】
図１においては、チューブ束の構成をより明確に示すため、熱交換器の好ましい形状のシェル部分を切り開いてある。図１は、ワンパス形式の実施形態のシェル−チューブ型熱交換器を示しているが、本発明は、他の多くの形式のシェル−チューブ型熱交換器（例えば、複数チューブパス、Ｕ型チューブ、取り外し可能なチューブ束を有する設計のものおよびマルチチューブ二重管型として知られる交換器）に等しく適用可能である。図１の熱交換器１００は、シェル１５０およびチューブ束１６０をシェル内に有する。
【００３１】
チューブ束１６０には、チューブ束１６０の各末端にそれぞれ配置される、一対のチューブシート１８０および１９０が含まれる。チューブ束１６０に含まれるチューブは、公知の手段（溶接および／またはチューブをチューブシート１８０および１９０中に伸ばす、など）により、チューブシート１８０および１９０内に含まれる開口部に固定される。チューブ側入口１４０および対応するチューブ側出口１３０は、第一の流体をチューブ束１６０のチューブ中に導入し、また第一の流体を熱交換器１００から排出する手段を、それぞれ提供する。シェル側入口１１０およびシェル側出口１２０は、第二の流体が熱交換器１００のシェル側に入る手段および出る手段をそれぞれ提供する（従って、第二の流体はチューブ束１６０のチューブの外側を通る）。
【００３２】
本発明のコイル１７０を図１に示す。これらのコイル１７０は、その内側周縁部の内側にチューブを含み、また支持構造体を提供して、チューブがコイル１７０の外側周縁部の間に挿入されるようにする。コイル１７０は、チューブシート１８０からチューブシート１９０までの全長にわたって伸びるものであってもよく、一つ以上のコイル構造が、チューブに沿って断続的に間隔を置いたものであってもよい。例えば、コイル構造は、チューブシート１８０から約３０ｃｍ（１２インチ）の位置から始まり、次いで約２０ｃｍ（８インチ）伸び、これに約６０ｃｍ（２４インチ）の空隙が続き、更にコイル構造の他の長さが続く、などのようにすることができる。しかし、コイル構造は空隙なしにチューブの全長にわたって伸びていてもよい。好ましくは、本発明の支持体構造を、連結棒に溶接するか、或いは、別にまたはそれに加えて、チューブ束１６０の外側周縁部で数個のチューブに固定して、支持構造体が動かないようにする。
【００３３】
シェル側の流体について、流れの形態を軸方向の流れとすることが好ましい。加えて、二つの異なる流体間について、向流配置を用いることが好ましいが、非向流（即ち並流）、または並流と向流の組合せもまた用いることができる。
【００３４】
図２は、チューブをチューブ束１６０内に支持するのに用いられる支持構造体を示す。図２に示される第一の実施形態においては、チューブ束１６０を構成するチューブ間の空間と実質的に等しい直径を有する、巻かれたワイヤーが用いられている。ワイヤーの素材は、好ましくは耐食性物質、例えばステンレス鋼、チタンまたは同様の金属特性を有する他の物質からなる。用語「ワイヤー」には、円形、四角形、楕円形、長方形または他の適切な幾何学的形状などの種々のワイヤー断面を有するものが包含され、その結果ワイヤーは、ワイヤー状、ロッド状、細片状、バー状のいずれであってもよく、そのいずれも巻かれた支持構造体を構成するのに用いることができる。図２は、コイル１７０に対して楕円形断面を用いた例である。図２の完成品においては、ワイヤーの素材はチューブ２３０の周りに巻きつけられて、相互に重なるコイルが形成され、更にチューブは、相互に水平および垂直に整列して並べられ、従ってチューブに対し公知のインライン配置が構成されている。他のチューブ位置付け配置もまた可能である。
【００３５】
コイル構造は、好ましくは次のように構成される。コイル１７０は、特定の直径、チューブピッチおよびコイルピッチの要件に従って予め作製される。コイルピッチとは、チューブの周りを完全に３６０°回転することに伴う、チューブ長に沿った軸方向の距離を表す。好ましい実施形態においては、コイルは、チューブ長の周りを少なくとも二回完全に回転する。これらの予め作製されたコイルは、一般にコイル製造業者から入手可能である。コイル１７０は各々ジグ内に配置され、隣接するコイルは、好ましくは溶接により一体化される。例えば、アーク溶接を用いることができる。作製プロセスにおいては、コイルの外側直径はチューブピッチ＋チューブ間隔を超えてはならない。加えて、コイル１７０の内側直径はチューブ１７０を挿入できる十分なクリアランスを有さなければならない。
【００３６】
一連のコイル１７０が溶接により結合されて、支持構造体が形成される。図２に示されるように、コイルのワイヤーの太さは、ワイヤーがなければ存在していたチューブ２３０間の間隔と実質的に等しい。これにより、支持構造体の骨格を形成するコイル間の部分的な重なりのある配置がもたらされる。本実施形態においては、支持構造体の種々の部分において、反時計回りに巻かれたものと時計回りに巻かれたもの（図２では、それぞれ「ＣＣ」および「Ｃ」と示されている）が交互に配置されていることが好ましい。例えば、図２においては、上部左隅のコイルは時計回りに巻かれており、一方、そのコイルと接する全てのコイルは反時計回りに巻かれている。
【００３７】
図２に見られるように、インライン配置の実施形態においては、全てのチューブがコイル１７０の内側表面の内部に含まれることが好ましい。換言すれば、二つ以上のコイル１７０の外側周縁部の間には、チューブは全く配置されない。チューブ束１６０の外側の縁部は、好ましくは、チューブ束１６０に固定されており、シェル１５０の内側表面に伸びて流れのバイパスを防止するシール用の細片、環またはバンドを用いて固定される。
【００３８】
チューブ２３０はコイル１７０の内部に挿入されるが、相互に物理的に（例えば溶接により）結合されてはいない。これにより、熱交換器の製造や、損傷したチューブを交換して熱交換器を保守点検することがより容易であるという利点が提供される。
【００３９】
図３は、拡大されたチューブ支持構造体（チューブ２３０およびコイル１７０を含む）の側面図である。コイル１７０は、チューブ間の空間内において伸びており、また図２におけるように軸方向から見ると、コイル１７０自体が相互に重なり合っている。しかし、図３におけるように前方から見ると、コイル１７０は相互に重なり合ってはおらず、代わりに溶接部３１０により相互に接する。図３においては、上のコイル１７０は、右から見て時計回りに巻かれており、下のコイル１７０は、右から見て反時計回りに巻かれている。
【００４０】
図４は他の実施形態を示す。即ち、熱交換器１００を軸方向から見た図が示される。この実施形態においては、コイル４１０の厚みは実質的にチューブ間隔の１／２に等しい。その結果、この配置においては、コイルは相互に重なるというよりむしろ、例えば点４３０において相互に点接触する。この実施形態においては、コイルの巻き方は、第一の実施形態においてそうであるように、隣接するコイルに関し、時計回りに巻かれたものと、反時計回りに巻かれたものが交互に配置されていることが好ましい。
【００４１】
提供される二つの実施形態、即ち、コイルの厚みをチューブ間隔の約１００％および約５０％とする実施形態のみしか実施できないわけではない。実際、通常は、コイルの厚みをチューブ間隔の量の５０％以上約１００％未満のいかなる厚みにすることもできる。
【００４２】
図５は、コイルの厚みがチューブ間隔の１／２より大きい実施形態（即ち、上記第二の実施形態以外の実施形態）において行われる、切取りまたは薄化の要件を示す。このような場合、コイルのワイヤー５１０の太さを切取って、コイルのワイヤー５１０が隣接するコイルのワイヤー（例えば、図５におけるコイルのワイヤー５２０）と面接触するようにすることが可能である。切取りによって、コイルのワイヤー５１０および５２０の間に面接触をもたらすことにより、より大きな接触面積を生じ、より強い溶接部を提供することが可能である。本発明の教示によれば、コイルのワイヤーは、チューブ間隔の約１／２に切取られる。例えば、コイルのワイヤー５１０および５２０の太さがチューブ間隔の７０％である場合、コイルのワイヤー５１０および５２０はそれぞれ、溶接部５３０における接触点において、太さがチューブ間隔の約５０％となるよう切取られる。
【００４３】
図６は、チューブ６１０が三角形ピッチで配置される第三の実施形態を末端から見た図である。この場合には、いくつかのチューブ６１０はコイル６２０の内側に包含され、他は包含されない。個々のコイル６２０の内側に包含されないチューブ６１０は、それにも係わらず、それに隣接して配置されたチューブ６１０の周囲のコイル６２０の外側によって支持される。更に、この実施形態においては、相互に隣接するコイルは、反対方向で巻かれることが好ましい（即ち、反時計回りに巻かれたものが、時計回りに巻かれたものに隣接する）。
【００４４】
図６において、コイルの厚みは、図６においてそうであるように末端から見たとき、隣接するコイル間に重なりをもたらすチューブ間隔に等しい。或いは、示されていないが、三角形ピッチの場合のコイルの厚みは、任意に、チューブ間隔の５０％〜１００％とすることができる。上記に議論されるように、チューブ間隔の５０％の場合には、コイルは点接触し、相互に重ならない。
【００４５】
図６の左半分のチューブは、図６の右半分に示されるものと同じチューブを表す。従って、例えば、左側のコイル構造体およびチューブにおいて、左上の隅にあるチューブ６１０は、図６に示される右側のコイル構造体およびチューブにおいて、左上の隅に示されるものと同じチューブである。本発明の好ましい実施形態においては、一つのチューブシートから他のチューブシートまで全長にわたって伸びるよりも、むしろコイル構造体の複数の部分が、チューブ６１０の長さに沿って、それらのコイル構造体間に空隙を置いて散在する。しかし、コイル構造体は、チューブの全長にわたって空隙なしに伸びていてもよい。この場合、コイル構造体は、各部分（設計が交互に変わる）が、チューブの全長にわたって伸びるコイル構造体が形成されるように、端と端をつないで置かれることによって製造されることが好ましい。
【００４６】
チューブに沿って連続するコイル構造体は各々、チューブがコイルの内側に包含される部分と、包含されない部分が交互にあることが好ましい。従って、例えば、図６の左側に示される左上の隅のチューブは、チューブの長さに沿うある点ではコイル６１０内に包含されているが、そのチューブのより下流側では、その連続するコイル構造体の次の部分（図６の右側に示される）において、同じチューブが、隣接するコイルの外側表面によって支持されている。連続するコイル構造において、チューブが内包される部分と、上記のようなそうでない部分が交互にあるように、各コイル構造体が形成されることが好ましい。
【００４７】
通常、任意の形態のストレーナーが、熱交換器に達する前の、プロセスラインの任意の点で用いられる。これは、本発明の熱交換器内で、熱交換器のチューブまたはシェル側のいずれかにおいて捕捉されるような破片を除去するのに重要である。十分に大きなサイズ、または十分に多量の破片が本発明の熱交換器に入ると（また実際、現行の既存の熱交換器でもそうであるが）、熱交換器が無効となるまでに流速が低下することがある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のワンパス熱交換器の横立面図である。
【図２】コイルのワイヤーの太さが実質的にチューブ間隔に等しく、チューブがインラインピッチで置かれた熱交換器の断面図である。
【図３】図２のチューブおよびコイル構造体の拡大図である。
【図４】コイルのワイヤーの太さが実質的にチューブ間隔の１／２に等しい熱交換器の断面図である。
【図５】コイルのワイヤーの太さがチューブ間隔の１／２より大きくかつ全チューブ間隔未満であり、コイルが相互に重なっている支持構造体の構成における、二つのコイル間の溶接部の断面図である。
【図６】コイルのワイヤーの太さがチューブ間隔に等しく、チューブが三角形ピッチで置かれた熱交換器の断面図である。
【符号の説明】
１００  熱交換器
１１０  シェル側の入口
１２０  シェル側の出口
１３０  チューブ側の出口
１４０  チューブ側の入口
１５０  シェル
１６０  チューブ束
１７０、４１０、６２０  コイル
１８０、１９０  チューブシート
２３０、６１０  チューブ
３１０、５３０  溶接部
５１０、５２０  コイルのワイヤー
【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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