シェルアンドチューブ型熱交換器
【課題】 チタン材料を用いて製作しても、シェル内断面において単位面積当たりのチューブの本数を増加することを可能とする。
【解決手段】 第一熱交換流体(51)を流すチューブ(40)と、そのチューブ(40)を収納して前記チューブ(40)の外側を流れる第二熱交換流体(52)を流すシェル(20)と、そのシェル(20)の内部において断面の半分を交互に塞ぐためにシェル(20)の長手方向へ適宜間隔を介して配置した複数のバッフル(41)と、チューブ(40)の両端を保持する管板(44)と、を備える。バッフル(41)は、チューブ(40)の長手方向と同じ方向に延伸したロッド部材(47)へ無機ガラス系封孔剤(70)にて接着固定する。管板(44)は、ロッド部材(47)およびチューブ(40)を無機ガラス系封孔剤(70)にて接着固定する構成である。
【解決手段】 第一熱交換流体(51)を流すチューブ(40)と、そのチューブ(40)を収納して前記チューブ(40)の外側を流れる第二熱交換流体(52)を流すシェル(20)と、そのシェル(20)の内部において断面の半分を交互に塞ぐためにシェル(20)の長手方向へ適宜間隔を介して配置した複数のバッフル(41)と、チューブ(40)の両端を保持する管板(44)と、を備える。バッフル(41)は、チューブ(40)の長手方向と同じ方向に延伸したロッド部材(47)へ無機ガラス系封孔剤(70)にて接着固定する。管板(44)は、ロッド部材(47)およびチューブ(40)を無機ガラス系封孔剤(70)にて接着固定する構成である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シェルアンドチューブ型熱交換器に関する。特に、溶接困難な細管伝熱管を使用して製作されても、狭い空間内に収納するチューブの本数を多く配置することができ、効率よく熱交換可能なシェルアンドチューブ型熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、特許文献１および特許文献２に示すように、第一熱交換流体を流す複数のチューブと、その複数のチューブを包含して前記複数のチューブの外側を通過して第二熱交換流体を流すシェルと、を備えて構成されるシェルアンドチューブ型熱交換器がある。
前記シェルの内部には、複数のバッフル板が存在する。そのバッフル板は、シェルの長手方向に対して垂直な断面のほぼ半円部分を塞ぐような形状をなし、複数のバッフル板は半円部分を交互に塞ぐように、シェルの長手方向へ適宜の間隔を介して配置および固定されている。
【０００３】
したがって、第一熱交換流体は、複数の各チューブ内を流れる。一方、第二熱交換流体は、シェル内において複数のバッフル板によってジグザグに、複数のチューブの間を通過して流れる。このとき、第一熱交換流体と第二熱交換流体の間で熱交換される。
【０００４】
上述したシェルアンドチューブ型熱交換器は、チューブの材質が炭素鋼、ステンレス、チタン、アルミニウム、銅などの合金からなる金属製である。また、複数本のチューブ、複数のバッフル板、シェル等は、例えば溶接やロウ付け等で組み立てられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−６１０７１号公報
【特許文献２】特開平８−２００９８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
シェル・アンド・チューブ熱交換器では小型化と熱交換効率向上のため伝熱管（チューブ）に直径が細く薄肉の細管を用いる事がある。多数の細管伝熱管を使用する事で全体寸法を維持したまま伝熱面積の増加と熱伝達率の向上を達成することができるからである。
一方、多数の細管を用いる事で問題も発生する。第一に溶接またはロウ付箇所の増加による製造コストの上昇であり、第二に、薄肉細管の腐食しろが少ない事による腐食耐性の減少である。
また、一次側熱交換流体および二次側熱交換流体が純水または超純水の場合は、第三の問題点として、伝熱管やシェル材表面、さらにロウ付け用ロウ材から金属イオンが溶出して純水度を低下させてしまう。特に、ロウ材からの金属イオン溶出が大きい。
【０００７】
そこで上記の第二、第三の問題点を解決するためチタン材でシェルと伝熱管を製作して溶接する方法が取られてきた。
チタン製伝熱管は、腐食や金属イオン溶出による純水純度の悪化に対する問題が解消できる。しかし加工や溶接が困難な金属材質であり、多数の細管を溶接などで組み立てることは困難で工数と加工時間を要するため、それが価格上昇の原因となっていた。したがって、小さい口径のシェル内ではチューブの本数を増やすことが難しく、熱交換効率を向上することが難しかった。
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、純水または超純水の純水度を低下させないため、また腐食を防止するために、チタン材料を用いて製作しても、シェル内断面において単位面積当たりのチューブの本数を増加することを可能とする。 特に、小さい口径のシェルにおいても熱交換効率を向上することを可能とするシェルアンドチューブ型熱交換器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（第一の発明）
本願における第二の発明は、 第一熱交換流体(51)を流す複数のチューブ(40,40,40,・・・)と、 その複数のチューブ(40,40,40,・・・)を収納して前記複数のチューブ(40,40,40,・・・)の外側を流れる第二熱交換流体(52)を流すシェル(20)と、 そのシェル(20)の内部においてその長手方向に対して垂直な断面のほぼ半分を交互に塞ぐためにシェル(20)の長手方向へ適宜間隔を介して配置した複数のバッフル(41,41,・・)と、 前記複数のチューブ(40)の両端を保持する管板(44,44)と、を備えたシェルアンドチューブ型熱交換器(10) に係る。
前記の各バッフル(41,41,・・)には、前記のチューブ(40,40,40,・・・)を挿入可能であるように複数のチューブ用孔(42,42,42,・・・)を形成している。
前記複数のチューブ(40,40,40,・・・)は、前記の各バッフル(41,41,・・)における複数の各チューブ用孔(42,42,42,・・・)へ挿入して支持されるとともに、前記複数のチューブ(40,40,40,・・・)の両端を前記管板(44,44)に形成した複数の各チューブ用孔(45)へ挿入して支持される構成とする。
また、前記複数のバッフル(41,41,・・)は、チューブ(40,40,40,・・・)の長手方向と同じ方向に延伸した複数のロッド部材(47,47)へ無機ガラス系封孔剤(70)にて接着固定するとともに、前記管板(44,44)は、前記複数のロッド部材(47,47)および前記複数のチューブ(40,40,40,・・・)を無機ガラス系封孔剤(70)にて接着固定する。
【００１０】
（用語説明）
「無機ガラス系封孔剤」とは、アルコキシシラン化合物またはその部分加水分解縮合物と、硬化触媒とを少なくとも含有しているものである。 本発明者は、無溶剤であり、モノマー状態では極めて粘性および表面張力が小さく、１μｍ程度の微細孔および亀裂等であっても浸透可能であるという特性を有していることを見出した。 その浸透過程において、無機系ポリマーを形成して硬化するため、溶接をせずに各構成部品を固定できる。
【００１１】
（作用）
全てのチューブ(40,40,40,・・・)は、バッフル(41,41,・・)の複数の各チューブ用孔(42,42,42,・・・)へ挿入し、前記管板(44,44)は、前記複数のロッド部材(47,47)および前記複数のチューブ(40,40,40,・・・)を無機ガラス系封孔剤(70)にて接着固定している。すなわち、溶接しないで組み立てられた組立構造である。溶接やロウ付けによって生じていたチューブ(40)へ与える熱応力、熱歪みなどの影響が少ない。
したがって、複数のチューブ(40,40,40,・・・)と、複数の管板(44,44)と、複数のバッフル(41,41,・・)の寸法精度の向上が実現し、薄肉で小径のチューブ(40)を数多く組み付けることが可能となった。 その結果、外形寸法を大きくすることなく、シェルアンドチューブ型熱交換器(10)の熱交換効率を向上させることが可能となった。
また、無機ガラス系封孔剤(70)は硬化すると無機系ポリマーとなって水に溶出しないので純水度を低下しない。
なお、無機ガラス系封孔剤(70)によって固定する構成は、溶接によって固定する方法に比べて製造効率が向上する場合もある。
【００１２】
（第一の発明のバリエーション１）
第二の発明は、以下のようなバリエーションを提供することもできる。
すなわち、 前記管板(44,44)と前記複数のバッフル(41,41,・・)に、前記複数のロッド部材(47,47)を挿入するロッド部材用孔(43,43,43,・・・)を設け、前記ロッド部材用孔(43,43,43,・・・)に挿入したロッド部材(47,47)へ前記管板(44,44)と前記複数のバッフル(41,41,・・)を無機ガラス系封孔剤(70)にて接着固定してもよい。
【００１３】
（作用）
複数のバッフル(41,41,・・)に形成した複数の各ロッド部材用孔(43,43,43,・・・)へ、複数のロッド部材(47,47)を挿入することによって、複数のバッフル(41,41,・・)が複数のロッド部材(47,47)に安定した状態で支持される。そのため、無機ガラス系封孔剤(70)にて各バッフル(41)がロッド部材(47)へ確実に接着固定される。
【００１４】
（第二の発明）
本願における第二の発明は、第一の発明において必須構成要件としていた複数のロッド部材(47,47)を省略した構成をなす。
すなわち、第一熱交換流体(51)を流す複数のチューブ(40,40,40,・・・)と、その複数のチューブ(40,40,40,・・・)を収納して前記複数のチューブ(40,40,40,・・・)の外側を流れる第二熱交換流体(52)を流すシェル(20)と、そのシェル(20)の内部においてその長手方向に対して垂直な断面のほぼ半分を交互に塞ぐためにシェル(20)の長手方向へ適宜間隔を介して配置した複数のバッフル(41)と、前記複数のチューブ(40,40,40,・・・)の両端を保持する管板(44,44)と、を備えたシェルアンドチューブ型熱交換器(10)であって、
前記複数のチューブ(40,40,40,・・・)は、前記複数のバッフル(41)に形成した複数の各チューブ用孔(42)へ挿入して支持されるとともに、前記の全チューブ(40,40,40,・・・)の両端を前記管板(44,44)に形成した複数の各チューブ用孔(45)へ挿入して支持される構成とし、 前記複数のバッフル(41,41,・・)は、少なくとも２本のチューブ(40,40)へ無機ガラス系封孔剤(70)にて接着固定する構成であるとともに、前記管板(44,44)は、前記複数のチューブ(40)を無機ガラス系封孔剤(70)にて接着固定する構成とする。
【００１５】
（作用）
第二の発明は、第一の発明における作用効果に加え、以下のような効果をなす。
すなわち、複数のチューブ(40,40,40,・・・)が、複数のバッフル(41,41,・・)および管板(44,44)へ、無機ガラス系封孔剤(70)にて接着固定された構造であり、十分な強度を確保でき、ロッド部材(47,47)を省略できた。そのため、部品構成点数を減らし、軽量化や小型化に寄与する。
【００１６】
（第一の発明のバリエーション２、および第二の発明のバリエーション１）
第一の発明および第二の発明は、以下のようなバリエーションを提供することもできる。
すなわち、 前記無機ガラス系封孔剤(70)にて接着固定する対象部材の隙間を、５μｍより大きく、かつ、５００μｍより小さくすることが好ましい。
【００１７】
（作用）
対象部材の隙間が５μｍより大きく、かつ、５００μｍより小さい場合は、前記無機ガラス系封孔剤(70)によって適正な接着力が得られる。
【００１８】
（第一の発明のバリエーション３、および第二の発明のバリエーション２）
第一の発明および第二の発明は、以下のようなバリエーションを提供することもできる。
すなわち、 シェル(20)の内断面積Ｓｃに対する全チューブ(40,40,40,・・・)の内断面積Ｓｔの割合は、０．２〜０．３で、かつ１平方センチメートルの単位面積当たりのチューブ(40)本数が７〜９本であることが好ましい。
【００１９】
（作用）
シェル(20)内へ、１平方センチメートルの単位面積当たりのチューブ(40)を７〜９本という割合で、多く設けることによって、熱交換効率が向上する。
【００２０】
（第一の発明のバリエーション４、および第二の発明のバリエーション３）
第一の発明および第二の発明は、以下のようなバリエーションを提供することもできる。
すなわち、 前記シェル(20)と前記チューブ(40,40,40,・・・)と前記管板(44,44)と前記バッフル(41,41,・・)と前記ロッド部材(47,47)は、チタン材料で構成されることが好ましい。
【００２１】
（用語説明）
「チタン材料」とは、純チタンとチタン合金を含むものである。
【００２２】
（作用）
各部材を組立てる時の歪を最小限に抑える構造であるゆえに、熱交換器(10)をチタン材料で製作することができる。その結果、チタン材料で製作した熱交換器(10)は、第一熱交換流体(51)と第二熱交換流体(52)が純水または超純水であっても、不純物が溶出しにくいものである。特に、超純水の場合は純チタンであることが望ましい。
【発明の効果】
【００２３】
請求項１から請求項６に記載の発明によれば、チタン材料を用いて製作しても、シェル内断面において単位面積当たりのチューブの本数を増加することを可能とする。そのため、小さい口径のシェルにおいても、大きい口径のシェルにおいても熱交換効率を向上できるシェルアンドチューブ型熱交換器を提供することができた。
加えて、シェルアンドチューブ型熱交換器の製造効率を向上できる。また、溶接やロウ付けのように加熱不要の工程ゆえ熱変形が少なく、耐熱温度が低い材料にも適用可能な技術である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態のシェルアンドチューブ型熱交換器の要部断面を含む正面図である。
【図２】図１の矢視ＩＩ−ＩＩ線の断面図である。
【図３】図３（Ａ）〜（Ｃ）は、シェルアンドチューブ型熱交換器の組立工程を示す斜視図である。
【図４】図３（Ｃ）に続く組立工程を示す斜視図である。
【図５】本発明の他の実施形態のシェルアンドチューブ型の組立状態を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
本発明の実施形態に係るシェルアンドチューブ型熱交換器１０は、図１および図２に示すように、第一熱交換流体５１を流す複数のチューブ４０，４０，４０，・・・と、その複数のチューブ４０４０，４０，４０，・・・を収納して前記複数のチューブ４０４０，４０，４０，・・・の外側を流れる第二熱交換流体５２を流すシェル２０と、そのシェル２０の内部においてその長手方向に対して垂直な断面のほぼ半分を交互に塞ぐためにシェル２０の長手方向へ適宜間隔を介して配置した複数のバッフル４１，４１と、前記複数のチューブ４０の両端を保持する管板４４，４４と、を備えて構成される。
なお、以下においては、説明の簡略化のため、部品番号を繰り返さないで記載する。
【００２６】
前記シェル２０は、筒状体をなし、本実施形態では円筒形状をなしている。その長手方向の一端側（図１において右端側）に、第一熱交換流体５１が流入する第一流入口２２を設けている。一方、シェル２０の長手方向の他端側（図１において左端側）に、第一熱交換流体５１が流出する第一流出口２４を設けている。
さらに、前記シェル２０の外周には、前記第二熱交換流体５２が流入する第二流入口２６を、前記第一流出口２４の近くに位置して設けている。一方、前記第二熱交換流体５２が流出する第二流出口２８を、前記第一流入口２２の近くに位置して設けている。
【００２７】
更に詳しく説明する。
第二流入口２６を有する管体２７が、円筒形状をなすシェル本体２１の外周の上記位置に設けた貫通孔部へ連通するように溶接６０で一体的に取り付けられている。一方、第二流出口２８を有する管体２９が、前記シェル本体２１の外周の上記位置に設けた貫通孔部へ連通するように溶接６０(図１では図示省略)で一体的に取り付けられている。
【００２８】
また、シェル２０の内部では、複数のチューブ４０の図１において右端を保持する管板４４が、前記第二流出口２８より右側の位置にて、その第二流出口２８と前記第一流入口２２との間を遮断するように、シェル２０の内周面に溶接６１で閉塞固定している。 一方、図１では図示省略しているが、上記と同様にして、複数のチューブ４０の図１において左端を保持する管板４４が、前記第二流入口２６より左側の位置にて、その第二流入口２６と前記第一流出口２４との間を遮断するように、シェル２０の内周面に溶接６１で閉塞固定している。上記の左側の各部材は、図３および図４に示されている。
したがって、前記第一流入口２２と前記複数のチューブ４０の流入口が連通し、前記複数のチューブ４０の流出口と前記第一流出口２４が連通する。
【００２９】
図１および図４に示すように、前記シェル本体２１の両端の内周面には、前記管板４４を嵌め込むための段付き部３１が形成されている。その段付き部３１へ嵌め込んだ管板４４とシェル本体２１の端縁を全周溶接６１で一体的に固定する。
さらに、第一流入口２２を有する管体２３が、前記管板４４に露出した複数のチューブ４０の流入口と連通するように、前記シェル本体２１の右端へ全周溶接６１で一体的に取り付けられている。 一方、第一流出口２４を有する管体２５が、前記管板４４に露出した複数のチューブ４０の流出口と連通するように、前記シェル本体２１の左端へ全周溶接６１で一体的に取り付けられている。
【００３０】
また、前記シェル２０の内部は、複数のバッフル４１がシェル２０の長手方向に対して垂直な断面のほぼ半円部分を交互に塞ぐように、シェル２０の長手方向へ適宜間隔を介して配置されている。
【００３１】
上記構成によって、第一熱交換流体５１は、シェル２０の長手方向の一端側の第一流入口２２から各チューブ４０の流入口を経てチューブ４０内を流れ、各チューブ４０の流出口からシェル２０の長手方向の他端側の第一流出口２４へ流れる。 一方、第二熱交換流体５２が、シェル２０の外周の第二流入口２６からシェル２０の内部へ流入する。その第二熱交換流体５２は、シェル２０内において各チューブ４０の外側をチューブ４０内の第一熱交換流体５１の流れ方向とは逆方向へ流れる。しかも、複数のバッフル４１にて案内されて複数のチューブ４０の間を通過して、シェル２０内をジグザグに流れる。
その過程で、第一熱交換流体５１と第二熱交換流体５２が熱交換される。その熱交換した第二熱交換流体５２はシェル２０の外周の第二流出口２８へ流れることになる。
【００３２】
次に、本実施形態のシェルアンドチューブ型熱交換器１０の組立構造およびその方法について、詳しく説明する。
【００３３】
前記各バッフル４１は、図３（Ａ）および図３（Ｂ）に示すように、前記各チューブ４０を挿入可能な複数のチューブ用孔４２と、複数のロッド部材４７を挿入可能な複数のロッド部材用孔４３が形成されている。 また、前記管板４４は、図３（Ｃ）に示すように、前記各チューブ４０を挿入可能な複数のチューブ用孔４５と、複数のロッド部材４７を挿入可能な複数のロッド部材用孔４６が形成されている。
【００３４】
上記の複数のチューブ４０は、図３（Ａ）に示すように、複数のバッフル４１に形成した複数の各チューブ用孔４２へ挿入して支持される。さらに、前記複数のバッフル４１は、図３（Ｂ）に示すように、チューブ４０の長手方向と同じ方向に延伸した複数のロッド部材４７を、前記各ロッド部材用孔４３へ挿入することによって、前記複数のロッド部材４７にて支持される構成である。
また、前記複数のチューブ４０の両端は、前記管板４４に形成した複数の各チューブ用孔４５へ挿入して支持される。 さらに、前記複数のロッド部材４７は、その両端を前記管板４４の各ロッド部材用孔４６へ挿入することによって支持される構成である。なお、図３では、２本のロッド部材４７が使用されている。
【００３５】
その組立方法は、図３（Ａ）に示すように、複数のチューブ４０がバッフル４１の各チューブ用孔４２へ挿入される。また、図３（Ｂ）に示すように、２本のロッド部材４７もバッフル４１の各ロッド部材用孔４３へ挿入される。同じようにして、図３（Ｃ）に示すように、複数のバッフル４１が上下に対称となる位置で交互に配置するように、２本のロッド部材４７と複数のチューブ４０を複数のバッフル４１へ差し込んでいく。複数のバッフル４１は、２本のロッド部材４７および複数のチューブ４０の長手方向において適宜間隔を介して所定の位置へ配置される。
【００３６】
次に、複数のチューブ４０の図４において左側の一端が、管板４４の複数のチューブ用孔４５へ差し込まれる。また、２本のロッド部材４７も図４において左側の一端が、管板４４の２つのロッド部材用孔４６へ差し込まれる。図４に示すように、２本のロッド部材４７の端部と管板４４のロッド部材用孔４６が無機ガラス系封孔剤７０にて接着固定される。次いで、複数の各バッフル４１のロッド部材用孔４３と各ロッド部材４７が無機ガラス系封孔剤７０にて接着固定される。
【００３７】
次に、無機ガラス系封孔剤７０について詳しく説明する。
本実施形態では、無機ガラス系封孔剤７０は、アルコキシシラン化合物またはその部分加水分解縮合物と、硬化触媒とを少なくとも含有している。これに無機顔料を含有することもできる。無溶剤であり、粘度および表面張力が低いことによって、１μｍ程度の微細孔へも、空気を置換しながら浸透していく特性をもっている。したがって、その浸透過程において、空気中の水を吸収したアルコキシシランは、徐々にその水と反応して無機系ポリマーを形成し、硬化してゆく。 なお、ここで重合・硬化した無機系ポリマーは１００％ガラス系、すなわち酸化ケイ素であり，炭素等の有機基を含まない。
【００３８】
一般的に、無機ガラス系封孔剤７０は、塗料と同じように、材料の表面に耐食性ならびに防錆に優れた皮膜を形成する用途で使用されるものであるが、本実施形態では、複数の対象部材を接着固定する用途で使用する。なお、上記の対象部材としては、チューブ４０、管板４４、バッフル４１、ロッド部材４７である。
【００３９】
金属等の材料の表面にはミクロンオーダの微細孔がたくさんある。すなわち、接着固定する対象部材の表面にもミクロンオーダの微細孔がたくさんある。無機ガラス系封孔剤７０を２つの対象部材間の隙間へ流し込むように塗布すると、アルコキシシランが各対象部材の微細孔へ浸透し、硬化して無機系ポリマーとなって微細孔を塞ぐことになる。前記無機系ポリマーは、２つの対象部材の表面の微細孔へ、あたかも木の根が土中にしっかり根付くように浸透して硬化するので、２つの対象部材が無機ガラス系封孔剤７０によって接着固定されることとなる。
【００４０】
また、無機系ポリマーは水に溶出しない。また、無機ガラス系封孔剤７０は無溶剤であるので、容易に使用できるため、熱交換器１０の製造効率を高くすることができる。
【００４１】
なお、接着固定する対象部材の隙間をＳとすると、上記の無機ガラス系封孔剤７０によって適正な接着力を得るには、前記隙間Ｓが、５μｍより大きく、かつ、５００μｍより小さくすることが好ましい。つまり、５μｍ＜Ｓ＜５００μｍであることが好ましい。
例えば、チューブ４０の外形寸法をｄとし、管板４４のチューブ用孔４５の外形寸法をＤとすると、Ｄ−ｄは、５μｍより大きく、かつ、５００μｍより小さくすることが好ましい。つまり、５μｍ＜（Ｄ−ｄ）＜５００μｍであることが好ましい。この場合、チューブ４０が管板４４のチューブ用孔４５の中へ均等に挿入されるなら、前記隙間Ｓは（Ｄ−ｄ）/２となるが、通常は偏りが生じるので、上記の範囲では、確実に適正な接着力を得ることができる。
【００４２】
以上のことから、一端側の管板４４および複数のバッフル４１が、２本のロッド部材４７へ無機ガラス系封孔剤７０にて位置決め接着固定される。一方、複数のバッフル４１の各チューブ用孔４２と複数のチューブ４０は、無機ガラス系封孔剤７０にて固定されていない状態である。すなわち、複数のチューブ４０は、管板４４の各チューブ用孔４５および複数のバッフル４１の各チューブ用孔４２によって保持される状態となる。
しかし、無機ガラス系封孔剤７０による接着固定方法は、接着の対象部材に対する歪などの影響が少ないので、チューブ４０をバッフル４１のチューブ用孔４２へ無機ガラス系封孔剤７０にて接着固定しても良い。
【００４３】
なお、複数の各バッフル４１は、その端縁がロッド部材４７へ無機ガラス系封孔剤７０にて位置決め接着固定されてもよいので、必ずしも各バッフル４１に前述したロッド部材用孔４３を形成しなくてもよい。
しかし、ロッド部材４７が複数の各バッフル４１のロッド部材用孔４３へ挿入されることによって、複数の各バッフル４１は複数のロッド部材４７にて安定した状態で支持される。そのため、無機ガラス系封孔剤７０にて各バッフル４１がロッド部材４７へ確実に接着固定されるという点で、ロッド部材用孔４３を設けたほうが望ましい。
【００４４】
上記のように組み立てられた複数のチューブ４０は、その一端側（図４において右端側）からシェル本体２１内へ挿入される。前記管板４４がシェル本体２１の左端の段付き部３１へ嵌め込まれる。複数のチューブ４０および２本のロッド部材４７の図４において右端側が、シェル本体２１の右端から突出する。この突出した複数のチューブ４０および２本のロッド部材４７の右端を、もう一つの管板４４の複数のチューブ用孔４５および２つのロッド部材用孔４６へ差し込んでいく。そして、前記管板４４はシェル本体２１の図４において右端の段付き部３１へ嵌め込まれる。
【００４５】
シェル本体２１の両端縁と各管板４４が、図１に示すように、全周が溶接６１で一体的に固定される。次いで、複数の各チューブ４０の両端縁が各管板４４のチューブ用孔４５へ無機ガラス系封孔剤７０にて接着固定される。また、２本のロッド部材４７の右端が管板４４のロッド部材用孔４６へ無機ガラス系封孔剤７０にて接着固定される。
したがって、複数のチューブ４０を保持する両端の管板４４と複数のバッフル４１が、複数のロッド部材４７へ、溶接ではなく、無機ガラス系封孔剤７０にて接着固定しているので、従来のような溶接やロウ付けによるチューブ４０へ与える熱歪みなどの影響が少ない。
なお、シェル本体２１の両端縁と各管板４４は、その全周を上記の溶接６１に変えて無機ガラス系封孔剤７０にて一体的に接着固定しても良い。
【００４６】
次に、第一流入口２２を有する管体２３が、図１に示すように、シェル本体２１の右端へ全周溶接６１で一体的に取り付けられる。一方、第一流出口２４を有する管体２５が、図１に示すように、シェル本体２１の左端へ全周溶接６１で一体的に取り付けられる。
【００４７】
以上のことから、シェルアンドチューブ型熱交換器１０は、複数のチューブ４０が、両端の管板４４に形成したチューブ用孔４５と複数のバッフル４１に形成したチューブ用孔４２へ挿入して保持される構成とし、複数のバッフル４１へ固定しないで組み立てる組立構造である。しかも、複数のチューブ４０を保持する両端の管板４４と複数のバッフル４１を、複数のロッド部材４７へ無機ガラス系封孔剤７０にて接着固定しているので、チューブ４０へ与える歪みなどの影響を少なくすることができる。
その結果、複数のチューブ４０と、複数の管板４４と、複数のバッフル４１の寸法精度を向上させることができるので、薄肉で小径のチューブ４０を数多く組み付けることが可能となった。
しかも、無機ガラス系封孔剤７０は硬化すると無機系ポリマーとなって水に溶出しないので純水度を低下しない。また、無機系ポリマーは１００％ガラス系であるので、耐熱性に優れ、強酸性などの薬液や排気ガスに対しても耐食性に優れる。
また、無機ガラス系封孔剤７０による接着固定方法は、溶接等の固定方法に比べて製造効率が向上するので、チューブ４０の本数を多くしても効率よく製作することができる。
【００４８】
例えば、シェル本体２１の外径寸法が２０〜６０ｍｍである、シェルアンドチューブ型熱交換器１０を例にとって説明する。なお、チューブ４０は内径が２ｍｍで、肉厚が０．３ｍｍである。
シェル本体２１の内径Ｄｃが１８．７ｍｍの場合、チューブ４０の本数Ｎｔは２０本である。以下、Ｄｃが２４．２ｍｍの場合、Ｎｔは３５本である。Ｄｃが３０．０ｍｍの場合、Ｎｔは５５本である。Ｄｃが３８．７ｍｍの場合、Ｎｔは１０５本である。Ｄｃが４４．６ｍｍの場合、Ｎｔは１３７本である。Ｄｃが５６．５ｍｍの場合、Ｎｔは２２３本である。
【００４９】
上記の場合、シェル本体２１内に配置された、１平方センチメートルの単位面積当たりのチューブ４０の本数は、７．２９〜８・８９となっている。
また、シェル本体２１の内径断面積、つまりシェル内断面積をＳｃとし、複数のチューブ４０の合計内断面積、つまり複数チューブ全体の内断面積をＳｔとすると、断面積比Ｓｔ/Ｓｃは、０．２３〜０．２８の範囲にあるというデータが得られた。
したがって、チューブ４０の内径寸法に関係なく、断面積比Ｓｔ/Ｓｃが、０．２〜０．３で、かつ１平方センチメートルの単位面積当たりのチューブ本数が７〜９本であるシェルアンドチューブ型熱交換器１０を製作することができた。
【００５０】
上述したように、シェル２０内に単位面積当たりのチューブ４０の本数を多くすることができるので、熱交換効率を向上することができる。
また、上述した例では、チューブ４０の本数が最高で２２３本であるが、例えば１０００本以上に多くすることができる。その場合、チューブ４０の本数に伴ってシェル本体２１は太くなるが、熱交換器１０の熱交換容量は増大する。チューブ４０を１０００本以上に多くしても、チューブ４０、管板４４、バッフル４１、ロッド部材４７などの対象部材は、無機ガラス系封孔剤７０によって効率よく接着固定することができる。したがって、熱交換器１０を効率よく製作することができる。
【００５１】
上記の理由で、シェル２０、チューブ４０、管板４４、バッフル４１、ロッド部材４７がチタン材料であっても、無機ガラス系封孔剤７０にて接着固定して組立てることによって、熱交換器１０を高精度に、かつ効率よく製作することができる。
なお、本実施形態では、チタン材料とは、純チタンとチタン合金を含むものをいう。例えば、純チタンは、ＪＩＳ１種、ＪＩＳ２種などである。一方、チタン合金は、高力合金系のＪＩＳ６０種やＪＩＳ６１種、また１５−３−３−３合金などがある。さらに、耐食系合金としては、ＪＩＳ１１種、ＪＩＳ１２種などがある。
【００５２】
しかも、チタン材料で製作された熱交換器１０は、第一熱交換流体５１と第二熱交換流体５２が純水または超純水であっても不純物が溶出しにくいものとなる。
なお、超純水とは、電気抵抗率が１８ＭΩｃｍ、または電気伝導度が０．０５５μＳ/ｃｍである。超純水は、ステンレスをイオン化して溶出してしまうので、純チタン製であることが求められる。また、純水（高レベル）とは、電気抵抗率が２〜１０ＭΩｃｍ、または電気伝導度が０．１μＳ/ｃｍである。銅やニッケルロウ材を溶出させる力をもつ。純水（低レベル）とは、電気抵抗率が１〜２ＭΩｃｍ、または電気伝導度が０．５μＳ/ｃｍであり、蒸留水とも称する。
【００５３】
したがって、チタン製の熱交換器１０を製作することで、ステンレス製では不可能であった腐食防止と、排熱環境の向上を図ることができる。
これに加えて、前述したように、対象部材を接着固定するための無機ガラス系封孔剤７０が硬化すると、１００％ガラス系の無機系ポリマーとなるので、水に溶出しないので純水度を低下しないし、強酸性などの薬液や排気ガスに対しても耐食性に優れる。したがって、第一熱交換流体５１および第二熱交換流体５２は、その一方の流体を高温の排気ガスとし、他方の流体を空気とした場合にも適用できる。
なお、上記の高温の排気ガスとしては、例えば、電気炉、重油等によるガス炉などの溶解炉の排気ガスがある。その他の設備から排出される排気ガスに対しても適用される。すなわち、本願のシェルアンドチューブ型熱交換器１０は、上記の排気ガス管路へ設置することができる。
【００５４】
次に、本発明の他の実施形態に係るシェルアンドチューブ型熱交換器１１について図面を参照して説明する。なお、前述したシェルアンドチューブ型熱交換器１０と同様の部材は同じ符号を付して同様の部分の詳しい説明は省略し、主に異なる点について説明する。
この実施形態の熱交換器１１が前述の熱交換器１０と異なる点は、複数のロッド部材４７を使用せず、図５に示すように、複数の各バッフル４１が少なくとも２本のチューブ４０へ無機ガラス系封孔剤７０にて接着固定されることである。
無機ガラス系封孔剤７０にて接着固定する工程は常温で行われるため、作業に起因する熱ひずみ等の影響は少なく、複数のロッド部材４７を使用しなくても、バッフル４１をチューブ４０へ接着固定することができる。その結果、複数のロッド部材４７を省略できるとともに、ロッド部材４７を省略した箇所にチューブ４０を配置することによって、チューブ４０の本数を増やすことができる。その他の構成は、前述の熱交換器１０と同様である。
なお、前述の熱交換器１０のように複数のロッド部材４７を使用した場合は、複数のチューブ４０を支持するための全体の強度を高くする効果がある。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明は、シェルアンドチューブ型熱交換器の製造業、メンテナンス業などにおいて利用可能性を有する。
【符号の説明】
【００５６】
１０、１１ シェルアンドチューブ型熱交換器
２０ シェル ２１ シェル本体
２２ 第一流入口 ２３ 管体
２４ 第一流出口 ２５ 管体
２６ 第二流入口 ２７ 管体
２８ 第二流出口 ２９ 管体
３１ 段付き部
４０ チューブ ４１ バッフル
４２ チューブ用孔 ４３ ロッド部材用孔
４４ 管板 ４５ チューブ用孔
４６ ロッド部材用孔 ４７ ロッド部材
５１ 第一熱交換流体 ５２ 第二熱交換流体
６０ 溶接 ６１ 溶接
７０ 無機ガラス系封孔剤
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シェルアンドチューブ型熱交換器に関する。特に、溶接困難な細管伝熱管を使用して製作されても、狭い空間内に収納するチューブの本数を多く配置することができ、効率よく熱交換可能なシェルアンドチューブ型熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、特許文献１および特許文献２に示すように、第一熱交換流体を流す複数のチューブと、その複数のチューブを包含して前記複数のチューブの外側を通過して第二熱交換流体を流すシェルと、を備えて構成されるシェルアンドチューブ型熱交換器がある。
前記シェルの内部には、複数のバッフル板が存在する。そのバッフル板は、シェルの長手方向に対して垂直な断面のほぼ半円部分を塞ぐような形状をなし、複数のバッフル板は半円部分を交互に塞ぐように、シェルの長手方向へ適宜の間隔を介して配置および固定されている。
【０００３】
したがって、第一熱交換流体は、複数の各チューブ内を流れる。一方、第二熱交換流体は、シェル内において複数のバッフル板によってジグザグに、複数のチューブの間を通過して流れる。このとき、第一熱交換流体と第二熱交換流体の間で熱交換される。
【０００４】
上述したシェルアンドチューブ型熱交換器は、チューブの材質が炭素鋼、ステンレス、チタン、アルミニウム、銅などの合金からなる金属製である。また、複数本のチューブ、複数のバッフル板、シェル等は、例えば溶接やロウ付け等で組み立てられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−６１０７１号公報
【特許文献２】特開平８−２００９８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
シェル・アンド・チューブ熱交換器では小型化と熱交換効率向上のため伝熱管（チューブ）に直径が細く薄肉の細管を用いる事がある。多数の細管伝熱管を使用する事で全体寸法を維持したまま伝熱面積の増加と熱伝達率の向上を達成することができるからである。
一方、多数の細管を用いる事で問題も発生する。第一に溶接またはロウ付箇所の増加による製造コストの上昇であり、第二に、薄肉細管の腐食しろが少ない事による腐食耐性の減少である。
また、一次側熱交換流体および二次側熱交換流体が純水または超純水の場合は、第三の問題点として、伝熱管やシェル材表面、さらにロウ付け用ロウ材から金属イオンが溶出して純水度を低下させてしまう。特に、ロウ材からの金属イオン溶出が大きい。
【０００７】
そこで上記の第二、第三の問題点を解決するためチタン材でシェルと伝熱管を製作して溶接する方法が取られてきた。
チタン製伝熱管は、腐食や金属イオン溶出による純水純度の悪化に対する問題が解消できる。しかし加工や溶接が困難な金属材質であり、多数の細管を溶接などで組み立てることは困難で工数と加工時間を要するため、それが価格上昇の原因となっていた。したがって、小さい口径のシェル内ではチューブの本数を増やすことが難しく、熱交換効率を向上することが難しかった。
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、純水または超純水の純水度を低下させないため、また腐食を防止するために、チタン材料を用いて製作しても、シェル内断面において単位面積当たりのチューブの本数を増加することを可能とする。 特に、小さい口径のシェルにおいても熱交換効率を向上することを可能とするシェルアンドチューブ型熱交換器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（第一の発明）
本願における第二の発明は、 第一熱交換流体(51)を流す複数のチューブ(40,40,40,・・・)と、 その複数のチューブ(40,40,40,・・・)を収納して前記複数のチューブ(40,40,40,・・・)の外側を流れる第二熱交換流体(52)を流すシェル(20)と、 そのシェル(20)の内部においてその長手方向に対して垂直な断面のほぼ半分を交互に塞ぐためにシェル(20)の長手方向へ適宜間隔を介して配置した複数のバッフル(41,41,・・)と、 前記複数のチューブ(40)の両端を保持する管板(44,44)と、を備えたシェルアンドチューブ型熱交換器(10) に係る。
前記の各バッフル(41,41,・・)には、前記のチューブ(40,40,40,・・・)を挿入可能であるように複数のチューブ用孔(42,42,42,・・・)を形成している。
前記複数のチューブ(40,40,40,・・・)は、前記の各バッフル(41,41,・・)における複数の各チューブ用孔(42,42,42,・・・)へ挿入して支持されるとともに、前記複数のチューブ(40,40,40,・・・)の両端を前記管板(44,44)に形成した複数の各チューブ用孔(45)へ挿入して支持される構成とする。
また、前記複数のバッフル(41,41,・・)は、チューブ(40,40,40,・・・)の長手方向と同じ方向に延伸した複数のロッド部材(47,47)へ無機ガラス系封孔剤(70)にて接着固定するとともに、前記管板(44,44)は、前記複数のロッド部材(47,47)および前記複数のチューブ(40,40,40,・・・)を無機ガラス系封孔剤(70)にて接着固定する。
【００１０】
（用語説明）
「無機ガラス系封孔剤」とは、アルコキシシラン化合物またはその部分加水分解縮合物と、硬化触媒とを少なくとも含有しているものである。 本発明者は、無溶剤であり、モノマー状態では極めて粘性および表面張力が小さく、１μｍ程度の微細孔および亀裂等であっても浸透可能であるという特性を有していることを見出した。 その浸透過程において、無機系ポリマーを形成して硬化するため、溶接をせずに各構成部品を固定できる。
【００１１】
（作用）
全てのチューブ(40,40,40,・・・)は、バッフル(41,41,・・)の複数の各チューブ用孔(42,42,42,・・・)へ挿入し、前記管板(44,44)は、前記複数のロッド部材(47,47)および前記複数のチューブ(40,40,40,・・・)を無機ガラス系封孔剤(70)にて接着固定している。すなわち、溶接しないで組み立てられた組立構造である。溶接やロウ付けによって生じていたチューブ(40)へ与える熱応力、熱歪みなどの影響が少ない。
したがって、複数のチューブ(40,40,40,・・・)と、複数の管板(44,44)と、複数のバッフル(41,41,・・)の寸法精度の向上が実現し、薄肉で小径のチューブ(40)を数多く組み付けることが可能となった。 その結果、外形寸法を大きくすることなく、シェルアンドチューブ型熱交換器(10)の熱交換効率を向上させることが可能となった。
また、無機ガラス系封孔剤(70)は硬化すると無機系ポリマーとなって水に溶出しないので純水度を低下しない。
なお、無機ガラス系封孔剤(70)によって固定する構成は、溶接によって固定する方法に比べて製造効率が向上する場合もある。
【００１２】
（第一の発明のバリエーション１）
第二の発明は、以下のようなバリエーションを提供することもできる。
すなわち、 前記管板(44,44)と前記複数のバッフル(41,41,・・)に、前記複数のロッド部材(47,47)を挿入するロッド部材用孔(43,43,43,・・・)を設け、前記ロッド部材用孔(43,43,43,・・・)に挿入したロッド部材(47,47)へ前記管板(44,44)と前記複数のバッフル(41,41,・・)を無機ガラス系封孔剤(70)にて接着固定してもよい。
【００１３】
（作用）
複数のバッフル(41,41,・・)に形成した複数の各ロッド部材用孔(43,43,43,・・・)へ、複数のロッド部材(47,47)を挿入することによって、複数のバッフル(41,41,・・)が複数のロッド部材(47,47)に安定した状態で支持される。そのため、無機ガラス系封孔剤(70)にて各バッフル(41)がロッド部材(47)へ確実に接着固定される。
【００１４】
（第二の発明）
本願における第二の発明は、第一の発明において必須構成要件としていた複数のロッド部材(47,47)を省略した構成をなす。
すなわち、第一熱交換流体(51)を流す複数のチューブ(40,40,40,・・・)と、その複数のチューブ(40,40,40,・・・)を収納して前記複数のチューブ(40,40,40,・・・)の外側を流れる第二熱交換流体(52)を流すシェル(20)と、そのシェル(20)の内部においてその長手方向に対して垂直な断面のほぼ半分を交互に塞ぐためにシェル(20)の長手方向へ適宜間隔を介して配置した複数のバッフル(41)と、前記複数のチューブ(40,40,40,・・・)の両端を保持する管板(44,44)と、を備えたシェルアンドチューブ型熱交換器(10)であって、
前記複数のチューブ(40,40,40,・・・)は、前記複数のバッフル(41)に形成した複数の各チューブ用孔(42)へ挿入して支持されるとともに、前記の全チューブ(40,40,40,・・・)の両端を前記管板(44,44)に形成した複数の各チューブ用孔(45)へ挿入して支持される構成とし、 前記複数のバッフル(41,41,・・)は、少なくとも２本のチューブ(40,40)へ無機ガラス系封孔剤(70)にて接着固定する構成であるとともに、前記管板(44,44)は、前記複数のチューブ(40)を無機ガラス系封孔剤(70)にて接着固定する構成とする。
【００１５】
（作用）
第二の発明は、第一の発明における作用効果に加え、以下のような効果をなす。
すなわち、複数のチューブ(40,40,40,・・・)が、複数のバッフル(41,41,・・)および管板(44,44)へ、無機ガラス系封孔剤(70)にて接着固定された構造であり、十分な強度を確保でき、ロッド部材(47,47)を省略できた。そのため、部品構成点数を減らし、軽量化や小型化に寄与する。
【００１６】
（第一の発明のバリエーション２、および第二の発明のバリエーション１）
第一の発明および第二の発明は、以下のようなバリエーションを提供することもできる。
すなわち、 前記無機ガラス系封孔剤(70)にて接着固定する対象部材の隙間を、５μｍより大きく、かつ、５００μｍより小さくすることが好ましい。
【００１７】
（作用）
対象部材の隙間が５μｍより大きく、かつ、５００μｍより小さい場合は、前記無機ガラス系封孔剤(70)によって適正な接着力が得られる。
【００１８】
（第一の発明のバリエーション３、および第二の発明のバリエーション２）
第一の発明および第二の発明は、以下のようなバリエーションを提供することもできる。
すなわち、 シェル(20)の内断面積Ｓｃに対する全チューブ(40,40,40,・・・)の内断面積Ｓｔの割合は、０．２〜０．３で、かつ１平方センチメートルの単位面積当たりのチューブ(40)本数が７〜９本であることが好ましい。
【００１９】
（作用）
シェル(20)内へ、１平方センチメートルの単位面積当たりのチューブ(40)を７〜９本という割合で、多く設けることによって、熱交換効率が向上する。
【００２０】
（第一の発明のバリエーション４、および第二の発明のバリエーション３）
第一の発明および第二の発明は、以下のようなバリエーションを提供することもできる。
すなわち、 前記シェル(20)と前記チューブ(40,40,40,・・・)と前記管板(44,44)と前記バッフル(41,41,・・)と前記ロッド部材(47,47)は、チタン材料で構成されることが好ましい。
【００２１】
（用語説明）
「チタン材料」とは、純チタンとチタン合金を含むものである。
【００２２】
（作用）
各部材を組立てる時の歪を最小限に抑える構造であるゆえに、熱交換器(10)をチタン材料で製作することができる。その結果、チタン材料で製作した熱交換器(10)は、第一熱交換流体(51)と第二熱交換流体(52)が純水または超純水であっても、不純物が溶出しにくいものである。特に、超純水の場合は純チタンであることが望ましい。
【発明の効果】
【００２３】
請求項１から請求項６に記載の発明によれば、チタン材料を用いて製作しても、シェル内断面において単位面積当たりのチューブの本数を増加することを可能とする。そのため、小さい口径のシェルにおいても、大きい口径のシェルにおいても熱交換効率を向上できるシェルアンドチューブ型熱交換器を提供することができた。
加えて、シェルアンドチューブ型熱交換器の製造効率を向上できる。また、溶接やロウ付けのように加熱不要の工程ゆえ熱変形が少なく、耐熱温度が低い材料にも適用可能な技術である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態のシェルアンドチューブ型熱交換器の要部断面を含む正面図である。
【図２】図１の矢視ＩＩ−ＩＩ線の断面図である。
【図３】図３（Ａ）〜（Ｃ）は、シェルアンドチューブ型熱交換器の組立工程を示す斜視図である。
【図４】図３（Ｃ）に続く組立工程を示す斜視図である。
【図５】本発明の他の実施形態のシェルアンドチューブ型の組立状態を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
本発明の実施形態に係るシェルアンドチューブ型熱交換器１０は、図１および図２に示すように、第一熱交換流体５１を流す複数のチューブ４０，４０，４０，・・・と、その複数のチューブ４０４０，４０，４０，・・・を収納して前記複数のチューブ４０４０，４０，４０，・・・の外側を流れる第二熱交換流体５２を流すシェル２０と、そのシェル２０の内部においてその長手方向に対して垂直な断面のほぼ半分を交互に塞ぐためにシェル２０の長手方向へ適宜間隔を介して配置した複数のバッフル４１，４１と、前記複数のチューブ４０の両端を保持する管板４４，４４と、を備えて構成される。
なお、以下においては、説明の簡略化のため、部品番号を繰り返さないで記載する。
【００２６】
前記シェル２０は、筒状体をなし、本実施形態では円筒形状をなしている。その長手方向の一端側（図１において右端側）に、第一熱交換流体５１が流入する第一流入口２２を設けている。一方、シェル２０の長手方向の他端側（図１において左端側）に、第一熱交換流体５１が流出する第一流出口２４を設けている。
さらに、前記シェル２０の外周には、前記第二熱交換流体５２が流入する第二流入口２６を、前記第一流出口２４の近くに位置して設けている。一方、前記第二熱交換流体５２が流出する第二流出口２８を、前記第一流入口２２の近くに位置して設けている。
【００２７】
更に詳しく説明する。
第二流入口２６を有する管体２７が、円筒形状をなすシェル本体２１の外周の上記位置に設けた貫通孔部へ連通するように溶接６０で一体的に取り付けられている。一方、第二流出口２８を有する管体２９が、前記シェル本体２１の外周の上記位置に設けた貫通孔部へ連通するように溶接６０(図１では図示省略)で一体的に取り付けられている。
【００２８】
また、シェル２０の内部では、複数のチューブ４０の図１において右端を保持する管板４４が、前記第二流出口２８より右側の位置にて、その第二流出口２８と前記第一流入口２２との間を遮断するように、シェル２０の内周面に溶接６１で閉塞固定している。 一方、図１では図示省略しているが、上記と同様にして、複数のチューブ４０の図１において左端を保持する管板４４が、前記第二流入口２６より左側の位置にて、その第二流入口２６と前記第一流出口２４との間を遮断するように、シェル２０の内周面に溶接６１で閉塞固定している。上記の左側の各部材は、図３および図４に示されている。
したがって、前記第一流入口２２と前記複数のチューブ４０の流入口が連通し、前記複数のチューブ４０の流出口と前記第一流出口２４が連通する。
【００２９】
図１および図４に示すように、前記シェル本体２１の両端の内周面には、前記管板４４を嵌め込むための段付き部３１が形成されている。その段付き部３１へ嵌め込んだ管板４４とシェル本体２１の端縁を全周溶接６１で一体的に固定する。
さらに、第一流入口２２を有する管体２３が、前記管板４４に露出した複数のチューブ４０の流入口と連通するように、前記シェル本体２１の右端へ全周溶接６１で一体的に取り付けられている。 一方、第一流出口２４を有する管体２５が、前記管板４４に露出した複数のチューブ４０の流出口と連通するように、前記シェル本体２１の左端へ全周溶接６１で一体的に取り付けられている。
【００３０】
また、前記シェル２０の内部は、複数のバッフル４１がシェル２０の長手方向に対して垂直な断面のほぼ半円部分を交互に塞ぐように、シェル２０の長手方向へ適宜間隔を介して配置されている。
【００３１】
上記構成によって、第一熱交換流体５１は、シェル２０の長手方向の一端側の第一流入口２２から各チューブ４０の流入口を経てチューブ４０内を流れ、各チューブ４０の流出口からシェル２０の長手方向の他端側の第一流出口２４へ流れる。 一方、第二熱交換流体５２が、シェル２０の外周の第二流入口２６からシェル２０の内部へ流入する。その第二熱交換流体５２は、シェル２０内において各チューブ４０の外側をチューブ４０内の第一熱交換流体５１の流れ方向とは逆方向へ流れる。しかも、複数のバッフル４１にて案内されて複数のチューブ４０の間を通過して、シェル２０内をジグザグに流れる。
その過程で、第一熱交換流体５１と第二熱交換流体５２が熱交換される。その熱交換した第二熱交換流体５２はシェル２０の外周の第二流出口２８へ流れることになる。
【００３２】
次に、本実施形態のシェルアンドチューブ型熱交換器１０の組立構造およびその方法について、詳しく説明する。
【００３３】
前記各バッフル４１は、図３（Ａ）および図３（Ｂ）に示すように、前記各チューブ４０を挿入可能な複数のチューブ用孔４２と、複数のロッド部材４７を挿入可能な複数のロッド部材用孔４３が形成されている。 また、前記管板４４は、図３（Ｃ）に示すように、前記各チューブ４０を挿入可能な複数のチューブ用孔４５と、複数のロッド部材４７を挿入可能な複数のロッド部材用孔４６が形成されている。
【００３４】
上記の複数のチューブ４０は、図３（Ａ）に示すように、複数のバッフル４１に形成した複数の各チューブ用孔４２へ挿入して支持される。さらに、前記複数のバッフル４１は、図３（Ｂ）に示すように、チューブ４０の長手方向と同じ方向に延伸した複数のロッド部材４７を、前記各ロッド部材用孔４３へ挿入することによって、前記複数のロッド部材４７にて支持される構成である。
また、前記複数のチューブ４０の両端は、前記管板４４に形成した複数の各チューブ用孔４５へ挿入して支持される。 さらに、前記複数のロッド部材４７は、その両端を前記管板４４の各ロッド部材用孔４６へ挿入することによって支持される構成である。なお、図３では、２本のロッド部材４７が使用されている。
【００３５】
その組立方法は、図３（Ａ）に示すように、複数のチューブ４０がバッフル４１の各チューブ用孔４２へ挿入される。また、図３（Ｂ）に示すように、２本のロッド部材４７もバッフル４１の各ロッド部材用孔４３へ挿入される。同じようにして、図３（Ｃ）に示すように、複数のバッフル４１が上下に対称となる位置で交互に配置するように、２本のロッド部材４７と複数のチューブ４０を複数のバッフル４１へ差し込んでいく。複数のバッフル４１は、２本のロッド部材４７および複数のチューブ４０の長手方向において適宜間隔を介して所定の位置へ配置される。
【００３６】
次に、複数のチューブ４０の図４において左側の一端が、管板４４の複数のチューブ用孔４５へ差し込まれる。また、２本のロッド部材４７も図４において左側の一端が、管板４４の２つのロッド部材用孔４６へ差し込まれる。図４に示すように、２本のロッド部材４７の端部と管板４４のロッド部材用孔４６が無機ガラス系封孔剤７０にて接着固定される。次いで、複数の各バッフル４１のロッド部材用孔４３と各ロッド部材４７が無機ガラス系封孔剤７０にて接着固定される。
【００３７】
次に、無機ガラス系封孔剤７０について詳しく説明する。
本実施形態では、無機ガラス系封孔剤７０は、アルコキシシラン化合物またはその部分加水分解縮合物と、硬化触媒とを少なくとも含有している。これに無機顔料を含有することもできる。無溶剤であり、粘度および表面張力が低いことによって、１μｍ程度の微細孔へも、空気を置換しながら浸透していく特性をもっている。したがって、その浸透過程において、空気中の水を吸収したアルコキシシランは、徐々にその水と反応して無機系ポリマーを形成し、硬化してゆく。 なお、ここで重合・硬化した無機系ポリマーは１００％ガラス系、すなわち酸化ケイ素であり，炭素等の有機基を含まない。
【００３８】
一般的に、無機ガラス系封孔剤７０は、塗料と同じように、材料の表面に耐食性ならびに防錆に優れた皮膜を形成する用途で使用されるものであるが、本実施形態では、複数の対象部材を接着固定する用途で使用する。なお、上記の対象部材としては、チューブ４０、管板４４、バッフル４１、ロッド部材４７である。
【００３９】
金属等の材料の表面にはミクロンオーダの微細孔がたくさんある。すなわち、接着固定する対象部材の表面にもミクロンオーダの微細孔がたくさんある。無機ガラス系封孔剤７０を２つの対象部材間の隙間へ流し込むように塗布すると、アルコキシシランが各対象部材の微細孔へ浸透し、硬化して無機系ポリマーとなって微細孔を塞ぐことになる。前記無機系ポリマーは、２つの対象部材の表面の微細孔へ、あたかも木の根が土中にしっかり根付くように浸透して硬化するので、２つの対象部材が無機ガラス系封孔剤７０によって接着固定されることとなる。
【００４０】
また、無機系ポリマーは水に溶出しない。また、無機ガラス系封孔剤７０は無溶剤であるので、容易に使用できるため、熱交換器１０の製造効率を高くすることができる。
【００４１】
なお、接着固定する対象部材の隙間をＳとすると、上記の無機ガラス系封孔剤７０によって適正な接着力を得るには、前記隙間Ｓが、５μｍより大きく、かつ、５００μｍより小さくすることが好ましい。つまり、５μｍ＜Ｓ＜５００μｍであることが好ましい。
例えば、チューブ４０の外形寸法をｄとし、管板４４のチューブ用孔４５の外形寸法をＤとすると、Ｄ−ｄは、５μｍより大きく、かつ、５００μｍより小さくすることが好ましい。つまり、５μｍ＜（Ｄ−ｄ）＜５００μｍであることが好ましい。この場合、チューブ４０が管板４４のチューブ用孔４５の中へ均等に挿入されるなら、前記隙間Ｓは（Ｄ−ｄ）/２となるが、通常は偏りが生じるので、上記の範囲では、確実に適正な接着力を得ることができる。
【００４２】
以上のことから、一端側の管板４４および複数のバッフル４１が、２本のロッド部材４７へ無機ガラス系封孔剤７０にて位置決め接着固定される。一方、複数のバッフル４１の各チューブ用孔４２と複数のチューブ４０は、無機ガラス系封孔剤７０にて固定されていない状態である。すなわち、複数のチューブ４０は、管板４４の各チューブ用孔４５および複数のバッフル４１の各チューブ用孔４２によって保持される状態となる。
しかし、無機ガラス系封孔剤７０による接着固定方法は、接着の対象部材に対する歪などの影響が少ないので、チューブ４０をバッフル４１のチューブ用孔４２へ無機ガラス系封孔剤７０にて接着固定しても良い。
【００４３】
なお、複数の各バッフル４１は、その端縁がロッド部材４７へ無機ガラス系封孔剤７０にて位置決め接着固定されてもよいので、必ずしも各バッフル４１に前述したロッド部材用孔４３を形成しなくてもよい。
しかし、ロッド部材４７が複数の各バッフル４１のロッド部材用孔４３へ挿入されることによって、複数の各バッフル４１は複数のロッド部材４７にて安定した状態で支持される。そのため、無機ガラス系封孔剤７０にて各バッフル４１がロッド部材４７へ確実に接着固定されるという点で、ロッド部材用孔４３を設けたほうが望ましい。
【００４４】
上記のように組み立てられた複数のチューブ４０は、その一端側（図４において右端側）からシェル本体２１内へ挿入される。前記管板４４がシェル本体２１の左端の段付き部３１へ嵌め込まれる。複数のチューブ４０および２本のロッド部材４７の図４において右端側が、シェル本体２１の右端から突出する。この突出した複数のチューブ４０および２本のロッド部材４７の右端を、もう一つの管板４４の複数のチューブ用孔４５および２つのロッド部材用孔４６へ差し込んでいく。そして、前記管板４４はシェル本体２１の図４において右端の段付き部３１へ嵌め込まれる。
【００４５】
シェル本体２１の両端縁と各管板４４が、図１に示すように、全周が溶接６１で一体的に固定される。次いで、複数の各チューブ４０の両端縁が各管板４４のチューブ用孔４５へ無機ガラス系封孔剤７０にて接着固定される。また、２本のロッド部材４７の右端が管板４４のロッド部材用孔４６へ無機ガラス系封孔剤７０にて接着固定される。
したがって、複数のチューブ４０を保持する両端の管板４４と複数のバッフル４１が、複数のロッド部材４７へ、溶接ではなく、無機ガラス系封孔剤７０にて接着固定しているので、従来のような溶接やロウ付けによるチューブ４０へ与える熱歪みなどの影響が少ない。
なお、シェル本体２１の両端縁と各管板４４は、その全周を上記の溶接６１に変えて無機ガラス系封孔剤７０にて一体的に接着固定しても良い。
【００４６】
次に、第一流入口２２を有する管体２３が、図１に示すように、シェル本体２１の右端へ全周溶接６１で一体的に取り付けられる。一方、第一流出口２４を有する管体２５が、図１に示すように、シェル本体２１の左端へ全周溶接６１で一体的に取り付けられる。
【００４７】
以上のことから、シェルアンドチューブ型熱交換器１０は、複数のチューブ４０が、両端の管板４４に形成したチューブ用孔４５と複数のバッフル４１に形成したチューブ用孔４２へ挿入して保持される構成とし、複数のバッフル４１へ固定しないで組み立てる組立構造である。しかも、複数のチューブ４０を保持する両端の管板４４と複数のバッフル４１を、複数のロッド部材４７へ無機ガラス系封孔剤７０にて接着固定しているので、チューブ４０へ与える歪みなどの影響を少なくすることができる。
その結果、複数のチューブ４０と、複数の管板４４と、複数のバッフル４１の寸法精度を向上させることができるので、薄肉で小径のチューブ４０を数多く組み付けることが可能となった。
しかも、無機ガラス系封孔剤７０は硬化すると無機系ポリマーとなって水に溶出しないので純水度を低下しない。また、無機系ポリマーは１００％ガラス系であるので、耐熱性に優れ、強酸性などの薬液や排気ガスに対しても耐食性に優れる。
また、無機ガラス系封孔剤７０による接着固定方法は、溶接等の固定方法に比べて製造効率が向上するので、チューブ４０の本数を多くしても効率よく製作することができる。
【００４８】
例えば、シェル本体２１の外径寸法が２０〜６０ｍｍである、シェルアンドチューブ型熱交換器１０を例にとって説明する。なお、チューブ４０は内径が２ｍｍで、肉厚が０．３ｍｍである。
シェル本体２１の内径Ｄｃが１８．７ｍｍの場合、チューブ４０の本数Ｎｔは２０本である。以下、Ｄｃが２４．２ｍｍの場合、Ｎｔは３５本である。Ｄｃが３０．０ｍｍの場合、Ｎｔは５５本である。Ｄｃが３８．７ｍｍの場合、Ｎｔは１０５本である。Ｄｃが４４．６ｍｍの場合、Ｎｔは１３７本である。Ｄｃが５６．５ｍｍの場合、Ｎｔは２２３本である。
【００４９】
上記の場合、シェル本体２１内に配置された、１平方センチメートルの単位面積当たりのチューブ４０の本数は、７．２９〜８・８９となっている。
また、シェル本体２１の内径断面積、つまりシェル内断面積をＳｃとし、複数のチューブ４０の合計内断面積、つまり複数チューブ全体の内断面積をＳｔとすると、断面積比Ｓｔ/Ｓｃは、０．２３〜０．２８の範囲にあるというデータが得られた。
したがって、チューブ４０の内径寸法に関係なく、断面積比Ｓｔ/Ｓｃが、０．２〜０．３で、かつ１平方センチメートルの単位面積当たりのチューブ本数が７〜９本であるシェルアンドチューブ型熱交換器１０を製作することができた。
【００５０】
上述したように、シェル２０内に単位面積当たりのチューブ４０の本数を多くすることができるので、熱交換効率を向上することができる。
また、上述した例では、チューブ４０の本数が最高で２２３本であるが、例えば１０００本以上に多くすることができる。その場合、チューブ４０の本数に伴ってシェル本体２１は太くなるが、熱交換器１０の熱交換容量は増大する。チューブ４０を１０００本以上に多くしても、チューブ４０、管板４４、バッフル４１、ロッド部材４７などの対象部材は、無機ガラス系封孔剤７０によって効率よく接着固定することができる。したがって、熱交換器１０を効率よく製作することができる。
【００５１】
上記の理由で、シェル２０、チューブ４０、管板４４、バッフル４１、ロッド部材４７がチタン材料であっても、無機ガラス系封孔剤７０にて接着固定して組立てることによって、熱交換器１０を高精度に、かつ効率よく製作することができる。
なお、本実施形態では、チタン材料とは、純チタンとチタン合金を含むものをいう。例えば、純チタンは、ＪＩＳ１種、ＪＩＳ２種などである。一方、チタン合金は、高力合金系のＪＩＳ６０種やＪＩＳ６１種、また１５−３−３−３合金などがある。さらに、耐食系合金としては、ＪＩＳ１１種、ＪＩＳ１２種などがある。
【００５２】
しかも、チタン材料で製作された熱交換器１０は、第一熱交換流体５１と第二熱交換流体５２が純水または超純水であっても不純物が溶出しにくいものとなる。
なお、超純水とは、電気抵抗率が１８ＭΩｃｍ、または電気伝導度が０．０５５μＳ/ｃｍである。超純水は、ステンレスをイオン化して溶出してしまうので、純チタン製であることが求められる。また、純水（高レベル）とは、電気抵抗率が２〜１０ＭΩｃｍ、または電気伝導度が０．１μＳ/ｃｍである。銅やニッケルロウ材を溶出させる力をもつ。純水（低レベル）とは、電気抵抗率が１〜２ＭΩｃｍ、または電気伝導度が０．５μＳ/ｃｍであり、蒸留水とも称する。
【００５３】
したがって、チタン製の熱交換器１０を製作することで、ステンレス製では不可能であった腐食防止と、排熱環境の向上を図ることができる。
これに加えて、前述したように、対象部材を接着固定するための無機ガラス系封孔剤７０が硬化すると、１００％ガラス系の無機系ポリマーとなるので、水に溶出しないので純水度を低下しないし、強酸性などの薬液や排気ガスに対しても耐食性に優れる。したがって、第一熱交換流体５１および第二熱交換流体５２は、その一方の流体を高温の排気ガスとし、他方の流体を空気とした場合にも適用できる。
なお、上記の高温の排気ガスとしては、例えば、電気炉、重油等によるガス炉などの溶解炉の排気ガスがある。その他の設備から排出される排気ガスに対しても適用される。すなわち、本願のシェルアンドチューブ型熱交換器１０は、上記の排気ガス管路へ設置することができる。
【００５４】
次に、本発明の他の実施形態に係るシェルアンドチューブ型熱交換器１１について図面を参照して説明する。なお、前述したシェルアンドチューブ型熱交換器１０と同様の部材は同じ符号を付して同様の部分の詳しい説明は省略し、主に異なる点について説明する。
この実施形態の熱交換器１１が前述の熱交換器１０と異なる点は、複数のロッド部材４７を使用せず、図５に示すように、複数の各バッフル４１が少なくとも２本のチューブ４０へ無機ガラス系封孔剤７０にて接着固定されることである。
無機ガラス系封孔剤７０にて接着固定する工程は常温で行われるため、作業に起因する熱ひずみ等の影響は少なく、複数のロッド部材４７を使用しなくても、バッフル４１をチューブ４０へ接着固定することができる。その結果、複数のロッド部材４７を省略できるとともに、ロッド部材４７を省略した箇所にチューブ４０を配置することによって、チューブ４０の本数を増やすことができる。その他の構成は、前述の熱交換器１０と同様である。
なお、前述の熱交換器１０のように複数のロッド部材４７を使用した場合は、複数のチューブ４０を支持するための全体の強度を高くする効果がある。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明は、シェルアンドチューブ型熱交換器の製造業、メンテナンス業などにおいて利用可能性を有する。
【符号の説明】
【００５６】
１０、１１ シェルアンドチューブ型熱交換器
２０ シェル ２１ シェル本体
２２ 第一流入口 ２３ 管体
２４ 第一流出口 ２５ 管体
２６ 第二流入口 ２７ 管体
２８ 第二流出口 ２９ 管体
３１ 段付き部
４０ チューブ ４１ バッフル
４２ チューブ用孔 ４３ ロッド部材用孔
４４ 管板 ４５ チューブ用孔
４６ ロッド部材用孔 ４７ ロッド部材
５１ 第一熱交換流体 ５２ 第二熱交換流体
６０ 溶接 ６１ 溶接
７０ 無機ガラス系封孔剤
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一熱交換流体を流す複数のチューブと、その複数のチューブを収納して前記複数のチューブの外側を流れる第二熱交換流体を流すシェルと、そのシェルの内部においてその長手方向に対して垂直な断面のほぼ半分を交互に塞ぐためにシェルの長手方向へ適宜間隔を介して配置した複数のバッフルと、前記複数のチューブの両端を保持する管板と、を備えたシェルアンドチューブ型熱交換器において、
前記複数のチューブは、前記複数のバッフルに形成した複数の各チューブ用孔へ挿入して支持されるとともに、前記複数のチューブの両端を前記管板に形成した複数の各チューブ用孔へ挿入して支持される構成とし、
前記複数のバッフルは、チューブの長手方向と同じ方向に延伸した複数のロッド部材へ無機ガラス系封孔剤にて接着固定する構成であるとともに、前記管板は、前記複数のロッド部材および前記複数のチューブを無機ガラス系封孔剤にて接着固定する構成としたシェルアンドチューブ型熱交換器。
【請求項２】
前記管板と前記複数のバッフルに、前記複数のロッド部材を挿入するロッド部材用孔を設け、 前記ロッド部材用孔に挿入したロッド部材へ前記管板と前記複数のバッフルを無機ガラス系封孔剤にて接着固定した請求項１記載のシェルアンドチューブ型熱交換器。
【請求項３】
第一熱交換流体を流す複数のチューブと、その複数のチューブを収納して前記複数のチューブの外側を流れる第二熱交換流体を流すシェルと、そのシェルの内部においてその長手方向に対して垂直な断面のほぼ半分を交互に塞ぐためにシェルの長手方向へ適宜間隔を介して配置した複数のバッフルと、前記複数のチューブの両端を保持する管板と、を備えたシェルアンドチューブ型熱交換器において、
前記複数のチューブは、前記複数のバッフルに形成した複数の各チューブ用孔へ挿入して支持されるとともに、前記複数のチューブの両端を前記管板に形成した複数の各チューブ用孔へ挿入して支持される構成とし、
前記複数のバッフルは、少なくとも２本のチューブへ無機ガラス系封孔剤にて接着固定する構成であるとともに、前記管板は、前記複数のチューブを無機ガラス系封孔剤にて接着固定する構成としたシェルアンドチューブ型熱交換器。
【請求項４】
前記無機ガラス系封孔剤にて接着固定する対象部材の隙間を、５μｍより大きく、かつ、５００μｍより小さくした請求項１から請求項３のいずれかに記載のシェルアンドチューブ型熱交換器。
【請求項５】
シェル内断面積に対する複数チューブ全体の内断面積の割合は、０．２〜０．３で、かつ１平方センチメートルの単位面積当たりのチューブ本数が７〜９本とした請求項１から請求項４のいずれかに記載のシェルアンドチューブ型熱交換器。
【請求項６】
前記シェル、前記チューブ、前記管板、前記バッフルおよび前記ロッド部材は、チタン材料で構成されることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載のシェルアンドチューブ型熱交換器。
【請求項１】
第一熱交換流体を流す複数のチューブと、その複数のチューブを収納して前記複数のチューブの外側を流れる第二熱交換流体を流すシェルと、そのシェルの内部においてその長手方向に対して垂直な断面のほぼ半分を交互に塞ぐためにシェルの長手方向へ適宜間隔を介して配置した複数のバッフルと、前記複数のチューブの両端を保持する管板と、を備えたシェルアンドチューブ型熱交換器において、
前記複数のチューブは、前記複数のバッフルに形成した複数の各チューブ用孔へ挿入して支持されるとともに、前記複数のチューブの両端を前記管板に形成した複数の各チューブ用孔へ挿入して支持される構成とし、
前記複数のバッフルは、チューブの長手方向と同じ方向に延伸した複数のロッド部材へ無機ガラス系封孔剤にて接着固定する構成であるとともに、前記管板は、前記複数のロッド部材および前記複数のチューブを無機ガラス系封孔剤にて接着固定する構成としたシェルアンドチューブ型熱交換器。
【請求項２】
前記管板と前記複数のバッフルに、前記複数のロッド部材を挿入するロッド部材用孔を設け、 前記ロッド部材用孔に挿入したロッド部材へ前記管板と前記複数のバッフルを無機ガラス系封孔剤にて接着固定した請求項１記載のシェルアンドチューブ型熱交換器。
【請求項３】
第一熱交換流体を流す複数のチューブと、その複数のチューブを収納して前記複数のチューブの外側を流れる第二熱交換流体を流すシェルと、そのシェルの内部においてその長手方向に対して垂直な断面のほぼ半分を交互に塞ぐためにシェルの長手方向へ適宜間隔を介して配置した複数のバッフルと、前記複数のチューブの両端を保持する管板と、を備えたシェルアンドチューブ型熱交換器において、
前記複数のチューブは、前記複数のバッフルに形成した複数の各チューブ用孔へ挿入して支持されるとともに、前記複数のチューブの両端を前記管板に形成した複数の各チューブ用孔へ挿入して支持される構成とし、
前記複数のバッフルは、少なくとも２本のチューブへ無機ガラス系封孔剤にて接着固定する構成であるとともに、前記管板は、前記複数のチューブを無機ガラス系封孔剤にて接着固定する構成としたシェルアンドチューブ型熱交換器。
【請求項４】
前記無機ガラス系封孔剤にて接着固定する対象部材の隙間を、５μｍより大きく、かつ、５００μｍより小さくした請求項１から請求項３のいずれかに記載のシェルアンドチューブ型熱交換器。
【請求項５】
シェル内断面積に対する複数チューブ全体の内断面積の割合は、０．２〜０．３で、かつ１平方センチメートルの単位面積当たりのチューブ本数が７〜９本とした請求項１から請求項４のいずれかに記載のシェルアンドチューブ型熱交換器。
【請求項６】
前記シェル、前記チューブ、前記管板、前記バッフルおよび前記ロッド部材は、チタン材料で構成されることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載のシェルアンドチューブ型熱交換器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−７２９２３（Ｐ２０１２−７２９２３Ａ）
【公開日】平成２４年４月１２日（２０１２．４．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２１６１４５（Ｐ２０１０−２１６１４５）
【出願日】平成２２年９月２７日（２０１０．９．２７）
【出願人】（５０９１９９５７９）ＭＤＩ株式会社 (6)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月１２日（２０１２．４．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月２７日（２０１０．９．２７）
【出願人】（５０９１９９５７９）ＭＤＩ株式会社 (6)
【Ｆターム（参考）】
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