JP2011058786A

JP2011058786A - 熱交換器

Info

Publication number: JP2011058786A
Application number: JP2009212479A
Authority: JP
Inventors: Kiyotaka Hatta; 清隆八田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-09-14
Filing date: 2009-09-14
Publication date: 2011-03-24

Abstract

【課題】小型で熱交換効率が高く、かつ、コスト的にも安価で高純度薬品や超純水等の流体の加熱又は冷却用に好適な熱交換器を提供する。
【解決手段】複数本の細管１３と、この細管１３を収容するシェル１０と、このシェル１０に設けられ、細管１３に第一の流体を流入させる第一の流体流入部１４及び細管１０から第一の流体を流出させる第一の流体流出部１５と、シェル１０に設けられ、シェル１０内に第二の流体を流入させる第二の流体流入部１７及びシェル１０から第二の流体を流出させる第二の流体流出部１８とを有し、細管１３，第一の流体流入部１４，第一の流体流出部１５，シェル１０，第二の流体流入部１７及び第二の流体流出部１８を純チタンで形成し、これらの接合部のうち少なくとも一つは純チタンで形成された溶着部材により溶着・接合した。
【選択図】図１

Description

本発明は、多数本の薄肉細管をシェル内に収容し、薄肉細管内に流す流体とシェル内に流す流体との間で熱交換を行う熱交換器に関する。

金属イオンを嫌う半導体等の製造においては、高純度薬品や超純水等の流体の加熱又は冷却用に、樹脂製の熱交換器が使用されている。この熱交換器は、テフロン（登録商標）等で形成された長尺の樹脂チューブをロール状に巻回したものを主要な構成要素としている。
しかし、この種の熱交換器では、樹脂チューブが高価であるうえ、樹脂の熱伝導性が小さいことから、樹脂チューブの長さが長くなり、ロール径が大きくなって熱交換器が大型化するという問題がある。
ところで、樹脂製の熱交換器としては、例えば特許文献１，２に記載するように、多数の細管を束ねてシェル内に収容し、細管内に超純水等の流体を流し、シェル内に冷却水を流して熱交換を行うもので、特許文献１
には、チューブ以外の主構成要素に耐熱、耐蝕性合成樹脂を使用したものであり、特許文献２に記載の発明は、前記の発明に加え、チューブにカーボン繊維入り合成樹脂材料を使用したものである。
しかし、これら文献に記載の熱交換器は、樹脂材料で構成されてはいるものの、熱交換器を構成する各構成部材がボルト・ナットにより結合されているため、金属イオンを嫌う半導体等の製造工程では使用することができない。
また、前記したように、樹脂材料は熱伝導性が低いことから、特許文献１，２に記載の熱交換器を複数使用するか熱交換器を大型にしなければならず、熱交換器の小型、コンパクト、低コストという問題を解決することはできない。
さらに、熱伝導性に優れる金属を用いた熱交換器も種々知れているが（特許文献３〜５参照）、やはり、金属イオンを嫌う半導体等の製造工程では使用することができないという問題がある。

特開平９−６１０７１号公報特開平１１−３３７２９５号公報特開２００５−２８３０４０号公報特開２０００−７４５７６号公報特開平１１−４７２６９号公報

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、特に高純度薬品や超純水等の流体の加熱又は冷却用に好適で、小型で熱交換効率が高く、かつ、コスト的にも安価な熱交換器の提供を目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、流体が流通する複数本の細管と、この複数本の細管を束ねて収容するシェルと、このシェルの一端に設けられ、前記細管の各々に第一の流体を流入させる第一の流体流入部と、前記シェルの他端に設けられ前記細管束から第一の流体を流出させる第一の流体流出部と、前記シェルに設けられ、前記シェル内に第二の流体を流入させる第二の流体流入部と、前記シェルから前記第二の流体を流出させる第二の流体流出部とを有し、前記細管，前記第一の流体流入部，前記第一の流体流出部，前記シェル，第二の流体流入部及び第二の流体流出部を純チタンで形成するとともに、前記細管と前記第一の流体流入部及び第一の流体流出部、前記シェルと前記第一の流体流入部及び第一の流体流出部、前記シェルと第二の流体流入部及び第二の流体流出部のうちの少なくとも一つを純チタンで形成された溶着部材により溶着・接合した構成としてある。
細管の内径及び肉厚は、請求項２に記載するように、前記細管の内径が１．５ｍｍ〜３．０ｍｍ、肉厚が０．２〜０．３ｍｍとするとよい。このような細管をシェルの内径に応じて２０本〜２００本程度束ねてシェル内に収容する。
本発明では、さらに熱交換性を高めるために、請求項３に記載するように、前記細管に凹凸加工を施してもよい。凹凸は、前記細管を形成する工程でスウェージング加工を施して形成してもよいし、細管形成後に溝切削やローレット加工等で形成してもよい。
溶着部材による溶着は、請求項４に記載するように、溶着しようとする部材の一方に嵌め付けられる環状の部材として形成され、前記溶着部材に電極を押し当てて電圧を印加することで、各部材を溶着するとともに、部材間の隙間を充填するものとするとよい。

本発明に係る熱交換器は、全てを純チタン材料で形成しているので、金属イオンを発生させるおそれがなく、半導体製造工程や医療現場のように流体中の金属イオンを嫌う工程でも使用が可能である。また、純チタンは樹脂に比して熱伝導性が高いため、熱交換器を大幅に小型化することができる。
このように本発明では、半導体の製造工程のように流体中の金属イオンを嫌う種々の工程に最適な熱交換器を提供することができる。
本発明の熱交換器は、全体が純チタンで形成されているので、汚れが付着しにくく錆も発生しない。そのため、高純度薬品や超純水のような純度の高い流体に限らず、水道水や排気ガスなどの一般流体の熱交換に用いても、メンテナンスフリーで長期に亘って性能を維持することが可能である。

以下、本発明の好適な実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１（ａ）は本発明の一実施形態にかかる熱交換器の分解図、図１（ｂ）は熱交換器の組立図である。

図１（ａ）に示すように、本発明の熱交換器１は、第一の流体である純水が流通する細管１３と、複数本の細管１３を束ねて収容する円筒状のシェル１０と、このシェル１０の一端に設けられ、細管１３の各々に純水を流入させる純水流入部材１４と、シェル１０の他端に設けられ細管１３の束から純水を流出させる純水流出部材１５と、シェル１０の純水流入部材１４と純水流出部材１５との間に設けられ、シェル１０の外周面に形成された流体流入孔１１からシェル１０の内部に第二の流体である冷却水を流入させる冷却水流入部材１７と、シェル１０の外周面に形成された流体流出孔１２から冷却水を流出させる冷却水流出部材１８とを有する。
純水流入部材１４、純水流出部材１５、冷却水流入部材１７及び冷却水流出部材１８の内周面には、図示しない純水流通管や冷却水流通管を接続するための螺旋を形成してもよい。

図２は（ａ）は細管１０の断面図、（ｂ）はシェル１０内における細管１０の配置例である。
細管１３の内径Ｄは小さいほど多数本の細管１３をシェル１０内に収容することができ、肉厚ｔは小さいほど熱交換性を高めることができる。内径Ｄと肉厚ｔ及び細管１３の本数とから求められる細管１３の表面積は、大きいほど熱交換性を高めることができる。その一方で、細管１３の内径Ｄを小さくすると、冷却水の流通抵抗が増大して純水を流通させにくくなる傾向にある。
そのため、上記の関係から最適な内径Ｄ，肉厚ｔ及び本数を決定する必要がある。細管１３の好適な内径Ｄ１は１．５ｍｍ〜３．０ｍｍ程度、肉厚ｔは０．２mm〜０．３ｍｍ程度で、本数はシェル１０の内径に応じて２０本から２００本程度とする。
また、細管１３の配置は、図２（ｂ）に示すように、細管１３と細管１３との間に冷却水が流通できる隙間が形成できるのであれば、千鳥配置（図２（ｂ）(i)）であってもよいし、平行配置（同(ii)）であってもよい。

図３は、細管１３に凹凸を形成した実施形態である。
図３（ａ）の例では、細管１３の表面に突起１３ａ（又は溝１３ｂ）が形成されている。
図３（ｂ）の例では、細管１３は、スウェージング加工により凹凸状に形成されている。
図３（ｃ）の例では、細管１３の表面に螺旋状の溝１３ｃが形成されている。
このようにすることで、細管１３の表面積を増大させて熱交換性を高めることができ、ひいては、熱交換器１をさらに小型にすることができる。

純水流入部材１４及び純水流出部材１５は、有底筒状に形成され、底部に細管１３の先端を挿入して取り付けるための複数の孔１４ａ，１５ａが形成されている。前記底部と純水流入部材１４及び純水流出部材１５とは一体に形成されていてもよいし、底部部材を別体に形成して溶接により純水流入部材１４及び純水流出部材１５に取り付けるようにしてもよい。孔１４ａ，１５ａの配置は、シェル１０内における細管１３の配置に合わせ、孔１４ａ，１５ａの内径は、細管１３の外径にほぼ一致させる。そして、細管１３をこの孔１４ａ，１５ａに挿入して前記底部に取り付けることで、細管１３の両端が固定され、細管１３の束がシェル１０内で保持される。

本発明においては、細管１３，純水流入部材１４，純水流出部材１５，シェル１０，冷却水流入部材１７及び冷却水流出部材１８を純チタンで形成している。
そして、前記底部が純水流入部材１４及び純水流出部材１５に一体に形成されている場合は、細管１３の一端を純水流入部材１４の底部に取り付け、この状態で細管１３の束をシェル１０の内部に挿入し、純水流入部材１４をシェル１０の一端に取り付ける。また、純水流出部材１５をシェル１０の他端に取り付けた後、細管１３の他端を純水流出部材１５の底部を取り付ける。
また、前記底部部材と純水流入部材１４及び純水流出部材１５とが別体の場合は、純水流入部材１４及び純水流出部材１５をシェル１０の両端に取り付けた後、
細管１３の一端を取り付けた一方（例えば純水流入部材１４）側の底部部材を、細管１３とともにシェル１０の中に挿入する。そして、他方（例えば純水流出部材１５）側の底部部材に細管１３の他端を取り付け、一端側及び他端側の底部部材を純水流入部材１４及び純水流出部材１５に取り付ける。
さらに、シェル１０の外周面に冷却水流入部材１７と冷却水流出部材１８とを取り付けて、熱交換器１を完成させる。

これら各部材の取り付けは、例えば、純チタンを溶接材として使用した溶着によって行うことができる。
図４に各部材の取り付け例を示す。図４は、細管１３の一端と純水流入部材１４（又は他端と純水流出部材１５）との取り付け例を説明する部分拡大図である。
図４（ａ）に示すように、細管１３を純水流入部材１４の底部の孔１４ａに挿入し、先端の一部を孔１４ａから僅かに突出させる。そして、この突出部分に環状の溶接用リング１９を嵌合させ、溶接機の電極２０を溶接用リング１９に押し付ける。この状態で電極２０に電圧を印加すると、図４（ｂ）に示すように溶接用リング１９が溶けて細管１３と孔１４ａとの間の隙間を埋めつつ、細管１３と純水流入部材１４とを溶着する（溶着部を符号１４ｂで示す）。
なお、電極２０の表面積が大きくなり、印加電圧を大きくしなければならないようなときは、例えば図４（ｃ）に示すように、電極２０を複数（図示の例では８個）の部分電極２１に分割して、各部分電極２１に順番に電圧を印加するようにすればよい。

図５は、本発明の熱交換器の他の実施形態を示す断面図である。
図１の熱交換器と同一部位、同一部材には同一の符号を付して詳しい説明は省略する。
この実施形態の熱交換器は、純水流入部３５及び純水流入部３６がシェル３０と一体に形成されている。純水流入部３５及び純水流入部３６とシェル３０の本体部分との間には段付き部が形成され、この段付き部に多数の細管支持孔３６ａが貫通形成された板状の細管支持部材３６が溶接により取り付けられる。細管１４は、両端のそれぞれを細管支持孔３６ａに挿通させて細管支持部材３６に取り付けることで、シェル３０内で位置決め及び固定される。
純水流入部３５及び純水流入部３６への細管支持部材３６の取り付け及び細管１４の細管支持部材３６への取り付けは、純チタンを溶接材として使用した溶着によって行うことができる。
この実施形態の熱交換器では、先の実施形態に比して溶接箇所を減らすことができ、その分、熱交換器の組立が容易になるうえ、純水の漏洩が生じるおそれのある箇所を減らして熱交換器の信頼性を高めることができるという利点がある。

上記構成の熱交換器１，３は、図示しない純水の流通管の途中部位に、純水流入部材１４，３４と純水流出部材１５，３５とを介して接続される。また、図示しない冷却水の流通管の途中部位に、冷却水流入部材１７と冷却水流出部材１８とを介して接続される。そして、例えば図１（ｂ）に示すように、純水流入部材１４（３４）から細管１３に流入した純水は、純水流出部材１５（３５）まで流れる間に、冷却水流入部材１７からシェル１０内に流入して冷却水流出部材１８から流出する冷却水との間で、熱交換が行われる。
本発明の熱交換器１は、全ての部材及び結合部分が純チタンで形成されているので、純水中に金属イオンが溶出することがなく、かつ、腐食も発生しない。

本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。
例えば、シェル１０の内部に整流板を設けて、冷却水流入部材１７から流入した冷却水が、整流板によって流れの方向を変えながら冷却水流出部材１８から流出するようにしてもよい。
また、シェル１０の形状はストレート状に限らずＵ字状やＬ字状としてもよいし、さらに、シェル１０の断面形状は円形に限らず角形や楕円形でもよい。
また、本発明は、純水等の液体に限らず、排気ガス等の気体にも適用が可能である。

本発明の熱交換器は、液体や気体といった流体間で熱交換を行う必要のある工程で広範に適用が可能で、特に高純度薬品や超純水等の流体の加熱又は冷却を必要とする半導体の製造工程や医療現場での使用に特に適している。また、純チタンは汚れが付着しにくく錆ないので、高純度薬品や超純水等の流体に限らず、水道水や排気ガス等の一般流体の加熱や冷却にも適用が可能である。

図１（ａ）は本発明の一実施形態にかかる熱交換器の分解図、図１（ｂ）は熱交換器の組立図である。図２（ａ）は細管の断面図、図（ｂ）はシェル内における細管の配置例である。細管の他の実施形態である。細管の一端と純水流入部材との取り付け例を説明する部分拡大図である。本発明の熱交換器の他の実施形態を示す断面図である。

１熱交換器
１０シェル
１１冷却水流入孔
１２冷却水流出孔
１３細管
１４純水流入部材
１４ａ孔
１５純水流出部材
１７冷却水流入部材
１８冷却水流出部材

Claims

流体が流通する複数本の細管と、
この複数本の細管を束ねて収容するシェルと、
このシェルの一端に設けられ、前記細管の各々に第一の流体を流入させる第一の流体流入部と、
前記シェルの他端に設けられ前記細管束から第一の流体を流出させる第一の流体流出部と、
前記シェルに設けられ、前記シェル内に第二の流体を流入させる第二の流体流入部と、
前記シェルから前記第二の流体を流出させる第二の流体流出部とを有し、
前記細管，前記第一の流体流入部，前記第一の流体流出部，前記シェル，第二の流体流入部及び第二の流体流出部を純チタンで形成するとともに、
前記細管と前記第一の流体流入部及び第一の流体流出部、前記シェルと前記第一の流体流入部及び第一の流体流出部、前記シェルと第二の流体流入部及び第二の流体流出部のうちの少なくとも一つを純チタンで形成された溶着部材により溶着・接合したこと、
を特徴とする熱交換器。
前記細管の内径が１．５ｍｍ〜３．０ｍｍ、肉厚が０．２〜０．３ｍｍとしたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
前記細管に凹凸加工を施したことを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交換器。
前記溶着部材は、溶着しようとする部材の一方に嵌め付けられる環状の部材として形成され、前記溶着部材に電極を押し当てて電圧を印加することで、各部材を溶着するとともに、部材間の隙間を充填するものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の熱交換器。