JP6155125B2 - 多管式熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、多管式熱交換器に係るもので、特に整備が容易な構造であり、かつ、熱交換率に優れた熱交換器に係るものである。

熱交換器は、多分野の産業で利用されており、種々の形式の熱交換器が知られている。この中でも、多管式熱交換器は、伝熱効率が優れているため、種々の産業で利用されている。

その中でも、食品業界や医薬の分野において使用される熱交換器では、特に衛生面が重要視されるため、材質や構造の点で高いレベルが求められている。

前記した材質の点においては、たとえば、銅の内面にステンレス鋼をライニングした構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、ライニングしたステンレス鋼と銅との熱膨張差による変形挙動やステンレス鋼の内面に流す流体の種類によっては、ステンレス鋼が腐食あるいは損傷を受ける場合があり改善の余地が残されている。

また、熱膨張や収縮により、ライニング材の破れや亀裂が発生すると伝熱管の内部を流れる食品や医薬に不純物が混入する虞があり、検討の余地が残されている。

また、これらの多管式熱交換器に使用される複数の伝熱管の両端は、フランジで本体に固定されているのが一般的であるが、このような構造の場合には、熱による膨張収縮により伝熱管自身の熱変形を引き起こし、熱交換器の寿命を短くする場合があり、改善が求められている（例えば、特許文献２参照）。

このように、食品や医薬の分野で使用されている熱交換器に対しては、品質を高いレベルに維持しつつ、また、整備の容易な熱交換器が求められている。

特開２００８−１５７５４４号公報 特開２００２−０１３８９８号公報

本発明は、食料品または飲料水等の食品や医薬品製造において好適な熱交換器であり、しかも整備の容易な熱交換器の提供を目的とする。

かかる実情に鑑み前記課題について鋭意検討を進めたところ、熱交換器全体をチタンで構成し、かつ、複数の伝熱管で構成した熱交換器であって、前記複数の伝熱管の一端を固定板で構成し、他端を自由端で構成することにより、稼働中の温度変動による伝熱管の膨張および収縮を効果的に吸収することができ、その結果、伝熱管の寿命を大幅に改善することができることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明に係る多管式熱交換器は、伝熱管の内部を流れる流体を、それよりも高温の熱媒により加熱するための多管式熱交換器であって、前記熱交換器が、複数の伝熱管からなる伝熱管束、これを固定する固定管板、前記伝熱管束の固定管板の他端に配設した管板、および、これら伝熱管束、固定管板、固定管板の他端の管板を収容する本体および蓋体から構成されており、前記伝熱管束の固定管板の他端に配設した管板が本体内部に嵌合可能なように構成されている熱交換器であって、前記管板を遊動可能なように嵌合する本体の部位が削り出しで構成され、前記固定管板の他端に配設した管板が伝熱管の長手方向に遊動可能なように構成され、前記伝熱管は、拡径部と縮径部が交互に接続されたコルゲート状に構成され、かつ前記縮径部が円筒状に構成されており、かつ、側方視で前記拡径部の最も凸である部位を結んだ線が、前記伝熱管の軸線に対して垂直から傾斜するよう構成されていることを特徴とするものである。

また、本発明に係る多管式熱交換器では、前記伝熱管束の固定管板の他端に配設した管板の外周部にシール部材が配設されていることを好ましい態様とするものである。

また、本発明に係る多管式熱交換器では、コルゲート状の拡径部は、球面の一部であることを好ましい態様とするものである。

更には、本発明に係る多管式熱交換器では、前記多管式熱交換器が複数基接続されていることを好ましい態様とするものである。

本発明に従うことにより、熱交換の温度条件の変動幅が大きい場合おいても、すなわち、伝熱管や本体や接続部に多大な応力が繰り返し掛かる場合であっても、充分な寿命を有する熱交換器を提供することができる、という効果を奏するものである。

更には、前記熱交換器を金属チタンで構成することにより、衛生面で厳しい基準が要求される食品や医薬の分野においても、コンタミを起こすことなく、熱交換を行なうことができる、という効果を奏するものである。

本発明の一実施形態に係る多管式熱交換器を示す断面図である。 伝熱管の拡大図である。

本発明の最良の実施形態について図面を参照しながら以下に説明する。
図１は、本発明に係る多管式熱交換器Ｍの好ましい装置構成を表している。
本発明に係る多管式熱交換器Ｍは、並列に複数配置された伝熱管４（以降、「伝熱管束」と称する場合がある）と、これらを内包する筒状の本体１と、本体１の両端部に配置された蓋体２ａ、２ｂから構成されている。蓋体２ａおよび２ｂには、それぞれ入口ノズル５ａおよび出口ノズル５ｂが設けられている。本体１の側胴部には、熱媒を熱交換器に対して供給するための入口ノズル３ａおよび排出するための出口ノズル３ｂが配設されている。

図１においては、熱交換される流体の一例として飲料水を挙げている。前記飲料水は、紙面右側より蓋体２ａに設けたノズル５ａより流入し、次いで、伝熱管束４内を流通し、紙面左端に設けた蓋体２ｂに設けたノズル５ｂより排出させるように構成されている。一方、本体１に設けたノズル３ａより、熱媒が流入し、本体１内であって伝熱管束４外を流通し、ノズル３ｂより排出されるように構成されている。

前記したような紙面右側から紙面左側に飲料水等の流体が伝熱管４内を通過する間に、伝熱管４の周囲を流れる熱媒から熱を受けることにより、飲料水を所定の温度まで加熱することができる、という効果を奏するものである。

例えば、飲料水として牛乳などの乳製品を伝熱管４内を通過させて、高温処理することにより、乳製品の殺菌処理を施すことができる等の効果を奏せしめることができる。

本発明に係る熱交換器Ｍを構成する伝熱管４は、伝熱管束４の端部を固定フランジ６（請求項における「固定管板」）に貫通させて溶接することで、伝熱管束４を本体１に対して固定的に結束している。

一方、伝熱管束４の他端側は、固定板７（請求項における「管板」）に貫通させることで、固定板７により結束できるような構造とすることができる。そのような構造とすることにより、固定板７と伝熱管束４を一体的に構成することができる、という効果を奏するものである。

本発明においては、また、前記した固定板７の表層部には、Ｏリング８を配置できるような構造とすることが好ましい。前記したような構造とすることにより、伝熱管束４と本体１との間にシール部を形成させることができるという効果を奏する。

上記したシール部を介して、伝熱管４内を流通させる飲料水と、本体１内であって伝熱管４外を流通させる熱媒との分離をより確実にすることができ、飲料水と熱媒との接触を効果的に抑制することができる、という効果を奏するものである。

なお、図１では、Ｏリングの設置方法の一例として、固定板７の表面に溝が２列切ってあり、ここにＯリング８が２列通されているが、この態様のみに限定されない。

前記したシールを構成するＯリングは、市販のものを利用することができ、材質としては、テフロン（登録商標）系のものを使用することができる。

本発明においては、前記伝熱管束４は固定板７に対しては固定されているが、固定板７はＯリングを介して本体１の内壁に摺動可能であるので、伝熱管束４は本体１に対して一体化されていない。これにより、伝熱管束４が本体１に対して着脱自在な嵌合構造をとるように構成されている。よって、図１に示した蓋体２ａおよび２ｂを本体１から取り外して、次いで、伝熱管束４を本体１から引き抜くことにより、伝熱管束４を大気中に取り出すことができる、という効果を奏するものである。

このように、大気中に取り出された伝熱管束４の表面に付着した固形物を容易に清掃することができる、という効果を奏するものである。

また、本発明に係る伝熱管束４は、直線状に配置されているため、伝熱管内の清掃も効率よく進めることができる、という効果を奏する。

また、本発明においては、固定フランジ６側では溶接等により伝熱管板４は本体１に対して固定されているが、固定板７側では、Ｏリング８を介して本体１に対して密閉構造を維持しつつ遊動可能である。そのため、伝熱管束４に対して加熱・冷却が繰り返される場合にも、各部位に加わる応力を緩和することができ、変形や破損を防止することができるという効果を奏する。

本発明に使用する伝熱管４の拡大図を図２に示す。伝熱管４は、図２に示すように、側方視でコルゲート状の面４ａを有した管であると好ましく、具体的には、球面の一部で構成された拡径部４ｃと、拡径部４ｃ間を接続する円筒状の縮径部４ｂとが交互に接続された数珠球のように構成しておくことが好ましい。

前記したような形状に形成しておくことにより、伝熱面積を増大させることができ、効率よく、熱交換させることができる、という効果を奏するものである。

また、本発明においては、前記伝熱管束４を熱交換器Ｍの本体１に嵌合する部位近傍は、溶接構造を持たないような削り出しによる、いわゆる、一体物で構成することが好ましい。

ここでいうところの「嵌合する部位近傍」とは、Ｏリング８が本体１に接触する部位近傍のことを意味する。すなわち、固定板７およびＯリング８の組立体が熱交換器Ｍの本体１に嵌合される際、ノズル３ａと本体１が溶接構造であると、本体１の内面に凹凸を生じ、この凹凸がＯリング８のシール構造を不完全なものにする虞がある。一方、ノズル３ａと本体１が溶接構造ではなく、一体に削り出しで構成されていると、ノズル３ａの位置する箇所の対応する本体１内面が平滑なままに保たれ、シール構造を完全な状態に維持できる。なお、この場合、前記本体１全体を削り出しで製作することができるが、固定板７が嵌合されない部位であれば、ノズルの溶接構造を設けても良い。

前記したような伝熱管束４が嵌合される部位を一体物で構成することにより、伝熱管束４を本体１に嵌合する際の変形を抑制できるのみならず、伝熱管束４を固定するための固定板７の外周部に配設したＯリング８との接触状況を安定的に維持することができる、という効果を奏するものである。

その結果、伝熱管４内を流れる飲料水等の流体への熱媒の侵入を効果的に抑制することができる、という効果を奏するものである。

更には、本発明に使用される伝熱管４は、途中に曲がり部のない直線状に構成されているため、内部に生成した付着や析出物を容易に清掃し、除去することができる、という効果を奏するものである。なお、ここで言う直線状とは、コルゲート状の側面とは無関係であり、管の軸が直線状に構成されていることを意味する。

なお、本願に係る熱交換器をジュースやコーヒー等の食品の熱処理に利用する場合には、熱交換器のうち、前記食用の流体が接触する部位は、金属チタンで構成することが好ましく、その中でも、ＪＩＳ１種または２種相当の純チタンで構成することが好ましい。

前記したようなチタン材で熱交換器を構成することにより、内部を流通させる食品への不純物金属汚染を効果的に抑制することができる、という効果を奏するものである。

なお、前記食用の流体が接触する部位以外は、必ずしも金属チタンで構成する必要はなく、例えば、銅のような熱伝導に優れた材料で構成しても良い。前記したような材料構成を採用することにより、本発明に係る熱交換器Ｍの材料費を効果的に抑制できるのみならず、熱交換の効率も効果的に高めることができる、という効果を奏するものである。

また、本発明に係る熱交換器Ｍを複数基、直列あるいは並列に係合することにより、更に、効率よく内部に流通させる流体の温度を制御することができる、という効果を奏するものである。

なお、熱交換器Ｍの固定端（固定フランジ６側）においては、伝熱管４とフランジ６が溶接構造として構成されている。その結果、伝熱管４内を流れてくるうちに熱媒にて加熱された飲料水は、蓋体２ｂ内で集約されてノズル５ｂより、次工程に移送される。

以上述べた熱交換器Ｍによれば食品のような不純物を嫌うようなものであっても、熱媒のコンタミを受けることなく、しかも、効率よく冷却または加熱操作を進めることができる、という効果を奏するものである。

以下、実施例および比較例により本発明の効果を具体的に説明する。実施例で使用した熱交換器の仕様を以下に列記する。
１．本体
１）材質：純チタン２種
２．伝熱管
１）材質：純チタン２種
２）種類：引き抜き管
３．シール部
１）Ｏリング材質：シリコンゴム
４．被熱処理流体：飲料水
５．媒体：熱水
１）種類：熱水
２）温度：９５℃〜１３５℃

［実施例１］
図１に示した装置構成を使用して、上記条件にて、飲料水高温殺菌処理を行なった。高温殺菌処理後の飲料水を分析したが、同処理前の分析値に比べて、新たな元素や同飲料水に溶解している元素の増加は、確認されなかった。

［実施例２］
図１に示した装置構成を使用し、上記条件にて冷媒と熱交換させて、飲料水を冷却処理した。同処理後の飲料水を分析したが、同処理前の分析値に比べて、新たな元素や同飲料水に溶解している元素の増加は、確認されなかった。

［比較例１］
公知の両端固定式の熱交換器を使用して、上記熱交換器を加熱または冷却操作を数回繰り返したところで全体が変形し、一部、漏水が観察されたので、試験を途中で打ち切った。

本発明は、食品、飲料、医薬品といった衛生面での信頼性が要求される製品の熱処理に対して、好適な熱交換器を提供するものである。

Ｍ…熱交換器、
１…本体、
２ａ、２ｂ…蓋体、
３ａ、３ｂ…ノズル、
４…伝熱管（束）、
４ａ…コルゲート部、
４ｂ…縮径部、
４ｃ…拡径部、
５ａ、５ｂ…ノズル、
６…固定フランジ（固定管板）、
７…固定板（遊動可能な管板）、
８…Ｏリング。

Claims (4)

1. 伝熱管の内部を流れる流体を、それよりも高温の熱媒により加熱するための多管式熱交換器であって、前記熱交換器が、複数の伝熱管からなる伝熱管束、これを固定する固定管板、前記伝熱管束の固定管板の他端に配設した管板、および、これら伝熱管束、固定管板、固定管板の他端の管板を収容する本体および蓋体から構成されており、前記伝熱管束の固定管板の他端に配設した管板が本体内部に嵌合可能なように構成されている熱交換器であって、
   前記管板を遊動可能なように嵌合する本体の部位が削り出しで構成され、
   前記固定管板の他端に配設した管板が伝熱管の長手方向に遊動可能なように構成され、
   前記伝熱管は、拡径部と縮径部が交互に接続されたコルゲート状に構成され、かつ前記縮径部が円筒状に構成されており、かつ、側方視で前記拡径部の最も凸である部位を結んだ線が、前記伝熱管の軸線に対して垂直から傾斜するよう構成されていることを特徴とする多管式熱交換器。
2. 前記管板の外周部にシール部材が配設されていることを特徴とする請求項１に記載の多管式熱交換器。
3. 前記コルゲート状の拡径部は、球面の一部であることを特徴とする請求項１に記載の多管式熱交換器。
4. 前記多管式熱交換器が複数基接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の多管式熱交換器。

Images