CN100369730C - 热交换机构以及具备热交换机构的转子 - Google Patents

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Abstract

本发明的热交换机构包括：转子，该转子具备搅拌物与其外壁面相接触，冷却水等载热体流动的热交换室；孔部，该孔部形成在转子的一个端面上，口径比热交换室的直径小；主管，该主管具有设定成在孔部和管壁之间形成规定的间隙的管径，并经由孔部可插拔地插通在热交换室中，供应或排出载热体；支管，该支管从主管的周面朝向热交换室的壁面设置，在其前端部上具有使主管内部与热交换室连通的开口部，且形成为在插拔上述主管时通过上述间隙，且具有挠性。根据这种结构，可使热交换能力在整体上提高，并在主体的轴向上均匀。

Description

热交换机构以及具备热交换机构的转子
技术领域
本发明涉及一种通过使载热体在主体的热交换室中流动而对与主体的外壁面接触的热交换对象进行冷却或加热的热交换机构以及具备热交换机构的转子。
背景技术
在生产设备中，在原材料或半成品上实施搅拌或喷涂、压延等各种处理时，多采用具备热交换机构的滚筒或转子，以便对原材料或半成品进行加热或冷却，将其维持在规定的温度范围。
以往，在上述的热交换机构中，有以镗孔滚筒为代表的在滚筒或转子的主体内形成大的热交换室、在该热交换室上插入供应配管、经由供应配管从一端侧供给、排出冷却水等载热体并使其流动的方式(例如，参照特开平5-104262号公报)。而且，也有以钻孔式滚筒为代表的沿着主体的外周面从一端面到另一端面形成多个流路、使载热体在这些流路中流动的方式(例如，参照特开平9-277145号公报)。另外，还有通过多个部件构成主体、在将这些部件组合而构成主体时也一同形成载热体的流路的方式(例如，参照特开平5-261725号公报)。
但是，在上述以往的镗孔式滚筒为代表的方式中，当为了在主体整体上均匀地产生大的热交换能力时，必须要使规定温度的载热体在紊流的状态下高速地在主体的热交换室的壁面附近流动，但由于载热体是从流路截面积小的供应配管向流路截面积大的主体的热交换室流出，所以使载热体以高速在这种热交换室的壁面附近流动非常困难。而且，由于使载热体从主体的一端侧向另一端侧流动，所以在上游侧和下游侧容易在载热体中产生大的温度差。其结果，存在热交换能力整体上容易下降，同时在主体的轴向上容易产生不均匀的问题。
另外，虽然也可考虑在供应配管的圆周面上形成多个开口部，使载热体从这些开口部向内壁面喷出的方法，但在这种情况下，由于从供应配管到热交换室的壁面的距离较长，所以存在流速在载热体到达壁面之前因流动阻力而大幅度降低的问题。
另一方面，在上述以往的以钻孔式滚筒为代表的方式的情况下，由于沿着主体的外壁面形成流路截面积小的流路，所以能够通过这些流路使载热体高速流动。但是由于在这种情况下也是使载热体从主体的一端侧向另一端侧流动，所以在上游侧和下游侧在载热体中产生大的温度差，因而存在热交换能力容易在主体的轴向上产生不均匀的问题。而且，由于为了沿着主体的外壁面形成流路而必须要进行孔的加工，所以存在制造成本容易增加、同时不能适用于复杂形状的主体的问题。
而且，在由多个部件形成主体的方式的情况下，虽然即使是具有复杂形状的外壁面的主体也能够形成规定的流路，但由于主体的部件数量增加，结构复杂，所以存在需要组装工时，同时制造成本增加的问题。另外，由于使载热体从具有大的流路截面积的热交换室的一端侧向另一端侧流动，所以存在热交换能力整体上容易降低，同时在主体的轴向上容易产生不均匀的问题。
因此，本发明提供一种热交换机构以及具备热交换机构的转子，该机构及转子能够提高整体的热交换能力，同时使之在主体的轴向上均匀，并且能够简单、廉价地制造。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的热交换机构包括：主体，该主体具备热交换对象物与其外壁面相接触，载热体流动的热交换室；插拔口，该插拔口形成在上述主体的至少一个端面上，口径比上述热交换室的直径小；主管，该主管具有设定成在上述插拔口和管壁之间形成规定的间隙的管径，并经由上述插拔口可插拔地插通在上述热交换室中，供应或排出上述载热体；支管，该支管被设定为从上述主管的周面上分支，在其前端部上具有使上述主管内部与上述主体的热交换室连通的开口部，并形成为在插拔上述主管时通过上述间隙，且具有挠性。
根据上述的结构，通过利用主管和支管防止了与热交换室内的载热体直接接触，而从各支管的开口部以高速喷出温度几乎相同的载热体。而且，由于支管设置在主管的周面上，所以支管的开口部存在于比主管的周面更靠近热交换室的壁面的位置上。其结果，由于热交换室内的载热体作为从支管喷出的载热体的流动阻力而作用的距离短，所以载热体以高速吹到热交换室的壁面上。因此，轴向上温度分布均匀的载热体以紊流状态高速地在热交换室的壁面附近流动，所以在主体的整体上均匀地产生大的热交换能力。
而且，由于支管通过插投口和管壁之间的间隙地形成，同时具有挠性，所以仅通过将主管经由插拔口插入热交换室中，即使是具有复杂形状的壁面的热交换室，也能够使支管形成朝向热交换室的壁面的姿势。而且，仅通过将主管从插拔口中拔出，也可以与主管一起将支管取出到机体之外。其结果，由于主管和支管的安装拆卸作业简单，所以可简单且廉价地获得发挥上述优良的冷却性能的热交换机构。
在本发明的热交换机构中，也可以构成为上述支管从上述主管的周面朝向上述热交换室的壁面设置，这样，由于上述支管的开口部位于上述热交换室的壁面附近，所以能够获得更高的热交换能力。
在本发明的热交换机构中，也可以在上述支管的开口部上设置喷嘴。这样一来，可校正载热体的前进方向。
在本发明的热交换机构中，也可以构成为上述支管是在自由状态下卷线之间无间隙地贴紧的螺旋弹簧。这样一来，能够容易且廉价地获得支管。
在本发明的热交换机构中，也可以是上述支管包括具有柔软性和液密封性的管部件以及支承该管部件地卷绕在该管部件的周围上的螺旋弹簧的结构。这样一来，可使载热体更加高效地从支管中喷出。
本发明的热交换机构也可以具备在截面为非圆形、具备沿轴向扭转的形状的热交换室的搅拌或挤压用的转子中。这样一来，可容易且廉价地获得具备热交换机构的转子。
附图说明
图1为正面观察具备热交换机构的转子的示意结构图。
图2为转子的侧视图。
图3为表示转子上组装了载热体供应管时的说明图。
图4为表示热交换室中载热体的流动状态的说明图。
图5为表示支管的安装状态的说明图。
图6为表示支管的安装状态的说明图。
图7为设有喷嘴的支管主要部分主视图。
图8为设有喷嘴的支管主要部分主视图。
图9为支管的主视图。
图10为将具备热交换机构的滚筒的一部分剖开表示的剖视图。
具体实施方式
以下，基于图1至图10对本发明的实施方式加以说明。
本实施方式的热交换机构如图1所示，是例如双轴式的搅拌装置的转子1中所具备的。转子1转动自如地设置在搅拌装置的壳体2内。在壳体2的外面壁上接合有未图示的配管，以便经由壳体2对搅拌物冷却或加热。而且，壳体2具备收放搅拌物的搅拌室3，搅拌室3形成纵截面为弓形，以便收放一对转子1。
上述一对转子1配置成轴线相互平行，通过未图示的驱动机构向互为反向的方向驱动旋转。而且，两转子1形成具有后述的长翼7和短翼8的相同形状，长翼7和短翼8的配置设定成在两转子1中间逆向。
各转子1收放在搅拌室3中，具有搅拌物与外壁面接触的转子搅拌部1a，以及配置在转子搅拌部1a轴向的两端部上的转子支承部1b.1c。转子搅拌部1a也如图2所示，具有在周向上以180度等分配置的、沿轴向延伸的两个长翼7、7和短翼8、8，从而相对轴向为垂直面的纵截面形成为椭圆的形状。各长翼7从搅拌室3的一个(图中的右侧)壁面直到另一个(图中的左侧)壁面一侧的中途形成正向(顺时针方向)的螺旋状。另一方面，各短翼8配置在长翼7的另一侧，从长翼7、7的终端之间直到搅拌室3的另一个壁面形成反向的螺旋状。这样一来，长翼7在搅拌时发挥进给翼的功能，短翼8在搅拌时发挥返回翼的功能。另外，长翼7和短翼8的螺旋是以30度到60度的扭曲角的范围形成的，扭曲角和扭曲方向的至少一个可在中途连续或非连续地变化。
上述的转子搅拌部1a在内部具备载热体流动的热交换室11。另外，作为载热体，有水或温度调节水、热油、蒸汽等。热交换室11由与长翼7的形成区域对应地形成的长翼空间部11a和与短翼8的形成区域对应地形成的短翼空间部11b构成。长翼空间部11a的纵截面是于长翼7的顶部方向具有顶部的椭圆形状，以形成与长翼7的外壁面相仿的形状，并从转子搅拌部1a的一侧直到另一侧的中途形成正向的螺旋状。另一方面，短翼空间部11b的纵截面是在短翼8的顶部方向具有顶部的椭圆形状，以形成与短翼8的外周面相仿的形状的空间部，并从长翼7、7相互的终端之间直到转子搅拌部1a的另一侧形成反向的螺旋状。
在上述的转子搅拌部1a的轴向两端部上形成有转子支承部1b.1c，转子支承部1b.1c形成圆柱形状。在转子支承部1b.1c上外插有轴承部件4.4。这些轴承部件4.4分别嵌合在壳体2的一个以及另一个侧面壁上，转子1转动自如地支承在壳体2上。
在各转子支承部1b.1c上分别形成有孔部12a.12b。一个转子支承部1b的孔部12a形成为直到转子支承部1b的轴向两端面。而且，另一个转子支承部1c的孔部12b是从转子搅拌部1a一侧的一端面直到另一端面的中途沿轴向形成的，从而密封与转子搅拌部1a一侧相反一侧的端面。因此，转子1处于孔部12a.12b和热交换室11配置为与转子1的旋转轴相一致的直线状的状态。
上述各孔部12a.12b形成为圆形截面。将孔部12a.12b的孔径设定成比热交换室11的最大直径小的直径。例如，在设孔部12a、12b的孔径为1的情况下，设定成热交换室11的纵截面的长轴直径为3、短轴直径为1、热交换室11的横截面的长度为6。
一个转子支承部1b的孔部12a用作载热体供应管20的插拔口，同时用作载热体的供、排通路。载热体供应管20具有经由孔部12a可在热交换室11上插拔的主管21，以及后述的支管22。主管21的管外径被设定成在孔部12a和管壁之间形成规定的间隙。例如，设孔部12a的孔径为1的情况下，主管21的管外径被设定成0.4。因此，转子支承部1b利用孔部12a和主管21而为双层圆筒结构，并具有与热交换室11连通的外侧载热体流路23，和与热交换室11隔离的内侧载热体流路24。
将上述的主管21设成以与转子1相同的速度旋转。另外，主管21的旋转方法既可以是通过在转子支承部1b的孔部12a上设置衬套，由该衬套支承主管21，从而以与转子1相同的速度旋转，也可以通过将主管21连接在转子1的驱动机构上而使之旋转。
而且，主管21具有密封的前端部21a、开口的后端部21b、以及夹在两端部21a.21b之间的主体21c。主管21的前端部21a位于另一侧的转子支承部1c的孔部12b中。另一方面，主管21的后端部21b突出到机体之外。在主管21的后端部21b和转子支承部1b的端面上，经由未图示的转子联轴节连结有载热体供排机构。载热体供排机构具备配管和供应泵等，将载热体送往主管21内的内侧载热体流路24，另一方面，将载热体从主管21外的外侧载热体流路23排出。另外，也可以是载热体供排机构将载热体从内侧载热体流路24排出，另一方面，将载热体送往外侧载热体流路23。
在主管21的主体21c上设置有多个支管22。各支管22以在插拔主管21时通过主管21和转子支承部1b的孔部12a之间的间隙的外侧载热体流路23的方式形成，同时具有挠性，以在通过外侧载热体流路23时取横倒的姿势，在通过后取立起的姿势。而且，各支管22通过将基端部铆接或焊接而安装成从主体21c的周面朝向热交换室11的壁面立起的姿势。
具体地说，各支管22为了具有挠性而由在自由状态下卷线之间无间隙地贴紧的螺旋弹簧构成。而且，各支管22为了通过外侧载热体流路23而例如在设孔部12a的孔径为1时、将外径设定成0.12。而且，支管22设置在热交换室11的长翼空间部11a和短翼空间部11b中。在长翼空间部11a中，以180度对称地设置有6根为一组、共计12根的支管22。各组的支管22以自由端一侧的前端部与长翼空间部11a的各顶部对向地螺旋状排列在主体21c的周面上。另一方面，在短翼空间部11b中，180度对称地设置有两根支管22。该各支管22设置成前端部与短翼空间部11b的各顶部对向。另外，也可以在短翼空间部11b中设置多个支管22。
而且，各支管22设定成前端部位于各空间部11a.11b的顶部的壁面附近的管长。例如在设孔部12a的孔径为1时，支管22的管长设定成笔直时为1.3。在各支管22的前端部上形成有开口部22a。开口部22a经由支管22使热交换室11与主管21内连通。因此，支管22在使主管21内的载热体不因热交换室11的载热体产生的流动阻力而减速地流动到开口部22a后，从接近于长翼空间部11a和短翼空间部11b的顶部的位置喷出。
为了使载热体高速喷出，上述的支管22的总数设定成支管22的开口部22a的流路截面积的合计值为主管21的流路截面积以下。例如在使孔部12a的孔径为1时，支管22的内径设定成0.08。另外，为了使载热体均匀地从各支管22喷出，支管22的总数优选成流路截面积的合计值为主管21的流路截面积的1/2以下。
对在上述的结构中具备热交换机构的转子1以及搅拌装置的制造方法加以说明。
首先，如图3所示，准备具有规定的外径和内径的管子，并将该管子切断成规定的尺寸，同时将前端部密封。然后，通过在与热交换室11的长翼空间部11a的顶部和短翼空间部11b的顶部对向的部位上实施开孔加工而制出主管21。之后，准备在自由状态下卷线之间无间隙地贴紧的螺旋弹簧作为支管22，沿垂直方向插入由上述的开孔加工形成的孔部中并进行焊接，制成具备主管21和支管22的载热体供应管20。
以下，如图1所示，准备利用铸造等形成的转子1，经由轴承部件4设置在壳体2上。而且，如图3所示，在使上述的载热体供应管20位于转子1的转子支承部1b的外侧位置上后，使转子1的轴心和主管21的轴心相一致，并使载热体供应管20向转子1一侧(箭头方向)移动。其结果，转子支承部1b的孔部12a发挥作为载热体供应管20的插拔口的功能，从而将载热体供应管20推入热交换室11中。
但是，在将载热体供应管20推入热交换室11中的中途，从主管21的主体21c上向垂直方向立起姿式的支管22抵接在转子支承部1b的端面上，随着推入而承受来自转子支承部1b的推压力。此时，由于支管22是具有挠性的螺旋弹簧构成的，所以在承受来自转子支承部1b的推压力的作用下成为横倒的姿式，支管22沿着孔部12a的壁面与主管21一起在孔部12a中移动。而且，当支管22进入热交换室11中时，由于具有挠性而恢复到原来的立起姿式。
之后，如图1所示，调整转子1和载热体供应管20的位置关系，以使支管22的开口部22a与热交换室11的各空间部11a.11b的顶部对向，并将载热体供应管20固定在转子1上。而且，在主管21的端部和转子支承部1b的端部上安装有未图示的转子联轴节，经由该转子联轴节连结在载热体供排机构的配管等上而制成搅拌装置。
另外，在检查或修理载热体供应管20的情况下，通过采用和以上相反的顺序将主管21经由孔部12a从热交换室11中拔出，将载热体供应管20取出到机体之外。
以下，对具备上述结构的热交换机构的转子1和搅拌装置的动作加以说明。另外，在以后的说明中，虽然是对采用冷却水作为载热体的情况进行说明，但并不仅限于此，也可以根据搅拌材料的结构或种类，为了加热搅拌材料而使热水或蒸汽等载热体在冷却配管中流动。
首先，打开设于壳体2上的未图示的投入口，经由该投入口将橡胶和塑料、填充剂等搅拌材料装填到搅拌室3中。之后，将搅拌室3密封，然后使冷却水在与壳体2的外壁面接合的配管中流动，经由壳体2对搅拌室3内的搅拌材料进行冷却。
而且，将冷却水从未图示的载热体供排机构送往主管21中。该冷却水在主管21的内部流动后，流入设置在主管21的主体21c上的支管22中。而且，冷却水从形成在支管22前端部上的开口部22a喷出，向热交换室11的各空间部11a、11b的顶部方向前进。此时，由于支管22是由在自由状态下卷线之间无间隙地贴紧的螺旋弹簧构成的，所以在热交换室11内流动的冷却水不会从侧壁流入。其结果，由于支管22内的冷却水除了管壁的流动阻力之外几乎不承受其他要因引起的流动阻力，所以从开口部22a以大的流速喷出。
而且，如图5所示，热交换室11内的支管22由于因自身的刚性而维持在大致笔直状态的实际直立姿式，所以开口部22a接近于热交换室11的顶部。因此，由于开口部22a和热交换室11的顶部之间的距离短，所以即使存在于热交换室11内的冷却水作为大的流动阻力起作用，这种流动阻力所引起的减速也比较小。其结果，以大的流速从开口部22a喷出的冷却水以稍稍减速的状态吹到接近的热交换室11的顶部，之后，沿着热交换室11的长翼7和短翼8的内壁面流动。因此，由于冷却水以紊流的状态高速地在热交换室11的壁面附近流动，所以在转子1整体上产生大的冷却能力(热交换能力)。
而且，由于主管21和支管22防止了从所有支管22喷出的冷却水与热交换室11的冷却水直接接触而发挥了隔热材料的功能，所以从支管喷出的冷却水几乎没有温度差。因此，在转子1的轴向上流动几乎同一温度的冷却水，从而在转子1的整体上均匀地实现了上述大的冷却能力。而且，在这样将转子1冷却后，如图1所示，转子1旋转，填充到搅拌室3中的搅拌材料边被剪断及分散，边成为所希望的搅拌状态的搅拌物。此时，由于搅拌物作为热交换对象物而被转子1和壳体2均匀、充分地冷却，所以防止了过热引起的变质等不良情况。
如上所述，本实施方式的热交换机构的结构为，包括：具备使搅拌物(热交换对象物)与外壁面相接触、冷却水等载热体流动的热交换室11的转子1(主体)，形成在转子1的一端面上、口径比热交换室11的直径小的孔部12a(插拔口)，具有设定成在孔部12a和管壁之间形成规定间隙的管径、同时经由孔部12a可在热交换室11中插拔地插通、供应或排出载热体的主管21，以及从主管21的周面朝向热交换室11的壁面设置的、在前端部上具有使热交换室11与主管21内连通的开口部22a、并在插拔主管21时通过上述间隙地形成的具有挠性的支管22。另外，本实施方式中成为插通口的孔部12a也可以形成在转子1的两端面上。
根据上述的结构，通过利用主管21和支管22防止了与热交换室11内的载热体直接接触，而从各支管22的开口部22a以高速喷出温度几乎相同的载热体。而且，由于支管22是从主管21的周面朝向热交换室11的壁面设置的，所以支管22的开口部22a存在于比主管21的周面更靠近热交换室11的壁面的位置上。其结果，由于热交换室11内的载热体作为从支管22喷出的载热体的流动阻力而作用的距离短，所以载热体以高速吹到热交换室11的壁面上。因此，轴向上温度分布均匀的载热体以紊流状态高速地在热交换室11的壁面附近流动，所以在转子1的整体上均匀地产生大的热交换能力。
而且，由于支管22通过孔部12a和管壁之间的空隙地形成，并具有挠性，所以仅通过将主管21经由孔部12a插入热交换室11中，即使是具有复杂形状的壁面的热交换室11，也能够使支管22形成朝向热交换室11的壁面的姿势。而且，仅通过将主管21从孔部12a中拔出，也可以与主管21一起将支管22取出到机体之外。其结果，由于主管21和支管22的安装拆卸作业简单，所以可简单且廉价地获得发挥上述优良的冷却性能的热交换机构。另外，若存在构成已有的转子1等的主体的结构部件，则可以采用该已有部件。
另外，本实施方式中的支管22的开口部22a优选地位于热交换室11的壁面附近。由此，能够在转子1上产生强的热交换功能。而且，虽然基于优选实施方式对本发明进行了说明，但本发明也可以在不超过其主旨的范围内变更。
即，在本实施方式中，虽然如图5所示，设定成使支管22的开口部22a与热交换室11的顶部对向，但并不仅限于此，也可以如图6所示，通过使支管22相对于连结主管21的轴线和热交换室11的顶部的基准线倾斜角度θ，使开口部22a与从热交换室11的顶部离开的位置对向，在这种情况下，可使载热体在热交换室11内形成旋转流。
而且，在本实施方式中，虽然是使支管22的开口部22a为开放的状态，但也可以如图7所示，在开口部22a上设置开口直径比开口部22a大的喷嘴25，还可以如图8所示，在开口部22a上设置开口直径比开口部22a小的喷嘴26。在这种情况下，可通过两喷嘴25.26将从支管22喷出的载热体的前进方向校正成所希望的方向。另外，在图7那样的大开口直径的喷嘴25的情况下，由于能够使载热体一边扩散一边前进，将载热体吹到热交换室11的壁面上广阔的区域上，所以能够使温度分布(热交换能力)更加均匀。另一方面，在图8所示那样的小开口直径的喷嘴26的情况下，由于能够使载热体以更高的速度前进，所以可重点地强化所希望的部位的热交换能力。
而且，在本实施方式中，虽然是由在自由状态下卷线之间无间隙地贴紧的螺旋弹簧构成支管22，但并不仅限于此。即，也可以是如图9所示，支管21是具备具有柔软性和液密封性的管部件27和支承管部件27地卷绕在管部件27的周围的螺旋弹簧28的结构。在这种结构的情况下，可通过管部件27可靠地排除存在于支管22周围的载热体的影响。而且，支管22也可以是将钢琴弦等具有挠性的多个细线并列排列而作成管壁而形成。
另外，在本实施方式中，虽然对将热交换机构组装在搅拌装置中的情况进行了说明，但并不仅限于此，也可以如图10所示，将热交换机构组装在对原材料或半成品实施喷涂或压延等各种处理时使用的圆筒形状的滚筒29中。另外，滚筒29既可以是镗孔式滚筒，也可以是钻孔式滚筒。而且，在将热交换机构组装在圆筒形状的滚筒29中的情况下，也可以通过将主管21和滚筒29切开，一边使载热体供应管20为固定状态一边仅使主管21旋转。另外本实施方式的热交换机构可适用于具备一边使载热体在内部流动、一边使热交换对象物与主体的外壁面接触而进行热交换的结构的所有装置中。

Claims (6)

1.一种包括热交换机构的搅拌或挤压用的转子，其特征是，该热交换机构包括：
主体，该主体具备热交换室，热交换对象物与该主体的外壁面相接触，载热体在热交换室中流动；
插拔口，该插拔口形成在上述主体的至少一个端面上，口径比上述热交换室的直径小；
主管，该主管具有设定成在上述插拔口和管壁之间形成规定的间隙的管径，并经由上述插拔口可插拔地插通在上述热交换室中，供应或排出上述载热体；
支管，该支管从上述主管的周面上分支，在支管的前端部上具有使上述主管内部与上述主体的热交换室连通的开口部，该支管形成为在插拔上述主管时通过上述间隙，且该支管具有挠性。
2.如权利要求1所述的搅拌或挤压用的转子，其特征是，上述支管是从上述主管的周面朝向上述热交换室的壁面设置的。
3.如权利要求1所述的搅拌或挤压用的转子，其特征是，在上述支管的开口部上设置有喷嘴。
4.如权利要求1所述的搅拌或挤压用的转子，其特征是，上述支管是在自由状态下卷线之间无间隙地贴紧的螺旋弹簧。
5.如权利要求1所述的搅拌或挤压用的转子，其特征是，上述支管包括具有柔软性和液密封性的管部件以及支承该管部件地卷绕在该管部件的周围上的螺旋弹簧。
6.如权利要求1所述的搅拌或挤压用的转子，其特征是，具有截面为非圆形、沿轴向扭转的形状的热交换室。
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