JP2000513090A - 空気予熱器用熱伝達要素及びその製作方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 回転再生式熱交換器用の熱伝達要素（３４）には複数の間隔保持リッジ又はノッチ（４２）が形成され、これらのノッチは選択された間隔でノッチ（４２）の尖端に形成されて流れチャンネル（３６，３８）内に突出する複数の流れ分裂くぼみ（４６）を有している。これらの突出部又はくぼみ（４６）は、境界層を破壊せしめ、乱流及び混合を生じさせて熱伝達を高める。このようなくぼみ（４６）を形成する種々の方法が、また、開示されている。

Description

【発明の詳細な説明】 空気予熱器用熱伝達要素及びその製作方法 発明の背景 本発明は、煙道ガス流れから、入来する燃焼用空気流れに熱を伝達するための 回転再生式空気予熱器に関し、より詳細には、空気予熱器用熱伝達要素の形状及 びこれらの要素を製作する方法に関する。 回転再生式熱交換器は、例えば熱い煙道ガス流れのような熱い一方のガス流れ から例えば燃焼用空気のような冷たい他方のガス流れに熱を伝達するのに用いら れている。このような回転再生式熱交換器におけるロータは多数の熱吸収材料を 収容し、これらの熱吸収材料は最初に熱いガス流れ用通路内に回転し、ここで熱 が熱吸収材料によって吸収される。それから、ロータが続けて回転すると、熱吸 収材料は冷たいガス流れ用通路に入り、ここで熱が熱吸収材料から冷たいガス流 れに伝達される。 そして、例えば回転再生式空気予熱器のような典型的な回転再生式熱交換器に おいては、円筒形のロータが水平又は垂直の中央ロータ柱に取付けられている。 このロータは、中央ロータ柱からロータの外周シェルにまで延びる複数の半径方 向仕切り板（隔壁と称されている）によって複数の扇形区画室に分割されている 。これらの扇形区画室には、複数のモジュール型熱交換バスケットが装填されて いる。そして、これらの熱交換バスケットは一般には積重ねた板の様な要素から 成る多数の熱吸収材料を収容している。 しかして、再生式空気予熱器用の従来の熱伝達要素は、フォームプレス又はロ ールプレスされた鋼板であり、これらの鋼板は積重されて熱伝達材料の質量体を 形成する。ひとつの典型的な形状として、板に複数の間隔を置いたリッジ（通常 は、板の対向する両側から突出しているダブルリッジである）を形成したものが あり、これらのリッジは流れの方向に又は流れの方向に対して斜めにして板に沿 って延び、板を互いに間隔を置くようにする働きをなす。このような熱伝達要素 の例のために、米国特許第４，７４４，４１０号及び第４，５５３、４５８号明 細書が参照される。 熱伝達要素の間隔保持を行うために、これらのリッジを使用すると、しかし、 他の結果として、これらのリッジが熱伝達要素の積重体を通して、これらのリッ ジ部分における露出した板面の単位表面積当たりの断面積が板のリッジ以外の部 分の単位表面積当たりの断面積よりも大きい流れ通路を形成してしまう。そして 、このリッジ部分の流れ通路が板のリッジ以外の他の部分の流れ通路と比較して 、低い流れ抵抗、少ない乱流及び混合、ガス及び空気の大きな質量流量、及び低 い熱伝達を生じせしめる。したがって、リッジは、構造的一体性及び正確な間隔 保持を提供するけれども、熱伝達には悪い影響を及ぼすものである。 発明の概要 本発明は、熱伝達要素の熱伝達性能を改善せしめる熱伝達要素の形成方法及び この方法により形成される熱伝達要素に関する。より詳細には、本発明は、熱伝 達板を横切って形成された間隔保持リッジ又はノッチを有し、複数の流れ分裂く ぼみが選択された間隔でノッチの尖端に形成されて、ノッチにより形成されてい る流れチャンネルの一部分内に突出している熱伝達要素に関する。これらの流れ 分裂突出部又はくぼみは、流れチャンネルの寸法（高さ、幅及び／又は断面積） を変化せしめ、境界層を破壊せしめて、乱流及び混合を生じせしめ、これにより 熱伝達の増大を生じせしめる。 図面の簡単な説明 図１は、普通の回転再生式空気予熱器の概略斜視図である。 図２は、本発明を具体化する熱伝達要素組立体の一部分の斜視図である。 図３は、流れチャンネルを示す熱伝達要素組立体の一部分の側面図である。 図４は、本発明を示す１枚の熱伝達板の一部分の拡大斜視図である。 図５は、ノッチ付き板の形成を示す板形成方法の一部分の断面図である。 図６は、流れ分裂くぼみを形成する装置を示す、図５のロールの他の区域を示 す図である。 図７は、図５及び図６のロールのひとつの一部分の斜視図である。 図８は、本発明の他の板形成方法の一部分の断面図である。 図９は、図８のくぼみ形成ロールの正面図である。 図１０は、波状板に適用した本発明の熱伝達要素組立体の一部分の斜視図であ る。 好適な実施例の説明 図面の図１は、典型的な回転再生式空気予熱器又は空気加熱器を一部断面にし て示す斜視図である。この空気予熱器はハウジング１２を包含し、このハウジン グ１２の中にはロータ１４が矢印１８により示される方向に回転できるよう駆動 軸又は柱１６に取付けられている。ロータ１４は複数の扇形区画室すなわちセク ター２０から成っており、各セクター２０は多数のモジュール型バスケット２２ を収容すると共に、各セクター２０は仕切り板３４によって限定されている。各 バスケット２２は、熱交換表面を収容する。ハウジング１２の頂部は、流体流れ を通さないセクター板２４によって煙道ガス側と空気側とに分割されている。ま た、図１に示したセクター板２４と対応する他のセクター板がハウジング１２の 底部に設置されている。熱い煙道ガスは、ガス入口ダクト２６を通して空気予熱 器内に入り、それからロータ１４を通して流れるときに熱をロータ１４に伝達し 、その後ガス出口タクト２５を通して出る。煙道ガスの流れと反対方向に流れる 空気は、空気入口ダクト３０を通して空気予熱器内に入り、それからロータ１４ を通して流れるときに熱をロータ１４から奪い取り、その後空気出口ダクト３２ を通して出る。 図２は、３枚の積重された熱交換又は伝達板３４の一部分を示し、これらの板 は本発明にしたがって形成されて、モジュール型バスケット２２内に収容される 。勿論、多数のこのような板３４が各モジュール型バスケットに収容されるもの である。これらの板３４は、間隔を置いた関係で積重され、これによりそれらの 間に煙道ガス及び空気の流れのための通路３６及び３８を形成する。 板３４は、通常薄い金属板で形成され、所望する形状に圧延又は鍛造される。 板には平らな区域４０と２つの正反対のノッチ４２とが形成され、これらのノッ チは２つの隣接する板を所定距離離して間隔を置いて上述した流れチャンネル又 は通路３６及び３８を形成せしめる手段を構成する。３枚の積重された板の一部 分の側面図を示している図３により明確に見ることができるように、ノッチ４２ とこれに隣接する板との間の流体流れのための有効区域４４（クロスハッチング されて示されている）は、２つの隣接する板の平らな区域４０間の流れのための 残りの区域（クロスハッチングされていない）よりも、露出した熱伝達面の単位 表面積当たりの断面積がかなり大きい。この流れ通路４４は、低い流れ抵抗と少 ない乱流及び混合を生じせしめる。そして、露出した板の熱伝達面の単位表面積 当たりの流れは、流れ通路３８及び流れ通路３６のチャンネル４４以外の残りの 部分よりもこれらのチャンネル４４をより多く通過する。これらのすべての要因 により、これらの各チャンネル４４の区域では熱伝達が低く生じる。 本発明は、流れチャンネル４４に、流れを分裂せしめ、これにより流れ抵抗を 最小に増加せしめ、乱流及び混合を生じせしめて、境界層を破壊せしめる装置を 設けたものである。この流れ分裂装置は、これにより、チャンネル４４における 特定の熱伝達性能及び積重板の総熱伝達性能を改善せしめる。流れ分裂装置は、 また、多少の流れをノッチチャンネルから押し出し、この流れを他の区域、例え ば図２及び図３の流れ通路３６及び３８の流れに混合せしめる作用をする。そし て、この混合チャンネル又は通路４４内の流体と通路３６及び３８内の流体との 間の温度差を減少せしめる。 図２は、ノッチ４２の尖端に形成され間隔を置いてチャンネル４４内に延びて いる複数の変形部又はくぼみ４６を包含する流れ分裂装置を示す。これらのくぼ みは、また、１枚の板の一部分の拡大図であってこれらのくぼみをより一層明確 に示している図４にも示されている。この図４に最も明確に見ることができるよ うに、上向きに延びている左側のノッチ４２のデント又はくぼみ４６は、ノッチ の尖端の小さなくぼみから成り、その結果、くぼみ４６の下側は板の下の流れ区 域４４内に下へ延びている。同様に、下向きに延びている右側のノッチ４２は、 左側ノッチのくぼみと同様に形成されて板の上の右側の流れ区域４４内に上へ延 びているくぼみ４６を有する。 これらの流れ分裂装置、すなわちくぼみ４６は、チャンネル４４を通しての流 体流れ通路内に延びているので、境界層を破壊せしめて乱流及び混合を生じさせ 、これにより熱伝達を改善せしめる。実際、熱伝達の改善は、くぼみ４６が非常 に小さく、これらのくぼみを接近して間隔を置かないときでさえも著しいもので ある。例えば、ノッチ高さ（板の一方の側から延びるひとつのノッチの頂点から 板の他方の側から延びてペアとなるノッチの頂点までの距離）が０．９６５ｃｍ （０．３８インチ）であり、かつくぼみが６．３５ｃｍ（２．５インチ）の間隔 を置いて０．２５４ｃｍ（０．１００インチ）の平均深さを有している場合には 、同等の容積又は量の熱伝達板に対して熱伝達が９．５％増加することが示され ている。又は、熱伝達の増大により板を一層離して間隔を置くことができるので 、本発明を適用しない場合よりもモジュール型バスケット内の板材料を８％少な くして、同等の熱伝達を得ることができる。 図５、図６及び図７は本発明の熱伝達板を形成するひとつの方法に使用される 装置を示す。この方法において、板３４にノッチ４２を形成するために用いられ る、対向した形成ロール４８及び５０がくぼみ４６を形成するように変更されて いる。図５は、くぼみを形成しないところでのロール及び板の断面図である。形 成ロールの突出部５２は、くぼみ部５４と協働してノッチ４２を形成する。 図６は、図５と同様な図であるが、くぼみを形成する装置が設けられていると ころでのロール及び板の断面図である。図７は、ひとつのロールの一部分の斜視 図であって、くぼみ形成装置をまた示している。図６及び図７に示されるように 、形成ロールの突出部５２は、くぼみ４６を形成するのに要求される形状及び大 きさに符号５６で示すところで切取られている。くぼみ部５４にはくぼみ形成ピ ン５８が取付けられ、これらのくぼみ形成ピンはくぼみ部５４の底部から上向き に突出し、機械加工ロールの、組み合う切取り部分５６と協働してくぼみ４６を 形成する。 図８及び図９は、本発明の熱伝達板にくぼみ４６を形成する他の方法を示す。 図８において、形成ロール６０及び６２は図５の形成ロール４８及び５０と同様 であるが、しかし、ノッチ４２を形成する目的だけのためのものである。すなわ ち、これらの形成ロールはくぼみ４６を形成するように変更されてはいない。図 ８及び図９の方法においては、形成されたノッチ４２を備えている板３４がくぼ み形成ロール６４及び６６間を通過する。ロール６４は、図９に示されるように 、一連の円板６８を包含し、これらの円板はくぼみ間の所望する間隔と等しい距 離だけ離されて間隔が置かれている。ロール６４は、好適には、円板６８間にス ペーサ７２を有し、これにより、幅の異なるスペーサ７２をくぼみ間の距離を変 えるために用いることができる。円板６８の周囲縁は、これらの縁がノッチ４２ に係合して所望する形状及び深さのくぼみを形成せしめるような形状とされて整 列されている。 ロール６６は、くぼみが形成されるときにこれらくぼみの側のノッチを支持 する目的のためのものである。これは、くぼみの深さの調節をなし、またくぼみ の特定区域を除く板の好ましくない変形を防止する。ロール６６は、ノッチ支持 体７４を有する一連の円板７０を包含する。これらのノッチ支持体は、これらの ノッチ支持体がノッチ内に延びてノッチの形状に適合するような形状とされてい る。これらのノッチ支持体は、図９に示されるように、各円板６８の両側の各々 に支持円板７０が位置するように整列されている。図８において、例示した支持 円板７０は形成されるくぼみ４６を支持する。この特定の方法において、くぼみ は板３４の一方の側のノッチにのみ形成される。図８に示される板はそれから次 のステーションに進められ、ここでくぼみが板３４の他方の側、すなわち下側の ノッチに同様な方法で形成される。図８及び図９に示される実施例は、ノッチを 形成する工程から分離する工程でくぼみを形成する好適な方法である。この方法 よりは好適ではないが他の方法として、ロール６６をロール６４と同一のロール に置き換える方法がある。この方法によれば、板は一対のロール６４間を通過し 、これらのロール６４が適当なくぼみを形成する。しかしながら、この方法はノ ッチ高さを正確な局部ではなくて大きい区域にわたって減少せしめがちなもので ある。 一定の熱伝達板形状が一例として用いられているけれども、本発明はまた他の 形状のノッチ付き板にも適用できる。例えば、ノッチは、流体流れと平行な方位 でもよく、又は流体流れに対して４５°まで斜めにさせてもよい。本発明は、更 に、例示した両側ノッチの構造に対比するものとして、一方の側でのみ外向きに 延びるノッチを備える板にも適用できる。更にまた、ノッチ間の板の、いわゆる 平らな区域は、実際上、当業界で一般的な波状面でもよい。この実施例は図１０ に示されており、ノッチ４２間の区域４０波状部又はコルゲーション７６を有し ており、これらの波状部はノッチの高さと比較して相当浅くかつ典型的にはノッ チの方向及び流体流れの方向に対して鋭角で斜めにされている。 そして、このような波状面を有する板の使用にも、くぼみを形成する方法を実 施できるものである。詳述すれば、ノッチを付けようとする板はすでに波状とさ れ、すなわちかなり粗い面を有している。それから、ノッチ形成ロールが波状部 と関連して作動し、ノッチとくぼみとを同時に形成するようにする。ノッチ形成 ロールは、その幅にわたって不連続なノッチパターンを有している。このノッチ パターンがある区域において、波状部は平らにされ、それからノッチが圧延形成 される。ロールのノッチパターンの隙間の所では、ここに位置する板の波形の形 状がかなりそのままで残っており、これによりノッチチャンネルにくぼみ又は隆 起を形成せしめる所望する作用を生じせしめる。これは、図５、図６及び図７に 示されるものと同一の装置で行うことができるが、しかし、くぼみ形成ピン５８ は必要とされない。 単なる一例として、０．９６５ｃｍ（０．３８０インチ）のノッチ高さを有す る板は、６．３５ｃｍ（２．５インチ）の間隔を置いていると共に０．２５４ｃ ｍ（０．１００インチ）の平均深さのくぼみを有する。各くぼみの総幅は、およ そ０．６３５ｃｍ（０．２５インチ）である。 以上特定の熱伝達要素組立体及び該要素を形成する方法の幾つかの例について 詳述してきたけれども、本発明はそれらの均等物を包含するものであり、本発明 は請求の範囲によってのみ限定されるものである。

【手続補正書】 【提出日】平成１１年１２月９日（１９９９．１２．９） 【補正内容】 【図５】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ブリジッタ タデック シー アメリカ合衆国 ニューヨーク 14895 ウェルズビル アールディー １ ボック ス 44 (72)発明者 チェン マイケル エム アメリカ合衆国 ニューヨーク 14895 ウェルズビル ハーダー・プレース 135 (72)発明者 ハーティング スコット エフ アメリカ合衆国 ニューヨーク 14895 ウェルズビル サンセット・アベニュー 31 (72)発明者 シーボールド ジェームズ ディー アメリカ合衆国 ニューヨーク 14895 ウェルズビル リバービュー・ドライブ 1932

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 回転再生式熱交換器用の熱伝達要素組立体において、複数の熱伝達板を包含 し、これらの熱伝達板が間隔を置いた関係で積重されて、隣接する熱伝達板同志 がそれぞれその間に熱交換流体を流すための通路を形成し、前記熱伝達板の各々 が前記熱伝達板を横切って延びていると共に前記熱伝達板からノッチ尖端にまで 外向きに突出している複数の間隔を置いたノッチを有し、これにより、これらの 間隔を置いたノッチが前記隣接する熱伝達板同志を前記間隔を置いた関係で支持 すると共に前記隣接する熱伝達板同志のそれぞれの間に前記通路を形成し、かつ これらの間隔を置いたノッチが選択された間隔で前記ノッチ尖端に形成されてい る複数のくぼみを包含し、これらのくぼみが前記ノッチ尖端から前記通路内及び 前記熱交換流体の流れ中に突出している熱伝達要素組立体。 ２ 前記熱伝達板が前記間隔を置いたノッチ間に波状部を包含している請求項１ 記載の熱伝達要素組立体。 ３ 前記波状部が前記ノッチの方向に対して斜めになっている請求項２記載の熱 伝達要素組立体。 ４ 前記熱伝達板の各々の前記間隔を置いたノッチが一対の隣接するノッチから 成り、前記一対の一方のノッチが前記熱伝達板から外向きに突出していると共に 、前記一対の他方のノッチが前記一方のノッチとは正反対の方向へ前記熱伝達板 から外向きに突出している請求項１記載の熱伝達要素組立体。 ５ 熱交換器用の熱伝達板を形成する方法において、 ａ 熱伝達板材料の板を、ノッチ形成突出部及びくぼみ部を有する一対の形成 ロール間を通過させ、これにより、複数の間隔を置いたノッチを前記材料を 横切って延びると共に前記材料からノッチ尖端にまで外向きに突出するよう にして形成する段階と、 ｂ 前記間隔を置いたノッチを備えた前記材料を一対のくぼみ形成ロール間を 通過させ、これにより、前記一対の一方のくぼみ形成ロールにより複数のく ぼみを選択された間隔で前記ノッチ尖端に形成すると共に、前記一対の他方 のくぼみ形成ロールにより前記ノッチを前記くぼみに隣接して支持する段階 と、 を包含する方法。 ６ 熱交換器用の熱伝達板を形成する方法において、 ａ 熱伝達板材料であって、この材料を斜めに横切って延びている波状部を有 する前記熱伝達板材料の板を用意する段階と、 ｂ 協働する一対の形成ロールであって、前記ロールの軸線と平行に前記ロー ルを横切って延びている複数のノッチ形成突出部及びくぼみ部を有し、前記 ノッチ形成突出部が複数の間隔を置いた隙間を有している前記一対の形成ロ ールを配備する段階と、 ｃ 前記波状部を有している前記材料の板を前記協働する一対の形成ロール間 を通過させ、これにより、複数の間隔を置いたノッチを、前記材料に、前記 波状部に対して斜めをなして前記材料を横切って延びると共に前記材料から 前記波状部よりも高いノッチ尖端にまで外向きに突出するようにして形成し 、かつ前記ノッチ形成突出部の前記隙間と前記波状部とが協働して前記ノッ チ尖端に複数の間隔を置いたくぼみを形成する段階と、 を包含する方法。 ７ 熱交換器用の熱伝達板を形成する方法において、 ａ 協働する一対の形成ロールであって、前記ロールを横切って延びている複 数のノッチ形成突出部及びくぼみ部を有すると共に、前記ノッッチ形成突出 部が複数の間隔を置いた切取り部分を有し、かつ前記くぼみ部分が前記切取 り部分と対応して設けられて前記切取り部分と協働する複数の間隔を置いた くぼみ形成突出部を有している前記一対の形成ロールを配備する段階と、 ｂ 熱伝達板材料の板を前記協働する一対の形成ロール間を通過させ、これに より、複数の間隔を置いたノッチを、前記材料に、前記材料を横切って延び ると共にノッチ尖端にまで外向きに突出するようにして形成し、かつ前記切 取り部分と前記くぼみ形成突出部とが協働して前記ノッチ尖端に複数のくぼ みを形成する段階と、 を包含する方法。