JP2005524518A - 気体を除湿するための凝縮器 - Google Patents
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Abstract
蒸気の凝縮を促すために、蒸気を含む気体の流れを冷却する凝縮器(10)は、ほぼ円筒状のチャンバを備える。気体はチャンバの一端から入り、渦流速度成分が与えられる。気体は次にチャンバの長手に沿って軸方向に移動し、穴(55、57)を介して半径方向に通って分離器の内径部に入る。気体の流れの渦流速度は水滴を半径方向外方に移動させる傾向にあり、そこで水滴はチャンバを画定するケーシングの内側を流れ落ちる。分離器は、水回収コンパートメントから主チャンバ(40)を分離するスカート部分(52)を含むことができる。凝縮を生じる冷却は外部ジャケット(110)によって提供され、冷却剤がその中を螺旋状に流れることが好ましい。
Description
本発明は概して凝縮器に関する。より詳細には、本発明は気体を除湿するための凝縮器に関する。
家庭内及び産業上の用途において、気体の流れから水を凝縮するために使用される種々のデバイスがある。公知の凝縮器の例として、チューブ及びシェル型熱交換器、プレート型熱交換器などが挙げられる。
1つの公知のタイプの凝縮器は、筺体の中に配置されたチューブの束を用いている。一般に、筺体は概して気体入口及び気体出口を備えた中空の円筒体を有する。湿度の高い気体が筺体のチャンバを介して流れ、チューブの表面と接触する。冷却剤がチューブを介して流れる一方、湿気の多い気体はチューブの外側表面の上を流れ、冷却剤によって熱を間接的に交換する。湿気の多い気体から水が凝縮され、チューブの表面に付着する。冷却剤及び気体は「並流」として知られるほぼ同一の方向に流れてもよいし、「向流」として知られる反対の方向に流れてもよい。
これらの凝縮器には変形物がある。その中には、チューブの束が垂直に配置されるものもあれば、チューブが水平なものもある。熱交換領域を拡大するために、チューブを湾曲形状(U型又は蛇行状)にしてもよい。また、チューブをコイル状又は螺旋状にしてもよい。しかし、流路及び気体と冷却剤との間の接触領域を拡大するためには、装置を大きくする必要がある。表面と気体との間の熱交換率は気体及び冷却剤の流量に依存する。より良い熱交換の結果を得るには流量を十分に多くする必要があり、これによってポンプや圧縮機などの補助装置に影響を与えたり、これらの補助装置が必要になる場合がある。このことによってシステム効率が大幅に下がる。よって、これらの変形物は全て嵩高で、熱交換率が低くなる傾向にある。
従って、冷却剤及び除湿される気体の流量を比較的小さくして動作することのできるコンパクトで効率的な凝縮器が依然として必要である。
本発明に従って、気体の流れに含まれる蒸気を冷却するための凝縮器が提供される。 この凝縮器は、軸を中心にほぼ円形の断面を有し、該軸がほぼ垂直になるように取り付けられたチャンバと、前記チャンバの一端部に通じ、前記チャンバの該一端部に気体を供給する気体入口と、前記チャンバに通じ、前記チャンバから気体を排出する気体出口と、前記チャンバの前記一端に隣接して取り付けられた前記気体入口を介して前記チャンバに供給される前記気体の流れに渦流速度成分を付与する手段であって、気体が前記チャンバの前記一端から他端に流れるように構成された、該手段と、前記チャンバから熱を除去して前記蒸気の凝縮を促すように前記チャンバを冷却する手段と、を含み、前記気体の流れに渦流速度成分を付与する前記手段が、前記気体入口に隣接した弧状の気体コンパートメント及び偏流羽根のうち少なくとも1つを含む。
本発明の更なる態様に従って、気体の流れに含まれる蒸気を冷却するための凝縮器が提供される。この凝縮器は、軸を中心にほぼ円形の断面を有し、該軸がほぼ垂直になるように取り付けられたチャンバと、前記チャンバの上方の一端部に通じ、前記チャンバの該一端部に気体を供給する気体入口と、前記チャンバに通じ、前記チャンバから気体を排出する気体出口と、前記チャンバの前記一端に隣接して取り付けられた前記気体入口を介して前記チャンバに供給される前記気体の流れに渦流速度成分を付与する手段であって、気体が前記チャンバの前記一端から他端に流れるように構成された、該手段と、前記チャンバから熱を除去して前記蒸気の凝縮を促すように前記チャンバを冷却する手段と、を含み、前記チャンバにより、凝縮液が妨害されることなく前記チャンバの下端部に向かって下方に移動する。
本発明の他の態様は、蒸気の凝縮を促すために蒸気を含む気体の流れを冷却する方法である。この方法は、ほぼ円形の断面を有するチャンバに湿気を含む気体を供給し、渦流速度成分を前記気体の流れに付与し、前記気体が前記渦流成分を有する螺旋状経路で前記チャンバの一端から他端まで軸方向に流れるようにするステップと、前記チャンバを冷却して前記気体から熱を取り、前記蒸気の凝縮を促すステップと、前記チャンバをほぼ垂直に取り付け、これにより凝縮した蒸気が前記チャンバの内側を垂直に流れ落ちるステップと、前記蒸気の減少した気体を前記チャンバの前記軸に沿って排出するステップと、を含む。
本発明は、コンパクトで効率的な凝縮器を提供する。弧状のチャンバや偏流羽根のデザインにより気体の流れに対する撹乱を大きくし、よって熱交換率を高める。冷却剤の螺旋状の流路によって気体と冷却剤との間に十分な熱交換が生じ、気体からの水の分離効率が高くなる。
本発明をより良く理解し、実施の態様をより明らかに示すために、本発明の好適な実施の形態を例として示す添付の図面を参照する。
本発明の特徴及び利点は、下記の好適な実施の形態の詳細な説明に照らして更に明らかになるであろう。
図1乃至図4は、本発明の凝縮器10を示している。以下、冷却剤として水を用いて空気を除湿する用途において本発明を説明する。しかし、本発明を用いて他の気体又は流体を除湿して熱交換を行ってもよく、水以外の冷却剤を用いてもよいことを理解されたい。
本発明の凝縮器10は、概してケーシング20及び頭部30からなる。動作としては、凝縮器10はほぼ垂直な位置で配置され、頭部30はケーシング20の上部に位置する。図1に示すように、凝縮器10のケーシング20の形状はほぼ円筒状であり、外部ケーシング80と、チャンバ40を画定する内部ケーシング90とを含む(図3及び図4を参照)。内部ケーシング90及び外部ケーシング80は同軸の関係で配置されており、その間に環状空間100を画定する。内部ケーシング90及び外部ケーシング80は、上端部及び下端部で互いに溶接されている。外部ケーシング80には、ケーシング20の軸に対して垂直に配置された冷却剤入口22及び冷却剤出口24が備えられている。冷却剤入口22はケーシング20の底部に隣接して配置され、冷却剤出口24は頭部30に隣接して配置されている。ケーシング20の下端部はキャップ28によって閉じられている。気体から凝縮した水をチャンバ40から排出するために、排水口26がキャップ28に設けられている。
凝縮器10の頭部30は、半円形部分36と横方向延出部分38とを含む。気体入口32及び気体出口34が、横方向延出部分38の端壁35に設けられている。分離器50(図8及び図9)及び偏流羽根60(図10及び図11)が、ケーシング20のチャンバ40内に配置されている。偏流羽根60は、気体が所望のフローパターンでチャンバ40内に分配されることを容易にする。分離器50により、除湿された気体はチャンバ40から流れ出すことができ、分離器50は凝縮した水と気体を分離する。ケーシング20、頭部30、分離器50及び偏流羽根60の組立を以下により詳細に説明する。
ここで、凝縮器10の頭部30を示す図5乃至図7を参照する。頭部30の底面71には円形の開放端70がある。円形の開放端70のエッジの周りにはリム72が設けられている。開放端の中央には、気体出口34と流体連通した内径部(bore)76が設けられている。内径部76の側壁74は内径部76を開放端70の残りの部分から隔て、弧状のコンパートメント(区画部)78を形成している。内径部76の端面73及び側壁74は、頭部30の底面71から退避したところにある。弧状コンパートメント78は、気体入口32と流体連通している。図4から最もよくわかるように、分離器50との接続のために雌ねじ77が内径部76の下端部に隣接して設けられている。
図8及び図9は凝縮器10の分離器50を示している。分離器50は形状がほぼ円筒状であり、下端部にスカート部分52を備えている。分離器50は、中央部分51と、上端部に直径減少部分56を有する。直径減少部分56は中央部分51と共に段59を形成している。雄ねじ53が直径減少部分56の外壁に設けられている。雄ねじ53の上端部は、頭部30の内径部76に形成された雌ねじ77との接続に用いられ、よって分離器50は頭部30に取り付けられる。雄ねじ53の残りの部分は、偏流羽根60との接続に用いられる。
分離器50は、直径減少部分56の上端部から中央部分51の下壁49まで軸方向に延びる内径部(bore)54を備える。この特定の実施の形態において、内径部54は、直径減少部分56の上端部から段59にほぼ対応する軸方向の位置まで軸方向に延びる直径減少部分44を有する。しかし、内径部54はこのような直径減少部分44を必ずしも有するわけではないことを理解されたい。
分離器50の軸を横切る方向に延びる複数の通り穴が、分離器50の中央部分51の側壁に設けられている。この例では、6つの通り穴55が、中央部分51の側壁の周りで、中央部分51の下端部に隣接した軸方向位置に均等に設けられている。また、4つの通り穴57が、中央部分51の側壁の周りで、中央部分51の上端部に隣接した軸方向位置に均等に設けられている。これらの通り穴は、内径部54、及び分離器50の側壁の外側の空間と流体連通している。
スカート部分52は、中央部分51の下壁49から半径方向外方及び下方に延びている。スカート部分52の直径は内部ケーシング90の内径よりもわずかに小さく、水がこれらの間を流れることができるようになっている。スカート部分52は、凝縮した水の流れを促すように下方に傾斜している。凝縮した水が滴り落ちてスカート部分52とキャップ28との間に画定された水回収コンパートメント(区画部)53内に入るのを更に促すように、複数の切欠き58がスカート部分52のエッジの周りに設けられている。よって、内部ケーシング90は、主チャンバ40及び水回収コンパートメント53の双方を囲んでいる。
図3及び図4に示すように、偏流羽根60が分離器50の直径減少部分56の周りに取り付けられている。偏流羽根60は、図10及び図11においてより明瞭に示されている。偏流羽根60は円錐台形部分62を有する。複数の羽根64が、円錐台形部分62のより大きな端部の周りに設けられている。
羽根64は、螺旋状に傾斜した間隙が隣接する羽根64の間に形成されるように配置されている。間隙は、ほぼ同一の螺旋方向に傾斜されている。羽根64の外径は、気体の流れ及び容易な組立を可能にするように、内部ケーシング90の内径よりもわずかに小さい。偏流羽根60はその中央に内径部(bore)65を有する。内径部65は偏流羽根60の全長にわたって軸方向に延び、雌ねじ66を有する。雌ねじ66は、分離器50の直径減少部分56の雄ねじ53と協働し、偏流羽根60を分離器50に接続する。偏流羽根60が分離器50に取り付けられると、図3及び図4からわかるように、偏流羽根60の底面68は分離器50の段59に当接し、上面69は頭部30の側壁74の底面73に当接する。よって、チャンバ40は、偏流羽根60、内部ケーシング90、分離器50及びスカート部分52間に遮るもののない環状の空間を主に含み、気体は、気体の速度や方向に影響を及ぼすいかなる他の要素にもさらされずにこの空間を通って流れる。
ここで、凝縮器10の外部ケーシング80を示す図12及び図13を参照する。外部ケーシング80は円筒状で、2つの開放端88及び89を備えている。側壁には、冷却剤入口82が外部ケーシング80の下端部に隣接して設けられており、冷却剤出口84がその上端部に隣接して設けられている。外部ケーシング80の上部エッジには直径減少部分83が設けられており、直径減少部分83は組立の際に頭部30のリム72内に嵌まる。組立の際、結合されたリム72及び直径減少部分83は互いに溶接され、除湿される気体が頭部30とケーシング20との間で漏れるのを防ぐ。
リブ86が外部ケーシング80の内壁に設けられている。リブ86は冷却剤入口82から始まって外部ケーシング80の内壁の周りを螺旋状に上方へ延び、外部ケーシング80の上端部に隣接する位置で終わる。内部ケーシング90及び外部ケーシング80が互いに溶接される際にリブ86が内部ケーシング90の外壁に実質上当接するように、螺旋状リブ86は外部ケーシング80から突出しており、これにより、図3及び図4に示すように、内部ケーシング90と外部ケーシング80との間の環状空間100は分離されて1つの連続した螺旋状チャンネル110になる。外部ケーシング80の下端部88には、キャップ28と接続するための雌ねじ85が設けられている。内部ケーシング90の形状はほぼ円筒状であることが図3及び図4からわかる。螺旋状リブ86の傾度及びピッチ、よって螺旋状チャンネル110の傾度及びピッチを必要に応じて変更してもよく、1つよりも多くの螺旋状チャンネルを設けてもよいことを理解されたい。
引き続き図3及び図4を参照すると、キャップ28はねじ結合によってケーシング20の下端部を閉じる。これによってケーシング内にチャンバ40が画定される。水位検出器42をキャップ28に取り付け、水回収コンパートメント53内の凝縮した水の水位をモニターすることができる。凝縮した水が一定の水位に達すると、排水口26が開かれてチャンバ40から水が排出される。この排水は、手動か又は自動で行うことができる。
動作としては、除湿される気体が気体入口32を通って凝縮器10に流れ込む。気体入口32から、気体は弧状チャンバ78を通って流れる。気体の流れる方向が変わるため、気体の流れの撹乱即ち乱流が増す。更に、偏流羽根60の羽根64が、隣接する羽根64の間の複数の間隙を除き、頭部30の円形開放端70を実質上閉じるため、気体は螺旋状に傾斜した複数の間隙を通ってチャンバ40に流れ込む。よって、チャンバ40に流れ込む気体に渦が形成され、即ち、かなりの渦流速度成分が気体の流れに付与される。気体は渦巻きパターンで下方に流れ、分離器50周辺のチャンバ40に入る。
これと同時に、通常は水である冷却剤がケーシング20の底部付近の冷却剤入口22から供給される。冷却剤入口22から、冷却剤は内部ケーシング90と外部ケーシング80との間の環状空間100に流れ込む。ここから、冷却剤は螺旋状チャンネル110に沿って上方に流れて環状空間100を出、ケーシング20の上端部に隣接する冷却剤出口24から出る。即ち、冷却剤の流れは軸方向の向流である。
チャンバ40において、気体は内部ケーシング90の表面で冷却され、よって水が凝縮される。除湿された気体は次に複数の通り穴55及び57を通って分離器50の内径部54に入る。ここから、気体は分離器50の内径部54によって形成されたチャンネルと、頭部30の内径部76に沿って流れる。除湿された気体は次に気体出口34を通って流れ、凝縮器10から出る。気体の渦状の流れと冷却剤の螺旋状流路によって気体と冷却剤との間に十分な熱交換が生じ、気体からの水の分離効率が高くなる。また、この渦状の流れは気体の流れからの水滴の分離を促し、水滴が気体の半径方向内方の流れにのって通り穴55及び57に入ってしまうのを防ぐはずである。
凝縮された水は、内部ケーシング90の内壁及び分離器50のスカート部分52に沿って下方に流れ、水回収コンパートメント53の底部に流れ込む。前述のように、凝縮された水は一定の水位に達した際に排出される。
本発明は、本明細書に開示した実施の形態に限定されないことも理解されたい。当業者が、本発明の教示を学んだ後、本明細書に開示した実施の形態に対して種々の変更を行い得ることを予想することができる。例えば、システム内の構成要素の数及び配置を異なるようにしたり、同一の特定の機能を得るために異なる要素を用いたりすることができる。しかし、これらの変更は、請求の範囲において定義される本発明の保護範囲内に入るものとして考慮すべきである。
Claims (26)
- 気体の流れに含まれる蒸気を冷却するための凝縮器であって、
軸を中心にほぼ円形の断面を有し、該軸がほぼ垂直になるように取り付けられたチャンバと、
前記チャンバの一端部に通じ、前記チャンバの該一端部に気体を供給する気体入口と、前記チャンバに通じ、前記チャンバから気体を排出する気体出口と、
前記チャンバの前記一端に隣接して取り付けられた前記気体入口を介して前記チャンバに供給される前記気体の流れに渦流速度成分を付与する手段であって、気体が前記チャンバの前記一端から他端に流れるように構成された、該手段と、
前記チャンバから熱を除去して前記蒸気の凝縮を促すように前記チャンバを冷却する手段と、
を含み、
前記気体の流れに渦流速度成分を付与する前記手段が、前記気体入口に隣接した弧状の気体コンパートメント及び偏流羽根のうち少なくとも1つを含む、
凝縮器。 - 前記弧状コンパートメント及び前記偏流羽根の双方を含む、請求項1に記載の凝縮器。
- 前記渦流成分付与手段が少なくとも前記弧状の気体コンパートメントを含み、前記凝縮器が、共に前記チャンバを画定するケーシング及び頭部を含み、前記気体入口、前記気体出口及び前記弧状チャンバが該頭部に設けられ、該頭部は前記チャンバの前記一端にある、請求項1に記載の凝縮器。
- 前記渦流成分付与手段が前記偏流羽根を含み、前記偏流羽根はほぼ円形で半径方向外方に延びる複数の羽根を含み、前記偏流羽根は、前記羽根が前記ケーシングの内側に近い位置まで延びるように前記チャンバの前記軸に取り付けられ、前記羽根は、前記羽根を通過する前記気体の流れの渦流成分を付与するように傾斜されている、請求項2又は請求項3に記載の凝縮器。
- 前記頭部が前記チャンバ上の上端部に設けられており、前記気体から凝縮した液体を分離する分離器が設けられている、請求項1又は請求項3に記載の凝縮器。
- 前記分離器が、前記チャンバの前記他端から前記一端に向かって前記チャンバの前記軸に沿って延び、前記気体出口と通じる内径部を含むほぼ円筒状の部分を含み、これにより前記チャンバがほぼ環状になって前記ケーシングと前記分離器との間に画定され、前記分離器は、気体が前記チャンバから前記分離器の該内径部に流れ込み、前記気体出口を介して排出されることを許容する開口を含む、請求項5に記載の凝縮器。
- 前記分離器が、前記チャンバの前記他端に隣接した端部にスカート部分を更に含み、これによって水回収コンパートメントを前記チャンバから区分する、請求項6に記載の凝縮器。
- 前記チャンバの外側の周りにほぼ環状の冷却ジャケットを含む、請求項7に記載の凝縮器。
- 前記冷却ジャケットが、前記冷却ジャケットを介して延びる少なくとも1つの螺旋状チャンネルを画定する少なくとも1つの螺旋状リブを含む、請求項8に記載の凝縮器。
- 前記冷却ジャケットが、前記チャンバの前記他端に隣接した冷却剤入口と、前記チャンバの前記一端に隣接した冷却剤出口とを含む、請求項9に記載の凝縮器。
- 前記偏流羽根を含み、前記偏流羽根が前記分離器に取り付けられており、前記分離器が前記頭部に固定されている、請求項10に記載の凝縮器。
- 前記水回収コンパートメント用の水出口と、前記水回収コンパートメント内の水位を制御するために前記水回収コンパートメント内の水位を検出する手段とを含む、請求項11に記載の凝縮器。
- 蒸気の凝縮を促すために、該蒸気を含む気体の流れを冷却する方法であって、
(1)ほぼ円形の断面を有するチャンバに湿気を含む気体を供給し、渦流速度成分を前記気体の流れに付与し、前記気体が前記渦流成分を有する螺旋状経路で前記チャンバの一端から他端まで軸方向に流れるようにするステップと、
(2)前記チャンバを冷却して前記気体から熱を取り、前記蒸気の凝縮を促すステップと、
(3)前記チャンバをほぼ垂直に取り付け、これにより凝縮した蒸気が前記チャンバの内側を垂直に流れ落ちるステップと、
(4)前記蒸気の減少した気体を前記チャンバの前記軸に沿って排出するステップと、
を含む、方法。 - 前記チャンバの前記一端に設けられた気体出口を介して気体を排出することを含む、請求項13に記載の方法。
- 内径部を含む分離器を提供することと、前記ステップ(4)において、前記チャンバの前記他端から該内径部に沿って前記気体出口に気体を排出することを含む、請求項14に記載の方法。
- 前記分離器に複数の通り穴を設けることと、気体を該通り穴に通して前記分離器の前記内径部に流すことを含む、請求項15に記載の方法。
- 弧状のコンパートメントを介して前記気体を通し、供給すること、及び
偏流羽根を介して前記気体を通すこと、
のうち少なくとも1つによって前記渦流速度成分を前記気体の流れに付与することを含む、請求項16に記載の方法。 - 前記チャンバの外側の周りで、前記軸方向の気体の流れ方向に対して向流になるように冷却剤を通すことによって前記チャンバを冷却する、請求項17に記載の方法。
- 気体の流れに含まれる蒸気を冷却するための凝縮器であって、
軸を中心にほぼ円形の断面を有し、該軸がほぼ垂直になるように取り付けられたチャンバと、
前記チャンバの上方の一端部に通じ、前記チャンバの該一端部に気体を供給する気体入口と、前記チャンバに通じ、前記チャンバから気体を排出する気体出口と、
前記チャンバの前記一端に隣接して取り付けられた前記気体入口を介して前記チャンバに供給される前記気体の流れに渦流速度成分を付与する手段であって、気体が前記チャンバの前記一端から他端に流れるように構成された、該手段と、
前記チャンバから熱を除去して前記蒸気の凝縮を促すように前記チャンバを冷却する手段と、
を含み、
前記チャンバにより、凝縮液が妨害されることなく前記チャンバの下端部に向かって下方に移動する、
凝縮器。 - 渦流速度成分を前記気体の流れに付与する前記手段が、前記気体入口に隣接する弧状の気体コンパートメント及び偏流羽根のうち少なくとも1つを含む、請求項19に記載の凝縮器。
- 前記弧状の気体コンパートメント及び前記偏流羽根の双方を含み、前記凝縮器が、共に前記チャンバを画定するケーシング及び頭部を含み、前記気体入口、前記気体出口及び前記弧状チャンバが該頭部に設けられ、該頭部は前記チャンバの前記一端にある、請求項20に記載の凝縮器。
- 凝縮した液体を前記気体から分離する分離器が設けられる、請求項19に記載の凝縮器。
- 前記チャンバがケーシングによって画定されており、前記分離器が、前記チャンバの前記他端から前記一端に向かって前記チャンバの前記軸に沿って延び、前記気体出口と通じる内径部を含むほぼ円筒状の部分を含み、前記チャンバはほぼ環状で妨げるものを有さず、前記ケーシングと前記分離器との間に画定され、前記分離器は、気体が前記チャンバから前記分離器の該内径部に流れ込み、前記気体出口を介して排出されることを許容する開口を含み、使用の際、前記気体に付与された前記渦流速度成分が前記ケーシングに向かう水滴の分離を促す、請求項22に記載の凝縮器。
- 前記分離器が、前記チャンバの前記他端に隣接した端部にスカート部分を更に含み、これによって水回収コンパートメントを前記チャンバから区分する、請求項23に記載の凝縮器。
- 前記チャンバの外側の周りにほぼ環状の冷却ジャケットを含む、請求項23に記載の凝縮器。
- 前記冷却ジャケットが、前記冷却ジャケットを介して延びる少なくとも1つの螺旋状チャンネルを画定する少なくとも1つの螺旋状リブを含む、請求項25に記載の凝縮器。
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