JP2007301758A - 渦流発生器及びその発生器を用いた加熱流体通流加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 配管内を流れる流体に渦巻きを発生させ配管内の内壁近くを流れる流体と中央部を流れる流体との間に発生する境界層を確実になくすことができるようにすること。
【解決手段】 周方向に複数の凹部１１ａを形成した波状の凹凸を有する筒体からなり、凹部１１ａの端縁に略三角形状の切り越し片１１ｂを形成し、この円筒を配管１８に、切り越し片１１ｂが配管１８内を流れる流体の上流側に向けて嵌合配置し、配管１８内の中央部を流れる流体を切り越し片１１ｂによって凹部１１ａにねじ込み、内壁近くを流れる流体と中央部を流れる流体とを巻き込んだ渦流を発生させる。これにより配管内の境界層が薄くなり、配管内を流れる流体の均温化が図れる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、管内に流れる流体の渦流発生器及びその発生器を用いた加熱流体通流加熱装置に関するものである。

たとえばローラ内に加熱した流体を通流してローラの表面温度を所定の温度に維持し、樹脂フィルムなどの処理物をローラに当接して通過する間に処理物を所定の温度に加熱したり、高温の処理物を所定の温度にまで奪熱することが行われている。この場合、ローラは熱交換器を設けた流体の循環路中に配置され、その熱交換器により加熱された流体をローラ内に供給し、この流体の通流でローラに熱を加えるように構成されている。そして、ローラの表面温度を所定の温度に維持するためにローラ内へ流入する流体の温度を検出し、その検出とローラの表面温度を所定の温度とするための予め設定した目標値と比較し、その偏差によりたとえば熱交換器の発熱量を制御し、熱交換器を通流する熱媒体の温度を制御し、これによりローラの表面温度を所定の温度に保持している。
特開２００４−１９５８８８号公報

しかし、この温度制御では、迅速にローラの表面温度を所定の温度とすることができない場合、たとえば流体の物性値（粘度、密度等）が変わると表面温度を所定の温度とすることができないといった問題があった。この問題の発生を究明したところ、配管内を流れる流体の温度が配管外部からの加熱または冷却に影響され、図４に示すように流体２が流れる配管１内で、中央部を流れる流体２ｂと温度などの異なる流体が流れる境界層２ａが発生し、この境界層は流体の熱量、物性値（粘度、密度等）、流速により温度差も境界層の厚みも変化することによるものと判明した。

本発明が解決しようとする課題は、配管内の中央部を流れる流体と温度などの異なる流体が流れる内壁近くの境界層を確実に薄くし、境界層の発生による問題を解消する点にある。

本発明は、流体が通流する管の内部に嵌合配置され、管内を流れる流体に渦を発生させる渦流発生器であって、周方向に波状の凹凸を有し、長手方向の凹部に位置する一端にその端縁から管の内壁と平行する切込みを形成し、前記切込みから斜め方向内側に折り曲げた略三角形状の切り越し片を形成してなる筒体からなることを最も主な特徴とする。

本発明では、配管内の中央部を流れる流体は略三角形状の切り越し片によって配管内の内壁部にねじ込まれ、内壁近くを流れる流体と中央部を流れる流体とが入り混じって配管内の中央部に収斂する渦流が発生し、この渦流によって配管内を流れる流体の境界層が、小さい流体抵抗で、きわめて薄くなり、配管内の流体のたとえば温度が均一化され、流体の熱量、物性値（粘度、密度等）、流速に関わらず配管内を通流する流体の温度などを簡単かつ正確に検出することができる。

配管内の中央部を流れる流体と温度などの異なる流体が流れる内壁近くの境界層を確実に薄くする目的を、周方向に波状の凹凸を形成した筒体からなり、前記筒体凹部の端縁に、内側斜め方向に折り曲げた略三角形状の切り越し片を形成した渦流発生器を配管内に設けることにより実現した。

図１は、本発明の実施例に係る渦流発生器の構成を示すもので、（ａ）は正面図、（ｂ）はＸ−Ｘ断面図、図２は図１の渦流発生器の端部の一部を拡大して示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。図１および図２において、１１は渦流発生器、１８は管である。渦流発生器１１は、本例ではＳＵＳ（ステンレススチール）製で外径４２．７ｍｍ、肉厚３．０ｍｍの周方向に波状の凹凸（図示では６箇所）を形成した筒体をなし、その凹部１１ａの窪みの最大深さは約３ｍｍとされ、筒体凹部１１ａの端縁に内側に折り曲げた三角形状の切り越し片１１ｂが形成されている。

切り越し片１１ｂは、図２（ｂ）に示すように長手方向の凹部１１ａに位置する一端にその端縁から管１８の内壁と平行する略１０ｍｍの切込み１１ｃを形成し、その切込みから斜め方向内側に略４５度折り曲げて形成された頂点の角α略３０度の直角三角形状をなしている。なお、以上の各数値は一例であってこれらの数値に限定されるものではない。

そして、渦流発生器１１は配管１８の内壁との間に僅かな隙間を隔てて配管１８内に固定されている。配管１８の両側の端部には、フランジ１８ａ、１８ｂが設けられ、流体が流れる配管とフランジ１８ａ、１８ｂにより切り越し片１１ｂを流体の流入側に向けて連結する。

このように構成された渦流発生器１１は、配管内の中央部を流れる流体は切り越し片１１ｂによって配管内の内壁部にねじ込まれ、内壁近くの凹部１１ａを流れる流体と中央部を流れる流体とが入り混じって配管内の中央部に収斂する渦流が発生し、この渦流によって配管内を流れる流体の境界層が、小さい流体抵抗で、薄くなり、配管内の流体のたとえば温度は均一化される。

図３は、このように構成された渦流発生器１１の使用例を示す図で、図３において、３はローラ本体を構成するロールシェル、４は図示しないモータにより回転してロールシェルを回転する回転駆動軸、５は中子、６はロータリジョイント、７はポンプ、８は冷却用熱交換器、９は加熱用熱交換器、１０は配管、１２は熱媒体の温度検出器、１３はローラ表面の温度検出器、１４は回転トランス、１５は温度調節器、１６はサイリスタなどの加熱電力制御回路、１７は冷却水調整電磁弁である。

ロールシェル３は円筒状をなし、この例ではその肉厚内部に長手方向に沿う密閉室３ａと温度検出器を挿入する挿入孔３ｂが形成され、挿入孔３ｂには、ロールシェル３の表面温度を検出する温度検出器１３が配置され、密閉室３ａ内には、潜熱移動によってロールシェル３の表面の温度を均一化する水などの気液二相の熱媒体が封入されている。そして、ロールシェル３の中空内部に中子５が配置され、中子５の中央部を貫通して熱媒体通流路５ａが形成されている。熱媒体通流路５ａは回転駆動軸４内を経てロータリジョイント６の流入口に連結され、ロールシェル３の内周壁と中子５の外周壁との間で形成された熱媒通流路３ｃは回転駆動軸２内を経てロータリジョイント６の出口に連結されている。

ロールシェル３内を通流する熱媒体は、ポンプ７により配管１０内を通流して冷却用熱交換器８、加熱用熱交換器９を順に経由して循環する。加熱用熱交換器９には電熱ヒータが配置され、このヒータにより所定の温度に加熱された熱媒体をロールシェル３内へ送る。加熱用熱交換器９からロールシェル３内へ送る配管１０には、温度検出器１２が配置され、この温度検出器１２の温度検出信号と、ロールシェル３に配置された温度検出器１３の温度検出信号が温度調節器１５に入力され、予め設定した目標値と比較し、その偏差信号を加熱電力制御回路に送り、電熱ヒータに供給する電力、すなわち熱媒体の温度を制御する。また、温度調節器１５の出力信号は、冷却水調整電磁弁１７を制御し温度変動に伴う熱媒体の応答速度を高める。

図１に示す渦流発生器１１は、加熱用熱交換器９と温度検出器１２との間に挿入されている。この渦流発生器１１の挿入により、渦流発生器１１を通過した直後の配管内を流れる熱媒体は均温化され温度検出器１２の挿入位置に影響されず、配管内を通流する熱媒体の温度を正確に検出することができ、迅速にローラなどの加熱装置の表面温度を所定の温度にすることができる。

なお、以上の使用例は加熱装置がローラであるが、加熱装置はローラに限らずたとえば平板状の加熱板であっても良い。また、熱媒体の温度を検出して熱媒体の温度を制御するものであるが、熱媒体の温度を検出して熱媒体の通流量を制御する場合にも適用される。

本発明の実施例に係る渦流発生器の構成を示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は断面図である。 図１の渦流発生器の端部の一部を拡大して示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。 本発明の使用例に係る熱媒体通流ローラ装置の構成を示す図である。 配管内を流れる流体の温度分布の説明図である。

符号の説明

１、１０、１８ 配管
３ ロールシェル
４ 回転駆動軸
５ 中子
６ ロータリジョイント
７ ポンプ
８ 冷却用熱交換器
９ 加熱用熱交換器
１０ 配管
１１ 渦流発生器
１１ａ 凹部
１１ｂ 切り越し片
１２ 熱媒体の温度検出器
１３ ローラ表面の温度検出器
１４ 回転トランス
１５ 温度調節器
１６ 加熱電力制御回路
１７ 冷却水調整電磁弁
１９ 回転接続器

Claims (5)

1. 流体が通流する管の内部に嵌合配置され、管内を流れる流体に渦を発生させる渦流発生器であって、周方向に波状の凹凸を有し、長手方向の凹部に位置する一端にその端縁から管の内壁と平行する切込みを形成し、前記切込みから斜め方向内側に折り曲げた略三角形状の切り越し片を形成してなる筒体からなることを特徴とする渦流発生器。
2. 略三角形状の切り越し片の頂角を略３０度とし、切り越し角度を略４５度としてなることを特徴とする請求項１に記載の渦流発生器。
3. 請求項１又は請求項２に記載の渦流発生器を、流体を加熱する加熱器と、前記加熱器で加熱された流体を通流して加熱する加熱体と、前記加熱体と加熱器とを連結し前記加熱器で加熱された流体を前記加熱体へ送る配管と、前記配管内に流れる流体の温度を検出する検出器とを有し、前記検出器の検出温度に基づいて前記加熱体の表面温度を制御してなる加熱流体通流加熱装置の前記加熱器と検出器との間の配管内に設けてなることを特徴とする加熱流体通流加熱装置。
4. 加熱体が加熱流体を通流するローラであることを特徴とする請求項３に記載の加熱流体通流加熱装置。
5. 加熱体が加熱流体を通流する平板であることを特徴とする請求項３に記載の加熱流体通流加熱装置。

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