JP2011149637A - 縦型熱交換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 回転する筒状体を直接流体層に浸漬して使用される縦型の熱交換装置でありながら、筒状体３の胴部３１と底部３２を筒状容器の機能を持たせ、底部３２側における回転部との密封構造を回避し、その上部３３をケーシング７に対して軸受保持した状態で抜け止め規制させて、上部側からの流体供給と排出が行え、装置全体のコンパクト化を図る。
【解決手段】 縦型熱交換装置１において、筒状体３の胴部３１と底部３２を、その外面側から筒状体３内に流体の供給路を配設させない状態で密封せしめ、その開口側となる上部３３を流体層６から露出可能なケーシング７内に回転可能に軸受装着して構成し、内部固定羽根５１が装着される軸管８を、その基端側を延出してケーシング７の外部に臨ませて固設し、先端側に筒状体３内への流体流出孔８１を穿設する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、筒状体を流体層に浸漬することにより、温度差のある流体間で熱交換を行う縦型熱交換装置に関する。

近年、温度差のある流体（液体−液体、気体−気体、液体−気体）間で熱交換を行う熱交換装置として、二重境膜剥ぎ取り熱交換装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。二重境膜剥ぎ取り熱交換装置は、伝熱体である筒状体と、筒状体を回転駆動させる回転駆動手段と、筒状体の内部に配置され、筒状体の内周面に近接又は摺接して境膜を剥ぎ取る内部固定羽根と、筒状体の外周面に近接又は摺接して境膜を剥ぎ取る外部固定羽根とを備え、筒状体を温排水プール等の流体層に浸漬し上部を露出した状態、所謂縦型方式で、筒状体の内外の温度差のある流体同士が筒状体を介して熱交換を行うものである（図４参照）。このような縦型熱交換装置によれば、筒状体の内外周面で境膜の剥ぎ取りが行われるので、優れた伝熱促進効果が得られる。

しかしながら、特許文献１に記載された縦型熱交換装置では、開口した筒状体の底部と上部に、それぞれホルダー（７ａ、７ｂ）を被着せしめて、これを閉塞部材（２ａ、２ｂ）に軸受することによって、筒状体と共に一体回動可能に挟持させた構成となっており、また、筒状体内に供給される流体を、筒状体の底部側に設けた回転するホルダー（７ｂ）に挿入された供給管から導入し、上部側に設けた排水管から排出する構成となっている。

このため、回転するホルダー（７ａ、７ｂ）の外周端面と閉塞部材（２ａ、２ｂ）との間における軸受部（８）、および、回転するホルダー（７ｂ）の穿孔と挿入された供給管との間における軸受部（８）を介した密封構造を構築しなければならず、密封すべき部分が常に流体層に浸漬されることとなって、密封構造を完全なものとすることが難しく、筒状体を長期に渡り流体層に浸漬した状態で使用し続けると、流体層の外部流体が筒状体内に侵入してしまうという問題を生じ、過度なメンテナンス作業を強いられるものであった。また、筒状体を流体層に浸漬した際に、供給管や供給ポンプを流体層内に設けなければならず、装置の導入が大がかりなものとなって、施工費用は勿論、装置全体の制作費用など導入コストが高価なものとなるばかりか、上記のメンテナンス作業すら行うことが困難なものとなり、熱交換装置の導入を阻害する要因ともなっていた。

特開２００５−９８０４号公報

本発明は、上記の如き問題点を一掃すべく創案されたものであって、回転する筒状体を直接流体層に浸漬して使用される縦型の熱交換装置でありながら、筒状体の胴部と底部が完全に密封された、所謂、筒状容器としての機能を持たせることができ、その開口側となる上部が、筒状体の基端側を延出させた延出手段となってケーシングに対してしっかりと軸受保持した状態で抜け止め規制することができ、さらに、流体供給路として用いた軸管の基端部がケーシングに固設保持されているため、その先端部の底部に対する支持を簡易的なものとし得る結果、仮令、筒状体を自由端とする垂下状態であっても、ケーシング側を主体とした筒状体の回転駆動を行うことを可能ならしめ、底部側における回転部との密封構造を一切不要なものとできるばかりか、露出するケーシング側からの流体供給と排出を行うことができ、装置全体のコンパクト化が図られて、メンテナンス作業を容易に行え、制作コストや導入コストを安価なものとでき、熱交換装置の導入意欲を喚起することができる縦型熱交換装置の提供を目的とする。

上記課題を解決するために本発明の縦型熱交換装置は、伝熱体となる筒状体と、該筒状体を回転駆動させる回転駆動手段と、筒状体の内部に配設されて、その胴部内周面に近接又は摺接して境膜を剥ぎ取る内部固定羽根とを備え、筒状体を流体層に浸漬し上側を露出した状態で、流体層の外部流体と、該外部流体と温度差のある流体を筒状体内に流入させて排出することにより、筒状体内の底部側から上部側に流動化することで内外の流体同士の熱交換を行うよう構成された縦型熱交換装置であって、前記筒状体は、その胴部と底部を、胴部および底部外面側から筒状体内に流体の供給路を配設させない状態で密封せしめて構成する一方、その開口側となる上部を流体層から露出可能なケーシングに装着すべく構成し、該ケーシング内に、筒状体の基端側を回転可能に軸受すべく延出せしめた延出手段を挿設して、胴部と連通するケーシング外部への排出路を設け、さらに、前記内部固定羽根を軸管に装着させ、該軸管の基端側を排出路を通してケーシング外部に臨ませて固設し、軸管の先端側周面に筒状体内に流体を流入するための流出孔を穿設せしめて供給路を設けると共に、前記軸管は、胴部内に挿入された先端部を、底部内面側に設けた受け部に支持させて、前記流出孔を底部近傍に配置し、前記軸管の基端側より供給された流体を、前記流出孔から筒状体内に流出せしめることにより前記排出路から回収することを特徴とするものである。

本発明は、上記のように構成したことにより、回転する筒状体を直接流体層に浸漬して使用される縦型の熱交換装置でありながら、筒状体の胴部と底部が完全に密封された、所謂、筒状容器としての機能を持たせることができ、その開口側となる上部が、筒状体の基端側を延出させた延出手段となってケーシングに対してしっかりと軸受保持した状態で抜け止め規制することができる。さらに、流体供給路として用いた軸管の基端部がケーシングに固設保持されているため、その先端部の底部に対する支持を簡易的なものとし得る結果、浸漬された筒状体への流動負荷が加わらない非流動の流体層においては、仮令、筒状体を自由端とする垂下状態であっても、ケーシング側を主体とした筒状体の回転駆動を行うことを可能とし得て、また、浸漬された筒状体への流動負荷が大きく加わるような流動の強い流体層においては、必要において、その底部側を簡易な支持構造をもって支持受けするだけでよく、底部側における回転部との密封構造を一切不要なものとできるばかりか、露出するケーシング側からの流体供給と排出を行うことができ、装置全体のコンパクト化が図られて、メンテナンス作業が容易に行え、制作コストや導入コストを安価なものとでき、ひいては、本発明により排熱回収が推進される結果、回収された熱エネルギーの再生利用により化石燃料の総使用量が削減され、ＣＯ_２排出量の削減が期待でき、熱交換装置の導入意欲を喚起することができる。

以下、本発明の実施の形態を好適な実施の形態として例示する縦型熱交換装置を図面に基づいて詳細に説明する。図１は縦型熱交換装置の外観説明図、図２は縦型熱交換装置の縦断面図、図３（Ａ）は内部固定羽根を軸管に装着した状態を示す斜視図、図３（Ｂ）は筒状体の組付け状態を記す斜視図、図３（Ｃ）は組付け完了状態を示す斜視図である。

１は所定の立方体形状に枠組みされる固定フレーム２に装着された縦型熱交換装置１であって、該縦型熱交換装置１は、伝熱体である筒状体３と、筒状体３を回転駆動させる回転駆動手段４と、回転駆動手段４を装着するためのケーシング７と、筒状体３の内部に配置され、筒状体３の胴部３１の内周面に近接（又は摺接）して境膜を剥ぎ取る内部固定羽根５１と、固定フレーム２の内部に配置され、胴部３１の外周面に近接（又は摺接）して境膜を剥ぎ取る外部固定羽根５２とを備えており、筒状体３を流体層６に浸漬し、上側のケーシング７を露出した状態で、流体層６の外部流体と、この外部流体と温度差のある流体を筒状体３内に流入させて排出することにより、筒状体３内の底部側から上部側に流動化することで、筒状体３の内外に流される温度差のある流体同士が、内外固定羽根５１、５２により境膜を剥ぎ取りながら筒状体３を介して熱交換を行うようになっている。なお、これら構成は、特許文献１に開示されている如く境膜を剥ぎ取り熱交換装置の基本構成として概略公知の技術である。

内部固定羽根５１は、筒状体３の中心線に沿って配置される軸管８に装着支持されており、筒状体３の内周面に対して１／１００ｍｍ程度（取り扱う流体の物性により異なる）に近接（又は摺接）して境膜を剥ぎ取るように構成されている。
軸管８は、その先端側周面に筒状体３内に流体を流入するための流出孔８１を、底部近傍（胴部３１の中間よりも下方）となる上下に２個所ずつ対向位置に穿設せしめて、その基端側が、流体の供給口となるよう筒状体３から外方に延出させてケーシング７の上面から突出させた長尺なものとなっており、この突出部分を、防水用のＤリングやＯリングを介在させて固定筒ワッシャー７３によりケーシング７へ固定することで、外部からの供給流体の供給管とのジョイントを行う供給口８２として、軸管８を流体の供給路として使用できるようになっている。なお、流出孔８１は、一対のものを上下に２個所ずつ等間隔に穿設し、その流出方向も筒状体３の内周面に向けて流出するようにしたが、その穿設数や流出方向も任意である。

筒状体３は、熱伝導率の良い材質からなる断面円形の管部材で、略２７０ｍｍ程度の長さよりなる胴部３１と、先端側開口を塞ぐ底部３２と、筒状体３の基端側を延出する延出手段としての上部３３とを備える。底部３２は、外周面に胴部３１の内径に適合する挿入部を有して段差状に形成され、その内面側中心部に軸管８の先端を挿入して支持受けするよう、凹状に軸孔形成された受け部３２ａが設けられており、外面側中心部に固定フレーム２に支持受けされる支軸３２ｂが一体的に形成されている。また、内面側には、その外周端を胴部３１の内周面に圧接してシーリングし、中心部が受け部３２ａの軸孔内周に沿って折曲された無給油ブッシュ３２ｃが取着されており、挿着時に胴部３１にネジ止め固定することで、胴部３１と底部３２を、胴部３１および底部３２の外面側から筒状体３内に流体の供給路を配設させない状態で一体的に密封させた、所謂筒状容器として機能するよう構成してある。

一方、上部３３は、外周面に胴部３１の内径に適合する挿入部を有して段差状に形成され、胴部３１内径よりも小径の円筒状に形成されており、挿着時に胴部３１にネジ止め固定することで、胴部３１の内部空間と連通する。この上部３３は、流体層６から露出されるケーシング７内に挿入され、その外周部を軸受ベアリング７１により回転可能に軸受固着させ、プーリー４２をネジ止め固着することで抜け止め規制がなされ、さらにその軸受部の上側に、回転駆動手段４の動力を筒状体３に伝動する駆動ベルト４１が懸回されるプーリー４２を装着することで回転伝達手段として機能し、かつ、外部への排出路を形成する排出管として機能するように構成されている。なお、筒状体３の基端側を延出する延出手段としての上部３３を別部材で構成したが、胴部３１をそのまま延出させて、この延出域を排出管として一体構成したものであっても良い。

ケーシング７は、その内部が、ケーシング７内に挿入された上部３３の基端と上端をそれぞれ回転シール７４で密封させた所定形状の収容室７ａが形成されており、この収容室７ａ内に、収容室７ａを貫通させて配設した上部３３を軸受固定する軸受ベアリング７１をリングワッシャーで抜け止め押さえして取着し、上部３３に装着されるプーリー４２を軸受ベアリング７１上に配置させたガタツキ防止用のリングスペーサーに支持受けさせた状態で収容し、別途密封された回転駆動手段４を構成する駆動ベルト４１を配設するよう構成されると共に、収容室７ａから突出する上部３３の筒内径に適合して、その排出路を更に延長する排出路が形成され、排出口７２と供給口８２を外部に露出した状態で全体を密封状に覆っている。また、上部３３の外周面に摺接する回転シール７４がその上下端部に設けられており、ケーシング７が流体層６から露出した状態で使用することを前提とした防水化がなされている。なお、駆動ベルト４１を露出した状態で使用可能な環境であれば、プーリー４２への連結にあたり、収容室７ａ内への連結孔も開口したままとして、収容室７ａ内への流体侵入を許容するようにしても良く、要は、排出路内への密封が成されていれば良い。

外部固定羽根５２は、所定形状の流体の通過孔５２ａが３個所に穿設されており、支軸３２ｂを支持受けするように立方状に各角部に配置枠組みされた固定フレーム２に取り付けされて、筒状体３の外周面に対して０．２ｍｍ程度（取り扱う流体の物性により異なる）に近接（又は摺接）して境膜を剥ぎ取るように構成されている。なお、回転する支軸３２ｂは、固定フレーム２の底面に設けられて、リングワッシャーにより抜け止め押さえされた無給油ブッシュ２ａに支持受けしている。

叙述の如く構成された本発明の実施の形態において、いま、縦型熱交換装置１を、筒状体３を温水プール、浴槽、温泉、冷泉、海水など液体の流体層６に浸漬させ、ケーシング７を露出した状態で、回転駆動手段４によって筒状体３を回転駆動させながら、流体層６の外部流体と、この外部流体と温度差のある流体を筒状体３内に流入させて排出することにより、筒状体３内の底部３２側から上部３３側に流動化することで、筒状体３の内外に流される温度差のある流体同士を、内外固定羽根５１、５２により境膜を剥ぎ取りながら筒状体３を介して熱交換を行うのであるが、本発明における縦型熱交換装置１は、筒状体３が、その胴部３１と底部３２を、胴部３１および底部３２の外面側から筒状体３内に流体の供給路を配設させない状態で密封せしめた構成となっており、その開口側となる上部３３を流体層６から露出可能なケーシング７内に装着するように構成されている。

つまり、上部３３は、ケーシング７と共に流体層６から露出するよう筒状体３を延出せしめた延出手段として構成され、ケーシング７内に上部３３を挿設して、その基端側を回転可能に軸受ベアリング７１により軸受させることで、胴部３１と連通するケーシング７外部への排出路を形成し、さらに、内部固定羽根５１を軸管８に装着させ、軸管８の基端側を排出路の中心部を通してケーシング７の外部に臨ませて固設し、軸管８の先端側周面に筒状体３内に流体を流入するための流出孔８１を穿設せしめて供給路を設けると共に、軸管８は、胴部３１内に挿入された先端部を、底部３２内面側に設けた受け部３２ａに支持させて、流出孔８１を底部３２近傍に配置し、軸管８の基端側の供給口８２より供給された流体を、流出孔８１から筒状体３内に流出せしめることにより排出路を経て排出口７２から回収するよう構成されている。

このため、回転する筒状体３を直接流体層６に浸漬して使用される縦型の熱交換装置でありながら、筒状体３の胴部３１と底部３２が完全に密封された、所謂、筒状容器としての機能を持たせることができ、その開口側となる上部３３が、筒状体３の基端側を収容室７ａを貫通して延出させた延出手段となって、ケーシング７に対してしっかりと軸受保持した状態で抜け止め規制することができると共に、流体供給路として用いた軸管８の基端部がケーシング７に固設保持されているため、その先端部の底部３２に対する支持を、密封構造を考慮する必要のない簡易的なものとし得る。その結果、浸漬された筒状体３への流動負荷が加わらない非流動、弱流動の流体層６においては、仮令、支軸３２ｂを固定フレーム２に支持受けさせない、所謂筒状体３を自由端とする垂下状態であっても、ケーシング７側を主体とした筒状体３の回転駆動を行うことを可能とし得て、また、浸漬された筒状体３への流動負荷が大きく加わるような流動の強い流体層６においては、必要において、その底部３２側を簡易な支持構造をもって支持受けするだけでよく、底部３２側における回転部との防水や密封を一切不要なものとできるばかりか、露出するケーシング７側からの流体供給と排出を行うことができ、装置全体のコンパクト化や簡素化が図られて、メンテナンス作業が容易に行え、制作コストや導入コストを安価なものとでき、ひいては、本発明により排熱回収が推進される結果、回収された熱エネルギーの再生利用により化石燃料の総使用量が削減され、ＣＯ_２排出量の削減が期待でき、熱交換装置の導入意欲を喚起することができる。

しかも、軸管８の底部３２近傍に流出孔８１を穿設するだけの簡単な構成をもって、基端側の供給口８２より供給された流体を、流出孔８１から流出方向を筒状体３の内に周面に向けて流出することができ、底部３２側に供給口を設けたもののようにシールド部材や弁機構を必要とすることもなく、筒状体３内における底部側から上部側への流動化に対して、異なる方向に供給流体を流出することができるばかりか、同方向に流出するものに比し、底部３２側における流動挙動を活性化して流体の停滞を防止することができる。また更に、複数の流出孔８１を穿設するに際して、各流出孔８１の穿設位置や大きさ、噴出方向をそれぞれ上下左右に異ならしめるなどの穿設設定も自由度をもたせて容易に行うことができ、筒状体３内の流動挙動を、底部側と上部側とで異ならしめるような挙動制御も行うことができる。

また、底部３２には、その外面側に突出する支軸３２ｂが設けられていると共に、所定形状に枠組みされた固定フレーム２に対して、ケーシング７を装着し、かつ支軸３２ｂを支持してあるので、回転する支軸３２ｂと固定フレーム２との支持受け構造に防水や密封を採用することなく製作することができると共に、浸漬された筒状体３への流動負荷が大きく加わるような流れの強い流体層６に使用しても筒状体３がブレたり振動したりすることがなく、熱交換機能を損なうことがない。しかも、筒状体３の胴部３１と底部３２を固定フレーム２によって保護することができ、搬送など取り扱いし易く、流体層６内の流動物の当接を防ぐことができる。

また、軸管８の基端側を、ケーシング７から突出せしめて、供給流体の供給管とのジョイントと、ケーシング７への軸管８の固定とを行うよう構成されているので、この突出部分がケーシング７への固定手段として機能し、固定筒ワッシャー７３等を用いて固定することができ、強固な固定が確保された状態で軸管８の先端を、回転する底部３２の受け部３２ａに対して簡易な樹脂製の無給油ブッシュ３２ｃなどにより支持受けすることができ、構造の複雑化が回避され製作の簡易化を図ることができる。

また、延出手段は、胴部３１の基端側に連結されて排出路を形成する筒状体３の上部３３として構成され、該上部３３を、回転駆動手段４に連結される連結体に兼用してあるので、上部３３が排出管として機能すると共に、回転伝達手段としての機能を兼ね備えることができ、構造の簡素化を図ることができる。つまり、上部３３は、胴部３１の内部空間と直接連通する、謂わば、胴部３１をそのまま延出させた如くにケーシング７内の収容室７ａを通過させた排出路を形成することができ、収容室７ａから突出する上部３３の筒内径に適合して、その排出路を更に延長することができると共に、この排出路を形成するケーシング７の構成部材によって収容室７ａを被嵌することで更なる密封構造を構築することができる。しかも、この様に密封された収容室７ａ内における上部３３の中間域を利用して、その外周部を軸受ベアリング７１により回転可能に軸受固着された抜け止め規制を行うことができ、駆動ベルト４１が懸回されるプーリー４２を装着することで駆動伝達を行う構造の構築ができる。

本発明の実施形態に係る縦型熱交換装置の外観説明図である。 本発明の実施形態に係る縦型熱交換装置の縦断面図である。 （Ａ）は内部固定羽根を軸管に装着した状態を示す斜視図、（Ｂ）は筒状体の組付け状態を記す斜視図、（Ｃ）は組付け完了状態を示す斜視図である。

１ 縦型熱交換装置
２ 固定フレーム
２ａ 無給油ブッシュ
３ 筒状体
３１ 胴部
３２ 底部
３２ａ 受け部
３２ｂ 支軸
３２ｃ 無給油ブッシュ
３３ 上部
４ 回転駆動手段
４１ 駆動ベルト
４２ プーリー
５１ 内部固定羽根
５２ 外部固定羽根
５２ａ 通過孔
６ 流体層
７ ケーシング
７ａ 収容室
７１ 軸受ベアリング
７２ 排出口
７３ 固定筒ワッシャー
７４ 回転シール
８ 軸管
８１ 流出孔
８２ 供給口

Claims (5)

1. 伝熱体となる筒状体と、該筒状体を回転駆動させる回転駆動手段と、筒状体の内部に配設されて、その胴部内周面に近接又は摺接して境膜を剥ぎ取る内部固定羽根とを備え、筒状体を流体層に浸漬し上側を露出した状態で、流体層の外部流体と、該外部流体と温度差のある流体を筒状体内に流入させて排出することにより、筒状体内の底部側から上部側に流動化することで内外の流体同士の熱交換を行うよう構成された縦型熱交換装置であって、
   前記筒状体は、その胴部と底部を、胴部および底部外面側から筒状体内に流体の供給路を配設させない状態で密封せしめて構成する一方、その開口側となる上部を流体層から露出可能なケーシングに装着すべく構成し、
   該ケーシング内に、筒状体の基端側を回転可能に軸受すべく延出せしめた延出手段を挿設して、胴部と連通するケーシング外部への排出路を設け、さらに、前記内部固定羽根を軸管に装着させ、該軸管の基端側を排出路を通してケーシング外部に臨ませて固設し、軸管の先端側周面に筒状体内に流体を流入するための流出孔を穿設せしめて供給路を設けると共に、
   前記軸管は、胴部内に挿入された先端部を、底部内面側に設けた受け部に支持させて、前記流出孔を底部近傍に配置し、
   前記軸管の基端側より供給された流体を、前記流出孔から筒状体内に流出せしめることにより前記排出路から回収することを特徴とする縦型熱交換装置。
2. 前記底部には、その外面側に突出する支軸を設けると共に、所定形状に枠組みされた固定フレームに対して、前記ケーシングを装着し、かつ支軸を支持してあることを特徴とする請求項１に記載の縦型熱交換装置。
3. 前記軸管の基端側を、前記ケーシングから突出せしめて、供給流体の供給管とのジョイントと、ケーシングへの軸管固定とを行うよう構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の縦型熱交換装置。
4. 前記延出手段は、前記胴部の基端側に連結されて排出路を形成する筒状体の上部として構成され、該上部を、前記回転駆動手段に連結される連結体に兼用したことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の縦型熱交換装置。
5. 前記固定フレームには、前記胴部外周面に近接又は摺接して境膜を剥ぎ取る外部固定羽根が装着されていることを特徴とする請求項２乃至４の何れかに記載の縦型熱交換装置。