JP2024508100A - テッククリーン（ｔｅｃｈｃｌｅａｎ）（登録商標）直接熱交換型充填材 - Google Patents

Abstract

冷却塔内の冷却媒体を冷却するための充填材シートおよび複数の充填材シートから製造される充填材パックであって、各充填材シートは、充填材シートの上部から下部へ斜めに延在する複数の溝を備え、溝の斜めの配向は、交互に並ぶ複数の長めの斜め溝セグメントおよび短めの垂直溝セグメントによって生じており、複数の溝のそれぞれは微細構造を備え、微細構造は、溝の平坦なリッジ部の縁および平坦な谷部の縁の間に延在する、丸みを帯びたマウンドと丸みを帯びた窪みとを交互に複数備える。

Description

本発明は、直接熱交換型充填材および充填材パックに関するものである。

直接熱交換型充填材および充填材パックの例は、米国特許第８，９８５，５５９号に記載されており、その開示は、参照により本明細書に組み込まれる。

熱交換器は、産業界でよく知られており、ある媒体から別の媒体へ効率的に熱を伝達するように設計されている。熱交換器には多くの種類およびサイズがあり、特定のタイプの熱交換器は、通常、冷凍、空調、化学プラント、石油精製、発電所などの用途に応じて選択される。

発電所では、廃熱を大気中に移動させるために、水冷却塔が使用される。これらの冷却塔は、水の蒸発を引き起こして廃熱を除去し、水を湿球の空気温度近くまで冷却する。発電所に用いられる冷却塔の一種として、図１に示す現場設置型（field-erected）の双曲面冷却塔１０がある。加熱された水１２ｈは、双曲面冷却塔１０において、従来の充填材パックアセンブリ１４に分配される。図１に表されるように、周囲空気ＡＡは、双曲面冷却塔１０の底部に入り、充填材パックアセンブリ１４を通って上方に流れ、加熱空気ＨＡとして双曲面冷却塔１０を出る。一方、加熱された水１２ｈは、充填材パックアセンブリ１４を通って下方に流れ、すなわち滴りまたは雨となって、冷却水１２ｃとして充填材パックアセンブリ１４から出る。この配置は、当業界では一般に「向流」として知られている。

従来の充填材パックアセンブリ１４は、複数の従来の充填材パック１３を備える。充填材パック１３は、双曲面冷却塔１０の内部で互いに並んで配置されている。各充填材パック１３は、図２及び図３に最も良く示されているように、複数の熱交換器用シート１６を含む。充填材パック１３は、カンザス州エドワーズビルにあるＥｖａｐＴｅｃｈ社の商標であるＶｅｒｔｉＣｌｅａｎ（登録商標）フィルム充填材と称される。各熱交換器用シート１６は、垂直方向に延在する波形１５の繰り返し列（repetitive series）で構成された、ポリ塩化ビニルＰＶＣ材料の波形シートであり、垂直方向に延在する波形１５の間に形成される垂直方向に延在する溝１７を画定している。これらの熱交換器用シート１６は、真空下でＰＶＣのシートを熱成形することによって製造される。

図４において、部分上面図で示される３つの熱交換器用シート１６は、面対向する接着点２０の間に配置される接着剤１８によって互いに貼り合わされている。接着点２０は、波形１５のそれぞれの稜線ＲＬと同一平面上にあることに留意されたい。充填材パック１３を構成する熱交換器用シート１６の全ては、互いに同一である。当該技術分野で知られているように、同一の熱交換器用シート１６の間に空気－水流路１９を形成するために、２つの面対向する熱交換器用シート１６の一方を中心垂直軸に対して１８０°回転させて、２つの面に対向する熱交換器用シート１６の前側同士のみが互いに貼り合わされ、２つの面対向する熱交換器用シート１６の背側同士のみが互いに貼り合わされる。これは、各充填材パック１３を製造する技術分野において一般的に知られている製造技術である。

別の従来の充填材パックアセンブリ２４は、図５～図７に最もよく示されているように、充填材パックアセンブリ２４が、異なる構成の熱交換器用シート２６から作製される複数の充填材パック２３を含むことを除いて、上述の充填材パックアセンブリ１４と同様である。充填材パック２３は、カンザス州エドワーズビルにあるＥｖａｐＴｅｃｈ社の商標であるＴｅｃｈＣｌｅａｎ(登録商標）フィルム充填材と称される。熱交換器用シート２６は、短縮され、かつ、オフセットされた垂直方向に延在する波形２５ａ、２５ｂの２つの繰り返し列から構成されたＰＶＣ材料の波形シートである。

熱交換器用シート２６は、上縁２８と、上縁２８から離れて配置され、上縁２８と平行に延在する下縁３０と、一対の側縁３２と、を有する。側縁３２は、互いに離れて配置され、互いに平行に延在している。一対の側縁３２は、上縁２８と下縁３０との間において、上縁２８および下縁３０に接続され、図７に最もよく示されるように、概ね長方形の構成を形成している。一方の繰り返し列である短縮された垂直方向に延在する上部波形２５ａの繰り返し列は、上縁２８に隣接して始まり、そこから下方に、図７における熱交換器用シート２６の少なくともほぼ水平中点線ＨＭＰＬまで延在する。残りの、短縮された垂直方向に延在する下部波形２５ｂの繰り返し列は、下縁３０に隣接して始まり、そこから上方に、熱交換器用シート２６の少なくともほぼ水平中点線ＨＭＰＬまで延在する。なお、上部波形２５ａおよび下部波形２５ｂは、図７に最もよく示されるように、互いに幅方向に水平にオフセットされている。図８は、上から下に接続された２つの先行技術の充填材シートの例であり、溝（flutes）は、その上部および下部に短い斜めのセグメントを有し、溝上に特徴的な（feature）微細構造を備えている。

本発明は、前述の充填材構造および設計を改善したものである（ただし、基本構造、製造およびアセンブリは取り入れている）。本発明では、シートの数を減らし、より高い溝によってシート間の間隔を広げつつ、接続点の追加によって充填材パックの強度と剛性が維持され、新規な表面形状により熱伝達を改善しつつ、実質的にコストが低減される。

従って、本発明によれば、蒸発冷却塔の冷却媒体を冷却するための充填材パックに組み立てるための充填材シートが提供される。前記充填材シートは、第１端部および第２端部であって、前記第２端部は、前記第１端部に実質的に平行に、かつ、（空気および水の移動を基準とする）垂直軸に概ね垂直に延在し、前記第１端部および前記第２端部は、前記充填材シートの横軸に実質的に平行に延在する、第１端部および第２端部と、１７度より大きい第１の溝角度で、概ね前記第２端部に向かって延在する複数の溝（flutes）と、前記複数の溝に規定された微細構造と、を備え、前記複数の溝は、斜め溝セグメント長を有する斜め溝セグメントと、垂直溝セグメント長を有する垂直溝セグメントとを交互に複数備え、前記斜め溝セグメント長を有する前記斜め溝セグメントは、前記第１の溝角度に平行に整列され、前記垂直溝セグメントは、前記垂直軸に平行に整列され、前記斜め溝セグメント長は、前記垂直溝セグメント長の６．１倍であり、前記微細構造は、前記溝の平坦なリッジ部のエッジと平坦な谷部のエッジとの間に延在する、丸みを帯びたマウンド（mounds)と丸みを帯びた窪みとを交互に複数備える。

本発明の好ましい実施形態によると、前記微細構造は、前記横軸に実質的に平行に延在し、および／または、前記第１の溝角度は、約１２度～２２度であり、および／または、前記複数の溝は溝高さを規定し、および／または、前記溝高さは約１．４４インチであり、および／または、前記丸みを帯びたマウンドの微細構造は、０．０５インチの高さを有し、前記溝に沿って０．１１～０．１２インチの間隔で配置されている。

本発明の他の実施形態によると、パックを流れる流体を、実質的に反対方向に前記パックを流れる気体で冷却するための交差波形の充填材パックアセンブリが提供される。前記充填材パックアセンブリは、複数の同一の充填材シートを備え、前記充填材シートは、上述され、以下により詳細に記述される充填材シートであり、複数の前記充填材シートは、隣接する充電材シートが互いに１８０度の向きになるように配置され、隣接する充填材シートの溝のリッジ部に位置する対応する取り付けノッチで互いに取り付けられている。

従来の充填材パックアセンブリが内部に配置された先行技術の双曲面水冷却塔の一部を破断して示す斜視図である。 図１に示す先行技術の充填材パックアセンブリの１つのタイプの部分斜視図である。 図２に示す先行技術の充填材パックアセンブリの分解斜視図である。 図２及び図３に示す先行技術の充填材パックアセンブリの部分上面図である。 先行技術の充填材パックアセンブリの別のタイプの部分斜視図である。 図５に示す先行技術の充填材パックアセンブリの分解斜視図である。 図５及び図６に示す従来の充填材パックアセンブリの正面立面図である。 上下に接続された２つの先行技術の波状充填材シートの正面図であり、溝（flutes）は主に垂直に配向されている。溝は、短い斜め部分および特徴的な微細構造を有する。 本発明の一実施形態による高さ２フィート、幅１フィートの充填材シートの斜視図である。 図９に示す充填材シートセットから組み立てられた高さ２フィート、幅１フィート、深さ１フィートの充填材パックの斜視図である。 本発明の一実施形態に係る充填材シート溝の横断面を示す図である。 本発明の一実施形態による充填材シート溝の１２インチ長さの縦断面表示図であり、溝形状の詳細をより明確に示すために微細構造は示されていない。 本発明の一実施形態による充填材シート溝の１２インチ長の三次元表示図であり、溝形状の詳細をより明確に示すために微細構造を除いている。 本発明の一実施形態による特定の微細構造の相対的な位置及び大きさを示す、充填材シートの単一の溝の部分表示図である。 本発明の一実施形態によるリブ付き微細構造を有する充填材シート溝の三次元表示図である。 本発明の一実施形態によるリブ付き微細構造を有する充填材シートの上面斜視写真である。 本発明の一実施形態によるダイヤモンド形状の微細構造を有する充填材シートの上面斜視写真である。 本発明の一実施形態による、ダイヤモンド形状の微細構造を有する充填材シートにリブ付き微細構造を有する充填材シートが取り付けられた状態の上面斜視写真である。 図１８に示す実施形態のクローズアップを示す図である。 図１７に示す実施形態の端面斜視写真である。 図１８～図２０の実施形態のより近接したクローズアップ図である。 図１６の斜視クローズアップの実施形態のクローズアップ斜視図である。 図９の実施形態の上面図である。 図９の実施形態の左側面図である。 図９の実施形態の右側面図である。 図９の実施形態の正面図である。 図９の実施形態の背面図である。 図１０の実施形態の上面図である。 図１０の実施形態の底面図である。 図１０の実施形態の正面図および背面図である。 図１０の実施形態の左側面図および右側面図である。

例えば、図９及び図１０を参照すると、本発明は、積層され係合された複数の同一の充填材シート２０２を備える交差波形（cross corrugated）媒体、充填材パック又はアセンブリ２００に向けられている。最も好ましい実施形態では、１フィート（Ｆ）の幅を有する交差波形媒体または充填材パック２００は、積層され係合された１０枚の充填材シートを有する。充填材パック２００の幅は、充填材パックの最前部の充填材シートから最後部の充填材シートまで測定される。交差波形媒体又は充填材２００及び各シート２０２は、充填材シート２０２に対して概ね垂直に（空気の移動方向に）延在する垂直軸２０４と、充填材シート２０２に対して概ね横方向に延在する横軸２０６とを規定する。充填材パック２００を通る空気および水の流れは、シート２０２の第１端部２０８ａおよび第２端部２０８ｂの間において、概ね垂直軸２０４に沿っている。充填材シート２０２の第１端部２０８ａおよび第２端部２０８ｂは、第１側部２０８ｃおよび第２側部２０８ｄで繋がっている。第１端部２０８ａは、第２端部２０８ｂに実質的に平行であり、かつ、長手方向軸２０４に対して概ね垂直に延在する。第１端部２０８ａおよび第２端部２０８ｂは、横軸２０６に対して実質的に平行に延在している。各充填材シートは、好ましくはポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）から製造され、好ましくは０．０１０～０．０２５インチ（１０ミル～２０ミル）、より好ましくは０．０１５～０．０２０インチ（１５ミル～２０ミル）の厚さを有している。

パック２００内の各連続シート２０２は、隣接するシート２０２に対して１８０度（１８０°）回転されることで、パック２００の交差波形を画定している。したがって、好ましい充填材パック２００では、その厚さにわたって第１端部２０８ａおよび第２端部２０８ｂが交互に配置されて、充填材パック２００の交差波形を画定している。

各充填材シート２０２は、波形または「溝（フルート）」２１０の集まりによって特徴付けられる。波形または溝２１０は、垂直軸２０４に対して概ね斜め方向に第１端部２０８ａから延在し、シートを横切る空気および水の流れを案内する。図１１に表される各溝２１０の断面形状は、上部にある平坦なリッジ部２１２と、傾斜した側面２１４とを有する概ね台形状である。平坦な谷部２１６によって、隣接する溝２１０が分離されている。各充填材シート２０２の対向する面は互いに鏡像であり、充填材シート２０２の一方の面の平坦なリッジ部２１２が充填材シートの対向する面の平坦な谷部２１６を構成し、その逆も同様である。

充填材シート２０２の各溝２１０の溝高さＨｆは、好ましくは約１．４４インチであるが、約１．７２～１．１５インチの範囲内であってもよい。好ましい溝幅（平坦な谷部から平坦な谷部、また平坦なリッジ部から隣接する平坦なリッジ部）は、２．０インチであるが、２．４～１．６インチの範囲であってもよい。各平坦なリッジ部２１２（および対応する谷部）の幅は、好ましくは０．１９インチであるが、０．２３～０．１５インチの範囲であってもよい。

垂直軸２０４に対する溝２１０の角度（溝角度Ａｆ）は、好ましくは約１７度であるが、１２～２２度の範囲内であってもよい。溝２１０が斜めに配向しているため、より中央に位置する溝のみが充填材シート２０２の全長にわたって延在している。充填材シート２０２の外側の方に配置された溝２１０は、側部２０８ｃまたは側部２０８ｄで始端または終端してもよい（例えば、図９および図１０参照）。

概ね斜め方向に沿った各溝２１０の全長は、より詳細には、図１２及び図１３に示すように、短い垂直溝セグメント２２０が散在する一連の長い斜め溝セグメント２１８によって規定される。シートの側部２０８ｃ又は側部２０８ｄによって中断されない場合、長めの斜めの溝セグメント２１８は、好ましくは３．４２インチの長さを有し、短めの垂直溝セグメント２２０は０．５６インチの長さを有し、長めの斜めの溝セグメントの短めの垂直溝セグメントに対する好ましい比率は６．１である。

単一の充填材シート２０２上の溝の平坦なリッジ部２１２のそれぞれは、各シートが隣接するシートに接合される平坦なリッジ部２１２に沿って、一定間隔で接続ノッチ２２２を有する。最も好ましい実施形態によれば、溝の平坦なリッジ部２１２のそれぞれは、シート２０２の上部２０８ａ、下部２０８ｂ、および、上部２０８ａと下部２０８ｂとの間の中間点に接続ノッチ２２２を有し、かつ、シートの上部２０８ａと下部２０８ｂとの間のリッジ部２１２に沿って等間隔に設けられた４つの追加の接続ノッチ２２２を有しており、各平坦なリッジ部２１２に合計８つ（図９および図１０で示したように２つにまたがる）の接続ノッチ２２２を有する。上述したように、充填材シート２０２の対向する面は互いに鏡像である。したがって、充填材シート２０２の一方の側の平坦なリッジ部２１２上の各接続ノッチ２２２は、充填材シートの裏側の平坦な谷部２１６内の同一形状の隆起したプラトー（高平部）（plateau）２２４と対応している。このため、各平坦なリッジ部２１２が一連の接続ノッチ２２２を有するように、各平坦な谷部２１６は一連のプラトー２２４を有する。充填材シート２０２の各溝２１０の接続ノッチ２２２およびプラトー２２４は、好ましくは、図９および図１０に示すように、側部２０８ｃおよび側部２０８ｄの間で充填材シート２０２を横切る列（横列）２２６に並ぶことが好ましい。列２２６としては、第１端部２０８ａに１つの列２２６ａ、第２端部２０８ｂに１つの列２２６ｂ、第１端部２０８ａと第２端部２０８ｂとの間の中間点に２つの隣接する列２２６ｅおよび２２６ｆ（これらは互いに結合している（merged together)）、および、第１端部２０８ａおよび第２端部２０８ｂの間に等間隔に４つの追加の列２２６ｃおよび２２６ｄが配置され、充填材シート２０２を横切る合計８つの列２２６となっている。

接続ノッチ２２２は、クラッシュロック、締結、クランプ、接着結合又は他の接続機構又はアプローチなどによって、隣接するシート２０２の対応するノッチと位置合わせされてその中に入り込んで、シート２０２を充填材パック２００に接続するように設計及び構成されている。

各充填材シート２０２の各溝２１０は、充填材パック２００を通る水の分布の改善および完全な混合のために、使用中に水がシート２０２の幅全体又は横軸２０６全体を広がるようにするための微細構造を備える。第１の「リブ付き」微細構造の実施形態によれば、規則的な間隔で配置された一連の細長く丸みを帯びたマウンド２２８および窪み２３０（変形していないまたは平坦な溝側面セクション２３２によって分離されている）が、各溝２１０の側面２１４を横断している。各溝２１０および互いに相対する微細構造の位置および間隔を示す図１４と、単一の（反転した）溝の三次元表示を示す図１５とを参照されたい。これらの図には、２つの溝側面２１４の好ましい微細構造が示されている。細長く丸みを帯びたマウンド（盛り上がり）２２８のそれぞれの最も好ましい高さ（および各細長く丸みを帯びた窪み２３０の最も好ましい深さ）は、０．０５インチである。隣接するマウンドおよび窪みの間の最も好ましい間隔（形が変えられていない／溝側面の平坦部分２３２）は、０．１１～０．１２インチの範囲である。細長く丸みを帯びたマウンド２２８および窪み２３０のそれぞれの最も好ましい曲率半径は、０．１２インチである。図１５に示すように、細長く丸みを帯びたマウンドおよび窪みは、接続ノッチ２２２またはプラトー２２４があるところを除き、隣接する平坦な谷部２１６および隣接する平坦なリッジ部２１２における隣接する縁の間の全体にわたって延在している。接続ノッチ２２２またはプラトー２２４がある場合、丸みを帯びたマウンドおよび窪みは、隣接する接続ノッチの間および隣接するプラトーの間に設けられているものの、その全長にわたって延在していない。細長く丸みを帯びたマウンド２２８および窪み２３０は、例えば図９、図１０および図２２に示すように、充填材シート２０２のすべての溝２１０に設けられており、各溝２１０の全長に広がっている。図１６は、リブ付き微細構造の実施形態を有する充填材シートの上面斜視写真である。

図１７は、溝２１０の側面にエンボス加工されたダイヤモンド形状のプラトー２３４および窪み２３６を有する第２の微細構造を示す。リブ付き微細構造の実施形態と同様に、ダイヤモンド微細構造の実施形態は、溝２１０の平坦なリッジ部２１２または平坦な谷部２１６には設けられていない。

図１８は、充填材シート２０２の半分にリブ付き微細構造の実施形態を有する本発明による充填材シートを示し、充填材シート２０２の残りの半分にダイヤモンド微細構造の実施形態を有する本発明による充填材シートを示す。図１９は、図１８に示す実施形態のクローズアップを示す図である。

図２０及び図２１は、互いに接続された、図１８に示すタイプの２つの充填材シート２０２を示す。第１の充填材シートの平坦なリッジ部２１２上の接続ノッチ２２２が、第２の充填材シート２０２の平坦なリッジ部２１２上の接続ノッチ２２２とかみ合い、その内部に収まっている。

本発明の最も好ましい充填材パック、すなわち、１立方フィートの充填材あたり１０枚の充填材シートであって、開示された微細構造の実施形態および８列の接続ノッチ／プラトーと組み合わせて、開示された溝構成（短めの垂直セグメントによって分離された長めの斜めセグメントによって得られる全体的に斜めの配向）を備える充填材パックは、先行技術の充填材パックに対する改善性能対コスト比を予想外に向上させた。

これらの理由から、好ましい交差波形媒体又は充填材シート２０２及び組み立てられた充填材パック２００の設計は、新規であり、進歩性があり、市場で提供されている既存の商品製品よりも大きな商業的価値を有している。

上記の好ましい実施形態に、その発明概念から逸脱することなく変更を加えることができることは、当業者には理解されるであろう。したがって、本発明は、開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、本開示において概説され、本明細書に照らして読み取られる、後に続く請求項の最も広範な合理的解釈に従って定義される本発明の精神および範囲内の変更を対象とするものであると理解される。

添付図面中の主要な要素には、以下の参照数字が付されている。
２００ 充填材パック
２０２ 充填材シート
２０４ 長手方向軸
２０６ 横軸
２０８ａ 第１端部
２０８ｂ 第２端部
２０８ｃ 第１側部
２０８ｄ 第２側部
２１０ 溝（フルート）
２１２ 平坦なリッジ部
２１４ 平坦な側面
２１６ 平坦な谷部
２１８ 長めの斜め溝セグメント
２２０ 短めの垂直溝セグメント
２２２ 接続ノッチ
２２４ 隆起したプラトー
２２６ 接続ポイントの列
２２８ 丸みを帯びたマウンドの微細構造
２３０ 丸みを帯びた窪みの微細構造
２３２ 平坦な溝側面セグメント
２３４ ダイヤモンド形状のプラトーの微細構造
２３６ ダイヤモンド形状の窪みの微細構造

Claims (6)

1. 蒸発冷却塔の冷却媒体を冷却するための充填材パックに組み立てるための充填材シートであって、
   前記充填材シートは、
   第１端部および第２端部であって、前記第２端部は、前記第１端部に実質的に平行に、かつ、（空気および水の移動を基準とする）垂直軸に概ね垂直に延在し、前記第１端部および前記第２端部は、前記充填材シートの横軸に実質的に平行に延在する、第１端部および第２端部と、
   １７度より大きい第１の溝角度で、概ね前記第２端部に向かって延在する複数の溝と、
   前記複数の溝上に規定された微細構造と、を備え、
   前記複数の溝は、斜め溝セグメント長を有する斜め溝セグメントと、垂直溝セグメント長を有する垂直溝セグメントとを交互に複数備え、
   前記斜め溝セグメント長を有する前記斜め溝セグメントは、前記第１の溝角度に平行に整列され、前記垂直溝セグメントは、前記垂直軸に平行に整列され、
   前記斜め溝セグメント長は、前記垂直溝セグメント長の６．１倍であり、
   前記微細構造は、前記溝の平坦なリッジ部の縁と平坦な谷部の縁との間に延在する、丸みを帯びたマウンドと丸みを帯びた窪みとを交互に複数備える、充填材シート。
2. 前記微細構造は、前記横軸に実質的に平行に延在している、請求項１に記載の充填材シート。
3. 前記第１の溝角度は、約１２～２２度である、請求項１に記載の充填材シート。
4. 前記複数の溝は溝高さを規定し、前記溝高さは約１．４４インチである、請求項１に記載の充填材シート。
5. 前記丸みを帯びたマウンドの微細構造は、０．０５インチの高さを有し、前記溝に沿って０．１１～０．１２インチの間隔で配置されている、請求項１に記載の充填材シート。
6. パックを流れる流体を、実質的に反対方向に前記パックを流れる気体で冷却するための交差波形の充填材パックアセンブリであって、
   前記充填材パックアセンブリは、複数の同一の充填材シートを備え、前記充填材シートは、請求項１～５のいずれか一項に記載の充填材シートであり、
   複数の前記充填材シートは、隣接する充電材シートが互いに１８０度の向きになるように配置され、隣接する充填材シートの溝のリッジ部に位置する対応する取り付けノッチで互いに取り付けられている、充填材パックアセンブリ。

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