JP2738298B2 - 螺旋状羽根を具えた熱交換装置の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は中空の螺旋状羽根を具
え、該中空部に熱媒体を流動して熱伝達を行なう熱交換
装置の改善に係る。

【０００２】

【従来の技術】回転軸に螺旋状羽根を周設した熱交換装
置は、多岐に亘って各種の分野で適用されている。その
中には単に熱伝達による加熱、乾燥、冷却だけを目的と
した熱交換器もあるが、混練や攪拌作用を供給された粉
粒体に与えつつ、さらに熱を加え、または熱を奪って補
助的に作用の進行を加速し、または効率を向上させる型
式の装置も広く知られている。中空の螺旋状羽根を具え
た装置が種々の産業上の装置に適用されるようになる
と、当然それぞれの目的に重点をおいた改善が研究され
その成果が提示されている。

【０００３】回転軸の外周面上へ中空の螺旋羽根を形成
する方法としては、一般に回転軸へ螺旋状羽根を形成す
る側板を螺旋状に溶接し、隣接する側板を結んだ頂面間
に跨がった別の金属片を溶接する方法が採られている。
図４は実開昭６３−１８０２１７号公報におけるスクリ
ュー体の実施例の一つであり、回転軸１ａの外周面上に
螺旋状羽根の側面３１ａを形成する帯板を溶接し、該帯
板同士をその頂面で溶接して羽根内部を中空としてい
る。また、特公昭５０−２６５７９号公報では図５に示
すようなスクリュー型熱交換器を提示し、回転軸１ｂの
外周面上に、中空横断面を有し周囲が閉じられた中空棒
材を溶接して中空のスクリューねじ山３ｂを形成してい
る。このように一体的に中空となった長い棒材を螺旋状
に回転軸外周へ巻き回し固着することによって、従来、
羽根を中空とするために側面、頂面の接合箇所で溶接す
ることに起因する内部応力による不利を軽減したと謳っ
ている。

【０００４】特公昭５３−４３５４３号公報は図６
（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、回転軸１ｃとその外周面
に周設する螺旋状羽根の側面３１ｃを機械的な加工によ
って削り出し（Ａ）、次に隣接する両側面をローラ１０
１などの加工機で塑性変形して頂点で相互に接触するま
で成形し（Ｂ）、最後に頂面を形成するために耐摩耗性
金属板１０２を溶接して断面が三角形となる中空の螺旋
状羽根を形成する（Ｃ）という手順を提案をしている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】図４、図５の従来技術
は、先行する殆ど全ての中空螺旋状羽根が慣用している
ように、回転軸の外周面上へ羽根部材を溶着する方式で
あるが、この溶着時に発生する軸自体の曲りと縮みは無
視できない程度に大きく、加工精度の限界として装置の
機能上の大きな制約となる。たとえば軸長がほぼ１．５
ｍの回転軸の全長に亘って螺旋状羽根を巻き回して溶接
すると、慎重に縮みを予測して施工しても５ｍｍ以内の
縮みに終始収めることが難しく、以後の装置としての組
み立てに難渋した経験がある。縮みや曲げはある程度の
予測は立つが、溶接条件や材料の成分などの微妙な差の
影響を受け、なかなか一律には規制し難いという課題が
ある。特に螺旋状に棒材を巻き回して溶接するという図
５の引例では、ｍｍ単位の精密な螺旋ピッチを全長に亘
って維持する製造は至難の業と考えられる。

【０００６】熱交換器専用として使用するときでも、そ
の他の目的の装置として使用するときでも、螺旋状羽根
の役割はケーシング内部に供給された粉粒体が、均等な
条件となるように攪拌しつつ中空部からの媒体の正負の
熱の移動を均等に受ける点に主体があるから、回転軸自
体が曲ったり、縮んだりする懸念があると、効果的な熱
伝達機能を発揮できる設計を立案する上で大きな障害と
なる。たとえば、ケーシング内に２本の回転軸を平行に
並べ、回転軸外周面の螺旋状羽根が相互に噛み合う形で
山部が谷部に入り込む方式がよく採られるが、螺旋状羽
根の相互の位置関係が曲りや縮みの恐れのため余り信頼
できなければ、その噛み込みも相当な間隙を残しておか
なければ、螺旋状羽根同士が干渉して破損する可能性が
高い。

【０００７】螺旋状羽根を具えた熱交換機が対象とする
のは主として流動性のある粉粒体であり、乾燥、冷却な
どの目的で採用されることがきわめて多いが、供給され
た時点では当然多量の水分を含んでいることは計算に入
れておかなければならない。また、時には粘性の多いス
ラリー状の流動体の場合もある。湿分の高い粉粒体は粘
着性も高いから、装置内へ供給されて攪拌作用を強いら
れると、回転軸の外周、ケーシングの内壁、螺旋状羽根
の側面など充填された内部を形成する全ての表面上に付
着する強い傾向は避け難い。表面に材料自体が付着層を
形成してしまうと、螺旋状羽根内部を流通する媒体と流
動する材料間の熱交換が阻まれて、熱伝達機能が失われ
効率は一挙で低下する。これを防止するためには、回転
する螺旋状羽根の表面自体で相手側の付着物を剥ぎ取る
自己清浄機能（セルフクリーニング作用）を与えること
が最も好ましい解決方法である。その意味では図４、図
５に例示した従来技術では装置の螺旋状羽根の位置に対
する信頼性が低く、対向する相互の面の位置をすれすれ
に接近するような設定の適用は、本来不可能である。

【０００８】図６に引用した従来技術は回転軸と螺旋状
羽根の側面との溶接がなく、軸の曲りや縮みの発生に対
する懸念はほぼ解消されている。しかし熱交換という原
点に立って評価すれば、三角形の中空部分の断面積は余
りに狭小に失し、十分な熱媒体の流通には疑問が残る。
特に鋭角状に尖った螺旋状羽根の頂面が熱交換の主役を
果たすべきであるにも拘らず、この部分に影響を与える
媒体の流量が過小であるから、全体の熱効率は低い状態
に甘んじざるを得ないと推測される。

【０００９】乾燥のための加熱、冷却の熱伝達を連続的
に加えるケーシング内でも、ある段階に重点をおいて意
図的に粉粒体の滞留を長引かせ効果的な作用を集中する
ケースもある。その温度において最も効果的な乾燥、加
熱、冷却作用を集中することが製品の品質上、最も好ま
しい場合とか、ある特定の温度においてその材料の物質
的な変化、たとえば同素変態や結晶水の分解等、他の温
度域では見られない特異な現象を持続する場合などであ
る。そのときには粉粒体の滞留時間を伸すことが熱処理
の進行上、貴重なテクニックであるが、具体的に螺旋状
羽根のピッチを変えることは製造が煩瑣でありコストア
ップにも直結するので、実際的な解決にはならない。こ
のニーズに対して引用した各従来技術を検証してみれ
ば、図５、図６の従来技術では密封状態の中空部を有す
る螺旋状羽根の頂面の高さを一部だけ変えることは基本
的に馴染まない構成である。また、図４の従来技術は螺
旋状羽根の全表面を独立した部材の溶接で組み立てて形
成するから、頂面の高さを調整することは自由である
が、ここでは先に述べた通り軸自体の曲りや縮みの課題
が残るから長尺物への採用に重大な制約が課せられる。

【００１０】本発明は以上に述べた課題を解決するため
に、長い回転軸を具えた装置であっても曲り、縮みが少
なく、また粘着性が高く自己清浄型の構成を必要とする
場合には、相互に噛み合った螺旋状羽根の側面同士、螺
旋状羽根の頂面と回転軸の外周間の間隙を僅少に設定し
得る螺旋状羽根の製造方法の提供を目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明に係る螺旋状羽根
を具えた熱交換装置は、密閉した筒状のケーシング１内
で複数の平行な回転軸２を架設し、該回転軸の外周面２
１上へ中空の螺旋状羽根３を周設して、該ケーシング１
内へ供給された粉粒体Ｐと熱交換を行なう基本に対し、
前記の回転軸２と螺旋状羽根３の側面３１を一体的に機
械加工で削り出し、隣接する該側面３１の頂面同士に跨
がる金属製の帯板３２を巻き回して溶着することにより
螺旋状羽根３を回転軸２の外周に周設した構成とする。

【００１２】この構成に基づいて、一方の回転軸２Ａの
外周に周設した螺旋状羽根３Ａと、他方の回転軸２Ｂの
外周に周設した螺旋状羽根３Ｂが僅少の間隙を隔てて相
互に噛み込むように高い精度で加工することができるか
ら、螺旋状羽根の側面３１Ａ、３１Ｂと回転軸の外周面
に粘着した粉粒体を剥ぎ取る自己清浄化型とすることに
より前記の課題を解決した。

【００１３】また、螺旋状羽根３の外周頂面の一部を切
り欠いて直線状とし、隣接する該切欠き部同士に跨がる
金属製の帯板３４を溶着してその他の螺旋状羽根の頂面
の帯板３２と繋ぎ合わせることがきわめて有効な場合と
なることもある。

【００１４】

【作用】本発明の螺旋状羽根の側面は回転軸と一体的に
機械加工によって削り出すから、加工した側面で形成す
る螺旋面の曲率は正確に維持され、従来技術のような溶
接による熱歪みの影響がない。螺旋面が正確であること
は、対向して噛み合う螺旋面同士の間隔を僅少に設定で
きることを意味し、自己清浄作用が理想的に発揮され表
面に粘着した粉粒体を効果的に剥脱する作用を誘発す
る。螺旋状羽根の頂面を形成するために帯板を側面上端
で溶接するが、回転軸からは距離が隔たっているから溶
接熱による歪みや内部応力の影響が回転軸の変形にまで
及ぶ恐れはきわめて小さい。

【００１５】

【実施例】図１（Ａ）（Ｂ）は本発明の実施例で、螺旋
状羽根３の成形手順を示す縦断面図である。螺旋状羽根
の成形は２つの工程からなり、当該装置が使用される条
件に適合した材質を選んで機械加工によって図（Ａ）の
ように回転軸１と螺旋状羽根の側面３１とを一体的に削
り出す。回転軸は軸心を穿孔して、その中空部へも熱媒
体を流通する型式としてもよい。旋盤などの機械的な加
工であるから、螺旋側面はきわめて正確に形成され、従
来技術のように螺旋状に他の部材を巻き回して溶着する
方式に比べると、螺旋ピッチの精度は遙かに高く、しか
もその生産性は明らかに勝っている。

【００１６】図（Ｂ）は図（Ａ）の螺旋側面の上端に帯
板３２を巻き回して溶接し、螺旋状羽根の頂面を形成し
た状態である。この溶接によって螺旋状羽根３は中空部
３３が密封状態で形成され、中空部内を自由に熱媒体が
流通する。図６に引用した従来技術とは違って、その中
空部３３の横断面は長方形または正方形など必要な媒体
の流量を確保するうえで十分な容積を設定できるから、
熱伝達の効率を目的と一致するように任意に適用できる
利点がある。

【００１７】図２は本発明の螺旋状羽根３を熱交換装置
に組込んだ横断面図で、２本の回転軸２Ａ、２Ｂの外周
面に周設し、相互に噛み合う螺旋状羽根３Ａ、３Ｂの側
面３１Ａ、３１Ｂ同士と、螺旋状羽根の頂面を形成する
帯板３２Ａ、３２Ｂと回転軸２の外周面２１Ａ、２１Ｂ
およびケーシング１の内壁１１とのそれぞれの間隔が、
何れも１〜２ｍｍの僅少な範囲に限られ、その結果、可
動面、不動面を問わずその伝熱面上へ粘着しようとする
湿分の高い粉粒体はほぼ完全に掻き取られて剥がされ、
熱交換の効率低下を絶えず防止する清浄化作用を続ける
のである。

【００１８】図３は本発明の別の実施例を示し、回転軸
に周設した螺旋状羽根のある一部の頂面を切り欠いて円
周を直線的に置き換えた例である。切欠き部分には帯板
３４で他の頂面を被覆する帯板３２と繋ぎ合せて連続し
た螺旋状羽根３Ａを形成するのである。前例と同様に被
覆して中空部３３Ａを形成することに変りはない。この
範囲は当の装置が実用に供される対象の物品の種類によ
って任意に設定すればよいが、切欠きが設けられた箇所
では同じ回転を続けていても螺旋状羽根の送り作用は抑
制されるから、その部分に到達した粉粒体はその場で移
動速度を落として停滞し、その分だけ熱作用を受ける時
間が延長して、乾燥や冷却効果の集中的な強化、または
特定の化学的変化の進行の上で、他の部分を通過する間
よりは顕著な作用を誘引することがある。このことは処
理する対象品が熱的な特性を持ち、ある温度において異
常な反応を現わす物質的な特徴を具えている場合や、あ
る状態で効果的な加熱（冷却）を受けることが、品質の
管理上望ましい場合などには、その熱的特性を利用する
うえで賢明な構成であると言える。

【００１９】

【発明の効果】本発明は以上に述べた通り、従来から広
く慣用化されてきた中空の螺旋状羽根を具えた熱交換装
置、または混練、攪拌などの副次的機能としての熱伝達
を付加する装置における螺旋状羽根の製造方法を改善し
て、従来以上の正確な螺旋面を経済的に製造したので、
この装置を使用すれば、粉粒体の粘着を防止して熱交換
の効率を大幅に向上する効果が得られる。また、処理す
る粉粒体の熱的な特性に合せて装置内を移動する材料の
進行速度に緩急を自由に設定し、より有効な熱作用が得
られるように改変する自由が与えられる。熱処理が装置
の主体であるにせよ、混練などの他の処理が主体であり
熱の与脱は補助的な機能であるにせよ、特定物質の処理
として従来技術では望み得なかった新しい機能を具える
ことが可能となり、機能材料としての粉粒体の開発に新
しい道を開くうえで、貢献が期待される。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）（Ｂ）によって本発明実施例の螺旋状羽
根３の成形手順を示す横断面図である。

【図２】本発明の実施例の熱交換装置の横断面図であ
る。

【図３】本発明の別の実施例を示す第一工程（Ａ）と第
二工程（Ｂ）のそれぞれ横断面図（−１）と側面図（−
２）である。

【図４】従来技術を示す横断面図である。

【図５】別の従来技術を示す一部断面正面図である。

【図６】さらに別の従来技術を示す横断面図（Ａ）、加
工中の要部の拡大断面図（Ｂ）、別の加工後の要部の拡
大断面図（Ｃ）である。

【符号の説明】

１ ケーシング ２ 回転軸 ３ 螺旋状羽根 １１ 内壁（ケーシング） ２１ 外周面（回転軸） ３１ 側面 ３２ 帯板 ３３ 中空部 ３４ 帯板（切欠き部）

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 密閉した筒状のケーシング１内で複数の
   回転軸２を平行に架設し、該回転軸の外周面２１の上へ
   中空の螺旋状羽根３を周設して、該ケーシング１内へ供
   給された粉粒体Ｐまたは粘性体と熱交換を行なう螺旋状
   羽根を具えた熱交換装置の製造方法において、前記回転
   軸２と螺旋状羽根３の側面３１を一体的に機械加工で削
   り出し、隣接する該側面の頂面同士に跨がる金属製の帯
   板３２を巻き回して溶着することにより螺旋状羽根３を
   回転軸２の外周に周設し、一方の回転軸２Ａの外周に周
   設した螺旋状羽根３Ａと、他方の回転軸２Ｂの外周に周
   設した螺旋状羽根３Ｂが僅少の間隙を隔てて相互に噛み
   込み、螺旋状羽根の側面３１Ａ、３１Ｂと回転軸の外周
   面２１Ａ、２１Ｂへ粘着した粉粒体を相互に剥ぎ取る自
   己清浄化型であることを特徴とする螺旋状羽根を具えた
   熱交換装置の製造方法。
2. 【請求項２】 請求項１において、螺旋状羽根３の外周
   頂面の一部を切り欠いて直線状とし、隣接する該切欠き
   部同士に跨がる金属製の帯板３４を溶着してその他の螺
   旋状羽根の頂面の帯板３２と繋ぎ合わせることを特徴と
   する螺旋状羽根を具えた熱交換装置の製造方法。