JP2744756B2 - 蓄熱型熱交換器及びそれを利用した蓄熱型バーナシステム - Google Patents

蓄熱型熱交換器及びそれを利用した蓄熱型バーナシステム

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JP2744756B2
JP2744756B2 JP5269437A JP26943793A JP2744756B2 JP 2744756 B2 JP2744756 B2 JP 2744756B2 JP 5269437 A JP5269437 A JP 5269437A JP 26943793 A JP26943793 A JP 26943793A JP 2744756 B2 JP2744756 B2 JP 2744756B2
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護 松尾
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は温度差のある2系統の流
体、例えば高温ガスと低温ガスの間で流路を切り替えず
に熱交換を行う蓄熱型熱交換器に関する。更に詳述する
と、本発明は、例えば蓄熱式交互燃焼バーナシステムや
廃熱回収システムなどにおいて、燃焼排ガスなどから廃
熱を回収するために、燃焼用空気などの低温のガス(低
温流体)と燃焼排ガスなどのように比較的高温のガス
(高温流体)とを交互に蓄熱体に通して熱交換を行わせ
るシステム、またこの蓄熱型熱交換器を利用した蓄熱型
バーナシステムに関する。尚、本明細書において高温流
体と低温流体とは、相対的に定められるものであって、
例えば燃焼排ガスと常温の燃焼用空気あるいは常温の空
気と冷熱ガスといった関係を意味している。
【0002】
【従来の技術】2系統の流体の間で蓄熱体を介して熱交
換を行う熱交換システムとしては、従来、図に示すよ
うなユングストローム型空気予熱器等が一般的である。
このユングストローム型空気予熱器400は、燃焼排ガ
スのような比較的高温のガスが流れるダクト402と燃
焼用空気のような低温のガスが流れるダクト403とが
ケーシング411に固定され、ディスク状の蓄熱体40
1を回転させることによって流路そのものを変更せずに
蓄熱体401に対するガスの流れを切り替え、燃焼排ガ
スから回収した熱を用いて燃焼用空気の予熱を行うよう
にしたものである。このユングストローム型空気予熱器
400は、回転する蓄熱体401の上流側と下流側とが
仕切壁405,408及びシール材404によって少な
くとも2つの室406,407及び409,410に分
けられている。回転する蓄熱体401は、シール材40
4によって実質的に2分され、一方の領域を通過する排
ガスで蓄熱体401を温められる一方、他方の領域を通
過する燃焼用空気を蓄熱体401の熱で予熱するように
設けられている。ここで、シール材404は図示してい
ないが波板を放射状に配置して成る蓄熱体401と密着
させて摺動させることができないため、僅かな隙間を設
けて配置されている。
【0003】一方、廃棄ガスから相当量の熱量を回収し
て熱効率を高めるべく、燃焼用空気のプレヒート技術が
近年開発されている。例えば、図10に示すように、ラ
ジアントチューブ101の両端に蓄熱体102を有する
バーナ103を設け、これらを交互に燃焼させてその燃
焼排ガスを燃焼させていないバーナ側の蓄熱体102を
通して排出するようにし、蓄熱体102に蓄熱された燃
焼排ガスの熱を使って燃焼用空気をプレヒートするラジ
アントチューブバーナが提案されている(工業加熱Vol.
23,NO.6,P71 日本工業炉協会発行)。このような燃焼
システムにおける蓄熱型熱交換システムでは、各バーナ
103に付属する蓄熱体102に対して高温ガス流路と
低温ガス流路とを切り替えて接続する流路切り替え手段
として電磁弁を採用することが一般的である。例えば、
4箇所に電磁弁104,105,106,107を設
け、これらを選択的に開閉させることによって高温ガス
と低温ガスの流路を切り替え得るように構成する。因
に、図中の符号108,109は燃料供給系110の選
択的開閉を行う電磁弁である。
【0004】また、図11に示すような四方切替弁20
7を使用することも考えられる。この四方切替弁207
は、四方に開口するポート201,202,203,2
04を有するケーシング205内に切替弁子206を回
転自在に設け、この切替弁子206によって四つのポー
トのうちの隣接する2つずつを選択的に連通させ、流路
の接続仕方を切り替えるようにしたものである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ユング
ストローム型空気予熱器の場合、蓄熱体401を回転さ
せることによって蓄熱体401に対するガスの流れを切
り替えるようにしているので、大型で重量のある蓄熱体
を採用する場合、回転機構の構造が複雑で大型化する問
題がある。また、蓄熱体そのものを回転させるため、蓄
熱体そのものの破損が起こり易く、セラミックスなどで
製作することが難しい。また、蓄熱体そのものを回転さ
せるため、シールが難しく、2流路間における流体の漏
洩が多い場合には25%程度となる。このため、熱交換
効率が低くなったり、燃焼システムにおける燃焼排ガス
と燃焼用空気との熱交換に利用する場合には燃焼用空気
の供給量が正確にコントロールできない等の問題があ
る。
【0006】また、図10に示すような電磁弁を用いた
蓄熱型熱交換システム及び燃焼システムの場合、高価な
高温流体用電磁弁を多数用いるため設備コストを引き上
げることとなる。しかも、空気配管用電磁弁はかなり大
型であるため、これを4個も必要とする流路切替装置で
はかなりの場所をとる問題がある。更に、配管が2重に
なり複雑で場所をとる問題がある。例えば、製鋼所など
における加熱炉や均熱炉等に適用する場合、数千台単位
の電磁弁を必要とすることとなる。しかも、空気と排ガ
スとの切り替えを従来の蓄熱型バーナシステムの1/1
0〜1/20の時間例えば数十秒から1分程度で頻繁に
行おうとする場合には、電磁弁では耐久性に不安があ
る。
【0007】また、図11の四方弁を使用する蓄熱型熱
交換システム及び燃焼システムの場合、一般的な構造の
四方弁では、弁内で燃焼用空気供給系と燃焼排ガス系と
がショートパスしてバーナへ供給される燃焼用空気の量
が制御に関係なく変動する問題がある。また、切替の瞬
間には燃焼用空気供給系と燃焼排ガス系とが完全にショ
ートパスを起こして燃焼用空気が蓄熱体側へ供給されず
に直接排気される現象が起こる。
【0008】そこで、本発明は、2系統の流路例えばか
なりの温度差のある2つのガス流路間において、ガスの
漏洩や混合が少ない単純な切替構造であってかつ流路切
替時に流体の供給ないし排出が瞬間的に減少したり滞る
のを防止することができる蓄熱型熱交換器及びそれを利
用したバーナシステムを提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
め、本発明の蓄熱型熱交換器は、周方向にN(N=n+
1、ここで、nは2以上の正の偶数で常時流体が流れる
室数である。)室に区画され各室内を軸方向に流体が通
過可能とした蓄熱体と、この蓄熱体の両開口端にそれぞ
れ接続されて温度差のある流体を流す2系統の流路の一
方の低温流体系統に接続される低温流体室と他方の高温
流体系統に接続される高温流体室とに環状仕切壁で区画
された2重管状の出入口手段と、蓄熱体と出入口手段と
の間にそれぞれ介在されて蓄熱体と出入口手段との間を
それぞれ遮断する一方、低温流体室と蓄熱体とを連通さ
せる低温流体用連通孔および高温流体室と蓄熱体とを連
通させる高温流体用連通孔とを交互にn/2個ずつ配置
し、連続的あるいは間欠的に回転して出入口手段の高温
流体室と低温流体室とをN室に区画された蓄熱体の室の
いずれかに順次連通させる切替手段とから成り、かつ数
で表わされる角度αの間隔をあけて高温流体用連通
孔と低温流体用連通孔とが配置され、
【数5】 更に低温流体用連通孔及び高温流体用連通孔の大きさが
数式の関係を
【数6】 満足するようにしている。ここで、角度αは、α=36
0°/nに設定することが好ましい。尚、本明細書で
は、蓄熱体の区画された室とは、蓄熱体そのものが複数
の室に仕切られている場合は勿論のこと、分配室によっ
て実質的に複数の室に区画されている場合の双方を含ん
でいる。
【0010】また、本発明の蓄熱型熱交換器は、N(こ
こで、N=n+1で、nは2以上の正の偶数で常時流体
が流れる室数を示す。)室を1ユニットとして総室数Z
(ここで、Z=a・Nで、aはユニット数を示す0を除
く正の整数)の複数ユニットの区画された室を蓄熱体に
形成すると共に総数Zの室のうち常時流体が流れること
のないa個の空室を1ユニットを構成するN室と他のユ
ニットのN室との間に形成し、かつ高温流体用連通孔と
低温流体用連通孔との配置角度αが数式の関係を有
し、
【数7】 かつ高温流体用連通孔と低温流体用連通孔との大きさが
数式で示される関係を
【数8】 満足するようにしている。
【0011】更に、本発明の蓄熱型バーナシステムは、
蓄熱型熱交換器をバーナシステムの燃焼用空気系及び燃
焼排ガス系に接続し、蓄熱型熱交換システムを経て供給
する燃焼用空気によってバーナを燃焼させる一方、燃焼
排ガスを前記蓄熱型熱交換システムを経て排出させ、燃
焼排ガスの廃熱で燃焼用空気を燃焼排ガス温度近くの高
温に予熱して供給するようにしている。
【0012】
【作用】したがって、出入口手段の低温流体室と高温流
体室とはそれぞれ切替手段の低温流体用連通孔と高温流
体用連通孔を介して蓄熱体の異なる室・区画に連通さ
れ、互いに交わることなく蓄熱体内に温度差のある2系
統の流体を流す。このとき、請求項1および2の発明の
場合には、a・N室に区画された蓄熱体内のうちa・n
/2室に高温流体例えば燃焼ガスが流れ、他のa・n/
2室に低温流体例えば燃焼用空気が流れ、残りのa室は
いずれの流路にも接続されずに流体が流れない空室とな
る。このため、出入口手段の低温流体室に連通される室
・区画と高温流体室に連通される室・区画とを切替手段
の操作によって順次変更すれば、高温流体と低温流体と
が蓄熱体の同じ室・区画を時間を異にして流れることと
なる。例えば、燃焼排ガスのような高温流体を流した後
の蓄熱体に燃焼用空気のような低温流体が流れることと
なり、高温流体の通過で加熱された蓄熱体の熱を低温流
体が奪う、即ち熱交換する。
【0013】そして、流体の流れの切り替えは、高温流
体用連通孔が低温流体用連通孔よりも回転方向に進んで
おり、尚かつ同じ室に低温流体用連通孔と高温流体用連
通孔とが同時に存在することがなく、かつ前方の連通孔
から1つずつ順次前方の室に移り変わるため、空室の次
の室にある最前列の高温流体用連通孔が蓄熱体の前方の
区画即ち空室にかかってもそれよりも後方の低温流体用
連通孔及び他の高温流体用連通孔や低温流体用連通孔は
依然として同じ室・区画内に存在し切り替えは始まらな
い。そして、最前列の高温流体用連通孔が空室であった
前方の室・区画に完全に移ってから、いままで最前列の
高温流体用連通孔と連通していた室・区画が空室となっ
てそこに次の低温用連通孔がさしかかる。このとき、低
温流体用連通孔は、今までの室・区画と新たな室・区画
(空室)との2つの室・区画に同時に跨り、2つの室・
区画に同時に流体を供給しながら切り替えられるので、
流体の流れが遮断されることがない。しかも、最前列の
高温流体用連通孔は低温流体用連通孔がさしかかった室
・区画よりも1つ前の室・区画に位置するため、高温流
体と低温流体とが同じ区画内において混じり合うことが
ない。
【0014】そこで、この蓄熱型熱交換システムをバー
ナシステムの燃焼用空気系と燃焼排ガス系とに接続した
場合、燃焼排ガスの温度に近い高温の燃焼用空気が瞬間
的な減少や滞りを招くことなくバーナに安定して供給で
き、燃焼火炎を安定して形成する。
【0015】
【実施例】以下、本発明の構成を図面に示す実施例に基
づいて詳細に説明する。
【0016】図1に本発明の蓄熱型熱交換器の基本構成
の一実施例を示す。この蓄熱型熱交換器30は、基本的
には、周方向にN(N=n+1、ここで、nは2以上の
正の偶数で常時流体が流れる室数である。)室に均等に
区画され各室内を軸方向に流体が通過可能とした蓄熱体
1と、この蓄熱体1の両開口端に温度差のある流体を流
す2系統の流路の一方たる低温流体系統を接続する低温
流体室6aと他方の高温流体系統を接続する高温流体室
6bとを有する出入口手段6と、この出入口手段6と蓄
熱体1との間にそれぞれ介在されて蓄熱体1と出入口手
段6との間をそれぞれ遮断する一方、連続的あるいは間
欠的に回転して出入口手段6の高温流体室6bと低温流
体室6aとをN室に区画された蓄熱体1の室・区画のい
ずれかに順次に連通させる切替手段3とから構成されて
いる。
【0017】蓄熱体1としては、特定の形状や材質に限
定されるものではなく、熱交換流体の温度や性状などに
応じて適宜材質や形状などが選択される。例えば、燃焼
排ガスのような1000℃前後の高温流体と燃焼用空気
のような20℃前後の低温流体との熱交換には、コージ
ライトやムライト等のセラミックスを材料として押し出
し成形によって製造されるハニカム形状のものの使用が
好ましい。また、500〜600℃程度の中高温ではセ
ラミックスよりも比較的安価なアルミニウムや鉄、銅な
どの金属の使用が好ましく、更に低温で特に腐食性ガス
のようなものを酸露点温度以下まで熱回収する場合には
FRPなどの樹脂類やガラス等の使用が好ましい。ま
た、蓄熱体1の形状も特に図示のハニカム形状に限定さ
れず、図の(A)及び(B)に示すように、平板形状
や波板形状の蓄熱材料27を筒状のケーシング28内に
放射状に配置したり、図の(C)に示すように、パイ
プ形状の蓄熱材料27を軸方向に流体が通過するように
筒状のケーシング28内に充填したものであっても良
い。更には、本実施例では分配室2によって単一の蓄熱
体1が実質的にZ室に区画されているが、これに特に限
定されるものではなく、蓄熱体1そのものをa・N室に
区画形成しても良い。例えば、図の(D)に示すよう
に隔壁29によって周方向にa・N室に区画形成され、
軸方向に流体が通過可能とした筒状のケーシング28を
用意し、これの各室に球状、短管、短棒、細片、ナゲッ
ト状、網状などの蓄熱材料27の塊りを充填することに
よって構成されたものでも良い。コージライトやムライ
トなどよりもはるかに高温で使用可能なSiN等の蓄熱
材料27を使用する場合には、複雑なハニカム形状に成
形することは容易ではないが、単純なパイプ形状や棒、
ボールなどに成形することは容易である。そこで、図
の(C)や(D)に示すような蓄熱体構造の採用が好ま
しい。
【0018】尚、ハニカム形状とは、本来六角形のセル
(穴)を意味しているが、本明細書では本来の六角形の
みならず四角形や三角形のセルを無数にあけたものを含
む。本実施例の場合、蓄熱体1はその前後に配置された
分配室2によって周方向に総数Z(a・N)の室に区画
されている。例えば、図1に示す実施例の場合、仕切り
8によって3室9a,9b,9cに区画された分配室2
によって、蓄熱体1内が図3に示すように流体が流れな
い空室10と高温流体(例えば燃焼排ガス)を流す室1
1と低温流体(例えば燃焼用空気)を流す室12との3
室に区画される。即ち、蓄熱体1そのものは、1つ1つ
が独立した流路を構成するセルの集合から成るハニカム
形状を成していることから、分配室2によって仕切られ
た範囲が1つの区画された室を形成することとなる。分
配室2を設ける場合、高温流体用連通孔4、低温流体用
連通孔5を経て流入する流体を分散させて蓄熱体1の全
域に均一に分流させることができる。
【0019】ここで、蓄熱体1に区画される室の数は低
温流体を流す室12と高温流体を流す室11とを1組と
して最低1組に1つの空室(流体が流れない室)10を
組み合わせたものであり、n=2のとき即ちN=n+1
より3を最低室数とする。そして、高温流体を流す室1
1と低温流体を流す室12とを組にして、例えば図6に
は2組の高温流体を流す室11-1,11-2と低温流体を
流す室12-1,12-2とを組み合わせた例を示している
が、このようにして何組でも組み合わせ可能である。ま
た、N個の室を1ユニットとして複数ユニットを形成す
ることも可能である。即ち、室・区画の総数Zは、Z=
a・Nで表される(ここで、aはユニット数を示す0を
除く正の整数)。この場合、各ユニットとユニットとの
間に空室10が位置するように高温流体用および低温流
体用の各連通孔4,5の位置が設定されている。このよ
うにして、N室を1ユニットとして総室数Zの複数ユニ
ットの室を蓄熱体1に形成することも可能である。この
関係を図5に例示する。尚、図5では作図の便宜上、高
温流体用連通孔4と低温流体用連通孔5の位置関係や大
きさについては正確に表されていない。
【0020】出入口手段6は、例えば円筒状の仕切壁7
によって、低温流体の流路33と接続される低温流体室
6aと高温流体の流路34と接続される高温流体室6b
とに区画されている。本実施例の場合、仕切壁7の内側
に低温流体室6a、外側に高温流体室6bが形成されて
いる。尚、符号14は低温流体室6aと高温流体室6b
とを仕切る隔壁である。
【0021】切替手段3は本実施例の場合、出入口手段
6と分配室2の間に単独で回転するように設けられてい
る。例えば、図2に示すように、出入口手段6の外筒部
13a,13cと切替手段3の支持環25の間に軸受部
材15を介在させて切替手段3の間には流体が漏洩しな
いようにシール部材16,17が設けられている。
【0022】出入口手段6の低温流体室6aと高温流体
室6bとをそれぞれ対応する蓄熱体1の室・区画にのみ
連通させる切替手段3は、流路と直交する円板から成
り、蓄熱体1のある1つの室・区画と低温流体室6aと
を連通させる低温流体用連通孔5と、1つの室・区画と
高温流体室6bとを連通させる高温流体用連通孔4とを
a・n/2個ずつ有している。例えば、図1の場合には
nは2、aは1であるから、1個ずつの低温流体用連通
孔5と高温流体用連通孔4とを有している。そして、こ
の高温流体用連通孔4と低温流体用連通孔5とは、同
じ室・区画に低温流体用連通孔5と高温流体用連通孔4
とが同時に存在し得ないこと、空室10の次の室・区
画に占位する最前列の連通孔から順次1つずつ前方の室
・区画に移り変わること、低温流体用連通孔5及び高
温流体用連通孔4の大きさは、半径方向に互いに重なら
ないようにn個を配置したときに1室に全てが同時に収
まる大きさであること、の3条件を満たすことが必要で
ある。即ち、高温流体室6bと蓄熱体1の高温流体を流
す用の室11とを連通させる高温流体用連通孔4と、低
温流体室6aと蓄熱体1の低温流体を流す12とを連通
させる低温流体用連通孔5とを交互にn/2個ずつ配置
し、かつ数式で表される角度αの間隔をあけて高温流
体用連通孔4と低温流体用連通孔5とが配置され、
【数9】 更に低温流体用連通孔5及び高温流体用連通孔4の大き
さが数式10の関係を
【数10】 満足することが必要である。ここで、角度αは、α=3
60°/nに設定することが好ましい。このとき、各高
温流体用連通孔4と低温流体用連通孔5とが等間隔に配
置されるため、各連通孔の位置設計と穿孔作業が容易と
なる。
【0023】また、複数ユニットを設ける場合には、総
数Zの室のうち常時流体が流れることのないa個の空室
10を各ユニットの間に形成し、かつ数式11の関係を
有する
【数11】 角度αをあけて高温流体用連通孔4と低温流体用連通孔
5とが配置され、かつ高温流体用連通孔4と低温流体用
連通孔5と大きさが数式12
【数12】 で示される関係を満足するように設けられている。
【0024】例えば、n=4,a=1の場合、図6の
(A)に示すように、高温流体用連通孔4-1,4-2と低
温流体用連通孔5-1,5-2とが交互に2個ずつ配置され
ている。そして、回転方向最前列の高温流体用連通孔4
-1と低温流体用連通孔5-2との間に連通孔のない空室1
0が形成されている。この場合、図6の(B)に示すよ
うに、全ての低温用連通孔5-1,5-2と高温流体用連通
孔4-1,4-2とを1つの室に集めたと仮定すると、半径
方向において重ならないで全てが1室内に収容される。
このとき、低温流体用連通孔5-1,5-2と高温流体用連
通孔4-1,4-2とはほぼ同じ大きさ同じ形状の孔に設定
されているが、これに特に限定されるものではなく、低
温流体用連通孔5と高温流体用連通孔4とで大きさや形
状を変更しても良いし、必要であれば1つ1つの連通孔
毎に大きさや形状を変更しても良い。
【0025】また、高温流体用連通孔4,4-1,4-2
…及び低温用連通孔5,5-1,5-2,…の孔形状は、図
3に示す円形に特に限定されず三角形や矩形、楕円形、
長方形は言うに及ばず図4に示す非対称な形状であって
も実施可能である。一般に低温流体の量と高温流体流体
の量とがほぼバランスする関係に設定されるが、場合に
よっては一方の連通孔を他方の連通孔よりも大きめに設
定することもある。尚、円形以外の形状の連通孔であっ
ても、前述の数式9〜12の関係は成立する。このと
き、β1 は切替手段3の回転中心Oから高温流体用連通
孔4に外接する中心角であり、β2 は切替手段3の回転
中心Oから低温流体用連通孔5に外接する中心角であ
る。
【0026】また、前後関係にある高温流体用連通孔例
えば4-1と低温流体用連通孔5-1の間の角度αは、蓄熱
体1の同じ室・区画に同時に連通することがないように
設定されている。したがって、最前列の高温流体用連通
孔4-1を基準としたとき、最前列の高温流体用連通孔4
-1が仕切り8に差しかかったとき、隣室の低温流体用連
通孔5-1は仕切り8から少なくとも高温流体用連通孔4
-1の分だけ離れた位置に存在し、更に隣の室の高温流体
用連通孔4-2は同室の仕切り8から少なくとも高温流体
用連通孔4-1と低温流体用連通孔5-1分だけ離れた位置
に存在し、更に4番目の室の低温用連通孔5-2は同室の
仕切り8から少なくとも高温流体用連通孔4-1と低温流
体用連通孔5-1及び高温流体用連通孔4-2の3つの孔分
だけ離れた位置に存在する。即ち、図6の(A)に示す
ように、最前列の高温流体用連通孔4-1が前方の空室1
0内に差しかかるとき、同室11-1の隣室(1つ後の
室)12-1との仕切り8には低温流体用連通孔5-1は達
しておらず、最前列の高温流体用連通孔4-1のみが前方
の空室10に跨るようにして2室同時に連通する。そし
て、最前列の高温流体用連通孔4-1が空室10であった
前方の室内に完全に移り終えたときに、今まで最前列の
高温流体用連通孔4-1が存在していた室11-1が空室と
なり、そこに後方の隣室12-1の低温流体用連通孔5-1
が差しかかり、2列目の低温流体用連通孔5-1のみが2
室11-1,12-1に跨るようにして空室とった室11-1
内に移る。このようにして、3列目の高温流体用連通孔
-2、4列目の低温流体用連通孔5-2が順次前方の室に
移され、流体の流れが切り替えられる。即ち、切替手段
3の回転方向とは逆方向に空室10が相対的に回転移動
するようにして高温流体と低温流体とが切り替えられる
位置関係に高温流体用連通孔4-1,4-2と低温流体用連
通孔5-1,5-2とが配置されている。
【0027】この切替手段3は、本実施例の場合、出入
口手段6と軸受手段15によって回転自在に支持されて
いる。そして、駆動機構によって連続的あるいは間欠的
に回転可能に設けられている。駆動機構は特に限定され
るものではないが、例えば本実施例の場合、切替手段3
の周縁に形成されたギア24と、切替手段3の周りに配
置されてギア24に噛合するピニオンギア20と、該ギ
ア20,20を連結する1本のシャフト26と、このシ
ャフト26の中央に固着されたピニオンギア21と、該
ギア21と噛合するドライブギア22及びこれを回転さ
せる1つのモータ23とから構成されている。勿論、こ
れに限定されるものではなく、切替手段3の周縁に圧接
される摩擦車などによって回転駆動させるようにしても
良い。尚、蓄熱体1と分配室2とを収容するケーシング
13bと両側の切替手段3,3との間、並びに切替手段
3と分配室2との間にはシール材18および19が介在
され、シールされている。
【0028】以上のように構成された本発明の蓄熱型熱
交換器はバーナシステムに利用することが可能である。
尚、この実施例はファーネス内で燃焼するバーナに適用
しているが、これに特に限定されるものではなく、ラジ
アントチューブ内で燃焼させるバーナなどに適用するこ
とも可能であることは言うまでもない。
【0029】図8に本発明の蓄熱型熱交換器30を利用
した蓄熱型バーナシステムを応用した加熱炉の一例を示
す。蓄熱型熱交換器30をバーナシステムの燃焼用空気
系(低温流体の流路)33及び燃焼排ガス系(高温流体
の流路)34に接続し、蓄熱型熱交換器30を経て供給
する燃焼用空気によってバーナ35を燃焼させる一方、
燃焼排ガスを炉内37から取り出して蓄熱型熱交換器3
0を経て排出させ、燃焼排ガスの廃熱で燃焼用空気を燃
焼排ガス温度近くの高温に予熱して供給するようにして
いる。この炉は、炉体38に少なくとも1基のバーナ3
5を設置して成る。バーナ35は、その構造及び燃焼方
式に特に限定を受けるものではないが、蓄熱型熱交換器
30を通して燃焼用空気の供給が図られている。また、
炉内37の燃焼排ガスは、炉体38に設置された高温流
体手段例えば燃焼排ガス系34と接続された排気筒36
などによって取り出される。尚、図中の符号31は燃焼
用空気を供給するファン、32は燃焼排ガスを排出する
ファンである。また、図示していないがバーナ35には
通常着火手段やパイロットバーナなどの付帯設備が設け
られる。
【0030】以上のように構成された蓄熱型熱交換器3
0及びそれを利用した蓄熱型バーナシステムの動作を図
1及び図3に基づいて説明する。
【0031】まず、図1及び図3の状態において、出入
口手段6の低温流体室6aに低温流体としての燃焼用空
気が導入されると、この燃焼用空気は低温用連通孔5を
経て分配室2の第2の室9bに流入し、更に該当する蓄
熱体1の室(低温流体を流す室)・区画12に流入す
る。このとき、蓄熱体1の該当する区画・室は切替前に
通過していた燃焼排ガスの熱によって加熱されているた
め、通過する燃焼用空気は蓄熱体1の熱を奪って高温即
ち当該蓄熱体1を加熱した燃焼排ガスの温度近くの高温
とされる。そして下流の分配室2の第2の室9bに流入
し、切替手段3の低温用連通孔5を経て供給室6aに排
出される。そして、この供給室6aに接続されている流
路33を経て使用箇所、例えばバーナ35などへ供給さ
れる。他方、出入口手段6の高温流体室6bに導入され
る高温流体としての燃焼排ガスは、高温流体用連通孔4
を経て分配室2の第1の室9aに流入し、更に蓄熱体1
の該当する室(高温流体を流す室)・区画11に流入す
る。そして、この蓄熱体1の区画11部分を加熱する。
温度が下がった燃焼排ガスは左の分配室2の第1の室9
aに流入してから高温流体用連通孔4を経て高温流体室
6bに排出される。
【0032】次いで、切替手段3を図1の状態から反時
計回転方向へ連続的にあるいは間欠的に回転させると、
まず高温流体用連通孔4が左隣りの分配室の第3の室9
cにかかり、第1の室9aと第3の室9cとに同時に燃
焼排ガスが流れる。そして、燃焼排ガスは蓄熱体1の第
1の区画と第3の区画(図3に符号10で示された部
分)とを通過してから下流の分配室2の第1の室9aと
第3の室9cとに流入してこれら両室9a,9cに高温
流体用連通孔4を介して接続されている高温流体室6b
に供給される。その後、高温流体用連通孔4が完全に第
3の室9c(図3において符号10で示される空室であ
った部分)に切り替えられてから、第2の室9bに占位
していた低温流体用連通孔5が第1の室9a(図3にお
いて符号11で示される室部分)に切り替えられ、第2
の室9b(図3において符号12で示される室)で区画
される領域が空室10となる。換言すれば、今まで流体
が流されていなかった空室10に燃焼排ガスが流され、
今まで燃焼排ガスが流されていた室11に燃焼用空気が
流され、更に燃焼用空気が流されていた室12には流体
が流されない。依って、燃焼排ガスの熱によって蓄熱体
1が加熱され、加熱された蓄熱体1を通過する燃焼用空
気が蓄熱体1の熱によって温められる。このとき、蓄熱
体1内における燃焼用空気及び燃焼排ガスの流れる領域
・室は順次切り替えられるが、出入口手段6の高温流体
室6bと低温流体室6aとにそれぞれ常時連通されてい
るので、蓄熱型熱交換器30の前後における流体の流れ
の系統そのものは切り替えられない。また、流体の流れ
の切替は、空室10を利用して2室に跨ったときにもそ
れぞれの室と連通させながら行うので、流体の流れが途
絶えることがない。そして、燃焼排ガスの次に燃焼用空
気と順次流れを途切らすことなく切り替えられる。
【0033】したがって、バーナ35を燃焼させ、その
ときに発生する燃焼排ガスを燃焼排ガス系34を介して
排気し、蓄熱型熱交換器30で燃焼排ガスの廃熱を回収
すれば極めて熱経済性が良くなる。また、バーナ35側
には蓄熱型熱交換器30に回収された廃熱を利用して予
熱された燃焼用空気を供給する。このとき、蓄熱体1の
切替サイクルは比較的短い時間に切り替えることが熱効
率を上げる上で好ましい。例えば、10秒〜90秒、好
ましくは10秒程度経過する毎に1室・区画分だけ切替
手段3を回転させたり、あるいは10秒程度かけて1室
・区画分だけ回転させることである。このような短時間
の切り替えは、図1あるいは図2に例示される本発明の
流路切替装置30によって、排ガスの洩れを招くことな
く確実に実現できる。また、高温流体用連通孔4と低温
流体用連通孔5とをほぼ同じ大きさとする場合におい
て、燃焼により膨れ上がった分の燃焼ガスは蓄熱体1を
通さずに炉外へ排出し、他の熱処理設備や対流熱交換
器、エコノマイザー、加熱設備などに供給して熱源とし
て利用するようにすることが好ましい。
【0034】尚、上述の実施例は本発明の好適な実施の
一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の
要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能であ
る。例えば、本実施例では温度差のある2系統の流体と
して比較的高温のガスと低温のガスとを例に挙げて主に
説明しているが、これに特に限定されるものではなく、
冷熱エネルギーを有する流体(冷気)とそれよりも温度
の高い流体例えば室温の空気のような流体との間の熱交
換や異なる物質間の熱交換などにも利用できる。冷熱流
体とそれよりも高温の流体(室温の空気)との熱交換例
えば冷凍サイクルなどにおいては、空室の次の最前列の
連通孔及び室・区画、即ち図1から図に示す実施例の
場合の高温流体用連通孔4および高温流体を流す室11
は冷熱流体を流すためのものとなり、その次の連通孔及
び室・区画即ち図1から図に示す実施例の場合の低温
流体用連通孔5および低温流体を流す室12は熱交換の
相手となる常温流体を流すためのものとなるように配置
関係が設定される。換言すれば、本明細書において高温
流体とは熱(冷熱を含む)を回収しようとする方の流体
を指し、低温流体とは回収された熱によって加熱(ない
し冷却)される流体を指している。そして、高温流体用
の連通孔4や室11を低温流体用の連通孔5や室12よ
りも先行させる必要はなく、その逆の位置関係であって
も良い。また、本実施例では、切替手段3と出入口手段
6とは別体に形成されて切替手段3のみを回転させてい
るが、切替手段3と出入口手段6とを一体成形し、出入
口手段6部分を回転自在に支持して切替手段3とともに
出入口手段6を回転させるようにしても良い。
【0035】また、本実施例では、出入口手段6は円筒
部材によって形成されているが、こくに特に限定され
ず、六角形、四角形あるいは三角形などの2重筒状体で
形成しても良い。また、上述の実施例はバーナシステム
の最少単位を示すもので、炉体に2以上のバーナシステ
ムを配置することもある。
【0036】
【発明の効果】以上の説明より明らかなように、本発明
は、蓄熱体を回転させずに切替手段を機械的に回転させ
るだけで流体の流れの切り替えができるので、流路切替
時に流体の流れが遮断されることがなく、流体の供給な
いし排出が安定すると共にユングストローム型熱交換器
などに比べて蓄熱体の損傷や流体間の漏洩等の問題が少
ない。しかも、切替手段に対しては接触させてシールす
ることができるので、2流路間の流体の漏洩もほとんど
無く熱交換効率がユングストローム型熱交換器などに比
べてはるかに向上するし、蓄熱型バーナシステムに利用
した場合には燃焼排ガス温度に近い高温に予熱された燃
焼用空気の供給量が正確にコントロールできる。
【0037】また、本発明の蓄熱型熱交換器によると、
電磁弁や四方弁などを使用して行う場合に比べてはるか
に設備コストを安価にできるし、長時間に亙り安定して
使用することができる。
【0038】更に、本発明の蓄熱型熱交換器を利用した
蓄熱型バーナシステムによれば、流れの切替時に燃焼用
空気の供給量が瞬間的に減少し、火炎が不安定になるよ
うな虞がなく、安定した火炎を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の蓄熱型熱交換器の基本構成を示す斜視
図である。
【図2】本発明の蓄熱型熱交換器の一実施例を示す断面
図である。
【図3】高温流体用連通孔と低温流体用連通孔との関係
を示す説明図である。
【図4】高温流体用連通孔と低温流体用連通孔の他の例
を示す説明図である。
【図5】蓄熱型熱交換器の室数Nを流体が流れる室数n
とユニット数aとの関係で示す一覧図である。
【図6】n=4,a=1のときの高温流体用連通孔と低
温流体用連通孔との関係を示す図で、(A)は全ての連
通孔の配置図、(B)は1室に全孔を集めた状態の説明
図である。
【図7】蓄熱体の他の実施例を示す説明図で、(A)は
放射状に板を配置したタイプ、(B)は放射状に波板を
配置したタイプ、(C)はパイプを束ねたタイプ、
(D)は蓄熱材料をN室に区画されたケーシング内に充
填したタイプを示す。
【図8】本発明の蓄熱型熱交換器を適用した蓄熱型バー
ナシステムの一例を示す概略図である。
【図9】従来の廃熱回収用熱交換器であるユングストロ
ーム型空気予熱器の概略構造を示す斜視図である。
【図10】従来の電磁切替弁を組み込んだ蓄熱式ラジア
ントチューブバーナの一例を示す概略図である。
【図11】従来の四方切替弁を組み込んだ蓄熱式ラジア
ントチューブバーナの概略図である。
【符号の説明】
1 蓄熱体 2 分配室 3 切替手段 4 高温流体用連通孔 5 低温流体用連通孔 6 出入口手段 6a 低温流体室 6b 高温流体室 7 仕切壁 9a,9b,9c 分配室の室 10 蓄熱体の空室・区画 11 蓄熱体の高温流体を流す室・区画 12 蓄熱体の低温流体を流す室・区画 13a,13b,13c ケーシング
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−251190(JP,A) 特開 昭54−129553(JP,A) 実開 昭63−190772(JP,U) 実開 昭62−172969(JP,U) 特公 昭56−31514(JP,B2) 特公 昭52−7185(JP,B2)

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 周方向にN(N=n+1、ここで、nは
    2以上の正の偶数で常時流体が流れる室数である。)室
    に均等に区画され各室内を軸方向に流体が通過可能とし
    た蓄熱体と、この蓄熱体の両開口端にそれぞれ接続され
    て温度差のある流体を流す2系統の流路の一方の低温流
    体系統に接続される低温流体室と他方の高温流体系統に
    接続される高温流体室とに環状仕切壁で区画された2重
    管状の出入口手段と、前記蓄熱体と前記出入口手段との
    間にそれぞれ介在されて前記蓄熱体と出入口手段との間
    をそれぞれ遮断する一方、前記低温流体室と前記蓄熱体
    とを連通させる低温流体用連通孔および前記高温流体室
    と前記蓄熱体とを連通させる高温流体用連通孔とを交互
    にn/2個ずつ配置し、連続的あるいは間欠的に回転し
    て前記出入口手段の高温流体室と低温流体室とをN室に
    区画された前記蓄熱体の室のいずれかに順次連通させる
    切替手段とから成り、かつ前記切替手段の高温流体用連
    通孔と低温流体用連通孔とが数式1で表わされる角度α
    の間隔をあけて配置され、 【数1】 更に前記低温流体用連通孔及び高温流体用連通孔の大き
    さが数式2の関係を 【数2】 満足することを特徴とする蓄熱型熱交換器。
  2. 【請求項2】 N(ここで、N=n+1で、nは2以上
    の正の偶数で常時流体が流れる室数を示す。)室を1ユ
    ニットとして総室数Z(ここで、Z=a・Nで、aはユ
    ニット数を示す0を除く正の整数)の複数ユニットの区
    画された室を蓄熱体に形成すると共に総数Zの室のうち
    常時流体が流れることのないa個の空室を1ユニットを
    構成するN室と他のユニットのN室との間に形成し、か
    つ前記高温流体用連通孔と低温流体用連通孔との配置角
    度αが数式3の関係を有し、 【数3】 かつ前記高温流体用連通孔と低温流体用連通孔との大き
    さが数式4で示される関係を 【数4】 満足することを特徴とする請求項1記載の蓄熱型熱交換
    器。
  3. 【請求項3】 前記蓄熱体は、該蓄熱体と切替手段との
    間にそれぞれ周方向にa・N(ここで、aはユニット数
    である)室に区画されて軸方向に流体が通過可能とした
    分配室を設けることによって、a・N室に区画されたこ
    とを特徴とする請求項1または2記載の蓄熱型熱交換
    器。
  4. 【請求項4】 前記蓄熱体は軸方向に貫通したセル孔を
    多数有するハニカム形状であることを特徴とする請求項
    1からのいずれかに記載の蓄熱型熱交換器。
  5. 【請求項5】 前記蓄熱体はパイプ形状の蓄熱材料を軸
    方向に流体が通過するように多数径方向に配列して成る
    ものであることを特徴とする請求項1からのいずれか
    に記載の蓄熱型熱交換器。
  6. 【請求項6】 前記蓄熱体は平板あるいは波板形状の蓄
    熱材料を放射状に多数配列して成ることを特徴とする請
    求項1からのいずれかに記載の蓄熱型熱交換器。
  7. 【請求項7】 前記蓄熱体は互いに独立させてa・N室
    に区画され軸方向に流体が通過可能としたケーシング内
    に蓄熱材料のブロックないし小片を充填して成ることを
    特徴とする請求項1または2記載の蓄熱型熱交換器。
  8. 【請求項8】 請求項1からのいずれかに記載の蓄熱
    型熱交換器をバーナシステムの燃焼用空気系及び燃焼排
    ガス系に接続し、前記蓄熱型熱交換システムを経て供給
    する燃焼用空気によってバーナを燃焼させる一方、燃焼
    排ガスを前記蓄熱型熱交換システムを経て排出させ、燃
    焼排ガスの廃熱で燃焼用空気を燃焼排ガス温度近くの高
    温に予熱して供給することを特徴とする蓄熱型バーナシ
    ステム。
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