JP2858121B2 - 液体用圧力交換器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、１つの液体系の液体流れから他の液体系の
液体流れに圧力エネルギーを移動せしめるための圧力交
換器であって、各液体の流れに対して入口ダクトと出口
ダクトを有するハウジング、該ハウジング中に配置され
その軸線の周りを回転するようにされており、軸線に平
行に延びていて、各端部に開口を有する多数の通路又は
孔（以下においては、穴とも云う）を有する円筒型回転
子よりなり、液系の入口ダクト及び出口ダクトは回転子
のそれぞれの端面近くに複数対のダクトを形成し、回転
子の穴は回転子の回転間それぞれの系の高圧液体及び低
圧液体を交互に運ぶようにハウジングの入口ダクト及び
出口ダクトと接続している構成になっている、圧力交換
器に関する。 上記の型式の圧力交換器は、米国特許第3431747号に
より知られている。これにおいては、二つの系の液体を
分離するためにボールが各穴中に導入されている。ボー
ルの運動は、ボールを支持している各穴の各端における
受座または止めの配置により制限される。受座は穴（bo
re）の横断面を減少させ、ボール、穴および受座は機械
的摩擦にさらされ、漏れが生じる。更に、ボールとそれ
ぞれの穴の壁間のすきまが小さいために、これらを高液
体速度で作動させるためには大きな力をボールに与えね
ばならず、これはエネルギー損を生じさせる。ボールに
よって受座が衝撃的に打撃されて液の流れが突然停止し
た時に、毛細管現象が発生し、隣接部品に損害を与える
可能性もある。各穴用のシールリング、スプリング等を
持つ二つの弁座およびボールの配置は、装置が複雑であ
り、費用がかかることを意味している。更に上述の摩擦
は圧力交換器の部品の交換に費用と時間の消費を必要な
らしめる。同時に一つの穴のみから液体を放出および受
け取る入口および出口ダクトの配置のために、流れは断
続的である。 本発明の目的は、上述の欠点を減少せしめた装置を提
供することにある。 本発明の装置の特徴は請求の範囲から明らかであろ
う。 次に、本発明の圧力交換器の実施例を示す添付の図面
を参照しながら本発明を説明する。 第１図は本発明の圧力交換器の透視図である。 第２図は第１図の線II−IIに沿った断面図である。 第３図は第２図の線III−IIIに沿った断面図である。 第４図は第２図の矢印Ａの方向に沿った図面である。 第５図は、回転子に面しているエンドピース開口を示
す図面である。 第6a図乃至第6f図は圧力交換器の作動のモードを説明
する図面である。 第７図は圧力交換器の作動のモードを説明する速度図
である。 第８図は本発明の装置が二つの液溜めと接続している
状態を示す図面である。 第9a図乃至第9c図はエンドピースの他の実施例を示す
図面である。 第10図は、第9a図のＸ−Ｘ線に沿う部分断面図であ
る。 第１図から分る如く、本発明の圧力交換器（Pressure
exchanger）は、多数の通し孔を有する円形フランジ２
と３を各端部に有する管状のほぼ円筒ハウジング１より
なる。 実質的に同一の２つのエンドピース４と５は、ハウジ
ングのフランジに相当する直径と通し孔をもつ円形フラ
ンジ６と７を有しており、ハウジング１のそれぞれの端
部に封止的にしっかりと締めつけられている。ハウジン
グ１のフランジ２と３は穴に挿入されるボルトおよびナ
ット（図示なし）によってそれぞれのエンドピース４と
５のフランジ６と７に取付けられている。しっかりと接
続するために、シールリングをフランジ間に設けてもよ
い。 円筒型回転子８が管状ハウジング１中に配置されてい
る。回転子の外径は、回転子８がハウジング１中にて容
易に回転できるようにハウジングの内径に合わせられて
いる。回転子の両端面はその軸線に垂直に延びており、
その長さはハウジング１の長さに略々相当する。回転子
８は多数の軸方向の通し通路９を有する。図示の如く、
これらは円形断面を有していてよく、その軸線は均等に
間隔があり、そして回転子と同軸的に延びている二つの
円筒表面に沿って延びている。然しながら、円筒表面の
一つに沿った穴の直径および穴間の間隔は他の円筒表面
に沿った穴の直径および穴間の中間間隔と異なっていて
もよい。 エンドピース４と５の各々には、それぞれ二つの通路
12と13、および通路14と15が形成されている。これらの
通路は相互に近接して延びており、そしてダクトの長さ
の少なくとも一部に沿い且つハウジング１と回転子８に
面する内部端から延びている共通壁または仕切り壁16と
17をそれぞれ有する。第４図と第５図から明らかな如
く、ダクトの各対のそれぞれの内部開口18と19および内
部開口20と21はほぼ半円形であり、その円の直径は回転
子８の直径よりも僅かに小さい。これにより回転子のた
めの肩部または摺動表面が形成されて、回転子を回転さ
せながら、ハウジング１の縦方向に回転子８が動くこと
が実質的に防止され且つ回転子とハウジング間の封止が
より一層良好となる。開口18と19および開口20と21間の
それぞれの間仕切壁は、回転間に回転子が封止的に支持
され、且つ間仕切壁の端部縁上を摺動するように回転子
８の各端面に向って延びている。間仕切壁および滑り面
は、回転子と間仕切壁間および回転子とエンドピース間
を封止する封止装置を有してもよい。間仕切壁の厚さは
一定でもよいし、または第９図に示す如く半円内部開口
の中心からの半径方向に沿って変化させてもよい。この
厚さは回転子の軸線から相当する距離に位置している穴
の断面よりはいくらか大きい。第２図から明らかなごと
く、ダクトの内方側部分10の軸線は回転子８の回転面に
対してある角度で延びており、ダクトの外方側部分11の
軸線はそれに対して実質的に平行に延びている。ダクト
の外方側部分11の軸線は相互に平行であってもよいし、
またはこの平面において相互に角度のある距離で配置さ
れてもよい（第９図参照）。ダクトの外方側端部11には
パイプ装置のパイプにダクトを接続するためにフランジ
またはねじ部（図示なし）を設けてもよい。 第9a図〜第9c図および第10図に示されているように、
円筒型回転子８の頂面（もしくは底面）に対向するダク
トの内側部の傾斜面24は、円筒型回転子の頂面もしくは
底面に対向する内側ダクト面の傾斜が、円筒型回転子の
頂面もしくは底面との角度（第9a図にＸ−Ｘ線で示すよ
うな回転子の頂面もしくは底面の円周に沿った方向での
角度）が、内側ダクト面の先端部側において小さく、そ
してその端部の内側では一旦大きくなるようなＳ字型を
示すように形成されていることが好ましい。また、円筒
型回転子の頂面もしくは底面に対向する内側ダクト面の
傾斜面（第10図のα）が、回転子の回転軸線とダクト
（12、13、14、15）の内側開口部の任意の位置の端部と
を結ぶ直線27と、回転子の回転軸線とダクト内側開口部
の先端部とを結ぶ直線（基準線であって、回転子の回転
面25に沿って結んだ直線）26との間の角度（第9c図の
β）の正弦関数として大略表わされることが望ましい。 また、ハウジングに対して同じ側の面に備えられた一
対のダクトは互いに僅かな角度をもって並んでいて、他
の側の面に備えられた一対のダクトに対してはおおよそ
180°対称の位置にあることが望ましい。そして、回転
子の孔（穴）の開口とダクトの内部側の開口とは、当該
ダクトに対して開放される孔（穴）の開口総面積が回転
子の回転の間、実質的に一定に保たれるように構成され
ていることが好ましい。 次に、本発明の圧力変換器の作動モードを第６図及び
第７図を参照しながら詳細に説明する。 第一液体例えばある工程の廃液の圧力エネルギーを回
収してこの液体を他の工程で用いる他の液体の圧力を上
昇させるために用いるに際して、廃液を運搬する供給管
30を圧力交換器のダクト12に接続し、他の液体供給管31
をダクト15に接続する。さらに、廃液用排出管32をダク
ト13に接続し、他の液体の排出管33をダクト14に接続す
る。以下において、液圧をＰで示し、それぞれのダクト
における液圧の表示にダクトの表示番号に相当する添え
字を付す。 まず、P12＞P14＞P15＞P13であると仮定する。作動モ
ード記載のために、特定の回転子穴の液の流れについ
て、１回転子が電動機で駆動されてると仮定して記載す
る。第6a図乃至第6f図は回転子８の回転間におけるこの
穴９の位置を順に示す。第6a図は穴９がダクト13及び15
と丁度連結された位置にある回転子を示す。P15＞P13で
あるので、穴中に含有されてる廃液の移動が始まる。回
転子が第6b図に示した位置を通過して、穴が間仕切壁16
と17によって閉じられる直前の第6c図の位置に到着した
時に、ほとんど全部の廃液は穴から排出され、そしてこ
の穴は他の液で充たされる。回転子が第6d図に示した位
置に到着すると、これにより穴はダクト12と14と連結す
るために開放されるので、液体の圧力は直ちに圧力P12
とP14との間のレベルに上昇し、そして廃液の高圧P12は
液の流れをダクト12中に発生させ、他の液体を押出し、
押出された液体はダクト14から流れ出る。ダクト14中の
液体の圧力は制御弁（図示なし）または類似の装置によ
って制御し得る。 回転子が第6e図に示す位置を通過し、穴が再び、間仕
切壁16と17のよって閉じられる第6f図に示す位置に到着
する直前には、穴中の殆ど全部の他の液体は廃液によっ
て置き換えられる。連続回転間にダクトがダクト13及び
15と連結するために開放されている第6a図に示す位置に
回転子が再び到着すると、上述のサイクルが再び開始す
る。 第７図は回転子の特定の穴の入口及び出口についての
速度図を示す。C1及びC2は液体の絶対速度を表わし、W1
及びW2はダクトに対する液体速度を表わし、Ｕはハウジ
ングに対する穴の速度を表わし、C1U及びC2Uは、Ｃの方
向に延びたそれぞれC1とC2の成分を表わす。回転子は電
動機によって駆動されると上記したが、軸方向に延びて
いる穴９との組合せにて液体入口ダクト12と15の傾斜内
方側部分10も回転子を回転させるためのモーメントを生
ぜしめることは明らかである。このモーメントは、（C1
U−C2U）に比例する。よって、この場合においては回転
子も回転させるための電動機は不必要である。液圧の差
が十分に大きいと、管の流れ抵抗に打ち勝つための液体
ポンプを設ける必要がなく、圧力差が希望する液体の流
れを与える。 廃液の圧力が他の液体の圧力に等しい場合、すなわち
P12＝P14及びP13＝P15の場合には穴中の液体の置換は上
述の圧力差によっては不可能であり、そのような流れは
他の方法で与えねばならない。関連の管系の流れ抵抗に
打ち勝つために、第８図に示すごとく循環または液体ポ
ンプ42及び43を設置することも可能である。第８図は、
圧力交換器を低所に位置する貯槽41から高所に位置する
貯槽40に例えば熱水を供給するために使用する場合を図
示する。ここでは高所貯槽から流れる冷水を低所貯槽か
ら流れる水の圧力を上昇させるために使用している。ダ
クト14を高所貯槽40に接続する管44にポンプ42が設けら
れ、低所貯槽41をダクト15に接続する管47にポンプ43が
設けられている。しかしながら、圧力交換器をそれぞれ
ダクト12及び15の傾斜内方側部分のためのポンプとして
作動させてもよい。これによって、回転子の回転のため
の必要なモーメントは第7b図に示すごとく差（C2U−C1
U）にほぼ比例する。この図から明らかなごとく、この
差は当の穴が適当な速度であれば、正である。したがっ
て、回転子が電動機で作動される場合には、液体ポンプ
42及び43は不必要である。 それぞれダクト12と13及びダクト14と15と多数の穴９
が同時に連結するので、液体はこの中を常に流れる。回
転子の回転間の間仕切壁の一方の半分によっておおわ
れ、そして閉ざされる穴開口領域は、直径方向に相対す
る他の半分の間仕切り壁によって同時に開放されている
ダクト開口領域に対応するので、穴中の液体の流れの脈
動はほんの僅かである。上記の設計により本発明の圧力
交換器は非常に迅速に液体を流れせしめかつ既知の圧力
交換器よりも大きな効率を有する。特に、高液体速度で
流体の流れが安定していることは重要である。回転子と
向いあっているダクト内方側部壁の上記形状により、そ
れぞれ流入及び流出する液体の回転子の縦方向における
速度の成分を開放及び閉鎖している間仕切壁からそれぞ
れ遠ざかろうとしている穴については小さくし、一方、
中間の穴では、液体流れ速度のこの成分を大きくする。
そして、低速から高速の移り変わりを滑らかにさせ得
る。壁のこの形状は穴中の液体の流れの加速および減速
を滑らかに行なわせ、閉塞なしに大きな効率を与えかつ
液体の流れの脈動をさらに減少せしめるのに貢献する。

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．頂面に一の液体の流れのための入口ダクトと出口ダ
   クト（12、13）、そして底面に他の液体の流れのための
   入口ダクトと出口ダクト（14、15）をそれぞれ有する円
   筒型ハウジング（１）、ハウジング（１）の内部に配置
   され、頂面と底面とにおいてそれぞれ開口している、軸
   線に平行な多数の通路または通孔（９）を有し、軸線の
   周りを回転するようにされている円筒型回転子（８）か
   らなり、円筒型回転子（８）の通路または通孔（９）
   は、円筒型回転子が回転している間に、それぞれの液体
   の導入と排出とを交互に行なうように各入口ダクトと出
   口ダクトとを接続するように構成されており、それぞれ
   の側の入口ダクトと出口ダクトの回転子の通路また通孔
   の開口部に近接する内部側の開口部が、それぞれのダク
   トを区画する間仕切り壁により、それぞれ中心角がほぼ
   180°の半円形となるように形成されていることを特徴
   とする一の液体系の液体流れから他の液体系の液体流れ
   に圧力エネルギーを移動させるための圧力交換器。 ２．それぞれのダクトの長手方向の軸が、円筒型回転子
   の頂面及び底面に対して外側端部付近でほぼ平行とな
   り、内側端部附近で傾斜するようにダクトが形成されて
   いる請求項１に記載の圧力交換器。 ３．円筒型回転子の頂面もしくは底面に対向する内側ダ
   クト面の傾斜が、円筒型回転子の頂面もしくは底面との
   角度（回転子のもしくは底面の円周に沿った方向での角
   度）が該内側ダクト面の先端部側において小さく、そし
   てその端部の内側では一旦大きくなるようなＳ字型を示
   すように形成されている請求項２に記載の圧力交換器。 ４．円筒型回転子の頂面もしくは底面に対向する内側ダ
   クト面の傾斜面（α）が、回転子の回転軸線と内側ダク
   ト開口部の任意の位置の端部とを結ぶ直線と、回転子の
   回転軸線と内側ダクト開口部の先端部とを結ぶ直線との
   間の角度（β）の正弦関数として大略表わされる請求項
   ３に記載の圧力交換器。 ５．ハウジングに対して同じ側の面に備えられた一対の
   ダクトは互いに僅かな角度をもって並んでおり、一方、
   他の側の面に備えられた一対のダクトに対してはおおよ
   そ180°対称の位置にある請求項１乃至４のうちのいず
   れかの項に記載の圧力交換器。 ６．回転子の孔の開口とダクトの内部側の開口とが、当
   該ダクトに対して開放される孔の開口総面積が回転子の
   回転の間、実質的に一定に保たれるように構成されてい
   る請求項１乃至５のうちのいずれかの項に記載の圧力交
   換器。 ７．回転子が電動機により回転するように構成されてい
   る請求項１乃至６のうちのいずれかの項に記載の圧力交
   換器。