JP3531145B2 - 熱伝達要素組立体 - Google Patents

熱伝達要素組立体

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JP3531145B2
JP3531145B2 JP2000600051A JP2000600051A JP3531145B2 JP 3531145 B2 JP3531145 B2 JP 3531145B2 JP 2000600051 A JP2000600051 A JP 2000600051A JP 2000600051 A JP2000600051 A JP 2000600051A JP 3531145 B2 JP3531145 B2 JP 3531145B2
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    • F28D19/041—Regenerative heat-exchange apparatus in which the intermediate heat-transfer medium or body is moved successively into contact with each heat-exchange medium using rigid bodies, e.g. mounted on a movable carrier with axial flow through the intermediate heat-transfer medium
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10S165/009—Heat exchange having a solid heat storage mass for absorbing heat from one fluid and releasing it to another, i.e. regenerator
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】本発明は、圧力降下を増大させるけれど
もそれ以上の改善した熱伝達レベルを提供する熱伝達板
の組立体に関する。更に詳述すれば、このような組立体
は各隣接する２枚の熱伝達板間の空間に流れる流体流れ
を有し、これにより熱がこれらの熱伝達板間に伝達され
る。より詳細には、組立体は、回転再生式空気予熱器に
おける熱伝達のために用いられる。
【０００２】本発明を特別に適用できる熱交換器のひと
つの型式は、非常によく知られている回転再生式加熱器
である。典型的な回転再生式加熱器は多数の区画室に分
割された円筒形のロータを有し、これらの区画室にはそ
れぞれ間隔を置いて積重された多数の熱伝達板が配置さ
れている。これらの熱伝達板は、ロータが回転するにし
たがって、加熱ガス流れと加熱しようとする冷い空気又
は他の気体の流れとに交互にさらされる。熱伝達板は、
加熱ガスにさらされると、これらの加熱ガスから熱を吸
収し、それから加熱しようとする冷い空気又は他の気体
にさらされたときに、これらの熱伝達板により加熱ガス
から吸収した熱が冷い気体に伝達される。このような型
式の多くの熱交換器は、間隔を置いた関係で接近して積
重され、隣接するもの同志がそれぞれその間に熱交換流
体を流すための通路を形成する多数の熱伝達板を有す
る。
【０００３】このような熱交換器において、所定の大き
さの熱交換器の熱伝達能力は、熱交換流体と熱伝達要素
組立体との間における熱伝達率によって決定される。し
かしながら、商業的に優れて実用上役に立つ熱交換器と
は、このような熱伝達率がどうかによってのみでは決定
されず、他の要素例えば熱伝達要素組立体のコスト及び
重量はどうかなども加味して決定される。理想的には、
熱伝達板は、これら熱伝達板への熱交換流体からの熱伝
達を増加するためにこれら板間の通路を通して流れる熱
交換流体に大きな乱流を生じさせ、また同時に通路間の
流れに対する抵抗を相当小さくしかつこれら板の表面が
容易に掃除できるような形状であることが良い。
【０００４】熱伝達板を掃除するために、スートブロワ
を設けることが一般的である。このスートブロワは、積
重した多数の熱伝達板間の通路を通して高圧空気又は蒸
気の吹き付けをおこない、これによりこれら板の表面か
ら微粒子堆積物を取除いて運び去り、これら板の表面を
きれいにする。このような掃除の方法では、しかしなが
ら、次のような問題があった。すなわち、設計上ある一
定強さの構造的剛性が熱伝達板の積重組立体に与えられ
ていないときには、比較的薄い熱伝達板に加わる高圧吹
き付け媒体の力によって、これらの板にクラックが生じ
てしまうことである。
【０００５】このような問題を解決するひとつの方法と
して、次のようなものがある。すなわち、この方法によ
れば、それぞれの熱伝達板は多数の間隔を置いて縮らさ
れ、これにより第１の方向へ板から外向きに突出する第
１のたぶと第１の方向とは対向する第２の方向へ板から
外向きに突出する第２のたぶとを有する二たぶ状ひだが
形成される。これらの熱伝達板は、それから、一緒に積
重されて熱伝達要素組立体を形成し、それらのひだは、
隣接する板を互いに適当な間隔を置いて維持し、これに
よりすす吹き作業中にこれらの板に加わる力を熱伝達要
素組立体を構成する多数の板間で平衡させる働きをな
す。
【０００６】この型式の熱伝達要素組立体は、米国特許
第４，３９６，０５８号明細書に開示されている。この
米国特許において、複数のひだが熱交換流体流れの方向
に、すなわちロータを通して軸線方向に延びている。こ
れらのひだに加えて、熱伝達板は、熱交換流体の流れに
対して鋭角をなしてひだ間に延びる一連の斜めの波状部
を形成するようにコルゲートされている。そして、各隣
接する２枚の熱伝達板の波状部は、互いに整列して又は
正反対をなして流体流れの方向に対して斜めに延びてい
る。このような熱伝達要素組立体は、好ましい熱伝達率
を呈するけれども、特別の設計及びひだと波状部との関
係に依存して熱伝達率が広く変化してしまう。
【０００７】
【発明の概要】本発明の目的は、組立体の容積及び重量
を減少して所望レベルの熱伝達及び圧力降下を提供する
ように熱効率を最大にする、改良した熱伝達要素組立体
を提供することにある。本発明によれば、熱伝達要素組
立体の熱伝達板は流路を形成するようにこれらの熱伝達
板を離して間隔を置くための、例えば長手方向二たぶ状
ひだのような手段を有する。また、各熱伝達板は、その
２つの対向する平らな表面に流路内に突出する多数のＶ
形リブを有し、これらのＶ形リブは長手方向渦を生じせ
しめるように整列され、これらの長手方向渦は、リブパ
ラメータに関しての熱伝達板間隔の特定の範囲と連携し
て、最適な熱効率を生じせしめる。
【０００８】
【好適な実施例の説明】図面の図１を参照するに、従来
の回転再生式空気予熱器は参照符号１０により総括的に
示されている。空気予熱器１０は、ハウジング１４内に
回転可能（太い矢印は回転方向を示す）に設けられたロ
ータ１２を有する。ロータ１２は、ロータポスト１８か
らロータ１２の外周部にまで半径方向に延びている複数
の隔壁又は仕切り１６を包含する。これらの仕切り１６
は、それらの間に区画室１７を画成し、これらの区画室
１７は熱交換又は伝達要素組立体４０を収容する。
【０００９】ハウジング１４は、高温の煙道ガスの流れ
を空気予熱器１０を通して流すための煙道ガス入口ダク
ト２０及び煙道ガス出口ダクト２２を包含する。ハウジ
ング１４は、更に、燃焼用空気の流れを空気予熱器１０
を通して流すための空気入口ダクト２４及び空気出口ダ
クト２６を包含する。セクタ板２８は、ロータ１２の上
下面に隣接してハウジング１４を横切って延びている。
これらのセクタ板２８は、空気予熱器１０を空気用セク
タ３２と煙道ガス用セクタ３４とに分割する。図１の細
い矢印は、ロータ１２を通る煙道ガス流れ３６及び空気
流れ３８を示す。煙道ガス入口ダクト２０を通して入る
高温の煙道ガス流れ３６は、区画室１７内に設けられて
いる熱伝達要素組立体４０に熱を伝達する。加熱された
熱伝達要素組立体４０は、それから、空気予熱器１０の
空気用セクタ３２に回転させられる。加熱された熱伝達
要素組立体４０の蓄熱は、それから、空気入口ダクト２
４を通して入って来る燃焼用空気流れ３８に伝達され
る。低温となった煙道ガス流れ３６は、煙道ガス出口ダ
クト２２を通して空気予熱器１０を出る。加熱された空
気流れ３８は、空気出口ダクト２６を通して空気予熱器
１０を出る。
【００１０】図２は、典型的なひとつの熱伝達要素組立
体又はバスケット４０を示し、組立体に積重されている
多数の熱伝達板４２の概略構成を示している。
【００１１】図３は、本発明にしたがって形成した３枚
の熱伝達板４２の斜視図である。これらの熱伝達板は、
間隔を置いた関係で積重されて、それらの間にそれぞれ
通路４４を形成する。これらの通路は、熱交換流体のた
めの流路を形成して、熱伝達板との熱交換を提供する。
各熱伝達板４２は、平らであると共に、複数の平行でか
つ間隔を置いて離れているひだ４６を包含し、これらの
ひだは、従来技術で知られているように、各隣接する２
枚の熱伝達板を所定の距離離して維持せしめるスペーサ
である。これらのひだ４６は、熱伝達板の表面から対向
する両方向に外向きに突出する２つのたぶ４７を有する
二たぶ状ひだを作るように熱伝達板を縮らすことにより
形成される。各熱伝達板４２のたぶ４７の頂部は、隣接
する他の熱伝達板に接触して間隔を維持せしめる。この
ようなひだは、例えば上記米国特許第４，３９６，０５
８号明細書に開示されている。図３は熱伝達板間に間隔
を置くために二たぶ状ひだを開示しているけれども、本
発明はこのような特定のスペーサに限定されるものでは
ない。また、図３は隣接する２枚の熱伝達板においてず
らされているひだ４６を開示しているけれども、このよ
うなずれは他の形のスペーサでは必要でないこともあ
る。
【００１２】本発明によれば、熱伝達板４２には多数の
Ｖ形リブ４８及び５０が形成され、これらのリブ４８と
５０とは、各熱伝達板の２つの対向する平らな表面から
突出すると共に、熱伝達板を一方の側部から他方の側部
にわたってかつ流れ方向に対して垂直をなしてひだ間に
延びている。各リブは、熱伝達板の一方の平らな表面上
には突起としてまたこの熱伝達板の対向する他方の平ら
な表面上にはへこみとして現れる。多数のＶ形リブのパ
ターンは、後述される選定ピッチ（間隔）Ｐｒで流れ方
向において熱伝達板４２の一方の端部から他方の端部ま
で繰り返される。熱伝達板の一方の表面側から突出する
２つのリブ４８間の部分は、熱伝達板の他方の表面側に
多数のＶ形リブのパターンを形成するへこみリブ５０で
ある。これは図３に示されており、リブ４８は熱伝達板
から上向きに延びていると共に、リブ５０は下向きに延
びている。Ｖ形リブの各列は一連のＶ形リブ部分から成
り、これらのＶ形リブ部分は“Ｖ”を形成する２つのほ
ぼ真直な部分から成る。図３及び後述する図４、図５に
示されるように、各隣接する２列のＶ形リブ部分は互い
に正反対の方向に配向されている。
【００１３】図４は単一の熱伝達板の一方の表面側の概
略平面図であり、上向きに突出するリブ４８が実線によ
り表されていると共に、下向きに突出するリブ５０が点
線により表されている。図５は、２枚の積重した熱伝達
板を示し、熱伝達板の全てが同一であって、各熱伝達板
のリブが隣接する他の熱伝達板のリブと整列して積重さ
れていることを示している。図６は、図４及び図５の各
６−６線に沿うリブの断面図であり、リブの好適な形状
及び基本寸法を示している。本発明の基本的な幾何学的
パラメータは、これらの図３、図４及び図６に示されて
いる。
【００１４】すなわち、これらの図において、次のよう
に定める。 熱伝達板の間隔 ＝Ｈ リブの高さ ＝ｈ リブの半径 ＝ｒ リブの相対的高さ ＝ｈ／Ｈ ひだのピッチ ＝Ｐｎ リブのピッチ ＝Ｐｒ リブの相対的ピッチ＝Ｐｒ／ｈ リブの角度 ＝θ Ｖ形リブの長さ ＝２Ｗ アスペクト比 ＝Ｗ／Ｈ
【００１５】本発明の最上の関連パラメータ及び比率の
範囲は、次のとおりである。 ０．１＜ｈ／Ｈ＜０．４ ８＜Ｐｒ／ｈ＜５０ １５°＜θ＜４５°
【００１６】Ｖ形リブ列の各Ｖ部分の長さ２Ｗは、熱伝
達板の間隔（分離）Ｈの関数である。本発明のための範
囲は次のとおりである。０．５Ｈ＜Ｗ＜４Ｈ
【００１７】理想的には、ＷはＨに等しい。典型的な構
造の一特定例として、寸法は次のとおりである。 Ｈ ＝６ｍｍ Ｐｒ ＝３０ｍｍ Ｐｒ／Ｈ＝５ θ ＝４５° ｈ ＝０．６ｍｍ ｈ／Ｈ ＝０．１ Ｗ ＝６ｍｍ Ｗ／Ｈ ＝１．０ Ｐｒ／ｈ＝５０
【００１８】本発明において、多数のＶ形リブは、圧力
降下を多少増大させるけれども平均熱伝達を著しく増大
せしめることを提供する、一連の平行な長手方向渦を確
立せしめる。これらの長手方向渦は、熱伝達板間の流路
を通る平均流れと整列した回転軸線を有する。その結果
として、回転軸線から離れて位置する地点での流体速度
は、平均流れ方向に対して角度を有する。これらの平行
な渦を存在させるためには、各隣接する２つの渦は互い
に反対方向に回転しなければならない。さもなければ、
これら２つの渦はそれらの回転軸線の中間の平面内にお
いて互いに対して作用する。従来の熱伝達板設計は各板
面で乱流を生じていたが、しかし、有益な流れパターン
を作り出すように２枚の熱伝達板上の流体作用を結合す
るようにした熱伝達板の幾何学的形状の特別な設計はな
かった。
【００１９】本発明の他の実施例が、図７に示されてい
る。この他の実施例においては、リブがＶ形の頂部で不
連続とされ、したがってＶ形リブ４８及び５０の各部分
に隙間５２を形成している。製作工程において、このよ
うな隙間５２は多数のＶ形リブが形成されるときに金属
のひずみを少なくする。また、隙間５２は、ひだ４６の
位置決め点を提供することにより主ガス流れに対して垂
直な方向に積重熱伝達板４２を整列させるために使用す
ることができる。
【００２０】本発明の更に他の実施例が、図８に示され
ている。この更に他の実施例においては、へこみリブ５
０のパターンが、図３、図４及び図６におけるように突
出リブ４８のパターンを正反対にしてひっくり返したパ
ターンではなくて、熱伝達板４２において突出リブ４８
のパターンと同じ配向とされている。このような熱伝達
板のすべては同一であるけれども、１枚おきに熱伝達板
をその平面において１８０°転回することにより、図８
に２枚の熱伝達板により示されている配置を得ることが
できる。図８に見ることができるように、２枚のうちの
下側の熱伝達板の突出リブ４８の列は、上側の熱伝達板
の頂面から突出するリブ４８の列と、Ｖ形が１８０°ひ
っくり返されていることを除いて本質的に整列させられ
ている。このようなパターンは、図３及び図４に示され
ている配置よりも、単位圧力降下当たりの熱伝達を良好
に高めるものである。これは、熱伝達板のリブの谷部が
該熱伝達板における上流及び下流の隣接する他のリブの
谷部と同じ方位で整列し、これにより圧力降下を少なく
生じせしめることによる。しかし、不利な点として、連
続ローリング法で製作した多数の熱伝達板を単にそのま
ま上下に積重させることができないということがある。
すなわち、１枚おきに熱伝達板を積重する前に１８０°
転回させなければならない。 ［図面の簡単な説明］
【図１】多数の熱伝達板から作られている熱伝達要素組
立体を収容する従来の回転再生式空気予熱器の斜視図で
ある。
【図２】組立体に積重されている多数の熱伝達板を示
す、ひとつの従来の熱伝達要素組立体の斜視図である。
【図３】本発明による熱伝達要素組立体のための３枚の
熱伝達板の一部分の斜視図であって、ひだの間隔及びＶ
形のリブを示す。
【図４】図３の３枚の熱伝達板のうちの１枚の熱伝達板
の平面図であって、Ｖ形リブの方位及び寸法を示す。
【図５】図４の熱伝達板を２枚一緒に積重した平面図で
あって、Ｖ形リブの関係の一例を示す。
【図６】図４、図５及び図７の各６−６線に沿う典型的
なＶ形リブの断面図である。
【図７】本発明の変形例を示す、図４と同様な図であ
る。
【図８】本発明の他の変形例を示す２枚の熱伝達板の平
面図であって、上の熱伝達板は一部を切断して示されて
いる。
フロントページの続き (72)発明者 チェン マイケル エム アメリカ合衆国 ニューヨーク 14895 ウェルズビル ハーダー・プレイス 135 (72)発明者 オルソン カール−オロフ エー スウェーデン国 バステラス エス− 722 14 カールスガタン 32ベー (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F28D 19/04 F28D 20/00 F28D 17/00

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】回転再生式熱交換器（１０）用の熱伝達要
    素組立体であって、複数の熱伝達板（４２）を包含し、
    各熱伝達板（４２）が両側部、両端部及び２つの対向す
    る平らな表面を有し、これらの熱伝達板（４２）が間隔
    を置いた関係で積重され、これにより各隣接する２枚の
    熱伝達板（４２）間にそれぞれ熱交換流体がこれらの熱
    伝達板（４２）間を一方の端部から他方の端部へと流れ
    るための通路を形成し、前記熱伝達板（４２）の各々
    が、前記２つの対向する平らな表面の少なくとも一方か
    ら延びて、各隣接する２枚の熱伝達板（４２）間を係合
    すると共にこれらの熱伝達板（４２）を所定の距離
    （Ｈ）離して間隔を置いて維持するスペーサ（４６）を
    形成する手段を有している熱伝達要素組立体において、 前記熱伝達板（４２）の各々が該熱伝達板（４２）を一
    方の側部から他方の側部へとかつ流れ方向に対して垂直
    をなして前記スペーサ（４６）間を延びている複数の間
    隔を置いて離れているＶ形リブ（４８，５０）列を有
    し、各列が一連のＶ形リブ部分を包含し、これらの各リ
    ブ部分が前記２つの対向する平らな表面の一方から前記
    距離、すなわち熱伝達板間隔（Ｈ）よりも小さいリブ高
    さ（ｈ）で突出すると共に、前記複数の列の各隣接する
    ２つのＶ形リブ列が前記熱伝達板（４２）の２つの対向
    する平らな表面から突出し、かつ、間隔を置いて離れて
    いる２つのＶ形リブ列がピッチ（Ｐｒ）で前記一方の端
    部から他方の端部にまで流れ方向において繰り返され、
    比ｈ／Ｈの範囲が０．１〜０．４であり、また、比Ｐｒ
    ／ｈの範囲が８〜５０であり、更に、前記Ｖ形リブ（４
    ８，５０）列の各Ｖ形リブ部分の長さが２Ｗであると共
    に、前記Ｗと前記Ｈとの関係が０．５Ｈ＜Ｗ＜４Ｈであ
    ることを特徴とする熱伝達要素組立体。
  2. 【請求項２】請求項１記載の熱伝達要素組立体におい
    て、前記一方の側部から他方の側部への方向に関しての
    前記リブ部分の角度が１５°から４５°までであること
    を特徴とする熱伝達要素組立体。
  3. 【請求項３】請求項１記載の熱伝達要素組立体におい
    て、各熱伝達板（４２）の前記複数の列の各隣接する２
    つの列の前記一連のＶ形リブ部分が互いに正反対の方向
    に配向されていることを特徴とする熱伝達要素組立体。
  4. 【請求項４】請求項３記載の熱伝達要素組立体におい
    て、前記複数の熱伝達板（４２）が同一であり、これら
    の熱伝達板（４２）が積重され、これにより各隣接する
    ２枚の熱伝達板（４２）の前記複数のＶ形リブ列が互い
    に整列されていると共に、これら整列されたＶ形リブ列
    が前記隣接する２枚の熱伝達板（４２）から同一の方向
    に突出していることを特徴とする熱伝達要素組立体。
  5. 【請求項５】請求項３記載の熱伝達要素組立体におい
    て、前記Ｖ形リブ部分の各々が前記Ｖ形を形成する２つ
    の真直な部分を包含し、更に、前記Ｖ形リブ列中の前記
    Ｖ形リブ部分間及び前記真直な部分間に隙間（５２）を
    包含していることを特徴とする熱伝達要素組立体。
  6. 【請求項６】請求項１記載の熱伝達要素組立体におい
    て、前記複数の列の各隣接する２つの列の前記一連のＶ
    形リブ部分が同一の方向に配向されていることを特徴と
    する熱伝達要素組立体。
  7. 【請求項７】請求項６記載の熱伝達要素組立体におい
    て、前記複数の熱伝達板（４２）が同一であり、これら
    の各隣接する２枚の熱伝達板（４２）が互いに１８０°
    転回され、これにより各隣接する２枚の熱伝達板（４
    ２）のＶ形リブ部分が互いに正反対の方向に配向されて
    いることを特徴とする熱伝達要素組立体。
JP2000600051A 1999-02-17 1999-12-20 熱伝達要素組立体 Expired - Lifetime JP3531145B2 (ja)

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