JP4022253B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

【０００１】
この発明は、ばらばらの材料で構成され、２つの同軸円筒状格子間に配列された環状の蓄熱媒体と、内側の熱格子で包囲された熱収集室と、一方では外側の冷格子と他方ではハウジング壁との間で囲まれた冷気収集室とを有する熱交換器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
このような熱交換器は米国特許明細書第２，２７２，１０８号に開示されている。この刊行物に開示されている熱交換器の実施例では、熱収集室は、頂部が開いており、冷気爆破中に生ずる熱気体のため、熱交換器のハウジング壁の上部すなわち屋根に設けられた出口に開放している。
【０００３】
熱交換器の屋根は、また、蓄熱媒体のため、熱収集室の周りに同軸状に配列された蓄熱媒体用の環状チャンバーにまたがっており、このチャンバーは熱格子と冷格子との間に配列されている。蓄熱媒体は粒子の寸法が２５〜１００mmのばらばらの材料で構成されている。熱交換器の外部壁すなわち屋根にはばらばらの材料を環状チャンバーに注入できる開口が設けられている。
【０００４】
熱交換器の屋根は熱交換器の垂直のハウジング壁上に位置し、そして特に、スラスト力を吸収するリング状の梁が介挿されている。
【０００５】
環状チャンバーは、一方では外部格子、他方では熱交換器のハウジング壁で構成され、加熱段階において冷却された排気ガスのための収集室として働き、また、送風段階では、環状チャンバーは、熱交換器あるいは蓄熱媒体の周囲に冷気送風を分配する。この構造により、熱交換器のほとんど外皮全体が冷気ガスとのみ接触することになり、従って熱遮断体が不用となる。
【０００６】
同軸配列の内部すなわち、熱格子は一方では環状の蓄熱体の高温側の境界を成し、他方では熱爆風用の円筒収集室の境界を成し、また、高温の燃焼ガス用の分配室を構成する。上記の収集室及び内部格子は永久的に高温であり、従って、耐火性セラミック素材のみで構成され得るが、上記のセラミック構成素材はガスを通すために十分な浸透性がなければならない。特に、蓄熱媒体として非常に小さい粒子のサイズをもつばらばらの材料を使用することは、材料の一部分ではなく、それらの素材がガスを通過させることを意味している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
温度負荷が変化するために、上記の熱格子は熱膨張を受け、このことは、設計段階で絶対に考慮されなければならない。冷却後、熱格子における間隙が、開かないか、上方の開放端領域が変化しないことにより、比較的微細である粒子の充填材料は、冷格子と熱格子との間の環状チャンバーから熱収集室中へ通過できるように構成されなければならない。
【０００８】
したがって、熱交換器の外壁に連結するため高温にさらされ、水冷システムを備えているので熱格子のこの領域を、金属性の重なり合う素材のラビリンスの形態の充填材でシールすることは公知である。
【０００９】
この発明の目的は、上述したような上記の欠点を除去し、不安定な高温帯での熱交換器の操作信頼性を向上させることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明の目的は、熱収集室を熱格子の上端に置かれた蓋で閉じ、蓋の上にある距離を置いて遮蔽体を設け、この遮蔽体を外壁に取り付けるが、蓋には物理的に連結されていない上記形式の熱交換器で達成される。
【００１１】
このような蓋を設けて熱収集室を閉鎖することによって、熱格子や蓋領域において生じる熱膨張に関係なく、ばらばらの材料は内部収集室の中へは入ることができず、他方、熱交換器の外壁は、この上方領域において内部収集室内の熱いガスによる熱効果から保護される。
【００１２】
有利には、蓋はセラミック製である。この材料は強度が高い上に、高熱抵抗である。
【００１３】
この発明の別実施例では、蓋は耐火性鋳造材料で作られ、耐火補強部材は、その端領域の中に封じ込められる。
【００１４】
これらの補強部材は、蓋にその端領域におけるスラスト力を吸収させ、また、周囲に分配した張力も吸収させる。
【００１５】
この実施例では、蓋の端領域の補強ロッドは、蓋の半径に対して折線方向に水平に、かつ端領域の高さを越え、鋳造材料に配列される。
【００１６】
実施例の補強部材では、補強部材の寸法を相対的に小さく特に長さを短く構成することができ、また、曲げに対する耐力のない材料で作ることができる。
【００１７】
有利には、補強部材は高強度セラミックロッドである。
【００１８】
セラミック製の蓋と同様に、上記のセラミックロッドも、高耐火性である。
【００１９】
この発明のさらに有利な実施例では、遮蔽体は外端が蓋あるいは熱格子を越えて突き出した円錐形カバーとして構成される。
【００２０】
この実施例の遮蔽体は上方領域における熱交換器の外壁を完全に熱から保護することを保証する。
【００２１】
有利には、蓋の上でしかも遮蔽体の下に絶縁部材が設けられる。
【００２２】
上記の絶縁部材は熱交換器の外壁の保護を高め、その上、蓋領域の熱損失を防ぐ。
【００２３】
有利には、熱交換器の壁に沿った遮蔽体はチャンバーと連通し蓋熱媒体のために２つの同軸円筒状の熱格子と冷格子によって囲まれた空間を囲んでいる。
【００２４】
この実施例の空間は、環状の構造の結果として、蓄熱媒体のばらばらの材料のための一様な充填設備を形成することになる。
【００２５】
この発明のさらに有利な発展においては、熱格子は、例えばセラミックなどの高耐熱性材料製の個々のれんがで作られ、蓄熱媒体を収容する環状チャンバーに通ずる空洞を持ち、この空洞は特に微粒なばらばらの材料で満たされ、また熱格子で囲まれる熱収集室に近接しているれんがの壁から、ばらばらの材料で満たされた空洞の中まで延びる止まり孔が設けられる。
【００２６】
この特殊な実施例のれんがは、個々のれんがの材料要素あるいはそのようなれんがで作られた全内部壁の材料要素が直接熱伝達や熱交換には担わず比較的小さく、さらに加熱された熱い気体や冷たい気体は事実上抵抗なしに、設けられた止まり穴を通って、ばらばらの材料の中へ通過することができ、熱交換を行うことを保証する。特に、このれんがの構成は、特に粒子寸法の小さい粒子が、蓄熱媒体として使用でき、それにもかかわらず微粒のばらばらの材料が熱膨張の結果熱格子に生じるギャップやクラックを通って熱収集室内へ入る危険が避けられることを保証する。
【００２７】
有利には、ばらばらの材料は空洞の中に耐熱性接着材によって固定される。
【００２８】
この接着がれんがの締固めを強めるということを除くと、それは。また冷格子と熱格子の間の環状チャンバー内へばらばらの材料が入ることによってれんがの空洞の中の細粒なばらばらの材料がはがれるのを防止する。
【００２９】
さらに、れんがの壁の幅ｂは対向壁の幅Ｂより狭い。
【００３０】
この特殊な実施例によると、れんがは円筒状のの格子の構成に特に必要である。
【００３１】
【実施例】
図面を参照しながらこの発明の典型的な実施例について説明する。第１図は熱交換器の上部の垂直断面図、第２図は蓋の垂直及び水平断面図、第３図はれんが部分斜視図である。
【００３２】
熱交換器は本質的に反応炉内部を囲むハウジング壁１を備えている。
【００３３】
上記の反応炉内部は、２つの同軸円筒状格子２，３によって熱いガス用に設けた中央熱収集室４と冷格子２と熱格子３の間に囲まれた蓄熱媒体用の環状チャンバー５と、ハウジング壁１と冷格子２によって構成された冷気収集室６とに分割されている。
【００３４】
冷格子２は金属製でさしつかえないが、熱格子３は、以下に詳細に説明する高耐熱性のれんがで組み立てられる。
【００３５】
内方の熱収集室４は熱格子３の上端に設けられ、絶縁層１０で覆われた蓋９によって閉じられ、絶縁層１０は熱格子３の外径を越えて突き出した遮断体１１によって覆われている。
【００３６】
図示実施例では、円錐カバー１２として構築される上記遮断体１１の外端１２′は蓋９の端領域１３を越えて延び反応炉のハウジング壁１の最上位領域と共に、空間１４を包囲し、この空間１４は開口１５を備え、この開口１５を介して蓄熱媒体を構成するばらばらの材料１６が反応炉内に導入され得る。上記の空間１４は、ばらばらの材料１６を受けるために設けられたチャンバー５内へ環状ギャップ１７の形状で開いている。
【００３７】
環状チャンバー５内へばらばらの材料１６を入れて分配するこの実施例の空間１４は、ばらばらの材料１６を入れるため反応炉にただ一つの開口１５を設ければよいという効果をもたらす。これに対して、米国特許明細書第２，２７２，１０８号による公知の熱交換器実施例の場合には、蓄熱媒体のための環状チャンバー５の周囲に多数の個々の開口が設けられる。
【００３８】
熱格子３の上端８は、蓄熱媒体のためのチャンバー５から蓋９と絶縁層１０によって完全に閉じられることによって、熱膨張のために引き起こされる熱格子３が変形しても、もはやばらばらの材料１６は熱収集室４の中へ入り込むことはない。
【００３９】
図に２つに分けて示す蓋９は耐火セラミック鋳造材料の補強部材１８から成り、リング状の梁を設けることなく、蓋の端領域１３に設けられる熱格子３の上端８上に蓋を支持させることを可能にする。
【００４０】
上記の補強部材１８は相対的に短い高強度セラミックロッドで構成され、これらのロッドは蓋９の半径に対して接線方向に水平に各々配列される。すべての上記セラミックロッドは、蓋９型の全円周にわたって分配され、蓋９のセラミック鋳造材料における固体の支えによって、完全に一体化されたリング状の梁を形成し、この梁はこの領域に発生する力を吸収できる。蓋に対するこのタイプの補強部材は、温度変化によって蓋９が破損しないことを保証する。
【００４１】
熱格子３を構成しているれんが７もまた高耐熱性材料で構成される。これに関してれんが７を拡大斜視図で示す第３図が参照される。
【００４２】
好ましくは、セラミック材料が使用され、個々のれんが７の中実部材すなわち通路を有しない部材は、全体積に比較して可能な限り小さく作られなければならない。
【００４３】
この目的のために、図示されたれんが７は空洞１９を持ち、空洞１９はそれぞれのセラミック壁で蓄熱媒体のためのチャンバー５の中に延びた壁２３を除いてれんが７のすべての側面で閉じられている。上記の空洞１９は球粒で満たされ、これらの球粒は耐熱性接着材によって、相互に固定され、れんがからこぼれ落ちないようにしている。
【００４４】
壁２３に対向しかつ壁２１は止まり穴２２を備え、この止まり穴２２は球粒２０で満たされた空洞１９の中に比較的深くに延び、蓄熱媒体の中に熱いガスか入ったり、熱交換器の収集室４の中に加熱した冷たいガスが出ることができるようにしている。
【００４５】
第３図によると、れんが７は部分的に円錐形をしており、すなわち壁２１の幅ｂは壁２３の幅Ｂより狭い。れんが７の高さと長さはすべての面上で同じである。
【００４６】
この実施例のれんが７は、突き出ている環状の熱格子３に特に適当である。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱交換器の上部の垂直断面図。
【図２】蓋の垂直及び水平断面図。
【図３】れんが部分斜視図。

Claims (8)

1. 二つの同軸円筒状格子（２，３）間に形成された環状チャンバー（５）に配列される、ばらばらの材料で構成された環状の蓄熱媒体と、
   内側の熱格子（３）で包囲された熱収集室（４）と、
   外側の冷格子（２）とハウジング壁（１）の側部との間に囲まれた冷気収集室（６）と、を有する熱交換器において、
   熱収集室（４）を熱格子（３）の上端（８）に置かれた蓋（９）で閉じ、またハウジング壁（１）の上部に取り付けられ、且つ蓋（９）に物理的に連接されていない遮蔽体（１１）を蓋の上方にある距離を置いて設け、
   セラミックのような高耐熱材料から成る個々のれんが（７）で作られた熱格子（３）が、蓄熱媒体を入れる環状チャンバー（５）の中に開き、且つばらばらの材料（２０）によって満たされた空洞（１９）と、
   熱格子（３）によって閉じられた熱収集室（４）の側のれんが（７）の壁（２１）から、空洞（１９）の中にまで延びる止まり穴（２２）と、
   を備え、
   空洞（１９）を満たすばらばらの材料（20）が、耐熱性接着剤で固められたものであること、
   を特徴とする熱交換器。
2. 蓋（９）が耐火性材料から成り、また蓋（９）の端領域（１３）に耐火性補強部材（１８）が封じ込められている請求項１に記載の熱交換器。
3. 蓋（９）がセラミックで構成される請求項１に記載の熱交換器。
4. 耐火性材料から成る蓋（９）の端領域（１３）における補強部材（１８）が、蓋の外周に対して接線方向、水平に、且つ端領域（１３）の高さに亘って分配、配列される請求項２に記載の熱交換器。
5. 補強部材（８）が、高強度セラミックロッドである請求項４に記載の熱交換器。
6. 遮蔽体（１１）が円錐カバー（１２）として構成され、円錐カバーの円錐部の端部より円筒状に垂下する外端（１２′）が、蓋（９）或いは蓋（９）を覆っている絶縁層（１０）の外側にまで突き出ている請求項１に記載の熱交換器。
7. 遮蔽体（１１）とハウジング壁（１）との間で囲まれる空間（１４）が、環状チャンバー（５）に連通している請求項１に記載の熱交換器。
8. 遮蔽体（１１）とハウジング壁（１）との間で囲まれる空間（１４）と、環状チャンバー（５）との間の連通部が、環状間隙（１７）として構成される請求項７に記載の熱交換器。

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