JP4637589B2 - 回転式熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は回転式熱交換器に係り、特に回転軸のシール構造を改善した熱交換器に関する。

回転式熱交換器は、同心状に組合わせた内筒と外筒との間に加熱または冷却流体を流通させると共に、内筒内に被加熱流体または被冷却流体（以下、「処理流体」という）を流通させて両流体間の熱交換を行なわせるものである（特許文献１参照）。内筒内には回転軸が配設され、この回転軸に取付けた複数の掻き取りブレードを内筒内周面と摺接させて内筒内面に処理流体が焦げ付いたり凍て付いたりしないようにしている。

従来の回転式熱交換器は図８に示すように、円筒状の断熱カバー１の内側に、外筒２と内筒３を同心状に組合わせて配置する。断熱カバー１と外筒２の両端は端板４，５で閉塞される。外筒２の一端に断熱カバー１を上向きに貫通して外部に突出した入口管６が取付けられ、外筒２の他端に断熱カバー１を下向きに貫通して外部に突出した出口管７が取付けられる。入口管６と出口管７は上下逆に設定することも可能である。内筒３の両端は断熱カバー１及び外筒２の両端から外側にやや突出し、その一端に上向きに突出した入口管８が取付けられ、内筒３の他端に下向き突出した出口管９が取付けられる。これら入口管８と出口管９も上下逆に設定可能である。

内筒３内の中心に軸線方向に沿って回転軸１０が配設される。この回転軸１０の外周面に図９のように複数の掻き取りブレード１１がねじ１２によって固定される。掻き取りブレード１１の先端は内筒３内周面に常時摺接して流体の焦げ付き又は凍て付きを防止する。回転軸１０の両端は端板４，５に支持された軸受１３，１４に支持される。回転軸１０の一端は軸受１４から突出し、この突出端にモータ１５の回転軸が軸継手１６を介して連結される。

上述した回転式熱交換器は、通常、図１０のように複数台を組合わせて使用する。図１０は７台の回転式熱交換器ＥＸ１〜ＥＸ７を組合わせて使用する場合を例示する。処理流体は入口管１７から導入され、順次、複数の回転式熱交換器ＥＸ１〜ＥＸ７により繰返し加熱ないし冷却されて出口管１８から排出される。
特開平１−２１０７７９

ところで、前記回転軸１０の両端は内筒３内の流体が外部に漏洩しないように液密にシールする必要がある。従来の回転式熱交換器は、図１１〜図１３に示すように、いわゆる内装式メカニカルシール構造を採用していた。このシール構造は、内筒３の両端に取付けた端部材２０に軸受（１３）１４と固定環２１を取付ける一方、回転軸１０の両端近傍に回転環２２を取付けたものである。回転軸１０を軸受（１３）１４に嵌合させ、回転環２２の端の金属製シールリング２２ａを固定環２１の端の金属製シールリング２１ａに当接させることにより、内筒３内の流体が軸受（１３）１４側に漏れないようにしている。回転環２２は、回転軸１０の回りで回転自在かつ互いにクラッチ嵌合した一対のリング部材２２ｂ，２２ｃと、両リング部材２２ｂ，２２ｃ間にあってリング部材２２ｂ，２２ｃを離間方向に附勢するコイルばね２２ｄを有し、回転軸１０の温度変化による長さ変化をコイルばね２２ｄが吸収する。これによりシールリング２１ａ，２２ａの当接圧が適圧に維持される。

従来の内装式メカニカルシール構造は、以下のような課題があった。すなわち、（１）リング部材２２ｂ，２２ｃ相互間にコイルばね２２ｄを収納する構造のため、ばね室２２ｅに処理流体が溜まり、この溜まった処理流体を除去するために定期的に洗浄する必要がある。（２）リング部材２２ｂ，２２ｃ相互はクラッチ嵌合のため分解不能であり、リング部材２２ｂ，２２ｃ内部の洗浄が困難である。（３）回転軸１０を取出して洗浄する場合、図１２のように固定環２１と回転環２２が分離するから、シールリング２１ａ，２２ａに塵埃が付着する可能性があり、再組立時にはシールリング２１ａ，２２ａの摺接面を清浄に保ち食用グリスを塗布するなど細心の注意が必要である。（４）内外筒２，３と回転軸１０の熱による軸線方向の膨張率は必ずしも一致せず若干異なるが、固定環２１は内外筒２，３側に取付けられ回転環２２は回転軸１０側に取付けられているので、回転軸１０を組付ける際は前記膨張率の差を予め考慮して慎重に組付ける必要がある。（５）シールリング２１ａ，２２ａは超硬合金で製作して固定環２１と回転環２２にそれぞれ焼嵌めしているが、長期にわたって使用していると超硬合金でも母材である固定環２１と回転環２２の熱による歪みでシールリング２１ａ，２２ａの摺動面にも歪みが発生し、摺動面の片当り現象が発生して摺動面が損傷し、シール不良となるおそれがある。（６）回転軸１０を取外す際に内筒３内の液体の一部が固定環２１と軸受１３，１４とを通って外部に漏れるため、軸受１３，１４の内径面が液体で濡れて腐食したり、あるいは濡れた内径面に塵埃が付着するなどして、再組立時に軸受１３，１４と回転軸１０との嵌合精度を低下させる可能性がある。この嵌合精度が低下すると回転軸１０の微小な傾きを惹起してシールリング２１ａ，２２ａの摺動面に悪影響が及ぶ。

本発明は、このような課題のうち、すくなくとも１つを解決する回転式熱交換器を提供することを目的とし、例えばコイルばねに処理流体が接触しないシール構造を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため本発明の回転式熱交換器は、同心状に組み合わせた内筒および外筒と、前記内筒内周面と摺接する掻き取りブレード付きの回転軸と、前記内筒の両端部を閉塞すると共に前記回転軸の両端を支持する端部材とを有し、前記内外筒間に加熱または冷却流体を流通させると共に、前記内筒内に被加熱流体または被冷却流体を流通させて両流体間の熱交換を行なわせる回転式熱交換器において、前記回転軸の両端外周に軸線方向にスライド自在に嵌合され前記内筒内の流体圧を受けて外側に附勢されるスリーブと、前記スリーブの外周面を前記端部材との間で回転自在に支持する軸受と、前記軸受の軸線方向内側であって前記スリーブの外周側に位置するばねを介して、前記端部材に対して、前記軸受とは反対側で軸線方向にスライド自在に支持された固定環と、前記固定環と前記スリーブとの間で軸線方向に互いに対向形成され、前記内筒内の流体圧により互いに圧接して前記内筒内の流体をシールする一対の環状当接部とを具備することを特徴とする。

従来の回転式熱交換器が内筒内の流体をシールするために一対のシールリング（環状当接部）を内筒内で処理流体に濡れるコイルばねで液密に圧着していたのに対し、本発明では、一対のシールリング（環状当接部）を内筒内流体圧を受けて外方に附勢されるスリーブによって液密に圧着する。したがって、一対のシールリング（環状当接部）を液密に圧着するためのコイルばねを内筒内に配置する必要がない。本発明で使用するばねは、回転式熱交換器の運転に伴う振動等に拘わらず一対のシールリング（環状当接部）が確実に液密圧着するためのものである。

環状当接部は、耐久性を考慮して、超硬合金、セラミック又はカーボンのうち、いずれか１種又は２種の組合わせにより製作可能である。また、固定環の軸線方向両側面の面積に差を設け、この面積差によって内筒内の流体の圧力により軸線方向内側への押圧力を生ぜしめ、この押圧力によって前記ばねの附勢力を補うようにすることができる（請求項２）。また、固定環にスリーブの外周面及び端部材の内周面に対して微小隙間を残存させた状態で隔壁部を設けることができる（請求項３）。これにより処理流体の漏出をより確実に防止できる。

本発明は以上のように、（１）ばねを内筒内に配設しないから内筒内に処理流体が停滞する空間がなく洗浄が容易になる。（２）スリーブと回転軸は例えば端部材（軸受ケース）内のピンないしキーによってトルク伝達することが可能であるため内筒内には凹凸ないし突起を設けなくて済み洗浄が容易になる。（３）環状当接部を有する回転環（折曲げ部）をスリーブに一体形成し、回転軸をスリーブから抜いて取外すようにしているから、回転軸を取外しても回転環と固定環とが分離せず、それらに設ける環状当接部の摺動面を損傷するおそれがない。（４）回転軸とスリーブが軸線方向に摺動自在で独立しているため、回転軸と内外筒の軸線方向の膨張率が異なっても環状当接部（シールリング）の摺接圧はまったく影響を受けず、長期にわたり良好なシールが可能であり再組立も容易である。（５）回転軸を取外す際でも内筒内の液体はスリーブを通って外部に流れるため、軸受の内径面が液体で濡れることがなく、再組立時に軸受と回転軸との嵌合精度を低下させるおそれもない。

以下に本発明の実施形態を図１〜図７に基づいて説明する。図１〜図３は本発明に係る回転式熱交換器のシール部を示す。図１〜図３以外の構成は、図８で説明した従来の回転式熱交換器と同様であるから説明を省略する。図１および図２で３０は加熱流体又は冷却流体の出口又は入口であり、３１は処理流体の出口又は入口である。出口と入口の設定は上下反対でもよい。内外筒２，３の端部に取付けられた円筒状の端部材２０の内部に、玉軸受１４が２連で配設される。この軸受１４の内輪内径面にスリーブ３２の外端側外周面が圧嵌合される。スリーブ３２の内端は回転軸１０の掻き取りブレード１１近くまで延在し、拡径してフランジ部３２ａを形成する。スリーブ３２の内端内周面の環状溝にＯリング３３が嵌合される。スリーブ３２内に回転軸１０の端部が挿入され、回転軸１０の外周面とスリーブ３２との間をＯリング３３がシールする。回転軸１０の端部外周面に平面切欠き１０ａが形成され、この平面切欠き１０ａにスリーブ３２外端側に螺合したピン３４先端が当接する。これにより回転軸１０とスリーブ３２の相対回転が阻止される。また回転軸１０の先端は角軸１０ｂとされ、この角軸１０ｂにモータの回転軸１０が軸継手１６により結合される（図８参照）。

端部材２０の内部には、図３に示すように、軸受１４が収納される軸受室３５、コイルばね３６が所定の圧縮状態で収納されるばね室３７が形成される。軸受室３５とばね室３７との間に端部材２０と一体の隔壁部２０ａが形成される。隔壁部２０ａの内周端はスリーブ３２の外周面に微小隙間を残して近接する。ばね室３５にコイルばね３６が収納され、コイルばね３６の一端が隔壁部２０ａに当接する。コイルばね３６の他端に隔壁部３８が嵌合される。この隔壁部３８は軸線方向にストロークＳで移動可能である。隔壁部３８の内外周端とスリーブ３２及び端部材２０との間は微小隙間が形成される。隔壁部３８の内方にさらに固定環３９が配設される。この固定環３９は隔壁部３８と円周方向複数箇所でピン４０で一体連結される。固定環３９の外側の端部材２０ｂに形成された溝部４１にＯリング４２が嵌合され、このＯリング４２に固定環３９の外周面が摺接する。固定環３９の内端はスリーブ３２の内端側に延在し、固定環３９の内端の段部３９ａに環状当接部としての超硬合金製シールリング４３が嵌合される。

固定環３９の内端の左右両側面３９ｂ，３９ｃであって内筒３内の流体に接触する面は、図３で右側の側面３９ｃの方が左側の側面３９ｂよりも面積的にやや広くされる。このため内筒３内の流体圧が側面３９ｂ，３９ｃに作用すると、固定環３９は前記面積差により内側方向（図３で左方向）に押圧される。この押圧力はコイルばね３６の附勢力を補う。

スリーブ３２の内端のフランジ部３２ａの先端は、外側方向に向けて直角に折曲された折曲げ部３２ｂ（従来の「回転環」に相当する）を形成する。この折曲げ部３２ｂの内側に形成した溝部４４にＯリング４５が嵌合され、このＯリング４５に環状当接部としての超硬合金製シールリング４６が嵌合される。一対のシールリング４３，４６は、コイルばね３６の附勢力と、前述した固定環３９の左右両側面３９ｂ，３９ｃの面積差による図３で左方向の押圧力とによって、軸線方向で互いに液密に当接する。なお、シールリング４３，４６の当接面の面積は、前述の固定環３９の受圧面積差に比べて比較的大きくされており、これによりシールリング４３，４６相互間の摺接面圧を低減して低摩耗長寿命化を図っている。

内筒３の左端に、図４（Ａ）〜（Ｃ）のようにフランジ部３ａが別部材で（又は一体的に）形成される。このフランジ部３ａに、１８０°対称位置に一対のタップ付きねじ孔５０，５０が形成される。また、ねじ孔５０，５０相互間に、望ましくは１つのねじ孔５１を形成する。一対のねじ孔５０，５０は、内筒を取外す際にねじ孔５０，５０にねじを螺合してねじ先端を端板４に当接させ、その反力で内筒３の引き抜きを容易にするためのものである。また別のねじ孔５１は、端板４にねじ５２の先端を螺合して内筒３を回り止めするためのものである。回転軸１０の回転により内筒３が連れ回りすると、外筒２との間に配設したシール部材が損傷する。したがって、内筒３の回り止めのためにねじ５２を螺合しておくとよい。

回転軸１０に取付けた掻き取りブレード１１，１１ａ〜１１ｃを図５に示す。図５（Ａ）と図６（Ａ）が従来の掻き取りブレード１１，１１ｂである。用途に応じて短いブレード１１と長いブレード１１ｂを使い分ける。従来の掻き取りブレード１１，１１ｂは、回転軸１０を回転させる際の処理流体の抵抗が大きいことがわかった。そこで、図５（Ｂ）と図６（Ｂ）のように掻き取りブレード１１ａ，１１ｃに取付けねじ用の孔５３，５４とは別に、複数の孔５５，５６を形成した。このようにすることにより、処理流体の抵抗が大幅に減ってモータ１５の消費電力が少なくなる。なお、図６のブレード１１ｂ，１１ｃにはＵ字状の切欠き５６があるが、これは一箇所のねじ孔５４のねじだけを回転軸１０に対して着脱し、回転軸１０に螺合した残り３本のねじは緩めるだけでブレード１１ｂ，１１ｃをスライドさせて迅速簡単に着脱するためである。

回転軸１０を回転させるためのモータ１５は、図７のように回転式熱交換器を多連で構成する場合は、各回転式熱交換器に一つずつモータ１５が取付けられる。回転式熱交換器を分解する場合は、回転軸１０とモータ１５とを分離する必要がある。従来の回転式熱交換器ではモータ１５が架台５７に固定的に配設されていたため、回転軸１０とモータ１５の分離作業が煩雑で長時間を要していた。そこで本発明者は、モータ１５をその軸線方向にスライド自在に架台５７に取付けることを着想した。すなわち、架台５７に左右一対のガイド軸５８を配設し、この左右のガイド軸５８に摺動自在に取付けたスリーブ５９に、モータ１５の基部１５ａを一体連結する。これにより、モータ１５をガイド軸５８に沿って簡単に前後動させることができ、回転軸１０との分離・結合作業を迅速に行なうことができる。なお、ガイド軸５８とスリーブ５９はモータ１５のスライド構造の一例であって、スライド機構はこれに限らず任意の構造でよい。

本発明の回転式熱交換器は以上のように構成される。この熱交換機に処理流体と加熱流体を流し、回転軸１０をモータ１５で回転させることにより、内筒３の熱伝導を通して両流体間で熱交換がなされる。この際、内筒３内に露出するスリーブ３２のフランジ部３２ａには処理流体の圧力が図１で右方に作用する。またフランジ部３２ａの裏側にはシールリング４６の外側の面積分に相当する逆方向の小さな圧力が作用する。両圧力の差がスリーブ３２を外側に押圧する力となる。この押圧力の大半はスリーブ３２を介して軸受１４に負荷される。一方、コイルばね３６の附勢力によって隔壁部３８と固定環３９が図３で左方に押圧され、シールリング４３をシールリング４６に液密に圧着させる。

また、前述のように固定環３９の右側の側面３９ｃの方が左側の側面３９ｂよりも面積的にやや広いので、受圧面積差によっても固定環３９は内側方向（図３で左方向）に押圧される。このためコイルばね３６に比べて内筒３内流体圧が大きくなっても、シールリング４３と４６の摺接位置が軸線方向に外側に大きく移動するのを防止する。固定環３９が図３でもしも外側すなわち右側に大きく移動すると、側面３９ｃが端部材２０ｂに当接する。側面３９ｃが端部材２０ｂに当接すると、シールリング４３の微小傾動が不能になり、コイルばね３６によるシールリング４３，４６間のいわゆるフローティングシール機能が喪失する。この結果、シールリング４３，４６間で円周方向の一部で微小隙間が発生する可能性が急速に高まる。このように、固定環３９の左右両側面３９ｂ，３９ｃの受圧面積差はシールリング４３，４６間の良好なシール機能を維持し、回転式熱交換器を長寿命にする上で有効である。

処理流体はシールリング４３，４６の外側まで充満しているが、シールリング４３，４６相互の圧着力により、シールリング４３，４６の内側までは漏れてこない。ばね室３７は、固定環３９および隔壁部３８のさらに外側に位置する関係上、ばね室３７に処理流体が溜まるおそれはまったくない。

回転式熱交換器から回転軸１０を取外す場合は、まず図８に示すモータ１５との軸継手１６のねじを緩め、回転軸１０の平面切欠き１０ａに当接するピンを緩め、反対側の端部材を取外し、反対側から回転軸１０の端部を持って引抜く。この際、回転軸１０の端部はスリーブ３２内を摺動してスムーズに引抜くことができる。回転軸１０を引抜くと、内筒３内の処理流体がスリーブ３２内を通って外部に流れ出るが、コイルばね３６も軸受１４もスリーブ３２の外側にあるので処理流体と接触することがなく、コイルばね３６、ばね室３７および軸受１４の腐食・損傷の心配がない。また、回転軸１０を抜いてもシールリング４３，４６は相互離間せず、スリーブ３２を軸基準として軸線方向に当接ないし整合した状態を維持する。したがって、回転式熱交換器を再組立する場合、シールリング４３，４６の当接面の損傷や、組付け誤差に基づく傾斜片当りなどの心配がない。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。例えば前記実施形態ではスリーブ３２の外周側に位置する「ばね」をコイルばね３６として説明したが、コイルばね３６に代えて適度の弾性力を有する任意の弾性部材を配設可能である。

本発明に係る回転式熱交換器のシール部の断面図。 図１で回転軸を引抜いた状態の同様の断面図。 図１の要部拡大断面図。 内筒を示すもので、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は左側面図、（Ｃ）は内筒の回り止めねじの螺合状態断面図。 （Ａ）は従来の基本長の掻き取りブレードの正面図、（Ｂ）は改良型掻き取りブレードの正面図。 （Ａ）は従来のほぼ３倍長の掻き取りブレードの正面図、（Ｂ）は改良型掻き取りブレードの正面図。 ７連横型回転式熱交換器の側面図。 回転式熱交換器の縦断面図。 回転式熱交換器の横断面図。 ７連横型回転式熱交換器の正面図。 従来の回転式熱交換器のシール部の断面図。 図１１で回転軸を引抜いた状態の同様の断面図。 図１１の要部拡大断面図。

符号の説明

１ 断熱カバー
２ 外筒
３ 内筒
３ａ フランジ部
４，５ 端板
１０ 回転軸
１１ ブレード
１３，１４ 軸受
１５ モータ
２０ 端部材
２０ａ 隔壁部
３２ スリーブ
３２ａ フランジ部
３２ｂ 折曲げ部
３３ Ｏリング
３４ ピン
３５ 軸受室
３７ ばね室
３８ 隔壁部
３９ 固定環
４０ ピン
４２ Ｏリング
４３，４６ シールリング（環状当接部）
４５ Ｏリング
ＥＸ１-ＥＸ７ 回転式熱交換器

Claims (6)

1. 同心状に組み合わせた内筒および外筒と、前記内筒内周面と摺接する掻き取りブレード付きの回転軸と、前記内筒の両端部を閉塞すると共に前記回転軸の両端を支持する端部材とを有し、前記内外筒間に加熱または冷却流体を流通させると共に、前記内筒内に被加熱流体または被冷却流体を流通させて両流体間の熱交換を行なわせる回転式熱交換器において、
   前記回転軸の両端外周に軸線方向にスライド自在に嵌合されたスリーブと、
   前記スリーブの外周面を前記端部材との間で回転自在に支持する軸受と、
   前記軸受の軸線方向内側であって前記スリーブの外周側に位置するばねを介して、前記端部材に対して、前記軸受とは反対側で軸線方向にスライド自在に支持された固定環と、
   前記固定環と前記スリーブとの間で軸線方向に互いに対向形成され、前記ばねの附勢力によって互いに圧接して前記内筒内の流体をシールする一対の環状当接部とを具備することを特徴とする回転式熱交換器。
2. 前記固定環の軸線方向両側面の面積に差を設け、この面積差によって前記内筒内の流体の圧力により軸線方向内側への押圧力を生ぜしめ、この押圧力によって前記ばねの附勢力を補うようにした請求項１の回転式熱交換器。
3. 前記固定環に、前記スリーブの外周面及び前記端部材の内周面に対して微小隙間を残存させた状態で隔壁部を設けたことを特徴とする請求項１記載の回転式熱交換器。
4. 前記スリーブの一端に形成したフランジ部の裏面に一対の環状当接部の一方を設けたことを特徴とする請求項１記載の回転式熱交換器。
5. 前記内筒の一端に形成したフランジ部にねじ挿通孔を形成し、前記ねじ挿通孔から差込んだねじの先端を前記外筒の端部に螺合連結して前記内筒を回り止めしたことを特徴とする請求項１記載の回転式熱交換器。
6. 前記掻き取りブレードに流体抵抗を低減するための複数の透孔を形成したことを特徴とする請求項１記載の回転式熱交換器。