JP6144621B2 - モジュール型ヒートパイプ熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は概略的には熱ガスから冷ガスへ熱伝達するためのヒートパイプ熱交換器に関し、特に燃焼空気及び又は燃焼ガスを予備加熱するための熱回収施設におけるヒートパイプ熱交換器に関する。

熱回収システムは、一つの媒体から熱を回収してそれを別の媒体へ伝達するために種々産業界において利用されている。あるガスの過剰な熱を利用して他のガスを予備加熱する方式は、エネルギー消費を減じ、従って環境に負担をかけない考え方である。

かかる熱回収システムは、例えばＵＳ４，４３４，００４に開示されており、該システムは熱排気ガス、特に冶金工程における排気ガス及び温ガスからの熱回収及びリサイクルの方法及び装置に関する発明である。温ガスあるいは熱ガスが保有する熱はヒートパイプ縦方向下方へ伝達される。次いで冷空気あるいは冷ガスがヒートパイプの上部へ向けて通過することによりヒートパイプの熱が冷空気あるいは冷ガスへ伝達される。前記装置は、熱ガスが送り込まれ通過する下方小室と冷ガスが送り込まれ通過する上方小室から成っている。ヒートパイプはこれら２つの小室中に縦方向に配置され一方の小室から他方の小室中へと延びている。熱ガスが下方小室中を通過する時、該熱ガスからの熱がヒートパイプの下位部分によって吸熱されることにより熱ガスは冷やされる。ヒートパイプ中において、熱はヒートパイプの下位部分から上位部分へと伝達される。上方小室を通過した冷ガスはヒートパイプのより熱い上位部分中を通過することによって加熱される。

ヒートパイプ熱交換器は、熱伝達を極めて迅速に行うためにしばしば用いられる。しかしながら、他のタイプの熱交換器と同様に、液体中に汚れ、埃、粒子などが混入し汚染されることが問題となる。このような汚れは、実際にヒートパイプの熱伝達面上へ沈積され、ヒートパイプと加熱あるいは冷却対象液体間の熱伝達効率を低下させる可能性がある。さらに、汚れは次第に沈積されていくため、ヒートパイプ熱交換器が詰まり、熱交換器中の圧力低下も増していく。

そのため、汚れを洗浄し、及び熱交換器中を通る流路を広げるため、定期的に熱回収システムの保全管理のためのシャットダウン（運転停止）を実施することが必要とされる。熱交換器中には多数のヒートパイプが配置されていることから、ヒートパイプの洗浄は概して極めて時間を要する作業である。さらに、熱交換器中の種々部位へのアクセスが困難なため、洗浄作業はなかなか容易化されない。シャットダウン期間が長くなれば必然的に生産ロスが生じ、かつ作業コストも高額となる。

本発明は上述した欠点を回避することができるヒートパイプ熱交換器を提供することを目的とする。

上記目的は請求項１項記載のヒートパイプ熱交換機を提供することによって達成される。

熱ガスから冷ガスへ熱伝達するためのヒートパイプ熱交換器は、熱ガスを中へ送り込んで通過させるための第一小室と冷ガスを中へ送り込んで通過させる第二小室を備えるハウジングと、前記第一小室と前記第二小室との間に延びて熱ガスから冷ガスへ熱伝達する多数のヒートパイプから構成される。本発明の重要な観点によれば、前記小室をヒートパイプ区画に分割するために前記第一小室及び前記第二小室中に仕切りパネルが配置される。これら仕切りパネルは両小室中を通るガスの流れに対してほぼ平行な平面となるように配置され、ハウジング中のヒートパイプ区画中にヒートパイプカートリッジが取り外し可能に配置される。各ヒートパイプカートリッジは多数のヒートパイプを支持するための支持パネルを備えたフレームから構成される。支持パネルは、ヒートパイプカートリッジがハウジング中に配置された時に、該支持パネルが第一小室と第二小室の間の分離壁と共に第一小室と第二小室の間に気密性の仕切りを形成するように配置される。さらに、ヒートパイプは支持パネルを縦走し、かつ気密状態で支持パネルに固定される。

１または２以上の仕切りパネルによってガス流の断面が２またはそれ以上のより小さな断面に分割される。かかる小室をそれらの幅に沿ってさらに小さな区画へ分割することにより、熱交換器を構造崩壊へ導く可能性がある流れ誘発性振動が減じられることにより、熱交換器の防音特性が強化される。本発明に係る熱交換器ではヒートパイプの振動が大幅に減じられるため、そのような構造的崩壊を避けることが可能である。

本発明によれば、ヒートパイプは、熱交換機の保全管理を容易にするため、ヒートパイプカートリッジ中に一緒に束ねられる。熱交換機は多数のヒートパイプ区画に分割され、区画のそれぞれは区画内にヒートパイプカートリッジを収容できるように設計及び形状化される。

このヒートパイプカートリッジは、その支持パネルが分離壁と同レベルになるように熱交換器中に設置される。支持パネルは、第一小室と第二小室が分離されるように分離壁へ連結される。

保全管理のためのシャットダウン期間中、ヒートパイプの検査を行うことが可能である。例えばヒートパイプの破損、あるいは熱伝達面の重度な汚染などより、１または２以上のヒートパイプカートリッジの修繕が必要な場合は、当該のヒートパイプカートリッジを熱交換機から持ち上げて取り出すことが可能である。次いで交換用のヒートパイプカートリッジを熱交換機中へ取り付けて、熱交換機の作動を再開させることが可能である。汚染されたヒートパイプカートリッジを熱交換器の外で、従って熱回収システムの停止期間を延長することなく、洗浄あるいは補修することも可能である。これにより、事実上、熱交換器を作動させながら、保全管理において最も時間を費やす作業を熱交換器外で実施することが可能となる。モジュール型ヒートパイプ熱交換器へ交換可能なヒートパイプカートリッジを備えることにより、熱回収システムの停止期間を大幅に短縮することが可能となる。

ヒートパイプカートリッジの支持パネルは、好ましくは第一及び第二小室間に気密シールが形成されるように、取り除き可能な溶接を用いて分離壁へ連結される。この周囲的な取り除き可能な溶接は熱交換器へのヒートパイプカートリッジの取り付け後に実施される。この周囲的な溶接は、熱交換器からヒートパイプカートリッジを取り外す前に破壊可能である。支持パネルと分離壁の連結はボルト等の他の適する手段によっても得られることに注意すべきである。第一及び第二小室間に気密シールが形成されるように、支持パネルと分離壁との間にシール部材を取り付けることも可能である。

熱交換器には、好ましくは第二小室の外壁中に第一開口部、及び第一小室と第二小室間の分離壁中に第二開口部が設けられ、これら第一及び第二開口部は、それらの中へヒートパイプカートリッジを送り込めるように配置及び寸法化される。これら第一及び第二開口部があることにより、ヒートパイプカートリッジを容易かつ迅速に熱交換器中へ送り込み、あるいは熱交換器から取り出すことが可能となる。

ヒートパイプは、有利な態様として、支持パネルの両側面上に備えられた金属ガスケットを用いてネジ・カウンターナット機構によって支持パネルへ固定することにより、保全管理目的でのヒートパイプの交換に際して緩めることが可能な気密性連結が与えられる。

上記及び他の好ましい実施態様は特許請求の範囲において従属請求項として記載されている。

本発明に従った２つのヒートパイプ熱交換器を備える熱回収システムの斜視図である。 図１に示した熱回収システムのトランジションフードを取り外した状態を示した透視図である。 図１の熱回収システムに用いられるヒートパイプカートリッジの斜視図である。 図３に示したヒートパイプカートリッジのフレームの斜視図である。

発明を実施するための手段

本発明について以下に実施例を用いて添付図面を参照しながら説明する。
図１は本発明に従った２つのヒートパイプ熱交換器１２，１２’を備えるヒートパイプ回収システム１０の好ましい実施態様を示した図である。１台の熱交換器１２，１２’を用いて燃焼ガスを予備加熱し、同時に別の熱交換器１２，１２’を用いて燃焼空気を予備加熱することが可能である。

熱交換器１２，１２’はそれぞれ、第一ポート１６及び第二ポート１８を備える第一小室１４、及び第三ポート２２及び第四ポート２４を備える第二小室２０から構成されている。第二小室２０は、図示された実施態様においては、第一小室１４上に縦方向に配置される。第一小室１４及び第二小室２０中には、多数のヒートパイプ２６（通常は数千本）が縦方向に配置される。これらのヒートパイプ２６は通常第二小室２０の高さ全体に亘たって第二小室２０から分離壁（図１には図示せず）中を通過して第一小室１４まで延び、さらに第一小室１４の高さ全体に亘って延びている。空気あるいはガスは第一及び第三ポート１６，２２のそれぞれから第二及び第四ポート１８，２４それぞれへと熱交換器中を流れることできる。しかしながら、熱交換器は好ましくはカウンターフロー（向流）方式で作動される。すなわち、空気あるいはガスは熱交換器中を第一及び第四ポート１６，２４から第二及び第三ポート１８，２２へとそれぞれ流れる。

本発明によれば、熱交換器の保全管理を容易にするため、ヒートパイプ２６はヒートパイプカートリッジ中に一緒に束ねられる。図１に示した熱交換器１２では、そのガス流方向に３つのヒートパイプモジュール２８，２８’，２８”に分割され、それぞれのモジュールはガス流方向に対して直交する方向にさらに２つのヒートパイプ区画３０，３０’に分割される。ヒートパイプ区画３０，３０’のそれぞれは、その中に１個のヒートパイプカートリッジを収容するように設計及び形状化されている。

ヒートパイプモジュール２８，２８’，２８”及びヒートパイプ区画３０，３０’は、図１の熱回収システム１０からダクトとの接続のためのトランジションフードが取り外されて示されている図２により明瞭に示されている。図２にはさらに第一小室１４と第二小室２０間の分離壁３２も示されている。

仕切りパネル３４がヒートパイプ区画３０，３０’の間に配置されることも理解される。これら仕切りパネル３４は熱交換器中を通るガス流に対して平行であり、またガス流の断面はこれら仕切りパネル３４によって２つのより小さな断面へと分割されている。このように前記小室１４，２０をその幅に沿ってより小さな区画へと分割することによって流れ誘発性振動が減じられることにより熱交換器の防音特性が強化される。本発明の熱交換器１２，１２’においては、ヒートパイプの振動は大幅に低減されるため熱交換器による騒音公害は減じられる。前記仕切りパネル３４は、保全管理のためのシャットダウンの際に取り外してヒートパイプ２６へのアクセスを容易にできるように好ましくは取り外し可能に取り付けられる。前記仕切りパネルは、ガス流断面を２以上の断面に分割できるように２以上設けることも可能である。

上述したように、本発明に従って、ヒートパイプ２６はヒートパイプカートリッジ３６中に束ねられる。なお、ヒートパイプカートリッジの１例を図３に示す。次にヒートパイプカートリッジ３６について図３及び図４を参照しながらより詳細に説明する。なお、図４は図３に示したヒートパイプカートリッジ３６からすべてのヒートパイプを取り除いた状態を示した図である。

ヒートパイプカートリッジ３６は、フレーム中に取り付けられた多数のヒートパイプ２６（数千本）から成る。このフレーム３８には、取り付けた時に第二小室２０と向き合う上面４２及び取り付けた時に第一小室１４と向き合う下面４４を有する支持パネル４０が含まれている。支持パネル４０には、個々のヒートパイプ２６を通すための多数の孔が設けられている。各ヒートパイプ２６を支持パネル４０へ固定するための連結手段が与えられる。これら連結手段については以下において詳述する。フレーム３８にはさらに、個々のヒートパイプ２６が孔中を通るように孔が設けられた多数の補助パネル４６が備えられる。この補助パネル４６は支持パネル４０から所定の間隔を置いて相互に平行に配置される。補助パネル４６の孔は、補助パネル４６とヒートパイプ２６間に確固たる接続を形成することなく、孔中を付随のフィンをもつヒートパイプ２６が通るのに十分な直径を有している。実際、補助パネル４６の目的は、主として隣接するヒートパイプ２６を互いに所定の間隔を置いて保持することである。補助パネル４６は間隔ガイドとして機能し、また作動中ヒートパイプを一列に保持する。

前記支持パネル４０と前記補助パネル４６は、図４に示すように、４本の連結ロッド４８を用いて互いに連結される。支持パネル４０、補助パネル４６及び４本の連結ロッド４８は、例えば溶接によって互いに確実に連結されてヒートパイプカートリッジ３６のフレーム３８が作製される。

ヒートパイプ２６はしっかりと支持パネル４０へ連結されるが、一方の小室１４，２０から他方の小室へガスが転位されることを防止するため、ヒートパイプ２６は気密状態に連結されなければならない。例えばヒートパイプを直接支持パネルへ溶接する、シールリングを用いてプレスし及び締め付ける、あるいは支持パネル中へネジで取り付けるなど多数の連結方法が既知である。しかしながら、好ましくは、一方の面上にネジのヘッド、他方の面上にカウンターナットを用いることによって支持パネル両面に気密性が得られるネジ・カウンターナット機構が用いられる。好ましくは、ネジヘッド部と支持パネル４０上面との間及びカウンターナットと支持パネル４０下面４４との間の支持パネル４０の両面上へ金属ガスケットが備えられる。

ネジ・カウンターナット機構には、個々のヒートパイプ２６を支持パネル４０から取り外して交換することができる利点がある。従って、損傷したヒートパイプを容易に交換することが可能である。さらに、支持パネル４０の上面４２と下面４４の間に気密性シールが形成されるので、第一小室１４からのガスが第二小室２０からのガスと混ざることはない。このことは、ガスの一方が燃焼ガスである場合には特に重要である。

ヒートパイプカートリッジ３６を取り付け及び取り外すために、熱交換器には第二小室２０の外壁５２中に第一開口部５０が設けられる。第一小室１４と第二小室２０の間の分離壁３２中に第二開口部５４が設けられる。

取り付けに際し、ヒートパイプカートリッジ３６は第一開口部５０及び第二開口部５４を通過させて熱交換器１２，１２’中を縦方向下方へ挿入される。支持パネル４０は分離壁３２のレベルまで下げられて第二開口部５４が閉じられる。好ましくは、支持パネル４０は、その周縁部全体が分離壁３２へ溶接される前に、該分離壁３２上へ支持パネル４０の縁部を載せ、それから支持パネル４０と分離壁３２間に気密性の連結が形成される。一旦熱交換器１２，１２’中に設置されたら、ヒートパイプ２６の下方部分は第一小室１４中に取り付けられ、熱ガスが第一小室１４中へ送られてきたら蒸発器として作用し、他方ヒートパイプ２６の上方部分は第二小室２０中に取り付けられ、冷ガスが第二小室２２０中へ送られてきたら凝縮器（コンデンサー）として作用する。

定例の保全管理のためのシャットダウン期間中、熱交換器１２，１２’の側壁に取り付けられたマンホール及び検査窓５６を介してヒートパイプ２６を検査することが可能である。例えばヒートパイプの破損、あるいは熱伝達面の重度の汚染などにより、ヒートパイプカートリッジ３６の１または２以上の補修が必要とされる場合、支持パネル４０と分離壁３２間の溶接を取り除き、熱交換器の外へ破損したヒートパイプ３６を持ち上げて、関係するヒートパイプカートリッジ３６を取り外すことが可能である。次いで交換用のヒートパイプカートリッジ３６を熱交換器中へ取り付けて、熱伝達システムを再作動させることが可能である。破損したヒートパイプカートリッジ３６は熱交換器外で洗浄あるいは補修することができるので、熱回収システムの停止期間が延長されることはない。実際、保全管理において最も時間を費やされる作業を熱交換器外で実施しながら、熱交換器はそのまま作動させることが可能である。交換可能なヒートパイプカートリッジを用いるモジュール型ヒートパイプ熱交換器を提供することにより、熱回収システムの停止期間を大幅に減ずることが可能となる。

本願は熱ストーブ施設に関連した熱交換器に関して記載したことに注意すべきである。このような熱交換器は通常縦方向に一方を他方の上へ置くように配置される２つの小室１４，２０を備えて構成される。しかしながら、２つの小室１４，２０を互いに隣り合わせて略水平に置くことも本発明の範囲内に含まれる。しかしながら、ヒートパイプには水平線に対して若干の傾斜（少なくとも５°）をもたせるべきである。このような配置は、例えば発電所等の他の用途にも適用可能である。

１０：熱回収システム
１２：ヒートパイプ熱交換器
１４：第一小室
１６：第一ポート
１８：第二ポート
２０：第二小室
２２：第三ポート
２４：第四ポート
２６：ヒートパイプ
２８：ヒートパイプモジュール
３０：ヒートパイプ区画
３２：分離壁
３４：仕切りパネル
３６：ヒートパイプカートリッジ
３８：フレーム
４０：支持パネル
４２：上面
４４：下面
４６：補助パネル
４８：連結ロッド
５０：第一開口部
５２：外壁
５４：第二開口部
５６：検査窓

Claims (9)

1. 熱ガスから冷ガスへの熱伝達を行うためのヒートパイプ熱交換器であって、このヒートパイプ熱交換器（１２、１２’）は、
   熱ガスを送り込む第一小室（１４）、
   冷ガスを送り込む第二小室（２０）、及び
   第一小室（１４）及び第二小室（２０）間に延びて前記熱ガスから前記冷ガスへの熱伝達を行うための複数のヒートパイプ（２６）が備えられたハウジングから成り、
   仕切りパネル（３４）が、前記第一及び第二小室（１４，２０）中に、これら小室（１４，２０）中を通過するガス流に対してほぼ平行な平面となるようにそれぞれ配置されて、前記小室（１４，２０）をそれぞれヒートパイプ区画（３０，３０’）に分割し、ここで前記ヒートパイプ区画（３０、３０’）の１つを流れるガスは、隣接するヒートパイプ区画（３０，３０’）を流れるガスの方向に対して平行であり、及び
   ヒートパイプカートリッジ（３６）は前記ハウジング内のヒートパイプ区画（３０，３０’）中に取り外し可能に取り付けられ、
   各ヒートパイプカートリッジ（３６）は、複数のヒートパイプ（２６）を支持するための一枚の支持パネル（４０）を含むフレーム（３８）を有し、
   前記支持パネル（４０）は、前記ヒートパイプカートリッジ（３６）が前記ヒートパイプ区画（３０，３０’）中に取り付けられた時に、前記支持パネル（４０）が前記第一小室（１４）と前記第二小室（２０）の間の分離壁（３２）と連携して前記第一及び第二小室（１４，２０）間に気密性の仕切りを形成するように配置され、
   前記フレーム（３８）は、更に複数の補助パネル（４６）を含み、少なくとも一枚の補助パネル（４６）は前記支持パネル（４０）の上方に配置され、及び、少なくとも一枚の補助パネル（４６）は前記支持パネル（４０）の下方に配置され、各補助パネル（４６）はそれをヒートパイプ（２６）が通る複数の孔を有し、この孔はヒートパイプ（２６）のガイドとなってヒートパイプ（２６）を互いに平行に維持し、及び
   前記フレーム（３８）は連結ロッド（４８）を含み、この連結ロッド（４８）は前記支持パネルと前記複数の補助パネル（４６）とに接続されていることを特徴とするヒートパイプ熱交換器。
2. 前記第一及び第二小室（１４，２０）間が気密密閉状態となるように、前記ヒートパイプカートリッジ（３６）の前記支持パネル（４０）が取り除き可能な溶接手段によって前記分離壁（３２）へ連結されることを特徴とする請求項１項記載のヒートパイプ熱交換器。
3. 前記ヒートパイプカートリッジ（３６）の前記支持パネル（４０）が、ボルトによって前記分離壁（３２）へ連結され、前記第一及び第二小室（１４，２０）間に気密シールが形成されるように前記支持パネル（４０）と前記分離壁（３２）間にシール部材が取り付けられることを特徴とする請求項１記載のヒートパイプ熱交換器。
4. 前記ヒートパイプ（２６）にフィンが与えられ、前記補助パネル（４６）の前記孔の直径が、前記フィンが前記孔中を十分通過できるほど大きいことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のヒートパイプ熱交換器。
5. 前記熱交換器（１２，１２’）に、前記第二小室（２０）の外壁（５２）中に第一開口部（５０）が、及び前記第一及び第二小室（１４，２０）間の分離壁中に第二開口部（５４）が設けられ、これら第一及び第二開口部がそれらの中を通してヒートパイプカートリッジを送り込めるように配置及び寸法化されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のヒートパイプ熱交換器。
6. 前記ヒートパイプカートリッジ（３６）が前記熱交換器（１２，１２’）中へ取り付けられる時に、前記支持パネル（４０）が前記分離壁（３２）へ溶接されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のヒートパイプ熱交換器。
7. 検査窓（５６）が前記熱交換器（１２，１２’）の側壁中に配置されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のヒートパイプ熱交換器。
8. ヒートパイプ（２６）がネジ・カウンターナット機構を用いて前記支持パネル（４０）へ固定されることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のヒートパイプ熱交換器。
9. ネジのネジヘッド部と前記支持パネル（４０）上面（４２）との間、及び又はカウンターナットと前記支持パネル（４０）下面（４４）との間に金属ガスケットが備えられることを特徴とする請求項８記載のヒートパイプ熱交換器。

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