JP6323701B1 - ノズル式スチームトラップ - Google Patents

Abstract

【課題】ドレンを優先的にノズルへの流入口に誘導し、蒸気漏れを低減する。【解決手段】筐体２と、筐体内に設けられたノズル７と、筐体内に設けられ、ノズルの吸引口が臨んだ第１のチャンバー５ａ，５ｈと、筐体内に設けられ、ノズルの噴射口が臨んだ第２のチャンバー６ａと、第１のチャンバーのスチーム導入口３に設けられ、欠け部が８ａ形成されたドレン導入部材８とを有する。ドレン導入部材８は、欠け部８ａがスチーム導入口３のドレンが溜まる下部に位置するように取り付けられている。【選択図】図９

Description

本発明は、ノズル式スチームトラップに関する。

従来より、工場設備等におけるスチーム配管に溜まったドレン、すなわち、気相のスチームが液相化したものを排出する装置として、スチームトラップが知られている。スチームトラップには、ドレンの排出原理に応じて様々なタイプが存在するが、その一つとして、例えば、特許文献１に記載されているようなノズル式のスチームトラップが知られている。図１１に示すように、このスチームトラップ２０は、外部から蒸気が導入される導入部２１と、外部に水を排出する排水部２２と、排気部２３とを有しており、スチームトラップ２０の内部には、トラップ室２４が設けられている。このトラップ室２４には、ノズル２５の噴射口が臨んでおり、導入部２１から導入された蒸気に混在している水を凝縮水として捕捉する。トラップ室２４の上部開口は、エンドキャップ２６によって遮蔽されている。また、排気部２３は、トラップ室２４によって水が除去された残留蒸気を外部へ排出し、その内部には、ストレーナ２７が設けられている。

特開２０１４−２３４８６８号公報

特許文献１のスチームトラップ２０では、導入部２１の蒸気より比重が大きいドレンは、排気部２３と導入部２１を満たしてからノズル２５への流入口に達するが、導入部２１のドレンの上側にある蒸気が先にノズル２５への流入口に達して排出されるので、蒸気漏れが発生する。特にドレン量が少ない設置個所では蒸気漏れが発生しやすいという問題がある。

また、特許文献１のスチームトラップ２０では、ノズル２５が設置されるトラップ室２４及びストレーナ２７が設置される排気部２３にシール材としてメタルガスケットが用いられるが、高温の蒸気の環境下ではメタルガスケットが熱膨張により変形し、高圧の蒸気が漏洩する虞れがあるので、定期的に保守点検し、シール材を交換する必要があった。

そこで、本発明の目的は、ドレンを優先的にノズルへの流入口に誘導し、蒸気漏れを低減することにある。また、本発明の目的は、シール材の定期点検や交換作業の負担を排除することにある。

かかる課題を解決すべく、本発明は、ノズル式スチームトラップにおいて、
筐体と、
前記筐体内に設けられたノズルと、
前記筐体内に設けられ、前記ノズルの吸引口が臨んだ第１のチャンバーと、
前記筐体内に設けられ、前記ノズルの噴射口が臨んだ第２のチャンバーと、
前記第１のチャンバーのスチーム導入口に設けられ、欠け部が形成されたドレン導入部材とを有し、
前記ドレン導入部材は、欠け部がスチーム導入口のドレンが溜まる下部に位置するように取り付けられているものである。

前記ドレン導入部材は、前記欠け部が形成された欠円板からなることが好ましい。

前記ドレン導入部材の前記欠け部は、直線状に形成され、前記スチーム導入口の内壁面との間に弓形に形成されていることが好ましい。

前記ドレン導入部材は、前記スチーム導入口の中心軸の回りに角度を変えて取り付け可能であることが好ましい。

前記ドレン導入部材は、前記筐体の前記第１のチャンバーと前記第２のチャンバーを仕切る仕切壁の前記第１のチャンバー側の壁面に形成された八角形のボスに係合する四角形の取付孔を有することが好ましい。

前記第１のチャンバーは、
前記ノズルの吸引口が臨む中間チャンバーと、
前記スチーム導入口に連通する高圧チャンバーと、
前記中間チャンバーと前記高圧チャンバーを連通する連通孔とからなり、
前記ドレン導入部材の前記欠け部は前記連通孔の流入口に臨んでいることが好ましい、

前記ドレン導入部材の前記欠け部は、前記連通孔の流入口の下半分を臨んでいることが好ましい。

前記筐体は、前記第１のチャンバーを形成する本体部と、前記第２のチャンバーを形成する蓋体部とからなり、
前記本体部と前記蓋体部に、互いにメタルタッチで嵌合するシール凹部とシール凸部が形成されていることが好ましい。

本発明によれば、第１のチャンバーのスチーム導入口に、欠け部が形成されたドレン導入部材が設けられ、欠け部がスチーム導入口のドレンが溜まる下部に位置するように取り付けられているので、スチーム導入口のスチームがノズルへの流入口に流れるのが阻止され、ドレンが優先的にノズルへの流入口に誘導される。
また、筐体の本体部と蓋体部がメタルタッチで嵌合するシール凹部とシール凸部で密閉されているので、シール部材の劣化による蒸気漏れがなく、またシール部材を用いないので、シール材の定期点検や交換作業の負担が排除される。
さらに、ノズルやシール部からの蒸気漏れが低減するため、蒸気プラントの燃料費とＣＯ_２排出の低減が可能となる。

本発明の実施形態によるスチームトラップの外観斜視図。 図１のスチームトラップの分解斜視図。 図１のスチームトラップの分解断面図。 図３のIV−IV線断面図。 本体部と蓋体部のシール構造を示す断面図。 ノズルの上方から見た斜視図（ａ）、下方から見た斜視図（ｂ）及び断面図（ｃ）。 ドレン導入部材の斜視図（ａ）及び断面図（ｂ）。 ドレン導入部材の第１の取付状態を示す断面図（ａ）、第２の取付状態を示す断面図（ｂ）、ドレン導入部材の第３の取付状態を示す断面図（ｃ）。 スチームトラップの動作を示す断面図。 ノズルの吸込部の流れを示す断面図。 従来のスチームトラップを示す分解斜視図。

図１は、本実施形態に係るノズル式スチームトラップの外観斜視図である。このスチームトラップ１は、筐体２と、スチーム導入口３と、ドレン排出口４とを有し、スチーム導入口３より導入された高温高圧のスチーム、すなわち、気相（蒸気）と液相（水）とが共存した状態の流体を処理して、液相化されたドレン（水）としてドレン排出口４より排出する。筐体２は、ステンレス鋼や鋳鉄などの金属によって形成されており、スチーム導入口３とドレン排出口４とが同軸上に設けられている。スチーム導入口３には、工場設備内のボイラ等で生成されたスチームを輸送するスチーム配管系の分岐管が取り付けられる。また、ドレン排出口４には、ドレンを外部に排出する排出管が取り付けられる。スチームトラップ１をスチーム配管系に適宜の間隔を空けて複数設置することで、潜熱を放出してスチーム本来の仕事能力を喪失した不要なドレンをスチーム配管系から有効に除去することができる。それとともに、スチーム配管系の圧力を内部が乾燥した状態で維持することもできる。

図２は、スチームトラップ１の分解斜視図である。筐体２は、上下に２分割されており、本体部５と、蓋体部６とを有する。本体部５および蓋体部６は、図示しない複数のボルトによって一体化されている。本体部５の内部には、図３に示すように、スチーム導入口３と連通した高圧チャンバー５ａと、ドレン排出口４と連通した排出チャンバー５ｂとが設けられている。これらのチャンバー５ａ，５ｂは、本体部５（筐体２）の一部をなす区分壁５ｃを介して、互いに区分されている。本体部５には、図４に示すように、スチーム導入口３とドレン排出口４とを結ぶ方向と直交して、一対の開口部５ｄが設けられている。そして、これらの開口部５ｄには、閉塞栓５ｅが着脱自在に取り付けられている。高圧チャンバー５ａの上部には連通部５ｆが設けられていると共に、排出チャンバー５ｂの上部には連通口５ｇが設けられている。

連通部５ｆの奥には、図３に示すように、当該連通部５ｆより小径の中間チャンバー５ｈが設けられている。中間チャンバー５ｈは、Ｌ字形に曲がる連通孔５ｉを介して高圧チャンバー５ａに連通している。連通孔５ｉの高圧チャンバー５ａ側のドレン流入口の最低部は、高圧チャンバー５ａの最低部と一致している。開口部５ｄは、図４に示すように、連通孔５ｊを介して中間チャンバー５ｈに連通している。スチームトラップ１に排水バルブやボールバルブを取り付けて使用する場合、どちらかの開口部５ｄの閉塞栓５ｅを取り外し、露出した開口部５ｄに排水バルブやボールバルブが取り付けられる。排水バルブやボールバルブは、工場施設の稼働停止時（冷態時）及び停止状態からの立ち上がり時にスチーム配管内に生じた大量のドレンを迅速に排出するために用いられる。

本体部５の上面には、図２に示すように、連通部５ｆと連通口５ｇを囲むように長円形に延びるシール凹部５ｋが形成されている。シール凹部５ｋの側面にはルアーテーパが設けられている。

本体部５の上面に開口とした連通部５ｆには、この連通部５ｆを閉塞する係脱自在なノズル７が円形網状のストレーナ７ｂを介して取り付けられ、中間チャンバー５ｈを閉塞している。具体的には、連通部５ｆの内周面には内ネジが形成されていると共に、ノズル７の外周面には外ネジが形成されている。これら内外のネジを螺合することによって、連通部５ｆにノズル７が係止され、連通部５ｆが閉塞される。ノズル７には、スチームトラップ１の処理対象となるスチームをドレン化する上で中心的な役割を担うノズル孔７ａが一体形成されており、このノズル孔７ａは、略円筒形状を有するノズル７の中心軸を上下に貫通している。

蓋体部６の内部には、図２，図３に示すように、低圧チャンバー６ａを含む空間が設けられている。蓋体部６には、前記低圧チャンバー６ａを囲むように長円形に延びるシール凸部６ｂが形成されている。シール凸部６ｂの側面には、ルアーテーパが設けられている。図５に示すように、本体部５の上部に蓋体部６を組み付けた状態において、本体部５と蓋体部６との隙間は、シール凹部５ｋとシール凸部６ｂとのメタルタッチの嵌合によって塞がれる。これにより、低圧チャンバー６ａは、流体の漏れがない一つの区画室となる。

図６に示すように、ノズル７のノズル孔７ａの吸引口側の端部、すなわち、高圧チャンバー５ａを区画する壁部の一部をなす端部には、略円筒状の陥没部７ｃが設けられている。陥没部７ｃは、図６（ｃ）に示すように、中間チャンバー５ｈの内径と同じ内径の円筒壁７ｄと、ノズル孔７ａの吸引口より奥に位置する曲面からなる角部７ｅと、該角部７ｅからノズル孔７ａの吸引口に向かって延びる傾斜部７ｆと、該傾斜部７ｆからノズル孔７ａの吸引口に滑らかに連続する中心部７ｇとからなる連続した断面形状を有している。ノズル孔７ａの中心線に直交する面に対する傾斜部７ｆの角度θは、２０〜４０°が好ましい。

図３に示すように、スチーム導入孔３の内部の高圧チャンバー５ａには、ドレン導入部材８が取り付けられている。ドレン導入部材８には、図７に示すように、高圧チャンバー５ａの内径と同径で、一部に欠け部８ａを有する欠円板８ｂが設けられている。欠け部８ｂは、図８（ａ）示すように、直線状に形成され、高圧チャンバー５ａの内壁面との間に弓形に形成されている。欠円板８ｂの欠け部８ａは、連通孔５ｉの高圧チャンバー５ａ側のドレン流入口の約下半分を臨むように形成されている。欠け部８ａは、直線状に限らず、円弧状や半円状でもよい。欠円板８ｂの一方の面には、高圧チャンバー５ａ側の壁面に当接する円形の取付座８ｃが形成され、他方の面には外周に外ネジが形成された突部８ｄが形成されている。取付座８ｃには、四角形断面の取付孔８ｅが設けられ、突部８ｄには取付孔８ｅと連通する円形断面のネジ挿通孔８ｆが設けられている。取付孔８ｅは、区分壁５ｃの高圧チャンバー５ａ側の壁面に形成された八角形のボス５ｌに係合するようになっている。

ドレン導入部材８は、取付ネジ８ｇをネジ挿通孔８ｆと取付孔８ｅに挿入し、区分壁５ｃの八角形のボス５ｌに形成されたネジ孔５ｍにネジ込むことにより、区分壁５ｃの高圧チャンバー５ａ側の壁面に取り付けられている。スチーム導入口３の中心軸の回りにドレン導入部材８の欠円板８ｂを回転させて、欠円板８ｂの角度を変えることにより、図８（ａ）に示すように、欠け部８ａが水平な位置と、図８（ｂ）に示すように欠け部８ａが斜め４５度の位置にすることができる。また、図８（ｃ）に示すように、スチームトラップ１を縦に取り付けた場合には、欠け部８ａがスチーム導入孔３のドレンが溜まる下部に位置するようにする。この場合、欠け部８ａを通過したドレンは、ドレン導入部材８と区分壁５ｃの高圧チャンバー５ａ側の壁面との間の隙間９（図９参照）を通って連通孔５ｉのドレン流入口に流入する。

次に、スチームトラップ１の動作について説明する。

図９は、スチームトラップ１の断面図である。スチーム導入口３より導入された流体の流路は、高圧チャンバー５ａ、ドレン導入部材８の欠け部８ａ、連通孔５ｉ、中間チャンバー５ｈ、ストレーナ７ｂ、ノズル孔７ａ、低圧チャンバー６ａ、連通口５ｇ、排出チャンバー５ｂを順に経て、ドレン排出口４より排出される。ここで、中間チャンバー５ｈを区画する壁部の一部は、ノズル７によって構成されており、このノズル７に形成されたノズル孔７ａの吸引口が高圧チャンバー５ａ内に臨んでいる。また、高圧チャンバー５ａの下流に位置する低圧チャンバー６ａについては、これを区画する壁部の一部も、ノズル７によって構成されており、このノズル７に形成されたノズル孔７ａの噴射口が低圧チャンバー６ａ内に臨んでいる。なお、同図は、ノズル孔７ａの吸引口が下で噴射口が上を向いた状態を示しているが、スチームトラップ１は天地無用であり、ノズル孔７ａがどのような方向を向いていても、スチームトラップ１としては有効に機能する。

一方、低圧チャンバー６ａは、連通口５ｇおよび排出チャンバー５ｂを介してドレン排出口４と連通し、大気圧相当（低圧）に保たれる。その結果、高温高圧のスチームが導入される高圧チャンバー５ａ及び中間チャンバー５ｈと、大気圧相当に開放された低圧チャンバー６ａとの間に、圧力差が生じる。なお、高圧チャンバー５ａと中間チャンバー５ｈはほぼ同じ圧力である。

高圧チャンバー５ａ内のスチームは、ドレン導入部材８の欠円板８ｂによって、連通孔５ｉのドレン流入口から流入するのが阻止される。また、高圧チャンバー５ａの下部に溜まったドレンは、ドレン導入部材８の欠け部８ａを通って連通孔５ｉのドレン流入口に導入され、連通孔５ｉを通って中間チャンバー５ｈに流入する。このように、ドレン導入部材８は、高圧チャンバー５ａ内のスチームを逃さず、高圧チャンバー５ａ内に溜まったドレンのみをドレン導入部材８の欠け部８ａを介して優先的に連通孔５ｉの流入口に導き、中間チャンバー５ｈに送るため、蒸気漏れを防止できる。

なお、寒冷地においては、稼働停止時に高圧チャンバー５ａ内のドレンが凍結するので、ドレンが排出されないことがある。そこで、寒冷地向けのスチームトラップ１には、図８（ｂ）に示すように、ドレン導入部材８を欠け部８ａが斜め４５°又は縦方向を向くように取り付けて、欠け部８ａの上部に、開口部５ｄから導入したスチームを流入して凍結したドレンを溶融させることができる。

ノズル孔７ａは、高圧チャンバー５ａ及び中間チャンバー５ｈと、低圧チャンバー６ａとの圧力差に基づいて、高圧チャンバー５ａ及び中間チャンバー５ｈ内の流体を吸引口より吸引し、吸引した流体を噴射口より低圧チャンバー６ａ内に噴射する。その際、ノズル孔７ａの吸引口の上流側ストレーナ７ｂで覆われているため、ノズル孔７ａへの流入に先立ち、流体中のゴミが除去される。そして、ノズル孔７ａから噴射された流体は、低圧チャンバー６ａ内で冷却され、液相化されたドレンとなる。低圧チャンバー６ａ内のドレンは、連通口５ｇを介して下流側の排出チャンバー５ｂを流入した上で、ドレン排出口４より外部に排出される。

図１０は、中間チャンバー５ｈ内における流体の流れの説明図である。まず、ストレーナ７ｂを経た流体が広い通路から通路の狭いノズル孔７ａに流入する際、空間Ａにおいてエジェクター効果が生じ、周囲の流体を引き寄せようとする作用が生じる。一方、中間チャンバー５ｈの内周壁近傍の空間Ｂの流体は、コアンダ効果により陥没部７ｃの曲面に沿って流れて整流化され、エジェクター効果により中央のノズル孔７ａの吸入口に引き寄せられる。エジェクター効果とは、流体を加速することによって低圧の空間を生成し、流体を吸引する現象のことである。コアンダ効果とは、流体のそばに湾曲した壁があると、壁の曲面に沿って流体（乱流）が整流化されて流れようとする流体の性質をいう。ノズル孔７ａの吸引口の周囲は、この吸引口に対して同心円状になだらかに陥没しているため、流れの乱れた流体が整流化されてノズル孔７ａの吸引口に導かれる。これにより、ノズル孔７ａを流れる流体が、この壁の曲面形状に沿って整流化された流体の分だけ、増幅・増速される。その結果、高圧チャンバー５ａと低圧チャンバー６ａとの圧力差が同じ場合、壁を曲面形状としない構成よりも、壁を曲面形状とした構成の方が、ノズル孔７ａの噴射量が増大する。

このように、本実施形態によれば、スチーム導入孔３の内部の高圧チャンバー５ａには、ドレン導入部材８が取り付けられ、このドレン導入部材８により、高圧チャンバー５ａ内のスチームを逃さず、高圧チャンバー５ａ内に溜まったドレンのみを優先的に連通孔５ｉの流入口に導き、中間チャンバー５ｈに送るため、蒸気漏れを防止できる。

また、本実施形態によれば、ノズル孔７ａの吸引口の周囲が同心円状になだらかに陥没しており、この曲面形状に沿って流体が流れるため、上述したエジェクター効果およびコアンダ効果によって、ノズル孔７ａに吸引される流体が増幅・増速される。これにより、流体の冷却能力が高まるため、流体が確実に液相化され、ドレンとして効果的に排出できる。

本発明は以上の実施形態に限るものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内において、種々変更することができる。例えば、本体部にシール凸部を設け、蓋体部にシール凹部を設けてもよい。

また、ノズル式スチームトラップにおける流体の冷却能力は、ノズルから噴射される流体の量および速さと相関を有しており、これらが大きいほど噴射された流体が微粒化（霧化）して、ドレンへの還元効率が高まる。しかしながら、従来は、流体の冷却能力を高めることについては殆ど着目されていなかった。

そこで、ノズル式スチームトラップより排出される流体の冷却能力を高めるために、以下の手段を講じることができる。

[手段１]
ノズル式スチームトラップにおいて、
筐体と、
前記筐体内に設けられ、ノズル孔を有するノズルと、
前記筐体内に設けられ、前記ノズル孔の吸引口が臨んだ第１のチャンバーと、
前記筐体内に設けられ、前記ノズル孔の噴射口が臨んだ第２のチャンバーとを有し、
前記ノズルのノズル孔の吸引口側の端部は、当該吸引口に対して同心円状になだらかに陥没している陥没部を有するノズル式スチームトラップ。
[手段２]
前記第１のチャンバーは、前記ノズル孔の吸引口が臨んだ中間チャンバーを有し、
前記陥没部は、
前記中間チャンバーと内径と同じ内径の円筒壁と、
前記ノズル孔の吸引口より奥に位置する曲面からなる角部と、
前記角部からノズル孔の吸引口に向かって延びる傾斜部と、
前記傾斜部からノズル孔の吸引口に滑らかに連続する中心部とからなる連続した曲面からなる手段１のノズル式スチームトラップ。
[手段３]
前記ノズル孔の中心線に直交する面に対する前記傾斜部の角度は、２０〜４０°である手段２のノズル式スチームとラップ。

以上の手段によれば、ノズルの吸引口の周囲が同心円状になだらかに陥没しており、その曲面形状に沿って流体が流れるため、エジェクター効果およびコアンダ効果によって、ノズルに吸引される流体が増幅・増速される。これにより、流体の冷却能力が高まるため、流体が確実に液相化され、ドレンとして効果的に排出できる。

１ スチームトラップ
２ 筐体
３ スチーム導入口
４ ドレン排出口
５ 本体部
５ａ 高圧チャンバー
５ｂ 排出チャンバー
５ｃ 区分壁
５ｄ 開口部
５ｅ 閉塞栓
５ｆ 連通部
５ｇ 連通口
５ｈ 中間チャンバー
５ｉ 連通孔
５ｊ 連通孔
５ｋ シール凹部
５ｌ ボス
５ｍ ネジ孔
６ 蓋体部
６ａ 低圧チャンバー
６ｂ シール凸部
７ ノズル
７ａ ノズル孔
７ｂ ストレーナ
７ｃ 陥没部
７ｄ 円筒壁
７ｅ 角部
７ｆ 傾斜部
７ｇ 中心部
８ ノズル導入部材
８ａ 欠け部
８ｂ 欠円板
８ｃ 取付座
８ｄ 突部
８ｅ 取付孔
８ｆ ネジ挿通孔
８ｇ 取付ネジ
９ 隙間

Claims (8)

1. ノズル式スチームトラップにおいて、
   筐体と、
   前記筐体内に設けられたノズルと、
   前記筐体内に設けられ、前記ノズルの吸引口が臨んだ第１のチャンバーと、
   前記筐体内に設けられ、前記ノズルの噴射口が臨んだ第２のチャンバーと、
   前記第１のチャンバーのスチーム導入口に設けられ、欠け部が形成されたドレン導入部材とを有し、
   前記ドレン導入部材は、欠け部がスチーム導入口のドレンが溜まる下部に位置するように取り付けられていることを特徴とするノズル式スチームトラップ。
2. 前記ドレン導入部材は、前記欠け部が形成された欠円板からなることを特徴とする請求項１に記載のノズル式スチームトラップ。
3. 前記ドレン導入部材の前記欠け部は、直線状に形成され、前記スチーム導入口の内壁面との間に弓形に形成されていることを特徴とする請求項２に記載のノズル式スチームトラップ。
4. 前記ドレン導入部材は、前記スチーム導入口の中心軸の回りに角度を変えて取り付け可能であることを特徴とする請求項３に記載のノズル式スチームトラップ。
5. 前記ドレン導入部材は、前記筐体の前記第１のチャンバーと前記第２のチャンバーを仕切る仕切壁の前記第１のチャンバー側の壁面に形成された八角形のボスに係合する四角形の取付孔を有することを特徴とする請求項４に記載のノズル式スチームトラップ。
6. 前記第１のチャンバーは、
   前記ノズルの吸引口が臨む中間チャンバーと、
   前記スチーム導入口に連通する高圧チャンバーと、
   前記中間チャンバーと前記高圧チャンバーを連通する連通孔とからなり、
   前記ドレン導入部材の前記欠け部は前記連通孔の流入口に臨んでいることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のノズル式スチームトラップ。
7. 前記ドレン導入部材の前記欠け部は、前記連通孔の流入口の下半分を臨んでいることを特徴とする請求項６に記載のノズル式スチームトラップ。
8. 前記筐体は、前記第１のチャンバーを形成する本体部と、前記第２のチャンバーを形成する蓋体部とからなり、
   前記本体部と前記蓋体部に、互いにメタルタッチで嵌合するシール凹部とシール凸部が形成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のノズル式スチームトラップ。