JPH0875101A - スプレーボイラー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 熱交換効率を向上させ、冷却媒体の未蒸発量
を削減する。 【構成】 シェル１１内に収容した多数の伝熱管１２内
に被冷却流体を通してその管群に冷却媒体の噴霧を吹き
付けることにより熱交換するスプレーボイラーである。
所定の流通経路を区画すべく管群を断面扇形に分割し、
分割された各管群に、噴霧Ｓが放射状に広がるように冷
却媒体を噴射する噴射ノズル２１を設け、噴射ノズル２
１に臨む管群１２ａの配列を、その噴霧形状に沿わせて
形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、潤滑油等の被冷却流体
を通す伝熱管の管群に水等の冷却媒体を吹き付けること
で熱交換を行うスプレーボイラーに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】宇宙往還機には、高高度での無重量状態
又は微小重力状態においてアクチュエータ等の潤滑油や
作動油を適切に冷却できるように、水スプレーボイラー
が搭載されている。図７に示すように、従来この種の水
スプレーボイラーは、円筒状のハウジング（シェル）１
内に被冷却流体を通す伝熱細管（チューブ）２を多数設
けて、除熱量により適宜区分した管群の流通経路ブロッ
ク（パスＨ₁ ，Ｈ₂ ，Ｈ₃ ，Ｌ₁ ，Ｌ₂ ）に対して、外
周部に配置したスプレーバー３，４，５，６により水を
噴射し、液滴を伝熱管２表面に付着させて蒸発させるこ
とにより熱交換するようになっている。スプレーバー３
…６のノズル位置には、空隙（スプレーギャップ）７が
管群内に細長く区画され、噴霧を各ブロックに供給する
ようになっている。ハウジング１内で気相となった冷却
水は、ハウジング１の上部に設けられた排気管８を経由
して機外に排出される。また低高度（地上近傍）の通常
重力場では、同様にして被冷却流体を流通させると共に
ハウジング１内に水を満たして、その気化熱により冷却
するようになっている（プール沸騰モード）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで上記従来の水
スプレーボイラーにおいては、噴霧が届くのは空隙７の
周囲でもその一部の範囲に限られ、管群の総数（全伝熱
面積）に対して液滴が付着される伝熱管２の数（濡れ面
積）は少なく、熱交換の効率が悪いと共に、未蒸発の状
態で機外に排出される量も多くなるという問題があっ
た。このため必要水量が多くなり、宇宙往還機における
搭載重量軽減の要求に応えることができなかった。

【０００４】そこで本発明は、熱交換効率がよく、未蒸
発量を削減できるスプレーボイラーを提供すべく創案さ
れたものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、筒体内に収容
した多数の伝熱管内に被冷却流体を通してその管群に冷
却媒体の噴霧を吹き付けることにより熱交換するスプレ
ーボイラーにおいて、所定の流通経路を区画すべく管群
を断面扇形に分割し、分割された各管群に、噴霧が放射
状に広がるように冷却媒体を噴射する噴射ノズルを設
け、噴射ノズルに臨む管群の配列を、その噴霧形状に沿
わせて形成したものである。

【０００６】

【作用】上記構成によって、被冷却流体は周方向に分割
された管群毎に流通される。各管群において噴射ノズル
から噴射された冷却媒体は、放射状の噴霧となって広が
り、その液滴が多数の伝熱管の表面に付着して熱交換を
行う。

【０００７】

【実施例】以下、本発明の実施例を添付図面に従って説
明する。

【０００８】図１乃至図３は、本発明に係わるスプレー
ボイラーの一実施例を示したものである。このスプレー
ボイラーは、宇宙往還機に搭載されるものであって、熱
交換部となる円筒状のシェル１１内に多数の伝熱管１２
が収容されており、これら伝熱管１２内に、被冷却流体
であるギヤボックス等の潤滑油Ｌ及び舵機構等の作動油
Ｈを通すと共に、その管群に冷却水の噴霧Ｓを吹き付け
て蒸発させることにより熱交換するように構成されてい
る。伝熱管１２は、直径約3mm の細管で成り、図４に示
すように互いに適宜な間隔（直径の約2 倍の距離）Ｅだ
け隔てられて並設されている。その配列は、伝熱管１２
の軸心を通る線分Ｃが所定の角度（θ＝60度）で交差す
るように整列されている。伝熱管１２の両端は、シェル
１１内を密閉空間として区画する区画板１３において開
口されている。区画板１３はこれを覆うようなドーム形
状のヘッド１４，１５に支持されており、シェル１１の
軸端に着脱自在に接続されている。一方のヘッド１４に
は、作動油Ｈを注入するための作動油用注入管１６と、
潤滑油Ｌを出し入れするための潤滑油用注入管１７及び
排出管１８とが軸方向に延びて設けられている。他方の
ヘッド１５には、作動油Ｈを排出するための作動油用排
出管１９が設けられている。

【０００９】そして管群は、作動油Ｈ及び潤滑油Ｌの除
熱量により適宜分けられており、軸方向に見てシェル１
１の軸心から半径方向に延びる分割面Ｂにて断面扇形に
分割されている。ヘッド１４，１５にはこの分割面Ｂを
実質的に形成する仕切板２０が内設されている。本実施
例にあっては、油温度及び流量、及び所望の冷却度によ
り、作動油Ｈの伝熱管１２の本数と潤滑油Ｌの伝熱管１
２の本数との比率（伝熱面積比）を3:2 とすべく、五等
分割されている。すなわち、潤滑油Ｌは図１中左下方の
パスＰ₁ を通った後、他方のヘッド１５内を反転して左
上方のパスＰ₂ を流れてくる1 往復の流通経路となって
おり、作動油Ｈは最下方のパスＰ₃ を通って他方のヘッ
ド１５内で反転し、右下方のパスＰ₄ を流れてきた後に
一方のヘッド１４内で再度反転して、右上方のパスＰ₅
に流れる1 往復半の流通経路となっている。

【００１０】そしてこれらパスＰ₁ …Ｐ₅ のそれぞれの
外周部に、管群に対して冷却水を吹き付けるための噴射
ノズル２１を二個有したスプレーバー２２が配管されて
いる。すなわち全体で合計10個の噴射ノズル２１が設け
られている。スプレーバー２２は、他方のヘッド１５か
ら挿入された冷却水供給管２３に接続され、シェル１１
の軸方向中央の位置から分岐するように軸方向両側に延
びている。噴射ノズル２１は、図５にも示すように、ス
プレーバー２２の延出端に設けられた短円筒形のスプレ
ーポート２４と、その外周に所定の間隔で設けられた三
個のスプレーチップ（噴口）２５，２６，２７とで構成
されている。スプレーチップ２５，２６，２７は、それ
ぞれ20度〜30度の噴霧角度で冷却水を放射状或いは円錐
状に噴き出すように形成されている。このうち中央のス
プレーチップ２５はシェル１１の軸心に向けられ、両側
のスプレーチップ２６，２７はその方向から約70度隔て
られた方向にそれぞれ向けられている。また中央のスプ
レーチップ２５は、両側のスプレーチップ２６，２７よ
りも若干遠くまで冷却水の噴霧Ｓを噴き出すように形成
されている。

【００１１】噴射ノズル２１に臨む管群１２ａは、各ス
プレーチップ２５…２７から噴き出される噴霧Ｓの角度
及び先端形状に沿うように配列されている。すなわちこ
れら管群１２ａのノズル側に接する包絡線２８を仮想す
ると、その包絡線２８で区画された空隙Ｄが三葉（クロ
バー）形状を呈するようになっている。この配列（空隙
Ｄの大きさ）は、シェル１１の容積、伝熱面積等を勘案
して設定すべきものであり、本実施例にあっては半径方
向に延びている空隙Ｄの部分が、半径の約1/2の長さと
なる程度に形成されている。

【００１２】このほかシェル１１の上部には、蒸気を排
出するための蒸気管２９と、プール沸騰モードの際に冷
却水を注入するための冷却水注入口３０とが形成され、
冷却水供給管２３にはモード切換えの際に開閉される電
磁弁３１が設けられている。またシェル１１とヘッド１
４，１５との接続構造としては、図６に示すように、シ
ェル１１の軸端外周に形成されたフランジ３２と、ヘッ
ド周縁部３３とがフランジ部材３４を介してボルト締結
されるようになっている。フランジ３２及びフランジ部
材３４の外周部には貫通ボルト（図示せず）のための貫
通穴３５が形成されており、ヘッド周縁部３３にはフラ
ンジ部材３４の段部に形成された貫通穴３６を通るボル
ト（図示せず）に螺合するネジ穴３７が形成されてい
る。フランジ部材３４のそれぞれの接合面には、油洩れ
を防ぐＯリング３８，３９が設けられている。

【００１３】次に本実施例の作用を説明する。

【００１４】スプレーボイラーにより作動油Ｈ及び潤滑
油Ｌを適宜冷却するに際して、宇宙往還機が離陸して低
高度飛行から高高度での微小重力状態に移行すると、電
磁弁３１を作動させて冷却水供給管２３によりスプレー
バー２２に冷却水を圧送し、プール沸騰モードからスプ
レーモードに切り換える。冷却水は、スプレーバー２２
からスプレーポート２４に入り、各スプレーチップ２
５，２６，２７から三方向に噴出される。この噴出によ
る噴霧Ｓは放射状に広がり、その液滴が各スプレーチッ
プ２５…２７に臨んで配列されている管群１２ａの多数
の伝熱管１２の表面に付着する。この付着した液滴は、
その蒸発或いは沸騰により伝熱管１２から気化熱を奪っ
て、その内部を流れている作動油Ｈ及び潤滑油Ｌの温度
を、シェル１１から出るまでに例えば160 ℃から90℃に
低下させる。生成した蒸気は、伝熱管１２同士の間隔及
び各パスＰ間に形成された隙間を通って排出管２９から
機外に排出される。大気圏再突入時には再び電磁弁３１
を切り換えて、シェル１１内に水を満たしてプール沸騰
モードにより熱交換を行う。

【００１５】このように、管群のパスＰを断面扇形に形
成し、各パスＰの外周部に放射状の噴霧Ｓを形成する噴
射ノズル２１を配設すると共に、これに臨む管群１２ａ
の配列を噴霧形状に沿わせて形成したので、噴霧Ｓをよ
り多くの伝熱管１２に接触させることができ、液滴によ
る管群の濡れ面積を大幅に広くして、熱交換量を高める
ことができると共に、液滴が熱交換に寄与せずに未蒸発
のまま蒸発流れに乗って排出されるのを防ぐことができ
る。すなわち熱交換に有効に使用される冷却水が、従来
は70％程度であったのを、90％程度にまで高めることが
でき、供給水量の低減により、ボイラー全体の小形・軽
量化が達成され、宇宙往還機における積載重量の最小化
に貢献できる。また本実施例にあっては、スプレーバー
２２の中央に冷却水供給管２３を接続させたので、その
両端の噴射ノズル２１に均等に冷却水を配分することが
できる。

【００１６】なお本実施例では、噴射ノズル２１として
三個のスプレーチップ２５，２６，２７を備えたものを
示したが、適宜な広がりの噴霧を形成できれば、一個或
いは二個のスプレーチップで形成してもよく、四個以上
設けてもよい。これに臨む管群の配列は、その噴霧形状
に相応させたものとする。また全部で10箇所に噴射ノズ
ル２１を配置するものとしたが、それ以上に設けてもよ
い。ただし噴射ノズル数を増やすとそれだけ冷却水量が
増える傾向となるので注意を要する。

【００１７】さらに本実施例では、冷却媒体として蒸発
潜熱が最大である水を使用するものとしたが、その他の
冷却媒体を使用する場合でも本発明は適用できる。また
スプレーボイラーは、宇宙往還機用に開発されたもので
あるが、他の用途に使用しても当然構わない。

【００１８】

【発明の効果】以上要するに本発明によれば、冷却媒体
をより多くの伝熱管に接触させることができ、熱交換効
率の向上及び未蒸発量の減少により、冷却媒体の供給量
を削減できるという優れた効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わるスプレーボイラーの一実施例を
示した正面断面図である。

【図２】図１の側断面図である。

【図３】図２の正面図である。

【図４】図１の部分拡大図である。

【図５】図１の噴射ノズルを示した図であり、（ａ）は
正面図、（ｂ）は側面図である。

【図６】図１のＡ部拡大図である。

【図７】従来の水スプレーボイラーを示した正面断面図
である。

【符号の説明】

１１ シェル（筒体） １２ 伝熱管 １２ａ 噴射ノズルに臨む管群 ２１ 噴射ノズル Ｓ 噴霧 Ｐ パス（流通経路として分割された管群）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 橋本 芳廣 東京都田無市向台町三丁目５番１号 石川 島播磨重工業株式会社田無工場内 (72)発明者 矢野 歳和 神奈川県横浜市磯子区新中原町１番地 石 川島播磨重工業株式会社技術研究所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 筒体内に収容した多数の伝熱管内に被冷
   却流体を通してその管群に冷却媒体の噴霧を吹き付ける
   ことにより熱交換するスプレーボイラーにおいて、所定
   の流通経路を区画すべく上記管群を断面扇形に分割し、
   分割された各管群に、上記噴霧が放射状に広がるように
   冷却媒体を噴射する噴射ノズルを設け、該噴射ノズルに
   臨む管群の配列を、その噴霧形状に沿わせて形成したこ
   とを特徴とするスプレーボイラー。