JPS5925950B2 - 回転式ヒ−トパイプ熱交換器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、１次流体と２次流体との間に熱の交換を行な
う熱交換部がビートパイプで形成され、かつ回転する回
転式ヒートパイプ熱交換器に関するものである。

従来、工場設備や炉などから排出される温度の高い燃焼
ガス、空気、廃蒸気などの廃ガスはそのまま捨てられる
ことが多く、これはエネルギー経済上も熱汚染公害上も
問題があるため、熱交換器によりこれら廃熱を回収して
他に利用することが行なわれてし・るが、熱交換器内の
伝熱部分は固定しているので熱受授の伝熱効果が比較的
低く熱交換器が大きくなる欠点があった。

また伝熱管と流体との接触を良好にするには相対的に活
発に移動せしめればよいが伝熱管群を動かす機構は複雑
かつ高価なるゆえ大型になると実用的でない。

これを改良したものとして管板を貫通するフィン付きの
ヒートパイプ群により管板の両側の室の流体間の熱交換
を行なうヒートパイプ熱交換方式が用し・られ、さらに
流体とヒートパイプとの伝熱効果を高めるためにヒート
パイプ群を回転せしめる回転式ヒートパイプ熱交換器が
提案されて℃・る。

従来のものの一例を第１図及び第２図に示せば、２個の
ケーシング１，２はそれぞれ吸込口３，４゜渦巻室５，
６、吐出ロア、８を有し、管板９により互に仕切られて
υ゛る。

ケーシング１，２は固定されてυ・るが、管板９は軸１
０．軸受ｌＬ１２により支えられてケーシング１，２の
中で回転可能に備えられて（・る。

管板９には複数本のヒートパイプ１３が管板９を貫通し
て備えられ、両ケーシング１，２内を通過する流体の熱
交換を行なう。

この管板９はケーシング１及び２に対して相対的に回転
運動を行なうので相対運動部分である第１図Ａ部にはガ
スの漏洩、外気の吸入などを防ぐためシールを必要とす
る。

このシールに機械式のシールを用（・る場合には、管板
９の外周部Ａ部をシールする場合は、装置が大型になる
と熱交換流体間の混合及びリークを防止するシール技術
に高度のものが要求され、機械的シールは製作上、精度
保持上大型のものは実用化が非常に困難でかつ高価なも
のとなり、保守も容易なものではなし・。

本発明は、これら従来の欠点を除去しようとするもので
、あらゆる回転軸の姿勢に対しても有効に作用し簡単な
構造にて大型の装置に対しても容易に確実にシールが行
なえ製作、組立及び保守が極めて容易でかつ安価な回転
式ヒートパイプ熱交換器を提供することを目的とするも
のである。

本発明は、ヒートパイプが貫通配備された管板を静止し
たケーシングに回転可能に設げ、該管板でケーシング内
を互に仕切られる２個の流体室を形成すると共に、該管
板の回転により管板とケーシング周壁との間に液の保持
を可能とする液封部を備え、かつこの液封部に給排する
ためのシール液のシール液供給口、及び排出口をケーシ
ングに設け、前記液封部が、前記管板外周部に一体に液
溜室を有し、かつ該液溜室内をケーシングに接続された
半径方向のシールリングによって軸方向に対して二分割
された構成からなることを特徴とする回転式ヒートポン
プ熱交換器である。

本発明を実施例につき第３図乃至第９図を用℃・て説明
すれば、第３図及び第４図におし・て静止した２箇のケ
ーシング１，２はそれぞれ吸込口３゜４、渦巻室５，６
、吐出ロア、８を有し、管板９により互に仕切られて（
・る。

ケーシング１，２は固定されて℃・るが、管板９は軸１
０．軸受１１゜１２により支えられてケーシング１，２
の中で回転可能に備えられていて、且つ該管板９には複
数本のヒートパイプ１３が管板９を貫通して備えられ、
両ケーシング１．゛２内を通過する流体の熱交換を行な
う。

この管板９はケーシング１及び２に対して相対的に回転
運動を行なうので相対運動部分（第３図Ｂ部）にはガス
の漏洩、外気の吸入などを防ぐためシール部として液封
部１４が設げられて（・る。

この液封部１４は第５図に示すように複数のと一ドパイ
ブ１３を貫通せしめた管板９の外周部の液溜室１５とケ
ーシング１，２に接続した半径方向のシールリング１６
で構成され、管板９の回転によりシール液１７が液溜室
１５内に全周保持されることによって、シールリング１
６で軸方向に対し二分割された１次流体と２次流体とは
遮断され、シールされる。

液溜室１５内のシール液１７の保持はシール液に作用す
る遠心力に起因し、管板９及び液溜室１５壁面で最大で
壁面を離れるに従って減少し、シールリング１６壁面で
は遠心力は作用せず壁面を伝わってシール液１７は落下
する。

従って、シール液１７の落下分を常にシール液供給口２
３からシール液配管２３′を経てノズル２３″より補給
すれば液溜室１５内のシール液１７の保有は第６図のご
とく実現され、液封部の圧力バランスは第６図の記号を
用℃・て以下のように示される。

即ち、１次・２次流体間の差圧は、シール液の種類、液
封部構造及び運転条件が決まれば、シール液界面差△Ｒ
にてバランスされ、１次・２次流体間の漏洩を防ぐこと
ができる。

しかしてシールリング１６は半径方向に向か℃・、液溜
部１５を軸方向に対し二分割してシール液１７によりシ
ールして℃゛るので、シール液界面差ΔＲの方向は遠心
力の方向と一致し、遠心力によるシール液の見掛けの比
重が増大して、ΔＲを小さくすることができ、液封部の
構造を簡単になし、また、水平軸のまわりに回転する熱
交換器に対しても用（゛ることかできる。

なお、シールリング１６壁面を伝わって落下したシール
液１７は液溜室１５に回収されるが一部は流出防止リン
グ１８′で区画された圧力調節室１８の下部のシール液
排出口１９から外部に抜き出されるようになってし・る
が、該液溜室１５に圧力調節用補助流体供給口２６を備
えることもできる。

ここで流体室に導かれる廃ガスなどの高温のガス状流体
（１次流体と称す）と、他の流体室に導かれる低温のガ
ス状流体（２次流体と称す）とは一般に下記の様な性質
を有する。

１次流体は一般に ■ ダストを含有する腐食性流体であることが多（゛。

■ 入口部で２００℃以上の高温であることが多℃゛。

■ 低温腐食の見地よりブロワ−を熱交換器の上流側に
配置するゆえ、比較的高し・圧力を持つことが多し・０ 又、２次流体は一般に ■ 空気で代表され、比較的クリーンな流体であること
が多し・０ ■ 入口部の温度が常温であることが多い。

■ ブロワ−を熱交換器の上流側又は下流側のし・ずれ
にも配置できるゆえ、熱交換器内の圧力に設計的な配慮
が可能である。

従ッテ、特に１次流体につし・てダストの除去、材料腐
食、熱膨張、シール法等に設計的な配慮が必要である。

第１表は回転式ヒートパイプ熱交換器の管板部のシール
を機械式と液封式とで比較したもので、液封シールを用
し・た場合、熱膨張の逃げ、シール部へのダストの悪影
響の点で有利であるが、許容シール圧が比較的小さく、
シール液の蒸発・濃縮による１次、２次流体の組成変動
、腐食等の欠点がある。

許容シール圧が小さいことにつし・ては機械的にシール
する方法の技術的な不確かさ及びシール構造に要するコ
ストを液封式と比較するとき、 ■、水水上上比重を持つ水溶液を使用する（たとえば第
２表に示すような液体） ２、液封部の深さを熱交換器の本体に比して比較的深く
する、等の手段をとっても液封式の方が有利となる場合
が多く、実用に供することができる。

第７図の具体例では１次・２次流体の圧力Ｐ１゜Ｐ２の
圧力差が大きい場合や起動、停止又は負荷の異常変動等
の場合の差圧上昇に関して有効に作用する液封部１４と
したものである。

即ち、１次・２次流体の圧力差が太き過ぎたり、起動、
停止、負荷の異常変動等による「短時間の差圧」が連続
運転時の「長時間の差圧」変動中よりも圧倒的に太きし
・場合、液封部の寸法を「短時間の差圧」で考えること
は、第６図におし・て液封部内の圧力バランスが前述の
式（１）で与えられることから、液封部構造、シール液
の種類及び運転条件が決まれば、シール液界面半径の差
（△Ｒ）にてバランスさせる必要から液封部深さを充分
に大きくしなげればならず、液封シールでは経済的に困
難な場合がある。

本実施例は、液封シールを圧力差の大きな場合にも適用
可能とするためのもので、低圧側流体室にシール液１７
及び低圧側流体に影響の少なし・圧力調節用の補助流体
２０を導入して、液封部１４内のシール液界面半径の差
（△Ｒ）を許容値内にバランスさせるものである。

補助流体２０としては低圧側流体又は空気を外部のブロ
ワ−で昇圧する場合の他Ｎ２ボンベ等のガス等が考えら
れる。

以下第７図につ℃゛て説明する。

１次・２次流体の圧力差とバランスするシール液界面半
径の差（△Ｒ）を許容値内に保つために補助流体２０を
供給口２６より、圧力調節室１８に導入する。

このとき、補助流体２００２次流体室への漏れを圧力調
節室１８内に設置したラビリンス２７などの抵抗シール
により抑える。

圧力調節室１８の圧力の保持はラビリンス２７などから
の補助流体２０の漏れ量を補給するだけで容易に行なえ
る。

この場合の液封部１４内の圧力のバランスはラビリンス
２７等で仕切られた圧力調節室１８の圧力をＰ３ とす
ると、 で、補助流体２０の消費量Ｑは Ｑ：Ｆ（Ｐ３ Ｐ２）２ ここで、Ｆ：定数・・・・・
・（３）となる。

このとき、シール液界面半径の差△Ｒは任意に選べるが
許容限界値△Ｒｒｎ ａｘにとればＰ３−Ｐ２が小さく
なり補助流体２０の供給量を最小にできる。

又、１次・２次流体室間の差圧の変動に対しては、１次
流体室の圧力Ｐ１ と圧力調節室１８の圧力Ｐ３ との
差圧を許容限界値△Ｒｍａｘとなるように圧力検出機構
３２及び調節弁３４によってコントロールすれば容易に
制御が可能となる。

又、ラビリンス２７等の抵抗シールは、シール液１７の
蒸発防止にも有効である。

第８図は１次・２次流体室の圧力の逆転が予想され、し
かもその差圧が許容値を超える場合の一実施例である。

補助流体供給口２６ 、２６’及びガス溜り内のラビリ
ンス３０，３１等の抵抗シール機構を液封部の１次・２
次両流体側に設置し、１次・２次流体室の圧力の大小に
応じて、切換弁３５によって低圧側ガス溜りへの補助流
体２０の供給を配管２４．２５で可能としたものである
。

切換弁３５の作動は圧、力検出機構３３によって行なわ
れ、調節弁３４は前記（第７図）の場合と同様に圧力検
出機構３２によって作動して液封部内のシール液界面半
径の差△Ｒを許容限界値△Ｒｍ ａｘ に保持するこ
とにより予想外の圧力変動に対しても安全な運転が可能
となる。

従ってこの実施態様では液封シールを圧力差の大きな場
合にも適用可能とするため前記液溜室１５を管板外周部
にお℃・て１対設げ、該液溜室１５，１５内にそれぞれ
ケーシング１に接続したシールリング１６゜１６を配し
て、各液溜室を２分割し、圧力調節室１８を形成したも
のであるが、この圧力調節室１８内に、圧力調節用補助
流体供給口２６．２６’から圧力調節用の補助流体を配
管２４から導入して圧力調節室１８の圧力を１次・２次
流体の圧力の中間に保てば、第５図に示した実施例に比
べれば同−液封部深さに対して許容圧力差を２倍にする
ことができる。

さらに、運転中に１次・２次流体の圧力変動がある場合
には、第８図に示すごとく、１次・２次流体の圧力検出
機構３２，３３と圧力設定機構２２を付属させることに
よって、液封部１４の圧力バランスを常に許容差圧の範
囲内に維持することができる。

即ち、１次・２次流体の検出圧力Ｐ１．Ｐ２に対して機
械式又は演算式圧力設定器等によって圧力調節室１８内
の圧力Ｐ３を２・＋１・に設定することは容易にできる
。

第９図は、液封シールを圧力差の大きな場合にも適用可
能とするための別の実施例で、高圧側流体室又は低圧側
流体室にシール液１７及び低圧側流体に影響の少なし・
圧力調節用の補助流体２０を導入して、液封部１４内の
シール液界面半径の差（△Ｒ）を許容値内にバランスさ
せるものである。

即ち、前記補助流体２００１次及び２次流体室への漏れ
を適確に防止した別の実施例で、液溜室１５を管板外周
部両側面に１対設は該液溜室１５内にそれぞれケーシン
グ−２２に接続したシールリング１６を配し、且つ必要
に応じ落下液捕集リング１８′′を配して圧力調節室１
８を形成し、該圧力調節室１８内にラビリンス３０．３
１等の抵抗シール機構を有し、かつ補助流体供給口２８
及び流出口２９を備えたことを特徴として℃・る。

１次・２次流体の圧力差とバランスするシール液界面差
を許容値内に保つために補助流体を圧力調節室１次流体
側（高圧側）の供給口２８′より圧力調節室１８に供給
し、圧力調節室２次流体側（低圧側）の流出口２９′か
ら排出する。

このとき、圧力調節室１８内の補助流体供給口２８と流
出口２９０間に設置したラビリンス３０．３１等の抵抗
シールによって、圧力調節室１８内のシール部圧力はそ
れぞれｐｌ、 、ｐ２１を示し、補助流体の消費量Ｑは
（３）式と同様に、 Ｑ＝Ｆ”（ｐｌ−ｐ二）２ （Ｆ：定数）で表わさ
れるから、ラビリンスの構造と補助流体の消費量を適当
に選定することによってシール差圧を（Ｐｔ Ｐ２）
から（Ｐｌ−Ｐ１′）又は（Ｐ２’−Ｐ２）に減少させ
ることができ、（Ｐｌ−Ｐ２）が許容差圧を超える場合
でも（Ｐｌ−ＰｌＮ）及び（ｐ／−Ｐρを許容差圧範囲
内に匍］限することができ、シールは維持され圧力差の
大きな場合にも液封シールの適用が可能となる。

さらに、この場合は前記実施例と異なり、補助流体は１
次・２次流体と混合することはなく、熱交換器の性能へ
の悪影響は全くなく、しかも補助流体の選定に際しても
シール液に対する適合性のみを考慮すればよし・と（・
う利点があり、実用上火きな効果を有する。

なお、本実施例におし・ても、前記と同様に圧力検出機
構や調節弁等によれば、差圧変動に対する制御は容易に
実現できる。

以上の実施例におし・て、シールリング１６を伝わって
落下したシール液１７はシールリング１６及び落下液捕
集リング１８′仁より液溜室１５に回収され、循環使用
されるが、一部は蒸発したり、液溜室１５からあふれて
圧力調節室１８にたまりシール液排出口１９から外部へ
流出した分はシール液供給口２３より補給することによ
って液シールは維持される。

排出されたシール液は冷却及び不純物の除去等適当な処
理をした後、再使用することもできるし、使（・捨ても
可能である。

なお上述の実施例にお（゛て１次又は２次流体の低圧側
に抵抗シール（ラビリンスや狭隘部など）を備える方式
は、低圧側が流体室である場合のみならず、低圧側が大
気に通ずる場合にも用も・ることかできる。

本発明により、遠心力の作用で液封部におけるシール液
の見掛けの比重を増大せしめて液封作用を強力となし、
液封部深さを小寸法となし、構造を簡単となし、あらゆ
る回転軸の姿勢に対して有効に作用し簡単な構造にして
、大型の装置に対しても容易に確実にシールが行なえ、
製作、組立及び保守が極めて容易な構造であり、かつ安
価な回転式ヒートパイプ熱交換器を提供することができ
、実用上極めて犬なる効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の例の断面側面図、第２図はその正面図、
第３図は本発明の縦断面図、第４図はその正面図、第５
図は第３図Ｂ部の詳細断面図、第６図乃至第９図は本発
明のそれぞれ他の実施例の液封部の断面図である。 １．２・・・・・・ケーシング、３，４・・・・・・吸
込口、５゜６・・・・・・渦巻室、７，８・・・・・・
吐出口、９・・・・・・管板、１０・・・・・・軸、１
１，１２・・・・・・軸受、１３・・・・・・ヒートパ
イプ、１４・・・・・・液封部、１５・・・・・・液溜
室、１６・・・・・・シールリング、１γ・・・・・・
シール液、１８・・・・・・圧力調節室、１８’・・・
・・流出防止リング、１８″・・・・・・落下液捕集リ
ング、１９・・・・・・シール液排出口、２０・・・・
・・補助流体、２２・・・・・・圧力設定機構、２３・
・・・・・シール液供給口、２３′・・・・・・シール
液配管、２３′イ・・・・ツズル、２４，２５・・・・
・・補助流体用配管、２６ 、２６’・・・・・補助流
体供給口、２７・・・・・・ラビリンス、２８ 、２８
’・・・・・・補助流体供給口、２９゜２９１−・・・
・・補助流体流出口、３０．３１・・・・・・ラビリン
ス、３２，３３・・・・・・圧力検出機構、３４・・・
・・・調節弁、３５・・・・・・切換弁。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ヒートパイプが貫通配備された管板を静止したケー
   シングに回転可能に設け、該管板でケーシング内を互に
   仕切られる２個の流体室を形成するト共に、該管板の回
   転により管板とケーシング周壁との間に液の保持を可能
   とする液封部を備え、かつこの液封部に給排するための
   シール液のシール液供給口、及び排出口をケーシングに
   設げ、前記液封部が、前記管板外周部に一体に液溜室を
   有し、かつ該液溜室内をケーシングに接続された半径方
   向のシールリングによって軸方向に対して二分割された
   構成からなることを特徴とする回転式ヒートポンプ熱交
   換器。 ２ 前記液封部が、前記管板に近接してシール液流出防
   止リングをケーシングに設けて、排出液用の液溜室を備
   えたものである特許請求の範囲第１項記載の熱交換器。