JPH10111090A - 蓄熱型熱交換器及びそれを利用した蓄熱型バーナシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 温度差のある２つの流体間の熱交換におい
て、ガスの漏洩や混合が少なく、流路切替時に瞬間的な
減少と停滞がない蓄熱型バーナシステムを提供する。 【構成】 周方向にＮ（本文参照）室に均等に区画され
各室内を軸方向に通過可能の蓄熱体と、この蓄熱体の両
開口端で一方の系統の流路と接続される低温流体室６ａ
と他方の系統の流路と接続される高温流体室６ｂとに環
状仕切壁７で区画された２重管状の出入口手段と、蓄熱
体と出入口手段との間に介在してその間を遮断する一
方、低温流体室６ａと蓄熱体とを連通させる低温流体用
連通孔５及び高温流体室６ｂと蓄熱体とを連通させる高
温流体用連通孔４とを数式１（本文参照）で表される角
度Ｃの間隔をあけて配置され、かつ連続的あるいは間欠
的に回転して出入口手段の高温流体室６ｂと低温流体室
６ａとをＮ室に区画された蓄熱体１の室のいずれかに順
次連通させる切替手段とから成る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は温度差のある２系統
の流体、例えば高温ガスと低温ガスの間で流路を切り替
えずに熱交換を行う蓄熱型熱交換器に関する。更に詳述
すると、本発明は、例えば蓄熱式交互燃焼バーナシステ
ムや廃熱回収システムなどにおいて、燃焼排ガスなどか
ら廃熱を回収するために、燃焼用空気などの低温のガス
（低温流体）と燃焼排ガスなどのように比較的高温のガ
ス（高温流体）とを交互に蓄熱体に通して熱交換を行わ
せるシステム、またこの蓄熱型熱交換器を利用した蓄熱
型バーナシステムに関する。尚、本明細書において高温
流体と低温流体とは、相対的に定められるものであっ
て、例えば燃焼排ガスと常温の燃焼用空気あるいは常温
の空気と冷熱ガスといった関係を意味している。

【０００２】

【従来の技術】２系統の流体の間で蓄熱体を介して熱交
換を行う熱交換システムとしては、従来、図１２に示す
ようなユングストローム型空気予熱器等が一般的であ
る。このユングストローム型空気予熱器４００は、燃焼
排ガスのような比較的高温のガスが流れるダクト４０２
と燃焼用空気のような低温のガスが流れるダクト４０３
とがケーシング４１１に固定され、ディスク状の蓄熱体
４０１を回転させることによって流路そのものを変更せ
ずに蓄熱体４０１に対するガスの流れを切り替え、燃焼
排ガスから回収した熱を用いて燃焼用空気の予熱を行う
ようにしたものである。このユングストローム型空気予
熱器４００は、回転する蓄熱体４０１の上流側と下流側
とが仕切壁４０５，４０８及びシール材４０４によって
少なくとも２つの室４０６，４０７及び４０９，４１０
に分けられている。回転する蓄熱体４０１は、シール材
４０４によって実質的に２分され、一方の領域を通過す
る排ガスで蓄熱体４０１を温められる一方、他方の領域
を通過する燃焼用空気を蓄熱体４０１の熱で予熱するよ
うに設けられている。ここで、シール材４０４は図示し
ていないが波板を放射状に配置して成る蓄熱体４０１と
密着させて摺動させることができないため、僅かな隙間
を設けて配置されている。

【０００３】一方、廃棄ガスから相当量の熱量を回収し
て熱効率を高めるべく、燃焼用空気のプレヒート技術が
近年開発されている。例えば、図１３に示すように、ラ
ジアントチューブ１０１の両端に蓄熱体１０２を有する
バーナ１０３を設け、これらを交互に燃焼させてその燃
焼排ガスを燃焼させていないバーナ側の蓄熱体１０２を
通して排出するようにし、蓄熱体１０２に蓄熱された燃
焼排ガスの熱を使って燃焼用空気をプレヒートするラジ
アントチューブバーナが提案されている（工業加熱Vol.
23,NO.6,P71 日本工業炉協会発行）。このような燃焼
システムにおける蓄熱型熱交換システムでは、各バーナ
１０３に付属する蓄熱体１０２に対して高温ガス流路と
低温ガス流路とを切り替えて接続する流路切り替え手段
として電磁弁を採用することが一般的である。例えば、
４箇所に電磁弁１０４，１０５，１０６，１０７を設
け、これらを選択的に開閉させることによって高温ガス
と低温ガスの流路を切り替え得るように構成する。因
に、図中の符号１０８，１０９は燃料供給系１１０の選
択的開閉を行う電磁弁である。

【０００４】また、図１４に示すような四方切替弁２０
７を使用することも考えられる。この四方切替弁２０７
は、四方に開口するポート２０１，２０２，２０３，２
０４を有するケーシング２０５内に切替弁子２０６を回
転自在に設け、この切替弁子２０６によって四つのポー
トのうちの隣接する２つずつを選択的に連通させ、流路
の接続仕方を切り替えるようにしたものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ユング
ストローム型空気予熱器の場合、蓄熱体４０１を回転さ
せることによって蓄熱体４０１に対するガスの流れを切
り替えるようにしているので、大型で重量のある蓄熱体
を採用する場合、回転機構の構造が複雑で大型化する問
題がある。また、蓄熱体そのものを回転させるため、蓄
熱体そのものの破損が起こり易く、セラミックスなどで
製作することが難しい。また、蓄熱体そのものを回転さ
せるため、シールが難しく、２流路間における流体の漏
洩が多い場合には２５％程度となる。このため、熱交換
効率が低くなったり、燃焼システムにおける燃焼排ガス
と燃焼用空気との熱交換に利用する場合には燃焼用空気
の供給量が正確にコントロールできない等の問題があ
る。

【０００６】また、図１３に示すような電磁弁を用いた
蓄熱型熱交換システム及び燃焼システムの場合、高価な
高温流体用電磁弁を多数用いるため設備コストを引き上
げることとなる。しかも、空気配管用電磁弁はかなり大
型であるため、これを４個も必要とする流路切替装置で
はかなりの場所をとる問題がある。更に、配管が２重に
なり複雑で場所をとる問題がある。例えば、製鋼所など
における加熱炉や均熱炉等に適用する場合、数千台単位
の電磁弁を必要とすることとなる。しかも、空気と排ガ
スとの切り替えを従来の蓄熱型バーナシステムの１／１
０〜１／２０の時間例えば数十秒から１分程度で頻繁に
行おうとする場合には、電磁弁では耐久性に不安があ
る。

【０００７】また、図１４の四方弁を使用する蓄熱型熱
交換システム及び燃焼システムの場合、一般的な構造の
四方弁では、弁内で燃焼用空気供給系と燃焼排ガス系と
がショートパスしてバーナへ供給される燃焼用空気の量
が制御に関係なく変動する問題がある。また、切替の瞬
間には燃焼用空気供給系と燃焼排ガス系とが完全にショ
ートパスを起こして燃焼用空気が蓄熱体側へ供給されず
に直接排気される現象が起こる。

【０００８】そこで、本発明は、２系統の流路例えばか
なりの温度差のある２つのガス流路間において、ガスの
漏洩や混合が少ない単純な切替構造であってかつ流路切
替時に流体の供給ないし排出が瞬間的に減少したり滞る
のを防止することができる蓄熱型熱交換器及びそれを利
用したバーナシステムを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
め、本発明の蓄熱型熱交換器は、周方向にＮ（Ｎ＝ｎ＋
２、ここで、ｎは２以上の正の整数で常時流体が流れる
室数である。）室に均等に区画され各室内を軸方向に流
体が通過可能とした蓄熱体と、この蓄熱体の両開口端に
それぞれ接続されて温度差のある流体を流す２系統の流
路の一方の低温流体系統に接続される低温流体室と他方
の高温流体系統に接続される高温流体室とに環状仕切壁
で区画された２重管状の出入口手段と、前記蓄熱体と前
記出入口手段との間にそれぞれ介在されて前記蓄熱体と
出入口手段との間をそれぞれ遮断する一方、前記低温流
体室と前記蓄熱体とを連通させる低温流体用連通孔およ
び前記高温流体室と前記蓄熱体とを連通させる高温流体
用連通孔とが数式３で表わされる角度Ｃの間隔をあけて
配置され、

【００１０】

【数３】 かつ連続的あるいは間欠的に回転して前記出入口手段の
高温流体室と低温流体室とをＮ室に区画された前記蓄熱
体の室のいずれかに順次連通させる切替手段とから構成
されている。

【００１１】この場合、流体の流れの切り替えは、高温
流体用連通孔と低温流体用連通孔の双方が同時にそれぞ
れの前方の空室に移り変わる。そして、高温流体用連通
孔および低温流体用連通孔が前方の室・区画内を完全に
占位したとき、いままで高温流体用連通孔および低温流
体用連通孔と連通していた室・区画は空室となる。ここ
で、高温流体用連通孔および低温流体用連通孔が一度に
複数の室・区画と連通する場合、回転方向に向かって最
後尾の室・区画が空室となる。このとき、高温流体用連
通孔および低温流体用連通孔は、今までの室・区画と新
たな室・区画との２つの区画に同時に跨り、２つの区画
に同時に流体を供給しながら切り替えられるので、流体
の流れが遮断されることがない。しかも、前方の高温流
体用連通孔は低温流体用連通孔がさしかかった区画より
も１つ前の区画に占位するため、互いに逆方向に通過す
る高温流体と低温流体とが同じ区画内において混じり合
うことがない。したがって、出入口手段の低温流体室と
高温流体室とはそれぞれ切替手段の低温流体用連通孔と
高温流体用連通孔を介して蓄熱体の異なる室・区画に連
通され、互いに混じり合うことなく蓄熱体内に温度差の
ある２系統の流体を流す。このため、出入口手段の低温
流体室に連通される室・区画と高温流体室に連通される
室・区画とを切替手段の操作によって順次変更すれば、
高温流体と低温流体とが蓄熱体の同じ室・区画を時間を
異にして流れることとなる。例えば、燃焼排ガスのよう
な高温流体を流した後の蓄熱体に燃焼用空気のような低
温流体が流れることとなり、高温流体の通過で加熱され
た蓄熱体の熱を低温流体が奪う、即ち熱交換する。

【００１２】また、本発明の蓄熱型熱交換器は、Ｎ（こ
こで、Ｎ＝ｎ＋２で、ｎは２以上の正の整数で常時流体
が流れる室数を示す。）室を１ユニットとして総室数Ｚ
（ここで、Ｚ＝ａ・Ｎで、ａはユニット数を示す０を除
く正の整数）の複数ユニットの区画された室を蓄熱体に
形成すると共に前記高温流体用連通孔と低温流体用連通
孔との間に数式４

【００１３】

【数４】 で表される角度Ｃの間隔が設定されようにしている。こ
の場合、２系統の流体の混合を完全に防いで尚かつ圧損
を最小限に抑えることができる。

【００１４】ここで、蓄熱体は、該蓄熱体と切替手段と
の間にそれぞれ周方向にａ・Ｎ（ここで、ａはユニット
数である）室に区画されて軸方向に流体が通過可能とし
た分配室を設けることによって、ａ・Ｎ室に区画されて
いることが好ましい。また、蓄熱体は、軸方向に貫通し
たセル孔を多数有するハニカム形状とされていることが
好ましい。また、蓄熱体は、パイプ形状の蓄熱材料を軸
方向に流体が通過するように多数径方向に配列すること
によって構成されても良いし、平板あるいは波板形状の
蓄熱材料を放射状に多数配列することによって構成され
ても良いし、蓄熱体が互いに独立させてａ・Ｎ室に区画
され軸方向に流体が通過可能としたケーシング内に蓄熱
材料のブロックないし小片を充填することによって構成
されても良い。

【００１５】更に、本発明の蓄熱型バーナシステムは、
請求項１から７のいずれかに記載の蓄熱型熱交換器をバ
ーナシステムの燃焼用空気系及び燃焼排ガス系に接続
し、蓄熱型熱交換システムを経て供給する燃焼用空気に
よってバーナを燃焼させる一方、燃焼排ガスを前記蓄熱
型熱交換システムを経て排出させ、燃焼排ガスの廃熱で
燃焼用空気を燃焼排ガス温度近くの高温に予熱して供給
するようにしている。

【００１６】この場合、燃焼排ガスの温度に近い高温の
燃焼用空気が瞬間的な減少や滞りを招くことなくバーナ
に安定して供給でき、燃焼火炎を安定して形成する。

【００１７】

【発明の実施形態】以下、本発明の構成を図面に示す実
施例に基づいて詳細に説明する。

【００１８】図１に本発明の蓄熱型熱交換器の基本構成
の一実施例を示す。この蓄熱型熱交換器３０は、基本的
には、周方向にＮ（Ｎ＝ｎ＋１、ここで、ｎは２以上の
正の偶数で常時流体が流れる室数である。）室に均等に
区画され各室内を軸方向に流体が通過可能とした蓄熱体
１と、この蓄熱体１の両開口端に温度差のある流体を流
す２系統の流路の一方たる低温流体系統を接続する低温
流体室６ａと他方の高温流体系統を接続する高温流体室
６ｂとを有する出入口手段６と、この出入口手段６と蓄
熱体１との間にそれぞれ介在されて蓄熱体１と出入口手
段６との間をそれぞれ遮断する一方、連続的あるいは間
欠的に回転して出入口手段６の高温流体室６ｂと低温流
体室６ａとをＮ室に区画された蓄熱体１の室・区画のい
ずれかに順次に連通させる切替手段３とから構成されて
いる。

【００１９】蓄熱体１としては、特定の形状や材質に限
定されるものではなく、熱交換流体の温度や性状などに
応じて適宜材質や形状などが選択される。例えば、燃焼
排ガスのような１０００℃前後の高温流体と燃焼用空気
のような２０℃前後の低温流体との熱交換には、コージ
ライトやムライト等のセラミックスを材料として押し出
し成形によって製造されるハニカム形状のものの使用が
好ましい。また、５００〜６００℃程度の中高温ではセ
ラミックスよりも比較的安価なアルミニウムや鉄、銅な
どの金属の使用が好ましく、更に低温で特に腐食性ガス
のようなものを酸露点温度以下まで熱回収する場合には
ＦＲＰなどの樹脂類やガラス等の使用が好ましい。ま
た、蓄熱体１の形状も特に図示のハニカム形状に限定さ
れず、図１０の（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、平板形
状や波板形状の蓄熱材料２７を筒状のケーシング２８内
に放射状に配置したり、図１０の（Ｃ）に示すように、
パイプ形状の蓄熱材料２７を軸方向に流体が通過するよ
うに筒状のケーシング２８内に充填したものであっても
良い。更には、本実施例では分配室２によって単一の蓄
熱体１が実質的にＺ室に区画されているが、これに特に
限定されるものではなく、蓄熱体１そのものをａ・Ｎ室
に区画形成しても良い。例えば、図１０の（Ｄ）に示す
ように隔壁２９によって周方向にａ・Ｎ室に区画形成さ
れ、軸方向に流体が通過可能とした筒状のケーシング２
８を用意し、これの各室に球状、短管、短棒、細片、ナ
ゲット状、網状などの蓄熱材料２７の塊りを充填するこ
とによって構成されたものでも良い。コージライトやム
ライトなどよりもはるかに高温で使用可能なＳｉＮ等の
蓄熱材料２７を使用する場合には、複雑なハニカム形状
に成形することは容易ではないが、単純なパイプ形状や
棒、ボールなどに成形することは容易である。そこで、
図１０の（Ｃ）や（Ｄ）に示すような蓄熱体構造の採用
が好ましい。

【００２０】尚、ハニカム形状とは、本来六角形のセル
（穴）を意味しているが、本明細書では本来の六角形の
みならず四角形や三角形のセルを無数にあけたものを含
む。本実施例の場合、蓄熱体１はその前後に配置された
分配室２によって周方向に総数Ｚ（ａ・Ｎ）の室に区画
されている。例えば、図１に示す実施例の場合、仕切り
８によって３室９ａ，９ｂ，９ｃに区画された分配室２
によって、蓄熱体１内が図３に示すように流体が流れな
い空室１０と高温流体（例えば燃焼排ガス）を流す室１
１と低温流体（例えば燃焼用空気）を流す室１２との３
室に区画される。即ち、蓄熱体１そのものは、１つ１つ
が独立した流路を構成するセルの集合から成るハニカム
形状を成していることから、分配室２によって仕切られ
た範囲が１つの区画された室を形成することとなる。分
配室２を設ける場合、高温流体用連通孔４、低温流体用
連通孔５を経て流入する流体を分散させて蓄熱体１の全
域に均一に分流させることができる。

【００２１】ここで、蓄熱体１に区画される室の数は低
温流体を流す室１２と高温流体を流す室１１とを１組と
して最低１組に１つの空室（流体が流れない室）１０を
組み合わせたものであり、ｎ＝２のとき即ちＮ＝ｎ＋１
より３を最低室数とする。そして、高温流体を流す室１
１と低温流体を流す室１２とを組にして、例えば図６に
は２組の高温流体を流す室１１_-1，１１_-2と低温流体を
流す室１２_-1，１２_-2とを組み合わせた例を示している
が、このようにして何組でも組み合わせ可能である。ま
た、Ｎ個の室を１ユニットとして複数ユニットを形成す
ることも可能である。即ち、室・区画の総数Ｚは、Ｚ＝
ａ・Ｎで表される（ここで、ａはユニット数を示す０を
除く正の整数）。この場合、各ユニットとユニットとの
間に空室１０が位置するように高温流体用および低温流
体用の各連通孔４，５の位置が設定されている。このよ
うにして、Ｎ室を１ユニットとして総室数Ｚの複数ユニ
ットの室を蓄熱体１に形成することも可能である。この
関係を図５に例示する。尚、図５では作図の便宜上、高
温流体用連通孔４と低温流体用連通孔５の位置関係や大
きさについては正確に表されていない。

【００２２】出入口手段６は、例えば円筒状の仕切壁７
によって、低温流体の流路３３と接続される低温流体室
６ａと高温流体の流路３４と接続される高温流体室６ｂ
とに区画されている。本実施例の場合、仕切壁７の内側
に低温流体室６ａ、外側に高温流体室６ｂが形成されて
いる。尚、符号１４は低温流体室６ａと高温流体室６ｂ
とを仕切る隔壁である。

【００２３】切替手段３は本実施例の場合、出入口手段
６と分配室２の間に単独で回転するように設けられてい
る。例えば、図２に示すように、出入口手段６の外筒部
１３ａ，１３ｃと切替手段３の支持環２５の間に軸受部
材１５を介在させて切替手段３の間には流体が漏洩しな
いようにシール部材１６，１７が設けられている。

【００２４】出入口手段６の低温流体室６ａと高温流体
室６ｂとをそれぞれ対応する蓄熱体１の室・区画にのみ
連通させる切替手段３は、流路と直交する円板から成
り、蓄熱体１のある１つの室・区画と低温流体室６ａと
を連通させる低温流体用連通孔５と、１つの室・区画と
高温流体室６ｂとを連通させる高温流体用連通孔４とを
ａ・ｎ／２個ずつ有している。例えば、図１の場合には
ｎは２、ａは１であるから、１個ずつの低温流体用連通
孔５と高温流体用連通孔４とを有している。そして、こ
の高温流体用連通孔４と低温流体用連通孔５とは、同
じ室・区画に低温流体用連通孔５と高温流体用連通孔４
とが同時に存在し得ないこと、空室１０の次の室・区
画に占位する最前列の連通孔から順次１つずつ前方の室
・区画に移り変わること、低温流体用連通孔５及び高
温流体用連通孔４の大きさは、半径方向に互いに重なら
ないようにｎ個を配置したときに１室に全てが同時に収
まる大きさであること、の３条件を満たすことが必要で
ある。即ち、高温流体室６ｂと蓄熱体１の高温流体を流
す用の室１１とを連通させる高温流体用連通孔４と、低
温流体室６ａと蓄熱体１の低温流体を流す１２とを連通
させる低温流体用連通孔５とを交互にｎ／２個ずつ配置
し、かつ数式５で表される角度αの間隔をあけて高温流
体用連通孔４と低温流体用連通孔５とが配置され、

【００２５】

【数５】 更に低温流体用連通孔５及び高温流体用連通孔４の大き
さが数式６の関係を

【００２６】

【数６】 満足することが必要である。ここで、角度αは、α＝３
６０°／ｎに設定することが好ましい。このとき、各高
温流体用連通孔４と低温流体用連通孔５とが等間隔に配
置されるため、各連通孔の位置設計と穿孔作業が容易と
なる。

【００２７】また、複数ユニットを設ける場合には、総
数Ｚの室のうち常時流体が流れることのないａ個の空室
１０を各ユニットの間に形成し、かつ数式７の関係を有
する

【００２８】

【数７】 角度αをあけて高温流体用連通孔４と低温流体用連通孔
５とが配置され、かつ高温流体用連通孔４と低温流体用
連通孔５と大きさが数式８

【００２９】

【数８】 で示される関係を満足するように設けられている。

【００３０】例えば、ｎ＝４，ａ＝１の場合、図６の
（Ａ）に示すように、高温流体用連通孔４_-1，４_-2と低
温流体用連通孔５_-1，５_-2とが交互に２個ずつ配置され
ている。そして、回転方向最前列の高温流体用連通孔４
_-1と低温流体用連通孔５_-2との間に連通孔のない空室１
０が形成されている。この場合、図６の（Ｂ）に示すよ
うに、全ての低温用連通孔５_-1，５_-2と高温流体用連通
孔４_-1，４_-2とを１つの室に集めたと仮定すると、半径
方向において重ならないで全てが１室内に収容される。
このとき、低温流体用連通孔５_-1，５_-2と高温流体用連
通孔４_-1，４_-2とはほぼ同じ大きさ同じ形状の孔に設定
されているが、これに特に限定されるものではなく、低
温流体用連通孔５と高温流体用連通孔４とで大きさや形
状を変更しても良いし、必要であれば１つ１つの連通孔
毎に大きさや形状を変更しても良い。

【００３１】また、高温流体用連通孔４，４_-1，４_-2，
…及び低温用連通孔５，５_-1，５_-2，…の孔形状は、図
３に示す円形に特に限定されず三角形や矩形、楕円形、
長方形は言うに及ばず図４に示す非対称な形状であって
も実施可能である。一般に低温流体の量と高温流体流体
の量とがほぼバランスする関係に設定されるが、場合に
よっては一方の連通孔を他方の連通孔よりも大きめに設
定することもある。尚、円形以外の形状の連通孔であっ
ても、前述の数式５〜８の関係は成立する。このとき、
β₁ は切替手段３の回転中心Ｏから高温流体用連通孔４
に外接する中心角であり、β₂ は切替手段３の回転中心
Ｏから低温流体用連通孔５に外接する中心角である。

【００３２】また、前後関係にある高温流体用連通孔例
えば４_-1と低温流体用連通孔５_-1の間の角度αは、蓄熱
体１の同じ室・区画に同時に連通することがないように
設定されている。したがって、最前列の高温流体用連通
孔４_-1を基準としたとき、最前列の高温流体用連通孔４
_-1が仕切り８に差しかかったとき、隣室の低温流体用連
通孔５_-1は仕切り８から少なくとも高温流体用連通孔４
_-1の分だけ離れた位置に存在し、更に隣の室の高温流体
用連通孔４_-2は同室の仕切り８から少なくとも高温流体
用連通孔４_-1と低温流体用連通孔５_-1分だけ離れた位置
に存在し、更に４番目の室の低温用連通孔５_-2は同室の
仕切り８から少なくとも高温流体用連通孔４_-1と低温流
体用連通孔５_-1及び高温流体用連通孔４_-2の３つの孔分
だけ離れた位置に存在する。即ち、図６の（Ａ）に示す
ように、最前列の高温流体用連通孔４_-1が前方の空室１
０内に差しかかるとき、同室１１_-1の隣室（１つ後の
室）１２_-1との仕切り８には低温流体用連通孔５_-1は達
しておらず、最前列の高温流体用連通孔４_-1のみが前方
の空室１０に跨るようにして２室同時に連通する。そし
て、最前列の高温流体用連通孔４_-1が空室１０であった
前方の室内に完全に移り終えたときに、今まで最前列の
高温流体用連通孔４_-1が存在していた室１１_-1が空室と
なり、そこに後方の隣室１２_-1の低温流体用連通孔５_-1
が差しかかり、２列目の低温流体用連通孔５_-1のみが２
室１１_-1，１２_-1に跨るようにして空室とった室１１_-1
内に移る。このようにして、３列目の高温流体用連通孔
４_-2、４列目の低温流体用連通孔５_-2が順次前方の室に
移され、流体の流れが切り替えられる。即ち、切替手段
３の回転方向とは逆方向に空室１０が相対的に回転移動
するようにして高温流体と低温流体とが切り替えられる
位置関係に高温流体用連通孔４_-1，４_-2と低温流体用連
通孔５_-1，５_-2とが配置されている。

【００３３】この切替手段３は、本実施例の場合、出入
口手段６と軸受手段１５によって回転自在に支持されて
いる。そして、駆動機構によって連続的あるいは間欠的
に回転可能に設けられている。駆動機構は特に限定され
るものではないが、例えば本実施例の場合、切替手段３
の周縁に形成されたギア２４と、切替手段３の周りに配
置されてギア２４に噛合するピニオンギア２０と、該ギ
ア２０，２０を連結する１本のシャフト２６と、このシ
ャフト２６の中央に固着されたピニオンギア２１と、該
ギア２１と噛合するドライブギア２２及びこれを回転さ
せる１つのモータ２３とから構成されている。勿論、こ
れに限定されるものではなく、切替手段３の周縁に圧接
される摩擦車などによって回転駆動させるようにしても
良い。尚、蓄熱体１と分配室２とを収容するケーシング
１３ｂと両側の切替手段３，３との間、並びに切替手段
３と分配室２との間にはシール材１８および１９が介在
され、シールされている。

【００３４】また、切替手段３は空室を形成するための
部分を除くほとんどの領域に各連通孔を形成しても良
い。図７〜図９に切替手段３の他の実施例を示す。この
実施例の切替手段３は、高温流体用連通孔４と低温流体
用連通孔５とをＮ室に区画された蓄熱体１の各室のほぼ
全域を占める大きさの孔とし、高温流体（例えば燃焼排
ガス）を流す室１１と低温流体（例えば燃焼用空気）を
流す室１２との間に少なくとも１室以上の空室１０を区
画できるような配置関係がとられたものである。即ち、
蓄熱体１は、前述の実施例と同様に分配室２による区画
あるいは蓄熱体そのものの区画によって、周方向にＮ
（Ｎ＝ｎ＋２、ここで、ｎは２以上の正の整数で常時流
体が流れる室数である。）室に均等に区画され、各室内
を軸方向に流体が通過可能とされている。ここで、蓄熱
体１に区画される室の数は低温流体を流す低温流体用の
室１２と高温流体を流す高温流体用の室１１とを１組と
して最低１組に２つの空室（流体が流れない室）１０，
１０を組み合わせたものであり、４室・区画を最低室数
・区画数とする。高温流体用の室１１と低温流体用の室
１２とは同数である必要はなく、場合によっては図９に
示すように、高温流体用の室１１の数よりも低温流体用
の室１２の数を多くしたり、あるいはその逆とすること
も可能である。この場合、高温流体の量と低温流体の量
との比率が異なる場合に、それぞれの比率ごとに利用す
る蓄熱体の伝熱面面積を変えることができ、適正な熱収
支を保つことができるといった利点がある。また、複数
の室・区画が１つの連通孔によって同時に流体が流れる
ようにしても良い。例えば図７あるいは図８に示すよう
に、２つないし３つ、あるいはそれ以上の数の室・区画
が同時に１つの連通孔に繋がるようにしても良い。この
場合、切り替えに必要な空室の大きさが小さくなり、切
替時間を短くすることができる。更に、Ｎ個の室を１ユ
ニットとして複数ユニットを形成することも可能であ
る。即ち、室の総数Ｚは、Ｚ＝ａ・Ｎで表される（ここ
で、ａはユニット数を示す０を除く正の整数）。この場
合、１つの空室１０を介在させて一群の高温流体用の室
１１と低温流体用の室１２とが交互に配置されるように
各連通孔４，５の位置が設定される。この関係を図８お
よび図９に例示する。

【００３５】そして、切替手段３は、蓄熱体１の１つあ
るいは２つ以上の室・区画１２，１２_-1，１２_-2，…，
１２_-nと供給室６ａとを連通させる低温流体用連通孔５
と、１つあるいは２つ以上の室・区画１１，１１_-1，１
１_-2，…，１１_-nと高温流体室６ｂとを連通させる高温
流体用連通孔４とをユニット数ａだけ有している。例え
ば、図７の場合にはユニット数ａは１であるから、１個
ずつの低温流体用連通孔５と高温流体用連通孔４とを有
している。そして、この高温流体用連通孔４と低温流体
用連通孔５とは、その間に相互に少なくとも１室以上の
空室１０を区画できるような配置関係を満たすことが必
要である。即ち、１ユニットの場合、低温流体用連通孔
５と高温流体用連通孔４とが数式９

【００３６】

【数９】 で表わされる角度Ｃの間隔をあけて配置されている。こ
こで、角度Ｃは、空室分の角度、即ち［３６０°／（ｎ
＋２）］よりも僅かに大きく設定することが好ましい。
この場合には、低温流体と高温流体の混合を完全に防い
で尚かつ圧損を最小限に抑えることができる。また、複
数ユニットを設ける場合には、高温流体用連通孔４と低
温流体用連通孔５との間に数式１０

【００３７】

【数１０】 で表される角度Ｃの間隔が設定されて、ユニット数分の
高温流体用連通孔４と低温流体用連通孔５とが交互に配
置される。

【００３８】以上のように構成された切替手段３におけ
る流体の流れの切り替えは、高温流体用連通孔４と低温
流体用連通孔５の双方が同時にそれぞれの前方の空室１
０，１０に移り変わることによって行われる。そして、
高温流体用連通孔４および低温流体用連通孔５が空室で
あった前方の室・区画内を完全に占位したとき、いまま
で高温流体用連通孔４および低温流体用連通孔５と連通
していた室・区画はそれぞれ空室となる。例えば図７に
示す１ユニット８室のケースを例に挙げて説明すると、
回転方向の最後尾の室・区画１１_-3，１２_-3が空室とな
る。このとき、高温流体用連通孔４および低温流体用連
通孔５は、今までの室・区画１１_-1，１１_-2，１１_-3お
よび１２_-1，１２_-2，１２_-3と新たな室・区画１０，１
０との４つの区画に同時に跨るが、複数の区画に同時に
流体を供給しながら切り替えられると共に空室１０を利
用しているので、流体の流れが遮断されることがないこ
とは勿論のこと、前方の高温流体用連通孔４は低温流体
用連通孔５がさしかかった区画よりも１つ前の区画に占
位するため、逆向きに通過する高温流体と低温流体とが
同じ区画内において混じり合うことがない。

【００３９】以上のように構成された本発明の蓄熱型熱
交換器はバーナシステムに利用することが可能である。
尚、この実施例はファーネス内で燃焼するバーナに適用
しているが、これに特に限定されるものではなく、ラジ
アントチューブ内で燃焼させるバーナなどに適用するこ
とも可能であることは言うまでもない。

【００４０】図１１に本発明の蓄熱型熱交換器３０を利
用した蓄熱型バーナシステムを応用した加熱炉の一例を
示す。蓄熱型熱交換器３０をバーナシステムの燃焼用空
気系（低温流体の流路）３３及び燃焼排ガス系（高温流
体の流路）３４に接続し、蓄熱型熱交換器３０を経て供
給する燃焼用空気によってバーナ３５を燃焼させる一
方、燃焼排ガスを炉内３７から取り出して蓄熱型熱交換
器３０を経て排出させ、燃焼排ガスの廃熱で燃焼用空気
を燃焼排ガス温度近くの高温に予熱して供給するように
している。この炉は、炉体３８に少なくとも１基のバー
ナ３５を設置して成る。バーナ３５は、その構造及び燃
焼方式に特に限定を受けるものではないが、蓄熱型熱交
換器３０を通して燃焼用空気の供給が図られている。ま
た、炉内３７の燃焼排ガスは、炉体３８に設置された高
温流体手段例えば燃焼排ガス系３４と接続された排気筒
３６などによって取り出される。尚、図中の符号３１は
燃焼用空気を供給するファン、３２は燃焼排ガスを排出
するファンである。また、図示していないがバーナ３５
には通常着火手段やパイロットバーナなどの付帯設備が
設けられる。

【００４１】以上のように構成された蓄熱型熱交換器３
０及びそれを利用した蓄熱型バーナシステムの動作を図
１及び図３に基づいて説明する。

【００４２】まず、図１及び図３の状態において、出入
口手段６の低温流体室６ａに低温流体としての燃焼用空
気が導入されると、この燃焼用空気は低温用連通孔５を
経て分配室２の第２の室９ｂに流入し、更に該当する蓄
熱体１の室（低温流体を流す室）・区画１２に流入す
る。このとき、蓄熱体１の該当する区画・室は切替前に
通過していた燃焼排ガスの熱によって加熱されているた
め、通過する燃焼用空気は蓄熱体１の熱を奪って高温即
ち当該蓄熱体１を加熱した燃焼排ガスの温度近くの高温
とされる。そして下流の分配室２の第２の室９ｂに流入
し、切替手段３の低温用連通孔５を経て供給室６ａに排
出される。そして、この供給室６ａに接続されている流
路３３を経て使用箇所、例えばバーナ３５などへ供給さ
れる。他方、出入口手段６の高温流体室６ｂに導入され
る高温流体としての燃焼排ガスは、高温流体用連通孔４
を経て分配室２の第１の室９ａに流入し、更に蓄熱体１
の該当する室（高温流体を流す室）・区画１１に流入す
る。そして、この蓄熱体１の区画１１部分を加熱する。
温度が下がった燃焼排ガスは左の分配室２の第１の室９
ａに流入してから高温流体用連通孔４を経て高温流体室
６ｂに排出される。

【００４３】次いで、切替手段３を図１の状態から反時
計回転方向へ連続的にあるいは間欠的に回転させると、
まず高温流体用連通孔４が左隣りの分配室の第３の室９
ｃにかかり、第１の室９ａと第３の室９ｃとに同時に燃
焼排ガスが流れる。そして、燃焼排ガスは蓄熱体１の第
１の区画と第３の区画（図３に符号１０で示された部
分）とを通過してから下流の分配室２の第１の室９ａと
第３の室９ｃとに流入してこれら両室９ａ，９ｃに高温
流体用連通孔４を介して接続されている高温流体室６ｂ
に供給される。その後、高温流体用連通孔４が完全に第
３の室９ｃ（図３において符号１０で示される空室であ
った部分）に切り替えられてから、第２の室９ｂに占位
していた低温流体用連通孔５が第１の室９ａ（図３にお
いて符号１１で示される室部分）に切り替えられ、第２
の室９ｂ（図３において符号１２で示される室）で区画
される領域が空室１０となる。換言すれば、今まで流体
が流されていなかった空室１０に燃焼排ガスが流され、
今まで燃焼排ガスが流されていた室１１に燃焼用空気が
流され、更に燃焼用空気が流されていた室１２には流体
が流されない。依って、燃焼排ガスの熱によって蓄熱体
１が加熱され、加熱された蓄熱体１を通過する燃焼用空
気が蓄熱体１の熱によって温められる。このとき、蓄熱
体１内における燃焼用空気及び燃焼排ガスの流れる領域
・室は順次切り替えられるが、出入口手段６の高温流体
室６ｂと低温流体室６ａとにそれぞれ常時連通されてい
るので、蓄熱型熱交換器３０の前後における流体の流れ
の系統そのものは切り替えられない。また、流体の流れ
の切替は、空室１０を利用して２室に跨ったときにもそ
れぞれの室と連通させながら行うので、流体の流れが途
絶えることがない。そして、燃焼排ガスの次に燃焼用空
気と順次流れを途切らすことなく切り替えられる。

【００４４】したがって、バーナ３５を燃焼させ、その
ときに発生する燃焼排ガスを燃焼排ガス系３４を介して
排気し、蓄熱型熱交換器３０で燃焼排ガスの廃熱を回収
すれば極めて熱経済性が良くなる。また、バーナ３５側
には蓄熱型熱交換器３０に回収された廃熱を利用して予
熱された燃焼用空気を供給する。このとき、蓄熱体１の
切替サイクルは比較的短い時間に切り替えることが熱効
率を上げる上で好ましい。例えば、１０秒〜９０秒、好
ましくは１０秒程度経過する毎に１室・区画分だけ切替
手段３を回転させたり、あるいは１０秒程度かけて１室
・区画分だけ回転させることである。このような短時間
の切り替えは、図１あるいは図２に例示される本発明の
流路切替装置３０によって、排ガスの洩れを招くことな
く確実に実現できる。また、高温流体用連通孔４と低温
流体用連通孔５とをほぼ同じ大きさとする場合におい
て、燃焼により膨れ上がった分の燃焼ガスは蓄熱体１を
通さずに炉外へ排出し、他の熱処理設備や対流熱交換
器、エコノマイザー、加熱設備などに供給して熱源とし
て利用するようにすることが好ましい。

【００４５】尚、上述の実施例は本発明の好適な実施の
一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の
要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能であ
る。例えば、本実施例では温度差のある２系統の流体と
して比較的高温のガスと低温のガスとを例に挙げて主に
説明しているが、これに特に限定されるものではなく、
冷熱エネルギーを有する流体（冷気）とそれよりも温度
の高い流体例えば室温の空気のような流体との間の熱交
換や異なる物質間の熱交換などにも利用できる。冷熱流
体とそれよりも高温の流体（室温の空気）との熱交換例
えば冷凍サイクルなどにおいては、空室の次の最前列の
連通孔及び室・区画、即ち図１から図９に示す実施例の
場合の高温流体用連通孔４および高温流体を流す室１１
は冷熱流体を流すためのものとなり、その次の連通孔及
び室・区画即ち図１から図９に示す実施例の場合の低温
流体用連通孔５および低温流体を流す室１２は熱交換の
相手となる常温流体を流すためのものとなるように配置
関係が設定される。換言すれば、本明細書において高温
流体とは熱（冷熱を含む）を回収しようとする方の流体
を指し、低温流体とは回収された熱によって加熱（ない
し冷却）される流体を指している。そして、高温流体用
の連通孔４や室１１を低温流体用の連通孔５や室１２よ
りも先行させる必要はなく、その逆の位置関係であって
も良い。また、本実施例では、切替手段３と出入口手段
６とは別体に形成されて切替手段３のみを回転させてい
るが、切替手段３と出入口手段６とを一体成形し、出入
口手段６部分を回転自在に支持して切替手段３とともに
出入口手段６を回転させるようにしても良い。

【００４６】また、本実施例では、出入口手段６は円筒
部材によって形成されているが、こくに特に限定され
ず、六角形、四角形あるいは三角形などの２重筒状体で
形成しても良い。また、上述の実施例はバーナシステム
の最少単位を示すもので、炉体に２以上のバーナシステ
ムを配置することもある。

【００４７】

【発明の効果】以上の説明より明らかなように、本発明
は、蓄熱体を回転させずに切替手段を機械的に回転させ
るだけで流体の流れの切り替えができるので、流路切替
時に流体の流れが遮断されることがなく、流体の供給な
いし排出が安定すると共にユングストローム型熱交換器
などに比べて蓄熱体の損傷や流体間の漏洩等の問題が少
ない。しかも、切替手段に対しては接触させてシールす
ることができるので、２流路間の流体の漏洩もほとんど
無く熱交換効率がユングストローム型熱交換器などに比
べてはるかに向上するし、蓄熱型バーナシステムに利用
した場合には燃焼排ガス温度に近い高温に予熱された燃
焼用空気の供給量が正確にコントロールできる。

【００４８】また、請求項１及び２の発明の場合、高温
流体用連通孔と低温流体用連通孔とが最大限の開口面積
を得ることができるので、圧損が少なくて済む利点があ
る。

【００４９】また、本発明の蓄熱型熱交換器によると、
電磁弁や四方弁などを使用して行う場合に比べてはるか
に設備コストを安価にできるし、長時間に亙り安定して
使用することができる。

【００５０】更に、本発明の蓄熱型熱交換器を利用した
蓄熱型バーナシステムによれば、流れの切替時に燃焼用
空気の供給量が瞬間的に減少し、火炎が不安定になるよ
うな虞がなく、安定した火炎を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の蓄熱型熱交換器の基本構成を示す斜視
図である。

【図２】本発明の蓄熱型熱交換器の一実施例を示す断面
図である。

【図３】高温流体用連通孔と低温流体用連通孔との関係
を示す説明図である。

【図４】高温流体用連通孔と低温流体用連通孔の他の例
を示す説明図である。

【図５】蓄熱型熱交換器の室数Ｎを流体が流れる室数ｎ
とユニット数ａとの関係で示す一覧図である。

【図６】ｎ＝４，ａ＝１のときの高温流体用連通孔と低
温流体用連通孔との関係を示す図で、（Ａ）は全ての連
通孔の配置図、（Ｂ）は１室に全孔を集めた状態の説明
図である。

【図７】本発明の蓄熱型熱交換器の切替手段部分の他の
実施例を示す原理図である。

【図８】流体が流れる室数ｎとユニット数ａとの関係で
室の配置を示す一覧図である。

【図９】高温流体用連通孔と低温流体用連通孔との数が
異なる例における流体が流れる室数ｎとユニット数ａと
の関係で室の配置を示す一覧図である。

【図１０】蓄熱体の他の実施例を示す説明図で、（Ａ）
は放射状に板を配置したタイプ、（Ｂ）は放射状に波板
を配置したタイプ、（Ｃ）はパイプを束ねたタイプ、
（Ｄ）は蓄熱材料をＮ室に区画されたケーシング内に充
填したタイプを示す。

【図１１】本発明の蓄熱型熱交換器を適用した蓄熱型バ
ーナシステムの一例を示す概略図である。

【図１２】従来の廃熱回収用熱交換器であるユングスト
ローム型空気予熱器の概略構造を示す斜視図である。

【図１３】従来の電磁切替弁を組み込んだ蓄熱式ラジア
ントチューブバーナの一例を示す概略図である。

【図１４】従来の四方切替弁を組み込んだ蓄熱式ラジア
ントチューブバーナの概略図である。

【符号の説明】

１ 蓄熱体 ２ 分配室 ３ 切替手段 ４ 高温流体用連通孔 ５ 低温流体用連通孔 ６ 出入口手段 ６ａ 低温流体室 ６ｂ 高温流体室 ７ 仕切壁 ９ａ，９ｂ，９ｃ 分配室の室 １０ 蓄熱体の空室・区画 １１ 蓄熱体の高温流体を流す室・区画 １２ 蓄熱体の低温流体を流す室・区画 １３ａ，１３ｂ，１３ｃ ケーシング

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 周方向にＮ（Ｎ＝ｎ＋２、ここで、ｎは
   ２以上の正の整数で常時流体が流れる室数である。）室
   に均等に区画され各室内を軸方向に流体が通過可能とし
   た蓄熱体と、この蓄熱体の両開口端にそれぞれ接続され
   て温度差のある流体を流す２系統の流路の一方の低温流
   体系統に接続される低温流体室と他方の高温流体系統に
   接続される高温流体室とに環状仕切壁で区画された２重
   管状の出入口手段と、前記蓄熱体と前記出入口手段との
   間にそれぞれ介在されて前記蓄熱体と出入口手段との間
   をそれぞれ遮断する一方、前記低温流体室と前記蓄熱体
   とを連通させる低温流体用連通孔および前記高温流体室
   と前記蓄熱体とを連通させる高温流体用連通孔とが数式
   １で表わされる角度Ｃの間隔をあけて配置され、 【数１】 かつ連続的あるいは間欠的に回転して前記出入口手段の
   高温流体室と低温流体室とをＮ室に区画された前記蓄熱
   体の室のいずれかに順次連通させる切替手段とから成る
   ことを特徴とする蓄熱型熱交換器。
2. 【請求項２】 Ｎ（ここで、Ｎ＝ｎ＋２で、ｎは２以上
   の正の整数で常時流体が流れる室数を示す。）室を１ユ
   ニットとして総室数Ｚ（ここで、Ｚ＝ａ・Ｎで、ａはユ
   ニット数を示す０を除く正の整数）の複数ユニットの区
   画された室を蓄熱体に形成すると共に前記高温流体用連
   通孔と前記低温流体用連通孔との間に数式２ 【数２】 で表される角度Ｃの間隔が設定されたことを特徴とする
   請求項１記載の蓄熱型熱交換器。
3. 【請求項３】 前記蓄熱体は、該蓄熱体と切替手段との
   間にそれぞれ周方向にａ・Ｎ（ここで、ａはユニット数
   である）室に区画されて軸方向に流体が通過可能とした
   分配室を設けることによって、ａ・Ｎ室に区画されたこ
   とを特徴とする請求項１または２に記載の蓄熱型熱交換
   器。
4. 【請求項４】 前記蓄熱体は軸方向に貫通したセル孔を
   多数有するハニカム形状であることを特徴とする請求項
   １から３のいずれかに記載の蓄熱型熱交換器。
5. 【請求項５】 前記蓄熱体はパイプ形状の蓄熱材料を軸
   方向に流体が通過するように多数径方向に配列して成る
   ものであることを特徴とする請求項１から３のいずれか
   に記載の蓄熱型熱交換器。
6. 【請求項６】 前記蓄熱体は平板あるいは波板形状の蓄
   熱材料を放射状に多数配列して成ることを特徴とする請
   求項１から３のいずれかに記載の蓄熱型熱交換器。
7. 【請求項７】 前記蓄熱体は互いに独立させてａ・Ｎ室
   に区画され軸方向に流体が通過可能としたケーシング内
   に蓄熱材料のブロックないし小片を充填して成ることを
   特徴とする請求項１または２に記載の蓄熱型熱交換器。
8. 【請求項８】 請求項１から７のいずれかに記載の蓄熱
   型熱交換器をバーナシステムの燃焼用空気系及び燃焼排
   ガス系に接続し、前記蓄熱型熱交換システムを経て供給
   する燃焼用空気によってバーナを燃焼させる一方、燃焼
   排ガスを前記蓄熱型熱交換システムを経て排出させ、燃
   焼排ガスの廃熱で燃焼用空気を燃焼排ガス温度近くの高
   温に予熱して供給することを特徴とする蓄熱型バーナシ
   ステム。