JPS594886A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は熱伝達率が極めて高く、圧力損失が比較的小さ
い、一般的に−は流体用の、特に燃焼ガスまたは炉また
は乾燥機の廃ガスから熱を回収するだめの熱交換器に係
わる。

公知の熱交換器の主なものは次の通シである。

管群、管格子、プレート、及び環状路をそれぞれ具備す
る熱交換器。これらの熱又換器に共通の特徴として、壁
によって分離された２つの流体間の熱伝達率は他の条件
が同じなら流動特性によって決定される。この流＃Ｉ％
性は゛乱流性”が”非乱流性″かのいずれかであり、後
者には多くの場合゛層流状−という表現が使用される。

乱流状の流動域は境界層を更新させるから、熱伝達を助
長する。層流状（非乱流状）の流動から乱流状の流動へ
の移行は流体の流動速度を増大させるか、または流路中
に障害物を設けることによって達成することができる。

ここにいう乱流とは少量の流体が方向を変えながら、変
動する速度で不規則に移動する状態を意味する。

従って、乱流域においては質量が衝突し合ってエネルギ
ーを浪費する。すべての公知熱交換器にあっては、流体
の総質量の極めて僅かな部分だけが上記境界層を形成す
るが大部分は乱流現象を呈する。

この場合と関連のある熱力学の法則によれば、理想的な
場合に熱伝達率は流体の流量に比例する、即ち、熱交換
面に沿った流体の流動速度に比例する。乱流域について
は、流量を増大させるには供給エネルギーが流量増加倍
数の３重の割合で増大することも公知である。このこと
は環状路を有する熱交換器を使用する場合にも同様であ
る。

従って、熱伝達率を倍増するために流動発生に必要な力
を８倍に増大しなければならないから、たちまち経済的
に耐え得る限界、即ち、達成できる最大流動速度にぶつ
かる。即ち、１　ｋｗ／ｈの電気エネルギーが３倍も高
価であることを考えれば、３　ｋｗ／ｈの熱エネルギー
を交換または回収するのに１　ｋｗ／ｈの電気エネルギ
ーを消費することは無意味である。いずれにしても、さ
らに付加されるコストをも計算すれば経済的な収支はマ
イナスとなる。

本発明の末的は流体内に乱流を発生させずに境界層の迅
速な更新、従ってよシ高い熱伝達率を実現することにあ
る。これは２つの物理法則に基づいて達成される。その
１つはいかなる運動も妨害されない限シ持続しようとす
るというものである（慣性の法則）。この法則は下記条
件が満たされるなら、同軸円筒で形成された環状路内で
発生させることのできる回転運動にあてはまる。

−円筒間に充分な間隔を保つこと。

−円筒に完全な丸みを与えること。

−平滑な表面。

一流体を接線方向に供給すること。

もう１つの物理法則は一定の条件下に流体の回転運動で
凹面壁内に発生する横断方向の二次運動に関するもので
ある。遠心力によって形成されるこの双対方向二次転動
運動がいわゆる”クエット現象″（もっと正確には６ク
エツト・ゲルドラ−”現象）である。この現象について
は詳しく後述する。

本発明の目的は同軸関係に配置されて環状路を限定する
複数の円筒状素子及び環状路に連携させたコレクタ室を
含み、接線方向に供給され、回転運動を与えられた流体
が環状路内を流動するように構成したことと、コレクタ
室の断面積が環状路断面積よりも大きく、コレクタ室を
環状路の少なくとも流体流入側に設けたことを特徴とす
る流体用熱交換器によって達成される。

以下添付図面を参照して、本発明による熱交換器の実施
例を詳細に説明する。

第１図は流体が回転流動する環状路１の断面図である。

回転運動は凹面壁を回転させる（クエットの実験）か、
流体を接線方向に供給する（１９４３年にリープマンに
よっ−Ｃ実鹸的に立証されたゲルドラ−の理論）ことに
よって発生させることができる。矢印Ｐ１で示すように
、流体には円形方向から接線方向に逸れようとする傾向
がある。

回転速度の増大に伴なって、接線方向に逸れようとする
前記傾向が凹面壁に沿って側方に逸れ、その結果、第２
図に示すような２次流れを発生させる。

第２図は強い回転運動を与えられた流体が流れる環状路
１を示し、この回転運動によシ双対方向回転の矢印Ｐ２
で示す転勤流または環状流の形で横断する安定な２次流
れが形成される。

第３図はこの転勤流または環状流の斜面図である。

２次運動と同様に１次運動も゛相対速度″が極めて高け
れば非乱流特性を維持する性質がある。

この相対速度は非乱流域から乱流域への過渡時における
限界速度より１０倍以上にも達することがあ夛得る。た
だし、同じ環状路中の回転域ではなく直線域を同じ流体
が流れる場合の関係である。

ここにいう°゛相対速度″とは流体が凹面壁に沿って流
動する速度を意味する。この相対速度は単位時間の流路
断面全体における容積流量から得られる流体の流量速度
よ９１０倍ないし２０゛倍高くな９得る。

上記２つの物理法則を技術的に利用すると共に、本発明
の熱又換器では好ましくは適当な空気圧式制御装置の制
御下に周期的に閉じる弁を利用することができる。

周期開閉する弁は流体の流れに振動を与える。

この流体が圧縮可能であって、送風機によって供給され
る場合、弁の閉成に伴なって送風機による最大供給圧ま
で圧縮され、この圧力は入口側から供給され、出口側は
閉鎖している室に貯えられる。

弁が開放されると、圧縮圧と出口断面に応じた速度で前
記貯えられ、圧縮された流体が逃げる。一本発明の熱交
換器の場合、この振動が２通シの態様で回転流に伝播す
る。

一双対方向の転勤流または環状流が円筒壁に平行に移動
する。

ｍ一時的圧力上昇によシ、補足エネルギーを供給しなく
ても環状路内の流体回転速度が上昇する。なぜなら流体
の正圧発生に流量の低下が伴なうからである。

上記２つの作用が流体と熱交換器壁との相対速度を高め
て境界層更新速度を高め、その結果熱伝達率を上昇させ
る。このような運動はいず庇も大部分の流体の流動特性
には影響せず、流体は非乱流状態を維持し、従ってエネ
ルギーを浪費しない。

上記振動を発生させる弁は機械式でも空気圧式でもよい
。機械式の場合、蓄圧室の出口断面を閉鎖する（調速弁
状の）ディスクまたはプレートの回転を、前記ディスク
またはプレートをシャフトに取付けである場合、駆動モ
ータによって制御すればよい。機械式弁を第４図及び第
５図に参照番号６５及び７０でそれぞれ示した。

空気圧式弁（流動スロットル）の場合、回転しながら環
状路から出る流れを例えば１８０°急激に向きを変えて
同軸の他の環状路に導入することによって極めて強い乱
流を発生させる。

このような空気圧式弁の作用原理は第６図ないし第８図
から明らかになるであろう。即ち、互いに同軸関係にあ
り、流体の流動方向を急激に、即ち、小さい曲率半径で
反転させるように構成した２つの環状路２０及び２１を
図示しである。

第６図は開口部２３から半径方向に行なわれる供給を群
細に図示したものであシ、流体は環状路２０及び２１を
直線的に流れる。この場合、運動方向が反転しても、周
期的なばらつきを招くおそれのある乱流は発生しない。

第７図及び第８図は開口部２４からの接線方向供給を示
し、これによシ流体が回転流動する。第７図から明らか
なように、シリンダの凹面域において流動速度が増大す
る。これは遠心力によって形成される。第８図は一定速
度に達すると流れがそらせ手段に衝突し、これによって
発生する乱流２５の強度は公称回転数において送風機が
発生させる最大静圧と一致する。この乱流２５は流動に
とって克服不ロｆ能な障害物を形成し、瞬間的に流量が
ゼロに低下する。この状態は弁の開成状態と対応する。

ゼロ流電ではこの乱流が直ちに消え、流動スロットルが
開放される。流動スロットルの動作周波数は流量、流路
寸法及び送風器特性に依存する。経験に照らして、流量
が３０００〜ａｏｏｏ。

ｉ／ｈなら発生する振動の周波数は７０〜７ヘルツであ
る。

弁の作用により熱交換器のコレクタは圧搾空気のサージ
タンクとしての役割を果し、その作用態様はばねや振υ
子の作用態様と同様である。即ち、蓄積エネルギーをほ
ぼ完全に解放する。

以上第６図ないし第８図に関連して空気圧式弁の作用原
理を説明したが、第９図は熱交換器の１実施例を略示す
る。この実施例は下記のように構成されている。

外側の第１環状路３６はほぼ円筒状の熱交換器の長手軸
Ａと同軸に配置された２つの円筒３１及び３２によって
限定される。第２環状路３７は円筒３２及び３３によっ
て、第３環状路３８は円筒３３及び３４によって、第４
、即ち、内１１１！ｌ環状路３９は円筒３４及び３５に
よってそれぞれ限定される。これらの円筒もすべて軸Ａ
と共軸関係である。

環状室３６及び３９は空気圧式弁の弁座を兼ねる彎曲部
分４０を介して互いに連結され、同様に環状室３７及び
３８はこれも空気圧式弁の弁座を兼ねる彎曲部分４１を
介して互いに連通ずる。

環状室３６の吐出管４７の領域に１次流体のための出口
側貯蔵部４２を設ける。同様に、環状室３８の吐出管４
８に２次流体のための出口側貯蔵部４４を設け、環状室
３７の吸入管４９に２次流体のための入口側貯蔵部４９
を設け、環状室３９の吸入管５０に２次流体のための入
口側貯蔵部４５を設ける。

１６は熱交換器全体を囲む断熱層である。

厳密には円筒３３にも断熱処理を施してあｐ１従って円
筒３３自体に熱交換は行われず、１次流体との間だけで
進行させることができる。

第４図に示すような２つの環状路を有する熱交換でも全
く同じ作用が得られる。１次流体は管６１から供給され
て管６１に隣接する貯蔵部６２を通過する。１次流体は
環状路６３に達し、矢印で示す双１１方向の転勤流れを
形成する。環状路６３を通過した後、１次流体は周期的
な開閉のためモータ７１によっで駆動される蝶形弁６５
を吐出管の領域に具備することのできる出口側貯蔵部６
４に流入する。

２次流体用外側環状路６８も同様の構成を肩する。管６
６を通って２次流体が貯蔵部６７に達し、さらに環状路
６８に流入して矢印で示すような双対方向転勤流を形成
する。次いで２次流体は出口（ｉ１！ｌ貯蔵部６９及び
同様の構成の蝶形弁７０を有する管を通って環状路６８
を出る。

本発明の範囲内で、２つの並置された流路によって構成
された空気圧式弁を、第１θ図に略示するように第２流
体の出口に設けた機械式弁と組合わせることも可能であ
る。第１０図において参照番号は第９図との関連で述べ
たのと同じ意味を有するものとする。機械的蝶形弁はモ
ータ８１によって駆動される。このような構成により、
半径が極めて大きい半殻体の形状を呈する外側流路３６
への転向が可能となる。並置されている流路３７及び３
８における情況とは異なり、この転向によって周期的な
乱流が発生することはない。脈動は機械式弁８０によっ
て形成される。

第４図及び第５図に示す熱交換器の実施は当業者にとっ
て容易なことである。

他方、４本の流路を有し、２本と２本が方向転換を介し
て互いに連通ずる熱交換器を構成するには第１１図を参
照して以下に説明する特殊なアプローチを必要とする。

図面から明らかなように、フランジ４７〜５０を上−ト
に重ねることで種々の円筒を組立てることができる。特
に、環状充填体９１は円錐状部分を有する円筒９２の組
立てと、断熱処理された肉厚円筒９３の挿通を可能にし
、組立て後のユニット全体を確実にシールすることがで
きる。

本発明の熱交換器には下記の利点がある。

−個々の媒質間の温度差条件が同じであるとして従来の
熱交換器よりも１０倍も大きい極めてすぐれた熱伝達率
。

−従来の熱交換器よりも少ない圧力損失。

−振動が全表面を掃き、塵埃の付着を助長する死角が存
在しないから塵埃付着のおそれがない。

一従来の熱交換器よりもはるかに軽い。

−従来の熱変換器よυもはるかに小型である。

従って本発明装置は耐酸鋼から低いコストで製造でき、
硫黄化合物を含有する燃焼ガス（“煙道ガス″）の冷却
に、特に水素含有燃料の燃焼時に発生する水蒸気の凝縮
に利用することができる。

煙道ガスの低温冷却及び凝縮はそれまでに存在したロス
の状態にもよるが１０ないし３０％の燃料節約を可能に
する一方、環境問題の解消に不可欠なこの煙道ガスの最
終処理を容易にする。

【図面の簡単な説明】

第１図は流体の流動経路を示す環状路の部分断面図、第
２図は流動経路を示す環状路の部分横断面図、笛３図は
転勤流または環状流の形成を略示する部分斜面図、笛４
図は熱交換器の第１実施例を略示する縦断面図、第５図
は第４図に示す熱交換器の下部横断面図、第６図ないし
第８図は熱交換器の他の３つの実施例を下部の横断面と
共に略示する縦断面図、第９図はさらに他の実施例を略
示する縦断面図、第１０図は第９図に示す実施例の変更
実施態様、第１１図は下部の横断面と共に示すさらに他
の変更実施態様の縦断面図である。 図中番号１６は断熱層、２０．２１は環状路、２３゜２
４は開口部、２５は乱流、３１　、３２　、３３は円筒
、３６　、３７　、３８　、３９は環状室、４７　、４
８は吐出管である。 １イ１自刃Ｉ’ｌ’　＋’ｔ　を内、Ｊ、：′之り１／
、′１．）１６２ ＦＩＧ、　　９ ＦＩＧ、　　１０ ６ 手続補正層 昭和５８年　７Ｊ］／２日 １、事件の表示 昭和５８年特許願第１００１２３号 ２、発明の名称 熱交換器 ３、補正をする者 事件どの関係　　　　　　　特　許　出　願　人氏名（
名称）　　　スブラテルム　１人アー、エル、エル４、
代理人 住　所　　東京都文京区白山５丁目１４番７号５、補正
命令の日付く自発補正） 昭和　　年　　月　　日 ■明細書の浄書（内容に変更なし）を別紙の通り提出づ
゛る。 ■図面の浄書（内容に変更なし）を別紙の通り提出づる
。 ■優先権証明書及び表紙訳文は別紙の通り提出づる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、同軸関係に配置されて環状路を限定する複数の円筒
   状素子及び環状路に連携されたコレクタ室を含み、接線
   方向に供給され、回転運動を与えられて流体が環状路内
   を流動するように構成したことと、コレクタ室の断面積
   が環状路の断面積よりも大きく、コレクタ室を環状路の
   少なくとも流体流入側に設けたことを特徴とする流体の
   熱交換器。 ２、少なくとも環状路の一部で流体吐出側に別のコレク
   タ室を設けたことを特徴とする特許請求の範囲第１項に
   記載の熱交換器。 ３　流入側及び／または吐出側コレクタ室の少なくとも
   １つを周期的に開閉させることを特徴とする特許請求の
   範囲第２項に記載の熱交換器。 ４．２つの円筒状素子（３２、３４）によって限定され
   る環状室に円筒状遮断素子（３３）を挿入・することに
   よシ、一端で連通ずる２つの同軸に並ぶ環状路（３７，
   ３８）を形成したことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項に記載の熱交換器。 ５．２つの環状路（３７，３８）を循環する流体を完全
   に遮断して断熱する独立の環状室を限定する二重壁素子
   によって前記円筒状遮断素子（３３）を形成したことを
   特徴とする特許請求の範囲第４項に記載の熱交換器。 ６、円筒状遮断素子（３３）を熱伝導率の小さい拐料で
   形成するかまたは被覆したことを特徴とする特許請求の
   範囲第５項に記載の熱交換器。 ７．２つの円筒状素子（３２，３４）を組立てるため、
   円筒の同軸構成を可能にするのに充分な幅の環状または
   冠状素子（９１）を設けたことを特徴とする特許請求の
   範囲第１項から第６項までのいずれか１項に記載の熱交
   換器。 ８．２つの円筒状素子（３２，３４）の一方が放散円錐
   形の、他方が収斂円錐形の端部を具備することを特徴と
   する特許請求の範囲第７項に記載の熱交換器。 ９．２つの環状路（３６，３９）を限定する２つの円筒
   状素子（３１，３５）を、７ランジまたは溶接によって
   放散円錐形及び収斂円錐形のそれぞれ対応の円筒端部に
   取付けた半殻体を介して円筒状素子（３２，３２）と互
   いに連結したことを特徴とする特許請求の範囲第１項か
   ら第８項までのいずれか１項に記載の熱交換器。