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技術 凝縮器—熱交換器複合装置

出願人 エレクトリックボートコーポレーション
発明者 ゴードンアイラスムーセン
出願日 1999年6月2日 (20年10ヶ月経過) 出願番号 1999-155626
公開日 2000年1月28日 (20年3ヶ月経過) 公開番号 2000-028277
状態 特許登録済
技術分野 ラジエータ、流路群をもつ熱交換装置
主要キーワード 空気バッフル 保護用板 冷却液流出口 拡張面 外側外板 円筒状中 冷却液流入口 円筒多管式熱交換器
関連する未来課題
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この項目の情報は公開日時点(2000年1月28日)のものです。
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図面 (19)

課題

蒸気凝縮器及び熱交換器をより効率が高く経済的な構造にする。

解決手段

蒸気凝縮器と液体液体熱交換器複合する。複合装置外囲器を形成する外側外板を有し、外囲器内部では第1チューブ群対向端チューブシートに支持され蒸気凝縮器を与える。外側外板内部には熱交換液流入口及び流出口を有する内側外板があって、熱交換器を与える第2チューブ群を収める。外側外板の一端に第1ヘッドが取り付けられ、ヘッドに導入された冷却液が第2のチューブ群及び第1チューブ群の一部を通過して対向端にある第2ヘッドに流れ、第2ヘッドは冷却液を第1チューブ群の上部部分を通して流し第1ヘッドに戻す。次いで冷却液は第1ヘッドから第1チューブ群の下部部分を通って第2ヘッドに向かいそこで流出口から排出される。外側外板上部の蒸気流入口受け入れられた蒸気は第1チューブ群に接して流れ、その上で凝縮し、得られた凝縮液は外側外板底部の凝縮液取出口を有する温水だめ落ちる。

概要

背景

代表的な、従来の蒸気凝縮器及び熱交換器並びに類似の装置が米国特許第2,764,876号、第3,338,052号、第3,698,476号、第4,084,546号、第4,106,559号、第4,206,802号、第4,300,481号,及び第4,620,588号に開示されている。

円筒管式蒸気表凝縮器技術は周知であり、多くの用途で使用されている。このような凝縮器においては、複数のチューブを通して循環する水のような冷媒により低温に保たれる、前記複数のチューブの外側表面上に蒸気凝縮する。ほとんどの蒸気表面凝縮器は、一つに束ねられた複数の表面が滑らかな等長直管を有し、比較的小容積の空間内で相当の量の凝縮液をつくりだす。

同様に、円筒多管式熱交換器技術は周知であり、多くの用途で使用されている。このような熱交換器においては、一般にチューブの一方の側を温度の高い媒体が流れ、もう一方の側を温度の低い媒体が流れて、前記温度の高い媒体は冷却され、前記温度の低い媒体は加熱される。しかし前記円筒多管式蒸気表面凝縮器とは異なり、冷媒はチューブの内部あるいはチューブの外部のいずれも流れることができる。円筒多管式熱交換器の多くはやはり一つに束ねられた複数の表面が滑らかな等長直管を有し、比較的小容積の空間内で高温媒体から低温媒体に相当な量の熱を移すことができる。円筒多管式熱交換器のなかには、U字管を用い及び/または効率を高めるかあるいはユニットの大きさ及び/または製造コストを低減するために、フィンのような拡張面をチューブに備えているものもある。

概要

蒸気凝縮器及び熱交換器をより効率が高く経済的な構造にする。

蒸気凝縮器と液体液体熱交換器複合する。複合装置外囲器を形成する外側外板を有し、外囲器内部では第1チューブ群対向端チューブシートに支持され蒸気凝縮器を与える。外側外板内部には熱交換液流入口及び流出口を有する内側外板があって、熱交換器を与える第2チューブ群を収める。外側外板の一端に第1ヘッドが取り付けられ、ヘッドに導入された冷却液が第2のチューブ群及び第1チューブ群の一部を通過して対向端にある第2ヘッドに流れ、第2ヘッドは冷却液を第1チューブ群の上部部分を通して流し第1ヘッドに戻す。次いで冷却液は第1ヘッドから第1チューブ群の下部部分を通って第2ヘッドに向かいそこで流出口から排出される。外側外板上部の蒸気流入口受け入れられた蒸気は第1チューブ群に接して流れ、その上で凝縮し、得られた凝縮液は外側外板底部の凝縮液取出口を有する温水だめ落ちる。

目的

従って、本発明の目的は従来技術の難点を克服する凝縮器−熱交換器複合装置を提供することである。

本発明の別の目的は、効率が高く経済的な配置構造を有する、単一ユニットで蒸気凝縮器及び液体−液体熱交換器の機能を果たす凝縮器−熱交換器複合装置を提供することである。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
0件

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請求項1

蒸気凝縮器熱交換器複合装置において:蒸気受け入れるための開口及び蒸気凝縮液出口を有する外側外板;前記外側外板内部に支持される内側外板;前記内側外板の内部を通して伸びる第1の複数のチューブ;前記内側外板と前記外側外板の間の空間を通して伸びる第2の複数のチューブ;前記内側外板及び外側外板内部の前記第1及び第2の複数のチューブをともに支持するための少なくとも2枚のチューブシート;前記外側外板の一端にあり、冷却液を前記チューブに供給するための冷却液流入口を有する流入ヘッド;冷却液が前記第1及び第2の複数のチューブの内少なくとも一方を通過した後に、冷却液を前記凝縮器−熱交換器複合装置から出すための冷却液流出口;前記内側外板内部の前記第1の複数のチューブ間の空間に液体を供給するための熱交換器流入口;及び前記内側外板内部の前記第1の複数のチューブ間の空間から液体を取りだすための熱交換器流出口;を含むことを特徴とする蒸気凝縮器−熱交換器複合装置。

請求項2

前記冷却液流出口が前記チューブの前記冷却液流入口に対向する端にあり、前記流入ヘッドが冷却液を前記内側外板内部の前記第1の複数のチューブに流し込み、冷却液の向きを変えて前記第1の複数のチューブから前記第2の複数のチューブの第1の部分に流し込む出ヘッドを含み、前記流入ヘッドが前記第2の複数のチューブの前記第1の部分から受け取る冷却液を前記第2の複数のチューブの第2の部分を通して前記流出ヘッドの流出口に流すための室を有することを特徴とする請求項1記載の蒸気凝縮器−熱交換器複合装置。

請求項3

前記第1の複数のチューブが一端で流入−流出ヘッドの流入室に連結し他端で前記流入−流出ヘッドの流出室に連結するU字管であり、前記第2の複数のチューブが一端で前記流入−流出ヘッドの前記流入室に連結し他端で前記流入−流出ヘッドの前記流出室に連結するU字管であることを特徴とする請求項1記載の蒸気凝縮器−熱交換器複合装置。

請求項4

前記内側外板内部の前記チューブの外側空間に供給される液体を前記熱交換器流入口から前記熱交換器流出口への直交流流路に流すために前記内側外板区画内部に複数の直交流形阻流板を含むことを特徴とする請求項1記載の蒸気凝縮器−熱交換器複合装置。

請求項5

前記外側外板とチューブシートとの間の伸縮継手を含むことを特徴とする請求項1記載の蒸気凝縮器−熱交換器複合装置。

請求項6

前記伸縮継手が前記外側外板と前記チューブシートの間のL字連結を含むことを特徴とする請求項5記載の蒸気凝縮器−熱交換器複合装置。

請求項7

蒸気とともに前記外側外板内に取り込まれる空気を集めるために前記内側外板の上方の空間に空気バッフルを含み、前記外側外板から空気を取り出すために前記空気バッフルの下の領域と連結する空気流出口を含むことを特徴とする請求項1記載の蒸気凝縮器−熱交換器複合装置。

請求項8

前記内側外板から上方に前記外側外板の上部を貫通して伸びるガス抜き孔を含むことを特徴とする請求項1記載の蒸気凝縮器−熱交換器複合装置。

請求項9

前記内側外板から下方に前記外側外板の底部を貫通して伸びる排水孔を含むことを特徴とする請求項1記載の蒸気凝縮器−熱交換器複合装置。

技術分野

0001

本発明は凝縮器及び熱交換器に関し、特に一般に円筒多管式熱交換器として知られる種類の蒸気表面凝縮器及び液体液体熱交換器に関する。

背景技術

0002

代表的な、従来の蒸気凝縮器及び熱交換器並びに類似の装置が米国特許第2,764,876号、第3,338,052号、第3,698,476号、第4,084,546号、第4,106,559号、第4,206,802号、第4,300,481号,及び第4,620,588号に開示されている。

0003

円筒管式蒸気表面凝縮器技術は周知であり、多くの用途で使用されている。このような凝縮器においては、複数のチューブを通して循環する水のような冷媒により低温に保たれる、前記複数のチューブの外側表面上に蒸気凝縮する。ほとんどの蒸気表面凝縮器は、一つに束ねられた複数の表面が滑らかな等長直管を有し、比較的小容積の空間内で相当の量の凝縮液をつくりだす。

0004

同様に、円筒多管式熱交換器技術は周知であり、多くの用途で使用されている。このような熱交換器においては、一般にチューブの一方の側を温度の高い媒体が流れ、もう一方の側を温度の低い媒体が流れて、前記温度の高い媒体は冷却され、前記温度の低い媒体は加熱される。しかし前記円筒多管式蒸気表面凝縮器とは異なり、冷媒はチューブの内部あるいはチューブの外部のいずれも流れることができる。円筒多管式熱交換器の多くはやはり一つに束ねられた複数の表面が滑らかな等長直管を有し、比較的小容積の空間内で高温媒体から低温媒体に相当な量の熱を移すことができる。円筒多管式熱交換器のなかには、U字管を用い及び/または効率を高めるかあるいはユニットの大きさ及び/または製造コストを低減するために、フィンのような拡張面をチューブに備えているものもある。

発明が解決しようとする課題

0005

従って、本発明の目的は従来技術の難点を克服する凝縮器−熱交換器複合装置を提供することである。

0006

本発明の別の目的は、効率が高く経済的な配置構造を有する、単一ユニットで蒸気凝縮器及び液体−液体熱交換器の機能を果たす凝縮器−熱交換器複合装置を提供することである。

課題を解決するための手段

0007

本発明の上記及びその他の目的は、チューブシートで支持された複数の蒸気凝縮器チューブ及び複数の熱交換器チューブを備え、熱交換器チューブ束及び外板凝縮器チューブ束及び外板の内部に配置し、よって前記熱交換器部及び凝縮器部がいずれも個別ユニットであるかのように機能するが、関与する媒体の加熱あるいは冷却の効率はより高く、熱を凝縮器部から熱交換器部へ、あるいはその逆に、移すことができるようにすることで達成される。

0008

本発明のさらなる目的及び利点は、以下の説明を添付図面と併せて見ることにより明らかになるであろう。

発明を実施するための最良の形態

0009

図1に示す代表的な従来の円筒多管式蒸気表面凝縮器10においては、一般に円筒外板12が、上部に大面積蒸気流入開口14、また底部に凝縮液流出開口16を有する。外板12は2枚のチューブシート20により対向端で支持され、チューブ支持板22により一定間隔で保持されるチューブ18の束を囲み、チューブ支持板22は前記チューブの長さ方向に間隔をおいて取り付けられている。外板12の一端では、チューブシート20に取り付けられた流入−流出ヘッド24が該ヘッドを上部区画28と下部区画30に分割する水平仕切板26を有し、区画28の上面に開口32が配されて冷却液受け入れ、一方下部区画30の底面のもう1つの開口34が冷却液を流出させる。外板12の対向端では、半球状の戻しヘッド36がチューブ18の上部束38を通過してきた前記冷却液を受け取り、該液体を下方に向けてチューブ18の下部束40に流し込む。従って、前記冷却液が上部束38及び下部束40を通過するので、流入開口14からチューブ18間の間隙を通って流れる蒸気は冷却されて前記チューブの表面上に凝縮し、外板12の底部にある温水だめ42に集まりそこで凝縮液流出開口16に運ばれる、凝縮液をつくる。

0010

図2は、一般に円筒外板52並びに外板52の対向端に取り付けられた2枚のチューブシート60で外板内に支持されるチューブ58の上部束54及び下部束56を有する、従来の円筒多管式熱交換器50を示す。外板52上部の一端にある高温液体流入口62が冷却されるべき液体を前記外板内部に供給し、交互する上部及び下部液体流路を定める一連内部バッフル64が外板内部に取り付けられて、上部チューブ束54及び下部チューブ束56のまわりの直交流流路内にある前記高温液体を前記外板の対向端にある高温液体流出口66に流す。

0011

前記高温液体を冷却するために、図1に関して上で説明したものと同じタイプの、水平仕切板70を有する流入−流出ヘッド68が外板52の一端でチューブシート60に取り付けられる。冷却液は流入口74を通して上部区画72に供給され、前記外板の対向端でチューブシート60に取り付けられた戻しヘッド76に向かって上部チューブ束54を通過する。前記戻しヘッドは冷却液を下部チューブ束56に流し、冷却液は下部チューブ束を通過して流入−流出ヘッド68の下部区画78に入り、下部区画78から冷却液流出口80に流れる。

0012

従来の円筒多管式熱交換器のなかにはU字管を有するか、あるいはユニットの大きさ及び/または製造コストを低減するために、フィンのような拡張面をチューブに施しているものもある。説明したタイプの従来型円筒多管式熱交換器においては、隣りあうチューブ間の間隙は一般に前記チューブの外径の約30%ないし50%である。

0013

本発明に従えば、蒸気凝縮器と熱交換器の複合装置単一構造で与えられる。本発明に従う凝縮器及び熱交換器の代表的な実施の形態90を図3〜12に示す。本実施の形態においては、凝縮器外板92が、大面積蒸気流入開口94を上部に、また蒸気凝縮液を受け取る温水だめ96及び前記凝縮液が取りだされる凝縮液流出口98を底部に有する。

0014

外板92内部には、凝縮器外板92の対向端に取り付けられた2枚のチューブシート102の間に、チューブ100の3つの束、すなわち上部束106,中央束108,及び下部束110が支持されている。中央束108及びその周囲の空間は、チューブシート102に密閉取付された内側熱交換器外板112により、前記上部束及び下部束から水力学的に隔てられている。図3に示す熱交換器流入口114は、冷却されるべき高温液体を前記熱交換器外板内部に供給し、熱交換器で冷却された前記高温液体は熱交換器流出口116を通過して外部に出る。前記流入口及び流出口はともに内側の熱交換器外板から外側の凝縮器外板92の外部まで伸びている。

0015

蒸気流入開口94を通して供給される蒸気を凝縮し、熱交換器流入口114に供給される液体を冷却するために、図3〜12に示す代表的な実施の形態は3−冷却液流路構成となっているが、望ましければより多くの流路を備えることもできる。本構成においては、流入ヘッド120が前記チューブ束の一端にあるチューブシート102に取り付けられ、流出ヘッド122が前記チューブ束の対向端にあるもう一方のチューブシート102に取り付けられる。流入ヘッド120は冷却液流入口124及び点検窓125を有する。前記冷却液流入口は円筒仕切板128により境界を定められた概ね円筒状の中央室126に達し、円筒仕切板128は中央室126を取り囲む環状外囲室130から中央室126を隔てている。流入口124で受け入れられた冷却液は、流入ヘッド120の円筒状中央室126から熱交換器外板112内に収められた円形の中央束108のチューブ100の全てを通過し、また上部束106及び下部束110のチューブ群の概ね円形の内側部分134も通過し、よって熱交換器チューブ束108だけでなく蒸気凝縮器チューブ群の一部をも通る前記冷却液の第1流路が与えられる。

0016

流出ヘッド122内で、図8に示すように下部チューブ束110の外側部分110aを中央束108及び上部束106並びに下部束の前記円形の内側部分134から隔てる仕切板136により、前記冷却液は上方に流される。冷却液は次いで流出ヘッド122から、図7に示すように円筒仕切板128の外側にある、上部束106の外側部分106aを通過して流入ヘッド120に戻り、そこで冷却液は環状外囲室130を通って下方に流れ、図8に示すように仕切板136の下側にある、下部チューブ束110の下側部分110aを流れて、流出ヘッド122の下部室140に入り、次いで冷却液流出口142に流れる。流出ヘッド122も点検窓143を備えている。

0017

上部束106の前記上側部分のチューブ100を流入開口94を通して受け入れた蒸気による直接の影響から防護するため、この部分のチューブは図4に示すように保護用板、チューブ、またはロッド144で覆われている。さらに、流入開口94を通して蒸気とともに外囲12内に取り込まれた空気を除去するため、図3及び9に示すように外側外板92の側面を空気取出連結管146が貫通している。前記空気は、上部束106及び下部束110の前記円形の内側部分134を囲む空気バッフル148に集められた後、連結管146を通して排出される。

0018

さらに図10に示すように、内部熱交換器バッフル150が、熱交換器流入口114から熱交換器流出口116に流れる高温液体に対して、熱交換器外板112内部の中央チューブ束108のまわりに直交流形流路をつくる。さらにまた、蒸気凝縮器外板92は冷却液が入っているチューブ100及び熱交換器外板の温度に比べて温度の変化範囲が広いので、凝縮器外板92と装置の他の部品との間に伸縮継手156が備えられる。代表的な伸縮継手を図14に示す。図では、熱伸素子158が一方で前記外側の蒸気凝縮器外板92に連接され、他方で内側の熱交換器外板に達する連結管160に連接されている。前記伸縮継手はL字形の断面を有し、互いに連接されている部品が相対的に膨張あるいは収縮できるようにする。

0019

内側外板112から空気を除去するため、図10に示すように、2本のガス抜き孔162が内側外板から上方に外側外板92の外部まで伸び出している。さらに、2本の排水孔164が図10に示すように内側外板から下方に伸びている。

0020

図12は上部束106及び下部束110のチューブ100を一定間隔に保ち、前記チューブ間の間隙を通して蒸気を矢印で示されるように導くための一組の内部チューブ持板166を示す。

0021

図13に示す本発明のもう1つの実施の形態においては、U字管170が前記熱交換器に用いられ、同様のU字管172が前記蒸気凝縮器に与えられる。本構成では、上部に冷却液流入口176を有し底部に冷却液流出口178を有する流入−流出ヘッド174が前記複合ユニットに与えられる。U字管を熱交換器に使用する場合、熱交換器のチューブ材は熱交換器の外板と同じ材料である必要はなく、また凝縮器部と異なる材料を熱交換器に用いることができる。

0022

本発明に従う上述の構成により、蒸気凝縮器及び熱交換器が単一の外板内部に複合されて、より効率が高く経済的な構造が提供される。

0023

本発明を特定の実施の形態に関して説明したが、そこに多くの変更及び変形が当業者には容易に浮かぶであろう。従って、そのような変形及び変更は全て本発明の所期の範囲に含まれる。

図面の簡単な説明

0024

図1従来の円筒多管式蒸気表面凝縮器を示す縦断面図
図2従来の液体−液体熱交換器を示す縦断面図
図3冷媒路を3本備えた、本発明に従う円筒多管式蒸気表面凝縮器と液体−液体熱交換器との複合装置を示す立面図
図4図3に示した本発明の実施の形態の縦断面図
図5図3及び4の凝縮器−熱交換器複合装置の流入ヘッドを示す端面図
図5図5の線VA−VAに沿ってとられ、矢印の方向から見た断面図
図5図5の線VB−VBに沿ってとられ、矢印の方向から見た断面図
図6図3及び4の実施の形態の流出ヘッドを示す端面図
図6図6の線VIA−VIAに沿ってとられ、矢印の方向から見た断面図
図6図6の線VIB−VIBに沿ってとられ、矢印の方向から見た断面図
図7図4の線VII−VIIに沿ってとられ、矢印の方向から見た断面図
図8図4の線VIII−VIIIに沿ってとられ、矢印の方向から見た断面図
図9図4の線IX−IXに沿ってとられ、矢印の方向から見た断面図
図10熱交換器部の高温媒体流路を示す凝縮器−熱交換器複合装置の縦断面図
図11図10の線XI−XIに沿ってとられ、矢印の方向から見た断面図
図12凝縮器部の蒸気流路を示す図3及び4の凝縮器−熱交換器複合装置の縦断面図
図13U字管を有する、本発明に従う凝縮器−熱交換器複合装置のもう1つの代表的な実施の形態を示す縦断面図
図14蒸気凝縮器外板と熱交換器外板との間の接続のための熱伸縮器構成を示す部分断面図

--

0025

10 従来の円筒多管式蒸気表面凝縮器
12,52 円筒外板
14,94蒸気流入開口
16,98凝縮液流出開口
18,58,100チューブ
20,60,102チューブシート
22チューブ支持板
24,68,174 流入−流出ヘッド
26,70水平仕切板
28,72 上部区画
30,78 下部区画
32,74,124,176冷却液流入開口
34,80,142,178 冷却液流出開口
36,76 戻しヘッド
38,54,106 上部チューブ束
40,56,110 下部チューブ束
42,96温水だめ
50 従来の円筒多管式熱交換機
62,114高温液体流入口
64,150内部バッフル
66,116 高温液体流出口
90 凝縮器−熱交換器複合装置
92 凝縮器外板
106a 上部チューブ束の外側部分
108中央チューブ束
110a 下部チューブ束の外側部分
112熱交換器外板
120流入ヘッド
122 流出ヘッド
125,143点検窓
126中央室
128円筒仕切板
130 流入ヘッドの外囲室
134 上部チューブ束及び下部チューブ束の内側部分
136仕切板
140 流出ヘッドの下部室
144保護用板、チューブ、またはロッド
146空気除去連結管
148空気バッフル
156伸縮継手
158熱伸縮素子
160 連結管
162ガス抜き孔
164排水孔
166内部チューブ支持板
170、172 U字管

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