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技術 境膜剥ぎ取り熱交換器とそれを使用した熱交換方法

出願人 千葉陽一日本パルスモーター株式会社
発明者 千葉陽一
出願日 2003年6月20日 (17年6ヶ月経過) 出願番号 2003-176209
公開日 2005年1月13日 (15年11ヶ月経過) 公開番号 2005-009804
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 一般的な熱交換又は熱伝達装置の細部4
主要キーワード 外部スペース 滴状凝縮 伝熱機構 瞬間加熱装置 機械工 低温度差 境膜伝熱係数 海洋温度差発電
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重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2005年1月13日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (7)

課題

熱媒流体の間で熱交換を行う境膜剥ぎ取り熱交換器を提供する。

解決手段

熱伝導性の良い材料によって形成された円筒状の伝熱体6と、前記伝熱体を回転駆動する回転駆動手段と、前記伝熱体の内部に配置され前記伝熱体の内周面近接あるいは摺接して境膜を剥ぎ取る内部固定羽根9と、前記伝熱体の外周面に近接あるいは摺接して境膜を剥ぎ取る外部固定羽根5とを備え、前記伝熱体の内外に流す温度差のある流体同士の間で前記伝熱体を介して熱交換を行うようにしたことを特徴とする境膜剥ぎ取り熱交換器。

概要

背景

食品工場などにおいて,例えばポタージュスープコーンスープなどといった高粘性液体を加熱したり冷却するために種々の形態の熱交換器が使用されている。

概要

熱媒流体の間で熱交換を行う境膜剥ぎ取り熱交換器を提供する。熱伝導性の良い材料によって形成された円筒状の伝熱体6と、前記伝熱体を回転駆動する回転駆動手段と、前記伝熱体の内部に配置され前記伝熱体の内周面近接あるいは摺接して境膜を剥ぎ取る内部固定羽根9と、前記伝熱体の外周面に近接あるいは摺接して境膜を剥ぎ取る外部固定羽根5とを備え、前記伝熱体の内外に流す温度差のある流体同士の間で前記伝熱体を介して熱交換を行うようにしたことを特徴とする境膜剥ぎ取り熱交換器。

目的

本発明は、伝熱体(管体)の回転によって高温側および低温側の流体境膜を同時に機械的に剥き取る二重境膜剥ぎ取り熱交換器を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
2件

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請求項1

熱伝導性の良い材料によって形成された回転体からなる伝熱体と、前記伝熱体を回転駆動する回転駆動手段と、前記伝熱体の内部に配置され前記伝熱体の内周面近接あるいは摺接して境膜を剥ぎ取る内部固定羽根と、前記伝熱体の外周面に近接あるいは摺接して境膜を剥ぎ取る外部固定羽根とを備え、前記伝熱体の内外に流す温度差のある流体同士の間で前記伝熱体を介して熱交換を行うようにしたことを特徴とする境膜剥ぎ取り熱交換器

請求項2

熱伝導性の良い材料によって形成された回転体からなる伝熱体と、前記伝熱体を回転駆動する回転駆動手段と、前記伝熱体の周囲に所定のスペースをもって配置したジャケットと、前記伝熱体の内部に配置され前記伝熱体の内周面に近接あるいは摺接して境膜を剥ぎ取る内部固定羽根と、前記ジャケット内に配置され伝熱体の外周面に近接あるいは摺接して境膜を剥ぎ取る外部固定羽根とを備え、前記伝熱体の内外に流す温度差のある流体同士の間で前記伝熱体を介して熱交換を行うようにしたことを特徴とする境膜剥ぎ取り熱交換器。

請求項3

前記内部固定羽根および外部固定羽根の先端にはテフロン羽根が設けられていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の境膜剥ぎ取り熱交換器。

請求項4

前記伝熱体の内外に流す流体は、一方が液体、他方が気体、あるいは両方が液体、あるいは両方が気体のいずれかであることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれかに記載の境膜剥ぎ取り熱交換器。

請求項5

熱伝導性の良い材料によって形成された回転体からなる伝熱体を回転させ、伝熱体の内部に流体を、伝熱体の外部に前記流体と温度差の有る流体を流し、伝熱体内部に配置した内部固定羽根によって伝熱体内周面の境膜を剥ぎ取り、さらに伝熱体の外周面に配置した外部固定羽根によって伝熱体外周面の境膜を剥ぎ取りながら、伝熱体の内外に流す温度差のある流体同士の間で伝熱体を介して熱交換を行うようにしたことを特徴とする境膜剥ぎ取り式熱交換方法

技術分野

0001

本発明は,熱媒流体の間で熱交換を行う境膜剥ぎ取り熱交換器とそれを使用した熱交換方法に関するものであり、特に、化学工業、機械工業あるいは食品工業等で使用される熱交換器の性能を大幅に向上させることを目的に、金属壁の両側(高温流体ならびに低温流体)の境膜を同時に剥ぎ取ることができる熱交換器とそれを使用した熱交換方法に関するものである。

背景技術

0002

食品工場などにおいて,例えばポタージュスープコーンスープなどといった高粘性液体を加熱したり冷却するために種々の形態の熱交換器が使用されている。

0003

しかし従来の熱交換器は以下のような問題点が指摘されている。
(1)従来の管型熱交換器総括伝熱係数高々5000[W/(m2 ・K)]程度のものであり、これを倍に高めることは至難である。
(2)伝熱管フィンを付すもの、溝を付すもの、管内に伝熱促進体を挿入するものなどの工夫がなされているが製作が煩瑣な割に大幅な改善には至っていない。また、噴流を利用する伝熱促進法は用途が限定される。
(3)従来の熱交換器は流量を増すことによって伝熱速度を高める方式なので、たとえば冷却器の場合、伝熱速度を大きくしようとすれば、伝熱関与しない流体部分も多くなるので冷却水を大量に使用しなければならない点が難点である。
(4)平板型にすると管型より伝熱量当りの流体使用量は幾分改善できるが、圧力損失が極めて大きなものとなり動力消費が大きい。
(5)長期運転あるいは不純物の多い流体では、熱交換器性能を大幅に低下させるスケールの付着が問題である。
(6)瞬間的に加熱冷却量を制御することは流体の時間遅れのためほとんど不可能である。
(7)滴状凝縮熱交換器(蒸気側滴状凝縮、冷却水側境膜剥ぎ取り)は高温側を蒸気に限定しており、滴状凝縮できる表面状態にしてはじめて達成される極めて限定された装置である。
(8)蒸気が膜状凝縮する場合は性能が大幅に低下する。これを打開する対策として管表面に溝をつけ、液が溝(凹部)に吸い込まれ、液のない凸部の金属面に蒸気が絶えず凝縮することによって高伝熱を維持するフルーテッド管がある。しかし、これはあくまで蒸気が液になるという特性を利用したものであり、相変化しない流体には使えない。
(9)凝縮液を剥ぎ取る方法として管を振動する試みがなされたことがあるが、消費動力の割に大きな効果を得ておらず実用化は実現していない。
(10)コロナ風を利用した凝縮促進および液剥ぎ取りの試みも実用に至っていない。
(11)蒸気室ジャケット外管)外部に回転磁場を与え液膜剥ぎ取り羽根磁石付きロータ羽根)を回す方法も考えられるが、設備費および運転経費の面から試行されていない。
(12)いろいろな試みにもかかわらず管外部の液膜または境膜を取り除く適切な方法が提案されていないのは構造的に難しいことにある。

0004

また、伝熱効率の低下を防止するために、伝熱壁を介して熱媒と高粘性液体の間で熱交換を行う熱交換器に供給される高粘性液体に気体混入させて、伝熱壁の内面に形成される境膜の厚さを薄くするものも提案されている(特許文献1)。

0005

【特許文献1】
特開2000−283694号(解決手段)

0006

しかし、前記公報に記載されたものも、伝熱壁の両面の境膜を剥ぎ取ることが出来ず熱効率の向上の面で不十分である。

0007

本発明は、
(1)伝熱を高めるために高温流体および低温流体の使用流量を増大させることは好ましくないので、伝熱速度は流量とは独立に調節できるようにする。
(2)平板型熱交換器や噴流型熱交換器に利用されている程度の動力は、伝熱増進のために必要であるとの立場立ち動力利用を視野に入れた解決方法を模索する。
(3)滴状凝縮ではの伝熱面の存在および滴が動くことが高熱伝達に重要な役割を演じているので、これに近い伝熱機構を敢り入れる。

発明が解決しようとする課題

0008

以上の考えに基づき、本発明は、伝熱体管体)の回転によって高温側および低温側の流体境膜を同時に機械的に剥き取る二重境膜剥ぎ取り熱交換器を提供することにより、上記従来の問題点を解決せんとするものである。
本発明は、伝熱体の両面の境膜を羽根等の機械的手段によって強制的に剥ぎ取ることにより伝熱効率を向上させることができる熱交換器〔二重境膜剥ぎ取り熱交換器(Doub1e Fim Robber Heat Exchanger、DFR−Heat Exchanger)〕であり、高温流体側の境膜も剥ぎ取り、高温流体を滴状凝縮に出来ない場合でも高効率の熱伝達を達成することができる。この結果、高温側は蒸気でも液体でも良くなり、広汎な利用用途が期待できる。

課題を解決するための手段

0009

このため、本発明が採用した技術解決手段は、
熱伝導性の良い材料によって形成された回転体からなる伝熱体と、前記伝熱体を回転駆動する回転駆動手段と、前記伝熱体の内部に配置され前記伝熱体の内周面近接あるいは摺接して境膜を剥ぎ取る内部固定羽根と、前記伝熱体の外周面に近接あるいは摺接して境膜を剥ぎ取る外部固定羽根とを備え、前記伝熱体の内外に流す温度差のある流体同士の間で前記伝熱体を介して熱交換を行うようにしたことを特徴とする境膜剥ぎ取り熱交換器である。
また、熱伝導性の良い材料によって形成された回転体からなる伝熱体と、前記伝熱体を回転駆動する回転駆動手段と、前記伝熱体の周囲に所定のスペースをもって配置したジャケットと、前記伝熱体の内部に配置され前記伝熱体の内周面に近接あるいは摺接して境膜を剥ぎ取る内部固定羽根と、前記ジャケット内に配置され伝熱体の外周面に近接あるいは摺接して境膜を剥ぎ取る外部固定羽根とを備え、前記伝熱体の内外に流す温度差のある流体同士の間で前記伝熱体を介して熱交換を行うようにしたことを特徴とする境膜剥ぎ取り熱交換器である。
また、前記内部固定羽根および外部固定羽根の先端にはテフロン羽根が設けられていることを特徴とする境膜剥ぎ取り熱交換器である。
また、前記伝熱体の内外に流す流体は、一方が液体、他方が気体、あるいは両方が液体、あるいは両方が気体のいずれかであることを特徴とする境膜剥ぎ取り熱交換器である。
また、熱伝導性の良い材料によって形成された回転体からなる伝熱体を回転させ、伝熱体の内部に流体を、伝熱体の外部に前記流体と温度差の有る流体を流し、伝熱体内部に配置した内部固定羽根によって伝熱体内周面の境膜を剥ぎ取り、さらに伝熱体の外周面に配置した外部固定羽根によって伝熱体外周面の境膜を剥ぎ取りながら、伝熱体の内外に流す温度差のある流体同士の間で伝熱体を介して熱交換を行うようにしたことを特徴とする境膜剥ぎ取り式熱交換方法である。

0010

図1は本発明に係る熱交換器の断面図および図中A−A断面図である。
図において、1はジャケット、2a、2bはジャケットの両端に液密に取り付けた閉塞部材、3はジャケット内に流体を流す流入口、4a、4bはジャケット内から流体等を排出する流出口、5はジャケット内に配置する外部固定羽根、6はジャケット内に配置する熱伝導性のよい材料(たとえば銅等)で構成された伝熱体(管体)、7a、7bは伝熱体6の端部に固着されるとともに閉塞部材2a、2bに回転自在に嵌合されているホルダー、8はホルダーを回転自在に保持する軸受、9は伝熱体6内に非回転状態に保持される内部固定羽根、10bはホルダー7bに設けられた熱媒の流入口、10aはホルダー7aに設けられた熱媒の流出口である。なお、前記ジャケット1に設けた流出口4a、4bは必ずしも二つ必要ではなく、一つでもよいことは当然である。外部固定羽根5、内部固定羽根9は、羽根部に流体の通過孔(図示例では長方形をした孔が内部固定羽根では1枚につき3個形成されている)を適宜形成しており、この通過孔の形状も適宜設定することができる。また、図中11、12はシールド部材である。

0011

ジャケット1の両端は対応する閉塞部材と液密に固着されており、この例では、ジャケット1内に流入口3から流体(気体)が流入し、二つの流出口4a、4bのうち一方の流出口4aからは熱交換された流体(気体)の一部が、また他方の流出口4bからは熱交換され滴状となった液体および気体が排出される構成となっている。なお、前述の説明ではジャケット1内に流入する流体が気体の場合について説明したが、流入する流体が液体の場合には流出口4a、4bは一つにすることも可能である。

0012

閉塞部材2a、2bには、ホルダー7a、7bが軸受8によって回転自在に保持され、一方のホルダー7aはプーリを兼用した形状となっている。ホルダー7a、7bには伝熱体6が固定されており、ホルダー(プーリ)7aには図示せぬ駆動手段がベルト連接され、駆動手段によりホルダー7a、伝熱体6を回転できる構成となっている。なお、伝熱体6は本例では熱伝導性のよい材料(銅)で構成された管状のものであるが、回転するのに支障がなければ、内外の固定羽根9、5の形状等ともあわせて、種々の形状(たとえば瓢箪型の回転体など)に変えることも可能である。また、ホルダー7aの回転はプーリ式に限定することなく、歯車式チェーン式、さらにはホルダー7aをモータ回転軸直結する直動式等、種々の伝導機構を採用することもできる。

0013

伝熱体6とジャケット1によって形成されるスペースには図1に示すように2枚の外部固定羽根5が配置され、この外部固定羽根5の外周側がジャケット1に固定され、内周側が伝熱体6の外部表面に摺接あるいは数ミリ以内(最大2ミリ程度)の隙間をもって配置される構成となっている。尚、外部固定羽根5の枚数は1枚以上適宜枚数とすることができる。また外部固定羽根5の伝熱体6の摺接部、あるいは近接部にはテフロン(登録商標)等の材料によって形成されたブレード13を取り付けることが望ましい。

0014

伝熱体6の内部には内部固定羽根9が非回転状態に配置されており、この内部固定羽根9は図示のように4枚式となっている。なお、内部固定羽根9の枚数は適宜変更することができる。内部固定羽根9の外側は外部固定羽根5と同様に伝熱体6の内周面に摺接あるいは数ミリ以内の隙間(最大2ミリ程度)をもって配置される構成となっており、内部固定羽根9の伝熱体6の摺接部あるいは近接部にはテフロン等の材料によって形成されたブレード14を取り付けることが望ましい。

0015

伝熱体6には、ホルダー7a、7bを貫通して熱媒の流出口10a、流入口10bが設けられており、熱媒が伝熱体6内に流入し、熱交換をおこなった後、伝熱体6の内部から流出できるようになっている。

0016

図に示す熱交換器の作用を説明する。
ここでは伝熱体6の内部に流入する流体は冷却水であり、またジャケット1内に流入する流体は蒸気であり、これらの流体間で熱交換を行うものである。
先ず、伝熱体6の流入口10bから冷却水を入れ、また、ジャケット1の流入口3から蒸気を流入させる。さらに伝熱体6をモータ等の駆動手段により回転させる。この状態の中で伝熱体6を介して冷却水と蒸気との間で熱交換が行われ、暖まった冷却水は、流出口10aから外部に排出され、また蒸気は伝熱体6で冷却され、一部が液滴となり伝熱体6の外表面に付着する。伝熱体6側では内部表面および外部表面が、内部固定羽根9および外部固定羽根5によって境膜が剥ぎ取られるため、熱交換の効率が向上する。そして伝熱体6の外周に付着した液滴は外部固定羽根5で剥ぎ取られ、ジャケット1内に流入した蒸気とともに、流出口4aからは冷却された蒸気が、また流出口4bからは液滴と蒸気が混合した状態で排出される。

0017

上記熱交換器では、伝熱体6の内周面および外周面に形成される境膜が常に内部固定羽根9、外部固定羽根5によって剥ぎ取られるため、熱交換効率を向上させることができる。
なお、上記例では熱媒を冷却水、流体を蒸気としているが、温度差のある種々の流体の組み合わせで使用することができることは当然である。

0018

図2にこの熱交換器の総括伝熱係数Uを示す。二重境膜剥ぎ取り熱交換器(2)のUは管内に4枚羽根、管外に2枚羽根を設置した場合の結果、二重境膜剥き取り熱交換器(4)のUは管内、管外ともに4枚羽根を設置した場合の結果である。なお、図には蒸気側を滴状凝縮させ、冷却水側を4枚羽根とした場合の最高性能のU値も示している。2本の、点線は2枚羽根および4枚羽根を使った場合の境膜伝熱係数hw実験値である。

0019

以下に上記熱交換器を実際のシステムに使用した例を説明する。
〔実施例1〕
海洋温度差発電に於ける熱交換器
図3に示すようにこの熱交換器は、発電用タービンを回すためのシステムに組み込まれ、本発明に係る熱交換器が2個使用されている。一方の熱交換器は、深層の冷たい海洋水をポンプPで汲み上げ熱交換器の伝熱体6内に流入させ、また伝熱体6の外部スペースにはタービンからの蒸気を冷却して凝縮する。熱交換器で凝縮されたタービン駆動用の流体は2個目の熱交換器で表層の暖かい海洋水によって蒸気にされタービンを駆動する。この例では海洋水の深層部、表層部の温度差を利用するため2個の熱交換器をシステム内に使用している。

0020

〔実施例2〕
温排水プールからの熱回収
図4に示すようにこの熱交換器は、内部固定羽根9および外部固定羽根5を備えているもののジャケット1を備えておらず、伝熱体6が回転する構成となっている。この熱交換器は、冷却している純水を伝熱体6内に供給し温排水プールの水と熱交換して純水を暖め、排出できる構成となっている。

0021

〔実施例3〕
温排水からの熱回収
図5に示すようにこの熱交換器は、伝熱体6内に冷却している純水を供給し、工場からの温排水と熱交換して純水を暖め、排出できる構成となっている。

0022

煙突排ガスからの熱回収
〔実施例4〕
図6に示すようにこの熱交換器は、伝熱体6内に冷却している純水を供給し、工場からの排ガスと熱交換して純水を暖め、排出できる構成となっている。

発明を実施するための最良の形態

0023

以上、本発明に係る熱交換器の例について説明したが、上記各実施形態は現在最も実現し易い方法、装置を例にとって説明しているにすぎない。例えば、熱交換器のジャケットは必ずしも必要ではなく、また、伝熱体の駆動方法も種々の手段を採用することができる。また伝熱体内、伝熱体の外部に供給する流体も、液体に限定することなく、液体、気体等の組み合わせで使用することもできる。また、熱交換器は加熱器としても使用することができる。
さらに、本発明はその精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいかなる形でも実施できる。そのため、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず限定的に解釈してはならない。

図面の簡単な説明

0024

以上詳細に説明したように、本発明によれば、次のような優れた効果を奏することができる。
(1)総括伝熱係数を従来の4倍〔20000[W/(m2 ・k)]以上に大きく出来、伝熱量を大幅に改善できる。
(2)伝熱体6を回転させる動力を必要とするが、2000rpmで従来の2.5倍の総伝熱係数が得られるため、小型化が可能である。
(3)使用冷却水量あるいは使用加熱流体を大幅に軽減できる。
(4)従来利用価値のなかった低温度差流体からも熱回収ができ、温排水の熱利用が進む。
(5)たとえば海洋温度差発電における熱交換器あるは排ガスからの熱回収装置など、広汎な用途が拓かれる。
(6)レスポンスの速い伝熱制御ができるので食品の殺菌などを目的とした瞬間加熱装置にも利用できる。
(7)羽根が伝熱体6壁近傍の境膜を剥ぎ取ってスケールの付着を防止するので、スケール対策に要する経費が大幅に軽減される。

図1
本発明に係る熱交換器の断面図および図中A−A断面図である。
図2
本熱交換器の総括伝熱係数Uを示す図である。
図3
海洋温度差発電における熱交換器の適用例を示す図である。
図4
温排水プールからの熱回収の例を示す図である。
図5
温排水からの熱回収の例を示す図である。
図6
煙突排ガスからの熱回収の例を示す図である。
【符号の説明】
1ジャケット
2a、2b閉塞部材
3 流入口
4a、4b 流出口
5外部固定羽根
6 伝熱体
7a、7bホルダー
8軸受
9内部固定羽根
10a熱媒の流出口
10b 熱媒の流入口
11、12シールド部材
13、14テフロン(登録商標)製のブレード

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