(57)【要約】【課題】上下に分割された分割環状空間部を移動する際に、空気の流れが偏るのを防止して、熱交換効率の向上を図り得る熱交換器を提供する。【解決手段】内筒11内を流れる高温の排ガスと当該内筒と外筒12との間の環状空間室14に流される低温の空気との間で熱交換を行う熱交換器であって、環状空間室内に且つ円周方向に沿って仕切り板15を配置して排ガスの流れ方向において上下に分割環状空間部14a，14bを形成し、これら分割された下方の分割環状空間部14aに対応する外筒の所定位置に空気の導入ノズル16を形成するとともに、上方の分割環状空間部14bに対応する外筒の上記導入ノズルと略同じ円周方向位置に空気の導出ノズル17を形成し、これら導入ノズル及び導出ノズルとは反対側における分割環状空間部に対応する外筒に開口部18，19を形成するとともに、これら各開口部同士を接続する接続用ダクト20を設けたものである。【選択図】図１
2010025375.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内筒と外筒とにより二重管構造にされるとともに、内筒内にその軸心方向に沿って高温気体が流され且つ内筒と外筒との間に形成される環状空間室内に低温気体が上記高温気体の流れと直交する円周方向に流されて、高温気体と低温気体との間で熱交換を行うための熱交換器であって、
上記環状空間室内に且つ円周方向に沿って仕切り板を配置して高温気体の流れ方向において複数の分割環状空間部を形成し、
これら分割された複数の分割環状空間部の任意の分割環状空間部に対応する外筒の所定位置に低温気体の導入口を形成するとともに、他の分割環状空間部に対応する外筒の上記導入口と略同じ円周方向位置に低温気体の導出口を形成し、
上記導入口および導出口とは反対側における各分割環状空間部に対応する外筒にそれぞれ開口部を形成するとともに、これら各開口部同士を接続する接続用管路を設けたことを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
分割環状空間部の高さを、内筒の内径の３０〜８０％の範囲内としたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
導入口、導出口および各開口部の高さを、分割環状空間部の高さの７０〜８５％の範囲内としたことを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
【請求項４】
内筒および外筒を仕切り板による仕切り位置で分割するとともに、分割された両側の分割環状空間部に対応して仕切り板をそれぞれ配置し、且つ内筒および外筒の分割対向端面にフランジ部を設けるかまたは上記仕切り板の外径を大きくしてフランジ部の機能を持たせることにより両対向端面同士を連結・分離可能に構成したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温気体と低温気体との間で熱交換を行うための熱交換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、都市ごみや産業廃棄物の焼却過程で発生した灰を灰溶融炉に送り、この灰溶融炉における灰の溶融処理過程で発生した高温排ガスから熱を回収し、熱エネルギーの有効利用を図るために、排ガスの排出通路に熱交換器が設けられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ところで、この種の熱交換器として、より具体的には、図５および図６に示すように、排ガスの排出通路、すなわち煙道を形成する管体５１の外周に所定隙間を有して外筒５２を配置することにより、管体５１と外筒５２との間に低温の空気を導き得る環状空間室５３を形成したものが用いられている。勿論、上下には、環状の端板５４がそれぞれ配置されている。さらに、上記環状空間室５３においては、管体５１の軸心方向すなわち排ガスの流れる方向と直交する円周方向に空気を流すとともに両者の接触時間が増えるように、環状空間室５３内に仕切り板５５を設けて上下に二分割し、そしてこの仕切り板５５に連通用開口部５６を形成することにより、これら分割された上下の分割環状空間部５３ａ，５３ｂ内に空気を順次移動させて熱交換を行うようされていた。なお、下方の分割環状空間部５３ａに対応する外筒５２には空気の導入ノズル６１が設けられるとともに、上方の分割環状空間部５３ｂに対応する外筒５２には空気の導出ノズル６２が設けられており、さらに上記仕切り板５５に設けられる連通用開口部５６は上記各ノズル６１，６２とは１８０°対称位置つまり反対位置に設けられている。なお、図示していないが、この熱交換器、すなわち環状空間室５３を形成している管体５１および外筒５２については、煙道を形成する管体に対してフランジにより連結・分離可能に構成されている。
【特許文献１】特開平１０−３２５５２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来の構成によると、空気の導入ノズル６１から下方の分割環状空間部５３ａ内に入った空気は、導入ノズル６１とは反対側に円周方向に沿って移動した後、仕切り板５５に設けられた開口部５６から上方の分割環状空間部５３ｂ内に入り、そして逆向きに円周方向に沿って移動し空気の導出口から出て行くようにされていた。
【０００５】
このように、幅が狭い環状空間室５３にてその方向が逆方向に変更されるため、図７に示すように、上方の分割環状空間部５３ｂ内では、空気の流れが上方に偏ってしまうため、熱交換を効率良く行うことができないという問題があった。なお、図７の矢印は空気の流れ方向と速さとを示しており、矢印の長い方が速い状態を示しており、また空白部Ｋについては、空気の速さが小さい（遅い）ため、矢印を省略している。
【０００６】
そこで、本発明は、上下に分割された分割環状空間部を移動する際に、空気の流れが偏るのを防止して、熱交換効率の向上を図り得る熱交換器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明の請求項１に係る熱交換器は、内筒と外筒とにより二重管構造にされるとともに、内筒内にその軸心方向に沿って高温気体が流され且つ内筒と外筒との間に形成される環状空間室内に低温気体が上記高温気体の流れと直交する円周方向に流されて、高温気体と低温気体との間で熱交換を行うための熱交換器であって、
上記環状空間室内に且つ円周方向に沿って仕切り板を配置して高温気体の流れ方向において複数の分割環状空間部を形成し、
これら分割された複数の分割環状空間部の任意の分割環状空間部に対応する外筒の所定位置に低温気体の導入口を形成するとともに、他の分割環状空間部に対応する外筒の上記導入口と略同じ円周方向位置に低温気体の導出口を形成し、
上記導入口および導出口とは反対側における各分割環状空間部に対応する外筒にそれぞれ開口部を形成するとともに、これら各開口部同士を接続する接続用管路を設けたものである。
【０００８】
また、請求項２に係る熱交換器は、請求項１に記載の熱交換器における分割環状空間部の高さを、内筒の内径の３０〜８０％の範囲内としたものである。
また、請求項３に係る熱交換器は、請求項１または２に記載の熱交換器における導入口、導出口および各開口部の高さを、分割環状空間部の高さの７０〜８５％の範囲内としたものである。
【０００９】
さらに、請求項４に係る熱交換器は、請求項１乃至３のいずれかに記載の熱交換器の内筒および外筒を仕切り板による仕切り位置で分割するとともに、分割された両側の分割環状空間部に対応して仕切り板をそれぞれ配置し、且つ内筒および外筒の分割対向端面にフランジ部を設けるかまたは上記仕切り板の外径を大きくしてフランジ部の機能を持たせることにより両対向端面同士を連結・分離可能に構成したものである。
【発明の効果】
【００１０】
上記の構成によると、分割環状空間部同士を接続するための開口部を低温気体の流れ方向に沿うように設けるとともに、これら開口部同士を接続用管路により接続したので、低温気体の流れが接続用管により逆方向にスムーズに導かれるため、低温気体の流れ方向が逆方向に変化した場合でも、分割環状空間部内では均一な流れとなり、したがって高温気体と低温気体との間における熱交換効率の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態に係る熱交換器を、図１〜図３に基づき説明する。
本実施の形態にて説明する熱交換器は、例えば都市ごみ焼却炉から排出された灰を溶融させる灰溶融炉から排出された非常に高温の排ガス（高温気体の一例）と低温の空気（低温気体の一例）とを間接的に接触させて熱交換を行うことにより、排ガスの持つ熱を空気に与えて熱回収を図るものとして説明する。したがって、この熱交換器は、灰溶融炉から排出される高温の排ガスを導く排出通路、具体的には、煙道に設けられるものである。なお、この熱交換器は、通常、輻射式熱交換器と呼ばれており、排ガスの通路は管体だけであり、すなわち通路側にチューブ、プレート、フィンなどを設ける必要がなく、したがって高温の排ガス中に含まれるダストの付着による通路の閉塞などの心配がない。
【００１２】
図１に示すように、この熱交換器１は煙道２の途中に設けられるもので、所定内径Ｄを有するとともに煙道２側との接続用の端部フランジ１３が両端部に設けられた内筒１１と、この内筒１１の外面に所定隙間δを有し且つ両端部フランジ１３，１３間に配置されて環状空間室１４を形成する、言い換えれば、二重管構造つまりジャケットを形成する外筒１２と、これら内筒１１と外筒１２との間に形成された環状空間室１４を上下に分割する環状の仕切り板１５とから構成され、またこの仕切り板１５により分割された下方の分割環状空間部１４ａに対応する外筒１２における円周方向の所定位置には空気の導入ノズル（導入口の一例）１６が形成されるとともに、上方の分割環状空間部１４ｂに対応する外筒１２における円周方向の上記導入ノズル１６と同一位置には空気の導出ノズル（導出口の一例）１７が形成されている。
【００１３】
さらに、上記各分割環状空間部１４ａ，１４ｂに対応する外筒１２の円周方向における上記各ノズル１６，１７とは１８０°対称位置つまり反対位置には、開口部（図面上、ノズルとして示している）１８，１９がそれぞれ形成されるとともに、これら両開口部１８，１９同士は接続用ダクト（接続用管路の一例）２０により互いに接続されている。
【００１４】
上記各開口部１８，１９すなわち接続用ダクト２０の断面形状は矩形状（正方形および長方形の総称として用いている）にされ、また各ノズル１６，１７の断面形状については、開口部１８，１９と同一の形状および大きさにされている。
【００１５】
なお、煙道２側には、当該熱交換器１を接続するために、上記各端部フランジ１３に連結・分離可能な煙道側端部フランジ３が設けられている。
ここで、上記各分割環状空間部１４ａ，１４ｂの高さ、並びに上記各ノズル１６，１７および各開口部１８，１９の設置高さ位置およびそれぞれの開口径の大きさについて説明しておく。なお、内筒１１の内壁面には耐火材Ｔが貼り付けられるが、内筒１１の内径Ｄは耐火材を考慮しない寸法である。この耐火材Ｔは、熱交換用のガスに腐食成分が含まれている場合に設けられるもので、腐食成分が含まれていない空気の通路側には、耐火材は必要としない。
【００１６】
また、上記外筒１２の中間部分および接続用ダクト２０の中間部分には内筒１１が熱により伸縮した場合に対処し得るように、それぞれ伸縮継手部（エキスパンション部）１２ａ，２０ａが所定高さ範囲でもって設けられている。なお、この伸縮継手部については、便宜上、図１の仮想線で示しておく。
【００１７】
上記各分割環状空間部１４ａ，１４ｂの高さｈは内筒１１における内径Ｄとの関係で決定され、例えば空気の流速が１０〜４０ｍ／ｓの範囲内であるのが好ましく、この場合、各分割環状空間部１４ａ，１４ｂの高さｈは内筒１１の内径Ｄの３０〜８０％（例えば、５０％，６０％にされる）の範囲内にされている。
【００１８】
そして、各ノズル１６，１７の高さｄについては、各分割環状空間部１４ａ，１４ｂの高さｈの７０〜８５％の範囲内にされている。
また、各開口部１８，１９の高さｈ１は、各分割環状空間部１４ａ，１４ｂの高さｈの７０〜８５％の範囲内となるようにされる。なお、各ノズル１６，１７および各開口部１８，１９の中心が、それぞれの分割環状空間部１４ａ，１４ｂの高さ方向の中心位置となるように配置される。また、開口部１８，１９の幅については、例えば外筒１２と内筒１１との隙間寸法の２倍以上で且つ当該開口部１８，１９の高さｈ１以下の範囲内となるようにされる。なお、下限値を隙間寸法の２倍以上としたのは、各分割環状空間部１４ａ，１４ｂ内での流速よりも遅くして、接続用ダクト２０内での圧力損失の低減化を図るためである。
【００１９】
上記排ガスの流れ方向は内筒１１の軸心方向、例えば下方から上方に流れるが、空気はこの排ガスの流れとは直交する水平方向、つまり円周方向にされている。
上記構成において、灰溶融炉から排出された高温の排ガスが煙道２内を、すなわち熱交換器１の内筒１１内を下方から上方に流れている状態において、低温の空気が、空気の導入ノズル１６を介して下方の分割環状空間部１４ａ内に導かれて円周方向に沿って流れ、反対側の開口部１８から接続用ダクト２０および開口部１９を介して上方の分割環状空間部１４ｂ内に入った後、円周方向に沿って流れ、導出ノズル１７からそのまま外部に導出される。
【００２０】
そして、空気が各分割環状空間部１４ａ，１４ｂ内を流れている間に、内筒１１内を流れる高温の排ガスから放出される輻射熱により加熱されて熱回収が行われる。
ここで、各分割環状空間部１４ａ，１４ｂ内の空気の流れの状態を示すと、図３のようになる。なお、図３の矢印は空気の流れ方向と速さとを示しており、矢印の長い方が速い状態を示しており、見やすくするために、矢印の長さ（つまり、速さ）については、概略的に強弱の２段階でもって図示している。
【００２１】
図３から分かるように、上方の分割環状空間部１４ｂ内の空気の流れに偏りがなく、言い換えれば、上下に亘って均一に流れているのが良く分かる。具体的に説明すれば、下方の分割環状空間部１４ａの高さ方向の中心に設けられた導入ノズル１６から低温の空気が分割環状空間部１４ａ内に流入した後、やはり、高さ方向の中心に設けられた開口部１８から接続用ダクト２０内に入り、そしてこの接続用ダクト２０によりその方向が１８０°変更されて、上方の分割環状空間部１４ｂの高さ方向の中心に設けられた開口部１９から当該分割環状空間部１４ｂ内に入り、そして同じく高さ方向の中心に設けられた導出ノズル１７から外方に取り出されるため、空気が極めてスムーズに移動することになる。すなわち、内筒１１内を上下方向に流れている排ガスと、この流れとは直交する円周方向に流れる空気との輻射熱による熱交換が効率良く行われていることが分かる。
【００２２】
ところで、上記実施の形態においては、煙道２の途中に設けられる熱交換器１を分割しない一体ものとして説明したが、熱交換器１そのものを上下に分割した二分割構造にしてもよい。
【００２３】
すなわち、図４に示すように、熱交換器１の高さ方向の中央位置で上下に二分割するとともに、この分割した対向端面部にそれぞれ連結用フランジ機能を有する（つまり、煙道２に対して取り付けおよび取り外しを行い得る）仕切り板３１，３２を設けるようにしてもよい。言い換えれば、下方および上方の分割環状空間部１４ａ，１４ｂの仕切り板に対応する仕切り位置に仕切り板３１，３２がそれぞれ設けられる。この場合にも、図示しないが、外筒１２および接続用ダクト２０には、伸縮継手部（エキスパンション部）が設けられている。
【００２４】
このように、熱交換器１を上下に分割した二分割構造にするとともに、内筒１１における互いの対向端面部に連結用フランジ機能を有する仕切り板３１，３２を設けたので、必要に応じて、つまり熱交換器１の補修を行う場合には、煙道２との接続用の端部フランジ１３および両連結用フランジ３１，３２を外して熱交換器１を煙道２から取り外すことにより、容易に補修を行うことができる。
【００２５】
さらに、上記実施の形態においては、熱交換器１を上下に分割した二分割構造として説明したが、三つ以上に分割してもよい。勿論、この場合も、フランジ（またはフランジ機能）により取り外し可能にされることは言うまでもない。なお、３つ以上に分割すると、円周方向での空気の流速を速くすることができるので、熱交換効率を向上させることができる。
【００２６】
なお、上記実施の形態においては、排ガスが煙道２内を下方から上方に流れるものとして説明したが、逆に、上方から下方に流れるものであってもよい。
また、上記実施の形態においては、都市ごみ焼却炉から排出された灰を溶融させる灰溶融炉から排出された高温排ガスからの熱回収を行う場合について説明したが、このような場合に限定されるものでもなく、例えば都市ごみ焼却炉から排出された高温排ガスから熱回収を行う場合に適用し得る。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施の形態に係る熱交換器の概略構成を示す断面図である。
【図２】同熱交換器の断面図で、下半分は図１のＡ−Ａ矢視断面を示し、上半分は図１のＢ−Ｂ矢視断面を示している。
【図３】同熱交換器における空気の流れ状態を示す模式断面図である。
【図４】同熱交換器の変形例を示す断面図である。
【図５】従来例に係る熱交換器の概略構成を示す断面図である。
【図６】図５のＣ−Ｃ矢視断面図である。
【図７】従来例の熱交換器における空気の流れ状態を示す模式断面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１      熱交換器
２      煙道
１１      内筒
１２      外筒
１３      端部フランジ
１４      環状空間室
１４ａ    分割環状空間部
１４ｂ    分割環状空間部
１５      仕切り板
１６      導入ノズル
１７      導出ノズル
１８      開口部
１９      開口部
２０      接続用ダクト
３１      仕切り板
３２      仕切り板
【図１】
2010025375.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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