(57)【要約】【課題】  キューポラ等に乾燥空気を送り込む装置において、空気の取入口側と取出口側との熱交換効率を、より向上させて、全体としての省エネルギー化を達成できるようにした新規な除湿空気の供給ダクト装置を提供する。【解決手段】  本発明は、ダクト本体１０の一方を空気の取入口１１とするとともに、他方を空気の取出口１２とし、更に、その内部には除湿装置１５を設け、その除湿装置１５を挟んだ領域を熱交換機により連係した構成とするものであり、取入口１１からの空気を除湿処理するとともに、取入口１１と取出口１２との温度差を平準化させ、取出口１２から目的設備２に空気を供給する装置であって、熱交換機はヒートパイプ２０を適用して成ることを特徴とする。【選択図】図１
2006112706.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダクト本体の一方の開口を空気の取入口とするとともに、他方の開口を空気の取出口とし、
更にダクト本体の内部には除湿装置を設け、その除湿装置を挟んだ領域を熱交換機により連係させた構成とし、
前記取入口からの空気を除湿処理するとともに、取入口と取出口との温度差を平準化させ、取出口から目的設備に空気を供給する装置において、
前記熱交換機は、ヒートパイプを適用して成ることを特徴とする除湿空気の供給ダクト装置。
【請求項２】
前記ダクト本体は、取入口と取出口との途中を湾曲させて、取入口と取出口とを、ほぼ並設した状態とし、この並設範囲に複数本のヒートパイプを配設するようにしたことを特徴とする請求項１記載の除湿空気の供給ダクト装置。
【請求項３】
前記複数本のヒートパイプは、各パイプに作用する温度が均衡するように配置されていることを特徴とする請求項２記載の除湿空気の供給ダクト装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば製鉄用鉱炉や鋳物工場のキューポラ等に、燃焼用の空気を供給するために用いることが適切な装置に関するものであって、特に供給される空気が除湿状態であることが要求される場合において、そのランニングコストを大幅に低減し得る新規な除湿空気の供給ダクト装置に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば製鉄用鉱炉やキューポラ等は、高温燃焼のために大量の空気供給を要するが、鉄鉱石等の原料の溶融作業を安定して行うには、充分に除湿処理された空気の供給が求められている。
このようなことから、従来は供給ダクト内に除湿装置を設けるのが一般的な形態となっており、この除湿において採用される原理は、取り入れた空気を冷却し、空気が含有し得る水蒸気の限界量（飽和水蒸気量）を低下させることにより、余剰水蒸気分の水滴化を図り、水分として補集、除去し、供給空気の除湿を図るというものである。このため、キューポラ等に供給される空気は、除湿に伴い冷却も同時に受けた空気が供給されることとなる。
【０００３】
しかしながら、キューポラ等に供給される空気は、燃焼促進が目的であることを考慮すると、必ずしも冷却されたものが好適とは言えなかった。このため従来の空気供給手法にあっては、例えば図５に示すように、除湿のために、一旦、冷却した空気を、加熱してからキューポラ等に供給するものであった。すなわち従来手法では、外気吸入側となる取入口１１′側と、燃焼用空気吐き出し口側となる取出口１２′側とを連係するように熱交換機を配して、取入口１１′側の冷却前の空気カロリー（外気熱量）を、冷却後の取出口１２′側の空気に作用させ、これを加熱してからキューポラ等に供給する手法が採られていた。また、この場合の熱交換手法は、例えば、単に水やブライン液等を熱媒体とし、これを循環させて熱交換するのが一般的であった。
【０００４】
しかしながら、このような手法は、熱媒体の顕熱利用による熱交換に過ぎず、また熱媒体を循環させるための動力も要するため、その運転効率は必ずしも良好なものではなく、まだ改善の余地があった。
因みに、従来装置における、空気の冷却や加温等を具体的な実機による数値を挙げて説明すると、上記図５に併せて示すように、例えば３５℃程度の吸入外気（この外気は標準状態で一例として１ｍ3 当たり２５ｇ程度の水分を含有する）を装置内に取り込んで除湿する場合、除湿つまり飽和水蒸気量を強制的に低下させるために、取り込んだ空気を４℃程度にまで冷却する必要があった。また、キューポラ等に供給するにあたっては、この冷却、除湿した空気を、吸入外気との熱交換によって最終的に１７℃程度までに加熱してキューポラ等に供給するものであった（除湿後の加温空気は標準状態で一例として１ｍ3 当たり５ｇ程度の水分を含有する）。このように、キューポラ等に供給する空気は、除湿冷却後、４℃から１７℃までの約１３℃程度しか昇温できず、また入口空気も３５℃から２９℃までしか冷却できない。そのため、除湿用冷凍機は、２９℃から４℃まで冷却が必要となり、冷却除湿負荷は非常に大きなものとなっていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、このような背景を認識してなされたものであって、取入口側と取出口側との熱交換効率を更に向上させて、全体としての省エネルギー化を達成できるようにした新規な除湿空気の供給ダクト装置の開発を試みたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
すなわち請求項１記載の除湿空気の供給ダクト装置は、ダクト本体の一方の開口を空気の取入口とするとともに、他方の開口を空気の取出口とし、更にダクト本体の内部には除湿装置を設け、その除湿装置を挟んだ領域を熱交換機により連係させた構成とし、前記取入口からの空気を除湿処理するとともに、取入口と取出口との温度差を平準化させ、取出口から目的設備に空気を供給する装置において、前記熱交換機は、ヒートパイプを適用して成ることを特徴として成るものである。
【０００７】
また請求項２記載の除湿空気の供給ダクト装置は、前記請求項１記載の要件に加え、前記ダクト本体は、取入口と取出口との途中を湾曲させて、取入口と取出口とを、ほぼ並設した状態とし、この並設範囲に複数本のヒートパイプを配設するようにしたことを特徴として成るものである。
【０００８】
更にまた請求項３記載の除湿空気の供給ダクト装置は、前記請求項２記載の要件に加え、前記複数本のヒートパイプは、各パイプに作用する温度が均衡するように配置されていることを特徴として成るものである。
【発明の効果】
【０００９】
これら各請求項記載の発明の構成を手段として前記課題の解決が図られる。すなわち請求項１記載の発明によれば、ヒートパイプの原理を利用しているから熱交換効率に優れ、且つ従来のように熱媒体を強制的に循環させるための動力が一切不要であるため、装置全体としての省エネルギー化が達成できる。また供給する空気も充分に加温（昇温）された状態の乾燥風が供給し得るものであり、製鉄用鉱炉等に用いるのに、より適した空気が供給できる。
【００１０】
また請求項２記載の発明によれば、ヒートパイプの配設態様が、より合理的に成し得る。
【００１１】
更にまた請求項３記載の発明によれば、各ヒートパイプに掛かる熱負荷をほぼ均等にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の最良の形態は、以下の実施例に述べるとおりであって、更に、この技術思想の下において改良し得る種々の形態を包含するものである。
【実施例】
【００１３】
以下、本発明を図示の実施例に基づいて具体的に説明する。本発明の除湿空気の供給ダクト装置１は、一例として図１に示すように、キューポラや製鉄用鉱炉等の目的設備２に燃焼用の空気を供給するものであり、空気供給は、当然、圧送により行われるため、装置の前段にはブロワ３が設けられるものである。
以下、本発明の除湿空気の供給ダクト装置１について、更に具体的に説明する。図中符号１０はダクト本体であって、例えば角形断面の中空状ダクトであり、その前段側に取入口１１を開口させ、他の端部に取出口１２を開口させている。なお、上記図１に示す実施例では、ダクト本体１０は、取入口１１と取出口１２との間の胴部（途中部）に、一部、湾曲部１３を設け、これによってあたかもダクト本体１０を反転させ、取入口１１と取出口１２とを並設するような構成としている。
【００１４】
そして、ダクト本体１０の取入口１１付近にはエアフィルタ１４を設けるとともに、ダクト本体１０の内部には空気流に作用するように除湿装置１５を設ける。この除湿装置１５は、通常の除湿原理に従うものであって、一例として二基の冷却装置を具えて成り、これらを一次冷却装置１６、二次冷却装置１７とする。なお、これら一次冷却装置１６と二次冷却装置１７とには、それぞれヒートポンプが適用されるものであり、ダクト本体１０内には冷却のための蒸発器（各別に示す場合には１６ａ、１７ａとする）のみが設けられる。更にまた、二次冷却装置１７の蒸発器１７ａの後段には、冷却によって空気流から除去された水分を、補集、除去するフィルタ状のエリミネータ１８を設けるものである。
【００１５】
そして、本発明の特徴的な構成として、前記ダクト本体１０の取入口１１の近傍と、取出口１２の近傍とを連係するように熱交換機としてのヒートパイプ２０を多数本設ける。ヒートパイプ２０は、一例として図１に併せて示すように、コンテナと呼ばれる管状の本体（以下、コンテナＣとする）に、フロンやＣＯ2 等の適量の熱媒体Ｍを封入し、真空にしたものであり、コンテナＣ内部には網目状素材等によるウィック層Ｗが形成されている。なお、このウィック層Ｗは、液化した熱媒体Ｍを毛細管現象や重力等により能率的に移動させるためのものである。また、図中符号ＦＩは、熱交換効率を高めるためのフィンである。
【００１６】
ここでヒートパイプ２０の作動について説明すると、取入口１１側が相対的に高温となる外気風と接触し、取出口１２側が相対的に低温となる除湿冷風と接触するため、ヒートパイプ２０は、取入口１１側が加熱される部位（加熱部）となり、取出口１２側が熱を放出する部位（放熱部）となる。このため、取入口１１側においては、外気風からの加熱によって、液体状の熱媒体Ｍ自体が蒸発、気化し、この結果、ガス状となってヒートパイプ２０内を取出口１２に向かって移動する（外気風から見ると、ヒートパイプ２０に熱を与えた分、冷やされる）。一方、取出口１２側では、除湿冷風に熱を放出して、ガス状の熱媒体Ｍは凝縮し、液化して取入口１１側に戻るものである（除湿冷風から見ると、ヒートパイプ２０から放熱された分、加熱される）。この際、ウィック層Ｗの毛細管構造や、液化した熱媒体Ｍ自体の重力等により、液化した熱媒体Ｍが瞬時に取入口１１側に戻るものである。本発明では、このようにヒートパイプ２０内で熱媒体Ｍを還流させることにより熱交換を行うものであり、この現象自体は、熱媒体Ｍの液相・気相の相変化（状態変化）、すなわち潜熱を利用した極めて効率的な熱交換手段である。なお、このような作用上、ヒートパイプ２０から見ると、取入口１１側は蒸発部であり、取出口１２側は凝縮部とも言える。
【００１７】
なおダクト本体１０に取り込まれた外気は、ダクト内を流れる間に、上述した構成部材により種々の処理を受け、温度や湿度が変化するため、ここで各段階に応じた名称を付し空気流について整理する。まず外気は比較的高い温度であるため外気温風Ｆ１とする。また、この外気温風Ｆ１はエアフィルタ１４によって塵やゴミなどが除去されるため、ここを通過したものを除塵温風Ｆ２とする。また、除塵温風Ｆ２はヒートパイプ２０の作用により予備冷却されるため、ここを通過したものを予冷風Ｆ３とする。また予冷風Ｆ３は、一次冷却装置１６の作用により冷却されるため、ここを通過したものを一次冷風Ｆ４とする。また一次冷風Ｆ４は、二次冷却装置１７の作用により目的の温度まで冷却されるため、ここを通過したものを二次冷風Ｆ５とする。また二次冷風Ｆ５は、エリミネータ１８によって冷却空気中に存在できない水分が除去（除湿）されるため、ここを通過したものを除湿冷風Ｆ６とする。そして、除湿冷風Ｆ６は、取出口１２近傍においてヒートパイプ２０の作用により加熱されて、所望の除湿と加温処理が成された状態となるため、これを除湿加温風Ｆとする。
【００１８】
本発明の除湿空気の供給ダクト装置１は、以上のような基本構造を有するものであり、以下、この装置によって、取り込んだ外気（外気温風Ｆ１）を除湿、加温して目的設備２に供給する態様について説明する。
（１）外気の取り込みと除塵
例えば外気をブロワ３により導入し、ダクト本体１０内に導く。因みに実機としての設定仕様の一例としては、１時間当たりの空気吸入量は、標準状態で２１００００ｍ3 で、湿分は１ｍ3 当たり２３ｇである。また、この空気の温度（外気温）は、３５℃程度であり、相対湿度（ＲＨ）で示すと約５９％程度となる。なお、外気温風Ｆ１は、ダクト本体１０に取り込まれた後、エアフィルタ１４によって塵やゴミ等が捕捉された除塵温風Ｆ２としてヒートパイプ２０の蒸発部に至るものである。
【００１９】
（２）ヒートパイプによる余冷
除塵温風Ｆ２は、ヒートパイプ２０の蒸発部に至ると、パイプ内に封入された熱媒体Ｍによって熱が奪われて予冷（予備冷却）される。ここでヒートパイプ２０による冷却を「予冷」と称したのは、空気（予冷風Ｆ３）が、この後の除湿装置１５（二基の冷却装置１６、１７）によって、目的の温度まで冷却されるためである。因みに、この予冷風Ｆ３の温度は、ヒートパイプ２０の設置数や熱媒体Ｍの種類等にも因るが、一例として２１℃程度までに冷却されるものである。なお、熱媒体Ｍによる除塵温風Ｆ２からの吸熱は、ヒートパイプ２０からすると、熱が加えられたことになり、これにより取入口１１部分の熱媒体Ｍは蒸発し、取出口１２側に移動するものである。
【００２０】
（３）除湿装置による冷却と除湿
ヒートパイプ２０によって予備冷却された予冷風Ｆ３は、その後、除湿装置１５によって目的の温度（一例として４℃程度）まで冷却される。ここでは、除湿装置１５が二基の冷却装置１６、１７によって構成されるため、予冷風Ｆ３は、一次冷却装置１６によって１０℃程度までに冷却され、一次冷風Ｆ４は二次冷却装置１７によって４℃程度まで冷却される。
なお、空気（外気温風Ｆ１）は、このような冷却（予冷、一次冷却、二次冷却）を順次受けることによって、飽和水蒸気量が低下し、余剰分の水蒸気分が水滴化し、微細な霧状となって空気流に乗って移送される。このため、この水滴は、最終的にエリミネータ１８によって捕捉され、ドレン水Ｄとして除去される。従って、エリミネータ１８を通過した空気（除湿冷風Ｆ６）は冷却とともに除湿処理も施された状態となる。
【００２１】
（４）ヒートパイプによる加温
そして、本実施例では、除湿冷風Ｆ６は、この後、湾曲部１３を経て、取出口１２側に至り、前記ヒートパイプ２０のもう一端側となる凝縮部に至る。ここで除湿冷風Ｆ６は、パイプ内に封入された熱媒体Ｍによって温められ、所望の湿度と温度とを有する除湿加温風Ｆとなって目的設備２に供給されて行く。なお、熱媒体Ｍが除湿冷風Ｆ６に熱を与えることは、ヒートパイプ２０からすると、熱が奪われたことになり、これにより、この取出口１２部分の熱媒体Ｍは凝縮、液化し、ヒートパイプ２０内の主にウィック層Ｗを通って取入口１１側に移動する。
【００２２】
また、このようなヒートパイプ２０を適用した熱交換のシステムにおいてはヒートパイプ２０内の熱媒体Ｍが、取入口１１側において、除塵温風Ｆ２を予冷するように働くものであるから、熱媒体Ｍから見ると、このものが加熱され真空条件と相まって容易に気化、移動し、取出口１２側において除湿冷風Ｆ６に作用（加温）し、この際、熱媒体Ｍとしては冷却され、気体状の熱媒体Ｍが液化し、取入口１１側に還流するものである。このように、ヒートパイプ２０における熱媒体Ｍの作用は、液相と気相との相変化であり、潜熱利用による熱交換であるため、その運転効率に優れ、取入口１１側（蒸発部）で除塵温風Ｆ２を充分に予備冷却でき、また取出口１２側（凝縮部）で除湿冷風Ｆ６を充分加熱することができる。またヒートパイプ２０自体は内部に封入した熱媒体Ｍの気化・液化による循環流が形成されるだけであるから、格別、熱媒体Ｍを循環させるためのポンプ等の動力を必要とせず、極めて効率的である。
【００２３】
ここでヒートパイプ２０の配置について説明する。上記図１に示した実施例では、向流状態の除塵温風Ｆ２と除湿冷風Ｆ６とに対して複数のヒートパイプ２０を配設しており、取入口１１側において除塵温風Ｆ２と最初に接触する、言わば除塵温風Ｆ２に対して上流側のヒートパイプ２０は、取出口１２側では除湿冷風Ｆ６と最後に接触する、言わば下流側に配するものである。同様に、取入口１１側において除塵温風Ｆ２と最後に接触する、言わば除塵温風Ｆ２に対して下流側のヒートパイプ２０は、取出口１２側では除湿冷風Ｆ６と最初に接触する、言わば上流側に配するものである。このような配置により、取入口１１側において予冷蒸発温度が最も高いヒートパイプ２０を、取出口１２側では加熱温度が最も高い位置に配するものであり、また取入口１１側において予冷蒸発温度が最も低いヒートパイプ２０を、取出口１２側では加熱温度が最も低い位置に配するものである。これによって各ヒートパイプ２０に掛かる温度を均整化することができ、充分な冷却効果、加熱効果が期待できるものである。
【００２４】
なお上記図１は、平面から視た供給ダクト装置を骨格的に示したものであるため、複数のヒートパイプ２０の配置が明確ではないが、熱交換効率から言えば、例えば図２に示すように、上下方向にも複数のヒートパイプ２０を配設することが好ましい。特に、この場合、除塵温風Ｆ２や除湿冷風Ｆ６等の流れに対して交互にヒートパイプ２０を配設する、すなわち下流側に配置されるヒートパイプ２０を上流側のものの間に配置することにより、より一層、熱交換効率を高め得るものである。
因みに本装置の運転性能、特に熱交換機の運転性能は、顕熱利用の従来の熱交換機に対して、ほぼ２倍程度の高能率を示すことが本出願人によって確認されている。
【００２５】
〔他の実施例〕
本発明は以上述べた実施例を一つの基本的な技術思想とするものであるが、更に次のような改変が考えられる。すなわち先に述べた実施例は、ヒートパイプ２０を極めて合理的に配置すべく、取入口１１から取出口１２に至るまでの間の流路に湾曲部１３を形成し、取入口１１と取出口１２とを並設するように形成した。しかしながら、例えば図３に示すように、湾曲部１３を介在させずにダクト本体１０をほぼ直線状に形成することも可能である。この場合、ヒートパイプ２０は取入口１１と取出口１２とに作用するように、長寸のものとして形成される。
【００２６】
また、先に述べた基本の実施例では、取入口１１と取出口１２とをほぼ水平に並べて設けるとともに、ヒートパイプ２０も、これらを流れる空気流に対してほぼ直交するように、ほぼ水平に配置した（図４（ａ）参照）。これは、ヒートパイプ２０に設けられるフィンＦＩをほぼ鉛直に設けるとともに（水滴を落下させるため）、熱媒体Ｍの液化と気化とを伴う循環を促進し、より能率的に熱交換が行い得る点で合理的な配置であるが、ヒートパイプ２０は、必ずしも、ほぼ水平に配置するだけでなく、例えば図４（ｂ）に示すように、取出口１２側を幾らかでも上方に向ける設置態様とすることも可能であり、これはヒートパイプ２０内の熱媒体Ｍの移動を促進させるための傾斜である。すなわち、熱媒体Ｍは取入口１１側において蒸発、気化して取出口１２側に移動するため、上記傾斜配置によって、この上昇移動を行い易くするものであり、また熱媒体Ｍは取入口１１側において凝縮、液化して取入口１１側に移動するため、上記傾斜配置によって、この落下移動を行い易くするものである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の除湿空気の供給ダクト装置を骨格的に示す平面断面図である。
【図２】複数のヒートパイプの配置態様を示す斜視図である。
【図３】ダクト本体をほぼ直線状に形成した他の実施例を示す平面断面図である。
【図４】図１におけるＩ方向から視たヒートパイプの配置態様を示す説明図（ａ）、並びに同方向から視たヒートパイプの他の配置態様を示す説明図（ｂ）である。
【図５】従来の除湿空気の供給装置を骨格的に示す平面断面図である。
【００２８】
１        除湿空気の供給ダクト装置
２        目的設備（キューポラ）
３        ブロワ
１０      ダクト本体
１１      取入口
１２      取出口
１３      湾曲部
１４      エアフィルタ
１５      除湿装置
１６      一次冷却装置
１６ａ    蒸発器
１７      二次冷却装置
１７ａ    蒸発器
１８      エリミネータ
２０      ヒートパイプ
Ｃ        コンテナ
Ｄ        ドレン水
Ｆ        除湿加温風
Ｆ１      外気温風
Ｆ２      除塵温風
Ｆ３      予冷風
Ｆ４      一次冷風
Ｆ５      二次冷風
Ｆ６      除湿冷風
ＦＩ      フィン
Ｍ        熱媒体
Ｗ        ウィック層
【図１】
2006112706.tif 000003
【図２】
2006112706.tif 000004
【図３】
2006112706.tif 000005
【図４】
2006112706.tif 000006
【図５】
2006112706.tif 000007