JP7610826B2 - ノズル式スチームトラップ - Google Patents

Description

本発明は、蒸気を熱交換することによって生じる凝縮水（以下「ドレイン」という）を蒸気から分離して排出するノズル式スチームトラップに関するものである。

加熱源などとして蒸気を用いる工場その他の施設では、操業の安定性、安全性を確保するために、熱交換機や蒸気の輸送経路中で発生するドレインを系外に排出するスチームトラップが用いられている。スチームトラップには各種可動方式のものがあるが、近年では可動部のないノズル式スチームトラップが用いられている。

ノズル式スチームトラップは、微細な通路を通過するときの動粘度が蒸気よりも水の方が低く、蒸気に比べて水の質量流量が多いことを利用している。その仕組みは、本体内にノズルを装着し、ノズルに設けられているドレイン排出孔によってスチームの通過を阻止し、ドレインのみを通過させる仕組みである。

スチームトラップでは、ドレインの排出量に応じてドレインの流量を調整する必要がある。従来の一般的なノズル式スチームトラップでは、ドレイン排出孔の径が異なるいくつかのノズルを用意しておき、適合するドレイン排出孔径のノズルを選択して装着する構成になっている。

このような従来のノズル式スチームトラップによれば、ドレインの流量を調整するには、内部空間を密閉している蓋などの部材を取り外してノズルを交換し、再び密閉するという作業が必要である。したがって、ドレインを適正な流量に調整するためには、ドレインの排出量を観察しながらノズルが適正であるか否かを判断し、ノズルの着脱を繰り返しながら調整する必要があり、作業に時間と労力を要していた。これに加えて、高温の蒸気やドレインに触れるため危険を伴っていた。

特許文献１記載の発明は、このようなノズル式スチームトラップの課題を解決するもので、ノズルのドレイン排出孔に対しノズルの一端側から進退するニードルを有する。このニードルは、外部からの操作によって進退し、ノズルとともにドレインの流量を調整するニードルバルブを構成している。

特許文献１記載の発明によれば、内部空間を開放してノズルを交換しなくても、ニードルバルブを調整することにより容易かつ短時間にドレインの排出量を微調整することができる。

特開２０１９－１９６８０７号公報

本発明は、特許文献１記載の発明をさらに改良し、ドレインの排出量の微調整をより的確かつ迅速に行うことができるノズル式スチームトラップを提供することを目的とする。

本発明は、
ドレイン流入口からドレイン排出口に至る経路に第１のノズルを有するノズル式スチームトラップであって、
前記第１のノズルはドレインの下流側が膨張室に通じ、前記膨張室は第２のノズルを経て前記ドレイン排出口に通じ、
外部操作により前記第２のノズルに対し進退して前記第２のノズルを通るドレインの流量を調整可能なニードルを有し、
前記ドレイン流入口側の圧力を検出する第１の圧力計と、前記第１のノズルのドレイン排出口側の圧力を検出する第２の圧力計を有し、
前記第１の圧力計と前記第２の圧力計による検出圧力差を前記ニードルにより調整してドレインの流量調整を可能にしたことを最も主要な特徴とする。

本発明に係るノズル式スチームトラップを通じて排出されるドレインの流量は、前記検出圧力差と第２のノズルの流路面積によって決まる。流量の目標値が決まれば前記検出圧力差が決まるので、この検出圧力差が目標値になるように第２のノズルに対するニードルの位置を調整する。このニードルの調整は第１および第２の圧力計による前記検出圧力によって行うことができるため、特許文献１記載の発明よりも一層容易で安全にかつ短時間にドレインの排出量を微調整することができる。

本発明に係るノズル式スチームトラップの実施例を示すドレインの流路に沿った断面図である。 前記実施例中のニードルの変形例を示す縦断面図である。 前記実施例中のニードルの別の変形例を示す縦断面図である。

以下、本発明に係るノズル式スチームトラップの実施例を、図面を参照しながら説明する。

［構成］
図１に示すように、ノズル式スチームトラップは、金属の鍛造品などからなるハウジング１を主体として構成されている。ハウジング１は、例えば、蒸気を使用する熱交換機のドレイン排出口などに接続されるドレイン流入口５と、連通路７を介してドレイン流入口５に連通しているドレイン排出口８を有する。ドレイン流入口５と連通路７との間にはストレーナ６がある。ハウジング１はストレーナ６のハウジングとともに一体に成形されている。

連通路７は、図１においてハウジングの下から上に向かったのち折り折り返して上から下に向かい、さらに横方向に直角に折れ曲がってドレイン排出口８に連通している。ハウジング１の上端は解放し、この開放端を蓋２によって塞ぎ、締結部材によって蓋２をハウジング１に密着させている。

ストレーナ６は、縦方向と横方向に一定間隔を保った網目状のフィルタを有し、網目の大きさ以上の錆や不純物などの異物が連通路７に流入するのを阻止する。ストレーナ６の端部にはキャップ１４が装着されている。キャップ１４を取り外すことによりフィルタを取り外し、フィルタを掃除できるようになっている。

連通路７には、図１においてドレインが下から上に向って流通する部分に第１のノズル１０が設けられている。第１のノズル１０は、下から上に向かって順に、第１ノズル部材１１、第２ノズル部材１２、第３ノズル部材１３が直列的に配置されることによって構成されている。

各ノズル部材１１，１２，１３は、ドレインを通過させる小さな孔であるノズル孔を有するとともに、それぞれのノズル孔よりもドレインの下流側に膨張室１４，１５，１６を有している。第３ノズル部材１３の下流側にある膨張室１６は、ハウジング１と蓋２との間に形成されている膨張室１７に連通している。

連通路７の、ハウジング１の上部で折り返されて下に向かう部分には第２のノズル２０が取り付けられている。第２のノズル２０はドレインの通路を狭めるドレイン孔２１を有する。ドレイン孔２１は横断面が真円の孔である。第２のノズル２０の下方に位置する連通路７は膨張室２２を構成している。前記膨張室１７は第２のノズル２０のドレイン孔２１を経て膨張室２２に連通している。膨張室２２はドレイン排出口８に連通している。

以上の通り、第１のノズル１０はドレインの下流側が膨張室１７に通じ、膨張室１７は第２のノズル２０を経てドレイン排出口８に通じている。

図１に示す実施例では、直列的に配置された複数のノズル部材１１，１２，１３で第１のノズル１０が構成されているが、第１のノズル１０は１個のノズル部材で構成してもよい。また、複数のノズル部材で第１のノズル１０を構成する場合、ノズル部材の個数は任意である。複数のノズル部材で第１のノズル１０を構成する場合、互いに等しいノズル孔径にしてもよいし、異なったノズル孔径にしてもよい。ノズル孔径については後でさらに説明する。

前記蓋2には、第２のノズル２０の上方において、スリーブ３１を介して上下方向にニードル4が装着されている。ニードル4の先端部すなわち図１において下端部４１は円錐形状に形成され、この円錐形状の下端部４１が第２のノズル２０のノズル孔２１の上端部に対向している。スリーブ３１は蓋２のねじ孔にねじ込まれている。ニードル４は、スリーブ３１にその中心軸線方向に挿入され、外周に形成されている雄ネジがスリーブ３１の内周に形成されている雌ねじにねじ込まれている。

ニードル4の下端部４１の最大径は第２のノズル２０のノズル孔２１の径とほぼ等しい。ニードル４をその中心軸線の周りに回転させると、前記雄ネジがスリーブ３の雌ねじにリードされて円錐形状の下端部４１が第２のノズル２０のノズル孔２１に対して進退する。ニードル４の進退によって、ノズル孔２１へのドレイン入り口面積、すなわち、ノズル２０の上端面におけるノズル孔２１とニードル４の先端部４１とによって形成されるリング状の隙間の面積が増減するようになっている。第２のノズル２０とニードル４とによってニードルバルブを構成している。

蓋２とスリーブ３１との接合部およびスリーブ３１とニードル４との接合部には、気密保持のためのシールが施されている。スリーブ３１の上端部にはキャップ３２がねじ込みによって被せられ、キャップ３２をニードル４の上端部が貫通している。ニードル４の上端部には、ニードル４を回転操作するためのハンドル４８が装着されている。

ノズル式スチームトラップは、ドレイン流入口５側に、ドレイン流入口５側の圧力を検出する第１の圧力計５１を有し、ドレイン流入口５に流入するドレインの温度を検出する温度計を有している。また、第１のノズル１０のドレイン排出口側の圧力すなわち膨張室１７の圧力を検出する第２の圧力計５２を有している。さらに、ドレイン排出口８側に、ドレイン排出口８側の圧力を検出する第３の圧力計５３を有している。これらの圧力計による検出圧力差に応じてニードル４を調整してドレインの流量調整を可能にしている。流量調整については後で詳細に説明する。

ニードル４によるドレインの流量調整は、前記圧力計５１，５２，５３や前記温度計による検出値に応じて行う。この流量調整は、手動操作することによって行ってもよいし、自動的に制御するようにしてもよい。図１には、自動的に制御する場合の例として、ニードル４を駆動するモータ７０と、モータ７０を制御する制御部６０を備えた例が示されている。制御部６０には、前記第１の圧力計５１による検出圧力Ｐ１，第２の圧力計５２による検出圧力Ｐ２，第３の圧力計５３による検出圧力Ｐ３，前記温度計の検出温度Ｔが入力される。

［動作］
これまで説明してきたノズル式スチームトラップの動作を説明する。ノズル式スチームトラップは、ドレイン流入口５が熱交換機や蒸気の輸送経路に接続し、ストレーナ６、第１のノズル１０、第２のノズル２０を経てドレイン排出口８からドレインを排出する。ドレインが第１のノズル１０、第２のノズル２０を通過する際に、各ノズルのノズル孔で流路が狭められることによる圧力の高まり、膨張室で膨張することによる圧力の低下を繰り返す。

第１のノズル１０は、直列的に配置された３個のノズル部材１１，１２，１３で構成されており、それぞれのノズル孔とそれぞれの膨張室１４，１５，１６によって圧力の高まりと膨張が繰り返される。複数のノズル部材１１，１２，１３においてスチームストラップ効果が発揮され、スチームストラップ効果が高まる。これによってドレインのみが通過し、蒸気の通過は阻止される。

図１に示す本発明の実施例に係るノズル式スチームトラップにおいて、ニードル４を回転させてその先端部４１を第２のノズル２０のノズル孔２１に向って侵入させると、ノズル孔２１へのドレインの侵入量は少なくなる。膨張室１７すなわち第１のノズル１０の下流側に設置されている圧力計５２の検出圧力Ｐ２は高くなる。ドレイン流入口５側の圧力はほぼ一定であるから、第１の圧力計５１の検出圧力Ｐ１はほぼ一定である。したがって、第１の圧力計５１と第２の圧力計５２の検出圧力差Ｐ１－Ｐ２は小さくなる。

検出圧力差Ｐ１－Ｐ２が所定の圧力差よりも小さくなるのは、第２のノズル２０を通るドレインの流量が少なすぎることによる。このような場合は、ニードル４を逆に回転させて第２のノズル２０を後退させ、ノズル孔２１とニードル４の先端部４１とによって形成される隙間の面積を拡大する。

第２のノズル２０を通るドレインの流量は、第２のノズル２０の流入側とドレイン排出口８側の圧力の圧力差すなわちＰ２とＰ３との差の平方根に比例して変動する。ノズル孔２１とニードル４の先端部４１とによって形成される隙間の面積を拡大すると第２のノズル２０を通るドレインの流量が増え、圧力Ｐ２が低下して検出圧力差Ｐ１－Ｐ２が大きくなる。

本発明の実施例によれば、ドレイン流入口５と、第１のノズル１０のドレイン排出口側の検出圧力差Ｐ１－Ｐ２によって、第２のノズル２０のドレインの流量を適正に調整することができる。

従来一般のノズル式スチームトラップは、ノズルのノズル孔径によってドレインの流量が決まる。したがって、ドレイン排出量を理論的に計算し、求められた排出量に基づいてノズル孔径を決定している。しかし、装置を稼働すると、ドレインが効率的に排出されないとか、スチームトラップを通じて蒸気が漏れるなどの問題が生じることがある。このような場合、ノズル孔径の異なるノズルと交換しながら適正な流量に設定している。高温高圧の蒸気を扱う装置であるため、このような調整作業には苦難を伴う。

その点、前記特許文献１記載のノズル式スチームトラップは、ノズルを交換することなく外部からニードルバルブを調整することにより、連続的に流量を調整することができる。しかし、特許文献１記載のノズル式スチームトラップは、ニードルバルブ調整の目安になるものがなく、ドレインの流れを目視しながら感によって調整せざるを得なかった。

本発明に係るノズル式スチームトラップの前記実施例では、ドレイン流入口５と、第１のノズル１０のドレイン排出口側の検出圧力差Ｐ１－Ｐ２という明確な指標に基づいて、第２のノズル２０のドレインの流量を調整する。したがって、生成されたドレインをその量に応じて的確に精度よく排出することができる。ドレインの排出量調整はニードルバルブによって連続的に行うことができ、ノズル孔径の異なるノズルを交換しながら調整する必要はないから、安全かつ迅速に調整することができる。

第２のノズル２０のノズル孔２１の径は理論上計算された孔径よりも大きい孔径とする。また、第１のノズル１０を構成するノズル部材１１，１２，１３のノズル孔よりもかなり大きく設定されている。そして、第２のノズル２０のノズル孔２１の実質的な開口面積はニードル４の先端部４１で制限される。第２のノズル２０を流れるドレインの流量はニードル４によって微調整する。

ドレインの流量を自動制御する場合は、第１、第２、第３の圧力計５１，５２，５３による検出圧力Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３と、ドレイン流入口５側の温度Ｔに基づいて、制御部６０がモータ７０を制御してニードルバルブの開度を調整する。ドレイン流入口５側に多くのドレインが存在すると温度Ｔが低下するので、制御部６０はモータ７０を制御してニードルバルブの開度を大きくして第２のノズル２０を通過するドレインの流量を多くする。

検出圧力Ｐ１，Ｐ２の差が小さい場合は、ドレイン量に対してニードルバルブの開度が小さいと判断できるので、制御部６０はニードルバルブの開度を大きくするようにモータ７０を制御する。

図示の実施例に係るノズル式スチームトラップを、ドレインの発生量の少ない蒸気輸送経路に設置することにより、大幅な省エネ効果を得ることができる。第１のノズル１０を連続した複数個のノズル部材１１，１２、１３で構成してスチームストラップ効果を高めたことと、ニードルバルブの微調整によってスチームストラップ作用を適正に調整できるようにしたことによる。具体的には、ドレインの発生量の少ない蒸気輸送経路では、検出圧力Ｐ１，Ｐ２の差が小さくなるようにニードルバルブを微調整する。

前述の通り、蒸気輸送経路でのドレイン発生量は少ないため、蒸気輸送経路にスチームストラップが設置されていても、スチームストラップによるドレイン排出量の調整は軽視されていた。調整を行うとしても、ノズル孔径の異なるノズルに交換することしか行われていなかった。図示の実施例に係るノズル式スチームトラップを蒸気輸送経路に装着しておけば、蒸気の排出を効率的に阻止することができ、省エネ効果を高めることができる。

［ニードルの変形例］
ノズル式スチームトラップでは、ノズルのノズル孔が異物で塞がれないように、ノズルの上流側にストレーナ６が配置されている。ストレーナ６は、前述のとおり、縦方向と横方向に一定間隔を保った網目状のフィルタが装填され、網目より大きい異物を捕捉してノズル孔が塞がれるのを防止している。

しかしながら、前記フィルタの網目より大きい異物が流入し、ノズル孔を塞ぐことがある。特に、本実施例のように、ニードル４の先端部４１と第２のノズル２０の上端とでニードルバルブを構成したものにおいては、ニードルバルブ部分の隙間は極狭くなり、この隙間が異物で塞がれ、目詰まりを起こすることがあり得る。

図２は、前記隙間が異物で塞がれることを防止するニードル４の変形例の一つである。図２において、ニードル４は、円錐形状の先端部４１と、前記スリーブ３１の雌ねじにねじ込む雄ネジ４２と、前記ハンドル４８の嵌合部４３を有する。ニードル４は、先端部４１の一部から雄ネジ４２にかけて、第２のノズル２０のノズル孔２１と対向する面に、ニードル４の長さ方向に沿ったスリット４５を有している。

前記スリット４５の幅または深さは、前記フィルタの網目の対角の長さ、したがって網目の大きさに２の平方根を掛けた値よりも大きく設定する。ストレーナ６のフィルタは、その網目の対角の長さの異物まで透過するので、かかる大きさの異物を第２のノズル２０のノズル孔２１を通過させる必要がある。ニードル４のスリット４５の幅または深さを前述のように設定しておけば、前記フィルタの網目をその対角方向に潜り抜けた異物を、スリット４５に沿って通過させ、前記ニードルバルブ部分の目詰まりを防止することができる。

図３はニードル４の別の例を示している。図３に示すニードル４は、ニードル４の長さ方向に沿って２つのスリット４５１，４５２を有している点が図２に示すニードル４と異なっている。２つのスリット４５１，４５２はニードル４の中心軸線を挟んで正反対の位置にある。スリット４５１，４５２の幅または深さは、図２におけるスリット４５と同様に設定する。他の構成は図２のニードル４と同じであるから、共通の符号を付して説明を省略する。

図２に示すノズル式スチームトラップのニードル４として図３に示すニードル４を使用すれば、異物によるニードルバルブ部分の目詰まりを一層効果的に防止することができる。

ニードル４のスリット４５、４５１，４５２に代えて、ニードル４が進退する第２のノズル２０のノズル孔２１側に一つまたは複数のスリットを有するものであってもよい。または、ニードル４のスリット４５、４５１，４５２とともに、ニードル４が進退する第２のノズル２０のノズル孔２１側にも一つまたは複数のスリットを有するものであってもよい。

１ ハウジング
２ 蓋
４ ニードル
５ ドレイン流入口
６ ストレーナ
７ 連通路
８ ドレイン排出口
１０ 第１のノズル
１１ 第１ノズル部材
１２ 第２ノズル部材
１３ 第３ノズル部材
１７ 膨張室
２０ 第２のノズル
２１ ノズル孔
２２ 膨張室
５１ 第１の圧力計
５２ 第２の圧力計
５３ 第３の圧力計

Claims (7)

1. ドレイン流入口からドレイン排出口に至る経路に第１のノズルを有するノズル式スチームトラップであって、
   前記第１のノズルはドレインの下流側が膨張室に通じ、前記膨張室は第２のノズルを経て前記ドレイン排出口に通じ、
   外部操作により前記第２のノズルに対し進退して前記第２のノズルを通るドレインの流量を調整可能なニードルを有し、
   前記ドレイン流入口側の圧力を検出する第１の圧力計と、前記第１のノズルのドレイン排出口側の圧力を検出する第２の圧力計を有し、
   前記第１の圧力計と前記第２の圧力計による検出圧力差を前記ニードルにより調整することでドレインの流量調整が可能であり、
   前記第１のノズルは、直列的に配置された複数のノズル部材で構成されているノズル式スチームトラップ。
2. 前記複数のノズル部材は、それぞれドレインの下流側に膨張室を有している請求項１記載のノズル式スチームトラップ。
3. 前記複数のノズル部材のノズル孔径は異なる請求項１または２記載のノズル式スチームトラップ。
4. 前記複数のノズル部材のノズル孔径は等しい請求項１または２記載のノズル式スチームトラップ。
5. 前記ニードルは、前記第２のノズルのノズル孔と対向する面に前記ニードルの長さ方向に沿ったスリットを有する請求項１ないし４のいずれかに記載のノズル式スチームトラップ。
6. 前記ドレイン流入口側にストレーナを有し、前記スリットは、前記ストレーナを通り抜ける異物が通過できる幅または深さである請求項５記載のノズル式スチームトラップ。
7. 前記ニードルの前記スリットに代え、または前記ニードルの前記スリットとともに、前記ニードルが進退する前記第２のノズルのノズル孔側にスリットを有する請求項５または６記載のノズル式スチームトラップ。

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