JPS6326317B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は空気を送りこんで加熱液体と接触させ
るための強制通気手段を有する向流蒸発熱交換器
に関する。本発明は特に空気の流入および充填材
からの流出が同一軸に添つて行なわれるクロスフ
ロー強制通気冷却塔に関する。更に詳しくは、本
発明は高温液滴が乱流空気プレナムチヤンバー
（plenum chamber）中に落下し、その際高速の
乱流空気がこれらの自由落下液滴に衝突し、衝突
時および充填材中に再流入時に液滴の微細分散を
起こすように設計された冷却塔に関する。

蒸発熱交換において、熱は液体例えば水と周囲
の空気との間で交換される。液体の温度は空気と
の直接の熱交換並びに熱が蒸発潜熱の形で除去さ
れる液体の部分蒸発によつて減少され、その結果
生ずる蒸気は塔から出る排気流中で除去される。

通常の冷却塔において、液体と空気の間の接触
はパツキングまたは充填材と称される構造を用い
ることによつて高められる。充填材は通常は格子
あるいは枠組みであり、その上を液体は周囲空気
流に同時に曝されながらしたたり落ちるか、およ
び／または膜を形成する。冷却塔の熱交換特性は
液体が冷却塔を通過する際の液体／空気の界面を
増大することによつてのみならず、また液体およ
び空気の両者の流れの乱流度を増大することによ
つても改良される。

本発明の主たる目的は、投下設備資金当り、単
位送風機エネルギー消費当りの最大熱交換効率を
与えるように液体と空気の界面が最適化された冷
却塔を提供することである。

更に本発明の目的は高熱効率およびコンパクト
な冷却塔を提供することにあり、ここでは最小の
囲い寸法における乱流中の液体と空気との混合が
改良されている。

更にまた、本発明の目的は塔に空気流を提供す
る空気動力装置が遮蔽され、液体すなわち正常運
転およびフアン―オフ（fan―off）操作の際の空
気流あるいは湿つたプレナムチヤンバー中に誘引
されている液滴との接触を回避することにより腐
食から保護されている冷却塔を提供することであ
る。

これらおよびその他の目的を念頭において、本
発明の冷却塔は、ハウジングのフアン壁から間隔
をあけて置かれた充填材を有するハウジングより
なる。フアン壁内には充填材の表面及び内部に空
気を送りこむための通常の手段がある。充填材の
表面は液体が充填材上を下方に向かつて移動する
と共に、壁と充填材間の距離が増大するように傾
斜している。このように、空気推進手段を有する
フアン壁から離して配置されている充填材は、乱
流領域中を落下する液滴が流入する空気と混合し
て充填材表面にぶつかり、これらが霧に分解し、
合体し、更に充填材に添つて落ち、次いでまた乱
流領域中に落下するような乱空気流領域を限定す
る。充填材要素上および乱流領域を通つて下方に
通過した後、液体は最終的に塔の底に液溜として
集まり、そこで必要により再循環されあるいは放
出されることができる。

「強制通気冷却塔」という用語は、推進手段に
よつて塔の内部に引込まれた周囲空気が塔ハウジ
ング内部において充填材と如何なる接触も行なう
前に、先ず推進手段を通過する冷却塔を指すもの
である。それはまた、操作中のプレナムチヤンバ
ーが大気圧に対して正圧におかれていることも意
味する。

「誘導通気冷却塔」という用語は、塔ハウジン
グ内に引き込まれた周囲空気が充填材中を通過
し、推進装置を通過する前に蒸発液体で負荷され
るようになる冷却塔を指すものである。それはま
た、プレナムチヤンバーが大気圧に対して負圧状
態に置かれていることを意味する。

従来技術の装置は、塔内に取り込まれる空気の
乱流通路、充填材に対する推進手段の位置および
液滴が充填材内以外を流れる乱空気流領域が存在
しないなどの種々の点において、本発明とは区別
されるものである。反対に、従来技術は画一的に
ルーバーあるいは垂直充填材配向によつて液体が
乱流プレナム領域に入ることを防止すべきことを
教示している。

例えば米国特許第2872168号は空気推進手段が
塔底の液体を保持するルーバーを付けられた壁の
下に水平に設けられているような強制通気冷却塔
を示している。プレナムスペースは、装置最上部
で排出する排気空気出口のついた乾燥空気領域と
なつている。

米国特許第2732190号は、下方に移動する液体
が充填材構造を離れて乱空気流領域中に移動する
ようには誘導されていないような垂直充填材を有
する二重ポンプユニツトを示している。

同様に、米国特許第3286999号はまた、液体が
乱空気流領域に入ることを防止している垂直充填
材を有する塔を示している。

その他の公知の大量生産されたユニツトにおい
ては、駆動機構は塔ハウジング内にありそれが腐
食に曝されるようになつており、また充填材は各
種理由によつて傾斜しているにもかかわらず、充
填材表面は液体が充填材壁とフアンの間に限定さ
れる乱空気流領域内に落下することを防止するよ
うにルーバーを付けられている。

以下図面を参照して、本発明を更に詳細に説明
する。第１図は本発明の冷却塔の等角投影図を、
第２図は冷却塔の特定のプレナムチヤンバーを示
し、第１図の―断面図であり、第３図は空気
推進装置およびその支持部材を示す。

第１図中、上部壁１３、フアン壁１４、空気流
出領域１５、および側壁１６，１７を有して内部
室１８を形成するハウジング１２を有する冷却塔
１１が示されている。塔１１はベース１９上に置
かれている。フアン壁１４内の周囲空気入口５０
には、それぞれ側壁１６および１７中のフランジ
２１，２２およびベース１９中の肩部２３によつ
て凹部２０が形成されている。凹部２０はフアン
駆動モーター装置２４として示されている空気推
進装置のための凹室を提供する。装置２４は、モ
ーター２５、プーリー２６および軸流フアン２８
を回転させるための駆動ベルト２７とよりなる。
円状の軸流フアンが好ましいものとして示されて
いるが、特に静かな操作が望ましい場合には遠心
フアンのようなその他の空気推進装置もまた適当
である。フアン装置２４は意図しないあるいは事
故による運動中のフアン駆動装置２４への侵入を
防止するように、スクリーン２９によつて保護さ
れている。第１図にはまた、通常の高温液体をパ
ン３０内に流入させるための入口３１を有する通
常の液体分配パン３０が示されている。パン３０
は高温液体を内部室１８内の充填材手段３３（第
２図に示す）上に均一に分配するように多くの分
配ノズル３２を通して塔の内部に連結されてい
る。ノズル３２は上部パンを出る液体が、好まし
くは充填材手段３３上へのみ流入するようなパタ
ーンで配置されている。ハウジング１２内にはま
た、充填材手段３３の下のベース１９の液溜３５
（第２図）中に集められた冷却液体が塔１１から
除去されるための出口３４が設けられている。そ
の他の態様においては、液体はパン３０のような
分配手段を用いることなく、直接充填材手段３３
上に散布することができる。

フアン駆動モーター装置２４は、装置２４に液
体のはねかかりまたは噴霧がフアンオフ操作中に
最小となるようにフアン壁１４の外に取付けられ
ていることが示されている。通常液体中には液体
の性質をコントロールするために殺菌剤、殺カビ
剤、スケールおよび腐食防止およびその他の添加
剤のような処理試薬が含まれている。不幸にし
て、これらの添加剤は未保護状態の酸化性表面に
極めて腐食性が高いことがある。このように装置
２４を内部室１８の外側で凹部２０内に設置する
ことはモーター類、ベアリング類などを腐食劣化
から保護するために極めて望ましい態様である。

本発明において、特別の注意を必要とする一面
が存在する。あらゆる通常の強制通気クロスフロ
ー冷却塔においては、空気推進手段例えばフアン
からの空気流は特にフアン表面に近い部分におい
て極めて乱流度が高い。そのような乱流性は本発
明に至るまでは全く望ましくないものとして見な
されていた。この想定された欠点を克服するため
に、間隔の許すかぎりにおいて充填材表面はフア
ン表面からなるべく遠くに配置されていた。勿
論、この結果、今必要とされるよりも、より大き
な塔となるかあるいは充填材を詰めるための縦方
向のスペースが小さい塔となつていた。更に、従
来公知のクロスフロー塔は層流が得られるように
空気流を平滑にするために整流板その他の手段が
用いられていた。本発明において、驚くべきこと
に、フアン表面と充填材表面間のスペースは短く
することができ、層流空気流を実施するためのあ
らゆる付属手段は除去することが可能であること
が見出された。この簡約化によつて相当に伝熱の
高められた縦方向の寸法の短い、よりコンパクト
の塔が提供される。

第２図を参照すると、上図にはハウジング１
２、フアン壁１４および空気出口領域１５を有す
る冷却塔１１が示されている。塔１１の内部室１
８には側壁１６，１７に取り付けられたブラケツ
ト３６によつて懸架されている充填材手段３３が
配置されている。その他の取付けおよび固定装置
も極めて適切なものであり、塔の操作に本質的な
関連を有するものではない。重要なことは充填材
手段３３が移動しないように安定性を確保すべき
ことである。充填材手段は任意の通常の設計のも
のであつてもよいが、最も好ましくは、同時係属
中のBAC―59（タイトル名：冷水塔用充填物装
置、カーター等（Carter et al）による本発明と
同日出願）に記載される設計のものが良く、この
出願の開示内容は全て本発明において準用する。
充填材手段３３は側壁１６，１７間の全内部室１
８を横切つて横方向に延在するのが最適である。
充填材手段３３はプレナムチヤンバー４１をその
間に限定するようにフアン壁１４から離して置か
れる。充填材手段３３の表面３７はベース３９に
近い下方部分３８が充填材手段３３の上部部分４
０よりもフアン壁１４から距離が大きくなるよう
に傾斜している。一般的に最上部分４０からベー
ス３９への傾斜は均一であることが好ましいが、
表面３７の傾斜が曲面である場合も極めて適当で
ある。

このように、表面３７はフアン壁１４に対して
部分球状、凹面、凸面、楕円面あるいは任意の幾
何学的曲面を示すことが可能である。必須要件
は、充填材あるいはその任意の個々の板に関して
フアン壁１４に対面している充填材あるいはそれ
らの個々の板について末端部の各々の点がそれよ
り上の点よりもフアン壁１４に近接していないこ
とであり、最下部の末端点が上部の点よりも更に
フアン壁１４から遠いことである。

最も望ましい充填材設計では、複数の垂直に配
向された板が間隔を離して配置される。そのよう
な設計においては、板は平面上である必要はな
く、円弧状シートよりなることもできる。しかし
ながら、各々の板の水平軸は通常塔内の空気流の
方向に一致させることが必要である。この最適設
計において、フアン壁１４に対面する各々の板の
端部は、プレナムチヤンバー４１が上記の如く形
成されるように内方に傾斜している。好ましい実
施態様において、全表面３７は、全板が表面３７
の同一平面上に末端部を有するように一直線上に
並べられた隣接充填板で構成される。これは、し
かしながら、操作上必須のことではなく、充填材
手段３３の表面３７を形成する各各の板の末端
は、任意の高さにおいて個々のフアン壁１４から
均一の距離よりもむしろ種々の距離におかれるこ
とが可能である。

充填材の表面３７の傾斜角度が均一、すなわち
傾斜が不変の場合には、プレナムチヤンバー４１
は上部壁１３、前面壁１４、充填材表面３７およ
び液溜３５の表面４２とによつて台形の断面構造
をとる。勿論、充填材３３の全ての部材が一直線
にない場合には各台形は合同にはならない。合同
であることは操作上に必須のことではなく、従つ
て、充填材シートは所望により一致したものでな
くてもよい。

ベース１９は好ましくはその中に水盤壁５１中
の挿入部材４５、立上り要素４６および受台部分
３９によつて形成されている上方に延在する凹み
部分４５を有する台座４３および４４上に支持さ
れている。屋根部分３９は該要素４６によつて補
強され、装置の全重量を支え、液体の移動による
塔の操作重量を減少し、また、フオークリフトト
ラツク装置のフオークが冷却塔１１を所望の場所
に輸送するために挿入部分４５に挿入されること
を可能にする。

次に冷却塔の操作を説明する。被冷却液体は入
口３１から通され、そこで液体は分配パン３０に
広がり、第２図に示されるように上壁１３を介し
て内部室１８内に連結するノズル３２を通してし
たたり落ちる。そこで液滴は充填材手段３３の頂
部上に分配され、下方に流れる。充填材３３の充
填材表面３７は液滴４３によつて例示される液滴
をプレナムチヤンバー４１中に導く。このよう
に、例えば液滴４３が外部末端３７に近づくとプ
レナムチヤンバー４１内の乱空気流領域に垂直に
落下する。フアン２８によつて室１８を流れてい
る空気流は液滴４３に衝突し、水滴を水平方向に
動かして充填材手段３３中に吹込み、充填材手段
と衝突し、より小さな液体粒子に分散されて伝熱
を高める。この過程は液滴４３′および４３″など
のあらゆるその他の充填材表面３７から出てプレ
ナムチヤンバー４１に入る液滴または細流によつ
て繰返される。

前述の如く、プレナム４１においては乱空気流
が最も望ましいものである。この乱流は空気／液
体混合を高め、プレナムチヤンバーを落下する液
滴を充填材表面に衝突させる。勿論、このプレナ
ム中の非層状空気流は充填材中を通過するにつ
れ、一般的により水平方向となり充填材内の空気
通路の影響の下に真直ぐにされる。これらの空気
通路は通常、塔の縦軸すなわちフアン手段から充
填材からの空気出口に至る軸方向に直線状に並べ
られる。充填材を出てからそれは示された空気出
口から、あるいは例えば上部壁１３中のその他適
当な排気口から排出される。

空気乱流が望ましいことが判明したので、フア
ンにより誘導される乱流あるいは非層状空気流を
減少するためのフアン駆動モーター装置部分ある
いは同様の装置を設けないことが極めて好ましい
こととなる。これらの装置の具体例としては、軸
受け、軸受け用支持体、整流板などが含まれる。
また、従来技術により用いられた液体を充填材領
域に含有するために用いられ、そのようにして気
流を妨害するための全ての障壁は存在しない。こ
の不存在により乱流を少なくとも表面３７から充
填材３３の深さにまで、少なくとも部分的に延長
あるいは侵入することが可能となる。

第３図に示されるように、フアン表面から充填
材表面への非層状空気流が全く障害物がないよう
にフアン２８を設けることは必ずしも常に可能で
はない。この実施態様においては、冷却塔の大き
さは健全な設計がシヤフト５２を支える軸受け５
３の内部配置を要求する程度のものである。

軸受け５３はこのようにフアン２８の下流に位
置されているが、この軸受けおよびその支持梁５
４の存在が有するかもしれない乱流をおさえる効
果は、軸受け５３をフアンハブ５５の円筒状突起
内に完全に置くようにすることによつて最小にす
ることができる。支持手段５４はフアンによつて
作り出される初期乱流を妨害あるいは減少しない
ようにフアン２８からなるべくはなして置くのが
望ましい。

更に、モーターは塔がフアンオフ態様において
操作されている場合に、羽根の間から出る蒸気よ
りも下に置かれる。これにより、層状の蒸気が有
する高温に常に曝されることによるフアンの腐食
を防止する。

以上、本発明の好ましい実施態様について本発
明を詳細に説明したが、本発明を理解すれば本発
明の特許請求の範囲に掲げられる趣旨および範囲
から離れることなく、各種変化あるいは修正を行
うことが可能であることは、本発明の分野の当業
者にとつて明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の冷却塔の等角投影図である。
第２図は冷却塔の特に空間室を示す第１図の―
に添つた断面図である。第３図は空気推進装置
およびその支持部材である。 図において、冷却塔…１１、ハウジング…１
２、上部壁…１３、フアン壁…１４、空気流出領
域…１５、側壁…１６および１７、内部室…１
８、ベース…１９、フランジ…２１，２２、駆動
モーター装置…２４、モーター…２５、プーリー
…２６、駆動ベルト…２７、軸流フアン…２８、
スクリーン…２９、高温液体入口…３１、ノズル
…３２、充填材手段…３３、液溜…３５、充填材
手段の表面…３７をそれぞれ表わす。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ (イ) その中に内部室を形成するようにベー
   ス、側壁、フアン壁、末端壁および頂部壁を有
   するハウジング； (ロ) 周囲空気を該ハウジングの内部室に強制送風
   するために設けられた、駆動手段に連結された
   空気推進手段を有するフアン壁の開口部； (ハ) 該ハウジングの内部室から空気を排出するた
   めに設けられた末端壁または頂部壁の少なくと
   も一個の開口部； (ニ) 該内部室において実質的に頂部壁からベース
   かつ一方の側壁から他方の側壁に延在し、頂部
   壁に対向する第１の端部およびフアン壁に対向
   する第２の端部を有する熱交換手段； (ホ) 該熱交換手段の第１の端部に液体を分配する
   ための手段、および (ヘ) 該熱交換装置を通過して冷却された液体を集
   めるための手段、 を組合わせてなり、 該熱交換手段の第２の端部は、その上の全ての
   点がその点より上にあるその端部上の他の点より
   もフアン壁に近接しないように垂直面から傾斜
   し、且つフアン壁との間にプレナム空気領域を与
   えまた該空気推進手段により生起された風を直接
   受けるようにフアン壁に対して間隔を有し、それ
   によつて液体が該熱交換手段の該第２の端部から
   該プレナム中に自由にしたたり落ち続いて生起さ
   れた風により該熱交換手段に吹きもどされるよう
   にされている、 強制通気蒸発熱交換器。 ２ 前記熱交換手段の第２の端部が全体で１つの
   平面を形成する特許請求の範囲第１項記載の蒸発
   熱交換器。 ３ 前記熱交換手段の第２の端部並びに前記ハウ
   ジングのフアン壁、頂部壁およびベース壁によつ
   て台形形状が形成される特許請求の範囲第１項記
   載の蒸発熱交換器。 ４ 前記空気推進手段が前記熱交換手段と前記駆
   動手段との中間に置かれているフアンである特許
   請求の範囲第１項記載の蒸発熱交換器。 ５ 前記駆動手段がモーターであり、該モーター
   は前記フアンがその周りを回転する水平軸よりも
   下におかれている特許請求の範囲第４項記載の蒸
   発熱交換器。 ６ 前記駆動手段から前記蒸発熱交換器表面に延
   在する空気通路を有し、該空気通路が自由流動通
   路である特許請求の範囲第１項記載の蒸発熱交換
   器。 ７ 前記蒸発熱交換器が冷却塔であり、前記熱交
   換手段が充填材である特許請求の範囲第１項記載
   の蒸発熱交換器。