JP2016205462A - スチームトラップ用ノズル - Google Patents

Abstract

【課題】スクリーンを備えたストレーナーにより異物を遮断していても、配管系内の錆や塵等の異物が、ノズルに詰まらないノズル式スチームトラップを提供する。【解決手段】ノズルの先端１３を最先端に向かって細長い砲弾のような形状とすること及び／又はその先端１３に溝１６を形成することを特徴とするノズル、及び、それを用いたスチームトラップ。更に、ノズルの表面が撥水・撥油処理されていることを特徴とするノズル、及び、それを用いたスチームトラップ。【選択図】図４

Description

本発明は、熱交換器を介して蒸気を加熱源として用いる様々な工場や施設等において、蒸気使用設備やこれらの設備間の蒸気輸送配管系に発生するドレン（蒸気が凝縮した復水）を自動的かつ連続的に系外へ排出することができ、ドレン排水量調整機構を有するノズル式スチームトラップのノズルに関する。

熱交換器を介して蒸気を加熱源として用いる様々な工場や施設等においては、蒸気使用設備やこれら設備間の蒸気輸送配管系で発生するドレンを自動的に系外へ排出する必要がある。

これは、乾燥機の熱交換器部や加熱窯等の蒸気使用設備をはじめとして、これらを接続する蒸気輸送配管で適当な温度条件を確保し、工場の安定かつ安全な操業を確保するためである。例えば、蒸気使用設備内や蒸気輸送配管系内にドレンが滞留すると、加熱効率が低下し、設備の生産性を著しく低下させると共に，ドレン滴による加熱ムラが生産物の品質不良を引き起こす原因となり、工場の安定操業に支障を来す。また、蒸気配管系内に滞留しているドレンが、蒸気で押し流されながら大きな塊を作って配管の屈曲部やバルブに衝突したり、蒸気と接触すると一気に凝縮して蒸気体積がゼロとなって局部的に真空状態が作られたところにドレンが押し寄せて衝突したりするという、スチームハンマーの発生原因になる。このスチームハンマーが発生すると、配管内の急激な圧力変化によって、接続部のガスケットやフランジ、更には、バルブ自体の破損にも至り、大量の蒸気や高温のドレンが噴出し、大事故になる危険性がある。

そのため、前記工場や施設等において、大量のスチームストラップが設置されており、従来は、機械工学的なメカニカルスチームトラップ（バケット式・フロート式）、サーモスタティックスチームトラップ（バイメタル式・ベローズ式）、及び、サーモダイナミックスチームトラップ（ディスク式）が用いられてきた。

しかし、これらメカニカルスチームトラップには、次のような課題がある。メカニカルスチームトラップは、可動部を有する排水弁機構であり、一定量のドレンが貯水されると排水弁の開放によって排水され、その後直ちに排水弁が閉鎖される動作の繰り返しである。従って、この機構に起因して、動作遅れや繰返し動作による可動部損傷が生じ、多量の蒸気漏れを避けることはできない上、メカニカルスチームトラップの間歇的な排水は、蒸気使用設備の安定操業を保障するものではない。特に、メカニカルスチームトラップが大量の蒸気を浪費するという問題は、ドレン排水の必要性に対する意識が強い設計者及びボイラー管理者に見落とされる傾向があったが、近年、工場の高効率化・省エネルギー化・ＣＯ_２削減等の地球環境保全という観点から見直されるようになってきた。

このような状況において、オリフィスノズル式、ベンチュリーノズル式、及び、トンネル構造抵抗管式スチームトラップのようなドレン排水量調整機構を備えた各種ノズル式スチームトラップに対する関心が高まっている。これらは、流体工学的スチームトラップと呼ばれ、蒸気よりも水の方が微細な通路を通過するときの動粘度が低く、水が蒸気の約３０倍も流れるという排水機構を利用したものであり、可動部がない構造をしている。従って、前記従来の可動部を有するスチームトラップとは異なり、蒸気漏れが少ない連続的ドレン排水が実現され、ボイラーの燃料使用量が大幅に削減される。また、可動部のない構造は、耐久性に優れ、保守・点検が簡単に行える特徴がある。更に、スチームハンマーや凍結にも強く、安定性・安全性にも優れている。

例えば、図１及び２に示したベンチュリーノズル式スチームトラップは、極めて簡便な構造をしており、ノズルを交換することなく、ボディ１を回転させるだけで排水量を制御できる上、ノズルを交換すれば、極めて幅広い排水量の制御が可能である（特許文献１）。

しかし、前記各種ノズル式スチームストラップにも課題がある。ドレンが通過するノズル径が小さい場合、配管内の錆や塵等の異物が詰まり易いため、流体そのものを清浄化するストレーナーという異物除去装置に使用するスクリーンの目を、通常よりも細かくしなければならない。例えば、特許文献２、特許文献３、特許文献４等に記載されているような１００メッシュよりも細かなスクリーンが必要であるが、１００メッシュよりも細かいスクリーンになると、スクリーンの剛性が著しく低下するため、スクリーンの形態の維持、装脱着、及び、洗浄等が困難となり、スクリーンを補強しなければならない（特許文献１）。

また、工場や施設等が稼働中には、１００メッシュ程度のスクリーンが装着されたストレーナーによって配管内の錆や塵等の異物によるノズルの目詰まりを防ぐことができるが、工場や施設等を停止すると、スクリーンを通過する程微細な異物がノズル先端に堆積し、ノズルの穴を覆って詰まらせるという問題がある。例えば、オリフィス式スチームトラップの場合には、特許文献５のように、オリフィスを閉塞する異物を除去することができる部材を設けて、オリフィスの目詰まりを解消する工夫が検討されている。

特許第５６９４６１９号公報 特開２０１０−１５６４５０号公報 米国特許第４，７４５，９４３号 米国特許第５，１２０，３３６号 特開２００８−３０９２９０号公報

上述したように、現在使用されている前記各種ノズル式スチームトラップは、配管系内の錆や塵等の異物がノズルに詰まるという課題が残されている。本発明は、ノズルの穴を覆う配管系内の錆や塵等の異物を取り除くことが容易なノズルを提供すると共に、配管系内の錆や塵等の異物で詰まることのないノズル式スチームトラップを提供することを目的としている。特に、ベンチュリーノズル式スチームトラップに好適なノズルを提供するものであり、そのノズルを用いたベンチュリーノズル式スチームトラップを提供するものである。

前記従来技術の課題を解決するために種々検討した結果、前記各種ノズル式スチームトラップに装着されるノズルの形状を工夫すると共に、ノズルの表面を処理することによって、ノズルに堆積して穴を覆う異物を除去できることを見出し、本発明の完成に至った。

ノズルの形状については二つの基本的発明がある。第一の発明は、先端が最先端に向かって細長い砲弾のような形状であることを特徴とするノズルを提供することである。第二の発明は、先端に最先端から末端に向かって溝が形成されていることを特徴とするノズルを提供することである。

ノズルの表面処理に関する発明は、少なくとも先端部を撥水・撥油処理したことを特徴とするノズルを提供することである。

その結果として、前記形状又は／及び表面処理のノズルが装着されたことを特徴とするノズル式スチームトラップを提供することができる。

本発明の形状とすることにより、ストレーナーの先端に配設されたボールバルブを開放して、配管内の錆や塵等の異物を除去しストレーナーの清掃をすると同時に、ノズル先端に堆積された異物も除去され、ノズルの目詰まりを解消することができる。また、撥水・撥油処理されたノズルも、形状と同様の効果をあげるだけでなく、ノズルの腐食性も改善され、耐久性が向上する。更に、これら両者を併用することにより、ノズル先端に堆積された異物が一層除去され易くなり、ノズルの目詰まりを解消することができる上、腐食性も改善され、耐久性が向上する。一方、流体を清浄化するストレーナーに装着されるスクリーンも、剛性がある１００メッシュ以上にすることができ、スクリーンの形態の維持、装脱着、及び、洗浄等が容易に行えるようになる。以上の結果、ノズル式スチームトラップの利便性、すなわち、耐久性に優れ、保守・点検が簡単に行えるという特徴が一層顕著になる。

ドレン排水量調整機構を備えたベンチュリーノズル式スチームトラップのエンドキャップ、ノズル、及び、パッキンを外して正面から見た外観の模式図である。 図１のドレン排水量調整機構を備えたベンチュリーノズル式スチームトラップを、紙面に平行に切断した断面を示す模式図である。 従来のベンチュリーノズル（ａ）、及び、本発明の先端が最先端に向かって細長い砲弾のような形状であることを特徴とするベンチュリーノズル（ｂ）の実施形態の例を示す模式図である。 本発明の先端に溝を形成したことを特徴とするベンチュリーノズルの実施形態の例を示す模式図である。 本発明の先端が砲弾状で、溝が形成されたことを特徴とするベンチュリーノズルの実施形態の例を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態について、ベンチュリーノズル式スチームトラップを代表例として図面を用いた具体的な説明を行うが、本発明がこれらに限定される訳ではなく、特許請求の範囲に記載された技術思想の範疇に入る実施形態を全て包含するものである。

図１及び２には、本発明のノズルを装着するベンチュリーノズル式スチームトラップの一例を示した。図１及び２には、ボディ１の回転によりドレン排出口９とドレン系外排出口の高低差を制御できるドレン排水量調整機構を有し、スクリーンの剛性を支持体で補強した支持体付スクリーン６を備えたベンチュリーノズル式スチームトラップを示したが、ノズルを使用するスチームトラップであれば、これに限定されるものではない（例えば、特許文献１）。

図３（ａ）には従来のベンチュリーノズルを、図３（ｂ）には本発明の先端が最先端に向かって細長い砲弾のような形状であることを特徴とするベンチュリーノズルの一実施形態を示した。ベンチュリーノズルの先端を本発明の形状とすることによって、ボールバルブ８を開放した際に、ドレンと共に、配管内の錆や塵等の異物が除去されてストレーナーが清掃されると同時に、ベンチュリーノズル先端に堆積した配管内の錆や塵等の異物が容易に取り除かれる。

同様の効果は、図４（ａ）に示したように、従来のベンチュリーノズル図３（ａ）の先端に溝を形成しても得られる。この効果は、ボールバルブ８を開放した際に、溝を流れるドレンの流速が速くなるためであり、形状に関する制限は特にない。しかし、この溝の形状は、最先端の穴から外側方向に広がっていることが異物を除去する上で好ましい。ホールバルブ８を開放してドレンが放出される際の最先端の穴の流速が速い程、異物が除去され易く、溝に広がりがあると、異物が流出しやすいためである。更に、図４（ｂ）に示したように、らせん状の溝を形成することがより好ましい。その理由は定かではないが、らせん状に形成することによって、ドレンが放出される際に旋回流が生起するためではないかと考えられる。また、溝の本数にも制限はないが、異物除去の観点からは、２本以上あることが好ましい。

更に、前記第一の発明である、先端を最先端に向かって細長い砲弾のような形状とすることと、第二の発明である、先端に溝が形成することを併用することによって、異物の除去効果は増大される。図５（ａ）にその一実施形態を示した。この場合も、溝の形状や数に制限はないが、図５（ｂ）に示すように、最先端から末端に向かってらせん状に形成されているものが２本以上あることが好ましい。その理由は、前記段落００２１に記載した通りである。

このような形状の工夫に加え、ノズル表面に撥水性・撥油性を付与することによって、ノズルに異物が堆積しにくくなると共に、堆積した異物を容易に除去することができる。撥水性・撥油性を付与する方法としては、ノズルの前処理、フッ素樹脂コーティング、焼成等によって形成されるフッ素樹脂コーティング（テフロン（登録商標）加工）、或いは、アルコキシ基やシラノール基を有するシリコン樹脂の加熱硬化や光硬化によって形成されるシリコン樹脂コーティング等の一般的な表面処理加工を用いることができる。また、シリコン樹脂コーティングでも、アルコキシシランとアルコキシ基やシラノール基を有するシリコン樹脂との重縮合反応によって形成される無機コーティングは、撥水性・撥油性に優れているばかりか、耐薬品性、耐食性、硬度等の機械的特性に優れており、特に好ましい。

このような表面処理加工は、ノズルの穴をあける前に施しても、穴をあけた後で施しても、ノズルから異物を除去する効果に大きな影響はないが、穴をあけた後に表面処理をした方がより好ましい。穴の中も撥水性・撥油性が付与され、異物の堆積を防ぎ、堆積した異物の除去が容易となるためである。

以上より、本発明は、先端が砲弾状で、らせん状の溝が２本以上形成され、溝や穴を加工した後撥水・撥油処理されたノズルが特に好ましい。そして、本発明のノズル式スチームトラップは、前記種々の形状及び撥水・撥油性を有するノズルを装着したものであり、配管内の錆や塵等の異物が堆積しにくく、これらの異物が堆積しても容易に除去することができ、保守・点検が簡単に行える。

このように、ノズルへの異物の堆積を防ぎ、ノズルに堆積した異物による目詰まりを防ぐことが要求されるのは、次のような種々の理由に基づくものである。

ノズルは、装置の運転条件や環境条件によって、約０．１ｍｍ〜１５ｍｍのノズル径からきめ細かく選択される。従って、ノズルが、配管の中の錆や塵等によって目詰まりしないためには、少なくともそのノズル径よりも目開きが小さなスクリーンが必要となり、数値上は、３００メッシュ（目開き約０．０４５ｍｍ）〜２メッシュ（目開き約１１ｍｍ）で対応することができる。しかし、ノズル径が小さくなると、例えば、約０．１ｍｍ〜３ｍｍの場合、３００メッシュ（目開き約０．０４５ｍｍ）〜８メッシュ（目開き約２．５ｍｍ）のスクリーンで異物を除去したとしても、異物の形状によっては、スクリーンを通過する場合がある。また、装置の運転を停止した場合には、スクリーンを通過する異物がノズル上に堆積し、再稼働する際にドレンが流れない場合がある。

このように、スクリーンで異物による目詰まりを防止する方法は、ノズルの交換と共にスクリーンを交換することになり、保守・点検が容易であるというノズル式スチームトラップの特徴を損なうことになる。そのため、ノズル径が０．１ｍｍ〜３ｍｍの場合、１００メッシュ（目開き約０．１５ｍｍ）〜８０メッシュ（目開き約０．１８ｍｍ）のスクリーンで対応することになる。この場合には、ノズル径よりも大きな異物をスクリーンで除去することができないため、ノズルの目詰まりを容易に除去できる工夫が必要となる。

一方、１００メッシュ（目開き約０．１８ｍｍ）を超えるスクリーンで対応する場合、スクリーンの目詰まりも激しくなり、その交換頻度が多くなるという問題が生じる。しかも、このようなスクリーンは、金属性であってもそれ自体の剛性が著しく低下するため、図２のような支持体で補強された筒型スクリーンをＹ型ストレーナーに装着し、スクリーンの変形を抑制し、スクリーンの目詰まり等によるストレーナーのメンテナンスにおけるスクリーンの装脱着時の変形を防ぐ必要がある。また、スクリーンを異物の装置の運転を停止した場合には、スクリーンを通過する異物がノズル上に堆積し、再稼働する際にドレンが流れない場合がある。

１ ボディ
２ パッキン
３ ベンチュリーノズル
４ エンドキャップ
５ ストレーナー
６ 支持体付スクリーン
７ ストレーナーエンドキャップ
８ ボールバルブ
９ ベンチュリーノズルのドレン排出口
１０ ドレンの貯水部
１１ ドレンの系外排出口
１２ ユニオン
１３ ノズル先端部
１４ ノズル末端部
１５ ネジ山
１６ 溝

Claims (7)

1. ノズル式スチームトラップにおいて、前記ノズルの先端が、最先端に向かって細長い砲弾の形状とすることを特徴とするノズル。
2. ノズル式スチームトラップにおいて、前記ノズルの先端に、最先端の前記ノズルの穴から前記ノズルの外周方向に向かって溝が形成されていることを特徴とするノズル。
3. 前記溝が、らせん状で２本以上形成されていることを特徴とする請求項２に記載のノズル。
4. 請求項３に記載の溝が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のノズル。
5. ノズル式スチームトラップにおいて、前記ノズルの少なくとも先端が、撥水性・撥油性処理されていることを特徴とするノズル。
6. 前記ノズルの少なくとも先端が、撥水性・撥油性であることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一項に記載のノズル。
7. 請求項１乃至６のうちいずれか一項に記載のノズルが装備されたことを特徴とするノズル式スチームトラップ。

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