JP3810728B2

JP3810728B2 - 積層型熱交換器

Info

Publication number: JP3810728B2
Application number: JP2002311068A
Authority: JP
Inventors: 貴一徳永; 正文桑原
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-10-25
Filing date: 2002-10-25
Publication date: 2006-08-16
Anticipated expiration: 2022-10-25
Also published as: JP2004144422A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温流体と低温流体との間で熱交換を行う熱交換部を多段に備える積層型熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、仕事を終えて排出される排気ガス等の高温流体の排熱を、作動流体である低温流体との熱交換によって回収することで熱効率を改善する再生型の熱交換器がある。このような熱交換器の一例として、熱交換を行う部分を積層によって多段に備えた熱交換器モジュールを、さらなる能力向上のために複数備えた積層型熱交換器がある。
【０００３】
図５を用いて上述の積層型熱交換器の一例について説明する。
図５は積層型熱交換器の概略構成を説明する図であって、（ａ）は内部構造を部分的に示した部分断面斜視図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面における内部構造を示した断面図である。
この積層型熱交換器１は、円筒容器２の内部に熱交換器モジュール３が備えられており、この個数は、例えば図５（ｂ）に示すように合計で３つ備えられている。各熱交換器モジュール３のそれぞれは、数百段から約２０００段にも及んで多段に重ね合わされた複数の熱交換プレート３０（熱交換部）と、これらが積層された熱交換プレート群の両端に設けられた各ヘッダ４，５によって構成されている。このように多段に積層されることで熱交換器モジュール３、すなわち積層型熱交換器の高さ寸法は５ｍ程にも及ぶ。
【０００４】
各熱交換器モジュール３を形成する複数の熱交換プレート３０は、高温流体と低温流体とをそれぞれ流通させて熱交換させる２系統の熱交換流路（図示せず）を有している。なお、各系統の熱交換流路は多数備えられており、これらを熱交換における機能上の面で分けた場合に２つに分類できるために２系統として説明している。
【０００５】
このうち、低温流体を流通させる１つの系統は、各熱交換プレート３０の両端に位置する入口ヘッダ４もしくは出口ヘッダ５に通じており、入口ヘッダ４を流通する低温流体を熱交換プレート３０内に導き入れるとともに、後述する高温流体との熱交換を終えた低温流体を出口ヘッダ５に送り出す役目を担っている。
また、高温流体を流通させる他の系統は、各熱交換プレート３０のほぼ両端にて円筒容器２の内部空間、より詳しく言うなれば、円筒容器２の内部空間における径方向内側から外側に通じており、円筒容器２の下部中心に接続された配管２１から供給された高温流体を、円筒容器２の径方向内側から外側に導く役目を担っている。これにより、円筒容器内に供給される高温流体と、入口ヘッダ４から供給される低温流体とは、熱交換プレート３０内にて互いに対向して流れることになり、効率的な熱交換がなされることになる。
【０００６】
なお、熱交換プレート３０の構造には、各流体の性質などに応じて２種類の構成がある。１つには熱交換プレート３０の上面と下面とにそれぞれ複数の溝を形成し、これに見合った他の熱交換プレート３０を重ね合わせることで、熱交換プレート３０の上側と下側とに各流体を流通させるそれぞれの熱交換流路を形成したものである。
また、他の構成では、一方の熱交換流路をフィンに貫通する配管等で形成し、他方の熱交換流路をフィンによって形成された熱交換プレート３０内の隙間としたものである。なお、図５に採用されている構成は、後者のフィンを有する熱交換プレート３０によって形成されたものである。
【０００７】
また、上述では、低温流体を入口ヘッダ４から熱交換プレート３０内に導いて出口ヘッダ５に送り、円筒容器２内の高温流体を上記熱交換プレート３０に流過させる構成として説明したが、勿論、低温流体と高温流体との入れ替えは可能である。すなわち、高温流体を入口ヘッダ４から熱交換プレート３０内に導いて出口ヘッダ５に送り、円筒容器２内の低温流体を上記熱交換プレート３０に流過させる構成である。
【０００８】
さて、このような熱交換部をなす熱交換プレート３０が多段に積層された熱交換器モジュール３は、熱交換における能力増大の要求に応じて、図に示すように積層型熱交換器１に複数備えられることが一般的である。この場合、複数の熱交換器モジュール３を１つの装置として備える積層型熱交換器１を構成するには、１つの熱交換器モジュール３に対して入口ヘッダ４及び出口ヘッダ５の組み合わせを１組、あるいは２組設けて各熱交換器モジュール３を並列に接続する必要がある。
【０００９】
ここで入口用及び出口用のヘッダを２組、すなわち、１つの熱交換器モジュール３に対して４つのヘッダを備える構成は、図５に示される円筒容器２が熱交換を行う一方の流体の流路として用いられない場合に、これに代わって必要となるヘッダを熱交換器モジュール３に追加した場合である。すなわち、熱交換を行うそれぞれの流体に対して各ヘッダを採用する場合、入口ヘッダと出口ヘッダとを各流体に合わせて２つづつ必要となる。
【００１０】
以上説明した構成は、既に公開された技術文献にて再生熱交換器の構成として開示されている（例えば、非特許文献１参照。）。
【００１１】
【非特許文献１】
石山新太郎他，「高温ガス炉ガスタービン用コンパクト熱交換器の概念検討」，日本原子力学会誌，平成１２年３月３０日発行，Ｖｏｌ．４２
−Ｎｏ．３，第３３２番，ｐ．５２−５７
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
このような熱交換器モジュールを複数備えて構成される積層型熱交換器では、１つの熱交換器モジュールに対して少なくとも１組の入口用及出口用のヘッダを備える必要があったため、各ヘッダを設置するためのスペースを確保する必要があった。この結果、複数の熱交換器モジュールからなる積層型熱交換器のさらなる大型化と、これに伴う重量の増大が招かれていた。
さらに、各ヘッダが多段に積層された熱交換プレート群の両端に備えられることで、複数の熱交換器モジュールを円筒容器などの規定容積内に効率的に配置することが困難となり、これによりデットスペースが発生して上記と同様に積層型熱交換器の大型化が招かれていた。
【００１３】
また、複数のヘッダを多数備えることで、これらに対応して多くの配管等を引き廻す必要があり、ヘッダ、及び配管を多数用いることによれば、各流体の流れにおける圧力損失が大きくなって積層型熱交換器、及び、これを備えるプラントなどの設備における性能の低下が懸念されていた。
【００１４】
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、複数の熱交換器モジュールを備えて構成される積層型熱交換器の小型化、軽量化、及び製品コストの低減を図るとともに、熱交換を行う各流体の圧力損失を低減して性能の向上を図ることを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
請求項１に記載の発明は、少なくとも２系統の熱交換用流路を有して高温流体と低温流体との間で熱交換を行う熱交換部が積層された熱交換器モジュールを円筒容器の内部に複数備えた積層型熱交換器において、隣り合う前記各熱交換器モジュールの間に、これら各熱交換器モジュールに対して熱交換前の高温流体、又は低温流体を供給する共有入口ヘッダ、又は、隣り合う前記各熱交換器モジュールから送出される熱交換後の高温流体、又は低温流体を合流させて送出する共有出口ヘッダを備えてなるとともに、前記各熱交換器モジュールが、前記共有入口ヘッダ又は前記共有出口ヘッダの一方を間に挟んで連続した環状に配置されてなり、前記高温流体、又は前記低温流体との間で熱交換を行う低温流体、又は高温流体が、前記各熱交換器モジュールの半径方向外側から内側に、又は半径方向内側から外側に、前記各熱交換器モジュール内を流れるように構成されていることを特徴とする。
【００１６】
このような構成によれば、隣り合う各熱交換器モジュールのそれぞれに共有入口ヘッダを流通した高温流体又は低温流体が供給、あるいは、隣り合う各熱交換器モジュールのそれぞれから送出された高温流体、又は低温流体がこれらの間に共有して設けられた出口ヘッダにて合流して送出されることになる。すなわち、熱交換を行う各流体を供給あるいは送出するヘッダは、隣り合う各熱交換器モジュールに共有されることになる。
また、全てのヘッダが、隣り合う熱交換器モジュールに対して各流体を供給、あるいは、隣り合う熱交換器モジュールに対して各流体を送出することが可能な共有された配置となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は本実施形態の積層型熱交換器の概略構成を示した斜視図である。図２は図１に示した積層型熱交換器の一部を分解した分解図である。図３は図１のＡ−Ａ断面における断面を示した図であって、（ａ）は全体の断面図、（ｂ）は要部を部分的に拡大して示した断面図である。
【００２０】
図１において、符号３は熱交換部をなす熱交換プレート３０が高さ方向にて多段に積層された熱交換器モジュールであって、図１の破線で示される密閉された円筒容器２の内部に４つ備えられている。これら各熱交換器モジュール３は、熱交換プレート３０の平面形状が六角形であることから長尺な六角柱として形成され、隣り合う熱交換器モジュール３とは互いの角部で接合されている。これにより、複数の熱交換器モジュール３が互いに連設されて全体として環状に配置されている。
【００２１】
また、これら熱交換器モジュール３が環状に連設されることにより、隣り合う熱交換器モジュール３の間には隙間が生じる。そして、この隙間を覆って隣り合う熱交換器モジュール３同士を繋ぐような板材１４ａ，１５ａ（図２参照）が接合されることによって、熱交換器モジュール３の高さ寸法とほぼ同一な流路長を有する共有入口ヘッダ１４及び共有出口ヘッダ１５（図１参照）が形成されることになる。
【００２２】
さて、円筒容器２の内部は、図３に示すように環状に配置された４つの熱交換器モジュール３により、円筒容器２の径方向にて熱交換器モジュール３の外側と内側との２つの空間Ｅ，Ｆに分けられている。そして、円筒容器２の内部の外側空間Ｅには、約１００℃の低温流体を導き入れるための配管（図示せず）が少なくとも１本接続されており、これに対して円筒容器２の内部の内側空間Ｆには、熱交換を終えた低温流体を外部に送出するための配管２１が接続されている。
【００２３】
また、上述した共有入口ヘッダ１４には、約６００℃のガス状の高温流体を導き入れるための配管２４が接続されており、これに対して共有出口ヘッダ１５には、共有入口ヘッダ１４を流通して熱交換プレート３０内で熱交換を終えた高温流体を外部に送出するための配管２５が接続されている。
【００２４】
さらに、図３（ｂ）を参照しながら熱交換プレート３０の構造、及び熱交換プレート３０において熱交換を実現する各流体の流れについて説明する。
多段に積層されて熱交換器モジュール３を構成する熱交換プレート３０は、従来技術と同等な構造とされ、高温流体と低温流体とをそれぞれ対向して流通させることで熱交換を実現する２系統の熱交換流路（図示せず）を有している。勿論、各系統の熱交換流路は、高温流体あるいは低温流体を流通させる点において機能が異なるものであり、また、これら熱交換流路は多数備えられている。
【００２５】
このうち、高温流体を流通させる１つの系統は、各熱交換プレート３０の第１端部３０ａにて共有入口１４ヘッダに通じており、また、第１端部３０ａの反対側に位置する第２端部３０ｂにて共有出口ヘッダ１５に通じている。したがって、配管２４から供給されて共有入口ヘッダ１４内を流通する高温流体は、実線の矢印に示すように該共有入口ヘッダ２４に面する左右各熱交換プレート３０の第１端部３０ａからそれぞれの熱交換プレート３０内に入り、それぞれの熱交換プレート３０内を通過した後に各第２端部３０ｂからこれに面する共有出口ヘッダ１５に送出されて該共有出口ヘッダ１５を流通して外部に送出される経路を辿ることになる。
【００２６】
一方、低温流体を流通させる他の系統は、各熱交換プレート３０の第３端部３０ｃにて円筒容器２内部の外側空間Ｅに通じており、また、第３端部３０ｃの反対側に位置する第４端部３０ｄにて内側空間Ｆに通じている。したがって、円筒容器２内の外側空間Ｅに供給された低温流体は、破線の矢印に示すように各熱交換プレート３０の第３端部３０ｃからそれぞれの熱交換プレート３０内に入り、各熱交換プレート３０内を通過した後に各第４端部３０ｄから内部空間Ｆに送出されて配管２１（図３（ａ）参照）から外部に送出される経路を辿ることになる。
【００２７】
このように、隣り合う各熱交換器モジュール３の間に備えられた１つの共有入口ヘッダ１４から上記それぞれの熱交換器モジュール３に対して高温流体が供給されることになり、また、隣り合う各熱交換器モジュール３の間に備えられた１つの共有出口ヘッダ１５に上記それぞれの熱交換器モジュール３にて熱交換を終えた高温流体が合流して送出されることになるので、１つの熱交換器モジュール３当たりの必要ヘッダ数が従来と比較して半減されることになる。
【００２８】
以上説明した、本実施形態における積層型熱交換器１によれば、以下の効果を奏する。
各流体を熱交換プレート３０まで供給、あるいは熱交換プレートから送り出すためのヘッダの個数を削減することができ、ヘッダに関わる設置スペース、配管や円筒容器２などの物量を削減して積層型熱交換器１の製品コストを大幅に抑えることができる。また、ヘッダの設置スペースを削減できることにより、積層型熱交換器１の外径を縮小して小型化を実現することができ、また、従来と同等な円筒容器２で設置スペースを確保した場合、ヘッダが削減されたスペースを用いて熱交換プレート３０の大きさ拡大することができ、伝熱面積の増大によって積層型熱交換器１の能力を向上させることが可能となる。また、ヘッダの個数が削減されることにより、圧力損失を低減して積層型熱交換器１の性能を向上させることができる。また、各熱交換器モジュール３が環状に連設されているので、全てのヘッダが２つの熱交換器モジュール３に対して共有されることになり、上記の効果をより高めることができる。
【００２９】
なお、本実施形態の積層型熱交換器１について以下に説明する変形例の構成であってもよい。
図１〜図３に示した構成においては、各熱交換器モジュール３を環状に連接した場合を説明したが、これに限定解釈されるものではなく、図４に示すような構成であってもよい。
【００３０】
図４は本実施形態の変形例を説明する平型の積層型熱交換器の構成を模式的に示した概略構成図である。なお、以下に説明する平型の積層型熱交換器１’の構成において上述の実施形態における積層型熱交換器１と同等な機能を有する部分については同一符号を付してその説明を一部省略するものとする。
また、図に示される実線の矢印は、高温流体の流れを示しており、破線の矢印は高温流体との熱交換を行う低温流体の流れを示している。
【００３１】
六角形の熱交換プレート３０の上面及び下面には溝が形成され、各熱交換プレート３０同士の積層によって２系統の熱交換流路３０ｈ，３０ｉ（略図であるためそれぞれ１本づつ示している。）が形成されている。そして、このような熱交換プレート３０が多段に積層されることで、図１と同様に六角柱の熱交換器モジュール３が形成されている。これら熱交換器モジュール３は互いに角部で接合されることになるが、図１に示した構成とは異なり、環状に配置されることなく一直線上に配置される。
【００３２】
そして、隣り合う熱交換器モジュール３の間に形成された各隙間に各共有ヘッダ１４，１５，１６，１７が備わり、より詳しく説明すると、背面側の各隙間に高温流体用又は低温流体用の共有入口ヘッダ１４，１６が配され、手前側の各隙間に高温流体用又は低温流体用の共有出口ヘッダ１５，１７が配されている。
また、積層型熱交換器１’の両端部には従来と同様に低温流体用の入口ヘッダ１８と高温流体用の出口ヘッダ１９とが単独で備えられている。
【００３３】
各流体用の共有入口ヘッダ１４，１６は、熱交換器モジュール３の連設方向において高温流体用の共有入口ヘッダ１４、低温流体用の共有入口ヘッダ１６の順に交互に配置されている。
また、各流体用の共有出口ヘッダ１５，１７においても、熱交換器モジュール３の連設方向において高温流体用の共有出口ヘッダ１５、低温流体用の共有出口ヘッダ１７の順に交互に配置されている。
さらに、積層型熱交換器１’の長手方向における中心線を挟んで高温流体用の共有入口ヘッダ１４と低温流体用の共有出口ヘッダ１７とが対称位置に配され、また、低温流体用の共有入口ヘッダ１６と高温流体の共有出口ヘッダ１５とが対称位置に配されている。
【００３４】
したがって、実線の矢印に示すように、高温流体用の共有入口ヘッダ１４を流通する高温流体は、この左右に隣り合って備わる各熱交換器モジュール３の各熱交換プレート３０内にそれぞれ流入し、熱交換プレート３０内を通過した後にそれぞれの下流側に位置する高温流体用の共有出口ヘッダ１５、もしくは、高温流体用の出口ヘッダ１９に導かれて送出される経路を辿ることになる。
また、破線の矢印に示すように、低温流体の共有入口ヘッダ１６を流通する低温流体は、この左右に隣り合って備わる各熱交換器モジュール３の各熱交換プレート３０内にそれぞれ流入し、熱交換プレート３０内を通過した後にそれぞれの下流側に位置する低温流体用の共有出口ヘッダ１６に導かれて送出される経路を辿ることになる。なお、低温流体用の入口ヘッダ１８を流通する低温流体は、単独で熱交換プレート３０内を通過した後、他の熱交換プレート３０を通過した低温流体と合流して低温流体用の共有出口ヘッダ１７に導かれて送出される経路を辿ることになる。
【００３５】
以上説明した本実施形態の変形例における構成によれば、積層型熱交換器１’の両端側に各流体の共有入口ヘッダ、もしくは共有出口ヘッダを備えることができない構造であるが、それ以外の中間部分でのヘッダ個数を半減させることができる。したがって、本実施形態と同様な効果をほぼ同等に得ることができ、多数の熱交換器モジュール３を連設した場合であっても連接幅である平型の積層型熱交換器１’の幅寸法を大幅に削減することができる。
【００３６】
なお、変形例の構成においては、各流体に対して共有入口ヘッダ１４，１６、及び共有出口ヘッダ１５，１７を備える構成としているため、図１〜３に示した構成と異なるが、変形例の構成において、この両端部を接合して環状に形成することとしても勿論かまわない。この場合、図１等で説明した低温流体を流通させるための円筒容器２を必要としなくて済む。
【００３７】
また、本実施形態及びこの変形例の構成では、熱交換部をなす熱交換プレート３０での各流体の流通方向を対向させることとして説明したが、互いの流体を直交、あるいは同一方向に流通させて熱交換させることとしてもよい。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明した本発明の積層型熱交換器においては以下の効果を奏する。
請求項１記載の発明によれば、各熱交換器モジュールのそれぞれに入口ヘッダ及び出口ヘッダを設ける必要がなくなり、ヘッダの設置スペースや物量を削減して積層型熱交換器の製品コストを抑えることができる。また、ヘッダの設置スペースを削減できることにより、積層型熱交換器の小型化を実現することができ、また、同一なスペースを確保した場合であれば、積層型熱交換器の伝熱面積を増大して能力を向上させることが可能となる。また、ヘッダの個数が削減されることにより、これらに付随する配管等も低減することができ、ヘッダ及び配管等における圧力損失を低減して積層型熱交換器の性能を向上させることができる。
また、全てのヘッダを隣り合う熱交換器モジュールに共有された状態に配置することができるので、積層型熱交換器の幅寸法を縮小して小型化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における積層型熱交換器の概略構成を示した斜視図である。
【図２】図１の積層型熱交換器の一部を分解した分解図である。
【図３】図１のＡ−Ａ断面における断面を示した図であって、（ａ）は全体の断面図、（ｂ）は要部を部分的に拡大して示した断面図である。
【図４】本発明の一実施形態の変形例を説明する平型の積層型熱交換器の構成を模式的に示した概略構成図である。
【図５】従来の積層型熱交換器の概略構成を説明する図であって、（ａ）は内部構造を部分的に示した部分断面斜視図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面における内部構造を示した断面図である。
【符号の説明】
１，１’ 積層型熱交換器
２円筒容器
３熱交換器モジュール
１４高温流体用の共有入口ヘッダ
１５高温流体用の共有出口ヘッダ
１６低温流体用の共有入口ヘッダ
１７低温流体用の共有出口ヘッダ
３０熱交換プレート（熱交換部）
３０ｈ，３０ｉ熱交換流路

Claims

少なくとも２系統の熱交換用流路を有して高温流体と低温流体との間で熱交換を行う熱交換部が積層された熱交換器モジュールを円筒容器の内部に複数備えた積層型熱交換器において、
隣り合う前記各熱交換器モジュールの間に、これら各熱交換器モジュールに対して熱交換前の高温流体、又は低温流体を供給する共有入口ヘッダ、
又は、隣り合う前記各熱交換器モジュールから送出される熱交換後の高温流体、又は低温流体を合流させて送出する共有出口ヘッダを備えてなるとともに、
前記各熱交換器モジュールが、前記共有入口ヘッダ又は前記共有出口ヘッダの一方を間に挟んで連続した環状に配置されてなり、
前記高温流体、又は前記低温流体との間で熱交換を行う低温流体、又は高温流体が、前記各熱交換器モジュールの半径方向外側から内側に、又は半径方向内側から外側に、前記各熱交換器モジュール内を流れるように構成されていることを特徴とする積層型熱交換器。