(57)【要約】 【課題】  従来技術の高コスト性及び欠点を有しない新規な熱交換器を提供する。【解決手段】  前記課題は螺旋状に捲回された管束からなる熱交換器により解決される。螺旋状に捲回された管束は管板に接合され、二次流体系と流体的に隔離される一次流体系を画成する。管板及び管は、高耐電解腐食性継手である継手によるこれらの接合を容易にする同じ金属材料で形成されている。【選択図】  図４
2015099011.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
(a)第１の中心軸を有する第１の管束からなり、
第１の管束は第１の流体を搬送するための第１の複数の管からなり、
第１の管束は第１の中心軸の周囲に螺旋状に捲回されている、
ことを特徴とする熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器に関し、特に、円筒多管式熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
海洋温度差発電(Ocean Thermal Energy Conversion, OTEC)は海水のような莫大な量の水の深い部分の水と浅い部分の水との間の温度差に基づいてエネルギーを発生させる方法である。ＯＴＥＣシステムは熱機関（すなわち、温度差に基づいて電気を発生する熱力学的装置又はシステム）を利用する。この熱機関は、比較的暖かな浅いところの水と比較的冷たい深いところの水との間に熱的に結合される。ＯＴＥＣシステムは例えば、特許文献１に記載されている。
【０００３】
ＯＴＥＣに好適な熱機関の一例はランキンサイクル(Rankine cycle)である。これは低圧タービンを使用する。例えば、アンモニアなどのような低沸点を特徴とする流体を含有する閉ループ導管は、低沸点流体が気化される第１の熱交換器で暖かな海水と熱的に結合される。膨張蒸気はタービンに送られ、タービン発電機を駆動する。タービンを出た後、気化作動流体は、閉ループ導管が冷たい海水と熱的に結合される第２の熱交換器で凝縮され、液体状態に戻される。次いで、凝縮作動流体はシステムに再循環される。
【０００４】
ＯＴＥＣシステムは技術的に有用であることが判明しているが、これらシステムの高い建設費が商業化を阻んでいる。熱交換器はＯＴＥＣプラント建設費に対する次ぎに大きな一因である（ＯＴＥＣプラント建設費の最大の一因は沖合係留船又はプラットフォームである）。従って、ＯＴＥＣプラントで必要とされる巨大な熱交換器の最適化は非常に重要であり、ＯＴＥＣ技術の商業的実現性に関して大きな影響を有する。
【０００５】
ＯＴＥＣシステムでは様々なタイプの熱交換器が使用されてきている。例えば、プレート・フィン型、プレート・フレーム型、円筒多管式熱交換器などである。円筒多管式熱交換器はＯＴＥＣ用途で使用するのに特に魅力的な熱交換器である。なぜなら、円筒多管式熱交換器は流量が莫大であり、かつ、背圧が低いという優れた能力を有するからである。円筒多管式熱交換器は２枚の管板間に配置され、圧力容器外殻内に包封された多数の管からなる。第１の流体又は気体が管内に通され、第２の流体又は気体が管の外面に沿って流れるように、圧力容器外殻内に通される。熱エネルギーは管壁を介して第１の流体及び第２の流体間で移動される。管端は一般的に、管板にプレス嵌め又は溶接されている。
【０００６】
不都合なことに、円筒多管式熱交換器は、海洋用途におけるこれらの使用を著しく制限する幾つかの欠点を有する。第１の欠点は、ＯＴＥＣシステムにおける穏当な圧力低下に付随する総括伝熱係数（Ｕ）が一般的に２０００Ｗ／ｍ２ｋ以下であることである。伝熱係数は特に、(1)第２の流体の乱流及び横断流を引き起こすために圧力容器内に一般的に包含される邪魔板、(2)管に機械的応力及び歪みを引き起こす振動及び軸力の誘発を避けるための第２の流体の流量制限などにより限定される。
【０００７】
常用の円筒多管式熱交換器の第２の欠点は、“生物汚損”を被り易いことである。生物汚損は効率を低下させ、維持経費の増大をもたらす（特に、深海レベルに配置された熱交換器の場合は深刻である）。生物汚損は特に、管板にプレス嵌め又は融接された管に付随されるような空隙及び割れ目内などに有機物が閉じ込められることにより生じる。
【０００８】
常用の円筒多管式熱交換器の第３の欠点は、この熱交換器がＯＴＥＣのような海水用途に最適ではないことである。管は管板にプレス嵌め又は融接されているので、管内の一次流体と外殻内の管の周囲を流れる海水との間の流体隔離を確実に行うことが困難である。更に、常用の円筒多管式熱交換器の信頼性は、管を管板にシールするために使用されている溶接継手の部分で生起する電解腐食（電食）により危うくされる。電解腐食は融接内に含まれる非同類金属間の反応により生じる。電解腐食は融接部が海水に曝露されることにより激化する。信頼性はＯＴＥＣ用途に特別にカスタマイズされた円筒多管式設計であっても、流れの淀み箇所で電解腐食を発生する電位により更に低下される。
【０００９】
歴史的に、これらの欠点は円筒多管式熱交換器のサイズ及びコストを実用的な見地からかけ離れたものにしてしまう。
【００１０】
エネルギーの必要性が今日益々高まってきているので、再生可能で、一定のベースロード電源を使用する方法は、望ましい解決法である。従って、ＯＴＥＣ発電プラントに対する新たな関心が沸き上がっている。しかし、高い熱交換能力、高い流量、低い揚水寄生損失及び海洋環境下での長い寿命を有する低コストＯＴＥＣ熱交換器の開発は困難を極めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平５−３４０３４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、従来技術の前記のような高コスト性及び欠点を有しない新規な熱交換器を提供することである。
【００１３】
本発明の実施態様は、ＯＴＥＣシステムで使用するのに特に適しているが、原子炉、化学プラントなどのようなその他の熱交換器用途で使用するのにも適する
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の課題を解決するための本発明の代表的な実施態様は、管が複数の管束として配列されており、各管束は一次又は二次流体を搬送するための複数の管を含む円筒多管式熱交換器である。各管束は第１の管板から第２の管板に延びる中心軸により特徴付けられ、各管束はその中心軸の周囲に螺旋状に捲回されている。
【００１５】
或る実施態様では、管板及び管は同じ金属から形成されており、かつ、管壁を管板に接合するために摩擦撹拌溶接法を使用する。その結果、管壁及び管板は管内の流体を外殻内の管の周囲を流れる流体からシールし、かつ、隔離する優れた耐電解腐食性継手を形成する。
【００１６】
或る実施態様では、複数の管束は各管板のところに、六辺形の密充填配置で配列されている。
【００１７】
或る実施態様では、各管束内の管は、その管束内の他の管に対して各管の動きを制限するために機械的に結合されている。或る実施態様では、各管束内の管は、その管束内の他の管に対して各管の動きを実質的に封じるために機械的に結合されている。
【００１８】
或る実施態様では、第１の管束は第１の流体を搬送する第１のシュラウド内に密閉されており、第２の管束は、第１の流体と異なり、かつ、管内を流れる流体とも異なる第２の流体を搬送する第２のシュラウド内に密閉されている。
【００１９】
本発明の実施態様は、第１の中心軸を有する第１の管束からなり、第１の管束は第１の流体を搬送する第１の複数の管からなり、第１の管束は第１の中心軸の周囲に螺旋状に捲回されていることを特徴とする熱交換器である。
【発明の効果】
【００２０】
以上述べたように、本発明によれば、従来技術の熱交換器が有する高コスト性及び欠点を有しない新規な熱交換器が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施例によるＯＴＥＣ発電システムの概要構成図である。
【図２】当業者に周知の常用の円筒多管式熱交換器の概要図である。
【図３Ａ】従来技術による円筒多管式熱交換器で使用するのに適した撚り管の部分概要図である。
【図３Ｂ】図３Ａに示された撚り管３０２のｚ軸方向に沿った異なるポイントにおける一連の横断面図である。
【図４】本発明の一実施例による円筒多管式熱交換器の概要斜視図である。
【図５Ａ】本発明の一実施例による管束の概要斜視図である。
【図５Ｂ】本発明の一実施例による管束４０４−ｉの部分概要端面図である。
【図６】本発明の別の実施例による管束の配列構成を示す部分概要斜視図である。
【図７Ａ】本発明の他の実施例による管束の配列構成を示す部分概要斜視図である。
【図７Ｂ】中心管７０２の周囲に外側管７０４を捲回させる前の管束７００を示す部分概要斜視図である。
【図７Ｃ】本発明の更に別の実施例による管束を形成させるための管束組立機構を示す概要斜視図である。
【図８】管束７００の形成中又は形成後に外側管７０４と中心管７０２を保持するためのガイドの正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しながら詳述する。
【００２３】
図１は本発明の一実施例によるＯＴＥＣ発電システムの概要構成図である。ＯＴＥＣシステム１００は沖合プラットホーム１０２、タービン発電機１０４、閉ループ導管１０６，蒸発器１１０−１、凝縮器１１０−２、船殻１１２、ポンプ１１４、１１６及び１２４及び導管１２０、１２２、１２８及び１３０からなる。
【００２４】
沖合プラットホーム１０２は浮力船殻１１２からなるテンション・レグ沖合プラットホームであり、デッキ、ケーソン及びポンツーンを包含する。船殻１１２は、展開場所１３４のところの海底１３６に錨着された硬質なテンション・レグにより海底１３６上に支持されている。図面の明確化のために、デッキ、ケーソン、ポンツーン及びテンション・レグは図１には図示されていない。
【００２５】
或る実施態様では、沖合プラットホーム１０２は海洋以外の水上（例えば、湖、沼、池など）の展開場所に展開される。或る実施態様では、沖合プラットホーム１０２は、半潜水艇、翼桁、掘削船、甲板昇降型沖合プラットホーム、放牧プラントなどのようなテンション・レグ沖合プラットホーム以外の沖合プラットホームである。プラットホーム１０２の設計、製造及び使用法は当業者に自明である。
【００２６】
タービン発電機１０４は船殻１１２に取付られた常用のタービン駆動発電機である。タービン発電機１０４は流体の流れに応答して電気エネルギーを発生し、そして、発生された電気エネルギーを出力ケーブル１３８に供給する。
【００２７】
閉ループ導管１０６は蒸発器１１０−１、凝縮器１１０−２及びタービン発電機１０４を介して作動流体１０８を搬送する導管である。
【００２８】
蒸発器１１０−１は、表層部１１８における温海水からの熱を作動流体１０８に移動させ、それにより作動流体を蒸発させるように構成された円筒多管式熱交換器である。
【００２９】
凝縮器１１０−２は、気化作動流体１０８からの熱を深層部の冷深層水に移動させ、それにより気化作動流体１０８を凝縮させて液状に戻すように構成された円筒多管式熱交換器である。蒸発器１１０−１及び凝縮器１１０−２は、沖合プラットホーム１０２と共に機械的に、かつ、流体的に結合されている。
【００３０】
蒸発器又は凝縮器としての熱交換器の運転は、ＯＴＥＣシステム１００内に流体的に形成された態様に応じて変化する。本発明の代表的な実施例による円筒多管式熱交換器（すなわち、熱交換器１１０）は下記の図４に関する説明において更に詳述する。
【００３１】
タービン発電機１０４、閉ループ導管１０６、蒸発器１１０−１及び凝縮器１１０−２は全体としてランキンサイクル(Rankine cycle)熱機関を形成する。ランキンサイクル熱機関は表層部１１８の海水温度と深層部１２６における深層水温度との温度差に基づいて電気エネルギーを発生する。
【００３２】
典型的な操作では、ＯＴＥＣシステムにおける作動流体１０８としてアンモニアが繁用される。しかし、表層部１１８の海水温度で蒸発し、深層部１２６における深層水温度で凝縮する任意の流体を、（材料適合性拘束を条件として）作動流体１０８として好適に使用できる
【００３３】
ポンプ１１６は、導管１２０を介して、表層部１１８の温海水を蒸発器１１０内に引き入れる。典型的なＯＴＥＣ展開では、表層部１１８の海水は、（天候及び太陽光線の状態を条件として）約２５℃の概ね一定の温度である。蒸発器１１０−１において、温海水からの熱は作動流体１０８により吸収され、これにより、作動流体の蒸発が引き起こされる。蒸発器１１０−１を通過後、僅かに冷却された海水は導管１２２を介して海洋１４０に排吐出される。表層部における平均海水温度の低下を避けるために、導管１２２の排出口は一般的に、表層部１１８よりも深い海中部（すなわち、中層部１３２）に配置される。
【００３４】
膨張した作動流体１０８の蒸気はタービン発電機１０４に強制給送され、それによりタービン発電機を駆動して電気エネルギーを発生する。発生された電気エネルギーは出力ケーブル１３８に供給される。タービン発電機１０４を通過後、気化作動流体は凝縮器１１０−２に入る。
【００３５】
ポンプ１２４は導管１２８を介して深層部１２６からの冷海水を凝縮器１１０−２内に引き込む。一般的に、深層部１２６は海面から約１０００ｍの位置であり、この深度における海水は数℃程度の概ね一定温度である。冷海水は凝縮器１１０−２内を巡り、気化作動流体からの熱を吸収する。その結果、作動流体１０８は凝縮され液体に戻る。凝縮器１１０−２内を通過後、僅かに暖かくなった海水は導管１３０を介して海洋に排吐出される。導管１３０の吐出口は、深層部における平均海水温の上昇を避けるために、深層部１２６の深度よりも浅い深度（すなわち、中層部１３２）の海洋１４０中に配置される。
【００３６】
ポンプ１１４は凝縮された作動流体１０８を汲み出し、蒸発器１１０−１に返送し、そこで作動流体は再び気化される。これにより、タービン発電機１０４を駆動するランキンサイクルが継続される。
【００３７】
図２は当業者に周知の常用の円筒多管式熱交換器の概要図である。熱交換器２００は管２０２、管板２０４、邪魔板２０６、入口プレナム２０８、出口プレナム２１０、外殻２１２、二次入口２１４及び二次出口２１６からなる。熱交換器２００は一次流体と二次流体との間で熱を移動させる。ＯＴＥＣ用途で使用することが企図された熱交換器の場合、一次流体は一般的にアンモニアのような作動流体であり、二次流体は一般的に海水である。
【００３８】
管２０２は、銅合金、ステンレススチール、炭素鋼、非鉄銅合金、インコネル(Inconel)、ニッケル、ハステロイ(Hastelloy)及びチタンなどのような伝熱性金属製の直線的な撚りの無い導管である。作動流体は入口２１８で熱交換器２００内に供給される。入口２１８は入口プレナム２０８に流体的に接続されており、入口プレナム２０８は作動流体を各管２０２に分配する。管２０２は作動流体を出口プレナム２１０に搬送し、出口プレナム２１０は作動流体を集め、そして、それを出口２２０に供給する。入口２１８及び出口２２０は一般的に、作動流体を搬送する閉ループ導管に接続されている。
【００３９】
管板２０４は概ね同一の板であり、各板は管２０２を１本毎に受容する穴のアレイからなる。管２０２は例えば、管を穴内に“圧伸成形”するために管の端部をフレア（拡開）加工することにより管板２０４に添着される。別法として、管を管板に接合させるために、ろう付け、結合又は溶接が使用される。
【００４０】
管板２０４内の穴は、円筒多管式熱交換器内に多数の管を配設するために、管２０２間の分離をセットする二次元配置で配列されている。伝熱は主に管の側壁を介して熱交換器内で起こるので、一次流体と二次流体との間で熱を移動させることができる表面積を実質的に最大にするために、出来るだけ多くの管を熱交換器内に包含させることが望ましい。管２０２間の間隔は、流体背圧の発達による熱交換器の効率の低下無しに、管２０２の周囲に沿って流れる二次流体の合理的流量を可能にするのに十分な間隔でなければならない。
【００４１】
二次流体と管２０２の壁間の相互作用時間及び長さを増大させるために、邪魔板２０６は管２０２の長さに沿って分布されている。しかし、邪魔板２０６は熱交換器２００を介する二次流体の流れも制限する。これにより、二次流体の背圧も増大し、二次流体を汲み出さなければならない力も増大し、その結果、熱交換器の総括伝熱係数が低下する。
【００４２】
一次流体（作動流体）は入口プレナム２０８を介して管２０２に導入される。入口プレナム２０８は一般的に、管板２０４にろう付け又は溶接されている。同様に、一次流体は出口プレナム２１０を介して管２０２を出て行く。出口プレナム２１０は一般的に、その各管板２０４にろう付け又は溶接されている。
【００４３】
外殻２１２は管２０２を包封し、二次流体用の導管を形成する。外殻２１２は一般的に、管板２０４にボルト締めされている。通常、流体シールを提供するために、外殻と管板との間にはガスケットが配設されている。
【００４４】
二次流体は二次流体入口２１４を介して外殻２１２内に導入され、そして、二次流体出口２１６を介して熱交換器２００を出て行く。二次流体入口２１４及び二次流体出口２１６は一般的に、外殻２１２にろう付け又は溶接されている。
【００４５】
不都合なことに、常用の円筒多管式熱交換器は幾つかの問題点、特に、ＯＴＥＣシステムにおける使用に関する問題点を有する。管材料は良好な伝熱性を有するものを選択しなければならないが、一次流体と二次流体との温度差により発生される大きな熱応力にも耐え得る材料でもなければならない。更に、一次流体及び二次流体は屡々、高圧で使用されるので、管２０２には曲げモーメントも加わる。更に、管材料は、腐食作用を軽減するために運転条件(例えば、温度、圧力、流量、流速、ｐＨ等）下で長期間に亘り円筒多管式熱交換器における一次流体及び二次流体の両方と適合性も有しなければならない。更にまた、管材料又は継手材料（例えば、ろう付け材料又は溶接材料等）の選択は円筒多管式熱交換器側部間の管からの漏洩を生じることがある。この漏洩により、流体の相互汚染を起こしたり、また、圧力損失及び熱交換の失敗なども引き起こされることがある。
【００４６】
図３Ａは従来技術による円筒多管式熱交換器で使用するの適した撚り管の部分概要図である。管３０２は熱交換器２００における管２０２として使用するのに好適な、直線状の卵形をした導管である。しかし、管２０２と異なり、管３０２はその軸線３０４に沿って個々に撚られている。管３０２の卵形断面は軸線３０４に沿って回転しているが、軸線３０４は管３０２の長さに沿って概ね直線状を維持している。
【００４７】
図３Ｂは図３Ａに示された撚り管３０２のｚ軸方向に沿った異なるポイントにおける一連の横断面図である。
【００４８】
ｚ軸方向に沿ってポイントＡでは、管３０２の卵形断面の主軸３０６はｘ軸方向に整列されている。ポイントＢでは、主軸３０６はｘ−ｙ平面において約６０゜回転している。ポイントＣでは、主軸３０６はｘ−ｙ平面において更に６０゜回転し、約１２０゜回転している。ポイントＤは、管３０２の回転周期の波長の約半分の位置であり、主軸３０６は再びｘ軸と一直線に並べられる。軸線３０４に沿って管３０２を更に約６０゜回転させると、各ポイントＥ、Ｆ及びＧの位置間に並ぶ。その結果、主軸３０６は再びｘ−ｙ平面においてそれぞれ６０゜及び１２０゜回転した位置に存在する。ポイントＧは管３０２の回転周期の１波長分の位置を示す。従って、主軸３０６は再びｘ軸方向に整列される。      
【００４９】
管３０２の撚り構造はその管壁の表面積を増大させる。その結果、管３０２の管壁を介する一次流体と二次流体との間の伝熱は、管２０２の管壁を介する一次流体と二次流体との間の伝熱よりも一層優れた効果を発揮できる。更に、撚り管の機械的共振周波数は、互換的な非撚り管よりも高い。このため、熱交換器内の二次流体流により長期間に亘って持続的に加えられる力による横方向撓みに対して、管３０２は管２０２よりも高抵抗性である。
【００５０】
しかし、管３０２は幾つかの欠点を有する。個々に撚られた管は洗浄が困難であり、非撚り管よりも生物汚染を一層受け易い。また、個々に撚られた管は、インターロッキング／高断面係数を維持するために、密充填させなければならない。この密充填の必要性は、望ましからざる制約を円筒多管式熱交換器内における管配列に課する。
【００５１】
図４は、本発明の一実施例による円筒多管式熱交換器の概要斜視図である。熱交換器１１０は管板４０２，管束４０４−１〜４０４−Ｎ、外殻４０８、入口４１０及び出口４１２からなる。管板４０２は熱交換器１００の管板２０４及び２０６と同様な部材である。しかし、管板４０２の穴配列は管束４０４−１〜４０４−Ｎ（全体として、管束４０４と呼ぶ）に適応している。
【００５２】
管板４０２は海洋品級のアルミニウム合金製である。特定のアルミニウム合金類は海水中の腐食に対して抵抗性を有するので、ＯＴＥＣ用途に最適である。更に、アルミニウム及びその合金類の殆どは摩擦撹拌溶接（ＦＳＷ）接合法の使用に従順である。
【００５３】
摩擦撹拌溶接法は同じ材料の２つの要素を接合する方法として当業者に周知である。常用のＦＳＷは２つの要素間の界面に押し当てられる回転プローブを使用する。プローブと材料との間の巨大な摩擦力は、プローブの直近の材料をその融点以下の温度にまで加熱する。これにより、相接する部分が軟化される。しかし、材料は固相状態のままなので、その元の材料特性は維持される。溶接ラインに沿ってプローブが移動すると、２個のピースから軟化材料が後縁（トレーリングエッジ）に向かって押し当てられて隣接領域が溶融され、その結果、溶接継目が形成される。
【００５４】
融接、ろう付けなどのようなその他の常用の結合技法と異なり、ＦＳＷは幾つかの性能優位性を有する。特に、得られた溶接継目は結合部分と同じ材料から構成されている。その結果、結合部における非同類金属間の接触による電解腐食（電食）は軽減されるか又は全く無くなる。更に、得られた溶接継目は結合部における材料の材料特性を維持する。
【００５５】
熱交換器１１０の構成部材類を接合するためにＦＳＷを使用すると、下記に説明するような利点が本発明にもたらされる。
【００５６】
各管束４０４は管４０６−１〜４０６−３（全体として、管４０６と呼ぶ）からなる。管４０６は管板４０２と同じ材料製の押出管である。或る実施態様では、管４０６は引抜管である。或る実施態様では、管４０６は概ねシームレスパイプのように形成されている。管４０６は熱交換器１１０の長さを通して海水を搬送する。図示された実施態様では、各管束４０４は３本の管から構成されているが、少なくとも１個の管束は３本超又は３本未満の管から構成することもできる。
【００５７】
図示された実施態様では、管及び管板はアルミニウム製であるが、特に海洋環境下で耐腐食性の別の材料製の管及び管板も使用できる。管板４０２及び管４０６に使用される材料は、熱交換器の耐用年数の期間中、海洋環境下で過度な腐食性を示してはならない。更に、管板４０２及び管４０６に使用される材料は、熱伝導性でなければならない。管板４０２及び管４０６に使用される好適な材料は、アルミニウム、アルミニウム合金、セラミック、鋼合金、チタン、チタン合金、熱伝導性プラスチック、熱伝導性ポリマー等である。これらだけに限定されない。
【００５８】
或る実施態様では、ＦＳＷ以外の接合法を使用し、耐電解腐食性継手により構成部材類を接合させることもできる。好適な接合法は、幾つかのタイプの融接法、弾性、熱可塑性、熱硬化性又はエポキシ系接合化合物を使用する接合法などである。これらだけに限定されない。
【００５９】
管４０６のサイズ、長さ及び壁厚は、本発明の特定の履行条件に応じた設計パラメータである。しかし、代表的な実施態様における一例として、各管４０６は、直径が約２４ｍｍ、長さが約１０ｍ、壁厚が約２．５４ｍｍである。
【００６０】
管束４０４については図５Ａ及び５Ｂを参照しながら下記で更に詳細に説明する。
【００６１】
管束４０４は六辺形の密充填配列構成で管板４０２に配列される。或る実施態様では、管束４０４は六辺形の密充填配列構成以外の充填配列構成で管板４０２に配列される。
【００６２】
外殻４０８は管束４０４を密閉し、かつ、管４０６の表面に沿って一次流体（すなわち、作動流体）を搬送するのに適した外殻である。外殻４０８は、耐食性であるか又は作動流体への曝露の結果生じるその他のダメージに対して耐性である材料から形成されている。
【００６３】
作動流体は入口４１０を介して外殻４０８内に入り、出口４１２を介して外殻４０８を出て行く。その結果、作動流体は管４０６に沿って及び管４０６間を搬送され、これにより、管４０６内の海水と作動流体間の効果的な伝熱が可能になる。入口４１０及び出口４１２の仕様、製法及び使用法は当業者に自明である。
【００６４】
代表的な実施態様では、熱交換器１１０は熱交換器２００と異なる方法で運転される。本発明の熱交換器１１０では、二次流体（すなわち海水）は管板４０４内の各管により搬送され、作動流体は、外殻４０８内を進行するにつれて管の周囲及び管に沿って搬送される。しかし、熱交換器１１０は熱交換器２００と同様な方法で運転することもできる。この場合、作動流体は管４０８内を流れ、二次流体（すなわち海水）は外殻４０８内を流れる。
【００６５】
図５Ａは、本発明の一実施例による管束の概要斜視図である。管束４０４−ｉは管４０６−１、４０６−２及び４０６−３からなり、場合により管束シュラウド（囲い板）５０２を有する。
【００６６】
管４０６−１〜４０６−３の端部５０４−１〜５０４−３は中心軸５０６の周囲に対称的配列構成で管板４０２（図示されていない）に配列されている。管束４０４−ｉは中心軸５０６の周囲に一体的に撚られており、これにより、螺旋状の捲回配列構成を形成する。螺旋状に捲回された管束の外径、螺旋状捲回スパイラルの周期性及び管束の外径は設計事項である。
【００６７】
或る実施態様では、管４０６−１〜４０６−３は互いにしっかりと結合されている。従って、管束に対する各管の動作は許されない。或る実施態様では、管４０６−１〜４０６−３は互いに部分的に結合されている。例えば、管束内の管がその螺旋状捲回形状の結果として接するようなポイントのみで接合されている。従って、管束に対する各管の動作は制限される。その結果、本発明による管束は非常に高い機械的曲げ剛性を特徴とする。
【００６８】
本発明による熱交換器は、直線状の非撚り管からなる従来技術の熱交換器を凌駕する下記のような利点を有する。
(i)一層大きな管壁表面積による改善された伝熱係数、
(ii)向上された管曲げ剛性、
(iii)管の向上された耐流体励起振動性、
(iv)改善された二次流体流動性、
(v)高断面係数、又は
(vi)前記(i)〜(v)の任意の組合せ。
【００６９】
本発明による熱交換器は、個別的撚り管からなる従来技術の熱交換器を凌駕する下記のような利点を有する。
(i)生物汚染の低感受性、
(ii)改善された耐食性、
(iii)管当たりの改善された表面積、
(iv)改善された二次流体流動性、又は
(v)前記(i)〜(iv)の任意の組合せ。
【００７０】
管の螺旋状配列構成は、管の内側又は外側の境界層の分解により、及び、管の外面に沿った又は外面周辺の流体の軸線方向流れと半径方向流れを結合させることにより、一次流体及び二次流体間の熱流を高める。管を通る流体の管内旋回流は、熱交換器による圧力低下が殆ど起こること無く流体境界層全域における熱移動（伝熱）を高める。その結果、或る実施態様では、外殻５０２内の流体の流れ方向を変える邪魔板（例えば、前記に説明したような邪魔板２０６）は不要である。
【００７１】
図５Bは、本発明の一実施例による管束４０４−ｉの部分概要端面図である。
【００７２】
管４０６−１は側壁５０８−１からなる。側壁５０８−１はＦＳＷ（摩擦撹拌溶接法）を用いて管板４０２に接合されており、これにより、管４０６−１の外縁部周辺に漏れ止めシールが形成される。ＦＳＷは非同類材料を含浸させること無く２個の要素を接合させる方法である。ＦＳＷ溶接継手は、接合される材料の大部分の材料特性を維持し、かつ、接合される材料の金属粒界は通常悪影響を受けない。ＦＳＷは米国特許出願第１２／４８４，５４２号明細書（出願日：２００９年６月１５日）に詳述されている。ＦＳＷは、耐電解腐食性継手を生じる接合技法の一例である。
【００７３】
側壁５０８−１と管板４０２との間に形成された継手は割れ目（クレバス）の発生を防止する。この割れ目は従来の円筒多管式熱交換器における管板材料周囲と機械的に回転された管端との間に典型的に存在する。これら割れ目の発生を防止することにより、本発明による熱交換器の耐用年数は著しく長くなる。なぜなら、割れ目内で腐食性の海水に曝露されることによる腐食が軽減又は排除されるからである。
【００７４】
同様に、管４０６−２は側壁５０８−２からなる。側壁５０８−２は摩擦撹拌溶接法（ＦＳＷ）を用いて管板４０２に接合されており、これにより、管４０６−２の外縁部周辺に漏れ止めシールが形成される。更に、管４０６−３は側壁５０８−３からなる。側壁５０８−３は摩擦撹拌溶接法（ＦＳＷ）を用いて管板４０２に接合されており、これにより、管４０６−３の外縁部周辺に漏れ止めシールが形成される。
【００７５】
ＦＳＷは、側壁５０８−１と管板４０２との間の継手を取り囲む熱影響域５１０−１を残す。この熱影響域の横方向の広がりは各管板４０２における管側壁５０８−１〜５０８−３間の最少間隔を限定する。
【００７６】
螺旋管束はバネ要素として機能する。これにより、管と外殻側面との間の差圧又は材料間の温度膨張／収縮変動から生じる予圧又は軸負荷に容易に対処することができる。或る実施態様では、１個以上の管束４０４内の管は、それらの共振周波数を高めるために、従って、運転中の流体励起振動に対するそれらの抵抗性を高めるために、予圧されている。
【００７７】
更に、螺旋配列管の高められた曲げ剛性は、本発明の熱交換器を、上方流外殻側蒸発器又は下方流外殻側凝縮器のような垂直操作に対して従順にする。
【００７８】
管束４０４は幾つかの任意の方法で形成することができる。或る実施態様では、１個以上の管束４０４は、図７Ａ〜７Ｃを参照しながら下記に説明する方法と同様な方法で、中心軸５０６の周囲に予備成形管を捲回させることにより形成される。別法として、押出ダイを同時に回転させながら又は押出処理中に押出材料を同時に回転させながら、複数の管４０６における全ての管５０２を同時に押し出すことにより、１個以上の管束４０４を螺旋捲回配列形状に形成させることができる。
【００７９】
図６は、本発明の別の実施例による管束の配列構成を示す部分概要斜視図である。
【００８０】
熱交換器６００は管束４０４の六辺形状の密充填配列からなる。各管束は管束シュラウド６０２内に包封されている。各管束シュラウドは他の管束シュラウドから流体的に隔離されている。これにより、熱交換器は異なる管束シュラウドにより異なる流体を搬送できる。更に、或る実施態様では、管束４０４内の１個以上の管は、管束内の少なくとも１個の他の管から異なる流体を搬送する。
【００８１】
例えば、管束４０４−１内の各管は第１の二次流体を搬送し、一方、各管束４０４−２〜４０４−Ｎ内の各管は第２の二次流体を搬送する。更に、管束シュラウド６０２−２は第１の一次流体を搬送し、一方、各管束シュラウド６０２−１及び６０２−３〜６０２−Ｎは第２の一次流体を搬送する。
【００８２】
図６に示された配列は大きな熱交換器であることができる。
【００８３】
図７Ａは、本発明の他の実施例による管束の配列構成を示す部分概要斜視図である。管束７００は中心管７０２と外側管７０４からなる。
【００８４】
各管７０２及び７０４は図３を参照しながら前記で説明した管４０６の一つと同様な管である。
【００８５】
中心管７０２が直線状で撚られていないこと及び外側管７０４が中心管の周囲に捲回されていることを除いて、管束７００は管束４０４の一つと同類のものである。中心管７０２は管束７００の中心軸７０６と共線状である。
【００８６】
管束７００は６個の外側管７０４からなるが、６個以外の外側管７０４又は１個以上の中心管７０２からなる管束７００も本発明の熱交換器で使用できる。
【００８７】
図７Ｂは、中心管７０２の周囲に外側管７０４を捲回させる前の管束７００を示す部分概要斜視図である。
【００８８】
図７Ｃは、本発明の更に別の実施例による管束を形成させるための管束組立機構を示す概要斜視図である。機構７０８は支持構造体７１０、固定末端キャップ７１２及び回転末端キャップ７１４からなる。
【００８９】
管束７００を形成する代表的方法において、中心管７０２及び外側管７０４は固定末端キャップ及び回転末端キャップ７１４に挿入される。次いで、回転末端キャップ７１４を回転させ、外側管７０４の螺旋配列の所望の捲回量及び周期性が得られるまで、中心軸７０６の周囲に外側管７０４を捲回する。次いで、管束７００を固定末端キャップ７１２及び回転末端キャップ７１４の各々から取り出す。
【００９０】
図８は、管束７００の形成中又は形成後に外側管７０４と中心管７０２を保持するためのガイドの正面図である。ガイド８００はアーム８０２により一緒に結束された外側管７０４を維持する。開口８０４は、中心管７０２に捻れ歪を導入すること無く中心管７０２の回りをガイド８００が回転できるようにする。或る実施態様では、複数のガイドが管束７００の長さに沿って配列される。
【００９１】
以上の説明は、本発明の一実施例に関するもので、この技術分野の当業者であれば、本発明の種々の変形例を考え得るが、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。特許請求の範囲の構成要素の後に記載した括弧内の番号は、図面の部品番号に対応し、発明の容易なる理解の為に付したものであり、発明を限定的に解釈するために用いてはならない。また、同一番号でも明細書と特許請求の範囲の部品名は必ずしも同一ではない。これは上記した理由による。用語「又は」に関して、例えば「Ａ又はＢ」は、「Ａのみ」、「Ｂのみ」ならず、「ＡとＢの両方」を選択することも含む。特に記載のない限り、装置又は手段の数は、単数か複数かを問わない。
【符号の説明】
【００９２】
１００  ＯＴＥＣシステム
１０２  沖合プラットホーム
１０４  タービン発電機
１０６  閉ループ導管
１０８  作動流体
１１０  熱交換器
１１０−１  蒸発器
１１０−２  凝縮器
１１２  船殻
１１４、１１６、１２４  ポンプ
１１８  表層部
１２０  導管（温海水入口）
１２２  導管（温海水出口）
１２８  導管（冷海水入口）
１３０  導管（冷海水出口）
１２６  深層部
１３２  中層部
１３４  展開位置
１３６  海底
１３８  出力ケーブル
１４０  海洋
２００  常用の円筒多管式熱交換器
２０２  管
２０４  管板
２０６  邪魔板
２０８  入口プレナム
２１０  出口プレナム
２１２  外殻
２１４  作動流体入口
２１６  作動流体出口
２１８  海水入口
２２０  海水出口
３０２  管
３０４  軸線
３０６  主軸
４０２  管板
４０４  管束
４０６  管
４０８  外殻
４１０  入口
４１２  出口
５０２  管束シュラウド
５０４  管端部
５０６  中心軸
５０８  管側壁
５１０  熱影響域
６００  熱交換器
６０２  管束シュラウド
７００  管束
７０２  中心管
７０４  外側管
７０６  中心軸
７０８  管束組立機構
７１０  支持構造体
７１２  固定末端キャップ
７１４  回転末端キャップ
８００  ガイド
８０２  アーム
８０４  開口
【図１】
2015099011.tif 000003
【図２】
2015099011.tif 000004
【図３Ａ】
2015099011.tif 000005
【図３Ｂ】
2015099011.tif 000006
【図４】
2015099011.tif 000007
【図５Ａ】
2015099011.tif 000008
【図５Ｂ】
2015099011.tif 000009
【図６】
2015099011.tif 000010
【図７Ａ】
2015099011.tif 000011
【図７Ｂ】
2015099011.tif 000012
【図７Ｃ】
2015099011.tif 000013
【図８】
2015099011.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成27年3月25日(2015.3.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１中心軸を有する第１管束と、第１材料製の第１管板と、第１材料製の第２管板とを有する水中で動作する熱交換器において、
前記第１管束は、第１中心軸の周囲に螺旋状に捲回されており、
前記第１管束は、前記第１流体を搬送する複数の管からなる第１管群を有し、
前記第１管群の各管は、前記第１材料製であり、第１端部と第２端部と管壁とを有し、
前記第１管板と管壁とは、前記第１端部で、第１の耐電解腐食性の摩擦撹拌溶接接合で固定され、
前記第２管板と管壁とは、前記第２端部で、第２の耐電解腐食性の摩擦撹拌溶接接合で固定されている
ことを特徴とする水中で動作する熱交換器。
【請求項２】
前記第１管板と第２管板に結合される殻を更に有し、前記殻は、
前記第１管束は配置されるチャンバーと、
前記チャンバーに第２流体を導入する入口と、
前記第２流体を前記チャンバーから導出する出口と
を構成し、前記第１管群は前記チャンバーから流体的に隔離されている
ことを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項３】
前記入口は前記第１中心軸に直交して伸び、
前記出口は前記第１中心軸に直交して伸びる
ことを特徴とする請求項２記載の熱交換器。
【請求項４】
前記第１管束は、複数の管束の中の１つの管束であり、前記複数の管束は六辺形の形状で配置されている
ことを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項５】
前記第１管群は、前記第１中心軸と一致した第１管を有し、前記第１管は直線状である
ことを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項６】
前記第１管群内の各管の動きは抑制されている
ことを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項７】
第２中心軸に沿って伸びる第２流体を搬送する第２管群を有する第２管束と、
前記第１管束を囲み第３流体を搬送する第１シュラウドと、
前記第２管束を囲み第４流体を搬送する第２シュラウドと、
を有し、
前記第３流体と第１流体は流体的に隔離されており、第４流体と第２流体は流体的に隔離されており、前記第３流体と第４流体は流体的に隔離されている
ことを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項８】
前記第１管板と第２管板に結合される殻を更に有し、前記第１管板と第２管板と殻とは、一体となって前記第１管束が配置されるチャンバーを構成する
ことを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項９】
殻と第１管束と第１シュラウドとを有する水中で動作する熱交換器において、
前記殻は、内部空洞を形成し、
前記第１管束は、前記内部空洞内に配置され、第１中心軸の周囲に螺旋状に捲回されており、第１流体を搬送する複数の管からなる第１管群を有し、
前記第１シュラウドは、前記第１管束を囲み、第２流体を搬送し、前記第１管群から流体的に隔離されている
ことを特徴とする水中で動作する熱交換器。
【請求項１０】
第２管束と第２シュラウドとを更に有し、
前記第２管束は、前記内部空洞内に配置され、第２中心軸の周囲に螺旋状に捲回されており、第３流体を搬送する複数の管からなる第２管群を有し、
前記第２シュラウドは、前記第２管束を囲み、第４流体を搬送し、前記第２管群から流体的に隔離されている
ことを特徴とする請求項９記載の熱交換器。