(57)【要約】【課題】熱交換器流体層の供給・排出側に高温側流体あるいは低温側流体の供給ヘッダ及び排出ヘッダを配置した熱交換器において、プレート積層方向の流量分配特性を均一化するとともに圧力損失を低減し、熱交換効率を向上した熱交換器のヘッダ構造を提供する。【解決手段】高温側供給ヘッダ及び低温側供給ヘッダ、並びに高温側排出ヘッダ及び低温側排出ヘッダを、高温流体の流れと低温流体の流れとが望ましくは対向流、または直交流もしくは並流になるように配置して、高温側供給ヘッダ及び低温側供給ヘッダ、並びに高温側排出ヘッダ及び低温側排出ヘッダをそれぞれ流体層幅方向に複数に分割して配置し、各高温側供給・排出ヘッダの流路面積をプレート積層方向において先端縮小状・先端拡大状に変化させるとともに、各低温側供給・排出ヘッダの流路面積を先端縮小状・先端拡大状に変化させることを特徴とする。【選択図】図１
2008089223.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換器流体層の供給・排出側に、高温側流体が通流する高温側供給ヘッダ及び高温側排出ヘッダと低温側流体が通流する低温側供給ヘッダ及び低温側排出ヘッダとを配設し、高温側入口部から前記高温側供給ヘッダに導入された前記高温側流体を前記熱交換器本体の高温側流体層を通流させるとともに低温側入口部から前記低温側供給ヘッダに導入された前記低温側流体を前記熱交換器本体の低温側流体層を通流させることにより該高温側流体と低温側流体とを熱交換させ、熱交換後の前記高温側流体を前記高温側排出ヘッダに導出するとともに前記低温側流体を前記低温側排出ヘッダに導出するように構成された熱交換器のヘッダ構造において、
前記高温側供給ヘッダ及び低温側供給ヘッダ、並びに前記高温側排出ヘッダ及び低温側排出ヘッダを、前記高温側供給ヘッダから高温側排出ヘッダに向かう高温側流体の流れと前記低温側供給ヘッダから低温側排出ヘッダに向かう低温側流体の流れとが対向流、直交流、もしくは並流になるように配置して、前記高温側供給ヘッダ及び低温側供給ヘッダ、並びに前記高温側排出ヘッダ及び低温側排出ヘッダをそれぞれ流体層幅方向に複数に分割して配置し、
前記各高温側供給ヘッダの流路面積をプレートの積層方向において前記高温側流体の入口側から高温側流体層側に向けて縮小される先端縮小状に形成するとともに、前記各低温側供給ヘッダの流路面積をプレートの積層方向において前記低温流体の入口側から低温側流体層側に向けて縮小される先端縮小状に形成したことを特徴とする熱交換器のヘッダ構造。
【請求項２】
前記各高温側排出ヘッダの流路面積をプレートの積層方向において前記熱交換器流体層の高温側流体層側から高温側流体の出口側に向けて拡大されるように先端拡大状に形成するとともに、
前記各低温側排出ヘッダの流路面積をプレートの積層方向において前記熱交換器流体層の低温側流体層側から低温側流体の出口側に向けて拡大されるように先端拡大状に形成したことを特徴とする請求項１記載の熱交換器のヘッダ構造。
【請求項３】
前記複数の高温側供給ヘッダ及び低温側供給ヘッダ、並びに前記複数の高温側排出ヘッダ及び低温側排出ヘッダをそれぞれ熱交換器の幅方向において複数の流路に分割し、前記高温側流体を前記複数の高温側供給ヘッダの流路から前記熱交換器本体の高温流体層を経て前記複数の高温側排出ヘッダの流路にそれぞれ導出するとともに前記低温流体を前記複数の低温側供給ヘッダの流路から前記熱交換器本体の低温側流体層を経て前記複数の低温側排出ヘッダの流路にそれぞれ導出するように構成したことを特徴とする請求項１記載の熱交換器のヘッダ構造。
【請求項４】
前記高温側供給ヘッダ及び高温側排出ヘッダの一方のヘッダを熱交換器の幅方向において複数の流路に分割し他方のヘッダは単一の流路とし、前記低温側供給ヘッダ及び低温側排出ヘッダの一方のヘッダを熱交換器の幅方向において複数の流路に分割し他方のヘッダは単一の流路とし、前記高温側流体を前記高温側供給ヘッダの流路から前記熱交換器本体の高温流体層を経て前記高温側排出ヘッダの流路にそれぞれ導出するとともに前記低温流体を前記低温側供給ヘッダの流路から前記熱交換器本体の低温側流体層を経て前記低温側排出ヘッダの流路にそれぞれ導出するように構成したことを特徴とする請求項１記載の熱交換器のヘッダ構造。
【請求項５】
前記各高温側供給ヘッダの流路幅寸法と、前記各高温側供給ヘッダにそれぞれ接続される前記熱交換器流体層の前記高温側流体層の正味幅寸法とをほぼ同一寸法に形成したしたことを特徴とする請求項３または４に記載の熱交換器のヘッダ構造。
【請求項６】
前記各低温側供給ヘッダの流路幅寸法と、前記各低温側供給ヘッダにそれぞれ接続される前記熱交換器流体層の前記低温側流体層の正味幅寸法とをほぼ同一寸法に形成したしたことを特徴とする請求項３または４に記載の熱交換器のヘッダ構造。
【請求項７】
前記各高温側供給ヘッダ及び各低温側供給ヘッダの複数の流路と、前記各高温側排出ヘッダ及び各低温側排出ヘッダの複数の流路とを、熱交換器の幅方向において一定量ずらして配置したしたことを特徴とする請求項３記載の熱交換器のヘッダ構造。
【請求項８】
前記各高温側供給ヘッダ及び各低温側供給ヘッダの複数の流路を、熱交換器の幅方向において高温側入口部及び低温側入口部の中心に対してそれぞれ対称位置に配置したことを特徴とする請求項３記載の熱交換器のヘッダ構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、火力発電プラント、高温ガス炉などの原子力発電プラント等に適用され、熱交換器本体の両側に、高温流体が通流する高温側供給ヘッダ及び高温側排出ヘッダと低温流体が通流する低温側供給ヘッダ及び低温側排出ヘッダとを配設したプレートフィン型熱交換器におけるヘッダ構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱交換器本体の両側に、高温流体が通流する高温側供給ヘッダ及び高温側排出ヘッダと
低温流体が通流する低温側供給ヘッダ及び低温側排出ヘッダとを配設し、高温側入口管から高温側供給ヘッダに導入された高温流体を前記熱交換器本体の高温流体層を通流させるとともに低温側入口管から低温側供給ヘッダに導入された低温流体を熱交換器本体の低温流体層を直角方向に通流させることにより該高温流体と低温流体とを熱交換し、熱交換後の前記高温流体を高温側排出ヘッダに導出するとともに低温流体を低温側排出ヘッダに導出するように構成されたプレートフィン型熱交換器の一つに、本件出願人の出願に係る特許文献１（特開２００２−３２３２９５号公報）の技術がある。
【０００３】
かかる技術においては、熱交換器本体の両側に、高温流体が通流する高温側供給ヘッダ及び高温側排出ヘッダと低温流体が通流する低温側供給ヘッダ及び低温側排出ヘッダとを配設し、熱交換器本体を複数枚のプレート間にフィンをそなえた高温流体層と低温流体層とを積層し、前記高温側供給ヘッダからの高温流体と前記低温側供給ヘッダからの低温流体とを直交流で以って通流させて熱交換するようにして、熱交換器本体のフィン構造を高強度に構成している。
【０００４】
また、特許文献２（特開２００５−９８６１７号公報）には、プレートフィン型熱交換器において、高温流体と低温流体とを熱交換器本体内で対向流になるように構成し、オフセットフィンプレートとして、ろう材／基材／ろう材の三層構造の熱交換プレートフィンを用いることにより、熱交換器本体のフィン構造を高強度化している。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３２３２９５号公報
【特許文献２】特開２００５−９８６１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記特許文献１（特開２００２−３２３２９５号公報）の技術は、プレートフィンを高強度化した熱交換器本体をそなえたプレートフィン型熱交換器を得ることができるが、熱交換器本体の両側に配設されて該熱交換器本体内への高温流体及び低温流体が通流する高温側ヘッダ及び低温側ヘッダについては、次のような改良すべき点がある。
【０００７】
（１）高温流体と低温流体とが熱交換器本体内で直交する直交流型であるため、高温流体層と低温流体層とが向流となる対向流型に比べて熱交換効率が低くならざるを得ない。
（２）高温流体はプレートの積層方向に設置された直管型の高温側供給ヘッダから熱交換器本体内の高温流体層に流入し、低温流体はケーシングの側部から熱交換器本体内の低温流体層に高温流体と直交するように流入する構造となっている。従って、高温流体側に関しては、熱交換器本体の高温側流体層における高温側入口及び高温側出口の流路幅（間口）に対して直管型の高温側供給ヘッダの流路幅（流路径）が極端に小さいために、高温側流体層において供給ヘッダ流路径に相当する部分が高流量となり、端部に逆向きに流れるような二次流れが生じるため、高温流体の流動方向に流量分配の偏差が生じやすい。このように高温側流体層もしくは低温側流体層の幅方向流量分配特性に課題がある。
（３）熱交換器本体はプレートの積層方向に（前記特許文献の図より）４組程度の熱交換器モジュールを積層した構造であるため、上部側の高温流体供給側の熱交換器モジュールには多量の高温流体が流入するが、下部側になり供給側から離れるに従い高温側流体の流入量が減少し、最下部の熱交換器モジュールへの高温側流体の流入量は最上部に比べて大幅に低下する。
一方、低温側流体は熱交換器高さ方向中央部のケーシング側部から熱交換器本体内の低温側流体層に高温側流体と直交するように流入、排出されるため、熱交換器高さ方向中央部近傍における低温側流体の流量が大きく、供給側から離れる上部側及び下部側の熱交換部への低温側流体の流量は小さい。
従って、熱交換器本体における高温流体及び低温流体の流量分布が熱交換器高さ方向において流量分配が均一でない。このように同じ流体層の流量分配特性に加えて、積層方向の流量分配特性にも課題を持つ。
【０００８】
また、前記特許文献２（特開２００５−９８６１７号公報）の技術は、次のような問題点がある。
（１）熱交換器本体における高温側流体及び低温側流体の流路開口に比べて、高温側流体の入口管及び出口管、並びに低温側流体の入口管及び出口管の径は１／３程度であるため、高温側ヘッダ及び低温側ヘッダは高温側流体の入口管及び出口管、並びに低温側流体の入口管及び出口管と、
熱交換器本体の流路開口とを接続するために、
熱交換器本体の流路開口側に向けてテーパ状に拡開された形状となっている。
このため、高温流体及び低温流体の流速は、高温側流体の入口管及び出口管、並びに低温側流体の入口管及び出口管等の配管部分において最大で、熱交換器本体の流体層において最小となり、かかる流速が流体供給配管→熱交換器本体の流体層→流体排出配管の流路において急拡大・急縮小し、流体供給側ヘッダでは急拡大となり流速が低下し流体排出側ヘッダでは急縮小となり流速が増大することとなって、流体供給側ヘッダ及び流体排出側ヘッダにおける圧力損失が著しく大きくなる。
（２）高温側流体及び低温側流体がプレートの積層方向において下向きに熱交換器本体の流体層に供給され、上向きに排出されるようになっているため、供給側の熱交換器の流体層ほど流量が大きく、供給側から離れた側の熱交換器の流体層ほど流量が小さくなって、プレートの積層方向に流量分配が不均一となる。
【０００９】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、熱交換器本体の両側に高温側流体あるいは低温側流体の供給ヘッダ及び排出ヘッダを配置した熱交換器において、プレートの積層方向の流量分配特性を均一にするとともに、不均一な流量分配特性に伴う圧力損失を低減し、かつ熱交換効率を向上した熱交換器のヘッダ構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明はかかる目的を達成するものであり、熱交換器の各流体層の供給・排出側に、高温側流体が通流する高温側供給ヘッダ及び高温側排出ヘッダと低温側流体が通流する低温側供給ヘッダ及び低温側排出ヘッダとを配設し、高温側入口管から前記高温側供給ヘッダに導入された前記高温流体を前記熱交換器本体の高温側流体層を通流させるとともに低温側入口管から前記低温側供給ヘッダに導入された前記低温側流体を前記熱交換器本体の低温流体層を通流させることにより該高温側流体と低温側流体とを熱交換させ、熱交換後の前記高温側流体を前記高温側排出ヘッダに導出するとともに前記低温側流体を前記低温側排出ヘッダに導出するように構成された熱交換器のヘッダ構造において、
前記高温側供給ヘッダ及び低温側供給ヘッダ、並びに前記高温側排出ヘッダ及び低温側排出ヘッダを、前記高温側供給ヘッダから高温側排出ヘッダに向かう高温側流体の流れと前記低温側供給ヘッダから低温側排出ヘッダに向かう低温側流体の流れとが対向流、直交流、もしくは並流になるように配置して、前記高温側供給ヘッダ及び低温側供給ヘッダ、並びに前記高温側排出ヘッダ及び低温側排出ヘッダをそれぞれ流体層幅方向に複数に分割して配置し、
プレートの積層方向において前記各高温側供給ヘッダの流路面積を前記高温流体の入口側から高温流体層側に向けて縮小される先端縮小状に形成するとともに、プレートの積層方向において前記各低温側供給ヘッダの流路面積を前記低温流体の入口側から低温流体層側に向けて縮小される先端縮小状に形成したことを特徴とする（請求項１）。
かかる発明に加えて、好ましくは、プレートの積層方向において前記熱交換器本体の高温流体層側から高温側出口管側に向けて前記各高温側排出ヘッダの流路面積を先端拡大状に形成するとともに、
プレートの積層方向において前記熱交換器本体の低温流体層側から低温側出口管側に向けて前記各低温側排出ヘッダの流路面積を先端拡大状に形成する（請求項２）。
【００１１】
かかる発明によれば、高温側供給ヘッダ及び低温側供給ヘッダ、並びに前記高温側排出ヘッダ及び低温側排出ヘッダを高温流体の流れと低温流体の流れとが対向流、直交流、もしくは並流になるように配置して、前記高温側供給ヘッダ及び低温側供給ヘッダ、並びに高温側排出ヘッダ及び低温側排出ヘッダをそれぞれ流体層幅方向に複数に分割して配置したうえで、
プレートの積層方向において各高温側供給ヘッダの流路面積を高温流体の入口側から高温流体層側に向けて縮小される先端縮小状に形成するとともに、前記各低温側供給ヘッダの流路面積を入口側から低温流体層側に向けて縮小される先端縮小状に形成したので（請求項１）、
高温側供給ヘッダの高温流体入口からのプレートの積層方向あるいは低温側供給ヘッダの低温流体入口からのプレートの積層に沿って、高温側供給ヘッダから熱交換器の高温側流体層への高温側流体の累計流入量が増加しあるいは低温側供給ヘッダから熱交換器の低温側流体層への低温流体の累計流入量が増加するのに対応して、各高温側供給ヘッダの流路面積あるいは各低温側供給ヘッダの流路面積を縮小して行くことにより、高温側供給ヘッダ及び各低温側供給ヘッダのプレートの積層方向の流量分配特性を均一化することができる。
【００１２】
これにより、高温側供給ヘッダ及び各低温側供給ヘッダからの高温側流体及び低温側流体を熱交換器の高温側流体層及び低温側流体層に均一に流入せしめることができる。また、前記のように高温側流体の流れと低温側流体の流れとを望ましくは対向流とすることによって、熱交換効率を向上できる。
また、前記のように、高温側供給ヘッダの高温流体入口からのプレートの積層方向あるいは低温側供給ヘッダの低温流体入口からのプレートの積層方向に沿った熱交換器の流体層に流入する高温側流体あるいは低温側流体の流量分配特性が均一化されることにより、熱交換器の流体層における高温側流体あるいは低温側流体の流動分配特性が均一化されることとなって、熱交換器の流体層での不均一な流量分配特性に伴う圧力損失を低減できる。
【００１３】
また、プレートの積層方向において各高温側排出ヘッダの流路面積を熱交換器本体側からの高温側流体層側から出口側に向けて拡大される先端拡大状に形成するとともに、前記各低温側排出ヘッダの流路面積を熱交換器本体側からの低温流体層側から出口側に向けて拡大されるように先端拡大状に形成したので（請求項２）、前記のようにプレートの積層方向において高温側供給ヘッダ及び低温側供給ヘッダのプレートの積層方向における先端縮小状の流路面積変化に対応して、高温側排出ヘッダ及び低温側排出ヘッダのプレートの積層方向における流路面積変化を先端拡大状に形成することにより、高温側供給ヘッダ及び低温側供給ヘッダのプレートの積層方向における流量分配特性の均一化効果がさらに向上する。
【００１４】
かかる発明において、具体的には次のように構成するのが好ましい。
（１）前記複数の高温側供給ヘッダ及び低温側供給ヘッダ、並びに前記複数の高温側排出ヘッダ及び低温側排出ヘッダをそれぞれ熱交換器の幅方向において複数の流路に分割し、前記高温側流体を前記複数の高温側供給ヘッダの流路から前記熱交換器本体の高温流体層を経て前記複数の高温側排出ヘッダの流路にそれぞれ導出するとともに前記低温側流体を前記複数の低温側供給ヘッダの流路から前記熱交換器本体の低温流体層を経て前記複数の低温側排出ヘッダの流路にそれぞれ導出するように構成する（請求項３）。
【００１５】
このように構成すれば、前記複数の高温側供給ヘッダと高温側排出ヘッダ、及び複数の低温側供給ヘッダと低温側排出ヘッダをそれぞれ対応させて、熱交換器の幅方向において複数の流路に分割し、熱交換器の幅方向に配置された複数の流路から高温流体及び低温流体を熱交換器本体に送り込むので、高温流体及び低温流体が熱交換器幅方向に広く且つ均一に分配され、コンパクトな構造で熱交換器幅方向における高温流体及び低温流体の流量分配性を向上できる。
【００１６】
（２）前記高温側供給ヘッダ及び高温側排出ヘッダの一方のヘッダを熱交換器の幅方向において複数の流路に分割し他方のヘッダは単一の流路とし、前記低温側供給ヘッダ及び低温側排出ヘッダの一方のヘッダを熱交換器の幅方向において複数の流路に分割し他方のヘッダは単一の流路とし、前記高温側流体を前記高温側供給ヘッダの流路から前記熱交換器本体の高温流体層を経て前記高温側排出ヘッダの流路にそれぞれ導出するとともに前記低温流体を前記低温側供給ヘッダの流路から前記熱交換器本体の低温側流体層を経て前記低温側排出ヘッダの流路にそれぞれ導出するように構成する（請求項４）。
【００１７】
このように構成すれば、前記高温側供給ヘッダと高温側排出ヘッダの一方側は単一の流路構造であり、また同様に前記低温側供給ヘッダと低温側排出ヘッダの一方側は単一の流路構造であるため、ヘッド構造が簡単化されるとともに、他方側が複数の流路からなるため、高温流体及び低温流体が熱交換器幅方向に広く且つ均一に分配されて、熱交換器幅方向における高温流体及び低温流体の流量分配性を向上できる。
【００１８】
（３）前記各高温側供給ヘッダの流路幅寸法と、前記各高温側供給ヘッダにそれぞれ接続される前記熱交換器本体の前記高温流体層のフィン厚み分等を除いた正味幅寸法とをほぼ同一寸法に形成する（請求項５）。もしくは、前記各低温側供給ヘッダの流路幅寸法と、前記各低温側供給ヘッダにそれぞれ接続される前記熱交換器本体の前記低温流体層のフィン厚み分等を除いた正味幅寸法とをほぼ同一寸法に形成する（請求項６）。
このように構成すれば、各高温側供給ヘッダあるいは低温側供給ヘッダの内部で高温側流体あるいは低温側流体の流速をほぼ一定として、該高温側流体あるいは低温側流体を熱交換器本体の流体層に送り込むことができるので、高温側供給ヘッダ内あるいは低温側供給ヘッダ内での高温側流体あるいは低温側流体の圧力損失を低減できる。
【００１９】
（４）前記各高温側供給ヘッダ及び各低温側供給ヘッダの複数の流路と、前記各高温側排出ヘッダ及び各低温側排出ヘッダの複数の流路とを、熱交換器の幅方向において一定量ずらして配置する（請求項７）。好ましくは前記ずらし量を、各ヘッダの幅方向ピッチの１／２程度とする。
このように構成すれば、高温側供給ヘッダあるいは低温側供給ヘッダから熱交換器本体内を通って高温側排出ヘッダあるいは低温側排出ヘッダに流れる高温側流体あるいは低温側流体の熱交換器本体内の幅方向における流量分配を均一化できて、均一な熱交換性能を得ることができる。
【００２０】
（５）前記各高温側供給ヘッダ及び各低温側供給ヘッダの複数の流路を、熱交換器の幅方向において高温側入口部及び低温側入口部の中心に対してそれぞれ対称位置に配置する（請求項８）。
このように構成すれば、高温側入口部あるいは低温側入口部から高温側供給ヘッダあるいは低温側供給ヘッダに、高温側流体あるいは低温側流体を均一に流入せしめることができて、熱交換器の幅方向における流量分配特性を均一化できる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、高温側供給ヘッダの高温流体入口からのプレートの積層方向あるいは低温側供給ヘッダの低温側流体入口からのプレートの積層方向に沿って、高温側供給ヘッダから熱交換器の高温側流体層への高温流体の累計流入量が増加し、あるいは低温側供給ヘッダから熱交換器の低温側流体層への低温側流体の累計流入量が増加するのに対応して、各高温側供給ヘッダの流路面積あるいは各低温側供給ヘッダの流路面積を縮小して行くことにより、高温側供給ヘッダ及び各低温側供給ヘッダのプレートの積層方向の流量分配を均一化することができる。
また、幅方向に分割することによる小型コンパクトな構造で以って、高温側供給ヘッダ及び各低温側供給ヘッダからの高温側流体及び低温側流体を高温側流体層及び低温側流体層に均一に流入せしめることができて、高温側流体の流れと低温側流体の流れとを望ましくは対向流とすることと相俟って、熱交換効率を向上できる。
【００２２】
また、本発明によれば、複数の高温側供給ヘッダと高温側排出ヘッダ、及び複数の低温側供給ヘッダと低温側排出ヘッダをそれぞれ対応させて、熱交換器の幅方向において複数の流路に分割し、熱交換器の幅方向に配置された複数の流路から高温側流体及び低温側流体を熱交換器の流体層に送り込むことにより、高温側流体及び低温側流体が高温側流体層及び低温側流体層幅方向に広く且つ均一に分配され、コンパクトな構造で高温側流体及び低温側流体の高温側流体層及び低温側流体層幅方向における流量分配特性を均一化できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００２４】
図９は本発明が適用される高温ガス炉間接発電装置の系統図である。
図９において、１０３は原子炉、１００は後述する中間熱交換器１０６からのヘリウムガスにより駆動されるタービン、１０１は該タービン１００に直結駆動される圧縮機、１０２は該タービン１００に直結駆動される発電機であり、該タービン１００駆動後の高温ヘリウムガスは再生熱交換器１０４で前記圧縮機１０１からの低温ヘリウムガスと熱交換して該低温ヘリウムガスを昇温させて中間熱交換器１０６に送り込む。また、該再生熱交換器１０４出口のヘリウムガスは前置冷却器１０５で冷却された後、前記圧縮機１０１に送り込まれる。
前記中間熱交換器１０６においては、前記原子炉１０３で発生した１次流体と前記再生熱交換器１０４からのヘリウムガスとを熱交換して該ヘリウムガスを加熱する。この加熱ヘリウムガスによりタービン１００が駆動される。
また、図１０は本発明が適用される高温ガス炉直接発電装置の系統図であり、この場合は前記再生熱交換器１０４で昇温されたヘリウムガスを原子炉１０３に直接送り込む。
【実施例１】
【００２５】
本発明は、図９〜１０に示される高温ガス炉発電装置の再生熱交換器１０４や中間熱交換器１０６に適用されるプレートフィン型熱交換器のヘッダ構造に関するものである。
図１は本発明の第１実施例に係るプレートフィン型熱交換器の構成を模式的に示す側面構成図、図２は前記第１実施例における高温側ヘッダ及び熱交換器本体の平面図で、図１におけるＡ−Ａ線矢視図である。図３は前記第１実施例における高温側ヘッダプレートの要部平面図、図４は前記第１実施例における低温側ヘッダプレートの要部平面図、図５は前記第１実施例におけるＢ−Ｂ線矢視図である。また図６は前記第１実施例における熱交換器の流体層における部分断面図でありフィンとプレートである。
【００２６】
図１において、８０は熱交換器で次のように構成されている。
１は高温側供給ヘッダ、３は高温側排出ヘッダ、２は低温側供給ヘッダ、４は低温側排出ヘッダであり、前記ヘッダ間には熱交換器本体５が配置されている。
前記高温側供給ヘッダ１及び高温側排出ヘッダ３は、図２及び図３のように、１枚の高温側ヘッダプレート１ｓに形成され、また前記低温側供給ヘッダ２及び低温側排出ヘッダ４は、図４のように、１枚の低温側ヘッダプレート２ｓに形成されている。
そして、前記高温側ヘッダプレート１ｓと低温側ヘッダプレート２ｓとを積層して、前記熱交換器の流体層５の左右に配置された左側ヘッダ部６１及び右側ヘッダ部６２を構成している。
【００２７】
即ち、かかる熱交換器８０は、前記高温側供給ヘッダ１及び低温側供給ヘッダ２、並びに前記高温側排出ヘッダ３及び低温側排出ヘッダ４を、前記熱交換器の流体層５の供給側・排出側に配置して、前記各ヘッダ１，２，３，４の間に前記熱交換器の流体層５を挟んだ熱交換器８０を構成する。
このように構成すれば、４つのヘッダ１，２，３，４の間に熱交換器の流体層５を挟んだ形状に熱交換器８０を構成することにより、熱交換器を小型コンパクトな構造とすることができて、設置スペースを低減できる。
【００２８】
前記高温側ヘッダプレート１ｓを示す図２及び図３において、前記高温側供給ヘッダ１を熱交換器の幅方向において複数の流路（この例では流路幅Ｓ１の２個の流路）に分割するとともに、前記高温側排出ヘッダ３を熱交換器の幅方向において複数の流路（この例では２個の流路）に分割して、図３のＭ矢印のように、前記各高温側供給ヘッダ１からの高温側流体が前記熱交換器の高温側流体層５内を経て前記高温側排出ヘッダ３に送り込まれるようになっている。
前記高温側供給ヘッダ１の各流路には、高温流体を熱交換器本体５に向けて案内するフィン１０が設置されている。
そして、前記各高温側供給ヘッダ１の２個の流路と、前記各高温側排出ヘッダ３の２個数の流路とを、熱交換器の幅方向において一定量（好ましくは高温側供給ヘッダ１の幅方向ピッチＰの１／２程度）ずらして配置する。
【００２９】
また、前記低温側ヘッダプレート２ｓを示す図４において、前記低温側供給ヘッダ２を熱交換器の幅方向において複数の流路（この例では２個）に分割するとともに、前記低温側排出ヘッダ４を熱交換器の幅方向において複数の流路（この例では２個）に分割して、図４のＮ矢印のように、前記各低温側供給ヘッダ２からの低温流体が前記熱交換器の高温側流体層５内を経て前記低温側排出ヘッダ４に送り込まれるようになっている。
前記低温側供給ヘッダ２の各流路には、低温側流体を熱交換器本体５に向けて案内するフィン１５が設置されている。
そして、前記各低温側供給ヘッダ２の２個の流路と、前記各低温側排出ヘッダ４の２個数の流路とを、熱交換器の幅方向において一定量（好ましくは高温側供給ヘッダ１の幅方向ピッチＰの１／２程度）ずらして配置する。
【００３０】
このように、前記各高温側供給ヘッダ１及び各低温側供給ヘッダ２の２個の流路と、前記各高温側排出ヘッダ３及び低温側排出ヘッダ４の２個数の流路とを、熱交換器の幅方向において一定量（好ましくは高温側供給ヘッダ１の幅方向ピッチＰの１／２程度）ずらして配置する構成とすることにより、高温側供給ヘッダ１あるいは低温側供給ヘッダ２から熱交換器の流体層５内を通って高温側排出ヘッダ３あるいは低温側排出ヘッダ４に流れる高温側流体あるいは低温側流体の熱交換器の流体層５内の幅方向における流量分配を均一化できて、均一な熱交換性能を得ることができる。
【００３１】
また、高温側供給ヘッダ１及び高温側排出ヘッダ３、並びに低温側供給ヘッダ２及び低温側排出ヘッダ４のそれぞれのヘッダを２個の流路とせずに、高温側供給ヘッダ１及び高温側排出ヘッダ３の何れか一方のヘッダを熱交換器の幅方向において２個の流路に分割し他方のヘッダは単一の流路としてもよく、また、低温側供給ヘッダ２及び低温側排出ヘッダ４の何れか一方のヘッダを熱交換器の幅方向において２個の流路に分割し他方のヘッダは単一の流路としてもよい。
この場合には、ヘッド構造が簡単化されるとともに、他方側が複数の流路からなるため、高温流体及び低温流体が熱交換器幅方向に広く且つ均一に分配されて、熱交換器幅方向における高温流体及び低温流体の流量分配性を向上でき、均一な熱交換性能を得ることができる。
【００３２】
図６に示す前記熱交換器本体５は、たとえば本件出願人の出願に係る前記特許文献１（特開２００２−３２３２９５号公報）と同様に、高温側流体層５１と低温側流体層５２とが伝熱用のプレート５３を挟んで、前記高温側ヘッダプレート１ｓ及び低温側ヘッダプレート２ｓと同数の複数層形成され、各高温側流体層５１が前記高温側ヘッダプレート１ｓの各高温側供給ヘッダ１及び各高温側排出ヘッダ３に連通され、各低温側流体層５２が前記低温側ヘッダプレート２ｓの各低温側供給ヘッダ２及び各低温側排出ヘッダ４に連通されている。
５４は前記各高温側流体層５１及び各低温側流体層５２内に設置された伝熱用のフィンである。
【００３３】
図１において、６は高温側流体が供給される高温側入口部（高温側入口管）、７は低温側流体が供給される低温側入口部（低温側入口管）、８は高温側流体が排出される高温側出口部（高温側出口管）、９は低温側流体が排出される低温側出口部（低温側出口管）である。前記高温側入口部６は前記各高温側供給ヘッダ１に連通され、前記低温側入口部７は前記各低温側供給ヘッダ２に連通され、前記高温側出口部８は前記各高温側排出ヘッダ３に連通され、前記低温側出口部９は前記各低温側排出ヘッダ４に連通されている。
そして、前記高温側流体は、前記左側ヘッダ部６１に配置された前記各高温側供給ヘッダ１から前記熱交換器本体５内の高温側流体層５１を流れて右側ヘッダ部６２に配置された各高温側排出ヘッダ３に流出する一方、前記低温側流体は、前記右側ヘッダ部６２に配置された前記各低温側供給ヘッダ２から前記熱交換器本体５内の低温側流体層５２を流れて左側ヘッダ部６１に配置された各低温側排出ヘッダ４に流出することにより、高温流体の流れと低温流体の流れとが前記熱交換器本体５内を流れる方向が逆方向の対向流になるように構成されている。
【００３４】
前記のように、前記高温入口部６に接続される高温側供給ヘッダ１の高温側流体入口と前記高温側排出ヘッダ３の高温側流体出口とをプレート積層方向において同じ方向に配置するとともに、前記低温入口管７に接続される前記低温側供給ヘッダ２の低温流体入口と前記低温側排出ヘッダ４の低温流体出口とをプレート積層方向において同じ方向に配置することにより、高温流体と低温流体とをプレート積層方向にクロスした形態で、熱交換器本体５内を流すことによって、ヘッダにおける熱損失を抑制できる。
【００３５】
また、図１に示すように、前記各高温側ヘッダプレート１ｓにおける前記高温側供給ヘッダ１の流路面積は、図１にＸ１線のＦ１で示されるように、プレート積層方向において前記高温側流体の入口側（高温入口管６側）から出口側（下方）に向けて縮小される先端縮小状になるように形成する。
また、前記各低温側ヘッダプレート２ｓにおける前記低温側供給ヘッダ２の流路面積は、図１にＹ１線のＦ３で示されるように、プレート積層方向において前記低温側流体の入口側（低温入口管７側）から出口側（下方）に向けて縮小される先端縮小状になるように形成する。
【００３６】
また、前記各高温側ヘッダプレート１ｓにおける前記各高温側排出ヘッダ３の流路面積は、図１にＸ２線のＦ２で示されるように、前記熱交換器の流体層５の高温側流体層５１側から高温側流体の出口側に向けて拡大される先端拡大状に形成される。そして、前記各低温側ヘッダプレート２ｓにおける前記各低温側排出ヘッダ４の流路面積は、図１にＹ２線のＦ４で示されるように、前記熱交換器の流体層５の低温側流体層５２側から低温側流体の出口側に向けて拡大される先端拡大状に形成される。
【００３７】
この場合、図５に示されるように、前記各高温側供給ヘッダ１の２個の流路１Ａ，１Ａを前記高温側入口部６の中心６ａに対して距離ａなる対称位置とするとともに、前記各低温側供給ヘッダ２の２個の流路２Ａ，２Ａを前記低温側入口部７の中心７ａに対して距離ｂなる対称位置になるように配置している。
このように構成すれば、前記高温側入口部６あるいは低温側入口部７から高温側供給ヘッダ１，１あるいは低温側供給ヘッダ２，２に、高温側流体あるいは低温側流体を均一に流入せしめることができて、熱交換器の幅方向における流量分配特性を均一化できる。
【００３８】
また、図３のように、前記各高温側供給ヘッダ１の流路幅Ｓ１寸法は、前記各高温側供給ヘッダ１にそれぞれ接続される前記熱交換器の流体層５の前記高温側流体層５１の正味幅寸と、すなわち高温側流体層５１内に設置された伝熱用のフィン５４の厚みを除いた寸法をヘッダ分割数で割った値とほぼ同一寸法に形成される。
さらに、前記各低温側供給ヘッダ２１の流路幅Ｓ２寸法は、前記各低温側供給ヘッダ２にそれぞれ接続される前記熱交換器の流体層５の前記低温側流体層５２の正味幅寸と、すなわち低温側流体層５２内に設置された伝熱用のフィン５４の厚みを除いた寸法をヘッダ分割数で割った値とほぼ同一寸法に形成される。
このように構成すれば、各高温側供給ヘッダ１あるいは低温側供給ヘッダ２の内部で高温側流体あるいは低温側流体の流路幅を急拡大・急縮小させることなく、該高温側流体あるいは低温側流体を熱交換器の流体層に送り込むことができるので、高温側供給ヘッダ１内あるいは低温側供給ヘッダ内での高温側流体あるいは低温側流体の圧力損失を低減できる。
【００３９】
かかる構成からなる熱交換器８０においては、前記高温側入口部から前記高温側供給ヘッダ１に導入された高温側流体を前記熱交換器の流体層５の高温側流体層５１を通流させるとともに、低温側入口部７から前記低温側供給ヘッダ２に導入された低温側流体を前記熱交換器の流体層５の低温側流体層５２を通流させることにより、該高温側流体と低温側流体とを熱交換し、熱交換後の前記高温側流体を前記高温側排出ヘッダ３に導出するとともに、前記低温側流体を前記低温側排出ヘッダ４に導出する。
【００４０】
以上の第１実施例によれば、高温側供給ヘッダ１及び低温側供給ヘッダ２、並びに高温側排出ヘッダ３及び低温側排出ヘッダ４を高温側流体の流れと低温側流体の流れとが望ましくは逆方向の対向流になるように配置して、前記高温側供給ヘッダ１及び低温側供給ヘッダ２、並びに高温側排出ヘッダ３及び低温側排出ヘッダ４をそれぞれ、または供給ヘッダと排出ヘッダとの何れか一方を熱交換器の幅方向に複数に分割積層して構成したうえで、プレート積層方向において各高温側供給ヘッダ１の流路面積を高温側流体の入口側から高温側流体層側に向けて縮小される先端縮小状に形成するとともに、前記各低温側供給ヘッダ２の流路面積を低温側流体の入口側から低温側流体層側に向けて縮小される先端縮小状に形成したので、
高温側供給ヘッダ１の高温側流体入口からのプレート積層方向あるいは低温側供給ヘッダ２の低温流体入口からのプレート積層方向に沿って、高温側供給ヘッダ１から熱交換器の高温流体層への高温側流体の必要な積算流量が減少しあるいは低温側供給ヘッダ２から熱交換器の低温流体層への低温側流体の必要な積算流量が減少するのに対応して、各高温側供給ヘッダ１の流路面積あるいは各低温側供給ヘッダ２の流路面積を縮小して行くことにより、高温側供給ヘッダ１及び各低温側供給ヘッダ２のプレート積層方向の流量分配を均一化することができる。
【００４１】
これにより、高温側供給ヘッダ１及び各低温側供給ヘッダ２からの高温側流体及び低温側流体を熱交換器の流体層５に均一に流入せしめることができて、前記のように高温側流体の流れと低温側流体の流れとを望ましくは対向流とすることと相俟って、熱交換効率を向上できる。
また、前記のように、高温側供給ヘッダ１の高温流体入口からのプレート積層方向あるいは低温側供給ヘッダ２の低温流体入口からのプレート積層方向に沿った熱交換器の流体層５へ流入する高温側流体あるいは低温側流体の流量分配が均一化されることにより、熱交換器の流体層５における高温側流体あるいは低温側流体の流動特性が均一化されることとなって、熱交換器本体５内における圧力損失を低減できる。
【００４２】
また、熱交換器８０のプレート積層方向において各高温側排出ヘッダ３の流路面積を高温側流体の流体層側から出口側に向けて拡大される先端拡大状に形成するとともに、前記各低温側排出ヘッダ４の流路面積を低温側流体の流体層入口側から出口側に向けて拡大されるように先端拡大状に形成したので、前記のようにプレート積層方向において高温側供給ヘッダ１及び低温側供給ヘッダ２のプレート積層方向における先端縮小状の流路面積変化に対応して、高温側排出ヘッダ１及び低温側排出ヘッダ２のプレート積層方向における流路面積変化を先端拡大状に形成することにより、高温側供給ヘッダ１及び低温側供給ヘッダ２のプレート積層方向における流量分配特性の均一化効果がさらに向上する。
【実施例２】
【００４３】
図７は本発明の第２実施例における高温側ヘッダ及び熱交換器流体層５の平面図で、図１におけるＡ−Ａ線矢視相当図である。
この第２実施例においては、前記高温側ヘッダプレート１ｓの各高温側供給ヘッダ１の前記熱交換器流体層５への高温側流体の導入通路全体にストレートフィン１１を設置している。
また、図示を省略したが、前記低温側供給ヘッダ２の前記熱交換器流体層５への低温側流体の導入通路全体にもストレートフィン１１を設置している。
このように構成すれば、高温側供給ヘッダ１あるいは低温側供給ヘッダ２からの高温側流体あるいは低温側流体がストレートフィン１１に案内されて熱交換器流体層５に均一に流入するので熱交換器流体層５の流量分配効果がさらに向上する。なお図７でストレートフィンを導入通路全体に配置するが、部分的な配置でも良い。
【実施例３】
【００４４】
図８は本発明の第３実施例における高温側ヘッダ及び熱交換器流体層５の平面図で、図１におけるＡ−Ａ線矢視相当図である。
この第３実施例においては、前記高温側ヘッダプレート１ｓの各高温側供給ヘッダ１（この実施例では４個）の高温流体の導入通路に、サポートバー１２を立設している。
このように構成すれば、サポートバー１２に案内されて熱交換器流体層５に均一に流入するので熱交換器流体層５の流量分配効果が得られるとともに、高温側ヘッダプレート１ｓおよび低温側ヘッダプレート２ｓとを交互に複数枚積層してプレス機にて積層方向に圧力をかけて熱交換器８０を成形する際の圧力に対する各ヘッダプレート１ｓ，２ｓの剛性を高める作用も発揮することができる。なお図８でサポートバーが１本であるが、複数本でも良い。
なお、この剛性を高める作用についてはフィン１０、ストレートフィン１１においても同様に有している。
なお、以上の実施例において熱交換器は長方体であり、供給ヘッダと排出ヘッダは五角形状であるが、適用条件が高温域であり、当実施例の形状で強度不足になる場合が想定される。そのような場合はヘッダ形状を半円状等に変更しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明によれば、熱交換器流体層の供給・排出側に高温側流体あるいは低温側流体の供給ヘッダ及び排出供給ヘッダを配置した熱交換器において、プレート積層方向の流量分配特性を均一化するとともに圧力損失を低減し、熱交換効率を向上した熱交換器のヘッダ構造を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の第１実施例に係るプレートフィン型熱交換器の構成を模式的に示す側面構成図である。
【図２】前記第１実施例における高温側ヘッダ及び熱交換器流体層の平面図で、図１におけるＡ−Ａ線矢視図である。
【図３】前記第１実施例における高温側ヘッダプレートの要部平面図である。
【図４】前記第１実施例における低温側ヘッダプレートの要部平面図である。
【図５】前記第１実施例におけるＢ−Ｂ線矢視図である。
【図６】前記第１実施例における熱交換器流体層の部分断面図である。
【図７】本発明の第２実施例における高温側ヘッダ及び熱交換器流体層の平面図で、図１におけるＡ−Ａ線矢視相当図である。
【図８】本発明の第３実施例における高温側ヘッダ及び熱交換器流体層の平面図で、図１におけるＡ−Ａ線矢視相当図である。
【図９】本発明の適用例である高温ガス炉間接発電装置の系統図である。
【図１０】本発明の適用例である高温ガス炉直接発電装置の系統図である。
【符号の説明】
【００４７】
１  高温側供給ヘッダ
１ｓ  高温側ヘッダプレート
２  低温側供給ヘッダ
２ｓ  低温側ヘッダプレート
３  高温側排出ヘッダ
４  低温側排出ヘッダ
５  熱交換器の流体層
６  高温入口部
７  低温入口部
８  高温出口部
９  低温出口部
１０  フィン
１１  ストレートフィン
１２  サポートバー
５１  高温側流体層
５２  低温側流体層
６１  左側ヘッダ部
６２  右側ヘッダ部
８０  熱交換器
【図１】
2008089223.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2008089223.tif 000010
【図９】
2008089223.tif 000011
【図１０】
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