(57)【要約】【課題】伝熱コアに発生する熱応力を低減でき、かつ溶接時の入熱変形による伝熱コアの破損を防止するとともに、内圧による変形を抑制できる一次伝面型熱交換器を提供する。【解決手段】一次伝熱面プレートを積層して各層間に交互に高温流体用通路と低温流体用通路が形成される伝熱コアを有する一次伝面型熱交換器において、伝熱コアに対する低温流体の流入部および流出部を形成するヘッダと、伝熱コアに対する高温流体の流入部および流出部を形成するダクトと、２種以上のカバープレートからなり、伝熱コアを内設するケーシングとを備え、ヘッダが伝熱コアに溶接されており、ケーシングを構成する部材のうち伝熱コアを挟むように積層配置されるカバープレートが締付手段によって積層方向に締め付けられるとともに、カバープレートおよびダクトが互いに接する面で溶接されることにより、ケーシングが高温流体用ダクトの構成部材として接続される装置構成とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次伝熱面プレートを積層して各層間に交互に高温流体用通路と低温流体用通路が形成される伝熱コアを有する一次伝面型熱交換器において、
前記伝熱コアへの低温流体の流入部を形成する入側ヘッダと、前記伝熱コアからの低温流体の流出部を形成する出側ヘッダと、前記伝熱コアへの高温流体の流入部を形成する入側ダクトと、前記伝熱コアからの高温流体の流出部を形成する出側ダクトと、２種以上のカバープレートからなり、前記伝熱コアを内設するケーシングとを備え、
前記入側ヘッダおよび出側ヘッダが前記伝熱コアに溶接されており、前記ケーシングを構成する前記カバープレートのうち前記伝熱コアを挟むように積層配置されるカバープレートが締付手段によって積層方向に締め付けられるとともに、前記カバープレート、前記入側ダクトおよび出側ダクトが互いに接する面で溶接されることにより、前記ケーシングが高温流体用ダクトの構成部材として接続されることを特徴とする一次伝面型熱交換器。
【請求項２】
前記締付手段がタイボルトであることを特徴とする請求項１に記載の一次伝面型熱交換器。
【請求項３】
前記２種以上のカバープレートが前記伝熱コアを挟むように上下面に配されるカバープレートと、前記上下面に配されるカバープレートと接続することにより前記伝熱コアを囲繞するように側面に配されるカバープレートであることを特徴とする請求項１または２に記載の一次伝面型熱交換器。
【請求項４】
前記入側ヘッダおよび出側ヘッダと前記ケーシングとがシール溶接されることを特徴とする請求項１〜３に記載の一次伝面型熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一次伝面方式を採用した熱交換器に関し、より詳しくは、伝熱コアに発生する熱応力を低減できるとともに、内圧による変形を抑制することが可能な一次伝面型熱交換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギーの有効利用という観点から、分散型エネルギーシステムは大型発電システムに代わるエネルギーシステムとして有望視されている。分散型エネルギーシステムには多様なエネルギー変換技術があるが、その中でも、ガスタービン等の熱機関や、化学プロセスを経て燃料から直接発電を行う高温型燃料電池の開発が盛んに行われている。
【０００３】
これらの分散型エネルギーシステムにおいては、排熱回収性能がガスタービンや高温型燃料電池の性能に大きく影響する。このため、ガスタービンや高温型燃料電池には、熱回収効率がよく、有効な熱交換が可能な高性能の熱交換器の使用が必須となる。
【０００４】
また、ガスタービンや高温型燃料電池では、始動および停止が反復されることから、温度サイクルに対する高い耐久性を備えた熱交換器の採用が要請されている。このような機能を充分に発揮できる熱交換器として、高温用プレートフィン型熱交換器が用いられている。
【０００５】
高温用プレートフィン型熱交換器の伝熱コアは、一般的に高温流体通路と低温流体通路がチューブプレートを挟み交互に積層配置された構成からなり、低温流体通路は２枚のチューブプレート間にコルゲートフィンを挟み、ディストリビューターフィンを配置し、スペーサーバーで閉塞することで構成されている。
【０００６】
上記のチューブプレートおよびディストリビューターフィンは、ろう付け等によりコルゲートフィンと一体化されているが、基本的には別部材であることから、便宜的に二次伝熱面と称されることがある。
【０００７】
これに対して、ろう付け等による別部材の配置に替えて、例えば、ステンレス鋼のような薄い合金シートを、ひだ付けの性質を備えるように波形に形成するか、折り曲げることにより、構成される面の両側で、高温および低温流体と直接接触している伝熱面を一次伝熱面という。
【０００８】
これまで、上記の一次伝熱面と二次伝熱面を組み合わせることで、様々な伝熱コアが提案されてきたが、高温用プレートフィン型熱交換器では、燃料効率の向上および温度サイクルに対する高い耐久性という観点から、二次伝熱面に替えて、一次伝熱面のみによる熱交換方式、すなわち、一次伝面方式（Ｐｒｉｍａｒｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｒｅｃｕｐｅｒａｔｏｒ）を採用した新たな熱交換器が開発されている。
【０００９】
本発明者らは、一次伝熱面と一体化されているディンプル形状のディストリビューターを製造することで、ディストリビューターフィン等の二次伝熱面により形成される通路と同等の偏流防止効果が得られることを見出し、特許文献１において、押し潰し加工されたディストリビューターと一体で構成された一次伝熱面プレートを使用する一次伝面方式による伝熱コアを提案した。
【００１０】
図１は、一次伝面方式による伝熱コアを示す図であり、同（ａ）は一次伝熱面プレートの一例を示す図であり、同（ｂ）は２以上の一次伝熱面プレートを組み合わせて得られる伝熱コアの斜視図であり、同（ｃ）は伝熱コアのディストリビューター部の断面を模式的に示した図である。なお、図１（ｂ）中のＨは高温流体の流れを、Ｌは低温流体の流れをそれぞれ示す。
【００１１】
特許文献１で提案された一次伝面方式による伝熱コア６に用いる一次伝熱面プレート１は、一次伝熱面２の一部を押し潰し加工して、平面部３とディンプル４からディストリビューター部を得ることにより、ディストリビューターと一体で構成された一次伝熱面プレート１となる。さらに、二種類の一次伝熱面プレートを組み合わせて、側部をスペーサーバー５で封止することにより、伝熱コア６を得る。このような構成とすることにより、低温流体の偏流を防止し、高温排熱の回収率を上昇させて燃料効率の向上を図ることができる。
【００１２】
一方、ガスタービンや高温型燃料電池の熱交換器に要求される激しい熱負荷に対する耐久性を実現するために、一次伝熱面と二次伝熱面を組み合わせた従来の熱交換器では様々な構造が提案されている。例えば、特許文献２には、低温流体用通路毎に独立させた構成を採用することにより、高温の燃焼ガスが流入した際の流体通路内及び全体の不均一な温度分布による熱応力を緩和でき、熱交換器に要求される、激しい熱負荷の変動下における高熱交換効率と高耐久性を実現できる高温用プレートフィン型熱交換器が提案されている。
【００１３】
これに対し、一次伝面方式を採用した熱交換器（以下、「一次伝面型熱交換器」という）では、一次伝熱面プレート同士が拘束されることなく積層されているので、特許文献２で提案されている熱交換器よりも、熱応力を緩和することができ、耐久性に優れている。しかしながら、一次伝面型熱交換器では、チューブプレート等の部材を設けず、ろう付けによる一体化がされていないので、内圧による伝熱コアの変形が懸念される。
【００１４】
また、一次伝面型熱交換器の具体的構造として、伝熱コアに対する低温流体の流入部および流出部を形成するヘッダと、伝熱コアに対する高温流体の流入部および流出部を形成するダクトとを伝熱コアに直接溶接する接続構造が、従来のプレートフィン型熱交換器の構造から構想される。しかし、このような接続構造では、伝熱コアにヘッダおよびダクトを溶接する際に、入熱変形によって伝熱コアが破損する危険がある。
【００１５】
さらに、伝熱コア自体は高い耐久性を有しているが、高温熱変形外力を繰り返し受けることによって、伝熱コアとヘッダおよびダクトとの溶接部において、クラックが生じるという問題がある。
【００１６】
【特許文献１】特願２００５−３３５３７９号
【特許文献２】特開２００１−３４９６７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
上述のとおり、ヘッダおよびダクトを伝熱コアに直接溶接する接続構造では、高温熱変形外力を繰り返し受けることによって、伝熱コアおよび溶接部にクラックが生じることがある。また、伝熱コアにヘッダおよびダクトを直接溶接した構造では、熱応力が高くなるおそれがあり、かつ、伝熱コアにヘッダおよびダクトを溶接する際に、入熱変形によって伝熱コアが破損する危険がある。さらに、一次伝熱面プレート同士を拘束していないことから、熱交換器内を流れる流体の内圧により伝熱コアが変形するおそれがある。
【００１８】
本発明は、上述した問題に鑑みなされたものであり、伝熱コアに発生する熱応力を低減でき、かつ、溶接時の入熱変形による伝熱コアの破損を防止するとともに、内圧による変形を抑制できる一次伝面型熱交換器を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明者らは、上記の課題を解決することを目的として種々の検討を行い、下記の（ａ）〜（ｃ）の知見を得た。
（ａ）ヘッダおよびダクトの溶接部における高温熱変形外力による影響は、高温側ダクトの方が顕著であり、また、流体の圧力は低温側ヘッダの方が高い。
（ｂ）高温熱変形外力による熱応力を低減するには、伝熱コアと高温側ダクトとを直接接続しないことが有効である。
（ｃ）伝熱コアを挟むように積層配置されるカバープレートを締付手段によって積層方向に締め付ける構造とすることにより、伝熱コアの溶接箇所数を低減できるとともに、内圧による変形を抑制できる。
【００２０】
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、下記（１）〜（４）の一次伝面型熱交換器を要旨としている。
（１）一次伝熱面プレートを積層して各層間に交互に高温流体用通路と低温流体用通路が形成される伝熱コアを有する一次伝面型熱交換器において、前記伝熱コアへの低温流体の流入部を形成する入側ヘッダと、前記伝熱コアからの低温流体の流出部を形成する出側ヘッダと、前記伝熱コアへの高温流体の流入部を形成する入側ダクトと、前記伝熱コアからの高温流体の流出部を形成する出側ダクトと、２種以上のカバープレートからなり、前記伝熱コアを内設するケーシングとを備え、前記入側ヘッダおよび出側ヘッダが前記伝熱コアに溶接されており、前記ケーシングを構成する前記カバープレートのうち前記伝熱コアを挟むように積層配置されるカバープレートが締付手段によって積層方向に締め付けられるとともに、前記カバープレート、前記入側ダクトおよび出側ダクトが互いに接する面で溶接されることにより、前記ケーシングが高温流体用ダクトの構成部材として接続されることを特徴とする一次伝面型熱交換器。
（２）上記（１）に記載の一次伝面型熱交換器では、締付手段としてタイボルトを用いれば、伝熱コアを内設するケーシングの構造が複雑にならないので望ましい。
（３）上記（１）または（２）に記載の一次伝面型熱交換器では、前記２種以上のカバープレートが前記伝熱コアを挟むように上下面に配されるカバープレートと、前記上下面に配されるカバープレートと接続することにより前記伝熱コアを囲繞するように側面に配されるカバープレートであるとすれば、伝熱コアを内設するケーシングの組立が容易となるので望ましい。
（４）上記（１）〜（３）に記載の一次伝面型熱交換器では、入側ヘッダおよび出側ヘッダとケーシングとをシール溶接すれば、流体の漏洩を防止できるので望ましい。
【００２１】
本発明において「一次伝熱面プレート」とは、ろう付け等により一体化される別部材の配置に替えて、薄い合金シートを、波形に形成することにより、または折り曲げることにより構成される面の両側で、高温および低温流体と直接接触している伝熱面を有する伝熱面プレートを意味する。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の一次伝面型熱交換器によれば、高温側ダクトを伝熱コアに直接溶接しない構造を採用することにより、溶接の際の入熱変形による伝熱コアの破損を防止できるとともに、伝熱コアに発生する熱応力を低減できる。
【００２３】
さらに、伝熱コアを挟むように積層配置されるカバープレートが締付手段によって積層方向に締め付けられていることから、内圧による変形を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下に、本発明の一次伝面型熱交換器を図面に基づいて説明する。
【００２５】
図２は、本発明の一次伝面型熱交換器の主要構成部材の一例を模式的に示す分解図である。図２に示す一次伝面型熱交換器では、六角形型の伝熱コア６が採用されており、入側ヘッダ７、出側ヘッダ８、入側ダクト９および出側ダクト１０は、一次伝熱面プレート（図示せず）の積層方向と垂直な同一平面で接続される。
【００２６】
また、伝熱コア６を内設するケーシングは、伝熱コア６を挟むように積層配置される格子カバープレート１１と、伝熱コア６の側部を覆うように配置されるＬ型カバープレート１３から構成されており、格子カバープレート１１は締付手段であるタイボルト１２によって積層方向に締め付けられる。
【００２７】
図３は、本発明の一次伝面型熱交換器に用いる伝熱コアの一例を模式的に示す図であり、同図（ａ）は伝熱コアの斜視図であり、同図（ｂ）は一次伝熱面プレートの低温流体用通路が形成される面の平面図であり、同図（ｃ）は一次伝熱面プレートの高温流体用通路が形成される面の平面図である。なお、図３中のＨは高温流体の流れを、Ｌは低温流体の流れをそれぞれ示す。
【００２８】
図３（ａ）に示すように、一次伝面方式による伝熱コア６は、一次伝熱面プレート１を積層し、スペーサーバー５で連結するという非常に簡易な構造を有している。また、一次伝面方式による伝熱コア６は、一次伝熱面プレート１同士が拘束されていないことから、熱応力を緩和できる。さらに、図３（ｂ）および（ｃ）に示すように、一次伝熱面２に対するスペーサーバー５の配置を変更するだけで、低温流体用および高温流体用の一次伝熱面プレート１を容易に作成することができる。
【００２９】
図３に例示する一次伝面型熱交換器では、六角形型の伝熱コアを採用しているが、伝熱コアの平面形状は特に規定するものではなく、例えば、四角形、台形等も適用できる。また、一次伝熱面プレートを積層する層数は、特に規定しないが、３〜３０層が実用的な範囲である。
【００３０】
本発明の一次伝面型熱交換器では、主要構成部材のうち、入側ヘッダおよび出側ヘッダだけを伝熱コアに直接溶接する構成としている。このような構成は、伝熱コアにヘッダおよびダクトを直接溶接した構造では、熱応力が高くなるおそれがあり、かつ、伝熱コアに構成部材を溶接する際の入熱変形によって伝熱コアが破損する危険があることから、伝熱コアへの溶接箇所を極力減らすという技術的思想によるものである。したがって、後述する伝熱コアを内設するケーシング等は、伝熱コアに直接溶接する構成を採用していない。
【００３１】
しかし、低温流体と高温流体との混合を防止するには、ヘッダまたはダクトのうち、少なくとも一方を伝熱コアに直接接続して気密性を確保しなければならない。そこで、本発明者らは、ヘッダおよびダクトに発生する熱応力は高温側ダクトの方が顕著であること、さらに、流体の圧力は低温側ヘッダの方が高いことを考慮して、入側ヘッダおよび出側ヘッダだけを伝熱コアに直接溶接する構成を採用した。
【００３２】
図４は、本発明の一次伝面型熱交換器における、伝熱コアと入側ヘッダおよび出側ヘッダとの接続状態を模式的に示す図である。伝熱コア６と入側ヘッダ７および出側ヘッダ８との接続箇所は、４辺（図４中太線で示す）全てを溶接する。このように、伝熱コアとヘッダとの接する面を全て溶接することにより、流体の圧力が高い低温流体用通路の気密性を確保することができる。
【００３３】
図５は、本発明の一次伝面型熱交換器に用いる格子カバープレートの一例を模式的に示す図であり、同図（ａ）は格子カバープレートの分解図であり、同図（ｂ）は格子カバープレートの配置後の斜視図である。格子カバープレート１１の配置は、伝熱コア６と入側ヘッダ７および出側ヘッダ８との接続完了後に行う。
【００３４】
前述のとおり、本発明の一次伝面型熱交換器では、伝熱コアに発生する熱応力を低減し、かつ、伝熱コアに構成部材を溶接する際の入熱変形による伝熱コアの破損を防止することを目的として、伝熱コアを内設するケーシングを伝熱コアに直接溶接しない構成を採用している。このため、図５（ａ）および（ｂ）に示すように、格子カバープレート１１は伝熱コア６を挟むように積層配置され、締付手段によって積層方向に締め付けられる。このような構成とすることにより、格子カバープレート１１が補強部材として機能し、内圧による変形を抑制することができる。
【００３５】
カバープレートの形状は特に規定しないが、伝熱コアを内設することから、伝熱コアをよりも少し大きめの寸法が必要である。また、カバープレートは補強部材としての役割を果たすことから、内圧による変形に耐えるだけの曲げ強度が要求される。このため、曲げ強度を補うことを目的として、プレート厚さを厚くすることも可能であるが、経済性を考慮すれば、格子カバープレートを用いるのが望ましい。
【００３６】
また、格子カバープレート１１を積層方向に締め付ける締付手段として、タイボルト１２を用いれば、図５（ａ）に示すように、複雑な構造を要することなく内圧による変形を抑制することができる。
【００３７】
図６は、本発明の一次伝面型熱交換器における、カバープレート、入側ダクトおよび出側ダクトの接続状態を模式的に示す図である。図６に示すように、格子カバープレート１１、Ｌ型カバープレート１３、入側ダクト９および出側ダクト１０は互いに接する面（図６中太線で示す）で溶接されている。このような接続構造とすることにより、一次伝面型熱交換器の気密性が保持されるとともに、格子カバープレート１１およびＬ型カバープレート１３から構成されるケーシングが高温流体用ダクトの構成部材としての役割を果たすことが可能となる。
【００３８】
また、図６に例示する一次伝面型熱交換器のケーシングは、２種類のカバープレート、すなわち、格子カバープレート１１およびＬ型カバープレート１３から構成されているが、使用するカバープレートの種類および形状は、内設する伝熱コアの形状に合わせて適宜選択できる。しかし、本発明の一次伝面型熱交換器では、カバープレートを締付手段によって積層方向に締め付けることにより、内圧による変形を抑制するとともに、これらの締め付けられたカバープレートと他のカバープレートを接続することにより、伝熱コアを囲繞する構造としていることから、ケーシングは２種以上のカバープレートから構成される必要がある。
【００３９】
さらに、入側ヘッダおよび出側ヘッダとケーシングとをシール溶接すれば、高温流体の漏洩を防止できるので望ましい。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明の一次伝面型熱交換器によれば、高温側ダクトを伝熱コアに直接溶接しない構造を採用することにより、溶接の際の入熱変形による伝熱コアの破損を防止できるとともに、伝熱コアに発生する熱応力を低減できる。
【００４１】
さらに、伝熱コアを積層方向に挟むように設置されるカバープレートが締付手段によって積層方向に締め付けられていることから、内圧による変形を抑制することができる。
【００４２】
これにより、本発明の一次伝面型熱交換器は、燃料効率を向上できるとともに、温度サイクルに対する高い耐久性を備えた熱交換器として、分散型エネルギーシステム等の分野で広く適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】一次伝面方式による伝熱コアを示す図であり、同（ａ）は一次伝熱面プレートの一例を示す図であり、同（ｂ）は２以上の一次伝熱面プレートを組み合わせて得られる伝熱コアの斜視図であり、同（ｃ）は伝熱コアのディストリビューター部の断面を模式的に示した図である。
【図２】本発明の一次伝面型熱交換器の主要構成部品の一例を模式的に示す分解図である。
【図３】本発明の一次伝面型熱交換器に用いる伝熱コアの一例を模式的に示す図であり、同図（ａ）は伝熱コアの斜視図であり、同図（ｂ）は一次伝熱面プレートの低温流体用通路が形成される面の平面図であり、同図（ｃ）は一次伝熱面プレートの高温流体用通路が形成される面の平面図である。
【図４】本発明の一次伝面型熱交換器における、伝熱コアと入側ヘッダおよび出側ヘッダとの接続状態を模式的に示す図である。
【図５】本発明の一次伝面型熱交換器に用いる格子カバープレートの一例を模式的に示す図であり、同図（ａ）は格子カバープレートの分解図であり、同図（ｂ）は格子カバープレートの配置後の斜視図である。
【図６】本発明の一次伝面型熱交換器における、カバープレート、入側ダクトおよび出側ダクトの接続状態を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００４４】
１．一次伝熱面プレート      ２．一次伝熱面
３．押し潰し加工後の一次伝熱面の平面部
４．ディンプル              ５．スペーサーバー
６．伝熱コア                ７．入側ヘッダ
８．出側ヘッダ              ９．入側ダクト
１０．出側ダクト            １１．格子カバープレート
１２．タイボルト            １３．Ｌ型カバープレート
【図１】
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【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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