(57)【要約】【課題】高温高圧条件下において、コンパクト性を実現し、高性能で構造健全性に優れた熱交換器を提供することができる熱交換器を得ることを目的とする。【解決手段】単位体積当りの交換熱量が１０ＭＷｔ／ｍ３以上のコンパクト性を有するプレート積層型熱交換器で、一次系流体と二次系流体の差圧が４ＭＰａ以上７ＭＰａ以下、最高使用温度が５００℃以上９００℃以下の高温高圧条件下で使用するものであって、金属プレートの板厚を流路等価直径の０．３倍以上、かつ前記金属プレートの板幅方向に沿う流路間ピッチを流路等価直径の０．５倍以上とする。【選択図】  図１
2008128574.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溝加工が施された金属プレートを積層して接合することにより流路部材を構成し、この流路部材の前記プレート間部位に前記溝からなる熱交換用の一次系流路および二次系流路を形成した熱交換器であって、前記一次系流路に供給される一次流体の温度範囲を８００℃以上９００℃以下、前記一次流体と二次流体との差圧を４ＭＰａ以上７ＭＰａ以下、かつ前記両流体間の単位体積当りの交換熱量を１０ＭＷｔ／ｍ３以上に設定し、前記金属プレートの板厚を流路等価直径の０．３倍以上、かつ前記金属プレートの板幅方向に沿う流路間ピッチを流路等価直径の０．５倍以上としたことを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記金属プレートは、クロムおよびアルミニウムを含む鉄基の酸化物分散強化型合金により構成されている請求項１記載の熱交換器。
【請求項３】
前記一次系流路および前記二次系流路の流体入口および流体出口は、前記流路部材の主熱交換部分における流体の流れ方向に沿う面にそれぞれ設けられている請求項１または２記載の熱交換器。
【請求項４】
前記流路部材に前記一次系流路および前記二次系流路をそれぞれ分岐および合流させるプレナム部が形成され、これらプレナ部に連通する前記一次系流路および前記二次系流路の流体入口および流体出口が、前記流路部材の主熱交換部分における流体流れ方向に沿う面または流体流れ方向と直交する方向に沿う面に設けられている請求項１または２記載の熱交換器。
【請求項５】
前記一次系流路および前記二次系流路は波形状の流路である請求項１または２記載の熱交換器。
【請求項６】
前記各流路の湾曲部内に、前記各流体を前記湾曲部に沿って案内する案内羽根または補強材が設けられている請求項１または２記載の熱交換器。
【請求項７】
前記一次系流路および前記二次系流路の流路断面形状は、半円形または四角形、六角形その他の多角形とされている請求項１または２記載の熱交換器。
【請求項８】
前記一次系流路および前記二次系流路の流路断面積は互いに同一に設定され、または前者よりも後者が大きく設定されている請求項１または２記載の熱交換器。
【請求項９】
前記一次系流路および前記二次系流路の少なくともいずれか一方がＵ字状に折り返す往復流路として形成され、この往復流路の両先端部が、前記流路部材の同一面に設けられた流体入口および流体出口またはプレナムに連通している請求項１または２記載の熱交換器。
【請求項１０】
前記一次系流路および前記二次系流路となる溝が、同一の前記金属プレートに、互いに隣接する配置で形成されている請求項１または２記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はプレート積層型の熱交換器に係り、特に高温高圧で交換熱量が大きい流体を処理対象とし、構成のコンパクト性を有するとともに圧力損失低減に優れた熱交換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、コンパクトな熱交換器として、溝加工が施された金属プレートを積層して接合することにより流路部材を構成し、この流路部材の金属プレート間部位に熱交換用の一次系流路および二次系流路を形成したプレート積層型の熱交換器が各種分野で利用されている。
【０００３】
これまで提案されたプレート積層型熱交換器としては、例えば２枚の一次系流体を流すための孔を設けた板の間に１枚の二次系流体を流す孔を設けた板を挟み込み、これらを互いに密着させる構造の熱交換器がある（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
また、流路を構成するための多数のフィンを取り付けたプレートを積層させて接合することにより、熱交換効率の向上を図った構成とする提案もされている（例えば特許文献２参照）。
【０００５】
ただし、これまでの提案においては、構成のコンパクト性を図っているが、処理対象となる流体については必ずしも高温高圧で交換熱量が大きい流体を想定するものではなく、例えば高温ガス炉を熱源とする発電設備または水素製造設備等に適用できる熱交換器ではなかった。
【０００６】
なお、高温ガス炉を熱源とする発電設備または水素製造設備等について、一般的な高温・高圧の熱交換器を設置する技術は開示されている（非特許文献１参照）
【特許文献１】特許第２８６２２１３号公報
【特許文献２】特開２０００−５０６９６６号公報
【非特許文献１】INL/EXT-05-00453, 2005, Thermal-Hydraulic Analyses of Heat Transfer Fluid Requirements and Characteristics for Coupling a Hydrogen Product Plant to a High-Temperature Nuclear Reactor, Idaho National Laboratory.（例えば第５頁、Figure1,2等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したプレート積層型熱交換器では、一次系流体と二次系流体との間、および熱交換器外側雰囲気との圧力差によって熱交換器材料に生じる応力と、一次系流体と二次系流体との温度差に起因して熱交換器材料に生じる熱応力の検討がされていなかった。
【０００８】
このため、従来のプレート積層型熱交換器については、高温高圧条件で使用することが困難または不可となっていた。
【０００９】
特に、一次系流体と二次系流体の差圧が４ＭＰａ以上７ＭＰａ以下、最高使用温度が８００℃以上９００℃以下の高温高圧条件下で使用されるプラント、例えば高温ガス炉を熱源とする発電設備または水素製造設備に適用できる熱交換器はこれまで知られていない。
【００１０】
本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、単位体積当りの交換熱量が１０ＭＷｔ／ｍ３以上のコンパクト性を有するプレート積層型熱交換器において、一次系流体と二次系流体の差圧が４ＭＰａ以上７ＭＰａ以下、最高使用温度が５００℃以上９００℃以下の高温高圧条件下で使用することができ、その場合にコンパクト性を実現し、高性能で構造健全性に優れた熱交換器を提供することができる熱交換器を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
発明者においては、高温高圧で交換熱量が大きい流体を処理対象について、コンパクト性を有するとともに圧力損失低減に優れたプレート積層型熱交換器に関して下記の検討を行なった。すなわち、上述した参考文献（非特許文献１）を参照して、（１）強度評価式の検討、（２）許容応力の検討、（３）流路寸法設定と制限値、（４）等価直径、（５）請求項の設定根拠、（６）パラメータサーベイ等についての検討を行なった。
【００１２】
（１）強度評価式
流路寸法については、下記実施形態における図６および図１５を参照する。流路形状の代表例として、図６は半円形流路、図１５は四角形流路を示している。このような流路を有する熱交換器のサイジングをする場合の強度評価式は、上記参考文献（非特許文献１）により以下のように表され、それらから流路寸法d、tf、Pf、tpが決定される。
【００１３】
なお、図６および図１５において、Ｐｆは流路の水平方向ピッチ、ｄは流路の水平方向幅、ｔｐは流路間ピッチ、ｔｆは流路間の水平方向間隔である。
【００１４】
許容応力をS0、圧力差をΔP（=Pi-Po）、流路幅をdとすると、必要となる流路の水平方向のピッチPfは、
【数１】
2008128574.tif 000003
【００１５】
と制限され、必要となる流路の水平方向の間隔tfは、
【数２】
2008128574.tif 000004
【００１６】
で制限される。また、高さ方向の流路のピッチとなるプレート厚さtpは以下の関係式で制限される。
【００１７】
【数３】
2008128574.tif 000005
【００１８】
（２）許容応力
公知の103 hクリープ破断応力強さの比較図により、クロムおよびアルミニウムを含む鉄基の酸化物分散強化型合金、例えばＩＮＣＯＬＯＹ  ａｌｌｏｉ９５６（商品名）の103 hクリープ破断応力強さは900℃において80MPaである。しかし、許容応力算出には105 hクリープ破断応力強さが必要なことを考慮し、安全係数として0.5を掛けた値を使用することとする。
【００１９】
クリープ域において1次応力を評価する場合、許容応力として最大許容応力強さS0を使用するが、通常500℃以上になると105 hクリープ破断強さが支配的となるため、この105 hクリープ破断強さをS0算出に用いる。なお、S0はJSME設計・建設規格あるいはASME Codeを参照して105 hクリープ破断強さの平均値を0.67倍して求める。従って、許容応力は以下のように計算され、安全側に25MPaに設定する。  
［数４］
S0＝80×0.5×0.67＝26.8MPa  →  25MPa
【００２０】
（３）流路寸法設定と制限値
従来の熱交換器を参照し流路幅をd=1.5mm、本特許が対象としている高温ガス炉のスペックから圧力差をΔP=7MPaとすると、１．項よりピッチPfの制限寸法は、
［数５］
Pf ≧ d(1+ΔP/S0) = 1.5×(1+7/25) = 1.92 mm
であることから、Pf=2.0mmとする。
【００２１】
この場合の必要な水平方向の間隔tfの制限寸法は、
［数６］
tf ≧ Pf/(S0/ΔP+1) = 2.0/(25/7+1) = 0.44 mm
tfmin ≧ Pfmin/(S0/ΔP+1) = 1.92/(25/7+1) = 0.42 mm
より、tf=0.5mmとする。
【００２２】
また、プレート厚さtpの制限寸法は、
［数７］
tp ≧ d/2√(S0+Pi)/(S0+2Po-Pi) = 1.5/2×√(25+7)/(25+2×0-7) = 1.0 mm
より、tp=1.2mmとする。ここで、プレート厚さは、素材寸法から決定する。
【００２３】
（４）等価直径
流路の等価直径deは、流路断面積Aと流路の濡れぶち長さをSとすると、以下で表される。
【数８】
2008128574.tif 000006
【００２４】
（４−１）半円形流路（図６）
半円形流路の等価直径de1は（３）項の寸法より、以下のように計算される。  
［数９］
A1 = (π×1.52/4)/2 = 0.884mm2
S1 = π×1.5/2+1.5 = 3.86 mm
de1 = 4×0.884/3.86 = 0.92 mm
【００２５】
（４−２）四角形流路（図１５）
四角形流路の等価直径de2は（３）項の寸法より、以下のように計算される。  
［数１０］
A2 = 1.5×1.5/2 = 1.13 mm2
S2 = 1.5×2+1.5/2×2 = 4.50 mm
de2 = 4×1.13/4.50 = 1.00 mm
【００２６】
（５）本発明の設定根拠
等価直径deを使い、熱交換器の強度評価上重要となる寸法について考察する。
【００２７】
熱交換器の強度評価上重要となる寸法は、金属薄板状プレートの板厚方向の最小厚さtmin（=tpmin-d/2）と、流路の板幅方向のピッチ間隔、すなわち流路の水平方向の間隔tfである。（３）項の寸法によると、これらは以下となる。  
［数１１］
tmin = tpmin-d/2 = 1.0-1.5/2 = 0.25 mm
tfmin = 0.42 mm
【００２８】
（５−１）半円形流路（図６）
de1=0.92mmより、
［数１２］
板厚方向の最小厚さ = 0.30×de1 = 0.30×0.92 = 0.28 ≧ tmin
水平方向の間隔 = 0.5×de1 = 0.5×0.92 = 0.46 ≧ tfmin
となり、本発明で示した寸法は制限値を満足している。
【００２９】
（５−２）四角形流路（図１５）
［数１３］
de2=1.00mmより、板厚方向の最小厚さ = 0.30×de2 = 0.30×1.00 = 0.30 ≧ tmin
水平方向の間隔 = 0.5×de2 = 0.5×1.00 = 0.50 ≧ tfmin
となる。
【００３０】
この結果は、本発明で示した寸法が制限値を満足している。
【００３１】
（６）パラメータサーベイ
金属薄板状プレートの板厚方向の最小厚さが流路等価直径の0.3倍以上かつ、流路の板幅方向のピッチ間隔が流路等価直径の0.5倍以上であることの確認計算を以下の２つの条件で実施する。
【００３２】
（６−１−１）板厚方向の最小厚さが流路等価直径の0.25倍
（ｉ）半円形流路（図６）
［数１４］
tmin1 = 0.25×de1 = 0.25×0.92 = 0.23 mm
tp1 = tmin1+d/2 = 0.23+1.5/2 = 0.98 mm ＜ tpmin
【００３３】
この結果は、（３）項の必要寸法のについて不満足となる。
【００３４】
（ｉｉ）四角形流路（図１５）
［数１５］
tmin2 = 0.25×de2 = 0.25×1.00 = 0.25 mm
tp2 = tmin2+d/2 = 0.25+1.5/2 = 1.00 mm = tpmin
この結果は、（３）項の必要寸法を満足する。
【００３５】
よって、0.25倍の場合は寸法制限を満足しない場合がある。
【００３６】
（６−１−２）板厚方向の最小厚さが流路等価直径の0.50倍
（ｉ）半円形流路（図６）
［数１６］
tmin1 = 0.50×de1 = 0.50×0.92 = 0.46 mm
tp1 = tmin1+d/2 = 0.46+1.5/2 = 1.21 mm ＞ tpmin
この結果は、（３）項の必要寸法を満足する。
【００３７】
（ｉｉ）四角形流路（図１５）
［数１７］
tmin2 = 0.50×de2 = 0.50×1.00 = 0.50 mm
tp2 = tmin2+d/2 = 0.50+1.5/2 = 1.25 mm ＞ tpmin
この結果は、（３）項の必要寸法を満足する。
【００３８】
（６−２−１）板幅方向のピッチ間隔が流路等価直径の0.45倍
（ｉ）半円形流路（図６）
［数１８］
tf1 = 0.45×de1 = 0.45×0.92 = 0.41 mm ＜ tfmin
この結果は、（３）項の必要寸法について不満足となる。
【００３９】
（ｉｉ）  四角形流路（図１５）
［数１９］
tf2 = 0.45×de2 = 0.45×1.00 = 0.45 mm ＞ tfmin
この結果は、（３）項の必要寸法を満足する。
【００４０】
よって、0.45倍の場合は寸法制限を満足しない場合がある。
【００４１】
（６−２−２）板幅方向のピッチ間隔が流路等価直径の0.80倍
（ｉ）半円形流路（図６）
［数２０］
tf1 = 0.80×de1 = 0.80×0.92 = 0.74 mm ＞ tfmin
この結果は、（３）項の必要寸法を満足する
（２）  四角形流路（図１５）
［数２１］
tf2 = 0.80×de2 = 0.80×1.00 = 0.80 mm ＞ tfmin
この結果は、（３）項の必要寸法を満足する
（８）以上の通り寸法制限値に関する評価を行い、金属プレートの板厚を流路等価直径の0.3倍以上と0.5倍以上の定数の妥当性の評価を行い、問題ないことが示された。
【００４２】
そこで、本発明では、以上の知見に基いて、溝加工が施された金属プレートを積層して接合することにより流路部材を構成し、この流路部材の前記プレート間部位に前記溝からなる熱交換用の一次系流路および二次系流路を形成した熱交換器であって、前記一次系流路に供給される一次流体の温度範囲を８００℃以上９００℃以下、前記一次流体と二次流体との差圧を４ＭＰａ以上７ＭＰａ以下、かつ前記両流体間の単位体積当りの交換熱量を１０ＭＷｔ／ｍ３以上に設定し、前記金属プレートの板厚を流路等価直径の０．３倍以上、かつ前記金属プレートの板幅方向に沿う流路間ピッチを流路等価直径の０．５倍以上としたことを特徴とする熱交換器を提供するものである。
【００４３】
特に、本発明では、前記金属プレートを、クロムおよびアルミニウムを含む鉄基の酸化物分散強化型合金により構成する場合に好適である。
【発明の効果】
【００４４】
本発明によれば、単位体積当りの交換熱量が１０ＭＷｔ／ｍ３以上のコンパクト性を実現し、高性能で構造健全性に優れた熱交換器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
以下、本発明に係る熱交換器の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００４６】
［第１実施形態（図１〜図６）］
図１は本発明の第１実施形態による熱交換器を示す斜視図であり、図２は同実施形態による熱交換器の流路構成を示す説明図（図１のＡ−Ａ線断面図）である。図３は本発明の第１実施形態による熱交換器を構成するプレート構造を示す説明図（構成部品の断面図）である。
【００４７】
また、図３は本発明の第１実施形態による熱交換器を構成するプレート構造を示す説明図（構成部品の断面図）であり、図４は同実施形態による熱交換器の流路を示す説明図（図３のＢ−Ｂ線断面図）である。図５は本発明の第１実施形態による熱交換器の流路構成を示す説明図（縦断面図）であり、図６は同実施形態による熱交換器の設定に関する説明図である。
【００４８】
図２および図３に示すように、本実施形態の熱交換器３は、１対の対向する薄板状の金属プレート１，２を一組とし、これらの金属プレート（以下、「プレート」という。）１，２を積層して構成される。一方の金属プレート１は、一次系流体ａを流通する流路８となる多数の半円形状の溝８ａを一側面に設けた一次系流体流通用のプレートであり、他方のプレート２は、二次系流体ｂを流通する流路９となる多数の半円形状の溝８ｂを一側面に設けた二次系流体流通用のプレートである。
【００４９】
一次系流体流通用のプレート１は例えば長方形状をなしており、複数の溝８は図２に示すように、例えば長手方向一端側の一側縁部に開口して一次流体入口１４を形成するとともに、短手側である幅方向に向って並列に延びた後、長手方向一端側の他側縁部に開口して一次流体出口１８を形成している。すなわち、一次系流体は図２の下側から一次系流体ａを上向きに流す主熱交換部を形成している。
【００５０】
また、二次次系流体流通用のプレート２は一次系流体流通用のプレート１と同一の長方形状をなしており、複数の溝９は、例えば長手方向一端側縁部に開口して一次流体入口１４を形成するとともに、直線状に長手方向他端側の他側縁部に延びで開口し、二次流体出口１９を形成している。この二次系流体流通用のプレート２は図２の上側から二次系流体ｂを下向きに流す主熱交換部を形成している。
【００５１】
そして、図３に示すように、これら一次系流体流通用のプレート１および二次次系流体流通用のプレート２は、各流路８，９を形成する溝８ａ，９ａが無い面を相互に接合して例えば形成された面と溝が形成されない面とを合わせて積層され、例えば拡散接合により一体化される。
【００５２】
図４および図５は、このようなプレート１，２の接合により流路５（一次系流路８、二次系流路９）が壁部１ａ，１ｂにより区画形成され、かつ一体化されて、一次系流路８および二次系流路９が断面半円形である構成が示されている。なお、一次系流路８および二次系流路９は波形状の流路となっており、一次系流路３および二次系流路９の流路断面積は互いに同一に設定されている。
【００５３】
また、図６には上述したように、各流路８，９の寸法等表示、すなわち流路の水平方向ピッチＰｆ、流路の水平方向幅ｄ、流路間ピッチｔｐ、および流路間の水平方向間隔ｔｆが示されている。
【００５４】
そして、これらの寸法関係および材料構成については、一次系流路８に供給される一次流体ａの温度範囲を８００℃以上９００℃以下、一次流体ａと二次流体ｂとの差圧を４ＭＰａ以上７ＭＰａ以下、かつ両流体間の単位体積当りの交換熱量を１０ＭＷｔ／ｍ３以上に設定した場合に耐え得る強度を保持する設定となっている。
【００５５】
すなわち、プレート１，２の板厚が流路等価直径の０．３倍以上、かつプレート１，２の板幅方向に沿う流路間ピッチｔｐが流路等価直径の０．５倍以上となっている。
【００５６】
また、各プレート１，２は、クロムおよびアルミニウムを含む鉄基の酸化物分散強化型合金、例えばＩＮＣＯＬＯＹ  ａｌｌｏｉ  ９５６（Ｆｅ：７５％、Ｃｒ：２０％、Ａｌ：４．５％、Ｔｉ：０．５％、Ｃ：０．０５％、Ｙ２Ｏ３：０．５％）により構成されている。
【００５７】
このように、本実施の形態においては、多数の一次系流体の流路を設けたプレート１と同じく多数の二次系流体の流路が設けられたプレート２は積層され、例えば拡散接合により一体となり、熱交換器３を形成している。
【００５８】
なお、図２では、一次系流体入口１４から入った一次系流体の流れ１５と二次系流体入口１６から入った二次系流体の流れ１７が向かい合う方向で流れる場合を示しているが、この場合が最も熱交換が良好である。ただし、用途に応じて、平行して流してもよい。
【００５９】
このように本実施形態では、構造材料１０として９００℃における許容応力が２５ＭＰａ程度の高温強度を有する鉄基の酸化物分散強化型（ＯＤＳ）合金、例えばＩＮＣＯＬＯＹ  ａｌｌｏｙ  ＭＡ９５６を用い、流路の垂直方向の間隔Ｐｆ１１が半円型流路の直径ｄ１２の０．７倍以上かつ流路の水平方向の間隔１３が半円型流路の直径ｄ１２の１．３倍以上の寸法とする。なお構造材料１０は、高ニッケル基合金、例えばＡｌｌｏｙ  ６１７でもよい。
【００６０】
以上説明したように、第１実施形態によれば、単位体積当りの交換熱量が１０ＭＷｔ／ｍ３以上のコンパクト性を実現し、高性能で構造健全性に優れた熱交換器を提供することができる。
【００６１】
［第２実施形態（図７〜図９）］
本実施形態では、一次系流路および二次系流路の流体入口および流体出口が流路部材の主熱交換部分における流体の流れ方向に沿う面にそれぞれ設けられている構成について説明する。
【００６２】
図７は本発明の第２実施形態による熱交換器を示す斜視図であり、図８は同実施形態による熱交換器の一次系流路を示す説明図（図７のＣ−Ｃ線断面図）である。図９は本発明の第２実施形態による熱交換器の二次系流路を示す説明図である（図７のＣ−Ｃ線断面図）。
【００６３】
これらの図に示すように、本実施形態２においても、第１実施形態と同様に、一次系流体の流路を設けたプレート１、二次系の流路を設けたプレート２から構成されているが、一次系流体の入口１４と二次系流体の出口１９は同じ面に位置するとともに、一次系流体の出口１８と二次系流体の入口１６についても同じ面に位置し、一次系および二次系の流路の入口１４，１６および出口１８，１９を流体の流れ方向に配置している。
【００６４】
すなわち、図８に示すように、一次流路８および二次系流路９は、共にプレート１の長手方向に沿って形成されている。なお、他の構成については第１実施形態と同様である。
【００６５】
前記第１実施形態では、一次系流体出入口１４を二次系流体出入口１６とは直角方向位置、つまり熱交換器側面に設けていたのに対し、本実施形態では一次系流体出入口１４と二次系流体出入口１６とを同一面上に設けるため、側面にヘッダや配管を設ける必要がなく、熱交換器３の外形寸法が小さくなる。
【００６６】
さらに、第１実施形態のように、流れ方向が直角に曲がることがなく、圧力損失も小さく抑えられる。
【００６７】
以上説明したように、第２実施形態によれば、単位体積当りの交換熱量が１０ＭＷｔ／ｍ３以上のコンパクト性を有し、圧力損失低減に優れた熱交換器を提供することができる。
【００６８】
［第３実施形態（図１０、図１１）］
図１０は同実施形態による熱交換器の一次系流路を示す説明図（横断面図）であり、図１１は本発明の第３実施形態による熱交換器の二次系流路を示す説明図（縦断面図）である。
【００６９】
本実施形態２においても、第１実施形態と同様に、一次系流体の流路を設けたプレート１、二次系の流路を設けたプレート２から構成されているが、一次系流路が設けられたプレート１、二次系流路が設けられたプレート２から構成されている。
【００７０】
一次系流路８は分岐、合流し、熱交換器側面にて流路の入口および出口となるプレナム２０に接続されており、第１実施形態で示したように、側面に向かい折り曲げた流路２１を用いて側面に入口、出口を設ける場合に比べて、流体が向流とならない領域２２を削減することが可能となる。
【００７１】
以上説明したように、第３実施形態によれば、単位体積当りの交換熱量が１０ＭＷｔ／ｍ３以上のコンパクト性を有し、圧力損失低減に優れた熱交換器を提供することができる［第４実施形態（図１２）］
本実施形態では、各流路の湾曲部内に、各流体を前記湾曲部に沿って案内する案内羽根または補強材が設けられている熱交換器について説明する。図１２は本発明の第４実施形態による熱交換器の流路構成を示す説明図（縦断面図）である。
【００７２】
本実施形態においても、熱交換器３が流路を形成するプレートの壁１ａおよび案内羽２４から構成されている。
【００７３】
流路５を流れる流体の流れ２５は、流路拡大図である図１２に示すように、流路５の曲がり部に設けられた案内羽２４により、曲がり部における渦、剥離の発生が抑えられ、圧力損失が低減される構成となっている。他の構成については、前記実施形態と略同様である。
【００７４】
以上説明したように、第４実施形態によれば、単位体積当りの交換熱量が１０ＭＷｔ／ｍ３以上のコンパクト性を有し、圧力損失低減に優れた熱交換器を提供することができる。
【００７５】
［第５実施形態（図１３）］
本実施形態では、一次系流路および二次系流路の流路断面積が前者よりも後者が大きく設定されている熱交換器について説明する。
【００７６】
図１３は本発明の第５実施形態による熱交換器の流路構成を示す説明図（縦断面図）である。
【００７７】
本実施形態では、図１３に示すように、一次系流路８よりも流路断面積が大きい二次系流路９が形成されている。他の構成については、前記実施形態と略同様である。
【００７８】
二次系流体の流量が一次系流体の流量より比較的多い場合、流路断面積が大きい二次系流路２６により、二次系流体の流速の上昇が抑えられるため、二次系流体の圧力損失を低減することが可能となる。
【００７９】
以上説明したように、第５実施形態によれば、単位体積当りの交換熱量が１０ＭＷｔ／ｍ３以上のコンパクト性を有し、圧力損失低減に優れた熱交換器を提供することができる。
【００８０】
［第６実施形態（図１４〜図１６）］
本実施形態では、一次系流路および前記二次系流路の流路断面形状が、四角形、六角形その他の多角形とされている熱交換器について説明する。
【００８１】
図１４は本発明の第６実施形態による熱交換器の流路構成を示す説明図（縦断面図）であり、図１５は同実施形態による熱交換器の設定に関する説明図である。図１６は本実施形態による変形例として他の流路構成を示す説明図（縦断面図）である。
【００８２】
本実施形態では、図１４に示すように、流路部材４に略矩形断面流路２７が形成されている。なお、図１５には、各流路８，９の寸法等表示、すなわち流路の水平方向ピッチＰｆ、流路の水平方向幅ｄ、流路間ピッチｔｐ、および流路間の水平方向間隔ｔｆが示されている。
【００８３】
このように構成された本実施形態によれば、前記実施形態で示した同一断面積の半円形の流路とした場合と比較して、流路８，９の断面形状が略矩形状となっており、これらの流路８，９は流路部材４の構造材料との伝熱面積が大きくなるため、伝熱性能を向上させることが可能となる。
【００８４】
なお、矩形流路の角部に差圧または温度差による応力が集中するが、半円形の場合と比較して同等の応力値であることが構造解析等により確認されている。
【００８５】
また、図１６に示すように、四角形だけでなく、６角形など多角形でもよい。このような構成によっても、流路８，９が流路部材４の構造材料との伝熱面積が大きくなるため、伝熱性能を向上させることが可能となる。
【００８６】
このように、第６実施形態によれば、単位体積当りの交換熱量が１０ＭＷｔ／ｍ３以上のコンパクト性を有し、高性能で構造健全性に優れた熱交換器を提供することができる。
【００８７】
［第７実施形態（図１７〜図１９）］
本実施形態では、流路部材に一次系流路および二次系流路をそれぞれ分岐および合流させるプレナム部が形成され、これらプレナ部に連通する一次系流路および二次系流路の流体入口および流体出口が、流路部材の主熱交換部分における流体流れ方向に沿う面または流体流れ方向と直交する方向に沿う面に設けられている熱交換器について説明する。
【００８８】
図１７は本発明の第７実施形態による熱交換器を示す斜視図である。図１８は同実施形態による熱交換器の一次系流路を示す説明図（図１７のＤ−Ｄ線断面図）であり、図１９は同７実施形態による熱交換器の二次系流路を示す説明図（図１７のＤ−Ｄ線断面図）である。
【００８９】
本実施形態では、一次系流路が設けられたプレート１、二次系流路が設けられたプレート２から構成されている。一次系流路８は分岐、合流し、熱交換器前面および後面にて一次系流路入口１４および一次系流路出口１９となる一次系プレナム２８に接続されている。
【００９０】
二次系流路９も同様に二次系プレナム２９により、二次系流路入口１６および二次系流路出口１８が熱交換器前面および後面に設けられているため、一次系および二次系の流路の出入口は流体の流れ方向に配置される。
【００９１】
このように、本実施形態では流路出入口を両端面のみに設けるため、側面に流路出入口を設ける必要がなく、また、第１実施形態のように、直行流の領域を減らすことにもなり、熱交換器の長手方向寸法が小さくなる。
【００９２】
以上説明したように、第７実施形態によれば、単位体積当りの交換熱量が１０ＭＷｔ／ｍ３以上のコンパクト性に優れた熱交換器を提供することができる。
【００９３】
［第８実施形態（図２０〜図２２）］
本実施形態では、一次系流路および二次系流路の少なくともいずれか一方がＵ字状に折り返す往復流路として形成された熱交換器について説明する。
【００９４】
図２０は本発明の第８実施形態による熱交換器を示す斜視図である。図２１は同実施形態による熱交換器の一次系流路を示す説明図（図２０のＥ−Ｅ線断面図）であり、図２２は同実施形態による熱交換器の二次系流路を示す説明図（図２０のＥ−Ｅ線断面図）である。
【００９５】
本実施形態では、一次系流路が設けられたプレート１、二次系流路が設けられたプレート２から構成されている。
【００９６】
一次系流路８および二次系流路９はＵ字型の形状をしているため、二次系流路入口１６と二次系流路出口１８は熱交換器の前面と後面にそれぞれ設けられる。
【００９７】
このように構成することにより、側面に流路出入口を設ける必要がなく、熱交換器の長手方向寸法が小さくなる。
【００９８】
このような第８実施形態によれば、単位体積当りの交換熱量が１０ＭＷｔ／ｍ３以上のコンパクト性に優れた熱交換器を提供することができる。
【００９９】
［第９実施形態（図２３、図２４）］
本実施形態では、一次系流路および二次系流路となる溝が、同一の金属プレートに、互いに隣接する配置で形成され、一次系流路および二次系流路の先端部が、流路部材の同一面に設けられた流体出口およびプレナムに連通している熱交換器について説明する。
【０１００】
図２３は本発明の第９実施形態による熱交換器を示す斜視図であり、図２４は同実施形態による熱交換器を示す説明図（図２３のＦ−Ｆ線断面図）である。
【０１０１】
本実施形態では、一次系流路８と二次系流路９とが互いに隣接する配置で設けられたプレート３０から構成されている。また、一次系流路８および二次系流路９の先端部が、流路部材の上面である同一面に設けられた流体出口１８，１９および上方に延びる高さ方向プレナム３１，３２に連通している
このような構成によれば、一次系流路８および二次系流路９は同一のプレート上に位置していることから、流体間の伝熱を促進することが可能となるとともに、高さ方向プレナム３１により一次系の流体１８および二次系の出口１９を一次系と二次系流路が設けられたプレート３０と平行な面に配置することが可能となる。また、熱交換は対向流のみによって行われ、直行流をなくすことができ、熱交換器の外形寸法を小さくできる。
【０１０２】
以上説明したように、第９実施形態によれば、単位体積当りの交換熱量が１０ＭＷｔ／ｍ３以上のコンパクト性を有し、熱交換性能に優れた熱交換器を提供することができる。
【０１０３】
［第１０実施形態（図２５、図２６）］
本実施形態では、一次系流路および二次系流路の少なくともいずれか一方がＵ字状に折り返す往復流路として形成され、この往復流路の両先端部が、流体入口およびプレナム上向きの流体出口または連通している熱交換器について説明する。
【０１０４】
図２５は本発明の第１０実施形態による熱交換器を示す斜視図であり、図２６は同実施形態による熱交換器を示す説明図（図２５のＧ−Ｇ線断面図）である。
【０１０５】
本実施形態１０では、一次系と二次系流路が設けられたプレート３０から構成されている。この実施形態９の変形形態を表しており、Ｕ字形の形状の一次系流路８および二次系流路９を同一のプレート上に配設している。このように、熱交換部が対向流のみにしている。これにより、本実施形態では、熱交換器の外形寸法を小さくすることができ、さらにＵ字形の折り返し部の存在により、熱交換密度が上昇する。
【０１０６】
以上説明したように、第１０実施形態によれば、単位体積当りの交換熱量が１０ＭＷｔ／ｍ３以上のコンパクト性を有し、熱交換性能に優れた熱交換器を提供することができる。
【０１０７】
［第１１実施形態（図２７）］
本実施形態では、各流路の湾曲部内に、各流体を湾曲部に沿って案内する補強材が設けられている熱交換器について説明する。
【０１０８】
図２７は本発明の第１１実施形態による熱交換器を説明する拡大断面図（横断面図）である。
【０１０９】
本実施形態１１では、一次系流路が設けられたプレート１、二次系流路が設けられたプレート２および流路拡大図４中に示した流路補強材３２から構成されている。
【０１１０】
このような構成によれば、流路補強材３２によって、流路上下面のプレートの剛性、つまり、断面二次モーメントが増大するため、耐圧性能を大幅に向上させることが可能となる。さらに、流路補強材３２は、伝熱フィンあるいは乱流発生因子の役割も果たすことから、伝熱性能の向上に大きく寄与する。
【０１１１】
以上説明したように、第１１実施形態によれば、単位体積当りの交換熱量が１０ＭＷｔ／ｍ３以上のコンパクト性を有し、高性能で構造健全性に優れた熱交換器を提供することができる。
【０１１２】
［第１２実施形態（図２８〜図３０）］
本実施形態では、流路構成部材４が平面視で略六角形状であり、両端部が略三角形状に形成されている熱交換器３について説明する。
【０１１３】
図２８は本発明の第１２実施形態による熱交換器を説明する斜視図である。図２９は同実施形態による熱交換器の一次系流路を示す説明図（図２８のＨ−Ｈ線断面図）であり、図３０は同実施形態による熱交換器の二次系流路を示す説明図（図２８のＨ−Ｈ線断面図）である。
【０１１４】
図２８〜図３０に示すように、実施形態では、一次系流路が設けられたプレート１、二次系流路が設けられたプレート２から構成されており、それぞれのプレートの両端部が略三角形状に形成されている。一次系流体ａおよび二次流体ｂは隣接する一次流体入口１４およびこれと反対側に位置する二次流体入口１６とから流入され、略平行となった一次流体出口１８および二次流体出口１９から排出される。
【０１１５】
このような構成によれば、プレート２が矩形状の場合に比べて、流体出入口部の材料を削減でき、コストダウンが図れる。さらに、流路を鈍角にすることにより圧力損失を低減できる。
【０１１６】
以上説明したように、第１２実施形態によれば、単位体積当りの交換熱量が１０ＭＷｔ／ｍ３以上のコンパクト性を有し、安価で、圧力損失低減に優れた熱交換器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１７】
【図１】本発明の第１実施形態による熱交換器を示す斜視図。
【図２】本発明の第１実施形態による熱交換器の流路構成を示す説明図（図１のＡ−Ａ線断面図）。
【図３】本発明の第１実施形態による熱交換器を構成するプレート構造を示す説明図（構成部品の断面図）。
【図４】本発明の第１実施形態による熱交換器の流路を示す説明図（図３のＢ−Ｂ線断面図）。
【図５】本発明の第１実施形態による熱交換器の流路構成を示す説明図（縦断面図）。
【図６】本発明の第１実施形態による熱交換器の設定に関する説明図。
【図７】本発明の第２実施形態による熱交換器を示す斜視図。
【図８】本発明の第２実施形態による熱交換器の一次系流路を示す説明図（図７のＣ−Ｃ線断面図）。
【図９】本発明の第２実施形態による熱交換器の二次系流路を示す説明図（図７のＣ−Ｃ線断面図）。
【図１０】本発明の第２実施形態による熱交換器の一次系流路を示す説明図（横断面図）。
【図１１】本発明の第３実施形態による熱交換器の二次系流路を示す説明図（縦断面図）。
【図１２】本発明の第４実施形態による熱交換器の流路構成を示す説明図（縦断面図）。
【図１３】本発明の第５実施形態による熱交換器の流路構成を示す説明図（縦断面図）。
【図１４】本発明の第６実施形態による熱交換器の流路構成を示す説明図（縦断面図）。
【図１５】本発明の第６実施形態による熱交換器の設定に関する説明図。
【図１６】本発明の第６実施形態による熱交換器の他の流路構成を示す説明図（縦断面図）。
【図１７】本発明の第７実施形態による熱交換器を示す斜視図。
【図１８】本発明の第７実施形態による熱交換器の一次系流路を示す説明図（図１７のＤ−Ｄ線断面図）。
【図１９】本発明の第７実施形態による熱交換器の二次系流路を示す説明図（図１７のＤ−Ｄ線断面図）。
【図２０】本発明の第８実施形態による熱交換器を示す斜視図。
【図２１】本発明の第８実施形態による熱交換器の一次系流路を示す説明図（図２０のＥ−Ｅ線断面図）。
【図２２】本発明の第８実施形態による熱交換器の二次系流路を示す説明図（図２０のＥ−Ｅ線断面図）。
【図２３】本発明の第９実施形態による熱交換器を示す斜視図。
【図２４】本発明の第９実施形態による熱交換器を示す説明図（図２３のＦ−Ｆ線断面図）。
【図２５】本発明の第１０実施形態による熱交換器を示す斜視図。
【図２６】本発明の第１０実施形態による熱交換器を示す説明図（図２５のＧ−Ｇ線断面図）。
【図２７】本発明の第１１実施形態による熱交換器を説明する拡大断面図（横断面図）。
【図２８】本発明の第１２実施形態による熱交換器を説明する斜視図。
【図２９】本発明の第１２実施形態による熱交換器の一次系流路を示す説明図（図２８のＨ−Ｈ線断面図）。
【図３０】本発明の第１２実施形態による熱交換器の二次系流路を示す説明図（図２８のＨ−Ｈ線断面図）。
【符号の説明】
【０１１８】
１  一次系流路を設けたプレート
２  二次系流路を設けたプレート
３  熱交換器
４  流路部材
５  流路
６  流路に垂直な断面
７  流路断面拡大図
８  一次系流路
９  二次系流路
１０  構造材料
１１  流路の垂直方向の間隔Ｐｆ
１２  半円型流路の直径ｄ
１３  流路の水平方向の間隔ｔｐ
１４  一次系流体入口
１５  一次系流体の流れ
１６  二次系流体入口
１７  二次系流体の流れ
１８  一次系流体出口
１９  二次系流体出口
２０  プレナム
２１  側面に向かい折り曲げた流路
２２  流体が向流とならない領域
２３  流路を設けたプレート
２４  案内羽
２５  流体の流れ
２６  流路面積の大きい二次系流路
２７  矩形断面流路
２８  一次系プレナム
２９  二次系プレナム
３０  一次系と二次系の流路を設けたプレート
３１  高さ方向プレナム
３２  流路補強材
【図１】
2008128574.tif 000007
【図２】
2008128574.tif 000008
【図３】
2008128574.tif 000009
【図４】
2008128574.tif 000010
【図５】
2008128574.tif 000011
【図６】
2008128574.tif 000012
【図７】
2008128574.tif 000013
【図８】
2008128574.tif 000014
【図９】
2008128574.tif 000015
【図１０】
2008128574.tif 000016
【図１１】
2008128574.tif 000017
【図１２】
2008128574.tif 000018
【図１３】
2008128574.tif 000019
【図１４】
2008128574.tif 000020
【図１５】
2008128574.tif 000021
【図１６】
2008128574.tif 000022
【図１７】
2008128574.tif 000023
【図１８】
2008128574.tif 000024
【図１９】
2008128574.tif 000025
【図２０】
2008128574.tif 000026
【図２１】
2008128574.tif 000027
【図２２】
2008128574.tif 000028
【図２３】
2008128574.tif 000029
【図２４】
2008128574.tif 000030
【図２５】
2008128574.tif 000031
【図２６】
2008128574.tif 000032
【図２７】
2008128574.tif 000033
【図２８】
2008128574.tif 000034
【図２９】
2008128574.tif 000035
【図３０】
2008128574.tif 000036