(57)【要約】【課題】  熱応力の発生を抑えたコンパクト且つ大容量の熱交換器を提供することを目的とする。【解決手段】  熱交換部６，７と、ヘッダ２，３，４と、熱交換部６，７とヘッダ２，３，４とを接続する連絡管８，９，１０とを備え、複数の熱交換部６，７が、所定の隙間を介して積層されていることを特徴とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換部と、
ヘッダと、
前記熱交換部と前記ヘッダとを接続する連絡管と、を備え、
複数の前記熱交換部が、所定の隙間を介して積層されていることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記熱交換部には、前記連絡管が接続される突出部が設けられ、
隣接する熱交換部の前記突出部は、該熱交換器の積層方向から見て異なる位置に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
同一形状を有する前記熱交換部が、異なる向きに積層されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項４】
一の前記熱交換部と一の前記ヘッダとを接続する前記連絡管が、複数設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の熱交換器。
【請求項５】
内部が加熱流体または被加熱流体による雰囲気とされた胴本体を備え、
該胴本体の内部には、前記雰囲気を構成する前記加熱流体または前記被加熱流体と熱交換を行う請求項１乃至４のいずれかに記載の熱交換器が複数設けら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、特に高温ガス炉の再生熱交換器に用いられて好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、プレートとフィンが交互に積層されて形成されたプレートフィン式熱交換器が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このような熱交換器を用いて大容量（例えば、交換熱量５００ＭＷ級）とされた高温ガス炉用の再生熱交換器を設計して、加熱流体と被加熱流体との間で熱交換することが知られている。再生熱交換器内部の作動流体は、その絶対温度が、高温の流体は、約９００Ｋ、低温の流体は４００Ｋになることがある。（例えば、非特許文献１、表１のＨｏｔ  ｃｈａｎｎｅｌ，Ｉｎｌｅｔ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ／Ｃｏｌｄ  ｃｈａｎｎｅｌ，Ｉｎｌｅｔ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ参照）。
そのような作動流体を用いて大容量の熱交換を行うため、熱交換器の大きさは、およそ幅１ｍ、長さ２．５ｍ、高さがおよそ５ｍに及ぶ大型な熱交換モジュールが必要となることがある。
【０００４】
【特許文献１】特開平８−２００９７２号公報（図１〜図２）
【０００５】
【非特許文献１】日本原子力学会誌，Ｖｏｌ．４２，Ｎｏ．３（２０００），ｐｐ．５２−５６（表１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、このような熱交換器では、熱交換部の作動流体の入口と出口とには、約４００度の温度差が生じるため、熱交換部には大きな熱応力が生じる。
また、高さがおよそ５ｍに及ぶ大型の熱交換モジュールの場合、高さ方向に大きな熱膨張差が生じる。
したがって、疲労強度上の制限から、熱交換器の運転回数が制限されてしまうという問題がある。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、熱応力の発生を抑えた長寿命、コンパクト且つ大容量の熱交換器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】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の熱交換器は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる第１の形態は、熱交換部と、ヘッダと、前記熱交換部と前記ヘッダとを接続する連絡管と、を備え、複数の前記熱交換部が、所定の隙間を介して積層されていることを特徴とする熱交換器である。
【０００９】
熱交換部は、高温の作動流体（加熱流体）と低温の作動流体（被加熱流体）との間で熱交換するものである。
【００１０】
ヘッダとしては、例えば、熱交換器の外部から供給される加熱流体と被加熱流体とを熱交換部に供給するヘッダ（加熱高温ヘッダ、被加熱低温ヘッダ）、熱交換された流体を熱交換部から熱交換器の外部へ搬出するヘッダ（加熱低温ヘッダ、被加熱高温ヘッダ）がある。
【００１１】
連絡管には、例えば、１層ごとに熱交換部の加熱流体の入口に接続される加熱高温連絡管と、被加熱流体の入口に接続される被加熱低温連絡管と、加熱流体の出口に接続される加熱低温連絡管と、被加熱流体の出口に接続される被加熱高温連絡管とがある。
加熱高温連絡管は加熱高温ヘッダと接続し、被加熱低温連絡管は被加熱低温ヘッダと接続し、加熱低温連絡管は加熱低温ヘッダと接続し、被加熱高温連絡管は被加熱高温ヘッダと接続する。それぞれの連絡管は、対応するヘッダと熱交換部の入口、出口を接続し、内部を加熱又は被加熱流体が流れる。
【００１２】
熱交換部が複数積層されているので、一つの熱交換部の厚さは、一体として構成した熱交換器に比べて、小さいものとなる。したがって、一つの熱交換部の熱変位量は小さなものとなる。よって、熱交換部に接続される連絡管やヘッダには、大きな応力が付加されることがない。
【００１３】
また、熱交換部間には隙間が設けられているので、熱交換部に熱変位が生じても、隣接する熱交換部に接触することを可及的に避けることができる。そのため、熱交換モジュールが積層方向に大型になっても、熱交換モジュール全体の熱変位の変化量を抑えることができる。
【００１４】
熱交換部ごとに連絡管を設けることとしたので、熱交換部の熱変位が連絡管からヘッダに伝わっても、ヘッダには複数の連絡管から分散して伝わるため、大きな応力がヘッダに集中することがない。
【００１５】
本発明にかかる第２の形態は、前記熱交換部には、前記連絡管が接続される突出部が設けられ、隣接する熱交換部の前記突出部は、該熱交換器の積層方向から見て異なる位置に設けられている第１の形態の熱交換器である。
【００１６】
隣接する熱交換部の突出部を、熱交換器の積層方向から見て異なる位置に設けることとしたので、突出部に接続される連絡管が隣接する熱交換部と干渉することない。したがって、連絡管やヘッダを避けるための空間を設ける必要がなく、コンパクトに熱交換部を積層させることができる。
【００１７】
本発明にかかる第３の形態は、同一形状を有する前記熱交換部が異なる向きに積層されてなる第１の形態の熱交換器である。
【００１８】
同一形状を有する熱交換部を積層させる場合であっても、隣接する熱交換部の向きを異ならせて、即ち熱交換部の方向をずらして積層させれば、作動流体の入口及び出口に接続される連絡管が隣接する熱交換部と干渉することなく、連絡管とヘッダを避けるための空間を設けることなく熱交換部を積層させることができる。例えば、ある層の熱交換部の向きを基準として、隣接する熱交換部は中心点を基準として９０度回転した方向に積層させる。
【００１９】
本発明にかかる第４の形態は、一の前記熱交換器と一の前記ヘッダとを接続する前記連絡管が、複数設けられている第１の形態乃至第３の形態の熱交換器である。
【００２０】
一の熱交換部と一のヘッダとを複数の連絡管で接続することとしたので、一つの連絡管で接続する場合に比べて流路面積の急拡大ないし急縮小を避けることができる。したがって、圧力損失を小さくすることができる。
【００２１】
本発明にかかる第５の形態は、内部が加熱流体または被加熱流体による雰囲気とされた胴本体を備え、該胴本体の内部には、前記雰囲気を構成する前記加熱流体または前記被加熱流体と熱交換を行う第１乃至第５の形態のいずれかの熱交換器が複数設けられている熱交換器である。
【００２２】
例えば高温ガス炉の再生熱交換器を構成する場合には、大きな交換熱量に対応するため、熱交換器モジュールを複数用いる必要がある。本発明では、第１乃至第５の態様の熱交換器を熱交換器モジュールとして複数用い、胴本体に設置することとしたので、コンパクトな熱交換器を実現することができる。
【００２３】
本発明は、熱交換部が二重管型、プレートフィン型、シェル
シェル・アンド・チューブ型、管型、フィン付管型、コルゲートフィン型、プレート型などに利用でき、熱交換部の構造によらず適用することができる。
【発明の効果】
【００２４】
熱交換部に熱変位が生じる場合であっても、熱交換部を積層体全体の熱変位を小さく抑えることができる。したがって、熱疲労を抑えることができ、熱交換器の長寿命化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
［第一実施形態］
以下、本発明の第一実施形態について、図１及び図２を用いて説明する。
図１には、熱交換モジュール１の側面図が示されている。図２には、図１の平面図が示されている。
図１に示すように、熱交換器は、熱交換モジュール１と、ヘッダ２，４と、連絡管８，１０とを備えている。
熱交換モジュール１は、第１熱交換部６（以下単に「熱交換部６」という）と第２熱交換部７（以下単に「熱交換部７」という）とが上下方向に積層されて構成される。
熱交換モジュール１の側方には、複数のヘッダが立設されている。ヘッダは、流れる流体によって分類され、図２に示すように、加熱された後の被加熱流体が流れる被加熱高温ヘッダ２と、加熱する前の加熱流体が流れる加熱高温ヘッダ３と、加熱した後の加熱流体が流れる加熱低温ヘッダ４とが設けられている。
各熱交換部６，７には、それぞれ、連絡管８，１０が接続されている。連絡管についても、流れる流体によって分類され、被加熱高温連絡管８と、加熱高温連絡管９と、加熱低温連絡管１０とが設けられている。連絡管８，１０は、各熱交換部６，７とヘッダ２，４とを接続し、これらの間に流体を流すものである。
【００２６】
被加熱高温ヘッダ２は、熱交換部６と熱交換部７で加熱された流体（被加熱流体）を熱交換部から回収して、熱交換器外へ搬出する管である。
加熱高温ヘッダ３は、熱交換器外部からの冷却すべき流体（加熱流体）を熱交換部６と熱交換部７とへ導入する管である。
加熱低温ヘッダ４は、熱交換部６と熱交換部７とで熱を失った加熱流体を熱交換器外へ搬出する管である。
【００２７】
なお、本実施例では、加熱される前の被加熱流体が流れる被加熱低温ヘッダが省略されている。つまり、図８に示すように、熱交換モジュール１が複数設置された再生熱交換器２０の胴本体２１内部の雰囲気５を利用することにより、被加熱低温ヘッダが省略されている。ただし、被加熱高温ヘッダ２、加熱高温ヘッダ３、加熱低温ヘッダ４、被加熱低温ヘッダは、省略しなくてもよく、またいずれかを省略するかは適宜選択できる。
【００２８】
被加熱高温連絡管８は、熱交換部６と熱交換部７とで加熱された流体を被加熱高温ヘッダ２へ戻す連絡管である。
加熱高温連絡管９は高温の流体を加熱高温ヘッダ３から熱交換部６と熱交換部７に供給する連絡管である。
加熱低温連絡管１０は、熱交換部６と熱交換部７とで熱を失った流体を加熱低温ヘッダ４に戻す連絡管である。
被加熱低温ヘッダが省略されているため、被加熱低温連絡管も省略されている。被加熱流体は、再生熱交換器２０の胴本体２１に囲まれる雰囲気５を伝って熱交換部の入口から熱交換部６と熱交換部７とに供給される（図８参照）。
【００２９】
熱交換部６と熱交換部７とは所定の厚さに形成されている。一つの熱交換部の厚さは例えば２００ｍｍとすることができる。熱交換部６と熱交換部７とは、隙間を介して交互に積層される。この隙間は、熱交換の際生じる熱変位よりも大きな空間とすることが好ましい。熱変形した場合に、隣接する熱交換部に当接して変位を伝えないためである。
【００３０】
熱交換部６と熱交換部７とは異なる形状をしている。
図３には熱交換部６の平面図が示されている。熱交換部６には、被加熱入口１１ａと、被加熱出口１１ｂと、加熱入口１１ｃと、加熱出口１１ｄとが熱交換部コア２２に対して突出された突出部に設けられている。
【００３１】
熱交換部６では、被加熱流体（破線）が被加熱入口１１ａから被加熱出口１１ｂに向かって流れ、一方で加熱流体（２点破線）が加熱入口１１ｃから加熱出口１１ｄに向かって流れ、これにより熱交換が行われている。
【００３２】
図４には熱交換部７の上面図が示されている。熱交換部７には、被加熱入口１２ａと、被加熱出口１２ｂと、加熱入口１２ｃと、加熱出口１２ｄとが熱交換部コア２２に対して突出した突出部に設けられている。
【００３３】
熱交換部７では、被加熱流体（破線）が被加熱入口１２ａから被加熱出口１２ｂに向かって流れ、加熱流体（２点破線）が加熱入口１２ｃから加熱出口１２ｄに向かって流れ、熱交換が行われている。
【００３４】
図３及び図４から分かるように、熱交換部６と熱交換部７とは、鏡像体の関係にある。即ち、図３の熱交換部６の底辺を基準として折り返した形状が図４の熱交換部７となる。したがって、図５の如く、熱交換部６と熱交換部７との中心を一致させて積層させても、加熱入口１１ｃと加熱入口１２ｃ、加熱出口１１ｄと加熱出口１２ｄ、被加熱入口１１ａと被加熱入口１２ａ、被加熱出口１１ｂと被加熱出口１２ｂは、重なることがない。
【００３５】
上記構成の熱交換器によれば、以下の作用効果を奏する。
熱交換部６と熱交換部７は、隙間をあけて積層されることにより、熱交換部６の熱変位は隣接する熱交換部７に伝わることがない。したがって、熱交換部を多数積層しても、全体としてはほとんど熱膨張することがない。
【００３６】
熱交換部６と熱交換部７との流体の出口、入口を突出部に設け、それぞれ異なる位置に突出部を設けたことにより、隣接する熱交換部と干渉することなく、連絡管をヘッダと接続することができる。そのため、熱交換部６と熱交換部７とは、熱変位分を考慮した隙間を介して密に積層させることができる。
【００３７】
熱交換部６と熱交換部７とは、それぞれ、連絡管により支持されているが、熱交換部を支持する支持部材を設けても良い。支持部材は、複数の熱交換部をサポートする部材である。複数設ける場合は、なるべく温度が均一である部分に設けることが好ましい。なぜなら、熱交換部の高温度部分に支持部材を設け、低温部分に支持部材を設けると、それぞれの支持部材には異なる熱応力が発生するからである。したがって、熱応力差ができるだけ小さくなる箇所に支持部材を設けることが好ましい。
【００３８】
［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について、図６及び図７を用いて説明する。
【００３９】
第二実施形態が第一実施形態と異なる点は、熱交換モジュール１が同一形状を有する熱交換部２３を積層していること、そして、一のヘッダと一の熱交換部との間に複数の連絡管が接続されていることである。なお、第一実施形態と同一の構成には同一の番号を附し、その説明を省略する。
【００４０】
熱交換部２３には、低温の被加熱流体の被加熱入口１３と、高温の非加熱加熱流体の被加熱出口１４と、高温の加熱流体の加熱入口１５と、低温の加熱流体の加熱出口１６とが設けられている。熱交換部２３の一辺には、加熱入口１５と被加熱出口１４とが交互に設けられ、対辺には、加熱出口１６と被加熱入口１３とが交互に設けられている。
【００４１】
熱交換部２３では、加熱流体（破線）が加熱入口１５から加熱出口１６に向かって流れ、一方で被加熱流体（２点破線）が被加熱入口１３から被加熱出口１４に向かって流れ、これにより熱交換を行っている。
【００４２】
加熱入口１５には、加熱高温ヘッダ２と接続する加熱高温連絡管１７が、被加熱出口１４には、被加熱高温ヘッダと接続する被加熱高温連絡管１８が、被加熱入口１３には、被加熱低温ヘッダと接続する被加熱低温連絡管１９が、加熱出口１６には、加熱低温ヘッダ４と接続する加熱低温連絡管（図示しない）が、それぞれ接続されている。
【００４３】
なお、ヘッダは、図８に示したように、熱交換器の胴内部の雰囲気を利用することにより、４つのヘッダのうちいずれかを省略することができる。その場合、４つの種類の連絡管のうち一つは省略され、対応する流体の入口又は出口は熱交換器胴内部に開放されることになる。好ましくは、低温の流体のヘッダのうちの一方が省略される。高温の流体が熱交換器の胴内部に流れて、熱交換器そのものの温度が上昇してしまうことを防止するためである。
【００４４】
第二実施形態の熱交換部２３は、４つの熱交換コア２２が連結された構成とされている。このように、複数の熱交換コア２２に分けて製造し、連結しても良い。また、最初から一体成型された一つのコアを用いてもよい。熱交換コアは、プレートフィン型の熱交換コアとすることができる。また、オフセット型のプレートフィンとしてもよい。
【００４５】
熱交換部２３に複数の流体の出口、入口を設けて、複数の連絡管を接続することにより、流路の急拡大および急縮小を低減して、コア２２とヘッダとの間を流れる流体の圧力損失を防ぐことができる。また、１本あたりの連絡管の径を小さくすることができ、熱交換部を積層する場合、連絡管の積層方向における厚さを気にしなくても良い。また、高温の加熱流体と低温の被加熱流体を隣り合わせに導入することが容易にでき、熱交換の効率を高めることができる。
【００４６】
熱交換部２３は、互い違いの方向を向くように積層される。第二実施形態では、基準となる熱交換部２３に隣接する熱交換部２３は、９０度向きが異なるように設置される。かかる構成により熱交換部２３の出口および入口は、隣接する熱交換部２３の横腹側に設けられ、隣接する熱交換部２３の出口および入口と干渉しない。そのため、連絡管の径を考慮して隙間を設ける必要がなく、熱交換部を密に積層することができる。
【００４７】
［第三実施形態］
次に、本発明の第三実施形態について、図８を用いて説明する。
図８には、高温ガス炉に用いられる再生熱交換器２０の横断面が示されている。
再生熱交換器２０は、原子炉の一次冷却系への充填水と一次冷却系からの抽出水との間で熱交換を行うものである。充填水は加熱され１次冷却系への熱衝撃を緩和する。抽出水は再生熱交換器の胴側を通って流れ、充填水は管側を通って流れる構成とすることができる。
【００４８】
図８に示されているように、再生熱交換器２０には、第二実施形態の熱交換モジュール１が複数用いられている。ここで、熱交換モジュールとは、所定の厚さに制限された熱交換部が複数積層されたものを意味する。なお、熱交換モジュールは、第二実施形態に開示される熱交換部に限定されるものではなく、第一実施形態の熱交換部も利用できる。
【００４９】
熱交換器２０の胴本体２１の内部には、加熱高温ヘッダ３と、被加熱高温ヘッダ２と、加熱低温ヘッダ４又は被加熱低温ヘッダのいずれか一方と、加熱高温連絡管と、被加熱高温連絡管と、加熱低温連絡管および被加熱低温連絡管いずれか一方と、熱交換部２３が積層した熱交換モジュール１とが設けられている。なお、図８では、連絡管は、図の簡便のため省略しているが、対応するヘッダと熱交換部の入口や出口とを接続している。
【００５０】
加熱高温ヘッダ３は、高温の加熱流体を熱交換器２０の外部から導入している。加熱高温連絡管を通して、熱交換部２３に加熱流体を供給している。
加熱低温ヘッダ４は、加熱低温連絡管を通して熱交換部２３で熱を失った低温の加熱流体を回収し、加熱流体を熱交換器２０の外部へ搬出する。
被加熱高温ヘッダ２は、被加熱高温連絡管を通して熱交換器２３で熱を受け取った高温の被加熱流体を回収し、被加熱流体を熱交換器２０の外部へ搬出する。
【００５１】
被加熱流体は、再生熱交換器２０の胴本体２１内部の空間（雰囲気５）を利用することにより、低温の被加熱流体を再生熱交換器２０の外部から導入し、熱交換部２３の被加熱入口に直接供給される。従って、被加熱低温ヘッダおよび被加熱低温連絡管は、本実施形態では省略される。
なお、いずれのヘッダ及び対応する連絡管を省略して、雰囲気５を利用するかは、適宜選択することができる。好ましくは、低温の流体を雰囲気５内部に流通させた方が、熱交換器２０全体が温まらず、熱効率上有利である。
【００５２】
第一実施形態や第二実施形態の熱交換部を積層した熱交換モジュール１は、熱変位量が小さく、連絡管がヘッダに与える熱応力も小さくできるため、大容量の熱交換モジュールとすることができる。このような熱交換モジュールを採用する再生熱交換器２０は、コンパクトかつ大容量とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の第一実施形態にかかる熱交換モジュールの要部を示した側面図である。
【図２】図１の平面図である。
【図３】本発明の第一実施形態にかかる第１熱交換部の平面図である。
【図４】本発明の第一実施形態にかかる第１熱交換部の平面図である。
【図５】本発明の第一実施形態にかかる第１熱交換部と第２熱交換部を積層した構成を示した側面図である。
【図６】本発明の第二実施形態にかかる熱交換モジュールの要部を示した側面図である。
【図７】図６の平面図である。
【図８】本発明の第三実施形態にかかる熱交換器を示した横断面図である。
【符号の説明】
【００５４】
１  熱交換モジュール
２  被加熱高温ヘッダ
３  加熱高温ヘッダ
４  加熱低温ヘッダ
５  雰囲気
６  第１熱交換部
７  第２熱交換部
８  被加熱高温連絡管
９  加熱高温連絡管
１０  加熱低温連絡管
１１ａ  被加熱入口
１１ｂ  被加熱出口
１１ｃ  加熱入口
１１ｄ  加熱出口
１２ａ  被加熱入口
１２ｂ  被加熱出口
１２ｃ  加熱入口
１２ｄ  加熱出口
１３  被加熱入口
１４  被加熱出口
１５  加熱入口
１６  加熱出口
１７  加熱高温連絡管
１８  被加熱高温連絡管
１９  被加熱低温連絡管
２０  熱交換器
２１  胴本体
２２  熱交換コア
２３  熱交換部
【図１】
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【図２】
2007178092.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2007178092.tif 000007
【図６】
2007178092.tif 000008
【図７】
2007178092.tif 000009
【図８】
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