(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面が偏平な熱伝導性の複数の流体通路を所定の間隔を置いて渦巻状に配置した第１の流路と、第１流路の外周端に設けた第１の流体導入用膨大部と、第１流路の内周端に設けた第１の流体排出用膨大部と、第１流体を各流体導入用膨大部に分配する管路と、複数の渦巻状流路を通過した流体を合流する管路を備え、
渦巻状の第１流路の間の間隙を第２流路とし、円形に配置された第１流体排出用膨大部による円柱状空間を第２の流体の導入部とし、第２流路を通過した第２流体を外周の排出部で合流して導出部とし、第１流路の壁面を介して第１及び第２の流体間において熱交換を行うことを特徴とする熱交換装置。
【請求項２】
第１流路の外周に設けた複数の第１流体導入用膨大部を相互に連結するための管路と、管路に接続した第１の流体導入管接続部と、第１流体排出用膨大部を相互に連結するための管路と、管路に接続した第１流体排出管接続部と、を設けた請求項１に記載の熱交換装置。
【請求項３】
第１流路の外周に設けた複数の第１流体導入用膨大部の周囲を包囲する円筒状容器と、相互に離間して設置された第１流体導入用膨大部と円筒状容器との空間が第２流路と連結して設けられ第２流体を排出するための第２流体排出用膨大部と、第１流体排出用膨大部による円柱状空間に接続された第２流体導入用接続管と、を設けた請求項１に記載の熱交換装置。
【請求項４】
渦巻状に形成した複数の流路を構成する伝熱材料製の板の両端部において、複数の流路が相互に独立し、かつ流体の導入、導出部以外の部分において気密に固定するための封止部を設けた請求項１に記載の熱交換装置。
【請求項５】
渦巻状に配置した第１流路の断面積と第２流路の断面積が、渦巻の外周から内周に向かって増大するように形成した請求項１に記載の熱交換装置。
【請求項６】
渦巻状に配置した第１流路の断面積と第２流路の断面積が、渦巻の内周から外周に向かって増大するように形成した請求項１に記載の熱交換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多数の偏平な流体通路を、所定の間隔を置いて渦巻状に配置し、偏平な流体通路に第１の流体を、多数の流体通路の間に設けた間隔を第２通路として第２の流体を流通させて、流体通路を構成する熱伝導性が高い板の広い面積の熱伝達面を通じて一方の流体から他方の流体に熱を伝達させる、熱伝達効率が良好な対向流型の熱交換器に関する。
【従来の技術】
【０００２】
温度が高い流体と、温度が低い流体を熱伝導体を介して熱的に接触させ、高温流体から低温流体に熱を与える熱交換装置は、火力発電用ボイラー、蒸留装置、化学反応装置、各種製造装置等の技術分野において、広く利用されている。さらに廃棄される高温流体から熱を回収して利用する装置が、エネルギーの有効利用あるいは熱効率の改善のために用いられている。また、熱交換装置は、低温流体により高温流体を冷却する場合にも利用される。
【０００３】
熱交換装置が有効に適用できる応用分野の一例として再生サイクルガスタービンがある。タービン排気と圧縮された吸気との間で熱交換を行うことによって、排気に残った熱エネルギーを回収し、燃焼以前の圧縮された吸気を加熱することにより、燃料を節約することができ、ガスタービンの圧縮比を下げるに従って、カルノーサイクルの効率を極限値とする理論熱効率が期待できるため、熱交換装置の適用は有益である。
【０００４】
利用目的に応じて熱交換装置の構造は様々であるが、熱交換の効率を高めるためには、高熱側と低熱側の伝熱面積を大きくする必要がある。従来も熱交換を行う流体の通路を複数に分割する発明（特公平１−１４５１５）がなされてはいるが、複数の異なる液体間での熱交換には好都合であっても構造上鏡板を必要としパイプによって流体を供給し排出させる構造であるため、ガスタービン発電装置のような用途には好適とは言えない。ガスタービンの高温で大量の排気ガスとコンプレッサーからの大量の圧縮空気とを圧力損失が小さい状態で熱交換を行うことが可能な熱交換装置は満足すべき性能に達していない。
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、高速、大量の高温ガスから熱交換により圧縮空気の高速流体を良好な効率で加熱することが可能な対向流型熱交換器を提供することを主要な目的とする。このため、ガスタービンの高温排気ガスにより、圧縮機で圧縮された空気を加熱してガスタービンの燃焼器に供給し、ガスタービンの効率を大幅に改善するのに適した熱交換装置が実現できるように、流体の圧力損失を可能な限り減少させ、熱伝導面積を大きくし、２流体を対向するように流路を通過させ熱交換を効率良くすることを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために本発明においては、断面が偏平な熱伝導性の複数の流体通路を所定の間隔を置いて渦巻状に配置した第１の流路と、第１流路の外周端に設けた第１の流体導入用膨大部と、第１流路の内周端に設けた第１の流体排出用膨大部と、第１流体を各流体導入用膨大部に分配する管路と、複数の渦巻状流路を通過した流体を合流する管路を備え、渦巻状の第１流路の間の間隙を第２流路とし、円形に配置された第１流体排出用膨大部による円柱状空間を第２の流体の導入部とし、第２流路を通過した第２流体を外周の排出部で合流して導出部とし、第１流路の壁面を介して第１及び第２の流体間において熱交換を行うことを特徴とする熱交換装置を手段としている。
【０００７】
また管路の構成として、第１流路の外周に設けた複数の第１流体導入用膨大部を相互に連結するための管路と、管路に接続した第１の流体導入管接続部と、第１流体排出用膨大部を相互に連結するための管路と、管路に接続した第１流体排出管接続部と、を設けている。
【０００８】
さらに、第１流路の外周に設けた複数の第１流体導入用膨大部の周囲を包囲する円筒状容器と、相互に離間して設置された第１流体導入用膨大部と円筒状容器との空間が第２流路と連結して設けられ第２流体を排出するための第２流体排出用膨大部と、第１流体排出用膨大部による円柱状空間に接続された第２流体導入用接続管とを設けている。
【０００９】
渦巻状に形成した複数の流路を構成する伝熱材料製の板の両端部において、複数の流路が相互に独立し、かつ流体の導入、導出部以外の部分において気密に固定するための封止部を設けること、渦巻状に配置した第１流路の断面積と第２流路の断面積が、渦巻の外周から内周に向かって増大、または縮小するように形成する構成を採用することがある。
【００１０】
【実施例】
図１は本発明の熱交換装置の第１実施例の構造を説明するため、円筒状の熱交換装置の一部を切断して断面を示した斜視図である。符号１で示す流体通路は、２枚の薄い伝熱材料製の板１１１と１１２を狭い間隔で対向させ、渦巻状に成形して第１流路を構成する。渦巻状の第１流路の外周端には、第１の流体導入用膨大部１１を設け、また、渦巻状の第１流路の内周端には、第１の流体導出用膨大部１２を設ける。各膨大部は、第１流路と外部とは気密状体に連接している。
【００１１】
図１においては８組の流体通路１を、相互に所定の間隔を保持して固定している。流体通路は、膨大部１１及び１２と渦巻状の第１流路の側面を後述のように箱体に固定して支持する。従って第１組の流体通路を構成する伝熱材料製の板１１１と、隣接する第２組の流体通路を構成する伝熱材料製の板１１２で区画された空隙で構成される渦巻状の空間は、第１流路と相似の形状となり、第２流路２を構成する。
【００１２】
渦巻状の第１流路の内周端に設けた第１の流体導出用膨大部１２により形成される円柱状空間２１は、第２の流体の導入部の役割を有しており、外部から導入した第２流体は複数の第２流路２の流入口となる拡大部２２から流入して、第２流路２の幅全体にわたって通過し、外周の排出部２３へと流れる。流入口となる拡大部２２は、円柱状空間２１に導入された第２流体を複数の第２流路２に平均して、かつ、流路２の幅全体にわたり流体を流すための整流部の役割を果たしている。この意味で、第１の流体導出用膨大部１２は、図示のように筒状に形成して、第２の流体に対し漏斗状の流入口２２を成すようにしている。
【００１３】
複数の第２流路を通過して排出された第２流体を合流して導出管に導くため、渦巻状の第１及び第２流路を包囲し、第１の流体導入用膨大部１１と接触するように、耐熱材料製の円筒部材１３を設ける。この円筒部材１３と複数の第１流体導入用膨大部１１とにより区画された複数の筒状の空間は、第２流体導出用膨大部２４を形成し、それぞれ第２流路２の排出部２３と接続されている。
【００１４】
第２流路２の排出部を環境に開放して第２流体を放出してしまう使い方も有り得るが、多くの場合は、排出ガスの高い温度や濾過を考慮して、第２流体を集めて導管により所定の場所で放出する。また第２流体が保持している熱を利用するため、他の熱交換器に導く利用方法も考えられるから、第２流体導出用膨大部２４の設置を必要とする。
【００１５】
円筒部材１３は、第１の流体導入用膨大部１１等の熱交換装置の構成部材を固定し流路を支持する箱体としての機能、あるいは後述の封止部を固定し支持する機能も果たしている。円筒部材１３は、熱交換装置を外部の機器に固定する際の支持部材としても利用することができるが、この場合には構造上要求される強度に対して配慮する必要がある。
【００１６】
以上の説明から、円柱状空間２１に高温の第２の流体を供給して第２流路２を通過させ、外周端の第１流体導入用筒状膨大部１１から第１流体を流体導出用筒状膨大部１２に流すと、伝熱材料製の板１１１及び１１２を介して第２の流体から第１流体に熱を与えることが理解できよう。この動作は対向流（カウンターフロー）型であり熱交換には最適である。第１及び第２の流体は伝熱材料製の板を隔壁としているから相互に混合することはない。また、流体の流路断面積に比較して、伝熱材料製の板１１１及び１１２の断面積が非常に大きいから、流体の流量、流速が大きい場合であっても、対向して流れる流体に充分伝熱することが可能である。
【００１７】
第１及び第２の流路を通過できる流体の量は、第１流路を構成する伝熱材料製の板１１１及び１１２の間隔と、隣接する第１流路の設置間隔により選択することができる。また、図１においては、第１流路を８個示したが、流体の量や伝熱量、流体の温度等を考慮して設計により選定することができ、大型の熱交換器を実現する場合には例示より多数の流路を設けることができる。
【００１８】
図２の実施例においては、熱交換により作動流体の温度と体積が変化することを考慮して、流路の面積を変化させている。円柱状空間２１に高温の第２の流体を導入すると、熱交換により第１流体に熱を与えて温度が次第に低下し、その結果外側で第２流体の体積が減少する。一方第１流路においては、熱交換により外側の流入路から流体が加熱され温度上昇の結果として体積が増加するから、内側に向かって面積を増加させる。すなわち、渦巻状に配置した第１流路の断面積と第２流路の断面積が、渦巻の外周から内周に向かって増大するように形成することになる。
【００１９】
気体を臨界温度以下に冷却し、相変化を利用して混合気体から特定の気体を分離する、空気の深冷分離プロセスなどの用途においては、分離途上の窒素などの低温流体を用いて、第１流体である空気を熱交換により冷却する必要があるが、熱交換の進行とともに空気の温度が低下して体積が減少する。この場合には、図３に示す第３実施例のように、低温の第２流体を円柱状空間２１から外側に向かって流し、第１流体との間で熱交換する。第２流体は外周に向かって流れるに従って温度が上昇し、体積が増加する。第１流体は外側から内側に流れるに従って冷却されて体積が減少する。すなわち、渦巻状に配置した第１流路及び第２流路の断面積が、ともに渦巻の外周から内周に向かって減少するように形成すれば流れの等速性を保ちながら、同一容積内で熱交換面積を大きくすることができる。それと同時に、低温の部分を外部の環境温度から隔離して、断熱効果を高めることができる。
【００２０】
図４は、図１に対応した外周端の第１流体導入用膨大部１１、第１流体の導出用膨大部１２、円柱状空間２１への接続用開口部を確保しながら、第１流体及び第２流体通路を封止する第１の封止部４１の構造を示す図である。封止部４１は耐熱合金あるいはセラミックのような材料で製作する。封止部４１は、熱交換用の流体と接触するから、耐熱性を有するとともに、熱伝導性が低いことが求められる。従って、セラミックが好適であるが、熱交換用の部材と気密に封止することを考慮して耐熱合金とセラミックの複合材、あるいはメタライズ加工したセラミックを選定することができる。
【００２１】
図４において、封止部４１の中央には、図１の円柱状空間２１に第２流体を導入するための管と連通する孔４３を設ける。その周囲には、図１の第１流体導出用膨大部１２と対応する孔４４、封止部４１の外周に近い位置に第１流体導入用膨大部１１と対応する孔４５を設ける。封止部に隣接して、後述の各種管の接続部が装着されるから、封止部４１の孔は、熱交換装置の各部と接続部の管と適合するように設ける。
【００２２】
図４の封止部４１は、図１における流体通路１、第１流体導入用膨大部１１、第１流体導出用膨大部１２、外側筒状体１３等の端部縁と溶接、鑞付け、セラミック接着剤等の手段により気密に封止する。第１流体導出用膨大部１２に対応する位置には、封止部４１に孔４４が設けられており、外部の管と連通することができる。しかし、第２流体導出用膨大部２４に対応する位置には孔が設けられていないから、封止部４１により閉塞される。偏平な流体通路の板１１１及び１１２は、端部において予めシーム溶接して密閉管路を構成しておき、封止部４１と流体通路を後から封止することも可能である。
【００２３】
図５は、図１に示す熱交換装置の裏側、すなわち反対側から見た面を封止するための第２の封止部５１の構造を示す図である。封止部５１の外周部には、第２流体導出用膨大部２４と対応する位置に孔５２が設けられている。封止部５１は図１における流体通路１、第１流体導入用膨大部１１、第１流体導出用膨大部１２、外側筒状体１３等の端部縁と溶接、鑞付け、セラミック接着剤等の手段により気密に封止する。孔５２は、第２流体導出用膨大部２４に対応しているから外部と連通するが、他の部分は封止部５１により閉塞される。封止部の材料、封止手法は上記の場合と同様である。
【００２４】
図６は、図４に示す封止部４１の部分と結合して、第１流体の流入部、第１流体の流出部、及び第２流体の流入部となる管に接続するための、第１接続部６１を示す斜視図である。第１接続部６１の外周には断面が逆Ｕ字状のダクト６８が設けられ、ダクトの底面には、第１流体導入用膨大部１１と対応する封止部４１の孔４５と対応する位置に連通口が設けられる。従って、第１流体はダクト６８から孔４５を通過して第１流体導入用膨大部１１に供給される。ダクト６８の上面に第１流体の導入管６２が一体に設けられる。
【００２５】
第１接続部６１の中央部には、第２流体導入管６４が貫通して設けられ、封止部４１の孔４３を通過して、円柱状空間２１に高温の第２の流体を供給する。従って第２流体導入管６４には、外部からの第２流体供給管が接続される。導入管６４の外側で、第１接続部６１の上壁に複数の開孔６７が設けられる。この開孔６７は封止部４１に設けた孔４４と対応した位置にあり、第１流体導出用膨大部１２と連接する。
【００２６】
第２流体導入管６４と同軸に、開孔６７を包囲するように第１流体の導出管６３を設ける。導出管６３の管壁にカット孔６６を設けて封止部４１への開孔を視認できるようにしている。第１流体は、環状の開口６５を通過して外部と接続することができる。一例として、ガスタービンと接続する場合を挙げると、排気ガスを管路で第２流体導入管６４に接続し、同軸の配管の外側を導出管６３に接続して加熱された圧縮空気としてタービンの燃焼室に供給する。同軸ではなく単独に管を接続する必要がある場合には、環状の開口６５を閉鎖して、導出管６３の管壁部分に設けた開口に接続部を設け、第１流体導出管を接続することも可能である。
【００２７】
図７は、図５に示す封止部４２の部分と結合して、第２流体の流出部となる管に接続する第２接続部７１を示す斜視図である。説明のため、一部を切り欠いた開口部７２からは、封止部５１の外周に設けた複数の孔５２の１個を見ることができる。孔５２は、熱交換装置の外周に形成した排出部２３に対応する位置設けられている。従って排出すべき第２流体は、複数の排出部２３から孔５２を通って第２接続部７１内側の空間で合流し、導出管接続部７３に導かれる。排出される第２流体は導出管により外部へ放出されるが、排出熱を回収する場合には、導管により接続することができる。
【００２８】
図８は、図６において斜視図で示した第１接続部６１の上面図であり、図６と同一部分には同一符号を付している。図１において説明した第１流体導入用膨大部１１への孔４５は、図８で本来は目視できないが、説明の都合上破線で示している。第１流体の流入部に接続する管接続部を６２で示す。線８は、矢印９の方向に見た断面の位置を示し、この断面図を図９に示している。
【００２９】
図９は、図６に示す第１接続部６１、図１の熱交換装置の本体部分、図４及び図５に示す封止部４１及び封止部４２の部分、及び図７に示す第２接続部を組み立てた状態における断面が示されており、この図により流体の流れと管の接続を説明する。第２流体は、第１接続部６１に設けた第２流体導入管６４から封止部４１の孔４３を通過して円柱状空間２１に導入され、多数の渦巻状第２流路を外周方向に通過し、外周端の第２流体排出用の膨大部から孔５２を通過して第２接続部７１に排出される。
【００３０】
他方、第１流体は、図示しない導管により第１流体の導入管６２に導入され、第１接続部６１の外周に設けた断面逆Ｕ字状のダクト６８により分配されて孔４５を通過し、第１流体導入用膨大部１１に供給される。第１流路を通過して内周側に移動する間に熱交換で加熱された第１流体は、渦巻状の第１流路の内周端に設けた導出用膨大部１２に排出される。ここから第１封止部４１の孔４４と第１接続部６１の開孔６７を通過し、第１流体の導出管６３に排出される。
【００３１】
図９に関連して、本発明の熱交換装置の同軸配管構造を説明したが、ガスタービン排気により燃焼用空気を加熱する実施例においては合理的で利点が期待できる。その理由は、高温の第２流体を供給する導入管が内側に位置し、外部環境に高温部が露出する危険を防止できるだけでなく、内側配管から輻射や伝導で熱が外側に漏れ出しても、第１流体を加熱する作用をするから熱交換に役立ち、支障を生じないからである。外側に配置した第１流体の排出管の温度はタービン排気より遙かに低いから、熱遮蔽が容易になることも利点の一つである。
【００３２】
ガスタービンの排熱により燃焼用圧縮空気を加熱する実施例においては、圧縮機による空気の圧縮比は３乃至４であり、圧縮空気の体積は圧縮比と反比例して小さくなっている。このため第１流路の流体通過面積は、第２流路の断面積より小さく設定することができる。図２の実施例で説明した流路の断面積を、流体の進行方向で変化させる技術を採用することも有効である。
【００３３】
上記の実施例においては、本発明の熱交換装置を気体間の熱交換に利用することとして説明したが、気体間の熱交換のみならず、気体と液体間、あるいは液体間の熱交換にも利用可能である。一例を挙げれば、温熱排水を利用した暖房用の空気の加熱、あるいは河川水による冷房用空気の冷却、等がある。しかし、蒸気が発生して圧力が高くなるような使用状態では、耐圧性を考慮するなど、流体の性質に応じて流体通路の構造を最適化することが必要である。
【００３４】
製造方法の一例として、２枚の薄い伝熱材料製の板１１１と１１２を所定の渦状に成形した後、狭い間隔で対向させ、端部に流体導入用あるいは導出用膨大部１１あるいは１２を気密に取り付ける。板１１１と１１２の間には、スペーサー兼ねた補強板を取り付けることができる。大型の熱交換装置においては、偏平の流体通路は、高速の流体が内部及び外周を流れ、力が加わるため、箱状部内に流体の流れを妨げない向きにリブを設けて補強することができる。
【００３５】
他の製法として、引き抜き等のパイプ量産製造手段を用いた断面が長方形あるいは楕円状の複数の管を所定の渦状に成形し、第１膨大部１１及び第２膨大部１２に鑞付け、ダイキャスティング等の手段で固着することにより製作する方法を用いることができる。管を並列に密着して配置すれば、リブを設けた箱状部と同様に高温排気の通路を形成することができる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明は、熱伝導性が良好な２枚の板を渦巻状に形成した第１の偏平流体通路とし、その間隙を第２の流路として、第１流体と第２の流体を相対する向きに流通させ、流体通路を構成する熱伝導性が高い板の広い面積の熱伝達面を通じて、一方の流体から他方の流体に熱を伝達させるから、熱伝達効率が良好な、高速、大量の高温ガスから熱交換により圧縮空気の高速流体を良好な効率で加熱することが可能な対向流型熱交換器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の熱交換装置の第１実施例を示す斜視図である。
【図２】本発明の熱交換装置の第２実施例を示す斜視図である。
【図３】本発明の熱交換装置の第３実施例を示す斜視図である。
【図４】本発明の第１の封止部の構造を示す図である。
【図５】本発明の第２の封止部の構造を示す図である。
【図６】第１接続部を示す斜視図である。
【図７】第２接続部を示す斜視図である。
【図８】第１接続部の上面図である。
【図９】熱交換装置の本体部、接続部、封止部、接続部の組立断面図である。
【符号の説明】
１  第１流路
２  第２流路
１１  第１流体導入用膨大部
１２  第１流体導出用膨大部
１３  外側筒状体
２１  円柱状空間
２２  第２流体流入口
２３  第２流体排出部
２４  第２流体導出用膨大部
４１、５１  封止部
６１  第１接続部
６２  第１流体導入管
６３  第１流体導出管
６４  第２流体導入管
６７  第１流体導出用開孔
６８  ダクト
７１  第２接続部
７３  第２流体導出管接続部
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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