JP4352504B2

JP4352504B2 - プレート・フィン型熱交換器

Info

Publication number: JP4352504B2
Application number: JP11358399A
Authority: JP
Inventors: 勝規伊藤; 隆良金田; 幸宏芳村
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1999-04-21
Filing date: 1999-04-21
Publication date: 2009-10-28
Anticipated expiration: 2019-04-21
Also published as: JP2000304487A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プレート・フィン型熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
伝熱面を矩形フィンとしたプレート・フィン型熱交換器としては、図８に示すように左右対称の形状を有するものと、図１６に示すように左右非対称の形状のものとがあるが、図８の左右対称のものは製造、組立てが容易である等の利点から多用されるようになってきている。
【０００３】
左右対称形状のプレート・フィン形熱交換器の一例を図８〜図１１を参照して説明すると、この熱交換器は、矩形形状を有する対向流部１の両側に斜流部２，３を備え、一方の斜流部２に斜流部２と直交する入口ヘッダ管４（図１０）を設け、他方の斜流部３に斜流部３と直交する出口ヘッダ管５を設け、低温流体６を入口ヘッダ管４から供給して出口ヘッダ管５から導出するようにし、高温流体７を斜流部２に対して側方から供給して斜流部３の側方から排出するようにした熱交換器本体８を形成している。
【０００４】
熱交換器本体８は、薄板からなる隔離板９と、薄板を折曲げて形成した低温側流路板（伝熱コア部）１０と、薄板を折曲げて形成した高温側流路板（伝熱コア部）１１とを順次複数段積層した構造を有しており、斜流部２，３では、一般的にストレートフィンが用いられ、低温流体６を流す低温側流路１２と高温流体７を流す高温側流路１３とが隔離板９を挟んで交差している。又、対向流部１では、低温側流路１２と高温側流路１３が、夫々の流体が対向して流れるように隔離板９を挟んで、平行に配置されている。図中４ａ，５ａは、隔離板９、低温側流路板１０、及び高温側流路板１１の夫々に形成したヘッダ管用開口である。
【０００５】
又、対向流部１には、低温側流路１２及び高温側流路１３をストレートフィンの形状とする他に、隔離板９を挟んで互い違いに通過する低温流体６と高温流体７の間の熱交換量を増加するために、図１２に示すように流体が分岐と合流を繰り返すように折曲げ部の位置をずらしたオフセットフィン１４の形状としたり、或いは図１３に示すように折曲げられたストレートフィンの流路内にツイストテープ（ねじり板）１５等の伝熱促進体を挿入して、伝熱面積を増大させることにより、熱交換効率を向上させたものがある。
【０００６】
隔離板９と、低温側流路板１０と、高温側流路板１１とは、ロウ付け用のロウ材を挟み込みつつ交互に複数積層し、その積層方向両端部には側板１７，１８をロウ材を挟んで積層し、こうした積層体を、ロウ付けに必要な圧力を積層方向にかけつつ、高温真空炉内にて加熱し、予め挟み込んだロウ材を溶解させて部材同志を接着し、側板１７，１８のヘッダ管用開口４ａ，５ａに、図１０に示すようにヘッダ管４，５をステー１９を介して接合することにより熱交換器本体８を構成している。
【０００７】
隔離板９同士は、図１０に示すように、周囲部及びヘッダ管４，５挿入のためのヘッダ管用開口４ａ，５ａの内周部を溶接にて接合し、各流路が隔離板９によって仕切られ、低温流体６と高温流体７とが互に混合しない構造となっている。
【０００８】
又、上記したようにストレートフィンの形式、図１２のようなオフセットフィン１４の形式、或いは図１３のようなツイストテープ１５等の伝熱促進体を挟み込む形式のプレート・フィン型熱交換器の他に、図１４に示すように、伝熱促進体に相当する波面２０を隔離板９に直接形成したプレート・フィン型熱交換器も実施されている。又、図８のように２つのヘッダ管用開口４ａ，５ａを備えた形式の他に、例えば図１４に示すように、４つのヘッダ管用開口４ａ，５ａ、４ｂ，５ｂを備えた形式のものもある。
【０００９】
熱交換器本体８を挟み込んで強度保証をする側板１７，１８は、熱交換器本体８の運転・停止時の加熱・冷却によって熱交換器本体８が積層方向に必要以上に伸縮しないように、側板１７，１８とヘッダ管４，５とをステー１９にて接合することによって強度を確保している。側板１７，１８の厚さは、外部からの衝撃に耐え、且つ外部ケーシング等に支持具を介して荷重を支持するために厚くすることもあるし、又、内部加熱による熱交換器本体８の伸縮に追従できるように薄いものとして、側板１７，１８と低温側流路板１０及び高温側流路板１１との伸縮量差が小さくなるように工夫したものもある。
【００１０】
又、図１６に示した左右非対称形状の熱交換器本体８は、図示するように、ヘッダ管用開口４ａ，５ａの径が異なった非対称形状を有している点が違うのみで、その他の構成は前記した左右対称形状の熱交換器本体と同様に構成されている。
【００１１】
図１７、図１８及び図１９、図２０は、上記したような熱交換器本体８を、ガスタービン設備等の熱機器の排ガスの熱回収のために用いた場合を示している。即ち、図１７〜図２０では、空気圧縮機２１で圧縮した加圧空気を入口ヘッダ管４から熱交換器本体８に導入して排ガスと熱交換を行わせ、高温となった加圧空気を出口ヘッダ管５から燃焼器２２に導いて燃料を添加することにより燃焼させ、燃焼によって生じた高温・高圧の排ガスを出力タービン２３に導いて仕事を行った後、排ガスを高温流体入口２４から熱交換器本体８に導いて前記加圧空気との熱交換を行うようにしている。
【００１２】
このように、ガスタービン設備等においては、出力タービン２３の排ガス出口部に直接熱交換器本体８を設置して、高温の排ガスを導入することが多い。特にガスタービン設備では、上記したように、排ガスの熱を回収し、燃焼器２２入口の空気温度を上げて、熱効率を高める手法が採られるが、出力タービン２３の特徴であるコンパクト性を活かすために、熱交換器本体８を出力タービン２３の下流直下に接続し、全体の占める空間を出来るだけ小さくしている。
【００１３】
上記熱交換器本体８をガスタービン設備等に設置する方法としては、図１７、図１８に示す方法と、図１９、図２０に示す方法とが用いられている。
【００１４】
図１７、図１８では、厚板で構成した側板１７，１８に固定金具２５を溶接等で固定し、その固定金具２５をケーシング２６の内面に固定したブラケット２７に連結することにより熱交換器本体８の荷重をケーシング２６に支持している。この方式は、側板１７，１８が溶接に耐えられる厚さである場合に、効率よく設置が可能である。
【００１５】
又、図１９、図２０では、ケーシング２６内における熱交換器本体８下側の高温流体入口２４の上部に、スリット２８を備えた支持具２９を一体に固定し、その支持具２９の上部に熱交換器本体８を設置することによって支持するようにしている。この方式は、側板１７，１８に大きな負荷がかからず、側板１７，１８を薄板によって形成できるので、側板１７，１８と低温側流路板１０及び高温側流路板１１との伸縮量差による応力の発生を抑制できる利点がある。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図１７、図１８に示した熱交換器は、熱交換器本体８の支持が比較的容易であるが、積層数が増加してくると熱交換器本体８の自重による撓みが発生し、特に、厚板の側板１７，１８と、薄板の低温側流路板１０及び高温側流路板１１との伸縮量差によって、側板１７，１８と、薄板の低温側流路板１０及び高温側流路板１１との接合部に応力が集中して剥離や亀裂が生じ易いという問題がある。
【００１７】
又、図１９、図２０に示した熱交換器は、熱交換器本体８を下部に設けた支持具２９によって支持するために、荷重を均等に分散して支持でき応力の発生を小さくすることができるものの、ケーシング２６に固定する支持具２９の構造が大がかりになり、そのために支持具２９が高温流体７の流れを塞ぐことになって、圧損が増加し、ガスタービン等主機の効率が低下するという問題がある。
【００１８】
本発明は、簡単な構成にて、熱交換器本体に応力の集中を生じさせることなく支持することができ、しかも熱交換高率を高く保持できるプレート・フィン型熱交換器を提供することを目的としているものである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、低温側流路板と高温側流路板とが隔離板を挟んで交互に積層されることにより対向流部と斜流部とが形成され且つその積層方向両外側に側板が備えられ、斜流部にヘッダ管用開口が形成された積層体を、ロウ付けにて一体に組み立てるようにしているプレート・フィン型熱交換器であって、隔離板の外辺部に、係止用凸部を予め一体に形成しておき、係止用凸部を、滑り機構を介して固定部材上に載置することにより熱交換器本体の重量を固定部材に支持したことを特徴とするプレート・フィン型熱交換器、に係るものである。
【００２０】
上記手段において、隔離板に形成する係止用凸部は、斜交流部に挟まれた対向流部の両端外側に突出するように形成することができる。
【００２１】
上記手段の作用を説明する。
【００２２】
本発明によれば、積層によって構成する形式の熱交換器において、高温流体と低温流体を分離しする隔離板に、予め係止用凸部を形成しておき、積層して一体化された熱交換器本体をケーシングの固定部材に設置することにより支持するようにしたので、熱交換器本体の自重を各係止用凸部で分散して支持することができ、よって従来の熱交換器本体を一部で支持する方式による応力の発生の問題を軽減でき、しかも従来のように高温流体の通過する流路を支持具で妨げることがないので、ガスタービン等主機の効率を維持することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態例について図を参照して説明する。
【００２４】
図１、図２は、左右対称形状の熱交換器に適用した本発明の一例を示したもので、図中、図８〜図１１と同一のものには同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００２５】
図１、図２に示すように、低温側流路板１０と高温側流路板１１との間に挟んで積層される隔離板９の外辺部に、外方に延長された係止用凸部３０を一体に形成する。隔離板９に形成する係止用凸部３０は、熱交換器本体３１に形成される斜流部２，３の挟まれた対向流部１の両端外側に張出すように形成する。
【００２６】
上記したように係止用凸部３０が備えられた隔離板９は、一枚の薄板から切り出すことができる。この場合の隔離板９の製造例を示すと、隔離板９としての必要な大きさよりも大きい形状に薄板を切断した後、必要に応じてプレス成形機を用いて流路を形成するためのエンボス３２（図１）を対向流部１の位置に形成する。
【００２７】
その後、適当な寸法に外周を切断して隔離板９とするが、その際に係止用凸部３０を切り残す。これにより、係止用凸部３０が予め一体に形成された隔離板９を製造することができる。
【００２８】
このようにして得た隔離板９は、図１０に示した従来の熱交換器と同様に、低温側流路板１０と高温側流路板１１との間に挟み込むようにして複数積層し、更に両外側に薄板の側板１７，１８を積層し、このようにした積層体をロウ付けにより一体化し、ヘッダ管用開口４ａ，５ａにヘッダ管４，５を取り付けることにより熱交換器本体３１を構成する。これにより、図１、図２に示すように、従来の図８、図９に示した熱交換器本体８に対して、係止用凸部３０が外側に張り出した形状の熱交換器本体３１が完成する。
【００２９】
上記係止用凸部３０を備えた熱交換器本体３１は、図１に示すように、ケーシング２６の内側に固定した固定金具状の固定部材３３上に、係止用凸部３０を介して載置することにより支持する。又、熱交換器本体８の係止用凸部３０を設ける端面は高温流体７が流れる流路の一部であり、該部の流路抵抗が熱交換器本体８内部の高温側流路１３の流路抵抗より小さいために、該部に高温流体７が多く流れてしまう問題を防止する必要がある。このため、ケーシング２６と熱交換器本体３１との隙間には、ベローズやグランドパッキン等のシール機構４２を設けて、流体のリークを防止する。尚、シール機構４２は、隙間の一部にのみ設けた場合を開示したが、隙間のすべてに亘って設けてもよい。
【００３０】
前記係止用凸部３０は、隔離板９の全てに施工し、この係止用凸部３０を介してケーシング２６の固定部材３３上に支持させることが最も自重を分散できて安定支持ができる点で好ましいが、係止用凸部３０の座屈荷重以下であるならば、係止用凸部３０を設ける隔離板９の数は任意に選定することができる。
【００３１】
次に、ケーシング２６の固定部材３３に対する熱交換器本体３１の設置方法について説明する。
【００３２】
図３では、熱交換器本体３１の係止用凸部３０を、ケーシング２６の固定部材３３上に単に載置するのみとしている。なお、この時、熱交換器本体３１が振動等によって横方向に自由に移動することがないようにするために、熱交換器本体３１とケーシング２６との間に、ダンパ等の緩衝材を配置することができる。図３の方法は、最も簡単・安価な方法である。
【００３３】
一方、図３において、固定部材３３上に載置した係止用凸部３０の下辺３０ａを、ロウ付け、溶接等にて固定部材３３に固定する方法がある。この方法は、熱交換器本体３１を曝す雰囲気が高温・高圧の場合、又は高積層の構造である場合には、積層方向への膨張量が無視できないものになる可能性があるために、それ以外の場合において適用する方法であり、耐震・耐振動・耐久力等において信頼性が高い方法である。
【００３４】
図４では、固定部材３３に、係止用凸部３０の間隔に対応したスリット３４を予め形成しておき、このスリット３４に係止用凸部３０を嵌合させて載置することにより固定する方法である。この方法は、熱交換器本体３１を曝す雰囲気が低温・低圧の場合に適用され、熱交換器本体３１の位置決めが簡単、安価にでき、熱交換器本体３１が振動等により横方向へ移動するのを防止できる。
【００３５】
図５では、係止用凸部３０の下辺に、係止用凸部３０の各々あるいは何枚かに亘ってガイド板３５を取付ける一方、固定部材３３の上面に、ガイド板３５を移動可能に支持するための滑り機構３６を設ける方法である。
【００３６】
図６は、滑り機構３６の一例を示したもので、コロ軸受の一種であるローラ３７を備えたローラガイド３８を設け、ローラガイド３８のローラ３７上にガイド板３５を載置する方法である。この方法は、熱交換器本体３１を曝す雰囲気が高温・高圧の場合に、熱交換器本体３１の伸縮量が大きくなっても、ローラガイド３８によって自由に変形を逃がすことができ、熱応力を生じさせない利点がある。このように、熱交換器本体３１が膨張・収縮を繰り返しても、その伸縮はローラガイド３８により吸収されるので、熱応力に起因する剥離、亀裂等の問題の発生を防ぐことができる。
【００３７】
図７は、滑り機構３６の他の例を示したもので、固定部材３３の上面に縁３９をつけて容器４０を形成し、その容器４０内に金属球、セラミック球、プラスチック球（低温の場合）等の球体４１を配置し、球体４１の上に前記ガイド板３５を載置する方法である。この方法では、熱交換器本体３１を曝す雰囲気が高温・高圧の場合に、熱交換器本体３１の伸縮量が大きくなっても、球体４１の転がりでその伸縮を逃がすことができ、熱応力を極力発生させないようにすることができる。熱交換器本体３１が膨張・収縮を繰り返しても、その伸縮は球体４１の移動に吸収されるので、熱応力に起因する剥離、亀裂等の問題を防止できる。更に、この球体４１を用いた方法は、図６のローラガイド３８に比べて構造が簡単で、平面移動に対応でき、熱によるコロ軸受の焼き付きの問題がないので信頼性が高い。
【００３８】
上記したように、隔離板９に設けた係止用凸部３０を介して熱交換器本体３１を固定部材３３に支持すると、平面形状が大きく自重が大きな熱交換器本体３１でも、隔離板９の枚数で自重を割った単位荷重のみが各隔離板９に作用するだけであり、よって従来の熱交換器本体８を両端から支持する方式のように、熱交換器本体８自体の撓みの発生、及び厚板の側板１７，１８を設けることによる伸縮量差・応力による剥離、亀裂の発生、変形といった問題の発生を低減することができる。
【００３９】
又、使用状態での高温・高圧によって熱交換器本体３１は伸びるが、特に積層方向について、従来の両端支持方法ではその両端を固定して熱膨張による変形を止めてしまうために内部応力が高まり、破壊に至る可能性があるが、前記したよう隔離板９に形成した係止用凸部３０を固定部材３３に載置して熱交換器本体３１を支持すると、熱交換器本体３１を支持するための構成を簡単にできる上に、固定部材３３と係止用凸部３０との間に滑り機構３６を採用すると、熱交換器本体３１の膨張に容易に追従することができて、内部応力の発生を抑制できる。
【００４０】
又、係止用凸部３０は、熱交換器本体３１の側方に張出して設けられているので、図１９、図２０に示した従来方式のように、支持具２９が高温流体入口２４を塞ぐことによって圧損が増加するという問題はなく、ガスタービン等主機の効率の低下を防止できる。
【００４１】
上記したように、係止用凸部３０を備えた隔離板９によって熱交換器本体３１の支持を行うようにした構成は、平板からプレス成形・切断して製作される薄板構造のプレート・フィン型熱交換器に特に有効である。
【００４２】
なお、本発明は図示した形態例にのみ限定されるものではなく、熱交換器本体の構成は、左右対称、左右非対称を含め、一般的なプレス成形隔離板を使用する積層形の種々の熱交換器に適用することができること、その他本発明の要旨を逸脱しない限り種々の変更を加え得ることは勿論である。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、積層によって構成される形式のプレート・フィン形熱交換器において、高温流体と低温流体を分離しする隔離板に、予め支持用の係止用凸部を形成しておき、積層して一体化された熱交換器本体を、係止用凸部を介してケーシングの固定部材上に設置するようにしたので、熱交換器本体の自重を各係止用凸部により分散して支持することができ、よって従来の熱交換器本体を一部で支持する方式のような応力の発生の問題を低減でき、しかも従来のように高温流体の通過する流路を支持具で妨げることがないので、主機効率の低下を防止する効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施する一形態例の正面図である。
【図２】図１の熱交換器本体を分解して部品の形状を示した斜視図である。
【図３】係止用凸部を固定部材に支持する方法の一例を示す斜視図である。
【図４】係止用凸部を固定部材に支持する方法の他の例を示す固定部材の斜視図である。
【図５】係止用凸部を固定部材に支持する方法の更に他の例を示す斜視図である。
【図６】図５の滑り機構の一例を示す斜視図である。
【図７】図５の滑り機構の他の例を示す斜視図である。
【図８】従来の左右対称形状の熱交換器本体の正面図である。
【図９】図８の熱交換器本体の斜視図である。
【図１０】図８の切断側面図である。
【図１１】図８の熱交換器本体を分解して部品の形状を示した斜視図である。
【図１２】オフセットフィンの一例を示す斜視図である。
【図１３】ツイストテープ等の伝熱促進体を備えた場合の斜視図である。
【図１４】４つのヘッダ管用開口を備えた形式の熱交換器本体の正面図である。
【図１５】図１４における隔離板の形状例を示した部分詳細図である。
【図１６】従来の左右非対称形状の熱交換器本体の正面図である。
【図１７】熱交換器本体をガスタービン設備に設置する従来方式の一例を示す側面図である。
【図１８】図１７のＸＶＩＩＩ方向矢視図である。
【図１９】熱交換器本体をガスタービン設備に設置する従来方式の他の例を示す側面図である。
【図２０】図１９のＸＸ方向矢視図である。
【符号の説明】
１対向流部
２斜流部
３斜流部
４ａ，５ａ、４ｂ，５ｂヘッダ管用開口
９隔離板
１０低温側流路板
１１高温側流路板
１７，１８側板
２６ケーシング
３０係止用凸部
３１熱交換器本体
３３固定部材
３６滑り機構

Claims

低温側流路板と高温側流路板とが隔離板を挟んで交互に積層されることにより対向流部と斜流部とが形成され且つその積層方向両外側に側板が備えられ、斜流部にヘッダ管用開口が形成された積層体を、ロウ付けにて一体に組み立てるようにしているプレート・フィン型熱交換器であって、隔離板の外辺部に、係止用凸部を予め一体に形成しておき、係止用凸部を、滑り機構を介して固定部材上に載置することにより熱交換器本体の重量を固定部材に支持したことを特徴とするプレート・フィン型熱交換器。
隔離板に形成する係止用凸部は、斜交流部に挟まれた対向流部の両端外側に突出するように形成されていることを特徴とする請求項１記載のプレート・フィン型熱交換器。