JP2002054887A - 高温用プレートフィン型熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 マイクロガスタービン発電装置における再生
用プレートフィン型熱交換器などに要求される、激しい
熱負荷の変動下で高熱交換効率と高耐久性を実現でき、
再生器の下流側で別途排熱回収する熱交換器のシリーズ
配置が可能で、量産性に優れた構成からなるプレートフ
ィン型熱交換器の提供。 【解決手段】 高温側通路内のフィン全体をろう付けす
ることなく、これを低温側通路毎に独立させ、フィンを
設けない箇所に小さなスペーサーバーを配置してコア組
立用エレメントを作製し、このエレメントをスペーサー
バー同士を例えばシール溶接して積層する構成となし、
筒状の高温流体用ダクト自体を熱交換器の容器として延
長して高温流体の上流側と下流側にそれぞれ別個の前記
プレートフィン型熱交換器あるいはチューブ型熱交換器
などを配置し、上流側をマイクロガスタービン発電装置
における再生器、下流側を水蒸気及び／又は温水発生器
として排熱回収する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、例えば燃焼排気
ガスと空気との熱交換を行う高温用プレートフィン型熱
交換器の改良に係り、低温の空気用通路の両チューブプ
レート面にフィンをろう付けしたエレメントをスペーサ
ーバーを介して積層配置した構成となし、筒状の高温流
体用ダクト自体を熱交換器の容器として利用して熱交換
器をシリーズ配置し、例えばマイクロガスタービン発電
装置の再生器並びに排熱回収器のごとき苛酷な使用条件
でも優れた耐久性と高熱交換効率を発揮する高温用プレ
ートフィン型熱交換器に関する。

【０００２】

【従来の技術】今日、非常用自家発電装置あるいは中小
規模の分散電源として、マイクロガスタービン発電装置
が見直されて実用化されている。ガスタービンは他の内
燃機関に比べて単純な構成で量産可能であり、また保守
点検が容易で、低ＮＯｘであることを特徴としている。

【０００３】次世代のマイクロガスタービン発電装置
は、トータルの発電効率を向上させるため、一般に一軸
式の再生サイクルガスタービンの構成を採用している。

【０００４】すなわち、圧縮機、タービン、発電機が一
軸に配置され、燃焼器からの燃焼ガスはタービンを回転
させた後、熱交換器で圧縮機を経た空気と熱交換を行
い、燃焼ガスエネルギーの損失を少しでも小さくして、
従来のディーゼルエンジンによる発電装置と同等以上の
熱変換効率となるよう工夫されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】一軸式の再生サイクル
ガスタービンの構成では、希薄燃焼による低ＮＯｘの実
現と、熱交換器にプレートフィン型を使用して熱交換効
率を９０％程度に高めることが行われている。

【０００６】一方、マイクロガスタービン発電装置は、
非常用の場合はもちろん分散電源としての用途から、始
動停止の繰り返しが多いばかりか、始動直後の運転立ち
上がりを良好にして直ちに良質な電力を供給することが
求められる。

【０００７】従って、燃焼ガスと圧縮空気の熱交換に使
用されるプレートフィン型熱交換器には、優れた熱交換
効率を実現し、急激な入熱、特に流体通路内の不均一な
温度分布と、激しい熱負荷の変動に耐えるだけの耐久性
を保有しながら先の熱交換効率を維持することが要求さ
れる。

【０００８】この発明は、マイクロガスタービン発電装
置における再生用プレートフィン型熱交換器などに要求
される上記性能、すなわち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、かつ再生器の下
流側で別途排熱回収が可能となるように熱交換器のシリ
ーズ配置が可能で、さらに量産性に優れた構成からなる
プレートフィン型熱交換器の提供を目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】先に発明者らは、プレー
トフィン型熱交換器において、例えば高温の燃焼ガスが
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る構成について種々検討した結
果、通常は高温側通路内のフィンを全て低温側通路にろ
う付けするが、図４に示すごとく、高温側通路内のフィ
ン全体をろう付けすることなく、これを低温側通路毎に
独立させることにより、熱応力を緩和して耐久性が著し
く向上する他、部品のエレメント化が可能でかつろう付
け工程が減少して量産性が向上することを知見した。

【００１０】また発明者らは、製造容易な構成について
種々検討した結果、図２に示すごとく、高温側通路内の
フィンを小さくして低温側通路側に固着し、フィンを設
けない箇所に小さなスペーサーバーを配置してコア組立
用エレメントを作製し、このエレメントをスペーサーバ
ー同士を例えばシール溶接して積層することにより組立
てが極めて容易になることを知見した。

【００１１】さらに発明者らは、筒状の高温流体用ダク
ト自体を熱交換器の容器として前述の構成からなるプレ
ートフィン型熱交換器において、高温流体用ダクトを延
長して高温流体の上流側と下流側にそれぞれ別個の前記
プレートフィン型熱交換器あるいはチューブ型熱交換器
などを配置することにより、例えば、上流側をマイクロ
ガスタービン発電装置における再生器とし、下流側を水
蒸気及び／又は温水発生器として排熱回収が可能で、極
めて熱回収効率のよい熱交換システムを構築できること
を知見し、この発明を完成した。

【００１２】すなわち、この発明は、筒状の高温流体用
ダクト自体を熱交換器の容器とし、低温流体用通路を形
成する一対のチューブプレートの少なくとも一方に高温
流体用通路を形成するフィン、あるいはさらにスペーサ
ーバーが固着されたコア組立用エレメントを用いて、低
温流体用通路毎に独立して低温流体用通路と高温流体用
通路とが積層配置されてコアを形成した高温用プレート
フィン型熱交換器において、該ダクト内の当該熱交換器
の下流側に、さらに高温流体と熱交換を行う１機以上の
別の熱交換器を配置したことを特徴とする高温用プレー
トフィン型熱交換器である。

【００１３】また、この発明は、上記構成において、下
流側の熱交換器が、２機以上でシリーズ又はパラレル配
置、さらにはシリーズでかつパラレル配置された構成、
下流側の熱交換器が、上流側と同様の低温流体用通路毎
に独立して低温流体用通路と高温流体用通路とが積層配
置されてコアを形成した構成、上流側又は下流側、ある
いは全ての熱交換器が、該ダクトの側面に低温流体用導
入出口を設けて向流型を形成した構成、低温流体用通路
内のディストリビュータ部を除く主要フィン部に対向す
る位置にのみ高温流体用通路のフィンを配置し、かつ少
なくともフィンを配置しない箇所にスペーサーバーを配
置した構成、複数の組立用エレメントをスペーサーバー
部でろう付け又は溶接にて積層固着したユニットを複
数、分割可能に組み込みコアを形成した構成、を併せて
提案する。

【００１４】

【発明の実施の形態】この発明による高温用プレートフ
ィン型熱交換器の構成例を図面に基づいて説明する。こ
こでは高温流体Ｈと低温流体が向流で熱交換する場合を
示す。図１Ａに示すように、長尺筒状の熱交換器１のコ
ア２に対して高温流体Ｈが図の手前から奥へ通過し、熱
交換器１の高温流体Ｈの上流側が前段熱交換器１ａ、下
流側が後段熱交換器１ｂで、前後２段の熱交換が行われ
る。

【００１５】また、後段熱交換器１ｂは、ここでは上側
と下側で別個の熱交換器１ｂ１，１ｂ２を構成してい
る。さらに、図において、後段熱交換器１ｂの大きさを
前段熱交換器１ａと同様長さで表示しているが、熱交換
器の仕様や要求性能に応じて小さく、あるいは大きくす
るなど、適宜選定できることは言うまでもないことであ
る。

【００１６】熱交換器１の上流側に位置する前段熱交換
器１ａは、手前から奥へ流れる高温排気ガス等の高温流
体Ｈに対して、空気からなる低温流体Ｌは前段熱交換器
１ａの奥側面より流入して手前側の側面より流出する構
成である。

【００１７】前段熱交換器１ａのコア２は、容器３内に
高温流体通路４と低温流体通路５が交互に積層配置され
た構成からなる。低温流体通路５は、図２Ａ及び図３に
示すごとく、２枚のチューブプレート５ａ，５ａ間にコ
ルゲーションフィン５ｇを挟み、外周部をスペーサーバ
ー５ｃで閉塞するようにこれらの部材をろう付け一体化
する通路構成である。

【００１８】また、一方端面側のスペーサーバー５ｄを
短くして流体入口６と出口７を形成し、流体のディスト
リビュータ部５ｅ，５ｆに三角形のフィンを配置して分
配通路を形成してある。

【００１９】さらに、低温流体通路５の２枚のチューブ
プレート５ａ，５ａの外面には、それぞれコルゲーショ
ンフィン４ａ，４ａがろう付けしてある。ここでは、低
温流体通路５内のディストリビュータ部５ｅ，５ｆを除
く、フィン主要部５ｇとの対向位置にコルゲーションフ
ィン４ａ，４ａを配置し、主にディストリビュータ部５
ｅ，５ｆとの相対位置の端部となる４か所に短いスペー
サーバー４ｂをそれぞれ固着してある。

【００２０】上述の構成からなる低温流体通路５を主体
とするコア組立用のエレメントを用い、前段熱交換器１
ａのコア２を内蔵する容器３内に前記低温流体通路５
が、上下で当接するスペーサーバー４ｂにより所定間隔
で積層配置することができ、この上下に位置する低温流
体通路５，５に設けられて対向するコルゲーションフィ
ン４ａ，４ａにて高温流体通路４を形成している。ここ
では、図の右側面のスペーサーバー４ｂ同士をシール溶
接してあり、図の左側のスペーサーバー４ｂは固着して
いない。

【００２１】また、低温流体通路５の流体入口６と出口
７側を箱型の容器３の図の右側面にのみ固着して片持ち
支持させてあり、図の左側のスペーサーバー４ｂ側は固
着することなく、さらに容器３内に前記低温流体通路５
をコルゲーションフィン４ａ，４ｂ同士が当接しない間
隔で配列してある。なお、前記の容器３の流体入口６と
出口７には図示しないヘッダータンクが固着配置され
る。

【００２２】以上の構成からなる前段熱交換器１ａにお
いて、例えば、高温流体Ｈが急激に流入して来た場合、
容器３の高温流体通路４入口側が急激に加熱される。こ
こで高温流体通路４は、低温流体通路５の外面の中央部
に設けたコルゲーションフィン４ａ，４ａで構成され、
これらは高温流体通路４内で拘束されておらず、急激に
加熱されても熱応力を蓄積することなく、低温流体通路
５内に高温流体Ｈの熱を効率よく伝導できる。

【００２３】また、低温流体通路５内では、ディストリ
ビュータ部５ｅから流入する低温流体Ｌが偏流すること
なく高温流体Ｈと向流で熱交換し、ディストリビュータ
部５ｆを経て流体出口７より高温に加熱されて流出する
ことができる。この際、前記のごとく高温流体通路４の
コルゲーションフィン４ａ，４ａはディストリビュータ
部５ｅ，５ｆの相対位置にはなく、高温に晒されても熱
応力を低温流体通路５に蓄積することなく、また低温流
体通路５自体の急激な加熱も片持ち支持された構造のた
め熱応力を蓄積することがない。

【００２４】後段熱交換器１ｂは、基本的に上述の前段
熱交換器１ａと同等構成からなり、さらに上側と下側で
別個の熱交換器１ｂ１，１ｂ２を構成している。すなわ
ち、上述した図２の構成の高温用プレートフィン型熱交
換器を容器３を共通にして高温流体方向にシリーズ接続
して上流側の前段熱交換器１ａと下流側の後段熱交換器
１ｂとなし、さらに後段熱交換器１ｂの流体の入出口を
上下に分割して別流体の導入出を可能にし、上側と下側
で別個の熱交換器１ｂ１，１ｂ２を構成している。

【００２５】後段熱交換器１ｂの上側熱交換器１ｂ１に
は、例えば、低温流体Ｌ１として水を多量に導入して所
要温度の温水を取り出すことができ、また下側熱交換器
１ｂ２、低温流体Ｌ２として少量の水を導入して水蒸気
として取り出すことができる。

【００２６】後段熱交換器１ｂは、図４に示す片持ち構
造を用いて、図１Ｂに示すように容器３幅方向を２分割
して、容器３の両側面部にそれぞれ支持させた右側交換
器と左側熱交換器の別個の熱交換器に構成して、それぞ
れ異種の低温流体Ｌ１、低温流体Ｌ２を導入出させるこ
とができる。

【００２７】さらには、容器３の下流端に切替え可能な
出口ダンパー８を設けて高温流体Ｈが通過する熱交換器
を選択できる構成にすることが可能で、前記の例では、
温水か水蒸気のいずれかを選択的に取り出すことができ
る。

【００２８】後段熱交換器１ｂは、上記のいずれの構成
を採用しても高温に晒されても熱応力を低温流体通路５
に蓄積することなく、また低温流体通路５自体の急激な
加熱も片持ち支持された構造のため熱応力を蓄積するこ
とがない。

【００２９】後段熱交換器１ｂは、上下に２分割の１段
の熱交換器の他、さらに数段シリーズで配置することも
可能である。従って、高温流体の温度を所定温度に低下
するまで複数回の熱交換を行うことができる。

【００３０】以上の例では、後段熱交換器１ｂに前段と
同様の片持ち構造のプレートフィン型熱交換器を用いた
例を説明したが、さらに、要求される性能や仕様に応じ
て従来の構成からなるプレートフィン型熱交換器やチュ
ーブ型熱交換器などの種々構成の熱交換器を選定し、当
該容器３を共通にして適宜配置することができる。

【００３１】

【実施例】マイクロガスタービン発電装置の再生器とし
て、図２、図３の構成からなる高温用プレートフィン型
熱交換器を採用した。さらに、再生器を通過した燃焼排
ガスと熱交換を行うためのボイラーとして図２、図３の
構成からなる高温用プレートフィン型熱交換器を採用
し、図１Ａに示すごとき前段に再生器、後段にボイラー
を配置した構成を採用した。

【００３２】なお、後段のボイラーの構成には、流体の
導入出口を上下に分割してヘッダータンクを装着し、導
入する水量を変えて温水又は水蒸気を得ることができる
ようにした。

【００３３】燃焼排ガス用ダクトにこの熱交換器の容器
入口を直接嵌め込むように寸法形状を設定構成すること
により、フランジなどが不要になり、かつ燃焼排ガスの
圧力損失を最小にすることができた。

【００３４】燃焼排ガス温度は、８００℃と９００℃の
２種を設定し、これと圧縮吸気（０．４ＭＰａ）との熱
交換を行ったところ、いずれの場合も再生器において、
９０％の熱交換効率を得ることができた。さらに後段の
ボイラーで熱回収を行い、燃焼排ガス温度は常温に近い
温度まで下げることができた。

【００３５】なお、熱交換器の材料には、排ガス温度が
８００℃の場合は、オーステナイト系ステンレス鋼、９
００℃の場合は、５ｗｔ％Ａｌ含有のステンレス鋼を用
いた。

【００３６】また、室温まで冷却している装置に始動を
行い、所定時間後に所定温度まで冷却し、再度起動する
耐久性の加速試験を行ったところ、燃焼排ガスの圧力損
失、圧縮吸気圧、熱交換効率のいずれも変動することな
く、熱交換器の各部の剥離、クラックも発生しなかっ
た。

【００３７】

【発明の効果】この発明による高温用プレートフィン型
熱交換器は、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、マイクロガスタービン発電装置における再生用プレ
ートフィン型熱交換器などに要求される、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、
かつ実施例に示すごとくユニット化でき、ろう付け工程
が削減でき、量産性に優れた構成からなる。

【００３８】さらに、この発明の熱交換器の構成は、低
温流体通路毎に独立させるため、例えば前記構成例で圧
縮空気の他、水を導入すると水蒸気が得られるなど、多
流体型熱交換器とすることが可能である。また、前記構
成例では、低温流体通路毎に独立しており、容器の側面
に片持ち支持させているため、低温流体通路のいずれか
に問題が生じた場合に、容易に閉塞するか、あるいは交
換が可能であり、メンテナンスの上でも有利である。

【００３９】特に、実施例の構成は、低温流体通路を主
体とする組立用ユニットが矩形板を基本形状として何ら
の成形加工もなく、これを積層配置するのみで組立が容
易であり、また必要なわずかな箇所をろう付けや溶接で
接合するだけで組立られる利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ａはこの発明による高温用プレートフィン型熱
交換器の構成例を示す斜視説明図であり、Ｂは後段熱交
換器の他の構成例を示す説明図である。

【図２】Ａはこの発明による前段高温用プレートフィン
型熱交換器のコアの一例を示す斜視説明図であり、Ｂは
前段高温用プレートフィン型熱交換器の一例を示す斜視
説明図である。

【図３】Ａは低温流体通路を主体とする組立用ユニット
の中央部断面説明図、Ｂは組立用ユニットの低温流体通
路内を見た説明図、Ｃは組立用ユニットの上面を示す説
明図である。

【図４】Ａはこの発明による前段高温用プレートフィン
型熱交換器の一例を示す斜視説明図であり、Ｂは低温流
体通路の外観を示す斜視説明図であり、フィンは一部の
み図示している。

【符号の説明】

１ 熱交換器 １ａ 前段熱交換器 １ｂ 後段熱交換器 １ｂ１，１ｂ２ 熱交換器 ２ コア ３ 容器 ４ 高温流体通路 ４ａ，５ｇ コルゲーションフィン ４ｂ，５ｂ，５ｃ，５ｄ スペーサーバー ５ 低温流体通路 ５ａ，５ａ チューブプレート ５ｅ，５ｆ ディストリビュータ部 ６ 流体入口 ７ 出口 ８ 出口ダンパー Ｈ 高温流体 Ｌ，Ｌ１，Ｌ２ 低温流体

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１２年１２月１日（２０００．１２．
１）

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

フロントページの続き (72)発明者 江田 隆志 兵庫県尼崎市扶桑町１番10号 住友精密工 業株式会社内 Ｆターム(参考） 3L103 AA01 AA06 AA27 AA37 BB05 BB17 CC24 CC27 DD15 DD22 DD54 DD62

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 筒状の高温流体用ダクト自体を熱交換器
   の容器とし、低温流体用通路を形成する一対のチューブ
   プレートの少なくとも一方に高温流体用通路を形成する
   フィン、あるいはさらにスペーサーバーが固着されたコ
   ア組立用エレメントを用いて、低温流体用通路毎に独立
   して低温流体用通路と高温流体用通路とが積層配置され
   てコアを形成した高温用プレートフィン型熱交換器にお
   いて、該ダクト内の当該熱交換器の下流側に、さらに高
   温流体と熱交換を行う１機以上の別の熱交換器を配置し
   た高温用プレートフィン型熱交換器。
2. 【請求項２】 下流側の熱交換器が、２機以上でシリー
   ズ又はパラレル配置、さらにはシリーズでかつパラレル
   配置された請求項１に記載の高温用プレートフィン型熱
   交換器。
3. 【請求項３】 下流側の熱交換器が、上流側と同様の低
   温流体用通路毎に独立して低温流体用通路と高温流体用
   通路とが積層配置されてコアを形成したプレートフィン
   型構成である請求項１に記載の高温用プレートフィン型
   熱交換器。
4. 【請求項４】 上流側又は下流側、あるいは全ての熱交
   換器が、該ダクトの側面に低温流体用導入出口を設けて
   向流型を形成している請求項１に記載の高温用プレート
   フィン型熱交換器。
5. 【請求項５】 低温流体用通路内のディストリビュータ
   部を除く主要フィン部に対向する位置にのみ高温流体用
   通路のフィンを配置し、かつ少なくともフィンを配置し
   ない箇所にスペーサーバーを配置する請求項３に記載の
   高温用プレートフィン型熱交換器。
6. 【請求項６】 複数の組立用エレメントをスペーサーバ
   ー部でろう付け又は溶接にて積層固着したユニットを複
   数、分割可能に組み込みコアを形成した請求項３又は請
   求項５に記載の高温用プレートフィン型熱交換器。