JP2003240471A

JP2003240471A - チューブプレート型熱交換器

Info

Publication number: JP2003240471A
Application number: JP2002034623A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kitamura; 剛北村; Kenichiro Takeishi; 賢一郎武石; Masaaki Matsuura; 正昭松浦
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-02-12
Filing date: 2002-02-12
Publication date: 2003-08-27

Abstract

(57)【要約】【課題】ろう付けをしないで構築可能で剛性も確保で
きるチューブプレート型熱交換器を提供こと。【解決手段】プレート２は、ヘッダー間に配置され、
上下方向に複数段設けられる板材である。各プレート２
の間には、上下方向に一定の高さを有する空間が形成さ
れる。チューブ３は、各プレート２に挟まれるように設
けられる。また同図に示すように、チューブ３は、水平
方向に一定間隔をあけて複数配置される。そして、ヘッ
ダーに入出する高圧側の流体が当該チューブ３内部を一
方向に流通する。側壁４は、内側に溝５を形成し、プレ
ート２を嵌合させて組み合わせる。プレート２の長さ
は、チューブ３の長さよりも短くてもチューブ３を挟み
込むことができ、プレート３からはみ出したチューブに
はヘッダーからの熱交換対象の流体が吹き込み、熱交換
が可能となる。その後、当該流体はプレート２とチュー
ブ３の間にも流れ込み、そこにおいても熱交換が可能と
なる。

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、チューブプレー
ト型熱交換器に関し、更に詳しくは、ろう付けをしない
で構築可能で剛性も確保でき、プレートフィン型熱交換
器に代替可能なチューブプレート型熱交換器に関する。

【０００２】

【従来の技術】図８は、従来のプレートフィン型熱交換
器を示す外観図である。プレートフィン型熱交換器は、
その熱効率が良いことや構造がコンパクトであることな
どからガスタービンプラントの再生器など様々な用途に
利用される。従来のプレートフィン型熱交換器７１は、
平板のプレート７２間にコルゲートフィン７３をはさん
だ構成である。プレート７２の端部には、サイドバー７
４が挟み込まれ、流体通路が閉塞されると共に、複数段
重ねて熱交換器を構成するための剛性確保を担ってい
る。

【０００３】熱交換の対象となる２以上の流体は、上下
方向に積層された各段のそれぞれに別々に流され、流体
からコルゲートフィン７３およびプレート７２に伝わる
熱伝達を経て熱交換を行う。プレートフィン型熱交換器
は、その製造に際して通常プレート７２とコルゲートフ
ィン７３間、およびプレート７２とサイドバー７４間と
でろう付けが行われ一体化される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のプレートフィン熱交換器は、アルミ合金やステンレ
ス材をコルゲートフィン独特の形状に成形することや、
ろう付けに費用がかさむという問題点があった。また、
プレート７２やコルゲートフィン７３を積層するために
は、直接熱伝達に関係のないサイドバー７４が構造上不
可欠となっていた。

【０００５】そこで、この発明は、上記に鑑みてなされ
たものであって、ろう付けをしないで構築可能で剛性も
確保でき、プレートフィン型熱交換器に代替可能なチュ
ーブプレート型熱交換器を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、請求項１に係るチューブプレート型熱交換器は、
両端のヘッダー間に配置されると共に上下方向に複数段
設けられる板材であって、当該段間には上下方向に一定
の高さを有する空間を形成するプレートと、前記空間の
上下方向高さと同径の外径を有し、前記ヘッダー間を前
記プレート間で連通する管材であって、熱交換する流体
のうち高圧側の流体が流通するチューブとを有し、さら
に前記チューブは、前記プレート間において水平方向に
間隔をあけて複数配置されるようにしたものである。

【０００７】一般に熱交換器の両端にはヘッダーと呼ば
れる流体導入・導出部が設けられる。チューブは、この
ヘッダー間を連通する間に内部を流通する流体に熱交換
を行わせるものである。当該チューブは、上下方向に数
段設けられるプレートに挟まれるように、横方向に間隔
をあけて複数配置される。この間隔には、チューブ内部
に流通する流体の熱交換対象となる流体が流される。こ
のように、当該熱交換器はプレートとチューブとの組み
合わせで、ろう付けを要せず構成でき、効率よく熱交換
が可能になる。

【０００８】また、請求項２にかかるチューブプレート
型熱交換器は、請求項１にかかるチューブプレート型熱
交換器において、前記チューブが、断面形状が偶数の角
数を有する多角形としたものである。

【０００９】チューブの断面形状が偶数の角数を有する
多角形であると、円形である場合に比べて側面の面積が
大きくなる。したがって、熱伝達する面積が大きくなる
ので、より効率よく熱交換がおこなえる。また、偶数の
角数を有する多角形は、必ず対向する面が存在し、その
面がプレートに挟まれるように接触するので、伝熱効果
も向上する。

【００１０】また、請求項３にかかるチューブプレート
型熱交換器は、請求項１または２にかかるチューブプレ
ート型熱交換器において、前記チューブは、断面形状を
四角形としたものである。

【００１１】チューブの断面が四角形であれば、プレー
トに接する面を大きくとることができる。これにより、
チューブからプレートへの伝熱効果を向上させることが
できる。また。プレート間におけるチューブのすわりも
よくなる。なお、ここにいう四角形とは、四つの側面を
有し、角部にできる小径丸みを有するものも含む。

【００１２】また、請求項４にかかるチューブプレート
型熱交換器は、請求項１〜３にかかるチューブプレート
型熱交換器において、前記チューブは、前記プレートに
接さない側面にディンプルを施したものである。

【００１３】各プレート間では、水平方向に一定間隔を
あけてチューブが配設され、各チューブの側面と側面の
間には熱交換対象の流体が流通する。チューブのプレー
トに接さない側面にディンプルが施されると、流体の流
れがその部分で乱れ、結果的に熱伝達が促進される。

【００１４】また、請求項５にかかるチューブプレート
型熱交換器は、請求項１〜４にかかるチューブプレート
型熱交換器において、前記チューブは、前記ヘッダー間
を蛇行しつつ連通するようにしたものである。

【００１５】チューブが蛇行すると、内部を流通する流
体の進行方向に対して垂直方向に二次流が発生する。こ
れは流体塊に遠心力が作用することによって起きる現象
である。また流路凹面付近では、遠心力によるゲルトラ
ー渦も発生する。これらの二次流れは熱伝達を促進させ
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、この発明につき図面を参照
しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこ
の発明が限定されるものではない。また、この実施の形
態の構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、
或いは実質的に同一のものを含む。

【００１７】図１は、この発明の実施の形態にかかるチ
ューブプレート型熱交換器を示す構成図である。このチ
ューブプレート型熱交換器１は、プレート２、チューブ
３，側壁４とで構成される。一般に熱交換器は、その両
端にヘッダーと呼ばれる流体導入・導出タンク（図示省
略）が設けられる。プレート２は、そのヘッダー間に配
置され、上下方向に複数段設けられる板材である。各プ
レート２の間には、上下方向に一定の高さを有する空間
が形成される。

【００１８】チューブ３は、上記空間の上下方向高さと
同径の外径を有する管材であって、ヘッダー間を連通す
る。つまり、チューブ３は、各プレート２に挟まれるよ
うに設けられる。また同図に示すように、チューブ３
は、水平方向に一定間隔をあけて複数配置される。そし
て、ヘッダーに入出する高圧側の流体が当該チューブ３
内部を一方向に流通する。なお、プレート２に挟まれた
チューブ３のすわりをよくするためには、プレート２の
一部をコーキングしてもよいし、浅い溝を形成して、そ
こにチューブ３を嵌合するようにしてもよい。

【００１９】側壁４は、内側に溝５を形成し、プレート
２を嵌合させて組み合わされる。プレート２の長さは、
チューブ３の長さよりも短くてもチューブ３を挟み込む
ことができ、プレート３からはみ出したチューブにはヘ
ッダーからの熱交換対象の流体が吹き込み、熱交換が可
能となる。その後、当該流体はプレート２とチューブ３
の間にも流れ込み、そこにおいても熱交換が可能とな
る。

【００２０】図２は、チューブプレート型熱交換器の全
体を示す断面図である。熱交換する流体（ここでは流体
Ａと流体Ｂとする。）のうち、高圧側の流体Ａは、矢印
１１のようにヘッダー１２から流れ込み、チューブ３内
部を流通した後、矢印１３のように反対側のヘッダー１
４に流れる。流体Ｂは、ヘッダー１４上部（紙面では手
前方向）から矢印１５のようにヘッダー１４とチューブ
３の結合部に流れ、その後プレート２とチューブ３の側
面間で形成される空間に流れこむ。そして、プレート２
をくぐり抜けた流体Ｂは再びヘッダー１２上部に矢印１
６のように流れ出す。

【００２１】図３は、チューブとプレートの配列を示す
断面図である。同図に示すように、チューブ３は、プレ
ート２に挟まれるように上下方向に複数段積層される。
同図では、チューブ３の中心を結ぶ図形が四角形２１の
連続となる配列であるが、上記流体Ｂの圧損やチューブ
の径を考慮にいれて当該図形が三角形が連続となる、い
わゆる千鳥配列としてもよい。

【００２２】また。大型ガスタービンプラントの再生器
に用いる場合等、上記流体Ａの圧力が大きい場合はチュ
ーブ３の肉厚を適当に選定してやれば、高圧にも容易に
対応可能なチューブ３となる。さらに、プレート２に干
渉しないようにチューブ３外側表面から径方向にフィン
を突出させれば、さらに熱交換効率を向上させることが
できる。

【００２３】このように、この発明の実施の形態にかか
るチューブプレート型熱交換器によれば、プレートとチ
ューブとの組み合わせで、ろう付けを要せず構成でき、
効率よく熱交換が可能になる。コルゲートフィンの成形
や、ろう付け作業が不要になれば、従来のプレートフィ
ン型熱交換器よりも製作コスト全体で２０％〜３０％の
コストダウンが可能となる。また、ろう付けを要しない
ことから、熱交換対象の流体とろう材とが反応して炭素
などが析出し、流体通路を閉塞させる心配もない。

【００２４】また。このチューブプレート型熱交換器
は、チューブ自体の剛性により、高圧流体にも対応可能
となるだけでなく、積層が可能となるという優れた性能
を持ち合わせる。

【００２５】（変形例１）図４は、実施の形態にかかる
チューブプレート型熱交換器の変形例を示す断面図であ
る。この変形例では、チューブ３１の断面形状が八角形
である点に特徴があるが、これに限らず断面形状が偶数
の角数を有する多角形であればよい。このように、チュ
ーブ３１の断面形状を選択すると、円形である場合に比
べて側面の面積が大きくなる。したがって、一次伝熱面
の面積が大きくなるので、より効率よく熱交換がおこな
える。また、偶数の角数を有する多角形は、必ず対向す
る面が存在し、その面がプレート３２に挟まれるように
接触するので、チューブ３１からプレート３２への伝熱
効果も向上する。

【００２６】（変形例２）図５は、実施の形態にかかる
チューブプレート型熱交換器の変形例を示す断面図であ
る。この変形例では、チューブ４１の断面形状が四角形
である点に特徴がある。すなわち、断面形状が四角形で
あるから上記変形例１のような断面形状が偶数の角数を
有する多角形に属するが、プレート４２に接する面を最
も大きくとることができるという特徴がある。これによ
り、チューブ４１からプレート４２への伝熱効果を向上
させることができる。また、プレート４２間におけるチ
ューブ４１のすわりもよくなる。なお、ここにいう四角
形とは、四つの側面を有し、角部にできる小径丸みを有
するものも含む。

【００２７】（変形例３）図６は、実施の形態にかかる
チューブプレート型熱交換器の変形例を示す断面図であ
る。各プレート５１の間では、水平方向に一定間隔をあ
けてチューブ５２が配設され、各チューブ５２の側面と
側面の間には熱交換対象の流体が流通することは既に述
べた。この変形例では、チューブ５２のプレート５１に
接さない側面にディンプル５３が施される。このように
すると、流れの乱れが促進され、それに従ってヌッセル
ト数も上がる。したがって、ディンプル５３を施さない
場合に比べて熱伝達が促進される。

【００２８】（変形例４）図７は、チューブプレート型
熱交換器の全体を示す断面図である。この変形例では、
チューブ６１が、ヘッダー６２、６３間を蛇行しつつ連
通する。チューブが蛇行すると、内部を流通する流体の
進行方向に対して垂直方向に二次流が発生する。これは
流体塊に遠心力が作用することによって起きる現象であ
る。また、流路凹面付近では遠心力によるゲルトラー渦
が発生する。これらの二次流れは熱伝達を促進させる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、この発明にかかる
チューブプレート型熱交換器（請求項１）によれば、プ
レートとチューブとの組み合わせで、ろう付けを要せず
構成でき、効率よく熱交換が可能になる。ろう付けが不
要になると、熱交換器全体にかかる製作コストも大きく
削減できる。また、チューブは高圧流体に対して剛性が
高く、チューブの厚肉を選定すれば高圧流体にも容易に
対応可能となる。さらにチューブ自体がプレートを支持
する構造なので、サイドバー等が不要となる。

【００３０】また、この発明にかかるチューブプレート
型熱交換器（請求項２）によれば、請求項１にかかる発
明の効果に加えて、伝熱面が大きくなることで、より効
率よく熱交換がおこなえる。また、偶数の角数を有する
多角形は、必ず対向する面が存在し、その面がプレート
に挟まれるように接触するので、伝熱効果も向上する。

【００３１】また、この発明にかかるチューブプレート
型熱交換器（請求項３）によれば、請求項１または２に
かかる発明の効果に加えて、伝熱面が大きくなること
で、より効率よく熱交換がおこなえる。また、ろう付け
を行わなくてもプレート間におけるチューブのすわりが
よくなる。

【００３２】また、この発明にかかるチューブプレート
型熱交換器（請求項４）によれば、請求項１〜３にかか
る発明の効果に加えて、チューブ側面のディンプルによ
って熱伝達が促進される。

【００３３】また、この発明にかかるチューブプレート
型熱交換器（請求項５）によれば、請求項１〜４にかか
る発明の効果に加えて、チューブ内部の流体とチューブ
側面間の流体とに二次流が生じることにより、熱伝達が
促進されるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明のチューブプレート型熱交換器を示す
構成図である。

【図２】チューブプレート型熱交換器の全体を示す断面
図である。

【図３】チューブとプレートの配列を示す断面図であ
る。

【図４】チューブプレート型熱交換器の変形例を示す断
面図である。

【図５】チューブプレート型熱交換器の変形例を示す断
面図である。

【図６】チューブプレート型熱交換器の変形例を示す断
面図である。

【図７】チューブプレート型熱交換器の全体を示す断面
図である。

【図８】従来のプレートフィン型熱交換器を示す外観図
である。

【符号の説明】

２、３２、４２、５１プレート３、３１、４１、５２チューブ４側壁５３ディンプル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ２８Ｆ 1/08 Ｆ２８Ｆ 1/08 (72)発明者松浦正昭兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号三菱重工業株式会社高砂研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】両端のヘッダー間に配置されると共に上
下方向に複数段設けられる板材であって、当該段間には
上下方向に一定の高さを有する空間を形成するプレート
と、前記空間の上下方向高さと同径の外径を有し、前記ヘッ
ダー間を前記プレート間で連通する管材であって、熱交
換する流体のうち高圧側の流体が流通するチューブと、を有し、さらに前記チューブは、前記プレート間におい
て水平方向に間隔をあけて複数配置されることを特徴と
するチューブプレート型熱交換器。
【請求項２】前記チューブは、断面形状が偶数の角数
を有する多角形であることを特徴とする請求項１に記載
のチューブプレート型熱交換器。
【請求項３】前記チューブは、断面形状が四角形であ
ることを特徴とする請求項１または２に記載のチューブ
プレート型熱交換器。
【請求項４】前記チューブは、前記プレートに接さな
い側面にディンプルを施したことを特徴とする請求項１
〜３に記載のチューブプレート型熱交換器。
【請求項５】前記チューブは、前記ヘッダー間を蛇行
しつつ連通することを特徴とする請求項１〜４に記載の
チューブプレート型熱交換器。