JP2008128574A

JP2008128574A - 熱交換器

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Publication number: JP2008128574A
Application number: JP2006314864A
Authority: JP
Inventors: Takaya Inatomi; 誉也稲冨; Hiroshi Nakamura; 博中村; Kazuyoshi Aoki; 一義青木; Shigeki Maruyama; 茂樹丸山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-11-21
Filing date: 2006-11-21
Publication date: 2008-06-05
Also published as: US20100051248A1; EP2110635A4; EP2110635A1; WO2008062802A1

Abstract

【課題】高温高圧条件下において、コンパクト性を実現し、高性能で構造健全性に優れた熱交換器を提供することができる熱交換器を得ることを目的とする。
【解決手段】単位体積当りの交換熱量が１０ＭＷｔ／ｍ^３以上のコンパクト性を有するプレート積層型熱交換器で、一次系流体と二次系流体の差圧が４ＭＰａ以上７ＭＰａ以下、最高使用温度が５００℃以上９００℃以下の高温高圧条件下で使用するものであって、金属プレートの板厚を流路等価直径の０．３倍以上、かつ前記金属プレートの板幅方向に沿う流路間ピッチを流路等価直径の０．５倍以上とする。
【選択図】図１

Description

本発明はプレート積層型の熱交換器に係り、特に高温高圧で交換熱量が大きい流体を処理対象とし、構成のコンパクト性を有するとともに圧力損失低減に優れた熱交換器に関するものである。

近年、コンパクトな熱交換器として、溝加工が施された金属プレートを積層して接合することにより流路部材を構成し、この流路部材の金属プレート間部位に熱交換用の一次系流路および二次系流路を形成したプレート積層型の熱交換器が各種分野で利用されている。

これまで提案されたプレート積層型熱交換器としては、例えば２枚の一次系流体を流すための孔を設けた板の間に１枚の二次系流体を流す孔を設けた板を挟み込み、これらを互いに密着させる構造の熱交換器がある（例えば特許文献１参照）。

また、流路を構成するための多数のフィンを取り付けたプレートを積層させて接合することにより、熱交換効率の向上を図った構成とする提案もされている（例えば特許文献２参照）。

ただし、これまでの提案においては、構成のコンパクト性を図っているが、処理対象となる流体については必ずしも高温高圧で交換熱量が大きい流体を想定するものではなく、例えば高温ガス炉を熱源とする発電設備または水素製造設備等に適用できる熱交換器ではなかった。

なお、高温ガス炉を熱源とする発電設備または水素製造設備等について、一般的な高温・高圧の熱交換器を設置する技術は開示されている（非特許文献１参照）
特許第２８６２２１３号公報特開２０００−５０６９６６号公報 INL/EXT-05-00453, 2005, Thermal-Hydraulic Analyses of Heat Transfer Fluid Requirements and Characteristics for Coupling a Hydrogen Product Plant to a High-Temperature Nuclear Reactor, Idaho National Laboratory.（例えば第５頁、Figure1,2等）

上述したプレート積層型熱交換器では、一次系流体と二次系流体との間、および熱交換器外側雰囲気との圧力差によって熱交換器材料に生じる応力と、一次系流体と二次系流体との温度差に起因して熱交換器材料に生じる熱応力の検討がされていなかった。

このため、従来のプレート積層型熱交換器については、高温高圧条件で使用することが困難または不可となっていた。

特に、一次系流体と二次系流体の差圧が４ＭＰａ以上７ＭＰａ以下、最高使用温度が８００℃以上９００℃以下の高温高圧条件下で使用されるプラント、例えば高温ガス炉を熱源とする発電設備または水素製造設備に適用できる熱交換器はこれまで知られていない。

本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、単位体積当りの交換熱量が１０ＭＷｔ／ｍ^３以上のコンパクト性を有するプレート積層型熱交換器において、一次系流体と二次系流体の差圧が４ＭＰａ以上７ＭＰａ以下、最高使用温度が５００℃以上９００℃以下の高温高圧条件下で使用することができ、その場合にコンパクト性を実現し、高性能で構造健全性に優れた熱交換器を提供することができる熱交換器を得ることを目的とする。

発明者においては、高温高圧で交換熱量が大きい流体を処理対象について、コンパクト性を有するとともに圧力損失低減に優れたプレート積層型熱交換器に関して下記の検討を行なった。すなわち、上述した参考文献（非特許文献１）を参照して、（１）強度評価式の検討、（２）許容応力の検討、（３）流路寸法設定と制限値、（４）等価直径、（５）請求項の設定根拠、（６）パラメータサーベイ等についての検討を行なった。

（１）強度評価式
流路寸法については、下記実施形態における図６および図１５を参照する。流路形状の代表例として、図６は半円形流路、図１５は四角形流路を示している。このような流路を有する熱交換器のサイジングをする場合の強度評価式は、上記参考文献（非特許文献１）により以下のように表され、それらから流路寸法d、t_f、P_f、t_pが決定される。

なお、図６および図１５において、Ｐｆは流路の水平方向ピッチ、ｄは流路の水平方向幅、ｔｐは流路間ピッチ、ｔｆは流路間の水平方向間隔である。

許容応力をS₀、圧力差をΔP（=P_i-P_o）、流路幅をdとすると、必要となる流路の水平方向のピッチPfは、

と制限され、必要となる流路の水平方向の間隔tfは、

で制限される。また、高さ方向の流路のピッチとなるプレート厚さt_pは以下の関係式で制限される。

（２）許容応力
公知の10³ hクリープ破断応力強さの比較図により、クロムおよびアルミニウムを含む鉄基の酸化物分散強化型合金、例えばＩＮＣＯＬＯＹａｌｌｏｉ９５６（商品名）の10³ hクリープ破断応力強さは900℃において80MPaである。しかし、許容応力算出には10⁵ hクリープ破断応力強さが必要なことを考慮し、安全係数として0.5を掛けた値を使用することとする。

クリープ域において1次応力を評価する場合、許容応力として最大許容応力強さS₀を使用するが、通常500℃以上になると10⁵ hクリープ破断強さが支配的となるため、この10⁵ hクリープ破断強さをS₀算出に用いる。なお、S₀はJSME設計・建設規格あるいはASME Codeを参照して10⁵ hクリープ破断強さの平均値を0.67倍して求める。従って、許容応力は以下のように計算され、安全側に25MPaに設定する。
［数４］
S0＝80×0.5×0.67＝26.8MPa → 25MPa

（３）流路寸法設定と制限値
従来の熱交換器を参照し流路幅をd=1.5mm、本特許が対象としている高温ガス炉のスペックから圧力差をΔP=7MPaとすると、１．項よりピッチPfの制限寸法は、
［数５］
Pf ≧ d(1+ΔP/S₀) = 1.5×(1+7/25) = 1.92 mm
であることから、Pf=2.0mmとする。

この場合の必要な水平方向の間隔tfの制限寸法は、
［数６］
tf ≧ Pf/(S₀/ΔP+1) = 2.0/(25/7+1) = 0.44 mm
tfmin ≧ Pfmin/(S₀/ΔP+1) = 1.92/(25/7+1) = 0.42 mm
より、tf=0.5mmとする。

また、プレート厚さtpの制限寸法は、
［数７］
tp ≧ d/2√(S₀+P_i)/(S₀+2P_o-P_i) = 1.5/2×√(25+7)/(25+2×0-7) = 1.0 mm
より、tp=1.2mmとする。ここで、プレート厚さは、素材寸法から決定する。

（４）等価直径
流路の等価直径d_eは、流路断面積Aと流路の濡れぶち長さをSとすると、以下で表される。

（４−１）半円形流路（図６）
半円形流路の等価直径d_e1は（３）項の寸法より、以下のように計算される。
［数９］
A₁ = (π×1.5²/4)/2 = 0.884mm²
S₁ = π×1.5/2+1.5 = 3.86 mm
d_e1 = 4×0.884/3.86 = 0.92 mm

（４−２）四角形流路（図１５）
四角形流路の等価直径d_e2は（３）項の寸法より、以下のように計算される。
［数１０］
A₂ = 1.5×1.5/2 = 1.13 mm²
S₂ = 1.5×2+1.5/2×2 = 4.50 mm
d_e2 = 4×1.13/4.50 = 1.00 mm

（５）本発明の設定根拠
等価直径d_eを使い、熱交換器の強度評価上重要となる寸法について考察する。

熱交換器の強度評価上重要となる寸法は、金属薄板状プレートの板厚方向の最小厚さtmin（=tpmin-d/2）と、流路の板幅方向のピッチ間隔、すなわち流路の水平方向の間隔tfである。（３）項の寸法によると、これらは以下となる。
［数１１］
tmin = tpmin-d/2 = 1.0-1.5/2 = 0.25 mm
tfmin = 0.42 mm

（５−１）半円形流路（図６）
d_e1=0.92mmより、
［数１２］
板厚方向の最小厚さ = 0.30×d_e1 = 0.30×0.92 = 0.28 ≧ tmin
水平方向の間隔 = 0.5×d_e1 = 0.5×0.92 = 0.46 ≧ tfmin
となり、本発明で示した寸法は制限値を満足している。

（５−２）四角形流路（図１５）
［数１３］
d_e2=1.00mmより、板厚方向の最小厚さ = 0.30×d_e2 = 0.30×1.00 = 0.30 ≧ tmin
水平方向の間隔 = 0.5×d_e2 = 0.5×1.00 = 0.50 ≧ tfmin
となる。

この結果は、本発明で示した寸法が制限値を満足している。

（６）パラメータサーベイ
金属薄板状プレートの板厚方向の最小厚さが流路等価直径の0.3倍以上かつ、流路の板幅方向のピッチ間隔が流路等価直径の0.5倍以上であることの確認計算を以下の２つの条件で実施する。

（６−１−１）板厚方向の最小厚さが流路等価直径の0.25倍
（ｉ）半円形流路（図６）
［数１４］
tmin₁ = 0.25×d_e1 = 0.25×0.92 = 0.23 mm
tp₁ = tmin₁+d/2 = 0.23+1.5/2 = 0.98 mm ＜ tpmin

この結果は、（３）項の必要寸法のについて不満足となる。

（ｉｉ）四角形流路（図１５）
［数１５］
tmin₂ = 0.25×d_e2 = 0.25×1.00 = 0.25 mm
tp₂ = tmin₂+d/2 = 0.25+1.5/2 = 1.00 mm = tpmin
この結果は、（３）項の必要寸法を満足する。

よって、0.25倍の場合は寸法制限を満足しない場合がある。

（６−１−２）板厚方向の最小厚さが流路等価直径の0.50倍
（ｉ）半円形流路（図６）
［数１６］
tmin₁ = 0.50×d_e1 = 0.50×0.92 = 0.46 mm
tp₁ = tmin₁+d/2 = 0.46+1.5/2 = 1.21 mm ＞ tpmin
この結果は、（３）項の必要寸法を満足する。

（ｉｉ）四角形流路（図１５）
［数１７］
tmin₂ = 0.50×d_e2 = 0.50×1.00 = 0.50 mm
tp₂ = tmin₂+d/2 = 0.50+1.5/2 = 1.25 mm ＞ tpmin
この結果は、（３）項の必要寸法を満足する。

（６−２−１）板幅方向のピッチ間隔が流路等価直径の0.45倍
（ｉ）半円形流路（図６）
［数１８］
tf₁ = 0.45×d_e1 = 0.45×0.92 = 0.41 mm ＜ tfmin
この結果は、（３）項の必要寸法について不満足となる。

（ｉｉ）四角形流路（図１５）
［数１９］
tf₂ = 0.45×d_e2 = 0.45×1.00 = 0.45 mm ＞ tfmin
この結果は、（３）項の必要寸法を満足する。

よって、0.45倍の場合は寸法制限を満足しない場合がある。

（６−２−２）板幅方向のピッチ間隔が流路等価直径の0.80倍
（ｉ）半円形流路（図６）
［数２０］
tf₁ = 0.80×d_e1 = 0.80×0.92 = 0.74 mm ＞ tfmin
この結果は、（３）項の必要寸法を満足する
（２）四角形流路（図１５）
［数２１］
tf₂ = 0.80×d_e2 = 0.80×1.00 = 0.80 mm ＞ tfmin
この結果は、（３）項の必要寸法を満足する
（８）以上の通り寸法制限値に関する評価を行い、金属プレートの板厚を流路等価直径の0.3倍以上と0.5倍以上の定数の妥当性の評価を行い、問題ないことが示された。

そこで、本発明では、以上の知見に基いて、溝加工が施された金属プレートを積層して接合することにより流路部材を構成し、この流路部材の前記プレート間部位に前記溝からなる熱交換用の一次系流路および二次系流路を形成した熱交換器であって、前記一次系流路に供給される一次流体の温度範囲を８００℃以上９００℃以下、前記一次流体と二次流体との差圧を４ＭＰａ以上７ＭＰａ以下、かつ前記両流体間の単位体積当りの交換熱量を１０ＭＷｔ／ｍ^３以上に設定し、前記金属プレートの板厚を流路等価直径の０．３倍以上、かつ前記金属プレートの板幅方向に沿う流路間ピッチを流路等価直径の０．５倍以上としたことを特徴とする熱交換器を提供するものである。

特に、本発明では、前記金属プレートを、クロムおよびアルミニウムを含む鉄基の酸化物分散強化型合金により構成する場合に好適である。

本発明によれば、単位体積当りの交換熱量が１０ＭＷｔ／ｍ^３以上のコンパクト性を実現し、高性能で構造健全性に優れた熱交換器を提供することができる。

以下、本発明に係る熱交換器の実施形態について、図面を参照して説明する。

［第１実施形態（図１〜図６）］
図１は本発明の第１実施形態による熱交換器を示す斜視図であり、図２は同実施形態による熱交換器の流路構成を示す説明図（図１のＡ−Ａ線断面図）である。図３は本発明の第１実施形態による熱交換器を構成するプレート構造を示す説明図（構成部品の断面図）である。

また、図３は本発明の第１実施形態による熱交換器を構成するプレート構造を示す説明図（構成部品の断面図）であり、図４は同実施形態による熱交換器の流路を示す説明図（図３のＢ−Ｂ線断面図）である。図５は本発明の第１実施形態による熱交換器の流路構成を示す説明図（縦断面図）であり、図６は同実施形態による熱交換器の設定に関する説明図である。

図２および図３に示すように、本実施形態の熱交換器３は、１対の対向する薄板状の金属プレート１，２を一組とし、これらの金属プレート（以下、「プレート」という。）１，２を積層して構成される。一方の金属プレート１は、一次系流体ａを流通する流路８となる多数の半円形状の溝８ａを一側面に設けた一次系流体流通用のプレートであり、他方のプレート２は、二次系流体ｂを流通する流路９となる多数の半円形状の溝８ｂを一側面に設けた二次系流体流通用のプレートである。

一次系流体流通用のプレート１は例えば長方形状をなしており、複数の溝８は図２に示すように、例えば長手方向一端側の一側縁部に開口して一次流体入口１４を形成するとともに、短手側である幅方向に向って並列に延びた後、長手方向一端側の他側縁部に開口して一次流体出口１８を形成している。すなわち、一次系流体は図２の下側から一次系流体ａを上向きに流す主熱交換部を形成している。

また、二次次系流体流通用のプレート２は一次系流体流通用のプレート１と同一の長方形状をなしており、複数の溝９は、例えば長手方向一端側縁部に開口して一次流体入口１４を形成するとともに、直線状に長手方向他端側の他側縁部に延びで開口し、二次流体出口１９を形成している。この二次系流体流通用のプレート２は図２の上側から二次系流体ｂを下向きに流す主熱交換部を形成している。

そして、図３に示すように、これら一次系流体流通用のプレート１および二次次系流体流通用のプレート２は、各流路８，９を形成する溝８ａ，９ａが無い面を相互に接合して例えば形成された面と溝が形成されない面とを合わせて積層され、例えば拡散接合により一体化される。

図４および図５は、このようなプレート１，２の接合により流路５（一次系流路８、二次系流路９）が壁部１ａ，１ｂにより区画形成され、かつ一体化されて、一次系流路８および二次系流路９が断面半円形である構成が示されている。なお、一次系流路８および二次系流路９は波形状の流路となっており、一次系流路３および二次系流路９の流路断面積は互いに同一に設定されている。

また、図６には上述したように、各流路８，９の寸法等表示、すなわち流路の水平方向ピッチＰｆ、流路の水平方向幅ｄ、流路間ピッチｔｐ、および流路間の水平方向間隔ｔｆが示されている。

そして、これらの寸法関係および材料構成については、一次系流路８に供給される一次流体ａの温度範囲を８００℃以上９００℃以下、一次流体ａと二次流体ｂとの差圧を４ＭＰａ以上７ＭＰａ以下、かつ両流体間の単位体積当りの交換熱量を１０ＭＷｔ／ｍ^３以上に設定した場合に耐え得る強度を保持する設定となっている。

すなわち、プレート１，２の板厚が流路等価直径の０．３倍以上、かつプレート１，２の板幅方向に沿う流路間ピッチｔｐが流路等価直径の０．５倍以上となっている。

また、各プレート１，２は、クロムおよびアルミニウムを含む鉄基の酸化物分散強化型合金、例えばＩＮＣＯＬＯＹａｌｌｏｉ９５６（Ｆｅ：７５％、Ｃｒ：２０％、Ａｌ：４．５％、Ｔｉ：０．５％、Ｃ：０．０５％、Ｙ２Ｏ３：０．５％）により構成されている。

このように、本実施の形態においては、多数の一次系流体の流路を設けたプレート１と同じく多数の二次系流体の流路が設けられたプレート２は積層され、例えば拡散接合により一体となり、熱交換器３を形成している。

なお、図２では、一次系流体入口１４から入った一次系流体の流れ１５と二次系流体入口１６から入った二次系流体の流れ１７が向かい合う方向で流れる場合を示しているが、この場合が最も熱交換が良好である。ただし、用途に応じて、平行して流してもよい。

このように本実施形態では、構造材料１０として９００℃における許容応力が２５ＭＰａ程度の高温強度を有する鉄基の酸化物分散強化型（ＯＤＳ）合金、例えばＩＮＣＯＬＯＹａｌｌｏｙＭＡ９５６を用い、流路の垂直方向の間隔Ｐ_ｆ１１が半円型流路の直径ｄ１２の０．７倍以上かつ流路の水平方向の間隔１３が半円型流路の直径ｄ１２の１．３倍以上の寸法とする。なお構造材料１０は、高ニッケル基合金、例えばＡｌｌｏｙ６１７でもよい。

以上説明したように、第１実施形態によれば、単位体積当りの交換熱量が１０ＭＷｔ／ｍ^３以上のコンパクト性を実現し、高性能で構造健全性に優れた熱交換器を提供することができる。

［第２実施形態（図７〜図９）］
本実施形態では、一次系流路および二次系流路の流体入口および流体出口が流路部材の主熱交換部分における流体の流れ方向に沿う面にそれぞれ設けられている構成について説明する。

図７は本発明の第２実施形態による熱交換器を示す斜視図であり、図８は同実施形態による熱交換器の一次系流路を示す説明図（図７のＣ−Ｃ線断面図）である。図９は本発明の第２実施形態による熱交換器の二次系流路を示す説明図である（図７のＣ−Ｃ線断面図）。

これらの図に示すように、本実施形態２においても、第１実施形態と同様に、一次系流体の流路を設けたプレート１、二次系の流路を設けたプレート２から構成されているが、一次系流体の入口１４と二次系流体の出口１９は同じ面に位置するとともに、一次系流体の出口１８と二次系流体の入口１６についても同じ面に位置し、一次系および二次系の流路の入口１４，１６および出口１８，１９を流体の流れ方向に配置している。

すなわち、図８に示すように、一次流路８および二次系流路９は、共にプレート１の長手方向に沿って形成されている。なお、他の構成については第１実施形態と同様である。

前記第１実施形態では、一次系流体出入口１４を二次系流体出入口１６とは直角方向位置、つまり熱交換器側面に設けていたのに対し、本実施形態では一次系流体出入口１４と二次系流体出入口１６とを同一面上に設けるため、側面にヘッダや配管を設ける必要がなく、熱交換器３の外形寸法が小さくなる。

さらに、第１実施形態のように、流れ方向が直角に曲がることがなく、圧力損失も小さく抑えられる。

以上説明したように、第２実施形態によれば、単位体積当りの交換熱量が１０ＭＷｔ／ｍ^３以上のコンパクト性を有し、圧力損失低減に優れた熱交換器を提供することができる。

［第３実施形態（図１０、図１１）］
図１０は同実施形態による熱交換器の一次系流路を示す説明図（横断面図）であり、図１１は本発明の第３実施形態による熱交換器の二次系流路を示す説明図（縦断面図）である。

本実施形態２においても、第１実施形態と同様に、一次系流体の流路を設けたプレート１、二次系の流路を設けたプレート２から構成されているが、一次系流路が設けられたプレート１、二次系流路が設けられたプレート２から構成されている。

一次系流路８は分岐、合流し、熱交換器側面にて流路の入口および出口となるプレナム２０に接続されており、第１実施形態で示したように、側面に向かい折り曲げた流路２１を用いて側面に入口、出口を設ける場合に比べて、流体が向流とならない領域２２を削減することが可能となる。

以上説明したように、第３実施形態によれば、単位体積当りの交換熱量が１０ＭＷｔ／ｍ^３以上のコンパクト性を有し、圧力損失低減に優れた熱交換器を提供することができる［第４実施形態（図１２）］
本実施形態では、各流路の湾曲部内に、各流体を前記湾曲部に沿って案内する案内羽根または補強材が設けられている熱交換器について説明する。図１２は本発明の第４実施形態による熱交換器の流路構成を示す説明図（縦断面図）である。

本実施形態においても、熱交換器３が流路を形成するプレートの壁１ａおよび案内羽２４から構成されている。

流路５を流れる流体の流れ２５は、流路拡大図である図１２に示すように、流路５の曲がり部に設けられた案内羽２４により、曲がり部における渦、剥離の発生が抑えられ、圧力損失が低減される構成となっている。他の構成については、前記実施形態と略同様である。

以上説明したように、第４実施形態によれば、単位体積当りの交換熱量が１０ＭＷｔ／ｍ^３以上のコンパクト性を有し、圧力損失低減に優れた熱交換器を提供することができる。

［第５実施形態（図１３）］
本実施形態では、一次系流路および二次系流路の流路断面積が前者よりも後者が大きく設定されている熱交換器について説明する。

図１３は本発明の第５実施形態による熱交換器の流路構成を示す説明図（縦断面図）である。

本実施形態では、図１３に示すように、一次系流路８よりも流路断面積が大きい二次系流路９が形成されている。他の構成については、前記実施形態と略同様である。

二次系流体の流量が一次系流体の流量より比較的多い場合、流路断面積が大きい二次系流路２６により、二次系流体の流速の上昇が抑えられるため、二次系流体の圧力損失を低減することが可能となる。

以上説明したように、第５実施形態によれば、単位体積当りの交換熱量が１０ＭＷｔ／ｍ^３以上のコンパクト性を有し、圧力損失低減に優れた熱交換器を提供することができる。

［第６実施形態（図１４〜図１６）］
本実施形態では、一次系流路および前記二次系流路の流路断面形状が、四角形、六角形その他の多角形とされている熱交換器について説明する。

図１４は本発明の第６実施形態による熱交換器の流路構成を示す説明図（縦断面図）であり、図１５は同実施形態による熱交換器の設定に関する説明図である。図１６は本実施形態による変形例として他の流路構成を示す説明図（縦断面図）である。

本実施形態では、図１４に示すように、流路部材４に略矩形断面流路２７が形成されている。なお、図１５には、各流路８，９の寸法等表示、すなわち流路の水平方向ピッチＰｆ、流路の水平方向幅ｄ、流路間ピッチｔｐ、および流路間の水平方向間隔ｔｆが示されている。

このように構成された本実施形態によれば、前記実施形態で示した同一断面積の半円形の流路とした場合と比較して、流路８，９の断面形状が略矩形状となっており、これらの流路８，９は流路部材４の構造材料との伝熱面積が大きくなるため、伝熱性能を向上させることが可能となる。

なお、矩形流路の角部に差圧または温度差による応力が集中するが、半円形の場合と比較して同等の応力値であることが構造解析等により確認されている。

また、図１６に示すように、四角形だけでなく、６角形など多角形でもよい。このような構成によっても、流路８，９が流路部材４の構造材料との伝熱面積が大きくなるため、伝熱性能を向上させることが可能となる。

このように、第６実施形態によれば、単位体積当りの交換熱量が１０ＭＷｔ／ｍ^３以上のコンパクト性を有し、高性能で構造健全性に優れた熱交換器を提供することができる。

［第７実施形態（図１７〜図１９）］
本実施形態では、流路部材に一次系流路および二次系流路をそれぞれ分岐および合流させるプレナム部が形成され、これらプレナ部に連通する一次系流路および二次系流路の流体入口および流体出口が、流路部材の主熱交換部分における流体流れ方向に沿う面または流体流れ方向と直交する方向に沿う面に設けられている熱交換器について説明する。

図１７は本発明の第７実施形態による熱交換器を示す斜視図である。図１８は同実施形態による熱交換器の一次系流路を示す説明図（図１７のＤ−Ｄ線断面図）であり、図１９は同７実施形態による熱交換器の二次系流路を示す説明図（図１７のＤ−Ｄ線断面図）である。

本実施形態では、一次系流路が設けられたプレート１、二次系流路が設けられたプレート２から構成されている。一次系流路８は分岐、合流し、熱交換器前面および後面にて一次系流路入口１４および一次系流路出口１９となる一次系プレナム２８に接続されている。

二次系流路９も同様に二次系プレナム２９により、二次系流路入口１６および二次系流路出口１８が熱交換器前面および後面に設けられているため、一次系および二次系の流路の出入口は流体の流れ方向に配置される。

このように、本実施形態では流路出入口を両端面のみに設けるため、側面に流路出入口を設ける必要がなく、また、第１実施形態のように、直行流の領域を減らすことにもなり、熱交換器の長手方向寸法が小さくなる。

以上説明したように、第７実施形態によれば、単位体積当りの交換熱量が１０ＭＷｔ／ｍ^３以上のコンパクト性に優れた熱交換器を提供することができる。

［第８実施形態（図２０〜図２２）］
本実施形態では、一次系流路および二次系流路の少なくともいずれか一方がＵ字状に折り返す往復流路として形成された熱交換器について説明する。

図２０は本発明の第８実施形態による熱交換器を示す斜視図である。図２１は同実施形態による熱交換器の一次系流路を示す説明図（図２０のＥ−Ｅ線断面図）であり、図２２は同実施形態による熱交換器の二次系流路を示す説明図（図２０のＥ−Ｅ線断面図）である。

本実施形態では、一次系流路が設けられたプレート１、二次系流路が設けられたプレート２から構成されている。

一次系流路８および二次系流路９はＵ字型の形状をしているため、二次系流路入口１６と二次系流路出口１８は熱交換器の前面と後面にそれぞれ設けられる。

このように構成することにより、側面に流路出入口を設ける必要がなく、熱交換器の長手方向寸法が小さくなる。

このような第８実施形態によれば、単位体積当りの交換熱量が１０ＭＷｔ／ｍ^３以上のコンパクト性に優れた熱交換器を提供することができる。

［第９実施形態（図２３、図２４）］
本実施形態では、一次系流路および二次系流路となる溝が、同一の金属プレートに、互いに隣接する配置で形成され、一次系流路および二次系流路の先端部が、流路部材の同一面に設けられた流体出口およびプレナムに連通している熱交換器について説明する。

図２３は本発明の第９実施形態による熱交換器を示す斜視図であり、図２４は同実施形態による熱交換器を示す説明図（図２３のＦ−Ｆ線断面図）である。

本実施形態では、一次系流路８と二次系流路９とが互いに隣接する配置で設けられたプレート３０から構成されている。また、一次系流路８および二次系流路９の先端部が、流路部材の上面である同一面に設けられた流体出口１８，１９および上方に延びる高さ方向プレナム３１，３２に連通している
このような構成によれば、一次系流路８および二次系流路９は同一のプレート上に位置していることから、流体間の伝熱を促進することが可能となるとともに、高さ方向プレナム３１により一次系の流体１８および二次系の出口１９を一次系と二次系流路が設けられたプレート３０と平行な面に配置することが可能となる。また、熱交換は対向流のみによって行われ、直行流をなくすことができ、熱交換器の外形寸法を小さくできる。

以上説明したように、第９実施形態によれば、単位体積当りの交換熱量が１０ＭＷｔ／ｍ^３以上のコンパクト性を有し、熱交換性能に優れた熱交換器を提供することができる。

［第１０実施形態（図２５、図２６）］
本実施形態では、一次系流路および二次系流路の少なくともいずれか一方がＵ字状に折り返す往復流路として形成され、この往復流路の両先端部が、流体入口およびプレナム上向きの流体出口または連通している熱交換器について説明する。

図２５は本発明の第１０実施形態による熱交換器を示す斜視図であり、図２６は同実施形態による熱交換器を示す説明図（図２５のＧ−Ｇ線断面図）である。

本実施形態１０では、一次系と二次系流路が設けられたプレート３０から構成されている。この実施形態９の変形形態を表しており、Ｕ字形の形状の一次系流路８および二次系流路９を同一のプレート上に配設している。このように、熱交換部が対向流のみにしている。これにより、本実施形態では、熱交換器の外形寸法を小さくすることができ、さらにＵ字形の折り返し部の存在により、熱交換密度が上昇する。

以上説明したように、第１０実施形態によれば、単位体積当りの交換熱量が１０ＭＷｔ／ｍ^３以上のコンパクト性を有し、熱交換性能に優れた熱交換器を提供することができる。

［第１１実施形態（図２７）］
本実施形態では、各流路の湾曲部内に、各流体を湾曲部に沿って案内する補強材が設けられている熱交換器について説明する。

図２７は本発明の第１１実施形態による熱交換器を説明する拡大断面図（横断面図）である。

本実施形態１１では、一次系流路が設けられたプレート１、二次系流路が設けられたプレート２および流路拡大図４中に示した流路補強材３２から構成されている。

このような構成によれば、流路補強材３２によって、流路上下面のプレートの剛性、つまり、断面二次モーメントが増大するため、耐圧性能を大幅に向上させることが可能となる。さらに、流路補強材３２は、伝熱フィンあるいは乱流発生因子の役割も果たすことから、伝熱性能の向上に大きく寄与する。

以上説明したように、第１１実施形態によれば、単位体積当りの交換熱量が１０ＭＷｔ／ｍ^３以上のコンパクト性を有し、高性能で構造健全性に優れた熱交換器を提供することができる。

［第１２実施形態（図２８〜図３０）］
本実施形態では、流路構成部材４が平面視で略六角形状であり、両端部が略三角形状に形成されている熱交換器３について説明する。

図２８は本発明の第１２実施形態による熱交換器を説明する斜視図である。図２９は同実施形態による熱交換器の一次系流路を示す説明図（図２８のＨ−Ｈ線断面図）であり、図３０は同実施形態による熱交換器の二次系流路を示す説明図（図２８のＨ−Ｈ線断面図）である。

図２８〜図３０に示すように、実施形態では、一次系流路が設けられたプレート１、二次系流路が設けられたプレート２から構成されており、それぞれのプレートの両端部が略三角形状に形成されている。一次系流体ａおよび二次流体ｂは隣接する一次流体入口１４およびこれと反対側に位置する二次流体入口１６とから流入され、略平行となった一次流体出口１８および二次流体出口１９から排出される。

このような構成によれば、プレート２が矩形状の場合に比べて、流体出入口部の材料を削減でき、コストダウンが図れる。さらに、流路を鈍角にすることにより圧力損失を低減できる。

以上説明したように、第１２実施形態によれば、単位体積当りの交換熱量が１０ＭＷｔ／ｍ^３以上のコンパクト性を有し、安価で、圧力損失低減に優れた熱交換器を提供することができる。

本発明の第１実施形態による熱交換器を示す斜視図。本発明の第１実施形態による熱交換器の流路構成を示す説明図（図１のＡ−Ａ線断面図）。本発明の第１実施形態による熱交換器を構成するプレート構造を示す説明図（構成部品の断面図）。本発明の第１実施形態による熱交換器の流路を示す説明図（図３のＢ−Ｂ線断面図）。本発明の第１実施形態による熱交換器の流路構成を示す説明図（縦断面図）。本発明の第１実施形態による熱交換器の設定に関する説明図。本発明の第２実施形態による熱交換器を示す斜視図。本発明の第２実施形態による熱交換器の一次系流路を示す説明図（図７のＣ−Ｃ線断面図）。本発明の第２実施形態による熱交換器の二次系流路を示す説明図（図７のＣ−Ｃ線断面図）。本発明の第２実施形態による熱交換器の一次系流路を示す説明図（横断面図）。本発明の第３実施形態による熱交換器の二次系流路を示す説明図（縦断面図）。本発明の第４実施形態による熱交換器の流路構成を示す説明図（縦断面図）。本発明の第５実施形態による熱交換器の流路構成を示す説明図（縦断面図）。本発明の第６実施形態による熱交換器の流路構成を示す説明図（縦断面図）。本発明の第６実施形態による熱交換器の設定に関する説明図。本発明の第６実施形態による熱交換器の他の流路構成を示す説明図（縦断面図）。本発明の第７実施形態による熱交換器を示す斜視図。本発明の第７実施形態による熱交換器の一次系流路を示す説明図（図１７のＤ−Ｄ線断面図）。本発明の第７実施形態による熱交換器の二次系流路を示す説明図（図１７のＤ−Ｄ線断面図）。本発明の第８実施形態による熱交換器を示す斜視図。本発明の第８実施形態による熱交換器の一次系流路を示す説明図（図２０のＥ−Ｅ線断面図）。本発明の第８実施形態による熱交換器の二次系流路を示す説明図（図２０のＥ−Ｅ線断面図）。本発明の第９実施形態による熱交換器を示す斜視図。本発明の第９実施形態による熱交換器を示す説明図（図２３のＦ−Ｆ線断面図）。本発明の第１０実施形態による熱交換器を示す斜視図。本発明の第１０実施形態による熱交換器を示す説明図（図２５のＧ−Ｇ線断面図）。本発明の第１１実施形態による熱交換器を説明する拡大断面図（横断面図）。本発明の第１２実施形態による熱交換器を説明する斜視図。本発明の第１２実施形態による熱交換器の一次系流路を示す説明図（図２８のＨ−Ｈ線断面図）。本発明の第１２実施形態による熱交換器の二次系流路を示す説明図（図２８のＨ−Ｈ線断面図）。

符号の説明

１一次系流路を設けたプレート
２二次系流路を設けたプレート
３熱交換器
４流路部材
５流路
６流路に垂直な断面
７流路断面拡大図
８一次系流路
９二次系流路
１０構造材料
１１流路の垂直方向の間隔Ｐ_ｆ
１２半円型流路の直径ｄ
１３流路の水平方向の間隔ｔ_ｐ
１４一次系流体入口
１５一次系流体の流れ
１６二次系流体入口
１７二次系流体の流れ
１８一次系流体出口
１９二次系流体出口
２０プレナム
２１側面に向かい折り曲げた流路
２２流体が向流とならない領域
２３流路を設けたプレート
２４案内羽
２５流体の流れ
２６流路面積の大きい二次系流路
２７矩形断面流路
２８一次系プレナム
２９二次系プレナム
３０一次系と二次系の流路を設けたプレート
３１高さ方向プレナム
３２流路補強材

Claims

溝加工が施された金属プレートを積層して接合することにより流路部材を構成し、この流路部材の前記プレート間部位に前記溝からなる熱交換用の一次系流路および二次系流路を形成した熱交換器であって、前記一次系流路に供給される一次流体の温度範囲を８００℃以上９００℃以下、前記一次流体と二次流体との差圧を４ＭＰａ以上７ＭＰａ以下、かつ前記両流体間の単位体積当りの交換熱量を１０ＭＷｔ／ｍ^３以上に設定し、前記金属プレートの板厚を流路等価直径の０．３倍以上、かつ前記金属プレートの板幅方向に沿う流路間ピッチを流路等価直径の０．５倍以上としたことを特徴とする熱交換器。
前記金属プレートは、クロムおよびアルミニウムを含む鉄基の酸化物分散強化型合金により構成されている請求項１記載の熱交換器。
前記一次系流路および前記二次系流路の流体入口および流体出口は、前記流路部材の主熱交換部分における流体の流れ方向に沿う面にそれぞれ設けられている請求項１または２記載の熱交換器。
前記流路部材に前記一次系流路および前記二次系流路をそれぞれ分岐および合流させるプレナム部が形成され、これらプレナ部に連通する前記一次系流路および前記二次系流路の流体入口および流体出口が、前記流路部材の主熱交換部分における流体流れ方向に沿う面または流体流れ方向と直交する方向に沿う面に設けられている請求項１または２記載の熱交換器。
前記一次系流路および前記二次系流路は波形状の流路である請求項１または２記載の熱交換器。
前記各流路の湾曲部内に、前記各流体を前記湾曲部に沿って案内する案内羽根または補強材が設けられている請求項１または２記載の熱交換器。
前記一次系流路および前記二次系流路の流路断面形状は、半円形または四角形、六角形その他の多角形とされている請求項１または２記載の熱交換器。
前記一次系流路および前記二次系流路の流路断面積は互いに同一に設定され、または前者よりも後者が大きく設定されている請求項１または２記載の熱交換器。
前記一次系流路および前記二次系流路の少なくともいずれか一方がＵ字状に折り返す往復流路として形成され、この往復流路の両先端部が、前記流路部材の同一面に設けられた流体入口および流体出口またはプレナムに連通している請求項１または２記載の熱交換器。
前記一次系流路および前記二次系流路となる溝が、同一の前記金属プレートに、互いに隣接する配置で形成されている請求項１または２記載の熱交換器。