JP2011017466A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】コアが高温ガスの熱によって変形することを抑制できる熱交換器を提供する。
【解決手段】ハウジング１１にコア１２が収容されている。コア１２は、複数のプレート８３，８４を厚さ方向に重ねることによって構成され、高温ガスＧ１が流れる第１流路９１と、冷却水Ｗが流れる第２流路９２とを有している。ハウジング１１には、ガス流入口３０からコア収容部１５に向って流路断面積が増加する流入案内筒１６が設けられている。流入案内筒１６の内側に、流入案内筒１６の内面１６ａに沿って第１のスパイラルパイプ５１が配置されている。第１のスパイラルパイプ５１は、ガス流入口３０からコア収容部１５に向って径が大きくなるように螺旋形に巻かれている。第１のスパイラルパイプ５１の内側に第２のスパイラルパイプ５２が配置されている。これらスパイラルパイプ５１，５２の内部を流れる冷却水Ｗと高温ガスＧ１との間で熱交換がなされる。スパイラルパイプ５１，５２は予冷却器５０を構成している。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数枚の金属プレートからなるコアを有する熱交換器に関する。

下記の特許文献１あるいは特許文献２にプレート形の熱交換器が開示されている。この種の熱交換器のコアは、複数枚の金属プレートを重ね合わせ、各プレート間に、高温ガスが流れる第１流路と、冷却用媒体が流れる第２流路とが交互に形成されている。このコアはハウジングの内部に収容されている。

前記ハウジングの流入側の端部にガス流入口が形成されている。ハウジングの流出側の端部にガス流出口が形成されている。ガス流入口からハウジングの内部に流入した高温ガスは、前記コアの第１流路を流れたのち、ガス流出口からハウジングの外部に流出する。前記コアの第２流路には冷却水などの冷却用媒体が供給され、この冷却媒体と前記ガスとの間で熱交換が行われることによって、高温ガスが冷却されるようになっている。

特開２０００−３２０９８６号公報 特開２００６−１７７６３７号公報

前記したように複数の金属プレートを積層してなるコアを有する熱交換器では、ガス流入口からハウジングの内部に数百℃を越える高温ガスが流入することがある。この高温ガスがコアの端に触れると、金属プレートの一部が局部的に高温となり。その場合、高温となった金属プレートの一部に熱応力による過剰な変形が発生し、この変形がコアに悪影響を与えることが考えられる。特に、コアの各部において冷却媒体の流速等を十分均一にすることが難しいコアの場合には、比較的高温となりやすい部分に高温ガスが触れることによってコアの一部がさらに高温となりやすい。

従って本発明の目的は、ガス流入口から流入する高温のガスによってコアの一部が変形することを抑制できる熱交換器を提供することにある。

本発明の熱交換器は、複数のプレートを互いに重ねることによって構成され、これらプレート間に高温ガスが流れる第１流路と冷却用媒体が流れる第２流路とを形成してなるコアと、前記コアを収容するコア収容部と該コア収容部に連通するガス流入口およびガス流出口を有しかつ前記ガス流入口から前記コア収容部に向って流路断面積が増加する流入案内筒を有するハウジングと、前記流入案内筒の内側に該流入案内筒の内面に沿って配置された予冷却器とを具備している。

本発明の好ましい形態では、前記予冷却器は前記流入案内筒の内面に沿って前記ガス流入口から前記コア収容部に向って径が増加するよう螺旋形に巻かれた第１のスパイラルパイプを有し、この第１のスパイラルパイプ内に前記冷却用媒体が流れるようにしている。また前記第１のスパイラルパイプの内側に配置された第２のスパイラルパイプを有し、この第２のスパイラルパイプ内に前記冷却用媒体が流れるようにしてもよい。

また、前記流入案内筒と前記コア収容部との間に、パンチングメタルからなる流通抑制部材が配置されていてもよい。前記流入案内筒の下部に、前記ガス流入口から流入するガスが前記コアの下部に向かうことを抑制する整流板が設けられていてもよい。

本発明によれば、ガス流入口から流入案内筒を通ってコアに向う高温ガスが、流入案内筒の内面に沿って配置されたスパイラルパイプなどからなる予冷却器によって冷却され、ある程度温度が低下した状態でコアに接する。このため金属プレートからなるコアの一部が高温となることを回避でき、コアの一部が変形することを抑制できる。

本発明において、前記ガス流入口からコア収容部に向って流路断面がテーパ状に増加する流入案内筒の内面に沿って螺旋形に成形されたスパイラルパイプが配置されている場合には、流入案内筒の内側の空間に所望の長さを有するスパイラルパイプをコンパクトに収納することができ、しかも流入案内筒の内面に沿って流れる高温ガスをこのスパイラルパイプ内を流れる冷却用媒体によって効果的に冷却することができる。

本発明の１つの実施形態に係る熱交換器の斜視図。 図１に示された熱交換器の一部を切欠いて内部を示す斜視図。 図１に示された熱交換器の一部を切欠いて示す側面図。 前記熱交換器の一部を切欠いて示す平面図。 前記熱交換器の正面図。 前記熱交換器の第１のスパイラルパイプと第２のスパイラルパイプの斜視図。 前記熱交換器のコアの一部を断面で表わして下側から見た斜視図。 前記コアを構成するプレート対を一部切欠いて上側から見た斜視図。

以下に本発明の実施形態について、図１から図８を参照して説明する。
図１は本発明の１つの実施形態に係る熱交換器１０を示している。この熱交換器１０はハウジング１１を備えている。図２はハウジング１１の一部を切欠いて熱交換器１０の内部を示している。ハウジング１１の内部に熱交換用のコア１２が収容されている。

図３は熱交換器１０の側面図、図４は熱交換器１０の平面図、図５は熱交換器１０の正面図である。ハウジング１１はステンレス鋼などの金属板からなり、コア１２を収容するコア収容部１５と、コア収容部１５の一端側（ガス流入側）に形成された流入案内筒１６と、コア収容部１５の他端側（ガス流出側）に形成された流出案内筒１７などを有している。コア収容部１５は、左右一対の側板２０，２１と、底板２２と、上板２３などからなり、四角い箱形に形成されている。

流入案内筒１６の端部にガス流入口３０とフランジ３１が形成されている。この流入案内筒１６は、断面が円形のガス流入口３０から四角形のコア収容部１５に向って、流路断面の形状が円形から四角形に変化し、かつ、ガス流入口３０からコア収容部１５に向って流路断面積が増加するようなテーパ形状をなしている。この流入案内筒１６は、フランジ３１を介してガス流通管３５（図１に示す）に接続され、ガス流通管３５から送られる高温ガスＧ１が流入案内筒１６を通ってハウジング１１の内部のコア１２に供給されるようになっている。

ハウジング１１の他端側に設けられた流出案内筒１７に、ガス流出口４０とフランジ４１が形成されている。流出案内筒１７は、断面が四角形のコア収容部１５から円形のガス流出口４０に向って、流路断面の形状が四角形から円形に変化し、かつ、コア収容部１５からガス流出口４０に向って流路断面積が減少する逆テーパ形状をなしている。この流出案内筒１７は、フランジ４１を介してガス流通管４５（図１に示す）に接続され、熱交換後のガスＧ２がガス流通管４５に排出されるようになっている。

流入案内筒１６の内側に予冷却器５０が配置されている。予冷却器５０は、第１のスパイラルパイプ５１と第２のスパイラルパイプ５２とを含んでいる。図６は、第１のスパイラルパイプ５１と第２のスパイラルパイプ５２を示している。これら第１のスパイラルパイプ５１と第２のスパイラルパイプ５２は、それぞれ、ステンレス鋼等の耐腐食性を有する金属パイプ材を螺旋形に巻くことによってコイル状に形成されている。

第１のスパイラルパイプ５１は流入案内筒１６の内面１６ａに沿って配置されている。流入案内筒１６はガス流入口３０からコア収容部１５に向って流路断面積が増加するテーパ状をなしている。このため第１のスパイラルパイプ５１は、流入案内筒１６の内面１６ａに沿って、ガス流入口３０側の小径側端部５１ａからコア収容部１５側の大径側端部５１ｂに向って、径が増加するように螺旋形に巻かれた形状をなしている。

第２のスパイラルパイプ５２は第１のスパイラルパイプ５１の内側に配置されている。第２のスパイラルパイプ５２は第１のスパイラルパイプ５１の内側に収容できる大きさであり、ほぼ円筒コイル状に巻かれている。これらスパイラルパイプ５１，５２の内部に冷却水Ｗが流されるようになっている。

第１のスパイラルパイプ５１の流入側の端部に継手５５が設けられている。第１のスパイラルパイプ５１はこの継手５５を介して冷却水供給管５６（図１に示す）に接続されている。冷却水供給管５６は冷却水Ｗを供給する機能を有している。第１のスパイラルパイプ５１の流出側の端部に継手６０が設けられている。この継手６０に第１の中継管６１の一端が接続されている。

第２のスパイラルパイプ５２の流入側の端部に継手６５が設けられている。この継手６５は、第１の中継管６１の他端に接続されている。すなわち第１のスパイラルパイプ５１と第２のスパイラルパイプ５２とが第１の中継管６１を介して互いに連通している。第２のスパイラルパイプ５２の流出側の端部に継手６６が設けられている。この継手６６に第２の中継管６７の一端が接続されている。

冷却水供給管５６から第１のスパイラルパイプ５１に供給された冷却水Ｗは、第１のスパイラルパイプ５１の内部を流れたのち、第１の中継管６１を通って第２のスパイラルパイプ５２に流入し、第２のスパイラルパイプ５２の内部を流れてから第２の中継管６７に流入する。これらのスパイラルパイプ５１，５２を備えた予冷却器５０によって、流入案内筒１６の内部を流れる高温ガスＧ１の温度を、このガスＧ１がコア１２に到達する前に下げることができる。

図３と図４に示されるように、コア収容部１５と流入案内筒１６との間に、例えばパンチングメタルからなる流通抑制部材７０が設けられている。この流通抑制部材７０は、流入案内筒１６からコア１２に向う高温ガスＧ１の全量が通過するように、コア収容部１５と流入案内筒１６との間の流路断面の全体をカバーしている。流通抑制部材７０の透過率（パンチングメタルの開口率）は例えば２０〜４０％であるが、この値は必要に応じて設定される。

ガス流入口３０の下部にステンレス鋼等の金属からなる整流板７１が配置されている。図３と図４に示されるように整流板７１は、ガス流入口３０からコア収容部１５に向って延びている。図５に示すように整流板７１はガス流入口３０の内周面に沿って円弧状に形成され、ガス流入口３０の最下部の両側に例えば９０°〜１８０°の角度範囲θにわたって設けられている。この整流板７１は、ガス流入口３０から流入した高温ガスＧ１がコア１２の下部１２ａに向かうことを抑制する機能を有している。

以下にコア１２の詳細について、図２と図７および図８を参照して説明する。
コア１２は、上下一対の金属製の基板８０，８１（図２，図７に示す）と、これら基板８０，８１間に設けられた複数個（例えば数十個）のプレート対８２とを備えている。プレート対８２は、ステンレス鋼などの金属からなる第１プレート８３と第２プレート８４を厚さ方向に重ねることによって構成されている。

図８は２個のプレート対８２が重なった状態を示している。第１プレート８３と第２プレート８４は、それぞれ波形に成形された波形部８３ａ，８４ａを有している。一方の波形部８３ａの山と谷は、他方の波形部８４ａの山と谷に対し交差する方向に延びている。これら第１プレート８３と第２プレート８４とからなるプレート対８２を、基板８０，８１間に複数個（例えば数十個）重ね、第１プレート８３の波形部８３ａと第２プレート８４の波形部８４ａとの接点がろう付けされている。プレート対８２の周縁部にはスペーサ部材８５が設けられている。

図７に示すように、第１プレート８３と第２プレート８４を重ねた状態において、それぞれの第１プレート８３の波形部８３ａと第２プレート８４の波形部８４ａとの間に第１流路９１が形成されている。これら第１流路９１の流入側開口部９１ａ（図２，図８に示す）は、ハウジング１１内の流入側に開口し、ガス流入口３０と連通している。ガス流入口３０からハウジング１１内に流入した高温ガスＧ１は、これら流入側開口部９１ａから第１流路９１に流入することができる。

第１流路９１の流出側開口部９１ｂは、ハウジング１１内の流出側に開口し、ガス流出口４０と連通している。流出側開口部９１ｂからハウジング１１内の流出側に流出したガスは、ガス流出口４０からガス流通管４５に向かって流れる。

互いに隣り合うプレート対８２間に第２流路９２が形成されている。図７に示されるように第２流路９２は、各プレート８３，８４の一端側に形成された貫通孔９５を介して、冷媒流入口９６と連通している。冷媒流入口９６は筒形をなし、基板８０に固定されている。冷媒流入口９６の上端部はハウジング１１の外部に突出し、継手９７が設けられている。この継手９７に、前記第２の中継管６７の他端が接続されている。

第２流路９２の流出側は、各プレート８３，８４の他端側に形成された貫通孔１００（図８に示す）を介して、冷媒流出口１０１（図２等に示す）と連通している。冷媒流出口１０１は筒形をなし、基板８０に固定されている。冷媒流出口１０１の上端部はハウジング１１の外部に突出し、継手１０２が設けられている。この継手１０２は、冷媒流出管１０３（図１に示す）に接続されている。

以下に前記構成の熱交換器１０の作用について説明する。
熱交換器１０の上流側に接続されたガス流通管３５から、例えば数百℃の高温ガスＧ１がハウジング１１のガス流入口３０に供給される。この明細書で言う「高温ガス」とは、冷却を必要とする温度のガスという意味であるから、ガスの温度は百℃以下であってもよく、具体的な温度は問わない。

ガス流入口３０から流入した高温ガスＧ１は、流入案内筒１６を通る際に第１のスパイラルパイプ５１と第２のスパイラルパイプ５２に触れる。そののち、このガスＧ１が流通抑制部材（パンチングメタル）７０を通過する。流通抑制部材７０を通過したガスＧ１はコア１２に到達し、コア１２の流入側開口部９１ａから第１流路９１に流入する。第１流路９１に流入したガスは波形部８３ａ，８４ａの間で乱流を生じながら、流出側開口部９１ｂからガス流出口４０を経てガス流通管４５へと流れる。

一方、冷却媒体として機能する冷却水Ｗが、冷却水供給管５６から継手５５を経て第１のスパイラルパイプ５１に供給される。第１のスパイラルパイプ５１の内部を流れた冷却水Ｗは、第１の中継管６１を通って第２のスパイラルパイプ５２に供給される。第２のスパイラルパイプ５２の内部を流れた冷却水Ｗは、第２の中継管６７と冷媒流入口９６を通って、コア１２の第２流路９２に流れ込む。第２流路９２に流入した冷却水Ｗは、波形部８３ａ，８４ａの間で乱流を生じながら、冷媒流出口１０１と継手１０２を経て冷媒流出管１０３へと流れる。

このように、ガス流通管３５からハウジング１１の内部に導入された高温ガスＧ１がコア１２の第１流路９１を流れるとともに、冷却水供給管５６からコア１２の第２流路９２に供給された冷却水Ｗが第２流路９２を流れることにより、プレート８３，８４を介して高温ガスＧ１と冷却水Ｗとの間で熱交換がなされ、高温ガスＧ１が冷却される。熱交換が行われて温度が低下したガスＧ２は、熱交換器１０の下流側に接続されたガス流通管４５に流出する。

ガス流入口３０から流入案内筒１６を通ってコア１２に向う高温ガスＧ１は、コア１２に向って流路断面積が増加する流入案内筒１６の内面１６ａに沿って層流を生じるため、流入案内筒１６の内面１６ａ付近では、内面１６ａから離れた位置よりも高温ガスＧ１が早く流れる傾向がある。しかもコア１２の上下方向に多数の第２流路９２が並んでいるため、コア１２の下部１２ａに近くなるほど、冷媒流入口９６から流入した冷却水の流速が圧力損失等によって遅くなる傾向がある。このためコア１２の下部１２ａ付近の温度が高くなりやすい。

本願の熱交換器１０では、流入案内筒１６内を流れる高温ガスＧ１と、スパイラルパイプ５１，５２内の冷却水Ｗとの間で熱交換が行なわれるため、高温ガスＧ１がコア１２に到達する前にこのガスＧ１の温度をある程度下げることができる。流入案内筒１６の内面１６ａ付近では高温ガスＧ１が層流を生じて比較的高速で移動するが、流入案内筒１６の内面１６ａに沿って第１のスパイラルパイプ５１が配置されているため、流入案内筒１６の内面１６ａ付近を流れる高温ガスＧ１の温度を効果的に下げることができる。流入案内筒１６の中央付近を流れる高温ガスＧ１は、第１のスパイラルパイプ５１の内側に配置されている第２のスパイラルパイプ５２に接することによって冷却される。

また、流入案内筒１６の下部に整流板７１が設けられているため、流入案内筒１６を通る高温ガスＧ１がコア１２の下部１２ａに向うことを整流板７１によって抑制することができる。しかも流入案内筒１６とコア収容部１５との間にパンチングメタル等からなる流通抑制部材７０が配置されているため、流入案内筒１６からコア１２に向う高温ガスＧ１の圧力が均等化されてコア１２に到達する。これらの理由により、コア１２の下部１２ａ付近の温度が局部的に高くなることが抑制され、比較的変形が生じやすいといわれるコア１２の下部１２ａ付近の熱応力による変形等を防止できるものである。

以上述べたように、ガス流入口３０から流入案内筒１６内に流入した高温ガスＧ１は、最初に第１のスパイラルパイプ５１と第２のスパイラルパイプ５２に接し、冷却水Ｗとの熱交換がなされる。このためスパイラルパイプ５１，５２がかなり高温になる可能性がある。しかし本実施形態のスパイラルパイプ５１，５２は、いずれも１本の金属パイプ材を螺旋形に成形した一体物であって、ろう付け等の接合部が存在せず、しかも螺旋形に巻かれているためコイルばねのようにある程度撓むことができる。このためスパイラルパイプ５１，５２が高温ガスＧ１に触れて熱応力が生じても、スパイラルパイプ５１，５２自身が撓むことによって応力を逃がすことができ、応力集中による塑性変形や損傷を生じることを回避できるものである。

なお本発明を実施するに当たって、例えばコアを収容するハウジングの形状や構成をはじめとして、コアを構成するプレートの具体的な態様や、予冷却器を構成するスパイラルパイプ等の具体的な形状や構成、配置等を適宜に変形して実施できることは言うまでもない。また冷却用媒体として冷却水以外の流体が使用されてもよい。

１０…熱交換器
１１…ハウジング
１２…コア
１５…コア収容部
１６…流入案内筒
３０…ガス流入口
４０…ガス流出口
５０…予冷却器
５１…第１のスパイラルパイプ
５２…第２のスパイラルパイプ
７０…流通抑制部材（パンチングメタル）
７１…整流板
８３，８４…プレート
９１…第１流路
９２…第２流路

Claims (5)

1. 複数のプレートを互いに重ねることによって構成され、これらプレート間に高温ガスが流れる第１流路と冷却用媒体が流れる第２流路とを形成してなるコアと、
   前記コアを収容するコア収容部と該コア収容部に連通するガス流入口およびガス流出口を有しかつ前記ガス流入口から前記コア収容部に向って流路断面積が増加する流入案内筒を有するハウジングと、
   前記流入案内筒の内側に該流入案内筒の内面に沿って配置された予冷却器と、
   を具備したことを特徴とする熱交換器。
2. 前記予冷却器は、前記流入案内筒の内面に沿って前記ガス流入口から前記コア収容部に向って径が増加するよう螺旋形に巻かれた第１のスパイラルパイプを有し、この第１のスパイラルパイプ内に前記冷却用媒体が流されることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記予冷却器は、前記第１のスパイラルパイプの内側に配置された第２のスパイラルパイプを有し、この第２のスパイラルパイプ内に前記冷却用媒体が流されることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記流入案内筒と前記コア収容部との間に、パンチングメタルからなる流通抑制部材が配置されていることを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
5. 前記流入案内筒の下部に、前記ガス流入口から流入するガスが前記コアの下部に向かうことを抑制する整流板が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。

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