JP2012215374A

JP2012215374A - 熱交換器

Info

Publication number: JP2012215374A
Application number: JP2011281195A
Authority: JP
Inventors: Keigo Nishida; 圭吾西田; Takayuki Irie; 隆之入江; Hisatomo Murakami; 久友村上
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2011-03-28
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2012-11-08
Anticipated expiration: 2031-12-22
Also published as: JP5848117B2

Abstract

【課題】熱交換器において、複数の伝熱管に作用する熱通過率の均一化を図ることで安全性を向上可能とする。
【解決手段】縦型中空形状をなす胴部１１と、この胴部１１内のおける上部及び下部に固定される一対の管板１２，１３と、隣接する複数の伝熱管１４が所定間隔をもって配置されると共に上端部及び下端部が各管板１２，１３を貫通して支持される伝熱管群１５と、胴部１１における下部から１次流体を流入して各伝熱管１４に供給可能な１次流体入口部１８と、胴部１１における上部から各伝熱管１４に供給された１次流体を排出可能な１次流体出口部１９と、胴部１１における伝熱管群１５の外周側に２次流体を流入可能な２次流体入口部２０と、胴部１１における伝熱管群１５の外周側から２次流体を排出可能な２次流体出口部２１と、伝熱管群１５の外周側から内部に流入する２次流体の流入抵抗を周方向で均一化する流入抵抗均一化装置とを設ける。
【選択図】図４

Description

本発明は、１次流体と２次流体との間で熱交換を行う熱交換器に関するものである。

一般的な熱交換器において、中空円筒形状をなす胴部は、下端部に１次流体の入口部が形成され、上端部に１次流体の出口部が形成されている。また、胴部は、上部と下部に一対の支持板が固定されており、この一対の支持板の間に配置された多数の伝熱管は、その上端部と下端部が各支持板を貫通して支持されている。そして、胴部は、上側部に２次流体の入口部が形成され、下側部に２次流体の出口部が形成されている。

従って、高温の１次流体が胴部の下端部にある入口部から胴部内に供給され、多数の伝熱管を上昇して胴部の上端部にある出口部から胴部外に排出される。一方、低温の２次流体は、胴部の上側部にある入口部から胴部内に供給され、多数の伝熱管の表面と接触しながら下降して胴部の下側部にある出口部から胴部外に排出される。このとき、多数の伝熱管を上昇する高温の１次流体と、胴部内を降下する低温の２次流体との間で熱交換が行われる。即ち、胴部内で、低温の２次流体が高温の１次流体を冷却する。

このような熱交換器としては、例えば、下記特許文献１に記載されたものがある。この特許文献１に記載された排気ガス冷却装置用多管式熱交換器は、シェル本体の排気ガス入口側にその軸心と略同心の筒状部を有するボンネットを接続し、このボンネットの筒状の内周部における内壁面に複数の孔が設けられたバッフルプレートを一体に固定したものである。

特開２００７−１７０２７１号公報

上述した従来の熱交換器では、低温の２次流体は、高温の１次流体が流れる多数の伝熱管により構成される伝熱管群に対して、その外周側から径方向に流入し、各伝熱管の間を通って下降していく。この場合、伝熱管群は、複数の伝熱管が所定の間隔を持って配列されており、例えば、伝熱管配列形状が三角配列となっている。この三角配列となる伝熱管群では、その外周側から流体が流れ込むとき、その伝熱管群への流入抵抗が周方向で相違することから、流体の流入量も周方向に分布が生じてしまう。このように伝熱管群への流入量における周方向分布が不均一になると、伝熱管の１本あたりの熱通過率が異なり、伝熱管ごとに温度差が生じる。複数の伝熱管の上下端部がそれぞれ管板に支持されている熱交換器では、温度が高い伝熱管が温度の低い伝熱管に対して伸びようとするが、上下端部が管板により支持されていることから延びることができず、圧縮応力が作用して座屈し、破損するおそれがある。

本発明は、上述した課題を解決するものであり、複数の伝熱管に作用する熱通過率の均一化を図ることで安全性を向上可能とする熱交換器を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本発明の熱交換器は、密閉式の縦型中空形状をなす胴部と、前記胴部内における上部及び下部に固定される一対の上部管板及び下部管板と、隣接する複数の伝熱管が所定間隔をもって配置されると共に上端部及び下端部が前記各管板を貫通して支持される伝熱管群と、前記胴部における上部と下部のうちの一方側から１次流体を流入して前記複数の伝熱管に供給可能な１次流体入口部と、前記胴部における上部と下部のうちの他方側から前記複数の伝熱管に供給された１次流体を排出可能な１次流体出口部と、前記胴部における前記伝熱管群の外周側に２次流体を流入可能な２次流体入口部と、前記胴部における前記伝熱管群の外周側から２次流体を排出可能な２次流体出口部と、前記伝熱管群の外周側から内部に流入する２次流体の流入抵抗を周方向で均一化する流入抵抗均一化装置と、を備えることを特徴とするものである。

従って、１次流体が１次流体入口部から複数の伝熱管に流入する一方、２次流体が２次流体入口部から胴部内に流入し、伝熱管群の外周部から内部に流れ込んだ後、複数の伝熱管の外表面と接触しながら流動する。この２次流体が伝熱管群の外周部から内部に流れ込むとき、２次流体は、流入抵抗均一化装置によりその流入抵抗が周方向で均一化されることとなり、複数の伝熱管内を流れる１次流体とその外側を流れる２次流体との間で、水平方向でほぼ均一な熱交換が行われる。その結果、複数の伝熱管に作用する熱通過率の均一化を図ることで、各伝熱管の熱収縮量がほぼ一定となり、変形や破損などを防止して安全性を向上することができる。

本発明の熱交換器では、前記流入抵抗均一化装置は、前記胴部と前記伝熱管群との間に所定隙間を持って配置される複数の貫通孔を有する筒体であって、前記伝熱管群の外周側から内部に流入する２次流体の流入抵抗が高い領域に対応した前記貫通孔は、前記伝熱管群の外周側から内部に流入する２次流体の流入抵抗が低い領域に対応した前記貫通孔より大きな開口面積に設定されることを特徴としている。

従って、流入抵抗均一化装置を胴部と伝熱管群との間に配置される複数の貫通孔を有する筒体とし、伝熱管群の外周側から内部に流入する２次流体の流入抵抗に応じて貫通孔の開口面積を変更することで、簡単な構成で、伝熱管群の外周側から内部に流入する２次流体の流入抵抗を容易に周方向で均一化することができる。

本発明の熱交換器では、前記伝熱管群の外周側からその中心部に向けて前記伝熱管が配置された領域に対応した前記貫通孔は、前記伝熱管群の外周側からその中心部に向けて前記伝熱管が配置されていない領域に対応した前記貫通孔より大きな開口面積に設定されることを特徴としている。

従って、複数の伝熱管の配置に応じて貫通孔の開口面積を変更することで、貫通孔の開口面積を容易に設定することが可能となり、装置の簡素化を可能とすることができる。

本発明の熱交換器では、前記筒体は、周方向に相対移動自在に支持される内側筒体と外側筒体を有し、該内側筒体と該外側筒体を周方向に相対移動させることで各貫通孔の開口面積を変更可能であることを特徴としている。

従って、筒体として内側筒体と外側筒体を設け、周方向に相対移動可能とすることで、熱交換器の運転状況に応じて各貫通孔の開口面積を変更することができ、常時、２次流体が伝熱管群の外周部から内部に流れ込むとき、その流入抵抗が周方向で均一化されることとなり、熱交換器の安定した運転を可能とすることができる。

本発明の熱交換器では、前記内側筒体に形成された複数の貫通孔における周方向のピッチと、前記外側筒体に形成された複数の貫通孔における周方向のピッチとが相違することを特徴としている。

従って、内側筒体と外側筒体との間で、複数の貫通孔における周方向のピッチを相違させるため、内側筒体と外側筒体とを周方向に相対移動させるだけで、各貫通孔の開口面積を容易に変更することができる。

本発明の熱交換器では、前記相対移動を行う駆動部は、前記上部管板の上部に設けられた駆動源と、前記上部管板を貫通し、前記駆動源と駆動ギアに装着され、前記駆動源の動力を前記駆動ギアに伝える駆動軸と、前記上部管板の下部に設けられ、前記駆動軸から伝えられた動力をさらにリングギアに伝える前記駆動ギアと、前記外側筒体の外周部または前記内側筒体の内周部に固定され、前記駆動ギアと噛み合う前記リングギアと、を備え、前記駆動源を駆動することで、前記駆動軸を介して前記駆動ギアが回転駆動し、前記駆動ギアと噛み合う前記リングギアを介して前記外側筒体または前記内側筒体が回転し、前記相対移動を実現することを特徴としている。

従って、前記駆動源を駆動することで、前記駆動軸を介して前記駆動ギアが回転駆動し、前記駆動ギアと噛み合う前記リングギアを介して前記外側筒体または前記内側筒体が回転し、前記相対移動を実現することができる。

前記相対移動を行う駆動部は、前記内側筒体または前記外側筒体の上端縁に形成され、周方向に離間且つ相対向する傾斜角度を持つ２つの傾斜面を有する窪み部と、前記窪み部の前記傾斜面に対し摺動可能な摺接面をそれぞれ有し、上下方向の長さが前記窪み部よりも短く、前記窪み部内で互いに横方向に隣接して、互いに上下方向に摺動可能な隣接面をそれぞれ有する２つの楔片と、上下方向を向き、上部はネジ軸となっており、下部は前記楔片に対し回転自在となるよう係合されている２つのネジ部と、を備え、前記上部管板は、上下方向に貫通し、２つの前記ネジ軸と螺合する２つのネジ穴を備え、前記ネジ部が調節されることで前記楔片が上下方向に移動し、前記楔片の移動に合わせて前記窪み部の前記傾斜面が摺動することで、前記相対移動を実現することを特徴としている。

従って、動力源無しに前記相対移動を行うことができ、また、前記内側筒体または前記外側筒体の位置決めを行った後に、前記ネジ部の上にキャップを設け、前記キャップと前記上部管板とを溶接することで気密性を保つことができる。

本発明の熱交換器によれば、伝熱管群の外周側から内部に流入する２次流体の流入抵抗を周方向で均一化する流入抵抗均一化装置を設けるので、複数の伝熱管に作用する熱通過率の均一化を図り、各伝熱管の熱収縮量をほぼ一定とし、この伝熱管の変形や破損などを防止して安全性を向上することができる。

図１は、本発明の実施例１に係る熱交換器を表す概略図である。図２は、実施例１の熱交換器を表す水平断面図である。図３は、実施例１の熱交換器における伝熱管群と筒体とを表す概略図である。図４は、伝熱管の所定配置に対する筒体における貫通孔の位置を説明するための概略図である。図５−１は、伝熱管群の所定領域における２次流体の流れを表す概略図である。図５−２は、伝熱管群の所定領域における２次流体の流れを表す概略図である。図５−３は、伝熱管群の所定領域における２次流体の流れを表す概略図である。図５−４は、伝熱管群の所定領域における２次流体の流れを表す概略図である。図６は、伝熱管の別の配置に対する筒体における貫通孔の位置を説明するための概略図である。図７−１は、伝熱管群の所定領域における２次流体の流れを表す概略図である。図７−２は、伝熱管群の所定領域における２次流体の流れを表す概略図である。図７−３は、伝熱管群の所定領域における２次流体の流れを表す概略図である。図７−４は、伝熱管群の所定領域における２次流体の流れを表す概略図である。図８は、本発明の実施例２に係る熱交換器における筒体の支持構造を表す縦断面図である。図９は、実施例２の熱交換器における筒体の支持構造を表す水平断面図である。図１０は、実施例２の熱交換器における筒体の開口面積を説明するための断面図である。図１１−１は、本発明の実施例３に係る熱交換器における筒体の構造を表す概略図である。図１１−２は、実施例３の熱交換器における筒体の下部支持構造を表す概略図である。図１２−１は、実施例３の熱交換器における筒体の駆動部の初期状態を表す縦断面図である。図１２−２は、実施例３の熱交換器における筒体の駆動部の駆動後の一例を表す縦断面図である。図１３は、実施例３の熱交換器におけるシール溶接部付近を表す縦断面図である。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る熱交換器の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。

図１は、本発明の実施例１に係る熱交換器を表す概略図、図２は、実施例１の熱交換器を表す水平断面図、図３は、実施例１の熱交換器における伝熱管群と筒体とを表す概略図、図４は、伝熱管の所定配置に対する筒体における貫通孔の位置を説明するための概略図、図５−１から図５−４は、伝熱管群の所定領域における２次流体の流れを表す概略図、図６は、伝熱管の別の配置に対する筒体における貫通孔の位置を説明するための概略図、図７−１から図７−４は、伝熱管群の所定領域における２次流体の流れを表す概略図である。

実施例１の熱交換器において、図１及び図２に示すように、胴部１１は、密閉式の縦型中空円筒形状をなし、上大径部１１ａと下大径部１１ｂとの間に小径部１１ｃが形成されて構成されている。この胴部１１は、上大径部１１ａの上端部と下大径部１１ｂの下端部にそれぞれ上部管板１２と下部管板１３が固定されている。そして、胴部１１は、その内部であって、上部管板１２と下部管板１３の間に複数の伝熱管１４からなる伝熱管群１５が配置されている。

この複数の伝熱管１４は、胴部１１内に隣接する伝熱管１４同士が所定間隔をもって配置されており、各伝熱管１４の上端部が上部管板１２を貫通して固定される一方、下端部が下部管板１３を貫通して固定されることで、伝熱管群１５がこの上下の管板１２，１３を介して胴部１１に支持されることとなる。この場合、複数の伝熱管１４は、正三角形配列されているが、正方向配列としてもよい。

胴部１１は、上部管板１２と下部管板１３が固定されることで、流出部１６及び流入部１７が区画され、この流出部１６と流入部１７は、複数の伝熱管１４（伝熱管群１５）により連通される。そして、流入部１７は、ここに１次流体を流入して複数の伝熱管１４に供給可能な１次流体入口部１８が形成されている。一方、流出部１６は、複数の伝熱管１４に供給された１次流体をここから排出可能な１次流体出口部１９が形成されている。

また、胴部１１は、外周側、つまり、上大径部１１ａに伝熱管群１５の外周側に対して２次流体を流入可能な２次流体入口部２０が形成されている。また、胴部１１は、外周側、つまり、下大径部１１ｂに伝熱管群１５の外周側から２次流体を排出可能な２次流体出口部２１が形成されている。

そして、実施例１では、２次流体入口部２０から胴部１１の上大径部１１ａ、つまり、伝熱管群１５の外周側に流入し、この伝熱管群１５の外周側からその内部（複数の伝熱管１４の間）に流入する２次流体の流入抵抗を周方向で均一化する流入抵抗均一化装置が設けられている。

ここでは、流入抵抗均一化装置として、胴部１１と伝熱管群１５との間に、両者と所定隙間をもって配置される複数の貫通孔を有する筒体２２を設けている。この筒体２２は、上端部が上部管板１２に固定され、下端部が下部管板１３に固定されている。そして、筒体２２は、図３に示すように、伝熱管群１５の外周側から内部に流入する２次流体の流入抵抗が高い領域に対応して比較的大きな第１貫通孔２３が形成され、伝熱管群１５の外周側から内部に流入する２次流体の流入抵抗が低い領域に対応して比較的小さな第２貫通孔２４が形成されており、第１貫通孔２３は、第２貫通孔２４より大きな開口面積に設定されている。この場合、各貫通孔２３，２４は、同形状のものが上下方向（筒体２２の軸方向）に所定間隔（均等間隔）で設けられている。

具体的には、伝熱管群１５の外周側からその中心部に向けて伝熱管１４が配置された領域に対応した第１貫通孔２３は、伝熱管群１５の外周側からその中心部に向けて伝熱管１４が配置されていない領域に対応した第２貫通孔２４より大きな開口面積に設定されている。

ここで、複数の伝熱管１４の配置と筒体２２に形成された貫通孔２３，２４との関係について詳細に説明する。

まず、胴体１１内にて、図４に示すように、内部に複数の伝熱管１４が正三角形配列されているものの、この伝熱管１４が胴体１１の中心Ｏに配置されていない伝熱管群１５である場合について説明する。例えば、所定の位置（０度）にて、２次流体Ｆａ１が伝熱管群１５の領域Ａ１に流入するとき、図５−１に示すように、２次流体Ｆａ１は、流入する位置に伝熱管１４がないことから、伝熱管群１５の内部へ流れやすくなり、筒体２２の対応する位置には、比較的内径の小さい第２貫通孔２４を形成すればよい。また、図４及び図５−２に示すように、所定の位置（３０度）にて、２次流体Ｆｂ１が伝熱管群１５の領域Ｂ１に流入するとき、２次流体Ｆｂ１は、流入する位置に伝熱管１４があることから、伝熱管群１５の内部へ流れにくくなり、筒体２２の対応する位置には、比較的内径の大きい第１貫通孔２３を形成すればよい。

また、図４及び図５−３に示すように、所定の位置（６０度）にて、２次流体Ｆｃ１が伝熱管群１５の領域Ｃ１に流入するとき、２次流体Ｆｃ１は、流入する位置に伝熱管１４がないことから、伝熱管群１５の内部へ流れやすくなり、筒体２２の対応する位置には、比較的内径の小さい第２貫通孔２４を形成すればよい。また、図４及び図５−４に示すように、所定の位置（９０度）にて、２次流体Ｆｄ１が伝熱管群１５の領域Ｄ１に流入するとき、２次流体Ｆｄ１は、流入する位置に伝熱管１４があることから、伝熱管群１５の内部へ流れにくくなり、筒体２２の対応する位置には、比較的内径の大きい第１貫通孔２３を形成すればよい。

次に、胴体１１内にて、図６に示すように、内部に複数の伝熱管１４が正三角形配列されており、この伝熱管１４が胴体１１の中心Ｏに配置されている伝熱管群１５である場合について説明する。例えば、所定の位置（０度）にて、２次流体Ｆａ２が伝熱管群１５の領域Ａ２に流入するとき、図７−１に示すように、２次流体Ｆａ２は、流入する位置に伝熱管１４がないことから、伝熱管群１５の内部へ流れやすくなり、筒体２２の対応する位置には、比較的内径の小さい第２貫通孔２４を形成すればよい。また、図６及び図７−２に示すように、所定の位置（３０度）にて、２次流体Ｆｂ２が伝熱管群１５の領域Ｂ２に流入するとき、２次流体Ｆｂ２は、流入する位置に伝熱管１４があることから、伝熱管群１５の内部へ流れにくくなり、筒体２２の対応する位置には、比較的内径の大きい第１貫通孔２３を形成すればよい。

また、図６及び図７−３に示すように、所定の位置（６０度）にて、２次流体Ｆｃ２が伝熱管群１５の領域Ｃ２に流入するとき、２次流体Ｆｃ２は、流入する位置に伝熱管１４がないことから、伝熱管群１５の内部へ流れやすくなり、筒体２２の対応する位置には、比較的内径の小さい第２貫通孔２４を形成すればよい。また、図６及び図７−４に示すように、所定の位置（９０度）にて、２次流体Ｆｄ２が伝熱管群１５の領域Ｄ２に流入するとき、２次流体Ｆｄ２は、流入する位置に伝熱管１４があることから、伝熱管群１５の内部へ流れにくくなり、筒体２２の対応する位置には、比較的内径の大きい第１貫通孔２３を形成すればよい。

なお、図４及び図６に示すように、伝熱管１４の配置に応じて筒体２２に形成する各貫通孔２３，２４の大きさを適正に設定したが、上記した伝熱管１４の配置条件に適合しない位置には、第１貫通孔２３より小さく、且つ、第２貫通孔２４より大きい第３貫通孔２５を形成すればよい。

従って、図１乃至図３に示すように、高温の１次流体が胴部１１の下部にある１次流体入口部１８から流入部１７に流入し、ここから複数の伝熱管１４に分岐して供給され、各伝熱管１４内を上昇する。一方、低温の２次流体は、胴部１１の上側部にある２次流体入口部２０から上大径部１１ａ内に流入し、周方向に流動した後に、伝熱管群１５の外周部から筒体２２の各貫通孔２３，２４，２５を通って内部に流れ込み、この伝熱管群１５内を複数の伝熱管１４の外表面と接触しながら下降する。

この低温の２次流体が伝熱管群１５の外周部から筒体２２の各貫通孔２３，２４，２５を通って内部に流れ込むとき、筒体２２には、２次流体の流入抵抗が高い領域に大きな第１貫通孔２３が形成され、２次流体の流入抵抗が低い領域に小さな第２貫通孔２４が形成されていることから、伝熱管群１５の外周部から筒体２２の各貫通孔２３，２４，２５を通って内部に流れ込む２次流体は、伝熱管群１５の周方向でその流量がほぼ均一化されることとなる。

そのため、複数の伝熱管１４内を上昇する高温の１次流体に対して、複数の伝熱管１４の外側を下降する低温の２次流体との間で、適正に、且つ、水平方向でほぼ均一な熱交換が行われることとなる。即ち、胴部１１内を下降する低温の２次流体は、各伝熱管１４を上昇する高温の１次流体から熱を奪って高温となり、一方、１次流体が冷却される。

その後、伝熱管１４内を上昇する１次流体は、胴部１１の上部にある流出部１６を介して１次流体出口部１９から外部に排出され、一方、胴部１１内を下降する２次流体は、胴部１１の下側部にある下大径部１１ｂを介して２次流体出口部２１から外部に排出される。

このように実施例１の熱交換器にあっては、密閉式の縦型中空形状をなす胴部１１と、この胴部１１内のおける上部及び下部に固定される一対の上部管板１２及び下部管板１３と、隣接する複数の伝熱管１４が所定間隔をもって配置されると共に上端部及び下端部が各管板１２，１３を貫通して支持される伝熱管群１５と、胴部１１における下部から１次流体を流入して各伝熱管１４に供給可能な１次流体入口部１８と、胴部１１における上部から各伝熱管１４に供給された１次流体を排出可能な１次流体出口部１９と、胴部１１における伝熱管群１５の外周側に２次流体を流入可能な２次流体入口部２０と、胴部１１における伝熱管群１５の外周側から２次流体を排出可能な２次流体出口部２１と、伝熱管群１５の外周側から内部に流入する２次流体の流入抵抗を周方向で均一化する流入抵抗均一化装置とを設けている。

従って、１次流体が１次流体入口部１８から複数の伝熱管１４に流入する一方、２次流体が２次流体入口部２０から胴部１１内に流入し、伝熱管群１５の外周部から内部に流れ込んだ後、複数の伝熱管１４の外表面と接触しながら流動する。この２次流体が伝熱管群１５の外周部から内部に流れ込むとき、２次流体は、流入抵抗均一化装置によりその流入抵抗が周方向で均一化されることとなり、複数の伝熱管１４内を流れる１次流体とその外側を流れる２次流体との間で、水平方向でほぼ均一な熱交換が行われる。その結果、複数の伝熱管１４に作用する熱通過率の均一化を図ることで、各伝熱管１４の熱収縮量がほぼ一定となり、変形や破損などを防止して安全性を向上することができる。

また、実施例１の熱交換器では、流入抵抗均一化装置として、胴部１１と伝熱管群１５との間に所定隙間を持って配置される複数の貫通孔２３，２４を有する筒体２２を設け、伝熱管群１５の外周側から内部に流入する２次流体の流入抵抗が高い領域に対応した第１貫通孔２３を、伝熱管群１５の外周側から内部に流入する２次流体の流入抵抗が低い領域に対応した第２貫通孔２４より大きな開口面積に設定している。従って、流入抵抗均一化装置を、伝熱管群１５の外周側から内部に流入する２次流体の流入抵抗に応じて異なる開口面積の貫通孔２３，２４を有する筒体２２とすることで、簡単な構成で、伝熱管群１５の外周側から内部に流入する２次流体の流入抵抗を容易に周方向で均一化することができる。

また、実施例１の熱交換器では、伝熱管群１５の外周側からその中心部に向けて伝熱管１４が配置された領域に対応した第１貫通孔２３を、伝熱管群１５の外周側からその中心部に向けて伝熱管１４が配置されていない領域に対応した第２貫通孔２４より大きな開口面積に設定したので、複数の伝熱管１４の配置に応じて貫通孔２３，２４の開口面積を変更することで、貫通孔２３，２４の開口面積を容易に設定することが可能となり、装置の簡素化を可能とすることができる。

図８は、本発明の実施例２に係る熱交換器における筒体の支持構造を表す縦断面図、図９は、実施例２の熱交換器における筒体の支持構造を表す水平断面図、図１０は、実施例２の熱交換器における筒体の開口面積を説明するための断面図である。なお、本実施例の熱交換器の基本的な構成は、上述した実施例１とほぼ同様の構成であり、図１及び図２を用いて説明すると共に、上述した実施例と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

実施例２の熱交換器において、図１及び図２に示すように、胴部１１は、内部に上部管板１２と下部管板１３が固定され両者の間に伝熱管群１５が配置されており、各伝熱管１４は、上端部が上部管板１２を貫通して固定される一方、下端部が下部管板１３を貫通して固定されている。そして、胴部１１は、各伝熱管１４に連通するように、下部に１次流体入口部１８が形成される一方、上部に１次流体出口部１９が形成されている。また、胴部１１は、上大径部１１ａに２次流体を流入可能な２次流体入口部２０が形成される一方、下大径部１１ｂに２次流体を排出可能な２次流体出口部２１が形成されている。

そして、実施例２では、２次流体入口部２０から胴部１１の上大径部１１ａ、つまり、伝熱管群１５の外周側に流入し、この伝熱管群１５の外周側からその内部（複数の伝熱管１４の間）に流入する２次流体の流入抵抗を周方向で均一化する流入抵抗均一化装置が設けられている。

ここでは、図８及び図９に示すように、流入抵抗均一化装置として、胴部１１と伝熱管群１５との間に、両者と所定隙間をもって配置される複数の貫通孔を有する筒体３１を設けている。この筒体３１は、周方向に相対移動自在に支持される内側筒体３２と外側筒体３３とから構成されている。内側筒体３２は、上端部が上部管板１２に固定され、下端部が下部管板１３（図１参照）に固定されている。外側筒体３３は、上端部が上部管板１２に軸受３４により回転自在に支持され、下端部が下部管板に軸受（図示略）により回転自在に支持されている。

また、外側筒体３３は、上端外周部にリングギア３５が固定されている。一方、駆動装置３６は、上部管板１２上に配置され、駆動軸３７が上部管板１２を下方に貫通して駆動ギア３８が装着されており、この駆動ギア３８が外側筒体３３のリングギア３５に噛み合っている。従って、駆動装置３６を駆動すると、駆動軸３７を介して駆動ギア３８が回転駆動し、この駆動ギア３８と噛み合うリングギア３５を介して外側筒体３３を回転することができる。

そして、内側筒体３２と外側筒体３３は、図１０に示すように、複数の貫通孔４１，４２が周方向及び軸方向に均等間隔で設けられており、内側筒体３２に対して外側筒体３３を周方向に回動（相対移動）させることで、各貫通孔４１，４２を合わせた開口面積を変更可能としている。即ち、内側筒体３２に形成された複数の貫通孔４１における周方向のピッチＰ１と、外側筒体３３に形成された複数の貫通孔４２における周方向のピッチＰ２とが相違している。

そのため、伝熱管群１５の外周側から内部に流入する２次流体の流入抵抗が高い領域に対応する各貫通孔４１，４２による開口面積を比較的大きなものとし、伝熱管群１５の外周側から内部に流入する２次流体の流入抵抗が低い領域に対応する各貫通孔４１，４２による開口面積を比較的小さなものとしている。具体的には、伝熱管群１５の外周側からその中心部に向けて伝熱管１４が配置された領域に対応する各貫通孔４１，４２による開口面積を、伝熱管群１５の外周側からその中心部に向けて伝熱管１４が配置されていない領域に対応する各貫通孔４１，４２による開口面積より大きな開口面積に設定している。

従って、図１及び図８に示すように、高温の１次流体は、１次流体入口部１８から流入部１７を介して複数の伝熱管１４に供給され、この各伝熱管１４内を上昇する。一方、低温の２次流体は、胴部１１に２次流体入口部２０から流入し、周方向に流動した後に、伝熱管群１５の外周部から筒体３１の各貫通孔４１，４２を通って内部に流れ込み、この伝熱管群１５内を複数の伝熱管１４の外表面と接触しながら下降する。

この低温の２次流体が伝熱管群１５の外周部から筒体３１の各貫通孔４１，４２を通って内部に流れ込むとき、筒体３１には、２次流体の流入抵抗が高い領域に大きな開口面積となるように貫通孔４１，４２の相対位置が設定され、２次流体の流入抵抗が低い領域に小さな開口面積となるように貫通孔４１，４２の相対位置が設定されていることから、伝熱管群１５の外周部から筒体３１の各貫通孔４１，４２を通って内部に流れ込む２次流体は、伝熱管群１５の周方向でその流量がほぼ均一化されることとなる。

また、熱交換器は、例えば、起動時における２次流体の供給量が不十分となり、伝熱管１４の配置だけでなく、２次流体の供給量により伝熱管群１５内に流入する２次流体の流入量がばらついてしまう。そのため、それに応じて、駆動装置３６を駆動することで、駆動ギア３８を介してリングギア３５を回動し、外側筒体３３を内側筒体３２に対して回転し、各貫通孔４１と各貫通孔４２との周方向における位置関係を変更し、筒体３１全体としての開口面積を変更する。この場合、伝熱管群１５の外周側から内部に流入する２次流体の流入抵抗が高い領域では、各貫通孔４１，４２の組み合わせによる開口面積を大きなものとし、伝熱管群１５の外周側から内部に流入する２次流体の流入抵抗が低い領域では、各貫通孔４１，４２の組み合わせによる開口面積を小さなものとする。

なお、この起動時に、伝熱管群１５の外周側から内部に流入する２次流体の流入抵抗が高い領域と低い領域とを予め実験等により求めてマップ化しておき、そのマップに応じて内側筒体３２に対する外側筒体３３の相対位置を調整すればよい。伝熱管群１５内に複数の流量計や圧力計を設けることで、伝熱管群１５の外周側から内部に流入する２次流体の流入抵抗を計測し、その計測結果に基づいて、内側筒体３２に対する外側筒体３３の相対位置を調整するようにしてもよい。

このように実施例２の熱交換器にあっては、伝熱管群１５の外周側から内部に流入する２次流体の流入抵抗を周方向で均一化する流入抵抗均一化装置として、多数の貫通孔４１,４２を有する筒体３１を設け、この筒体３１を、周方向に相対移動自在に支持される内側筒体３２と外側筒体３３とにより構成し、この内側筒体３２と外側筒体３３を周方向に相対移動させることで各貫通孔４１，４２の開口面積を変更可能としている。

従って、２次流体が伝熱管群１５の外周部から内部に流れ込むとき、２次流体は、筒体３１によりその流入抵抗が周方向で均一化されることとなり、複数の伝熱管１４内を流れる１次流体とその外側を流れる２次流体との間で、水平方向でほぼ均一な熱交換が行われる。その結果、複数の伝熱管１４に作用する熱通過率の均一化を図ることで、各伝熱管１４の熱収縮量がほぼ一定となり、変形や破損などを防止して安全性を向上することができる。

また、筒体３１として内側筒体３２と外側筒体３３を設け、周方向に相対移動可能とすることで、熱交換器の運転状況に応じて各貫通孔４１，４２の開口面積を変更することができ、常時、２次流体が伝熱管群１５の外周部から内部に流れ込むとき、その流入抵抗が周方向で均一化されることとなり、熱交換器の安定した運転を可能とすることができる。

また、実施例２の熱交換器では、内側筒体３２に形成された複数の貫通孔４１における周方向のピッチＰ１と、外側筒体３３に形成された複数の貫通孔４２における周方向のピッチＰ２とを相違させている。従って、内側筒体３２と外側筒体３３との間で、複数の貫通孔４１，４２における周方向のピッチＰ１，Ｐ２を相違させるため、内側筒体３２と外側筒体３３とを周方向に相対移動させるだけで、各貫通孔４１，４２の開口面積を容易に変更することができる。

なお、この実施例２では、筒体３１として２つの内側筒体３２と外側筒体３３を設けたが、３つ以上設けてもよいものである。また、外側筒体３３を回転可能としたが、内側筒体３２を回転可能としたり、全てを回転可能としたりしてもよい。

そして、実施例２の熱交換器では、内側筒体３２または外側筒体３３の相対移動を行う駆動部は、上部管板１２の上部に設けられた駆動装置３６と、上部管板１２を貫通し、駆動装置３６と駆動ギア３８に装着され、駆動装置３６の動力を駆動ギア３８に伝える駆動軸３７と、上部管板１２の下部に設けられ、駆動軸３７から伝えられた動力をさらにリングギア３５に伝える駆動ギア３８と、外側筒体３３の外周部または内側筒体３２の内周部に固定され、駆動ギア３８と噛み合うリングギア３５と、を備え、駆動装置３６を駆動することで、駆動軸３７を介して駆動ギア３８が回転駆動し、駆動ギア３８と噛み合うリングギア３５を介して外側筒体３３または内側筒体３２が回転し、前述の相対移動を実現することを特徴としている。

従って、駆動装置３６を駆動することで、駆動軸３７を介して駆動ギア３８が回転駆動し、駆動ギア３８と噛み合うリングギア３５を介して外側筒体３３または内側筒体３２が回転し、前述の相対移動を実現することができる。

実施例２に係る装置では、駆動軸３７が上部管板１２を貫通しているため、気密性が低下する可能性がある。実施例３に係る装置は、実施例２に係る装置を改良し、気密性をより向上させたものである。

図１１−１は、本発明の実施例３に係る熱交換器における筒体の構造を表す概略図、図１１−２は、実施例３の熱交換器における筒体の下部支持構造を表す概略図、図１２−１は、実施例３の熱交換器における筒体の駆動部の初期状態を表す縦断面図、図１２−２は、実施例３の熱交換器における筒体の駆動部の駆動後の一例を表す縦断面図、図１３は、実施例３の熱交換器におけるシール溶接部付近を表す縦断面図である。なお、本実施例の熱交換器の基本的な構成は、上述した実施例２とほぼ同様であるため省略し、以下、主な相違部分を説明する。

実施例３の熱交換器における流入抵抗均一化装置は、実施例２と同様に、筒体３１が内側筒体３２と外側筒体３３から構成されており、各筒体の貫通孔の開口面積及びピッチも実施例２と同一である。また、内側筒体３２は、上端部が上部管板１２に固定され、下端部が下部管板１３に固定されており、外側筒体３３は、図１１−１に示すように、上端縁に窪み部４３が設けられており、その上端部は上部管板１２に軸受（図示略）により回転自在に支持され、下端部は下部管板１３に突部１３ａ（図１１−２参照）により回転自在に支持されている。

上述のようにすることで、内側筒体３２及び外側筒体３３の位置ずれを防止すると共に、窪み部４３の傾斜面に荷重が加わると、荷重の横方向成分Ｆ（図１１−１参照）は中心軸に対しての回転力となり、外側筒体３３が中心軸を中心として回転することとなる。

ここで、窪み部４３付近の構成を詳述する。図１２−１に示すように、実施例３の熱交換器において、外側筒体３３の上端縁に形成された窪み部４３は、周方向に離間し、離間距離が上向きに広がるようなＶ字型に相対向する傾斜角度を持つ２つの傾斜面を有する。また、上部管板１２には、上下方向に貫通する第１のネジ穴４８と第２のネジ穴４９が設けられている。

さらに、窪み部４３内には、第１の楔片４４と第２の楔片４５が設けられている。この楔片４４，４５は、傾斜面に対し摺動可能な摺接面をそれぞれ有し、上下方向の長さが窪み部４３よりも短く、窪み部４３内で互いに横方向に隣接して、互いに上下方向に摺動可能な隣接面をそれぞれ有する。そして、２つの楔片４４，４５には、２つの楔片４４，４５それぞれに対し回転自在となるよう下部が係合された、第１のネジ部４６と第２のネジ部４７を備える。ネジ部４６，４７は上下方向を向いており、上部は、上部管板１２の第１のネジ穴４８及び第２のネジ穴４９と螺合する。

上述の構成とすることで、図１２−２に示すように、例えば、第２のネジ部４７を調節し、第２の楔片４５を上方向へ移動させることで、締り嵌めされた状態を解除した後、第１のネジ部４６を調節することにより、第１の楔片４４を下方向に移働し、第１の楔片４４の移動に合わせて窪み部４３の傾斜面が摺動することで、外側筒体３３の回転量を調節することができる。回転量を調節した後は、第２のネジ部４７を調節することで第２の楔片４５を移動させ、固定する。勿論、第１のネジ部４６及び第１の楔片４４と、第２のネジ部４７及び第２の楔片４５との動作を入れ替えれば逆方向へ回動させることができる。このようにして、実施例２のような動力源無しに外側筒体３３の回動（相対移動）を実現することができる。

このとき、例えば第１のネジ穴４８の上端縁を上方向に突起した形状としておき、上述のように外側筒体３３の回転量を固定して位置決めを行った後、図１３に示すように、第１のネジ部４６の上にキャップ５０を設け、キャップ５０の上端縁部分を突起させ、第１のネジ穴４６の上端縁の突起との接触部分の上辺のみを、シール溶接されるシール溶接部５１となるようにしておけば、気密性を保つことが可能となる。さらに、このような構成とすることで、外側筒体３３の位置を再度変更する場合、シール溶接部５１のみを削るという簡易的な作業で溶接部分の取り外しが可能となり便利である。尚、第２のネジ部４７についても上述と同様の構成とする。

なお、この実施例３においては、窪み部４３の傾斜面が、上向きに離間距離が広がるようになっているが、この窪み部４３を上下逆向きの形状として、楔片４４，４５の形状も上下逆向きとすると、同じように外側筒体の相対移動を行うことが可能である。

また実施例２と同様に、筒体３１として２つの内側筒体３２と外側筒体３３を設けたが、３つ以上設けてもよいものである。また、外側筒体３３を回転可能としたが、内側筒体３２を回転可能としたり、全てを回転可能としたりしてもよい。

このように、実施例３の熱交換器では、内側筒体３２または外側筒体３３の相対移動を行う駆動部は、内側筒体３２または外側筒体３３の上端縁に形成され、周方向に離間且つ相対向する傾斜角度を持つ２つの傾斜面を有する窪み部４３と、窪み部４３の傾斜面に対し摺動可能な摺接面をそれぞれ有し、上下方向の長さが窪み部４３よりも短く、窪み部４３内で互いに横方向に隣接して、互いに上下方向に摺動可能な隣接面をそれぞれ有する２つの楔片４４，４５と、上下方向を向き、上部はネジ軸となっており、下部は楔片４４，４５に対し回転自在となるよう係合されている２つのネジ部４６，４７と、を備え、上部管板１２は、上下方向に貫通し、２つのネジ軸と螺合する２つのネジ穴４８，４９を備え、ネジ部４８，４９が調節されることで楔片４４，４５が上下方向に移動し、楔片４４，４５の移動に合わせて窪み部４３の傾斜面が摺動することで、前述の相対移動を実現することを特徴としている。

従って、動力源無しに前述の相対移動を行うことができ、また、内側筒体３２または外側筒体３３の位置決めを行った後に、ネジ部４６，４７の上にキャップ５０を設け、キャップ５０と上部管板１２とを溶接することで気密性を保つことができる。

また、上述した各実施例では、流入抵抗均一化装置として胴部１１と伝熱管群１５との間に配置される複数の貫通孔２３，２４，２５，４１，４２を有する筒体２２，３１としたが、この構成に限定されるものではない。例えば、２次流体が伝熱管群１５の外周部から内部に流れ込むと、その後に各伝熱管１４に沿って下降することから、筒体２２，３１を伝熱管群１５内に配置してもよい。また、流入抵抗均一化装置として胴部１１と伝熱管群１５との間や伝熱管群１５内に抵抗体を配置してもよい。

１１胴部
１２，１３管板
１４伝熱管
１５伝熱管群
１８１次流体入口部
１９１次流体出口部
２０２次流体入口部
２１２次流体出口部
２２筒体（流入抵抗均一化装置）
２３第１貫通孔
２４第２貫通孔
３１筒体（流入抵抗均一化装置）
３２内側筒体
３３外側筒体
３５リングギア
３６駆動装置
３７駆動軸
３８駆動ギア
４１，４２貫通孔
４３窪み部
４４第１楔片
４５第２楔片
４６第１ネジ部
４７第２ネジ部
４８第１ネジ穴
４９第２ネジ穴
５０キャップ
５１シール溶接部

Claims

密閉式の縦型中空形状をなす胴部と、
前記胴部内における上部及び下部に固定される一対の上部管板及び下部管板と、
隣接する複数の伝熱管が所定間隔をもって配置されると共に上端部及び下端部が前記各管板を貫通して支持される伝熱管群と、
前記胴部における上部と下部のうちの一方側から１次流体を流入して前記複数の伝熱管に供給可能な１次流体入口部と、
前記胴部における上部と下部のうちの他方側から前記複数の伝熱管に供給された１次流体を排出可能な１次流体出口部と、
前記胴部における前記伝熱管群の外周側に２次流体を流入可能な２次流体入口部と、
前記胴部における前記伝熱管群の外周側から２次流体を排出可能な２次流体排出部と、
前記伝熱管群の外周側から内部に流入する２次流体の流入抵抗を周方向で均一化する流入抵抗均一化装置と、
を備えることを特徴とする熱交換器。
前記流入抵抗均一化装置は、前記胴部と前記伝熱管群との間に所定隙間を持って配置される複数の貫通孔を有する筒体であって、前記伝熱管群の外周側から内部に流入する２次流体の流入抵抗が高い領域に対応した前記貫通孔は、前記伝熱管群の外周側から内部に流入する２次流体の流入抵抗が低い領域に対応した前記貫通孔より大きな開口面積に設定されることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
前記伝熱管群の外周側からその中心部に向けて前記伝熱管が配置された領域に対応した前記貫通孔は、前記伝熱管群の外周側からその中心部に向けて前記伝熱管が配置されていない領域に対応した前記貫通孔より大きな開口面積に設定されることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
前記筒体は、周方向に相対移動自在に支持される内側筒体と外側筒体を有し、該内側筒体と該外側筒体を周方向に相対移動させることで各貫通孔の開口面積を変更可能であることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
前記内側筒体に形成された複数の貫通孔における周方向のピッチと、前記外側筒体に形成された複数の貫通孔における周方向のピッチとが相違することを特徴とする請求項４に記載の熱交換器。
前記相対移動を行う駆動部は、
前記上部管板の上部に設けられた駆動源と、
前記上部管板を貫通し、前記駆動源と駆動ギアに装着され、前記駆動源の動力を前記駆動ギアに伝える駆動軸と、
前記上部管板の下部に設けられ、前記駆動軸から伝えられた動力をさらにリングギアに伝える前記駆動ギアと、
前記外側筒体の外周部または前記内側筒体の内周部に固定され、前記駆動ギアと噛み合う前記リングギアと、
を備え、
前記駆動源を駆動することで、前記駆動軸を介して前記駆動ギアが回転駆動し、前記駆動ギアと噛み合う前記リングギアを介して前記外側筒体または前記内側筒体が回転し、前記相対移動を実現することを特徴とする請求項４または５に記載の熱交換器。
前記相対移動を行う駆動部は、
前記内側筒体または前記外側筒体の上端縁に形成され、周方向に離間且つ相対向する傾斜角度を持つ２つの傾斜面を有する窪み部と、
前記窪み部の前記傾斜面に対し摺動可能な摺接面をそれぞれ有し、上下方向の長さが前記窪み部よりも短く、前記窪み部内で互いに横方向に隣接して、互いに上下方向に摺動可能な隣接面をそれぞれ有する２つの楔片と、
上下方向を向き、上部はネジ軸となっており、下部は前記楔片に対し回転自在となるよう係合されている２つのネジ部と、
を備え、
前記上部管板は、上下方向に貫通し、２つの前記ネジ軸と螺合する２つのネジ穴を備え、
前記ネジ部が調節されることで前記楔片が上下方向に移動し、前記楔片の移動に合わせて前記窪み部の前記傾斜面が摺動することで、前記相対移動を実現することを特徴とする請求項４または５に記載の熱交換器。