JP2019174014A - 熱交換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 伝熱部支持構造を小型化して、ケーシングとフレームの鉄骨重量、溶接量を減らし、熱交換装置を設置するための労力と費用を低減する。【解決手段】 平面視の断面が矩形状に形成されたケーシングと、ケーシングの外面に設けられた、ケーシングの強度を保つフレーム材と、ケーシングの内部に配置された伝熱部と、伝熱部を下方から支持するように、前記伝熱部と直交する方向に設けられた複数の受梁と、フレーム材の位置からケーシングの内方に突出して受梁の端部を支持する支持部と、を備え、受梁の端部と支持部とは、受梁の軸方向移動を拘束した状態で支持する固定部で固定されており、ケーシングの内面と支持部と固定部とは断熱材で断熱されている。【選択図】 図３

Description

本発明は、廃熱回収などに使用される縦型の熱交換装置に関する。

従来、ガスタービンからの排ガスなどの排熱を利用した縦型熱交換装置（以下、単に「熱交換装置」ともいう）がある。熱交換装置として、例えば、ガスタービンの廃熱回収ボイラなどがある。このような熱交換装置では、例えば、熱交換装置の入口では６００℃程度の温度の排ガスが、熱交換装置内で熱回収されて１００℃程度の排ガスとして大気放出される。

図９は、従来の縦型熱交換装置における伝熱部支持構造１２０を示す縦断面図である。熱交換装置のケーシング１１１は、外側に設けられた強度部材のフレーム材１１２によって所定の強度が保たれている。ケーシング１１１は、内部を高温の排ガスＧが通過するため、内面側に断熱材１４０が施工されている。これによりケーシング１１１の外面は外気温度に近い。

一方、ケーシング１１１の内部で伝熱部１５０を支持する受梁１１７は、フレーム材１１２の位置に設けられた支持台１２２によって支持されている。受梁１１７の中央部は、ケーシング１１１の内部を通過する高温の排ガスに直接触れるため、非常に高温となる。しかし、受梁１１７の支持台１２２で支持される両端部は外気温に近い。このため、従来の発想では、受梁１１７は、熱伸びによる応力をフレーム材１１２に伝えない構造で支持されている。

この構造として、受梁１１７と支持台１２２との接合部の一方（図の右端部）は固定し、他方（図の左端部）は固定せずに受梁１１７の端部を支持台１２２の上面でスライドさせるスライド構造１６０がある。受梁１１７の右端部は、ボルトで支持台１２２に固定されている。受梁１１７の左端部におけるスライド構造１６０は、支持台１２２から受梁１１７の両側面をガイドするようにガイド壁１６１を設け、受梁１１７に熱伸びを生じても端部が支持台１２２の上面でガイド壁１６１に沿ってスライドすることで吸収するようにしている。よって、スライド構造１６０で両者の熱延び差を吸収して熱応力が支持台１２２を介してフレーム材１１２に伝わらない。

なお、この種の先行技術として、ボイラ設備におけるダクト内のブレース構造として、二つに分割されたブレースを連結するための接続材を、一方のブレースにはピンで固定し、他方のブレースには軸方向に延びる長穴にピンで取り付けたスライド機構としたものがある（例えば、特許文献１参照）。このブレース構造では、熱伸びによってブレースに発生する圧縮力を、長穴に沿ってピンをスライドさせることで緩和している。

特開平１１−２１８３２４号公報

ところで、上記したように、伝熱部支持構造１２０では受梁１１７と支持台１２２の接合部をスライド構造１６０とすれば、熱伸びによる応力を接合部から支持台１２２に伝えない。このため、図１０（Ａ）に示す水平断面の曲げモーメント図に示すように、伝熱部支持構造１２０では、熱伸びによる曲げモーメントはケーシング１１１及びフレーム材１１２に作用しない。

一方、ケーシング１１１及びフレーム材１１２には、熱伸びによる応力とは別に内部を流れる排ガスＧの内圧が作用する。上記伝熱部支持構造１２０では、中間の受梁１１７がスライド構造となっているため、ケーシング１１１のフレーム材１１２の長辺方向は全長の梁として内圧の大きなモーメントを受ける。例えば、長スパンのフレーム材１１２の場合には、内圧によって外向きに押し出す大きな曲げモーメントが作用する。このため、図１０（Ｂ）の曲げモーメント図に示すように、伝熱部支持構造１２０では、内圧による大きな曲げモーメントがケーシング１１１及びフレーム材１１２に作用する。この例の場合、ケーシング１１１の長辺方向の部分に最大の曲げモーメントＭ１が作用している。

このため、従来の熱交換装置では、内圧による大きな曲げモーメントＭ１が作用したとしてもケーシング１１１におけるフレーム材１１２の強度を保てるように、大型のフレーム材１１２を用いた構造となっている。この大型のフレーム材１１２には、例えば、ビルトアップチャンネル材などが用いられる。図１０に示す曲げモーメント図に対応する図９に示す例では、横方向に延びるフレーム材１１２が大型となっており、縦方向に延びるフレーム材１１２に比べて２倍の大きさとなっている。しかし、大型のフレーム材１１２を用いた構造とすると、ケーシング１１１におけるフレーム材１１２の鉄骨重量及び溶接量が多くなる。そのため、材料の重量増加及び作業量の増加によって、熱交換装置の製造に多大な労力と費用を要する。

そこで、本発明者は、上記課題に対して熱力学及び構造力学の両方から熱交換装置の伝熱部支持構造について鋭意検討した。そして、排ガスの内圧による変形量によってフレームに作用する曲げモーメントに比べて受梁の熱伸び量による曲げモーメントが小さいことに着目し、従来の発想を転換し、受梁とフレーム材の接合部をスライド構造からピン支持構造として熱伸びをフレーム材で支持することについて検証し、従来とは異なる伝熱部支持構造を備えた熱交換装置を発明した。

本発明に係る熱交換装置は、平面視の断面が矩形状に形成されたケーシングと、前記ケーシングの外面に設けられた、前記ケーシングの強度を保つフレーム材と、前記ケーシングの内部に配置された伝熱部と、前記伝熱部を下方から支持するように、前記伝熱部と直交する方向に設けられた複数の受梁と、前記フレーム材の位置から前記ケーシングの内方に突出して前記受梁の端部を支持する支持部と、を備え、前記受梁の端部と前記支持部とは、前記受梁の軸方向移動を拘束した状態で支持する固定部で固定されており、前記ケーシングの内面と前記支持部と前記固定部とは断熱材で断熱されている。この明細書及び特許請求の範囲の書類中における「固定部」は、受梁を下方から支持した状態で受梁の軸方向移動を拘束するものを含む。

この構成により、伝熱部を支持する受梁は、フレーム材の位置から内方に突出する支持部に固定部で固定される。受梁は、固定部によって軸方向移動を拘束した状態で支持されているため、熱伸びによる軸方向の変位は支持部からフレーム材に伝達されて、フレーム材によって支持される。すなわち、排ガスが縦方向に流れるケーシングについて構造力学的に検討した結果、受梁の熱伸びを、支持部を介してフレーム材で受けるように固定することで、排ガスの内圧によるフレーム材の変形が受梁により拘束される。これにより、受梁の熱伸び変形による曲げモーメントに、内圧による曲げモーメントを加えたとしても、フレーム材に作用する曲げモーメントを大幅に低減することができる伝熱部支持構造を発明した。これにより、伝熱部支持構造を小型化して、ケーシングにおけるフレーム材の鉄骨重量、溶接量を減らし、材料の重量減及び作業量を縮小して、熱交換装置を設置するための労力と費用を低減することができる。

また、前記支持部は、前記フレーム材の位置から前記ケーシングの内方に突出する支持部材を有し、前記固定部は、前記受梁の端部が前記支持部材に固定ピンで固定されていてもよい。この明細書及び特許請求の範囲の書類中における「固定ピン」は、固定ボルト、固定ピンなどの締結要素を含む。

このように構成すれば、受梁の固定部と支持部の支持部材とを固定ピンで結合するため、受梁の熱伸びを、支持部を介してフレーム材で直接的に受けることができる。

また、前記支持部材と前記受梁の端部との間に断熱材が挟まれていてもよい。

このように構成すれば、断熱材によって、受梁の固定部からフレーム材側の支持部材に熱が伝わることをより抑制できる。

また、前記支持部は、前記フレーム材の位置から前記ケーシングの内方に突出する受部と、前記受部から上方に突出する係合部と、を有し、前記固定部は、前記受梁の端部に設けられた、前記受部に載置する載置部と、前記係合部に係合して前記受梁の軸方向移動を拘束する係止部と、を有し、前記受部と前記載置部との間と、前記係合部と前記係止部との間と、は断熱材で断熱されていてもよい。

このように構成すれば、受梁の端部に設けられた係止部を支持部に設けられた係合部に係合させた状態で、受梁の載置部を支持部に設けられた受部に載置することで、受梁の熱伸びによる軸方向移動を支持部で拘束することができる。受梁の端部から支持部への熱伝達は、受部と載置部との間と、係合部と係止部との間に設けられた断熱材によって抑制できる。

また、前記受梁は、前記支持部で支持する縦板と、前記縦板と直交する横板とを有し、前記受梁の端部には、前記横板を前記断熱材から所定距離内側に位置させる逃げ部が設けられていてもよい。

このように構成すれば、受梁に生じる熱伸び量と断熱材に生じる熱変形量とに差が生じても、受梁が断熱材の内側面を押圧しないようにできる。

また、前記ケーシングは、縦方向に複数の分割モジュールで構成され、複数の前記分割モジュールは、該分割モジュールの上部と下部とを上下方向で連結する第１連結部を有していてもよい。

このように構成すれば、フレーム材の位置から内方に突出するように設ける支持部の構成や、支持部に固定部で固定した受梁の端部を含むように設けられる断熱材などの構成を、各分割モジュールの製造時に正確に加工することが容易にできる。各分割モジュールは、設置場所に搬送して上下方向に重ね、上部の分割モジュールと下部の分割モジュールとを第１連結部で連結すれば、上下方向に延びる熱交換装置を容易に設置することができる。よって、縦型熱交換装置の製造及び設置に要する時間と労力を大幅に削減することができる。

本発明によれば、熱交換装置の伝熱部支持構造を小型化して、ケーシングと伝熱部支持構造の鉄骨重量、溶接量を減らし、材料の重量減及び作業量を縮小して、熱交換装置を設置するための労力と費用を低減することが可能となる。

図１は、本発明の一実施形態に係る熱交換装置の全体正面図である。 図２は、図１に示す熱交換装置における一部の分割モジュールを示す拡大正面図である。 図３は、図２とは異なる例の分割モジュールを示す拡大正面図である。 図４は、図２，３に示すIV−IV断面図で示す第１実施形態に係る第１伝熱部支持構造の拡大断面図である。 図５は、図４に示す第１伝熱部支持構造の平面図である。 図６は、図４に示す断面図の第２実施形態に係る第２伝熱部支持構造を示す拡大断面図である。 図７は、図６に示す第２伝熱部支持構造の平面図である。 図８は、図４に示す第１伝熱部支持構造及び図６に示す第２伝熱部支持構造における水平断面の曲げモーメントを示す図面であり、（Ａ）は熱伸びによって生じる曲げモーメント図、（Ｂ）は内圧によって生じる曲げモーメント図である。 図９は、従来の熱交換装置における伝熱部支持構造を示す断面図である。 図１０は、図９に示す伝熱部支持構造における水平断面の曲げモーメントを示す図面であり、（Ａ）は熱伸びによって生じる曲げモーメント図、（Ｂ）は内圧によって生じる曲げモーメント図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。以下の実施形態では、ガスタービンからの排ガスＧを熱交換する縦型熱交換装置１を例に説明する。この明細書及び特許請求の範囲の書類中における上下左右方向の概念は、図１に示す縦型熱交換装置１に向かった状態における上下左右方向の概念と一致するものとする。

（熱交換装置の全体構成）
図１は、一実施形態に係る縦型熱交換装置１の全体正面図である。この実施形態の縦型熱交換装置１は、下方の右側方に排ガスＧのガス入口部２が設けられている。ガス入口部２から入った高温の排ガスＧは、熱交換装置１の下方から上方に流れる。熱交換装置１によって熱回収された排ガスＧは、上方のガス出口部３から大気放出される。

この実施形態の熱交換装置１は、縦方向に複数の分割モジュール１０が設けられている。各分割モジュール１０は、平面視の断面が矩形状である長方形状に形成され、上下方向が開放し、側面の周囲がケーシング１１によって囲われている。ケーシング１１は板材で形成され、その外面に設けられたフレーム材１２によって強度が確保されている。

分割モジュール１０には、内部に伝熱部たる複数の伝熱管５０（水平蛇管５５）（図２〜４，６）が設けられている。ケーシング１１の内部を高温の排ガスＧが通過することで、伝熱管５０（水平蛇管５５）の内部を流れる水または蒸気に熱交換される。伝熱管５０（水平蛇管５５）の内部を流れる水または蒸気は、熱交換によって熱水または飽和水と飽和蒸気の混合または過熱蒸気となって排出される。飽和蒸気や過熱蒸気は、例えば、蒸気タービンに送られたり、加熱源として使用される。

（熱交換ユニットの構成）
図２は、図１に示す熱交換装置１における一つの分割モジュール１０を示す拡大正面図である。図３は、図２とは異なる例の分割モジュール１０を示す拡大正面図である。図３は、伝熱管５０が水平蛇管５５で構成された例であり、水平蛇管５５以外の構成は図２と同一であるため、同一の構成には同一符号を付し、共通の説明とする。

分割モジュール１０は、ケーシング１１の外面にフレーム材１２を設けることで強度が確保されている。フレーム材１２は、縦方向に延びる縦フレーム材１３と横方向に延びる横フレーム材１４と、ケーシング１１の角部に設けられる、角部フレーム材１５（例えば、Ｈ型鋼材）とを有している。この例では、矩形状のケーシング１１の長辺方向（図の左右方向）に所定間隔で４本の縦フレーム材１３が設けられている。

各分割モジュール１０の内部には、伝熱管５０（水平蛇管５５）が横方向に配置されている。この例では、左右方向の寸法が長い長方形状のケーシング１１を有する分割モジュール１０であるため、図の左端から右端まで横方向に延びる長い伝熱管５０（水平蛇管５５）が複数本設けられている。なお、図示する伝熱管５０（水平蛇管５５）は一部を示しており、各分割モジュール１０の内部には、所定数の伝熱管５０（水平蛇管５５）が設けられている。図２の伝熱管５０は、左下方から右上方に向けて斜めに設けられている。図３の水平蛇管５５は、水平に設けられている。

伝熱管５０（水平蛇管５５）は、縦フレーム材１３の位置のケーシング１１の内方に設けられた受梁１７によって支持されている。受梁１７は、伝熱管５０（水平蛇管５５）と直交する方向に設けられている。受梁１７は、この例ではケーシング１１の長辺方向に所定間隔で設けられた４本の縦フレーム材１３の位置に設けられているため、伝熱管５０（水平蛇管５５）はこれら４本の受梁１７によって支持されている。なお、正面視における図示する受梁１７の位置は、後述する支持部材２２，３２の位置と同一である。

また、熱交換装置１は、縦方向に複数の分割モジュール１０を組み合わせる構造となっている（図１）。そのため、分割モジュール１０には、上部と下部に配置される分割モジュール１０を上下方向で連結する第１連結部１６を有している。第１連結部１６は、分割モジュール１０の上部と下部とを連結する構成であればよい。この実施形態では、第１連結部１６を横フレーム材１４が兼ねている。横フレーム材１４には、上下方向に貫通するボルト穴（図示する垂直線）が設けられ、分割モジュール１０を積み重ねた状態でボルトによって連結できるようになっている。図では、ボルト穴に第１連結部１６の符号を付している。上部と下部の横フレーム材１４は、溶接で連結してもよい。また、この実施形態では、ケーシング１１の内部に設けられる伝熱管５０（水平蛇管５５）は、上部と下部に配置される分割モジュール１０の伝熱管５０（水平蛇管５５）を連結する第２連結部５１を有している。第２連結部５１は、伝熱管５０（水平蛇管５５）の端部を連結できる構成であればよく、配管の接続部材を用いることができる（図示略）。なお、伝熱管５０（水平蛇管５５）は、上下に配置される分割モジュール１０で連結しない構成とすることもできる。

熱交換装置１を複数の分割モジュール１０で構成すれば、各分割モジュール１０を工場などで効率良く製造することができる。そして、各分割モジュール１０を設置場所に搬送して上下方向に重ねて配置し、下部の分割モジュール１０の伝熱管５０（水平蛇管５５）の上端部と、上部の分割モジュール１０の伝熱管５０（水平蛇管５５）の下端部とが第２連結部５１で連結される。また、下部の分割モジュール１０と上部の分割モジュール１０とが第１連結部１６で連結される。これにより、上下方向に延びる熱交換装置１を容易に設置することができる。よって、縦型熱交換装置１を分割モジュール１０で構成することで、縦型熱交換装置１の製造及び設置に要する時間と労力を大幅に削減できる。

（第１実施形態に係る伝熱部支持構造）
図４は、図２，３に示すIV−IV断面図で示す第１実施形態に係る第１伝熱部支持構造２０の拡大断面図である。図５は、図４に示す第１伝熱部支持構造２０の平面図である。受梁１７の両端部を支持する構造は同一であるため、以下の説明では一方のみを図示して説明する。

図４に示すように、第１伝熱部支持構造２０は、受梁１７の端部に設けられた固定部２１を、支持部である支持部材２２に固定ボルト２３で固定することで、受梁１７の軸方向移動（図の左右方向移動）を拘束している。受梁１７の上部に、伝熱管５０（水平蛇管５５）が支持されている。

支持部材２２は、ケーシング１１の縦フレーム材１３が設けられた位置に設けられている。支持部材２２は、縦フレーム材１３からケーシング１１の内方に向けて突出して設けられている。支持部材２２は、縦板２２ａと、その上下位置に設けられた横板２２ｂとを有している。支持部材２２は、例えば、Ｈ形鋼を用いることができる。縦板２２ａには、縦方向に所定間隔でボルト穴２４（図５）が設けられている。

一方、受梁１７は、縦板１７ａと、その上下に設けられた横板１７ｂとを有している。受梁１７は、例えば、Ｈ形鋼を用いることができる。受梁１７の端部における固定部２１は、端部縦板２１ａと、端部縦板２１ａの片面の上部と下部に設けられた補助横板２１ｂとを有している。端部縦板２１ａは、受梁１７の中間部分における縦板１７ａから延設されている。端部縦板２１ａは、例えば、Ｈ形鋼の上部と下部の横板１７ｂを除去することで形成できる。端部縦板２１ａには、支持部材２２の縦板２２ａに設けられたボルト穴２４と同一間隔で同径のボルト穴２５（図５）が設けられている。補助横板２１ｂは、端部縦板２１ａの横方向における強度を保つために設けられている。補助横板２１ｂは、端部縦板２１ａの端部から受梁１７の中間部分における横板１７ｂの端部を越える位置まで設けられている。

また、端部縦板２１ａと受梁１７の横板１７ｂとの間には、逃げ部２７が設けられている。逃げ部２７は、横板１７ｂがケーシング１１の内面に設けられる断熱材４０から所定距離内側となる位置まで設けられている。逃げ部２７を設けることで、受梁１７に生じる熱伸び量と、断熱材４０に生じる熱変形量とに差が生じても、受梁１７が断熱材４０の内側面を押圧しないようにしている。断熱材４０としては、例えば、セラミックファイバとロックウールを用いた板状のものを利用できる。

図５に示すように、第１伝熱部支持構造２０によれば、支持部材２２の縦板２２ａと受梁１７の端部縦板２１ａの接触面との間に断熱材４１を挟み込んだ状態で、縦板２２ａと端部縦板２１ａとを合わせる。そして、支持部材２２の縦板２２ａに設けられたボルト穴２４と、固定部２１の端部縦板２１ａに設けられたボルト穴２５に固定ボルト２３を挿入し、縦板２２ａとナット２６の接触面との間に断熱材４１を挿入してナット２６で固定する。この例では、固定ボルト２３とナット２６で支持部材２２と固定部２１とを固定しているが、固定ピン（図示略）で連結するようにしてもよい。このような構造で、受梁１７の軸方向移動を拘束している。

そして、支持部材２２と受梁１７の固定部２１とが断熱材４０で覆われている。断熱材４０は、例えば、内側面に金属板が設けられたものを用いることができる。この場合、断熱材４０は、金属板の部分をボルトでケーシング１１に取り付けることができる（図の二点鎖線）。断熱材４０は、支持部材２２と受梁１７の固定部２１の部分では、これらを覆うように加工して設けられる。この例の場合、断熱材４０の内面は、固定部２１の端部縦板２１ａと補助横板２１ｂを挿通する部分にのみスリット状の開口がある。このような断熱材４０の施工は、熱交換装置１を複数の分割モジュール１０（図２，３）とすることで、工場などで適切に加工して施工することができる。

このような第１伝熱部支持構造２０を備えた熱交換装置１によれば、高温の排ガスＧに接する受梁１７に生じた熱伸びは、縦フレーム材１３の内方に設けられた支持部材２２に固定された固定部２１を介して縦フレーム材１３によって支持される。また、ケーシング１１の内部における排ガスＧの内圧も、受梁１７の固定部２１が支持部材２２に固定されているので、ケーシング１１及びフレーム材１２によって支持される。

また、受梁１７の端部における固定部２１と支持部材２２は、ケーシング１１の内面に設けられた断熱材４０によって覆われている。よって、受梁１７の固定部２１及び支持部材２２は高温の排ガスＧに接することはなく、内部の排ガスＧの温度がケーシング１１へ熱伝導されることを抑制できる。しかも、受梁１７の固定部２１と支持部材２２との間に断熱材４１を挟んでいるため、この部分から受梁１７の熱が支持部材２２へ伝わる熱伝導量も抑制できる。

このような第１伝熱部支持構造２０を備えた縦型熱交換装置１によれば、後述する図８に示すように、ケーシング１１及びフレーム材１２が支持する全体的な曲げモーメントを大幅に小さくすることができる。

よって、熱交換装置１のケーシング１１の強度を保つフレーム材１２のうち特に横フレーム材１４を小型化して（図９に示す従来の大型の横フレーム材１１２を図４に示す小型の横フレーム材１４とする）、フレーム材１２の鉄骨重量、溶接量を減らすことができる。鉄骨材料の重量を減らし、作業量を縮小することで、熱交換装置１を設置するための労力と費用を低減することが可能となる。例えば、鉄骨材料の重量を４０％程度削減することも可能である。また、ケーシング１１の外面塗装も常温塗装でよく、この点でも費用削減を図ることができる。

（第２実施形態に係る伝熱管支持構造）
図６は、図４に示す断面における第２実施形態に係る第２伝熱部支持構造３０を示す拡大断面図である。図７は、図６に示す第２伝熱部支持構造３０の平面図である。第２伝熱部支持構造３０は、受梁１７の端部に設けられた固定部３１を、支持部である支持部材３２に係止することで、受梁１７の軸方向移動を拘束している。受梁１７の上部に、伝熱管５０（水平蛇管５５）が支持されている。

図６に示すように、ケーシング１１の縦フレーム材１３が設けられた位置に、支持部である支持部材３２が設けられている。支持部材３２は、縦フレーム材１３の位置からケーシング１１の内方に向けて突出して設けられた受部３２ａを有している。受部３２ａには、ケーシング１１の内面から内方に所定距離の位置に係合部３２ｂが設けられている。係合部３２ｂは、受部３２ａから上方に突出する２つのＬ形状の部材であり、平面視においてＬ形状が反対向きとなるように設けられている。係合部３２ｂは、受部３２ａに溶接又はボルトで固定することができる。

一方、受梁１７は、縦板１７ａと、その上下に設けられた横板１７ｂとを有している。受梁１７は、例えば、Ｈ形鋼を用いることができる。受梁１７の端部に設けられた固定部３１は、受部３２ａに載置する載置部３１ａと、係合部３２ｂに係合して受梁１７の軸方向移動を拘束する係止部３１ｂとを有している。載置部３１ａは、受梁１７の縦板１７ａが延びる方向に設けられている。係止部３１ｂは、載置部３１ａの先端部で直交するように設けられている。載置部３１ａと係止部３１ｂとによって、平面視がＴ形状に形成されている。載置部３１ａは、例えば、受梁１７の端部における上部と下部の横板１７ｂを除去することで形成できる。そして、載置部３１ａの先端部に、係止部３１ｂを溶接等で固定することで、平面視がＴ形状の固定部３１が形成できる。

また、載置部３１ａと受梁１７の横板１７ｂとの間には、逃げ部３７が設けられている。逃げ部３７は、横板１７ｂがケーシング１１の内面に設けられる断熱材４０から所定距離内側となる位置まで設けられている。逃げ部３７を設けることで、受梁１７に生じる熱伸び量と、断熱材４０に生じる熱変形量とに差が生じても、受梁１７が断熱材４０の内側面を押圧しないようにしている。断熱材４０としては、例えば、セラミックファイバとロックウールを用いた板状のものを利用できる。

そして、第２伝熱部支持構造３０によれば、支持部材３２の受部３２ａの上面に第１断熱材３３が設けられる。その後、図７に示すように、第１断熱材３３の上面に受梁１７の固定部３１が上方から落とし込まれる。その後、ケーシング１１の内面と係止部３１ｂとの間に第２断熱材３４が設けられ、係合部３２ｂと係止部３１ｂ及び載置部３１ａとの間に第３断熱材３５が設けられる。第２断熱材３４は、ケーシング１１の内面と係止部３１ｂとの間にほぼ隙間がない状態で設けられる。第３断熱材３５は、係合部３２ｂと係止部３１ｂ及び載置部３１ａとの間にほぼ隙間がない状態で設けられる。なお、受部３２ａの上面に第１断熱材３３と第２断熱材３４及び第３断熱材３５を設けた後、受梁１７のＴ形状に形成された固定部３１を上方から嵌め込むようにしてもよい。このように第２伝熱部支持構造３０は、受梁１７の端部に設けられた固定部３１を、支持部材３２の上方から落し込む落し込み方式となっている。このような構造で、受梁１７の軸方向移動を拘束している。

そして、支持部材３２と受梁１７の固定部３１とが断熱材４０で覆われている。断熱材４０は、例えば、内側面に金属板が設けられたものを用いることができる。この場合、断熱材４０は、金属板の部分をボルトでケーシング１１に取り付けることができる（図の二点鎖線）。断熱材４０は、支持部材３２と受梁１７の部分では、これらを覆うように加工して設けられる。この例の場合、断熱材４０の内面は、受梁１７の断面形状の開口がある。このような断熱材４０の施工は、熱交換装置１を複数の分割モジュール１０（図２，３）とすることで、工場などで適切に加工して施工することができる。

このような第２伝熱部支持構造３０を備えた熱交換装置１によれば、高温の排ガスＧに接する受梁１７に生じた熱伸びは、縦フレーム材１３の内方に設けられた支持部材３２に断熱材３３〜３５を介して支持された固定部３１を介して縦フレーム材１３によって支持される。また、ケーシング１１の内部における排ガスＧの内圧は、受梁１７の固定部３１が縦フレーム材１３の内方に設けられた支持部材３２に断熱材３３〜３５を介して固定されているので、縦フレーム材１３によって支持される。

また、受梁１７の端部における固定部３１と支持部材３２は、ケーシング１１の内面に設けられる断熱材４０によって覆われている。よって、受梁１７の固定部３１及び支持部材３２は高温の排ガスＧに接することはなく、内部の排ガスＧの温度がケーシング１１へ熱伝導されることを抑制できる。

しかも、支持部材３２と受梁１７の固定部３１との接触面に断熱材３３〜３５を設けて受梁１７の軸方向移動を拘束している。このため、受梁１７の固定部３１と支持部材３２との間にボルト等の締結材もなく、金属面同士の接触を無くしている。これにより、高温の排ガスＧに接触する受梁１７から固定部３１を介して外気温側の支持部材３２への熱伝導率を下げることができる。

このような第２伝熱部支持構造３０を備えた縦型熱交換装置１によれば、第１伝熱部支持構造２０を備えた縦型熱交換装置１と同様に、後述する図８に示すように、ケーシング１１及びフレーム材１２が支持する全体的な曲げモーメントを大幅に小さくすることができる。

よって、熱交換装置１のケーシング１１の強度を保つフレーム材１２のうち特に横フレーム材１４を小型化して（図９に示す従来の大型の横フレーム材１１２を図６に示す小型の横フレーム材１４とする）、フレーム材１２の鉄骨重量、溶接量を減らすことができる。鉄骨材料の重量を減らし、作業量を縮小することで、熱交換装置１を設置するための労力と費用を低減することが可能となる。例えば、鉄骨材料の重量を４０％程度削減することも可能である。また、ケーシング１１の外面塗装も常温塗装でよく、この点でも費用削減を図ることができる。

（曲げモーメントの応力図）
図８は、図４に示す第１伝熱部支持構造２０及び図６に示す第２伝熱部支持構造３０における水平断面（図２，３に示す、矢視VIII−VIIIの断面）の曲げモーメントを示す図面であり、（Ａ）は熱伸びによって生じる曲げモーメント図、（Ｂ）は内圧によって生じる曲げモーメント図である。

図８（Ａ）に示すように、フレーム材１２に作用する熱伸びによる曲げモーメントは、受梁１７が支持部材２２に固定されているため、ケーシング１１におけるフレーム材１２の長辺方向では全体的に曲げモーメントを受ける。この曲げモーメントは、受梁１７の間隔によって異なるが、十数ｍｍ程度の熱伸び量により曲げモーメントを受ける。しかし、熱伸び量による曲げモーメントでフレーム材１２が変形する角度は比較的小さい。

図８（Ｂ）に示すように、フレーム材１２に作用する内圧の曲げモーメントは、受梁１７が支持部材２２に固定されているため、ケーシング１１におけるフレーム材１２の長辺方向は各受梁１７のピッチで支持される。このため、内圧によって作用する曲げモーメントは、受梁１７のフレーム材１２との接続部を支点とした短いピッチのモーメントとなる。この例の場合、ケーシング１１におけるフレーム材１２の受梁１７との接続部に最大の曲げモーメントＭ２が作用している。しかし、図８（Ｂ）に示す最大の曲げモーメントＭ２は、上記した図１０（Ｂ）に示す従来の曲げモーメントＭ１に比べて小さく、１０％程度に縮小することができる。

よって、上記熱交換装置１によれば、フレーム材１２に、熱伸び量による曲げモーメントと内圧による曲げモーメントとが作用したとしても、ケーシング１１及びフレーム材１２が支持する全体的な曲げモーメントを大幅に小さくすることができる。

（総括）
以上のように、上記縦型熱交換装置１によれば、フレーム材１２の重量を大幅に低減できる。しかも、受梁１７と縦フレーム材１３の接合部の構造がシンプルとなる。よって、縦型熱交換装置１の製造に要する製作コスト、据付コストの大幅な削減が可能となる。

また、縦型熱交換装置１を複数の分割モジュール１０で構成すれば、縦フレーム材１３の位置から内方に突出するように設ける支持部材２２，３２の構成や、支持部材２２，３２に固定部２１，３１で固定された受梁１７の端部を含むように設けられる断熱材４０などの構成を、工場などで効率良く加工及び取り付けることができる。よって、縦型熱交換装置１の製造及び設置に要する労力と時間を削減することが可能となる。

（その他の変形例）
熱交換装置１は、縦型であれば適用でき、平面視の形態は上記した実施形態の横長の形態に限定されるものではない。また、受梁１７のピッチなども限定されるものではない。さらに、熱交換装置１は、複数の分割モジュール１０で構成されたものに限定されない。

上記した実施形態は一例であり、本発明は縦型熱交換装置１であれば実施可能であり、本発明の要旨を損なわない範囲での種々の構成を変更してもよく、本発明は上記した実施形態に限定されるものではない。

１ 縦型熱交換装置
２ ガス入口部
３ ガス出口部
１０ 分割モジュール
１１ ケーシング
１２ フレーム材
１３ 縦フレーム材
１４ 横フレーム材
１５ 角部フレーム材
１６ 第１連結部
１７ 受梁
１７ａ 縦板
１７ｂ 横板
２０ 第１伝熱部支持構造
２１ 固定部
２１ａ 端部縦板
２１ｂ 補助横板
２２ 支持部材
２２ａ 縦板
２２ｂ 横板
２３ 固定ボルト
２４，２５ ボルト穴
２６ ナット
２７ 逃げ部
３０ 第２伝熱部支持構造
３１ 固定部
３１ａ 載置部
３１ｂ 係止部
３２ 支持部材
３２ａ 受部
３２ｂ 係合部
３３ 第１断熱材
３４ 第２断熱材
３５ 第３断熱材
３７ 逃げ部
４０，４１ 断熱材
５０ 伝熱管（伝熱部）
５１ 第２連結部
５５ 水平蛇管（伝熱部）
Ｇ 排ガス

Claims (6)

1. 平面視の断面が矩形状に形成されたケーシングと、
   前記ケーシングの外面に設けられた、前記ケーシングの強度を保つフレーム材と、
   前記ケーシングの内部に配置された伝熱部と、
   前記伝熱部を下方から支持するように、前記伝熱部と直交する方向に設けられた複数の受梁と、
   前記フレーム材の位置から前記ケーシングの内方に突出して前記受梁の端部を支持する支持部と、を備え、
   前記受梁の端部と前記支持部とは、前記受梁の軸方向移動を拘束した状態で支持する固定部で固定されており、
   前記ケーシングの内面と前記支持部と前記固定部とは断熱材で断熱されている、
   ことを特徴とする熱交換装置。
2. 前記支持部は、前記フレーム材の位置から前記ケーシングの内方に突出する支持部材を有し、
   前記固定部は、前記受梁の端部が前記支持部材に固定ピンで固定されている、
   請求項１に記載の熱交換装置。
3. 前記支持部材と前記受梁の端部との間に断熱材が挟まれている、
   請求項２に記載の熱交換装置。
4. 前記支持部は、前記フレーム材の位置から前記ケーシングの内方に突出する受部と、前記受部から上方に突出する係合部と、を有し、
   前記固定部は、前記受梁の端部に設けられた、前記受部に載置する載置部と、前記係合部に係合して前記受梁の軸方向移動を拘束する係止部と、を有し、
   前記受部と前記載置部との間と、前記係合部と前記係止部との間と、は断熱材で断熱されている、
   請求項１に記載の熱交換装置。
5. 前記受梁は、前記支持部で支持する縦板と、前記縦板と直交する横板とを有し、
   前記受梁の端部には、前記横板を前記断熱材から所定距離内側に位置させる逃げ部が設けられている、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱交換装置。
6. 前記ケーシングは、縦方向に複数の分割モジュールで構成され、
   複数の前記分割モジュールは、該分割モジュールの上部と下部とを上下方向で連結する第１連結部を有している、
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱交換装置。

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