JP4824994B2 - 一次伝面方式による熱交換用セル構造 - Google Patents

Description

本発明は、プレート型熱交換器の熱交換用セル構造に関し、より詳しくは、ガスタービン、高温型燃料電池およびこれらを組み合わせたハイブリッドシステム等の高温環境で使用される高温用プレート型熱交換器の一次伝面方式による熱交換用セル構造に関する。

近年、エネルギーの有効利用という点に大いに注目が集まっており、将来に向けたエネルギー需給システムを構築するための技術開発が着実に進められている。エネルギーの有効利用という観点から分散型エネルギーシステムは、大型発電システム代わるエネルギーシステムとして有望視されている。

分散型エネルギーシステムにはガスエンジン、太陽電池、風力タービンなどの多様な分散型エネルギー変換技術があるが、その中でも、ガスタービン等の熱機関や、化学プロセスを経て燃料から直接発電を行う高温型燃料電池の開発が盛んに行われている。高温型燃料電池としては、例えば、ＳＯＦＣ（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）やＭＣＦＣ（Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）が挙げられる。また、ガスタービンと高温型燃料電池とを複合化したハイブリッドシステムは、分散電源としての利用を目的とし、その実現に向けて検討が行われている。

これらの分散型エネルギーシステムにおいては、排熱回収性能がガスタービンや高温型燃料電池の性能に大きく影響することになる。したがって、ガスタービンや高温型燃料電池の設計に際し、熱回収効率がよく有効な熱交換が可能な高性能の再生熱交換器の使用が必須となる。

また、ガスタービンや高温型燃料電池では、頻繁に始動・停止が反復されるので、温度サイクルに対する高い耐久性を備えた熱交換器の採用が要請されている。このような機能を充分に発揮できる再生熱交換器として、高温用プレートフィン型熱交換器が用いられている。

図１は、高温用プレートフィン型熱交換器の熱交換用セル構造の一例を示す斜視図である。図１に示すように、高温用プレートフィン型熱交換器の熱交換用セル構造は、一般的に高温流体通路２と低温流体通路３がチューブプレート７を挟み交互に積層配置された構成からなる。

図２は、熱交換用セル内の低温流体通路の一例を示す平面図である。図１および図２に示すように、低温流体通路３は２枚のチューブプレート７間にコルゲートフィン４を挟み、三角形に切り取られたディストリビューターフィン５ａ、５ｂを配置し、スペーサーバー６ａ、６ｂ、６ｃで閉塞することで構成されている。上記のチューブプレートおよびディストリビューターフィンは、接着接合やろう付け等によりコルゲートフィンと一体化されているが、基本的には別部材であり、二次伝熱面と称される。

これに対して、接着接合やろう付け等による別部材の配置を行わず、例えば、ステンレス鋼のような薄い合金シートを、ひだ付けの性質を備えるように波形に形成するか、折り曲げることにより、構成される伝熱面を一次伝熱面という。

すなわち、上記の例では、コルゲートフィン自体は一次伝熱面であり、チューブプレートおよびディストリビューターフィンは分配機能等の他機能を付加するために配置される二次伝熱面である。

これまで、一次伝熱面と二次伝熱面を組み合わせることで、様々な熱交換用セル構造が提案されてきたが、ガスタービン、高温型燃料電池およびこれらを組み合わせたハイブリッドシステムに用いられる高温用プレートフィン型熱交換器では、温度サイクルに対する高い耐久性という観点から、二次伝熱面に替えて、一次伝熱面のみによる熱交換方式、すなわち、一次伝面方式（Ｐｒｉｍａｒｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｒｅｃｕｐｅｒａｔｏｒ）を採用した新たな熱交換器の開発が望まれている。

一次伝面方式を採用した熱交換器として、特許文献１には、高圧比ガスタービンエンジンで使用する一次表面熱交換器が開示されている。この熱交換器は、第一表面および第二表面を備え、さらに伝熱部分、一対の端部および一対の遷移部分を有する複数の一次表面シートからなる空気室を備える熱交換器であり、高温流体および低温流体による、圧力ヘッドの低下を最小限にすることが可能となる。しかし、特許文献１に記載された発明は、一次伝熱面のメイン通路部に関するものであり、ディストリビューターを含む熱交換用セル構造全体に関するものではない。

特表平９−５０３２８８号公報

一次伝熱面と二次伝熱面を組み合わせる熱交換用セル構造では、ディストリビューターフィンをチューブプレートまたはプレス等で押し潰した一次伝熱面に接着接合やろう付け等で配置するため、製造コストの上昇を招くことになる。また、熱交換用セルを組み立てる際、幾重にも積層配置する場合はスペーサーバーの位置決めも難しくなる。

また、従来において一次伝熱面を採用した熱交換器、または一次伝熱面と二次伝熱面を組み合わせた熱交換器等が種々提案されているが、いずれも低温環境での適用に制限されていた。

本発明は、上述した状況に鑑みなされたものであり、高温用熱交換器の設計に際し、一次伝面方式を採用することにより、熱交換用セルの積層構造のコンパクト化を図るとともに、温度サイクルに対する高い耐久性を備え、合わせて低温流体の偏流防止により熱交換効率を向上させることが可能である高温用プレート型熱交換器の熱交換用セル構造を低コストで提供することを目的としている。

本発明者らは、ディストリビューター部で二次伝熱面による通路を形成することなく、低温流体の偏流を防止することが可能な構造について種々検討した。その結果、一次伝熱面をプレス等で押し潰すと同時に、一次伝熱面の一部を複数のディンプルとして残し、一次伝熱面と一体化されているディンプル形状のディストリビューターを製造することで、ディストリビューターフィン等の二次伝熱面により形成される通路と同等の偏流防止効果が得られることを知見した。

本発明は、上記の知見に基づいて完成したものであり、下記（１）〜（３）を要旨としている。
（１）容器内に高温流体と低温流体を流通させる通路が交互に積層配置され、前記低温流体を流通させる通路にはディストリビューター部が設けられる構成からなるプレート型熱交換器のセル構造において、前記ディストリビューター部が設けられる通路では、ディストリビューターフィンおよびコルゲートフィン、並びにチューブプレートで構成される二次伝熱面に替えて、押し潰し加工されたディストリビューターと一体で構成された一次伝熱面を使用する一次伝面方式による熱交換用セル構造であって、前記一次伝熱面に形成されるディストリビューター部には、１または２以上のディンプルが形成されており、前記高温流体と前記低温流体を流通させる通路を形成するために前記一次伝熱面に設けられるスペーサーバーの配置位置を変更した二種類の伝熱プレートを交互に積層配置して前記スペーサーバー同士を溶接し、前記低温流体を流通させる通路のみに設けられ当該通路を前記スペーサーバーとともに形成するためのサイドバーを前記ディンプルに当てて前記伝熱プレートと溶接することにより組み立てられる一次伝面方式による熱交換用セル構造。
（２）上記（１）に記載の熱交換用セル構造において、前記ディストリビューター部では前記ディンプルの山部と平面部のコンタクトにより通路が形成されるとすれば、ディンプルの位置決めに精度が必要とならず、製造が容易となり望ましい。
（３）上記（１）または（２）に記載の熱交換用セル構造は、４００℃以上の高温環境で使用する高温用熱交換器に用いることが望ましい。

本発明では、ディストリビューター部でディストリビューターフィンおよびチューブプレートといった二次伝熱面を取り付ける必要がないので、熱交換用セル構造のコンパクト化および製造コストの低減が図れるとともに、一次伝面方式を採用することで、温度サイクルに対する高い耐久性を備えた熱交換用セル構造を提供することができる。

また、ディストリビューター部でディンプル形状により圧力損失を増加させ、低温流体の偏流を防止するため、高温排熱の回収率が上昇し、燃料効率の向上を図ることができる。

以下、本発明に係る熱交換用セル構造について、図面を参照して詳細に説明する。
（１）台形型熱交換用セル構造
図３は、本発明の台形型熱交換用セル構造で用いる一次伝熱面の一例を示す斜視図である。台形型熱交換用セル構造は、同図に示すように、低温流体１６の熱交換用セルに対する供給方向と排出方向が逆方向の場合に適した形状である。

従来の方法であれば、一次伝熱面をプレス等で、ディストリビューター部を押し潰すことで平面化し、当該平面部に二次伝熱面としてディストリビューターフィンの配置を行うが、本発明では、図３に示すように、一次伝熱面８をプレス等で押し潰すと同時に、一次伝熱面の一部をディンプル１０ａ、１０ｂとして残すことにより、平面部９とディンプル形状からなるディストリビューターを一工程で製造する。

本発明の熱交換用セル構造は、ディストリビューター部に、１または２以上のディンプルが形成されることを特徴としており、図３にはディンプルが二種類の場合が例示されている。

ここで、ディンプル１０ａは、圧力損失による低温流体の偏流防止を図ったものであり、ディンプル１０ｂはスペーサーバーの位置決めを容易にするためのディンプルであり、組立作業効率の向上を図ったものである。

図４は、ディストリビューター部にディンプルを有さない場合の低温流体の流れを模式的に示した図である。同図に示すように、ディストリビューター部１１にディンプルが設けられない場合は、メイン通路部における低温流体の流れは出入口側に集中するため、偏流が生じ熱交換を効率良く行うことができない。本発明では、ディストリビューター部にディンプル１０ａを配置することで、このような偏流を防止し、一次伝熱面のメイン通路部全体での熱交換を可能とし、その効率を向上することができる。

また、従来の熱交換用セルの製造方法では、幾重にも積層配置する場合は、各層の端部同士にズレが生じ、スペーサーバー（サイドバー）の位置決めも難しくなるが、本発明では、スペーサーバーをディンプル１０ｂに当てることで、正確かつ容易な位置決めが可能となる。

図５は、本発明の伝熱プレートおよび熱交換用セルの一例を模式的に示す図であり、同（ａ）は二種類の台形型伝熱プレートの斜視図であり、同（ｂ）は二種類の台形型伝熱プレートを組み合わせて得られる台形型熱交換用単位セルの斜視図である。

本発明の伝熱プレートは、ディンプル形状のディストリビューターと一体で構成された一次伝熱面にスペーサーバーを配置することで製造する。図５（ａ）に示すように、二種類の伝熱プレート、すなわち台形型上プレート１２および台形型下プレート１３は、スペーサーバー６ｂ、６ｄの配置を変更することで容易に得られる。

また、二種類の伝熱プレートのスペーサーバー６ｂ、６ｃ同士を溶接し、上述したように、スペーサーバー６ａ（サイドバー）をディンプル１０ｂに当てることで位置決めした後、溶接を行えば、図５（ｂ）に示すように、台形型熱交換用単位セル１４が組み立てられ、高温流体１５と低温流体１６を流通させる通路を容易に構成することができる。

ここで、熱交換用単位セルとは、二種類の伝熱プレート、すなわち図５（ａ）に例示する上プレートと下プレートを、それぞれ一枚ずつ組み合わせることで構成されるセル構造をいう。当該熱交換用単位セルを積層配置することで、すなわち二種類の伝熱プレートを交互に積層配置することで、本発明の熱交換用セル構造が得られる。

このように、本発明の熱交換用セル構造は、ディンプル形状のディストリビューターと一体化された一次伝熱面に、スペーサーバーを配置して製作される二種類の伝熱プレートを、交互に積層配置することで容易に得られるので、熱交換用セルのコンパクト化が可能であり、かつディンプル形状の圧力損失効果で低温流体の偏流を防止することができる。加えて、本発明の熱交換用セル構造は、二次伝熱面としてのディストリビューターフィンおよびチューブプレートを使用しない、いわゆる一次伝面方式を採用しているので、温度サイクルに対する高い耐久性も兼ね備えている。

図６は、本発明の熱交換用セル構造のディストリビューター部の断面を模式的に示した図である。本発明の熱交換用セル構造では、ディストリビューター部において、ディンプル山部同士のコンタクトによる通路形成や、図６に示すように、ディンプル山部１０ａと平面部９のコンタクトによる通路形成３が可能である。ディンプル山部と平面部のコンタクトにより通路が形成されるとすれば、ディンプルの位置決めに精度が必要とならず、製造が容易となる。
（２）角形型熱交換用セル構造
図７は、本発明の角形型熱交換用セル構造で用いる一次伝熱面の一例を示す斜視図である。角形型熱交換用セル構造は、同図に示すように、低温流体１６の熱交換用セルに対する入口方向と出口方向が同方向の場合に適した形状である。

図７に示す角形型一次伝熱面は、一次伝熱面８をプレス等でディストリビューター部を押し潰すと同時に、一次伝熱面の一部をディンプル１０ａとして残すことにより、平面部９とディンプル形状からなるディストリビューターを一工程で製造する。ディンプル１０ａは、台形型の場合と同様に、圧力損失による低温流体の偏流防止を図ったものである。

図８は、本発明の伝熱プレートおよび熱交換用セルの一例を模式的に示す図であり、同（ａ）は二種類の角形型伝熱プレートの斜視図であり、同（ｂ）は二種類の角形型伝熱プレートを組み合わせて得られる角形型熱交換用単位セルの斜視図である。

角形型熱交換用セル構造で用いる伝熱プレートも台形型の場合と同様に、ディンプル形状のディストリビューターと一体で構成された一次伝熱面にスペーサーバーを配置することで製造する。図８（ａ）に示すように、二種類の伝熱プレート、すなわち角形型上プレート１７および角形型下プレート１８は、スペーサーバー６ａ、６ｂ、６ｄの配置を変更することで容易に得られる。

また図８（ａ）より、角形型下プレート１８において、スペーサーバー６ａ（サイドバー）をスペーサーバー６ｂおよび６ｄに当てることによって、スペーサーバー６ａの位置決めが容易に行えることがわかる。

そして、二種類の伝熱プレートのスペーサーバー６ｂ同士の溶接を行えば、図８（ｂ）に示すように、角形型熱交換用単位セル１９が組み立てられ、高温流体１５と低温流体１６を流通させる通路を容易に構成することができる。

また、ディストリビューター部においても、台形型の場合と同様に、ディンプル山部同士のコンタクトによる通路形成や、図６に示すように、ディンプル山部１０ａと平面部９のコンタクトによる通路形成３が可能である。ディンプル山部と平面部のコンタクトにより通路が形成されるとすれば、ディンプルの位置決めに精度が必要とならず、製造が容易となる。

本発明で提案する熱交換用セル構造は、上記の台形型熱交換用セルおよび角形型熱交換用セルに限られるものではなく、様々な形状の熱交換用セル構造に適用できる。そして、どのような形状の場合でも、二次伝熱面を取り付ける必要がないので、熱交換用セル構造のコンパクト化が可能であり、製造コストが低減できる。また、スペーサーバーの配置変更により、出入口の配置が自由に構成できるので、用途に応じた使用が可能となる。

本発明の熱交換用セル構造では、その構成材料を特に限定しないが、高温環境で使用する高温用熱交換器に用いる場合には、例えば、４００〜６００℃ではステンレス鋼（ＳＵＳ３２１、ＳＵＳ３４７等）、６００℃以上ではＮｉ基耐熱合金（インコネル６２５、ハステロイＸ等）が適宜採用できる。

本発明では、ディストリビューター部でディストリビューターフィンおよびチューブプレートといった二次伝熱面による通路を形成しないので、熱交換用セル構造のコンパクト化および製造コストの低減が図れるとともに、一次伝面方式を採用することで、温度サイクルに対する高い耐久性を備えた熱交換用セル構造を提供することができる。

また、ディストリビューター部でディンプル形状により圧力損失を増加させ、低温流体の偏流を防止するため、高温排熱の回収率が上昇し、燃料効率の向上を図ることができる。

これにより、ガスタービン、高温型燃料電池およびこれらを組み合わせたハイブリッドシステム等の高温環境で使用される高温用プレートフィン型熱交換器の性能を向上させることが可能となり、分散型エネルギーシステムの開発に大いに貢献できる。

高温用プレートフィン型熱交換器の熱交換用セル構造の一例を示す斜視図である。 熱交換用セル内の低温流体通路の一例を示す平面図である。 本発明の台形型熱交換用セル構造で用いる一次伝熱面の一例を示す斜視図である。 ディストリビューター部にディンプルを有さない場合の低温流体の流れを模式的に示した図である。 本発明の伝熱プレートおよび熱交換用セルの一例を模式的に示す図であり、同（ａ）は二種類の台形型伝熱プレートの斜視図であり、同（ｂ）は二種類の台形型伝熱プレートを組み合わせて得られる台形型熱交換用単位セルの斜視図である。 本発明の熱交換用セル構造のディストリビューター部の断面を模式的に示した図である。 本発明の角形型熱交換用セル構造で用いる一次伝熱面の一例を示す斜視図である。 本発明の伝熱プレートおよび熱交換用セルの一例を模式的に示す図であり、同（ａ）は二種類の角形型伝熱プレートの斜視図であり、同（ｂ）は二種類の角形型伝熱プレートを組み合わせて得られる角形型熱交換用単位セルの斜視図である。

符号の説明

１．熱交換用セル ２．高温流体通路
３．低温流体通路 ４．コルゲートフィン
５ａ、５ｂ．ディストリビューターフィン
６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ．スペーサーバー
７．チューブプレート ８．一次伝熱面
９．押し潰し加工後の一次伝熱面の平面部
１０ａ、１０ｂ．ディンプル
１１．ディストリビューター部
１２．台形型上プレート １３．台形型下プレート
１４．台形型熱交換用単位セル
１５．高温流体 １６．低温流体
１７．角形型上プレート １８．角形型下プレート
１９．角形型熱交換用単位セル

Claims (3)

1. 容器内に高温流体と低温流体を流通させる通路が交互に積層配置され、前記低温流体を流通させる通路にはディストリビューター部が設けられる構成からなるプレート型熱交換器のセル構造において、
   前記ディストリビューター部が設けられる通路では、ディストリビューターフィンおよびコルゲートフィン、並びにチューブプレートで構成される二次伝熱面に替えて、押し潰し加工されたディストリビューターと一体で構成された一次伝熱面を使用する一次伝面方式による熱交換用セル構造であって、
   前記一次伝熱面に形成されるディストリビューター部には、１または２以上のディンプルが形成されており、
   前記高温流体と前記低温流体を流通させる通路を形成するために前記一次伝熱面に設けられるスペーサーバーの配置位置を変更した二種類の伝熱プレートを交互に積層配置して前記スペーサーバー同士を溶接し、前記低温流体を流通させる通路のみに設けられ当該通路を前記スペーサーバーとともに形成するためのサイドバーを前記ディンプルに当てて前記伝熱プレートと溶接することにより組み立てられることを特徴とする一次伝面方式による熱交換用セル構造。
   
2. 前記ディストリビューター部では前記ディンプルの山部と平面部のコンタクトにより通路が形成されることを特徴とする請求項１に記載の一次伝面方式による熱交換用セル構造。
3. ４００℃以上の高温環境で使用する高温用熱交換器に用いられることを特徴とする請求項１または２に記載の一次伝面方式による熱交換用セル構造。

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