JP5454004B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、温度変化に伴う熱応力の発生を抑制し、破損を防止できる熱交換器に関するものである。

従来から、燃料を燃やすことで高温の燃焼ガスを発生させる燃焼室と、燃焼ガスから流体（水、空気等）へ熱を移動させる熱交換器とを備えるボイラが用いられている。
熱交換器は、水平方向で延在し流体を流動させる複数の伝熱管と、鉛直方向で延在し流体を流動させつつ、上記複数の伝熱管を支持するハンガー管とを有している。ハンガー管が複数の伝熱管を支持する構成としては、特許文献１に示すように、ハンガー管に支持部材を設け、この支持部材により所定の伝熱管を下方から支持すると共に、上記所定の伝熱管の上側に連結部材を介して複数の伝熱管を順次積み上げた構成となっている。

しかし、特許文献１に示す構成では、複数の伝熱管にそれぞれ連結部材（例えば、支持座及び脚部材）を溶接等を用いて設ける必要があり、多大な手間及びコストが生じていた。そこで、一対のハンガー管に、鉛直方向で延在する長尺の支持部材を溶接等により設け、この一対の長尺支持部材によって複数の伝熱管を挟んで支持する構成が用いられている。この構成によれば、複数の伝熱管を長尺支持部材によってまとめて支持できるため、熱交換器の製造に関する手間及びコストを低減することができた。

特開平８−２２６６０６号公報

ところで、ハンガー管及び長尺の支持部材は周囲を流れる高温の燃焼ガスによって共に加熱されるが、ハンガー管の内部には比較的温度の低い流体が流れており、ハンガー管の温度上昇は抑えられている。一方、支持部材は、ハンガー管の外周面に設けられているため、ハンガー管内部の流体による冷却効果は期待できない。よって、ハンガー管と支持部材との間には温度差が生じ、支持部材の温度はハンガー管の温度よりも高くなっている。
また、ハンガー管の温度上昇が抑えられているため、ハンガー管に耐熱性の高い材料を用いる必要はなく、ハンガー管は一般的な材料を用いて形成されている。一方、支持部材は耐熱性の高い材料を用いて形成されている。そして、これらの材料が異なることで、ハンガー管の線膨張係数と支持部材の線膨張係数とが異なる場合がある。

そして、各々の温度及び線膨張係数が異なることで、ハンガー管と長尺の支持部材との間には熱膨張の差が生じ、ハンガー管を曲げる力が発生する。
もっとも、ハンガー管には曲がりを防止するための規制部材が設けられており、ハンガー管の曲がりは生じない。しかし、ハンガー管の曲がりを規制するために、ハンガー管と長尺の支持部材との接合部、及び、長尺の支持部材による伝熱管の挟持部等には、熱応力が発生する。この熱応力は、大型のボイラや熱交換器において、ハンガー管や長尺の支持部材が大型化するに従い増加する。そして、このような熱応力の発生により、熱交換器が破損する虞があった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、熱交換器の温度変化に伴う熱応力の発生を抑制し、破損を防止できる熱交換器を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

第１の発明は、複数の伝熱管と、上記伝熱管と交差する所定の延在方向に延びるハンガー管と、上記延在方向に延びると共に上記ハンガー管に設けられ、上記複数の伝熱管を上記延在方向で並べて支持する支持部材と、上記ハンガー管と上記支持部材との間の熱膨張の差により生じる上記ハンガー管を曲げる力を緩和する緩和部材とを有するという構成を採用する。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記緩和部材が上記延在方向に延びて形成されているという構成を採用する。

第３の発明は、上記第１又は上記第２の発明において、上記緩和部材が上記ハンガー管を中心として上記支持部材の対称の位置に設けられているという構成を採用する。

第４の発明は、上記第３の発明において、上記緩和部材の線膨張係数が上記支持部材の線膨張係数と同一であるという構成を採用する。

本発明によれば、熱交換器は緩和部材を有しているため、ハンガー管と支持部材との間の熱膨張の差により生じるハンガー管を曲げる力が緩和される。よって、ハンガー管に規制部材が設けられ曲がりが規制されている状態であっても、ハンガー管と支持部材との接合部、及び、支持部材による伝熱管の挟持部等に発生する熱応力は低減される。したがって、熱交換器の破損を防止できるという効果がある。

本発明の一実施形態におけるボイラ１の構成を示す概略図である。 本発明の一実施形態に係る熱交換器３の構成を示す概略図である。 本発明の一実施形態に係る熱交換器３の一変形例を示す概略図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る熱交換器の一実施形態について説明する。

まず、本発明に係る熱交換器を備えるボイラについて説明する。
図１は、本発明に係る熱交換器を備えるボイラ１の構成を示す概略図である。なお、図１、図２（ａ）及び図２（ｂ）において、紙面上下方向を鉛直方向と規定する。
ボイラ１は、燃料を燃やすことで高温の燃焼ガスＧを生じさせ、燃焼ガスＧの熱を熱交換器３内の流体（水、空気等）に移動させることで、この流体の温度を上昇させるものである。ボイラ１は、燃焼室２と、熱交換器３と、排ガス出口４とを有している。

燃焼室２は、燃料を燃やすことで高温の燃焼ガスＧを生じさせるものである。燃焼室２は、鉛直方向に延在する縦長の形状を呈している。燃焼室２の内部下方において燃料を燃やすことで生じる燃焼ガスＧは、上方に向かって移動し、燃焼室２の上部側に設けられる熱交換器３に導入される構成となっている。

熱交換器３は、燃焼室２内で生じた高温の燃焼ガスＧの熱を、その内部を流動する流体に移動させるものである。
熱交換器３は、燃焼室２の上部側に設けられており、複数の伝熱管３１と、ハンガー管３２とを有している。

複数の伝熱管３１は、その内部で流体を流動させる管である。また、複数の伝熱管３１は、水平方向に延在しつつ鉛直方向に並んで配設され、全体として略パネル状に形成されている。なお、図１に示すように、少なくとも１本の伝熱管３１が、つづら折り状に繰り返し折り曲げられ、鉛直方向に関して複数の管が配設されている構成であってもよい。また、上記パネル状に形成された複数の伝熱管３１は、図１の紙面垂直方向で複数並んで配置されている。
伝熱管３１には、ボイラ１の外部から非加熱状態の流体が導入され、伝熱管３１からボイラ１の外部に向かって、加熱された流体が供給される構成となっている。また、伝熱管３１は、ハンガー管３２とも連通している。

ハンガー管３２は、その内部で流体を流動させる管であると共に、伝熱管３１を支持するものである。ハンガー管３２は、鉛直方向で延在しており、その上端部でボイラ１の天井部に接続され、該天井部から吊り下げられた構成となっている。ハンガー管３２の少なくとも下端側には、ハンガー管３２の曲がり、又は水平方向での移動を規制するための不図示の規制部材が設けられている。この規制部材は、ハンガー管３２とボイラ１の壁部との間に配置されている。なお、この規制部材は、ハンガー管３２の中腹部に設けられていてもよく、複数配置されていてもよい。
なお、熱交換器３の詳細については、後述する。

排ガス出口４は、燃焼ガスＧの流動に関して熱交換器３の下流側に設けられており、熱交換器３内の流体に対して熱を移動させた後の燃焼ガスＧを、ボイラ１から排出する箇所である。

次に、熱交換器３の詳細を、図２を参照して説明する。
図２は、熱交換器３の構成を示す概略図であって、（ａ）は図１における熱交換器３の拡大図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線視断面図、（ｃ）は（ｂ）のＢ−Ｂ線視断面図である。なお、図２（ａ）では、ハンガー管３２による複数の伝熱管３１の支持箇所を拡大している。

熱交換器３は、複数の伝熱管３１と、ハンガー管３２と、支持部材３３と、緩和部材３４とを有している。
複数の伝熱管３１は、水平方向に延在し、その内部で流体を流動させる管である。伝熱管３１の周囲には高温の燃焼ガスＧが流動し、また、伝熱管３１内を流動する流体は燃焼ガスＧによって加熱され高温となることから、伝熱管３１は耐熱性の高い材料、例えばオーステナイト系ステンレス鋼を用いて形成されている。

ハンガー管３２は、伝熱管３１と交差する所定の延在方向すなわち鉛直方向に延在し、その内部で流体を流動させる管である。一対のハンガー管３２は、複数の伝熱管３１の両側に隣り合って設けられている。また、ハンガー管３２は、複数の伝熱管３１を鉛直方向で並べて支持するものである。
ハンガー管３２は、周囲に高温の燃焼ガスＧが流動しているのであるが、その内部で加熱前の流体を流動させているため、ハンガー管３２自体の昇温は抑制される。そのため、ハンガー管３２を耐熱性の高い材料を用いて形成する必要はなく、例えばフェライト系合金鋼を用いて形成されている。

支持部材３３は、ハンガー管３２の延在方向すなわち鉛直方向に延びる板状の部材であって、ハンガー管３２の外周面の伝熱管３１に対向する箇所に、溶接等を用いて一体的に接続されている。
支持部材３３のハンガー管３２と逆側の端部には、伝熱管３１の外周面の形状に応じた凹部３３ａが複数形成されている。一対の支持部材３３は、凹部３３ａの部分で伝熱管３１を挟持して保持している。一対の支持部材３３の互いに対向する縁部には、所定の隙間Ｓが設けられている。

支持部材３３はハンガー管３２の外周面に設けられており、ハンガー管３２の内部を流れる流体による冷却効果は期待できず、周囲を高温の燃焼ガスＧが流動することで加熱される。そのため、熱による損傷を防止するために、支持部材３３は耐熱性の高い材料、例えばオーステナイト系ステンレス鋼を用いて形成されている。

緩和部材３４は、ハンガー管３２の延在方向すなわち鉛直方向に延びる板状の部材であって、ハンガー管３２を曲げる力を緩和するための部材である。緩和部材３４は、ハンガー管３２を中心として支持部材３３の対称となる位置に、溶接等を用いて一体的に接続されている。
緩和部材３４もハンガー管３２の外周面に設けられているため、燃焼ガスＧの熱による損傷を防止するために、耐熱性の高い材料、例えばオーステナイト系ステンレス鋼を用いて形成されている。すなわち、緩和部材３４は、支持部材３３の線膨張係数と、同一の線膨張係数を有する材料を用いて形成されている。

続いて、熱交換器３が、高温の燃焼ガスＧにより加熱されたときの作用を説明する。
熱交換器３の周囲を高温の燃焼ガスＧが流動することで、熱交換器３の各部材は加熱される。ここで、伝熱管３１の内部には流体が流動しており、伝熱管３１が燃焼ガスＧから加熱されることで、流体は伝熱管３１の内部を流動すると共に加熱される。よって、熱交換器３では、燃焼ガスＧの熱を伝熱管３１の内部を流れる流体に移動させることができる。

高温の燃焼ガスＧにより、ハンガー管３２及び支持部材３３が加熱される。ここで、ハンガー管３２の内部には燃焼ガスＧの温度よりも低温の流体が流れており、ハンガー管３２の温度上昇は抑えられる。一方、支持部材３３はハンガー管３２の外周面に設けられており、ハンガー管３２内部の流体による冷却効果は期待できないことから、ハンガー管３２と支持部材３３との間には温度差が生じ、支持部材３３の温度はハンガー管３２の温度よりも高くなっている。

また、ハンガー管３２の材料と支持部材３３の材料とが異なるために、ハンガー管３２の線膨張係数と支持部材３３の線膨張係数とが異なる。そして、ハンガー管３２及び支持部材３３のそれぞれの温度及び線膨張係数が異なることで、ハンガー管３２と支持部材３３との間に熱膨張の差が生じる。ハンガー管３２と支持部材３３とは互いに溶接等を用いて一体的に接続されているため、上記熱膨張の差が生じることで、ハンガー管３２を曲げる力が発生する。

ここで、緩和部材３４はハンガー管３２の外周面に設けられており、高温の燃焼ガスＧによって支持部材３３と同様に加熱される。また、緩和部材３４は支持部材３３と同一の線膨張係数を有する材料を用いて形成されている。
そのため、緩和部材３４は支持部材３３と同じように膨張し、ハンガー管３２と緩和部材３４との間には熱膨張の差が生じる。そして、緩和部材３４はハンガー管３２を中心として支持部材３３の対称となる位置に設けられ、ハンガー管３２と緩和部材３４とは溶接等を用いて一体的に接続されていることから、ハンガー管３２と緩和部材３４との間の熱膨張の差により、ハンガー管３２と支持部材３３との関係で生じる力に対して逆方向にハンガー管３２を曲げる力が発生する。

ハンガー管３２と緩和部材３４との関係で生じる上記逆方向の力により、ハンガー管３２と支持部材３３との関係で生じる力が緩和される。よって、ハンガー管３２と支持部材３３との接続部、及び支持部材３３による伝熱管３１の挟持部等に生じる熱応力を低減することができる。したがって、これら熱応力が生じることによる、熱交換器３の破損を防止することができる。

なお、上述したように、ハンガー管３２とボイラ１の壁部との間には、ハンガー管３２の曲がり及び水平方向での移動を防止するための不図示の規制部材が設けられている。緩和部材３４を持たない従来の構成では、支持部材３３によるハンガー管３２を曲げる力に規制部材が対抗していたため、ハンガー管３２と規制部材との間に応力が生じていた。そのため、規制部材は、上記応力に耐えうる強度を有する必要があった。
しかし、本実施形態では、緩和部材３４が支持部材３３によるハンガー管３２を曲げる力を緩和することができるため、規制部材の強度を落とし、その取り付け方法等も簡易化することができる。

以上より、本実施形態によれば、緩和部材３４が、支持部材３３によるハンガー管３２を曲げる力を緩和することができるため、ハンガー管３２と支持部材３３との接続部、及び支持部材３３による伝熱管３１の挟持部等に生じていた熱応力を低減することができる。結果として、本実施形態によれば、熱交換器３の破損を防止することができる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態では、支持部材３３と緩和部材３４との各線膨張係数は同一であったが、これに限定されるものではなく、支持部材３３と緩和部材３４との各線膨張係数が互いに近似するものであってもよい。

また、上記実施形態の緩和部材３４に代わり、図３に示す第２緩和部材３５をハンガー管３２に設けてもよい。
図３は、図２（ｃ）における熱交換器３の一変形例である。
図３に示す変形例では、１つのハンガー管３２に対して、一対の第２緩和部材３５が設けられている。第２緩和部材３５は、ハンガー管３２の外周面の支持部材３３と逆側の箇所に設けられる板状の部材であって、緩和部材３４と同様の材料を用いて形成されている。
また、一対の第２緩和部材３５は、ハンガー管３２と一対の第２緩和部材３５との間の熱膨張の差により生じる、ハンガー管３２を曲げるそれぞれの力の合力が、支持部材３３が付与するハンガー管３２を曲げる力と釣り合う位置にそれぞれ設けられている。

３……熱交換器、３１……伝熱管、３２……ハンガー管、３３……支持部材、３４……緩和部材

Claims (3)

1. 複数の伝熱管と、
   前記伝熱管と交差する所定の延在方向に延びるハンガー管と、
   前記延在方向に延びると共に前記ハンガー管に設けられ、前記複数の伝熱管を前記延在方向で並べて支持する支持部材と、
   前記ハンガー管と前記支持部材との間の熱膨張の差により生じる前記ハンガー管を曲げる力を緩和する緩和部材とを有し、
   前記緩和部材は、前記ハンガー管を中心として前記支持部材の対称の位置を挟んだ両側に一対で設けられていることを特徴とする熱交換器。
2. 前記緩和部材は、前記延在方向に延びて形成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記緩和部材の線膨張係数は、前記支持部材の線膨張係数と同一であることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交換器。

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