JP7386024B2 - 冷却流路構造、バーナー及び熱交換器 - Google Patents

Description

本開示は、冷却流路構造、バーナー及び熱交換器に関する。

特許文献１には、軸方向に沿って直線状に延在する冷却流路を内部に備える燃料ノズルシュラウドが開示されている。この構成によれば、冷却流路に冷却媒体を流すことにより、燃料ノズルシュラウドに発生する熱応力を低減することができる。

特開２０１５－２０６５８４号公報

ところで、冷却対象物を冷却するための冷却流路に関して、対向する２つの壁部の間に壁面に沿う方向に間隔を空けて複数の流路断面が配置される場合、上記２つの壁部のうち高温流体に晒される壁部には、上記複数の流路断面を仕切る仕切壁部との接続位置に大きな熱応力が発生し、損傷が生じる恐れがある。しかしながら、上記特許文献１には、このような課題及びその解決策に関する知見は開示されていない。

上述の事情に鑑みて、本開示は、熱応力に起因する損傷を抑制可能な冷却流路構造、バーナー及び熱交換器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本開示に係る冷却流路構造は、
第１方向に沿って延在する第１壁部と、
前記第１方向と直交する第２方向において前記第１壁部と間隔を空けて配置された第２壁部と、
前記第１方向に間隔を空けて配置される複数の流路断面を有する少なくとも１つの冷却流路を前記第１壁部と前記第２壁部との間に形成するように、前記第１壁部と前記第２壁部とを接続する複数の仕切壁部と、
を備え、
前記第１方向及び前記第２方向を含む断面において、前記仕切壁部の少なくとも一部は、前記第２方向と交差する方向に沿って延在する。

本開示によれば、熱応力に起因する損傷を抑制可能な冷却流路構造、バーナー及び熱交換器が提供される。

一実施形態に係るバーナー２の概略構成を示す縦断面図である。 一実施形態に係るバーナー筒５（５Ａ）の概略構成を示す縦断面図であり、バーナー筒５（５Ａ）の中心軸線ＣＬを含む断面（軸方向及び径方向を含む断面）を示している。 比較形態に係るバーナー筒の概略構成を示す縦断面図である。 図３に示した構成の部分拡大図である。 図２に示した構成の部分拡大図である。 他の実施形態に係るバーナー筒５（５Ｂ）の概略構成を示す縦断面図であり、バーナー筒５（５Ｂ）の中心軸線ＣＬを含む断面（軸方向及び径方向を含む断面）を示している。 他の実施形態に係るバーナー筒５（５Ｃ）の概略構成を示す縦断面図であり、バーナー筒５（５Ｃ）の中心軸線ＣＬを含む断面（軸方向及び径方向を含む断面）を示している。 図６に示した構成の部分拡大図である。 図７に示した構成の部分拡大図である。 他の実施形態に係るバーナー筒５（５Ｄ）の概略構成を示す縦断面図であり、バーナー筒５（５Ｄ）の中心軸線ＣＬを含む断面（軸方向及び径方向を含む断面）を示している。 他の実施形態に係るバーナー筒５（５Ｅ）の概略構成を示す縦断面図であり、バーナー筒５（５Ｅ）の中心軸線ＣＬを含む断面（軸方向及び径方向を含む断面）を示している。 他の実施形態に係るロケットエンジンのノズルスカート５０の概略構成を示す部分断面図である。 他の実施形態に係る冷却流路構造１００Ｇの概略構成を示す部分断面図である。

以下、添付図面を参照して本開示の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

図１は、一実施形態に係るバーナー２の概略構成を示す縦断面図である。バーナー２は、例えば、石炭ガス化装置等のガス火炉、コンベンショナルボイラ、ごみ焼却炉、ガスタービン燃焼器又はエンジン等に適用される。

バーナー２は、燃料を噴射する燃料ノズル４と、燃料ノズル４の周りに燃料ノズル４と同一の軸線ＣＬ上に配置され、燃料を燃焼するための酸化剤としての空気を案内するバーナー筒５とを備える。バーナー筒５は、両端に開口を有する筒状部材であり、熱を遮蔽する遮蔽筒として機能する。燃料ノズル４の外周面とバーナー筒５の内周面との間にはスワラ３０が設けられている。バーナー筒５は火炎が形成される燃焼室２６の壁２８を貫通して設けられ、バーナー筒５の基端側は燃焼室２６の外部に位置し、バーナー筒５の先端側は燃焼室２６の内部に位置する。バーナー筒５の基端側には、例えば空気を供給する不図示の空気供給管に接続するためのフランジ等が設けられていてもよい。

以下では、バーナー筒５の軸方向を単に「軸方向」といい、バーナー筒５の径方向を単に「径方向」といい、バーナー筒５の周方向を単に「周方向」ということとする。また、以下では、バーナー筒５の内部とは、バーナー筒５の肉厚の内部を意味することとする。

次に、図２を用いてバーナー筒５の構成例を説明する。図２は、一実施形態に係るバーナー筒５（５Ａ）の概略構成を示す縦断面図であり、バーナー筒５（５Ａ）の中心軸線ＣＬを含む断面（軸方向及び径方向を含む断面）を示している。

図２に示すように、バーナー筒５（５Ａ）は、第１方向としての軸方向に沿って延在する筒状の第１壁部６と、第１方向と直交する第２方向としての径方向（バーナー筒５の厚さ方向）において第１壁部６と間隔を空けて配置された筒状の第２壁部８と、少なくとも１つの冷却流路１４と、第１壁部６と第２壁部８とを接続する複数の仕切壁部１０と、を備える。筒状の第２壁部８は、筒状の第１壁部６の内周側に配置されており、第１壁部６の中心軸線ＣＬと第２壁部８の中心軸線とは一致している。図２に示す断面において、第１壁部６と第２壁部８とは平行に配置されている。

複数の仕切壁部１０は、軸方向に間隔を空けて配置される複数の流路断面１２を有する少なくとも１つの冷却流路１４を第１壁部６と第２壁部８との間に形成するように、第１壁部６と第２壁部８とを接続する。すなわち、仕切壁部１０の各々は、冷却流路１４に設けられ、第１壁部６から第２壁部８まで径方向に沿って延在し、冷却流路１４の壁面を形成する。仕切壁部１０の各々の径方向外側端は第１壁部６のうち第２壁部８側の面６ａ（第１壁部６の内周面）に接続し、仕切壁部１０の各々の径方向内側端は第２壁部８のうち第１壁部６側の面８ａ（第２壁部８の外周面）に接続する。すなわち、第１壁部と第２壁部８とは、複数の仕切壁部１０を介して接続されている。少なくとも１つの冷却流路１４は、例えば１つの螺旋状流路であってもよいし、複数の螺旋状流路であってもよいし、熱交換器等に採用される他の種々の形状を有する１つ又は複数の流路であってもよい。

図２に示す断面において、仕切壁部１０の少なくとも一部は、径方向と交差する方向に沿って延在している。図２に示す断面では、流路断面１２の各々は略三角形を含む矢印形状を有しており、仕切壁部１０の各々は、第１壁部６から径方向と交差する方向ａ（第３方向）に沿って直線状に延在する第１傾斜壁部１６と、第２壁部８から径方向及び方向ａの各々と交差する方向ｂ（第４方向）に沿って直線状に延在して第１傾斜壁部１６に接続する第２傾斜壁部１８と、を含む。図示する断面では、方向ａは、第１壁部６から径方向における内側に向かうにつれて軸方向におけるバーナー筒５の先端側に向かう方向であり、方向ｂは、第２壁部８から径方向における外側に向かうにつれて軸方向におけるバーナー筒５の先端側に向かう方向である。

図２に示す構成では、第１壁部６、第２壁部８及び複数の仕切壁部１０が、少なくとも１つの冷却流路１４を含む冷却流路構造１００Ａを構成する。すなわち、バーナー筒５（５Ａ）を冷却するための冷却媒体が流れる少なくとも１つの冷却流路１４がバーナー筒５（５Ａ）自体の内部（バーナー筒５の肉厚の内部）に形成されており、バーナー筒５（５Ａ）自体が冷却流路構造１００Ａを構成している。このようなバーナー筒５（５Ａ）は、例えば三次元積層造形装置（所謂３Ｄプリンター）を用いて製造することができる。なお、冷却流路１４を流れる冷却媒体は、例えば水や油等の液体であってもよいし、空気等の気体であってもよい。

ここで、図２に示す構成により得られる効果について、図３～図５を用いて説明する。図３は、比較形態に係るバーナー筒の概略構成を示す縦断面図である。図４は、図３に示した構成の部分拡大図である。図４には、第１壁部０６が仕切壁部０１０によって熱変形の拘束を受けない仮想的な場合（ケース１）について、第１壁部０６の径方向の熱変形量が破線で模式的に示されており、第１壁部０６が仕切壁部０１０によって熱変形の拘束を受ける実際の場合（ケース２）について、第１壁部０６の径方向の熱変形量が一点鎖線で模式的に示されている。図５は、図２に示した構成の部分拡大図である。図５には、第１壁部６が仕切壁部１０によって熱変形の拘束を受けない仮想的な場合（ケース３）について、第１壁部６の径方向の熱変形量が破線で模式的に示されており、第１壁部６が仕切壁部１０によって熱変形の拘束を受ける実際の場合（ケース４）について、第１壁部６の径方向の熱変形量が一点鎖線で模式的に示されている。

図３に示すように、熱交換を行う機器では、高温流体と冷却媒体（高温流体よりも温度が低い低温流体）との間に位置する第１壁部０６において、第１壁部０６の厚さ方向に温度勾配（図３に示す温度Ｔ_２から温度Ｔ_１に至る温度分布を有する温度勾配）が生じ、高温流体からの熱流束ｑによる温度上昇により熱変形が生じる。一方、冷却流路０１４の流路断面０１２を仕切る仕切壁部０１０は、冷却媒体に挟まれているため、仕切壁部０１０の温度は冷却媒体の温度と同等となる。

図４に示すように、第１壁部０６は、仕切壁部０１０から軸方向に離れた位置Ｐ２では仕切壁部０１０に接続していないため、位置Ｐ２では仕切壁部０１０から熱変形の拘束を直接的には受けないのに対し、軸方向において仕切壁部０１０が存在している位置Ｐ１では仕切壁部０１０に接続しているため、位置Ｐ１では仕切壁部０１０から熱変形の拘束を直接的に受ける。このため、第１壁部０６のうち仕切壁部０１０に接続する部分（位置Ｐ１の近傍部分）には、大きな熱応力が生じることとなり、損傷が生じる可能性がある。

これに対し、図２及び図５に示したバーナー筒５（５Ａ）では、上述のように、仕切壁部１０の少なくとも一部は、径方向と交差する方向に沿って延在している。このため、図３及び図４に示す構成と比較して、冷却流路１４の密度を維持しながら、第１壁部６が仕切壁部１０から受ける熱変形の拘束力（第１壁部６のうち仕切壁部１０に接続する部分が受ける拘束力）を低減して、第１壁部６の損傷を抑制することができる。

また、上述のように、仕切壁部１０の各々は、第１壁部６から径方向と交差する方向ａに沿って延在する第１傾斜壁部１６と、第２壁部８から径方向及び方向ａの各々と交差する方向ｂに沿って延在して第１傾斜壁部１６に接続する第２傾斜壁部１８と、を含む。このため、流路断面１２の各々が略三角形を含む矢印形状を有しており、冷却流路１４の高い耐圧性と低い圧力損失を実現するとともに、第１壁部６に生じる熱応力の増大を抑制することができる。

次に、幾つかの他の実施形態について説明する。以下で説明する他の実施形態において、前述の実施形態の各構成と共通の符号は、特記しない限り前述の実施形態の各構成と同様の構成を示すものとし、説明を省略する。

図６は、他の実施形態に係るバーナー筒５（５Ｂ）の概略構成を示す縦断面図であり、バーナー筒５（５Ｂ）の中心軸線ＣＬを含む断面（軸方向及び径方向を含む断面）を示している。図７は、他の実施形態に係るバーナー筒５（５Ｃ）の概略構成を示す縦断面図であり、バーナー筒５（５Ｃ）の中心軸線ＣＬを含む断面（軸方向及び径方向を含む断面）を示している。

図６に示すバーナー筒５（５Ｂ）は、上述の第１壁部６、第２壁部８及び複数の仕切壁部１０に加えて、第３壁部２０及び複数の仕切壁部２２を更に備える。

第３壁部２０は、第２壁部８を挟んで第１壁部６と反対側に配置されており、軸方向に沿って延在する。図６に示す構成では、第１壁部６のうち第２壁部８と反対側の面６ｂが燃焼室２６内の高温流体に面しており、第３壁部２０のうち第２壁部８と反対側の面２０ａが燃焼室２６内の高温流体に面している。

複数の仕切壁部２２は、軸方向に間隔を空けて配置される複数の流路断面３２を有する少なくとも１つの冷却流路３４を第２壁部８と第３壁部２０との間に形成するように、第２壁部８と第３壁部２０とを接続する。

図６に示す断面において、第２壁部８と第３壁部２０とを接続する仕切壁部２２の少なくとも一部は、径方向と交差する方向に沿って延在する。図６に示す断面において、仕切壁部２２の各々は、第２壁部８から径方向と交差する方向ｃに沿って直線状に延在する第３傾斜壁部３６と、第２壁部８から径方向及び方向ｃの各々と交差する方向ｄに沿って直線状に延在して第３傾斜壁部３６に接続する第４傾斜壁部３８と、を含む。図示する断面では、方向ｃは、第２壁部８から径方向における内側に向かうにつれて軸方向におけるバーナー筒５の先端側に向かう方向であり、方向ｄは、第３壁部２０から径方向における外側に向かうにつれて軸方向におけるバーナー筒５の先端側に向かう方向である。

図６に示す構成では、第１壁部６、第２壁部８、第３壁部２０、複数の仕切壁部１０及び複数の仕切壁部２２が、冷却流路１４，３４を含む冷却流路構造１００Ｂを構成する。すなわち、バーナー筒５（５Ｂ）を冷却するための冷却媒体が流れる冷却流路１４，３４がバーナー筒５（５Ｂ）自体の内部（バーナー筒５の肉厚の内部）に形成されており、バーナー筒５（５Ｂ）自体が冷却流路構造１００Ｂを構成している。

図６に示す構成によれば、第１壁部６と第２壁部８とを接続する仕切壁部１０の少なくとも一部が径方向と交差する方向に沿って延在しているため、冷却流路１４の密度を維持しながら、第１壁部６が仕切壁部１０から受ける熱変形の拘束力を低減して、第１壁部６の損傷を抑制することができる。また、第２壁部８と第３壁部２０とを接続する仕切壁部２２の少なくとも一部が径方向と交差する方向に沿って延在しているため、冷却流路３４の密度を維持しながら、第３壁部２０が仕切壁部２２から受ける熱変形の拘束力を低減して、第３壁部２０の損傷を抑制することができる。

図６に示す構成では、第１壁部６及び第３壁部２０が高温流体に加熱されて軸方向に熱変形（熱伸び）が生じるのに対して、第２壁部８は冷却媒体に挟まれて冷却されているため、第１壁部６及び第３壁部２０の軸方向の熱変形が第２壁部８によって拘束され、熱応力が生じる。

これに対し、図７に示すバーナー筒５（５Ｃ）では、軸方向及び径方向を含む断面において、第２壁部８の少なくとも一部は、軸方向と交差する方向に沿って延在している。これにより、第１壁部６及び第３壁部２０が第２壁部８から受ける軸方向の熱変形の拘束力を低減して、第１壁部６及び第３壁部２０の損傷を抑制することができる。

また、図７に示す断面では、第２壁部８は、接続部４０、第５傾斜壁部４２、第６傾斜壁部４４及び第７傾斜壁部４６を含む曲がり壁部４８を、仕切壁部１０と同じピッチで複数備える。接続部４０は、仕切壁部１０及び仕切壁部２２の各々に接続する。

第５傾斜壁部４２は、軸方向におけるバーナー筒５の基端側に向かうにつれて径方向における外側に向かうように直線状に延在しており、第５傾斜壁部４２の一端は接続部４０に接続し、第５傾斜壁部４２の他端は第６傾斜壁部４４の一端に接続している。第６傾斜壁部４４は、軸方向におけるバーナー筒５の基端側に向かうにつれて径方向における内側に向かうように直線状に延在しており、第６傾斜壁部４４の他端は第７傾斜壁部４６の一端に接続している。第７傾斜壁部４６は、軸方向におけるバーナー筒５の基端側に向かうにつれて径方向における外側に向かうように直線状に延在しており、第７傾斜壁部４６の他端は隣接する接続部４０に接続している。

図７に示す構成では、第１壁部６、第２壁部８、第３壁部２０、複数の仕切壁部１０及び複数の仕切壁部２２が、冷却流路１４，３４を含む冷却流路構造１００Ｃを構成する。すなわち、バーナー筒５（５Ｃ）を冷却するための冷却媒体が流れる冷却流路１４，３４がバーナー筒５（５Ｃ）自体の内部（バーナー筒５の肉厚の内部）に形成されており、バーナー筒５（５Ｃ）自体が冷却流路構造１００Ｃを構成している。

図７に示す構成では、第２壁部８が上述の曲がり壁部４８を備えることにより、第１壁部６及び第３壁部２０が第２壁部８から受ける軸方向の熱変形の拘束力を効果的に低減することができる。

図８は、図６に示した構成の部分拡大図である。図８には、熱変形が拘束されない仮想的な場合（ケース５）について、軸方向の熱変形量が破線で模式的に示されており、熱変形が拘束される実際の場合（ケース６）について、軸方向の熱変形量が一点鎖線で模式的に示されている。図９は、図７に示した構成の部分拡大図である。図９には、熱変形が拘束されない仮想的な場合（ケース７）について、軸方向の熱変形量が破線で模式的に示されており、熱変形が拘束される実際の場合（ケース８）について、軸方向の熱変形量が一点鎖線で模式的に示されている。

図８及び図９を比較すると、熱変形が拘束されない仮想的な場合（ケース５，ケース７）と比較して、熱変形が拘束される実際の場合（ケース６，ケース８）の方が、第１壁部６及び第３壁部２０の熱変形量が拘束されて小さくなる。また、図９に示す構成の方が図８に示す構成よりも第１壁部６及び第３壁部２０が第２壁部８から受ける軸方向の熱変形の拘束力が小さいため、ケース８の方が、図８に示すケース６と比較して、第１壁部６、第２壁部８及び第３壁部２０の軸方向の熱変形量が大きくなっている。このため、図９に示す構成の方が図８に示す構成よりも第１壁部６及び第３壁部２０に生じる熱応力を低減することができ、第１壁部６及び第３壁部２０の損傷を抑制することができる。

図１０は、他の実施形態に係るバーナー筒５（５Ｄ）の概略構成を示す縦断面図であり、バーナー筒５（５Ｄ）の中心軸線ＣＬを含む断面（軸方向及び径方向を含む断面）を示している。

図６に示す構成では流路断面１２，３２の各々が略三角形を含む矢印形状を有しているのに対し、図１０に示す構成では、流路断面１２，３２の各々が略半円を含む矢印形状を有している。

図１０に示す断面において、仕切壁部１０の各々は、円弧に沿って形成されており、仕切壁部１０の少なくとも一部は、径方向と交差する方向に沿って延在している。また、図１０に示す断面において、仕切壁部２２の各々は、円弧に沿って形成されており、仕切壁部２２の少なくとも一部は、径方向と交差する方向に沿って延在している。

このように、図１０に示す構成では、第１壁部６、第２壁部８、第３壁部２０、複数の仕切壁部１０及び複数の仕切壁部２２が、冷却流路１４，３４を含む冷却流路構造１００Ｄを構成する。すなわち、バーナー筒５（５Ｄ）を冷却するための冷却媒体が流れる冷却流路１４，３４がバーナー筒５（５Ｄ）自体の内部（バーナー筒５の肉厚の内部）に形成されており、バーナー筒５（５Ｄ）自体が冷却流路構造１００Ｄを構成している。

図１０に示す構成においても、仕切壁部１０の少なくとも一部が径方向と交差する方向に沿って延在しているため、冷却流路１４の密度を維持しながら、第１壁部６が仕切壁部１０から受ける熱変形の拘束力を低減して、第１壁部６の損傷を抑制することができる。また、仕切壁部２２の少なくとも一部が径方向と交差する方向に沿って延在しているため、冷却流路３４の密度を維持しながら、第３壁部２０が仕切壁部２２から受ける熱変形の拘束力を低減して、第３壁部２０の損傷を抑制することができる。

また、仕切壁部１０の各々を円弧に沿って形成することにより、図６に示す構成と比較して、冷却流路１４の耐圧性を高めつつ冷却流路１４の圧力損失増大を抑制することができる。また、仕切壁部２２の各々を円弧に沿って形成することにより、図６に示す構成と比較して、冷却流路３４の耐圧性を高めつつ冷却流路１４における圧力損失の増大を抑制することができる。

図１１は、他の実施形態に係るバーナー筒５（５Ｅ）の概略構成を示す縦断面図であり、バーナー筒５（５Ｅ）の中心軸線ＣＬを含む断面（軸方向及び径方向を含む断面）を示している。

図６に示す構成では流路断面１２，３２の各々が略三角形を含む矢印形状を有しているのに対し、図１１に示す構成では、流路断面１２，３２の各々が略平行四辺形を有している。

図１１に示す断面において、仕切壁部１０の各々は、第１壁部６から第２壁部８まで径方向と交差する方向ｅに沿って直線状に延在している。また、図１１に示す断面において、仕切壁部２２の各々は、第３壁部２０から第２壁部８まで径方向と交差する方向ｆに沿って直線状に延在している。図示する断面では、方向ｅは、第１壁部６から径方向における内側に向かうにつれて軸方向におけるバーナー筒５の基端側に向かう方向であり、方向ｆは、第３壁部２０から径方向における外側に向かうにつれて軸方向におけるバーナー筒５の基端側に向かう方向である。

このように、図１１に示す構成では、第１壁部６、第２壁部８、第３壁部２０、複数の仕切壁部１０及び複数の仕切壁部２２が、冷却流路１４，３４を含む冷却流路構造１００Ｃを構成する。すなわち、バーナー筒５（５Ｅ）を冷却するための冷却媒体が流れる冷却流路１４，３４がバーナー筒５（５Ｅ）自体の内部（バーナー筒５の肉厚の内部）に形成されており、バーナー筒５（５Ｅ）自体が冷却流路構造１００Ｅを構成している。

図１１に示す構成においても、仕切壁部１０の少なくとも一部が径方向と交差する方向に沿って延在しているため、冷却流路１４の密度を維持しながら、第１壁部６が仕切壁部１０から受ける熱変形の拘束力を低減して、第１壁部６の損傷を抑制することができる。また、仕切壁部２２の少なくとも一部が径方向と交差する方向に沿って延在しているため、冷却流路３４の密度を維持しながら、第３壁部２０が仕切壁部２２から受ける熱変形の拘束力を低減して、第３壁部２０の損傷を抑制することができる。

また、仕切壁部１０が第１壁部６から第２壁部８まで径方向と交差する方向ｅに沿って延在しているため、図６に示す構成や図１０に示す構成と比較して、第１壁部６が仕切壁部１０から受ける熱変形の拘束力を効果的に低減して、第１壁部６の損傷を効果的に抑制することができる。

また、仕切壁部２２が第３壁部２０から第２壁部８まで径方向と交差する方向ｆに沿って延在しているため、図６に示す構成や図１０に示す構成と比較して、第３壁部２０が仕切壁部２２から受ける熱変形の拘束力を効果的に低減して、第３壁部２０の損傷を効果的に抑制することができる。

本開示は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

例えば、上述した幾つかの実施形態では、バーナー筒５（５Ａ～５Ｅ）が冷却流路構造１００Ａ～１００Ｅを構成する場合を例示したが、これらと同様の冷却流路構造をロケットエンジンのノズルスカートに適用してもよい。

図１２は、他の実施形態に係るロケットエンジンのノズルスカート５０の概略構成を示す部分断面図である。
図１２に示すロケットエンジンのノズルスカート５０は、筒状に構成されており、第１方向ｄ１に沿って延在する筒状の第１壁部６と、第１方向ｄ１と直交する第２方向ｄ２（ノズルスカート５０の厚さ方向）において第１壁部６と間隔を空けて配置された筒状の第２壁部８と、第１壁部６と第２壁部８とを接続する複数の仕切壁部１０と、を備える。筒状の第２壁部８は、筒状の第１壁部６の内周側に配置されており、第１壁部６の中心軸線ＣＬと第２壁部８の中心軸線ＣＬとは一致している。筒状の第１壁部６の半径と筒状の第２壁部８の半径は、ノズルスカート５０の先端側（紙面下側）に近づくにつれて拡大する。

複数の仕切壁部１０は、第１方向ｄ１に間隔を空けて配置される複数の流路断面１２を有する少なくとも１つの冷却流路１４を第１壁部６と第２壁部８との間に形成するように、第１壁部６と第２壁部８とを接続する。

図１２に示す構成では、第１壁部６、第２壁部８及び複数の仕切壁部１０が、少なくとも１つの冷却流路１４を含む冷却流路構造１００Ｆを構成する。すなわち、ノズルスカート５０を冷却するための冷却媒体が流れる冷却流路１４がノズルスカート５０自体の内部（ノズルスカート５０の肉厚の内部）に形成されており、ノズルスカート５０自体が冷却流路構造１００Ｆを構成している。

図１２に示す断面において、仕切壁部１０の少なくとも一部が第２方向ｄ２と交差する方向に沿って延在しているため、冷却流路１４の密度を維持しながら、第１壁部６が仕切壁部１０から受ける熱変形の拘束力を低減して、第１壁部６の損傷を抑制することができる。

また、上述した幾つかの実施形態では、筒状の部材が冷却流路構造１００Ａ～１００Ｆを構成する場合を例示した。すなわち、第１壁部６及び第２壁部８の各々が筒状に構成された場合を例示した。しかしながら、他の実施形態では、第１壁部６及び第２壁部８は円筒形状に限らず例えば多角形の断面を有する筒状であってもよいし、例えば図１３に示すように、第１壁部６及び第２壁部８の各々は、平面Ｓに沿って平面Ｓに平行に形成されてもよい。この場合、仕切壁部１０の少なくとも一部は、平面Ｓに直交する方向（第２方向）と交差する方向に沿って延在する。

図１３に示す断面では、流路断面１２の各々は略三角形を含む矢印形状を有しており、仕切壁部１０の各々は、第１壁部６から径方向と交差する方向ａ（第３方向）に沿って直線状に延在する第１傾斜壁部１６と、第２壁部８から径方向及び方向ａの各々と交差する方向ｂ（第４方向）に沿って直線状に延在して第１傾斜壁部１６に接続する第２傾斜壁部１８と、を含む。図示する断面では、方向ａは、第１壁部６から離れるにつれて第１方向ｄ１における一方側に向かう方向であり、方向ｂは、第２壁部８から離れるにつれて第１方向における上記一方側に向かう方向である。

図１３に示す構成では、第１壁部６、第２壁部８及び複数の仕切壁部１０が、少なくとも１つの冷却流路１４を含む冷却流路構造１００Ｇを構成する。図１３に示す冷却流路構造１００Ｇは、例えばボイラの火炉の水冷壁等に適用することが可能である。図１３に示す構成によれば、第１壁部６が仕切壁部１０から受ける熱変形の拘束力を低減して、第１壁部６の損傷を抑制することができる。

また、上述した幾つかの実施形態では、第１壁部６及び第２壁部８（並びに第３壁部２０）が平行に配置された構成を例示したが、第１壁部６壁部６及び第２壁部８（並びに第３壁部２０）は必ずしも平行に配置されていなくともよい。

上記各実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。

（１）本開示に係る冷却流路構造（１００Ａ～１００Ｇ）は、
第１方向（例えば上述のバーナー筒５（５Ａ～５Ｅ）における軸方向、ノズルスカート５０における第１方向ｄ１及び水冷壁５２における第１方向ｄ１）に沿って延在する第１壁部（例えば上述の各実施形態の第１壁部６）と、
前記第１方向と直交する第２方向（例えば上述のバーナー筒５（５Ａ～５Ｅ）における径方向、ノズルスカート５０における第２方向ｄ２及び水冷壁５２における第２方向ｄ２）において前記第１壁部と間隔を空けて配置された第２壁部（例えば上述の各実施形態の第２壁部８）と、
前記第１方向に間隔を空けて配置される複数の流路断面（例えば上述の各実施形態の複数の流路断面１２）を有する少なくとも１つの冷却流路（例えば上述の各実施形態の少なくとも１つの冷却流路１４）であって、前記第１壁部と前記第２壁部との間に形成された冷却流路と、
前記冷却流路に設けられ、前記第１壁部と前記第２壁部とを接続し、前記冷却流路の壁面を形成する複数の仕切壁部（例えば上述の各実施形態の複数の仕切壁部１０）と、
を備え、
前記第１方向及び前記第２方向を含む断面において、前記仕切壁部の少なくとも一部は、前記第２方向と交差する方向（例えば上述の方向ａ，ｂ，ｅ、及び図１０に示す実施形態における円弧に沿う方向）に沿って延在する。

上記（１）に記載の冷却流路構造によれば、仕切壁部の少なくとも一部が第２方向と交差する方向に沿って延在しているため、仕切壁部が第２方向に平行（第１方向と直交する方向）に延在している構成と比較して、冷却流路の密度を維持しながら、第１壁部が仕切壁部から受ける熱変形の拘束力を低減して、熱応力に起因する第１壁部の損傷を抑制することができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）に記載の冷却流路構造において、
前記第１方向及び前記第２方向を含む断面において、前記仕切壁部は、円弧に沿って形成される。

上記（２）に記載の冷却流路構造によれば、仕切壁部を円弧に沿って形成することにより、冷却流路の耐圧性及び圧力損失の観点で特に良好な冷却流路構造を実現することができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）に記載の冷却流路構造において、
前記第１方向及び前記第２方向を含む断面において、前記仕切壁部は、
前記第１壁部から前記第２方向と交差する第３方向（例えば上述の方向ａ）に延在する第１傾斜壁部（例えば上述の第１傾斜壁部１６）と、
前記第２壁部から前記第２方向及び前記第３方向の各々と交差する第４方向（例えば上述の方向ｂ）に延在して前記第１傾斜壁部に接続する第２傾斜壁部（例えば上述の第２傾斜壁部１８）と、
を含む。

上記（３）に記載の冷却流路構造によれば、冷却流路の流路断面が略三角形を含む形状を有しており、冷却流路の耐圧性の観点、冷却流路の圧力損失の観点、及び第１壁部に生じる熱応力の観点で良好な冷却流路構造を実現することができる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（３）に記載の冷却流路構造において、
前記仕切壁部の各々は、前記第１傾斜壁部及び前記第２傾斜壁部を備え、
前記第３方向は、前記第１壁部から離れるにつれて前記第１方向における一方側に向かう方向であり、前記第４方向は、前記第２壁部から離れるにつれて前記第１方向における上記一方側に向かう方向である。

上記（４）に記載の冷却流路構造によれば、冷却流路の各々の流路断面が略三角形を含む形状を有しており、冷却流路の耐圧性の観点、冷却流路の圧力損失の観点、及び第１壁部に生じる熱応力の観点で良好な冷却流路構造を実現することができる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（１）に記載の冷却流路構造において、
前記第１方向及び前記第２方向を含む断面において、前記仕切壁部は、前記第１壁部から前記第２壁部まで前記第２方向と交差する方向（例えば上述の方向ｅ）に沿って延在する。

上記（５）に記載の冷却流路構造によれば、第１壁部に生じる熱応力の観点で特に良好な冷却流路構造を実現することができる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（５）の何れかに記載の冷却流路構造において、
前記第１壁部及び前記第２壁部の各々は、筒状に形成され、
前記第２壁部は前記第１壁部の内周側に配置される。

上記（６）に記載の冷却流路構造によれば、筒状の構造物における熱応力に起因する損傷を抑制することができる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（５）の何れかに記載の冷却流路構造において、
前記第１壁部及び前記第２壁部の各々は、平面（例えば上述の平面Ｓ）に沿って形成される。

上記（７）に記載の冷却流路構造によれば、平面に沿った構造物における熱応力に起因する損傷を抑制することができる。

（８）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（７）の何れかに記載の冷却流路構造において、
前記第２壁部を挟んで前記第１壁部と反対側に配置された第３壁部（例えば上述の第３壁部２０）と、
前記第１方向に間隔を空けて配置される複数の流路断面（例えば上述の複数の流路断面３２）を有する少なくとも１つの冷却流路（例えば上述の少なくとも１つの冷却流路３４）を前記第２壁部と前記第３壁部との間に形成するように、前記第２壁部と前記第３壁部とを接続する複数の仕切壁部（例えば上述の複数の仕切壁部２２）と、
を更に備え、
前記第１方向及び前記第２方向を含む断面において、前記第２壁部と前記第３壁部とを接続する前記仕切壁部の少なくとも一部は、前記第２方向と交差する方向（例えば上述の方向ｃ，ｄ，ｆ及び図１０に示す実施形態における円弧に沿う方向）に沿って延在する。

上記（８）に記載の冷却流路構造によれば、第２壁部と前記第３壁部とを接続する仕切壁部の少なくとも一部が第２方向と交差する方向に沿って延在しているため、該仕切壁部が第２方向に平行（第１方向と直交する方向）に延在している構成と比較して、冷却流路の密度を維持しながら、第３壁部が仕切壁部から受ける熱変形の拘束力を低減して、熱応力に起因する第３壁部の損傷を抑制することができる。

（９）幾つかの実施形態では、上記（８）に記載の冷却流路構造において、
前記第１方向及び前記第２方向を含む断面において、前記第２壁部の少なくとも一部は、前記第１方向と交差する方向（例えば図９に示す第５傾斜壁部４２が延在する方向、第６傾斜壁部４４が延在する方向及び第７傾斜壁部４６が延在する方向）に沿って延在する。

上記（９）に記載の冷却流路構造によれば、第２壁部の少なくとも一部が第１方向と交差する方向に沿って延在しているため、第１壁部及び第３壁部が第２壁部から受ける第１方向の熱変形の拘束力を低減して、熱応力に起因する第１壁部及び第３壁部の損傷を抑制することができる。

（１０）幾つかの実施形態では、上記（８）又は（９）に記載の冷却流路構造において、
前記第１方向及び前記第２方向を含む断面において、
前記第１壁部と前記第２壁部とを接続する前記仕切壁部は、前記第１壁部から前記第２壁部まで前記第２方向と交差する方向に沿って延在し、
前記第２壁部と前記第３壁部とを接続する前記仕切壁部は、前記第３壁部から前記第２壁部まで前記第２方向と交差する方向に沿って延在する。

上記（１０）に記載の冷却流路構造によれば、第１壁部が仕切壁部から受ける熱変形の拘束力を効果的に低減して、第１壁部の損傷を効果的に抑制することができる。

（１１）本開示に係るバーナーは、上記（１）乃至（１０）に記載の冷却流路構造を備える。

上記（１１）に記載のバーナーによれば、上記（１）乃至（１０）に記載の冷却流路構造を備えるため、仕切壁部が第２方向に平行（第１方向と直交する方向）に延在している構成と比較して、冷却流路の密度を維持しながら、第１壁部が仕切壁部から受ける熱変形の拘束力を低減して、熱応力に起因する第１壁部の損傷を抑制することができる。このため、バーナーの損傷を抑制することができる。

（１２）本開示に係る熱交換器は、上記（１）乃至（１０）に記載の冷却流路構造を備える。

上記（１２）に記載の熱交換器によれば、上記（１）乃至（１０）に記載の冷却流路構造を備えるため、仕切壁部が第２方向に平行（第１方向と直交する方向）に延在している構成と比較して、冷却流路の密度を維持しながら、第１壁部が仕切壁部から受ける熱変形の拘束力を低減して、熱応力に起因する第１壁部の損傷を抑制することができる。このため、熱交換器の損傷を抑制することができる。

２ バーナー
４ 燃料ノズル
５（５Ａ～５Ｅ） バーナー筒
６ 第１壁部
８ 第２壁部
１０ 仕切壁部
１２ 流路断面
１４ 冷却流路
１６ 第１傾斜壁部
１８ 第２傾斜壁部
２０ 第３壁部
２２ 仕切壁部
２６ 燃焼室
２８ 壁
３０ スワラ
３２ 流路断面
３４ 冷却流路
３６ 第３傾斜壁部
３８ 第４傾斜壁部
４０ 接続部
４２ 第５傾斜壁部
４４ 第６傾斜壁部
４６ 第７傾斜壁部
４８ 曲がり壁部
５０ ノズルスカート
５２ 水冷壁
１００Ａ～１００Ｇ 冷却流路構造

Claims (9)

1. 高温流体に晒される第１壁面と、前記第１壁面と反対側を向く第２壁面とを含み、第１方向に沿って延在する第１壁部と、
   前記第２壁面に対向する第３壁面と、前記第３壁面と反対側を向く第４壁面とを含み、前記第１方向と直交する第２方向において前記第１壁部と間隔を空けて配置された第２壁部と、
   高温流体に晒される第５壁面と、前記第４壁面に対向する第６壁面とを含み、前記第２壁部を挟んで前記第１壁部と反対側に配置された第３壁部と、
   前記第１方向に間隔を空けて配置される複数の流路断面を有する少なくとも１つの第１冷却流路であって、前記第１壁部と前記第２壁部との間に形成され、前記第１壁部の前記第１壁面が晒される前記高温流体及び前記第３壁部の前記第５壁面が晒される前記高温流体よりも低温の冷却媒体が流れる第１冷却流路と、
   前記第１冷却流路に設けられ、前記第１壁部と前記第２壁部とを接続し、前記第１冷却流路の壁面を形成する複数の第１仕切壁部と、
   前記第１方向に間隔を空けて配置される複数の流路断面を有する少なくとも１つの第２冷却流路を前記第２壁部と前記第３壁部との間に形成するように、前記第２壁部と前記第３壁部とを接続する複数の第２仕切壁部と、
   を備え、
   前記第１方向及び前記第２方向を含む断面において、前記第１仕切壁部の少なくとも一部は、前記第２方向と交差する方向に沿って延在し、
   前記第１方向及び前記第２方向を含む断面において、前記第１仕切壁部は、
   前記第１壁部から前記第２方向と交差する第３方向に延在する第１傾斜壁部と、
   前記第２壁部から前記第２方向及び前記第３方向の各々と交差する第４方向に延在して前記第１傾斜壁部に接続する第２傾斜壁部と、
   を含み、
   前記第１方向及び前記第２方向を含む断面において、前記第２壁部と前記第３壁部とを接続する前記第２仕切壁部の少なくとも一部は、前記第２方向と交差する方向に沿って延在する、冷却流路構造。
2. 前記第１仕切壁部の各々は、前記第１傾斜壁部及び前記第２傾斜壁部を備え、
   前記第３方向は、前記第１壁部から離れるにつれて前記第１方向における一方側に向かう方向であり、前記第４方向は、前記第２壁部から離れるにつれて前記第１方向における上記一方側に向かう方向である、請求項１に記載の冷却流路構造。
3. 前記第１壁部、前記第２壁部及び前記第３壁部の各々は、筒状に形成され、
   前記第２壁部は前記第１壁部の内周側に配置され、
   前記第３壁部は前記第２壁部の内周側に配置された、
   請求項１又は２に記載の冷却流路構造。
4. 前記第１壁部及び前記第２壁部の各々は、平面に沿って形成された、請求項１又は２に記載の冷却流路構造。
5. 前記第１冷却流路及び前記第２冷却流路を流れる冷却媒体は液体である、請求項１乃至４の何れか１項に記載の冷却流路構造。
6. 前記第１方向及び前記第２方向を含む断面において、前記第２壁部の少なくとも一部は、前記第１方向と交差する方向に沿って延在する、請求項１に記載の冷却流路構造。
7. 前記第１方向及び前記第２方向を含む断面において、
   前記第１壁部と前記第２壁部とを接続する前記第１仕切壁部は、前記第１壁部から前記第２壁部まで前記第２方向と交差する方向に沿って延在し、
   前記第２壁部と前記第３壁部とを接続する前記第２仕切壁部は、前記第３壁部から前記第２壁部まで前記第２方向と交差する方向に沿って延在する、請求項１又は６に記載の冷却流路構造。
8. 請求項１乃至７の何れか１項に記載の冷却流路構造を備えるバーナーであって、
   前記第１方向は、前記バーナーの軸方向であり、前記第２方向は前記バーナーの径方向である、バーナー。
9. 請求項１乃至７の何れか１項に記載の冷却流路構造を備える熱交換器。

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