JPH0372910B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、温度効率の高い高温のガス・ガス熱
交換器に係り、特に高温の排ガスから熱回収する
空気予熱器に好適な高温に係る熱交換器に関する
ものである。

〔発明の背景〕

プレートと、プレート間隔保持部材および伝熱
要素とを、交互に積層して高温流路と低温流路を
形成し、対向して流体を流通させ熱交換を行う熱
交換器においては、高い温度効率を得るために、
流路幅方向に沿つて流量分布を均一にする必要が
ある。

この種の熱交換器では、従来、高温側および低
温側流路群に流体を分配するために、熱交換器の
入口および出口側に、流体の流れに平行な等間隔
の案内板群を持つデストリビユータ部を設けてい
た。以下、第１図及び第２図を用いて従来技術の
構成と作用を説明する。

第１図は、熱交換器の全体の一般構成を示す斜
視図で、高温の排ガスから排熱を回収し、空気を
予熱するのに用いる高温に係る熱交換器の例であ
る。

第２図は、従来技術の実施例を示す平面図であ
る。

まず、熱交換器１Ａの構成の概略を説明する。
矩形状平板の４隅を切除して略六角形状のプレー
ト３０を形成し、切除されない二辺を対辺とする
矩形部、すなわち第２図に示すｂ−ｃ−ｅ−ｆで
囲まれる部分に伝熱要素を配置して熱交換器コア
ー部１１Ａを構成する。平板を切除して得られる
斜辺部を含んで、前記矩形部bcefの両外側に形成
される三角形状プレート部、すなわち第２図に示
すａ−ｂ−ｃおよびｄ−ｅ−ｆで囲まれる部分
に、プレートとプレート間隔保持部材とでデスト
リビユータ部１２Ａ，１３Ａを構成し、高温流路
群３３ａおよび低温流路群３４ａを形成する。

このように六角形状プレートと、プレート間隔
保持部材および伝熱要素とを交互に積重ね、積層
構造体とすることによつて、熱交換器コアー部１
１Ａと、その両側に高温側デストリビユータ部１
２Ａ、低温側デストリビユータ部１３Ａを構成し
ており、デストリビユータ部の、前述の切除した
４斜辺部ab，ac，de，dfの互いに平行な２組の
斜辺部の一方acを高温流体の入口、dfを出口と
し、他方deを低温流体の入口、abを出口として
いる。

次に、このような熱交換器の作用を説明する。
第１，２図中の矢印は流体の流れを示すもので、
第２図の黒い二重矢印は高温流体、白い二重矢印
は低温流体の方向を示すものである。

第１図において、高温の排ガス（高温流体）は
高温配管１６から高温ヘツダ１４へ供給され、高
温入口流路群３３ａから高温側デストリビユータ
部１２Ａを経て熱交換器コアー部１１Ａに至り、
空気（低温流体）と熱交換したのち、低温側デス
トリビユータ部１３Ａを経て低温ヘツダ１５に集
められ高温出口配管１７から他の系へ送り出され
る。

一方、低温配管１８から流入する空気は、排ガ
スと逆の経路をたどり、熱交換器コアー部１１Ａ
で高温ガスと対向流を形成、高温ガスとの大部分
の熱交換をここで行い、昇温されて低温出口配管
１９から他の系へ送り出される。

このような熱交換器において、従来は、第２図
に示すように、デストリビユータ部１２ａ，１３
ａはプレート間を保持するプレート間隔保持部材
として、流体の流れに平行な等間隔の多数の案内
板２８，２９を設け流路群が形成されていた。

このようなデストリビユータ部の構造では、作
動流体が液体のように、入口、出口間の温度変化
による密度の変化を生じないような場合には、第
２図において経路ｈ−ｉ−ｊ−ｋの流路長さおよ
び経路h′−i′−j′−k′の流路長さが等しいので、両
経路間の流路圧損もほぼ等しくなり、流路幅方向
にほぼ均一に流れる。

しかし、本発明の対象である高温の排ガスから
の熱回収を目的とする高温ガス・ガス熱交換器で
は、熱交換器入口、出口間における作動流体の密
度が大きく変化する。このため、高温流体入口３
３ａおよび低温流体出口３４ａを有する高温側デ
ストリビユータ部１２ａでは、流体の密度が低温
側デストリビユータ部１３ａにおけるよりも非常
に小さく、流速が大きいので圧力損失も非常に大
きくなつており、デストリビユータ部の圧力損失
は、高温側が支配的であり、ここでの流路抵抗を
流路幅方向に均一にする必要がある。

しかし、流路幅方向に、高温流路の場合はデス
トリビユータ部入口から伝熱要素まで、低温流路
の場合は伝熱エレメントからデストリビユータ出
口までの流路長さ、すなわち案内板の設置長さが
異なるため、流路長さが短い側の流路に比べて長
い側の抵抗が大きく、流れが不均一となる。した
がつて、熱交換器全体としても流路幅方向の流量
分布が不均一となつて、熱交換器の性能が大幅に
低下するという問題を生じていた。

高温側デストリビユータ部における流路長さの
差による前記の問題は、特に作動流体の入口、出
口間の温度変化が大きくなる、すなわち温度効率
が大きくなるに従つて著しくなり、所定の交換熱
量を確保するために、必要以上に熱交換器が大形
になり、価格、設置場所が多大となるという問題
を生じていた。

また、高温流体入口側デストリビユータ部にお
いては、流路が長い側の熱慣性が大きいために、
起動時に不均一な熱変形を生じる原因となり、熱
交換器の寿命を低下させるという問題も生じてい
た。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、従来技術の問題点を解決する
ため、熱交換器内部を流れる作動流体、被作動流
体の流量分布が均一となる熱交換器を提供するこ
とにある。

〔発明の概要〕

本発明の構成は、プレートと、プレート間隔保
持部材および伝熱要素とを、交互に積層して高温
流路と低温流路を形成し、対向して流体を流通さ
せ熱交換を行う熱交換器であつて、前記伝熱要素
を配設した熱交換器コアー部と、該熱交換器コア
ー部の両側に位置し、プレートとプレート間隔保
持部材とを交互に積層して成るデストリビユータ
部とで構成され、前記両側のデストリビユータ部
の一方を高温側デストリビユータ部、他方を低温
側デストリビユータ部とした熱交換器において、
少なくとも高温側デストリビユータ部のプレート
間隔保持部材として流体の流れを導く案内部材群
を設け、デストリビユータ部入口または出口から
伝熱要素までの流路長さの長短に応じて、流路長
さが長い側の案内部材群の間隔を、流路長さが短
い側の案内部材群の間隔より大きい不等間隔に構
成したものであり、これによつて、熱交換器内部
を流れる流体の流量分布の均一化をはかつたもの
である。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を、さきの第１，２図を
あわせ第３，４，５図を用いて説明する。

第３図は、熱交換器コアー部の一般構成を示す
断面図、第４図は、本発明の一実施例を示す熱交
換器内面斜視図、第５図は、本発明の一実施例を
示す平面図で、図中の黒い二重矢印は高温流体、
白い二重矢印は低温流体の方向を示すものであ
る。

図中、さきの第１，２図と同一符号は同等部分
を示すものである。熱交換器の基本的な構成と作
用は、従来技術の説明で述べたので、その部分は
説明を省略する。

まず、熱交換器１の構成を第１，３，４，５図
を用いて説明する。

略六角形状のプレート３０の、第５図に示すｂ
−ｃ−ｅ−ｆで囲まれる矩形部に、第３図に示す
ように高温伝熱要素４０ａを収納する室３３ｂお
よび低温伝熱要素４０ｂを収納する室３４ｂを交
互に配設し、これら伝熱要素４０とプレート３０
とを交互に積層し、プレート間隔を保持する側板
４１，４２で側面を密閉し、熱交換器コアー部１
１を構成している。熱交換器コアー部１１のこの
矩形bcefの両外側にあつて、第５図に示すａ−ｂ
−ｃおよびｄ−ｅ−ｆで囲まれる略三角形状プレ
ート部には、プレート間隔保持部材に相当する高
温側案内板群３１が高温伝熱要素４０ａに対応し
て配設され、低温側案内板群３２が低温伝熱要素
４０ｂに対応して配設され、プレートと案内板群
とを交互に積層し、同じくプレート間隔保持部材
に相当する側板３５，３６で側面を仕切つて、互
いに独立した高温流路３３ａ、低温流路３４ａを
形成し、高温側デストリビユータ部１２、低温側
デストリビユータ部１３を構成している。

本実施例の熱交換器では、第４，５図に示すよ
うに、高温側案内板群３１および低温側案内板群
３２は、それぞれ高温ガスおよび空気の流れにほ
ぼ平行に配置され、その間隔は、デストリビユー
タ部の流路長さの長い側（高温流路については、
ａ−ｂ辺、ｅ−ｄ辺側、低温流路についてはｄ−
ｆ辺、ａ−ｃ辺側）が広く、流路長さの短い側が
狭い不等間隔となつている。

以上説明したような案内板群の配置となつてい
るため、デストリビユータ部において、入口また
は出口から伝熱要素までの流路長さの大小にかか
わらず、通風抵抗がほぼ一定となる。

したがつて、流路幅方向に流量分布が均一とな
り、熱交換器コアー部内の流量分布も均一とな
り、熱交換能力を最大限に発揮できる。

また、デストリビユータ部における流路幅方向
の案内板群の熱慣性の差も改善されるので、起動
時の温度応答も一様になり、熱慣性の不均一性に
より一時的に発生する大きな熱変形や熱応力が改
善されるので、熱交換器の寿命も向上する。

次に本発明の他の実施例を第６，７，８図を用
いて順次説明する。これら各図に係るものは、本
発明の他の各実施例を示す熱交換器の平面図で、
図中、さきの第５図と同一符号な同等部分を示
し、黒い二重矢印は高温流体、白い二重矢印は低
温流体の方向を示すものである。

第６図の実施例では、デストリビユータ部１２
および１３の流路幅を３等分し、３つのセクシヨ
ンＡ，Ｂ，ＣおよびA′，B′，C′に区分し、各セ
クシヨン内では案内板間隔を等間隔とし、流路長
さが大きいセクシヨンＡおよびA′における案内
板間隔にくらべて、流路長さ短いセクシヨンＢお
よびB′，ＣおよびC′の順に案内板間隔が小さくな
つている。

このように構成しても、本発明で目的とする流
量分布を均一にする効果が達成できる。

第７図の実施例では、デストリビユータ部１２
および１３の流路幅を２等分し、流路長さの長い
セクシヨンＡ，A′および流路長さの短いセクシ
ヨンＢ，B′に区分した場合を示すもので、各セ
クシヨン内では案内板間隔を等間隔とし、セクシ
ヨンＡ，A′における案内板間隔が、セクシヨン
Ｂ，B′における案内板間隔より大きくなつてい
る。

このような構成にしても、本発明で目的とする
流量分布を均一にする効果が達成できる。

第６図、第７図の実施例では、デストリビユー
タ部の流路幅を３等分、２等分に区分している
が、本発明では必ずしもこれに限定されるもので
はなく、他の複数等分の区分に係るものとするこ
とができるものである。

第８図は、本発明に係る、さらに他の実施例を
示したものである。

この例では、高温側デストリビユータ部１２の
流路幅をＡ，Ｂに等分し、各セクシヨン内では案
内板間隔を等間隔とし、流路長さの長いセクシヨ
ンＡにおける案内板間隔が、流路長さの短いセク
シヨンＢにおける案内板間隔より大きくなつてい
る。

一方、低温側デストリビユータ部１３の案内板
群３１は等間隔となつている。

このような構成でも、本発明で目的とする流量
分布を均一にする効果を充分初期しうるものであ
る。

以上に説明してきた案内板の不等間隔を、どの
程度に選択するのが効果的か、その実験データを
第９図ないし第１２図を用いて説明する。

第９図は、流路において偏流がない場合の熱交
換器の性能向上を示すもので、横軸は温度効率、
縦軸は熱交換器の面積比、すなわちデストリビユ
ータ部の案内板の間隔が等間隔の従来技術の伝熱
面積Ｄと、本発明の不等間隔による伝熱面積D₀
との比Ｄ／D₀となつている。

案内板間隔が等間隔の場合、すなわち縦軸の熱
交換器の面積比１０においては偏流によつて温度
効率が80％以下と悪く、本発明を採用して熱交換
器の面積比が大きくなるに従つて温度効率が向上
することが線図を見れば明らかである。

次に、案内板の間隔の選択を相当直径比で表わ
し、熱交換器入口、出口間の温度差に対する望ま
しい相当直径比の決め方を説明する。

第１０図において、ｐは案内板間隔、ｈは案内
板の高さ、すなわちプレイト間寸法である。案内
板間隔の相当直径をdhとすれば、 dh≡断面積×４／ぬれぶち長さ＝4ph／２（ｐ＋
ｈ） の関係がある。

断面形状が第１０図のような矩形でない場合で
も、相当直径は(1)式から求められる 第１２図は、横軸に熱交換器の入口、出口間の
流体の温度差、すなわち熱交換による温度変化の
値をとり、縦軸に案内板間隔の小さい場合の相当
直径dh小と、案内板間隔の大きい場合の相当直
径dh大との相当直径比dh小／dh大をとり、案内板配置 方式のケースごとに望ましい相当直径比を示して
いる。

案内板配置方式の各ケースは第１１図に示すと
おりで、Ｘのケースは、高温側デストリビユータ
部、低温側デストリビユータ部ともに、流路長さ
が長い側の案内板間隔を、流路長さが短い側の案
内板間隔より大きい不等間隔案内板群としたもの
である。Ｙのケースは、高温側デストリビユータ
部の案内板群を不等間隔とし、低温側デストリビ
ユータ部の案内板群を等間隔としたものである。
そしてＺのケースは、低温側デストリビユータ部
の流路幅を２等分し、流路長さが短い側の案内板
群の間隔を、流路長さが長い案内板群の間隔より
大きい間隔としたものである。たとえば、ケース
Ｘについて、熱交換器の入口、出口間の温度差
400℃の場合、相当直径比は0.6に選ぶのが望まし
い。また、ケースＹについて、同じく熱交換器の
入口、出口間の温度差400℃の場合、相当直径比
は約0.7に選ぶのが望ましい。

なお、以上に述べた各実施例では、デストリビ
ユータ部の案内板として平板を用いた場合を扱つ
たが、平板以外に、平板を波形に折り曲げた波形
フイン等種々の案内部材形式のものを採用するこ
とができるものであり、その場合も同等の効果を
所初期することができる。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば、熱交換器
内部の流量分布を均一にできるので、熱交換器コ
アー部での熱交換性能が良くなり、小形で高い温
度効率の高温に係る熱交換器を実現できる。

また、起動時の温度応答の不均一性も改善され
るので、熱交換器の寿命も大幅に改善されるなど
の効果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、熱交換器の全体の一般構成を示す斜
視図、第２図は、従来技術の実施例を示す平面
図、第３図は、熱交換器コアー部の一般構成を示
す断面図、第４図は、本発明の一実施例を示す熱
交換器内面斜視図、第５，６，７，８図は、それ
ぞれ本発明の他の実施例を示す平面図、第９図
は、熱交換器の面積比による温度効率の性能曲線
を示す線図、第１０図は、案内板形状を示す斜視
図、第１１図は、案内板の配置方式を示す説明
図、第１２図は、熱交換器の入口、出口間の温度
差に対する望ましい相当直径比を示す線図であ
る。 １……熱交換器、１１……熱交換器コアー部、
１２……高温側デストリビユータ部、１３……低
温側デストリビユータ部、３１，３２……案内板
（案内部材、プレート間隔保持部材）、３５，３
６，４１，４２……側板（プレート間隔保持部
材）、３０……プレート、４０……伝熱要素。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ プレートと、プレート間隔保持部材および伝
   熱要素とを、交互に積層して高温流路と低温流路
   を形成し、対向して流体を流通させ熱交換を行う
   熱交換器であつて、前記伝熱要素を配設した熱交
   換器コアー部と、該熱交換器コアー部の両側に位
   置し、プレートとプレート間隔保持部材とを交互
   に積層して成るデストリビユータ部とで構成さ
   れ、前記両側のデストリビユータ部の一方を高温
   側デストリビユータ部、他方を低温側デストリビ
   ユータ部とした熱交換器において、少なくとも高
   温側デストリビユータ部のプレート間隔保持部材
   として流体の流れを導く案内部材群を設け、デス
   トリビユータ部入口または出口から伝熱要素まで
   の流路長さの長短に応じて、流路長さが長い側の
   案内部材群の間隔を、流路長さが短い側の案内部
   材群の間隔より大きい不等間隔に構成したことを
   特徴とする熱交換器。 ２ 特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、
   高温側デストリビユータ部の案内部材群のみを不
   等間隔とし、低温側デストリビユータ部の案内部
   材群を等間隔としたものである熱交換器。 ３ 特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、
   少なくとも一方のデストリビユータ部について、
   案内部材群を複数区分に区割し、各区分内の案内
   部材群の間隔は等間隔とし、流路長さが長い側の
   前記区分の案内部材群の間隔を、流路長さが短い
   側の前記区分の案内部材群の間隔より大きい間隔
   としたものである熱交換器。 ４ 特許請求の範囲第１項または第３項記載のも
   のにおいて、低温側デストリビユータ部の案内部
   材群を複数区分に区割し、各区分内の案内部材群
   の間隔は等間隔とし、流路長さが短い側の前記区
   分の案内部材群の間隔を、流路長さが長い側の前
   記区分の案内部材の間隔より大きい間隔としたも
   のである熱交換器。