WO2015132920A1 - 熱交換器および熱交換器の製造方法 - Google Patents

熱交換器および熱交換器の製造方法 Download PDF

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flow
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泰孝 和田
晴仁 久保田
幸政 山村
一郎 内山
圭二 尾山
寿樹 山▲崎▼
幸彦 松村
良文 川井
琢史 野口
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中国電力株式会社
国立大学法人広島大学
中電プラント株式会社
株式会社東洋高圧
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Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger and a method for manufacturing the heat exchanger.
  • a first spiral protrusion is bent in the inner tube, a second spiral protrusion that is aligned with the first spiral protrusion is formed in the outer tube, and the inner tube and the outer tube are connected to each other.
  • the flow path formed between the inner pipe and the outer pipe is narrow, and the inside of the inner pipe is formed wide. For this reason, in the flow path formed between the inner tube and the outer tube, there is a problem that inorganic substances are easily clogged. In addition, since the flow velocity is low inside the inner tube, there is a problem that the inorganic substance is difficult to flow and precipitates or accumulates easily. That is, the flow path between the inner pipe and the outer pipe and the flow path in the inner pipe may be blocked in any case.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a heat exchanger and a method of manufacturing the heat exchanger that are less likely to clog solids in the flow path and are less likely to settle and accumulate. It is in.
  • the present invention is configured so that a plurality of planar channel bodies in which two channels are curved or bent so as to be adjacent to each other in the same plane overlap in a crossing direction intersecting the plane.
  • the two planar flow channel bodies adjacent to each other in the intersecting direction among the plurality of the planar flow channel bodies arranged and stacked at both ends of each of the flow channels included in one of the planar flow path bodies A flow path unit in which each one of the two flow path inlets and outlets forming the flow path is connected to one of the two flow path inlets and outlets forming both ends of each of the flow paths of the other planar flow path body, and the flow And a high-pressure pipe covering the outside of the path unit.
  • the flow path unit that is inserted and covered along the cross direction in the high-pressure pipe has a plurality of planes including two flow paths that are adjacent to each other in a plane that intersects the cross direction. Are disposed so as to overlap each other in the crossing direction, and the flow paths of adjacent planar flow path bodies are connected to form two flow paths as a whole.
  • the cross-sectional area of the flow path can be made smaller than when a heat exchanger is formed with a tube. For this reason, since a high flow rate can be ensured in each flow path, it is possible to prevent solids from being precipitated or deposited in the flow path.
  • the two flow paths are arranged adjacent to each other, it is possible to efficiently exchange heat by circulating the high-temperature fluid in one flow path and flowing the low-temperature fluid in the other flow path.
  • the fluid unit including two flow paths is provided in the high-pressure pipe, it is more suitable as a heat exchanger that performs heat exchange using a high-pressure fluid, for example.
  • the planar flow path body is curved in a spiral shape in which the two flow paths spread from the central side to the outer peripheral side and have a half-circumferential phase different from each other and spiral in the same direction.
  • the two flow paths are alternately arranged in the diameter direction of the spiral formed by the two flow paths, and the flow path unit includes the spiral flow path body and the plane.
  • the two spiral flow channel bodies adjacent to each other in the crossing direction are connected to each other on the central side or on the outer peripheral side to form two continuous channels. It is desirable that
  • the two flow paths of the planar flow path body are curved in a spiral shape that is swirled in the same direction, so that the two flow paths are formed in the diameter direction of the spiral. Since they are arranged alternately, it is possible to secure a wider boundary portion between the two flow paths, that is, a heat transfer surface. For this reason, it is possible to exchange heat more efficiently.
  • the flow path unit is formed by connecting a plurality of spiral flow path bodies in a crossing direction to form two flow paths, the two flow paths are high-pressure pipes that are almost the entire length of the heat exchanger. Therefore, the heat exchange can be performed more efficiently.
  • the flow path units are overlapped so that the winding directions of the adjacent spiral flow path bodies are the same. According to such a heat exchanger, it is possible to arrange two flow paths so that the flow path through which the high temperature fluid flows and the flow path through which the low temperature fluid flows do not contact each other in the crossing direction.
  • the flow path units may be overlapped so that the winding directions of the adjacent spiral flow path bodies are opposite to each other. According to such a heat exchanger, a location where the flow path through which the high-temperature fluid flows and the flow path through which the low-temperature fluid flows is generated in the intersecting direction, so that the heat transfer area can be further increased. .
  • a partition material forming step of forming a plurality of partition walls having openings in one end of the groove formed on the both sides of the metal plate material, and facing the partition material A plurality of metal plates each having a flat surface that covers the groove of the partition wall material and has an opening at an end opposite to the end provided with the opening of the formed flow channel.
  • a plate-shaped material forming step for forming a plate-shaped material, the partition wall material and the plate-shaped material are alternately arranged, and the flow paths provided on one side of the partition wall material and the other side of the partition wall material are provided.
  • the two flow paths formed by the partition wall material forming the partition walls of the connected grooves and the two plate-like materials adjacent in the crossing direction of the partition wall material are the plate Since the partition material and the plate-like material are alternately arranged while sharing the shape material, there is only one plate separating the two between the two flow paths. For this reason, it is possible to raise heat conduction efficiency rather than the case where two pipes are made to adjoin.
  • the partition wall material and the plate-like material are alternately arranged, and the flow path provided on one side of the partition wall material and the flow path provided on the other side of the partition wall material are connected to each other.
  • the flow path unit is easily formed by adjusting the position of the opening provided in the unit and fixed integrally. Further, the formed flow path unit is easily inserted into the high-pressure pipe and integrated. It is possible to form a heat exchanger.
  • the partition wall material and the plate-shaped material are formed by drawing, and the partition wall material and the plate-shaped material adjacent to each other are bent in a direction intersecting the plane. It is desirable that the partition wall material and the plate-like material are overlapped and joined at a portion bent in a direction intersecting the plane. According to such a method of manufacturing a heat exchanger, the partition wall material and the plate-like material can be easily formed by drawing, and the partition wall material and the plate-like material are bent in a direction intersecting the plane. Since they are overlapped and joined at the site, it is possible to easily form two flow paths without using a tube by sealing the outer peripheral side.
  • the heat exchanger 1 of the present embodiment includes a flow path unit 2 in which two continuous flow paths 21 and 22 are bent so as to be adjacent to each other, and a flow path unit 2 has 2 And a cover 3 that covers the flow path unit 2 by projecting end openings 21 a and 22 a that are ends of the continuous flow paths 21 and 22 to the outside.
  • the cover 3 is indicated by a virtual line (one-dot chain line).
  • the flow path unit 2 has a plurality of spiral flow path bodies 25 as planar flow path bodies in which the two spiral flow paths 23 and 24 are curved in a spiral shape adjacent to each other in the same plane. ing.
  • Each spiral channel body 25 is curved in a spiral shape in which the two spiral channels 23, 24 are spread from the center side to the outer periphery side, and have a half-circumference in phase with each other and spiral in the same direction.
  • the two spiral channels 23 and 24 are alternately arranged in the diameter direction of the spiral formed by the two spiral channels 23 and 24.
  • the channel inlets / outlets 23 a, 23 b, 24 a, 24 b serving as both ends of the spiral channels 23, 24 are provided at the center and the outer periphery of the spiral channel body 25, respectively.
  • the spiral flow paths 23 and 24 included in each spiral flow path body 25 correspond to flow paths, and the two flow paths in which the spiral flow paths 23 and 24 included in the plurality of spiral flow path bodies 25 are connected. 21 and 22 correspond to continuous flow paths.
  • each spiral flow path 23, 24 is shown as a single tube, but the spiral flow paths 23, 24 may be a partitioned space, for example, two spirals
  • the flow paths 23 and 24 may be partitioned by a single partition material.
  • the plurality of spiral flow path bodies 25 are arranged so as to overlap each other in a direction intersecting with a plane formed by arranging the two spiral flow paths 23 and 24 (hereinafter referred to as a cross direction). At this time, it arrange
  • the surface of the plurality of spiral flow channel bodies 25 that are overlapped will be described with the surface facing the lower left side in FIG. 2 as the front surface and the opposite surface as the back surface.
  • the flow path unit 2 in which a plurality of spiral flow path bodies 25 are stacked has a central flow path inlet / outlet port 23 a, 24 a that is an end on the central side of the two spiral flow paths 23, 24.
  • the flow passages 23 and 24 are provided with center-side flow passages 23a and 24a serving as end portions on the central side on the back side, and the flow passage entrances 23b and 24b on the outer peripheral side serving as end portions on the outer peripheral side.
  • the second spiral channel bodies 252 provided on the surface side are alternately arranged.
  • two spiral flow channel bodies 251 and 252 adjacent to each other in the intersecting direction are connected to the flow path entrances 23a and 24a on the central side or the flow path entrances 23b and 24b on the outer peripheral side.
  • the flow passages 23a and 24a on the center side and the flow passages 23b and 24b on the outer peripheral side are airtightly joined, and the two spiral flow passage bodies 25 as a whole form two continuous flow passages 21 and 22. ing.
  • the overlapped spiral channel body 25 is opened to the side where the spiral channel body 25 is not provided adjacently among the channel inlets / outlets 23a, 23b, 24a, 24b of the spiral channel body 25 arranged at both ends.
  • a communication pipe 26 connected to the outside is provided at each of the flow passage openings 23a, 23b, 24a, 24b.
  • the communication pipes 26 are respectively provided at the flow path entrances 23 a and 24 a on the center side of the spiral flow path bodies 251 and 252 disposed at both ends of the flow path unit 2.
  • the cover 3 includes a high-pressure pipe 31 in which the fluid unit 2 is accommodated, and a lid member 32 provided so as to close both ends of the high-pressure pipe 31.
  • the high-pressure pipe 31 has approximately the same length as the length in the intersecting direction of the portion where the spiral flow path body 25 is overlapped in the flow path unit 2.
  • the lid member 32 has an opening through which the communication pipe 26 passes, has an outer diameter substantially the same as the diameter of the high-pressure pipe 31, and the outer peripheral edge of the lid member 32 is welded to the end of the high-pressure pipe 31.
  • the heat exchanger 1 configured as described above is manufactured, for example, as shown in FIG.
  • a heat exchanger 1 having four spiral channel bodies 25 will be described.
  • the flow path unit 2 of the present embodiment is a flat surface that covers the groove forming plate member 10 as a partition member having spiral grooves 11 and 12 and the grooves 11 and 12 formed in the groove forming plate member 10.
  • the flat plate members 13 provided with the portions 13 a are alternately stacked, and the end plate members 14 covering the grooves 11 and 12 of the groove forming plate member 10 are overlapped and integrated at both ends of the flow path unit 2. That is, the spiral flow path body 25 is formed by joining two flat plate members 13 or the flat plate member 13 and the end plate member 14 on both sides of one groove forming plate member 10.
  • the adjacent spiral flow path body 25 is comprised so that the plane board
  • the two flat plate members 13 bonded to both sides of the single groove forming plate member 10 or the flat plate member 13 and the end plate member 14 correspond to two plate members.
  • the manufacturing method of the heat exchanger 1 first forms the groove forming plate member 10, the flat plate member 13, and the end plate member 14 by drawing the metal plate member having heat resistance and heat transfer. At this time, the flat plate member 13 and the end plate member 14 do not necessarily have to have heat conductivity. In addition, openings 10a, 13b, and 14b are previously formed in the groove forming plate member 10, the flat plate member 13, and the end plate member 14 at portions that become the flow passage openings 23a, 23b, 24a, and 24b. In FIG.
  • the openings 10 a, 13 b, and 14 b and the flow passage openings 23 a, 23 b, 24 a, and 24 b are shown by black rectangles, and the cross sections of the groove forming plate member 10, the flat plate member 13, and the end plate member 14 are shown. Hatching is omitted.
  • the groove-forming plate material 10 is formed by curving one spiral groove 11 and 12 on the front and back surfaces of the plate material so as to vortex in the same direction while spreading from the center side to the outer periphery side while differing from each other by half a phase. Form. At this time, the outer peripheral portion is bent back along the intersecting direction in which the plurality of spiral flow path bodies 25 are overlapped to form the bent portion 10b.
  • the flat plate member 13 is formed by bending the outer peripheral end of the flat portion 13a covering the grooves 11 and 12 of the groove forming plate member 10 to approximately 90 degrees and overlapping the groove forming plate member 10 with the outer periphery of the adjacent groove forming plate member 10.
  • a bent portion 13c is formed so as to overlap the bent bent portion 10b.
  • the end plate 14 also has a flat portion 14a that covers the grooves 11 and 12 of the groove forming plate 10 disposed on both ends of the flow path unit 2, and the outer peripheral end of the flat portion 14a is bent at approximately 90 degrees. And the bent portion 10b overlapped with the surface intersecting the flat portion 14a on the outer periphery of the groove forming plate member 10 and the outer periphery of the groove forming plate member 10 when overlapped with the groove forming plate member 10 on both ends of the flow path unit 2. 14c is formed.
  • the adjacent groove forming plate material 10 and the flat plate material 13 or the end plate material are formed while alternately stacking the formed groove forming plate material 10 and the flat plate material 13 and overlapping the end plate material 14 at both ends.
  • 14 is welded over the entire circumference, and the communication pipe 26 is welded to the flow path inlets 23a, 24a on the center side of the end plate 14 to form the flow path unit 2.
  • the flow passage ports 23a, 23b, 24a24b of adjacent members face each other and the flow passage unit 2 is formed. It arrange
  • the formed flow path unit 2 is inserted so as to contact the inner peripheral surface of the high-pressure pipe 31.
  • the planar portions 14 a of the end plate members 14 at both ends of the flow path unit 2 are substantially aligned with both edges of the high-pressure pipe 31, and the communication pipe 26 protrudes from the edges of the high-pressure pipe 31.
  • the lid member 32 provided with the through hole 32a of the communication pipe 26 is disposed at the end of the high-pressure pipe 31, and the edge of the high-pressure pipe 31 and the outer periphery of the lid member 32 are welded over the entire circumference.
  • the heat exchanger 1 having two continuous flow paths 21 and 2 is completed.
  • a low-temperature gasification raw material is circulated in a predetermined direction in one continuous flow path 21 and flows out from a gasification reactor included in the hydrous biomass supercritical water gasification device.
  • the high-temperature treated water is circulated in the opposite direction to the gasification raw material in the other continuous flow path 22. That is, in the flow path unit 2, the gasification raw material and the treated water flow through the two continuous flow paths 21 and 22 in opposite directions.
  • heat is generated between the two continuous flow paths 21 and 22 by using the groove forming plate 10 that partitions the two continuous flow paths 21 and 22 as a heat transfer surface. Exchange is performed.
  • the low temperature gasification raw material is circulated through one continuous flow path 21 and the high temperature treated water is circulated through the other continuous flow path 22, in the process where the gasification raw material is heated,
  • the gasification raw material is agitated by the secondary flow in the flow path bent in a shape, and the activated carbon and biomass, which are gasification catalysts suspended in the gasification raw material, are mixed and homogenized.
  • the contact probability between the catalyst and biomass is improved, and the catalytic effect is improved.
  • the secondary flow is a flow generated in the spiral tube shown in FIG.
  • the flow path unit 2 that is inserted into the high-pressure pipe 31 along the cross direction and covered is two spiral flow paths 23 that are adjacent in a plane that intersects the cross direction. , 24 are arranged so as to overlap each other in the crossing direction, and the two spiral flow paths 23 and 24 of the adjacent spiral flow path bodies 25 are connected to form two continuous flow paths as a whole.
  • the cross-sectional area of the flow path can be made smaller than that in the case where a heat exchanger is formed by providing a double pipe in the high-pressure pipe 31, for example. For this reason, since a fast flow rate can be ensured in each of the continuous flow paths 21 and 22, it is possible to prevent solids from being precipitated or deposited in the continuous flow paths 21 and 22.
  • the two continuous flow paths 21 and 22 are arranged adjacent to each other, the high temperature fluid is circulated through one of the continuous flow paths 21 and 22, and the low temperature fluid is transferred to the other flow path 21 and 22. It is possible to exchange heat efficiently by circulating the gas.
  • the fluid unit 2 including the two continuous flow paths 21 and 22 is provided in the high-pressure pipe 31, for example, a system including a hydrous biomass supercritical water gasifier that performs heat exchange using a high-pressure fluid. It is more suitable as the heat exchanger 1.
  • the two spiral channels 23 and 24 included in the spiral channel body 25 are curved in a spiral shape in which the spirals are wound in the same direction, so that the two spiral channels 23 and 24 are formed in the spiral direction. Since they are arranged alternately, it is possible to secure a wider boundary portion between the two spiral flow paths 23, 24, that is, a heat transfer surface. For this reason, it is possible to exchange heat more efficiently.
  • the flow path unit 2 since the flow path unit 2 has two continuous flow paths 21 and 22 formed by connecting a plurality of spiral flow path bodies 25 in the crossing direction, the two continuous flow paths 21 and 22 are heated. Since it becomes sufficiently longer than the length of the high-pressure pipe 31 that is almost the entire length of the exchanger 1, it is possible to exchange heat more efficiently.
  • the two continuous flow paths 21 and 22 can be arranged so that the continuous flow path 21 through which the high-temperature treated water flows and the continuous flow path 22 through which the low-temperature gasification raw material flows do not contact each other in the crossing direction. It is.
  • plate material 10 which makes the partition of the connected groove
  • the groove forming plate member 10 and the flat plate member 13 are alternately arranged. Between the two continuous flow paths 21 and 22, only one of the groove-forming plate members 10 is used to partition the two. For this reason, it is possible to raise heat conduction efficiency rather than the case where two pipes are made to adjoin.
  • the groove forming plate members 10 and the flat plate members 13 are alternately arranged so that the grooves 11 provided on one side of the groove forming plate member 10 and the grooves 12 provided on the other side of the groove forming plate member 10 are connected.
  • the flow channel unit 2 can be easily formed, and the formed flow channel unit 2 It is possible to easily form the heat exchanger 1 by inserting into the high-pressure pipe 31 and integrating them.
  • the groove forming plate member 10, the flat plate member 13 and the end plate member 14 can be easily formed by drawing, and the groove forming plate member 10, the flat plate member 13 and the end plate member 14 arranged alternately in the intersecting direction.
  • the bent portions 10b, 13c, 14c and the outer periphery of the groove forming plate member 10 are overlapped and joined on the plane intersecting the plane portions 13a, 14a.
  • the continuous flow paths 21 and 22 can be easily formed.
  • the flow path unit 2 is formed by stacking a plurality of spiral flow path bodies 25 so that the winding direction of the spiral flow path body 25 is the same direction.
  • the flow path units may be formed by arranging the adjacent spiral flow path bodies 25 so that the winding directions are reversed. According to such a heat exchanger, the flow path through which the high-temperature treated water circulates and the flow path through which the low-temperature gasification raw material circulates also in the cross direction, and the contact area is widened, so the heat transfer area is further increased Is possible.
  • the planar channel body is not limited to a spiral shape as long as two channels are provided curved and bent adjacent to each other in a plane.
  • the heat exchanger 1 is a high-temperature and high-pressure fluid heat exchanger used in a hydrous biomass supercritical water gasifier, but is not limited thereto.
  • 1 heat exchanger, 2 flow path unit, 3 cover 10 groove forming plate material, 10a opening, 10b bent portion, 11 groove, 12 groove, 13 flat plate material, 13a flat portion, 13b opening, 13c bent part, 14 end plate material, 14a plane part, 14b opening, 14c bent part, 21 continuous flow path, 21a end opening, 22 continuous flow path, 23 flow path, 23a channel inlet / outlet, 23b channel inlet / outlet, 24a channel inlet / outlet, 24b channel inlet / outlet, 25 spiral channel body, 26 communication pipe, 31 high pressure pipe, 32 Lid material, 32a Through-hole, 251 Swirl channel body, 252 Swirl channel body

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Abstract

　２本の流路を同一平面内にて隣り合うように配置した平面状流路体が前記平面と交差する交差方向に複数重なるように配置され、重ねた複数の前記平面状流路体のうちの前記交差方向に隣接する２つの前記平面状流路体における、一方の前記平面状流路体が有する各々の前記流路の両端をなす２つの流路出入口の各一方と、他方の前記平面状流路体が有する各々の前記流路の両端をなす２つの流路出入口の各一方とが繋がった流路ユニットと、前記流路ユニットの外側を覆う高圧配管と、を有する。

Description

熱交換器および熱交換器の製造方法
　本発明は、熱交換器および熱交換器の製造方法に関する。
　熱交換器としては、例えば、例えば、内管に第１螺旋突条が曲折形成され、外管に第１螺旋突条と整合する第２螺旋突条が形成され、内管と外管とが、第２螺旋突条の内面と第１螺旋突条の外面のみで接触し、それ以外の面では対向してその間に螺旋状の流路が形成された二重管を用いた熱交換器が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１２－１９３８６９号公報
　上記のような二重管は、内管と外管との間に形成された流路が狭く、内管の内側は広く形成されている。このため、内管と外管との間に形成された流路では、無機物の固まり等が詰まり易いという課題がある。また、内管の内側は流速が低いので、無機物の固まり等が流れにくく、沈殿または堆積し易いという課題がある。すなわち、内管と外管との間の流路および内管内の流路はいずれにしても閉塞されるおそれがある。
　本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、流路に固形物が詰まり難く、また沈殿、堆積もし難い熱交換器および熱交換器の製造方法を提供することにある。
　前述の目的を達成するため本発明は、２本の流路を同一平面内にて隣り合うように湾曲または屈曲させて配置した平面状流路体が前記平面と交差する交差方向に複数重なるように配置され、重ねた複数の前記平面状流路体のうちの前記交差方向に隣接する２つの前記平面状流路体における、一方の前記平面状流路体が有する各々の前記流路の両端をなす２つの流路出入口の各一方と、他方の前記平面状流路体が有する各々の前記流路の両端をなす２つの流路出入口の各一方とが繋がった流路ユニットと、前記流路ユニットの外側を覆う高圧配管と、を有することを特徴とする熱交換器である。
　このような熱交換器によれば、高圧配管に交差方向に沿って挿入されて覆われる流路ユニットは、交差方向と交差する平面内にて隣り合う２本の流路を備えた複数の平面状流路体が交差方向に重なるように配置されており、隣り合う平面状流路体の流路が繋げられて全体として２本の流路をなしているので、例えば高圧配管内に二重管を備えて熱交換器を形成する場合より、流路の断面積を小さくすることが可能である。このため、各流路内において速い流速を確保することができるため、流路内に固形物が沈殿または堆積することを防止することが可能である。また、２本流路は隣り合うように配置されているので、一方の流路に高温流体を流通させ、他方の流路に低温流体を流通させることにより効率良く熱交換することが可能である。また、２つの流路でなる流体ユニットが高圧配管内に設けられているので、例えば、高圧の流体を用いて熱交換する熱交換器としてより適している。
　かかる熱交換器であって、前記平面状流路体は、前記２本流路が、中央側から外周側に広がりつつ互いに半周分位相を異ならせて同一方向に渦を巻く渦巻き状に湾曲することにより、前記２本の流路がなす渦巻きの直径方向において当該２本の流路が交互に配置された渦巻き流路体であり、前記流路ユニットは、前記渦巻き流路体が、前記平面と交差する交差方向に複数重ねて配置され、前記交差方向に隣接する２つの渦巻き流路体の中央側の流路出入口同士または外周側の流路出入口同士が繋がって２本の連続流路をなしていることが望ましい。
　このような熱交換器によれば、平面状流路体が有する２本の流路は、同一方向に渦を巻いた渦巻き状に湾曲することにより、渦巻きの直径方向において２本の流路が交互に配置されているので、２本の流路の境界部分、すなわち伝熱面をより広く確保することが可能である。このため、より効率良く熱交換することが可能である。
　また、流路ユニットは、渦巻き流路体が交差方向に複数重ねられて繋がって２本の流路をなしているので、２本の流路は、熱交換器のほぼ全長となる高圧配管の長さより十分に長くなるこのため、更に効率良く熱交換することが可能である。
　かかる熱交換器であって、前記流路ユニットは、隣接する前記渦巻き流路体の巻き方向が互いに同一になるように重ねられていることが望ましい。
　このような熱交換器によれば、高温流体が流通する流路と低温流体が流通する流路とが交差方向において接触しないように２本の流路を配置することが可能である。
　かかる熱交換器であって、前記流路ユニットは、隣接する前記渦巻き流路体の巻き方向が互いに逆になるように重ねられていることとしてもよい。
　このような熱交換器によれば、高温流体が流通する流路と低温流体が流通する流路とが交差方向において接触する箇所が発生するので、更に伝熱面積を広くすることが可能である。
　また、金属製の板材の両面にそれぞれ形成される繋がった溝の隔壁をなし、前記溝の一方の端部に開口を有する複数の隔壁材を形成する隔壁材形成工程と、前記隔壁材に対向する平面を有し、前記隔壁材の溝を覆って流路を形成するとともに形成された流路の前記開口が設けられた端部と反対側の端部に開口を備えた金属製の複数の板状材を形成する板状材形成工程と、前記隔壁材と前記板状材とを交互に配置するとともに前記隔壁材の一方側に設けられた流路同士および前記隔壁材の他方側に設けられた流路同士が繋がるように前記隔壁材および前記板状材に設けられた前記開口の位置を調整して一体に固定することにより流路ユニットを形成する流路ユニット形成工程と、前記流路ユニットを前記交差方向に沿って挿入し当該流路ユニットの外側を高圧配管にて覆い一体化する一体化工程と、
を有することを特徴とする熱交換器の製造方法である。
　このような熱交換器の製造方法によれば、繋がった溝の隔壁をなす隔壁材と、当該隔壁材の交差方向において隣接する２つの板状材とにより形成される２つの流路が、板状材を共有しつつ隔壁材と板状材とが交互に配置されるので、２つの流路間には、両者を仕切る板は１枚のみである。このため、２本の管を隣接させる場合より熱伝導効率を高めることが可能である。また、隔壁材と板状材とを交互に配置するとともに隔壁材の一方側に設けられた流路同士および隔壁材の他方側に設けられた流路同士が繋がるように隔壁材および板状材に設けられた開口の位置を調整して一体に固定することにより、流路ユニットを容易に形成し、更に、形成された流路ユニットを高圧配管内に挿入して一体化することにより容易に熱交換器を形成することが可能である。
　かかる熱交換器の製造方法であって、前記隔壁材および前記板状材は絞り加工により形成され、互いに隣り合う前記隔壁材と前記板状材の外周部は前記平面と交差する方向に屈曲されており、前記隔壁材と前記板状材とが前記平面と交差する方向に屈曲された部位にて重ね合わせて接合されていることが望ましい。
　このような熱交換器の製造方法によれば、隔壁材および板状材は絞り加工により容易に形成することが可能であり、隔壁材と板状材とが平面と交差する方向に屈曲された部位にて重ね合わせて接合されているので、外周側が密閉されることにより、管を用いることなく２本の流路を容易に形成することが可能である。
　本発明によれば、流路に固形物が詰まり難く、また沈殿、堆積もし難い熱交換器および熱交換器の製造方法を提供することが可能である。
本発明に係る熱交換器を示す概念図である。 本発明に係る熱交換器が備える平面状流路体および流路ユニットを示す概念図である。 本発明に係る熱交換器の製造方法を示す概念図である。 二次流れを説明する図である。
　以下、本発明の一実施形態について、例えば、含水性バイオマス超臨界水ガス化装置に用いられ高温高圧の流体の熱交換器を例に挙げて説明する。
　本実施形態の熱交換器１は、図１に示すように、２本の連続流路２１、２２を互いに隣り合うように屈曲させて配置した流路ユニット２と、流路ユニット２が有する２本の連続流路２１、２２の端となる端部開口２１ａ、２２ａを外部に突出させて流路ユニット２を覆うカバー３と、を有している。図１においては、流路ユニット２を示すために、カバー３を仮想線（一点鎖線）にて示している。
　流路ユニット２は、図２に示すように、２本の渦巻き流路２３、２４が同一平面内で隣り合い渦巻き状に湾曲された平面流路体としての渦巻き流路体２５を複数有している。
　各渦巻き流路体２５は、２本の渦巻き流路２３、２４が各々中央側から外周側に広がりつつ互いに半周分位相を異ならせて同一方向に渦を巻いた渦巻き状に湾曲しており、２本の渦巻き流路２３、２４がなす渦巻きの直径方向において当該２本の渦巻き流路２３、２４が交互に配置されている。このため各渦巻き流路２３、２４の両端となる流路出入口２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂは、渦巻き流路体２５の中央と外周とにそれぞれ設けられている。本実施形態においては、各渦巻き流路体２５が有する渦巻き流路２３、２４が流路に相当し、複数の渦巻き流路体２５が有する渦巻き流路２３、２４が繋がった２本の流路２１，２２が連続流路に相当する。
　図２においては、説明の便宜上、各渦巻き流路２３、２４を１本の管にて示しているが、渦巻き流路２３、２４は仕切られた空間であれば構わず、例えば、２つの渦巻き流路２３、２４が単一の仕切り材にて仕切られていても構わない。
　複数の渦巻き流路体２５は、２本の渦巻き流路２３、２４が配置されて形成される平面と交差する方向(以下、交差方向という)に重ねて配置されている。このとき、各渦巻き流路体２５の巻き方向が同一方向になるように重ねて配置される。以下の説明においては、重ねられている複数の渦巻き流路体２５の、図２において左下側に向く面を表面、その反対側の面を裏面として説明する。
　複数の渦巻き流路体２５が重ねられた流路ユニット２は、図２に示すように、２本の渦巻き流路２３、２４における中央側の端部となる中央側の流路出入口２３ａ、２４ａがいずれも表面側に設けられており、外周側の端部となる外周側の流路出入口２３ｂ、２４ｂがいずれも裏面側に設けられている第１渦巻き流路体２５１と、２本の渦巻き流路２３、２４における中央側の端部となる中央側の流路出入口２３ａ、２４ａがいずれも裏面側に設けられており、外周側の端部となる外周側の流路出入口２３ｂ、２４ｂがいずれも表面側に設けられている第２渦巻き流路体２５２とが交互に配置されている。
　重ねられる複数の渦巻き流路体２５は、交差方向に隣接する２つの渦巻き流路体２５１、２５２が、中央側の流路出入口２３ａ、２４ａ同士または外周側の流路出入口２３ｂ、２４ｂ同士が繋がるように配置されている。中央側の流路出入口２３ａ、２４ａ同士および外周側の流路出入口２３ｂ、２４ｂ同士は、気密に接合されており、複数の渦巻き流路体２５全体として２本の連続流路２１、２２をなしている。
　重ねられた渦巻き流路体２５は、両端に配置された渦巻き流路体２５の流路出入口２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂのうち、隣接して渦巻き流路体２５が設けられていない側に開放された流路出入口２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂに外部と繋ぐ連通管２６がそれぞれ設けられている。図１の例では、流路ユニット２の両端に配置された渦巻き流路体２５１、２５２の中央側の流路出入口２３ａ、２４ａにそれぞれ連通管２６が設けられている。
　カバー３は、図１に示すように、流体ユニット２が収容される高圧配管３１と、高圧配管３１の両端を閉塞するように設けられる蓋材３２と、を有している。高圧配管３１は、流路ユニット２において渦巻き流路体２５が重ねられた部位の交差方向の長さとほぼ同じ長さを有している。蓋材３２は、連通管２６が貫通される開口を備え、高圧配管３１の直径とほぼ同じ外径をなしており、高圧配管３１の端部に蓋材３２の外周縁が溶接されている。
　上記のような構成の熱交換器１は、例えば、図３に示すように製造される。本実施形態では、４つの渦巻き流路体２５を有する熱交換器１について説明する。
　本実施形態の流路ユニット２は、図３に示すように渦巻き状の溝１１、１２を有する隔壁材としての溝形成板材１０と、溝形成板材１０に形成された溝１１、１２を覆う平面部１３ａを備えた平面板材１３と、を交互に重ねると共に、流路ユニット２の両端にて溝形成板材１０の溝１１、１２を覆う端部板材１４を重ねて一体化して形成されている。すなわち、渦巻き流路体２５は、１枚の溝形成板材１０の両側に２枚の平面板材１３、または、平面板材１３と端部板材１４とが接合されて形成されている。そして、隣接する渦巻き流路体２５は、各々の渦巻き流路体２５が有する溝形成板材１０の間に配置される平面板材１３を共有するように構成されている。ここで、１枚の溝形成板材１０の両側に接合される２枚の平面板材１３、または、平面板材１３と端部板材１４とが２枚の板状材に相当する。
　熱交換器１の製造方法は、まず、耐熱性及び伝熱性を有する金属の板材に絞り加工により溝形成板材１０と、平面板材１３と、端部板材１４と、を形成する。このとき、平面板材１３及び端部板材１４は、必ずしも伝熱性を有していなくとも良い。また、溝形成板材１０、平面板材１３、および端部板材１４には、流路出入口２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂとなる部位に予め開口１０ａ、１３ｂ、１４ｂを形成しておく。尚、図３においては、開口１０ａ、１３ｂ、１４ｂおよび流路出入口２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂを黒色の長方形にて示し、溝形成板材１０、平面板材１３、および端部板材１４の断面を示すハッチングを省略している。
　溝形成板材１０は、板材の表裏面に各々１本の渦巻き状の溝１１、１２を、中央側から外周側に広がりつつ互いに半周分位相を異ならせて同一方向に渦を巻くように湾曲させて形成する。このとき、外周部分は、複数の渦巻き流路体２５が重ねられる交差方向に沿って曲げ返して屈曲部１０ｂを形成しておく。
　平面板材１３は、溝形成板材１０の溝１１、１２を覆う平面部１３ａの外周端部をほぼ９０度に屈曲させ、溝形成板材１０と重ねられたときに隣接する溝形成板材１０の外周の曲げ返した屈曲部１０ｂと重なるように屈曲部１３ｃが形成されている。
　端部板材１４も、流路ユニット２の両端側に配置される溝形成板材１０の溝１１、１２を覆う平面部１４ａを有しており、平面部１４ａの外周端部をほぼ９０度に屈曲させ、流路ユニット２の両端側の溝形成板材１０と重ねられたときにその外周の曲げ返した屈曲部１０ｂ及び溝形成板材１０の外周において平面部１４ａを交差する面と重なるように屈曲部１４ｃが形成されている。
　次に、形成された溝形成板材１０と平面板材１３とを交互に重ね合わせつつ、また、両端部に端部板材１４を重ね合わせつつ、隣接する溝形成板材１０と平面板材１３または端部板材１４との外周部分を全周に亘って溶接し、端部板材１４の中央側の流路出入口２３ａ、２４ａに連通管２６を溶接して流路ユニット２を形成する。このとき、溝形成板材１０、平面板材１３および端部板材１４は、重ね合わされたときに隣接する部材の流路出入口２３ａ、２３ｂ、２４ａ２４ｂ同士が対向し、流路ユニット２を形成したときに２本の繋がった連続流路２１、２２が形成されるように配置する。
　次に形成された流路ユニット２を高圧配管３１の内周面に接するように挿入する。このとき、流路ユニット２の両端の端部板材１４が有する平面部１４ａが高圧配管３１の両縁とほぼ一致し、連通管２６が高圧配管３１の縁より突出するように配置する。
　最後に、連通管２６の貫通孔３２ａが設けられた蓋材３２を高圧配管３１の端部に配置して、高圧配管３１の端縁と蓋材３２の外周とを全周に亘って溶接して２本の連続流路２１、２を備えた熱交換器１が完成する。
　本実施形態の熱交換器１では、例えば、低温のガス化原料を、一方の連続流路２１内を所定方向に流通させ、含水性バイオマス超臨界水ガス化装置が備えるガス化反応器から流出される高温の処理水を、他方の連続流路２２内をガス化原料と反対方向に流通させる。すなわち、流路ユニット２内では、ガス化原料と処理水とが、２本の連続流路２１、２２を互いに反対方向に流通している。このように、ガス化原料と処理水とを流通させることにより、２本の連続流路２１、２２を仕切る溝形成板材１０を伝熱面として２本の連続流路２１、２２間にて熱交換が行われる。
　本実施形態では、低温のガス化原料を一方の連続流路２１に流通させ、高温の処理水を他方の連続流路２２に流通させたので、ガス化原料が昇温される過程において、渦巻き状に屈曲した流路内における二次流れによりガス化原料が攪拌され、ガス化原料内に懸濁されたガス化触媒である活性炭とバイオマスが混合されて均質化される。また、活性炭とバイオマスが混合されることにより、触媒とバイオマスとの接触確率が向上し、触媒効果が向上する。なお二次流れとは図４に示す、螺旋管内に発生する流れである。
　本実施形態の熱交換器１によれば、高圧配管３１に交差方向に沿って挿入されて覆われる流路ユニット２は、交差方向と交差する平面内にて隣り合う２本の渦巻き流路２３、２４を備えた複数の渦巻き流路体２５が交差方向に重なるように配置されており、隣り合う渦巻き流路体２５の渦巻き流路２３、２４が繋げられて全体として２本の連続流路２１，２２をなしているので、例えば高圧配管３１内に二重管を備えて熱交換器を形成する場合より、流路の断面積を小さくすることが可能である。このため、各連続流路２１、２２内において速い流速を確保することができるため、連続流路２１、２２内に固形物が沈殿または堆積することを防止することが可能である。
　また、２本の連続流路２１、２２は隣り合うように配置されているので、一方の連続流路２１、２２のいずれかに高温流体を流通させ、他方の流路２１、２２に低温流体を流通させることにより効率良く熱交換することが可能である。また、２つの連続流路２１、２２でなる流体ユニット２が高圧配管３１内に設けられているので、例えば、高圧の流体を用いて熱交換する含水性バイオマス超臨界水ガス化装置を備えるシステムなどの熱交換器１としてより適している。
　また、渦巻き流路体２５が有する２本の渦巻き流路２３、２４が、同一方向に渦を巻いた渦巻き状に湾曲することにより、渦巻きの直径方向において２本の渦巻き流路２３、２４が交互に配置されているので、２本の渦巻き流路２３、２４の境界部分、すなわち伝熱面をより広く確保することが可能である。このため、より効率良く熱交換することが可能である。
　また、流路ユニット２は、渦巻き流路体２５が交差方向に複数重ねられて繋がって２本の連続流路２１、２２をなしているので、２本の連続流路２１、２２は、熱交換器１のほぼ全長となる高圧配管３１の長さより十分に長くなるこのため、更に効率良く熱交換することが可能である。
　また、高温の処理水が流通する連続流路２１と低温のガス化原料が流通する連続流路２２とが交差方向において接触しないように２本の連続流路２１、２２を配置することが可能である。
　また、本実施形態の熱交換器１の製造方法によれば、繋がった溝１１、１２の隔壁をなす溝形成板材１０と、当該溝形成板材１０の交差方向において隣接する２枚の平面板材１３、または、平面板材１３と端部板材１４とにより形成される２つの渦巻き流路２３、２４が、平面板材１３を共有しつつ溝形成板材１０と平面板材１３とが交互に配置されるので、２つの連続流路２１、２２間には、両者を仕切る板は溝形成板材１０の１枚のみである。このため、２本の管を隣接させる場合より熱伝導効率を高めることが可能である。
　また、溝形成板材１０と平面板材１３とを交互に配置するとともに溝形成板材１０の一方側に設けられた溝１１同士および溝形成板材１０の他方側に設けられた溝１２同士が繋がるように溝形成板材１０および平面板材１３に設けられた開口１０ａ、１３ｂ、１４ｂの位置を調整して一体に固定することにより、流路ユニット２を容易に形成し、更に、形成された流路ユニット２を高圧配管３１内に挿入して一体化することにより容易に熱交換器１を形成することが可能である。
　また、溝形成板材１０、平面板材１３および端部板材１４は絞り加工により容易に形成することが可能であり、交差方向に交互に配置された溝形成板材１０、平面板材１３および端部板材１４の外周部を、屈曲部１０ｂ、１３ｃ、１４ｃ及び溝形成板材１０の外周部など、平面部１３ａ、１４ａを交差する面にて重ね合わせて接合するので、外周側が密閉されることにより２本の連続流路２１、２２を容易に形成することが可能である。
　上記実施形態においては、渦巻き流路体２５の巻き方向が同一方向になるように複数の渦巻き流路体２５を重ねて流路ユニット２を形成する例について説明したが、これに限らず、例えば、隣接する渦巻き流路体２５の巻き方向が逆になるように配置して流路ユニットを形成してもよい。このような熱交換器によれば、高温の処理水が流通する流路と低温のガス化原料が流通する流路とが交差方向においても接触し、接触面積が広がるので更に伝熱面積を広くすることが可能である。また、平面流路体は、２本の流路が平面内にて互いに隣接して湾曲及び屈曲させて設けられていれば、渦巻き状に限るものではない。
　上記実施形態においては、熱交換器１を、含水性バイオマス超臨界水ガス化装置に用いられ高温高圧の流体の熱交換器としたが、これに限るものではない。
　上記実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはいうまでもない。
　１　熱交換器、２　流路ユニット、３　カバー、１０　溝形成板材、１０ａ　開口、
１０ｂ　屈曲部、１１　溝、１２　溝、１３　平面板材、１３ａ　平面部、
１３ｂ　開口、１３ｃ　屈曲部、１４　端部板材、１４ａ　平面部、１４ｂ　開口、
１４ｃ　屈曲部、２１　連続流路、２１ａ　端部開口、２２　連続流路、２３　流路、
２３ａ　流路出入口、２３ｂ　流路出入口、２４ａ　流路出入口、
２４ｂ　流路出入口、２５　渦巻き流路体、２６　連通管、３１　高圧配管、
３２　蓋材、３２ａ　貫通孔、２５１　渦巻き流路体、２５２　渦巻き流路体

Claims (6)

  1. 　２本の流路を同一平面内にて隣り合うように湾曲または屈曲させて配置した平面状流路体が前記平面と交差する交差方向に複数重なるように配置され、重ねた複数の前記平面状流路体のうちの前記交差方向に隣接する２つの前記平面状流路体における、一方の前記平面状流路体が有する各々の前記流路の両端をなす２つの流路出入口の各一方と、他方の前記平面状流路体が有する各々の前記流路の両端をなす２つの流路出入口の各一方とが繋がった流路ユニットと、
    　前記流路ユニットの外側を覆う高圧配管と、を有することを特徴とする熱交換器。
  2. 　前記平面状流路体は、前記２本流路が、中央側から外周側に広がりつつ互いに半周分位相を異ならせて同一方向に渦を巻く渦巻き状に湾曲することにより、前記２本の流路がなす渦巻きの直径方向において当該２本の流路が交互に配置された渦巻き流路体であり、
    　前記流路ユニットは、前記渦巻き流路体が、前記平面と交差する交差方向に複数重ねて配置され、前記交差方向に隣接する２つの渦巻き流路体の中央側の流路出入口同士または外周側の流路出入口同士が繋がって２本の連続流路をなしていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
  3. 　前記流路ユニットは、隣接する前記渦巻き流路体の巻き方向が互いに同一になるように重ねられていることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
  4. 　前記流路ユニットは、隣接する前記渦巻き流路体の巻き方向が互いに逆になるように重ねられていることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
  5. 　金属製の板材の両面にそれぞれ形成される繋がった溝の隔壁をなし、前記溝の一方の端部に開口を有する複数の隔壁材を形成する隔壁材形成工程と、
    　前記隔壁材に対向する平面を有し、前記隔壁材の溝を覆って流路を形成するとともに形成された流路の前記開口が設けられた端部と反対側の端部に開口を備えた金属製の複数の板状材を形成する板状材形成工程と、
    　前記隔壁材と前記板状材とを交互に配置するとともに前記隔壁材の一方側に設けられた流路同士および前記隔壁材の他方側に設けられた流路同士が繋がるように前記隔壁材および前記板状材に設けられた前記開口の位置を調整して一体に固定することにより流路ユニットを形成する流路ユニット形成工程と、
    　前記流路ユニットを前記交差方向に沿って挿入し当該流路ユニットの外側を高圧配管にて覆い一体化する一体化工程と、
    を有することを特徴とする熱交換器の製造方法。
  6. 　前記隔壁材および前記板状材は絞り加工により形成され、
    　互いに隣り合う前記隔壁材と前記板状材の外周部は前記平面と交差する方向に屈曲されており、
    　前記隔壁材と前記板状材とが前記平面と交差する方向に屈曲された部位にて重ね合わせて接合することを特徴とする請求項６に記載の熱交換器の製造方法。
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