WO2001048432A1

WO2001048432A1 - Plate fin type heat exchanger for high temperature

Info

Publication number: WO2001048432A1
Application number: PCT/JP2000/009209
Authority: WO
Inventors: Tetsuo Abiko; Jyunichi Tujii; Takashi Eta
Original assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd
Priority date: 1999-12-27
Filing date: 2000-12-25
Publication date: 2001-07-05
Anticipated expiration: 2002-06-27
Also published as: US20030075308A1; AU2224501A; EP1243886A4; US6910528B2; US20040149425A1; US6840313B2; EP1243886A1

Description

明細書

高温用プレートフィン型熱交換器技術分野

この発明は、例えば燃焼排気ガスと空気との熱交換を行う高温用プレートフィン型熱交換器の改良に係り、低温の空気用通路の両チューブプレート面にフィンをろう付けしたエレメントをスぺ一サーバーを介して積層配置した構成となし、筒状の高温流体用ダクト自体を熱交換器の容器として利用可能で、例えばマイクロガスタービン発電装置の再生器のごとき苛酷な使用条件でも優れた耐久性と高熱交換効率を発揮する高温用プレートフィン型熱交換器に関する。背景技術

今日、非常用自家発電装置あるいは中小規模の分散電源として、マイクロガスタービン発電装置が見直されて実用化されている。ガスタ一ビンは他の内燃機関に比べて単純な構成で量産可能であり、また保守点検が容易で、低 NOxであることを特徴としている。

次世代のマイク口ガスタービン発電装置は、トータルの発電効率を向上させるため、一般に一軸式の再生サイクルガスタ一ビンの構成を採用している。すなわち、圧縮機、タービン、発電機が一軸に配置され、燃焼器からの燃焼ガスはタービンを回転させた後、熱交換器で圧縮機を経た空気と熱交換を行レ、、燃焼ガスエネルギーの損失を少しでも小さくして、従来のディーゼルェンジンによる発電装置と同等以上の熱変換効率となるよう工夫されている。

一軸式の再生サイクルガスタービンの構成では、希薄燃焼による低 NOxの実現と、熱交換器にプレートフィン型を使用して熱交換効率を 90%程度に高めることが行われている。一方、マイクロガスタービン発電装置は、非常用の場合はもちろん分散電源としての用途から、始動停止の繰り返しが多いばかりか、始動直後の運転立ち上がりを良好にして直ちに良質な電力を供給することが求められる。

従って、燃焼ガスと圧縮空気の熱交換に使用されるプレートフィン型熱交換器には、優れた熱交換効率を実現し、急激な入熱、特に流体通路内の不均一な温度分布と、激しい熱負荷の変動に耐えるだけの耐久性を保有しながら先の熱交換効率を維持することが要求される。発明の開示

この発明は、マイクロガスタービン発電装置における再生用プレートフィン型熱交換器などに要求される上記性能、すなわち激しい熱負荷の変動下における高熱交換効率と高耐久性を実現でき、かつ量産性に優れた構成からなるプレートフィン型熱交換器の提供を目的としている。

また、この発明は、前記再生器の下流側で別途排熱回収が可能となるように熱交換器のシリ一ズ配置が可能な構成からなるプレートフィン型熱交換器の提供を目的としている。

発明者らは、プレートフィン型熱交換器において、例えば高温の燃焼ガスが流入した際の流体通路内及び全体の不均一な温度分布による熱応力を緩和できる構成について種々検討した結果、通常は高温側通路内のフィンを全て低温側通路にろう付けする力図 1Bに示すごとく、高温側通路内のフィン全体をろう付けすることなく、これを低温側通路毎に独立させることにより、熱応力を緩和して耐久性が著しく向上する他、部品のエレメント化が可能でかつろう付け工程が減少して量産性が向上することを知見した。

また、発明者らは、前記構成において、低温側通路にコルゲ一シヨンフィンなどを内蔵しない無方向性ディストリビュータを用いることで熱交換部の偏流防止が可能であること、高温側通路入口に望む低温側通路前面に遮蔽カバーを適宜設けることにより、低温側通路のろう付け部が高温流体に晒されることがなく、一層耐久性が向上することを知見した。

すなわち、第 1の発明は、低温流体用通路毎に独立して低温流体用通路と高温流体用通路と力積層配置されてコアを形成したことを特徴とする高温用プレートフィン型熱交換器であり、例えば、低温流体用通路を形成する一対のチューブプレートの少なくとも一方に高温流体用通路を形成するフィンが固着された構成を 1つのエレメントとし、高温流体用ダクトなどの容器内に複数の前記ェレメントを配置してコアを形成することにより、高耐久性構造の高温用プレートフィン型熱交換器を、量産性よく提供できる。

また、発明者らは、製造容易な構成について種々検討した結果、図 4に示すごとく、高温側通路内のフィンを小さくして低温側通路側に固着し、フィンを設けない箇所に小さなスぺ一サーバ一を配置してコア組立用エレメントを作製し、このエレメントをスぺ一サーバ一同士を例えばシール溶接して積層することにより組立てが極めて容易になることを知見した。

すなわち、第 2の発明は、低温流体用通路を形成する一対のチューブプレートの少なくとも一方に高温流体用通路を形成するフィンとスぺーサーバ一が固着されたコァ組立用エレメントを用いて、低温流体用通路毎に独立して低温流体用通路と高温流体用通路とが積層配置されコアを形成した構成からなることを特徴とする高温用プレートフィン型熱交換器である。

また、発明者らは、筒状の高温流体用ダクト自体を熱交換器の容器として前述の構成からなるプレー卜フィン型熱交換器において、高温流体用ダクトを延長して高温流体の上流側と下流側にそれぞれ別個の前記プレートフィン型熱交換器あるいはチューブ型熱交換器などを配置することにより、例えば、上流側をマイクロガスタービン発電装置における再生器とし、下流側を水蒸気及び/又は温水発生器として排熱回収が可能で、極めて熱回収効率のよい熱交換システムを構築できることを知見した。すなわち、第 3の発明は、筒状の高温流体用ダクト自体を熱交換器の容器とし、低温流体用通路を形成する一対のチューブプレートの少なくとも一方に高温流体用通路を形成するフィン、あるいはさらにスぺ一サーバ一が固着されたコア組立用エレメントを用いて、低温流体用通路毎に独立して低温流体用通路と高温流体用通路とが積層配置されてコアを形成した高温用プレートフィン型熱交換器において、該ダクト内の当該熱交換器の下流側に、さらに高温流体と熱交換を行う 1機以上の別の熱交換器を配置したことを特徴とする高温用プレートフィン型熱交換器である。

さらに、発明者らは、マイクロガスタービン発電装置におけるタービンを配置した外周側にリング状に熱交換器を配置し、これをタービンの排ガスを Uターンさせて熱交換する再生器として利用する 2重管状のシステム構成を想定して、前記のコアュニットの効果的な配置について種々検討した。

その結果、発明者らは、円筒状の高温流体用ダクトを熱交換器の容器でかつ外側管として、これとタービン側の内筒との間に前述の構成からなるコアュニットを放射状に複数ユニットを配置し、さらに低温流体の導入出ヘッダ一タンクを外周側の円筒ダクト又はタービン側の内筒側に各々片持ち配置することにより、ガスタービンのオンオフなどの激しい熱負荷の変動下における高熱交換効率と高耐久性を実現でき、かつ極めて熱回収効率のよいシステムを構築できることを知見し、この発明を完成した。

すなわち、第 4の発明は、低温流体用通路を形成する一対のチューブプレー卜の少なくとも一方に高温流体用通路を形成するフィン、あるいはさらにスぺ—サーバ—が固着されたコア組立用エレメントを用いて低温流体用通路毎に独立して低温流体用通路と高温流体用通路とが積層配置されて形成されたコアユニットを、高温流体用通路となる円筒体内、あるいは円筒体内に内筒を配置して該円筒体と内筒との間に放射状に複数配置することを特徴とし、 1)該円筒体側に低温流体の導入出ヘッダーを配置して、該ダクトに各コアュニットを片持ち支持させた構成、

2)該内筒側に低温流体の導入出ヘッダーを配置して、該内筒に各コアュニットを片持ち支持させた構成を特徴とする高温用プレートフィン型熱交換器である。図面の説明

図 1Aはこの発明による高温用プレートフィン型熱交換器の一例を示す斜視説明図であり、図 1Bは低温流体通路の外観を示す斜視説明図であり、フィンは一部のみ図示している。

図 2は、低温流体通路の分解説明図であり、図 2Aはチューブプレート、図 2B は通路本体を示す。

図 3Aは図 1Aの縦断説明図であリ、図 3Bは低温流体通路の入口と出口を示す説明図である。

図 4は、この発明による高温用プレートフィン型熱交換器のコアの一例を示す斜視説明図である。

図 5は、この発明による高温用プレートフィン型熱交換器の一例を示す斜視説明図である。

図 6Aは低温流体通路を主体とする組立用ュニットの中央部断面説明図、図 6Bは組立用ュニッ卜の低温流体通路内を見た説明図、図 6Cは組立用ュニットの上面を示す説明図である。

図 7は、この発明による高温用プレートフィン型熱交換器の構成例を示す斜視説明図である。

図 8は、後段熱交換器の他の構成例を示す説明図である。図 9A、図 9Cはこの発明による高温用プレートフィン型熱交換器の構成例を示す正面説明図であり、図 9B、図 9Dはそれぞれ図 9A、図 9Cにおける要部縦断説明図である。発明を実施するための最良の形態

構成例 1

この発明による高温用プレートフィン型熱交換器の構成例を図 1〜図 3に基づいて説明する。図 1Aに示す例は、ここでは高温流体と低温流体が向流で熱交換する場合を示す。図示するごとく、熱交換器 1のコア 2に対して高温流体 Hが図の手前から奥へ通過し、低温流体 Lは熱交換器 1の奥の側面よリ流入して手前側の側面よリ流出する構成である。

熱交換器 1のコア 2は、容器 3内に高温流体通路 4と低温流体通路 5が交互に積層配置された構成からなる。

低温流体通路 5は、図 1B及び図 2に示すごとく、 2枚のチューブプレート 5a，5a間にコルゲ一ションフィン 5bを挟み、外周部をスぺーサーバー 5cで閉塞するようにこれらの部材をろう付け一体化する通路構成で、一方端面側のスベーサーバー 5dを短くして流体入口 6と出口 7を形成し、流体のディストリビュータ部 5e，5fにここではフィンを配置しない無方向性ディストリビュータとしてある。

また、低温流体通路 5の 2枚のチューブプレート 5a,5aの外面には、それぞれコルゲ一シヨンフィン 4a，4bがろう付けしてある。熱交換器 1のコア 2を内蔵する容器 3内に前記低温流体通路 5が所定間隔で配置させることにより、このコルゲーシヨンフィン 4a，4bにて高温流体通路 4を形成している。

すなわち、図 3に示すごとく、低温流体通路 5の流体入口 6と出口 7側を箱型の容器 3の側面に片持ち支持させており、容器 3内に前記低温流体通路 5をコルゲ一シヨンフィン 4a，4b同士が当接しない間隔で配列してある。以上の構成からなるこの発明による高温用プレートフィン型熱交換器において、例えば、高温流体 Hが急激に流入してきた場合、容器 3の高温流体通路 4入口側が急激に加熱される。ここで高温流体通路 4は、低温流体通路 5の外面に設けたコルゲ一シヨンフィン 4a，4bで構成され、これらは高温流体通路 4内で拘束されておらず、急激に加熱されても熱応力を蓄積することなく、低温流体通路 5内に高温流体 Hの熱を効率よく伝導できる。

また、低温流体通路 5内では、無方向性デイストリビュータ部 5eから流入する低温流体 Lが偏流することなく高温流体 Hと向流で熱交換し、無方向性ディストリビュータ部 5fを経て流体出口 7よリ高温に加熱されて流出することができる。この際、前記のごとく高温流体通路 4のコルゲ一シヨンフィン 4a,4bは高温に晒されても熱応力を低温流体通路 5に蓄積することなく、また低温流体通路 5自体の急激な加熱も片持ち支持された構造のため熱応力を蓄積することがない。

低温流体通路 5のディストリビュ一タ部 5e,5fの構成において、チューブプレートにディンプルを設け、通路内でディンプル部の突起同士が当接接合された構成を採用することにより、ディストリビュ一タ部 5e，5fの剛性を向上させることができる。

構成例 2

この発明による高温用プレートフィン型熱交換器の他の構成例を図 4〜図 6に基づいて説明する。図 4に示す例は、ここでは高温流体と低温流体が向流で熱交換する場合を示す。図示するように、熱交換器 1のコア 2に対して高温流体 H が図の手前から奥へ通過し、低温流体 Lは熱交換器 1の奥の側面よリ流入して手前側の側面より流出する構成である。

熱交換器 1のコア 2は、容器 3内に高温流体通路 4と低温流体通路 5が交互に積層配置された構成からなる。低温流体通路 5は、図 5及び図 6に示すごとく、 2 枚のチューブプレート 5a，5a間にコルゲーションフィン 5bを挟み、外周部をスぺーサーバ一 5cで閉塞するようにこれらの部材をろう付け一体化する通路構成である。

また、一方端面側のスぺーサーバ一 5dを短くして流体入口 6と出口 7を形成し、流体のディストリビュータ部 5e，5fに三角形のフィンを配置して分配通路を形成してある。

さらに、低温流体通路 5の 2枚のチューブプレート 5a,5aの外面には、それぞれコルゲ一シヨンフィン 4a,4bがろう付けしてある。ここでは、低温流体通路 5 内のディストリビュータ部 5e，5fを除く、フィン主要部となるコルゲーションフィン 5gとの対向位置にコルゲ一シヨンフィン 4a,4bを配置し、主にディストリビュータ部 5e，5fとの相対位置の端部となる 4か所に短いスぺ一サーバ一 4bをそれぞれ固着してある。

上述の構成からなる低温流体通路 5を主体とするコァ組立用のェレメントを用い、熱交換器 1のコア 2を内蔵する容器 3内に前記低温流体通路 5が、上下で当接するスぺーサーバ一 4bにより所定間隔で積層配置することができ、この上下に位置する低温流体通路 5，5に設けられて対向するコルゲーシヨンフィン 4a,4bにて高温流体通路 4を形成している。ここでは、図の右側面のスぺ一サーバー 4b同士をシール溶接してあり、図の左側のスぺ一サーバ一 4bは固着していない。

また、低温流体通路 5の流体入口 6と出口 7側を箱型の容器 3の図の右側面にのみ固着して片持ち支持させてあり、図の左側のスぺーサーバー 4b側は固着することなく、さらに容器 3内に前記低温流体通路 5をコルゲーシヨンフィン 4a,4b同士が当接しない間隔で配列してある。なお、前記の容器 3の流体入口 6 と出口 7には図示しないへッダ一タンクが固着配置される。

以上の構成からなるこの発明による高温用プレートフィン型熱交換器において、例えば、高温流体 Hが急激に流入して来た場合、容器 3の高温流体通路 4入口側が急激に加熱される。ここで高温流体通路 4は、低温流体通路 5の外面の中央部に設けたコルゲ一シヨンフィン 4a，4bで構成され、これらは高温流体通路 4 内で拘束されておらず、急激に加熱されても熱応力を蓄積することなく、低温流体通路 5内に高温流体 Hの熱を効率よく伝導できる。

また、低温流体通路 5内では、ディストリビュータ部 5eから流入する低温流体 Lが偏流することなく高温流体 Hと向流で熱交換し、ディストリビュータ部 5fを経て流体出口 7より高温に加熱されて流出することができる。この際、前記のごとく高温流体通路 4のコルゲ一シヨンフィン 4a，4bはディストリビュータ部 5e，5fの相対位置にはなく、高温に晒されても熱応力を低温流体通路 5に蓄積することなく、また低温流体通路 5自体の急激な加熱も片持ち支持された構造のため熱応力を蓄積することがなレ、。

また、前記構成例 1、構成例 2において、高温流体通路 4入口に望む低温流体通路 5前面に、種々の構成の遮蔽カバーを付設して、前記の高温流体 Hが急激に流入して来た際の急激な入熱を緩和することができる。例えば、整流を兼ねたルーバー部材を付設したり、断熱部材を付設したり、あるいは低温流体通路 5のチューブプレートを延ばして折り曲げて形成するなどの手段を採用することができる。

この発明において、低温流体通路毎に独立させる手段は、上記の構成の他種々の構成が採用でき、低温流体通路の片面にのみコルゲーシヨンフィンを設ける構成、直交流熱交換の構成、高温流体用ダクト自体を熱交換器の容器とする構成などカ采用できる。

この発明において、コアにおける低温流体用通路と高温流体用通路との積層配置方法も交互に通路が配置される他、向流や直交流などの組合せで、種々の配置が採用でき、流体種や温度などに応じて適宜選定できる。

この発明において、熱交換器の材料は特に限定しないが、耐熱性を考慮する場合、公知の Fe基、 Ni基、 Co基の耐熱合金を採用でき、例えばォ一- ト系耐熱鋼、 Co₃Ti、 Ni₃Alなど、さらには 10wt%以下 Al含有のステンレス鋼などが適宜採用できる。後述の構成例の場合も同様である。

構成例 3

この発明による高温用プレートフィン型熱交換器の他の構成例を図 7~図 8に基づいて説明する。ここでは高温流体 Hと低温流体が向流で熱交換する場合を示す。図 1Aに示すように、長尺筒状の熱交換器 1のコア 2に対して高温流体 H が図の手前から奥へ通過し、熱交換器 1の高温流体 Hの上流側が前段熱交換器 la、下流側が後段熱交換器 lbで、前後 2段の熱交換が行われる。

また、後段熱交換器 lbは、ここでは上側と下側で別個の熱交換器 1 η,11)₂を構成している。さらに、図において、後段熱交換器 lbの大きさを前段熱交換器 laと同様長さで表示しているが、熱交換器の仕様や要求性能に応じて小さく、あるいは大きくするなど、適宜選定できることは言うまでもないことである。熱交換器 1の上流側に位置する前段熱交換器 laは、手前から奥へ流れる高温排気ガス等の高温流体 Hに対して、空気からなる低温流体 Lは前段熱交換器 la の奥側面よリ流入して手前側の側面よリ流出する構成である。

前段熱交換器 laのコア 2は、図 5のように容器 3内に高温流体通路 4と低温流体通路 5が交互に積層配置された構成からなる。低温流体通路 5は、図 6に示すごとく、 2枚のチューブプレート 5a，5a間にコルゲ一シヨンフィン 5gを挟み、外周部をスぺ一サーバ一 5cで閉塞するようにこれらの部材をろう付け一体化する通路構成である。

また、一方端面側のスぺーサーバー 5dを短くして流体入口 6と出口 7を形成し、流体のディストリビュータ部 5e，5fに三角形のフィンを配置して分配通路を形成してある。

さらに、低温流体通路 5の 2枚のチューブプレート 5a,5aの外面には、それぞれコルゲ一シヨンフィン 4a，4aがろう付けしてある。ここでは、低温流体通路 5 内のディストリビュータ部 5e，5fを除く、フィン主要部 5gとの対向位置にコルゲーシヨンフィン 4a，4aを配置し、主にディストリビュータ部 5e，5fとの相対位置の端部となる 4か所に短いスぺ一サーバ一 4cをそれぞれ固着してある。

上述の構成からなる低温流体通路 5を主体とするコァ組立用のエレメントを用い、前段熱交換器 laのコア 2を内蔵する容器 3内に前記低温流体通路 5が、上下で当接するスぺ一サーバ一 4cにより所定間隔で積層配置することができ、この上下に位置する低温流体通路 5,5に設けられて対向するコルゲ一シヨンフィン 4a，4aにて高温流体通路 4を形成している。ここでは、図の右側面のスぺーサーバー 4c同士をシール溶接してあり、図の左側のスぺ一サーバー 4cは固着していない。

また、低温流体通路 5の流体入口 6と出口 7側を箱型の容器 3の図の右側面にのみ固着して片持ち支持させてあり、図の左側のスぺ一サーバー 4側は固着することなく、さらに容器 3内に前記低温流体通路 5をコルゲ一シヨンフィン 4a，4b同士が当接しない間隔で配列してある。なお、前記の容器 3の流体入口 6 と出口 7には図示しないへッダータンクが固着配置される。

以上の構成からなる前段熱交換器 laにおいて、例えば、高温流体 Hが急激に流入して来た場合、容器 3の高温流体通路 4入口側が急激に加熱される。ここで高温流体通路 4は、低温流体通路 5の外面の中央部に設けたコルゲ一シヨンフィン 4a，4aで構成され、これらは高温流体通路 4内で拘束されておらず、急激に加熱されても熱応力を蓄積することなく、低温流体通路 5内に高温流体 Hの熱を効率よく伝導できる。

また、低温流体通路 5内では、ディストリビュ一タ部 5eから流入する低温流体 Lが偏流することなく高温流体 Hと向流で熱交換し、ディストリビュータ部 5fを経て流体出口 7より高温に加熱されて流出することができる。この際、前記のごとく高温流体通路 4のコルゲ一シヨンフィン 4a，4aはディストリビュータ部 5e,5fの相対位置にはなく、高温に晒されても熱応力を低温流体通路 5に蓄積することなく、また低温流体通路 5自体の急激な加熱も片持ち支持された構造のため熱応力を蓄積することがな、。

後段熱交換器 lbは、基本的に上述の前段熱交換器 laと同等構成からなり、さらに上側と下側で別個の熱交換器 Π ,ΙΙ^を構成している。すなわち、上述した図 2の構成の高温用プレートフィン型熱交換器を容器 3を共通にして高温流体方向にシリーズ接続して上流側の前段熱交換器 laと下流側の後段熱交換器 lbとなし、さらに後段熱交換器 lbの流体の入出口を上下に分割して別流体の導入出を可能にし、上側と下側で別個の熱交換器 lb]_，lb₂を構成している。後段熱交換器 lbの上側熱交換器 lt には、例えば、低温流体 1^として水を多量に導入して所要温度の温水を取り出すことができ、また下側熱交換器 lb₂、低温流体 L₂として少量の水を導入して水蒸気として取り出すことができる。後段熱交換器 lbは、図 1に示す片持ち構造を用いて、図 8に示すように容器 3 幅方向を 2分割して、容器 3の両側面部にそれぞれ支持させた右側交換器と左側熱交換器の別個の熱交換器に構成して、それぞれ異種の低温流体低温流体 L₂を導入出させることができる。

さらには、容器 3の下流端に切替え可能な出口ダンパー 8を設けて高温流体 H が通過する熱交換器を選択できる構成にすることが可能で、前記の例では、温水か水蒸気のレ、ずれかを選択的に取リ出すことができる。

後段熱交換器 lbは、上記のいずれの構成を採用しても高温に晒されても熱応力を低温流体通路 5に蓄積することなく、また低温流体通路 5自体の急激な加熱も片持ち支持された構造のため熱応力を蓄積することがない。

後段熱交換器 lbは、上下に 2分割の 1段の熱交換器の他、さらに数段シリーズで配置することも可能である。従って、高温流体の温度を所定温度に低下するまで複数回の熱交換を行うことができる。

以上の例では、後段熱交換器 lbに前段と同様の片持ち構造のプレートフィン型熱交換器を用いた例を説明したが、さらに、要求される性能や仕様に応じて従来の構成からなるプレートフィン型熱交換器やチューブ型熱交換器などの種々構成の熱交換器を選定し、当該容器 3を共通にして適宜配置することができる。

構成例 4

この発明による高温用プレートフィン型熱交換器の構成例を図 9に基づいて説明する。ここでは、大径の円筒体 10内を流れる高温流体 Hと熱交換器 1内に導入される低温流体 Lが向流で熱交換する場合を示す。

図 9A,Bに示すように、大径の円筒体 10の内周面に沿って放射状に 8機の熱交換器 1を配置してある。各熱交換器 1は、これを円筒体 10に片持ち支持させるベく、低温流体 Lのへッダ一タンク 11を同部に設ける構成からなる。

円筒体 10の内周面に沿って放射状に配置された熱交換器 1は、その支持されない端面側では相互に接触することのないように、円筒体 10の半径方向の長さを交互に長短配置することも可能である力ここでは全て同一の所要長さに選択されて、円筒体 10の中心部に空間部 12が設けられている。

この空間部 12には、他の機器や他の流体通路が配されたりするもので、例えば、マイクロガスタービン発電装置の構成例では、内筒 13が配置されて内部にガスタービン等が配置される。かかる構成例では、高温流体 Hが排ガスで低温流体 Lが空気となる。

また、図 9C，Dに示すように、大径の円筒体 20の内周面に沿って放射状に 8機の熱交換器 1を配置する際に、円筒体 20内に内筒体 21を同軸配置して同部に低温流体 Lのヘッダータンク 22を設けて、内筒体 21の外周面に各熱交換器 1を片持ち支持させた構成とすることが可能である。ここで、マイクロガスタービン発電装置の構成例では、内筒体 21の内部空間 23にはガスタービン等が配置され、円筒体 20と内筒体 21との間のダクト内に高温流体 Hとして排ガスが流れることになる。熱交換器 1のコア 2は、図 5に示すごとく、容器 3内に高温流体通路 4と低温流体通路 5が交互に積層配置された構成からなる。なお、円筒体 10，20の内に配置する熱交換器 1は、上記構成だけでなく、コア 2ユニットをそのまま配置することも可能である。

コア 2における低温流体通路 5は、図 5及び図 6に示す前述の構成例 2の構造を採用してある。

構成例 2の構成からなる各熱交換器 1において、例えば、高温流体 Hが急激に流入して来た場合、容器 3の高温流体通路 4入口側が急激に加熱される。ここで高温流体通路 4は、低温流体通路 5の外面の中央部に設けたコルゲーシヨンフィン 4a，4aで構成され、これらは高温流体通路 4内で拘束されておらず、急激に加熱されても熱応力を蓄積することなく、低温流体通路 5内に高温流体 Hの熱を効率よく伝導できる。

また、構成例 2の構成からなる低温流体通路 5内では、ディストリビュータ部 5eから流入する低温流体 Lが偏流することなく高温流体 Hと向流で熱交換し、ディストリビュータ部 5fを経て流体出口 7よリ高温に加熱されて流出することができる。

この際、前記のごとく高温流体通路 4のコルゲーシヨンフィン 4a,4aはディストリビュータ部 5e，5fの相対位置にはなく、高温に晒されても熱応力を低温流体通路 5に蓄積することなく、また低温流体通路 5自体の急激な加熱も片持ち支持された構造のため熱応力を蓄積することがなレ、。

実施例

実施例 1

マイクロガスタービン発電装置の再生器として、図 1〜図 3の構成からなる高温用プレートフィン型熱交換器を採用した。燃焼排ガス用ダクトにこの熱交換器の容器入口を直接嵌め込むように寸法形状を設定構成することにより、フランジなどが不要になリ、力つ燃焼排ガスの圧力損失を最小にすることができた。

燃焼排ガス温度は、 800°Cと 900°Cの 2種を設定し、これと圧縮吸気 (0.4MPa) との熱交換を行ったところ、いずれの場合も 90%の熱交換効率を得ることができた。なお、熱交換器の材料には、排ガス温度が 800°Cの場合は、オーステナイト系ステンレス鋼、 90CTCの場合は、 5wt%Al含有のステンレス鋼を用いた。

また、室温まで冷却している装置に始動を行い、所定時間後に所定温度まで冷却し、再度起動する耐久性の加速試験を行ったところ、燃焼排ガスの圧力損失、圧縮吸気圧、熱交換効率のいずれも変動することなく、熱交換器の各部の剥離、クラックも発生しなかった。

実施例 2

マイクロガスタービン発電装置の再生器として、図 4〜図 6の構成からなる高温用プレートフィン型熱交換器を採用した。燃焼排ガス用ダクトにこの熱交換器の容器入口を直接嵌め込むように寸法形状を設定構成することにより、フランジなどが不要になり、かつ燃焼排ガスの圧力損失を最小にすることができた。

燃焼排ガス温度は、 800°Cと 900°Cの 2種を設定し、これと圧縮吸気 (0.4MPa) との熱交換を行ったところ、レ、ずれの場合も 90%の熱交換効率を得ることができた。なお、熱交換器の材料には、排ガス温度が 800°Cの場合は、オーステナイト系ステンレス鋼、 900°Cの場合は、 5wt%Al含有のステンレス鋼を用いた。

また、室温まで冷却している装置に始動を行い、所定時間後に所定温度まで冷却し、再度起動する耐久性の加速試験を行ったところ、燃焼排ガスの圧力損失、圧縮吸気圧、熱交換効率のいずれも変動することなく、熱交換器の各部の剥離、クラックも発生しなかった。実施例 3

マイクロガスタービン発電装置の再生器として、図 4~図 6の構成からなる高温用プレートフィン型熱交換器を採用した。さらに、再生器を通過した燃焼排ガスと熱交換を行うためのボイラーとして図 4〜図 6の構成からなる高温用プレートフィン型熱交換器を採用し、図 7に示すごとき前段に再生器、後段にボイラ一を配置した構成を採用した。

なお、後段のボイラーの構成には、流体の導入出口を上下に分割してへッダ一タンクを装着し、導入する水量を変えて温水又は水蒸気を得ることができるようにした。

燃焼排ガス用ダクトにこの熱交換器の容器入口を直接嵌め込むように寸法形状を設定構成することにより、フランジなどが不要になり、かつ燃焼排ガスの圧力損失を最小にすることができた。

燃焼排ガス温度は、 800°Cと 900°Cの 2種を設定し、これと圧縮吸気 (0.4MPa) との熱交換を行ったところ、いずれの場合も再生器において、 90%の熱交換効率を得ることができた。さらに後段のボイラーで熱回収を行い、燃焼排ガス温度は常温に近レ、温度まで下げることができた。

なお、熱交換器の材料には、排ガス温度が 800°Cの場合は、オーステナイト系ステンレス鋼、 900°Cの場合は、 5wt%Al含有のステンレス鋼を用いた。

実施例 4

マイクロガスタービン発電装置の再生器として、図 4〜図 6の構成からなる高温用プレートフィン型熱交換器を図 9C,Dに示すレイアウトを採用した。すなわち、内筒体 21内の空間 23にガスタービン装置を配置して、これより排出される排ガスを Uターンさせて、円筒体 20と内筒体 21との間に放射状に配置するプレートフィン型熱交換器 1にて空気との熱交換を行わせる構成にした。

要するに、環状空間からなる燃焼排ガス用ダクトにこの熱交換器を片持ち配置するように寸法形状を設定構成することにより、フランジなどが不要になリ、力つ燃焼排ガスの圧力損失を最小にすることができた。

燃焼排ガス温度は、 800°Cと 900°Cの 2種を設定し、これと圧縮吸気 (0.4MPa) との熱交換を行ったところ、いずれの場合も再生器において、 90%の熱交換効率を得ることができた。

また、室温まで冷却している装置に始動を行い、所定時間後に所定温度まで冷却し、再度起動する耐久性の加速試験を行ったところ、燃焼排ガスの圧力損失、圧縮吸気圧、熱交換効率のいずれも変動することなく、熱交換器の各部の剥離、クラックも発生しなかった。産業上の利用可能性

この発明による高温用プレートフィン型熱交換器は、低温流体用通路毎に独立させた構成を採用することにより、高温の燃焼ガスが流入した際の流体通路内及び全体の不均一な温度分布による熱応力を緩和でき、マイクロガスタービン発電装置における再生用プレートフィン型熱交換器などに要求される、激し I、熱負荷の変動下における高熱交換効率と高耐久性を実現でき、かつ実施例に示すごとくユニット化でき、ろう付け工程が削減でき、量産性に優れた構成からなる。

さらに、この発明の熱交換器の構成は、低温流体通路毎に独立させるため、例えば前記構成例で圧縮空気の他、水を導入すると水蒸気が得られるなど、多流体型熱交換器とすることが可能である。また、前記構成例では、低温流体通路毎に独立しており、容器の側面に片持ち支持させているため、低温流体通路のいずれかに問題が生じた場合に、容易に閉塞するか、あるいは交換が可能であり、メンテナンスの上でも有利である。

特に、実施例 2、 3の構成は、低温流体通路を主体とする組立用ユニットが矩形板を基本形状として何らの成形加工も無く、これを積層配置するのみで組立が容易であり、また必要なわずかな箇所をろう付けや溶接で接合するだけで組立られる利点がある。

マイクロガスタービン発電装置におけるタ一ビンを配置した外周側にリング状に熱交換器を配置し、これをタービンの排ガスを Uターンさせて熱交換する再生器として利用する構成において、コアユニットを放射状に複数ュニットを配置し、さらに低温流体の導入出ヘッダ一タンクを外周側の円筒ダクト又はタービン側の内筒側に各々片持ち配置することにより、ガスタービンのオンォフなどの激しい熱負荷の変動下における高熱交換効率と高耐久性を実現でき、かつ極めて熱回収効率のよいシステムを構築できる。

Claims

請求の範囲

1. 低温流体用通路毎に独立して低温流体用通路と高温流体用通路とが積層配置されてコアを形成した高温用プレートフィン型熱交換器。

2. 低温流体用通路を形成する一対のチューブプレートの少なくとも一方に高温流体用通路を形成するフィンが固着された請求項 1に記載の高温用プレートフィン型熱交換器。

3. 高温流体用ダクト自体を熱交換器の容器とし、少なくとも一方のチューブプレートにフィンを固着した低温流体用通路をエレメントとして、容器内に単数又は複数のェレメントを配置しコアを形成した請求項 2に記載の高温用プレートフイン型熱交換器。

4. 低温流体用通路内のディストリビュータが無方向性である請求項 1~ 請求項 3のいずれかに記載の高温用プレートフィン型熱交換器。

5. 低温流体用通路のディストリビュータ部のチューブプレートに設けたディンプル同士が通路内で当接接合された請求項 4に記載の高温用プレートフイン型熱交換器。

6. 高温流体用通路入口に望む低温流体用通路前面に遮蔽カバーを付設した請求項 1〜請求項 5のいずれかに記載の高温用プレートフィン型熱交換器。

7. 低温流体用通路を形成する一対のチューブプレートの少なくとも一方に高温流体用通路を形成するフィンとスぺ一サーバーが固着されたコア組立用エレメントを用いて、低温流体用通路毎に独立して低温流体用通路と高温流体用通路とが積層配置されコアを形成した構成からなる高温用プレートフィン型熱交換器。

8. 筒状の高温流体用ダクト自体を熱交換器の容器とし、該ダク卜の側面に低温流体用導入出口を設けて向流型のコアを形成した請求項 7に記載の高温用プレートフィン型熱交換器。

9. 低温流体用通路内のディストリビュータ部を除く主要フィン部に対向する位置にのみ高温流体用通路のフィンを配置し、かつ少なくともフィンを配置しない箇所にスぺ一サーバーを配置する請求項 8に記載の高温用プレートフィン型熱交換器。

10. 複数の組立用エレメントをスぺーサーバ一部でろう付け又は溶接にて積層固着したュニットを複数、分割可能に組み込みコアを形成した請求項 8又は請求項 9に記載の高温用プレートフィン型熱交換器。

11. 筒状の高温流体用ダクト自体を熱交換器の容器とし、低温流体用通路を形成する一対のチューブプレートの少なくとも一方に高温流体用通路を形成するフィン、あるいはさらにスぺ一サーバ一が固着されたコア組立用エレメントを用いて、低温流体用通路毎に独立して低温流体用通路と高温流体用通路とが積層配置されてコアを形成した高温用プレートフィン型熱交換器において、該ダクト内の当該熱交換器の下流側に、さらに高温流体と熱交換を行う 1機以上の別の熱交換器を配置した高温用プレートフィン型熱交換器。

12. 下流側の熱交換器が、 2機以上でシリーズ又はパラレル配置、さらにはシリーズでかつパラレル配置された請求項 11に記載の高温用プレートフィン型熱交換器。

13. 下流側の熱交換器が、上流側と同様の低温流体用通路毎に独立して低温流体用通路と高温流体用通路とが積層配置されてコアを形成したプレートフィン型構成である請求項 11に記載の高温用プレートフィン型熱交

14. 上流側又は下流側、あるいは全ての熱交換器が、該ダクトの側面に低温流体用導入出口を設けて向流型を形成している請求項 11に記載の高温用プレートフィン型熱交換器。

15. 低温流体用通路内のディストリビュータ部を除く主要フィン部に対向する位置にのみ高温流体用通路のフィンを配置し、かつ少なくともフィンを配置しない箇所にスぺ一サーバーを配置する請求項 13に記載の高温用プレートフィン型熱交換器。

16. 複数の組立用エレメントをスぺ一サーバ一部でろう付け又は溶接にて積層固着したユニットを複数、分割可能に組み込みコアを形成した請求項 13又は請求項 15に記載の高温用プレートフィン型熱交換器。

17. 低温流体用通路を形成する一対のチューブプレートの少なくとも一方に高温流体用通路を形成するフィン、あるいはさらにスぺ一サーバ一が固着されたコァ組立用エレメントを用レ、て低温流体用通路毎に独立して低温流体用通路と高温流体用通路とが積層配置されて形成されたコアュニットを、高温流体用通路となる円筒体内に放射状に複数配置するに際し、該円筒体側に低温流体の導入出ヘッダータンクを配置して該円筒体に各コアュニットを片持ち支持させた高温用プレートフィン型熱交換器。

18. 低温流体用通路を形成する一対のチューブプレートの少なくとも一方に高温流体用通路を形成するフィン、あるいはさらにスぺ一サーバーが固着されたコァ組立用エレメントを用レ、て低温流体用通路毎に独立して低温流体用通路と高温流体用通路とが積層配置されて形成されたコアュニットを、高温流体用通路となる円筒体内に内筒を配置して、該ダクト円筒体と内筒との間に放射状に複数配置するに際し、該円筒体側に低温流体の導入出ヘッダ一タンクを配置して該円筒体に各コアュニットを片持ち支持させた高温用プレートフイン型熱交換器。

19. 低温流体用通路を形成する一対のチューブプレートの少なくとも一方に高温流体用通路を形成するフィン、あるいはさらにスぺ一サーバーが固着されたコア組立用エレメントを用いて低温流体用通路毎に独立して低温流体用通路と高温流体用通路と力貴層配置されて形成されたコアュニッ卜を、高温流体用通路となる円筒体内に内筒を配置して、該円筒体と内筒との間に放射状に複数配置するに際し、該内筒側に低温流体の導入出へッダータンクを配置して該内筒に各コアユニットを片持ち支持させた高温用プレートフィン型熱交換器。

20. 複数の組立用エレメントをスベーサーバ一部でろう付け又は溶接にて積層固着したユニットを複数、分割可能に組み込みコアを形成した請求項 17、請求項 18または請求項 19に記載の高温用プレートフィン型熱交換器。