特許 7561714 熱交換器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-26

(45)【発行日】2024-10-04

(54)【発明の名称】熱交換器

(51)【国際特許分類】

   F28D 7/10 20060101AFI20240927BHJP

   F22B 1/18 20060101ALI20240927BHJP

   F28F 9/013 20060101ALI20240927BHJP

   F28F 9/02 20060101ALI20240927BHJP

【ＦＩ】

F28D7/10 Z

F22B1/18 K

F28F9/013 Z

F28F9/02 D

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2021144112

(22)【出願日】2021-09-03

(65)【公開番号】P2023037395

(43)【公開日】2023-03-15

【審査請求日】2023-11-20

(73)【特許権者】

【識別番号】000006208

【氏名又は名称】三菱重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】谷島 寛斗

(72)【発明者】

【氏名】廣 孝文

(72)【発明者】

【氏名】松原 真仁

(72)【発明者】

【氏名】木崎 裕介

(72)【発明者】

【氏名】日下部 隆也

(72)【発明者】

【氏名】児玉 敦司

【審査官】礒部 賢

(56)【参考文献】

【文献】特開平０７－１１９９０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国実用新案第２０９８５７６９６（ＣＮ，Ｕ）

【文献】登録実用新案第３０６１７３３（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開平０６－０２６７８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭６０－００２１９０（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開昭６１－０５９１８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００５－５２４０４４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２８Ｄ １／００ － １３／００

Ｆ２８Ｆ ９／００ － ９／２６

Ｆ２２Ｂ １／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第一流体が軸方向に流入され排出される胴部と、
前記胴部の内部に配置されて前記第一流体と熱交換される第二流体が供給されるコイル部を有する伝熱管と、
前記伝熱管の一端に接続されて前記胴部に固定される入口管台と、
前記伝熱管の他端側に接続されて前記胴部に固定される出口管台と、
を備え、
前記入口管台および前記出口管台は、前記伝熱管の前記コイル部に対して前記軸方向のいずれか一方に配置され、
複数本設けられた前記伝熱管の各前記コイル部の内側に設けられる集合管を備え、
前記集合管に対し、全ての前記伝熱管の前記他端が接続され、かつ前記出口管台が接続される、熱交換器。

【請求項2】

前記集合管は、前記胴部の内部において、前記軸方向に沿って移動可能に支持される、請求項１に記載の熱交換器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、熱交換器に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、特許文献１には、軸芯が水平面に沿って配置される円筒状に形成され軸心の一端側から流体が流入し、他端側から流体が流出する筒体と、筒体の内部に設けられた伝熱管と、伝熱管の一端に接続されて筒体に固定された入口管台と、伝熱管の他端に接続されて筒体に固定された出口管台と、を備える熱交換器が示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１８－４４７２０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

熱交換器において、伝熱管は、入口管台から流体が供給され出口管台へ流体を排出する。伝熱管は、自身を通過する流体と、筒体の内部に流入される流体との間で熱交換を行うが、その際に熱伸びが生じる。伝熱管に熱伸びが生じると、伝熱管を間に配置した入口管台および出口管台などの伝熱管接合部が応力を受けるおそれがある。

【0005】

本開示は、上述した課題を解決するものであり、伝熱管接合部への応力を低減することのできる熱交換器を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上述の目的を達成するために、本開示の一態様に係る熱交換器は、第一流体が軸方向に流入され排出される胴部と、前記胴部の内部に配置されて前記第一流体と熱交換される第二流体が供給されるコイル部を有する伝熱管と、前記伝熱管の一端に接続されて前記胴部に固定される入口管台と、前記伝熱管の他端側に接続されて前記胴部に固定される出口管台と、を備え、前記入口管台および前記出口管台は、前記伝熱管の前記コイル部に対して前記軸方向のいずれか一方に配置される。

【発明の効果】

【0007】

本開示は、伝熱管接合部への応力を低減できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、実施形態の熱交換器の側断面図である。

【図2】図２は、実施形態の熱交換器の別方向の側断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下に、本開示に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの開示が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

【0010】

図１は、実施形態の熱交換器の側断面図である。図２は、実施形態の熱交換器の別方向の側断面図である。

【0011】

実施形態の熱交換器１は、図１および図２に示すように、一次系統２と二次系統３とを備える。

【0012】

一次系統２は、胴部２Ａと、管台２Ｂと、を有する。胴部２Ａは、外殻２Ａａと内殻２Ａｂとで隙間を空けた２重の円筒状に形成される。外殻２Ａａおよび内殻２Ａｂは、中心軸Ｓを揃えて略同心上に配置される。外殻２Ａａおよび内殻２Ａｂは、中心軸Ｓが延びる方向である軸方向に沿って円筒が延びて設けられる。外殻２Ａａおよび内殻２Ａｂは、それぞれ筒状の軸方向の両端が鏡部２Ａａａ，２Ａｂａによって窄まって形成される。鏡部２Ａａａ，２Ａｂａも相互に隙間を空けて設けられ、２重に形成される。

【0013】

管台２Ｂは、胴部２Ａにおいて筒状の軸方向の両端の各鏡部２Ａａａ，２Ａｂａの窄まった部分に接続される。管台２Ｂは、胴部２Ａの外殻２Ａａの各鏡部２Ａａａにそれぞれ接続された外殻管台２Ｂａを有する。また、管台２Ｂは、胴部２Ａの内殻２Ａｂの各鏡部２Ａｂａにそれぞれ接続された内殻管台２Ｂｂを有する。各内殻管台２Ｂｂは、中心軸Ｓ上に配置される。外殻管台２Ｂａと内殻管台２Ｂｂとは、相互に隙間を空けて設けられ、２重に形成される。この２重の管台２Ｂは、２重管（図示せず）に接続される。

【0014】

この一次系統２は、胴部２Ａの内殻２Ａｂ、鏡部２Ａｂａ、および各管台２Ｂの内殻管台２Ｂｂの内側に、一次冷却材（第一流体）ａが通過する一次冷却材通路２Ｃが形成される。実施形態の熱交換器１では、図中の左側の内殻管台２Ｂｂから一次冷却材通路２Ｃに流入した一次冷却材ａが、一次冷却材通路２Ｃを軸方向に抜けて図中の右側の内殻管台２Ｂｂから排出される。また、一次系統２は、胴部２Ａの外殻２Ａａ、鏡部２Ａａａ、および各管台２Ｂの外殻管台２Ｂａと、胴部２Ａの内殻２Ａｂ、鏡部２Ａｂａ、および各管台２Ｂの内殻管台２Ｂｂとの間の隙間に、補助冷却材ｃが通過する補助冷却材通路２Ｄが形成される。実施形態の熱交換器１では、図中の右側の外殻管台２Ｂａと内殻管台２Ｂｂとの間の隙間から補助冷却材通路２Ｄに流入した補助冷却材ｃが、外殻２Ａａと内殻２Ａｂとの間の隙間を通過し、図中の左側の外殻管台２Ｂａと内殻管台２Ｂｂとの間の隙間から排出される。なお、補助冷却材ｃは、一次冷却材ａであって、一次冷却材ａが熱利用設備（図示せず）へ流れた後、低温となったものである。

【0015】

二次系統３は、伝熱管３Ａと、入口管台３Ｂと、出口管台３Ｃと、集合管３Ｄと、を有する。伝熱管３Ａは、上述した一次系統２の一次冷却材通路２Ｃに配置される。即ち、伝熱管３Ａは、胴部２Ａ（内殻２Ａｂ）の内部に配置される。伝熱管３Ａは、中心軸Ｓの周りに軸方向に沿って巻かれたコイル部３Ａａと、コイル部３Ａａの軸方向の一端に繋がる第一接続部３Ａｂと、コイル部３Ａａの軸方向の他端に繋がる第二接続部３Ａｃと、を有する。即ち、第一接続部３Ａｂは、伝熱管３Ａの一端を構成し、第二接続部３Ａｃは、伝熱管３Ａの他端を構成する。伝熱管３Ａは、一連のコイル部３Ａａ、第一接続部３Ａｂ、および第二接続部３Ａｃが複数本有して構成される。なお、実施形態の熱交換器１では、複数本の伝熱管３Ａのコイル部３Ａａがヘリカルコイル型に形成され、当該ヘリカルコイルを中心軸Ｓと略平行に積み重ねて配置し、各伝熱管３Ａのコイルの隙間に熱輻射板（図示せず）を設置することで、伝熱性能の向上し、これによる熱交換器１全体の小型化を図っている。

【0016】

入口管台３Ｂは、上述した一次系統２の胴部２Ａに固定される。入口管台３Ｂは、胴部２Ａの外部から外殻２Ａａおよび内殻２Ａｂを貫通し、一次系統２の一次冷却材通路２Ｃの内部に抜けて設けられる。入口管台３Ｂは、一次冷却材通路２Ｃに抜けた部分が管板３Ｂａで塞がれる。管板３Ｂａは、伝熱管３Ａの一端を構成する第一接続部３Ａｂが複数本貫通して設けられる。従って、入口管台３Ｂは、伝熱管３Ａに連通し、一次冷却材通路２Ｃには不通に構成される。入口管台３Ｂは、伝熱管３Ａのコイル部３Ａａよりも軸方向の一方に配置される。実施形態の熱交換器１では、コイル部３Ａａが胴部２Ａの軸方向の中央に配置され、入口管台３Ｂは、胴部２Ａの軸方向の一方である右側にずれて配置される。また、入口管台３Ｂは、中心軸Ｓの周りの複数個所に配置される。実施形態の熱交換器１では、入口管台３Ｂは、中心軸Ｓを中心として９０°間隔で４個所に配置される。従って、複数本の伝熱管３Ａは、複数本が４個所に分かれて各入口管台３Ｂの管板３Ｂａに設けられる。このように、実施形態の熱交換器１は、入口管台３Ｂを複数配置することで、複数本の伝熱管３Ａを接続するにあたり、入口管台３Ｂの内径であって管板３Ｂａを小さく構成できる。

【0017】

出口管台３Ｃは、上述した一次系統２の胴部２Ａに固定される。出口管台３Ｃは、胴部２Ａの外部から外殻２Ａａおよび内殻２Ａｂを貫通し、一次系統２の一次冷却材通路２Ｃの内部に抜けて設けられる。出口管台３Ｃは、一次冷却材通路２Ｃの内部において接続管３Ｃａが接続される。この接続管３Ｃａは、集合管３Ｄに接続される。出口管台３Ｃは、伝熱管３Ａのコイル部３Ａａよりも軸方向の一方に配置される。実施形態の熱交換器１では、コイル部３Ａａが胴部２Ａの軸方向の中央に配置され、出口管台３Ｃは、胴部２Ａの軸方向の一方である右側にずれて配置される。なお、実施形態の熱交換器１では、入口管台３Ｂおよび出口管台３Ｃは、軸方向の同位置において、中心軸Ｓに直交して径方向に延びる枝軸Ｂを中心として配置される。入口管台３Ｂおよび出口管台３Ｃは、枝軸Ｂを中心として配置されなくてもよい。また、出口管台３Ｃは、中心軸Ｓの周りの複数個所に配置される。実施形態の熱交換器１では、出口管台３Ｃは、中心軸Ｓを中心として１８０°間隔で２個所に配置され、入口管台３Ｂとは重ならない位置に配置される。

【0018】

集合管３Ｄは、上述した一次系統２の一次冷却材通路２Ｃに配置される。即ち、集合管３Ｄは、胴部２Ａ（内殻２Ａｂ）の内部に配置される。集合管３Ｄは、中心軸Ｓに沿って軸方向に延びて設けられる。集合管３Ｄは、伝熱管３Ａのコイル部３Ａａの巻きの中央を軸方向に貫通して設けられる。従って、集合管３Ｄは、伝熱管３Ａを周囲に配置するように設けられる。集合管３Ｄは、軸方向に延びた両端が閉塞し、その内部が一次冷却材通路２Ｃとは隔離して構成される。具体的に、集合管３Ｄは、中心軸Ｓに沿って軸方向に延びる円筒状の筒部３Ｄａを有し、当該筒部３Ｄａの軸方向の一端が蓋部３Ｄｂで閉塞され、筒部３Ｄａの軸方向の他端がマニホールド管板３Ｄｃで閉塞される。蓋部３Ｄｂは、筒部３Ｄａの端部を塞ぐ円盤状に形成される。マニホールド管板３Ｄｃは、筒状の先端が半球状に形成されて塞がれた砲弾形状に形成され、その基端が筒部３Ｄａの端部に接続される。また、筒部３Ｄａは、他端部に貫通孔３Ｄｄが形成される。貫通孔３Ｄｄは、実施形態の熱交換器１では、中心軸Ｓを中心として１８０°間隔で２個所に配置される。この集合管３Ｄは、マニホールド管板３Ｄｃに対し、伝熱管３Ａの他端を構成する第二接続部３Ａｃの全てが貫通して接続される。また、集合管３Ｄは、筒部３Ｄａの貫通孔３Ｄｄに対し、出口管台３Ｃの接続管３Ｃａが接続される。

【0019】

集合管３Ｄは、図１に示すように、胴部２Ａ（内殻２Ａｂ）に対し、支持部４によって支持される。支持部４は、一次系統２の一次冷却材通路２Ｃの内部において、集合管３Ｄと胴部２Ａ（内殻２Ａｂ）とを繋いで、胴部２Ａに対して集合管３Ｄを支持する。支持部４は、集合管３Ｄに対して摺動部４Ａを介して接続され、集合管３Ｄと相対的に軸方向に沿って移動可能に構成される。従って、集合管３Ｄは、胴部２Ａの内部において、軸方向に沿って移動可能に支持される。

【0020】

この二次系統３は、入口管台３Ｂ、伝熱管３Ａ、集合管３Ｄ、および出口管台３Ｃを通じて二次冷却材（第二流体）ｂが通過する二次冷却材通路３Ｅが形成される。実施形態の熱交換器１では、入口管台３Ｂから二次冷却材通路３Ｅに流入した二次冷却材ｂが、伝熱管３Ａを経て図中の右から左に通過し、さらに集合管３Ｄで軸方向にて折り返して図中の左から右に通過し、出口管台３Ｃから排出される。

【0021】

実施形態の熱交換器１は、中心軸Ｓが水平面に沿って配置される。また、実施形態の熱交換器１は、中心軸Ｓが鉛直面に沿って配置されてもよい。

【0022】

このように構成される熱交換器１は、一次系統２において、図中の左側の内殻管台２Ｂｂに高温ガス炉（図示せず）が接続される。従って、熱交換器１は、一次冷却材通路２Ｃに高温ガス炉からの高温（例えば、９００℃以上）の一次冷却材ａが流入され、当該一次冷却材ａが二次系統３の伝熱管３Ａに供給された二次冷却材ｂと熱交換した後、図中の右側の内殻管台２Ｂｂから排出される。また、熱交換器１は、図中の右側の内殻管台２Ｂｂが熱利用設備（図示せず）に接続される。従って、熱交換器１から排出された一次冷却材ａの熱が熱利用設備に利用される。熱利用設備に供給された一次冷却材ａは、その後に高温ガス炉に戻される。なお、熱利用設備に供給され冷却された一次冷却材ａの一部は、冷却された後に補助冷却材ｃとして補助冷却材通路２Ｄに通過され、高温ガス炉に戻される。実施形態の熱交換器１は、補助冷却材通路２Ｄを設けることで、胴部２Ａの昇温を抑えることができ、一次冷却材通路２Ｃを通過する一次冷却材ａの高温に対して補助冷却材通路２Ｄを設けない場合に設計される胴部の板厚よりも、外殻２Ａａおよび内殻２Ａｂの板厚を薄く設計でき、合理的な設計が可能になる。また、熱交換器１は、二次系統３において、出口管台３Ｃに別の熱利用設備が接続される。従って、熱交換器１は、二次冷却材通路３Ｅにおいて入口管台３Ｂを介して伝熱管３Ａに供給された二次冷却材ｂが一次冷却材通路２Ｃを通過する一次冷却材ａと熱交換して加熱され、出口管台３Ｃから排出された二次冷却材ｂの熱が別の熱利用設備に利用される。別の熱利用設備に供給された二次冷却材ｂは、その後に入口管台３Ｂに戻される。ここで、一次冷却材ａ（補助冷却材ｃ）や二次冷却材ｂは、流体であるヘリウムガスが用いられる。また、一次冷却材ａ（補助冷却材ｃ）や二次冷却材ｂは、流体である水が用いられてもよい。なお、実施形態の熱交換器１は、高温ガス炉からの一次冷却材ａが流入され、この場合一次冷却材ａはヘリウムガスなどの気体が用いられる。

【0023】

このように、実施形態の熱交換器１は、一次冷却材ａが軸方向に流入され排出される胴部２Ａと、胴部２Ａの内部に配置されて一次冷却材ａと熱交換される二次冷却材ｂが供給されるコイル部３Ａａを有する伝熱管３Ａと、伝熱管３Ａの一端に接続されて胴部２Ａに固定される入口管台３Ｂと、伝熱管３Ａの他端側に接続されて胴部２Ａに固定される出口管台３Ｃと、を備え、入口管台３Ｂおよび出口管台３Ｃは、伝熱管３Ａのコイル部３Ａａに対して軸方向のいずれか一方に配置される。

【0024】

この熱交換器１によれば、胴部２Ａに固定される入口管台３Ｂおよび出口管台３Ｃが、伝熱管３Ａのコイル部３Ａａに対して軸方向の一方に配置されるため、コイル部３Ａａの熱伸びを軸方向の他方に作用させる。従って、この熱交換器１は、伝熱管３Ａの接合部である入口管台３Ｂおよび出口管台３Ｃへの応力を低減できる。

【0025】

また、実施形態の熱交換器１では、複数本設けられた伝熱管３Ａの各コイル部３Ａａの内側に設けられる集合管３Ｄを備え、集合管３Ｄに対し、全ての伝熱管３Ａの他端が接続され、かつ出口管台３Ｃが接続される。

【0026】

この熱交換器１によれば、伝熱管３Ａの他端と出口管台３Ｃとの間に集合管３Ｄが介在され、この集合管３Ｄに全ての伝熱管３Ａの他端が接続されるため、集合管３Ｄによる経路において伝熱管３Ａの熱伸びによる応力の影響を低減できる。

【0027】

また、実施形態の熱交換器１では、集合管３Ｄは、胴部２Ａの内部において、軸方向に沿って移動可能に支持される。

【0028】

この熱交換器１によれば、伝熱管３Ａや集合管３Ｄ自身の軸方向への熱伸びに対し集合管３Ｄの移動を許容したことで、伝熱管３Ａの熱伸びによる伝熱管３Ａや集合管３Ｄ自身の応力の影響を低減できる。

【符号の説明】

【0029】

１ 熱交換器
２Ａ 胴部
３Ａ 伝熱管
３Ａａ コイル部
３Ｂ 入口管台
３Ｃ 出口管台
３Ｄ 集合管
ａ 一次冷却材（第一流体）
ｂ 二次冷却材（第二流体）

【図1】

【図2】