DE69720490T2

DE69720490T2 - Wärmetauscher

Info

Publication number: DE69720490T2
Application number: DE69720490T
Authority: DE
Inventors: Tsuneo Endou; Tadashi Tsunoda; Tokiyuki Wakayama; Hideyuki Yanai
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1996-10-17
Filing date: 1997-10-17
Publication date: 2003-10-30
Anticipated expiration: 2017-10-18
Also published as: KR100328277B1; US6192975B1; CA2269058A1; EP0933608A1; BR9712547A; CN1234110A; DE69720490D1; CN1115541C; EP0933608B1; KR20000049247A; EP0933608A4; CA2269058C; WO1998016789A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, der sich axial erstreckende Hochtemperaturfluidpassagen und Niedertemperaturfluidpassagen enthält, die abwechselnd durch zick-zack-artiges Falten einer Mehrzahl erster Wärmeübertragungsplatten und einer Mehrzahl zweiter Übertragungsplatten definiert sind.

TECHNISCHER HINTERGRUND

Ein solcher Wärmetauscher ist bereits aus der japanischen Patentanmeldungs- Offenlegung Nr. 61-153500 bekannt, der eine große Anzahl von Vorsprüngen enthält, die an den Wärmeübertragungsplatten gebildet sind, welche die Hochtemperaturfluidpassagen und die Niedertemperaturfluidpassagen definieren, und die an den Endspitzen der Vorsprünge miteinander verbunden sind.
In einem Wärmetauscher, der erste und zweite radial angeordnete Wärmeübertragungsplatten enthält, um die Hochtemperaturfluidpassagen und die Niedertemperaturfluidpassagen abwechselnd in der Umfangsrichtung zu definieren, ist die Querschnittsfläche eines Strömungswegs in jeder der Hochtemperaturfluidpassagen und der Niedertemperaturfluidpassagen an deren radialen Innenseite schmaler und an deren radialen Außenseite weiter, und die Höhe der an der Wärmeübertragungsplatte ausgebildeten Vorsprünge ist an der radialen Innenseite geringer und an der radialen Außenseite höher. Im Ergebnis besteht die Möglichkeit, dass der Wärmeübertragungskoeffizient der Wärmeübertragungsplatte und die Massenflussrate des Fluids radial ungleichmäßig werden könnte, wodurch die gesamte Wärmeaustauscheffizienz reduziert und eine ungewünschte thermische Belastung erzeugt wird.
Es gibt auch einen herkömmlich bekannten Wärmeaustauscher, der in der japanischen Patentanmeldungs-Offenlegung Nr. 58-223401 beschrieben ist, der eine Mehrzahl von Wärmeübertragungsplatten enthält, die mit einem vorbestimmten Abstand angeordnet sind, sowie Hochtemperaturfluidpassagen und Niedertemperaturfluidpassagen, die zwischen benachbarten Wärmeübertragungsplatten definiert sind, indem die Endspitzen bankförmiger Vorsprungsstreifen, die an den Wärmeübertragungsplatten ausgebildet sind, miteinander verbunden sind.
Wenn die Endspitzen der Vorsprungsstreifen, die an Endrändern der benachbarten Wärmeübertragungsplatten ausgebildet sind, durch Hartlöten miteinander verbunden werden, können durch den thermischen Einfluss der. Hartlötung die Endränder der Wärmeübertragungsplatten in einer Richtung gekrümmt werden, die von einer Vorsprungsrichtung der Vorsprungsstreifen entgegengesetzt ist, wodurch in einigen Fällen die Querschnittsfläche eines Strömungswegs jeweils im Einlass und Auslass der Fluidpassage, die zwischen benachbarten Wärmeübertragungsplatten definiert ist, reduziert werden könnte. Wenn ferner die Vorsprungsstreifen an Faltlinien zum zick- zack-artigen Falten der ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten angeordnet sind, wird die Steifigkeit jener Abschnitte der ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten, die den Vorsprungsstreifen entsprechen, erhöht, wodurch es schwierig ist, den Faltvorgang auszuführen. Darüber hinaus könnte die Form eines gefalteten Bereichs an jeder der Faltlinien an diesen Abschnitten zerstört werden, um einen Spalt zwischen den Vorsprungsstreifen zu erzeugen, wodurch in einigen Fällen das Fluid aus einem solchen Spalt lecken könnte, was zu einer Minderung der Wärmeübertragungseffizienz führt.
Die EP-A-0 866 299, die unter Artikel 54(3) EPÜ fällt, offenbart einen Wärmetauscher, der sich axial erstreckende Hochtemperatur- und Niedertemperaturfluidpassagen umfasst, die abwechselnd in Umfangsrichtung in einem ringförmigen Raum definiert sind, der zwischen einer radialen Außenumfangswand und einer radialen Innenumfangswand definiert ist, wobei der Wärmetauscher aus einem Faltplattenrohling gebildet ist, der eine Mehrzahl erster Wärmeübertragungsplatten und eine Mehrzahl zweiter Wärmeübertragungsplatten aufweist, die durch erste und zweite Faltlinien abwechselnd miteinander verbunden sind, wobei der Faltplattenrohling zick-zack-artig entlang den Faltlinien gefaltet ist, sodass die ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten radial zwischen der radialen Außenumfangswand und der radialen Innenumfangswand angeordnet sind, wodurch die Hoch- und Niedertemperaturfluidpassagen abwechselnd in Umfangsrichtung zwischen benachbarten der ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten definiert sind, und ein Hochtemperaturfluidpassageneinlass und ein Niedertemperaturfluidpassagenauslass definiert sind, um sich in axial entgegengesetzte Enden der Hochtemperaturfluidpassage zu öffnen, während ein Niedertemperaturfluidpassageneinlass und ein Niedertemperaturfluidpassagenauslass definiert sind, um sich an axial entgegengesetzten Enden der Niedertemperaturfluidpassage zu öffnen, wobei jede der ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten eine große Anzahl kegelstumpfförmiger Vorsprünge aufweist, die an entgegengesetzten Oberflächen der Platte ausgebildet und an Endspitzen der Vorsprünge miteinander verbunden sind. Der Abstand zwischen den konischen Vorsprüngen ist konstant.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung ist im Hinblick auf die obigen Umstände durchgeführt worden, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Temperaturverteilung der Wärmeübertragungsplatten eines ringförmigen Wärmetauschers in radialer Richtung zu vergleichmäßigen und eine Minderung in der Wärmeaustauscheffizienz und die Erzeugung einer unerwünschten thermischen Belastung zu vermeiden.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Wärmetauscher mit den Merkmalen von Anspruch 1 angegeben.
Dieser Wärmetauscher hat sich axial erstreckende Hochtemperaturfluidpassagen und Niedertemperaturfluidpassagen, die in Umfangsrichtung abwechselnd in einem Ringraum definiert sind, der zwischen einer radialen Außenumfangswand und einer radialen Innenumfangswand definiert ist, wobei der Wärmetauscher aus einem Faltplattenrohling gebildet ist, der eine Mehrzahl erster Wärmeübertragungsplatten und eine Mehrzahl zweiter Wärmeübertragungsplatten aufweist, die durch erste und zweite Faltlinien abwechselnd miteinander verbunden sind, wobei der Faltplattenrohling zickzackartig entlang der Faltlinien gefaltet ist, sodass die ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten radial zwischen der radialen Außenumfangswand und der radialen Innenumfangswand angeordnet sind, wodurch die Hochtemperatur- und Niedertemperaturfluidpassagen abwechselnd in der Umfangsrichtung zwischen benachbarten der ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten definiert sind, und ein Hochtemperaturfluidpassageneinlass und ein Hochtemperaturfluidpassagenauslass definiert sind, um sich in axial entgegengesetzte Enden der Hochtemperaturfluidpassage zu öffnen, während ein Niedertemperaturfluidpassageneinlass und ein Niedertemperaturfluidpassagenauslass definiert sind, um sich in axial entgegengesetzte Enden der Niedertemperaturfluidpassage zu öffnen, wobei jede der ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten eine große Anzahl von Vorsprüngen aufweist, die an entgegengesetzten Flächen der Platte ausgebildet und an Endspitzen der Vorsprünge miteinander verbunden sind, wodurch ein Abstand der Anordnung der Vorsprünge so gesetzt ist, dass ein Einheitsbetrag der Wärmeübertragung in der radialen Richtung im Wesentlichen konstant ist.
Mit der obigen Anordnung wird in dem Wärmetauscher, der die ersten und zweite Wärmeübertragungsplatten aufweist, die radial in dem Ringraum angeordnet sind, der zwischen der radialen Außenumfangswand und der radialen Innenumfangswand definiert ist, um die Hochtemperatur- und Niedertemperaturfluidpassagen abwechselnd in der Umfangsrichtung zu definieren, und die große Anzahl von Vorsprüngen, die an jedem der entgegengesetzten Flächen jeder der ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten gebildet sind und die an ihren Endspitzen miteinander verbunden sind, ein Abstand der Anordnung der Vorsprünge so gesetzt, dass der Einheitsbetrag der Wärmeübertragung in der radialen Richtung im Wesentlichen konstant ist.
Erfindungsgemäß nimmt der Abstand der Anordnung der Vorsprünge von der radialen Innenseite zur radialen Außenseite hin allmählich zu oder ab.
Daher kann die Temperaturverteilung der Wärmeübertragungsplatte radial vergleichmäßigt werden, um eine Minderung in der Wärmeaustauscheffizienz und das Erzeugen einer ungewünschten thermischen Belastung zu vermeiden.
Wenn der Wärmeübertragungskoeffizient der ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten durch K repräsentiert wird; die Fläche der ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten durch A repräsentiert wird; die spezifische Wärme des Fluids mit C repräsentiert wird; und die Massenflussrate des in der Wärmeübertragungsfläche fließenden Fluids durch dm/dt repräsentiert wird, wird der Einheitsbetrag Ntu der Wärmeübertragung durch die folgende Gleichung definiert:
= (K · A)/[C · (dm/dt)]
Wenn die Höhe der Vorsprünge von der radialen Innenseite zur radialen Außenseite allmählich zunimmt, können die ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten radial präzise positioniert werden.
Gemäß einer Ausführung der Erfindung sind in Strömungsrichtung entgegengesetzte Enden jeder der ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten in Winkelformen geschnitten, die jeweils zwei Endränder haben, und der Hochtemperaturfluidpassageneinlass definiert ist, indem am in der Strömungsrichtung einen Ende der Hochtemperaturfluidpassage einer der zwei Endränder geschlossen und der andere Endrand geöffnet ist, indem an den ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten vorgesehene Vorsprungsstreifen miteinander hartverlötet sind, während der Hochtemperaturfluidpassagenauslass definiert ist, indem am in der Strömungsrichtung anderen Ende der Hochtemperaturfluidpassage einer der zwei Endränder geschlossen und der andere Endrand geöffnet ist, indem die an den ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten vorgesehenen Vorsprungsstreifen miteinander hartverlötet sind, und ferner, der Niedertemperaturfluidpassageneinlass definiert ist, indem am in der Strömungsrichtung anderen Ende der Niedertemperaturfluidpassage einer der zwei Endränder geöffnet und der andere Endrand geschlossen ist, indem die an den ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten vorgesehenen Vorsprungsstreifen miteinander hartverlötet sind, während der Niedertemperaturfluidpassagenauslass definiert ist, indem am in der Strömungsrichtung einen Ende der Niedertemperaturfluidpassage einer der zwei Endränder geöffnet und der andere Endrand geschlossen ist, indem die an den ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten vorgesehenen Vorsprungsstreifen miteinander hartverlötet sind, worin die Endränder der Winkelformen Verlängerungen aufweisen, die sich außerhalb der Vorsprungsstreifen erstrecken, wobei an den Verlängerungen jeweils Vorsprünge ausgebildet sind, um in einer von den Vorsprungsstreifen entgegengesetzten Richtung vorzustehen, wobei die Endspitzen der Vorsprünge gegeneinander abgestützt sind.
Wenn mit der obigen Anordnung die Endspitzen der Vorsprungsstreifen, die an den Endrändern der abwechselnd angeordneten ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten ausgebildet sind, miteinander hartverlötet werden, um eine der Hochtemperatur- und Niedertemperaturfluidpassagen zu schließen, wobei die andere geöffnet ist, wird, auch wenn die Endränder der ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten durch thermischen Einfluss des Hartlötens dazu neigen, sich in einer Richtung zu krümmen, die von der Vorsprungsrichtung der Vorsprungsstreifen entgegengesetzt ist, das Entstehen der Krümmung durch die gegenseitige Abstützung der Endspitzen der Vorsprünge verhindert, die an den Verlängerungen ausgebildet sind, die von den Endrändern nach außen vorstehen, und es wird verhindert, dass die Querschnittsfläche der Strömungswege in den Einlässen und Auslässen der Hochtemperatur- und Niedertemperaturfluidpassagen abnimmt. Ferner werden die Endspitzen der Vorsprungsstreifen zuverlässig in engen Kontakt miteinander gebracht, und daher kann die Abdichtung der Hochtemperatur- und Niedertemperaturfluidpassagen durch die Vorsprungsstreifen verbessert werden.
Wenn Vorsprünge ausgebildet sind, um entlang der Innenseite der Vorsprungsstreifen in einer Richtung vorzustehen, die von den Vorsprungsstreifen entgegengesetzt ist, wobei die Endspitzen der Vorsprünge gegeneinander abgestützt sind, kann die Durchbiegung der Vorsprungsstreifen verhindert werden, wodurch die Vorsprungsstreifen zuverlässig in Abstützung gegeneinander gebracht werden können, um die Hartlötfestigkeit zu erhöhen.
Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung ist ein Spalt zwischen benachbarten der ersten Faltlinien geschlossen, indem die ersten Faltlinien mit der radialen Außenumfangswand verbunden sind, wodurch Hochtemperatur- und Niedertemperaturfluidpassagen abwechselnd zwischen benachbarten der ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten definiert sind, worin in Strömungsrichtung einander entgegengesetzte Enden der ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten in eine Winkelform geschnitten sind, die zwei Endränder aufweist, wobei einer der zwei Endränder am in der Strömungsrichtung einen Ende der Hochtemperaturfluidpassage durch Vorsprungsstreifen geschlossen ist, die an den ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten vorgesehen sind, wobei die anderen der zwei Endränder geöffnet sind, um hierdurch den Hochtemperaturfluidpassageneinlass zu definieren, während einer der zwei Endränder am in der Strömungsrichtung anderen Ende der Hochtemperaturfluidpassage durch Vorsprungsstreifen geschlossen ist, die an den ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten vorgesehen sind, wobei der andere der zwei Endränder geöffnet ist, um hierdurch den Hochtemperaturfluidpassagenauslass zu definieren, und ferner, der andere der zwei Endränder am in der Strömungsrichtung anderen Ende der Niedertemperaturfluidpassage durch Vorsprungsstreifen geschlossen ist, die an den ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten vorgesehen sind, wobei einer der zwei Endränder geöffnet ist, um hierdurch den Niedertemperaturfluidpassageneinlass zu definieren, während der andere der zwei Endränder am in der Strömungsrichtung einen Ende der Niedertemperaturfluidpassage durch Vorsprungsstreifen geschlossen ist, die an den ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten vorgesehen sind, wobei einer der zwei Endränder geöffnet ist, um hierdurch den Niedertemperaturfluidpassagenauslass zu definieren, worin ein Spalt zwischen den Endpsitzen der Vorsprungsstreifen definiert ist, die einander gegenüberliegen und an entgegengesetzten Seiten jeder der Faltlinien ein Paar bilden, und wobei die Faltlinie innerhalb des Spalts angeordnet ist.
Wenn mit der obigen Anordnung der Faltplattenrohling gefaltet wird, stört sich der Faltbereich an der Faltlinie nicht mit den Vorsprungsstreifen, um das Falten zu erleichtern, weil die Faltlinie in dem Spalt angeordnet ist, der zwischen den Endspitzen des einander gegenüberliegenden Paars von Vorsprungsstreifen an der entgegengesetzten Seite der Faltlinie definiert ist. Ferner kann eine einfache geradlinige Faltung ausgeführt werden, und daher wird ein gutes Finish vorgesehen.
Wenn eine Umfangslänge des gefalteten Bereichs an jeder der Faltlinien gleich einer Breite des Spalts gesetzt ist, können die Vorsprungsstreifen glattgängig mit dem gefalteten Bereich verbunden werden, um die Abdichtung zwischen den ersten und zweiten Endplatten zu verbessern.
Wenn die Vorsprungsstreifen so ausgebildet sind, dass sie sich nicht mit dem gefalteten Bereich an jeder der Faltlinien stören, ist es möglich, das Durchblasen des Fluids von dem gefalteten Bereich her zuverlässig zu verhindern.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 bis 18 zeigen eine Ausführung der vorliegenden Erfindung, worin Fig. 1 ist eine Seitenansicht eines gesamten Gasturbinenmotors;
Fig. 2 ist eine Schnittansicht entlang Linie 2-2 in Fig. 1;
Fig. 3 ist eine vergrößerte Schnittansicht entlang Linie 3-3 in Fig. 2 (eine Schnittansicht von Brenngaspassagen);
Fig. 4 ist eine vergrößerte Schnittansicht entlang Linie 4-4 in Fig. 2 (eine Schnittansicht von Luftpassagen);
Fig. 5 ist eine vergrößerte Schnittansicht entlang Linie 5-5 in Fig. 3;
Fig. 6 ist eine vergrößerte Schnittansicht entlang Linie 6-6 in Fig. 3;
Fig. 7 ist eine abgewickelte Ansicht eines Faltplattenrohlings;
Fig. 8 ist eine Perspektivansicht eines wesentlichen Abschnitts eines Wärmetauschers;
Fig. 9 ist eine Musteransicht, die Strömungen von Brenngas und Luft zeigt;
Fig. 10A bis 10C sind Graphiken zur Erläuterung des Betriebs, wenn der Abstand zwischen Vorsprüngen vergleichmäßigt ist;
Fig. 11A bis 11C sind Graphiken zur Erläuterung des Betriebs, wenn der Abstand zwischen Vorsprüngen nicht vergleichmäßigt ist;
Fig. 12A und 12B sind Ansichten entsprechend einem in Fig. 6 gezeigten wesentlichen Abschnitt zur Erläuterung des Betriebs;
Fig. 13 ist eine vergrößerte Ansicht eines in Fig. 7 mit 13 bezeichneten Abschnitts;
Fig. 14 ist eine vergrößerte Ansicht eines in Fig. 7 mit 14 bezeichneten Abschnitts;
Fig. 15 ist eine Teilperspektivansicht des Wärmetauschers entsprechend Fig. 13;
Fig. 16 ist eine Teilperspektivansicht des Wärmetauschers gemäß Fig. 14;
Fig. 17 ist eine Schnittansicht entlang Linie 17-17 in Fig. 15; und
Fig. 18 ist eine Schnittansicht entlang Linie 18-18 in Fig. 16.

BESTE ART ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand einer Ausführung in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, enthält ein Gasturbinenmotor E einen Motorkörper 1, in dem ein Brenner, ein Kompressor, eine Turbine u. dgl. (die nicht gezeigt sind) untergebracht sind. Ein ringförmiger Wärmetauscher 2 ist so angeordnet, dass er einen Außenumfang des Motorkörpers 1 umgibt. Der Wärmetauscher 2 umfasst vier Module 2, die einen Mittelwinkel von 90º haben und in Umfangsrichtung mit dazwischen angeordneten Verbindungsflächen 3 angeordnet sind. Brenngaspassagen 4 und Luftpassagen 5 sind über den Umfang abwechselnd in dem Wärmetauscher 2 so angeordnet (siehe Fig. 5 und 6), dass Brenngas mit relativ hoher Temperatur, das durch die Turbine getreten ist, durch die Brenngaspassagen 4 hindurchtritt, und Luft mit relativ niedriger Temperatur, die in dem Kompressor komprimiert ist, durch die Luftpassagen 5 hindurchtritt. Ein Abschnitt in Fig. 1 entspricht den Brenngaspassagen 4, und die Luftpassagen 5 sind benachbart dieser Seite und der anderen Seite der Brenngaspassagen 4 definiert.
Die Schnittform des Wärmetauschers 2 längs einer Achse ist eine axial längere und radial kürzere flache hexagonale Form. Eine radial äußere Umfangsfläche des Wärmetauschers 2 ist von einem Durchmesser großen zylindrischen Außengehäuse 6 verschlossen, und eine radial innere Umfangsfläche des Wärmetauschers 2 ist von einem Durchmesser kleinen Zylinderinnengehäuse 7 verschlossen. Eine vordere Endseite (linke Seite in Fig. 1) in dem Schnitt des Wärmetauschers 2 ist zu einer ungleich langen Winkelform geschnitten, und eine mit einem Außenumfang des Motorkörpers 1 verbundene Endplatte 8 ist an eine Endfläche entsprechend einem Scheitel der Winkelform hart gelötet. Eine hintere Endseite (rechte Seite in Fig. 1) in dem Schnitt des Wärmetauschers 2 ist in eine ungleich lange Winkelform geschnitten, und eine mit dem hinteren äußeren Gehäuse 9 verbundene Endplatte 10 ist an eine Endfläche entsprechend einem Scheitel der Winkelform hart gelötet.
Jede der Brenngaspassagen 4 in dem Wärmetauscher 2 enthält einen Brenngaspassageneinlass 11 und einen Brenngaspassagenauslass 12 an dem linken und oberen Abschnitt bzw. dem rechten und unteren Abschnitt von Fig. 1. Ein Brenngaseinführraum (als Brenngaseinführleitung bezeichnet) 13, die entlang dem Außenumfang des Motorkörpers 1 definiert ist, ist an seinem stromabwärtigen Ende mit dem Brenngaspassageneinlass 11 verbunden. Ein Brenngasausführraum (als Brenngasausführleitung bezeichnet) 14, der sich in dem Motorkörper 1 erstreckt, ist an seinem stromaufwärtigen Ende mit dem Brenngaspassagenauslass 12 verbunden.
Jede der Luftpassagen 5 in dem Wärmetauscher 2 enthält einen Luftpassageneinlass 15, und einen Luftpassagenauslass 16 an dem rechten und oberen Abschnitt bzw. dem linken und unteren Abschnitt von Fig. 1. Ein Lufteinführraum (als Lufteinführleitung bezeichnet) 17, die entlang einem Innenumfang des hinteren Außengehäuses 9 definiert ist, ist an seinem stromabwärtigen Ende mit dem Luftpassageneinlass 15 verbunden. Ein Luftausführraum (als Luftausführleitung bezeichnet) 18, der sich in den Motorkörper 1 erstreckt, ist an seinem stromaufwärtigen Ende mit dem Luftpassagenauslass 16 verbunden.
Auf diese Weise fließen das Brenngas und die Luft in entgegengesetzte Richtungen voneinander und quer zueinander, wie in den Fig. 3, 4 und 9 gezeigt, wodurch ein Gegenstrom und ein sogenannter Querstrom mit hoher Wärmeaustauscheffizienz realisiert werden. Indem man somit erlaubt, dass Hochtemperaturfluid und Niedertemperaturfluid in voneinander entgegengesetzte Richtungen fließen, kann eine große Temperaturdifferenz zwischen dem Hochtemperaturfluid und dem Niedertemperaturfluid über die Gesamtlänge der Fließwege eingehalten werden, um hierdurch die Wärmeaustauscheffizienz zu verbessern.
Die Temperatur des Brenngases, das die Turbine angetrieben hat, beträgt etwa 600 bis 700ºC in den Brenngaspassageneinlässen 11. Das Brenngas wird auf etwa 300 bis 400ºC in den Brenngaspassagenauslässen 12 heruntergekühlt, indem ein Wärmeaustausch zwischen dem Brenngas und der Luft durchgeführt wird, wenn das Brenngas durch die Brenngaspassagen 4 hindurchtritt. Andererseits beträgt die Temperatur der durch den Kompressor komprimierten Luft etwa 200 bis 300ºC in den Luftpassageneinlässen 15. Die Luft wird auf etwa 500 bis 600ºC in den Luftpassagenauslässen 16 aufgeheizt, indem ein Wärmeaustausch zwischen der Luft und dem Brenngas durchgeführt wird, der stattfindet, wenn die Luft durch die Luftpassagen 5 hindurchtritt.
Nachfolgend wird die Struktur des Wärmetauschers 2 in Bezug auf die Fig. 3 bis 8 beschrieben.
Wie in den Fig. 3, 4 und 7 gezeigt, ist jedes der Module 2~ des Wärmetauschers 2 aus einem Faltplattenrohling 21 hergestellt, der produziert wird, indem zuvor eine dünne Metallplatte wie etwa rostfreier Stahl in eine vorbestimmte Form geschnitten wird und dann eine Unregelmäßigkeit auf einer Oberfläche der geschnittenen Platte durch Pressung geformt wird. Der Faltplattenrohling 21 ist aus ersten Wärmeübertragungsplatten S1 und zweiten Wärmeübertragungsplatten S2 aufgebaut, die abwechselnd angeordnet sind, und ist zick-zack-artig längs Scheitelfaltlinien L&sub1; und Talfaltlinien L&sub2; gefaltet. Der Begriff "Scheitelfaltung" bedeutet konvexes Falten zu dieser Seite hin oder einer von der Zeichenblattfläche näheren Seite hin, und der Begriff "Talfaltung" bedeutet konvexes Falten zur anderen Seite oder einer von der Zeichenblattfläche entfernten Seite hin. Jede der Scheitelfaltlinien L&sub1; und der Talfaltlinien L&sub2; ist keine einfache gerade Linie, sondern umfasst tatsächlich eine bogenförmige Faltlinie oder zwei parallele und benachbarte Faltlinien zu dem Zweck, einen vorbestimmten Raum zwischen jeder der ersten Wärmeübertragungsplatten S1 und jeder der zweiten Wärmeübertragungsplatten S2 zu bilden.
Eine große Anzahl erster Vorsprünge 22 und eine große Anzahl zweiter Vorsprünge 23, die mit ungleichmäßigen Abständen angeordnet sind, sind an jeder der ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten S1 und S2 durch Pressung geformt. Die ersten Vorsprünge 22, die in Fig. 7 mit der Markierung X bezeichnet sind, stehen zu dieser Seite an der Zeichenblattfläche von Fig. 7 vor, und die zweiten Vorsprünge 23, die mit der Markierung O in Fig. 7 bezeichnet sind, stehen zur anderen Seite der Zeichenblattfläche von Fig. 7 vor. Die ersten und zweiten Vorsprünge 22 und 23 sind abwechselnd angeordnet (d. h. derart, dass die ersten Vorsprünge 22 nicht aneinander anschließen und die zweiten Vorsprünge 23 nicht aneinander anschließen).
Erste Vorsprungsstreifen 24F und zweite Vorsprungsstreifen 25F sind durch Pressung an jenen Vorder- und Hinterenden der ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten S1 und S2 geformt, die in die Winkelform geschnitten sind. Die ersten Vorsprungsstreifen 24F stehen zu dieser Seite an der Zeichenblattfläche von Fig. 7 vor, und die zweiten Vorsprungsstreifen 25F stehen zur anderen Seite der Zeichenblattfläche von Fig. 7 vor. In einer der ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten S1 und S2 ist ein Paar vorderer und hinterer erster Vorsprungsstreifen 24F, 24R an diagonalen Positionen angeordnet, und ein Paar der vorderen und hinteren zweiten Vorsprungsstreifen 25F, 25R ist an den anderen diagonalen Positionen angeordnet.
Die ersten Vorsprünge 22, die zweiten Vorsprünge 23, die ersten Vorsprungsstreifen 24F, 24R und die zweiten Vorsprungsstreifen 25F, 25R der in Fig. 3 gezeigten ersten Wärmeübertragungsplatte S1 sind in einer gegenüberliegenden Vertiefungs-Vorsprungsbeziehung in Bezug auf jene der in Fig. 7 gezeigten ersten Wärmeübertragungsplatte S1 angeordnet. Fig. 3 zeigt nämlich einen Zustand, in dem die erste Wärmeübertragungsplatte S1 von der Rückseite her gesehen ist.
Wenn, wie aus den Fig. 5 bis 7 ersichtlich, die ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten S1 und S2 des Faltplattenrohlings 21 entlang den Scheitelfaltlinien L&sub1; gefaltet werden, um die Brenngaspassagen 4 zwischen den beiden Wärmeübertragungsplatten S1 und S2 zu bilden, werden die Endspitzen der zweiten Vorsprünge 23 der ersten Wärmeübertragungsplatte S1 und die Endspitzen der zweiten Vorsprünge 23 der zweiten Wärmeübertragungsplatte S2 in gegenseitige Anlage gebracht und miteinander hart verlötet. Zusätzlich werden die zweiten Vorsprungsstreifen 25F, 25F der ersten Wärmeübertragungsplatte S1 und die zweiten Vorsprungsstreifen 25F, 25R der zweiten Wärmeübertragungsplatte S2 in gegenseitige Anlage gebracht und miteinander hart verlötet. So sind ein linker unterer Abschnitt und ein rechter oberer Abschnitt der in Fig. 3 gezeigten Brenngaspassage 4 verschlossen, und jeder der ersten Vorsprungsstreifen 24F, 24R der ersten Wärmeübertragungsplatte S1 und jeder der ersten Vorsprungsstreifen 24F, 24R der zweiten Wärmeübertragungsplatte S2 liegen, mit einem dazwischen belassenen Spalt, einander gegenüber. Ferner sind der Brenngaspassageneinlass 11 und der Brenngaspassagenauslass 12 in einem linken oberen Abschnitt bzw. einem rechten unteren Abschnitt der in Fig. 3 gezeigten Brenngaspassagen 4 definiert.
Wenn die ersten Wärmeübertragungsplatten S1 und die zweiten Wärmeübertragungsplatten S2 des Faltplattenrohlings 21 entlang der Talfaltlinie L&sub2; gefaltet werden, um die Luftpassagen 5 zwischen den beiden Wärmeübertragungsplatten S1 und S2 zu bilden, werden die Endspitzen der ersten Vorsprünge 22 der ersten Wärmeübertragungsplatte S1 und die Endspitzen der ersten Vorsprünge 22 der zweiten Wärmeübertragungsplatte S2 in gegenseitige Anlage gebracht und miteinander hart verlötet. Zusätzlich werden die ersten Vorsprungsstreifen 24F, 24R der ersten Wärmeübertragungsplatte S1 und die ersten Vorsprungsstreifen 24F, 24R der zweiten Wärmeübertragungsplatte S2 in gegenseitige Anlage gebracht und miteinander hart verlötet. Somit sind ein linker oberer Abschnitt und ein rechter unterer Abschnitt der in Fig. 4 gezeigten Luftpassage 5 geschlossen, und jeder der zweiten Vorsprungsstreifen 25F, 25R der ersten Wärmeübertragungsplatte S2 und jeder der zweiten Vorsprungsstreifen 25F, 25R der zweiten Wärmeübertragungsplatte S2 liegen, mit einem dazwischen belassenen Spalt, einander gegenüber. Ferner sind der Luftpassageneinlass 15 und der Luftpassagenauslass 16 an einem rechten oberen Abschnitt bzw. einem linken unteren Abschnitt der in Fig. 4 gezeigten Luftpassage 5 definiert.
Ein Zustand, in dem die Luftpassagen 5 durch die ersten Vorsprungsstreifen 24F verschlossen wurden, ist in einem oberen Abschnitt (einem radialen Außenabschnitt) von Fig. 6 gezeigt, und ein Zustand, in dem die Brenngaspassagen 4 durch die zweiten Vorsprungsstreifen 25F verschlossen wurden, ist in einem unteren Abschnitt (einem radialen Außenabschnitt) von Fig. 6 gezeigt.
Jeder der ersten und zweiten Vorsprünge 22 und 23 hat eine im Wesentlichen kegelstumpfförmige Form, und die Endspitzen der ersten und zweiten Vorsprünge 22 und 23 sind in Flächenkontakt miteinander, um die Hartlötfestigkeit zu verbessern. Jeder der ersten und zweiten Vorsprungsstreifen 24F, 24R sowie 25F, 25F hat ebenfalls einen im Wesentlichen trapezförmigen Querschnitt, und die Endspitzen der ersten und zweiten Vorsprungsstreifen 24F, 24R und 25F, 25R sind ebenfalls in Flächenkontakt miteinander, um die Hartlötfestigkeit zu verbessern.
Wie aus den Fig. 3 und 4 ersichtlich, sind schmalere Verlängerungen 26 außerhalb der ersten und zweiten Vorsprungsstreifen 24F und 25F an den winkelig geschnittenen Vorderenden und außerhalb der ersten und zweiten Vorsprungsstreifen 24R und 25F an den winkelig geschnittenen Hinterenden jeder der ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten S1 und S2 ausgebildet. In einer Reihe in jeder der Verlängerungen 26 sind fünf oder acht Krümmungsverhinderungsvorsprünge 27 ausgebildet. Die Krümmungsverhinderungsvorsprünge 27 stehen in einer Richtung vor, die von der Vorsprungsrichtung der ersten Vorsprungsstreifen 24F und 24R und der zweiten Vorsprungsstreifen 25F und 25F benachbarter Krümmungsverhinderungsvorsprünge 27 entgegengesetzt ist. In anderen Worten, wenn die ersten Vorsprungsstreifen 24F und 24R und die zweiten Vorsprungsstreifen 25F und 25F zu dieser Seite hin vorstehen, stehen die Krümmungsverhinderungsvorsprünge 27 benachbart diesen Vorsprungsstreifen zur anderen Seite vor. Wenn die ersten Vorsprungsstreifen 24F und 24R und die zweiten Vorsprungsstreifen 25F und 25F zu der anderen Seite vorstehen, stehen die Krümmungsverhinderungsvorsprünge 27 benachbart diesen Vorsprungsstreifen zu dieser Seite hin vor.
Fig. 12A zeigt den Schnitt in der Nähe des Brenngaspassageneinlasses 11, der mit den Brenngaspassagen 4 verbunden ist. Endspitzen der Krümmungsverhinderungsvorsprünge 27, die an den Verlängerungen 26 außerhalb der ersten Vorsprungsstreifen 24F vorgesehen sind, werden gegeneinander in Abstützung gebracht und aneinander hartgelötet, sodass die Luftpassagen 5 geschlossen werden, indem die ersten Vorsprungsstreifen 24F miteinander hartverlötet werden. Durch einen Pfeil in durchgehender Linie gezeigtes Brenngas fließt in den Brenngaspassageneinlass 11 und wird durch einen Umfang der Krümmungsverhinderungsvorsprünge 27 in die Brenngaspassagen 4 hineingeführt. Andererseits wird der Luftfluss (durch einen strichpunktiert linierten Pfeil gezeigt) durch die Luftpassagen 5 durch die gegenseitige Abstützung der ersten Vorsprungsstreifen 24F verhindert.
Auch in den Verlängerungen 26 in der Nähe des Brenngaspassagenauslasses 12, des Luftpassageneinlasses 15 und des Luftpassagenauslasses 16 werden die Endspitzen der Krümmungsverhinderungsvorsprünge 27 gegeneinander in Abstützung gebracht und aneinander hartgelötet, wie in dem oben beschriebenen Brenngaseinlass 11.
Wenn man hier annimmt, dass jede der Verlängerungen 26 nicht mit den Krümmungsverhinderungsvorsprüngen versehen ist, wie in Fig. 12B gezeigt, wird die Verlängerung 26 in die Richtung gekrümmt, die von der Vorsprungsrichtung der ersten Vorsprungsstreifen 24F entgegengesetzt ist, und zwar aufgrund eines thermischen Einflusses, wenn die ersten Vorsprungsstreifen 24F in Abstützung gegeneinander miteinander hartverlötet werden, wodurch die Querschnittfläche des Strömungswegs in dem Brenngaspassageneinlass 11 reduziert ist.
Wenn jedoch die Krümmungsverhinderungsvorsprünge 27 an jeder der Verlängerungen 26 vorgesehen sind, wie in Fig. 12A gezeigt, kann die Krümmung der Verlängerung 26 verhindert werden. Somit ist es nicht nur möglich, eine Reduktion in der Querschnittsfläche des Strömungswegs in dem Brenngaspassageneinlass 11 zuverlässig zu verhindern, sondern auch die ersten Vorsprungsstreifen 24F zwangsweise in engen Kontakt miteinander zu bringen, um hierdurch die Abdichtung zu verbessern. Ähnlich ist es möglich, eine Reduktion der Querschnittsfläche des Strömungswegs in dem Brenngaspassagenauslass 12, dem Luftpassageneinlass 15 und dem Luftpassagenauslass 16 zu vermeiden, und um die ersten Vorsprungsstreifen 24F, 24R sowie die zweiten Vorsprungsstreifen 25F, 25R zuverlässig in engen Kontakt miteinander zu bringen.
Wie aus den Fig. 3 und 4 ersichtlich, sind die ersten Vorsprünge 22 oder die zweiten Vorsprünge 23 in einer Reihe innerhalb der ersten Vorsprungsstreifen 24F, 24R und der zweiten Vorsprungsstreifen 25F, 25R ausgebildet, sodass sie in derselben Richtung wie die Krümmungsverhinderungsvorsprünge 27 vorstehen, die außerhalb der Vorsprungsstreifen vorgesehen sind (nämlich an den Verlängerungen 26). Die ersten Vorsprungsstreifen 24F, 24R sowie die zweiten Vorsprungsstreifen 25F, 25R sind an beiden Innen- und Außenenden befestigt, indem die Endspitzen der ersten Vorsprungsstreifen 22 oder der zweiten Vorsprungsstreifen 23 in Abstützung gegeneinander gebracht werden, wodurch die Durchbiegung dieser Vorsprungsstreifen zuverlässig verhindert wird. Im Ergebnis ist es möglich, die Endspitzen der ersten Vorsprungsstreifen 24F, 24R sowie der zweiten Vorsprungsstreifen 25F, 25R zuverlässig in engen Kontakt miteinander zu bringen, um die Hartlötfestigkeit zu verbessern.
Wie aus Fig. 5 ersichtlich, werden die radialen Innenumfangsabschnitte der Luftpassagen 5 automatisch verschlossen, weil sie dem gefalteten Abschnitt (der Talfaltlinie L&sub2;) des Faltplattenrohlings 21 entsprechen, wobei aber die radialen Außenumfangsabschnitte der Luftpassagen 5 offen sind und diese offenen Abschnitte durch Hartlöten an das Außengehäuse 6 verschlossen werden. Andererseits werden die radialen Außenumfangsabschnitte der Brenngaspassagen 4 automatisch verschlossen, weil sie dem gefalteten Abschnitt (der Scheitelfaltlinie L&sub1;) des Faltplattenrohlings 21 entsprechen, wobei aber die radialen Innenumfangsabschnitte der Brenngaspassagen 4 offen sind, und diese offenen Abschnitte durch Hartlöten an das Innengehäuse 7 verschlossen werden.
An einem axialen Mittelabschnitt des Wärmetauschers 2, der zwischen dem Außengehäuse 6 und dem Innengehäuse 7 angeordnet ist, sind die ersten Vorsprungsstreifen 24F, 24R und die zweiten Vorsprungsstreifen 25F, 25R in den ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten S1 und S2 nicht vorgesehen. Daher erfolgt die Einhaltung des Abstands zwischen den ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten S1 und S2 durch die gegenseitige Abstützung der ersten Vorsprünge 22 und die gegenseitige Abstützung der zweiten Vorsprünge 23, was zu einer verbesserten Verbindbarkeit der ersten und zweiten Vorsprünge 22 und 23 führt.
Wenn der Faltplattenrohling 21 zick-zack-artig gefaltet wird, können die benachbarten Scheitelfaltlinien L&sub1; nicht in direkten Kontakt miteinander gebracht werden, wobei aber der Abstand zwischen den Scheitelfaltlinien L&sub1; durch den Kontakt der ersten Vorsprünge 22 aneinander konstant gehalten wird. Zusätzlich können die benachbarten Talfaltlinien L&sub2; nicht in direkten Kontakt miteinander gebracht werden, wobei aber der Abstand zwischen den Talfaltlinien L&sub2; durch den Kontakt der zweiten Vorsprünge 23 aneinander konstant gehalten wird.
Wie in Fig. 13 gezeigt, erstrecken sich die ersten Vorsprungsstreifen 24F der ersten Wärmeübertragungsplatte S1 und die ersten Vorsprungsstreifen 24F der zweiten Wärmeübertragungsplatte S2 zu den Scheitelfaltlinien L&sub1; hin, die zwischen den beiden Wärmeübertragungsplatten S1 und S2 vorgesehen sind, und die Endspitzen eines Paars der ersten Vorsprungsstreifen 24F, 24F enden mit einem Spalt einer Breite do, der an entgegengesetzten Seiten der Scheitelfaltlinien L&sub1; verbleibt. Die Scheitelfaltlinie L&sub1; läuft nämlich durch die Mitte des Spalts der Breite do, der zwischen den Endspitzen des Paars erster Vorsprungsstreifen 24F, 24F definiert ist. Die Spalte sind in der gleichen Ebene mit Körpern (flache Plattenabschnitte, an denen die ersten und zweiten Vorsprünge 22 und 23 vorgesehen sind) der ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten S1 und S2 verbunden.
Wie in Fig. 14 gezeigt, erstrecken sich die zweiten Vorsprungsstreifen 25F der ersten Wärmeübertragungsplatte S1 und die zweiten Vorsprungsstreifen 25F der zweiten Wärmeübertragungsplatte S2 zu den Talfaltlinien L&sub2; hin, die zwischen den beiden Wärmeübertragungsplatten S1 und S2 vorgesehen sind, und die Endspitzen eines Paars der zweiten Vorsprungsstreifen 25F, 25F enden mit einem Spalt einer Breite di, der an entgegengesetzten Seiten der Talfaltlinie L&sub2; verbleibt. Die Talfaltlinie L&sub2; verläuft nämlich durch die Mitte des Spalts der Breite di, der zwischen den Endspitzen des Paars zweiter Vorsprungsstreifen 25F, 25F definiert ist. Die Spalte sind in derselben Ebene mit Körpern (flache Plattenabschnitte, an denen die ersten und zweiten Vorsprünge 22 und 23 vorgesehen sind) der ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten S1 und S2 verbunden.
Wie an einem rechten und oberen Bereich in Fig. 5 in einem Kreis gezeigt, sind die radialen Außenenden der ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten S1 und S2 mit dem Außengehäuse 6 an den Scheitelfaltlinien L&sub1; verbunden, und die Brenngaspassagen 4 und die Luftpassagen 5 sind abwechselnd auch in der Nähe des Außengehäuses 6 definiert, um sicherzustellen, dass der Wärmeaustausch effizient ausgeführt wird. Die Umfangslänge Ro eines Faltbereichs an jeder der Scheitelfaltlinien L&sub1;, d. h. die Umfangslänge Ro zwischen Punkten A und B, an denen die Scheitelfaltlinie L&sub1; gefaltet ist, ist gleich der Breite do des Spalts gesetzt, der zwischen den Endspitzen des Paars erster Vorsprungsstreifen 24F, 24F definiert ist.
Wie an einem linken und unteren Bereich in Fig. 5 in einem Kreis gezeigt, sind die radialen Innenenden der ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten S1 und S2 mit dem Innengehäuse 7 an den Scheitelfaltlinien L&sub2; verbunden, und die Brenngaspassagen 4 und die Luftpassagen 5 sind abwechselnd gleichmäßig auch in der Nähe des Innengehäuses 7 definiert, um sicherzustellen, dass der Wärmeaustausch effizient ausgeführt wird. Die Umfangslänge Ro eines Faltbereichs an jeder der Talfaltlinien L&sub2;, d. h. die Umfangslänge Ro zwischen den Punkten C und D, an denen die Talfaltlinie L&sub2; gefaltet ist, ist gleich der Breite di des Spalts gesetzt, der zwischen den Endspitzen des Paars zweiter Vorsprungsstreifen 25F, 25F definiert ist.
Wenn, wie aus den Fig. 15 und 17 ersichtlich, die Scheitelfaltlinie L&sub1; über ihre Gesamtlänge gefaltet wird, werden Seitenwände des Paars erster Vorsprungsstreifen 24F, 24F, die an entgegengesetzten Seiten der Scheitelfaltlinie L&sub1; angeordnet sind, an entgegengesetzten Seiten des Spalts mit der Breite do glattgängig miteinander verbunden, um eine flache Fläche mit einer Breite Do zu bilden. Die flache Fläche mit der Breite Do ist mit dem Außengehäuse 6 ohne dazwischen belassenem Spalt verbunden, und daher wird verhindert, dass Luft in der Luftpassage 5 zwischen den ersten Vorsprungsstreifen 24F, 24F und dem Außengehäuse 6 leckt.
Wenn, wie aus den Fig. 16 und 18 ersichtlich, die Talfaltlinie L&sub2; über ihre Gesamtlänge gefaltet wird, werden Seitenwände des Paars zweiter Vorsprungsstreifen 25F, 25F, die an entgegengesetzten Seiten der Talfaltlinie L&sub2; angeordnet sind, an entgegengesetzten Seiten des Spalts mit der Breite di glattgängig miteinander verbunden, um eine flache Fläche mit einer Breite Di zu bilden. Die flache Fläche mit der Breite Di ist mit dem Innengehäuse 7 ohne dazwischen belassenen Spalt verbunden, und daher wird verhindert, dass das Brenngas in der Brenngaspassage 6 zwischen den zweiten Vorsprungsstreifen 25F, 25F und dem Innengehäuse 7 leckt.
Wie oben beschrieben, ist die Scheitelfaltlinie L&sub1; in dem Spalt zwischen den Endspitzen des Paars erster Vorsprungsstreifen 24F, 24F angeordnet, und die Talfaltlinie L&sub2; ist in dem Spalt zwischen den Endspitzen des Paars zweiter Vorsprungsstreifen 25F, 25F angeordnet. Daher können sich die Scheitelfaltlinie L&sub1; und die Talfaltllinie L&sub2; während ihrer Faltung nicht mit den ersten Vorsprungsstreifen 24F, 24F und den zweiten Vorsprungsstreifen 25F, 25F stören. Somit ist es einfach, den Faltvorgang auszuführen, um hierdurch für ein gutes Finish des Faltbereichs zu sorgen und darüber hinaus zu ermöglichen, dass das Durchblasen des Fluids aus dem Faltbereich heraus verhindert wird.
Insbesondere wird die Breite do des Spalts zwischen den Endspitzen des Paars erster Vorsprungsstreifen 24F, 24F gleich der Umfangslänge Ro des Faltbereichs an der Scheitelfaltlinie L&sub1; gesetzt, und die Breite di des Spalts zwischen den Endspitzen des Paars zweiter Vorsprungsstreifen 25F, 25F wird gleich der Umfangslänge Ri des Faltbereichs an der Talfaltlinie L&sub2; gesetzt. Daher kann der flache Bereich mit der Breite Do an den Endspitzen der ersten Vorsprungsstreifen 24F, 24F gebildet werden, um die Abdichtung gegenüber dem Außengehäuse 6 zu verbessern, und der flache Bereich mit der Breite Di kann an den Endspitzen der zweiten Vorsprungsstreifen 25F, 25F gebildet werden, um die Abdichtung gegenüber dem Innengehäuse 7 zu verbessern.
Oben ist die Struktur in Bezug auf die vorderen ersten und zweiten Vorsprungsstreifen 24F und 25F beschrieben worden, wobei aber die Struktur in Bezug auf die hinteren ersten und zweiten Vorsprungsstreifen 24F und 25F im Wesentlichen die Gleiche ist wie die Struktur in Bezug auf die vorderen Vorsprungsstreifen 24F und 25F und daher deren doppelte Beschreibung weggelassen ist.
Wenn der Faltplattenrohling 21 zick-zack-artig gefaltet wird, um die Module 2, des Wärmetauschers 2 zu produzieren, sind die ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten S1 und S2 radial von der Mitte des Wärmetauschers 2 angeordnet. Daher nimmt der Abstand zwischen dem benachbarten ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten S1 und S2 das Maximum an dem radialen Außenumfangsabschnitt ein, der mit dem Außengehäuse 6 in Kontakt ist, und das Minimum in dem radialen Innenumfangsabschnitt, der in Kontakt mit dem Innengehäuse 7 ist. Aus diesem Grund sind die Höhen der ersten Vorsprünge 22, der zweiten Vorsprünge 23, der ersten Vorsprungsstreifen 24F, 24R und der zweiten Vorsprungsstreifen 25F, 25R von der radialen Innenseite her nach außen allmählich vergrößert, wodurch die ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten S1 und S2 exakt radial angeordnet werden können (siehe Fig. 5 und 6).
Durch die Anwendung der oben beschriebenen Struktur der radial gefalteten Platten können das Außengehäuse 6 und das Innengehäuse 7 konzentrisch positioniert werden, und die axiale Symmetrie des Wärmetauschers 2 kann akkurat eingehalten werden.
Indem man den Wärmetauscher 2 durch eine Kombination der vier Module 2~ mit der gleichen Struktur bildet, kann die Herstellung des Wärmetauschers erleichtert werden, und die Struktur des Wärmetauschers kann vereinfacht werden. Darüber hinaus kann, indem man den Faltplattenrohling 21 radial und zick-zack-artig faltet, um fortlaufend die ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten S1 und S2 zu formen, die Teilezahl und die Anzahl der Hartlötpunkte merklich verringert werden, und ferner kann die Dimensionsgenauigkeit des fertigen Gegenstands verbessert werden im Vergleich zu einem Fall, wo eine große Anzahl erster Wärmeübertragungsplatten S1, die voneinander unabhängig sind, und eine große Anzahl zweiter Wärmeübertragungsplatten S2, die voneinander unabhängig sind, abwechselnd hart gelötet sind.
Wenn, wie aus Fig. 5 ersichtlich, die Module 2, des Wärmetauschers 2 an den Verbindungsflächen 3 (siehe Fig. 2) miteinander verbunden werden, werden die Endränder der ersten Wärmeübertragungsplatten S1, die jenseits der Scheitelfaltlinie L&sub1; J-förmig gefaltet sind, und Endränder der zweiten Wärmeübertragungsplatten S2, die an einer Stelle kurz vor der Scheitelfaltlinie L&sub1; geradlinig geschnitten sind, aufeinandergelegt und miteinander hart verlötet. Durch Verwendung der oben beschriebenen Struktur ist kein besonderes Verbindungselement zum Verbinden der benachbarten Module 2, erforderlich, und es ist kein spezieller Prozess zum Ändern der Dicke des Faltplattenrohlings 21 erforderlich. Daher sind die Teilezahl und die Bearbeitungskosten reduziert, und ferner wird eine Zunahme der Wärmemasse in der Verbindungszone vermieden. Ferner wird kein Totraum, der weder die Brenngaspassagen 4 noch die Luftpassagen 5 ist, erzeugt, und daher wird eine Zunahme des Strömungswegwiderstands auf das Minimum gedrückt, und es besteht keine Möglichkeit, dass die Wärmeaustauscheffizienz reduziert werden könnte.
Während des Betriebs des Gasturbinenmotors E ist der Druck in den Brenngaspassagen 4 relativ niedrig, und der Druck in den Luftpassagen 5 ist relativ hoch. Aus diesem Grund wirkt, wegen einer Differenz zwischen den Drücken, eine Biegelast auf die ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten S1 und S2, wobei aber durch die ersten und zweiten Vorsprünge 22 und 23, die in gegenseitiger Abstützung gebracht und miteinander hart verlötet worden sind, eine ausreichende Steifigkeit erhalten werden kann, die in der Lage ist, einer solchen Last zu widerstehen.
Zusätzlich sind die Oberflächenausdehnungen der ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten S1 und S2 (d. h. die Oberflächenausdehnungen der Brenngaspassagen 4 und der Luftpassagen 5) aufgrund der ersten und zweiten Vorsprünge 22 und 23 vergrößert. Ferner werden die Strömungen des Brenngases und der Luft verwirbelt, und daher kann die Wärmeaustauscheffizienz verbessert werden.
Der Einheitsbetrag Ntu der Wärmeübertragung, der die Menge der zwischen den Brenngaspassagen 4 und den Luftpassagen 5 übertragenen Wärme repräsentiert, wird durch die folgende Gleichung (1) angegeben:
Ntu = (K · A)/[C · (dm/dt)] --- (1)
Inder obigen Gleichung (1) ist K ein gesamter Wärmeübertragungskoeffizient der ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten S1 und S2; A ist eine Fläche (eine Wärmeübertragungsfläche) der ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten S1 und S2; C ist die spezifische Wärme von Fluid; und dm/dt ist eine Massenflussrate des in der Wärmeübertragungsfläche fließenden Fluids. Die Wärmeübertragungsfläche A und die spezifische Wärme C sind jeweils eine Konstante, wobei aber der gesamte Wärmeübertragungskoeffizient K und die Massenflussrate dm/dt jeweils eine Funktion eines Abstands P (siehe Fig. 5) zwischen den benachbarten ersten Vorsprüngen 22 oder zwischen den benachbarten zweiten Vorsprüngen 23 ist.
Wenn der Einheitsbetrag Ntu der Wärmeübertragung in den radialen Richtungen der ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten S1 und S2 variiert wird, wird die Temperaturverteilung der ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten S1 und S2 radial ungleichmäßig gemacht, was zu einer reduzierten Wärmeaustauscheffizienz führt, und darüber hinaus werden die ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten S1 und S2 radial ungleichmäßig thermisch gedehnt, was eine ungewünschte thermische Spannung erzeugt. Wenn daher der Abstand P der radialen Anordnung der ersten und zweiten Vorsprünge 22 und 23 geeignet derart festgelegt wird, dass der Einheitsbetrag Ntu der Wärmeübertragung in den verschiedenen radialen Orten der ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten S1 und S2 konstant ist, können die obigen Probleme überwunden werden.
Wenn der Abstand P in den radialen Richtungen des Wärmetauschers 2 konstant festgelegt wird, wie in Fig. 10A gezeigt, ist der Einheitsbetrag Ntu der Wärmeübertragung an dem radial inneren Abschnitt größer und an dem radial äußeren Abschnitt kleiner, wie in Fig. 10B gezeigt. Daher ist auch die Temperaturverteilung der ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten S1 und S2 an dem radial inneren Abschnitt höher und an dem radial äußeren Abschnitt geringer, wie in Fig. 10C gezeigt. Wenn andererseits der Abstand P derart festgelegt wird, dass er an dem radial inneren Abschnitt des Wärmetauschers 2 größer ist und an dem radial äußeren Abschnitt des Wärmetauschers 2 kleiner, wie in Fig. 11A gezeigt, kann der Einheitsbetrag Ntu der Wärmeübertragung und der Temperaturverteilung in den radialen Richtungen im Wesentlichen konstant gemacht werden, wie in den Fig. 11 B und 11 C gezeigt.
Wie aus den Fig. 3 bis 5 ersichtlich, ist in dem Wärmetauscher 2 gemäß dieser Ausführung ein Bereich, der einen größeren Abstand P der radialen Anordnung der ersten und zweiten Vorsprünge 22 und 23 hat, in dem radial inneren Abschnitt des Wärmetauschers 2 vorgesehen, und ein Bereich, der einen kleineren Abstand P der radialen Anordnung der ersten und zweiten Vorsprünge 22 und 23 hat, ist in dem radial äußeren Abschnitt des Wärmetauschers 2 vorgesehen. Somit kann der Einheitsbetrag Ntu der Wärmeübertragung über den gesamten Bereich der ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten S1 und S2 im Wesentlichen konstant gemacht werden, und es ist möglich, die Wärmeaustauscheffizienz zu verbessern und die thermische Belastung zu lindern.
Wenn die Gesamtform des Wärmetauschers und die Formen der ersten und zweiten Vorsprünge 22 und 23 geändert werden, verändert sich auch der gesamte Wärmeübertragungskoeffizient K und die Massenflussrate dm/dt, und dann ist die geeignete Anordnung der Abstände P auch anders als jene in der vorliegenden Ausführung. Daher kann, zusätzlich zu einem Fall, wo der Abstand P wie in der vorliegenden Ausführung graduell radial auswärts verkleinert wird, der Abstand P in einigen Fällen auch radial auswärts graduell vergrößert werden. Wenn jedoch die Anordnung der Abstände P so bestimmt wird, dass die oben beschriebene Gleichung (1) erfüllt ist, kann der betriebsmäßige Effekt unabhängig von der Gesamtform des Wärmetauschers und der Formen der ersten und zweiten Vorsprünge 22 und 23 erhalten werden.
Wie aus den Fig. 3 und 4 ersichtlich, sind die ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten S1 und S2 an den Vorder- und Hinterenden des Wärmetauschers 2 in eine ungleich lange Winkelform geschnitten, die eine lange Seite und eine kurze Seite hat. Der Brenngaspassageneinlass 11 und der Brenngaspassagenauslass 12 sind längs den langen Seiten an den Vorder- bzw. Hinterenden definiert, und der Luftpassageneinlass 15 und der Luftpassagenauslass 16 sind längs den kurzen Seiten an den Hinter- bzw. Vorderenden definiert.
Auf diese Weise sind der Brenngaspassageneinlass 11 und der Luftpassagenauslass 16 jeweils längs den zwei Seiten der Winkelform an dem Vorderende des Wärmetauschers 2 definiert, und der Brenngaspassagenauslass 12 und der Luftpassageneinlass 15 sind jeweils längs den zwei Seiten der Winkelform an dem Hinterende des Wärmetauschers 2 definiert. Daher können größere Querschnittsflächen der Strömungswege in den Einlässen 11, 15 und den Auslässen 12, 16 sichergestellt werden, um den Druckverlust auf das Minimum zu drücken, im Vergleich zu einem Fall, wo die Einlässe 11, 15 und die Auslässe 12, 16 definiert sind, ohne dass die Vorder- und Hinterenden des Wärmetauschers 2 in die Winkelform geschnitten sind. Da ferner die Einlässe 11, 15 und die Auslässe 12, 16 längs den zwei Seiten der Winkelform definiert sind, können nicht nur die Strömungswege für das Brenngas und die Luft, die aus den bzw. in die Brenngaspassagen 4 und die Luftpassagen 5 fließen, geglättet werden, um den Druckverlust weiter zu senken, sondern können auch die mit den Einlässen 11, 15 und den Auslässen 12, 16 verbundenen Leitungen in der axialen Richtung ohne scharfe Biegung der Strömungswege angeordnet werden, wodurch die radiale Abmessung des Wärmetauschers 2 reduziert werden kann.
Im Vergleich zu der Volumenströmungsrate der Luft, die durch den Luftpassageneinlass 15 und den Luftpassagenauslass 16 hindurchtritt, ist die Volumenströmungsrate des Brenngases größer, das durch Verbrennung eines Luft/Kraftstoff-Gemischs erzeugt wurde, das sich vom Einmischen von Kraftstoff in Luft ergibt und das sich in der Turbine zu einem abgefallenen Druck entspannt hat. In der vorliegenden Ausführung ist die ungleichlange Winkelform derart, dass die Längen des Luftpassageneinlasses 15 und des Luftpassagenauslasses 16, durch die die Luft mit einer kleinen Volumenströmungsrate hindurchtritt, kurz sind, und die Längen des Brenngaspassageneinlasses 11 und des Brenngaspassagenauslasses 12, durch die das Brenngas mit der großen Volumenströmungsrate hindurchtritt, lang sind. Somit ist es möglich, die Strömungsrate des Brenngases relativ zu reduzieren, um die Erzeugung eines Druckverlustes wirkungsvoller zu vermeiden.
Noch weiter, da die Endplatten 8 und 10 an die Endspitzenflächen der Vorder- und Hinterenden des winkelförmig geformten Wärmeaustauschers hart gelötet sind, kann die Hartlötfläche minimiert werden, um die Möglichkeit eines Leckstroms des Brenngases und der Luft, aufgrund eines Hartlötfehlers, zu reduzieren. Ferner können die Einlässe 11, 15 und die Auslässe 12, 16 einfach und zuverlässig unterteilt werden, während die Verringerung in den Öffnungsflächen der Einlässe 11, 15 und der Auslässe 12, 16 unterdrückt wird.
Obwohl die Ausführungen der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben wurden, versteht es sich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungen beschränkt ist und verschiedene Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von der in den Ansprüchen definierten Erfindung abzuweichen.
Zum Beispiel ist in den Ausführungen der Wärmetauscher 2 für den Gasturbinenmotor E erläutert worden, wobei die Erfindung aber auch bei Wärmetauschern für andere Anwendungen angewendet werden kann. Zusätzlich sind die in den Ansprüchen 5 bis 9 definierten Erfindungen nicht auf den Wärmetauscher 2 beschränkt, der die radial angeordneten ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten S1 und S2 enthält, und sind auch auf einen Wärmetauscher anwendbar, bei dem die ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten S1 und S2 parallel zueinander angeordnet sind.

Claims

1. Wärmetauscher, der sich axial erstreckende Hochtemperaturfluidpassagen (4) und Niedertemperaturfluidpassagen (5) aufweist, die in Umfangsrichtung abwechselnd in einem Ringraum definiert sind, der zwischen einer radialen Außenumfangswand (6) und einer radialen Innenumfangswand (7) definiert ist,

wobei der Wärmetauscher aus einem Faltplattenrohling (21) gebildet ist, der eine Mehrzahl erster Wärmeübertragungsplatten (S1) und eine Mehrzahl zweiter Wärmeübertragungsplatten (S2) aufweist, die durch erste und zweite Faltlinien (L&sub1;, L&sub2;) abwechselnd miteinander verbunden sind,

wobei der Faltplattenrohling (21) zickzackartig entlang der Faltlinien (L&sub1;, L&sub2;) gefaltet ist, sodass die ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten (S1) und (S2) radial zwischen der radialen Außenumfangswand (6) und der radialen Innenumfangswand (7) angeordnet sind, wodurch die Hochtemperatur- und Niedertemperaturfluidpassagen (4) und (5) abwechselnd in der Umfangsrichtung zwischen benachbarten der ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten (S1) und (S2) definiert sind, und ein Hochtemperaturfluidpassageneinlass (11) und ein Hochtemperaturfluidpassagenauslass (12) definiert sind, um sich in axial entgegengesetzte Enden der Hochtemperaturfluidpassage (4) zu öffnen, während ein Niedertemperaturfluidpassageneinlass (15) und ein Niedertemperaturfluidpassagenauslass (16) definiert sind, um sich in axial entgegengesetzte Enden der Niedertemperaturfluidpassage (5) zu öffnen, wobei jede der ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten (S1) und (S2) eine große Anzahl kegelstumpfförmiger konischer Vorsprünge (22, 23) aufweist, die an entgegengesetzten Flächen der Platte ausgebildet und an Endspitzen der Vorsprünge miteinander verbunden sind, sodass das jeweilige Fluid in der Hochtemperatur- und Niedertemperaturfluidpassage (4, 5) zwischen benachbarten Vorsprüngen (22, 23) hindurchtritt,

wodurch ein Abstand (P) der Anordnung der Vorsprünge (22, 23) von einer radialen Innenseite zu einer radialen Außenseite hin allmählich zunimmt oder abnimmt, sodass ein Einheitsbetrag (Ntu) der Wärmeübertragung in der radialen Richtung im Wesentlichen konstant ist.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Höhe jedes der Vorsprünge (22, 23) von einer radialen Innenseite zu einer radialen Außenseite allmählich zunimmt.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung entgegengesetzte Enden jeder der ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten (S1 und S2) in Winkelformen geschnitten sind, die jeweils zwei Winkelseiten haben, und der Hochtemperaturfluidpassageneinlass (11) definiert ist, indem am in der Strömungsrichtung einen Ende der Hochtemperaturfluidpassage (4) eine der zwei Winkelseiten geschlossen und die andere Winkelseite geöffnet ist, indem an den ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten (S1, S2) vorgesehene Vorsprungsstreifen (25F) miteinander hartverlötet sind, während der Hochtemperaturfluidpassagenauslass (12) definiert ist, indem am in der Strömungsrichtung anderen Ende der Hochtemperaturfluidpassage (4) eine der zwei Winkelseiten geschlossen und die ändere Winkelseite geöffnet ist, indem die an den ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten (S1, S2) vorgesehenen Vorsprungsstreifen (25R) miteinander hartverlötet sind, und ferner, der Niedertemperaturfluidpassageneinlass (15) definiert ist, indem am in der Strömungsrichtung anderen Ende der Niedertemperaturfluidpassage (5) eine der zwei Winkelseiten geöffnet und die andere Winkelseite geschlossen ist, indem die an den ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten (S1, S2) vorgesehenen Vorsprungsstreifen (24R) miteinander hartverlötet sind, während der Niedertemperaturfluidpassagenauslass (15) definiert ist, indem am in der Strömungsrichtung einen Ende der Niedertemperaturfluidpassage (5) eine der zwei Winkelseiten geöffnet und die andere Winkelseite geschlossen ist, indem die an den ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten (S1, S2) vorgesehenen Vorsprungsstreifen (24F) miteinander hartverlötet sind,

worin die Winkelseiten der Winkelformen Verlängerungen (26) aufweisen, die sich außerhalb der Vorsprungsstreifen (24F, 24R, 25F, 25R) erstrecken, wobei an den Verlängerungen (26) jeweils Vorsprünge (27) ausgebildet sind, um in einer von den Vorsprungsstreifen (24F, 24R, 25F, 25F) entgegengesetzten Richtung vorzustehen, wobei die Endspitzen der Vorsprünge (25) gegeneinander abgestützt sind.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Vorsprünge (22 und 23) ausgebildet sind, um entlang der. Innenseite der Vorsprungsstreifen (24F, 24R, 25F, 25R) in einer Richtung vorzustehen, die von den Vorsprungsstreifen (24F, 24R, 25F, 25R) entgegengesetzt ist, wobei Endspitzen der Vorsprünge (22, 23) gegeneinander abgestützt sind.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 1, worin ein Spalt zwischen benachbarten der ersten Faltlinien (L&sub1;) geschlossen ist, indem die ersten Faltlinien (L&sub1;) mit der radialen Außenumfangswand (6) verbunden sind, während ein Spalt zwischen benachbarten der zweiten Faltlinien (L&sub2;) geschlossen ist, indem die zweiten Faltlinien (L&sub2;) mit der zweiten Endplatte (7) verbunden sind, und

worin in Strömungsrichtung einander entgegengesetzte Enden der ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten (S1 und S2) in Winkelformen geschnitten sind, die jeweils zwei Winkelseiten aufweisen, und der Hochtemperaturfluidpassageneinlass (11) definiert ist, indem am in der Strömungsrichtung einen Ende der Hochtemperaturfluidpassage (4) eine der zwei Winkelseiten geschlossen und die andere Winkelseite geöffnet ist, durch Vorsprungsstreifen (25F), die an den ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten (S1, S2) vorgesehen sind, während der Hochtemperaturfluidpassagenauslass (12) definiert ist, indem am in der Strömungsrichtung anderen Ende der Hochtemperaturfluidpassage (4) eine der zwei Winkelseiten geschlossen und die andere Winkelseite geöffnet wird, durch Vorsprungsstreifen (25R), die an den ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten (S1, S2) vorgesehen sind, und ferner, der Niedertemperaturfluidpassageneinlass (15) definiert ist, indem am in der Strömungsrichtung anderen Ende der Niedertemperaturfluidpassage (5) eine der zwei Winkelseiten geöffnet und die andere Winkelseite geschlossen ist, durch Vorsprungsstreifen (24R), die an den ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten (S1, S2) vorgesehen sind, während der Niedertemperaturfluidpassagenauslass (16) definiert ist, indem am in der Strömungsrichtung einen Ende der Niedertemperaturfluidpassage (5) eine der zwei Winkelseiten geöffnet und die andere Winkelseite geschlossen ist, durch Vorsprungsstreifen (24F), die an den ersten und zweiten Wärmeübertragungsplatten (S1, S2) vorgesehen sind,

worin ein Spalt zwischen den Endspitzen von Vorsprungsstreifen (24F, 24R, 25F, 25F) definiert ist, die einander gegenüberliegen und an entgegengesetzten Seiten jeder der Faltlinien (L&sub1; und L&sub2;) ein Paar bilden, und wobei die Faltlinie (L&sub1;, L&sub2;) innerhalb des Spalts angeordnet ist.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umfangslänge (Ro, Ri) eines Faltbereichs an jeder der Faltlinien (L&sub1; und L&sub2;) gleich einer Breite (do, di) des Spalts gesetzt ist.

7. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprungsstreifen (24F, 24R, 25F, 25R) so ausgebildet sind, dass sie sich mit einem Faltbereich an jeder der Faltlinien (L&sub1; und L&sub2;) nicht stören.

8. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelseiten der Winkelformen Verlängerungen (26) aufweisen, die sich außerhalb der Vorsprungsstreifen (24F, 24R, 25F, 25R) erstrecken, wobei an den Verlängerungen (26) jeweilige Vorsprünge (27) ausgebildet sind, um in einer von den Vorsprungsstreifen (24F. 24R, 25F, 25R) entgegengesetzten Richtung vorzustehen, wobei Endspitzen der Vorsprünge (27) gegeneinander abgestützt sind.