JP2776952B2

JP2776952B2 - 熱交換器

Info

Publication number: JP2776952B2
Application number: JP2087618A
Authority: JP
Inventors: カール・マイエル
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1989-04-07
Filing date: 1990-04-03
Publication date: 1998-07-16
Anticipated expiration: 2013-07-16
Also published as: EP0391266B1; DE59000864D1; DE3911257C2; EP0391266A1; US4986344A; JPH02287093A; DE3911257A1; ES2038460T3

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、互いに平行な２つの母管を有する熱交換器
であつて、これらの母管が束状に配置された複数の成形
管を介して結合されており、各母管がそれぞれ、軸方向
で互いに上下にかつ密にシールされて配置された複数の
母管区分から形成されている形式のものに関する。

〔従来の技術〕

上記形式の熱交換器が、例えばドイツ連邦共和国特許
出願P38 03 947号又はP38 03 948号明細書に開示さ
れている。これらの明細書による熱交換器では、複数の
母管区分が母管内に設けられた引張り部材によつて結合
されている。この場合、引張り部材は引張り棒又は引張
り管として形成することができる。これにより、熱交換
器の製作及び保守整備が極めて簡単となる。というの
は、ただ複数の母管区分が加工もしくは交換されればよ
いからである。また、高温ガス流が母管外側で母管の近
くを流れる場合でも、個々の母管区分間にはシールに関
する問題が生じることがない。というのは、まず母管の
方が母管内部の引張り部材よりも強く加熱されるからで
ある。それによつて、熱交換器の始動時にも、軸方向に
隣合う２つの母管区分の突合わせ箇所が確実にシールさ
れる。

しかし、上記形式の熱交換器には以下の様な欠点があ
る。即ち、母管内部に配置された引張り部材によつて、
母管内部を貫流するガス流に対する著しく大きな流れ抵
抗が生じ、それにより、熱交換器によつて駆動される装
置の全体的な効率が大きく下がつてしまう。さらに、所
定の駆動状態、例えば母管外側のガス向流の温度降下に
よつて全負荷が部分負荷へ減少した状態において、母管
が収縮してしまう。しかし、この場合にも母管内部の引
張部材の温度は元の温度のままである。従つて、このよ
うな不利な状態ではガス流の漏れの生じる危れがある。

さらなる欠点は、上述した熱交換器の構成がただ全高
の小さな熱交換器にしか適していない、といつた点にあ
る。というのも、全高の大きな熱交換器では成形管マト
リツクスの自重とこの熱交換器内に生じた加速度負荷に
よつて、管に対する負荷が大きくなるからである。それ
により、管の全長にわたつて半径方向の複数の支承部が
必要となる。複数の母管区分は剛性にフランジ結合され
ると、全長の大きな閉鎖された管結合体を形成する。上
記母管の横断面にわたつて温度勾配が生じると、母管は
縦軸線を中心としてたわんでしまう。このようなたわみ
と多数の支承部とによつて過剰の支承状態が生じる。そ
の結果、上記母管の縦方向の伸張が阻止され、管横断面
が付加的に負荷される。

母管軸方向に加速度負荷が生じた場合、閉鎖された管
結合体には大きな質量加速力が生じる。この加速力によ
つても母管は付加的に負荷される。さらに、少なくとも
１つの閉鎖された底部とこの底部から大きく離れた軸方
向支承部とを有する母管は、母管内部の内圧により管底
部へ作用する軸方向の力によつて負荷される。これによ
つて、中空状の管横断面の安定度が極めて大きな影響を
受ける。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明の課題は、全高の大きな場合でも、駆動時に母
管へ作用する力特に３つの主要方向へ向かう加速力をで
きる限り有利にかつ確実に支持できる熱交換器を提供す
ることにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題は、本発明によればはじめに述べた形式の熱
交換器において、２つの母管外側に設けられた支持フレ
ームに、各母管区分の管両端部が案内されており、かつ
軸方向で固定されており、支持フレームが両母管に対し
て平行な少なくとも１つの長手支持体を有しており、互
い、軸方向の間隔を置いた複数の支持体がこの長手支持
体に取付けられており、かつ、上記各母管区分のうちで
軸方向に隣合う２つの母管区分の突合わせ範囲において
両母管を支持していることによつて解決されている。

〔作用及び効果〕

本発明の大きな利点は、母管区分の一端部が軸方向で
自由に伸張できるように支持フレームによつて固定され
ている点にある。その結果、個々の母管区分間の、熱膨
張による締付けが回避される。母管横断面にわたつた温
度勾配により、母管は縦軸線を中心としてたわんでしま
うが、このたわみは個々の母管区分の長さにわたつてし
か生じない。母管が複数の母管区分から成る点におい
て、本発明による熱交換器も従来の熱交換器も同様であ
る。しかし、本発明の熱交換器では、上述した様に母管
区分の一端部が支持フレームに固定されているだけであ
り、それにより母管区分の軸方向の伸張が許されてい
る。それに対して、従来の熱交換器では母管区分がフラ
ンジ結合されているので、母管区分の軸方向の伸張は許
されていない。従つて、本発明における母管のたわみ
は、従来の母管のたわみよりも著しく小さい。本発明の
さらなる利点は、母管を別個の母管区分に分割したこと
によつて、母管区分の支承箇所において締付け力が生じ
ることはなく、従つて良好な支承状態が得られることに
ある。さらに有利なことには、熱膨張により生じる母管
の長さの変化が極めて小さいので、そのわずかな変化は
シール部材によつて補償することができる。この場合、
分割した母管における各母管区分は一貫した母管におい
てよりもわずかしか伸張せず、しかもより容易にシール
される。また、各母管区分が一端部だけで軸方向に固定
されていることによつて、母管は一方向にしか伸張しな
い。

本発明によるさらに有利な構成によれば、各母管区分
内に付加的な軸方向の締付けが生じることはない。言い
かえれば、母管内の内圧により管底部へ作用する軸方向
力は管底部に隣接する母管区分へは伝達されない。ま
た、各母管区分と母管区分に固定された成形管マトリツ
クスとの比較的小さな質量だけが受容されるだけでよい
ので、軸方向の加速度負荷が容易に受容される。さら
に、母管内部で熱交換されるべき媒体の自由な貫流が保
証されているので、流れの損失は回避され、ひいては熱
交換器の効率が改善される。従来の熱交換器における利
点、即ち破損した個々の部材の容易な交換は、本発明に
よる熱交換器においても得られる。

本発明の有利な構成によれば、支持フレームが、両母
管の両側に両母管に対して平行な２つの支持管を有して
いる。これらの支持管は互いに間隔を置いた複数の支持
体によつて結合されている。これらの支持体は個々の母
管区分の突合わせ範囲において両母管を支持しており、
各母管区分の一端部が各支持体に固定されている。支持
フレームのこのような構成によつて、熱交換器駆動時に
生じる重量力及び加速力が特に半径方向で有利かつ確実
に支持される。さらに、極めて小さな重量の支持フレー
ムの場合でも個個の母管区分が固定され得る。上記構成
の支持フレームにおいては、上記重量力及び加速力は軸
方向にも支持かつ案内される。

有利には、個々の母管区分の間に軸方向弾性的なパツ
キンリングがはめ込まれている。このパツキンリング
は、波形の金属ベローズ（Ｅ−Seals）として形成され
ていると有利である。このパツキンリングにより、比較
的大きなシールジヤツプがシールされると共に、耐熱性
のある良好なシールが行われる。弾性的な上記パツキン
リングの有する利点は、特に温度変化により生じた、母
管の軸方向の伸張を補償できる点にある。

上記２つの支持管は、有利には複数の支持管区分から
形成されている。各支持管区分はそれぞれ２つの支持体
間に配置されて、これらの支持体と有利にはねじによつ
て堅固に結合されている。支持管は母管と同様に個々の
区分に分割されていることにより、極めて有利に製作さ
れるようになり、さらに支持管の修理時には、熱交換器
が容易に分解されるかもしくは破損した支持管が容易に
交換されるようになる。上記支持体は、母管区分を貫通
させて差込むために２つの孔を有する金属プレートとし
て形成されていてもよいか、又は材料を節約するために
切欠きを有する鋳造体として形成されていてもよい。ま
た、熱交換器を容易に製作するか又は熱交換器内の力を
より良好に伝達するために、上記支持管は一貫して一つ
の部材から製作されていてもよい。

支持管が円形横断面又は楕円形横断面を有していると
有利である。この場合、支持管が楕円形横断面を有して
いると、所期の負荷方向で比較的大きな曲げ抵抗モーメ
ントが得られる。また、上記２つの支持管のうちで一方
が楕円形横断面を有しており、他方が円形横断面又は別
の横断面形状、例えば正方形又は方形横断面を有してい
てもよい。有利には、各支持管は両円管のそれぞれ両側
に配置されており、それによつて、これら４つの管の縦
軸軸線が一平面（軸線平面）内に位置する。これによつ
て得られる利点は、上記２つの母管が水平方向で互いに
上下に重なるように熱交換器が懸架されたさいに、熱交
換器外側を流れる高温ガスが熱交換器に対して垂直にこ
の熱交換器を負荷できる点にある。この場合、熱交換器
の重量力は両母管の上方及び下方に配置された支持管に
よつて受容されており、垂直方向における支持フレーム
の大きな曲げこわさがこの受容のために役立つている。

本発明の別の有利な構成では、それぞれ２つの支持体
によつて結合された複数の横方向補強薄板が、上記軸線
平面に対して垂直に上記２つの母管間の中央に配置され
ている。この構成により、軸線平面内の横方向軸線を中
心とした、熱交換器全体の曲げこわさが大きくなる。さ
らに、引張り力が軸方向で伝達されるようになる。

有利には、軸方向に隣合う２つの母管区分の突合わせ
箇所でこれらの母管区分を取囲むガイドスリーブが、支
持体と堅固に結合されており、かつ上記２つの母管区分
のうちで一方の又は両方の母管区分を固定する手段例え
ばガイドスリーブを有している。ガイドスリーブは、温
度変化時に母管区分を軸方向に案内しており、かつ個々
の母管区分間に設けられたシール部材を受容及び固定し
ている。この場合、ガイドスリーブは支持体に溶接され
ているか又はねじ固定されていてもよく、重量を減少さ
せるためにできる限り短く形成されている。母管区分の
固定手段は、有利には容易に交換可能な溝・ばね部材と
して形成される。

本発明のさらに別の構成によれば、両母管を供給もし
くは排出導管に接続するための複数の接続管が、両母管
の軸方向中央に取付けられている。この場合、各母管に
それぞれ１つの接続管を取付けるか、又は各母管に、こ
の母管に関して対称的なそれぞれ２つの接続管を取付け
ることも可能である。接続管が両母管の軸方向中央に取
付けられている場合には、熱交換されるべき媒体が母管
内を良好に貫流する。というのは、貫流媒体のそれぞれ
半分だけが各方向へ流れればよいからであり、母管の全
長にわたつて必然的に生じる流れ損失が減少されるから
である。さらに、接続管が母管の軸方向一端部にしか取
付けられておらず、そこからしか貫流媒体としてのガス
が母管内へ供給されない場合に比べて、上記構成の場合
においての方がガスは成形管内を一様に貫流する。ま
た、接続管が各母管の軸方向両端部に取付けられている
場合にも、熱交換されるべき媒体は母管及び成形管内を
良好に貫流することができる。

〔実施例〕

次に図示の実施例につき本発明を説明する。

第１図に示された熱交換器１は主に２つの母管2a,2b
から形成されており、これらの母管2a,2bは、管内の媒
体の流れを緩やかにするためにＵ字形に延びる、２つの
成形管束３によつて結合されている。熱交換器１の駆動
時に、貫流媒体としてのガスは母管2aから上記２つの成
形管束３を介して母管2bへ貫流しており、かつ、クロス
向流形状の高温ガスが符号４で示された矢印方向に成形
管束３外側で成形管束３の近くを通り過ぎることによつ
て、加熱されている。２つの支持管5,6が母管2a,2bに対
して平行に母管2a,2bの両側に配置されており、かつ支
持体７を介して結合されている。この場合、支持管5,6
はそれぞれ固定フランジ8a,8bを有しており、かつこれ
らの固定フランジ8a,8bによつて支持体７に固定されて
いる。上記２つの母管2a,2b間には、図平面に対して垂
直な横方向補強薄板９が配置されている。

第２図には、熱交換器１の縦断面図が示されている。
この図からわかるように、母管2a,2bはそれぞれ、軸方
向で互いに上下に配置された複数の母管区分10,11から
形成されている。軸方向で隣合う２つの母管区分の突合
わせ箇所には、プレート状の支持体７が設けられてお
り、この支持体７は母管2a,2bのために２つの切欠き及
び２つのガイドスリーブ15,16を有している。

母管2a,2bと同様に、支持管5,6もそれぞれ複数の支持
管区分12,13から形成されており、これらの支持管区分1
2,13の長さは母管区分10,11の長さとほぼ等しくなつて
いる。しかし、母管区分10,11と異なり支持管区分12,13
の内室は互いに連通しておらず、即ち支持体７には支持
管5,6のための適当な切欠きが形成されていない。しか
し、支持体７の重量を減少させるために支持体７に切欠
きを形成してもよい。有利には軸方向の上記固定フラン
ジ8a,8bが、支持管区分12,13にそれぞれ溶接されてお
り、支持管区分12,13はそれぞれ固定フランジ8a,8bと固
定部材14とを介して支持体７に固定されている。支持管
5,6、支持体７及び横方向補強薄板９によつて支持フレ
ームが形成されている。この支持フレームは熱交換器１
をシールするのに役立つており、かつ図示されていない
固定装置によつて定置に支持されている。

支持体７にはさらにガイドスリーブ15,16が設けられ
ており、母管区分10,11はそれぞれガイドスリーブ15,16
内に滑動可能に案内されている。

熱交換されるべきガスを供給もしくは排出するため
に、接続管17a,17bがそれぞれ母管2a,2bの軸方向一端部
に接続されている。母管2a,2bの軸方向他端部において
最後の母管区分10,11には、管底部18a,18bがそれぞれ溶
接されている。管底部18a,18bはそれら管底部に適合し
た形状の端部片19によつて支持されており、端部片19は
最初の支持体７に固定されている。

第３図に示された、第２図の一部の拡大図では、特に
ガイドスリーブ15における母管区分10の支承部が示され
ている。支持体７に溶接されたガイドスリーブ15は、ね
じ結合部20によつて環状区分形状の弾性部材21に結合さ
れている。弾性部材21は母管区分10の、弾性部材21に相
応した形状の溝22内にはめ込まれている。このような構
成の支承部によつて、母管区分10の力がガイドスリーブ
15を介して支持体７で伝達され、さらに支持体７から支
持管区分12へ伝達される。

母管区分10の軸方向の伸張を補償するために、各母管
区分10は軸方向で互いに直接には接しておらず、各母管
区分10間に若干のギヤツプが形成されている。このギヤ
ツプ内には、軸方向弾性的な金属ベローズシール23がは
め込まれている。

第４図では、第２図による断面図に対して垂直な、熱
交換器１の縦断面図が示されている。この図から特にわ
かるように、個々の成形管束３が個々の母管区分10に取
付けられている。

第５図には、個々の支持体７間に配置された横方向補
強薄板９が詳しく示されている。横方向補強薄板９には
その重量を減少させるために複数の切欠き24が形成され
ている。

第１図により詳しく示されたように、横方向補強薄板
９とリブ25とによつて横断面Ｈ形の成形部材が形成され
ており、それにより横方向補強薄板９は座屈に対して大
きな抵抗値を有している。さらに、横方向補強薄板９
は、ねじ26によつて解離可能に支持体７に取付けられて
いる。

第６図では支持体７の別の実施例が示されており、こ
の支持体７は鋳造体として形成されている。第６図上方
に示されたように、接続管17,17dが母管2a,2bの軸方向
一端部ではなく、母管2a,2bの軸方向中央に、しかも母
管2a,2bの軸線方向に対して垂直にそれぞれ配置されて
おり、かつ母管2a,2bから外側へ向かつてそれぞれ案内
されている。第６図下方に示されたように、母管2bは環
状支持部形状の弾性部材21とねじ結合部20とによつて支
持体７に固定されている。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明による熱交換器の２つの実施例を示すもの
で、第１図は第１実施例を示す熱交換器の横断面図、第２図
は第１図による熱交換器の縦断面図、第３図は第２図に
よる熱交換器の一部拡大図、第４図は熱交換器に設けら
れた母管の縦断面図、第５図は熱交換器に設けられた横
方向補強薄板の縦断面図、第６図は第２実施例を示す熱
交換器の一部横断面図である。１……熱交換器、2a,2b……母管、３……成形管束、４
……高温ガスの流れ方向を示す矢印、5,6……支持管、
７……支持体、8a,8b……固定フランジ、９……横方向
補強薄板、10,11……母管区分、12,13……支持管区分、
14……固定部材、15,16……ガイドスリーブ、17a,17b,1
7c,17d……接続管、18a,18b……管底部、19……端部
片、20……ねじ結合部、21……弾性部材、22……溝、23
……金属ベローズシール、24……切欠き、25……リブ、
26……ねじ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】互いに平行な２つの母管を有する熱交換器
であつて、これらの母管が束状に配置された複数の成形
管を介して結合されており、各母管がそれぞれ、軸方向
で互いに上下にかつ密にシールされて配置された複数の
母管区分から形成されている形式のものにおいて、上記
２つの母管（2a,2b）外側に設けられた支持フレーム
（5,6,7）に、各母管区分（10,11）の管両端部が案内さ
れており、かつ軸方向で固定されており、支持フレーム
（5,6,7）が両母管（2a,2b）に対して平行な少なくとも
１つの長手支持体（5,6）を有しており、互いに軸方向
の間隔を置いた複数の支持体（７）がこの長手支持体
（5,6）に取付けられており、かつ、上記各母管区分（1
0又は11）のうちで軸方向に隣合う２つの母管区分の突
合わせ範囲において両母管（2a,2b）を支持しているこ
とを特徴とする熱交換器。
【請求項２】長手支持体（5,6）が、両母管（2a,2b）に
対して平行にこれらの母管（2a,2b）両側に配置されか
つ支持体（７）を介して結合された２つの支持管（5,
6）から形成されており、母管区分（10,11）が支持体
（７）に固定されている、請求項１記載の熱交換器。
【請求項３】個々の母管区分（10,11）に、軸方向弾性
的なパツキング（23）がそれぞれはめ込まれている、請
求項１又は２記載の熱交換器。
【請求項４】パツキンリング（23）が波状の金属ベロー
ズ（Ｅ−Seals）から成る、請求項３記載の熱交換器。
【請求項５】パツキンリング（23）が支持体（７）の範
囲に位置している、請求項２又は３記載の熱交換器。
【請求項６】各支持管（5,6）がそれぞれ複数の支持管
区分（12,13）から形成されており、各支持管区分（12,
13）がそれぞれ２つの支持体（７）間に配置されてお
り、かつこれらの支持体（７）と堅固に固定されてい
る、請求項２記載の熱交換器。
【請求項７】支持体（７）がプレート状に形成されてい
る、請求項２記載の熱交換器。
【請求項８】支持体（７）が鋳造体として形成されてい
る、請求項２記載の熱交換器。
【請求項９】支持管（5,6）が楕円形横断面又は方形横
断面を有している、請求項２記載の熱交換器。
【請求項１０】両支持管（5,6）の縦軸線及び両母管（2
a,2b）の縦軸線が一平面（軸線平面）内に位置するよう
に、各支持管（5,6）が両母管（2a,2b）の両側に配置さ
れている、請求項２記載の熱交換器。
【請求項１１】それぞれ２つの支持体（７）によつて結
合された複数の横方向補強薄板（９）が、上記軸線平面
に対して垂直に上記２つの母管（2a,2b）間の中央に配
置されている、請求項10記載の熱交換器。
【請求項１２】上記各母管区分（10又は11）のうちで軸
方向に隣合う２つの母管区分の突合わせ箇所でこれらの
母管区分（10,11）を取囲むガイドスリーブ（15,16）
が、支持体（７）と堅固に結合されており、かつ上記２
つの母管区分（10,11）のうちで一方の又は両方の母管
区分（10,11）を固定する手段を有している、請求項７
記載の熱交換器。
【請求項１３】両母管（2a,2b）を供給もしくは排出導
管に接続するための複数の接続管（17c,17d）が、両母
管（2a,2b）の軸方向中央に取付けられている、請求項
１記載の熱交換器。
【請求項１４】母管（2a,2b）に関して対称的なそれぞ
れ２つの接続管（17c,17d）が、各母管（2a,2b）に取付
けられている、請求項13記載の熱交換器。
【請求項１５】両母管（2a,2b）を供給もしくは排出導
管に接続するための複数の接続管（17a,17b）が、各母
管（2a,2b）の軸方向両端部に取付けられている、請求
項１記載の熱交換器。