JP2943603B2 - 回転式熱交換器の支持装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は回転式熱交換器の支持装
置に関し、特に、ガスタービン機関から排出される排気
ガスの熱を利用して、ガスタービン機関への吸入空気を
加熱する用途等に使用される回転式熱交換器における回
転蓄熱ロータの支持装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ガスタービン機関では排気ガス
の熱を蓄熱式熱交換器によって蓄え、蓄えた熱を利用し
て吸入空気の温度を上昇させ、排気ガスの熱を有効に活
用して機関の熱効率を高めることが行われている。これ
は、ガスタービン機関は元来、部分負荷での燃料消費率
が悪く、部分負荷での使用頻度が高い自動車用等に使用
されるガスタービン機関では、部分負荷での燃料消費率
を向上するために吸気を加熱して燃焼器における温度上
昇を補助する蓄熱式熱交換器が用いられているのであ
る。そして、この蓄熱式熱交換器としては、ハニカム状
の蓄熱板をケーシング内で回転させて効率良く熱交換を
行う回転式熱交換器が使用される。

【０００３】図６は自動変速機付の自動車に搭載され
る、熱交換器を備えた従来の二軸式ガスタービン機関の
一般的な構成の一例を示すものである。図６において、
Ｃはコンプレッサ、ＨＥは回転式熱交換器、ＣＣは燃焼
器、ＣＴはコンプレッサタービンであり、コンプレッサ
ＣとコンプレッサタービンＣＴとは回転軸にて直結さ
れ、燃焼器ＣＣにはアクチュエータＡ１を介して燃料が
供給されている。吸入空気（以下吸気という）はコンプ
レッサＣにて圧縮され、熱交換器ＨＥにて予熱され、燃
焼器ＣＣにて燃料と混合されて燃焼し、その燃焼ガスが
コンプレッサタービンＣＴを回転させる。このコンプレ
ッサタービンＣＴとコンプレッサＣと燃焼器ＣＣとは総
称してガスジェネレータと呼ばれることもあり、このコ
ンプレッサタービンＣＴの回転数がコンプレッサＣの圧
縮度を左右する。コンプレッサタービンＣＴを駆動した
燃焼ガスは、アクチュエータＡ２に調整される可変ノズ
ルＶＮを経てパワタービン (出力タービン) ＰＴを駆動
した後、熱交換器ＨＥを経て排気ガスとなって大気に排
出される。

【０００４】ガスジェネレータの起動は、コンプレッサ
Ｃの回転軸上に設けられたフロントギヤＦ／Ｇを、クラ
ッチ内蔵のスタータＳＭによって回転させることによっ
て行われる。また、アクチュエータＡ１は制御回路CONT
からの指令によって燃料を燃焼器ＣＣに供給し、アクチ
ュエータＡ２は制御回路CONTからの指令によって可変ノ
ズルＶＮの開度を調整する。この制御回路CONTには、ア
クセルペダルの開度や図示しないセンサからの機関の運
転状態パラメータが入力されており、制御回路CONTは機
関の運転状態に応じてアクチュエータＡ１, Ａ２を駆動
する。

【０００５】以上が二軸式ガスタービンＧＴの構成であ
り、パワタービンＰＴの回転は減速歯車Ｒ／Ｇによって
減速されて自動変速機Ａ／Ｔに伝えられ、シフト状態に
応じた回転数に変換された後に差動歯車Ｄを介して車輪
Ｗに伝達される。なお、一般に、図６のの位置の吸気
圧をＰ₃ 、の位置の温度をＴ₄ というように、吸気圧
Ｐや温度Ｔに付された添え字は、○で囲まれた番号の位
置の吸気圧Ｐや温度Ｔを示す。

【０００６】図６に示した二軸式ガスタービンＧＴにお
ける回転式熱交換器ＨＥでは、ハニカム状の蓄熱ロータ
１の周囲に減速ギヤとしてのリングギヤ２が設けられて
おり、このリングギヤ２はパワタービンＰＴの駆動軸と
連動するシャフト３の先端部に設けられた駆動ギヤ３Ｇ
に歯合されている。そして、二軸式ガスタービンＧＴが
運転されてシャフト３が回転すると、蓄熱ロータ１はリ
ングギヤ２を介して回転し、低圧排気ガス通路５と高圧
吸気通路６とを横切って回転することによって熱交換を
行うようになっている。なお、蓄熱ロータ１は一般に、
リングギヤ２の内側に支持装置によって支持されてい
る。

【０００７】図７(a) は特開昭53−110145号公報に開示
のある、リングギヤ２の内側に設けられた蓄熱ロータ１
の支持装置５０の構成を示すものであり、蓄熱ロータ１
を支持するリングギヤ２と駆動ギヤ３Ｇとの歯合部を部
分的に拡大して示すものである。この蓄熱ロータ１の支
持装置５０では、蓄熱ロータ１のコアの外周に、断面が
半円状の複数個の中央ピン１ａが蓄熱ロータ１の軸方向
に取り付けられており、中央ピン１ａにはその軸方向の
中央部に適当な深さと幅とを有するキー溝１ｂが設けら
れており、このキー溝１ｂの中に、緩衝部材であるクッ
ションプレート４１が装着されている。更に、クッショ
ンプレート４１の上にキー４２が装着され、このキー４
２に２枚の板ばね４０の端部が重ね合わされた状態でね
じ４３によって締結されている。板ばね４０は隣接する
キー４２にその両端がねじ４３で締結されており、その
中央部はリングギヤ２の内周部にねじ４４によって取り
付けられている。

【０００８】この構成により、駆動ギヤ３Ｇが回転して
リングギヤ２のトルクが伝えられると、このトルクは板
ばね４０を介してキー４２、キー溝１ｂに伝達され、蓄
熱ロータ１が回転することになる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上の
ように構成された回転式熱交換器の支持装置５０では、
リングギヤ２が駆動ギヤ３Ｇによって回転駆動される
と、キー４２が駆動方向にずれ、図７(b) に示すよう
に、破線で示すクッションプレート４１が駆動方向にず
れてしまう。この結果、クッションプレート４１が脱落
してしまう恐れがあった。

【００１０】そこで、本発明は、回転式熱交換器の支持
装置において、回転式熱交換器の起動時等に、キーとキ
ー溝との間に挿入された緩衝部材にこれをキー溝から押
し出すような力が加わっても、緩衝部材がキーから脱落
する恐れがなく、キーとキー溝との間に緩衝部材が常に
介在するようにすることにより、回転式熱交換器の支持
装置の耐久性を向上させることを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成する本発
明の回転式熱交換器の支持装置は、通気性の有る回転蓄
熱ロータを内蔵したケーシングに、低温気体用と高温気
体用の出入口が前記回転蓄熱ロータを介して対向状態で
２組設けられ、これら低温高圧気体と高温低圧気体とを
混合させずにこの回転蓄熱ロータを通過させて熱交換を
行う回転式熱交換器の回転蓄熱ロータの支持装置であっ
て、前記回転蓄熱ロータの外周部にキー溝が設けられ、
このキー溝に緩衝部材を介してキー部材が嵌め込まれ、
このキー部材が前記回転蓄熱ロータの外周部に設けられ
るリングギヤの内周面にばねを介して取り付けられるも
のにおいて、前記キー部材の全周に前記緩衝部材を設け
ると共に、この緩衝部材を前記キー溝に対して前記回転
蓄熱ロータの回転方向と逆方向に回転可能にしたことを
特徴としている。

【００１２】

【作用】本発明の回転式熱交換器の支持装置によれば、
回転式熱交換器の回転蓄熱ロータの外周部にキー溝が設
けられ、このキー溝に緩衝部材を介してキー部材が嵌め
込まれ、このキー部材が回転蓄熱ロータの外周部に設け
られるリングギヤの内周面にばねを介して取り付けられ
るものにおいて、キー部材の全周に緩衝部材が取り付け
られ、緩衝部材が回転蓄熱ロータの回転方向に回転可能
に取り付けられている、或いは、緩衝部材を固着したキ
ー部材が回転蓄熱ロータの回転方向と逆方向に回転可能
に取り付けられていることにより、リングギヤの駆動時
に緩衝部材をキー溝から押し出すような力が加わると、
キー溝に対して緩衝部材が回転するので、常にキー溝と
キー部材との間に緩衝部材が存在することになる。

【００１３】

【実施例】以下添付図面を用いて本発明の実施例を詳細
に説明する。図１(a) は本発明の一実施例の回転式熱交
換器の支持装置１０が組み込まれた回転式熱交換器ＨＥ
の全体構成を示す構成図であり、図１(b) は(a) の要部
を拡大して示す部分拡大断面図である。図１(a) ，(b)
において、図６，７にて説明した従来のガスタービン機
関における回転式熱交換器の支持装置５０の構成部材と
同じ構成部品については同じ符号（記号）が付されてい
る。

【００１４】図１に示した回転式熱交換器ＨＥにおいて
も、ハニカム状の蓄熱ロータ１の外周部に取り付けられ
たリングギヤ２が、パワタービンの駆動軸と連動するシ
ャフト３に取り付けられた駆動ギヤ３Ｇによって駆動さ
れ、蓄熱ロータ１が低圧排気ガス通路６と高圧吸気通路
５とを横切って回転して熱交換を行うようになってい
る。低圧排気ガス通路６と高圧吸気通路５とは、ケーシ
ング４に略Ｄ形状の開口によって接続している。４１は
ケーシング４内の低温高圧空気溜まりである。

【００１５】そして、ケーシング４の内部には高圧吸気
と低圧排気ガスとを密封、シールするために、略Ｃ形
状、或いは略Ｄ形状の外開きのベローズ７、ベローズ７
に当接するフランジ８、およびシール部材９が設けられ
ている。ベローズ７は、例えば、耐熱金属薄膜材料から
なる同形状の２枚のベローズ板を外開きに接合すること
によって構成され、ベローズ７のどの部分の局部断面も
略Ｖ形状になっている。そして、フランジ８はケーシン
グ４に固着されている。

【００１６】図１(b) はこの実施例の回転式熱交換器の
支持装置１０の構成を示すものであり、図１(a) におけ
る蓄熱ロータ１を支持するリングギヤ２と駆動ギヤ３Ｇ
との歯合部が部分的に拡大されて示されている。この回
転式熱交換器の支持装置１０では、蓄熱ロータ１のコア
の外周に、その軸方向の中央部に適当な深さと幅とを有
するキー溝１１が設けられており、このキー溝１１の中
に、円板状のキー１３が装着され、このキー１３の外周
部には、緩衝部材として、ゴム等で作られた環状のクッ
ションリング１２が取り付けられている。そして、この
キー１３はその中心部において取付台１４に取り付けら
れるようになっており、取付台１４の頭部１４ａには、
２枚の板ばね４０の端部が重ね合わされた状態でねじ４
３によって締結されている。この板ばね４０は隣接する
取付台１４にその両端がねじ４３で締結されており、そ
の中央部はリングギヤ２の内周部にねじ４４によって取
り付けられている。この板ばね４０の取付台１４への取
り付け、および、リングギヤ２の内周部へのねじ４４に
よる取り付けは従来と同じである。

【００１７】図２は、図１(b) に示した実施例の回転式
熱交換器の支持装置１０の構成要素を分解して示す斜視
図である。この図に示すように、蓄熱ロータ１のコアの
外周には、その軸方向の中央部に適当な深さと幅とを有
するキー溝１１が設けられている。このキー溝１１の形
状は、この実施例のキー１３の形状に合わせて円形の溝
となっている。一方、この実施例のキー１３は所定の厚
さを備えた円板状をしており、その中心部には取付穴１
３ａが設けられており、また、このキー１３の外周部に
は、所定の厚さを備えたキー１３と同じ幅のリング状の
クッションリング１２が取り付けられる。

【００１８】クッションリング１２が外周部に嵌められ
た２個のキー１３は、取付穴１３ａと同径の貫通穴１４
ｃが胴部１４ｂに設けられた取付台１４の両側に、ピン
１５を挿通することによって取り付けられる。この取付
台１４の胴部１４ｂは小さな円板状をしており、この胴
部１４ｂには首部１４ａが突設されており、この首部１
４ａの自由端面にはねじ穴１４ｄが設けられている。取
付台１４の頭部１４ａには、端部に取付穴４０ａが設け
られた２枚の板ばね４０が、その端部が重ね合わされた
状態で載置され、取付穴４０ａに挿通されたねじ４３が
頭部１４ａに設けられたねじ穴１４ｄに螺着されて２枚
のばね４０が取付台１４の頭部１４ａに締結される。板
ばね４０が取り付けられた取付台１４と、この取付台１
４に取り付けられたクッションリング１２が外周部に嵌
められた２個のキー１３は、蓄熱ロータ１のコアの外周
に設けられたキー溝１１内に挿入される。そして、板ば
ね４０は、隣接する取付台１４にその両端がねじ４３で
締結され、その中央部がリングギヤ２の内周部にねじ４
４によって取り付けられる構成はこの板ばね４０の取付
台１４への取り付け、および、リングギヤ２の内周部へ
のねじ４４による取り付けは従来と同じである。

【００１９】なお、キー溝１１の周囲に、従来例と同様
に、蓄熱ロータ１の軸方向に従来技術に記載の中央ピ
ン、即ち、当て板を設けるようにしても良い。図３(a)
は図２の回転式熱交換器の支持装置１０の組立後の側断
面図であり、図３(b) は図３(a) の平面図である。この
実施例では、キー溝１１に対して２個のキー１３の外周
部に嵌められるクッションリング１２が動けるようにな
っている。従って、キー１３が取付台１４に固着されて
いる場合は、クッションリング１２は、キー１３に対し
て摺動できるようにキー１３に嵌め込まれ、キー１３が
取付台１４に対してピン１５を回転軸として回転可能に
取り付けられている場合は、クッションリング１２は、
キー１３に対して固着状態で取り付けられる。なお、ク
ッションリング１２がキー１３に対して摺動できるよう
にキー１３に嵌め込まれると共に、キー１３が取付台１
４に対してピン１５を回転軸として回転可能に取り付け
られていても良い。

【００２０】以上のように構成された実施例の回転式熱
交換器の支持装置１０において、リングギヤ２が駆動ギ
ヤ３Ｇによって回転駆動されてキー１３が駆動方向にず
れ、クッションリング１２に図３(a) に矢印Ｚで示すよ
うな力が加わった場合について説明する。まず、クッシ
ョンリング１２がキー１３に固着されていない場合は、
矢印Ｚで示す力によってクッションリング１２がキー溝
１１内から押し出されるが、クッションリング１２は環
状をしているために、キー溝１１の反対側から押し出さ
れた分のクッションリング１２がキー溝１１内に送り込
まれることになり、キー溝１１とキー１３との間に常に
クッションリング１２が存在することになる。即ち、ク
ッションリング１２は矢印Ｚで示す力を受けても蓄熱ロ
ータ１の回転方向と逆方向に回転するので、従来のよう
にキーからクッションプレートが脱落するという問題が
起こらない。

【００２１】次に、クッションリング１２がキー１３に
固着されている場合は、キー１３がピン１５を回転軸と
して回転できるので、矢印Ｚで示す力によってキー１３
が蓄熱ロータ１の回転方向と逆方向に回転することにな
り、キー溝１１とキー１３との間に常にクッションリン
グ１２が存在することになる。即ち、従来のようにキー
からクッションプレートが脱落するという問題が起こら
ない。

【００２２】このように、以上説明した実施例の回転式
熱交換器の支持装置１０では、回転式熱交換器の起動時
等に、キー１３とキー溝１１との間に挿入された緩衝部
材であるクッションリング１２に、これをキー溝１１か
ら押し出すような力が加わってクッションリング１２が
ずれても、キー１３とキー溝１１との間には常にクッシ
ョンリング１２が介在するようにすることになり、回転
式熱交換器の支持装置の耐久性を向上させることができ
る。

【００２３】また、図３(b) に示すように、取付台１４
に取り付けられた２つのキー１３の間には空間があるた
め、この部分に空気が進入することができ、回転式熱交
換器の支持装置１０を冷却することが可能である。図４
は、本発明の別の実施例の回転式熱交換器の支持装置２
０の要部の側断面図であり、図３(a) と同じ部位の構成
を示している。この実施例の回転式熱交換器の支持装置
２０が前述の回転式熱交換器の支持装置１０と異なる点
は、キー１３の形状のみである。従って、回転式熱交換
器の支持装置１０と同じ構成部材には同じ符号を付して
その説明を省略する。

【００２４】図４に示す実施例の回転式熱交換器の支持
装置２０では、キー１３の形状が円形ではなく、リング
ギヤ２側のキー１３が直線状に形成されている。この実
施例でも、キー溝１１に対して２個のキー１３の外周部
に嵌められるクッションリング１２が動けるように構成
する必要がある。従って、キー１３が取付台１４に固着
されている場合は、クッションリング１２は、キー１３
に対して摺動できるようにキー１３に嵌め込まれ、キー
１３が取付台１４に対してピン１５を回転軸として回転
可能に取付られている場合は、クッションリング１２
は、キー１３に対して固着状態で取り付けられる。この
場合も、クッションリング１２がキー１３に対して摺動
できるようにキー１３に嵌め込まれると共に、キー１３
が取付台１４に対してピン１５を回転軸として回転可能
に取り付けられていても良い。

【００２５】この実施例の回転式熱交換器の支持装置２
０は、前述の実施例の回転式熱交換器の支持装置１０に
対して、リングギヤ２と蓄熱ロータ１との距離を短くす
ることができ、前述の実施例の効果に加えて、回転式熱
交換器を小型化することができる。図５は本発明の更に
別の実施例の回転式熱交換器の支持装置３０の要部の側
断面図であり、図３(a) と同じ部位の構成を示してい
る。この実施例の回転式熱交換器の支持装置３０が前述
の回転式熱交換器の支持装置１０と異なる点は、キー１
３の形状のみである。従って、回転式熱交換器の支持装
置１０と同じ構成部材には同じ符号を付してその説明を
省略する。

【００２６】図５に示す実施例の回転式熱交換器の支持
装置３０では、キー１３の形状が円形ではなく、楕円形
に形成されている。この実施例でも、キー溝１１に対し
て２個のキー１３の外周部に嵌められるクッションリン
グ１２が動けるように構成する必要がある。従って、キ
ー１３が取付台１４に固着されている場合は、クッショ
ンリング１２は、キー１３に対して摺動できるようにキ
ー１３に嵌め込まれ、キー１３が取付台１４に対してピ
ン１５を回転軸として回転可能に取付られている場合
は、クッションリング１２は、キー１３に対して固着状
態で取り付けられる。この場合も、クッションリング１
２がキー１３に対して摺動できるようにキー１３に嵌め
込まれると共に、キー１３が取付台１４に対してピン１
５を回転軸として回転可能に取り付けられていても良
い。

【００２７】この実施例の回転式熱交換器の支持装置３
０は、最初の実施例の回転式熱交換器の支持装置１０に
対して、リングギヤ２と蓄熱ロータ１との距離を短くす
ることができ、前述の実施例の効果に加えて、回転式熱
交換器を小型化することができる。以上のように、本発
明の回転式熱交換器の支持装置では、これをガスタービ
ン機関の熱交換器ＨＥに採用した場合、ガスタービン機
関の起動時、過渡時等に回転式熱交換器の支持装置の緩
衝部材に、これをキー溝から押し出すような力が加わっ
ても、キー溝とキーとの間には常に緩衝部材が存在する
ので、回転式熱交換器の支持装置の耐久性が向上する。
また、キーの形状を工夫することにより、従来の回転式
熱交換器の支持装置と同じような程度の大きさの装置を
実現することができる。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の回転式熱
交換器の支持装置によれば、回転式熱交換器の起動時等
に、キーとキー溝との間に挿入された緩衝部材にこれを
キー溝から押し出すような力が加わっても、緩衝部材が
キーから脱落することなく、キーとキー溝との間に緩衝
部材が常に介在するようにすることにより、回転式熱交
換器の支持装置の耐久性を向上させることができるとい
う効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】(a) は本発明の蓄熱ロータの支持装置を使用し
た回転式熱交換器の全体構成を示す断面図、(b) は本発
明の一実施例の回転式熱交換器の支持装置の要部拡大断
面図である。

【図２】図１(b) の回転式熱交換器の支持装置の要部の
組立斜視図である。

【図３】(a) は図２の回転式熱交換器の支持装置の組立
後の側断面図、(b) は(a) の平面図である。

【図４】本発明の回転式熱交換器の支持装置の別の実施
例の側断面図である。

【図５】本発明の回転式熱交換器の支持装置の更に別の
実施例の側断面図である。

【図６】自動変速機付の自動車に搭載される、熱交換器
を備えた従来の二軸式ガスタービン機関の一般的な構成
の一例を示す構成図である。

【図７】(a) は従来の回転式熱交換器の支持装置の要部
の側断面図、(b) は従来の回転式熱交換器の支持装置の
問題点を説明する図である。

【符号の説明】

１…蓄熱ロータ ２…リングギヤ ３Ｇ…駆動ギヤ ４…ケーシング ５…低圧排気ガス通路 ６…高圧吸気通路 ７…ベローズ ８…フランジ ９…シール部材 １０…本発明の一実施例の支持装置 １１…キー溝 １２…クッションリング（緩衝部材） １３…キー １４…取付台 １５…ピン ２０…本発明の別の実施例の支持装置 ３０…本発明の更に別の実施例の支持装置 ４０…ばね ４３…ねじ ＨＥ…回転式熱交換器

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 通気性の有る回転蓄熱ロータを内蔵した
   ケーシングに、低温気体用と高温気体用の出入口が前記
   回転蓄熱ロータを介して対向状態で２組設けられ、これ
   ら低温高圧気体と高温低圧気体とを混合させずにこの回
   転蓄熱ロータを通過させて熱交換を行う回転式熱交換器
   の回転蓄熱ロータの支持装置であって、前記回転蓄熱ロ
   ータの外周部にキー溝が設けられ、このキー溝に緩衝部
   材を介してキー部材が嵌め込まれ、このキー部材が前記
   回転蓄熱ロータの外周部に設けられるリングギヤの内周
   面にばねを介して取り付けられるものにおいて、 前記キー部材の全周に前記緩衝部材を設けると共に、こ
   の緩衝部材を前記キー溝に対して前記回転蓄熱ロータの
   回転方向と逆方向に回転可能にしたことを特徴とする回
   転式熱交換器の支持装置。