JP3354569B2 - 内部通路がその全長を通じて一定の断面積を有する環状熱交換器 - Google Patents

内部通路がその全長を通じて一定の断面積を有する環状熱交換器

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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は一般的には熱交換器に関し、さらに詳しくは
その内部に複数の通路を有して各通路がその全長を通じ
て一定の断面積を有する環状の熱交換器構造に関する。
背景技術 多くのガスタービンエンジンには、排気ガスからの熱
の抽出かつ取入れ空気の予熱によりエンジンの作動効率
を上げるための熱交換器或いはレキュペレータが使用さ
れている。代表的には、ガスタービンエンジン用レキュ
ペレータは、始動、停止の循環の繰り返しを伴う作動状
況のもとで摂氏約500度から700度までの温度かつ約450k
Paから1400kPaまでの内部圧力で作動することができな
ければならない。
そのような環状レキュペレータは、その間に固着され
曲げられた波形のスペーサを有する複数の比較的薄い平
らなシートで通常構成されたコアを有する。シートは、
セルに接合され、両端部を封じられてシートの間に通路
を形成する。これらのセルは積み重ねられて巻き付けら
れて、交互の空気セル及び高温排気セルを形成する。エ
ンジンの圧縮機から圧縮され排出された空気は空気セル
を通過する一方、高温排気ガスが他方のセルを通して流
れる。排気ガスは前記シート及びスペーサを加熱し、圧
縮機から排出された空気はシート及びスペーサからの伝
導により加熱される。
上記のようにレキュペレータの一例は、1966年11月15
日付けでL.P.ウォシカ向けに発行された米国特許第3,28
5,326号に開示されている。かかる装置では、レキュペ
レータは、軸線から間隔をへだてて配置され、間に波形
のスペーサを入れられて軸線のまわりに巻き付けられた
一対の比較的薄い平らなプレートを有する。空気の流れ
は一方の端部から入り反対側の端部から出るが、排気ガ
スの流れは空気の流れとは反対方向へ流れそれぞれの反
対側の端部から出入りする。上記のような装置に関する
問題点の一つは十分な効率が得られないこと、及び、最
終組立ての前に通路の漏れの点検や検査ができないこと
である。更に、外側のプレートは一方の側がレキュペレ
ータの温度にさらされており、他方の側が環境温度にさ
らされている。従って、レキュペレータが始動、停止に
より膨張したり収縮したりするので、コアと平板との間
の接合点におけるコア内に引き起こされる熱応力や歪み
は大きく変化し、構造の耐用年数を減少させる。
かかるレキュペレータのもう一つの例は、1967年７月
28日付けでL.R.ウォシカに付与された米国特許第3,507,
115号に開示されている。かかる装置では、レキュペレ
ータは、中空円筒形内部容器と、一連の波形の空気コア
即ち燃焼ガスコアを形成する何枚かの回旋状の分離シー
トによって分離された同心の外側シェルとからなる。高
温ガスや冷たい空気との間での伝達を増大させるため
に、波形シートは分離シートに金属的に接着されてい
て、効率を増すことが意図されている。このような装置
に関する問題点の一つは十分な効率が得られないこと、
及び、最終の熱交換器に組み立てる前に個々の通路の点
検や検査ができないことである。更に、外側シェルは一
方の側がレキュペレータの温度に晒され、他方の側が環
境温度に晒されている。従って、レキュペレータはその
始動、停止により膨張したり収縮したりするので、回旋
状の分離シート、波形シート及び同心の外側シェルの接
合点でコアに引き起こされる熱応力や歪みは大きく変化
し、構造の耐用年数を減少させる。
かかるレキュペレータのもう一つの例は、1966年６月
14日付けでポールE.ビーム,Jr.他に付与された米国特許
第3,255,818号に開示されている。かかる装置では、単
純なプレート構造が円筒形の内側ケーシング及び共通軸
線を有する環状の外側ケーシングを有する。半径方向に
配置されたプレートはより低温の流体とより高温の流体
を交互に流す通路Ａ及びＢを形成する。熱交換器の軸線
に向かって徐々に幅が狭くなっている波形のプレートが
通路Ａに配置され、又軸線に向かって徐々に幅が広くな
っている波形のプレートが通路Ｂに配置されている。か
かる装置に関する問題点の一つは、十分な効率が得られ
ないことである。更に、環状の外側ケーシングは一方の
側がレキュペレータの温度にさらされ、他方の側が環境
温度にさらされている。かくして、レキュペレータは始
動、停止により膨張したり収縮したりするので、半径方
向に配置されたプレートと外側ケーシングとの間の接合
点でコアに引き起こされる熱応力や歪みは大きく変化
し、構造の耐用年数を減少させる。
環状レキュペレータ或いは再生用熱交換装置のもう一
つの例は1969年11月４日付けでR.W.ガーンゼイ他に付与
された米国特許第3,476,174号に開示されている。かか
る装置では、半径流再生用熱交換器置が、複数の重ねら
れた薄い波形板金ストリップ或いはシムにより形成され
た複数の熱伝達セグメントを有する。熱伝達セグメント
は補剛材の間に取り付けられ、ブリッジが複数の切欠き
に位置決めされて熱伝達セグメントに固定される。従っ
て、前記再生用熱交換器置は半径方向の熱流を出す一
方、熱伝達領域を効率よく利用していない。例えば、補
剛材及びブリッジは熱伝達の目的のために利用されうる
領域に位置決めされている。更に、費用及び構造の複雑
性は、調節ビームの切欠きと複雑な形状のために非常に
増大する。
熱交換器のもう一つの例は、1973年９月18日付けでハ
リーJ.ドーソン他に付与された米国特許第3,759,323号
に開示されている。一次表面板型熱交換器の構造が示さ
れており、シートを間隔をへだてて配置するための複数
の縁部バーを有する複数の次々の平板が使用されてい
る。多数の板がその間に縁部バーをはさんで対をなして
積み重ねられて所望の寸法の熱交換コアを形成してい
る。
熱交換器の構造のもう一つの例は、1976年７月23日付
けでロバートJ.フラワー他に付与された米国特許第4,09
8,330号に開示されている。環状構造が、複数の波形の
個別のプレートを互いに重ね合わせることにより形成さ
れ、除々に熱交換器を形作るようになっている。複数の
プレートは、波形の軸線が回旋形状と垂直であるように
回旋状に曲げられる。プレートを積み重ねることによ
り、その間に一定の高さを有する流体通路が形成され
る。螺旋状に曲げられた複数のプレートを使用する熱交
換器は費用の安い熱交換器を提供しない。更に、構造を
作る構成部品の費用と複雑性、及びこれらの構成部品の
組立ては、大幅に費用を増加させる。
熱交換器のもう一つの例が、1962年４月４日付けでフ
ィリップス グロエイラムペンファブリエケンに付与さ
れた西独特許第Ａ−892962号に開示されている。環状熱
交換器が、内壁と外壁との間に多くのプレートを含む。
これらのプレートはアルキメデスのらせんの形状に形成
されており、互いに平行に延びている。プレートの中間
部分の間に形成された各ダクトの断面積はその長さを通
してほぼ一定である。
熱交換器のもう一つの例が、1968年10月15日付けでテ
レンスP.ニコルソンに付与されたスイス国特許第Ａ−46
0831号に開示されている。平行四辺形の形をした中央部
分を有する複数のシートが接合されて熱交換器を形成し
ている略立方体ブロックまたは同様に環状の熱交換器が
開示されている。
プレート型熱交換器のもう一つの例が、1983年４月27
日付けでジョンJ.マーチンに付与された欧州特許第Ａ−
0077656号に開示されている。プレート型熱交換器は、
各プレートに間隔を隔てて設けられた開口の間に交互の
パターンの異なる波形が設けられた積み重ねられた構造
対に組み立てられた比較的薄い材料からできている。こ
の熱交換器は、ガスタービンエンジンの再生用熱交換器
に特に応用される。
熱交換器のもう一つの例が、1966年６月14日付けでポ
ールE.ビーム ジュニアほかに付与された米国特許第Ａ
−3255818号に開示されている。この熱交換器は一連の
インボリュートプレートからできている。これらのプレ
ートは滑らかな表面を有し、波形にされていない。
本発明は、上述のような問題点の一つ或いはそれ以上
を克服することに向けられている。
発明の開示 本発明の一つの観点によれば、複数の熱受容通路と複
数の熱供与通路とを内部に有するコアを備え、前記熱受
容通路が作動中内部に受容流体を有すると共に前記熱供
与通路が作動中内部に供与流体を有する熱交換器であっ
て、前記コアが、通路のうちの一方を各々内部に有する
複数の積み重ねられた一次表面セルを有し、セルが互い
に固定されて略環状のコアを形成し、隣接したセルがそ
の間に通路の他方を形成する熱交換器において、前記複
数の各セルが、インボリュート状に湾曲した形を有して
少なくとも一対の一次表面プリーツシートを有し、前記
一次表面プリーツシートの各々が、一方の端部が他方の
端部よりも短い一対の平行端部を有する概して台形形状
を構成する中央部分を有し、前記短い平行端部が受容流
体の入口に向って位置決めされ、前記熱受容通路の各々
が、通路の全長を通じて一定の断面積を有し、前記熱供
与通路の各々が、通路の全長を通じて一定の断面積を有
することを特徴とする熱交換器が提供される。
本発明のもう一つの観点によれば、動力タービンと流
体接続した燃焼器と流体連通した圧縮機部分と、前記燃
焼器から出て前記動力タービンを通過した後内部を通過
する供与流体を有する排気装置と、前記圧縮機を出た後
内部を通過する受容流体を有する吸気装置と、前記排気
装置および前記吸気装置と流体連通して配置され、前記
受容流体が通過する複数の熱受容通路と、前記供与流体
が通過する入口通路を有する複数の熱供与通路とを有す
るコアを備えた熱交換器であって、前記コアが、通路の
うちの一方を各々内部に有する複数の積み重ねられた一
次表面セルを有し、セルが互いに固定されて略環状のコ
アを形成し、隣接したセルがその間に通路の他方を形成
する熱交換器において、前記複数の各セルが、インボリ
ュート状に湾曲した形を有して少なくとも一対の一次表
面プリーツシートを有し、前記一次表面プリーツシート
の各々が、一方の端部が他方の端部よりも短い一対の平
行端部を有する略台形形状を構成する中央部分を有し、
前記短い平行端部が受容流体の入口に向って位置決めさ
れ、前記熱受容通路の各々が、通路の全長を通じて一定
の断面積を有し、前記熱供与通路の各々が、通路の全長
を通じて一定の断面積を有し、前記熱受容通路および前
記熱供与通路の各々は内部に、一対の側部を有する部材
が位置決めされており、前記一対の側部の一方は短く、
前記一対の側部の他方は長く、流体の前記流れは、前記
部材の短い方の側部を通過して前記中央部分の短い平行
端部に流入し、前記部材の長い方の側部を通過して前記
中央部分の長い平行端部に流入することを特徴とする熱
交換器と、を含むガスタービンエンジンが提供される。
発明の開示 図面の簡単な説明 図１は、本発明の実施例で使用されるエンジンアダプ
タの一部を示す斜視図、 図２は、熱交換器及びエンジンの一部を示す断面図、 図３は、図２の４−４線に沿って切断した場合の複数
のセルを通しての拡大断面図、 図４は、シートの複数の角部を示しコアの複数の角部
と一致する一次表面プリーツシートの展開図、 図５は、そこに位置する溶接部の一部を示すコアの一
部の詳細図、及び、 図６は、セルを形成する構成部品の分解組立て図。
発明を実施するための最良の態様 図面、特に図１、２及び３を参照すると、熱交換器或
いはレキュペレータ10がエンジン12に取り付けられてい
る。本実施例に係るエンジン12とは矢印16により示され
た受容流体を有する、ごく一部のみが図示された吸気装
置14を有するガスタービンエンジンを指す。更にエンジ
ン12は矢印20により示された供与流体を有する、ごく一
部のみが図示された排気装置18を有する。受容流体16の
温度範囲は、供与流体20の温度範囲よりも低い。他の方
法を述べれば熱交換器10は、受容流体16及び供与流体20
を有し、かつ熱交換が適切になされるようないかなる装
置とも併用することができる。熱交換器10は多くの小片
からなる概して環状の一つのコア22を有する。コア22は
一対の端部24及び26即ち内側部分28及び外側部分30とを
有する。コア22は概して軸線32を中心としており、エン
ジン12に取り外し可能に取り付けられる。熱交換器10
は、本発明の主旨を変えずに前記エンジン12に固定装着
されてもよい。図３にて最も良く示したように、コア22
は複数の一次表面セル34からなり、各セルは第一の通路
或いは熱受容通路即ち熱回収通路36をその内部に有す
る。複数の第二の通路或いは熱供与通路38は、コア22の
隣接したセル34の間に形成される。それらのセルはセル
34のうちもう一つのセルに接するよう積み重ねられ、固
定手段40により互いに固定される。
入口42が各セル34に配置され、受容流体16が通路36に
入る前にそこを通過するように、対応する通路36と流体
連通している。出口44が各セル34に配置され、受容流体
16が通路36を通過した後にそこを通過するように、対応
する通路36と流体連通している。複数の入口通路46は概
して熱受容通路36及び熱供与通路38の内側に配置され、
供与流体20が通路38に入る前にそこを通過するよに、個
々の通路38と連通している。複数の出口通路48が概して
熱受容通路36及び熱供与通路38の外側に配置され、供与
流体20が通路38を通過した後にそこを通過するように、
個々の通路38と流体連通している。
複数の熱受容通路36は各々、通路36の全長を通じて等
しい所定の断面積を有する。複数の熱受容通路42及び44
はそれぞれ、通路42及び44の全長を通じて等しい断面積
を有する。通路42、36、44の各断面積は通路の全長に沿
って互いに等しい所定の厚さを有する。複数の入口通路
46及び出口通路48は各々、通路46及び48の全長を通じて
等しい所定の断面積を有する。通路46、38、48の断面積
はそれぞれ更に、通路の全長に沿って互いに等しい所定
の厚さを有する。この特別な実施例においては、各通路
42、44の一定の断面積及び所定の厚さは互いに等しく、
各通路46、48の一定の断面積及び所定の厚さは互いに等
しい。更にこの特別な実施例においては、各通路36及び
38の一定の断面積及び厚さは互いに等しい。通路の厚さ
は約3.66ミリである。他の方法としては、各通路の一定
の断面積及び、或いは又は厚さは増減してもよい。多く
の例では、その面積及び厚さは受容流体16及び熱供与流
体20の、即ち熱移動、熱回復が可能な面積の特徴により
異なる。
熱交換器10は更に、コア22を部分的に囲う又熱交換器
10の一部であるハウジング64を有する。ハウジング64
は、概して円筒形の外装板66、端板68及びエンジン12に
取り付けるための取付装着アダプタ70とを有する。他の
例として、取４付アダプタ70或いはハウジング64はエン
ジン12の一部であってもよい。複数のタイロッド72は端
部板68及び装着アダプタ70を連結し、ハウジング64をよ
り剛性にする。
作動中、供与流体20は、入口通路46、熱供与通路38及
び出口通路48を通過し、図５の矢印74によって最も良く
示される第一作動圧力或いは力を及ぼす。受容流体16
は、入口通路42、熱受容通路36及び出口通路44を通過
し、入口通路42、セル34、及び熱受容通路36に図６の矢
印76により示される第二作動圧力或いは力を及ぼす。第
一及び第二作動圧力74、76は異なる圧力値を有するの
で、組み合わされた力がセル34を分離させようとする。
熱交換器10は更に、セル34を分離させようとする力に抵
抗する手段78及び供与流体20及び受容流体16を密封する
手段80とを有する。手段80は、供与流体20がコア22を通
過し、又コアに入る前及びコア22を通過した後の受容流
体16を密閉することを保証する。セル34を分離させよう
とする力に抵抗する手段78は流体16、20のうちより高温
の方のみの温度に応答して熱交換器10にかかる所定の力
を維持する。
熱受容通路36は吸気装置14に連結され、熱供与通路38
は排気装置18に連結される。エンジン12とコア22との間
に配されるのは、通路42、36、44を通過する前の受容流
体16を配分する手段82である。受容流体16の配分手段82
は、熱受容通路36から略半径方向に外側に向かって位置
し又コア22の略軸方向に外側に位置する概して環状のタ
ンク84を有する。エンジン12とコア22との間に配される
のは、通路42、36、44を通過した後の受容流体16を収集
する手段86である。通路42、36、44を通過した後の受容
流体16の収集手段86は、熱受容通路36から略半径方向に
内側に向かって位置し又コア22から略軸方向に外側に位
置する概して環状のタンク88を有する。
ガスタービンエンジン12は、図１及び図２に最も良く
示したように従来の設計を有し、新鮮な大気中の空気或
いは本実施例における受容流体16がコア22に入る前に通
過する圧縮機部、出力タービン部分（前記どちらも図示
されていない）及び高温排気ガス或いは本実施例では供
与流体20がコア22に入る前に通過する排気装置18を有す
る。
図２に示されたエンジン12の吸気装置14は更に、受容
流体16が通過する、それぞれ一つだけが図示された複数
の入口90及び出口92を内部に有する。
図４、５及び６に最も良く示したように、コア22は複
数の個別の一次表面プリーツシート100及び前記シート1
00の間に所定の距離間隔をへだてる間隔手段102とを有
する。各シート100は３つの主要な領域を有する。例え
ば波形或いは曲がりくねった回旋状の一次表面中央部分
104は概して台形を有し又略台形を有する一対の翼部106
及び108を有する。中央部分104は一対の側部110、平行
に位置する短端部112及び長端部114、及び短端部112及
び長端部114に沿う幅の狭いベルトに位置しそこへの長
さが等しい一対のひだ寄せした部分116を有する。翼部1
06及び108はそれぞれ、短端部118及び長端部120、中央
部分104の側部110のうち一つと長さが等しい一側部12
2、又側部122より短い側部124とを有する。間隔手段102
は、短端部112と長さが等しい複数の端エッジバー128を
有し、翼部106の側部124と短端部118、中央部分104の長
端部114、又翼部108の短端部118及び側部124の輪郭に形
成される複数の略Ｕ字型のエッジバー130をも有する。
間隔手段120は更に、各翼部106及び108の長い方の端部1
20及び中央部分104の短端部112と長さが等しい複数の端
バー134を有し、又各翼部106及び108の端端部118及び中
央部分104の長端部114と長さが等しい複数のバー136を
も有する。更に間隔手段102に含まれるのは、概して長
方形を有し又入口通路46の厚さに相当する所定の厚さを
有する複数のスペーサ138である。コア22は更に、長い
端部120より僅かに短い端部142、側部122より僅かに短
い側部144、及び翼部106及び108の端部118より僅かに短
い端部149とを有する複数の略三角形の部材140を有す
る。複数の三角形部材150がコア22に含まれており、長
い端部120より僅かに短い端部152、側部124より僅かに
短い側部154、側部122より僅かに短い側部156及び翼部1
06即ち108の端部118より僅かに短い端部157とを有す
る。三角形部材140を、側部144に対して垂直に切断した
断面を通して見ると、図３に示されるような概して波形
の形状が見られる。前記波形は熱受容通路36の厚さに等
しい高さを有する。三角形部材150を、側部154に対して
垂直に切断した断面を通して見ると、概して波形の形状
が見られる。前記波形はそれぞれ、対応する受容流体36
及び供与通路38の厚さに等しい高さを有する。部品140
及び150の波形は同一ではない。例えば、部品150に備え
られた形状は図３に示されるような丸い波頭を有するの
に対し、部品140に備えられた形状は丸い角部を伴う平
らな波頭を有する。図６に最も良く示したように、各セ
ル34は以下の通りに組み立てられる。端部枠134のうち
一つは、翼部106及び108の長い端部120及び中央部分104
の短い端部112に適した位置に当たる固定器具（図には
ない）に配置される。枠136のうち一つは、翼部106及び
108の短い端部118及び中央部分104の長い端部114に対応
する位置と一致する上記の固定器具に配置される。個々
のシート100は端部枠134及び端部136の適切な部分に当
たるひだ寄せ部分116で固定器具に配置される。エッジ
バー128のうち一つは中央部分104の短い端部112につい
て配置され、Ｕ字型エッジバー130は個々のシート100に
ついて配置される。一対の三角形部材140は、対応する
翼部106及び108に相互に逆位置に配され固定される。本
実施例において、スペーサ138のうち３つは、最後にコ
ア22の内側部分28となる翼部106のみの側部124に沿って
均等に間隔をへだてて配置されている。他の例として、
スペーサ138は、供与流体20の流れが過度に制限された
り遮られたりしない限り側部124に沿って、いくつ使用
されてもよい。固定器具が閉じられるとシート100、三
角形部材140、150及び間隔配置手段102は曲げられて、
それらがインボリュート状をなすよう形成される。回旋
状の中央部分は、曲がりくねった回旋の軸が略前記イン
ボリュート状と一致するように曲げられる。かくして、
通路36、38の全長に沿う一定の断面積は略同じである。
構成部品は互いに溶接されて構成部品をインボリュート
状に保つ。他の例として、セル34を組み立てる前に個々
のシート100及び間隔手段102は曲げられるか、或いは適
切なインボリュート状に形成されてもよい。更に一対の
シート100及び間隔手段102は、入口42、受容通路36及び
出口44をその間に形成し、仕上げられたセル34を作る。
コア22に組み込まれる前に優れた溶接部及び構成部品を
保証するために、セル34は圧力検査を受ける。
図４に最も良く示したように、個々のシート100はそ
れぞれa,b,c,d,e,及びｆにより示された複数の角部を有
する。各セル34の対応する角部は、他の一つのセル34と
接するように整列されて積み重ねられて、対応する翼部
106及び108と隣接して配置される。図２及び図５に示さ
れるように積み重ねられたセル34は、それらの縁の一部
に沿って複数の円周方向溶接部170を有する固定手段40
により固定され、積み重ねられた環状配列となるようセ
ル34を固定する。セル34の複数の角部は互いに溶接され
る。
この特定の実施例では、円周方向溶接部170は、角部
a,b,c,d,e及びｆの各々を溶接するために使用される。
コア22の内側部分28は所定の周長を有し、コア22の外側
部分30も又所定の周長を有する。コア22の内側部分28の
所定の周長は、複数の直線距離D1を組み合わせて作られ
る。距離D1は各々、コア22の内側部分28の各シート100
のそれぞれの側部から測定される。セル34のインボリュ
ート形状により、距離D1より大きい距離D2はコア22の外
側部分30の各シート100のそれぞれの側部から測定され
る。距離D1の組合せ或いは付加により内側部分28の所定
の周長よりなり、又距離D2の組合せ或いは付加によりコ
ア22の外側部分30の所定の周長となる。
図１及び図２に示されるように、セル34即ちその間に
位置する通路46、38、48を分離させようとする力に抵抗
する手段78のさらなる一部は、コア22の外側部分30のま
わりに位置決めされた複数の均等に間隔をへだてて配置
された個々のテンションリング180及びコア22の内側部
分28に整列されたスペーサバー138を円周方向に連結す
る複数の溶接部182を有する。複数のテンションリング1
80は、コア22の膨張率と緊密に調和した膨張、収縮率を
有する。前記複数の円周上の溶接部182及びスペーサ138
は複数の圧縮フープ184を形成する。フープ184は、円周
方向にスペーサ138と整列され、又コア22に沿って均等
に間隔をへだてて配置され、セル34の各々が互いに力伝
達関係にあることができるようにする。
図２にて最も良く示したように密封手段80の一部は、
コア22に入る前の冷却受容流体16とコア22を出た後の加
熱された受容流体16との間に配置されたマニホルド188
を有する。受容流体16を囲む器具190も含まれており、
前記器具はハウジング64の端部板68と接触するコア22の
一方の端部を支える付勢手段196として機能する内側部
分192及び外側部分194を有する。
図２に示されるように密封手段80は更に、供与流体20
がコア22を通過するよう排気装置18を密封するようにな
った部分を含む。
産業上の利用可能性 従来のガスタービンエンジン12の圧縮機部は、大気中
の空気或いはその時点で熱交換器10の入口通路42、熱受
容通路36及び出口通路44を通される受容流体16を圧縮す
る。排気ガス或いはエンジン12内の燃焼からくる供与流
体20は、熱交換器10の入口通路46、熱供与通路38及び出
口通路48を通過してエンジン12に再び入る前の熱交換器
内の受容流体16を加熱し温度を上げる。受容流体はその
時点で燃焼室の燃料と混合され、燃焼されて供与流体20
として排出される。従ってエンジン12の作動中は、受容
流体がコア22に入る時点から加熱された受容流体16がコ
ア22をでる後までの一続きの循環作用が起こる。
特にエンジン12が自動車或いは船舶に利用されるよう
に振動の多い荷重のもとで使用される場合、エンジン12
の循環作用は排気ガスの温度を上下させる。更に取入れ
空気及び排気ガスの量即ち圧力は循環作用により変化す
る。従って熱交換器の構成部品の構造全体は極限まで圧
力をかけられる。
熱交換器は、以下のように機能するのが最適である。
受容流体16の短距離の流れは、側部146の短い方の軸線
方向長さに沿って略三角形部材140を通過し、側部146の
短い方の軸線方向長さに沿ってより短い端部112の近く
で波形一次表面中央部分104の半径方向長さを通過し、
環状タンク88へと移動する。受容流体16の長距離の方の
流れは、側部146の長い方の軸線方向長さに沿って移動
し、より長い端部114の近くで波形一次表面中央部分104
の長い方の半径方向長さを通過し、側部146の長い方の
軸線方向長さに沿って移動し、環状タンク88へと移動す
る。供与流体20の長距離の方の流れは、より長い端部15
2の近くで略三角形部材150を半径方向に通過し、より短
い端部112の近くで波形一次表面中央部分104の短い方の
長さを半径方向に通過し、より長い端部152の近くで略
三角形部材150を通過する。供与流体20の短距離の方の
流れは、より短い端部157の近くで略三角形部材150を半
径方向に通過し、より長い端部114の近くで波形一次表
面中央部分104の長い方の長さを半径方向に通過し、よ
り短い端部157の近くで略三角形部材150を半径方向に通
過する。かくして、高温の流体がシート100と熱伝達関
係にある時間は、低温の流体がシート100と熱伝達関係
にある時間よりも短く、かくして、熱受容流体16の一様
な加熱を生じる。
一定の断面積及び所定の厚さは、一次表面熱交換器の
生産性を高める。一方の端部が他の端部に対して異なる
厚さを有するひだに対し一定の厚さを有する各ひだを形
成するほうがはるかに簡単である。例えばひだの異なる
厚さを形成するために使用される打抜き型は、他方の端
部より深い溝を有する一方の端部を有する。従って打抜
き型の材料供給及び消耗率は、製造上の問題を引き起こ
す。間隔配置手段102の生産性も即ち、スペーサが所定
の一定の厚さを有するため、通路42、36、44及び46、3
8、48の全長を通じて一定である断面積により高められ
る。コスト及び補修可能性は大幅に削減され、生産性は
一定の変わらぬ厚さの利用によりかなり増されることが
可能である。更に供与流体20が内側部分28から外側部分
30へと通過する際の環状熱交換器においては、通路の全
長を通じて異なる断面積が望ましい。しかしながら供与
流体は内側部分28から外側部分30へと流れるとき温度が
下がり、かさが減って密度が増すので入口は出口より大
きい方が望ましい。内側部分28の周長が外側部分30の周
長より小さければ、もし可能であったとしてもそのよう
な設計を効果的に備えることは困難である。セル34のイ
ンボリュート状の構造により、複数の通路42、36、44及
び46、38、48は通路42、36、44及び36、38、48の全体を
通して一定の断面積を有することができ、広い出口に対
して小さい入口を有するよりは効率がよい。更に以下の
ことが実証されている。供与流体はまずコア22に入る時
その高温熱値を失い、供与流体20からより多くの熱を徐
々に伝えるために供与流体は温度が下がる時、より長時
間の間コア22に留まっていなければならない。従って通
路の全長を通じて一定である断面積は、現在の環状熱交
換器よりも機能上の効率を上げる。又受容流体16は外側
部分30から内側部分28への反対方向の流れに向かってい
るので、より多量の熱が供与流体20から受容流体16へ伝
えられることは可能である。コア22の外側部分30付近の
冷却供与流体20は冷却受容流体16を加熱し、内側部分28
付近の高温供与流体20はコア22の内側部分28付近の予熱
された受容流体16を加熱する。かくして、より多量の熱
伝達が本環状熱交換器によりなされる。
本発明のその他の特徴、目的及び利点は図面、説明及
び添付の請求の範囲の検討から理解することができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ダラフ チャールズ ティー アメリカ合衆国 カリフォルニア州 92107 サンディエゴ アタスカデロ ドライヴ 4119 (56)参考文献 特開 昭48−63349（ＪＰ，Ａ) 特公 昭58−16116（ＪＰ，Ｂ２) 米国特許3255818（ＵＳ，Ａ) 英国特許892962（ＧＢ，Ｂ)

Claims (14)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】複数の熱受容通路（36）と複数の熱供与通
    路（38）とを内部に有するコア（22）を備え、前記熱受
    容通路（36）が作動中内部に受容流体（16）を有すると
    共に前記熱供与通路（38）が作動中内部に供与流体（2
    0）を有する熱交換器（10）であって、前記コア（22）
    が、通路（36、38）のうちの一方を各々内部に有する複
    数の積み重ねられた一次表面セル（34）を有し、セル
    （34）が互いに固定されて略環状のコア（22）を形成
    し、隣接したセルがその間に通路（36、38）の他方を形
    成する熱交換器（10）において、前記複数の各セル（3
    4）が、インボリュート状に湾曲した形を有して少なく
    とも一対の一次表面プリーツシート（100）を有し、前
    記一次表面プリーツシートの各々が、一方の端部（11
    2）が他方の端部（114）よりも短い一対の平行端部（11
    2、114）を有する概して台形形状を構成する中央部分
    （104）を有し、前記短い平行端部（112）が受容流体
    （16）の入口（90）に向って位置決めされ、前記熱受容
    通路（36）の各々が、通路（36）の全長を通じて一定の
    断面積を有し、前記熱供与通路（38）の各々が、通路
    （38）の全長を通じて一定の断面積を有することを特徴
    とする熱交換器（10）。
  2. 【請求項２】前記台形が一対の平行な端部（112、114）
    と、一対の側部（110）とを有することを特徴とする請
    求の範囲第１項に記載の熱交換器（10）。
  3. 【請求項３】前記一次表面プリーツシート（100）が更
    に、一次表面プリーツシート（100）の各々に取り付け
    られた複数の翼部（106、108）を有することを特徴とす
    る請求の範囲第１項に記載の熱交換器（10）。
  4. 【請求項４】前記翼部（106、108）が概して台形形状を
    有することを特徴とする請求の範囲第３項に記載の熱交
    換器（10）。
  5. 【請求項５】前記翼部（106、108）の各々が、その間に
    入口通路（42、46）と出口通路（44、48）のうち一方を
    構成し、又前記通路（42、44、46、48）が通路（42、4
    4、46、48）を全長を通じて一定の断面積を有すること
    を特徴とする請求の範囲第３項に記載の熱交換器（1
    0）。
  6. 【請求項６】入口通路（42、46）及び出口通路（44、4
    8）の全長を通じて一定の前記断面積は、熱受容通路（3
    6）及び熱供与通路（38）のうちの一方の全長を通じて
    一定の断面積に等しいことを特徴とする請求の範囲第５
    項に記載の熱交換器（10）。
  7. 【請求項７】入口通路（42、46）及び出口通路（44、4
    8）の全長を通じて一定の前記断面積は、熱受容通路（3
    6）及び熱供与通路（38）の全長を通じて一定の断面積
    に等しいことを特徴とする請求の範囲第６項に記載の熱
    交換器（10）。
  8. 【請求項８】動力タービンと流体接続した燃焼器と流体
    連通した圧縮機部分と、前記燃焼器から出て前記動力タ
    ービンを通過した後内部を通過する供与流体を有する排
    気装置（18）と、前記圧縮機を出た後内部を通過する受
    容流体（16）を有する吸気装置（14）と、前記排気装置
    （18）および前記吸気装置（14）と流体連通して配置さ
    れ、前記受容流体が通過する複数の熱受容通路（36）
    と、前記供与流体（20）が通過する入口通路（46）を有
    する複数の熱供与通路（38）とを有するコア（22）を備
    えた熱交換器（10）であって、前記コア（22）が、通路
    （36、38）のうちの一方を各々内部に有する複数の積み
    重ねられた一次表面セル（34）を有し、セル（34）が互
    いに固定されて略環状のコア（22）を形成し、隣接した
    セルがその間に通路（36、38）の他方を形成する熱交換
    器（10）において、前記複数の各セル（34）が、インボ
    リュート状に湾曲した形を有して少なくとも一対の一次
    表面プリーツシート（100）を有し、前記一次表面プリ
    ーツシートの各々が、一方の端部（112）が他方の端部
    （114）よりも短い一対の平行端部（112、114）を有す
    る概して台形形状を構成する中央部分（104）を有し、
    前記短い平行端部（112）が受容流体（16）の入口（9
    0）に向って位置決めされ、前記熱受容通路（36）の各
    々が、通路（36）の全長を通じて一定の断面積を有し、
    前記熱供与通路（38）の各々が、通路（38）の全長を通
    じて一定の断面積を有し、前記熱受容通路（36）および
    前記熱供与通路（38）の各々は内部に、一対の端部（14
    2、152;149、157）を有する部材（140、150）が位置決
    めされており、前記一対の端部の一方（149、157）は短
    く、前記一対の端部の他方（142、152）は長く、前記両
    流体の流れは、前記部材（140、150）の短い方の端部
    （149、157）の近くで前記部材（140、150）を通過して
    前記中央部分（104）の長い平行端部（114）の近くで前
    記中央部分（104）に流入し、前記部材（140、150）の
    長い方の端部（142、152）の近くで前記部材（140、15
    0）を通過して前記中央部分（104）の短い平行端部（11
    2）の近くで前記中央部分（104）に流入することを特徴
    とする熱交換器（10）と、を含むガスタービンエンジン
    （12）。
  9. 【請求項９】前記一次表面プリーツシート（100）が更
    に、一次表面プリーツシート（100）の各々に取り付け
    られた複数の翼部（106、108）を有することを特徴とす
    る請求の範囲第８項に記載のガスタービンエンジン（1
    2）。
  10. 【請求項１０】前記翼部（106、108）が概して台形形状
    を有することを特徴とする請求の範囲第９項に記載のガ
    スタービンエンジン（12）。
  11. 【請求項１１】前記翼部（106、108）の各々が、その間
    に入口通路（42、46）と出口通路（44、48）のうち一方
    を構成し、又前記通路（42、44、46、48）が通路（42、
    44、46、48）を全長を通じて一定の断面積を有すること
    を特徴とする請求の範囲第９項に記載のガスタービンエ
    ンジン（12）。
  12. 【請求項１２】入口通路（42、46）及び出口通路（44、
    48）の全長を通じて一定の前記断面積は、熱受容通路
    （36）及び熱供与通路（38）のうちの一方の全長を通じ
    て一定の断面積に等しいことを特徴とする請求の範囲第
    11項に記載のガスタービンエンジン（12）。
  13. 【請求項１３】入口通路（42、46）及び出口通路（44、
    48）の全長を通じて一定の前記断面積は、熱受容通路
    （36）及び熱供与通路（38）の全長を通じて一定の断面
    積に等しいことを特徴とする請求の範囲第11項に記載の
    熱交換器（10）。
  14. 【請求項１４】前記中央部分の略台形形状は、一方の端
    部（112）が他方の端部（114）よりも短い一対の平行端
    部（112、114）と、一対の側部（110）とを有し、前記
    プリーツは前記一対の平行端部（112、114）と平行であ
    り、 前記熱受容通路（36）および前記熱供与通路（38）の各
    々は内部に、一対の端部（142、152;149、157）を有す
    る部材（140、150）が位置決めされており、前記一対の
    端部の一方（149、157）は短く、前記一対の端部の他方
    （142、152）は長く、前記両流体の流れは、前記部材
    （140、150）の短い方の端部（149、157）の近くで前記
    部材（140、150）を通過して前記中央部分（104）の長
    い平行端部（114）の近くで前記中央部分（104）に流入
    し、前記部材（140、150）の長い方の端部（142、152）
    の近くで前記部材（140、150）を通過して前記中央部分
    （104）の短い平行端部（112）の近くで前記中央部分
    （104）に流入することを特徴とする請求の範囲第６項
    に記載の熱交換器（10）。
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