JP3685889B2 - 熱交換器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の第１伝熱板及び複数の第２伝熱板をつづら折り状に折り曲げることより、高温流体通路及び低温流体通路を交互に形成してなる熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数の伝熱板を所定の間隔を存して配置し、伝熱板に形成した土手状の凸条の先端を相互に接合することにより、隣接する伝熱板間に高温流体通路及び低温流体通路を形成する熱交換器として、特開昭５８−２２３４０１公報に記載されたものが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、第１伝熱板及び第２伝熱板をつづら折り状に折り曲げる折り線上に凸条が配置されていると、その凸条の部分の剛性が高くなって折曲加工が難しくなるだけでなく、その部分で折り線の折曲部の形状が崩れて凸条間に隙間が発生し、そこから流体が漏れて熱伝達効率が低下する場合がある。
【０００４】
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、凸条と干渉せずに折り線を容易且つ正確に折り曲げられるようにすることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載された発明では、折り板素材を折り曲げるとき、折り線を挟んで対向する一対の凸条の先端間に形成された隙間内に前記折り線が配置されているため、折り線の折曲部が凸条と干渉しなくなって折り曲げが容易になり、しかも単純な直線状の折り曲げを行えば良いために仕上がりが良好になる。しかも折り線における折曲部と干渉しないように凸条を形成したので、折曲部からの流体の吹き抜けを確実に防止することが可能となる。
【０００６】
請求項２に記載された発明では、折り線における折曲部の周長を前記隙間の幅に一致させたので、折曲部に凸条を滑らかに接続して第１端板及び第２端板との間のシール性を高めることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。 図１〜図１７は本発明の一実施例を示すもので、図１はガスタービンエンジンの全体側面図、図２は図１の２−２線断面図、図３は図２の３−３線拡大断面図（燃焼ガス通路の断面図）、図４は図２の４−４線拡大断面図（エアー通路の断面図）、図５は図３の５−５線拡大断面図、図６は図３の６−６線拡大断面図、図７は折り板素材の展開図、図８は熱交換器の要部斜視図、図９は燃焼ガス及びエアーの流れを示す模式図、図１０は突起のピッチを均一にした場合の作用を説明するグラフ、図１１は突起のピッチを不均一にした場合の作用を説明するグラフ、図１２は図７の１２部拡大図、図１３は図７の１３部拡大図、図１４は図１２に対応する熱交換器の部分斜視図、図１５は図１３に対応する熱交換器の部分斜視図、図１６は図１４の１６−１６線断面図、図１７は図１５の１７−１７線断面図である。
【０００８】
図１及び図２に示すように、ガスタービンエンジンＥは、図示せぬ燃焼器、コンプレッサ、タービン等を内部に収納したエンジン本体１を備えており、このエンジン本体１の外周を囲繞するように円環状の熱交換器２が配置される。熱交換器２は９０°の中心角を有する４個のモジュール２1 …を接合面３…を挟んで円周方向に配列したもので、タービンを通過した比較的高温の燃焼ガスが通過する燃焼ガス通路４…と、コンプレッサで圧縮された比較的低温のエアーが通過するエアー通路５…とが、円周方向に交互に形成される（図５及び図６参照）。尚、図１における断面は燃焼ガス通路４…に対応しており、その燃焼ガス通路４…の手前側と向こう側に隣接してエアー通路５…が形成される。
【０００９】
熱交換器２の軸線に沿う断面形状は、軸方向に長く半径方向に短い偏平な六角形であり、その半径方向外周面が大径円筒状のアウターケーシング６により閉塞されるとともに、その半径方向内周面が小径円筒状のインナーケーシング７により閉塞される。熱交換器２の断面における前端側（図１の左側）は不等長の山形にカットされており、その山形の頂点に対応する端面にエンジン本体１の外周に連なるエンドプレート８がろう付けされる。また熱交換器２の断面における後端側（図１の右側）は不等長の山形にカットされており、その山形の頂点に対応する端面に後部アウターハウジング９に連なるエンドプレート１０がろう付けされる。
【００１０】
熱交換器２の各燃焼ガス通路４は、図１における左上及び右下に燃焼ガス通路入口１１及び燃焼ガス通路出口１２を備えており、燃焼ガス通路入口１１にはエンジン本体１の外周に沿って形成された燃焼ガスを導入する空間（略して燃焼ガス導入ダクト）１３の下流端が接続されるとともに、燃焼ガス通路出口１２にはエンジン本体１の内部に延びる燃焼ガスを排出する空間（略して燃焼ガス排出ダクト）１４の上流端が接続される。
【００１１】
熱交換器２の各エアー通路５は、図１における右上及び左下にエアー通路入口１５及びエアー通路出口１６を備えており、エアー通路入口１５には後部アウターハウジング９の内周に沿って形成されたエアーを導入する空間（略してエアー導入ダクト）１７の下流端が接続されるとともに、エアー通路出口１６にはエンジン本体１の内部に延びるエアーを排出する空間（略してエアー排出ダクト）１８の上流端が接続される。
【００１２】
このようにして、図３、図４及び図９に示す如く、燃焼ガスとエアーとが相互に逆方向に流れて且つ相互に交差することになり、熱交換効率の高い対向流且つ所謂クロスフローが実現される。即ち、高温流体と低温流体とを相互に逆方向に流すことにより、その流路の全長に亘って高温流体及び低温流体間の温度差を大きく保ち、熱交換効率を向上させることができる。
【００１３】
而して、タービンを駆動した燃焼ガスの温度は燃焼ガス通路入口１１…において約６００〜７００℃であり、その燃焼ガスが燃焼ガス通路４…を通過する際にエアーとの間で熱交換を行うことにより、燃焼ガス通路出口１２…において約３００〜４００℃まで冷却される。一方、コンプレッサにより圧縮されたエアーの温度はエアー通路入口１５…において約２００〜３００℃であり、そのエアーがエアー通路５…を通過する際に燃焼ガスとの間で熱交換を行うことにより、エアー通路出口１６…において約５００〜６００℃まで加熱される。
【００１４】
次に、熱交換器２の構造を図３〜図８を参照しながら説明する。
【００１５】
図３、図４及び図７に示すように、熱交換器２のモジュール２1 は、ステンレス等の金属薄板を所定の形状に予めカットした後、その表面にプレス加工により凹凸を施した折り板素材２１から製造される。折り板素材２１は、第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…を交互に配置したものであって、山折り線Ｌ1 及び谷折り線Ｌ2 を介してつづら折り状に折り曲げられる。尚、山折りとは紙面の手前側に向けて凸に折ることであり、谷折りとは紙面の向こう側に向けて凸に折ることである。各山折り線Ｌ1 及び谷折り線Ｌ2 はシャープな直線ではなく、第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…間に所定の空間を形成するために実際には円弧状の折り線、或いは平行且つ隣接した２本の折り線からなっている。
【００１６】
各第１、第２伝熱板Ｓ１，Ｓ２には、不等間隔に配置された多数の第１突起２２…と第２突起２３…とがプレス成形される。図７において×印で示される第１突起２２…は紙面の手前側に向けて突出するとともに、○印で示される第２突起２３…は紙面の向こう側に向けて突出し、それらは交互に（即ち、第１突起２２…どうし或いは第２突起２３…どうしが連続しないように）配列される。
【００１７】
各第１、第２伝熱板Ｓ１，Ｓ２の山形にカットされた前端部及び後端部には、図７において紙面の手前側に向けて突出する第１凸条２４F …，２４R …と、紙面の向こう側に向けて突出する第２凸条２５F …，２５R …とがプレス成形される。第１伝熱板Ｓ１及び第２伝熱板Ｓ２の何れについても、前後一対の第１凸条２４F ，２４R が対角位置に配置され、前後一対の第２凸条２５F ，２５R が他の対角位置に配置される。
【００１８】
尚、図３に示す第１伝熱板Ｓ１の第１突起２２…、第２突起２３…、第１凸条２４F …，２４R …及び第２凸条２５F …，２５R …は、図７に示す第１伝熱板Ｓ１と凹凸関係が逆になっているが、これは図３が第１伝熱板Ｓ１が裏面側から見た状態を示しているためである。
【００１９】
図５〜図７を参照すると明らかなように、折り板素材２１の第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…を山折り線Ｌ1 で折り曲げて両伝熱板Ｓ１…，Ｓ２…間に燃焼ガス通路４…を形成するとき、第１伝熱板Ｓ１の第２突起２３…の先端と第２伝熱板Ｓ２の第２突起２３…の先端とが相互に当接してろう付けされる。また、第１伝熱板Ｓ１の第２凸条２５F ，２５R と第２伝熱板Ｓ２の第２凸条２５F ，２５R とが相互に当接してろう付けされ、図３に示した燃焼ガス通路４の左下部分及び右上部分を閉塞するとともに、第１伝熱板Ｓ１の第１凸条２４F ，２４R と第２伝熱板Ｓ２の第１凸条２４F ，２４R とが隙間を存して相互に対向し、図３に示した燃焼ガス通路４の左上部分及び右下部分にそれぞれ燃焼ガス通路入口１１及び燃焼ガス通路出口１２を形成する。
【００２０】
折り板素材２１の第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…を谷折り線Ｌ2 で折り曲げて両伝熱板Ｓ１…，Ｓ２…間にエアー通路５…を形成するとき、第１伝熱板Ｓ１の第１突起２２…の先端と第２伝熱板Ｓ２の第１突起２２…の先端とが相互に当接してろう付けされる。また、第１伝熱板Ｓ１の第１凸条２４F ，２４R と第２伝熱板Ｓ２の第１凸条２４F ，２４R とが相互に当接してろう付けされ、図４に示したエアー通路５の左上部分及び右下部分を閉塞するとともに、第１伝熱板Ｓ１の第２凸条２５F ，２５R と第２伝熱板Ｓ２の第２凸条２５F ，２５R とが隙間を存して相互に対向し、図４に示したエアー通路５の右上部分及び左下部分にそれぞれエアー通路入口１５及びエアー通路出口１６を形成する。
【００２１】
図６の上側（半径方向外側）には、第１凸条２４F …によりエアー通路５…が閉塞された状態が示されており、下側（半径方向外側）には、第２凸条２５F …により燃焼ガス通路４…が閉塞された状態が示されている。
【００２２】
第１突起２２…及び第２突起２３…は概略円錐台形状を有しており、それらの先端部はろう付け強度を高めるべく相互に面接触する。また第１凸条２４F …，２４R …及び第２凸条２５F …，２５R …も概略台形状の断面を有しており、それらの先端部もろう付け強度を高めるべく相互に面接触する。
【００２３】
図５から明らかなように、エアー通路５…の半径方向内周部分は折り板素材２１の折曲部（谷折り線Ｌ2 ）に相当するために自動的に閉塞されるが、エアー通路５…の半径方向外周部分は開放されており、その開放部がアウターケーシング６にろう付けされて閉塞される。一方、燃焼ガス通路４…の半径方向外周部分は折り板素材２１の折曲部（山折り線Ｌ1 ）に相当するために自動的に閉塞されるが、燃焼ガス通路４…の半径方向内周部分は開放されており、その開放部がインナーケーシング７にろう付けされて閉塞される。
【００２４】
このように、アウターケーシング６及びインナーケーシング７に挟まれた熱交換器２の軸方向中央部分では、第１、第２伝熱板Ｓ1 ，Ｓ2 に第１凸条２４F ，２４R 及び第２凸条２５F ，２５R が設けられていないので、第１、第２伝熱板Ｓ1 ，Ｓ2 間の間隔保持は第１突起２２…相互の当接及び第２突起２３…相互に当接により行われるようになり、その結果、前記第１、第２突起２２…，２３…の接合性が向上する。
【００２５】
図１２に示すように、第１伝熱板Ｓ１の第１凸条２４F 及び第２伝熱板Ｓ２の第１凸条２４F は、両伝熱板Ｓ１，Ｓ２間に設けた山折り線Ｌ1 に向かうように延びており、それら一対の第１凸条２４F ，２４F の先端は山折り線Ｌ1 の両側に幅ｄｏの隙間を存して終わっている。つまり、山折り線Ｌ1 は一対の第１凸条２４F ，２４F の先端間に形成された幅ｄｏの隙間の中心を通っている。前記隙間は、第１、第２伝熱板Ｓ１，Ｓ２の本体部（第１突起２２…及び第２突起２３…が設けられた平板部分）に対して同一平面上に連なっている。
【００２６】
また図１３に示すように、第１伝熱板Ｓ１の第２凸条２５F 及び第２伝熱板Ｓ２の第２凸条２５F は、両伝熱板Ｓ１，Ｓ２間に設けた谷折り線Ｌ2 に向かうように延びており、それら一対の第２凸条２５F ，２５F の先端は谷折り線Ｌ2 の両側に幅ｄｉの隙間を存して終わっている。つまり、谷折り線Ｌ1 は一対の第２凸条２５F ，２５F の先端間に形成された幅ｄｉの隙間の中心を通っている。前記隙間は、第１、第２伝熱板Ｓ１，Ｓ２の本体部（第１突起２２…及び第２突起２３…が設けられた平板部分）に対して同一平面上に連なっている。
【００２７】
図５の右上の円内に示すように、第１、第２伝熱板Ｓ１…，Ｓ２…の半径方向外端部は、山折り線Ｌ1 …においてアウターケーシング６に接続されており、アウターケーシング６の近傍においても燃焼ガス通路４…及びエアー通路５…が交互に形成されて熱交換が効率的に行われる。各山折り線Ｌ1 の折曲部、即ち山折り線Ｌ1 が折り曲げられるＡ点及びＢ点間の周長Ｒｏは、前記一対の第１凸条２４F ，２４F の先端間に形成された隙間の幅ｄｏに等しく設定されている。
【００２８】
また、図５の左下の円内に示すように、第１、第２伝熱板Ｓ１…，Ｓ２…の半径方向内端部は、谷折り線Ｌ2 …においてインナーケーシング７に接続されており、インナーケーシング７の近傍においても燃焼ガス通路４…及びエアー通路５…が交互に形成されて熱交換が効率的に行われる。各谷折り線Ｌ2 の折曲部、即ち谷折り線Ｌ2 が折り曲げられるＣ点及びＤ点間の周長Ｒｉは、前記一対の第２凸条２５F ，２５F の先端間に形成された隙間の幅ｄｉに等しく設定されている。
【００２９】
図１４及び図１６を併せて参照すると明らかなように、山折り線Ｌ1 をその全長に亘って折り曲げたとき、山折り線Ｌ1 の両側に位置する一対の第１凸条２４F ，２４F の側壁が前記幅ｄｏの隙間の両側に滑らかに連なり、幅Ｄｏの平坦面が形成される。そして前記幅Ｄｏの平坦面はアウターケーシング６に隙間無く接合されるため、エアー通路５のエアーが第１凸条２４F ，２４F とアウターケーシング６との間から漏れることが防止される。
【００３０】
また図１５及び図１７を併せて参照すると明らかなように、谷折り線Ｌ2 をその全長に亘って折り曲げたとき、谷折り線Ｌ2 の両側に位置する一対の第２凸条２５F ，２５F の側壁が前記幅ｄｉの隙間の両側に滑らかに連なり、幅Ｄｉの平坦面が形成される。そして前記幅Ｄｉの平坦面はインナーケーシング７に隙間無く接合されるため、燃焼ガス通路６の燃焼ガスが第２凸条２５F ，２５F とインナーケーシング７との間から漏れることが防止される。
【００３１】
以上のように、山折り線Ｌ1 が一対の第１凸条２４F ，２４F の先端間の隙間内に配置されており、かつ谷折り線Ｌ2 が一対の第２凸条２５F ，２５F の先端間の隙間内に配置されているので、折り曲げ時に山折り線Ｌ1 及び谷折り線Ｌ2 がそれぞれ第１凸条２４F ，２４F 及び第２凸条２５F ，２５F と干渉することがなくなり、折り曲げ加工が容易になって折曲部の仕上がりが良好になるだけでなく、折曲部からの流体の吹き抜けを防止することができる。
【００３２】
特に、一対の第１凸条２４F ，２４F の先端間の隙間の幅ｄｏを山折り線Ｌ1 の折曲部の周長Ｒｏに等しく設定し、一対の第２凸条２５F ，２５F の先端間の隙間の幅ｄｉを谷折り線Ｌ2 の折曲部の周長Ｒｉに等しく設定したので、第１凸条２４F ，２４F の先端に幅Ｄｏの平坦部を形成してアウターケーシング６とのシール性を良好にし、第５凸条２５F ，２５F の先端に幅Ｄｉの平坦部を形成してインナーケーシング７とのシール性を良好にすることができる。
【００３３】
以上、前側の第１凸条２４F 及び第２凸条２５F に関する構造を説明したが、後側の第１凸条２４R 及び第２凸条２５R に関する構造も実質的に同一であるため、その重複する説明は省略する。
【００３４】
前記折り板素材２１をつづら折り状に折り曲げて熱交換器２のモジュール２1 を製作するとき、第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…は熱交換器２の中心から放射状に配置される。従って、隣接する第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…間の距離は、アウターケーシング６に接する半径方向外周部において最大、且つインナーケーシング７に接する半径方向内周部において最小となる。このために、前記第１突起２２…，第２突起２３…、第１凸条２４F ，２４R 及び第２凸条２５F ，２５R の高さは半径方向内側から外側に向けて漸増しており、これにより第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…を正確に放射状に配置することができる（図５及び図６参照）。
【００３５】
上述した放射状の折り板構造を採用することにより、アウターケーシング６及びインナーケーシング７を同心に位置決めし、熱交換器２の軸対称性を精密に保持することができる。
【００３６】
熱交換器２を同一構造の４個のモジュール２1 …の組み合わせにより構成することにより、製造の容易化及び構造の簡略化が可能となる。また、折り板素材２１を放射状且つつづら折り状に折り曲げて第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…を連続して形成することにより、１枚ずつ独立した多数の第１伝熱板Ｓ１…と１枚ずつ独立した多数の第２伝熱板Ｓ２…とを交互にろう付けする場合に比べて、部品点数及びろう付け個所を大幅に削減することができるばかりか、完成した製品の寸法精度を高めることができる。
【００３７】
図５から明らかなように、熱交換器２のモジュール２1 …を接合面３…（図２参照）において相互に接合するとき、山折り線Ｌ1 を越えてＪ字状に折り曲げた第１伝熱板Ｓ１…の端縁と、山折り線Ｌ1 の手前で直線状に切断した第２伝熱板Ｓ２…の端縁とが重ね合わされてろう付けされる。上記構造を採用することにより、隣接するモジュール２1 …を接合するために特別の接合部材が不要であり、また折り板素材２１の厚さを変える等の特別の加工が不要であるため、部品点数や加工コストが削減されるだけでなく、接合部におけるヒートマスの増加が回避される。しかも、燃焼ガス通路４…でもなくエアー通路５…でもないデッドスペースが発生しないので、流路抵抗の増加が最小限に抑えられて熱交換効率の低下を来す虞もない。
【００３８】
ガスタービンエンジンＥの運転中に、燃焼ガス通路４…の圧力は比較的に低圧になり、エアー通路５…の圧力は比較的に高圧になるため、その圧力差によって第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…に曲げ荷重が作用するが、相互に当接してろう付けされた第１突起２２…及び第２突起２３…により、前記荷重に耐え得る充分な剛性を得ることができる。 また、第１突起２２…及び第２突起２３…によって第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…の表面積（即ち、燃焼ガス通路４…及びエアー通路５…の表面積）が増加し、しかも燃焼ガス及びエアーの流れが攪拌されるために熱交換効率の向上が可能となる。
【００３９】
ところで、燃焼ガス通路４…及びエアー通路５…間の熱伝達量を表す伝熱単位数Ｎtuは、
Ｎtu＝（Ｋ×Ａ）／［Ｃ×（ｄｍ／ｄｔ）］ …（１）
により与えられる。
【００４０】
上記（１）式において、Ｋは第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…の熱通過率、Ａは第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…の面積（伝熱面積）、Ｃは流体の比熱、ｄｍ／ｄｔは前記伝熱面積を流れる流体の質量流量である。前記伝熱面積Ａ及び比熱Ｃは定数であるが、前記熱通過率Ｋ及び質量流量ｄｍ／ｄｔは隣接する第１突起２２…間、或いは隣接する第２突起２３…間のピッチＰ（図５参照）の関数となる。
【００４１】
伝熱単位数Ｎtuが第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…の半径方向に変化すると、第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…の温度分布が半径方向に不均一になって熱交換効率が低下するだけでなく、第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…が半径方向に不均一に熱膨張して好ましくない熱応力が発生する。そこで、第１突起２２…及び第２突起２３…の半径方向の配列ピッチＰを適切に設定し、伝熱単位数Ｎtuが第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…の半径方向各部位で一定になるようにすれば、前記各問題を解消することができる。
【００４２】
図１０（Ａ）に示すように前記ピッチＰを熱交換器２の半径方向に一定にした場合、図１０（Ｂ）に示すように伝熱単位数Ｎtuは半径方向内側部分で大きく、半径方向外側部分で小さくなるため、図１０（Ｃ）に示すように第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…の温度分布も半径方向内側部分で高く、半径方向外側部分で低くなってしまう。一方、図１１（Ａ）に示すように前記ピッチＰを熱交換器２の半径方向内側部分で大きく、半径方向外側部分で小さくなるように設定すれば、図１１（Ｂ），（Ｃ）に示すように伝熱単位数Ｎtu及び温度分布を半径方向に略一定にすることができる。
【００４３】
図３〜図５から明らかなように、本実施例の熱交換器２では、その半径方向内側部分に第１突起２２…及び第２突起２３…の半径方向の配列ピッチＰが大きい領域が設けられるとともに、その半径方向外側部分に第１突起２２…及び第２突起２３…の半径方向の配列ピッチＰが小さい領域が設けられる。これにより第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…の全域に亘って伝熱単位数Ｎtuを略一定にし、熱交換効率の向上と熱応力の軽減とが可能となる。
【００４４】
尚、熱交換器の全体形状や第１突起２２…及び第２突起２３…の形状が異なれば熱通過率Ｋ及び質量流量ｄｍ／ｄｔも変化するため、適切なピッチＰの配列も本実施例と異なってくる。従って、本実施例の如くピッチＰが半径方向外側に向かって漸減する場合以外に、半径方向外側に向かって漸増する場合もある。しかしながら、上記（１）式が成立するようなピッチＰの配列を設定すれば、熱交換器の全体形状や第１突起２２…及び第２突起２３…の形状に関わらず、前記作用効果を得ることができる。
【００４５】
図３及び図４から明らかなように、熱交換器２の前端部及び後端部において、第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…がそれぞれ長辺及び短辺を有する不等長の山形にカットされており、前端側及び後端側の長辺に沿ってそれぞれ燃焼ガス通路入口１１及び燃焼ガス通路出口１２が形成されるとともに、後端側及び前端側の短辺に沿ってそれぞれエアー通路入口１５及びエアー通路出口１６が形成される。
【００４６】
このように、熱交換器２の前端部において山形の二辺に沿ってそれぞれ燃焼ガス通路入口１１及びエアー通路出口１６を形成するとともに、熱交換器２の後端部において山形の二辺に沿ってそれぞれ燃焼ガス通路出口１２及びエアー通路入口１５を形成しているので、熱交換器２の前端部及び後端部を山形にカットせずに前記入口１１，１５及び出口１２，１６を形成した場合に比べて、それら入口１１，１５及び出口１２，１６における流路断面積を大きく確保して圧損を最小限に抑えることができる。しかも、前記山形の二辺に沿って入口１１，１５及び出口１２，１６を形成したので、燃焼ガス通路４…及びエアー通路５…に出入りする燃焼ガスやエアーの流路を滑らかにして圧損を更に減少させることができるばかりか、入口１１，１５及び出口１２，１６に連なるダクトを流路を急激に屈曲させることなく軸方向に沿って配置し、熱交換器２の半径方向寸法を小型化することができる。
【００４７】
ところで、エアー通路入口１５及びエアー通路出口１６を通過するエアーの体積流量に比べて、そのエアーに燃料を混合して燃焼させ、更にタービンで膨張させて圧力の下がった燃焼ガスの体積流量は大きくなる。本実施例では前記不等長の山形により、体積流量が小さいエアーが通過するエアー通路入口１５及びエアー通路出口１６の長さを短くし、体積流量が大きい燃焼ガスが通過する燃焼ガス通路入口１１及び燃焼ガス通路出口１２の長さを長くし、これにより燃焼ガスの流速を相対的に低下させて圧損の発生をより効果的に回避することができる。
【００４８】
更にまた、山形に形成した熱交換器２の前端部及び後端部の先端の端面にエンドプレート８，１０をろう付けしているので、ろう付け面積を最小限にしてろう付け不良による燃焼ガスやエアーの漏れの可能性を減少させることができ、しかも入口１１，１５及び出口１２，１６の開口面積の減少を抑えながら該入口１１，１５及び出口１２，１６を簡単且つ確実に仕切ることが可能となる。
【００４９】
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。
【００５０】
例えば、実施例ではガスタービンエンジンＥ用の熱交換器２を例示したが、本発明は他の用途の熱交換器に対しても適用することができる。また本発明は第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…を放射状に配置した熱交換器２に限らず、それらを平行に配置した熱交換器に対しても適用することができる。
【００５１】
【発明の効果】
以上のように、請求項１に記載された発明によれば、各折り線を挟んで対向する一対の凸条の先端間に隙間を形成し、この隙間内に前記折り線を配置したので、折り線の折曲部が凸条と干渉しなくなって折り曲げが容易になるだけでなく、複雑な折り曲げを行う必要がなくなるために仕上がりが良好になる。しかも折り線における折曲部と干渉しないように凸条を形成したので、折曲部からの流体の吹き抜けを確実に防止することが可能となる。
【００５２】
請求項２に記載された発明によれば、折り線における折曲部の周長を前記隙間の幅に一致させたので、折曲部の両側に凸条を滑らかに接続して第１端板及び第２端板との間のシール性を高め、燃焼ガス通路或いはエアー通路からの流体漏れを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ガスタービンエンジンの全体側面図
【図２】 図１の２−２線断面図
【図３】 図２の３−３線拡大断面図（燃焼ガス通路の断面図）
【図４】 図２の４−４線拡大断面図（エアー通路の断面図）
【図５】 図３の５−５線拡大断面図
【図６】 図３の６−６線拡大断面図
【図７】 折り板素材の展開図
【図８】 熱交換器の要部斜視図
【図９】 燃焼ガス及びエアーの流れを示す模式図
【図１０】 突起のピッチを均一にした場合の作用を説明するグラフ
【図１１】 突起のピッチを不均一にした場合の作用を説明するグラフ
【図１２】 図７の１２部拡大図
【図１３】 図７の１３部拡大図
【図１４】 図１２に対応する熱交換器の部分斜視図
【図１５】 図１３に対応する熱交換器の部分斜視図
【図１６】 図１４の１６−１６線断面図
【図１７】 図１５の１７−１７線断面図
【符号の説明】
４ 燃焼ガス通路（高温流体通路）
５ エアー通路（低温流体通路）
６ 半径方向外周壁（第１端板）
７ 半径方向内周壁（第２端板）
１１ 燃焼ガス通路入口（高温流体通路入口）
１２ 燃焼ガス通路出口（高温流体通路出口）
１５ エアー通路入口（低温流体通路入口）
１６ エアー通路出口（低温流体通路出口）
２１ 折り板素材
２４L 凸条
２４R 凸条
２５L 凸条
２５R 凸条
Ｌ1 山折り線（折り線）
Ｌ2 谷折り線（折り線）
Ｒｉ 周長
Ｒｏ 周長
Ｓ１ 第１伝熱板
Ｓ２ 第２伝熱板
ｄｉ 幅
ｄｏ 幅
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の第１伝熱板及び複数の第２伝熱板をつづら折り状に折り曲げることより、高温流体通路及び低温流体通路を交互に形成してなる熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数の伝熱板を所定の間隔を存して配置し、伝熱板に形成した土手状の凸条の先端を相互に接合することにより、隣接する伝熱板間に高温流体通路及び低温流体通路を形成する熱交換器として、特開昭５８−２２３４０１公報に記載されたものが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、第１伝熱板及び第２伝熱板をつづら折り状に折り曲げる折り線上に凸条が配置されていると、その凸条の部分の剛性が高くなって折曲加工が難しくなるだけでなく、その部分で折り線の折曲部の形状が崩れて凸条間に隙間が発生し、そこから流体が漏れて熱伝達効率が低下する場合がある。
【０００４】
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、凸条と干渉せずに折り線を容易且つ正確に折り曲げられるようにすることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載された発明では、折り板素材を折り曲げるとき、折り線を挟んで対向する一対の凸条の先端間に形成された隙間内に前記折り線が配置されているため、折り線の折曲部が凸条と干渉しなくなって折り曲げが容易になり、しかも単純な直線状の折り曲げを行えば良いために仕上がりが良好になる。しかも折り線における折曲部と干渉しないように凸条を形成したので、折曲部からの流体の吹き抜けを確実に防止することが可能となる。
【０００６】
請求項２に記載された発明では、折り線における折曲部の周長を前記隙間の幅に一致させたので、折曲部に凸条を滑らかに接続して第１端板及び第２端板との間のシール性を高めることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。 図１〜図１７は本発明の一実施例を示すもので、図１はガスタービンエンジンの全体側面図、図２は図１の２−２線断面図、図３は図２の３−３線拡大断面図（燃焼ガス通路の断面図）、図４は図２の４−４線拡大断面図（エアー通路の断面図）、図５は図３の５−５線拡大断面図、図６は図３の６−６線拡大断面図、図７は折り板素材の展開図、図８は熱交換器の要部斜視図、図９は燃焼ガス及びエアーの流れを示す模式図、図１０は突起のピッチを均一にした場合の作用を説明するグラフ、図１１は突起のピッチを不均一にした場合の作用を説明するグラフ、図１２は図７の１２部拡大図、図１３は図７の１３部拡大図、図１４は図１２に対応する熱交換器の部分斜視図、図１５は図１３に対応する熱交換器の部分斜視図、図１６は図１４の１６−１６線断面図、図１７は図１５の１７−１７線断面図である。
【０００８】
図１及び図２に示すように、ガスタービンエンジンＥは、図示せぬ燃焼器、コンプレッサ、タービン等を内部に収納したエンジン本体１を備えており、このエンジン本体１の外周を囲繞するように円環状の熱交換器２が配置される。熱交換器２は９０°の中心角を有する４個のモジュール２1 …を接合面３…を挟んで円周方向に配列したもので、タービンを通過した比較的高温の燃焼ガスが通過する燃焼ガス通路４…と、コンプレッサで圧縮された比較的低温のエアーが通過するエアー通路５…とが、円周方向に交互に形成される（図５及び図６参照）。尚、図１における断面は燃焼ガス通路４…に対応しており、その燃焼ガス通路４…の手前側と向こう側に隣接してエアー通路５…が形成される。
【０００９】
熱交換器２の軸線に沿う断面形状は、軸方向に長く半径方向に短い偏平な六角形であり、その半径方向外周面が大径円筒状のアウターケーシング６により閉塞されるとともに、その半径方向内周面が小径円筒状のインナーケーシング７により閉塞される。熱交換器２の断面における前端側（図１の左側）は不等長の山形にカットされており、その山形の頂点に対応する端面にエンジン本体１の外周に連なるエンドプレート８がろう付けされる。また熱交換器２の断面における後端側（図１の右側）は不等長の山形にカットされており、その山形の頂点に対応する端面に後部アウターハウジング９に連なるエンドプレート１０がろう付けされる。
【００１０】
熱交換器２の各燃焼ガス通路４は、図１における左上及び右下に燃焼ガス通路入口１１及び燃焼ガス通路出口１２を備えており、燃焼ガス通路入口１１にはエンジン本体１の外周に沿って形成された燃焼ガスを導入する空間（略して燃焼ガス導入ダクト）１３の下流端が接続されるとともに、燃焼ガス通路出口１２にはエンジン本体１の内部に延びる燃焼ガスを排出する空間（略して燃焼ガス排出ダクト）１４の上流端が接続される。
【００１１】
熱交換器２の各エアー通路５は、図１における右上及び左下にエアー通路入口１５及びエアー通路出口１６を備えており、エアー通路入口１５には後部アウターハウジング９の内周に沿って形成されたエアーを導入する空間（略してエアー導入ダクト）１７の下流端が接続されるとともに、エアー通路出口１６にはエンジン本体１の内部に延びるエアーを排出する空間（略してエアー排出ダクト）１８の上流端が接続される。
【００１２】
このようにして、図３、図４及び図９に示す如く、燃焼ガスとエアーとが相互に逆方向に流れて且つ相互に交差することになり、熱交換効率の高い対向流且つ所謂クロスフローが実現される。即ち、高温流体と低温流体とを相互に逆方向に流すことにより、その流路の全長に亘って高温流体及び低温流体間の温度差を大きく保ち、熱交換効率を向上させることができる。
【００１３】
而して、タービンを駆動した燃焼ガスの温度は燃焼ガス通路入口１１…において約６００〜７００℃であり、その燃焼ガスが燃焼ガス通路４…を通過する際にエアーとの間で熱交換を行うことにより、燃焼ガス通路出口１２…において約３００〜４００℃まで冷却される。一方、コンプレッサにより圧縮されたエアーの温度はエアー通路入口１５…において約２００〜３００℃であり、そのエアーがエアー通路５…を通過する際に燃焼ガスとの間で熱交換を行うことにより、エアー通路出口１６…において約５００〜６００℃まで加熱される。
【００１４】
次に、熱交換器２の構造を図３〜図８を参照しながら説明する。
【００１５】
図３、図４及び図７に示すように、熱交換器２のモジュール２1 は、ステンレス等の金属薄板を所定の形状に予めカットした後、その表面にプレス加工により凹凸を施した折り板素材２１から製造される。折り板素材２１は、第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…を交互に配置したものであって、山折り線Ｌ1 及び谷折り線Ｌ2 を介してつづら折り状に折り曲げられる。尚、山折りとは紙面の手前側に向けて凸に折ることであり、谷折りとは紙面の向こう側に向けて凸に折ることである。各山折り線Ｌ1 及び谷折り線Ｌ2 はシャープな直線ではなく、第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…間に所定の空間を形成するために実際には円弧状の折り線、或いは平行且つ隣接した２本の折り線からなっている。
【００１６】
各第１、第２伝熱板Ｓ１，Ｓ２には、不等間隔に配置された多数の第１突起２２…と第２突起２３…とがプレス成形される。図７において×印で示される第１突起２２…は紙面の手前側に向けて突出するとともに、○印で示される第２突起２３…は紙面の向こう側に向けて突出し、それらは交互に（即ち、第１突起２２…どうし或いは第２突起２３…どうしが連続しないように）配列される。
【００１７】
各第１、第２伝熱板Ｓ１，Ｓ２の山形にカットされた前端部及び後端部には、図７において紙面の手前側に向けて突出する第１凸条２４F …，２４R …と、紙面の向こう側に向けて突出する第２凸条２５F …，２５R …とがプレス成形される。第１伝熱板Ｓ１及び第２伝熱板Ｓ２の何れについても、前後一対の第１凸条２４F ，２４R が対角位置に配置され、前後一対の第２凸条２５F ，２５R が他の対角位置に配置される。
【００１８】
尚、図３に示す第１伝熱板Ｓ１の第１突起２２…、第２突起２３…、第１凸条２４F …，２４R …及び第２凸条２５F …，２５R …は、図７に示す第１伝熱板Ｓ１と凹凸関係が逆になっているが、これは図３が第１伝熱板Ｓ１が裏面側から見た状態を示しているためである。
【００１９】
図５〜図７を参照すると明らかなように、折り板素材２１の第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…を山折り線Ｌ1 で折り曲げて両伝熱板Ｓ１…，Ｓ２…間に燃焼ガス通路４…を形成するとき、第１伝熱板Ｓ１の第２突起２３…の先端と第２伝熱板Ｓ２の第２突起２３…の先端とが相互に当接してろう付けされる。また、第１伝熱板Ｓ１の第２凸条２５F ，２５R と第２伝熱板Ｓ２の第２凸条２５F ，２５R とが相互に当接してろう付けされ、図３に示した燃焼ガス通路４の左下部分及び右上部分を閉塞するとともに、第１伝熱板Ｓ１の第１凸条２４F ，２４R と第２伝熱板Ｓ２の第１凸条２４F ，２４R とが隙間を存して相互に対向し、図３に示した燃焼ガス通路４の左上部分及び右下部分にそれぞれ燃焼ガス通路入口１１及び燃焼ガス通路出口１２を形成する。
【００２０】
折り板素材２１の第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…を谷折り線Ｌ2 で折り曲げて両伝熱板Ｓ１…，Ｓ２…間にエアー通路５…を形成するとき、第１伝熱板Ｓ１の第１突起２２…の先端と第２伝熱板Ｓ２の第１突起２２…の先端とが相互に当接してろう付けされる。また、第１伝熱板Ｓ１の第１凸条２４F ，２４R と第２伝熱板Ｓ２の第１凸条２４F ，２４R とが相互に当接してろう付けされ、図４に示したエアー通路５の左上部分及び右下部分を閉塞するとともに、第１伝熱板Ｓ１の第２凸条２５F ，２５R と第２伝熱板Ｓ２の第２凸条２５F ，２５R とが隙間を存して相互に対向し、図４に示したエアー通路５の右上部分及び左下部分にそれぞれエアー通路入口１５及びエアー通路出口１６を形成する。
【００２１】
図６の上側（半径方向外側）には、第１凸条２４F …によりエアー通路５…が閉塞された状態が示されており、下側（半径方向外側）には、第２凸条２５F …により燃焼ガス通路４…が閉塞された状態が示されている。
【００２２】
第１突起２２…及び第２突起２３…は概略円錐台形状を有しており、それらの先端部はろう付け強度を高めるべく相互に面接触する。また第１凸条２４F …，２４R …及び第２凸条２５F …，２５R …も概略台形状の断面を有しており、それらの先端部もろう付け強度を高めるべく相互に面接触する。
【００２３】
図５から明らかなように、エアー通路５…の半径方向内周部分は折り板素材２１の折曲部（谷折り線Ｌ2 ）に相当するために自動的に閉塞されるが、エアー通路５…の半径方向外周部分は開放されており、その開放部がアウターケーシング６にろう付けされて閉塞される。一方、燃焼ガス通路４…の半径方向外周部分は折り板素材２１の折曲部（山折り線Ｌ1 ）に相当するために自動的に閉塞されるが、燃焼ガス通路４…の半径方向内周部分は開放されており、その開放部がインナーケーシング７にろう付けされて閉塞される。
【００２４】
このように、アウターケーシング６及びインナーケーシング７に挟まれた熱交換器２の軸方向中央部分では、第１、第２伝熱板Ｓ1 ，Ｓ2 に第１凸条２４F ，２４R 及び第２凸条２５F ，２５R が設けられていないので、第１、第２伝熱板Ｓ1 ，Ｓ2 間の間隔保持は第１突起２２…相互の当接及び第２突起２３…相互に当接により行われるようになり、その結果、前記第１、第２突起２２…，２３…の接合性が向上する。
【００２５】
図１２に示すように、第１伝熱板Ｓ１の第１凸条２４F 及び第２伝熱板Ｓ２の第１凸条２４F は、両伝熱板Ｓ１，Ｓ２間に設けた山折り線Ｌ1 に向かうように延びており、それら一対の第１凸条２４F ，２４F の先端は山折り線Ｌ1 の両側に幅ｄｏの隙間を存して終わっている。つまり、山折り線Ｌ1 は一対の第１凸条２４F ，２４F の先端間に形成された幅ｄｏの隙間の中心を通っている。前記隙間は、第１、第２伝熱板Ｓ１，Ｓ２の本体部（第１突起２２…及び第２突起２３…が設けられた平板部分）に対して同一平面上に連なっている。
【００２６】
また図１３に示すように、第１伝熱板Ｓ１の第２凸条２５F 及び第２伝熱板Ｓ２の第２凸条２５F は、両伝熱板Ｓ１，Ｓ２間に設けた谷折り線Ｌ2 に向かうように延びており、それら一対の第２凸条２５F ，２５F の先端は谷折り線Ｌ2 の両側に幅ｄｉの隙間を存して終わっている。つまり、谷折り線Ｌ1 は一対の第２凸条２５F ，２５F の先端間に形成された幅ｄｉの隙間の中心を通っている。前記隙間は、第１、第２伝熱板Ｓ１，Ｓ２の本体部（第１突起２２…及び第２突起２３…が設けられた平板部分）に対して同一平面上に連なっている。
【００２７】
図５の右上の円内に示すように、第１、第２伝熱板Ｓ１…，Ｓ２…の半径方向外端部は、山折り線Ｌ1 …においてアウターケーシング６に接続されており、アウターケーシング６の近傍においても燃焼ガス通路４…及びエアー通路５…が交互に形成されて熱交換が効率的に行われる。各山折り線Ｌ1 の折曲部、即ち山折り線Ｌ1 が折り曲げられるＡ点及びＢ点間の周長Ｒｏは、前記一対の第１凸条２４F ，２４F の先端間に形成された隙間の幅ｄｏに等しく設定されている。
【００２８】
また、図５の左下の円内に示すように、第１、第２伝熱板Ｓ１…，Ｓ２…の半径方向内端部は、谷折り線Ｌ2 …においてインナーケーシング７に接続されており、インナーケーシング７の近傍においても燃焼ガス通路４…及びエアー通路５…が交互に形成されて熱交換が効率的に行われる。各谷折り線Ｌ2 の折曲部、即ち谷折り線Ｌ2 が折り曲げられるＣ点及びＤ点間の周長Ｒｉは、前記一対の第２凸条２５F ，２５F の先端間に形成された隙間の幅ｄｉに等しく設定されている。
【００２９】
図１４及び図１６を併せて参照すると明らかなように、山折り線Ｌ1 をその全長に亘って折り曲げたとき、山折り線Ｌ1 の両側に位置する一対の第１凸条２４F ，２４F の側壁が前記幅ｄｏの隙間の両側に滑らかに連なり、幅Ｄｏの平坦面が形成される。そして前記幅Ｄｏの平坦面はアウターケーシング６に隙間無く接合されるため、エアー通路５のエアーが第１凸条２４F ，２４F とアウターケーシング６との間から漏れることが防止される。
【００３０】
また図１５及び図１７を併せて参照すると明らかなように、谷折り線Ｌ2 をその全長に亘って折り曲げたとき、谷折り線Ｌ2 の両側に位置する一対の第２凸条２５F ，２５F の側壁が前記幅ｄｉの隙間の両側に滑らかに連なり、幅Ｄｉの平坦面が形成される。そして前記幅Ｄｉの平坦面はインナーケーシング７に隙間無く接合されるため、燃焼ガス通路６の燃焼ガスが第２凸条２５F ，２５F とインナーケーシング７との間から漏れることが防止される。
【００３１】
以上のように、山折り線Ｌ1 が一対の第１凸条２４F ，２４F の先端間の隙間内に配置されており、かつ谷折り線Ｌ2 が一対の第２凸条２５F ，２５F の先端間の隙間内に配置されているので、折り曲げ時に山折り線Ｌ1 及び谷折り線Ｌ2 がそれぞれ第１凸条２４F ，２４F 及び第２凸条２５F ，２５F と干渉することがなくなり、折り曲げ加工が容易になって折曲部の仕上がりが良好になるだけでなく、折曲部からの流体の吹き抜けを防止することができる。
【００３２】
特に、一対の第１凸条２４F ，２４F の先端間の隙間の幅ｄｏを山折り線Ｌ1 の折曲部の周長Ｒｏに等しく設定し、一対の第２凸条２５F ，２５F の先端間の隙間の幅ｄｉを谷折り線Ｌ2 の折曲部の周長Ｒｉに等しく設定したので、第１凸条２４F ，２４F の先端に幅Ｄｏの平坦部を形成してアウターケーシング６とのシール性を良好にし、第５凸条２５F ，２５F の先端に幅Ｄｉの平坦部を形成してインナーケーシング７とのシール性を良好にすることができる。
【００３３】
以上、前側の第１凸条２４F 及び第２凸条２５F に関する構造を説明したが、後側の第１凸条２４R 及び第２凸条２５R に関する構造も実質的に同一であるため、その重複する説明は省略する。
【００３４】
前記折り板素材２１をつづら折り状に折り曲げて熱交換器２のモジュール２1 を製作するとき、第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…は熱交換器２の中心から放射状に配置される。従って、隣接する第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…間の距離は、アウターケーシング６に接する半径方向外周部において最大、且つインナーケーシング７に接する半径方向内周部において最小となる。このために、前記第１突起２２…，第２突起２３…、第１凸条２４F ，２４R 及び第２凸条２５F ，２５R の高さは半径方向内側から外側に向けて漸増しており、これにより第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…を正確に放射状に配置することができる（図５及び図６参照）。
【００３５】
上述した放射状の折り板構造を採用することにより、アウターケーシング６及びインナーケーシング７を同心に位置決めし、熱交換器２の軸対称性を精密に保持することができる。
【００３６】
熱交換器２を同一構造の４個のモジュール２1 …の組み合わせにより構成することにより、製造の容易化及び構造の簡略化が可能となる。また、折り板素材２１を放射状且つつづら折り状に折り曲げて第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…を連続して形成することにより、１枚ずつ独立した多数の第１伝熱板Ｓ１…と１枚ずつ独立した多数の第２伝熱板Ｓ２…とを交互にろう付けする場合に比べて、部品点数及びろう付け個所を大幅に削減することができるばかりか、完成した製品の寸法精度を高めることができる。
【００３７】
図５から明らかなように、熱交換器２のモジュール２1 …を接合面３…（図２参照）において相互に接合するとき、山折り線Ｌ1 を越えてＪ字状に折り曲げた第１伝熱板Ｓ１…の端縁と、山折り線Ｌ1 の手前で直線状に切断した第２伝熱板Ｓ２…の端縁とが重ね合わされてろう付けされる。上記構造を採用することにより、隣接するモジュール２1 …を接合するために特別の接合部材が不要であり、また折り板素材２１の厚さを変える等の特別の加工が不要であるため、部品点数や加工コストが削減されるだけでなく、接合部におけるヒートマスの増加が回避される。しかも、燃焼ガス通路４…でもなくエアー通路５…でもないデッドスペースが発生しないので、流路抵抗の増加が最小限に抑えられて熱交換効率の低下を来す虞もない。
【００３８】
ガスタービンエンジンＥの運転中に、燃焼ガス通路４…の圧力は比較的に低圧になり、エアー通路５…の圧力は比較的に高圧になるため、その圧力差によって第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…に曲げ荷重が作用するが、相互に当接してろう付けされた第１突起２２…及び第２突起２３…により、前記荷重に耐え得る充分な剛性を得ることができる。 また、第１突起２２…及び第２突起２３…によって第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…の表面積（即ち、燃焼ガス通路４…及びエアー通路５…の表面積）が増加し、しかも燃焼ガス及びエアーの流れが攪拌されるために熱交換効率の向上が可能となる。
【００３９】
ところで、燃焼ガス通路４…及びエアー通路５…間の熱伝達量を表す伝熱単位数Ｎtuは、
Ｎtu＝（Ｋ×Ａ）／［Ｃ×（ｄｍ／ｄｔ）］ …（１）
により与えられる。
【００４０】
上記（１）式において、Ｋは第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…の熱通過率、Ａは第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…の面積（伝熱面積）、Ｃは流体の比熱、ｄｍ／ｄｔは前記伝熱面積を流れる流体の質量流量である。前記伝熱面積Ａ及び比熱Ｃは定数であるが、前記熱通過率Ｋ及び質量流量ｄｍ／ｄｔは隣接する第１突起２２…間、或いは隣接する第２突起２３…間のピッチＰ（図５参照）の関数となる。
【００４１】
伝熱単位数Ｎtuが第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…の半径方向に変化すると、第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…の温度分布が半径方向に不均一になって熱交換効率が低下するだけでなく、第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…が半径方向に不均一に熱膨張して好ましくない熱応力が発生する。そこで、第１突起２２…及び第２突起２３…の半径方向の配列ピッチＰを適切に設定し、伝熱単位数Ｎtuが第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…の半径方向各部位で一定になるようにすれば、前記各問題を解消することができる。
【００４２】
図１０（Ａ）に示すように前記ピッチＰを熱交換器２の半径方向に一定にした場合、図１０（Ｂ）に示すように伝熱単位数Ｎtuは半径方向内側部分で大きく、半径方向外側部分で小さくなるため、図１０（Ｃ）に示すように第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…の温度分布も半径方向内側部分で高く、半径方向外側部分で低くなってしまう。一方、図１１（Ａ）に示すように前記ピッチＰを熱交換器２の半径方向内側部分で大きく、半径方向外側部分で小さくなるように設定すれば、図１１（Ｂ），（Ｃ）に示すように伝熱単位数Ｎtu及び温度分布を半径方向に略一定にすることができる。
【００４３】
図３〜図５から明らかなように、本実施例の熱交換器２では、その半径方向内側部分に第１突起２２…及び第２突起２３…の半径方向の配列ピッチＰが大きい領域が設けられるとともに、その半径方向外側部分に第１突起２２…及び第２突起２３…の半径方向の配列ピッチＰが小さい領域が設けられる。これにより第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…の全域に亘って伝熱単位数Ｎtuを略一定にし、熱交換効率の向上と熱応力の軽減とが可能となる。
【００４４】
尚、熱交換器の全体形状や第１突起２２…及び第２突起２３…の形状が異なれば熱通過率Ｋ及び質量流量ｄｍ／ｄｔも変化するため、適切なピッチＰの配列も本実施例と異なってくる。従って、本実施例の如くピッチＰが半径方向外側に向かって漸減する場合以外に、半径方向外側に向かって漸増する場合もある。しかしながら、上記（１）式が成立するようなピッチＰの配列を設定すれば、熱交換器の全体形状や第１突起２２…及び第２突起２３…の形状に関わらず、前記作用効果を得ることができる。
【００４５】
図３及び図４から明らかなように、熱交換器２の前端部及び後端部において、第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…がそれぞれ長辺及び短辺を有する不等長の山形にカットされており、前端側及び後端側の長辺に沿ってそれぞれ燃焼ガス通路入口１１及び燃焼ガス通路出口１２が形成されるとともに、後端側及び前端側の短辺に沿ってそれぞれエアー通路入口１５及びエアー通路出口１６が形成される。
【００４６】
このように、熱交換器２の前端部において山形の二辺に沿ってそれぞれ燃焼ガス通路入口１１及びエアー通路出口１６を形成するとともに、熱交換器２の後端部において山形の二辺に沿ってそれぞれ燃焼ガス通路出口１２及びエアー通路入口１５を形成しているので、熱交換器２の前端部及び後端部を山形にカットせずに前記入口１１，１５及び出口１２，１６を形成した場合に比べて、それら入口１１，１５及び出口１２，１６における流路断面積を大きく確保して圧損を最小限に抑えることができる。しかも、前記山形の二辺に沿って入口１１，１５及び出口１２，１６を形成したので、燃焼ガス通路４…及びエアー通路５…に出入りする燃焼ガスやエアーの流路を滑らかにして圧損を更に減少させることができるばかりか、入口１１，１５及び出口１２，１６に連なるダクトを流路を急激に屈曲させることなく軸方向に沿って配置し、熱交換器２の半径方向寸法を小型化することができる。
【００４７】
ところで、エアー通路入口１５及びエアー通路出口１６を通過するエアーの体積流量に比べて、そのエアーに燃料を混合して燃焼させ、更にタービンで膨張させて圧力の下がった燃焼ガスの体積流量は大きくなる。本実施例では前記不等長の山形により、体積流量が小さいエアーが通過するエアー通路入口１５及びエアー通路出口１６の長さを短くし、体積流量が大きい燃焼ガスが通過する燃焼ガス通路入口１１及び燃焼ガス通路出口１２の長さを長くし、これにより燃焼ガスの流速を相対的に低下させて圧損の発生をより効果的に回避することができる。
【００４８】
更にまた、山形に形成した熱交換器２の前端部及び後端部の先端の端面にエンドプレート８，１０をろう付けしているので、ろう付け面積を最小限にしてろう付け不良による燃焼ガスやエアーの漏れの可能性を減少させることができ、しかも入口１１，１５及び出口１２，１６の開口面積の減少を抑えながら該入口１１，１５及び出口１２，１６を簡単且つ確実に仕切ることが可能となる。
【００４９】
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。
【００５０】
例えば、実施例ではガスタービンエンジンＥ用の熱交換器２を例示したが、本発明は他の用途の熱交換器に対しても適用することができる。また本発明は第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…を放射状に配置した熱交換器２に限らず、それらを平行に配置した熱交換器に対しても適用することができる。
【００５１】
【発明の効果】
以上のように、請求項１に記載された発明によれば、各折り線を挟んで対向する一対の凸条の先端間に隙間を形成し、この隙間内に前記折り線を配置したので、折り線の折曲部が凸条と干渉しなくなって折り曲げが容易になるだけでなく、複雑な折り曲げを行う必要がなくなるために仕上がりが良好になる。しかも折り線における折曲部と干渉しないように凸条を形成したので、折曲部からの流体の吹き抜けを確実に防止することが可能となる。
【００５２】
請求項２に記載された発明によれば、折り線における折曲部の周長を前記隙間の幅に一致させたので、折曲部の両側に凸条を滑らかに接続して第１端板及び第２端板との間のシール性を高め、燃焼ガス通路或いはエアー通路からの流体漏れを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ガスタービンエンジンの全体側面図
【図２】 図１の２−２線断面図
【図３】 図２の３−３線拡大断面図（燃焼ガス通路の断面図）
【図４】 図２の４−４線拡大断面図（エアー通路の断面図）
【図５】 図３の５−５線拡大断面図
【図６】 図３の６−６線拡大断面図
【図７】 折り板素材の展開図
【図８】 熱交換器の要部斜視図
【図９】 燃焼ガス及びエアーの流れを示す模式図
【図１０】 突起のピッチを均一にした場合の作用を説明するグラフ
【図１１】 突起のピッチを不均一にした場合の作用を説明するグラフ
【図１２】 図７の１２部拡大図
【図１３】 図７の１３部拡大図
【図１４】 図１２に対応する熱交換器の部分斜視図
【図１５】 図１３に対応する熱交換器の部分斜視図
【図１６】 図１４の１６−１６線断面図
【図１７】 図１５の１７−１７線断面図
【符号の説明】
４ 燃焼ガス通路（高温流体通路）
５ エアー通路（低温流体通路）
６ 半径方向外周壁（第１端板）
７ 半径方向内周壁（第２端板）
１１ 燃焼ガス通路入口（高温流体通路入口）
１２ 燃焼ガス通路出口（高温流体通路出口）
１５ エアー通路入口（低温流体通路入口）
１６ エアー通路出口（低温流体通路出口）
２１ 折り板素材
２４L 凸条
２４R 凸条
２５L 凸条
２５R 凸条
Ｌ1 山折り線（折り線）
Ｌ2 谷折り線（折り線）
Ｒｉ 周長
Ｒｏ 周長
Ｓ１ 第１伝熱板
Ｓ２ 第２伝熱板
ｄｉ 幅
ｄｏ 幅
Claims (2)
- 複数の第１伝熱板（Ｓ１）及び複数の第２伝熱板（Ｓ２）を第１折り線（Ｌ1 ）及び第２折り線（Ｌ2 ）を介して交互に連設してなる折り板素材（２１）を該第１、第２折り線（Ｌ1 ，Ｌ2 ）においてつづら折り状に折り曲げ、隣接する第１折り線（Ｌ1 ）間の隙間を該第１折り線（Ｌ1 ）と第１端板（６）との接合により閉塞するとともに、隣接する第２折り線（Ｌ2 ）間の隙間を該第２折り線（Ｌ2 ）と第２端板（７）との接合により閉塞し、隣接する前記第１伝熱板（Ｓ１）及び第２伝熱板（Ｓ２）間に高温流体通路（４）及び低温流体通路（５）を交互に形成した熱交換器であって、
第１伝熱板（Ｓ１）及び第２伝熱板（Ｓ２）の流路方向両端部を２つの端縁を有する山形に切断し、高温流体通路（４）の流路方向一端部において前記２つの端縁の一方を前記第１、第２伝熱板（Ｓ１，Ｓ２）に突設した凸条（２５F ）により閉塞して他方を開放することにより高温流体通路入口（１１）を形成するとともに、高温流体通路（４）の流路方向他端部において前記２つの端縁の一方を前記第１、第２伝熱板（Ｓ１，Ｓ２）に突設した凸条（２５R ）により閉塞して他方を開放することにより高温流体通路出口（１２）を形成し、更に低温流体通路（５）の流路方向他端部において前記２つの端縁の他方を前記第１、第２伝熱板（Ｓ１，Ｓ２）に突設した凸条（２４R ）により閉塞して一方を開放することにより低温流体通路入口（１５）を形成するとともに、低温流体通路（５）の流路方向一端部において前記２つの端縁の他方を前記第１、第２伝熱板（Ｓ１，Ｓ２）に突設した凸条（２４F ）により閉塞して一方を開放することにより低温流体通路出口（１６）を形成してなる熱交換器において、
各折り線（Ｌ1 ，Ｌ2 ）を挟んで対向する一対の凸条（２４F ，２４R ，２５F ，２５R ）の先端間に隙間を形成し、この隙間内に前記折り線（Ｌ1 ，Ｌ2 ）を配置するとともに、折り線（Ｌ 1 ，Ｌ 2 ）における折曲部と干渉しないように前記凸条（２４ F ，２４ R ，２５ F ，２５ R ）を形成したことを特徴とする熱交換器。 - 折り線（Ｌ1 ，Ｌ2 ）における折曲部の周長（Ｒｏ，Ｒｉ）を前記隙間の幅（ｄｏ，ｄｉ）に一致させたことを特徴とする、請求項１記載の熱交換器。
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