JP3868503B2 - 熱交換機 - Google Patents
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Description
本発明は、熱交換機に関し、特に、プレート・フィン熱交換機、すなわち、プライマリ面プレート熱交換機に関する。
通常、プレート・フィン型の熱交換機は、複数のプレートと、隣接するプレート対の間に延び、隣接する対の各プレートに固定された複数のフィンを有する。このフィンは、ロウ付け、溶接、拡散結合等によってプレートに固定される。このフィンは、波形プレートによって形成される。プレートフィン型の熱交換機において、フィンは、流体の流れと熱交換機との関係をつけるために通路を形成する。
プライマリ面プレート型の熱交換機は、通常、複数のプレートと、プレートを分離するために各隣接するプレート対との間に延びる複数のスペーサとを有する。一次面のプレート型の熱交換機において、プレートは、流体の流れを熱交換関係におく通路を形成する。
プレートフィン型の熱交換機またはプライマリ面プレート型の熱交換機は、熱交換機が螺旋形状にある場合には、ガスタービンエンジンのようなエンジンの周りに緊密に配置することができる。これらの螺旋型熱交換機は、製造上廉価であり、熱応力が小さく、もしガスタービンエンジンのタービンの周りに配置される場合には、ブレードの封じ込めを行う。しかしながら、螺旋型熱交換機を製造する種々の試みは、流体を熱交換機に供給し、熱交換機から除去する簡単で実際的な方法を提供することがなかった。
本発明は、新しい熱交換機と熱交換機を製造する新しい製造方法とを提供することを目的とする。
したがって、本発明は、(a) 第１の面と第２の面とを有する第１の連続シート材料を形成することと、
(b) 第３の面と第４の面とを有する第２の連続シート材料を形成することと、
(c) 第１の連続シート材料に第１の組の開口を形成し、第１の連続シート材料に第２の組の開口を形成することであって、第１の組の開口の隣接した開口は、第１の連続シート材料の長手方向に間隔を置いており、第２の組の開口の隣接した開口は、第１の連続シート材料の長手方向に間隔を置いており、第１の組と第２の組の開口は、第１の連続シート材料の横方向に間隔を置いていることと、
(d) 第２の連続シート材料に第３の組の開口を形成し、第２の連続シート材料に第４の組の開口を形成することであって、第３の組の開口の隣接した開口は、第２の連続シート材料の長手方向に間隔を置いており、第４の組の開口の隣接した開口は、第２の連続シート材料の長手方向に間隔を置いており、第３の組と第４の組の開口は、第２の連続シート材料の横方向に間隔を置いていることと、
(e) 第１の連続シート材料の第１の組の開口の開口が、第２の連続シート材料の第３の組の開口の開口に整列し、第１の連続シート材料の第１の組の開口の開口が、第２の連続シート材料の第４の組の開口の開口に整列するように、第１と第２の連続シート材料を一緒に螺旋形に巻くことと、
(f) 第１の連続シート材料の第１の面の縁部を第２の連続シート材料の第３の面の縁部に密封することと、
(g) 第１の連続シート材料の第２の面が、第２の連続シート材料の第４の面に密封されるように、第１の連続シート材料の第１の組の開口を第２の連続シート材料の第３の組の開口の開口に密封し、第１の連続シート材料の第２の組の開口を第２の連続シート材料の第４の組の開口の開口に密封することと、を有する、環状熱交換機を製造する製造方法を提供する。
本方法は、少なくとも１つの連続波形シート材料を形成することと、第１および第２の連続シート材料とともに少なくとも１つの波形シート材料を巻くことを含む。
また、本方法は、２つの連続した波形シート材料を形成することと、第１と第２の連続シート材料の間に連続した波形シート材料の一方を配置し、第１および第２の連続シート材料とともに連続した波形シート材料を巻くこととを含む。
好ましくは、縁部の密封は、溶接、ロウ付け、クリンピングによって行われる。
好ましくは、縁部の密封は、螺旋通路において連続的に溶接することによって行われる。
好ましくは、縁部の密封は溶接によって行われる。
また本発明は、第１の連続シート材料と、第２の連続シート材料とを有し、第１の連続シート材料は、螺旋状に配置され、第２の連続シート材料は、螺旋状に配置され、第１の連続シート材料は、第１の面と第２の面とを有し、第２の連続シート材料は、第３の面および第４の面を有し、第１の連続シート材料の第１の面と第２の連続シート材料の第３の面との間に第１の軸線方向に延びる通路が形成され、第１の連続シート材料の第２の面と第２の連続シート材料の第４の面との間に第２の軸線方向に延びる通路が形成され、第１の軸線方向に延びる通路の端部は、第１と第２の連続シート材料の縁部で密封され、第２の軸線方向に延びる通路の端部が開放しており、第１の流体を第１の軸線方向に延びる通路に送るために第１または第２の連続シート材料を通って延びている少なくとも１つの半径方向に延びる通路と、第１の流体を第１の軸線方向に延びる通路から除去するために第第２の連続シート材料の第１または第２の面を通って半径方向に延びている少なくとも１つの半径方向に延びる通路と、を有する環状熱交換機において、第１の流体を第１の軸線方向に延びる通路に送るために配置された少なくとも１つの半径方向に延びる通路および第１の軸線方向に延びる通路から第１の流体を除去するために配置された少なくとも１つの半径方向に延びる通路は、第１および第２の連続シート材料を横断する方向に間隔を置いていることを特徴とする環状熱交換機を提供する。
熱交換機は、少なくとも１つの連続波形シート材料を含み、連続した波形シート材料は、螺旋形に配置されている。少なくとも１つの連続した波形シート材料は、第１の連続シート材料の第１の面と、第２の連続シート材料の第３の面との間に配置される。少なくとも１つの連続した波形シート材料は、第１の連続シート材料の第２の面と、第２の連続シート材料の第４の面との間に配置される。
好ましくは、第１の流体を第１の通路に送る半径方向に延びる複数の通路がある。
好ましくは、第１の流体を第１の通路から除去するために半径方向に延びる複数の通路がある。
好ましくは、第１の流体を螺旋の隣接する回転部分の間に送るために第２の軸線方向に延びる通路を通って延びる複数の半径方向の通路がある。
好ましくは、第１の流体を螺旋の隣接する回転部分の間から除去するために第２線方向に延びる通路を通って延びる複数の半径方向の通路がある。
本発明は、添付図面を参照して例によってさらに詳細に説明する。
図１は、本発明による図面の簡単な説明である。
図２は、図１に示す熱交換機を通る拡大された長手方向断面図である。
図３は、図２の線A-Aに沿った断面図である。
図４は、図２および図３に示す熱交換機を製造する方法の斜視図である。
図５は、本発明による他の熱交換機の拡大長手方向断面図である。
図６は、図５の線Ｂ−Ｂに沿った断面図である。
図７は、図４、図５および図６に示す熱交換機の製造方法の斜視図である。
図８は、図５の線Ｂ−Ｂに沿った他の断面図である。
図９は、図８に示す熱交換機の部分斜視図である。
図１０は、本発明による熱交換機の一部を破断した斜視図である。
図１１は、図１０に示す熱交換機の部分拡大図である。
図１２は、図１０に示す熱交換機の部分拡大図である。
図１３は、図１０に示す熱交換機の部分拡大図である。
熱交換機１０は、図１、２および図３に示すガスタービン・エンジン用の中間冷却器、蓄熱室、復熱装置に適した熱交換機１０が示されている。熱交換機１０は、環状であり、第１の連続的な材料シート１２と、第２の連続的な材料シート１４とを有する。第１および第２の材料の連続シート１２および１４は、螺旋状に配置されている。
第１の連続した材料シート１２は、第１の面１６と第２の面１８とを有し、同様に第２の連続した材料シート１４は、第３の面２０と第４の面２２とを有する。第１および第２の材料の連続シート１２および１４は、第１の連続シート材料１２の第１の面１６が、第２の連続シート材料１４の第３の面２０に面し、第１の連続材料１２のシートの第２の面１８が、第２の連続シート材料１４の第４の面２２に面するように配置される。第１の連続シート材料１２は、第１の連続シート材料１２の長手方向に間隔を置いた第１の組の開口２４と、第１の連続シート材料の長手方向に間隔を置いた第２の組の開口２６とを有する。開口２４および２６は、第１の連続シート材料１２を横断するように配置される。開口２４は、第１の連続シート材料１２の長手方向に延びる縁部３２から所定の距離に配置されており、また、開口２６は、第１の連続シート材料１２の長手方向に延びる縁部３４から所定の距離になるように配置されている。
第２の連続シート材料１４は、第２の連続シート材料１４の長手方向に間隔を置いた第３の組の開口２８と、第２の連続したシート材料１４の長手方向に間隔を置いた第４の組の開口と３０と、を有する。開口２８および３０は、第２の連続したシート材料１４の横方向に間隔を置いている。開口２８は、第２の連続シート材料１４の長手方向に延びる縁部３６から所定の距離に配置されており、開口３０は、第２のシート連続材料１４の長手方向に延びる縁部から所定の距離に配置されている。
第１のシート連続材料１２の長手方向に延びる縁部３２および３４は、ロウ付け、溶接、のり付け、または２つの連続した螺旋シールによるクリンピング等によって第２のシート連続材料１４の長手方向に延びる縁部３６および３８に密封される。第１の連続シート材料１４の縁部３６および３８への第１の連続シートの縁部３２および３４の密封は、第１の連続シート材料１２の第１の面１６と第２の連続シート材料１４の第３の面２０の間に１つの軸線方向に延びる通路４０を形成する。通路４０は、もちろん螺旋状に延びている。
開口２４の縁部は、軸線方向に延びる通路４０の隣接する回転を相互に接続するように開口３０の縁部に密封されている。上述したような開口の縁部の密封は、第１の連続シート材料の第２の面１８と、第２の連続シート材料の第４の面２２との間に１つの軸線方向に延びる通路４６を形成する。通路４６は、もちろん、螺旋状に延びている。通路４２は、通路４０に半径方向に第１の流体を供給する第１のマニフォルド４８を形成し、通路４４は、第１の流体を通路４０から除去するために第２のマニフォルド５０を形成する。通路４６を通して第２の流体が送られる。
好ましくは、軸線方向に延びる通路４０の隣接する回転部分の間の通路は、熱交換機１０の軸線から放射するライン状にその軸線があるように配置される。同様に軸線方向に延びる通路４０の隣接する回転部分の間の通路４４は、熱交換機１０の軸線から放射するライン状にその軸線があるように配置される。よって、いくつかのたとえば、６つの半径方向のマニフォルド４８と、いくつかの、例えば、６つの半径方向のマニフォルド５０とがある。これらの半径方向に整列した通路４２および４４は、図９にさらに明瞭に示される。
第１の連続シート材料１２は、第２の連続シート材料１４の第４の面２２から第２の面１８を間隔を置くように半径方向内側に延びている突出部を有する。同様に、第２の連続シート材料１４は、第１の連続シート材料の第１の面１６から第３の面２０を間隔を置くように半径方向内側に延びている突出部を有する。第１および第２の連続シート材料１２および１４の双方から半径方向外側に延びる突出部を設けるか、または、第２の連続シート材料１４の面２０，２２から第１の連続シート材料１２の面１６，１８の間隔を置くように第１の連続シート材料１２または第２の連続シート材料１４のいずれかから半径方向内側および半径方向外側に延びる突出部を設けることができる。しかしながら、ある環境においては、突出部を分配すること可能である。
熱交換機１０の内面および外面に、円周方向に延びる駆動壁５２および５４が設けられる。壁５２の外端は、シート材料の縁部に隣接した２組の開口の間の位置に環状の熱交換機１０のシート材料１４の内面に密封される。同様に、壁５４の内端は、シート材料の縁部に隣接した２組の開口の間の位置に、環状の熱交換機１０のシート材料１２の外面に固定される。壁５２および５４の外端は、内側ケーシング５６および外側ケーシング５８のそれぞれに密封される。壁５２および５４は、入り口および出口点で環状熱交換機１０に第１の流体を分離する。
図示した特定の構成において、環状熱交換機１０の右手側に比較的高温の第２の流体が供給される。この例における高温の第２の流体は、ガスタービン・エンジンからの高温の排気ガスである。比較的に妻体第１の流体は、第１のマニフォルド４８に送られる。この例において低温の流体は、それがガスタービンエンジンの燃焼室に送られる前に、圧縮機から送られる空気である。第２の流体は、通路４０を軸線方向に通過して軸線方向に第１の流体の流れに対する対抗流である。第２の流体は、環状の熱交換機１０の通路４６および４０の各々を通過するとき、第１の流体に熱を与える。第２のマニフォルド５０を出た第１の流体は、第２の流体との熱交換によって加熱され、第１の流体は、ガスタービン・エンジンの燃焼室に送られる。
別の例として環状熱交換機１０の右手側に比較的に低温の第２の流体を送ることが可能である。比較的高温の第１の流体が第１のマニフォルド４８に送られる。第２の流体は、通路４０を軸線方向に通過する第１の流体の流れに対する対抗流で通路４６を軸線方向に通過する。第１の流体は、環状熱交換機１０の通路４０および４６のそれぞれを通過するとき、第２の流体に熱を与える。通路４６を出た第２の流体は、第１の流体との熱交換によって加熱され、第２の流体は、ガスタービン・エンジンの燃焼室に送られる。
別の例として、本発明の範囲ではあるが、流体を反対方向に流すように配置することができる。
第１および第２の連続シート材料は、好ましくはステンレス・スチールであるが、他の適当な金属、合金、プラスティックまたはセラミックスを使用することも可能である。
熱交換機１０は、図４に示すように、最初に２つの連続シート材料１２および１４、例えば、ステンレススチールを準備することによって製造される。第１の組の開口２４および第２の組の開口２６は、第１の連続シート材料１２の縁部３２および３４から所定の距離で第１の連続シート材料１２に形成される。同様に、第３の組の開口２８および第４の組の開口３０は、第２の連続シート材料１４の縁部３６および３８から所定の距離で第２の連続シート材料１２に形成される。
開口２４，２６，２８および３０は、第１および第２の連続シート材料１２および１４にパンチ加工されることが好ましいが、他の適当な技術を使用することも可能である。
開口２４，２６，２８の周りの領域は、第１および第２の連続シート材料１２および１４を離して配置するくぼみを形成するために、第４および第２の面２２および１８に向かって変形される。また、第１および第２の連続シート１２および１４の縁部３２，３４，３６は、第３および第１の面に向かって変形される。
開口２４および２８の縁部は参照番号６２で密封され、開口２６および３０の縁部は、通路４０の間で相互結合通路４２および４４を形成するためにともに密封される。開口の密封は、溶接によることが好ましい。また、ロウ付け、のり付け、クリンピングまたは他の適当な方法によって密封を達成することができる。開口２４および２８の縁部は、第１および第２の連続シート材料が螺旋状に一緒に巻かれる前に一緒に密封されることが好ましい。
第１および第２の連続シート材料１２および１４は、一緒に螺旋状に巻かれる。
第１および第２の連続シート材料１２および１４が、開口の軸線が半径方向のマニフォルド４８および５０を形成するように４つの組の開口部２４，２６，２８および３０の各々において、隣接する開口の間に長手方向の空隙が形成されるように十分に緊密に一緒にまかれる。第１および第２の連続シート材料１２および１４は、環状またはステップ付の管状マンドレルに巻かれることが好ましい。
第１の連続シート材料１２の第１の面１６の縁部３２および３４は、第２の連続シート材料１４の第３の面２０の縁部３６および３８に密封される。これは、第１および第２の連続シート材料１２および１４が一緒に巻かれる間、２つの螺旋通路６０を連続的に溶接することによって達成される。別の例として、連続シート材料を一緒に巻いた後、縁部が一緒に溶接される。他の例として、第１の面１６の縁部３２および３４と、第３の面２０の縁部３６および３８との間にコーキング材料の螺旋状部材を配置し、コーキング・ストリップに縁部を溶接することが可能である。
第１および第２の連続シート材料１２および１４が熱交換機１０に完全に巻かれるとき、長手方向の端部は、通路４６および４０からの高温ガスの漏れを防止し、螺旋の隣接する回転部分を接合するために、例えば、溶接によって、横断方向にまたは軸線方向に密封される。さらに、螺旋の隣接する回転を接合するために端部から間隔を置いた適当な位置に他の横方向の軸線方向の溶接を行ってもよい。
上述した本発明は、プライマリ面プレート熱交換機であるが、本発明は、図５および図６に示すようにプレート・フィン熱交換機１１０にも等しく適用可能である。この場合において、すべてが螺旋形状に配置された２つの連続波形シートー材料６４および６６および第１および第２の連続シート材料１２および１４を有することが可能である。連続した波形シート材料６４の一方が第１と第２の連続したシート材料の間に配置される。連続した波形シート材料６６の他方は、他の連続したシート材料１４の一方に当接している。連続した波形シート材料６４および６６の波形部材は、シート材料の横方向または軸線方向に延びるように配置されている。
熱交換機１１０は、２つの連続したシート材料１２および１４を準備し、第１および第２の連続シート材料１２および１４に４組の開口２４，２６，２８および３０を形成することによって製造される。開口２４，２６，２８および３０の周りのくぼみを形成するために変形され、縁部３２，３４，３６および３８は、変形される。開口２４および２８の縁部および開口２６および３０の縁部は、一緒に密封される。
波形のシート材料６４は、第１および第２の連続シート材料１２および１４の間に配置され、第４の連続シート材料６６は、図７に示すように第１のシート材料に接触するように配置される。
第１および第２の連続シート材料１２および１４および第３および第４の連続波形シート材料６４および６６は、好ましくは管状またはステップ付の管状マンドレルの周りに螺旋状に巻かれる。
第１の連続シート材料１２の第１の面１６の縁部３２および３４は、好ましくは、材料シート１２，１４と一緒に巻かれるとき、または材料シート１２，１４が一緒に巻かれた後、第２の連続シート材料の第３の面２０の縁部３６および３８に密封される。第１および第２の連続シート材料１２および１４の長手方向の端部は、シートの横方向または熱交換機の軸線方向に溶接することによって密封される。
さらに、熱交換機２１０は、図８および図９に示すように、一部がプレートフィン熱交換機および一部がプライマリ面プレート熱交換機であってもよい。この場合、１つが連続したシート波形シート材料６４および第１および第２の連続したシート材料１２および１４を有し、すべてのシート材料を螺旋形状に配置することが可能である。連続波形シート材料６４は、第１および第２の連続シート材料の間のいずれかに配置するか、または他の連続シート材料１２または１４のシート材料に接触するようにする。連続シート材料６４の波形部分６４は、シート材料１２，１４の横方向または軸線方向に延びるように配置される。
熱交換機２１０は、まず、２つの連続シート材料１２および１４を準備し、第１の連続したシート材料１２および１４に４組の開口２４，２６，２８および３０を形成することによって製造される。開口２４，２６，２８および３０の周りの領域は、くぼみを形成するように変形され、縁部３２，３４，３６および３８が変形される。第２の連続シート材料１４は、半径方向内側に延びる突出部分を有する。
開口２４および２８の縁部および開口２６および３０の縁部は、ともに密封される。
第１および第２の連続シート材料１２および１４および波形シート材料６４は、好ましくは管状またはステップ付の管状マンドレルの周りに螺旋状に巻かれる。
第１の連続シート材料１２の第１の面の縁部３２および３４は、好ましくは、材料シート１２，１４一緒に巻かれるとき、または材料シート１２，１４が一緒に巻かれた後、第２の連続シート材料の第３の面２０の縁部３６および３８に密封される。次に、第１および第２の連続シート材料１２および１４の長手方向の端部は、シートの横方向または熱交換機の軸線方向に溶接することによって密封される。
図９の熱交換機は、熱交換機用の空気入り口パイプ６８を有し、これは、第１のベロー構成７０によって熱交換機に接続される。第１のベロー装置７０は、内側ケーシング５６内の熱交換機の半径方向の内側に空気を送るために熱交換機の軸線と同軸に配置されている。内側ケーシング５６は、好ましくは、螺旋熱交換機を製造するために使用される管状マンドレルである。内側ケーシング５６を通って軸線方向に直線的に空気流が流れることを防止するためにブランキング・プレート７２が内側ケーシング５６内に配置される。空気は、内側ケーシング５６の一組の開口７４を通って半径方向外側に、熱交換機を通って軸線方向に流れる前に、通路４２を通って半径方向外側に、内側ケーシング５６の他の組の開口７８の他の組を通って通路４４を通って半径方向内側に流れる。内側ケーシング５６は、空気を通路４２に円滑な流れを提供するように開口７６にトランペット形状の延長部７４を備えている。次に空気は、熱交換機から軸線方向に出るように流れ、第２のベロー構成８０を通って空気出口パイプ８２に流れる。また第２のベロー構成８０は、内側ケーシング５６内の熱交換機の半径方向内側から空気を除去するために熱交換機の出口に同軸に配置されている。
図９の材料６４の波形シートは、縦方向の縁部、すなわち軸線方向の縁部で領域６４Ａを有し、ここで波形部材の間の長手方向の間隙は、比較的大きな寸法であり、それは、波形部材の間の長手方向の空隙が比較的小さい寸法である領域６４Ｂを有する。領域６４Ａの波形部分の間の比較的大きい空隙は、ガスを半径方向の通路４４および４２の周りに流し、熱交換機の周りに円周方向にさらに均一に分配することができるようにする。しかしながら、熱交換機の完全に縦方向または軸線方向の寸法にわたって、一様に間隔を置いた波形部分を有することが可能である。
半径方向の通路４２および４４への液体の供給および除去は、半径方向内側、半径方向外側またはその２つの組み合わせであってもよい。図２において、流体は、通路４２に半径方向内側に送られ、通路４４から半径方向内側に除去される。図５において、流体は、通路４２に半径方向外側に供給され、通路４４から半径方向外側に除去される。図９において、流体は、通路４２に半径方向外側に供給され、通路４４から半径方向内側に除去される。半径方向内側に通路４２に液体を供給し、通路４４から半径方向外側に液体を除去することが可能である。
フラットタイプの熱交換機と比較して、このタイプの螺旋熱交換機の利点は、熱応力が螺旋熱交換機において著しく、約１０分の１ぐらい低減されることである。なぜならば、螺旋熱交換機の最も高温となる端部は、熱交換機のさらに低温の端部によって、拘束されることなく半径方向に拡張することができるからである。
さらに、螺旋熱交換機は、製造が比較的安価である。なぜならば、比較的少数の部品、すなわち、第１および第２の連続ストリップ材料および可能ならば、１つまたは２つの波形ストリップのみであるからであり、製造方法は、連続した方法であるからである。これらは、ほとんど材料の消費がなく、波形シートのロウ付けの必要性はない。
螺旋熱交換機は、熱交換には良好な対抗流を有し、熱交換機の低い圧力低下によって、ガスとガスによる熱交換が非常に効率がよい。
この熱交換は、適当な波形寸法および突出寸法を選択することによって異なる流体を使用する場合、注文製作するようにしてもよい。
１つまたはそれ以上の螺旋熱交換は、ガスタービンエンジンおよびその関連する排気ダクトの寸法い依存してガスタービン・エンジンの排気ダクト内に配置してもよい。もし熱交換に失敗するときには、それは交換されるか、取り外される。
ガスタービン・エンジンの中間冷却器、蓄熱室、復熱装置に適した熱交換機が図１０および図１１に示されている。この熱交換機１０は、熱交換機１０が、螺旋状に巻かれている第１の連続シート材料１２と第２の連続シート材料１４とを有することを示している図２および図３に示したものと同様である。第１と第２の連続材料シート１２および１４は、第１および第２の連続した材料シート１２および１４の隣接した回転部分から離れるように半径方向内側、または半径方向外側に延びている突出部６５，６７を有する。第１と第２の連続シート材料１２および１４の間には複数の流体流通路が形成されている。
熱交換機１０は、円筒形の圧力容器８４の内側に配置されている。環状の空隙８６が、環状の熱交換機１０の外面９０と、円筒形の圧力容器８４の内面９２との間に形成され、円筒形空隙８８が熱交換機１０の内面９４内に形成されている。円筒形圧力容器８４の内側の環状空隙８６と円筒形空隙８８は、高圧流体源９８にパイプ９６を介して接続されている。
動作において、高圧流体がパイプ９６を介して高圧流体源９８から円筒形圧力容器８４の環状空隙８６と円筒形空隙８８に送られる。環状空隙８６と円筒形空隙８８の高圧流体源は、環状の熱交換機１０を完全に包囲し、環状の熱交換機１０に半径方向の圧縮負荷を与える。環状の熱交換機１０への半径方向の圧縮負荷は、熱交換機を圧縮するように作用する。環状空隙３０および円筒形空隙３２内の高圧流体によって生じる圧力負荷は、張力の圧力負荷を支持する円筒形圧力容器１４によって支持される。
熱交換機の利点は、高圧と高温で熱交換機を作動することが可能なことである。他の利点は、環状熱交換機がフェールセーフ・モードを有することである。もし、環状の熱交換機に過剰な圧力が加えられた場合、または過剰に加熱された場合、従来技術の熱交換機がそうであるように破裂しないで曲がり、また、環状の熱交換機は、過剰に圧力が加えられる場合には、ガスが緊密に残る。
ガスタービン・エンジンの中間冷却器、蓄熱室、復熱装置に適した熱交換機が図１０および図１２に示されている。熱交換機１０は、環状の熱交換機１２が円筒形圧力容器８４の内側に配置されている図５および図６に示したものと同様である。熱交換機１０は、第１の連続シート材料１２と、第２の連続シート材料１４とを有する。またシート材料１２および１４の間に一対の連続波形シート材料６４および６６が配置されている。
波形シート材料６４および６６は、ロウ付け、溶接または拡散結合によって第１および第２の連続シート材料１２および１４に固定される。他の例として、また好ましくは、波形シート材料６４および６６は、第１および第２の連続シート材料１２および１４には固定されない。
環状熱交換機１０の外面９０と、円筒形圧力容器８４の内面９２の間に、環状空隙８６が形成され、熱交換機１０の内面内に円筒形空隙８８が形成される。円筒形圧力容器８４の内側の環状空隙８６と円筒形空隙８８は、パイプ９６を介して高圧流体源９８に接続されている。
動作において、高圧流体は、パイプ９６を通って高圧流体源から円筒形圧力容器８４の環状空隙８６および円筒形空隙８８に送られる。環状空隙８６および円筒形空隙８８の高圧流体は、環状の熱交換機１０を完全に包囲し、半径方向の圧縮負荷を環状の熱交換機１０に加える。環状の熱交換機への半径方向の圧縮負荷は、波形のシート材料６４および６６を半径方向に圧縮し、波形のシート材料６４および６６を第１と第２の連続シート材料１２および１４に固定することなく、環状の熱交換機１０をつくることを可能にする。環状空隙８６および円筒形空隙８８内の高圧流体によって生じる圧力負荷は、張力の圧力負荷を円筒形圧力容器によって支持される。
この熱交換機の構成の利点は、波形にシート材料６４および６６を第１および第２の連続シート材料１２および１４に固定、ロウ付けする必要なくして環状の熱交換機１０をつくることができる。これにより、熱交換機をさらに迅速に廉価につくることができる。さらに、もっとも大きな利点は、高圧と高温で熱交換機を作動させることが可能であることである。
他の利点は、環状の熱交換機がフェールセーフ・モードを有することである。もし、環状の熱交換機が過剰な高温および過剰に加熱される場合には、環状熱交換機は、従来の熱交換機がそうであるより破裂しないで曲がり、環状の熱交換機は、もし過剰に圧縮される場合には、ガスが緊密に残る。
ガスタービン・エンジンの中間冷却器、蓄熱室、復熱装置に適した他の熱交換機が図１０および図１３に示されている。熱交換機１０は、環状の熱交換機１２が螺旋に巻かれている第１の連続シート材料１２と第２の連続シート材料１４を有するという点で図２、８および９に示したものと同様である。第２の連続シート材料１４は、それらを隣接する第１の連続シート材料１２から離すように半径方向内側または半径方向外側に延びる突出部６７を有する。隣接する第１と第２の連続シート材料１２および１４の間に波形シート材料６４が配置されている。第１および第２の連続シート材料１２および１４は波形シート材料６４とともに、流体流通路を形成する。第１および第２の連続シート材料１２および１４は、互いに面するように配置された表面を有し、突出部分６７および波形シート材料６４は、第１および第２の連続シート材料１２および１４の間隔を開ける。
波形シート材料６４は、ロウ付け、溶接、または拡散結合によってプレート１６によって第１および第２の連続シート材料１２および１４に固定される。別の例として、好ましくは第１および第２の連続シート材料１２および１４には固定されない。
環状熱交換機１０の外面９０と、円筒形圧力容器８４の内面９２の間に、環状空隙８６が形成され、熱交換機１０の内面内９４に円筒形空隙８８が形成される。環状空隙８６と円筒形圧力容器８４の内側の円筒形空隙８８は、パイプ９６を介して高圧流体源９８に接続される。
高圧流体源は、高圧ガス、例えば、高圧窒素、高圧空気、高圧液源のビンである。ガスタービンエンジンの熱交換機の場合、高圧流体源としてガスタービン・エンジンを使用することが可能であり、例えば、圧縮供給空気を圧力容器の内側に供給することもできる。また、ガスタービン・エンジンの熱交換機の場合、圧力容器の内側を圧縮するために流体として加熱すべき圧縮空気を使用することが可能である。これは、環状室８６と相互接続するために熱交換機１０を通して開口４２を提供することによって図９で達成されるが、開口４４が環状室８６とは相互接続しないことを保証する。
他の構成において、図示はしないが、熱交換機の周りに弾性材料を配置することが可能になる。例えば、室内にゴムまたは他の適当な材料を提供し、圧力容器と、熱交換機の外面との間にばねを提供することが可能になる。
他の別の実施例として、熱交換機に圧縮負荷を与えるために熱交換機の周りに少なくとも１つの、好ましくは複数の分離した輪を配置することが可能である。この輪は、熱交換機が加熱されるとき、それが輪以上に拡張して圧縮負荷が熱交換機に加えられるように輪を形成するために低い熱膨張係数の材料を使用して収縮嵌合、ボスト結合を提供することによって、熱交換機に圧縮負荷を提供する。
本発明は、断面が円形の図示した円滑に湾曲した螺旋熱交換機を言うが、断面が正方形、矩形、５角形、６角形、８角形である螺旋熱交換機を形成するためにマンドレルの周りで巻かれる連続した金属シートを使用して同様の利点を達成することができる。
通常、プレート・フィン型の熱交換機は、複数のプレートと、隣接するプレート対の間に延び、隣接する対の各プレートに固定された複数のフィンを有する。このフィンは、ロウ付け、溶接、拡散結合等によってプレートに固定される。このフィンは、波形プレートによって形成される。プレートフィン型の熱交換機において、フィンは、流体の流れと熱交換機との関係をつけるために通路を形成する。
プライマリ面プレート型の熱交換機は、通常、複数のプレートと、プレートを分離するために各隣接するプレート対との間に延びる複数のスペーサとを有する。一次面のプレート型の熱交換機において、プレートは、流体の流れを熱交換関係におく通路を形成する。
プレートフィン型の熱交換機またはプライマリ面プレート型の熱交換機は、熱交換機が螺旋形状にある場合には、ガスタービンエンジンのようなエンジンの周りに緊密に配置することができる。これらの螺旋型熱交換機は、製造上廉価であり、熱応力が小さく、もしガスタービンエンジンのタービンの周りに配置される場合には、ブレードの封じ込めを行う。しかしながら、螺旋型熱交換機を製造する種々の試みは、流体を熱交換機に供給し、熱交換機から除去する簡単で実際的な方法を提供することがなかった。
本発明は、新しい熱交換機と熱交換機を製造する新しい製造方法とを提供することを目的とする。
したがって、本発明は、(a) 第１の面と第２の面とを有する第１の連続シート材料を形成することと、
(b) 第３の面と第４の面とを有する第２の連続シート材料を形成することと、
(c) 第１の連続シート材料に第１の組の開口を形成し、第１の連続シート材料に第２の組の開口を形成することであって、第１の組の開口の隣接した開口は、第１の連続シート材料の長手方向に間隔を置いており、第２の組の開口の隣接した開口は、第１の連続シート材料の長手方向に間隔を置いており、第１の組と第２の組の開口は、第１の連続シート材料の横方向に間隔を置いていることと、
(d) 第２の連続シート材料に第３の組の開口を形成し、第２の連続シート材料に第４の組の開口を形成することであって、第３の組の開口の隣接した開口は、第２の連続シート材料の長手方向に間隔を置いており、第４の組の開口の隣接した開口は、第２の連続シート材料の長手方向に間隔を置いており、第３の組と第４の組の開口は、第２の連続シート材料の横方向に間隔を置いていることと、
(e) 第１の連続シート材料の第１の組の開口の開口が、第２の連続シート材料の第３の組の開口の開口に整列し、第１の連続シート材料の第１の組の開口の開口が、第２の連続シート材料の第４の組の開口の開口に整列するように、第１と第２の連続シート材料を一緒に螺旋形に巻くことと、
(f) 第１の連続シート材料の第１の面の縁部を第２の連続シート材料の第３の面の縁部に密封することと、
(g) 第１の連続シート材料の第２の面が、第２の連続シート材料の第４の面に密封されるように、第１の連続シート材料の第１の組の開口を第２の連続シート材料の第３の組の開口の開口に密封し、第１の連続シート材料の第２の組の開口を第２の連続シート材料の第４の組の開口の開口に密封することと、を有する、環状熱交換機を製造する製造方法を提供する。
本方法は、少なくとも１つの連続波形シート材料を形成することと、第１および第２の連続シート材料とともに少なくとも１つの波形シート材料を巻くことを含む。
また、本方法は、２つの連続した波形シート材料を形成することと、第１と第２の連続シート材料の間に連続した波形シート材料の一方を配置し、第１および第２の連続シート材料とともに連続した波形シート材料を巻くこととを含む。
好ましくは、縁部の密封は、溶接、ロウ付け、クリンピングによって行われる。
好ましくは、縁部の密封は、螺旋通路において連続的に溶接することによって行われる。
好ましくは、縁部の密封は溶接によって行われる。
また本発明は、第１の連続シート材料と、第２の連続シート材料とを有し、第１の連続シート材料は、螺旋状に配置され、第２の連続シート材料は、螺旋状に配置され、第１の連続シート材料は、第１の面と第２の面とを有し、第２の連続シート材料は、第３の面および第４の面を有し、第１の連続シート材料の第１の面と第２の連続シート材料の第３の面との間に第１の軸線方向に延びる通路が形成され、第１の連続シート材料の第２の面と第２の連続シート材料の第４の面との間に第２の軸線方向に延びる通路が形成され、第１の軸線方向に延びる通路の端部は、第１と第２の連続シート材料の縁部で密封され、第２の軸線方向に延びる通路の端部が開放しており、第１の流体を第１の軸線方向に延びる通路に送るために第１または第２の連続シート材料を通って延びている少なくとも１つの半径方向に延びる通路と、第１の流体を第１の軸線方向に延びる通路から除去するために第第２の連続シート材料の第１または第２の面を通って半径方向に延びている少なくとも１つの半径方向に延びる通路と、を有する環状熱交換機において、第１の流体を第１の軸線方向に延びる通路に送るために配置された少なくとも１つの半径方向に延びる通路および第１の軸線方向に延びる通路から第１の流体を除去するために配置された少なくとも１つの半径方向に延びる通路は、第１および第２の連続シート材料を横断する方向に間隔を置いていることを特徴とする環状熱交換機を提供する。
熱交換機は、少なくとも１つの連続波形シート材料を含み、連続した波形シート材料は、螺旋形に配置されている。少なくとも１つの連続した波形シート材料は、第１の連続シート材料の第１の面と、第２の連続シート材料の第３の面との間に配置される。少なくとも１つの連続した波形シート材料は、第１の連続シート材料の第２の面と、第２の連続シート材料の第４の面との間に配置される。
好ましくは、第１の流体を第１の通路に送る半径方向に延びる複数の通路がある。
好ましくは、第１の流体を第１の通路から除去するために半径方向に延びる複数の通路がある。
好ましくは、第１の流体を螺旋の隣接する回転部分の間に送るために第２の軸線方向に延びる通路を通って延びる複数の半径方向の通路がある。
好ましくは、第１の流体を螺旋の隣接する回転部分の間から除去するために第２線方向に延びる通路を通って延びる複数の半径方向の通路がある。
本発明は、添付図面を参照して例によってさらに詳細に説明する。
図１は、本発明による図面の簡単な説明である。
図２は、図１に示す熱交換機を通る拡大された長手方向断面図である。
図３は、図２の線A-Aに沿った断面図である。
図４は、図２および図３に示す熱交換機を製造する方法の斜視図である。
図５は、本発明による他の熱交換機の拡大長手方向断面図である。
図６は、図５の線Ｂ−Ｂに沿った断面図である。
図７は、図４、図５および図６に示す熱交換機の製造方法の斜視図である。
図８は、図５の線Ｂ−Ｂに沿った他の断面図である。
図９は、図８に示す熱交換機の部分斜視図である。
図１０は、本発明による熱交換機の一部を破断した斜視図である。
図１１は、図１０に示す熱交換機の部分拡大図である。
図１２は、図１０に示す熱交換機の部分拡大図である。
図１３は、図１０に示す熱交換機の部分拡大図である。
熱交換機１０は、図１、２および図３に示すガスタービン・エンジン用の中間冷却器、蓄熱室、復熱装置に適した熱交換機１０が示されている。熱交換機１０は、環状であり、第１の連続的な材料シート１２と、第２の連続的な材料シート１４とを有する。第１および第２の材料の連続シート１２および１４は、螺旋状に配置されている。
第１の連続した材料シート１２は、第１の面１６と第２の面１８とを有し、同様に第２の連続した材料シート１４は、第３の面２０と第４の面２２とを有する。第１および第２の材料の連続シート１２および１４は、第１の連続シート材料１２の第１の面１６が、第２の連続シート材料１４の第３の面２０に面し、第１の連続材料１２のシートの第２の面１８が、第２の連続シート材料１４の第４の面２２に面するように配置される。第１の連続シート材料１２は、第１の連続シート材料１２の長手方向に間隔を置いた第１の組の開口２４と、第１の連続シート材料の長手方向に間隔を置いた第２の組の開口２６とを有する。開口２４および２６は、第１の連続シート材料１２を横断するように配置される。開口２４は、第１の連続シート材料１２の長手方向に延びる縁部３２から所定の距離に配置されており、また、開口２６は、第１の連続シート材料１２の長手方向に延びる縁部３４から所定の距離になるように配置されている。
第２の連続シート材料１４は、第２の連続シート材料１４の長手方向に間隔を置いた第３の組の開口２８と、第２の連続したシート材料１４の長手方向に間隔を置いた第４の組の開口と３０と、を有する。開口２８および３０は、第２の連続したシート材料１４の横方向に間隔を置いている。開口２８は、第２の連続シート材料１４の長手方向に延びる縁部３６から所定の距離に配置されており、開口３０は、第２のシート連続材料１４の長手方向に延びる縁部から所定の距離に配置されている。
第１のシート連続材料１２の長手方向に延びる縁部３２および３４は、ロウ付け、溶接、のり付け、または２つの連続した螺旋シールによるクリンピング等によって第２のシート連続材料１４の長手方向に延びる縁部３６および３８に密封される。第１の連続シート材料１４の縁部３６および３８への第１の連続シートの縁部３２および３４の密封は、第１の連続シート材料１２の第１の面１６と第２の連続シート材料１４の第３の面２０の間に１つの軸線方向に延びる通路４０を形成する。通路４０は、もちろん螺旋状に延びている。
開口２４の縁部は、軸線方向に延びる通路４０の隣接する回転を相互に接続するように開口３０の縁部に密封されている。上述したような開口の縁部の密封は、第１の連続シート材料の第２の面１８と、第２の連続シート材料の第４の面２２との間に１つの軸線方向に延びる通路４６を形成する。通路４６は、もちろん、螺旋状に延びている。通路４２は、通路４０に半径方向に第１の流体を供給する第１のマニフォルド４８を形成し、通路４４は、第１の流体を通路４０から除去するために第２のマニフォルド５０を形成する。通路４６を通して第２の流体が送られる。
好ましくは、軸線方向に延びる通路４０の隣接する回転部分の間の通路は、熱交換機１０の軸線から放射するライン状にその軸線があるように配置される。同様に軸線方向に延びる通路４０の隣接する回転部分の間の通路４４は、熱交換機１０の軸線から放射するライン状にその軸線があるように配置される。よって、いくつかのたとえば、６つの半径方向のマニフォルド４８と、いくつかの、例えば、６つの半径方向のマニフォルド５０とがある。これらの半径方向に整列した通路４２および４４は、図９にさらに明瞭に示される。
第１の連続シート材料１２は、第２の連続シート材料１４の第４の面２２から第２の面１８を間隔を置くように半径方向内側に延びている突出部を有する。同様に、第２の連続シート材料１４は、第１の連続シート材料の第１の面１６から第３の面２０を間隔を置くように半径方向内側に延びている突出部を有する。第１および第２の連続シート材料１２および１４の双方から半径方向外側に延びる突出部を設けるか、または、第２の連続シート材料１４の面２０，２２から第１の連続シート材料１２の面１６，１８の間隔を置くように第１の連続シート材料１２または第２の連続シート材料１４のいずれかから半径方向内側および半径方向外側に延びる突出部を設けることができる。しかしながら、ある環境においては、突出部を分配すること可能である。
熱交換機１０の内面および外面に、円周方向に延びる駆動壁５２および５４が設けられる。壁５２の外端は、シート材料の縁部に隣接した２組の開口の間の位置に環状の熱交換機１０のシート材料１４の内面に密封される。同様に、壁５４の内端は、シート材料の縁部に隣接した２組の開口の間の位置に、環状の熱交換機１０のシート材料１２の外面に固定される。壁５２および５４の外端は、内側ケーシング５６および外側ケーシング５８のそれぞれに密封される。壁５２および５４は、入り口および出口点で環状熱交換機１０に第１の流体を分離する。
図示した特定の構成において、環状熱交換機１０の右手側に比較的高温の第２の流体が供給される。この例における高温の第２の流体は、ガスタービン・エンジンからの高温の排気ガスである。比較的に妻体第１の流体は、第１のマニフォルド４８に送られる。この例において低温の流体は、それがガスタービンエンジンの燃焼室に送られる前に、圧縮機から送られる空気である。第２の流体は、通路４０を軸線方向に通過して軸線方向に第１の流体の流れに対する対抗流である。第２の流体は、環状の熱交換機１０の通路４６および４０の各々を通過するとき、第１の流体に熱を与える。第２のマニフォルド５０を出た第１の流体は、第２の流体との熱交換によって加熱され、第１の流体は、ガスタービン・エンジンの燃焼室に送られる。
別の例として環状熱交換機１０の右手側に比較的に低温の第２の流体を送ることが可能である。比較的高温の第１の流体が第１のマニフォルド４８に送られる。第２の流体は、通路４０を軸線方向に通過する第１の流体の流れに対する対抗流で通路４６を軸線方向に通過する。第１の流体は、環状熱交換機１０の通路４０および４６のそれぞれを通過するとき、第２の流体に熱を与える。通路４６を出た第２の流体は、第１の流体との熱交換によって加熱され、第２の流体は、ガスタービン・エンジンの燃焼室に送られる。
別の例として、本発明の範囲ではあるが、流体を反対方向に流すように配置することができる。
第１および第２の連続シート材料は、好ましくはステンレス・スチールであるが、他の適当な金属、合金、プラスティックまたはセラミックスを使用することも可能である。
熱交換機１０は、図４に示すように、最初に２つの連続シート材料１２および１４、例えば、ステンレススチールを準備することによって製造される。第１の組の開口２４および第２の組の開口２６は、第１の連続シート材料１２の縁部３２および３４から所定の距離で第１の連続シート材料１２に形成される。同様に、第３の組の開口２８および第４の組の開口３０は、第２の連続シート材料１４の縁部３６および３８から所定の距離で第２の連続シート材料１２に形成される。
開口２４，２６，２８および３０は、第１および第２の連続シート材料１２および１４にパンチ加工されることが好ましいが、他の適当な技術を使用することも可能である。
開口２４，２６，２８の周りの領域は、第１および第２の連続シート材料１２および１４を離して配置するくぼみを形成するために、第４および第２の面２２および１８に向かって変形される。また、第１および第２の連続シート１２および１４の縁部３２，３４，３６は、第３および第１の面に向かって変形される。
開口２４および２８の縁部は参照番号６２で密封され、開口２６および３０の縁部は、通路４０の間で相互結合通路４２および４４を形成するためにともに密封される。開口の密封は、溶接によることが好ましい。また、ロウ付け、のり付け、クリンピングまたは他の適当な方法によって密封を達成することができる。開口２４および２８の縁部は、第１および第２の連続シート材料が螺旋状に一緒に巻かれる前に一緒に密封されることが好ましい。
第１および第２の連続シート材料１２および１４は、一緒に螺旋状に巻かれる。
第１および第２の連続シート材料１２および１４が、開口の軸線が半径方向のマニフォルド４８および５０を形成するように４つの組の開口部２４，２６，２８および３０の各々において、隣接する開口の間に長手方向の空隙が形成されるように十分に緊密に一緒にまかれる。第１および第２の連続シート材料１２および１４は、環状またはステップ付の管状マンドレルに巻かれることが好ましい。
第１の連続シート材料１２の第１の面１６の縁部３２および３４は、第２の連続シート材料１４の第３の面２０の縁部３６および３８に密封される。これは、第１および第２の連続シート材料１２および１４が一緒に巻かれる間、２つの螺旋通路６０を連続的に溶接することによって達成される。別の例として、連続シート材料を一緒に巻いた後、縁部が一緒に溶接される。他の例として、第１の面１６の縁部３２および３４と、第３の面２０の縁部３６および３８との間にコーキング材料の螺旋状部材を配置し、コーキング・ストリップに縁部を溶接することが可能である。
第１および第２の連続シート材料１２および１４が熱交換機１０に完全に巻かれるとき、長手方向の端部は、通路４６および４０からの高温ガスの漏れを防止し、螺旋の隣接する回転部分を接合するために、例えば、溶接によって、横断方向にまたは軸線方向に密封される。さらに、螺旋の隣接する回転を接合するために端部から間隔を置いた適当な位置に他の横方向の軸線方向の溶接を行ってもよい。
上述した本発明は、プライマリ面プレート熱交換機であるが、本発明は、図５および図６に示すようにプレート・フィン熱交換機１１０にも等しく適用可能である。この場合において、すべてが螺旋形状に配置された２つの連続波形シートー材料６４および６６および第１および第２の連続シート材料１２および１４を有することが可能である。連続した波形シート材料６４の一方が第１と第２の連続したシート材料の間に配置される。連続した波形シート材料６６の他方は、他の連続したシート材料１４の一方に当接している。連続した波形シート材料６４および６６の波形部材は、シート材料の横方向または軸線方向に延びるように配置されている。
熱交換機１１０は、２つの連続したシート材料１２および１４を準備し、第１および第２の連続シート材料１２および１４に４組の開口２４，２６，２８および３０を形成することによって製造される。開口２４，２６，２８および３０の周りのくぼみを形成するために変形され、縁部３２，３４，３６および３８は、変形される。開口２４および２８の縁部および開口２６および３０の縁部は、一緒に密封される。
波形のシート材料６４は、第１および第２の連続シート材料１２および１４の間に配置され、第４の連続シート材料６６は、図７に示すように第１のシート材料に接触するように配置される。
第１および第２の連続シート材料１２および１４および第３および第４の連続波形シート材料６４および６６は、好ましくは管状またはステップ付の管状マンドレルの周りに螺旋状に巻かれる。
第１の連続シート材料１２の第１の面１６の縁部３２および３４は、好ましくは、材料シート１２，１４と一緒に巻かれるとき、または材料シート１２，１４が一緒に巻かれた後、第２の連続シート材料の第３の面２０の縁部３６および３８に密封される。第１および第２の連続シート材料１２および１４の長手方向の端部は、シートの横方向または熱交換機の軸線方向に溶接することによって密封される。
さらに、熱交換機２１０は、図８および図９に示すように、一部がプレートフィン熱交換機および一部がプライマリ面プレート熱交換機であってもよい。この場合、１つが連続したシート波形シート材料６４および第１および第２の連続したシート材料１２および１４を有し、すべてのシート材料を螺旋形状に配置することが可能である。連続波形シート材料６４は、第１および第２の連続シート材料の間のいずれかに配置するか、または他の連続シート材料１２または１４のシート材料に接触するようにする。連続シート材料６４の波形部分６４は、シート材料１２，１４の横方向または軸線方向に延びるように配置される。
熱交換機２１０は、まず、２つの連続シート材料１２および１４を準備し、第１の連続したシート材料１２および１４に４組の開口２４，２６，２８および３０を形成することによって製造される。開口２４，２６，２８および３０の周りの領域は、くぼみを形成するように変形され、縁部３２，３４，３６および３８が変形される。第２の連続シート材料１４は、半径方向内側に延びる突出部分を有する。
開口２４および２８の縁部および開口２６および３０の縁部は、ともに密封される。
第１および第２の連続シート材料１２および１４および波形シート材料６４は、好ましくは管状またはステップ付の管状マンドレルの周りに螺旋状に巻かれる。
第１の連続シート材料１２の第１の面の縁部３２および３４は、好ましくは、材料シート１２，１４一緒に巻かれるとき、または材料シート１２，１４が一緒に巻かれた後、第２の連続シート材料の第３の面２０の縁部３６および３８に密封される。次に、第１および第２の連続シート材料１２および１４の長手方向の端部は、シートの横方向または熱交換機の軸線方向に溶接することによって密封される。
図９の熱交換機は、熱交換機用の空気入り口パイプ６８を有し、これは、第１のベロー構成７０によって熱交換機に接続される。第１のベロー装置７０は、内側ケーシング５６内の熱交換機の半径方向の内側に空気を送るために熱交換機の軸線と同軸に配置されている。内側ケーシング５６は、好ましくは、螺旋熱交換機を製造するために使用される管状マンドレルである。内側ケーシング５６を通って軸線方向に直線的に空気流が流れることを防止するためにブランキング・プレート７２が内側ケーシング５６内に配置される。空気は、内側ケーシング５６の一組の開口７４を通って半径方向外側に、熱交換機を通って軸線方向に流れる前に、通路４２を通って半径方向外側に、内側ケーシング５６の他の組の開口７８の他の組を通って通路４４を通って半径方向内側に流れる。内側ケーシング５６は、空気を通路４２に円滑な流れを提供するように開口７６にトランペット形状の延長部７４を備えている。次に空気は、熱交換機から軸線方向に出るように流れ、第２のベロー構成８０を通って空気出口パイプ８２に流れる。また第２のベロー構成８０は、内側ケーシング５６内の熱交換機の半径方向内側から空気を除去するために熱交換機の出口に同軸に配置されている。
図９の材料６４の波形シートは、縦方向の縁部、すなわち軸線方向の縁部で領域６４Ａを有し、ここで波形部材の間の長手方向の間隙は、比較的大きな寸法であり、それは、波形部材の間の長手方向の空隙が比較的小さい寸法である領域６４Ｂを有する。領域６４Ａの波形部分の間の比較的大きい空隙は、ガスを半径方向の通路４４および４２の周りに流し、熱交換機の周りに円周方向にさらに均一に分配することができるようにする。しかしながら、熱交換機の完全に縦方向または軸線方向の寸法にわたって、一様に間隔を置いた波形部分を有することが可能である。
半径方向の通路４２および４４への液体の供給および除去は、半径方向内側、半径方向外側またはその２つの組み合わせであってもよい。図２において、流体は、通路４２に半径方向内側に送られ、通路４４から半径方向内側に除去される。図５において、流体は、通路４２に半径方向外側に供給され、通路４４から半径方向外側に除去される。図９において、流体は、通路４２に半径方向外側に供給され、通路４４から半径方向内側に除去される。半径方向内側に通路４２に液体を供給し、通路４４から半径方向外側に液体を除去することが可能である。
フラットタイプの熱交換機と比較して、このタイプの螺旋熱交換機の利点は、熱応力が螺旋熱交換機において著しく、約１０分の１ぐらい低減されることである。なぜならば、螺旋熱交換機の最も高温となる端部は、熱交換機のさらに低温の端部によって、拘束されることなく半径方向に拡張することができるからである。
さらに、螺旋熱交換機は、製造が比較的安価である。なぜならば、比較的少数の部品、すなわち、第１および第２の連続ストリップ材料および可能ならば、１つまたは２つの波形ストリップのみであるからであり、製造方法は、連続した方法であるからである。これらは、ほとんど材料の消費がなく、波形シートのロウ付けの必要性はない。
螺旋熱交換機は、熱交換には良好な対抗流を有し、熱交換機の低い圧力低下によって、ガスとガスによる熱交換が非常に効率がよい。
この熱交換は、適当な波形寸法および突出寸法を選択することによって異なる流体を使用する場合、注文製作するようにしてもよい。
１つまたはそれ以上の螺旋熱交換は、ガスタービンエンジンおよびその関連する排気ダクトの寸法い依存してガスタービン・エンジンの排気ダクト内に配置してもよい。もし熱交換に失敗するときには、それは交換されるか、取り外される。
ガスタービン・エンジンの中間冷却器、蓄熱室、復熱装置に適した熱交換機が図１０および図１１に示されている。この熱交換機１０は、熱交換機１０が、螺旋状に巻かれている第１の連続シート材料１２と第２の連続シート材料１４とを有することを示している図２および図３に示したものと同様である。第１と第２の連続材料シート１２および１４は、第１および第２の連続した材料シート１２および１４の隣接した回転部分から離れるように半径方向内側、または半径方向外側に延びている突出部６５，６７を有する。第１と第２の連続シート材料１２および１４の間には複数の流体流通路が形成されている。
熱交換機１０は、円筒形の圧力容器８４の内側に配置されている。環状の空隙８６が、環状の熱交換機１０の外面９０と、円筒形の圧力容器８４の内面９２との間に形成され、円筒形空隙８８が熱交換機１０の内面９４内に形成されている。円筒形圧力容器８４の内側の環状空隙８６と円筒形空隙８８は、高圧流体源９８にパイプ９６を介して接続されている。
動作において、高圧流体がパイプ９６を介して高圧流体源９８から円筒形圧力容器８４の環状空隙８６と円筒形空隙８８に送られる。環状空隙８６と円筒形空隙８８の高圧流体源は、環状の熱交換機１０を完全に包囲し、環状の熱交換機１０に半径方向の圧縮負荷を与える。環状の熱交換機１０への半径方向の圧縮負荷は、熱交換機を圧縮するように作用する。環状空隙３０および円筒形空隙３２内の高圧流体によって生じる圧力負荷は、張力の圧力負荷を支持する円筒形圧力容器１４によって支持される。
熱交換機の利点は、高圧と高温で熱交換機を作動することが可能なことである。他の利点は、環状熱交換機がフェールセーフ・モードを有することである。もし、環状の熱交換機に過剰な圧力が加えられた場合、または過剰に加熱された場合、従来技術の熱交換機がそうであるように破裂しないで曲がり、また、環状の熱交換機は、過剰に圧力が加えられる場合には、ガスが緊密に残る。
ガスタービン・エンジンの中間冷却器、蓄熱室、復熱装置に適した熱交換機が図１０および図１２に示されている。熱交換機１０は、環状の熱交換機１２が円筒形圧力容器８４の内側に配置されている図５および図６に示したものと同様である。熱交換機１０は、第１の連続シート材料１２と、第２の連続シート材料１４とを有する。またシート材料１２および１４の間に一対の連続波形シート材料６４および６６が配置されている。
波形シート材料６４および６６は、ロウ付け、溶接または拡散結合によって第１および第２の連続シート材料１２および１４に固定される。他の例として、また好ましくは、波形シート材料６４および６６は、第１および第２の連続シート材料１２および１４には固定されない。
環状熱交換機１０の外面９０と、円筒形圧力容器８４の内面９２の間に、環状空隙８６が形成され、熱交換機１０の内面内に円筒形空隙８８が形成される。円筒形圧力容器８４の内側の環状空隙８６と円筒形空隙８８は、パイプ９６を介して高圧流体源９８に接続されている。
動作において、高圧流体は、パイプ９６を通って高圧流体源から円筒形圧力容器８４の環状空隙８６および円筒形空隙８８に送られる。環状空隙８６および円筒形空隙８８の高圧流体は、環状の熱交換機１０を完全に包囲し、半径方向の圧縮負荷を環状の熱交換機１０に加える。環状の熱交換機への半径方向の圧縮負荷は、波形のシート材料６４および６６を半径方向に圧縮し、波形のシート材料６４および６６を第１と第２の連続シート材料１２および１４に固定することなく、環状の熱交換機１０をつくることを可能にする。環状空隙８６および円筒形空隙８８内の高圧流体によって生じる圧力負荷は、張力の圧力負荷を円筒形圧力容器によって支持される。
この熱交換機の構成の利点は、波形にシート材料６４および６６を第１および第２の連続シート材料１２および１４に固定、ロウ付けする必要なくして環状の熱交換機１０をつくることができる。これにより、熱交換機をさらに迅速に廉価につくることができる。さらに、もっとも大きな利点は、高圧と高温で熱交換機を作動させることが可能であることである。
他の利点は、環状の熱交換機がフェールセーフ・モードを有することである。もし、環状の熱交換機が過剰な高温および過剰に加熱される場合には、環状熱交換機は、従来の熱交換機がそうであるより破裂しないで曲がり、環状の熱交換機は、もし過剰に圧縮される場合には、ガスが緊密に残る。
ガスタービン・エンジンの中間冷却器、蓄熱室、復熱装置に適した他の熱交換機が図１０および図１３に示されている。熱交換機１０は、環状の熱交換機１２が螺旋に巻かれている第１の連続シート材料１２と第２の連続シート材料１４を有するという点で図２、８および９に示したものと同様である。第２の連続シート材料１４は、それらを隣接する第１の連続シート材料１２から離すように半径方向内側または半径方向外側に延びる突出部６７を有する。隣接する第１と第２の連続シート材料１２および１４の間に波形シート材料６４が配置されている。第１および第２の連続シート材料１２および１４は波形シート材料６４とともに、流体流通路を形成する。第１および第２の連続シート材料１２および１４は、互いに面するように配置された表面を有し、突出部分６７および波形シート材料６４は、第１および第２の連続シート材料１２および１４の間隔を開ける。
波形シート材料６４は、ロウ付け、溶接、または拡散結合によってプレート１６によって第１および第２の連続シート材料１２および１４に固定される。別の例として、好ましくは第１および第２の連続シート材料１２および１４には固定されない。
環状熱交換機１０の外面９０と、円筒形圧力容器８４の内面９２の間に、環状空隙８６が形成され、熱交換機１０の内面内９４に円筒形空隙８８が形成される。環状空隙８６と円筒形圧力容器８４の内側の円筒形空隙８８は、パイプ９６を介して高圧流体源９８に接続される。
高圧流体源は、高圧ガス、例えば、高圧窒素、高圧空気、高圧液源のビンである。ガスタービンエンジンの熱交換機の場合、高圧流体源としてガスタービン・エンジンを使用することが可能であり、例えば、圧縮供給空気を圧力容器の内側に供給することもできる。また、ガスタービン・エンジンの熱交換機の場合、圧力容器の内側を圧縮するために流体として加熱すべき圧縮空気を使用することが可能である。これは、環状室８６と相互接続するために熱交換機１０を通して開口４２を提供することによって図９で達成されるが、開口４４が環状室８６とは相互接続しないことを保証する。
他の構成において、図示はしないが、熱交換機の周りに弾性材料を配置することが可能になる。例えば、室内にゴムまたは他の適当な材料を提供し、圧力容器と、熱交換機の外面との間にばねを提供することが可能になる。
他の別の実施例として、熱交換機に圧縮負荷を与えるために熱交換機の周りに少なくとも１つの、好ましくは複数の分離した輪を配置することが可能である。この輪は、熱交換機が加熱されるとき、それが輪以上に拡張して圧縮負荷が熱交換機に加えられるように輪を形成するために低い熱膨張係数の材料を使用して収縮嵌合、ボスト結合を提供することによって、熱交換機に圧縮負荷を提供する。
本発明は、断面が円形の図示した円滑に湾曲した螺旋熱交換機を言うが、断面が正方形、矩形、５角形、６角形、８角形である螺旋熱交換機を形成するためにマンドレルの周りで巻かれる連続した金属シートを使用して同様の利点を達成することができる。
Claims (37)
- （ａ） 第１の面（１６）と第２の面（１８）とを有する第１の連続シート材料（１２）を形成することと、
（ｂ） 第３の面（２０）と第４の面（２２）とを有する第２の連続シート材料（１４）を形成することと、
（ｃ） 前記第１の連続シート材料（１２）に第１の組の開口（２４）を形成し、前記第１の連続シート材料（１２）に第２の組の開口（２６）を形成することであって、前記第１の組の開口（２４）の隣接した前記開口（２４）は、前記第１の連続シート材料（１２）の長手方向に間隔を置いており、前記第２の組の開口（２６）の隣接した前記開口（２６）は、前記第１の連続シート材料（１２）の長手方向に間隔を置いており、前記第１の組と第２の組の前記開口（２４、２６）は、前記第１の連続シート材料（１２）の横方向に間隔を置いていることと、
（ｄ） 前記第２の連続シート材料（１４）に第３の組の開口（２８）を形成し、前記第２の連続シート材料（１４）に第４の組の開口（３０）を形成することであって、前記第３の組の開口（２８）の隣接した前記開口（２８）は、前記第２の連続シート材料（１４）の長手方向に間隔を置いており、前記第４の組の開口（３０）の隣接した前記開口（３０）は、前記第２の連続シート材料（１４）の長手方向に間隔を置いており、前記第３の組と前記第４の組の開口（２８，３０）は、前記第２の連続シート材料（１４）の横方向に間隔を置いていることと、
（ｅ） 前記第１の連続シート材料（１２）の前記第１の組の開口（２４）の開口が、前記第２の連続シート材料（１４）の前記第３の組の開口（２８）の開口に整列し、前記第１の連続シート材料（１２）の前記第１の組の開口（２６）の開口が、前記第２の連続シート材料（１４）の前記第４の組の開口（３０）の開口に整列するように、前記第１と第２の連続シート材料（１２，１４）を一緒に螺旋形に巻くことと、
（ｆ） 前記第１の連続シート材料（１２）の前記第１の面（１６）の縁部（３２，３４）を前記第２の連続シート材料（１４）の前記第３の面（２０）の縁部（３６，３８）に密封することと、
（ｇ） 前記第１の連続シート材料（１２）の前記第２の面（１８）が、前記第２の連続シート材料（１４）の第４の面（２２）に密封されるように、前記第１の連続シート材料（１２）の前記第１の組の開口（２４）を前記第２の連続シート材料（１４）の前記第３の組の開口（２８）の開口に密封し、前記第１の連続シート材料（１２）の前記第２の組の開口（２６）を前記第２の連続シート材料（１４）の前記第４の組の開口（３０）の開口に密封することと、を有する、環状熱交換機を製造する製造方法。 - 少なくとも１つの連続波形シート材料（６４，６６）を形成することと、前記第１および第２の連続シート材料（１２，１４）とともに前記少なくとも１つの連続波形シート材料（６４，６６）を巻くことを含む請求項１に記載の製造方法。
- ２つの連続波形シート材料（６４，６６）を形成することと、前記第１と第２の連続シート材料（１２，１４）の間に連続波形シート材料（６４）の一方を配置し、前記第１および第２の連続シート材料（１２，１４）とともに連続波形シート材料（６４，６６）を巻くこととを含む請求項２に記載の製造方法。
- 前記縁部（３２，３４，３６，３８）の密封は、溶接、ロウ付け、クリンピングによって行われること（ｆ）を有する請求項１ないし３に記載の製造方法。
- 少なくとも１つの縁部（３２，３４，３６，３８）の密封は、螺旋通路において連続的に溶接することによって行われる請求項４に記載の製造方法。
- 前記少なくとも１つの縁部（３２，３４，３６，３８）の密封は、前記第１と前記第２の連続シート材料（１２，１４）を螺旋形に巻きながら、連続的に溶接される請求項４に記載の製造方法。
- 前記少なくとも１つの縁部（３２，３４，３６，３８）の密封は、前記第１と前記第２の連続シート材料（１２，１４）を螺旋形に巻いた後に、連続的に溶接される請求項４に記載の製造方法。
- ステップ（ｇ）において、前記開口（２４，２６，２８，３０）の密封は、溶接、ロウ付け、クリンピングによる請求項１ないし７に記載の製造方法。
- ステップ（ｇ）において、前記開口（２４，２６，２８，３０）の密封は、ステップ（ｅ）の前に行われる請求項１ないし８に記載の製造方法。
- 前記第１の連続シート材料（１２）の第１の組の開口（２４）と第２の組の開口（２６）の周りにくぼみが形成され、前記くぼみは、前記第２の連続シート材料の第４の面（２２）に向かって延びている請求項１に記載の製造方法。
- 前記くぼみは、前記第２の連続シート材料（１４）の前記第３の組の開口（２８）および第４の組の開口（３０）の周りに形成され、前記くぼみは、前記第１の連続シート材料（１２）の第２の面（１８）に向かって延びている請求項１０に記載の製造方法。
- 前記第１のシート材料（１２）の第１の面（１６）の縁部（３２，３４）は、前記第２の連続シート材料（１４）の第３の面（２０）に向かって変形される請求項１ないし１１に記載の製造方法。
- 前記第２のシート材料（１４）の第３の面（２０）の縁部（３６，３８）は、前記第１の連続シート材料（１２）の第１の面（１６）に向かって変形される請求項１ないし１２に記載の製造方法。
- 前記第１および第２の連続シート材料（１２，１４）は、マンドレルに巻かれる請求項１ないし１３に記載の製造方法。
- 第１の連続シート材料（１２）と、第２の連続シート材料（１４）とを有し、前記第１の連続シート材料（１２）は、螺旋状に配置され、前記第２の連続シート材料（１４）は、螺旋状に配置され、前記第１の連続シート材料（１２）は、第１の面（１６）と第２の面（１８）とを有し、前記第２の連続シート材料（１４）は、第３の面（２０）および第４の面（２２）を有し、第１の連続シート材料（１２）の前記第１の面（１６）と第２の連続シート材料（１４）の前記第３の面（２０）との間に第１の軸線方向に延びる通路（４０）が形成され、第１の連続シート材料（１２）の前記第２の面（１８）と第２の連続シート材料（１４）の前記第４の面（２２）との間に第２の軸線方向に延びる通路（４６）が形成され、前記第１の軸線方向に延びる通路（４０）の端部は、前記第１と第２の連続シート材料（１２，１４）の縁部（３２，３４，３６，３８）で密封され、前記第２の軸線方向に延びる通路（４６）の端部が開放しており、第１の流体を第１の軸線方向に延びる通路（４０）に送るために前記第１または第２の連続シート材料（１２，１４）を通って延びている少なくとも１つの半径方向に延びる通路（４２）と、第１の流体を第１の軸線方向に延びる通路（４０）から除去するために前記第１または第２の連続シート材料（１２，１４）を通って半径方向に延びている少なくとも１つの半径方向に延びる通路（４４）と、を有する環状熱交換機（１０）において、第１の流体を前記第１の軸線方向に延びる通路（４０）に送るために配置された少なくとも１つの半径方向に延びる通路（４２）および前記第１の軸線方向に延びる通路（４０）から第１の流体を除去するために配置された少なくとも１つの半径方向に延びる通路（４４）は、前記第１および前記第２の連続シート材料（１２，１４）を横断する方向に間隔を置いていることを特徴とする環状熱交換機。
- 前記第１の連続シート材料（１２）は、第１の組の開口（２４）を有し、前記第１の組の開口（２４）の隣接する開口は、前記第１の連続シート材料（１２）の長手方向に間隔を置いており、前記第１の連続シート材料（１２）は、第２の組の開口（２６）を有し、前記第２の組の開口（２６）の隣接する開口は、前記第１の連続シート材料（１２）の長手方向に間隔を置いており、前記第１および第２の組の開口（２４，２６）は、前記第１の連続シート材料（１２）の横方向に間隔を置いており、前記第２の連続シート材料（１４）は、第３の組の開口（２８）を有し、前記第２の連続シート材料（１４）は、第４の組の開口（３０）を有し、前記第３の組の隣接する開口（２８）は、前記第２の連続シート材料（１４）の長手方向に間隔を置いており、前記第４の組の開口（３０）の隣接する開口は、前記第２のシート材料（１４）の長手方向に間隔を置いており、前記第３および第４の組の開口（２８，３０）は、前記第２の連続シート材料（１４）の横方向に間隔を置いており、前記第１の連続シート材料（１２）の第１の組の開口（２４）の開口は、複数の通路（４２）を形成するために第２の連続シート材料（１４）の第３の組の開口（２８）の開口と整列し、前記第１の連続シート材料（１２）の第２の組の開口（２６）の開口は、複数の通路（４４）を形成するために第２の連続シート材料（１４）の第４の組の開口（３０）の開口と整列し、前記第１の連続シート材料（１２）の前記第１の面（１６）の前記縁部（３２，３４）は、前記第２の連続シート材料（１４）の第３の面（２０）の縁部（３６，３８）に密封され、前記第１の連続シート材料（１２）の前記第１の組の開口（２４）は、前記第２の連続シート材料（１４）の第３の組の開口（２８）に密封され、前記第１の連続シート材料（１２）の前記第２の組の開口（２６）は、前記第２の連続シート材料（１４）の第４の組の開口（３０）に密封され、前記第１の連続シート材料（１２）の前記第２の面（１８）は、前記第２の連続シート材料（１４）の第４の面（２２）に密封されることを特徴とする請求項１５に記載の熱交換機。
- 少なくとも１つの連続波形シート材料（６４，６６）を含み、前記連続波形シート材料（６４，６６）は、螺旋形に配置されることを特徴とする請求項１５または１６に記載の熱交換機。
- 前記少なくとも１つの連続波形シート材料（６４）は、前記第１の連続シート材料（１２）の前記第１の面（１６）と、前記第２の連続シート材料（１４）の前記第３の面（２０）との間に配置されることを特徴とする請求項１７に記載の熱交換機。
- 前記少なくとも１つの連続波形シート材料（６６）は、前記第１の連続シート材料（１２）の前記第２の面（１８）と、前記第２の連続シート材料（１４）の前記第４の面（２２）との間に配置されることを特徴とする請求項１７に記載の熱交換機。
- 第１の流体を前記第１の通路（４０）に送る半径方向に延びる複数の通路（４２）がある請求項１７ないし１９のいずれかに記載の熱交換機。
- 第１の流体を前記第１の通路（４０）から除去するために半径方向に延びる複数の通路（４４）がある請求項１７ないし２０のいずれかに記載の熱交換機。
- 第１の流体を螺旋の隣接する回転部分の間に送るために前記第２の軸線方向に延びる通路（４６）を貫通して延びる複数の半径方向の通路（４２）がある請求項１７ないし２１のいずれかに記載の熱交換機。
- 第１の流体を螺旋の隣接する回転部分の間から除去するために前記第２の軸線方向に延びる通路（４６）を貫通して延びる複数の半径方向の通路（４４）がある請求項１７ないし２２のいずれかに記載の熱交換機。
- 前記第１の連続シート材料（１２）の第１の面（１６）と前記第２の連続シート材料（１４）の第３の面（２０）との間に、第１の連続波形シート材料（６４）が配置され、前記第１の連続シート材料（１２）の第２の面（１８）と前記第２の連続シート材料（１４）の第４の面（２２）との間に、第２の連続波形シート材料（６６）が配置される請求項１７に記載の環状熱交換機。
- 前記少なくとも１つの連続波形シート材料（６４）は、縁部領域（６４Ａ）と中央領域（６４Ｂ）とを有し、前記中央領域（６４Ｂ）の波形部分の間の前記空隙は、前記縁部領域（６４Ａ）の波形部分の間の空隙より小さい請求項１７に記載の環状熱交換機。
- 前記熱交換機（１０）の周りに少なくとも１つの室（８６，８８）を形成する手段（８４）と、前記熱交換機（１０）が前記熱交換機（１０）の引っ張り負荷を少なくとも低減するように少なくとも１つの室（８６，８８）の圧力によって圧縮されるように、前記少なくとも１つの室（８６，８８）の内側を加圧する手段（９８）と、を備えている請求項１５ないし２５のいずれかに記載の熱交換機。
- 前記熱交換機（１０）は、圧力容器（８４）の内側に配置されており、前記圧力容器（８４）は、少なくとも１つの室（８６，８８）を形成する請求項２６に記載の熱交換機。
- 前記少なくとも１つの室（８６，８８）の内側を加圧する手段（９８）は、圧力流体源を有する請求項２６または２７に記載の熱交換機。
- 前記少なくとも１つの室（８６，８８）の内側を加圧する手段（９８）は、加圧ガスのボトルから送られる圧力流体を有する請求項２８に記載の熱交換機。
- 前記少なくとも１つの室（８６，８８）の内側を加圧する手段（９８）は、ガスタービンエンジンを有する請求項２８に記載の熱交換機。
- 前記少なくとも１つの室（８６，８８）の内側を加圧する手段（９８）は、ガスタービンエンジンの圧縮機を有する請求項３０に記載の熱交換機。
- 前記圧縮容器は、円筒形である請求項２７に記載の熱交換機。
- 前記少なくとも１つの室（８６，８８）の内側を加圧する手段（９８）は、少なくとも１つの室内に弾性手段を有する請求項２６または２７に記載の熱交換機。
- 前記弾性手段は、ゴムである請求項３３に記載の熱交換機。
- 前記弾性手段は、複数のばねである請求項３３に記載の熱交換機。
- 前記熱交換機（１０）を圧縮して前記熱交換機（１０）の少なくとも張力を低減するために前記熱交換機（１０）の周りに配置された手段を有する請求項１５に記載の熱交換機。
- 前記熱交換機（１０）の周りに配置された手段は、少なくとも１つの輪を有する請求項３６に記載の熱交換機。
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