JP3923118B2

JP3923118B2 - 熱交換器

Info

Publication number: JP3923118B2
Application number: JP01296397A
Authority: JP
Inventors: 時行若山; 文彦鹿野; 正角田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1997-01-27
Filing date: 1997-01-27
Publication date: 2007-05-30
Anticipated expiration: 2017-01-27
Also published as: JPH10206048A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、第１伝熱板及び第２伝熱板を交互に連設してなる折り板素材をつづら折り状に折り曲げることにより、円環状の空間に高温流体通路及び低温流体通路を円周方向に交互に形成してなる熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
かかる熱交換器は、本出願人の出願に係る特願平８−２７５０５２号により既に提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで上記従来の熱交換器は、折り板素材をつづら折りに折り曲げて９０°の中心角を有するモジュールを製作し、このモジュールを円周方向に４個接続して円環状の熱交換器を構成している。しかしながら熱交換器を複数のモジュールの組み合わせにより構成すると、部品点数が増加するのは勿論のこと、モジュールどうしの接合部分が４ヵ所発生するため、接合部からの流体漏れの可能性がそれだけ高まる問題がある。
【０００４】
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、熱交換器の部品点数を減少させるとともに折り板素材の接合部からの流体漏れを最小限に抑え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、半径方向外周壁及び半径方向内周壁間に画成した円環状の空間に複数の第１伝熱板及び複数の第２伝熱板を放射状に配置することにより、隣接する第１伝熱板及び第２伝熱板間に高温流体通路及び低温流体通路を円周方向に交互に形成してなる熱交換器であって、複数の第１伝熱板及び複数の第２伝熱板を第１折り線及び第２折り線を介して交互に連設してなる折り板素材を該折り線においてつづら折り状に折り曲げ、前記第１折り線及び第２折り線をそれぞれ半径方向外周壁及び半径方向内周壁に接合することにより第１伝熱板及び第２伝熱板を放射方向に配置し、隣接する第１伝熱板及び第２伝熱板間に高温流体通路及び低温流体通路を円周方向に交互に形成し、且つ前記高温流体通路の軸方向両端部に開口するように高温流体通路入口及び高温流体通路出口を形成するとともに、前記低温流体通路の軸方向両端部に開口するように低温流体通路入口及び低温流体通路出口を形成してなる熱交換器において、１枚の折り板素材を３６０°に亘ってつづら折り状に折り曲げ、その両端部を第１折り線或いは第２折り線を含む部分で重ね合わせて接合し、その接合部においては、該接合部を挟んで隣り合う第１伝熱板及び第２伝熱板の端縁が第１折り線或いは第２折り線の近傍で各々Ｊ字状に切断されると共に、その一方の伝熱板のＪ字状切断部の内周に他方の伝熱板のＪ字状切断部の外周が嵌合してろう付けされていることを特徴とする。
上記構成によれば、１枚の折り板素材を第１折り線及び第２折り線を介して３６０°に亘ってつづら折り状に折り曲げ、その両端部を第１折り線或いは第２折り線を含む部分で重ね合わせて接合するので、折り板素材を１枚だけ使用することにより部品点数の削減が可能になり、また折り板素材の両端部が折り線の部分で重ね合わされる（即ち第１，第２伝熱板のＪ字状切断部相互が嵌合される）状態でろう付けされるために接合強度が増加する。しかも折り板素材の両端部を接合するために特別の接合部材が不要となり、また折り板素材の形状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とともに、接合部におけるヒートマスの増加が回避され、また、燃焼ガス通路でもなくエアー通路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。更に第１、第２伝熱板のＪ字状切断部は接合部分が変形するために微小な隙間が発生し易いが、熱交換器の本体部を１枚の折り板素材で構成することで前記接合部分の数が最小の１ヵ所になって流体漏れの可能性が最小限に抑えられる。
【０００６】
【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。
【０００７】
図１〜図１２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５の６部拡大図、図７は図３の７−７線拡大断面図、図８は折り板素材の展開図、図９は熱交換器の要部斜視図、図１０は燃焼ガス及びエアーの流れを示す模式図、図１１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１２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には、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の縦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部分にエンジン本体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部分に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１０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９を参照しながら説明する。
【００１５】
図３、図４及び図８に示すように、熱交換器２の本体部は、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８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し、○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する。
【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８において紙面の手前側に向けて突出する第１凸条２４_F…，２４_R…と、紙面の向こう側に向けて突出する第２凸条２５_F…，２５_R…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２４_F，２４_Rが対角位置に配置され、前後一対の第２凸条２５_F，２５_R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２４_F…，２４_R…及び第２凸条２５_F…，２５_R…は、図８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を裏面側から見た状態を示しているためである。
【００１９】
図５及び図８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２５_F，２５_Rと第２伝熱板Ｓ２の第２凸条２５_F，２５_R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２４_F，２４_Rと第２伝熱板Ｓ２の第１凸条２４_F，２４_R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２４_F，２４_Rと第２伝熱板Ｓ２の第１凸条２４_F，２４_R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２５_F，２５_Rと第２伝熱板Ｓ２の第２凸条２５_F，２５_R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】
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２４_F…，２４_R…及び第２凸条２５_F…，２５_R…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。
【００２２】
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。
【００２３】
折り板素材２１をつづら折り状に折り曲げたときに隣接する山折り線Ｌ₁どうしが直接接触することはないが、第１突起２２…が相互に接触することにより前記山折り線Ｌ₁相互の間隔が一定に保持される。また隣接する谷折り線Ｌ₂どうしが直接接触することはないが、第２突起２３…が相互に接触することにより前記谷折り線Ｌ₂相互の間隔が一定に保持される。
【００２４】
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の本体部を製作するとき、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となり、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２４_F，２４_R及び第２凸条２５_F，２５_R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５参照）。
【００２５】
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。
【００２６】
図７及び図９から明らかなように、第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…の前端及び後端の山形にカットされた頂点部分を熱交換器２の円周方向に向けて９０°よりも僅かに小さい角度だけ折り曲げることにより、矩形をなす小片状のフランジ部２６…が形成される。折り板素材２１をつづら折り状の折り曲げたとき、第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…のフランジ２６…の一部は、それに隣接するフランジ部２６…の一部に重ね合わされて面接触状態でろう付けされ、全体として環状を成す接合フランジ２７を構成する。そしてこの接合フランジ２７は前後のエンドプレート８，１０にろう付けにより接合される。
【００２７】
このとき、接合フランジ２７の前面は階段状になってエンドプレート８，１０との間に若干の隙間が形成されるが、その隙間はろう材（図７参照）によって塞がれる。またフランジ部２６…は第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…に形成した第１凸条２４_F，２４_R及び第２凸条２５_F，２５_Rの先端近傍から折り曲げられているが、折り板素材２１を山折り線Ｌ₁及び谷折り線Ｌ₂で折り曲げたときに第１凸条２４_F，２４_R及び第２凸条２５_F，２５_Rの先端とフランジ部２６…との間にも若干の隙間が形成されるが、その隙間はろう材（図７参照）によって塞がれる。
【００２８】
ところで、第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…の山形の頂点部分を平坦に切断し、その切断した端面にエンドプレート８，１０をろう付けしようとすると、先ず折り板素材２１を折り曲げて第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…の第１突起２２…及び第２突起２３…並びに第１凸条２４_F，２４_R及び第２凸条２５_F，２５_Rを相互にろう付けした後、前記頂点部分に精密な切断加工を施してエンドプレート８，１０のろう付けを行う必要があり、ろう付けが２工程になって工数が増加するだけでなく、切断面に高い加工精度が要求されるためにコストが増加し、しかも小面積の切断面におけるろう付けのために充分な強度を得ることが難しかった。しかしながら折り曲げたフランジ部２６…をろう付けすることにより、前記第１突起２２…及び第２突起２３…並びに第１凸条２４_F，２４_R及び第２凸条２５_F，２５_Rのろう付けとフランジ部２６…のろう付けとを１工程で済ますことが可能となるだけでなく、山形の頂点部分の精密な切断加工が不要になり、しかも面接触するフランジ部２６…どうしのろう付けであるためにろう付け強度も大幅に増加する。更にフランジ部２６…自体が接合フランジ２７を構成するので、部品点数の削減に寄与することができる。
【００２９】
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。
【００３０】
図５及び図６から明らかなように、帯状に形成された１枚の折り板素材２１をつづら折り状に折り曲げて熱交換器２の本体部を構成するとき、その折り板素材２１の両端部が熱交換器２の半径方向外周部分において一体に接合される。そのために接合部を挟んで隣り合う第１伝熱板Ｓ１及び第２伝熱板Ｓ２の端縁が山折り線Ｌ₁の近傍でＪ字状に切断され、例えば第１伝熱板Ｓ１のＪ字状切断部の内周に第２伝熱板Ｓ２のＪ字状切断部の外周が嵌合してろう付けされる。第１、第２伝熱板Ｓ１，Ｓ２のＪ字状切断部が相互に嵌合するため、外側の第１伝熱板Ｓ１のＪ字状切断部は押し広げられて内側の第２伝熱板Ｓ２のＪ字状切断部は押し縮められ、更に内側の第２伝熱板Ｓ２は熱交換器２の半径方向内側に向けて圧縮される。
【００３１】
上記構造を採用することにより、折り板素材２１の両端部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の形状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とともに、接合部におけるヒートマスの増加が回避される。また燃焼ガス通路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。更に第１、第２伝熱板Ｓ１，Ｓ２のＪ字状切断部は接合部分が変形するために微小な隙間が発生し易いが、熱交換器２の本体部を１枚の折り板素材２１で構成することにより前記接合部分を最小の１ヵ所とし、流体のリークを最小限に抑えることができる。また１枚の折り板素材２１をつづら折り状に折り曲げて円環状の熱交換器２の本体部を構成する際に、一体に連なる第１、第２伝熱板Ｓ１…，Ｓ２…の枚数が適切でないと隣接する第１、第２伝熱板Ｓ１…，Ｓ２…の円周方向のピッチが不適切になり、しかも第１突起２２…及び第２突起２３…の先端が離れたり潰れたりする可能性がある。しかしながら、折り板素材２１の切断位置を変更して一体に連なる第１、第２伝熱板Ｓ１…，Ｓ２…の枚数を適宜変更するだけで、前記円周方向のピッチを容易に微調整することができる。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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Ｎ_tuは、
Ｎ_tu＝（Ｋ×Ａ）／［Ｃ×（ｄｍ／ｄｔ）］ …（１）
により与えられる。
【００３５】
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。
【００３６】
伝熱単位数Ｎ_tu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Ｎ_tu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。
【００３７】
図１１（Ａ）に示すように前記ピッチＰを熱交換器２の半径方向に一定にした場合、図１１（Ｂ）に示すように伝熱単位数Ｎ_tu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１１（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１２（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１２（Ｂ），（Ｃ）に示すように伝熱単位数Ｎ_tu及び温度分布を半径方向に略一定にすることができる。
【００３８】
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、第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…の軸方向中間部（つまり軸方向両端の山形部を除いた部分）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Ｒ₁が設けられるとともに、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Ｒ₂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…の軸方向中間部の全域に亘って伝熱単位数Ｎ_tuが略一定になり、熱交換効率の向上と熱応力の軽減とが可能となる。
【００３９】
尚、熱交換器２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。
【００４０】
図３及び図４から明らかなように、第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…の軸方向中間部において、隣接する第１突起２２…どうし或いは隣接する第２突起２３…どうしは熱交換器２の軸方向（燃焼ガス及びエアーの流れ方向）に整列しておらず、軸方向に対して所定角度傾斜して整列している。換言すると、熱交換器２の軸線に平行な直線上に第１突起２２…が連続して配列されたり、第２突起２３…が連続して配列されたりすることがないように考慮されている。これにより、第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…の軸方向中間部において、燃焼ガス通路４及びエアー通路５を第１突起２２…及び第２突起２３により迷路状に形成して熱交換効率を高めることができる。
【００４１】
更に第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…の軸方向両端の山形部には、前記軸方向中間部と異なる配列ピッチで第１突起２２…及び第２突起２３…が配列される。図３に示す燃焼ガス通路４において、燃焼ガス通路入口１１から矢印ａ方向に流入した燃焼ガスは軸方向に旋回して矢印ｂ方向に流れ、更に矢印ｃ方向に旋回して燃焼ガス通路出口１２から流出する。燃焼ガスが燃焼ガス通路入口１１の近傍で方向変換するとき、旋回方向内側（熱交換器２の半径方向外側）では燃焼ガスの流路Ｐ_Sが短くなり、旋回方向外側（熱交換器２の半径方向内側）では燃焼ガスの流路Ｐ_Lが長くなる。一方、燃焼ガスが燃焼ガス通路出口１２の近傍で方向変換するとき、旋回方向内側（熱交換器２の半径方向内側）では燃焼ガスの流路Ｐ_Sが短くなり、旋回方向外側（熱交換器２の半径方向外側）では燃焼ガスの流路Ｐ_Lが長くなる。このように燃焼ガスの旋回方向内側及び外側で燃焼ガスの流路長に差が発生すると、流路長が短いために流路抵抗が小さい旋回方向内側に向かって旋回方向外側から燃焼ガスが偏流し、燃焼ガスの流れが不均一になって熱交換効率が低下してしまう。
【００４２】
そこで燃焼ガス通路入口１１及び燃焼ガス通路出口１２の近傍の領域Ｒ₃，Ｒ₃では、燃焼ガスの流れ方向に直交する方向の第１突起２２…及び第２突起２３…の配列ピッチを、旋回方向外側から内側に向かって次第に密になるように変化させている。このように領域Ｒ₃，Ｒ₃において第１突起２２…及び第２突起２３…の配列ピッチを不均一にすることにより、燃焼ガスの流路長が短いために流路抵抗が小さい旋回方向内側に第１突起２２…及び第２突起２３…密に配列して注路抵抗を増加させ、前記領域Ｒ₃，Ｒ₃の全体に亘って流路抵抗を均一化することができる。これにより前記偏流の発生を防止して熱交換効率の低下を回避することができる。特に、第１凸条２４_F，２４_Rの内側に隣接する１列目の突起は全て燃焼ガス通路４内に突出する第２突起２３…（図３に×印で表示）で構成されているため、その第２突起２３…の配列ピッチを不均一にすることにより、偏流防止効果を有効に発揮させることができる。
【００４３】
同様にして、図４に示すエアー通路５において、エアー通路入口１５から矢印ｄ方向に流入したエアーは軸方に旋回して矢印ｅ方向に流れ、更に矢印ｆ方向に旋回してエアー通路出口１６から流出する。エアーがエアー通路入口１５の近傍で方向変換するとき、旋回方向内側（熱交換器２の半径方向外側）ではエアーの流路が短くなり、旋回方向外側（熱交換器２の半径方向内側）ではエアーの流路が長くなる。一方、エアーがエアー通路出口１６の近傍で方向変換するとき、旋回方向内側（熱交換器２の半径方向内側）ではエアーの流路が短くなり、旋回方向外側（熱交換器２の半径方向外側）ではエアーの流路が長くなる。このようにエアーの旋回方向内側及び外側でエアーの流路長に差が発生すると、流路長が短いために流路抵抗が小さい旋回方向内側に向かってエアーが偏流して熱交換効率が低下してしまう。
【００４４】
そこでエアー通路入口１５及びエアー通路出口１６の近傍の領域Ｒ₄，Ｒ₄では、エアーの流れ方向に直交する方向の第１突起２２…及び第２突起２３…の配列ピッチを、旋回方向外側から内側に向かって次第に密になるように変化させている。このように領域Ｒ₄，Ｒ₄において第１突起２２…及び第２突起２３…の配列ピッチを不均一にすることにより、エアーの流路長が短いために流路抵抗が小さい旋回方向内側に第１突起２２…及び第２突起２３…密に配列して流路抵抗を増加させ、前記領域Ｒ₄，Ｒ₄の全体に亘って流路抵抗を均一化することができる。これにより前記偏流の発生を防止して熱交換効率の低下を回避することができる。特に、第２凸条２５_F，２５_Rの内側に隣接する１列目の突起は全て燃焼ガス通路４内に突出する第１突起２２…（図４に×印で表示）で構成されているため、その第１突起２２…の配列ピッチを不均一にすることにより、偏流防止効果を有効に発揮させることができる。
【００４５】
尚、図３において燃焼ガスが領域Ｒ₃，Ｒ₃に隣接する領域Ｒ₄，Ｒ₄を流れるとき、その領域Ｒ₄，Ｒ₄における第１突起２２…及び第２突起２３…の配列ピッチは燃焼ガスの流れの方向に不均一になっているため、該第１突起２２…及び第２突起２３…の配列ピッチは燃焼ガスの流れに殆ど影響を及ぼさない。同様に、図４においてエアーが領域Ｒ₄，Ｒ₄に隣接する領域Ｒ₃，Ｒ₃を流れるとき、その領域Ｒ₃，Ｒ₃における第１突起２２…及び第２突起２３…の配列ピッチはエアーの流れの方向に不均一になっているため、該第１突起２２…及び第２突起２３…の配列ピッチはエアーの流れに殆ど影響を及ぼさない。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
図３及び図４から明らかなように、ステンレス製のアウターハウジング９はエアー導入ダクト１７を画成すべく外壁部材２８，２９と内壁部材３０，３１との２重構造になっており、前側の外壁部材２８及び内壁部材３０の後端に接合された前部フランジ３２が、後側の外壁部材２９及び内壁部材３１の前端に接合された後部フランジ３３に複数本のボルト３４…で結合される。このとき、前部フランジ３２と後部フランジ３３との間に断面がＥ形の環状のシール部材３５が挟持されており、このシール部材３５は前部フランジ３２及び後部フランジ３３の結合面をシールしてエアー導入ダクト１７内のエアーと燃焼ガス導入ダクト１３内の燃焼ガスとが混合するのを防止する。
【００５０】
熱交換器２は該熱交換器２と同材質のインコネルの板材よりなる熱交換器支持リング３６を介して、アウターハウジング９の後部フランジ３３に連なる内壁部材３１に支持される。後部フランジ３３に接合された内壁部材３１の軸方向寸法は小さいため、その内壁部材３１は実質的に後部フランジ３３の一部として見做すことができる。従って熱交換器支持リング３６を内壁部材３１に接合する代わりに、後部フランジ３３に直接接合することも可能である。熱交換器支持部リング３６は、熱交換器２の外周面に接合される第１リング部３６₁と、内壁部材３１の内周面に結合される前記第１リング部３６₁よりも大径の第２リング部３６₂と、第１、第２リング部３６₁，３６₂を斜め方向に接続する接続部３６₃とを有して断面階段状に形成されており、この熱交換器支持部リング３６によって燃焼ガス通路入口１１及びエアー通路入口１５間がシールされる。
【００５１】
熱交換器２の外周面の温度分布はエアー通路入口１５側（軸方向後側）において低温であり、燃焼ガス通路入口１１側（軸方向前側）において高温である。熱交換器支持リング３６を燃焼ガス通路入口１１よりもエアー通路入口１５に近い位置に設けることにより、熱交換器２及びアウターハウジング９の熱膨張量の差を最小限に抑えて熱応力を減少させることができる。また熱膨張量の差によって熱交換器２と後部フランジ３３とが相対的に変位したとき、その変位は板材よりなる熱交換器支持リング３６の弾性変形により吸収され、熱交換器２やアウターハウジング９に作用する熱応力を軽減することができる。特に、熱交換器支持リング３６の断面が階段状に形成されているため、その折曲部が容易に変形して熱膨張量の差を効果的に吸収することができる。
【００５２】
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。
【００５３】
例えば、折り板素材２１の両端部を第１折り線Ｌ₁の部分で接合する代わりに、第２折り線Ｌ₂の部分で接合しても良い。
【００５４】
【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、第１伝熱板及び第２伝熱板を第１折り線及び第２折り線を介して連設してなる折り板素材をつづら折り状に折り曲げて円環状の熱交換器を構成する際に、１枚の折り板素材を３６０°に亘ってつづら折り状に折り曲げ、その両端部を第１折り線或いは第２折り線を含む部分で重ね合わせて接合したので、最小の部品点数で熱交換器を構成することができるだけでなく、折り板素材の接合部の数が最小の１ヵ所になって流体漏れの可能性が最小限に抑えられる。
また特に折り板素材両端部の接合部においては、該接合部を挟んで隣り合う第１伝熱板及び第２伝熱板の端縁が第１折り線或いは第２折り線の近傍で各々Ｊ字状に切断されると共に、その一方の伝熱板のＪ字状切断部の内周に他方の伝熱板のＪ字状切断部の外周が嵌合してろう付けされているので、折り板素材の両端部を接合するために特別の接合部材が不要となり、また折り板素材の形状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できるとともに、接合部におけるヒートマスの増加が回避でき、また、燃焼ガス通路でもなくエアー通路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。しかも折り板素材の両端部は、第１折り線或いは第２折り線を含む折曲部で重ね合わされる（即ち第１，第２伝熱板のＪ字状切断部相互が嵌合される）状態でろう付けされるので、接合強度も増加する。また折り板素材の切断位置を変更して第１伝熱板及び第２伝熱板の枚数を調節するだけで、隣接する第１伝熱板及び第２伝熱板の円周方向のピッチを微調整することができる。
【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５の６部拡大図
【図７】図３の７−７線拡大断面図
【図８】折り板素材の展開図
【図９】熱交換器の要部斜視図
【図１０】燃焼ガス及びエアーの流れを示す模式図
【図１１】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１２】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
【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アウターケーシング（半径方向外周壁）
７インナーケーシング（半径方向内周壁）
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
Ｌ₁ 第１折り線
Ｌ₂ 第２折り線
Ｓ１第１伝熱板（伝熱板）
Ｓ２第２伝熱板（伝熱板）

Claims

半径方向外周壁（６）及び半径方向内周壁（７）間に画成した円環状の空間に複数の第１伝熱板（Ｓ１）及び複数の第２伝熱板（Ｓ２）を放射状に配置することにより、隣接する第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）を円周方向に交互に形成してなる熱交換器であって、
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）を該折り線（Ｌ₁，Ｌ₂）においてつづら折り状に折り曲げ、前記第１折り線（Ｌ₁）及び第２折り線（Ｌ₂）をそれぞれ半径方向外周壁（６）及び半径方向内周壁（７）に接合することにより第１伝熱板（Ｓ１）及び第２伝熱板（Ｓ２）を放射方向に配置し、隣接する第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）を円周方向に交互に形成し、且つ前記高温流体通路（４）の軸方向両端部に開口するように高温流体通路入口（１１）及び高温流体通路出口（１２）を形成するとともに、前記低温流体通路（５）の軸方向両端部に開口するように低温流体通路入口（１５）及び低温流体通路出口（１６）を形成してなる熱交換器において、
１枚の折り板素材（２１）を３６０°に亘ってつづら折り状に折り曲げ、その両端部を第１折り線（Ｌ₁）或いは第２折り線（Ｌ₂）を含む部分で重ね合わせて接合し、
その接合部においては、該接合部を挟んで隣り合う第１伝熱板（Ｓ１）及び第２伝熱板（Ｓ２）の端縁が第１折り線（Ｌ ₁ ）或いは第２折り線（Ｌ ₂ ）の近傍で各々Ｊ字状に切断されると共に、その一方の伝熱板（Ｓ１）のＪ字状切断部の内周に他方の伝熱板（Ｓ２）のＪ字状切断部の外周が嵌合してろう付けされていることを特徴とする熱交換器。