JP3923118B2 - 熱交換器 - Google Patents
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Description
【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】
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。
【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24F ,24R 及び第2凸条25F ,25R 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24F ,24R 及び第2凸条25F ,25R 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24F ,24R 及び第2凸条25F ,25R 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24F ,24R 及び第2凸条25F ,25R 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Ntuは、
Ntu=(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。
【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。
【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Ntu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PS 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PL 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PS 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PL 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24F ,24R 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25F ,25R 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 (1)
- 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。
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