JP4523148B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、第１伝熱板および第２伝熱板を交互に重ね合わせ、両伝熱板間に低圧流体通路および高圧流体通路を交互に形成した熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高温流体が流れる流体通路と低温流体が流れる流体通路とを交互に配置して高温流体および低温流体間で熱交換を行う熱交換器は、例えば実開平３−７９０８２号公報、特表平５−５０６９１８号公報、米国特許第３８３１３７４号明細書により既に知られている。
【０００３】
上記実開平３−７９０８２号公報には、紙製の仕切り板を所定間隔で折り曲げることにより相互に平行に延びる多数の間隔保持部を突設し、複数の仕切り板をその間隔保持部が直交するように交互に重ね合わせたもので、隣接する仕切り板間に高温流体が流れる流体通路と低温流体が流れる流体通路とを交互に形成している。
【０００４】
また上記特表平５−５０６９１８号公報に記載されたものは、ガスタービンエンジンに用いられる円環状の熱交換器であって、同軸に配置されたアウターケーシングおよびインナーケーシング間にインボリュート曲線状に湾曲した多数の伝熱板を所定間隔を存して配置することにより、圧縮空気が通過する高圧流体通路と燃焼ガスが通過する低圧流体通路とを円周方向に交互に形成している。
【０００５】
また上記米国特許第３８３１３７４号明細書に記載されたものは、ガスタービンエンジンに用いられる円環状の熱交換器であって、同軸に配置されたアウターケーシングおよびインナーケーシング間に多数の伝熱板を所定間隔を存して放射状に配置することにより、圧縮空気が通過する高圧流体通路と燃焼ガスが通過する低圧流体通路とを円周方向に交互に形成している。燃焼ガスが前方から後方に通過する低圧流体通路は軸方向に直線状に延びているのに対し、圧縮空気が通過する高圧流体通路はアウターケーシングの後部に圧縮空気入口を備えるとともにインナーケーシングの前部に圧縮空気出口を備えている。従って、圧縮空気は圧縮空気入口から半径方向内向きに流入して軸方向前方に流れた後に圧縮空気出口から半径方向内向きに流出することになり、高圧流体通路は全体としてクランク状に形成される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記米国特許第３８３１３７４号明細書に記載されたものは、熱交換器の外周を前方から後方に流れた圧縮空気が半径方向内向きに９０°旋回して圧縮空気入口から熱交換器の内部に流入し、更に前方に向けて９０°旋回して熱交換器の内部の高圧流体通路を前方に流れるようになっているが、圧縮空気が１８０°に亘って旋回する際の遠心力で旋回方向外側に偏るため、旋回後の圧縮空気を熱交換器の内部に軸方向に形成した高圧流体通路内に均一に流すことが難しくなり、熱交換効率が低下する可能性がある。
【０００７】
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、熱交換器の外側の通路を前方から後方に流れてきた高圧流体が、高圧流体の入口から半径方向内向きに１８０°旋回して熱交換器の内部に流入するような場合でも、熱交換器の高圧流体通路の入口流体通路から、該入口流体通路に直交する主流体通路に高圧流体を均一に配分できるようにすることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、一側面に複数の第１凸条を形成した第１伝熱板と、一側面に複数の第２凸条を形成した第２伝熱板とを交互に重ね合わせて構成され、第１伝熱板の一側面と第２伝熱板の他側面との間に複数の第１凸条により仕切られて形成された低圧流体通路は第１、第２伝熱板の長手方向に延び、かつ第２伝熱板の一側面と第１伝熱板の他側面との間に複数の第２凸条により仕切られて形成された高圧流体通路は、第１、第２伝熱板の長手方向に延びる主凸条により区画された主流体通路と、第１、第２伝熱板の長手方向と直交する方向に延びる入口凸条により区画された入口流体通路とを有し、該入口流体通路は、第１，２伝熱板の長手方向一端の一側縁に開口する入口を備え、第１，２伝熱板の前記一側縁の外側には、前記主流体通路に沿って延びていて第１，２伝熱板の長手方向他端側から前記入口に向かって高圧流体を導く外側の通路が設けられ、該外側の通路を流れてきた高圧流体が９０°旋回して前記入口から前記入口流体通路に流入し、更に該入口流体通路から９０°旋回して前記主流体通路に流入する熱交換器であって、複数の入口凸条は、それぞれの上流端が前記入口に位置していて、第１，２伝熱板の長手方向一端に近いものほど長くなるよう形成されると共に、隣接する入口凸条相互の間隔が、第１，２伝熱板の長手方向一端に近いものほど狭くなるよう設定され、複数の主凸条は、前記入口から離れるものほど上流端が第１，２伝熱板の長手方向一端に近づくように形成されると共に、入口凸条の下流端と主凸条の上流端との間に間隙が形成され、該間隙と、各主凸条の上流端の位置と、入口凸条相互の間隔とは、入口流体通路から主流体通路に流入する高圧流体の配分量を均一化するように設定されることを特徴とする熱交換器が提案される。
【０００９】
上記構成によれば、第２伝熱板の一側面と第１伝熱板の他側面との間に複数の第２凸条により仕切られて形成された高圧流体通路は、第１、第２伝熱板の長手方向に延びる主凸条により区画された主流体通路と、第１、第２伝熱板の長手方向と直交する方向に延びる入口凸条により区画された入口流体通路とを有し、且つ該入口流体通路に第１，２伝熱板の長手方向一端の一側縁に開口する入口を備えていて、第１，２伝熱板の該一側縁の外側に設けられた外側の通路を第１，２伝熱板の長手方向他端側から前記入口に向かって流れてきた高圧流体が、９０°旋回して前記入口から入口流体通路に流入し、更に該入口流体通路から９０°旋回して前記主流体通路に流入するものであり、複数の入口凸条は、それぞれの上流端が前記入口に位置していて、第１，２伝熱板の長手方向一端に近いものほど長くなるよう形成されると共に、隣接する入口凸条相互の間隔が、第１，２伝熱板の長手方向一端に近いものほど狭くなるよう設定され、複数の主凸条は、前記入口から離れるものほど上流端が第１，２伝熱板の長手方向一端に近づくように形成されると共に、入口凸条の下流端と主凸条の上流端との間に間隙が形成され、該間隙と、各主凸条の上流端の位置と、入口凸条相互の間隔とは、入口流体通路から主流体通路に流入する高圧流体の配分量を均一化するように設定されているので、高圧流体が旋回しながら入口流体通路から主流体通路に流入する際の遠心力で旋回方向外側に付勢される影響を補償し、主流体通路を流れる高圧流体を均一化して熱交換効率を高めることができる。
【００１０】
また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、複数の主凸条の長さが不均一であることを特徴とする熱交換器が提案される。
【００１１】
上記構成によれば、複数の主凸条の長さを不均一にしたことにより、主流体通路を流れる高圧流体を更に効果的に均一化することができる。
【００１２】
また請求項３に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、高圧流体通路は更に第１、第２伝熱板の長手方向と直交する方向に延びる複数の出口凸条により区画された出口流体通路を有しており、複数の出口凸条は主流体通路を区画する主凸条と接続されることを特徴とする熱交換器が提案される。
【００１３】
上記構成によれば、第１、第２伝熱板の長手方向と直交する方向に延びて出口流体通路を区画する複数の出口凸条は主流体通路を区画する主凸条と接続されるので、主流体通路を流れる高圧流体を出口流体通路にスムーズに案内して圧損の発生を最小限に抑えることができる。
【００１４】
また請求項４に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、高圧流体通路は更に第１、第２伝熱板の長手方向と直交する方向に延びる複数の出口凸条により区画された出口流体通路を有しており、入口流体通路および出口流体通路間に挟まれた主流体通路は略平行四辺形であることを特徴とする熱交換器が提案される。
【００１５】
上記構成によれば、高圧流体通路の上流側の入口流体通路と下流側の出口流体通路とに挟まれた主流体通路が略平行四辺形に形成されるので、低圧流体通路との間の伝熱面積を最大限に確保して熱交換効率を高めることができる。
【００１６】
尚、実施例の第１圧縮空気通路１２は本発明の外側の通路に対応し、実施例の圧縮空気入口１９は本発明の入口に対応する。
【００１７】
【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。
【００１８】
図１〜図７は本発明の第１実施例を示すもので、図１はガスタービンエンジンの縦断面図、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、図４は図２の４−４線拡大断面図、図５は図２の５部拡大図、図６は図２の６部拡大図、図７は図４の７−７線断面図である。
【００１９】
先ず、図１に基づいて本実施例の伝熱型熱交換器ＨＥが装着されたガスタービンエンジンＥの構造の概略を説明する。
【００２０】
ガスタービンエンジンＥは概略円筒状に形成されたエンジンケーシング１１を備える。エンジンケーシング１１の外周には第１圧縮空気通路１２が形成されており、この第１圧縮空気通路１２の上流側には図示せぬエアクリーナおよびサイレンサに連なる吸気通路１３が接続される。
【００２１】
吸気通路１３の中央を貫通して一対のベアリング１４，１４で支持された回転軸１５には、遠心式のコンプレッサホイール１６と遠心式のタービンホイール１７とが隣接して同軸に固定される。コンプレッサホイール１６の外周に放射状に形成された複数のコンプレッサブレード１６ａ…は前記吸気通路１３に臨んでおり、これらコンプレッサブレード１６ａ…の直下流に位置する第１圧縮空気通路１２に複数のコンプレッサディフューザ１８…が設けられる。
【００２２】
エンジンケーシング１１の後端には円環状の伝熱型熱交換器ＨＥが配置される。熱交換器ＨＥは後端外周部に圧縮空気入口１９を備えるとともに前端内周部に圧縮空気出口２０を備え、かつ前端に燃焼ガス入口２１を備えるとともに後端に燃焼ガス出口２２を備える。熱交換器ＨＥの内部において、実線で示す比較的に低温高圧の圧縮空気と、破線で示す比較的に高温低圧の燃焼ガス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圧縮空気および燃焼ガス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。
【００２３】
熱交換器ＨＥの半径方向内側には円環状のプリヒータ２３が同軸に配置され、更にその半径方向内側には触媒式の単缶型燃焼器２４が同軸に配置される。単缶型燃焼器２４は上流側から下流側に向けて予混合部２５と触媒燃焼部２６と気相燃焼部２７とを順次備えている。熱交換器ＨＥの圧縮空気出口２０とプリヒータ２３とは第２圧縮空気通路２８で接続され、プリヒータ２３と予混合部２５とは第３圧縮空気通路２９で接続される。第３圧縮空気通路２９には燃料噴射ノズル３０が設けられる。燃料噴射ノズル３０から噴射された燃料は、予混合部２５において圧縮空気と均一に混合して有害排出物の少ない燃焼が行われる。このように単缶型燃焼器２４を採用したことにより、アニュラ型燃焼器では困難な触媒燃焼が可能になるばかりか、燃料噴射ノズル３０等の個数を削減して構造の簡略化を図ることができる。
【００２４】
気相燃焼部２７と熱交換器ＨＥの燃焼ガス入口２１とを接続する燃焼ガス通路３１の上流部分には、タービンホイール１７の外周に放射状に形成された複数のタービンブレード１７ａ…が臨むとともに、その更に上流には気相燃焼部２７からの燃焼ガスを導く遮熱板３２およびタービンノズル３３…が設けられる。また燃焼ガス通路３１の下流部分には、燃焼ガス中の有害成分を除去するための円環状の酸化触媒３４が配置される。
【００２５】
しかして、吸気通路１３から吸い込まれてコンプレッサホイール１６により圧縮された空気は第１圧縮空気通路１２を経て熱交換器ＨＥに送られ、そこで高温の燃焼ガスとの間で熱交換することにより加熱される。熱交換器ＨＥを通過した圧縮空気は第２圧縮空気通路２８および第３圧縮空気通路２９を経て予混合部２５に達し、そこで燃料噴射ノズル３０から噴射された燃料と混合する。尚、ガスタービンエンジンＥの始動時には、燃焼ガスが流れないために熱交換器ＨＥが充分に機能しない。従って、始動時には第２、第３圧縮空気通路２８，２９間に設けたプリヒータ２３に通電して圧縮空気を電気的に加熱し、その温度を触媒活性化温度以上に上昇させる必要がある。
【００２６】
単缶型燃焼器２４に流入した混合気の一部は触媒燃焼部２６に担持した触媒に接触して触媒反応により燃焼し、その燃焼ガスの熱によって混合気の残部が気相燃焼部２７において気相燃焼する。燃焼ガスは燃焼ガス通路３１に流入してタービンホイール１７を駆動し、更に酸化触媒３４を通過して有害成分を除去された状態で熱交換器ＨＥに供給される。このようにしてタービンホイール１７が回転すると、その回転トルクは回転軸１５を介してコンプレッサホイール１６および図示せぬ被駆動部に伝達される。
【００２７】
次に、図２〜図７を参照して熱交換器ＨＥの構造を説明する。
【００２８】
円環状の熱交換器ＨＥは矩形状の金属板よりなる多数の第１伝熱板４１と、同一の外形を有する多数の金属板よりなる第２伝熱板４２とを交互に重ね合わせ、その外周面を筒状のアウターケーシング４３で覆い、その内周面を筒状のインナーケーシング４４で覆って構成される。
【００２９】
図３、図５および図６に示すように、第１伝熱板４１は平坦な金属板を長辺と平行に波板状に折り曲げ、それら折り曲げ部分を相互に密着させて一側面側に突出する多数の第１凸条４５…を小間隔で平行に形成してなる。円環状の熱交換器ＨＥの内周部に対応する第１伝熱板４１の内側縁と、外周部に対応する外側縁とには、前記一側面側に折り曲げられた接合部４６，４７がそれぞれ形成される。一方、第２伝熱板４２に接合される第１伝熱板４１の他側面は平坦に形成される。
【００３０】
図４、図５および図６に示すように、第２伝熱板４２は平坦な金属板の一側面に、第１伝熱板４１の第１凸条４５…よりも粗いピッチを有する複数の第２凸条４８…を突設してなる。第２凸条４８…は、第２伝熱板４２の長辺と平行に第２伝熱板４２の長手方向に延びる複数本（実施例では１１本）の主凸条４９…と、第２伝熱板４２の長手方向一端一側縁の圧縮空気入口１９に臨む位置から、第２伝熱板４２の短辺と平行に第２伝熱板の長手方向と直交する方向に延びる複数本（実施例では３本）の入口凸条５０ａ，５０ｂ，５０ｃと、第２伝熱板４２の長手方向他端他側縁の圧縮空気出口２０に臨む位置から、第２伝熱板４２の短辺と平行に第２伝熱板の長手方向と直交する方向に延びる複数本（実施例では３本）の出口凸条５１ａ，５１ｂ，５１ｃとを備える。一方、第１伝熱板４１に接合される第２伝熱板４２の他側面は平坦に形成される。
【００３１】
尚、３本の入口凸条５０ａ，５０ｂ，５０ｃのうち、第２伝熱板４２の後端側、即ち第２伝熱板４２の長手方向一端側の１本の入口凸条５０ａは、シール性を高めるべく他の２本の入口凸条５０ｂ，５０ｃよりも幅広に形成されている。これは、他の２本の入口凸条５０ｂ，５０ｃが隣接する通路を仕切る役目を果たすのに対し、１本の入口凸条５０ａは熱交換器ＨＥの後端を土手状に仕切って閉塞する閉塞部材を兼ねるためである。同様に、３本の出口凸条５１ａ，５１ｂ，５１ｃのうち、第２伝熱板４２の前端側、即ち第２伝熱板４２の長手方向他端側の１本の出口凸条５１ａは他の２本の出口凸条５１ｂ，５１ｃよりも幅広に形成されており、熱交換器ＨＥの前端を土手状に仕切って閉塞する閉塞部材を兼ねている。
【００３２】
３本の入口凸条５０ａ，５０ｂ，５０ｃの長さは、第２伝熱板４２の後端側の入口凸条５０ａが最も長く形成されて該第２伝熱板４２の短辺と同じ長さであり、第２伝熱板４２の後端側から遠いものほど短くなっている。主凸条４９…の長さは一定ではなく、圧縮空気入口１９の位置から離れるものほど上流端が第２伝熱板４２の後端、即ち第２伝熱板４２の長手方向一端に近づくように形成され、且つ第２伝熱板４２の後端側から２番目に遠い入口凸条５０ｂの端部と３番目に遠い入口凸条５０ｃの端部との間に間隙α，βを有している。また３本の出口凸条５１ａ，５１ｂ，５１ｃの長さは、第２伝熱板４２の前端側の出口凸条５１ａが最も長く形成されて該第２伝熱板４２の短辺と同じ長さであり、第２伝熱板４２の前端側から遠いものほど短くなっている。第２伝熱板４２の前端側から２番目に遠い出口凸条５１ｂの端部と３番目に遠い出口凸条５１ｃの端部とは、２本の主凸条４９，４９の端部に滑らかな円弧で連なっている。
【００３３】
円環状の熱交換器ＨＥの内周部および外周部にそれぞれ対応する第２伝熱板４２の内側縁および外側縁には、前記一側面側に折り曲げられた凸部５４，５５と、これら凸部５４，５５に連なって前記他側面側に折り曲げられた接合部５６，５７がそれぞれ形成される。凸部５４，５５の高さは第２凸条４８…の高さに等しく設定される。第２伝熱板４２の接合部５６，５７は、第１伝熱板４１の接合部４６，４７の内面に一部がオーバーラップするように重ね合わされる。
【００３４】
仮に第１伝熱板４１および第２伝熱板４２を放射状に配置すると、円環状の熱交換器ＨＥの内周部では隣接する第１、第２伝熱板４１，４２の間隔が狭くなり、外周部では前記間隔が広くなってしまうが、図５および図６から明らかなように、第１伝熱板４１および第２伝熱板４２をインボリュート曲線状に湾曲させることにより、熱交換器ＨＥの内周部および外周部で隣接する第１、第２伝熱板４１，４２の間隔を均一にすることができる。ただし、第１伝熱板４１および第２伝熱板４２をインボリュート曲線状に湾曲させたことにより、熱交換器ＨＥの内周部では第１、第２伝熱板４１および４２がインナーケーシング４４に対して略直角に交差するが、アウターケーシング４３に対して鋭角に交差することになる。
【００３５】
図３および図４から明らかなように、交互に重ね合わされて円環状に組み合わされた第１伝熱板４１および第２伝熱板４２は、その前部外周および後部外周にそれぞれフロントアウターリング５８およびリヤアウターリング５９が嵌合するとともに、その前部内周および後部内周にそれぞれフロントインナーリング６０およびリヤインナーリング６１が嵌合して位置決めされる。そして円環状に組み合わされた第１伝熱板４１および第２伝熱板４２の外周面を覆ってシールするアウターケーシング４３は、その前端の拡径部４３ａがフロントアウターリング５８の外周面に嵌合し、その後端とリヤアウターリング５９との間に圧縮空気入口１９が開口する。また第１伝熱板４１および第２伝熱板４２の内周面を覆ってシールするインナーケーシング４４は、その後端の拡径部４４ａがリヤインナーリング６１の内周面に嵌合し、その前端とフロントインナーリング６０との間に圧縮空気出口２０が開口する。
【００３６】
このように、第１伝熱板４１および第２伝熱板４２をフロントアウターリング５８、リヤアウターリング５９、フロントインナーリング６０およびリヤインナーリング６１で一体化した後に、その外周面および内周面にアウターケーシング４３およびインナーケーシング４４を接合するので、多数の第１伝熱板４１および第２伝熱板４２を有する熱交換器ＨＥの組立が容易になるだけでなく、組立精度を高めることができる。しかもアウターケーシング４３およびインナーケーシング４４の接合により、第１伝熱板４１および第２伝熱板４２の外周面および内周面における圧縮空気の吹き抜けを一層効果的に防止することができる。
【００３７】
前記第１伝熱板４１、第２伝熱板４２、フロントアウターリング５８、リヤアウターリング５９、フロントインナーリング６０、リヤインナーリング６１、アウターケーシング４３およびインナーケーシング４４はろう付けにより接合される。図５から明らかなように、第１伝熱板４１および第２伝熱板４２がインナーケーシング４４にろう付けされる部分において、第１伝熱板４１の幅狭の接合部４６は第２伝熱板４２の幅広の接合部５６の外面の一部にオーバーラップするように重ね合わされており、第２伝熱板４２の接合部５６の大部分は第１伝熱板４１の板厚の相当する隙間を介してインナーケーシング４４の外周面に対向する。従って、前記隙間に黒塗りで示すろう材を流して確実にろう付けし、熱交換器ＨＥの組立強度を確保するとともに圧縮空気および燃焼ガスの吹き抜けを防止することができる。
【００３８】
同様に、図６から明らかなように、第１伝熱板４１および第２伝熱板４２がアウターケーシング４３にろう付けされる部分において、第１伝熱板４１の幅狭の接合部４７は第２伝熱板４２の幅広の接合部５７の外面の一部にオーバーラップするように重ね合わされており、第２伝熱板４２の接合部５７の大部分は第１伝熱板４１の板厚の相当する隙間を介してアウターケーシング４３の内周面に対向する。従って、前記隙間に黒塗りで示すろう材を流して確実にろう付けし、熱交換器ＨＥの組立強度を確保するとともに圧縮空気および燃焼ガスの吹き抜けを防止することができる。
【００３９】
特に、インボリュート曲線状に湾曲する第１伝熱板４１および第２伝熱板４２の内側縁はインナーケーシング４４の外周面に略直角に交差するので、第１伝熱板４１および第２伝熱板４２を精度良く積層することが可能となり、ろう付け精度を高めて後述する高圧流体通路６３…側から低圧流体通路６２…側への圧縮空気の吹き抜けを効果的に防止することができる。
【００４０】
図３から明らかなように、第１凸条４５…が突出する第１伝熱板４１の一側面と平坦な第２伝熱板４２の他側面との間には、燃焼ガス入口２１および燃焼ガス出口２２を接続すべく、第１凸条４５…により仕切られた直線状かつ平行な複数の低圧流体通路６２…が区画される。
【００４１】
図４から明らかなように、第２凸条４８…が突出する第２伝熱板４２の一側面と平坦な第１伝熱板４１の他側面との間には、圧縮空気入口１９および圧縮空気出口２０を接続すべく高圧流体通路６３…が形成される。高圧流体通路６３…は、第２凸条４８…により仕切られた入口流体通路６５ａ，６５ｂ、主流体通路６４…および出口流体通路６６ａ，６６ｂを有してクランク状に形成される。即ち、入口凸条５０ａ，５０ｂ，５０ｃ間に圧縮空気入口１９から半径方向内側に向かって延びる入口流体通路６５ａ，６５ｂが形成され、主凸条４９…間に軸方向に延びる主流体通路６４…が形成され、出口凸条５１ａ，５１ｂ，５１ｃ間に圧縮空気出口２０から半径方向外側に向かって延びる出口流体通路６６ａ，６６ｂが形成される。
【００４２】
低圧流体通路６２…との間で熱交換する高圧流体通路６３…の主流体通路６４…は、図４に鎖線で示すように略平行四辺形に形成されているので、入口流体通路６５ａ，６５ｂおよび出口流体通路６６ａ，６６ｂのスペースを確保しながら、熱交換のための伝熱面積（主流体通路６４…の面積）を最大限に増加させて熱交換効率を高めることができる。
【００４３】
しかして、単缶型燃焼器２４において発生してタービンホイール１７を駆動した比較的に高温低圧の燃焼ガスは、燃焼ガス通路３１を経て熱交換器ＨＥの前端の燃焼ガス入口２１から低圧流体通路６２…を通過し、熱交換器ＨＥの後端の燃焼ガス出口２２から排出される。一方、コンプレッサホイール１６で圧縮された比較的に低温高圧の圧縮空気は、ガスタービンエンジンＥの外周に形成された第１圧縮空気通路１２を熱交換器ＨＥの外側縁に沿って後方に流れた後に、熱交換器ＨＥの後端外周部に形成された圧縮空気入口１９から半径方向内向きに９０°方向を変えて入口流体通路６５ａ，６５ｂに流入し、そこから９０°方向を変えて主流体通路６４…を前方に流れる。そして主流体通路６４…の前端において圧縮空気は更に半径方向内向きに９０°向きを変えて熱交換器ＨＥの前端内周部に形成された圧縮空気出口２０から第２圧縮空気通路２８に排出される。
【００４４】
このように、熱交換器ＨＥは第１伝熱板４１および第２伝熱板４２間に交互に形成された低圧流体通路６２…および高圧流体通路６３…を備え、高温の燃焼ガスは低圧流体通路６２…を前方から後方に流れ、低温の圧縮空気は高圧流体通路を後方から前方に流れるので、いわゆるクロスフロー状態を実現して熱交換器ＨＥの軸方向の全長に亘って燃焼ガスおよび圧縮空気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。
【００４５】
ところで、第１圧縮空気通路１２を熱交換器ＨＥの外側縁、即ち第１，２伝熱板４１，４２の一側縁の外側に沿って後方に流れた圧縮空気は熱交換器ＨＥの入口流体通路６５ａ，６５ｂにおいて１８０°旋回（図１の矢印Ａ参照）した後に熱交換器ＨＥの主流体通路６４…を前方に流れるが、その旋回の際に作用する遠心力で圧縮空気は旋回方向外側に付勢されるため、軸方向に沿って平行に形成された多数の主流体通路６４…のうち、旋回方向外側の主流体通路６４…、つまり熱交換器ＨＥの半径方向内側の主流体通路６４…に供給される圧縮空気量が増加し、逆に熱交換器ＨＥの半径方向外側の主流体通路６４…に供給される圧縮空気量が減少する傾向が発生してしまう。
【００４６】
しかしながら、本実施例によれば、３本の入口凸条５０ａ，５０ｂ，５０ｃにより区画される入口流体通路６５ａ，６５ｂのうち、旋回方向外側の入口流体通路６５ａの幅Ｗａを狭くするとともに旋回方向内側の入口流体通路６５ｂの幅Ｗｂを広くし、かつ第２伝熱板４２の後端側から２番目に遠い入口凸条５０ｂの端部と３番目に遠い入口凸条５０ｃの端部とが、主凸条４９…の端部との間に間隙α，βを有しており、更に主凸条４９…の長さが不均一で該主凸条４９…の前後端の位置が前後方向に調整されていることにより、半径方向の位置に関わらず全ての主流体通路６４…に流入する圧縮空気量を均一化することができる。
【００４７】
なぜならば、遠心力で圧縮空気の流量が増加する傾向にある旋回方向外側の入口流体通路６５ａの幅Ｗａを狭くし、逆に圧縮空気の流量が減少する傾向にある旋回方向内側の入口流体通路６５ｂの幅Ｗｂを広くすることにより、入口流体通路６５ａ，６５ｂから主流体通路６４…への圧縮空気配分量を均一化することができる。しかも２本の入口凸条５０ｂ，５０ｃの下流端が主凸条４９，４９の上流端に接続せずに間隙α，βが形成されており、かつ主凸条４９…の前後端の位置が前後方向に調整されているので、主流体通路６４…の圧縮空気配分量を更に効果的に均一化することができる。
【００４８】
一方、２本の主凸条４９，４９が２本の出口凸条５１ｂ，５１ｃに滑らかに連なっており、しかも２本の出口流体通路６６ａ，６６ｂの幅Ｗｃ，Ｗｄが同一でないように設定されているので、主流体通路６４…を流れる圧縮空気を出口流体通路６６ａ，６６ｂにスムーズに案内して圧損の発生を最小限に抑えることができる。
【００４９】
主流体通路６４…、入口流体通路６５ａ，６５ｂおよび出口流体通路６６ａ，６６ｂを上述のように構成したことにより、全体としてクランク状の屈曲した高圧流体通路６３の全域に亘って圧縮空気を均一にかつスムーズに流すことが可能となる。
【００５０】
また高圧流体通路６３…を流れる圧縮空気の圧力は低圧流体通路６２…を流れる燃焼ガスの圧力よりも高いため、隣接する高圧流体通路６３，６３に挟まれた低圧流体通路６２を区画する第１伝熱板４１および第２伝熱板４２が、圧縮空気および燃焼ガスの圧力差で相互に接近する方向の荷重を受けることになる。しかしながら、第１伝熱板４１の一側面に小さいピッチで突設した多数の第１凸条４５…で第２伝熱板４２の他側面を支持することにより、圧縮空気および燃焼ガスの圧力差で第１伝熱板４１および第２伝熱板４２が変形するのを確実に防止することができる。しかも第１凸条４５…は第１伝熱板４１を所定間隔で連続的に折り曲げて折曲部を相互に密着させて形成されるので、その部分の板厚が２倍になって前記圧力差を支持する剛性が高められるだけでなく、加工コストを大幅に削減することができる。
【００５１】
尚、隣接する低圧流体通路６２，６２に挟まれた高圧流体通路６３を区画する第１伝熱板４１および第２伝熱板４２は、圧縮空気および燃焼ガスの圧力差で相互に離反する方向の荷重を受けるため、その高圧流体通路６３の内部に配置された第２伝熱板４２の第２凸条４８…のピッチを粗く設定しても、強度上の問題は何ら発生しない。従って、第２凸条４８…は第１伝熱板４１および第２伝熱板４２の間隔を保持し得るピッチで形成すれば充分であり、第２伝熱板４２の加工コストおよび重量軽減に寄与することができる。
【００５２】
更に、第２伝熱板４１の一側面の内側縁および外側縁に突設した凸部５４，５５を第１伝熱板４２の他側面に当接させたので、特別のスペーサ等を必要とせずに第１、第２伝熱板４１，４２の内側縁および外側縁における相互間隔を設定値に一致させることができる。
【００５３】
図８および図９は本発明の第２実施例を示すもので、図８は熱交換器の斜視図、図９は図８の９方向矢視図である。
【００５４】
上述した第１実施例の熱交換器ＨＥは円環状に形成されているのに対し、第２実施例の熱交換器ＨＥは直方体状に形成されている。第１伝熱板４１および第２伝熱板４２の構造は第１実施例のものと実質的に同一であるが、第１実施例の第１、第２伝熱板４１，４２がインボリュート曲線状に湾曲しているのに対し、第２実施例の第１、第２伝熱板４１，４２は平面状に形成される。
【００５５】
交互に積層された第１、第２伝熱板４１，４２の一方の側縁は前記アウターケーシング４３に対応する端板４３′に接合され、他方の側縁は前記インナーケーシング４４に対応する端板４４′に接合される。また第１、第２伝熱板４１，４２の積層方向の両面には、一対の側板７１，７２が接合される。第１、第２伝熱板４１，４２の側縁と両端板４３′，４４′とは直角に交差するため、第１実施例における第１、第２伝熱板４１，４２の側縁とインナーケーシング４３との接合部と同じ構造で接合される（図９参照）。高温の燃焼ガスは熱交換器ＨＥの前端の燃焼ガス入口２１から流入して後端の燃焼ガス出口２２から流出し、低温の圧縮空気は一方の端板４３′の後端に形成した圧縮空気入口１９から流入して他方の端板４４′の前端に形成した圧縮空気出口２０から流出する。
【００５６】
しかして、本第２実施例によっても、前記第１実施例と同じ作用効果を奏することができ、しかも熱交換器ＨＥがコンパクトになる。
【００５７】
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。
【００５８】
【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２伝熱板の一側面と第１伝熱板の他側面との間に複数の第２凸条により仕切られて形成された高圧流体通路は、第１、第２伝熱板の長手方向に延びる主凸条により区画された主流体通路と、第１、第２伝熱板の長手方向と直交する方向に延びる入口凸条により区画された入口流体通路と、第１，２伝熱板の長手方向一端の一側縁に開口する入口とを備え、第１，２伝熱板の該一側縁の外側に設けられた外側の通路を第１，２伝熱板の長手方向他端側から前記入口に向かって流れてきた高圧流体が、９０°旋回して前記入口から入口流体通路に流入し、更に該入口流体通路から９０°旋回して前記主流体通路に流入するものであり、複数の入口凸条は、それぞれの上流端が前記入口に位置していて、第１，２伝熱板の長手方向一端に近いものほど長くなるよう形成されると共に、隣接する入口凸条相互の間隔が、第１，２伝熱板の長手方向一端に近いものほど狭くなるよう設定され、複数の主凸条は、前記入口から離れるものほど上流端が第１，２伝熱板の長手方向一端に近づくように形成されると共に、入口凸条の下流端と主凸条の上流端との間に間隙が形成され、該間隙と、各主凸条の上流端の位置と、入口凸条相互の間隔とは、入口流体通路から主流体通路に流入する高圧流体の配分量を均一化するように設定されるので、高圧流体が旋回しながら入口流体通路から主流体通路に流入する際の遠心力で旋回方向外側に付勢される影響を補償し、主流体通路を流れる高圧流体を均一化して熱交換効率を高めることができる。
【００５９】
また請求項２に記載された発明によれば、複数の主凸条の長さを不均一にしたことにより、主流体通路を流れる高圧流体を更に効果的に均一化することができる。
【００６０】
また請求項３に記載された発明によれば、第１、第２伝熱板の長手方向と直交する方向に延びて出口流体通路を区画する複数の出口凸条は主流体通路を区画する主凸条と接続されるので、主流体通路を流れる高圧流体を出口流体通路にスムーズに案内して圧損の発生を最小限に抑えることができる。
【００６１】
また請求項４に記載された発明によれば、高圧流体通路の上流側の入口流体通路と下流側の出口流体通路とに挟まれた主流体通路が略平行四辺形に形成されるので、低圧流体通路との間の伝熱面積を最大限に確保して熱交換効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガスタービンエンジンの縦断面図
【図２】図１の２−２線拡大断面図
【図３】図２の３−３線拡大断面図
【図４】図２の４−４線拡大断面図
【図５】図２の５部拡大図
【図６】図２の６部拡大図
【図７】図４の７−７線断面図
【図８】第２実施例に係る熱交換器の斜視図
【図９】図８の９方向矢視図
【符号の説明】
１２ 外側の通路（第１圧縮空気通路）
１９ 入口（圧縮空気入口）
４１ 第１伝熱板
４２ 第２伝熱板
４５ 第１凸条
４８ 第２凸条
４９ 主凸条
５０ａ，５０ｂ，５０ｃ 入口凸条
５１ａ，５１ｂ，５１ｃ 出口凸条
６２ 低圧流体通路
６３ 高圧流体通路
６４ 主流体通路
６５ａ，６５ｂ 入口流体通路
６６ａ，６６ｂ 出口流体通路
Ｗａ，Ｗｂ 入口凸条相互の間隔
α，β 間隙

Claims (4)

1. 一側面に複数の第１凸条（４５）を形成した第１伝熱板（４１）と、一側面に複数の第２凸条（４８）を形成した第２伝熱板（４２）とを交互に重ね合わせて構成され、
   第１伝熱板（４１）の一側面と第２伝熱板（４２）の他側面との間に複数の第１凸条（４５）により仕切られて形成された低圧流体通路（６２）は第１、第２伝熱板（４１，４２）の長手方向に延び、
   かつ第２伝熱板（４２）の一側面と第１伝熱板（４１）の他側面との間に複数の第２凸条（４８）により仕切られて形成された高圧流体通路（６３）は、第１、第２伝熱板（４１，４２）の長手方向に延びる主凸条（４９）により区画された主流体通路（６４）と、第１、第２伝熱板（４１，４２）の長手方向と直交する方向に延びる入口凸条（５０ａ，５０ｂ，５０ｃ）により区画された入口流体通路（６５ａ，６５ｂ）とを有し、
   該入口流体通路（６５ａ，６５ｂ）は、第１，２伝熱板（４１，４２）の長手方向一端の一側縁に開口する入口（１９）を備え、
   第１，２伝熱板（４１，４２）の前記一側縁の外側には、前記主流体通路（６４）に沿って延びていて第１，２伝熱板（４１，４２）の長手方向他端側から前記入口（１９）に向かって高圧流体を導く外側の通路（１２）が設けられ、
   該外側の通路（１２）を流れてきた高圧流体が９０°旋回して前記入口（１９）から前記入口流体通路（６５ａ，６５ｂ）に流入し、更に該入口流体通路（６５ａ，６５ｂ）から９０°旋回して前記主流体通路（６４）に流入する熱交換器であって、
   複数の入口凸条（５０ａ，５０ｂ，５０ｃ）は、それぞれの上流端が前記入口（１９）に位置していて、第１，２伝熱板（４１，４２）の長手方向一端に近いものほど長くなるよう形成されると共に、隣接する入口凸条（５０ａ，５０ｂ，５０ｃ）相互の間隔（Ｗａ，Ｗｂ）が、第１，２伝熱板（４１，４２）の長手方向一端に近いものほど狭くなるよう設定され、
   複数の主凸条（４９）は、前記入口（１９）から離れるものほど上流端が第１，２伝熱板（４１，４２）の長手方向一端に近づくように形成されると共に、入口凸条（５０ａ，５０ｂ，５０ｃ）の下流端と主凸条（４９）の上流端との間に間隙（α，β）が形成され、
   該間隙（α，β）と、各主凸条（４９）の上流端の位置と、入口凸条（５０ａ，５０ｂ，５０ｃ）相互の間隔（Ｗａ，Ｗｂ）とは、入口流体通路（６５ａ，６５ｂ）から主流体通路（６４）に流入する高圧流体の配分量を均一化するように設定されることを特徴とする熱交換器。
2. 複数の主凸条（４９）の長さが不均一であることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器。
3. 高圧流体通路（６３）は更に第１、第２伝熱板（４１，４２）の長手方向と直交する方向に延びる複数の出口凸条（５１ａ，５１ｂ，５１ｃ）により区画された出口流体通路（６６ａ，６６ｂ）を有しており、複数の出口凸条（５１ａ，５１ｂ，５１ｃ）は主流体通路（６４）を区画する主凸条（４９）と接続されることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器。
4. 高圧流体通路（６３）は更に第１、第２伝熱板（４１，４２）の長手方向と直交する方向に延びる複数の出口凸条（５１ａ，５１ｂ，５１ｃ）により区画された出口流体通路（６６ａ，６６ｂ）を有しており、入口流体通路（６５ａ，６５ｂ）および出口流体通路間（６６ａ，６６ｂ）に挟まれた主流体通路（６４）は略平行四辺形であることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器。

Images