JPH037871B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野： 本発明は、加熱ガスによつて周囲を洗われる管
束状交叉−向流−マトリツクスが入口側及び出口
側で互いに別々の圧縮空気案内と連通し、このマ
トリツクスが本質的にＵ字形のマトリツクス湾曲
管からなり、このマトリツクス湾曲管の外側転向
範囲が加熱ガス案内のためにケーシングの周縁案
内壁によつて包囲されている、加熱ガスによつて
周囲を洗われる管束状交叉−向流−マトリツクス
を有する熱交換器に関する。

従来技術： この種の、例えば米国特許第4475586号明細書
の記載から知られている熱交換器の場合には、周
縁案内壁をＵ字形の湾曲物に形成された管の転向
部の範囲内に配置することが必要である。この種
の周縁部は、これまで例えば薄板翼として形成さ
れてきたが、この薄板翼は、専ら転向部の範囲内
で湾曲管の弓形で外側に位置する輪郭に従つてい
る。このような周縁部は、熱交換器管状マトリツ
クスを包囲する他のケーシング構成単位の構造に
不可避の成分であり、この周縁部の温度一及び膨
張曲線は、熱交換器管状マトリツクスの温度一及
び膨張曲線と異なるので、この種の装置は、マト
リツクスの湾曲管の周縁が自由に変位するという
原理を損なわないようにするために、それに応じ
て薄板翼と、マトリツクス湾曲管の周縁列との間
に距離を必要とする。

このような距離は、仕事媒体、すなわち加熱ガ
スに対して比較的大きい部分的漏洩流を生ぜしめ
る。

このことから、熱交換器の効率を損なう２つの
本質的な欠点が明らかになる： これは、第１にこの加熱ガス漏洩量が熱交換過
程に関与せず、第２にこの加熱ガス漏洩量が出口
で間隙から比較的大きい流動速度で自然の加熱ガ
ス流出領域に異形成形管マトリツクスの下流へ
“噴出し”、それによつてこの流出領域中での混合
攪乱、ひいては比較的強い流れの不均一性が発生
し、この流れの不均一性により第１の不利なフア
クターと一緒に熱交換率の比較的激しい減少が生
じるという事実にある。

米国特許第3746083号明細書の記載から公知の
もう１つの熱交換器の場合、一連の周縁案内壁と
の距離をもつマトリツクス転向部は、加熱ガスを
案内するケーシングの固定成分であり、かつこの
場合には直接に周縁案内壁と、マトリツクス湾曲
管を橋かけする圧力部分との間の間隙によりこの
圧力部分で支持される。それによつて、実際に外
側加熱ガス漏洩流間隙は、部分的に密閉すること
ができるが、しかし同時に外側湾曲管転向部の範
囲内で定義できない熱交換過程が生じる。従つ
て、マトリツクス湾曲管の外側転向範囲に沿つて
均一に案内される加熱ガス流は、保諸することが
できない。殊に、転向範囲内で惹き起こされる、
湾曲管それ自体の間ならびに管状マトリツクス
と、ケーシングもしくは外側周縁案内壁との間の
熱に不可避の膨張差は、公知方法の場合には全く
考慮されていない。

更に、先に記載した公知技術の範囲内でマトリ
ツクス管束の運転に不可避の相対運動は、管が振
動すること及び管が偏位することの原因として全
く考慮されていない。更に、公知方法の場合に
は、前述した当該問題の範囲内で管状マトリツク
スの前記相対運動を同時に補償しながらこの管状
マトリツクスの振動を緩衝する状態にある装置は
全く示されていない。

発明が解決しようとする問題点： 本発明の課題は、前記欠点を除去しかつ首記し
た種類の熱交換器を得ることであり、この場合
個々の異形成形管相互の相対運動ならびに異形成
形管と、マトリツクスを包囲する加熱ガスケーシ
ング構造との間の相対運動は、抑制可能であり、
同時に殊にマトリツクスの弓形の外側異形成形材
周縁範囲は、加熱ガス側の流出領域の均一性をマ
トリツクス出口で損なうことなしに十分に熱交換
過程に引き入れることができる。

問題点を解決するための手段： この課された課題は、管状マトリツクス１の外
側転向範囲と、この外側転向範囲に制御されてい
る周縁案内壁３との間に存在する加熱ガス漏洩間
隙が少なくとも１つのフレキシブルな弾性パツキ
ング部材１７によつて遮断されていることによつ
て解決される。

従つて、本発明によるパツキング部材は、異な
る温度、振動又は弾性的偏位の結果として惹き起
こされる個々のマトリツクス−湾曲管の相対運動
を補償し、この場合同時に望ましくない先に定義
した加熱ガス漏洩間隙を徹底的に遮断する状態に
あり、実際にまた外側周縁マトリツクス転向範囲
は、加熱ガス主要貫流方向の範囲内で熱交換過程
に取り入れることができる。

本発明の対象の好ましい実施形式は、特許請求
の範囲第２項から第１５項までのいずれか１項の
記載から明らかである。

実施例 第１図および第２図に明示された熱交換器は、
捕集容器１５として構成された第１の管状案内、
本質的にこの第１の管状案内と並行に走る、同様
に捕集管容器１６として構成された第２の管状案
内及び加熱ガスＧが周囲に流れ得る管状マトリツ
クス１からなり、この管状マトリツクスは、入口
側で加熱すべき仕事媒体、例えば圧縮空気の供給
（矢印Ｄ）のために第１の捕集容器１５に接続さ
れ、かつ加熱した圧縮空気の導出（矢印D′）の
ために出口側で第２の捕集容器１６に接続されて
いる。管状マトリツクス１は、側方で２つの捕集
容器１５，１６から加熱ガス流れ方向Ｇに対して
横に突出する、Ｕ字形のマトリツクス湾曲管２か
らなり、このマトリツクス湾曲管の外側の転向範
囲は、周縁案内壁３によつて包囲され、この周縁
案内壁は、流入側及び流出側で加熱ガスケーシン
グの壁構造と結合されている。

また、管状マトリツクス１は、距離をもつて並
列的にならびに横断面として見て入れこ的に本質
的に同じ形で空間的に互いにずれて配置されたマ
トリツクス湾曲管２からなる（第１１図も参照）。

互いに別々に圧縮空気を管状マトリツクス中に
供給するためないしは圧縮空気を管状マトリツク
スから導出するため２つの管状案内は、米国特許
第3746083号明細書の記載から知られているよう
に共通の捕集管中に組み込まれいてもよい。

また、第４図につき明示されているように、周
縁案内壁３と、マトリツクス湾曲管２の直接隣接
せる部分との間に外側のマトリツクス転向範囲内
で比較的大きい距離を維持しなければならず、こ
の距離は、同時に第１図によれば比較的大きい加
熱ガス部分的漏洩流Ａを強制的に生じさせ、この
加熱ガス部分的漏洩流は、さらに減少した熱交換
度を惹き起こすであろう。それというのも、加熱
ガス主流Ｇから離脱された加熱ガス部分的漏洩流
Ａは、本質的に前記の距離間隙のみを貫流する
が、しかし外側の縁範囲内に存在するマトリツク
ス湾曲成形材の周囲には流れないからである。同
時に前記の加熱ガス部分的漏洩流Ａに加熱ガス主
流Ｇに比して比較的大きい過剰速度が関与すれ
ば、マトリツクスを去る主流Ｇ中への再流入の際
の混合攪乱、ひいては同様に熱交換過程の不均一
性を導くことができるであろう。

第１図に比して本質的に不変の構造部材に対し
同じ参照符号を使用しながら、第４図において、
ａは、冷却状態でのマトリツクス湾曲管２と、ケ
ーシングないしは周縁案内壁３との距離を具体化
し、ｂは、熱い状態での当該の必要とされる距離
を具体化したものであり、この距離は、先に記載
した欠点を熱交換過程の際にもたらすが、他面で
例えばケーシングないし周縁案内壁３に対するマ
トリツクスの摩擦運動を阻止するために必ず維持
しなければならず、この場合この摩擦運動は、例
えば運転に不可避のマトリツクスの振動の原因と
なりうる（脈動的走行運動）。

上記の距離ａ（第４図）は殊に、マトリツクス
湾曲管２の運転に不可避の伸びの差を保証するこ
とができるかないしは常にケーシングもしくは周
縁案内壁３に対するマトリツクス湾曲管の自由伸
長性を保証することができる目的で構造的に配慮
しなければならない。

第５図は、相重なる３個のマトリツクス湾曲管
２，２′，２″の変動しうる相対運動可能性を具体
化したものであり、この相対運動可能性は、一面
で湾曲管２の側方への変位で表わすことができ、
他面で周縁案内壁３のマトリツクス長手方向に外
方に導かれる湾曲管２′の変位ｄで表わすことが
でき、ならびに例えば周縁案内壁３の方向に向い
た、湾曲管２″のマトリツクス長手方向に走る変
位ｅで表わすことができる。

前記の、とりわけ第１図、第４図及び第５図に
より明示された問題を解決するためには、第３図
によれば、管状マトリツクス１の外側転向範囲
と、それに制御されている周縁案内壁３との間に
存在する加熱ガス漏洩間隙（加熱ガス最小漏洩間
隙ｂ−第４図）は、少なくとも１つのフレキシブ
ルな弾性パツキング部材１７によつて遮断されて
いなければならない。このパツキング部材１７に
よつて差当り熱損失を相当に僅かに保持すること
ができ；換言すれば、第１図による損失の大きい
加熱ガス漏洩流分Ａは回避される。すなわち、加
熱ガス主流Ｇは、専らＵ字形のマトリツクス転向
範囲内で前記のパツキング部材１７によつて強制
される、軽く側方に触れる流線G′を受け、この
流線は、同時に妨害のない、マトリツクス湾曲
管、例えば２、の周囲での殆んで完全な加熱ガス
の流れを可能にし、すなわちマトリツクス１の外
側縁範囲内でもこの流れを可能にする。

パツキング部材１７のもう１つの課題は、先に
第４図につき詳説したように、管束と、冷却され
たかもしくは絶縁されたケーシング１２との間の
異なる温度による伸びを吸収することである。管
束は、異なる温度、振動又は弾性的偏向のために
互いに相対運動を受ける。パツキング部材１７
は、この変位運動を吸収することができなければ
ならず、例えばこの運動は、他の点では既に第５
図でも先に詳説されている。

この場合、このパツキング部材１７（第３図）
は、管状マトリツクス１の外側転向範囲を部分的
もしくは本質的に図示したように包囲することが
できるか又は完全に包囲することもできる。

第６図又は第８図又は第９図によれば、パツキ
ング部材１７は、特に好ましい形成で弾性金属フ
エルトから完成されたフレキシブルマツトとして
構成されていてもよい。

フレキシブルマツトは、個々のマトリツクス湾
曲管２，２′，２″、マトリツクス１の第５図で例
示された相対運動に適合し、また当該マトリツク
ス湾曲管の振動を吸収する状態にあるかないしは
著しく緩衝する、すなわち“振動緩衝パツド”の
型式で緩衝する状態にある。

更に、例えば第３図、第４図、第５図又は第９
図から明らかなように、周縁案内壁３は、ケーシ
ング１２をできるだけ冷たく保持し、ひいては全
く意味のない、加熱ガスに不可避の熱膨張に暴露
されないようにするために、少なくともケーシン
グ１２の属する加熱ガス流入側及び加熱ガス流出
側の壁構造を含めて管状マトリツクス１もしくは
パツキング部材１７に対向する側で熱絶縁部材１
８で被覆されていてもよい。

第９図によれば、パツキング部材１７は、金属
フエルトマツトとして管状マトリツクス１と背反
する側で薄板１９により被覆されていなければな
らず、この薄板は、周縁案内壁３もしくはその絶
縁部材１８に対して弓形のガス流入通路２０を留
めながら配置され、このガス流入通路は、流れの
下方端部でばねパツキング２１としての薄板１９
の外向きに湾曲した部分によつて同時に遮断され
ている。それというのも、この部分は、例えばね
じ締め２２によりケーシング１２に固定されてな
ければならないかないしは周縁案内壁３に固定さ
れてなければならないからである。この場合、薄
板１９の点線で記載した輪郭は、本発明による熱
補正をこのばね弾性パツキング−遮断部材−組合
せの結果として具体化したものである。

更に、第９図は、ガス流入通路２０がマトリツ
クス１に対して主流方向に向いた加熱ガスＧの一
部を分岐させるために構成されていることを明示
する。

しかし、本発明によれば、薄板１９に代りに
（第１１図）シートを設けてもよい。

更に、図示してないが、薄板１９又はシートの
個々の部分は、ロウ付け、たたみ接ぎ又は締付け
によつて金属−フエルト−マツトと結合されてい
てもよい。

更に、第９図による実施例に関連して、被覆薄
板１９又はシートは穿孔２３，２４，２５を備え
ており、この穿孔はガス流入通路２０と連通し、
かつこの穿孔２３，２４，２５を介して外側転向
範囲内に存在する管状マトリツクス１は金属−フ
エルト−マツトとして構成されたパツキング部材
１７にわたつて横方向に周囲を洗われうるのが特
に好ましい。すなわち、こうして外側マトリツク
ス転向範囲内で交叉−向流−熱交換過程も可能に
なる。矢印Ｆは、加熱ガス流がガス流入通路２０
から金属−フエルト−マツトを通過してマトリツ
クス湾曲管２の外側周縁部を脱していることを示
す。

第６図によれば、金属−フエルト−マツトとし
て構成されたパツキング部材１７は、マトリツク
ス転向範囲の直接に隣接した湾曲管２に対する接
触領域で予め異形成形された形成面２６による流
入側の異形成形材輪郭に相当して示されている。

こうして、異形管マトリツクスの他の安定化
は、殊に転向範囲の外側周縁部で達成することが
できる。更に、それによつて密閉作用は改善する
ことができる。

更に、第７図につき明示されているように、穿
孔２３，２４，２５は、運転中に常に存在するガ
ス圧差により薄板１９又はシートによつて包含さ
れた金属−フエルト−マツトの負荷に依存する密
閉する押付力が管状マトリツクス１のこの金属−
フエルト−マツトに制限されている湾曲管２に対
して発輝されるように場所的に異なつて寸法決め
しかつ分布させることができる。

加熱ガスのために穿孔された外側薄板／シート
を有するフエルトマツトは、穿孔面を変えること
によつて適合しうる抵抗を提供するので、この場
合生じる圧力差は、押付力を湾曲管の方向に発揮
する。この押付力は密閉効果を高める。この場
合、押付力は負荷に依存する。前記の熱交換器
を、例えば自動車用ガスタービンに使用する場
合、このことは、タービンのアイドリングの際及
び自動車の静止の際に押圧力が僅かであるという
利点を有する（この場合には、管束の相対運動を
導く外力は全く起こらない）。脈動及び振動によ
り管束が振れうる走行運転の場合、駆動装置回転
数が高い際に高い圧力差Δpのために強化された
押付力によつて密閉効果は高められかつ管束は安
定化される。

すなわち、走行運転の場合、ガスタービン駆動
装置を通る全質量通過量は高められることが得ら
れる。この場合、例えば、金属−フエルト−マツ
トとして構成されたパツキング部材１７の高めら
れた押付力は、ガス流入通路２０（第９図）の片
側で穿孔２３，２４，２５（第７図）により予め
選択した絞り効果の結果として形成される加熱ガ
ス動圧ｐと、マトリツクス中の加熱ガス圧力p′と
の間の圧力差Δpから生じ、この加熱ガス動圧は、
金属−フエルト−マツトの後方でマトリツクス中
の加熱ガス圧力p′を上廻る（ｐ＞p′）。

第９図に意味的に関連して、第８図にも加熱ガ
ス主流方向はＧで示され、この加熱ガス主流方向
から分れた、金属−フエルト−マツトとして構成
されたパツキング部材１７を貫流する加熱ガス流
分はＦで示されている。

第３図、第８図及び第９図による実施例の場
合、互いに別々の圧縮空気案内１５，１６は、そ
れぞれ別個の捕集管２９，３０によつて形成され
ている。その代りに、例えば第１０図による熱交
換器の場合に明示されているように、２つの別々
の圧縮空気案内１５，１６を収容するために１つ
の単独捕集管３１が構成されていてもよく、この
単独捕集管の作用形式は、残りの参照符号１，
Ｄ，D′，Ｇに関連して原則的に第１図と同一で
ある。

更に、第１１図によるマトリツクス横断面から
認めることができるように、マトリツクス１の
個々の湾曲管２は、特に空気力学的に最適化され
た、横断面で槍形又はレンズ形の中空異形成形体
であり、この中空異形成形体は、中央横ウエブ
７′によつて互いに分離された、それぞれ２つの
内部圧縮空気通路８′，９′を有し、この内部圧縮
空気通路は、流入側及び流出側の端部の範囲内で
先細になる三角形の輪郭を有する。

この場合、第１１図によるマトリツクス領域に
よれば、マトリツクス湾曲管２の個々の異形成形
材列は、許容しうる加熱ガス遮断を保証しながら
空間的に入れこ的に係合している。

【図面の簡単な説明】

第１図は、異形成形管マトリツクスの前面が管
状案内とともにある輪郭をしたケーシング構造で
明示されならびに公知技術水準の欠点が明示され
ている、熱交換器の根本的な実施形式を示す略
図、第２図は、第１図による異形成形管マトリツ
クスを転向部の範囲内で周縁案内壁を省略して示
す略示斜視図、第３図は、第１図とは異なり側方
で２つの隣接した捕集管からＵ字形に突出する管
状マトリツクスを本発明の対象を相互配置してケ
ーシング構造及び周縁案内壁構造の部分的縦断面
図により示す略図、第４図は、第３図による熱交
換器で例えば管状マトリツクスの熱に不可避の膨
張補償要件を周縁案内壁に関連して具体化する略
図、第５図は、第４図の切断面Ａ−Ａにより個々
の湾曲管の相対運動を明示する略図、第６図は、
流入側のマトリツクス異形成形材端部に凹所を有
する金属−フエルト−マツトが形成されている、
金属−フエルト−マツト−マトリツクスを示す、
第９図によるＢ−Ｂの部分的横断面図、第７図
は、第６図の観察方向Ｃにより薄板被覆した金属
−フエルト−マツトの一部を示す略図、第８図
は、第７図のＤ−Ｄによる断面を第６図、殊に第
３図による捕集管とともにマトリツクスを相互配
置して示す略図、第９図は、金属−フエルト−マ
ツトにわたつてガス部分流を偏向させるため流れ
の下方でばね弾性的に密閉されたガス流入通路を
有する周縁案内壁の範囲内ならびにマツトに少な
くとも直接隣接したマトリツクス−湾曲管−部分
にわたつての交叉−向流−熱交換過程の範囲内で
ケーシング−パツキングを示す部分的縦断面図、 第１０図は、第１図、第３図、第８図及び第９
図に対して選択される熱交換器を示す斜視図、か
つ第１１図は、加熱ガス主流方向Ｇに従いマトリ
ツクス輪郭から明らかである、前記の熱交換器の
例に適したマトリツクス−異形成形材を示す部分
的横断面図である。 １……管状マトリツクス、２……湾曲管、３…
…周縁案内壁、７′……中央横ウエブ、８′，９′
……内部圧縮空気通路、１２……ケーシング、１
５，１６……圧縮空気案内、１７……パツキング
部材、１８……熱絶縁部材、１９……薄板、２０
……ガス流入通路、２２……ばね弾性パツキン
グ、２３，２４，２５……穿孔、２６……形成
面、２９，３０……単独捕集管、３１……共通捕
集管、Ｇ……加熱ガス。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 加熱ガスによつて周囲を洗われる管束状交叉
   −向流−マトリツクスが入口側及び出口側で互い
   に別々の圧縮空気案内と連通し、このマトリツク
   スが本質的にＵ字形のマトリツクス湾曲管からな
   り、このマトリツクス湾曲管の外側転向範囲が加
   熱ガス案内のためにケーシングの周縁案内壁によ
   つて包囲されている、加熱ガスによつて周囲を洗
   われる管束状交叉−向流−マトリツクスを有する
   熱交換器において、管状マトリツクス１の外側転
   向範囲と、この外側転向範囲に制限されている周
   縁案内壁３との間に存在する加熱ガス漏洩間隙が
   少なくとも１つのフレキシブルな弾性パツキング
   部材１７によつて遮断されていることを特徴とす
   る、熱交換器。 ２ パツキング部材１７が管状マトリツクス１の
   外側転向範囲を部分的又は完全に包囲している、
   特許請求の範囲第１項記載の熱交換器。 ３ パツキング部材１７が弾性金属フエルトから
   完成されたフレキシブルマツトである、特許請求
   の範囲第１項又は第２項に記載の熱交換器。 ４ 周縁案内壁３が少なくともケーシング１２の
   所属する加熱ガス流入側及び加熱ガス流出側の壁
   構造を含めて管状マトリツクス１もしくはパツキ
   ング部材１７に対向する側で熱絶縁部材１８で被
   覆されている、特許請求の範囲第１項、第２項又
   は第３項に記載の熱交換器。 ５ 金属フエルトマツトが管状マトリツクス１と
   背反した側で薄板１９により被覆され、この薄板
   が周縁案内壁３もしくはその絶縁部材１８に対し
   て弓形ガス流入通路２０を留めながら配置され、
   この弓形ガス流入通路が、ばね弾性パツキング２
   ２としての薄板１９の外向きに湾曲した部分をケ
   ーシング１２もしくは周縁案内壁３に固定するこ
   とにより、流れの下方端部でこの部分によつて同
   時に遮断されている、特許請求の範囲第１項から
   第４項までのいずれか１項に記載の熱交換器。 ６ 薄板の代りにシートが設けられている、特許
   請求の範囲第５項記載の熱交換器。 ７ 薄板１９又はシートの部分は、ロウ付け、た
   たみ接ぎ又は締付けによつて金属−フエルト−マ
   ツトと結合されている、特許請求の範囲第５項又
   は第６項に記載の熱交換器。 ８ 被覆薄板１９又はシートが穿孔２３，２４，
   ２５を備えており、この穿孔がガス流入通路２０
   と連通し、かつこの穿孔を介して外側転向範囲内
   に存在する管状マトリツクス１が金属−フエルト
   −マツトにわたつて横方向（交叉−向流）で周囲
   を洗われうる、特許請求の範囲第５項から第７項
   までのいずれか１項に記載の熱交換器。 ９ 穿孔２３，２４，２５は、運転中に常に存在
   するガス圧差により薄板１９又はシートによつて
   包囲された金属−フエルト−マツトの負荷に依存
   する密閉する押付力が管状マトリツクス１のこの
   金属−フエルト−マツトに制限されている湾曲管
   に対して発揮されるように場所的に異なつて寸法
   決めしかつ分布されている、特許請求の範囲第１
   項から第８項までのいずれか１項に記載の熱交換
   器。 １０ 金属−フエルト−マツトがマトリツクス転
   向範囲の直接に隣接した湾曲管２に対する接触領
   域で予め異形成形された形成面２６による流入側
   の異形成形材輪郭に相当している、特許請求の範
   囲第１項から第９項までのいずれか１項に記載の
   熱交換器。 １１ ガス流入通路２０が主流方向でマトリツク
   ス１の方向に向いた加熱ガスＧの一部を分岐させ
   るために構成されている、特許請求の範囲第５項
   記載の熱交換器。 １２ 互いに別々の圧縮空気案内１５，１６が１
   つの共通の捕集管３１中に組み込まれている、特
   許請求の範囲第１項から第１１項までのいずれか
   １項に記載の熱交換器。 １３ 全ての互いに別々の圧縮空気案内１５，１
   ６が単独捕集管２９，３０によつて形成されてい
   る、特許請求の範囲第１項から第１１項までのい
   ずれか１項に記載の熱交換器。 １４ マトリツクスの個々の湾曲管２が空気力学
   的に最適化された、横断面で槍形又はレンズ形の
   中空異形成形体である、特許請求の範囲第１項か
   ら第１３項までのいずれか１項に記載の熱交換
   器。 １５ 中空異形成形体が中央横ウエブ７′によつ
   て互いに分離された、それぞれ２つの内部圧縮空
   気通路８′，９′を有し、この内部圧縮空気通路が
   流入側及び流出側の端部の範囲内で先細になる三
   角形の輪郭を有する、特許請求の範囲第１４項記
   載の熱交換器。