JPH037872B2

JPH037872B2 -

Info

Publication number: JPH037872B2
Application number: JP61088363A
Authority: JP
Inventors: Ueeruru Berunharuto; Yapusu Arufureeto
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 1985-04-20
Filing date: 1986-04-18
Publication date: 1991-02-04
Also published as: US4679619A; DE3514377C2; DE3660015D1; EP0199320B1; EP0199320A1; JPS61243282A; DE3514377A1

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、特許請求の範囲第１項の前提部の記
載による熱交換器、即ち熱ガスが周囲を流れ、さ
らに入口側および出口側で、互いに分離された圧
縮空気案内と連通している、管束状の直交・向流
マトリツクスを有し、その際マトリツクスは大体
においてＵ字形のマトリツクス管湾曲体からな
り、その外側の転向部分は熱ガス案内用ケーシン
グの縁取り案内壁によつて取り囲まれている熱交
換器に関する。

従来の技術たとえば米国特許第4475586号明細書から公知
のこのような熱交換器においては、縁取り案内壁
を殊にＵ字形湾曲体に成形された管の転向部分に
配置することが必要である。このような縁取り装
置は、これまではたとえば、専ら管湾曲体の転向
部における弓形の外部輪部に従う金属板翼として
構成される。かかる縁取りは構造により、熱交換
マトリツクスを取り囲む他のケーシング構成要素
の成分であり、その温度および膨脹経過が熱交換
管マトリツクスとは異なるので、このような装置
は、マトリツクスの周縁部の管湾曲体の自由可動
性の原理を損なわないためには、金属板翼とマト
リツクスの管湾曲体の周縁部の列との間に相応す
る距離を必要とする。

一方の作業媒体、つまり熱ガスに対して、かか
る距離は比較的大きい部分漏洩流を惹起する。

これから、熱交換器の有効性を損なう２つの重
大な欠点が生じる：これは第一に、この熱ガス漏洩量が熱交換プロ
セスには参加しないという事実であり、第二に、
この熱ガス漏洩量は間隙からの出口において比較
的大きい流動速度で異形管マトリツクスの下流へ
の自然の熱ガス流出域中へ“噴出”し、これによ
つてこの流出域中へ混合乱流およびそれとともに
比較的強い流動不均一が生じ、これが最初の欠点
因子と一緒になつて熱交換度の比較的強い減少を
生じる。

この種の熱交換器におけるもう１つの重大な欠
点は、弓形のマトリツクス転向部分の大部分によ
り、供給される熱ガスに大体において弓形の流動
が与えられ、これにより熱ガス流はこのマトリツ
クス区域内で、真直なマトリツクス管湾曲部の周
りを横方向ないしは大体において直角に流れる熱
ガス流の部分よりも著しく僅かな圧力および速度
の損失を受け：従つて外側から内側へ見て、弓形
のマトリツクス転向部分ないしは利用されるマト
リツクス面の顧慮されない部分は、不十分に熱交
換プロセスに一緒に関係させることができるにす
ぎない。後者の事実は、米国特許第3746083号明
細書から公知の熱交換器にもそのままあてはま
る。この公知の熱交換器では、マトリツクス転向
部に距離を有して続く縁取り案内壁は、熱ガス案
内ケーシングの固定成分であつて、この場合直接
に、縁取り案内壁とマトリツクス管湾曲体との間
に間隙を連絡する押圧部材によつてマトリツクス
管湾曲体に支えられている。これによつて、実際
に外側の熱ガス漏洩流間隙は部分的に密封するこ
とができるが、この場合上述した“臨界的”なマ
トリツクス転向部分における熱交換プロセス向上
に関して何らかの改善が得られることもない。殊
に、転向部分において惹起する、管湾曲部相互間
ならびに管マトリツクスとケーシングないしは外
側の縁取り案内壁との間の熱による異膨脹が、こ
の公知事例においては同様に全く考慮されない。

さらに、さきに述べた先行技術の範囲内で、管
振動および管離反の原因である運転によるマトリ
ツクス管湾曲部の相対運動も全く考慮されない。

発明が解決しようとする問題点本発明の課題は、上述した欠点を除去し、個々
の異形管相互間ならびに異形管とマトリツクスを
取り囲む熱ガスケーシング構造体との間の相対運
動が制御可能であり、同時に弓形マトリツクス転
向部分の大部分が最適の熱交換プロセスに関して
構成可能である、最初に述べた種類の熱交換器を
供することである。

問題点を解決するための手段設定された課題は、本発明によれば特許請求の
範囲第１項の特徴部に記載の特徴、即ち (a) マトリツクスと縁取り案内壁の間に、外側の
Ｕ字形マトリツクス転向部分を少なくとも部分
的に熱ガス主流に対して覆うシエルが設けられ
ており： (b) シエルは少なくとも１つのフレキシブルな熱
ガス遮断パツキンを介してケーシングの縁取り
案内壁と結合されていて： (c) シエルと直接隣接するマトリツクス管湾曲部
との間に介在する空隙が少なくとも１つのブラ
シパツキンによつて閉塞されていることによつて解決される。

本発明によれば、異なる温度、振動または弾性
離反の原因として惹起される個々のマトリツクス
管湾曲体の相対運動を補償し、その際同時にさき
に述べた好ましくない、最外側の熱ガス漏洩間隙
を徹底的に閉塞するだけでなく、殊に外側周縁部
のマトリツクス転向部分を熱交換プロセスに良好
に利用可能にすることができる。

本発明によるシエル配置および構造により、弓
形マトリツクス転向部分の大部分を覆うことがで
きるので、熱ガスは最初に大体において真直なマ
トリツクス部分の周りを流れる。その際、シエル
中へ流出する残留熱ガス分を、少なくともマトリ
ツクスの外側周縁部の弓形部分で、直交・向流熱
交換プロセスに参加しやすくすることができるの
で、公知のものに比べて高い熱交換度が得られ
る。

本発明の対象の有利な実施例は、特許請求の範
囲第２項から第１４項までの特徴から明らかであ
る。

次に、本発明を図面につき詳述する。

実施例下記において、本発明の対象を第１図〜第５図
の範囲内で機能的かつ要約して説明する。

そのマトリツクス１４の真直な管束１が分配管
２から出発し、湾曲部分３およびもう１つの真直
な管束１を経て集合管４に延びている直交・向流
式熱交換器は公知である（第１図）。熱交換器は、
真直な管速１の範囲で、熱ガス流Ｇが管軸に対し
て直角にあたる（直交流）。この帯域においては、
熱ガスの流動損失は非常に大きい。これとは異な
り、湾曲部分３においては、熱ガス流は少なくと
も部分的に管の方向に進行しうる。この場合、熱
ガス流Ｇの僅かな圧力損失が生じる。

真直な管束１の周囲を熱ガス流が最適に流れる
ことができるようにするため、シエル５が湾曲部
分３を面積Ａの約30％〜70％だけ覆つているの
で、熱ガスは、はじめに管束１の真直な部分の周
囲を流れるように強制される。シエル５は、パツ
キン６を介して熱交換器ケーシングの縁取り案内
壁７と結合されている。

熱ガス流の一部Ｈは、湾曲帯域３、殊に管湾曲
部と被覆シエル５との間の間隙８を通る抵抗の最
も小さいコースを取る。この間隙８はパツキン９
で、湾曲部分３におけるマトリツクス１４の管と
シエル５との間の種々の相対的回転が妨げられな
いように密封しなければならない。このため、と
くに有利にブラシパツキンを設けることができ
る。

本発明にはなかんずく、たとえば耐高熱性金属
線からなるブラシパツキンが管軸３′に対してほ
ぼ接線方向にまたはある角度で隣接管３０を取り
囲み（第２図および第３図）、こうして片側ホル
ダー１１において剛毛１０の突張り作用によつて
支持されて、湾曲小管３０とシエル５との間およ
び小管と小管との間（第３図）の空隙８を完全に
充填するという思想が基礎となつている。

この構造の利点は、振動による小管マトリツク
スの相対的膨脹および離反を補整しうるようにす
るため、剛毛１０は固定のホルダー１１と小管３
０の接線方向の接触帯域１３との間に十分に可撓
性の長さを有することである。この構造は、熱ガ
ス流の最小の自由通過面積を約束する。

しかし、ブラシパツキン９′を剛毛１０′ととも
に管軸に対して直角に配置する（第４図および第
５図）ことも考えられる。第２図ないし第５図に
よるこのようなブラシパツキンを多重に配置する
場合、密封効果は増強され、熱ガス周縁流Ｈ（第
１図）は相変らず、湾曲帯域中の外側小管列の周
囲を矢印方向１４′に向つて流れるように強制さ
れる。これは、密封効果のほかに熱交換度をも増
加する。

第１図〜第１０図による実施例の範囲内で本発
明を次のように詳述する。

本発明は、熱ガスＨ（第１図および第６図）が
その周囲を流動可能であり、さらに入口側および
出口側で互いに分離された圧縮空気案内２，４と
連通している管束様直交・向流マトリツクス１４
を有し、その際マトリツクス１４は大体において
Ｕ字形のマトリツクス管湾曲体、たとえば３０か
らなり、その外側の転向部分が熱ガス案内ケーシ
ングの縁取り案内壁７により取囲まれている異形
管熱交換器における使用にとくに適当である。

この熱交換器では、矢印Ｄにより予熱ないしは
加熱すべき圧縮空気が上部圧縮空気案内２に供給
され、次いで記載された矢印順序でマトリツクス
１４を貫流し、これにより圧縮空気は熱ガスＨが
マトリツクスの周囲を流れる結果として加熱さ
れ、次いで矢印D′により下部圧縮空気加熱装置
４を経て適当な消費個所、とえばガスタービン駆
動装置の燃焼室に供給することができる。この場
合、熱ガス流Ｇは該ガスタービン駆動装置の廃ガ
ス流であつてもよい。従つて、この熱交換プロセ
スにより、駆動装置の廃ガス中に含まれている熱
の一部を回収することができる、つまり駆動装置
の作業プロセスに利用できるようにすることがで
きる。

本発明によれば、マトリツクス１４と縁取り案
内壁７との間に、外側のＵ字形マトリツクス転向
部分３を少なくとも部分的に熱ガス主流Ｇに対し
て覆うシエル５が設けられているべきであり；さ
らにシエル５は少なくとも１つのフレキシブルな
熱ガス遮断パツキン、たとえば６（第１図）を介
してケーシングの縁取り案内壁７と結合されてい
るべきである。本発明の基本思想の範囲内で、シ
エル５と直接隣接するマトリツクス管湾曲部３０
との間に存在する間隙８も、少なくとも１つのブ
ラシパツキン９によつて閉塞されているべきであ
る。

とくに第２図および第４図から認められるよう
に、ブラシパツキン９ないし９′は一方の側でシ
エル５に固定され、他方の側でルーズにかつ運動
補償的に、マトリツクス１４の外側の周縁部の全
小管３０を支持しているべきである。

この場合、殊に第３図および第５図から明らか
なように、ブラシパツキン９ないし９′の該自由
端（剛毛１０，１０′）は、マトリツクス１４の
外側の周縁部の管、湾曲部ないしは小管３０の、
シエル５に隣接する異形断面端部の間に係合すべ
きである。

第２図によれば、該ブラシパツキン９はマトリ
ツクス１４の周縁部の管湾曲部ないしは小管３０
のそれぞれの異形管軸３′に対して斜めにまたは
（第４図）直角に取付けられていてもよい。

第２図および第４図の実施例によれば、該ブラ
シパツキン９または９′の一方の側、つまりシエ
ル側が、シエル５の局所的凹み１５，１６内に強
固に固着されていてもよい。

熱交換度の増加に関して、このようなブラシパ
ツキン、たとえば９（第１図および第６図）の連
続する幾つかの列が設けられていて、これらパツ
キンがシエル５とマトリツクス１４の周縁部の管
湾曲部ないしは小管３０との間の間隙８を、マト
リツクス１４の周縁部の管湾曲部ないしは小管３
０に対して開いている個々の仕切り部１７，１
８，１９に分割し、これにより熱ガス周縁流Ｈに
波形またはジグザグ形の流動方向１４′が与えら
れるようにするのがとくに有利である。

本発明の実施例において、第１図に詳述した、
シエル５とケーシングの縁取り案内壁７との間の
少なくとも１つの熱ガス遮断パツキン６は、運動
補償性差圧パツキンとして構成されていてもよい
（第７図および第８図）。この場合、この熱ガス遮
断パツキン６では、壁７に固定された薄い金属板
細長片２０または箔の１つが設けられていて、こ
の金属板ないしは箔が軸方向および半径方向の遊
びを有して、シエル５と結合されたフオーク状の
接合部２１中へ係合し、ここで支配する差圧によ
り、この場合たとえば双方の内側の接合部の上方
側面に密着していてもよい。

この熱ガス遮断パツキン６の有効性には、パツ
キンの一方の側に支配する熱ガス圧P₂（第８図）
と、パツキンの他方の側で、シエル５と縁取り案
内壁７の間の間隙２３内の圧力P₁との間の差圧
ΔP、従つてP₂＞P₁を利用することができる。

本発明により、第１図につき既に簡単に触れ
た、シエル５とケーシングの縁取り案内壁７との
間の熱ガス遮断パツキン６は、運動補償性ブラシ
パツキンとして構成されていてもよい（第９図お
よび第１０図参照）。このブラシパツキンの剛毛
２４または糸は一方の側で、たとえば縁取り案内
壁７と結合せる支持部材２５に保持されかつくわ
えられていて、他方の側でそのくわえられていな
い自由端が、たとえばシエル５と結合せる、フオ
ーク状の対応片２７の接合部２６中へ突入する。
従つて、これは３つの運動方向ｘ，ｙ，ｚすべて
に有効なパツキンである。

第１０図につき説明するように、第９図に記載
したブラシ遮断パツキン６では、接合部２６は必
要な差動運動を許容する深さＴ、ならびに突張り
ブラシ２４の幅B₂よりも小さい寸法の幅B₁を有
するべきである。

全部のブラシパツキン９，９′（第１図〜第５
図）ないしは６，２４（第９図および第１０図）
は、耐高熱性の金属繊維またはガラス繊維から製
造されていてもよい。

とくに第１図および第６図から認められるシエ
ル５は、マトリツクス１４を側方で取り囲む、１
つまたは２つの互いに分離された該圧縮空気用集
合管２，４と結合されている壁内張りであつても
よい。

第１図に比して大体において同じ機能および構
成部材に対して同じ参照符号を使用して、第６図
は、シエル５と、ケーシングの縁取り案内壁７間
の間隙を熱ガス流Ｇに対して上流および下流で閉
塞し、同時に第１図に既述した側方のマトリツク
ス周縁流Ｈを強制するため、第９図および第１０
図に記載したブラシパツキンとしての熱ガス遮断
パツキン６の使用を、その他のブラシパツキン、
たとえば第２図および第３図による９と組合せて
説明する。

第１図とは異なり、第６図による実施例では、
縁取り案内壁７は所属するケーシング部分を含め
て、内側が熱絶縁体２８で内張りされており、こ
の場合ブラシ２４の該支持部材２５は絶縁体２８
とは別個の金属フエルト絶縁体２９にロウ接され
ている。絶縁体２９のそれぞれの内面には同様に
板３０がロウ接されており、この板自体はケーシ
ングと強固に結合している。

こうして、ケーシングに対する支持部材２５の
熱および機械的に申分のない固定が得られる。

さらに第６図は、第１図とは異なり、該マトリ
ツクス１４をそれぞれ両側で集合管２，４から突
出させることも可能であるので、記載された本発
明の対象はもちろん該右方のマトリツクス側につ
いても同様に重要である。

さらに、第９図および第１０図によりブラシパ
ツキンとして構成されている双方の熱ガス遮断パ
ツキン６（第６図）は、第７図および第８図によ
るそれぞれの差圧パツキンコンセプトによつて代
えることもできる。

【図面の簡単な説明】

添付図面は本発明の実施例を示すもので、第１
図はケーシングおよびシエル部分の縦断面図を配
した、異形熱交換器の略示正面図であり、第２図
はシエルと隣接するマトリツクスの管湾曲区域と
の間のブラシパツキンを配した、シエル部分の縦
断面図であり、第３図は第２図のＢ−Ｂ断面図で
あり、第４図は第２図とは異なり、大体において
周縁部の管湾曲区域の異形管軸に対して直角に設
置されたブラシパツキンを配した、シエル部分の
縦断面図であり、第５図は第４図のＣ−Ｃ断面図
であり、第６図はケーシングおよびシエル部分の
縦断面図を配した、異形管熱交換器の略示正面図
であり（ここにはケーシングとシエルの間の運動
補償遮断パツキンの詳細が第１図よりも良好に説
明されている）、第７図は差圧パツキンとして構
成された、直線壁のケーシング区域と同様に直線
壁のシエル区域との間の熱ガス遮断パツキンの斜
視図であり、第８図は第７図からの差圧パツキン
の機能的詳細を示す略図であり、第９図はブラシ
パツキンとして構成された、直線壁のケーシング
区域と同様に直線壁のシエル区域との間の熱ガス
遮断パツキンの斜視図であり、第１０図は第９図
からのブラシパツキンの機能的詳細を示す略図で
ある。１……管束、２……分配管、３……湾曲部、４
……集合管、５……シエル、６……パツキン、７
……縁取り案内壁、８……間隙、９……パツキ
ン、１０……剛毛、１１……ホルダー、１３……
接触帯域、１４……マトリツクス、１４′……波
状流動方向、１５，１６……くぼみ部、１７，１
８，１９……仕切り部、２０……金属板細長片、
２１……接合部、２２……パツキン収容支持体、
２３……間隙、２４……剛毛、２５……支持部
材、２６……接合部、２７……対応片、２８……
絶縁材、２９……金属・フエルト体、２９……絶
縁体、３０……管湾曲部、Ｇ……熱ガス主流、Ｈ
……熱ガス周縁流。

Claims

【特許請求の範囲】１熱ガスが周囲を流れ、さらに入口側および出
口側で、互いに分離された圧縮空気案内と連通し
ている管束状の直交・向流マトリツクスを有し、
その際マトリツクスは大体においてＵ字形のマト
リツクス管湾曲体からなり、その外側の転向部分
は熱ガス案内用ケーシングの縁取り案内壁によつ
て取り囲まれている熱交換器において、 (a) マトリツクス１４と縁取り案内壁７との間
に、外側のＵ字形マトリツクス転向部分を少な
くとも部分的に熱ガス主流Ｇに対して覆うシエ
ル５が設けられており； (b) シエル５は少なくとも１つのフレキシブルな
熱ガス遮断パツキン６を介してケーシングの縁
取り案内壁７と結合されていて； (c)シエル５と直接隣接するマトリツクス管湾曲部
３０との間に存在する空所Ｓが少なくとも１つ
のブラシパツキン９によつて閉塞されているこ
とを特徴とする、熱交換器。２ブラシパツキン９が一方の側でシエル５に固
定され、他方の側でルーズかつ運動補償的に、マ
トリツクス１４の外側周縁部の全管湾曲部３０に
接している。特許請求の範囲第１項記載の装置。３ブラシパツキン９の自由端−剛毛ないしは糸
１０−が、マトリツクス１４の外側周縁部の管湾
曲部の、シエル５に隣接する異形端部に係合す
る、特許請求の範囲第１項または第２項記載の装
置。４マトリツクス１４の周縁部の管湾曲部のそれ
ぞれの異形管軸に対してブラシパツキン９は斜め
にまたは９′は直角に取付けられている、特許請
求の範囲第１項から第３項までのいずれか１項記
載の装置。５ブラシパツキン９，９′が一方の側でシエル
側のくぼみ１５，１６内に固着されている、特許
請求の範囲第１項から第４項までのいずれか１項
記載の装置。６このようなブラシパツキン９の連続する幾つ
かの列が設けられていて、これらパツキンがシエ
ル５とマトリツクスの周縁部の管湾曲部３０との
間の間隙８を、マトリツクス１４の周縁部の管湾
曲部に対して開いている個々の仕切り部１７，１
８，１９に分割する、特許請求の範囲第１項から
第５項までのいずれか１項記載の装置。７少なくとも１つの熱ガス遮断パツキン６が、
シエル５とケーシングの縁取り案内壁７との間に
運動補償性差圧パツキンとして構成されている、
特許請求の範囲第１項から第６項までのいずれか
１項記載の装置。８熱ガス遮断パツキン６がシエル５に固定され
た薄い金属板細長片２０または箔からなり、これ
らは軸方向および半径方向に遊びを有して、シエ
ル５と結合している接合部２１中へ係合し、そこ
の差圧により内側の双方の接合部側面に密着す
る、特許請求の範囲第７項記載の装置。９パツキン６の一方の側に支配する熱ガス圧
P₂とパツキンの他方の側でシエル５と縁取り案
内壁７の間に形成する圧力P₁との間に差圧ΔP、
つまりP₂＞P₁が形成されている、特許請求の範
囲第７項または第８項記載の装置。１０シエル５とケーシングの縁取り案内壁７と
の間の熱ガス遮断パツキン６が運動補償性ブラシ
パツキンとして構成されている、特許請求の範囲
第１項から第６項までのいずれか１項記載の装
置。１１ブラシパツキンの剛毛または糸２４が一方
の側で、たとえば縁取り案内壁７と結合した支持
部材２５に保持され、嵌合されており、他方の側
でその嵌合されてない自由端で、たとえばシエル
５と結合せる対応片２０の接合部２６中へ突出し
ている、特許請求の範囲第１０項記載の装置。１２接合部２６が差動を許容する深さＴならび
に突張りブラシ２４の幅B₂よりも小さい幅B₁を
有する、特許請求の範囲第１１項記載の装置。１３全ブラシパツキン９，２４が耐高熱性の金
属糸またはガラス繊維から製造されている、特許
請求の範囲第１項から第１２項までのいずれか１
項記載の装置。１４シエル５がマトリツクス１４を側方で取り
囲み、該圧縮空気往復案内用の互いに分離された
２つの集合管２，４と結合している壁内張りの成
分である、特許請求の範囲第１項から第１３項ま
でのいずれか１項記載の装置。