JPH05506916A - 環状熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は一般的には熱交換器に関し、特に、環状の熱交換器の構造に関する。

背景技術 多くのガスタービンエンジンには、排気ガスからの熱の抽出及び取入れ空気の予 熱によりエンジンの作動効率を上げるために、回収熱交換器即ちレキュペレータ が使用されている。代表的には、ガスタービンエンジン用レキュペレータは、始 動と停止のサイクルの反復を含む作動状況の下で、摂氏約５００度乃至７００度 の温度と約４５０ｋＰａ乃至１４００ｋＰａの内部圧力で作動することができな ければならない。

かかる環状レキュペレータは、ある角度に折り曲げられた或いは波形のスペーサ をその間に固着した複数の比較的薄い平らなシートから通常構成されるコアを備 えている。前記シートはセル内に接合されて両縁部が封止され、シートの間に通 路を形成する。これらのセルは重ねられ或いは巻装されて、交互の空気セルと高 温排気セルを形成する。エンジンの圧縮機から圧縮され排出された空気は前記空 気セルを通過する一方、高温排気ガスが他方のセルを通して流れる。排気ガスは ノート及びスペーサを加熱し、圧縮機から排出された空気はシート及びスペーサ からの伝導により加熱される。

かかるレキュペレータの一例は、１９６６年１１月１５日付けでり、Ｒ，ウオツ カに付与された米国特許第３２８５３２６号に開示されている。かかる装置では 、レキュペレータは、軸線から間隔をおいて配置されると共にその間に波形のス ペーサを置いて軸線なまわりに巻装された一対の比較的薄いプレートを有する。

空気の流れは一方の端部から入り反対側の端部から出るが、排気ガスの流れは空 気の流れとは反対方向へ流れそれぞれの反対側の端部から出入りする。

かかるレキュペレータのもう一つの例は、１９６７年７月２８日付けでり、Ｒ、 ウオツカに付与された米国特許第３５０７．１１５号に開示されている。かかる 装置では、レキュペレータは、中空の円筒形内側シェルと、同軸の外側シェルき を有し、シェルは、何枚かの波形のシート上に巻装されて一連の波形の空気コア と燃焼ガスコアとを形成するコンボリユート（回旋）形の分離シートにより分離 されている。より高温のガスやより低温の空気との間での伝達を増加させるため に、波形のシートは分離シートに金属的に接着されており、これにより、効率の 増加を図っている。かかる装置に係る問題点の一つは、十分な効率が得られない こと、及び熱交換器の最終組立ての前に個々の通路の点検や検査ができないこと である。更に、同軸の外側シェルは、一方の側がレキュペレータの温度に晒され 、他方の温度が環境温度に晒されている。かくして、レキュペレータはその始動 、停止により膨張したり収縮したりするので、コンボリユート形の分離シートと 波形のシートと同心の外側シェルとの接合点でコア内に引き起こされる熱応力や 歪みは大きく変動し、構造の耐用年数を減少される。

かかるレキュペレータの別の例は、１９６６年６月１４日付けでボール　Ｅ、ビ ーム、Ｊｒ、他に付与された米国特許Ｉ！３２５５８１８号に開示されている。

かかる装置では、単純なプレート構造が、円筒形の内側ケーシングと、共通の軸 線を有する環状の外側ケーシングとを備えている。半径方向に配置されたプレー トは、より低温の流体とより高温の流体とを交互に流す通路Ａ及びＢを形成する 。熱交換器の軸線に向かって幅が徐々に狭くなっている波形のプレートは通路Ａ に配置され、又軸線に向かって幅が徐々に広くなっている波形のプレートは通路 Ｂに配置される。かかる装置に係る問題点の一つは、十分な効率が得られないこ とである。更に、異状の外側ケーシングは一方の側がレキュペレータの温度に晒 さね、他方の側か逼境温度に晒されている。かくして、レキュペレータが始動、 停止により膨張したり収縮したりするので、半径方向に配置されたプレートと外 側ケーシングとの間の接合点でコアに引き起こされる熱応力や歪みは大いに変動 し、構造の耐用年数を減少させる。

露状レキュペレータ或いは再生用熱交換器のもう一つの例は、１９６９年１１月 ４日付けでＲ，Ｗ、ガーンゼイ他に付与された米国特許第３４７６１７４号に開 示されている。かかる装置では、半径流再生用熱交換器は、多数の重畳した薄い 波形の板金ストリップ或いはシムにより形成された複数の熱伝達セグメントを有 する。熱伝達セグメントは補剛材の開に取り付けられ、ブリクジが複数の切欠き に位置決めされて熱伝達セグメントに固定される。かくして、再生用熱交換器は 、半径流をもたらすが熱交換領域全体を効率よく利用することができない。例え ば、補剛材及びブリッジは、熱伝達の目的のために利用され得る領域に位置決め されている。更に、構造のコスト及び複雑性は、切欠きと調節ビームの複雑な形 状の故に大いに増大する。

熱交換器のｍ造の他の例は、１９７３年９月１８日付けでハＵ−Ｊ、ドーソン他 に付与された米国特許第３７５９３２３号に開示されている。−次表面プレート 型熱交換器の構造が示されており、シートを離間させる複数のエツジバーを有し て次々に積み重ねられた複数の平らなシートが使用されている。多数のシートが 、その間にエツジバーをはさんで対をなして積み重ねらね、所望の寸法の熱交換 器のコアを形成している。

本発明は上述のような問題点の一つ又はそれ以上を克服することを目的とするの 熱供与通路を有するコアを存する。コアは概して環状に形成されており、複数の 積み重ねられた個別のセルを有する。セルは前記通路の一方を構成し、互いに固 定された隣接したセルはその間に前記通路の他方を形成する。セルの各々は一対 の側部及び、一対の側部で中央部分に取り付けられた一対の翼部を有する。セル の各々は複数の角部を有しており、固定手段が前記角部の対応する角部を互いに 固定する。

図面の簡単な説明 図１は、エンジンと併用される本発明の実施例の斜視図、図２は、熱交換器及び エンジンの一部の断面図、図３は、図２の線３−３に沿って切断した複数のセル の拡大断面図、図４は、−次表面プリーツシートの展開図であって、コアの複数 の角部に対応するノート上の複数の角部を示した図、図５は、溶接部の一部を示 したコアの一部の詳細図である。

発明を実施するための最良の形態 図面特に図１、図２及び図６を参照すると、回収熱交換器即ちレキュペレータ１ ０がエンジン１２に取り付けられてている。本実施例に係るエンジン１２は、一 部のみを図示した吸気装Ｍ１４を備えたガスタービンエンジンである。吸気装置 １４は、その一部として、所定の温度範囲を有して矢印１６により示した受容流 体を有する。エンジン１２は、更に、一部のみを図示した排気装Ｗ１８を備えて いる。排気装置１８は、その一部きして、所定の温度範囲を育１−で矢印２０に より示した供与流体を有する。受容流体１６の温度範囲は、供与流体２０の所定 の温度よりも低い。別の方法として、熱交換器ＩＯは、受容流体１６及び供与流 体２０を有すると共に熱伝達が適切になされる装置と併用してもよい。熱交換器 １０は、多くの部品で作られ所定の熱膨張率を有する概して扉状のコア２２を有 する。このコアは端部２４、端部２６、内側部分２７及び外側部分２８を有する 。熱交換器１０は本発明の主旨を変えることなくエンジン１２に固定させること ができる。コア２２は概して軸線２９を取り巻いている。コア２２は図３にて最 も良く示したように内部に第一の通路即ち熱受容通路或いは熱回収通路３２を有 する複数の一次表面セル３０で構成される。各通路３２はその全長を通して所定 の断面積を有する。所定の横断面の面積は所定の厚さを有する。コア２２は更に 、セル３０の各々に配されて受容流体１６が通路３２に入る前にそこを通過する ように、対応する通路３２で流体が通じている受容入口通路３６を有する。コア ２２は又、各セル３０に配されて受容流体１６が通路３２を通過した後にそこを 通過するように、対応する通路３２で流体が通じている受容出口通路３４を有す る。複数の第二の通路即ち熱供与通路３８は図３にて最も良く示したように隣接 した声ル３０の間に形成されるが、後に更に明らかに示される。コア２２は更に 、概して熱受容通路３２の内側に位置し、供与流体２０が通路３８に入る前にそ こを通過するように個々の通路３８と流体連通するようになっている複数の供与 入口通路４０を有する。更に複数の供与出口通路４２が含まれていて、概して熱 受容通路３２の外側に位置し供与流体２０が通路３８を通過した後にそこを通過 するように個々の通路３８と流体連通している。熱受容通路３２は吸気装置１４ に連結さむへ熱供与通路３８は排気装置１８に連結されている。

熱交換器１０は更に、各入口通路３６へ受容流体１６を配分する手段４４を有し 、又各出口通路３４を通過した後の受容流体１６を収集する手段５０をも有する 。熱変換器１０は又、部分的にコア２２を囲うハウジング５６を有する。ハウジ ング５６は概して、円筒形の外装板６０、端板６２及びエンジン１２に取り付け るための取付アダプタ６４を有する。他の方法を述べれば、取付アダプタ６４又 はハウジング５６はエンジン１２の一部品にしてもよい。複数の締付ボルト６６ は端板６２と取付アダプタ６４とを連結してハウジング５６をより剛性にする作 動中、供与流体２０は、入口通路４０、熱供与通路３８及び出口通路４２とを通 過してこれらの通路４０．３８、及び４２内で図５に図解される複数の矢印６８ により示される第−作動圧力或いは力を及ぼす。又受容流体１６は入口通路３６ 、熱受容通路３２及び出口通路３４を通過してこれらの通路３４．３２及び３６ 内で図５に図解される複数の矢印７０により示される第二作動圧力或いは力を及 ぼす。第−及び第二作動圧力６８．７０は異なる圧力値を有しセル３０を分離さ せるようとする力の組み合わせを生じる。熱交換器１０は更に、セル３０を分離 させようとする前記力に抵抗する手段７２及び供与流体２０即ち受容流体１６を 密封する手段７４とを存する。密封手段７４は供与流体２０がコア２２を通過し 、かつコア２２に入る前及びコア２２を通過した後に受容流体１６を密封するこ とを保証する。少なくとも抵抗手段７２の一部は所定の熱膨張率を有し、流体１ ６．２０のうち高温の方のみの温度に応答して熱交換器１０にかかる所定の力を 維持する。

図１及び図２に部分的にのみ示されているガスタービンエンジン１２は在来の設 計を有する。エンジン１２は、新鮮な大気中の空気或いは本実施例に係る受容流 体１６がコア２２に入る前に通過する圧縮器の部分（図にはない）を有する。

更にエンジンに含まれるものは、出力タービン部分（図にはない）及び部分的に のみ示されている高温排気ガスが通過する排気装置１８である。

エンジン１２の、図２に部分的にのみ示されている空気取入れ装置ｆ１４は更に 、受容流体１６が通過する複数の入口８０及び複数の出口８２をその内部に有す る。

図３及び図５に最も良く示したようにコア２２は積み重ねられ、互いに固定され た複数の一次表面セル３０を有する。セル３０は複数の個別の一次表面ぶり一ッ シート１００と、シート１００の間に所定の間隔をあけるための間隔手段１０２ とを有する。シー）１００及び間隔手段１０２は固定装置に位置決めされ、その 固定装置が閉められるとシート１００及び間隔手段１０２はそれらが適切なイン ボリュート状になるように由げられる。他の例として、シート１００及び間隔手 段１０２は固定装置に配置する前に適切なインボリュート状に成形してもよい。

各シート１００は３つの主要な領域からなる。例えば波形成いは一次表面中央部 分１０４は図４に示されるように一対の側部１０５を有する。中央部分１０４は 概して台形を有する。各シートは更に、各々が概して台形ををする翼部１０６及 び翼部１０８を有する。即ち複数のスペーサバー１３８が間隔手段１０２に含ま れていて、所定の厚さを有する。この特別な使用法に係るスペーサバー１３８は 、コア２２の内側部分２７にのみ配置される。個々のシート１００及び間隔手段 １０２はそれらが適切なインボリュート状となるよう固定される。

図４に最も良く示したようにセル３０はそれぞれ、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、及びｆ により示される複数の角部を有する。各セル３０の対応する角Ｈａ、ｂ、ｃ。

ｄ、ｅ、及びｆは整列され他の一つのセル３０に接するように積み重ねらｔｈ対 応する翼部１０６及び１０８に隣接して配置される。図５に最も良く示したよう に積み重ねられ環状になった配列の側部の一部に沿って積み重ねられたセル３０ を固定する手段１２０がセル３０を保ち、コア２２を形成する。セル３０はそれ ぞれ複数の角部を有し、コア２２はセル３０が互いに溶接された後に対応する角 部を有する。図３及び図５に最も良く示したように、次々のセル３０の外周の一 部は互いの接合されて入口通路４０、熱供与通路３８及び出口通路４２を形成す る。

特に本実施例においては、セル３０及びその間の通路４０．３８．４２を分離さ せようとする力に抵抗する手段７２は、本実施例では複数の円周方向溶接部１４ ０である固定手段１２０を有する。複数の溶接部４４０は角部ａ、ｂ、ｃ、ｄ、 ｅ及びｆのそれぞれを溶接するために使用される。コア２２の内側部分２７は所 定の周長ををし、コア２２の外側部分２８も又所定の周長を有する。内側部分２ ７の周長は、複数の直線距離Ｄ１からなる。距離ＤＩはそれぞわ、コア２２の内 側部分２７で各シート１００のそれぞれの側部から測定される。セル３０のイン ボリュート状により、距、ｆｉＤｌより大きい距離Ｄ２はコア２２の外側部分２ ８にで各シート１００の端部のそれぞれの側から測定される。これらの距離Ｄ１ の組合せ或いは付加によりコア２２の内側部分２７の所定の周長となり、又これ らの距離Ｄ２の組合せ或いは付加によりコア２２の外側部分２８の所定の周長と なる。

図１及び図２に最も良く示したように、セル３０及びその間の通路４０．３８． ４２を分離させようとする力に抵抗する手段７２のさらに別の部分がコア２２の 外側部分２８のまわりに位置決めされた複数の均等に間隔をへだでて配置された 個別のテンションリング１８０及びコア２２の内側部分２７に整列されたスペー サバー１３８を円周方向に連結する複数の溶接部１８２を有する。複数のテンシ ョンリング１８０はコア２２の膨張率と緊密に調和した膨張、収縮率を有する。

複数の円周方向溶接部１８２及びスペーサバー１３８は、複数の圧縮フープ１８ ４を形成する。リング１８４はコア２２に沿って均等に間隔をへだでて配置され ており、セル３０が互いに力伝達関係にあることができるようにしている。

図２に最も良く示したように、密封手段７４はコア２２に入る前の冷却受容流体 】６及びコア２２から出た後の加熱された受容流体１６との間に位置するマニホ ルド１８８を有する。即ち受容流体１６を囲む装置１９０も含まれており、／％ ウジング５６の端板６４と接触しているコア２２の一方の端部を支えるための土 台となる手段１９６としての役割を果たす内側部分１９２及び外側部分１９４と を有する。マニホルド１８８は、コア２２に固着された一方の端部１９８及び取 付アダプタ６４で密封接触する着脱自在のもう一方の端部を有する。　図２に最 も良く示したように密封手段７４は、供与流体２０がコア２２を通過できるよう に排気装置１８を密封するようになっている部分を有する。

産業上の利用可能性 従来のガスタービンエンジン１２の圧縮機部は、大気中の空気或いはこの時点で 熱交換器１０の熱受容通路３２を通される受容流体１６を圧縮する。排気ガス或 いはエンジン１２内の燃焼からくる供与流体２０は、熱交換器１０の熱供与通路 ３８を通過し熱交換器１０内の受容流体１６を加熱し温度を上げる。そして受容 流体は燃料と混合さね、燃焼されて供与流体として排呂される。このようにエン ジン１２の作動中には、絶え間ないサイクルが起こる。

特にエンジン１２が自動車、船舶に使用される場合のように、振動の多い条件の もとに装着される場合、エンジン１２の循環作動は排気ガスの温度を上下させる 。更に取入れ空気及び排気ガスの量と圧力がその循環作動により異なる。従って 、熱交換器の構成部品でなる全体的構造に圧力による限界がもたらされる。複数 の角部ａ、ｂ、ｃ、ｄ、、ｅ及びｆの各々に位置する円周方向溶接部１４０は、 個々のセル３０の角部及びコア２２を互いに接合すると同時に温度及び体積の増 加による膨張からくる張力即ち荷重に抵抗する。理論上の分析では、複数の円周 方向溶接部１４０を使用しなければ、コア２２の全体的構造は温度及び荷重の変 化に抵抗することが不可能であることが示されてきた。複数のテンションリング １８０はコア２２と略同じ率で膨張、収縮する。かくして、エンジン１２の循環 作動の間、複数のテンションリング１８０は両端部２４．２６の間の外側部分２ ８でコア２２全体を支えている。コア２２の内側部分２７に位置する圧縮フープ １８４は、内側部分で働く力に抵抗する。

上述の観点から見ると、本発明の構造が、改善された環状熱交換器の構造を提供 していることが容易にわかる。複数の角部の各々に配設された複数の個々の溶接 部１４０は、コア２２を分離させようとする力に抵抗する全体的構造を提供する 。溶接作業は簡単で費用も安い。従って、複数の個々の円周上の溶接部１４０は 、耐用年数を増し、又環状熱交換器１０の生産コストを減少させる方法を提供す る。

本発明のその他の特徴、目的及び利点は、図面、説明及び添付の請求の範囲の検 討により知ることができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．複数の熱受容通路（３２）と複数の熱供与通路（３８）とを内部に有するコ ア（２２）を備えた熱交換器（１０）であって、前記コア（２２）が概して環状 に形成されており、通路（３２、３８）の一方を各々内部に構成する複数の積み 重ねられた個別のセル（３０）を含み、前記セル（３０）は互いに固定されてお り、隣接したセル（３０）がその間に通路（３２、３８）の他方を形成し、 前記セル（３０）の各々は、一対の側部（１０５）を有する中央部分（１０４） と、一対の側部（１０５）で中央部分に取り付けられた一対の翼部（１０６、１ ０８）とを含み、 前記セル（３０）の各々は、複数の角部（ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ）と、前記角 部（ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ）の少なくとも対応する角部を互いに固定する固定 手段（１２０）とを備えたことを特徴とする熱交換器（１０）。 ２．前記コア（２２）が、更に内側部分（２７）と外側部分（２８）とを有し、 前記固定手段（１２０）が、コア（２２）の内側部分（２７）に沿って対応する 角部（ｃ，ｄ）に、一つの円周方向溶接部（１４０）を有することを特徴とする 請求の範囲第１項記載の熱交換器（１０）。　　　３３．前記固定手段（１２０ ）が、コア（２２）の外側部分（２８）に沿って対応する角部に一つの円周方向 溶接部（１４０）を有することを特徴とする請求の範囲第２項記載の熱交換器（ １０）。 ４．前記コア（２２）が、一対の端部（２４、２６）を有し、前記固定手段（１ ２０）がコア（２２）の内側及び外側部分（２７、２８）の間に一対の円周方向 溶接部（１４０）を有することを特徴とする請求の範囲第２項記載の熱交換器（ １０）。 ５．前記固定手段（１２０）が、コア（２２）の内側部分（２７）で、対応する 角部（ａ，ｂ）に位置する少なくとも一つの円周方向溶接部（１４０）を有する ことを特徴とする請求の範囲第１項記載の熱交換器（１０）。 ６．前記固定手段（１２０）が、前記角部（ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ）の各々に おいてそのまわりに円周方向溶接部（１４０）を有することを特徴とする請求の 範囲第１項記載の熱交換器（１０）。