JPS61243282A

JPS61243282A - 熱交換器

Info

Publication number: JPS61243282A
Application number: JP61088363A
Authority: JP
Inventors: ベルンハルト・ヴエールル; アルフレート・ヤプス
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: 1986-10-29
Also published as: DE3660015D1; JPH037872B2; EP0199320A1; DE3514377C2; EP0199320B1; DE3514377A1; US4679619A

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】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、互い罠分離された圧縮空気案内と連通して
いる、管束状の直交・向流マトリックスを有し、その際
マトリックスは大体においてＵ字形のマトリックス盲湾
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っ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、専ら管湾曲部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、熱交換管マトリックスを取り囲む他のケーシング
構成要素の成分であり、その温度および膨張経過が熱交
換管マトリックスとは異なるので、このような装置は、
マトリックスの周縁部の管湾曲部の自由可動性の原理全
損なわないためには、金属板翼とマトリックスの管湾曲
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
形管マトリックスの下流への自然の熱ガス流出域中へ６
噴出”し、これによってこの流出域中に混合乱流および
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って熱交換器の比較的強い減少
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
形のマトリッ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ックス区域内で、真直なマトリ
ッ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；従って外側から内側へ見て、弓形
のマトリックス転向部分ないしは利用されるマトリック
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
、マトリッ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って、この場
合直接に、縁取り案内壁とマトリックス管湾曲体との間
の間隙を連絡する押圧部材によってマトリックス管湾曲
体に支えられている。これによって、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”なマトリッ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ッ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張が、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ックス管湾曲部
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、偶々の異形・
ｇ相互間ならびに異形管とマトリッ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
、同時に弓形マトリッ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
類の熱交換器を提供することである。

問題点を解決するための手段設定された課題は、本発明洗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）マトリックスと縁取
り案内壁の間に、外側のＵ字形マトリックス転向部分を
少なくとも部分的に熱ガス主流に対して覆うシェルが設
けられており；ｂ）シェルは少なくとも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鰍取り案内壁と結合さ
れていて；Ｃ）シェルと直接隣接するマトリックス管湾曲部との間
に存在する空隙が少なくとも１つのブラシパツキンによ
って閉塞されていること（よって解決される。

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ッ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ッ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。

本発明によるシェル配置および構造により、弓形マトリ
ックス転回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ックス部分の周り
を流れる。その際、シェル中へ流出する残留熱ガス分を
、少なくともマトリッ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１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。

そのマトリックス１４の真直な管束１が分配管２かも出
発し、湾曲部分３およびも５１つの真直な管束１を経て
集合゛ｇ４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、真直な管束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、シェル５が湾曲部分３を面積Ａの
約６０ｑ６〜７０％だけ覆っているので、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。シェル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
シェル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［８はパツキン９で、湾曲部分３におけ
るマトリックス１４の管とシェル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′に対してほぼ接一方向にま
たはある角度で隣接管３０を取り囲み（第２図および第
６図）、こうして片側ホルダー１１において剛毛１０の
突張り作用によって支持されて、湾曲小雪３０とシェル
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っている。

この構造の利点は、振動による小管マトリックスの相対
的膨張および離反を補整しうるようにするため、剛毛１
０は固定のホルダー１１と小管３０の接謙方向の接触帯
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′によって流れるよう
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不発明を次の
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碌直
交・向流マトリックス１４を有し、その際マトリックス
１４は大体においてＵ字形のマトリックス管湾曲体、た
とえば３０からなり、その外側の転向部分が熱ガス案内
用ケーシングの縁Ｊ＄９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ぐに適当である。

この熱交換器では、矢印り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ックス１４ｆ、貫流し、これ
により圧縮空気は熱ガスＨがマトリックスの周囲を流れ
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、たとえばガスタ
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
であってもよい。従って、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、マトリックス１４と縁取り案内壁７と
の間に、外側のＵ字形マトリックス転向部分３を少なく
とも部分的に熱ガス主流Ｇに対して覆うシェル５が設け
られているべきであり；さらにシェル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
ェル５と直接隣接するマトリックス管湾曲部３０との間
に存在する空隙８モ、少なくとも１つのブラシパツキン
９によって閉塞されているべきである。

とく忙第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′は一方の側でシェル５に固定さ
れ、他方の側でルーズにかつ運動補償的に、マトリック
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６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、マトリックス１４の外側の周縁部の管、湾
曲部ないしは小管３０の、シェル５に隣接する異形断面
等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はマトリックス１
４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図の実施例にはれば、該ブラシパツキ
ン９または９′は一方の側、つまりシェル側が、シェル
５０局所的凹み１５．１６内に強固に固着されていても
よい。

熱交換器の増加に関して、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ェル５とマト
リックス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、マトリックス１４０周縁部の管湾曲部な
いしは小管３０に対して開いている個々の仕切り部１７
．１８，１９に分割し、これにより熱ガス周縁流Ｈに波
形またはジグデジ形の流動方向１４′が与えられるよう
処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図に既述した、シェル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、シェル５と結合されたフォーク状の接合
部２１中へ保合し、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（ｇ８図）と、パツキン
の他方の側で、シェル５と縁取り、案内壁７の間の間隙
２３内の圧力Ｐユとの間の差圧ΔＰ１従ってＰ２＞ＰＬ
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、シェル
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ない自
由端が、たとえばシェル５と結合せる、フォーク状の対
応片２７の接合部２６中へ突入する。従って、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Ｔ１ならびに突張りブラシ２４の幅Ｂ２よ
りも小さい寸法の幅Ｂｌ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ェル５は、
マトリックス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ってもよい。

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、シェル５と
ケーシングの縁取り案内壁７間の間隙を熱ガスＲ，０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
た側方のマトリックス周縁ｆｉＨ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６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で内張すされており、この場合ブラシ２４の該
支持部材２５は絶縁体２８とは別個の金属フェルト絶縁
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、該マトリックス１
４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
右方のマトリッ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図による上孔それの差圧パッ
キンコンセプトによっ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
シングおよびシェ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図はシェルと隣接するマ
トリックスの管湾曲区域との間のブラシパツキンを配し
た、シェ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、シェル部分の縦断面
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ェ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
グとシェ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殊に直
＃！壁のシェ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
シェ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・・・シェル、６・・・パツキン、７・
・・縁取り案内壁、８・・・間隙、９・・・パツキン、
１０・・・剛毛、１１・・；；、；／　１３・・・接触
帯域、１４・・・マトリックス、１４′・・・波状流動
方向、１５．１６・・・くぼみ部、１７．ＩＬ　１９・
・・仕切り部、２０・・・金属根細長片、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・フェルト体、２９・・・絶縁体、３０・・・管
湾助部、Ｇ・・・熱ガス主流、Ｈ・・・熱ガス周縁流竿１図第５図

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・向流マトリックスを有し、その際マトリックス
は大体においてＵ字形のマトリッ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）マトリックス（１４）と縁取り案内壁（７）との間
に、外側のＵ字形マトリックス転向部分を少なくとも部
分的に熱ガス主流（Ｇ）に対して覆うシェル（５）が設
けられており；ｂ）シェル（５）は少なくとも１つのフレキシブルな熱
ガス遮断パッキン（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）シェル（５）と直接隣接するマトリックス管湾曲部
（３０）との間に存在する空所（Ｓ）が少なくとも１つ
のブラシパッキン（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、ブラシパッキン（９）が一方の側でシェル（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
ックス（１４）の外側周縁部の金管湾曲部（３０）に接
している、特許請求の範囲第１項記載の装置。３、ブラシパッキン（９）の自由端−剛毛ないしは糸（
１０）−が、マトリックス（１４）の外側周縁部の管湾
曲部の、シェル（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、マトリックス（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ッキン（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、ブラシパッキン（９、９′）が一方の側でシェル側
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ッキン（９）の連続する幾つか
の列が設けられていて、これらパッキンがシェル（５）
とマトリックスの周縁部の管湾曲部（３０）との間の間
隙（８）を、マトリックス（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、１８、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つの熱ガス遮断パッキン（６）が、シ
ェル（５）とケーシングの縁取り案内壁（７）との間に
運動補償性差圧パッ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、熱ガス遮断パッキン（６）がシェル（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、シェル（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、パッキン（６）の一方の側に支配する熱ガス圧（Ｐ
＿２）とパッキンの他方の側でシェル（５）と縁取り案
内壁（７）の間に形成する圧力（Ｐ＿１）との間に差圧（ΔＰ）、つまりＰ＿２＞Ｐ＿
１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、シェル（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ッキン（６）が運動補償性ブラシ
パッ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、ブラシパッ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、たとえばシェル（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（Ｂ＿２）よりも小さい
幅（Ｂ＿１）を有する、特許請求の範囲第１１項記載の
装置。１３、全ブラシパッキン（９、２４）が耐高熱性の金属
系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、シェル（５）がマトリックス（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。