JPS6161035B2 - - Google Patents

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JPS6161035B2
JPS6161035B2 JP54137857A JP13785779A JPS6161035B2 JP S6161035 B2 JPS6161035 B2 JP S6161035B2 JP 54137857 A JP54137857 A JP 54137857A JP 13785779 A JP13785779 A JP 13785779A JP S6161035 B2 JPS6161035 B2 JP S6161035B2
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duct
plate
flow path
flange
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Jii Buritsujineru Deibitsudo
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Garrett Corp
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Publication of JPS6161035B2 publication Critical patent/JPS6161035B2/ja
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/0031—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28F2265/00—Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction
    • F28F2265/26—Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction for allowing differential expansion between elements
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S165/00—Heat exchange
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    • Y10S165/071—Resilient fluid seal for plate-type heat exchanger

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、熱交換器に関する。
本発明による熱交換器は好ましくは大型の再生
ガスタービン機構に使用されその効率および性能
を向上させかつ運転費を低廉可能になし得る。こ
のような熱交換器はガスパイプを介しコンプレツ
サ駆動機構を具備した再生ガスタービン機構と連
係されている。
過去約20年来数百もの熱交換器が再生ガスター
ビン機構用として提案されている。タービンに使
用される熱交換器の大半は使用される材料上1000
〓以下で作動されている。この場合の熱交換器は
フイン並びにプレートを有し連続動作可能に設け
られている。一方、近年の燃料費の上昇により熱
交換器には高熱効率であることが要求され、かつ
高温でも高効率で作動すると共に数千回もの起
動・停止に耐え更には維持費が低廉であることが
望まれていた。この点を考慮し、熱伝導の遅延な
く繁多の起動・停止に耐え繰り返し1100乃至1200
〓（約594℃乃至650℃）までの温度に耐えうるス
テンレス鋼製のプレート並びにフインを有した熱
交換器も提案されている。
従来フインを具備した熱交換器においては、内
部の加圧面に、100萬ポンド（約453t）以上の大
きく不均等な力がかかつていた。このような不均
等な力に対応するためフレームにより熱交換器を
補強して烈断を防止している。しかしながら外フ
レームで熱交換器を補強する場合熱交換器の各部
に均一に応力がかかる反面熱膨脹および熱収縮に
より全体の寸法が大巾に変化することになり特に
配設空間が制限されるから、熱膨脹に充分対応さ
せねばならず、また反復して起動・停止されるコ
ンプレツサ駆動機構に連係して数千回もの加熱・
冷却に対応させねばならないので問題となつてい
た。
1000〓（約538℃）以上の極めて高温となる部
分が熱交換器の中心部に位置するよう形成し、そ
の中心部と熱交換器のケーシングおよび支承体と
を熱的絶縁して、高価な材料を使用せずに熱交換
器を構成せしめ、従来の熱交換器の製造費用程度
に抑え得る各種のものが提案されている。
上述した形の熱交換器は1977年４月11日付の
「デイ・オイルアンドガスジヤーナル（The Oil
＆ Journal）」にケイ・オー・パーカー（K.
O.Parker）による「プレート形熱交換器による
熱効率およびサイクル効率を上げる方法」と題し
た記事に開示されている。
従来、密封又は連結される隣接部材間の異なる
温度による熱膨張を吸収する各種の装置が知られ
ている。例えばベビノ（BeVino）による米国特
許第3398787号には管状シートの円筒体に対する
変位を吸収するように設けられ、熱交換器の膨張
に対応する継手装置が開示されている。この場
合、上記の変位は管状シート内の液と前記管を囲
繞する円筒体内の液との間の温度差から生じる。
バイリイ（Bailey）による米国特許第2416674号
の温度低減器には、温度変化による半径方向の膨
張又は収縮が出来るよう内管と外管との間にＵ形
密封リングが配設される。テイツクナー
（Ticknor）による米国特許第3547202号には一対
の同軸の管を支承すべくベローおよび複数のフツ
ク部材を包有した取付装置が開示され、前記管は
排出ガス復熱器内で異なるガス温度を受け熱膨張
を吸収するよう設けられている。一方チヤーテツ
ト（Chartet）による米国特許第3960210号には熱
交換器素材を溶接する際の組立工程時にフランジ
に耳部を介し連結されるＵ形折重なり部により熱
膨張を吸収する構成が開示されている。ジエー・
ダブリウ・ブラウン・ジユニア（J.W.BroWn
Jr）による米国特許第3078919号には異なる温度
で作動する異なる部材を摺動支承するため長手方
向に延びるスロツト内でＴ形保持装置を可動にす
ることにより熱膨張を吸収する熱交換器が開示さ
れる。イタリア国特許第311249号、スエーデン国
特許第178363号および英国特許第1454260号には
更に、加圧され熱により変化する物体の密封取付
装置に可撓性を持たせる各種の構成が開示されて
いる。しかしながら上述の発明のいずれにも、上
述した形の熱交換器基体のプレートにダクトを取
付・密封装置を介し連結する構成および多数の熱
交換器基体間に密封装置を配設する構成のいずれ
もが開示されていない。
簡単に説明すると、本発明は特に、熱変位によ
る相対的な寸法変化を受ける熱交換器基体間に効
果的な連結装置を配設せしめた熱交換器を提供す
ることを目的とする。
本発明の一実施態様によれば、熱交換器基体の
端部プレートとダクトとの間に連結装置が配設さ
れ、高圧の空気を前記ダクトと前記熱交換器基体
との間に流動させる。この場合、Ｕ形断面を有し
た環状のダイヤフラムが密封されたマニホルド流
路を構成するプレートの一部およびダクトの端部
間に連結される。作動時に、ダクトと熱交換器基
体の温度は夫々異なる。ダクトの端部には円周部
に複数の円周方向に延びるスロツトを有した円錐
形の環状フランジが設けられている。環状フラン
ジのスロツトは熱交換器基体の端部プレート上に
設けられたＴ形クリツプと協働する。かかる構成
をとることにより、Ｕ形のダイヤフラムを介し、
フランジの半径方向変形および変位が吸収される
と共に熱交換器の熱膨張によるダクトと前記熱交
換器基体との間の半径方向変位が吸収され、かつ
ダクトの荷重が熱交換器基体に伝達されると同時
に前記ダイヤフラムにより確実な密封が得られ
る。
本発明の他の実施態様によれば、同様なＵ形の
ダイヤフラムが熱交換器基体間の円周部に取り付
けられる。熱交換器は熱膨張が相乗的に大になる
ことを抑止するよう複数個の熱交換器基体で構成
されている。一の熱交換器基体は次段の隣接する
熱交換器基体に対する長手又は軸方向の膨張は隣
接する熱交換器基体との間に配設されるダイヤフ
ラムでなる密封体により吸収される。
従つて本発明によれば、熱交換器基体と次段の
熱交換器基体との間又は熱交換器基体の端部と圧
縮空気用のダクトとの間に好適な連結装置を配設
することにより半径方向および軸方向に収縮する
ことなく熱交換器が熱により変形しても充分に耐
用性を保持することができる。
第１図にフインを有した熱交換器を構成する熱
交換器基体１０を示す。図示した熱交換器基体１
０は複数個（例えば６個）を組合せて第２図の熱
交換器本体１２が構成される。また前記熱交換器
基体１０はフインを有する複数のプレートが重ね
られて設けられており、前記フインは最大の熱交
換を行うように交互に隣接する流路に空気および
排出ガスを送る。プレートが重ねられ溶接されて
熱交換器基体が構成されるとき、中央の熱交換部
２０の両側部に夫々マニホルド流路２２ａ，２２
ｂが区画される。第１図の矢印で示されるよう
に、タービンからの加熱された排出ガスが熱交換
器基体１０の一側に導入され、マニホルド流路２
２ｂ周囲から、熱交換部１４のガス流路を経て、
熱交換器基体１０の他側から流出しつゝ、他方の
マニホルド流路２２ａの周囲に流れる。同時に、
タービンの入口空気コンプレツサからの圧縮空気
がマニホルド流路２２ａ，２２ｂと連通される中
央の熱交換部２０の内部空気流路を通り、マニホ
ルド流路２２ｂから流出される。このとき、排出
ガスの熱が圧縮空気に与えられ、加熱された空気
がタービンへ送られるので、再生ガスタービン機
構の動作効率が大巾に向上される。
第２図は熱交換器基体１０を６個組合せて構成
される熱交換器モジユール２０を示す。この熱交
換器モジユール２０を並列に組み合わせ、所望に
応じた再生ガスタービン機構に適用する熱交換器
を構成できる。このような構成によれば5000乃至
100000馬力の熱交換を行うことが可能となる。
上記の熱交換器に外気が再生ガスタービン機構
に入口フイルターを通して導入され約100psi乃至
150psi（約70t／m2乃至105t／m2）まで圧縮され
て温度は約600〓（約318℃）になる。次に空気は
パイプを介し、入口フランジ２２ａおよび前記熱
交換器基体のマニホルド流路と連通する入口ダク
ト２４ａを経て熱交換器モジユール２０に導入さ
れる。熱交換器モジユール２０で空気は約900〓
（約482℃）まで加熱される。次いで加熱された空
気は出口ダクト２４ｂおよび出口フランジ２４
b′を介し、好適なパイプを経て再生ガスタービン
機構のタービンへ戻される。この場合タービンか
らの排出ガスの温度は約1100〓（約594℃）で圧
力はほぼ外気圧に等しい。この排出ガスは第１図
中“導入ガス”、“導出ガス”として示される矢印
方向に沿つて熱交換器モジユール２０を流動し、
熱交換器モジユール２０内で排出ガスの熱が空気
に与えられる。熱交換器モジユール２０を通過す
る際排出ガスの温度は約600〓（約318℃）まで低
下し好適な排気筒を経て外部へ放出される。通常
では失なわれる熱がタービンに導入される空気に
与えられるので、タービンの駆動に必要な燃料の
消費量を減少しうる。30000馬力のタービンの場
合、熱交換器は通常の運転状態で一日当り1000萬
ポンド（約4530t）の空気を加熱する。
この種の熱交換器は定期的な修理を行なわない
場合で120000時間、5000サイクルにて駆動され、
かつ寿命が15乃至20年である。この場合ガスター
ビンの排気温度1100〓（約594℃）になるよう作
動可能にされ且燃料を浪費することなく一定した
温度で再生ガスタービン機構を駆動せしめるよう
に、タービンの駆動と円滑に連係させて作動可能
に、熱交換器を構成する必要がある。
プレート並びにフインをろう付けして熱交換器
基体を形成することにより、この条件を満たすこ
とができる。一方、熱交換器の動作温度の範囲が
極めて広くかつ熱交換器モジユール２０の外形が
大きい場合熱により立体的に大巾に膨張する。例
えば第２図の熱交換器モジユール２０の外形寸法
は長さ約17フイート（約5.1ｍ）幅12フイート
（約3.6ｍ）高さ7.5フイート（約2.25ｍ）であつ
た。
第１図に示した熱交換器基体の幅は約２フイー
ト（約60cm）以上である。複数の熱交換器基体１
０から成る熱交換器モジユール２０はマニホルド
流路の熱膨張に対応することができる。
熱交換器基体１０が加熱されると熱交換器基体
は半径方向並びに軸方向に膨張する。熱交換器基
体の上述の変化は剛質のフレーム２６との間にお
いて吸収する必要がある。熱交換器基体が互いに
接合され又はダクトと連結される時、熱交換器基
体のプレートに対し延びる空気流路を密封する必
要がある。
第３乃至５図に、ダクト２４ａ，２４ｂと端部
の熱交換器基体１０ａの端部プレート２８との間
を連結する連結装置を示す。熱交換器モジユール
２０の対向端にも、点検、保守等のため容易に侵
入可能にするマンホールを有した盲ダクトを連結
する同様の連結装置が使用される。
第３乃至５図に示す如くダクト２４ａにはフラ
ンジ３２ａが溶接部３４ａにより固着されてい
る。前記フランジ３２ａの周縁部には、例えば連
結装置をなすように端部プレート２８に溶接され
たＴ形のクリツプ３８ａを受容可能な複数のスロ
ツト３６ａが設けられる。第４図に示すように、
マニホルド流路２２ａの開口を区画する端部プレ
ート２８の縁部および隣接するダクト２４ａの端
部に例えば溶接により連結部４２ａを介し連結さ
れた可撓性を有するダイヤフラムの密封部材４０
ａが付設されている。前記密封部材４０ａはダク
ト２４ａとの接合部およびマニホルド流路２２ａ
の空気流路の周囲に延びる断面がＵ形のダイヤフ
ラムでなり、前記接合部は液密にされる。第４図
の密封部材４０ａにより、接合部、すなわちダク
ト２４ａの端部とマニホルド流路が区画されるプ
レート２８とが相対的に変位しうるので、強固に
相連結したときの如き構造上の損傷を生じない。
同時に、クリツプ３８とスロツトを有するフラン
ジ３２とよりなる連結構成により、ダクト２４ａ
とプレート２８との熱膨張の差があつても半径方
向に相対移動でき、かつダクト２４ａとプレート
２８ａとの間で荷重を伝達しうる。またダクト２
４ａにはベロー部２５ａが具備され、外部ケーシ
ングに対し熱交換器基体の熱膨張による移動を吸
収しかつ熱交換器基体にかかるダクトの荷重を抑
止する。これによりフランジ２４a′に対する効果
的な連結構成も得られる。
第５図に示すように、Ｔ形のクリツプ３８ａの
下側はフランジ３２ａの隣接端から僅かに離間さ
れている。この距離は約0.002乃至0.003インチ
（約0.0051cm乃至0.0076cm）であり、プレート２
８に対するフランジ３２ａ半径方向変位が好適に
吸収される反面かつダクト２４ａと熱交換器基体
との間で軸方向に荷重を伝達できる。
第６図および第７図に、相互に隣接する熱交換
器の基体１０′，１０″のマニホルド流路２２a′，
２２a″間に密封部材５０ａが配設される状態を示
す。第６図に示す如く熱交換器基体１０′，１
０″およびマニホルド流路２２a′，２２a″間に配
設された密封部材５０ａは第４図に示した密封部
材４０ａと同様の、好ましくはステンレス鋼製の
断面がＵ形のダイヤフラムであり、マニホルド流
路２２a′，２２a″の端部プレート２８に例えば溶
接により固定される。第７図に示す如く補強デイ
スク５２ａが溶接部に付設され、前記補強デイス
ク５２ａは密封部材をなすダイヤフラム５０ａ内
のマニホルド流路開口の周囲に延びるように環状
に形成される。またマニホルド流路の開口の周囲
にプレートの接合部を補強する外部補強部材５６
ａが付設され前記マニホルド流路２２a′を区画す
る開口部を有した内部プレート５４ａの一部に固
設されている。バー部材５８がマニホルド流路２
２a′に位置する部分を除き隣接する熱交換器基体
１０′，１０″間に配設され、固定される。バー部
材５８により隣接する熱交換器基体が連結され、
これにより熱交換器モジユールを構成する全熱交
換器基体の水平方向の膨張が確実にほぼ均一にさ
れる。一方熱交換器基体のマニホルド流路は軸方
向の熱膨張を受け得る。この熱膨張は熱交換基体
の夫々で独自に吸収せしめられ隣接する熱交換器
基体には伝達されない。別の熱交換器基体に対し
マニホルド流路の温度が特に機構の起動および停
止時に異なるので、膨張度が異なり、このため仮
に熱交換器基体が複数個に分割されていなければ
大巾に外形が変化することになるが、マニホルド
流路の軸方向の熱膨張度差は隣接する熱交換器基
体間に溶接される可撓性を有した上記密封部材５
０ａにより吸収できる。密封部材５０ａは第４図
の密封部材４０ａと同じように機能し、熱交換器
基体１０′，１０″の隣接する端部プレート間にお
いて軸方向又は長手方向に変位され得かつマニホ
ルド流路２２a′と次段のマニホルド流路２２a″と
の間を確実に密封し得る。このように熱交換器基
体を分割して構成することにより熱交換器モジユ
ール全体に生じる熱膨張が制限され許容範囲内に
収めることができる。従つてマニホルド流路２２
a′における膨張は他方のマニホルド流路２２a″に
伝達されず、熱交換器基体間のＵ形の密封部材５
０ａに前記の膨張が効果的に吸収されることにな
る。
また上述についてはマニホルド流路２２ｂ側に
ついても同一構成がとられ、同様の作用・効果を
得ることができる。
上述のような本発明の連結装置によれば全体の
機構の作動時に熱交換器基体に異なる変化があつ
ても隣接する熱交換器基体を好適に連結できる。
第３乃至５図のように熱交換器基体とダクトとの
間に配設された場合、ダクトおよび熱交換器基体
に生ずる応力の変化を除去でき、かつ熱交換器基
体との間が好適に液密にされる。第６図および第
７図の場合、隣接する熱交換器基体のマニホルド
流路における大きな熱膨張でも密封部材により吸
収される。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の連結装置が適用された熱交換
器基体の斜視図、第２図は同熱交換器モジユール
の斜視図、第３図は第２図の熱交換器モジユール
の部分断面図、第４図は第３図の線４−４に沿つ
て切断した部分断面図、第５図は第３図の線５−
５に沿つて切断した断面図、第６図は同部分拡大
図、第７図は第６図の線７−７に沿つて切断した
断面図を示す。 １０，１０ａ，１０′，１０″……熱交換器基
体、２２ａ，２２ｂ……マニホルド流路、２０…
…熱交換部、１２……熱交換器モジユール、２４
a′，２４b′……フランジ、２４，２４ａ，２４ｂ
……ダクト、２５……ベロー部、２６……フレー
ム、２８……プレート、３２ａ……フランジ、３
４ａ……連結部、３６ａ……スロツト、３８ａ…
…クリツプ、４０ａ……密封部材、４２ａ……連
結部、５０ａ……密封部材、５２ａ……補強デイ
スク、５４ａ……プレート、５６ａ……補強部
材、５８ａ……バー部材。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 空気流路を区画するよう形成され、熱膨脹に
    より変位され、異なつた寸法上の変化を受ける、
    シート材でなる相互に隣接した第１および第２の
    部材と、前記第１および第２の部材間に延びるＵ
    形の金属製のダイヤフラムを包有する密封部材
    と、前記第１および第２の部材の隣接する各縁部
    に前記密封部材の両端部を密封可能に取り付ける
    装置を具備する連結装置を備え、かつ前記の第１
    の部材が互いに離間される複数の熱交換器基体か
    ら構成された両側部にマニホルド流路を有する熱
    交換器モジユールに含まれ、互いに隣接する熱交
    換器基体間において、前記熱交換器基体のプレー
    トにマニホルド流路を囲繞するＵ形の金属製のダ
    イヤフラムを包有する密封部材が固設されてなる
    ことを特徴とする熱交換器。 ２ 第１の部材が空気用のマニホルド流路を区画
    する熱交換器基体の端部のプレートを包有し、第
    ２の部材が前記マニホルド流路に連結されるダク
    トを包有し、密封部材は前記ダクトおよび前記プ
    レートの開口の周囲に延び前記ダクトおよび前記
    プレートに溶接されてなる特許請求の範囲第１項
    記載の熱交換器。 ３ ダクトに付設されたフランジが具備され、熱
    交換器基体のプレートに前記フランジと係合する
    複数のクリツプが固設されてなる特許請求の範囲
    第２項記載の熱交換器。 ４ クリツプの断面がＴ形であり、フランジには
    円周方向に延びクリツプを係入するスロツトが設
    けられ、熱交換器基体のプレートとクリツプとの
    間に前記クリツプの一部が橋架され、前記スロツ
    トは前記クリツプに対し前記フランジの半径方向
    変位を吸収可能な大きさに設けられてなる特許請
    求の範囲第３項記載の熱交換器。 ５ フランジはダクトに対し固設され、熱交換器
    基体のプレートに対し実質的に平行に円周方向に
    延びるスロツトを有した底部を具備してなる特許
    請求の範囲第４項記載の熱交換器。 ６ 第１および第２の部材は互いに隣接する各熱
    交換器基体のプレートでなり、密封部材の両端部
    がマニホルド流路の開口の周囲において、前記熱
    交換器基体のマニホルド流路を密封可能に前記プ
    レートに連結されてなる特許請求の範囲第１項記
    載の熱交換器。 ７ 密封部材は開放側が半径方向内方に向けられ
    てなる特許請求の範囲第６項記載の熱交換器。 ８ 密封部材の両端部は隣接する熱交換器基体の
    プレートに溶接されてなる特許請求の範囲第６項
    記載の熱交換器。
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