JPS6243115B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は或る流体と別の流体の間で熱エネル
ギを伝達する熱交換器、更に具体的に云えば、航
空機用ガスタービン機関に付設される燃料系及び
油系の間で熱エネルギを交換するのに特に適した
熱交換器に関する。

ガスタービン機関の分野では、機関燃料を利用
して潤滑に使われる機関油を冷却するとが出来る
ことは周知である。典型的には、冷却の際に機関
油から放出された熱エネルギが、これから機関の
燃焼器で燃焼しようとする燃料によつて吸収され
る。この為、冷却された油は機関の回転要素の潤
滑が一層よく出来る。

従来の燃料−油用熱交換器は、夫々がその内側
に燃料を通す、直径が小さくて肉厚の薄い多数の
管、或る設計では数百本もの管を、管の中を通る
燃料の流れに対して平行に配置した装置を用いて
いた。各々の中空の管の両端をろう付け又は機械
的な手段により、入口及び出口ヘツダに取付けて
いた。機関油はヘツダの間で管の外面の上に通
し、こうして機関油と機関燃料の間で熱エネルギ
を交換した。この様な従来の装置では、管とヘツ
ダの間のろう付けの継目が壊れた場合、高圧の機
関燃料が機関油系に漏れることが起り得る。油系
に燃料が溜ると、粘性が減少する結果、油の潤滑
能力が低下し、ガスタービン機関の内、この油系
が受持つ種々の場所にある軸受装置に損傷が起る
ことがある。

上に述べた様な形式の従来の熱交換器は、油系
が燃料によつて汚染されるのを防止しようとし
て、製造の際に大がかりな高級保証手順を採用し
ている。その為、全面的な検査並びに試験手順を
行なうと、熱交換器の製造費がかなり高くなる。

製造費が高いことはこの熱交換器を作る際に使
われる部品の数が多く、組立て作業が多いことに
も帰因する。上に述べた様な形式の従来の熱交換
器は裸かの管を使い、伝熱面を殆んど或いは全く
延長してないから、所望量の熱エネルギを油と燃
料との間で伝達する為に多数の管が必要であつ
た。この様に多数の個別の部材から成る熱交換器
の製造に伴う組立て、固定、継ぎ合せ及び掃除作
業の為にも、熱交換器の製造費がかなり高くなつ
た。

従来の熱交換器は検査も困難であつた。具体的
に云うと、多数の部品を組立てる為に、ろう付
け、溶接、管の膨張又はその他の永久的な組立て
方法を用いていたので、製造後に管の継目の状態
を適切に検査することも、或いは現場で熱交換器
を分解することも出来なかつた。その為、任意の
時点に於ける熱交換器の状態が判らず、その為熱
交換器の意外な故障により、機関の燃料系又は油
系に損傷が起ることがある。この発明は、前述の
従来の熱交換器の設計並びに製造に伴うこの様な
欠点を克服することを目的とする。

管を利用する従来公知の別の形式の熱交換器が
米国特許第3201938号に記載されている。この場
合、多数の管が同心に配置され、管面の間に環状
の流れを形成する。これらの環状部分が流体を通
す流れ通路になる。この米国特許に記載されてい
る様に、環状部分には軸方向に伸びる連続的なひ
れ構造がある。環状部分を通る流体は、ひれ構造
の縦方向に伸びる伝熱面と平行に流れる。この熱
機構はあまり満足でないことが実証された。この
発明は伝熱機構を改良した同心管を用いる熱交換
器を対象とする。

この発明の目的は、２種類の流体の間で熱を伝
達する熱交換器として、一方の流体がその流体回
路から漏れたことにより、どんな状態でも、他方
の流体回路にある流体が汚染されることのない熱
交換器を提供することである。

簡単に云うと、この発明の上記の目的並びに以
下の説明から判るその他の目的が、この発明によ
つて次のように達成される。この発明の１形式で
は、第１及び第２の流体の間で熱を伝達する装置
を提供する。第１及び第２の流体の間で熱を伝達
する伝熱装置に於て、第１の流体がその中を流れ
る、軸方向に伸びる第１の環状流れ通路と、第２
の流体がその中を流れる、前記第１の環状流れ通
路と同心に配置された、軸方向に伸びる第２の流
れ通路と、前記第１及び第２の流れ通路の間の隔
壁を構成する第１の円筒形部材と、前記第１の環
状流れ通路内に軸方向に相次いで半径方向に横切
つて配置されていて、前記第１の流体を通過させ
る第１組の開口が軸方向に通抜けている複数個の
第１の環状伝熱板と、隣接する前記第１の環状伝
熱板の間に軸方向の間隔を保つため配置され且つ
前記第１の環状伝熱板と傾斜面を介して面接触し
ている第１のスペーサ手段と、前記第１の環状伝
熱板を軸方向に偏圧することにより、前記傾斜面
の作用により前記スペーサ手段を半径方向に偏圧
する第１の弾性手段とを有している。この構成を
採択することにより前記第１の環状伝熱板、第１
のスペーサ手段、第１の円筒形部材間に熱伝導通
路が作られる。

この発明の要旨は特許請求の範囲に具体的に記
載してあるが、この発明自体は以下図面について
説明する所から、更によく理解されよう。

第１図には、この発明の熱交換器２０が一部を
切欠いた斜視図で示されている。軸方向又は縦方
向に伸びる外側及び内側の円筒形部材２２，２４
が軸線Ｘ−Ｘの周りに同心に配置され、この為、
軸方向に伸びる第１の環状流れ通路２６が円筒形
部材２２に関連した半径方向内向きの円筒面２８
と、円筒形部材２４に関連した半径方向外向きの
円筒面３０との間に形成される。円筒形部材の半
径方向内向きの円筒面３２が、環状流れ通路２６
から半径方向内側に隔たつて軸方向に伸びる第２
の流れ通路３４を構成する。円筒形部材２４は、
流れ通路２６，３４の一部分を構成する手段にな
ることが判る。流れ通路２６，３４は夫々第１及
び第２の流体をその中に通すことが出来る。例と
して云うと、熱交換器２０をガスタービン機関に
使う場合、潤滑油を通路２６に通し、機関燃料を
通路３４に通すことが出来る。

実質的に平坦な第１の複数組の板部材３６が、
流体通路２６の中に、軸方向に相次いで配置され
る。平坦な各々の板３６が円筒形部材２４の円筒
面３０の近くから、円筒形部材２２の円筒面２８
の近くまで半径方向に伸びる。平坦な板３６は、
その半径方向の寸法に較べて、軸方向には比較的
薄く、いづれも第１の複数個の開口３７が縦方向
に板を通抜け、機関油を板３６の軸方向の片側か
ら反対側に通す様になつている。

略平坦な第２の複数個の板部材３８が流体通路
３４の中に、軸方向に相次いで配置される。第２
の複数個の開口４０が各々の平坦な板３８を軸方
向に通抜け、機関燃料を板３８の軸方向の片側か
ら反対側に通す様になつている。

相次ぐ隔たつた平坦な板３６に設けられた開口
３７は軸方向に整合していないことに注意された
い。この為、上流側の板にある開口３７から出た
流体は、その隣りの下流側の板３６にある開口の
間でその面に衝突する。流体が板に衝突すること
により、流体と板３６との間の伝熱率が高くな
る。相次ぐ平坦な板３８に設けられる開口４０に
ついても、同じ様に軸方向に整合しない様にして
ある。

相隔たる１対のヘツダ４６，４８が、円筒形部
材２２，２４の軸方向に隔たる両端に設けられ、
流れ通路２６，３４に対する流体入口及び出口手
段になる。更に詳しく云うと、円筒形部材２２，
２４の左側の端（第１図及び第２図で見て）に配
置されたヘツダ４６が、ねじ接続部５０により、
外側の円筒形部材２２に解放自在に固定される。
ヘツダ４６は流体入口ポート５４及び環状流れ通
路２６と連通する第１の環状室５２を含む。入口
ポート５４から熱交換器２０に入つた油が、室５
２によつて環状流れ通路２６の円周方向の拡がり
全体にわたつて一様に分配され、この流れ通路の
中を油は第２図で見て右向きに流れる。更にヘツ
ダ４６は、室５２よりも半径方向外側に配置され
た第１の環状凹部５５を持ち、これは円筒形部材
２２の左側の端を受入れる様に配置されている。
凹部５５の近くに設けられた突片５６が円筒形部
材２２の内側に突出するが、その目的は後で説明
する。

環状室５２より半径方向内側に配置された第２
の環状凹部５８が、円筒形部材２４の左側の端を
受入れる。逃し口６０が凹部５８を大気と連通さ
せ、封じ６２，６４から漏れた流体を大気中に放
出出来る様にする。この為、凹部５８に漏れた燃
料は、潤滑油に関連した環状流れ通路２６に入り
込まない。

更にヘツダ４６が、凹部５８より半径方向内側
に配置されて軸方向に伸びる円形流れ室６６を含
み、これが環状流れ通路３４を燃料出口ポート６
８と連通させる。ヘツダ４８はヘツダ４６の大体
鏡像になる様に構成されていて、ヘツダ４６が円
筒形部材２２，２４の左側の端と協動するのと同
様に、円筒形部材２２，２４の右側の端（第２図
で見て）と協働する。ヘツダ４８のポート４８は
熱交換器２０に対する燃料入口ポートとして作用
し、ポート５４が油出口として作用する。

第２図について説明すると、流体通路２６の中
で平坦な板３６を互いに軸方向に隔たつた状態に
保つと共に、平坦な板３８を流体通路３４の中で
互いに軸方向に隔たつた状態に保つスペーサ手段
が示されている。詳しく云うと、隣合つた平坦の
板３６の間に、円周方向に伸びる第１及び第２の
複数個の環状くさび形リング６８，７０が配置さ
れている。第１の複数個のくさび形リング６８は
平坦な板３６の半径方向の外周の近くに設けら
れ、第２の複数個のくさび形リング７０は平坦な
板３６の内周の近くに設けられている。

円周方向に伸びる第３の複数個の環状くさび形
リング７２が環状流れ通路３４の中に配置され、
平坦な板３８を環状流れ通路３４の中で互いに軸
方向に隔てた状態に保つ。くさび形リング７２が
平坦な板３８の間で、その半径方向の外周の近く
に配置されている。後で更に詳しく説明するが、
くさび形リング６８，７０，７２は、板の適正な
間隔を保つ他に、平坦な板３６，３８を円筒形部
材２２，２４に作動的に接続し、こうして伝熱用
の熱伝導通路を作る様に作用する。

円筒形部材２２，２４の１端で、一連の弾性部
材６９，７１，７３が平坦な板３６，３８と端蓋
４６との間に挾み込まれている。弾性部材６９，
７１，７３は円周方向に伸びる環状の皿形座金又
はばねで構成することが出来、端蓋４６をねじ接
続部５０に締付けた時、弾性部材６９，７１，７
３が、後で説明する目的の為、平坦な板３６，３
８に圧縮力を加える様にすることが出来る。

第３図に平坦な板３６とくさび形リング７０と
の間の協働作用を示す拡大断面図が示されてい
る。くさび形リング６８，７２（これは第３図に
示してない）が、同じ様に、関連した平坦な板３
６，３８と協働することが承知されたい。くさび
形リング７０が円周方向に伸びて軸方向には向い
合つた傾斜面７４，７６を持ち、それらが各々の
平坦な板３６の円周方向に伸びる相補形の傾斜面
７８と突合せ係合する。くさび形リング７０の半
径方向の面８０が円筒形部材２４の外面３０に係
合する。ばね６９，７１によつて複数個の平坦な
板３６に圧縮力が加えられる為、くさび形リング
７０の傾斜面７４，７６がそれと隣合つた各々の
平坦な板３６の傾斜面７８とびつたり係合し、複
数個の平坦な板３６とくさび形リング７０との間
で熱を伝達する為の適切な面接触を保証する。く
さび形リング７０と平坦な板３６との間の界面が
この様に傾斜している結果、弾性手段６９，７１
によつて加えられた圧縮力は、くさび形リング７
０に半径方向内向きの力の成分を加える。この半
径方向の力がくさび形リング７０の半径方向の面
８０と円筒形部材２４の外面３０との間に適切な
面接触を保証し、複数個のくさび形リング７０と
円筒形部材２４との間の熱伝達をよくする。

弾性部材６９，７１，７３と協働する様にくさ
び形リング７０を使うことにより、従来の熱交換
器に普通見られるろう付け作業の必要がなくな
る。圧縮力を加えたことによつて、伝熱路にある
要素の間の軸方向並びに半径方向の両方の面接触
が保証されるので、ろう付けは不必要である。こ
の為、検査並びに修理の為の熱交換器の分解がや
り易くなる。

次に熱交換器２０の動作について説明する。燃
料がヘツダ４８の燃料入口ポート６８に入り、流
れ通路３４内にある複数個の平坦な板３８を逐次
的に通つて、ヘツダ４６に設けられた出口ポート
６８から熱交換器２０を出て行く。通路３４を通
過する時、燃料が平坦な板３８に熱を伝達し、板
３８がこの熱をくさび形リング７２に伝達する。
円筒形部材２４がくさび形リング７２から熱を受
取り、その熱をくさび形リング７０に伝える。環
状流れ通路２６内に配置された平坦な板３６がく
さび形リング７０から熱を受取る。ヘツダ４６の
油入口ポートに入つた油が環状室５２によつて、
環状流れ通路２６の円周方向の拡がりにわたつて
分配される。平坦な板３６内の開口３７を通つた
油がそれに隣接した下流側の板３６に衝突し、そ
の際平坦な板３６と熱交換をする。油はヘツダ４
８の油出口ポート５４を介して熱交換器を出て行
く。

別の実施例の熱交換器の心部が第４図の断面図
の一部分示されている。第４図の実施例が第２図
の実施例と違う点は、第４図では第３の円筒形部
材９０が円筒形部材２４の内側に配置されてい
て、流れ通路３４が環状断面であることである。
円筒形部材９０には、これ迄の実施例について述
べたのと同様に、平坦な板９２が配置されてい
る。この実施例では、環状の平坦な板３８が、半
径方向内向きにも外向きにも熱を伝導し、こうし
て平坦な板３８の熱抵抗通路の長さを短縮する。
燃料は通路３４を流れ、油は通路２６及び管９０
の中心を流れる。両方の通路では油は同じ向きに
流れる。第４図に示した心部に対し、くさび形リ
ング、弾性手段及びヘツダを適用することは、第
２図の実施例について前に述べたのと同様に容易
に行なうことが出来る。従つて、第４図に示した
実施例について、同じことを詳しく説明する必要
はないと考えられる。

第５図には平坦な板３６と一体の一部分を構成
する別のスペーサ手段が示されている。具体的に
云うと、各々平坦な板３６の周縁から軸方向の突
起１００が伸び出している。軸方向の突起１００
はいづれも軸方向に隔たつて円周方向に伸びる環
状の傾斜した前面及び後面１０２，１０４を有す
る。各々の平坦な板３６の前側の傾斜面１０２
が、その隣りの平坦な板３６の後側の傾斜面１０
４に係合する様になつている。第２図の実施例に
使つた皿形ばね６９，７１，７３等により、軸方
向の力を加えると、突起１０が半径方向に変形し
て円筒形部材２４の面３０と突合せ係合する。突
起１００は、平坦な板３６及び円筒形部材２４の
間で熱を伝達する為の熱伝導通路になる。こうし
て突起１００は、前に述べた実施例のくさび形リ
ングと同じ作用をする。

本願発明によつて組立、検査が簡単で、伝熱効
率が良く、更に一方の流体がその流体回路から漏
れても他方の流体回路にある流体が汚染されない
熱交換器が提供された。

以上に加えて流体が伝熱板と直角方向に流れる
こと、並びに伝熱板、スペーサ手段及び弾性手段
の組合せにより伝熱板と円筒形部材との間に面接
触が保証されたこと、によつて熱伝達効率が一層
向上した。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の熱交換器の一部分を分解し
た斜視図、第２図は第１図に示した熱交換器の一
部分を断面で示した側面図、第３図はこの発明の
１つの特徴を示す拡大図、第４図はこの発明の別
の実施例を構成する心部の断面図、第５図はこの
発明の別の特徴を示す拡大断面図である。 主な符号の説明、２４……円筒形部材、２６，
３４……流れ通路、３６……平坦な板、３７……
開口、６８，７０，７２……スペーサ部材。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 第１及び第２の流体の間で熱を伝達する伝熱
   装置に於て、 第１の流体がその中を流れる、軸方向に伸びる
   第１の環状流れ通路２６と、 第２の流体がその中を流れる、前記第１の環状
   流れ通路と同心に配置された、軸方向に伸びる第
   ２の流れ通路３４と、 前記第１及び第２の流れ通路の間の隔壁を構成
   する第１の円筒形部材２４と、 前記第１の環状流れ通路内に軸方向に相次いで
   半径方向に横切つて配置されていて、前記第１の
   流体を通過させる第１組の開口３７が軸方向に通
   抜けている複数個の第１の環状伝熱板３６と、 隣接する前記第１の環状伝熱板の間に軸方向の
   間隔を保つため配置され且つ前記第１の環状伝熱
   板と傾斜面を介して面接触している第１のスペー
   サ手段６８，７０，１００と、 前記第１の環状伝熱板を軸方向に偏圧すること
   により、前記傾斜面の作用により前記スペーサ手
   段を半径方向に偏圧する第１の弾性手段６９，７
   １とを有し、こうして前記第１の環状伝熱板、第
   １のスペーサ手段、第１の円筒形部材間に熱伝導
   通路を作る伝熱装置。 ２ 特許請求の範囲１に記載した伝熱装置に於
   て、前記スペーサ手段が隣接する前記第１の環状
   伝熱板のうちの一方と一体である伝熱装置。 ３ 特許請求の範囲１に記載した伝熱装置に於
   て、前記第１の環状伝熱板が半径方向内側の円周
   部分と半径方向外側の円周部分とを持つており、
   前記第１のスペーサ手段が、前記隣接する第１の
   環状伝熱板の間に配置されていて前記半径方向外
   側の円周部分と位置ぎめ係合する第１の一連の環
   状リングと、前記隣接する第１の環状伝熱板の間
   に配置されていて前記半径方向内側の円周部分と
   位置ぎめ係合する第２の一連の環状リングとを持
   つている伝熱装置。 ４ 特許請求の範囲１に記載した伝熱装置に於
   て、前記第２の流れ通路内に軸方向に相次いで半
   径方向に横切つて配置されていて、前記第２の流
   体を通過させる第２組の開口４０が軸方向に通抜
   けている複数個の第２の伝熱板３８と、 隣接する前記第２の伝熱板の間に軸方向の間隔
   を保つため配置され且つ前記第２の伝熱板と傾斜
   面を介して面接触している第２のスペーサ手段７
   ２，１００と、 前記第２の伝熱板を軸方向に偏圧することによ
   り、前記傾斜面の作用により前記第２のスペーサ
   手段を半径方向に偏圧する手段７３とを有し、こ
   うして前記第２の伝熱板、第２のスペーサ手段、
   第１の円筒形部材間に熱伝導通路を作る伝熱装
   置。 ５ 特許請求の範囲４に記載した伝熱装置に於
   て、前記第１の環状伝熱板が前記第１の円筒形部
   材より半径方向外側に配置され、前記第２の伝熱
   板が前記第１の円筒形部材より半径方向内側に配
   置されている伝熱装置。 ６ 特許請求の範囲４に記載した伝熱装置に於
   て、前記第２のスペーサ手段が隣接する前記第２
   の伝熱板の一方と一体である伝熱装置。 ７ 特許請求の範囲４に記載した伝熱装置に於
   て、前記第２の流れ通路及び第２の伝熱板がとも
   に環状形状である伝熱装置。 ８ 特許請求の範囲７に記載した伝熱装置に於
   て、前記第１の円筒形部材が前記第２の環状流れ
   通路の内周隔壁を構成する第２の円筒形部材９０
   を有する伝熱装置。 ９ 特許請求の範囲４に記載した伝熱装置に於
   て、前記第２の伝熱板が円板形状である伝熱装
   置。