KR100328274B1 - 열 교환기 - Google Patents

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KR100328274B1
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가와모토 노부히코
혼다 기켄 고교 가부시키가이샤
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Abstract

연소가스가 통과하는 연소가스통로(4)에 공기가 통과하는 공기통로(5)를 번갈아 배치한 열 교환기에 있어서, 그 일단측을 길이가 같지 않게 산형으로 커트하여 연소가스통로입구(11) 및 공기통로출구(16)를 형성함과 동시에, 그 타단측을 길이가 같지 않게 산형으로 커트하여 연소가스통로출구(12) 및 공기통로입구(15)를 형성한다. 체적유량의 큰 연소가스가 통과하는 연소가스통로입구(11) 및 출구(12)는 산형의 긴변측에 형성되고, 체적유량의 작은 공기가 통과하는 공기통로입구(15) 및 출구(16)는 산형의 짧은변측에 형성되어 있다. 이에 따라, 고온유체 및 저온유체의 체적유량의 차에 기초하는 압력손실의 증가를 회피하여 열 교환기 전체로서의 압력손실을 감소시킬 수 있다.

Description

열 교환기{EXAT EXCHANGER}
고온유체통로 및 저온유체통로를 구획 형성하도록 번갈아 인접 배치된 제1전열판 및 제2전열판의 유로방향 양단부를, 각기 2개의 끝가장자리(edge)를 구비한 산형(山形)으로 절단하여서 된 열 교환기는, 일본국 특개소 59-183296호 공보, 특개소 59-63491호 공보에 의하여 이미 알려져 있다. 또, 띠형상의 전열판을 꼬불꼬불 꺾인 형상으로 절곡함에 따라 고온유체통로 및 저온유체통로를 번갈아 형성하여서 된 열 교환기는, 일본국 특개소 58-40116호 공보로 이미 공지되어 있다.
그런데, 열 교환기의 고온유체통로를 흐르는 고온유체의 체적유량과, 저온유체통로를 흐르는 저온유체의 체적유량과는 반드시 같지 않고, 예컨대 가스터어빈엔진에 사용되는 열 교환기에 있어서는, 연소가스로 된 고온유체의 체적유량이 공기로 된 저온유체의 체적유량보다도 커진다. 그러나, 상기 종래의 열 교환기는, 산형의 2개의 끝가장자리를 같은 길이로 설정하고 있기 때문에, 체적유량이 큰쪽이 유체의 압력손실이 증가하여 열 교환기 전체로서의 압력손실도 증가하여 버리는 문제가 있었다.
또, 꼬불꼬불 꺾인 형상으로 절곡된 전열판을 방사상으로 배치하여 고온유체통로 및 저온유체통로를 원주방향으로 번갈아 형성하는 경우, 1장의 절판(折板)소재로 360°의 중심각을 갖는 열 교환기를 구성하려 하면, 장대한 절판소재가 필요하게 되어서 제조하기 어렵게 되고, 그 위에 재료의 수율이 불량하게 되는 문제가 있었다. 그래서, 적절한 길이의 절판소재로 일정한 중심각을 갖는 모듀울(module)을 구성하여, 여러개의 모듀울을 원주방향으로 접속하여 360° 중심각을 갖는 열 교환기를 구성함을 생각할 수 있다. 이때, 인접하는 모듀울의 접합부의 구조를 충분히 고려하지 않으면, 그 접합부의 근방에 있어서 전열판이 원주방향으로 넘어져버려서, 반지름방향으로 바르게 정렬하지 못하게 되는 경우가 있을 뿐 아니라, 접합부의 열량이 증가하는 문제가 발생한다. 또 절판소재의 끝가장자리의 정밀도를 정밀하게 관리하지 않으면, 접합부에서 절판소재의 끝가장자리 사이에 어긋남이 발생하기 쉬운 문제가 있었다.
본 발명은, 여러개의 제1전열판 및 여러개의 제2전열판을 꼬불꼬불 꺾인 형상으로 절곡(折曲)함에 따라 고온유체통로 및 저온유체통로를 번갈아 형성하여서 된 열 교환기에 관한 것이다.
도 1∼도 11은 본 발명의 제1실시예를 나타낸 것으로,
도 1은 가스터어빈엔진의 전체측면도.
도 2는 도 1의 2-2선 단면도.
도 3은 도 2의 3-3선 확대단면도(연소가스통로의 단면도).
도 4는 도 2의 4-4선 확대단면도(공기통로의 단면도).
도 5는 도 3의 5-5선 확대단면도.
도 6은 도 3의 6-6선 확대단면도.
도 7은 절판(折板)소재의 전개도.
도 8은 열 교환기의 주요부분 사시도.
도 9는 연소가스 및 공기의 흐름을 도시한 모식도.
도 10A∼10C는 돌기의 피치를 균일하게 하게 하였을 경우의 작용을 설명하는 그래프.
도 11A∼도 11C는 돌기의 피치를 불균일하게 하였을 경우의 작용을 설명하는 그래프.
도 12는 본 발명의 제2실시예에 관한 상기 도 5에 대응하는 도면.
도 13은 본 발명의 제3실시예에 관한 상기 도 5에 대응하는 도면.
도 14는 본 발명의 제4실시예에 관한 상기 도 5에 대응하는 도면.
도 15는 본 발명의 제5실시예에 관한 상기 도 5에 대응하는 도면.
따라서 본 발명은, 고온유체 및 저온유체의 체적유량의 차에 기초한 압력손실의 증가를 회피하여 열 교환기 전체로서의 압력손실을 감소시키는 것을 제1목적으로 한다. 또, 본 발명은 링형상의 열 교환기를 여러개의 모듀울의 접합으로 구성하는 경우에 그 접합부에 열량의 증가나 유체의 유로저항의 증가가 발생함을 회피하는 것을 제2목적으로 하며, 나아가서 본 발명은, 링형상의 열 교환기를 여러개의 모듀울의 접합으로 구성하는 경우에, 전열판의 원주방향의 넘어짐을 방지하면서,접합부의 어긋남이나 열량의 증가를 최소한으로 억제함을 제3의 목적으로 한다.
상기 제1목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1특징에 의하면, 여러개의 제1전열판 및 여러개의 제2전열판을 접기선을 통하여 번갈아 연설하여 된 절판소재를 이 접기선에서 꼬불꼬불 꺾인 형상으로 절곡하여서, 인접하는 제1전열판 및 제2전열판 사이에 고온유체통로 및 저온유체통로를 번갈아 형성하고, 제1전열판 및 제2전열판의 유로방향 양단부를 각기 2개의 끝가장자리를 지닌 산형으로 절단하고, 고온유체통로의 유로방향 일단부에서 상기 한편의 산형의 2개의 끝가장자리의 한편을 폐쇄하고, 다른편을 개방함에 따라 고온유체통로입구를 형성함과 동시에, 고온유체통로의 유로방향 타단부에서 상기 다른편의 산형의 2개의 끝가장자리의 한편을 폐쇄하고, 다른편을 개방함에 따라 고온유체통로출구를 형성하며, 또한 저온유체통로의 유로방향 일단부에서 상기 다른편의 산형의 2개의 끝가장자리의 다른편을 폐쇄하고, 한편을 개방함에 따라 저온유체통로입구를 형성함과 동시에, 저온유체통로의 유로방향 타단부에서 상기 한편의 산형의 2개의 끝가장자리의 다른편을 폐쇄하고, 한편을 개방함에 따라 저온유체통로입구를 형성함과 동시에, 저온유체통로의 유로방향 타단부에서 상기 한편의 산형의 2개의 끝가장자리의 다른편을 폐쇄하고, 한편을 개방함으로서 저온유체통로출구를 형성하여서 된 열 교환기에 있어서, 고온유체통로출입구 및 저온유체통로출입구에 발생하는 압력손실의 합을 최소한으로 억제하도록, 상기 각 산형의 2개의 끝가장자리를 길이가 같지 않게 하여, 고온유체통로출입구에 있어서의 유체의 유속을 저감한 것을 특징으로 하는 열 교환기를 제안하였다.
상기 구성에 의하면, 제1전열판 및 제2전열판의 유로방향 일단부를 산형으로 절단하여, 고온유체통로입구 및 저온유체출구를 형성함과 동시에, 유로방향 타단부를 산형으로 절단하여 고온유체통로출구 및 저온유체입구를 형성하는 경우에 상기 각 산형의 2개의 끝가장자리를 길이가 같지 않게 함에 따라, 고온유체통로를 흐르는 고온유체의 유속을 상대적으로 저하시켜서 열 교환기 전체로서의 압력손실의 발생을 최소한으로 억제할 수 있다.
또, 상기 제2목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제2특징에 의하면, 반지름방향 외부케이싱 및 반지름방향 내부케이싱사이에 구획 형성한 링형상 공간에, 축방향으로 뻗은 고온유체통로 및 저온유체통로를 원주방향으로 번갈아 형성하여서 된 열 교환기로서, 여러개의 제1전열판 및 여러개의 제2전열판을 접기선을 통하여 번갈아 연설하여서 된 여러개의 절판소재를 이 접기선에서 꼬불꼬불 꺾인 형상으로 절곡하여 여러개의 모듀울을 형성하여, 이것들 여러개의 모듀울을 원주방향으로 접속함에 따라, 상기 반지름방향 외부케이싱 및 반지름방향 내부케이싱사이에 방사상으로 배치된 상기 제1전열판 및 제2전열판에 의하여 상기 고온유체통로 및 저온유체통로를 원주방향으로 번갈아 형성하며, 또한 상기 고온유체통로의 축방향 양단부에 개구하도록 고온유체통로입구 및 고온유체통로출구를 형성함과 동시에, 상기 저온유체통로의 축방향 양단부에 개구하도록 저온유체통로입구 및 저온유체통로출구를 형성하여서 된 열 교환기에 있어서, 원주방향으로 인접하는 모듀울을 구성하는 절판소재의 끝가장자리끼리를 직접 접촉시켜서 접합한 것을 특징으로 하는 열 교환기가 제안하였다.
상기 구성에 의하면, 원주방향으로 인접하는 모듀울을 구성하는 절판소재의 끝가장자리끼리를 직접 접촉시켜서 접합하였으므로, 특별한 접합부재를 사용한다거나 절판소재의 두께를 증가되게 한다던가 할 필요가 없게 되어, 부품점수나 가공코스트가 삭감될 뿐 아니라, 상기 접합부에 있어서의 열량의 증가나 유체의 유로저항의 증가를 회피할 수 있다.
또, 상기 제3목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제3특징에 의하면, 반지름방향 외부케이싱 및 반지름방향 내부케이싱사이에 구획 형성한 링형상의 공간에, 축방향으로 뻗은 고온유체통로 및 저온유체통로를 원주방향으로 번갈아 형성하여서 된 열 교환기로서, 여러개의 제1전열판 및 여러개의 제2전열판을 접기선을 통하여 번갈아 연설하여서 된 여러개의 절판소재를 이 접기선에서 꼬불꼬불 꺾인 형상으로 절곡하여서 여러개의 모듀울을 형성하여, 이것들 여러개의 모듀울을 원주방향으로 접속함에 따라, 상기 반지름방향 외부케이싱 및 반지름방향 내부케이싱사이에 방사상으로 배치된 상기 제1전열판 및 제2전열판으로 상기 고온유체통로 및 저온유체통로를 원주방향으로 번갈아 형성하고, 또한 상기 고온유체통로의 축방향 양단부에 개구하도록 고온유체통로입구 및 고온유체통로출구를 형성함과 동시에, 상기 저온유체통로의 축방향 양단부에 개구하도록 저온유체통로입구 및 저온유체통로출구를 형성하여서 된 열 교환기에 있어서, 반지름방향 외부케이싱 및 반지름방향 내부케이싱사이에 칸막이판을 반지름방향으로 배치하여, 이 칸막이판의 양측면에 모듀울을 구성하는 절판소재의 끝가장자리를 접합한 것을 특징으로 하는 열 교환기를 제안하였다.
상기 구성에 의하면, 반지름방향 외부케이싱 및 반지름방향 내부케이싱사이에 칸막이판을 반지름방향으로 배치하고, 이 칸막이판의 양측면에 모듀울을 구성하는 절판소재의 끝가장자리를 접합하였으므로 칸막이판을 가이드로 하여 모듀울의 제1전열판 및 제2전열판을 바르게 방사상으로 정렬되게 할 수 있다. 게다가 판체(板體)로 된 칸막이판을 부가하는 것뿐이므로 접합부에 있어서의 열량의 증가가 최소한으로 억제되고, 게다가 절판소재의 끝가장자리끼리가 직접 접촉하지 않으므로, 절판소재의 끝가장자리의 치수오차를 흡수할 수 있다. 또, 연소가스통로도 아니고 공기통로도 아닌 무효공간(dead space)이 발생하지 않으므로 열 교환 효율의 저하를 초래할 염려도 없다.
이하, 도 1∼도 11에 기초하여 본 발명의 제1실시예를 설명한다. 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 가스터어빈엔진(E)은, 도면에 없는 연소기, 컴프레서, 터어빈 등을 내부에 수납한 엔진본체(1)를 구비하고 있으며, 이 엔진 본체(1)의 외주를 둘러싸도록 링형상의 열 교환기(2)가 배치되어 있다. 열 교환기(2)는 90°의 중심각을 구비한 4개의 모듀울(module)(21…)을 접합면(3…)을 사이에 끼워서 원주방향으로 배열한 것으로서, 터어빈을 통과한 비교적 고온의 연소가스가 통과하는 연소가스통로(4…)와, 컴프레서로 압축된 비교적 저온의 공기가 통과하는 공기통로(5…)등이, 원주방향으로 번갈아 형성된다(도 5 및 도 6 참조). 게다가, 도 1에 있어서의 단면은 고온유체통로로서의 연소가스통로(4…)에 대응하고 있어, 그 연소가스통로(4…)의 바로 앞쪽과 건너편쪽으로 인접하여 저온유체통로로서의 공기통로(5…)가 형성되어 있다.
열 교환기(2)의 축선에 따른 단면형상은, 축방향으로 길게 반지름방향으로 짧은 편평한 6각형이며, 그 반지름방향 외주면이 지름이 큰 원통형상의 외부케이싱(6)에 의하여 폐쇄됨과 동시에, 그 반지름방향 내주면이 지름이 작은 원통형상의 내부케이싱(7)에 의하여 폐쇄되어 있다. 열 교환기(2)의 단면에 있어서의 전단측(도 1의 좌측)은 길이가 같지 않게 산형으로 커트되어 있으며, 그 산형의 정점에 대응하는 단면에 엔진 본체(1)의 외주에 이어지는 끝판(end plate)(8)이 납땜되어 있다. 또 열 교환기(2)의 단면에 있어서의 후단측(도 1의 우측)은 길이가 같지 않게 산형으로 커트되어 있어, 그 산형 정점에 대응하는 단면에 후부 외부하우징(9)에 이어지는 끝판(10)이 납땜되어 있다.
열 교환기(2)의 각 연소가스통로(4)는, 도 1에 있어서의 좌측상 및 우측하에 고온유체통로입구로서의 연소가스통로입구(11) 및 고온유체통로출구로서의 연소가스통로출구(12)를 구비하고 있으며, 연소가스통로입구(11)에는 엔진본체(1)의 외주에 잇따라서 형성된 연소가스를 도입하는 공간(대략 연소가스도입관)(13)의 하류단이 접속됨과 동시에 연소가스통로출구(12)에는 엔진 본체(1)의 내부에 뻗은 연소가스를 배출하는 공간(대략 연소가스배출관)(14)의 상류단이 접속되어 있다.
열 교환기(2)의 각 공기통로(5)는, 도 1에 있어서의 우측상 및 좌측하에 저온유체통로입구로서의 공기통로입구(15) 및 저온유체통로출구로서의 공기통로출구(16)를 구비하고 있어, 공기통로입구(15)에는 후부 외부하우징(9)의 내주에 잇따라서 형성된 공기를 도입하는 공간(대략 공기도입관)(17)의 하류단이 접속됨과 동시에, 공기통로출구(16)에는 엔진본체(1)의 내부에 뻗는 공기를 배출하는 공간(대략 공기배출관)(18)의 상류단이 접속되어 있다.
이와 같이 하여, 도 3, 도 4 및 도 9에 도시한 바와 같이, 연소가스와 공기 등이 서로 역방향으로 흘러서 또한 서로 교차하게 되어, 열 교환 효율이 높은 대량 흐름 또는 이른바 교차 흐름이 실현된다. 즉, 고온유체와 저온유체를 상호 역방향으로 흐르게 함에 따라, 그 유로의 전체길이에 걸쳐서 고온유체 및 저온유체사이의 온도차를 보전하여, 열 교환 효율을 향상되게 할 수 있다.
그리하여, 터어빈을 구동한 연소가스의 온도는 연소가스통로입구(11…)에 있어서 약 600∼700℃이며, 그 연소가스가 연소가스통로(4…)를 통과하는 경우에 공기와의 사이에서 열 교환을 함에 따라, 연소가스통로출구(12…)에 있어서 약 300∼400℃까지 냉각된다. 한편, 컴프레서에 의하여 압축된 공기의 온도는 공기통로입구(15…)에 있어서 약 200∼300℃이며, 그 공기가 공기통로(5…)를 통과하는 경우에 연소가스와의 사이에서 열 교환을 함에 따라, 공기통로출구(16…)에 있어서 약 500∼600℃까지 가열된다.
다음으로, 열 교환기(2)의 구조를 도 3∼도 8을 참조하면서 설명한다.
도 3, 도 4 및 도 7에 도시한 바와 같이, 열 교환기(2)의 모듀울(21)은 스테인레스등의 금속박판을 소정의 형상으로 미리 커트한 다음, 그 표면에 프레스 가공함에 따라 요철을 한 절판소재(21)로 제조된다. 절판소재(21)는, 제1전열판(S1…) 및 제2전열판(S2…)을 번갈아 배치한 것으로서, 산접기선(L1) 및 골접기선(L2)을 통하여 꼬불꼬불 꺾인 형상으로 절곡하게 된다. 여기서, 산접기라 함은 지면의 자기앞쪽으로 향하여 볼록(凸)하게 접는 것이고, 골접기라 함은 지면의 상대편쪽으로 향하여 볼록하게 접는 것을 말한다. 각 산접기선(L1) 및 골접기선(L2)은 샤아프(sharp)한 직선은 아니고, 제1전열판(S1…) 및 제2전열판(S2…)사이에 일정한 공간을 형성하기 위하여 실제에는 원호형상의 접기선, 또는 평행 또한 인접한 2개의 접기선으로 되어 있다.
각 제1, 제2전열판(S1, S2)에는, 간격이 같지 않게 배치된 다수의 제1돌기(22…)와 제2돌기(23…)가 프레스 성형된다. 도 7에 있어서 Ｘ표로 도시한 제1돌기(22…)는 지면의 자기앞쪽으로 향하여 돌출함과 동시에, Ｏ표로 도시한 제2돌기(23 …)는 지면의 상대편쪽으로 향하여 돌출하였고, 이것들은 번갈아(즉, 제1돌기(22…)끼리 또는 제2돌기(23…)끼리가 연속하지 않도록) 배열되어 있다.
각 제1, 제2전열판(S1, S2)의 산형으로 절단된 전단부 및 후단부에는, 도 7에서 지면의 자기앞쪽으로 향하여 돌출한 제1볼록부(凸部)(24F…, 24R…)와, 지면의 상대편쪽으로 향하여 돌출한 제2볼록부(25F…, 25R…)가 프레스 성형된다. 제1전열판(S1) 및 제2전열판(S2)의 어느 것에 대하여도, 전후 한 쌍의 제1볼록부(24F, 24R)가 대각위치에 배치되고, 전후 한 쌍의 제2볼록부(25F, 25R)가 다른 대각위치에 배치되어 있다.
더구나, 도 3에 도시한 제1전열판(S1)의 제1돌기(22…), 제2돌기(23…), 제1볼록부(24F…, 24R…) 및 제2볼록부(25F…, 25R…)는 도 7에 도시한 제1전열판(S1)과 요철(凹凸)관계가 반대로 되어 있으나, 이것은 도 3이 제1전열판(S1)이 이면측으로부터 본 상태로 도시하고 있기 때문이다.
도 5∼도 7을 참조하면 명백한 바와 같이 절판(折板)소재(21)의 제1전열판(S1…) 및 제2전열판(S2…)을 산접기선(L1)으로 절곡하여서 양 전열판(S1…, S2…)사이에 연소가스통로(4…)를 형성할 때, 제1전열판(S1)의 제2돌기(23…)의 선단과 제2전열판(S2)의 제2돌기(23…)의 선단이 서로 맞닿아서 납땜된다. 또, 제1전열판(S1)의 제2볼록부(25F, 25R)와 제2전열판(S2)의 제2볼록부(25F, 25R)가 서로 맞닿아서 납땜되며, 도 3에 도시한 연소가스통로(4)의 좌측하부분 및 우측상부분을 폐쇄함과 동시에, 제1전열판(S1)의 제1볼록부(24F, 24R)와 제2전열판(S2)의 S2)의 제1볼록부(24F, 24R)가 틈새를 두고 서로 대향하여, 도 3에 도시한 연소가스통로(4)의 좌측상부분 및 우측하부분에 각기 연소가스통로입구(11) 및 연소가스통로출구(12)를 형성한다.
절판소재(21)의 제1전열판(S1…) 및 제2전열판(S2…)을 골접기선(L2)으로 절곡하여서 양 전열판(S1…, S2…)사이에 공기통로(5…)를 형성할 때, 제1전열판(S1)의 제1돌기(22…)의 선단과 제2전열판(S2)의 제1돌기(22…)의 선단이, 서로 맞닿아서 납땜된다. 또, 제1전열판(S1)의 제1볼록부(24F, 24R)와 제2전열판(S2)의 제1볼록부(24F, 24R)가 서로 맞닿아서 납땜되어, 도 4에 도시한 공기통로(5)의 좌측상부분 및 우측하부분을 폐쇄함과 동시에, 제1전열판(S1)의 제2볼록부(25F, 25R)와 제2전열판(S2)의 제2볼록부(25F, 25R)가 틈새를 두고 서로 대향하여, 도 4에 도시한 공기통로(5)의 우측상부분 및 좌측하부분에 각기 공기통로입구(15) 및 공기통로출구(16)를 형성한다.
도 6의 상측(반지름방향 바깥쪽)에는, 제1볼록부(24F…)에 의하여 공기통로(5…)가 폐쇄된 상태를 나타내고 있으며, 하측(반지름방향 바깥쪽)에는, 제2볼록부(25F…)에 의하여 연소가스통로(4…)가 폐쇄된 상태를 나타내고 있다.
제1돌기(22…) 및 제2돌기(23…)는 개략 원뿔대형상을 하고 있으며, 그것들의 선단부는 납땜강도를 높이도록 서로 면접촉한다. 또 제1볼록부(24F…, 24R…) 및 제2볼록부(25F…, 25R…)도 개략 사다리꼴의 단면을 하고 있어, 그것들 선단부도 납땜강도를 높이도록 서로 면접촉한다.
도 5로부터 명백한 바와 같이, 공기통로(5…)의 반지름방향 내주부분은 절판소재(21)의 절곡부(골접기선 L2)에 상당하므로 자동적으로 폐쇄되나, 공기통로(5…)의 반지름방향 외주부분은 개방되어 있으며, 그 개방부가 외부케이싱(6)에 납땜되어서 폐쇄되어 있다. 한편, 연소가스통로(4…)의 반지름방향 외주부분은 절판소재(21)의 절곡부(산접기선 L1)에 상당하므로 자동적으로 폐쇄되지만, 연소가스통로(4…)의 반지름방향 내주부분은 개방되어 있어, 그 개방부가 내부케이싱(7)에 납땜되어 폐쇄되어 있다.
절판소재(21)를 꼬불꼬불 꺾인 형상으로 절곡하였을 때에 인접하는 산접기선(L1)끼리가 직접 접촉하는 일은 없으나, 제1돌기(22…)가 서로 접촉함에 따라, 상기 산접기선(L1) 서로의 간격이 일정하게 유지된다. 또 인접하는 골접기선(L2)끼리가 직접 접촉하는 일은 없으나, 제2돌기(23…)가 서로 접촉함에 따라 상기 골접기선(L2) 서로의 간격이 일정하게 유지된다.
상기 절판소재(21)를 꼬불꼬불 꺾인 형상으로 절곡하여서 열 교환기(2)의 모듀울(21)을 제작할 때, 제1전열판(S1…) 및 제2전열판(S2…)은 열 교환기(2)의 중심으로부터 방사상으로 배치되어 있다. 따라서, 인접하는 제1전열판(S1…) 및 제2전열판(S2…)사이의 거리는 외부케이싱(6)에 접하는 반지름방향 외주부에서 최대, 또한 내부케이싱(7)에 접하는 반지름방향 내주부에서 최소로 된다. 이 때문에, 상기 제1돌기(22…), 제2돌기(23…), 제1볼록부(24F, 24R) 및 제2볼록부(25F, 25R)의 높이는 반지름방향 내측에서 외측으로 향하여 점증하고 있으며, 이에 따라 제1전열판(S1…) 및 제2전열판(S2…)을 정확하게 방사상으로 배치할 수 있다(도 5 및 도 6 참조).
상술한 방사상의 절판구조를 채용함에 따라, 외부케이싱(6) 및 내부케이싱(7)을 같은 중심으로 위치 결정하여, 열 교환기(2)의 축대칭성을 정밀하게 보전할 수 있다.
열 교환기(2)를 통일 구조의 4개의 모듀울(21…)의 조합으로 구성함에 따라, 제조의 용이화 및 구조의 간략화가 가능하게 된다. 또, 절판소재(21)를 방사상 또한 꼬불꼬불 꺾인 형상으로 절곡하여서 제1전열판(S1…) 및 제2전열판(S2…)을 연속하여 형성함에 따라, 1장씩 독립한 다수의 제1전열판(S1…)과 1장씩 독립한 다수의 제2전열판(S2…)을 번갈아 납땜하는 경우에 비하여, 부품점수 및 납땜개소를 대폭 삭감할 수 있을 뿐 아니라 완성한 제품의 치수정밀도를 높일 수 있다.
도 5로부터 명백한 바와 같이, 열 교환기(2)의 모듀울(21…)을 접합면(3…)(도 2 참조)에서 서로 접합할 때, 산접기선(L1)을 넘어서 J자형상으로 절곡한 제1전열판(S1…)의 끝가장자리와 산접기선(L1)의 자기앞에서 직선형상으로 절단한 제2전열판(S2…)의 끝가장자리가 겹쳐져서 납땜된다. 상기 구조를 채용함에 따라, 인접하는 모듀울(21…)을 접합하기 위하여 특별한 접합부재가 불필요하며, 또, 절판소재(21)의 두께를 바꾸는 등의 특별한 가공이 불필요하므로, 부품점수나 가공코스트가 삭감될 뿐 아니라, 접합부에 있어서의 열량의 증가를 회피할 수 있다. 게다가, 연료가스통로(4…)도 아니고 공기통로(5…)도 아닌 무효공간이 발생하지 않으므로 유료저항의 증가가 최소한으로 억제되어서 열 교환 효율의 저하를 초래할 염려도 없다.
가스터어빈엔진(E)의 운전중에, 연소가스통로(4…)의 압력은 비교적 저압으로되고, 공기통로(5…)의 압력은 비교적 고압으로 되기 때문에, 그 압력차에 의하여 제1전열판(S1…) 및 제2전열판(S2…)에 만곡하중이 작용하나, 서로 맞닿아서 납땜된 제1돌기(22…) 및 제2돌기(23…)에 의하여, 상기 하중에 견딜 수 있는 충분한 강성을 얻을 수 있다.
또, 제1돌기(22…) 및 제2돌기(23…)에 의하여 제1전열판(S1…) 및 제2전열판(S2…)의 표면적(즉, 연소가스통로(4…) 및 공기통로(5…)의 표면적)이 증가하고, 게다가 연소가스 및 공기의 흐름이 교반되므로 열 교환 효율의 향상이 가능하게 된다.
그런데, 연소가스통로(4…) 및 공기통로(5…)사이의 열전달량을 나타내는 전열단위수(Ntu)는
Ntu=(k×A)/〔C×(dm/dt)〕…(1)
에 의하여 주어진다.
상기 (1)식에 있어서, K는 제1전열판(S1…) 및 제2전열판(S2…)의 열통과율, A는 제1전열판(S1…) 및 제2전열판(S2…)의 면적(전열면적), C는 유체의 비열, dm/dt는 상기 전열면적을 흐르는 유체의 질량유량이다. 상기 전열면적(A) 및 비열(C)은 정수이지만, 상기 열통과율(K) 및 질량유량(dm/dt)은 인접하는 제1돌기(22…)사이, 또는 인접하는 제2돌기(23…)사이의 피치(P)(도 5 참조)의 함수로 된다.
전열단위수(Ntu)가 제1전열판(S1…) 및 제2전열판(S2…)의 반지름방향으로 변화하면, 제1전열판(S1…) 및 제2전열판(S2…)의 온도분포가 반지름방향으로 불균일하게 되어서 열 교환 효율이 저하할 뿐 아니라, 제1전열판(S1…) 및 제2전열판(S2…)이 반지름방향으로 불균일하게 열팽창하여 바람직하지 않은 열변형력이 발생한다. 그리하여, 제1돌기(22…) 및 제2돌기(23…)의 반지름방향의 배열피치(P)를 적절히 설정하고, 전열단위수(Ntu)가 제1전열판(S1…) 및 제2전열판(S2…)의 반지름방향 각 부위에서 일정하게 되도록하면, 상기 각 문제를 해소할 수 있다.
도 10A에 도시한 바와 같이 상기 피치(P)를 열 교환기(2)의 반지름방향으로 일정하게 하였을 경우, 도 10B에 도시한 바와 같이 전열단위수(Ntu)는 반지름방향 내측부분에서 크고, 반지름방향 외측부분에서 작아지므로, 도 10C에 도시한 바와 같이 제1전열판(S1…) 및 제2전열판(S2…)의 온도분포도 반지름방향 내측부분에서높고, 반지름방향 바깥쪽부분에서 낮아져버린다. 한편, 도 11A에 도시한 바와 같이 상기 피치(P)를 열 교환기(2)의 반지름방향 안쪽부분에서 크고, 반지름방향 바깥쪽부분에서 작아지도록 설정하면, 도 11B 및 도 11C에 도시한 바와 같이 전열단위수(Ntu) 및 온도분포를 반지름방향으로 대략 일정하게 할 수 있다.
도 3∼도 5로부터 명백한 바와 같이, 본 실시예의 열 교환기(2)에서는, 그 반지름방향 내측부분에 제1돌기(22…) 및 제2돌기(23…)의 반지름방향의 배열피치(P)가 큰 영역이 설정됨과 동시에, 그 반지름방향 외측부분에 제1돌기(22…) 및 제2돌기(23…)의 반지름방향의 배열피치(P)가 작은 영역이 설정된다. 이에따라 제1전열판(S1…) 및 제2전열판(S2…)의 전체영역에 걸쳐서 전열단위수(Ntu)를 대략 일정하게하여, 열 교환 효율의 향상과 열변형력의 경감이 가능하게 된다.
또한, 열 교환기의 전체 형상이나 제1돌기(22…) 및 제2돌기(23…)의 형상이 다르다면 열통과율(K) 및 질량유량(dm/dt)도 변화하므로, 적절한 피치(P)의 배열도 본 실시예와 같지 않게 된다. 따라서, 본 실시예와 같이 피치(P)가 반지름방향 바깥쪽으로 향하여 점감하는 경우 이외에, 반지름방향 바깥쪽으로 향하여 점증하는 경우도 있다. 그러나, 상기 (1)식이 성립하도록한 피치(P)의 배열을 설정하면, 열 교환기의 전체 형상이나 제1돌기(22…) 및 제2돌기(23…)의 형상에 관계없이, 상기 작용효과를 얻을 수 있다.
도 3 및 도 4로부터 명백한 바와 같이, 열 교환기(2)의 전단부 및 후단부에서 제1전열판(S1…) 및 제2전열판(S2…)이 각기 긴변 및 짧은변을 구비한 같지 않은 길이의 산형으로 커트되어 있으며, 전단측 및 후단측의 긴변에 잇따라서 각기 연소가스통로입구(11) 및 연소가스통로출구(12)가 형성됨과 동시에, 후단측 및 전단측의 짧은변에 잇따라서 각기 공기통로입구(15) 및 공기통로출구(16)가 형성되어 있다.
이와 같이, 열 교환기(2)의 전단부에 있어서 산형의 2변에 잇따라서 각기 연소가스통로입구(11) 및 공기통로출구(16)를 형성함과 동시에, 열 교환기(2)의 후단부에서 산형의 2변에 잇따라서 각기 연소가스통로출구(12) 및 공기통로입구(15)를 형성하고 있으므로, 열 교환기(2)의 전단부 및 후단부를 산형으로 커트하지 않고 상기 입구(11, 15) 및 출구(12, 16)를 형성하였을 경우에 비하여, 그것들 입구(11, 15) 및 출구(12, 16)에 있어서의 유로단면적을 크게 확보하여 압력손실을 최소한으로 억제할 수 있다. 또한, 상기 산형의 2변에 잇따라서 입구(11, 15) 및 출구(12, 16)를 형성하였으므로, 연소가스통로(4…) 및 공기통로(5…)에 출입하는 연소가스나 공기의 유로를 매끄럽게 하여 압력손실을 더욱 감소시킬 수 있을 뿐 아니라, 입구(11, 15) 및 출구(12, 16)로 이어지는 도관을 유로를 급격하게 굴곡시키지 않고 축방향으로 잇따라서 배치하여, 열 교환기(2)의 반지름방향 치수를 소형화 할 수 있다.
그런데, 공기통로입구(15) 및 공기통로출구(16)를 통과하는 공기의 체적유량에 비하여, 그 공기에 연료를 혼합하여 연소되게 하고, 다시금 터어빈으로 팽창시켜서 압력이 떨어진 연소가스의 체적유량은 커진다. 본 실시예에서는, 상기한 바 길이가 같지 않은 산형에 의하여, 체적유량이 작은 공기가 통과하는 공기통로입구(15) 및 공기통로출구(16)의 길이를 짧게 하고, 체적유량이 큰 연소가스가 통과하는 연소가스통로입구(11) 및 연소가스통로출구(12)의 길이를 길게 하여, 이에 따라서 연소가스의 유속을 상대적으로 저하시켜서 압력손실의 발생을 보다 효과적으로 회피할 수 있다.
나아가서 또, 산형으로 형성한 열 교환기(2)의 전단부 및 후단부의 선단의 단면에 끌판(8, 10)을 납땜하였으므로, 납땜면적을 최소한으로 납땜 불량에 의한 연소가스나 공기누출의 가능성을 감소시킬 수 있으며, 게다가 입구(11, 15) 및 출구(12, 16)의 개구면적의 감소를 억제하면서, 그 입구(11, 15) 및 출구(12, 16)를 간단히 또한 확실하게 칸막이하는 것이 가능하게 된다.
다음에, 도 12에 기초하여 본 발명의 제2실시예를 설명한다.
제2실시예는, 제1접기선(L1)에 있어서 절곡된 제1전열판(S1) 및 제2전열판(S2)의 끝가장자리부를 각기 반지름방향 안쪽으로 향하여 연장한 평판형의 연장부(26, 26)를 형성하고, 양 연장부(26, 26)를 서로 맞닿게 하여 납땜함과 동시에, 그것들의 외측면에 상기 제1전열판(S1) 및 제2전열판(S2)으로부터 돌출하는 제2돌기(23…)를 납땜한 구조를 구비하였다.
이 제2실시예에 의하면, 2장 겹쳐진 평판형의 연장부(26, 26)에 의하여 각 모듀울(21…)의 단면을 보강하여, 접합부에 있어서의 제1전열판(S1) 및 제2전열판(S2)의 변형을 방지할 수 있다.
다음에, 도 13에 따라서 본 발명의 제3실시예를 설명한다.
제3실시예는, 열 교환기(2)의 모듀울(21…)을 접합면(3…)(도 2 참조)에 있어서 서로 접합할 때, 골접기선(L2)의 자기앞 위치에서 제1전열판(S1…) 및 제2전열판(S2…)을 절단하여, 서로 대향하는 제1전열판(S1) 및 제2전열판(S2) 사이에 칸막이판(27)을 끼워두어 납땜한다. 이때, 칸막이판(27)의 내주단의 양면에 한쌍의 링형상 스페이서(28, 28)가 고정되어 있으며, 그것들 링형상 스페이서(28, 28)의 바깥면에 제1전열판(S1) 및 제2전열판(S2)의 끝가장자리가 맞닿아서 납땜됨과 동시에, 칸막이판(27)의 양면에 제1전열판(S1) 및 제2전열판(S2)의 제1돌기(22…)가 맞닿아서 납땜하게 된다.
모듀울(21…)의 부착은 다음과 같은 차례로 하게 된다. 먼저, 링형상 스페이서(28, 28)를 일체로 구비한 칸막이판(27)의 반지름방향 내단을 미리 내부케이싱(7)에 고정하며, 또한 반지름방향 외단을 도면에 없는 지그(jig)로 클램프함으로써, 4장의 칸막이판(27…)을 90°간격으로 열 교환기(2)의 반지름방향으로 위치결정한다. 이어서, 4장의 칸막이판(27…)사이에 4개의 모듀울(21…)을 삽입하고, 그것들 끝가장자리를 칸막이판(27…)의 양면에 맞닿게 하고, 그 상태에서 납땜함에 따라 외부케이싱(6), 내부케이싱(7), 칸막이판(27…) 및 모듀울(21…)을 일체화한다.
반지름방향으로 잇따르도록 위치결정한 칸막이판(27…)을 가이드로하여 4개의 모듀울(21…)을 부착하고 있으므로, 각 모듀울(21…)의 제1전열판(S1…) 및 제2전열판(S2…)을 정확하게 방사상으로 정렬되게 할 수 있을뿐 아니라, 칸막이판(27…)의 양면에 모듀울(21…)을 동시에 납땜할 수 있으므로 작업성이 향상한다. 게다가 얇은 판체로 된 칸막이판(27…)을 부가한 것 뿐이므로 접합부에 있어서의 열량의 증가가 최소한으로 억제되었고, 또한 칸막이판(27…)의 양측면에 제1전열판(S1) 및 제2전열판(S2)의 제1돌기(22…) 또는 제2돌기(23…)를 납땜하고 있으므로, 제1돌기(22…)끼리 또는 제2돌기(23…)끼리를 직접 납땜할 필요가 없게 되어, 치수 오차에 의한 제1돌기(22…) 또는 제2돌기(23…)의 위치가 어긋남을 흡수할 수 있다. 또, 연소가스통로(4…)도 아니며 공기통로(5…)도 아닌 무효공간이 발생하지 않으므로, 열 교환 효율의 저하를 초래할 염려도 없다.
다음에, 도 14에 따라서 본 발명의 제4실시예를 설명한다.
제4실시예는, 반지름방향 외단이 J자형상으로 만곡한 2장의 칸막이판(27, 27)을 구비할 수 있는 것으로, 그것들 칸막이판(27, 27)의 반지름방향 외단은 한편의 모듀울(21)의 제1전열판(S1)의 끝가장자리와, 다른편의 모듀울(21)의 제2전열판((S2)의 끝가장자리로 접합된다. 2장의 칸막이판(27, 27)은 서로 접합되어서 반지름방향 안쪽으로 뻗어서, 그 양면에 제1전열판(S1) 및 제2전열판(S2)의 제2돌기(23…)가 접속되어 있다. 모듀울(21…)의 부착에 앞서서, 칸막이판(27, 27)의 반지름방향 외단을 미리 외부케이싱(6)에 고정하며, 또한 반지름방향 내단을 도면에 없는 지그(jig)로 클램프함으로서, 4쌍의 칸막이판(27…)이 90°간격으로 열 교환기(2)의 반지름방향으로 위치결정된다.
다음에, 도 15에 따라서 본 발명의 제5실시예를 설명한다.
제5실시예는, 약간 두꺼운 칸막이판(27)을 1장 구비한 것으로, 그 칸막이판(27)의 양면에 제2돌기(23…)를 접합한 제1전열판(S1) 및 제2전열판(S2)의 반지름방향 외단은, 각기 J자형상으로 만곡하여 서로 접합되어 있다. 모듀울(21…)의 부착시에, 4장의 칸막이판(27…)은 도면에 없는 지그(jig)에 의하여 외부케이싱(6) 및 내부케이싱(7)사이에 반지름방향으로 위치결정되어, 그 상태에서 4개의 모듀울(21…)이 4장의 칸막이판(27…)사이에 접합되어 있다.
상기 제4실시예 및 제5실시예에 의하여도, 상기 제3실시예와 같은 작용효과를 성취할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예를 상세히 설명하였으나, 본 발명은 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러가지의 설계변경을 할 수 있다.
예컨대, 실시예에서는 가스터어빈엔진(E)용의 열 교환기(2)를 예시하였으나, 본 발명은 그 밖의 용도의 열 교환기에 대하여도 적용할 수 있다. 또 청구항 1에 기재된 발명은 제1전열판(S1…) 및 제2전열판(S2…)을 방사상으로 배치한 열 교환기(2)에 한정하지 않고, 그것들을 평행으로 배치한 열 교환기에 대하여도 적용할 수 있다. 또 실시예에서는 열 교환기(2)를 4개의 모듀울(21…)로 분할하고 있으나, 그 분할개수는 실시예에 한정하는 것은 아니다.

Claims (3)

  1. 여러개의 제1전열판(S1) 및 여러개의 제2전열판(S2)을 산ㆍ골접기선(L1, L2)을 통하여 번갈아 연설하여서 된 절판소재(21)를 상기 산ㆍ골접기선(L1, L2)에서 꼬불꼬불 꺾인 형상으로 절곡하여서 인접하는 제1전열판(S1) 및 제2전열판(S2)사이에 고온유체통로(4) 및 저온유체통로(5)를 번갈아 형성하고, 제1전열판(S1) 및 제2전열판(S2)의 유로방향 양단부를 각기 2개의 끝가장자리를 구비한 산형으로 절단하고, 고온유체통로(4)의 유로방향 일단부에서 상기 한편의 산형의 2개의 끝가장자리의 한편을 폐쇄하고 다른편을 개방함에 따라 고온유체통로입구(11)를 형성함과 동시에, 고온유체통로(4)의 유로방향 타단부에서 상기 다른편의 산형의 2개의 끝가장자리의 한편을 폐쇄하고 다른편을 개방함에 따라 고온유체통로출구(12)를 형성하며,
    또한, 저온유체통로(5)의 유로방향 일단부에서 상기 다른편의 산형의 2개의 끝가장자리의 다른편을 폐쇄하고 한편을 개방함으로서 저온유체통로입구(15)를 형성함과 동시에, 저온유체통로(5)의 유로방향 타단부에서 상기 한편의 산형의 2개의 끝가장자리의 다른편을 폐쇄하고 한편을 개방함에 따라 저온유체통로출구(16)를 형성하여서 된 열 교환기에 있어서,
    고온유체통로출입구(11, 12) 및 저온유체통로출입구(15, 16)에 발생하는 압력손실의 합을 최소한으로 억제하도록, 상기 각 산형의 2개의 끝가장자리를 길이가 같지 않게 하여, 고온유체통로출입구(11, 12)에 있어서의 유체의 유속을 저감한 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  2. 반지름방향 외부케이싱(6) 및 반지름방향 내부케이싱(7)사이에 구획 형성한 링형상의 공간에 축방향으로 뻗은 고온유체통로(4) 및 저온유체통로(5)를 원주방향으로 번갈아 형성하여서 된 열 교환기로서,
    여러개의 제1전열판(S1) 및 여러개의 제2전열판(S2)을 산ㆍ골접기선(L1, L2)을 통하여 번갈아 연설하여서 된 여러개의 절판소재(21)를 상기 산ㆍ골접기선(L1, L2)에 있어서 꼬불꼬불 꺾인 형상으로 절곡하여서 여러개의 모듀울(21)을 형성하고, 이것들 여러개의 모듀울(21)을 원주방향으로 접속함에 따라, 상기 반지름방향 외부케이싱(6) 및 반지름방향 내부케이싱(7)사이에 방사상으로 배치된 상기 제1전열판(S1) 및 제2전열판(S2)에 의하여 상기 고온유체통로(4) 및 저온유체통로(5)를 원주방향으로 번갈아 형성하고, 또한 상기 고온유체통로(4)의 축방향 양단부에 개구하도록 고온유체통로입구(11) 및 저온유체통로출구(12)를 형성함과 동시에, 상기 저온유체통로(5)의 축방향 양단부에 개구하도록 저온유체통로입구(15) 및 저온유체통로출구(16)를 형성하여서 된 열 교환기에 있어서,
    원주방향으로 인접하는 모듀울(21)을 구성하는 절판소재(21)의 끝가장자리끼리를 직접 접촉시켜서 접합한 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  3. 반지름방향 외부케이싱(6) 및 반지름방향 내부케이싱(7)사이에 구획 형성한 링형상의 공간에, 축방향으로 뻗은 고온유체통로(4) 및 저온유체통로(5)를 원주방향으로 번갈아 형성하여서 된 열 교환기로서,
    여러개의 제1전열판(S1) 및 여러개의 제2전열판(S2)을 산ㆍ골접기선(L1, L2)에 있어서 꼬불꼬불 꺾인 형상으로 절곡하여서 여러개의 모듀울(21)을 형성하여, 이것들 여러개의 모듀울(21)을 원주방향으로 접속함에 따라, 상기 반지름방향 외부케이싱(6) 및 반지름방향 내부케이싱(7)사이에 방사상으로 배치된 상기 제1전열판(S1) 및 제2전열판(S2)에 의하여 상기 고온유체통로(4) 및 저온유체통로(5)를 원주방향으로 번갈아 형성하고, 또한 상기 고온유체통로(4)의 축방향 양단부에 개구하도록 고온유체통로입구(11) 및 저온유체통로출구(12)를 형성함과 동시에, 상기 저온유체통로(5)의 축방향 양단부에 개구하도록 저온유체통로입구(15) 및 저온유체통로출구(16)를 형성하여서 된 열 교환기에 있어서,
    반지름방향 외부케이싱(6) 및 반지름방향 내부케이싱(7)사이에 칸막이판(27)을 반지름방향으로 배치하여, 이 칸막이판(27)의 양 측면에 모듀울(21)을 구성하는 절판소재(21)의 끝가장자리를 접합한 것을 특징으로 하는 열 교환기.
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