KR100328276B1

KR100328276B1 - 열 교환기

Info

Publication number: KR100328276B1
Application number: KR1019997003289A
Authority: KR
Inventors: 가미오준이치; 쓰노다다다시
Original assignee: 가와모토 노부히코; 혼다 기켄 고교 가부시키가이샤
Priority date: 1996-10-17
Filing date: 1997-10-17
Publication date: 2002-03-16
Also published as: CA2268706A1; EP0977000A1; CN1234107A; EP0977000B1; CN1109875C; DE69717679T2; KR20000049191A; EP0977000A4; US6102111A; BR9712341A; DE69717679D1; JPH10122768A; WO1998016787A1; CA2268706C

Abstract

열 교환기(2)의 여러개의 전열판(S1, S2)의 단면에 납땜한 끝판(8)에 의하여 연소가스통로입구(11) 및 공기통로출구(16)사이를 칸막이하는 격벽을 구성하였을 경우, 연소가스 및 공기의 압력차로 상기 끝판(8)에 작용하는 하중(F)에 의하여 상기 납땜부분의 내구성이 저하함을 방지한다. 그 때문에 전열판(S1, S2)의 단면에 접합기판(26)을 납땜하여, 끝판(8)의 단부를 직각으로 굴곡시켜서 형성한 접합플랜지(28)의 후면을 접합기판(26)의 전면에 납땜함과 동시에, 단면이 L자 형상인 접합플랜지(27)를 끝판(8)의 하면 및 접합기판(26)의 전면에 납땜한다. 이에 따라, 접합부의 강성이 높아져서 변형력 집중이 완화되어, 내구성이 향상한다.

Description

열 교환기{HEAT EXCHANGER}

여러개의 전열판을 일정한 간격을 두고 평행으로 배치하여, 그것들 여러개의 전열판의 단면에 판을 납땜하여 유체통로를 형성하는 열 교환기로서, 일본국 실개평 4-82857공보, 특개소 58-205091공보에 기재된 것이 공지되어 있다.

그런데, 여러개의 전열판의 단면에 납땜한 판에 의하여 연소가스통로출입구 및 공기통로출입구사이를 칸막이하는 격벽을 구성하였을 경우, 연소가스 및 공기의 압력차에 의하여 상기 판에 하중이 작용하기 때문에, 그 판과 전열판의 단면과의 납땜부분에 변형력이 집중하여 내구성이 저하하는 가능성이 있다.

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 12는 본 발명의 제1실시예를 도시한 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 절판소재의 전개도.

도 8은 열 교환기의 주요부분 사시도.

도 9는 연소가스 및 공기흐름을 도시한 모식도.

도 10A, 도 10B 및 도 10C는 돌기의 피치를 균일하게 하였을 경우의 작용을 설명하는 그래프.

도 11A, 도 11B 및 도 11C는 돌기의 피치를 불균일하게 하였을 경우의 작용을 설명하는 그래프.

도 12는 도 3의 12부 확대도.

도 13A, 13B 및 도 13C는 본 발명의 제2∼제4실시예를 나타낸 상기 도 12에 대응하는 도면.

본 발명은 전술한 사정에 비추어서 이루어진 것으로, 전열판의 단면의 접합부에 변형력이 집중함을 회피하여 내구성을 향상되게 함을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1특징에 의하면, 여러개의 제1전열판 및 여러개의 제2전열판을 산접기선 및 골접기선을 개재하여 번갈아 연설하여서 되는 절판소재를 이 산ㆍ골접기선에서 꼬불꼬불 꺽인 형상으로 절곡하여, 인접하는 산접기선사이의 틈새를 이 산접기선과 외부케이싱과의 접합으로 폐쇄함과 동시에, 인접하는 골접기선사이에 틈새를 이 골접기선과 내부케이싱과의 접합으로 폐쇄하여, 인접하는 상기 제1전열판 및 제2전열판사이에 고온유체통로 및 저온유체통로를 번갈아 형성한 열 교환기로서, 제1전열판 및 제2전열판의 유로방향 양단부를 2개의 끝가장자리를 구비한 산형으로 절단하고, 고온유체통로의 유로방향 일단부에서 상기 2개의 끝가장자리의 한편을 폐쇄하고 다른편을 개방함으로서 고온유체통로입구를 형성함과 동시에, 고온유체통로의 유로방향 타단부에서 상기 2개의 끝가장자리의 한편을 폐쇄하고 다른편을 개방함에 따라 고온유체통로출구를 형성하며, 저온유체통로의 유로방향 타단부에서 상기 2개의 끝가장자리의 다른편을 폐쇄하고 한편을 개방함으로써 저온유체통로입구를 형성함과 동시에, 저온유체통로의 유로방향 일단부에서 상기 2개의 끝가장자리의 다른편을 폐쇄하고 한편을 개방함에 따라 저온유체통로출구를 형성하며, 또한 유로방향 일단측의 산형의 정점부분에 칸막이판을 접합하여 상기 고온유체통로입구 및 저온유체통로출구사이를 칸막이함과 동시에, 유로방향 타단측의 산형의 정점부분에 칸막이판을 접합하여 상기 저온유체통로입구 및 고온유체통로출구사이를 칸막이하여서 된 열 교환기에 있어서, 유로방향 일단측의 산형의 정점부분과 칸막이판과의 접합부 및/또는 유로방향 타단측의 산형의 정점부분과 칸막이판과의 접합부가, 유로방향과 직교하는 방향으로 배치되어서 상기 정상부분에 접합되는 접합기판에 유로방향으로 뻗은 칸막이판의 단부에서 2갈래로 분기하여 유로방향과 직교하는 방향으로 뻗은 한쌍의 접합플랜지를 면접촉시켜서 일체로 접합하여서 된 것을 특징으로 하는 열 교환기가 제안되었다.

상기 구성에 의하면, 양면에 각기 고압의 저온유체 및 저압의 고온유체가 접촉하는 칸막이판에 압력차에 의한 하중이 작용하면, 칸막이판과 산형의 정점부분과의 접합부에 변형력이 집중하나, 상기 접합부는 유로방향과 직교하는 방향으로 배치되어서, 상기 정점부분에 접합되는 접합기판과, 유로방향으로 뻗은 칸막이판의 단부에서 2갈래로 분기하여 유로방향과 직교하는 방향으로 뻗는 한쌍의 접합플랜지를 면접촉시켜서 일체로 접합한 구조에 의하여 강성이 높아져 있으므로, 상기 변형력 집중에 견딜 수 있다. 게다가, 청구항 1에 기재된 발명에 있어서, 접합기판, 접합플랜지 및/또는 칸막이판을 동일부재로 구성하여도 별도부재로 구성하여도 좋다.

또, 본 발명의 제2특징에 의하면, 상기 제1특징에 더하여 칸막이판과, 접합기판과, 적어도 한편의 접합플랜지를 동일부재로 구성한 것을 특징으로 하는 열 교환기가 제안되었다.

상기 구성에 의하면, 칸막이판과, 접합기판과 적어도 한편의 접합플랜지를 동일부재로 구성하였으므로, 그것들을 별도부재로 구성하여 접합하는 경우에 비하여, 접합 공정수가 저하할 뿐 아니라, 접합부의 강성을 증가시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 실시형태를 첨부도면에 도시한 본 발명의 실시예에 따라서 설명한다.

도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 가스터어빈엔진(E)은, 도면에 없는 연소기, 컴프레서, 터어빈등을 내부에 수납한 엔진본체(1)를 구비하고 있으며, 이 엔진본체(1)의 외주를 둘러싸도록 링형상의 열 교환기(2)가 배치되어 있다. 열 교환기(2)는 90°의 중심각을 구비한 4개의 모듀울(2₁…)을 접합면(3…)을 끼워서 원주방향으로 배열한 것으로, 터어빈을 통과한 비교적 고온의 연소가스가 통과하는 고온유체통로로서의 연소가스통로(4…)와, 컴프레서로 압축된 비교적 저온의 공기가 통과하는 저온유체통로로서의 공기통로(5…)등이, 원주방향으로 번갈아 형성된다(도 5 및 도 6 참조). 게다가, 도 1에 있어서의 단면은 연소가스통로(4…)에 대응하고 있어, 그 연소가스통로(4…)의 자기앞쪽과 건너편쪽으로 인접하여 공기통로(5…)가 형성된다.

열 교환기(2)의 축선에 잇따른 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 폐쇄된다. 열 교환기(2)의 단면에 있어서의 전단측(도 1의 좌측)은 길이가 같지 않은 산형으로 커트되어 있으며, 그 산형의 정점에 대응하는 단면에 엔진본체(1)의 외주에 이어지는 칸막이판으로서의 끝판(8)이 납땜된다. 또, 열 교환기(2)의 단면에 있어서의 후단측(도 1의 우측)은 길이가 같지 않은 산형으로 커트되어 있으며, 그 산형의 정점에 대응하는 단면에 후부 외부하우징(9)에 이어지는 칸막이판으로서의 끝판(10)이 납땜된다.

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 엔진본체(1)의 내부에 뻗는 연소가스를 배출하는 공간(대략 연소가스배출관)(14)의 상류단이 접속된다.

열 교환기(2)의 각 공기통로(5)는, 도 1에 있어서의 우측상 및 좌측하에 저온유체통로입구로서의 공기통로입구(15) 및 저온유체통로출구로서의 공기통로출구(16)를 구비하고 있으며, 공기통로입구(15)에는 후부 외부하우징(9)의 내주에 잇따라서 형성된 공기를 도입하는 공간(대략 공기도입덕트)(17)의 하류단이 접속됨과 동시에, 공기통로출구(16)에는 엔진본체(1)의 내부에 뻗는 공기를 배출하는 공간(대략 공기배출덕트)(18)의 상류단이 접속된다.

이와 같이하여, 도 3, 도 4 및 도 9에 도시한 바와 같이 연소가스와 공기가 서로 역방향으로 흐르고 또한 서로 교차하게 되어, 열 교환 효율의 높은 대향 흐름 또한 이른바 교차흐름이 실현된다. 즉, 고온유체와 저온유체를 서로 역방향으로 흐르게 함에 따라, 그 유로의 전체길이에 걸쳐서 고온유체 및 저온유체간의 온도차를 크게 유지하여, 열 교환 효율을 향상되게 할 수 있다.

그리고, 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.

다음에, 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 일정한 형상으로 미리 커트한 다음, 그 표면에 프레스 가공함에 따라 요철(凹凸)을 한 절판(折板)소재(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 절곡(折曲)할 수 있다. 여기서, 산접기라 함은 지면의 자기앞쪽으로 향하여 볼록(凸)하게 접는 것을 말하며, 골접기라 함은 지면의 건너편쪽으로 향하여 볼록하게 접는 것을 말한다. 각 산접기선(L₁) 및 골접기선(L₂)은 샤아프한 직선이 아니고, 제1전열판(S1…) 및 제2전열판(S2…)사이에 일정한 공간을 형성하기 위하여 실제에는 원호형상의 접기선, 또는 평행 또한 인접한 2개의 접기선으로 되어있다.

각 제1, 제2전열판(S1, S2)에는, 간격이 같지 않게 배치된 다수의 제1돌기(22…)와 제2돌기(23…)가 프레스 성형된다. 도 7에 있어서 Ｘ표로 나타낸 제1돌기(22…)는 지면의 앞쪽으로 향하여 돌출함과 동시에, Ｏ표로 나타낸 제2돌기(23…)는 지면의 건너편쪽으로 향하여 돌출하고, 그것들은 번갈아(즉, 제1돌기(22…)끼리 또는 제2돌기(23…)끼리 연속하지 않도록) 배열된다.

각 제1, 제2전열판(S1, S2)의 산형으로 커트된 전단부 및 후단부에는, 도 7에 있어서 저면의 자기앞쪽으로 향하여 돌출하는 제1볼록부(24_F…, 24_R…)와 지면의 건너편쪽으로 향하여 돌출하는 제2볼록부(25_F…, 25_R…)등이 프레스 성형된다. 제1전열판(S1) 및 제2전열판(S2)의 어느 것에 관하여도, 전후 한쌍의 제1볼록부(24_F, 24_R)가 대각위치에 배치되어, 전후 한쌍의 제2볼록부(25_F, 25_R)가 다른 대각위치에 배치된다.

게다가, 도 3에 도시한 제1전열판(S1)의 제1돌기(22…), 제2돌기(23…), 제1볼록부(24_F…, 24_R…) 및 제2볼록부(25_F…, 25_R…)는, 도 7에 도시한 제1전열판(S1)과 요철관계가 반대로 되어 있으나, 이것은 도 3이 제1전열판(S1)이 이면측으로부터 본 상태를 나타내고 있기 때문이다.

도 5∼도 7을 참조하면 명백한 바와 같이, 절판소재(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(25_F, 25_R)와 제2전열판(S2)의 제2볼록부(25_F, 25_R)가 서로 맞닿아서 납땜되어, 도 3에 도시한 연소가스통로(4)의 좌측하부분 및 우측상부분을 폐쇄함과 동시에, 제1전열판(S1)의 제1볼록부(24_F, 24_R)와 제2전열판(S2)의 제1볼록부(24_F, 24_R)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(24_F, 24_R)와 제2전열판(S2)의 제1볼록부(24_F, 24_R)가 서로 맞닿아서 납땜되어, 도 4에 도시한 공기통로(5)의 좌측상부분 및 우측하부분을 폐쇄함과 동시에, 제1전열판(S1)의 제2볼록부(25_F, 25_R)와 제2전열판(S2)의 제2볼록부(25_F, 25_R)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(24_F…)에 의하여 공기통로(5…)가 폐쇄된 상태를 나타내고 있으며, 하측(반지름방향 바깥쪽)에는, 제2볼록부(25_F…)에 의하여 연소가스통로(4…)가 폐쇄된 상태를 나타내고 있다.

제1돌기(22…) 및 제2돌기(23…)는 개략 원추대 형상을 구비하고 있으며, 그것들의 선단부는 납땜강도를 높이도록 서로 면접촉한다. 또 제1볼록부(24_F…, 24_R…) 및 제2볼록부(25_F…, 25_R…)도 개략 사다리꼴의 단면을 구비하고 있어 그것들의 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 있어, 그 개방부가 외부케이싱(6)에 납땜되어 폐쇄된다. 한편, 연소가스통로(4…)의 반지름방향 외주부분은 절판소재(21)의 절곡부(산접기선 L₁)에 상당하므로 자동적으로 폐쇄되나, 연소가스통로(4…)의 반지름방향 내주부분은 개방되어 있어, 그 개방부가 내부케이싱(7)에 납땜되어 폐쇄된다.

절판소재(21)를 꼬불꼬불 꺾인 형상으로 절곡하였을 때에 인접하는 산접기선(L₁)끼리 직접 접촉하는 일은 없으나, 제1돌기(22…)가 서로 접촉함에 따라 상기 산접기선(L₁) 서로의 간격이 일정하게 유지된다. 또, 인접하는 골접기선(L₂)끼리 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 중심에서 방사상으로 배치된다. 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(24_F, 24_R) 및 제2볼록부(25_F, 25_R)의 높이는 반지름방향 안쪽에서 바깥쪽으로 향하여 점증하고 있어, 이에 따라 제1전열판(S1…) 및 제2전열판(S2…)을 정확하게 방사상으로 배치할 수 있다(도 5 및 도 6 참조).

상술한 방사상의 절판(折板)구조를 채용함에 따라, 외부케이싱(6) 및 내부케이싱(7)을 같은 중심으로 위치 결정하여, 열 교환기(2)의 축대칭성을 정밀하게 유지할 수 있다.

열 교환기(2)를 동일구조의 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 J자 형상으로 절곡한 제1전열판(S1…)의 끝가장자리와, 산접기선(L₁)의 바로 앞에서 직선상으로 절단한 제2전열판(S2…)의 끝가장자리가 겹쳐져서 납땜된다. 상기 구조를 채용함에 따라, 인접하는 모듀울(2₁…)을 접합하기 위하여 특별한 접합부재가 불필요하고, 또 절판소재(21)의 두께를 바꾸는 등의 특별한 가공이 불필요하므로, 부품점수나 가공코스트가 삭감될 뿐아니라, 접합부에 있어서의 열량의 증가를 회피할 수 있다. 게다가, 연소가스통로(4…)도 아니며 공기통로(5)도 아닌 무효공간이 발생하지 않으므로, 유로저항의 증가가 최소한으로 억제되어서 열 교환 효율의 저하를 초래할 염려도 없다.

가스터어빈엔진(E)의 운전중에, 연소가스통로(4…)의 압력은 비교적 저압으로 되고, 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.

도 12에 도시한 바와 같이, 링형상으로 형성된 접합기판(26)의 후면이 열 교환기(2)의 산형으로 커트된 정점부분에 납땜된다. 끝판(8)의 후단에는 반지름방향 바깥쪽으로 굴곡하는 접합플랜지(28)가 일체로 형성되어 있고, 이 접합플랜지(28)의 후면이 접합기판(26)의 전면에 면접촉하여 납땜된다. 또, 단면이 L자 형상으로 형성된 접합플랜지(27)의 후면이 접합기판(26)의 전면에 면접촉하여 납땜됨과 동시에, 그 상면이 끝판(8)의 후단 하면에 면접촉하여 납땜된다.

이와 같이 끝판(8)과 열 교환기(2)의 산형의 정점부분과의 접합부가, 접합기판(26) 및 2개의 접합플랜지(27, 28)에 의하여 보강되므로, 고압의 공기와 저압의 연소가스와의 압력차에 의하여 끝판(8)에 화살표(F)방향의 하중이 작용하여도, 상기 접합부에의 변형력 집중을 완화하여 내구성을 높일 수 있다. 이때, 2개의 접합플랜지(27, 28)의 굴곡부에 충분히 큰 곡률반지름을 갖게함에 따라, 상기 변형력 집중을 한층 효과적으로 완화할 수 있다.

그런데, 연소가스통로(4…) 및 공기통로(5…)사이의 열 전달량을 나타내는 전열단위수(N_tu)는,

N_tu=(K×A)/[C×(dm/dt)]…(1)

에 의하여 부여된다.

상기 (1)식에 있어서, K는 제1전열판(S1…) 및 제2전열판(S2…)의 열 통과율, 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 정수이나, 상기 열 통과율(K) 및 질량유량(dm/dt)은 인접하는 제1돌기(22…)사이 또는 인접하는 제2돌기(23…)사이의 피치(P)(도 5 참조)의 함수로 된다.

전열단위수(N_tu)가 제1전열판(S1…) 및 제2전열판(S2…)의 반지름방향으로 변화하면, 제1전열판(S1…) 및 제2전열판(S2…)의 온도분포가 반지름방향으로 불균일로 되어서 열 교환 효율이 저하할 뿐만 아니라, 제1전열판(S1…) 및 제2전열판(S2…)이 반지름방향으로 불균일하게 열 팽창하여 바람직하지 않은 열 변형력이 발생한다. 그리하여, 제1돌기(22…) 및 제2돌기(23…)의 반지름방향의 배열피치(P)를 적절히 설정하여, 전열단위수(N_tu)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(N_tu)는 반지름방향 안쪽부분에서 크고, 반지름방향 바깥쪽부분에서 작아지므로, 도 10C에 도시한 바와 같이 제1전열판(S1…) 및 제2전열판(S2…)의 온도분포도 반지름방향 안쪽부분에서 높고, 반지름방향 바깥쪽부분에서 낮아지게 된다. 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(N_tu) 및 온도분포를 반지름방향으로 대략 일정하게 할 수 있다.

도 3∼도 5로부터 명백한 바와 같이. 본 실시예의 열 교환기(2)에서는, 그 반지름방향 안쪽부분에 제1돌기(22…) 및 제2돌기(23…)의 반지름방향의 배열피치(P)가 큰 영역을 설정하게 됨과 동시에, 그 반지름방향 바깥쪽부분에 제1돌기(22…) 및 제2돌기(23…)의 반지름방향의 배열피치(P)가 작은 영역이 설정되어있다. 이에 따라 제1전열판(S1…) 및 제2전열판(S2…)의 전체영역에 걸쳐서 전열단위수(N_tu)를 대략 일정하게 하여, 열 교환 효율의 향상과 열 변형력의 경감이 가능하게 된다.

또한, 열 교환기의 전체 형상이나 제1돌기(22…) 및 제2돌기(23…)의 형상이 다르면 열 통과율(K) 및 질량유량(dm/dt)도 변화하므로, 적절한 피치(P)의 배열도 본 실시예와 다르게 된다. 따라서, 본 실시예와 같이 피치(P)가 반지름방향 바깥쪽으로 향하여 점감하는 경우 이외에, 반지름방향 바깥쪽으로 향하여 점증하는 경우도 있다. 그러나, 상기 (1)식이 성립하는 것과 같은 피치(P)의 배열도 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 후단부에 있어서, 제1전열판(S1…) 및 제2전열판(S2…)이 각기 긴변 및 짧은변을 구비한 길이가 같지 않게 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 형성된다.

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. 게다가, 상기 산형의 2변에 잇따라서 입구(11, 15) 및 출구(12, 16)를 형성하였으므로, 연소가스통로(4…) 및 공기통로(5…)에 출입하는 연소가스나 공기의 유로를 원활하게 하여 압력손실을 더욱 감소시킬 수 있을 뿐 아니라, 입구(11, 15) 및 출구(12, 16)에 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 연소시키며, 또한 터어빈으로 팽창시켜서 압력이 떨어진 연소가스의 체적유량은 커진다. 본 실시예에서는 상기 길이가 같지 않은 산형에 의하여, 체적유량이 작은 공기가 통과하는 공기통로입구(15) 및 공기통로출구(16)의 길이를 짧게하여 체적유량이 큰 연소가스가 통과하는 연소가스통로입구(11) 및 연소가스통로출구(12)의 길이를 길게 하고, 이에 따라 연소가스의 유속을 상대적으로 저하시켜서 압력손실의 발생을 보다 효과적으로 회피할 수 있다.

또한, 산형으로 형성한 열 교환기(2)의 전단부 및 후단부의 선단의 단면에 끝판(8, 10)을 납땜하였으므로, 납때면적을 최소한으로 하여, 납땜불량에 의한 연소가스나 공기누출의 가능성을 감소시킬 수 있으며. 더구나 입구(11, 15) 및 출구(12, 16)의 개구면적의 감소를 억제하면서 이 입구(11, 15) 및 출구(12, 16)를 간단 또한 확실하게 칸막이하게 하는 것이 가능하게 된다.

다음에, 도 13에 기초하여 본 발명의 제2∼제4실시예를 설명한다.

도 13A에 도시한 본 발명의 제2실시예는, 접합플랜지(28)를 끝판(8)과 별도부재로 구성하고, 그 접합플랜지(28)를 끝판(8)의 후단상면 및 접합기판(26)의 전면에 납땜한 것이다. 이 제2실시예에 의하면, 끝판(8)의 후단부가 3중구조로 되어 있으므로, 제1실시예에 비하여 접합부의 강성이 한층 향상한다.

도 13B에 도시한 본 발명의 제3실시예는, 한편의 접합플랜지(28) 및 접합기판(26)을 끝판(8)과 일체로 형성한 것이며, 도 13C에 도시한 본 발명의 제4실시예는 양편의 접합플랜지(27, 28) 및 접합기판(26)을 끝판(8)과 일체로 형성한 것이다. 이것들 제3, 제4실시예에 의하면 납땜의 공정수가 감소함은 물론이고, 납땜을 하는 경우에 비하여 접합부의 강성이 향상된다.

이상, 본 발명의 실시예를 상세히 설명하였으나, 본 발명은 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러가지의 설계변경을 하는 것이 가능하다.

예컨대, 실시예에서는 본 발명을 한편의 끝판(8)에 적용하고 있으나, 그것을다른편의 끝판(10), 또는 양편의 끝판(8, 10)에 적용할 수 있다. 또 실시예에서는 가스터어빈엔진(E)용의 열 교환기(2)를 예시하였으나, 본 발명은 그밖의 용도의 열 교환기에 대하여도 적용할 수 있다. 또 본 발명은 제1전열판(S1…) 및 제2전열판(S2…)을 방사상으로 배치한 열 교환기(2)에 한정하지 않고, 그것들을 평행으로 배치한 열 교환기에 대하여도 적용할 수 있다.

Claims

여러개의 제1전열판(S1) 및 여러개의 제2전열판(S2)을 산접기선(L₁) 및 골접기선(L₂)을 통하여 번갈아 연설하여서 된 절판소재(21)를 이 산ㆍ골접기선(L₁, L₂)에서 꼬불꼬불 꺾인 형상으로 절곡하여 인접하는 산접기선(L₁)사이의 틈새를 이 산접기선(L₁)과 외부케이싱(6)과의 접합에 의하여 폐쇄함과 동시에, 인접하는 골접기선(L₂)사이의 틈새를 이 골접기선(L₂)과 내부케이싱(7)과의 접합으로 폐쇄하여, 인접하는 상기 제1전열판(S1) 및 제2전열판(S2)사이에 고온유체통로(4) 및 저온유체통로(5)를 번갈아 형성한 열 교환기로서,

제1전열판(S1) 및 제2전열판(S2)의 유로방향 양단부를 2개의 끝가장자리를 구비한 산형으로 절단하여, 고온유체통로(4)의 유로방향 일단부에서 상기 2개의 끝가장자리의 한편을 폐쇄하고 다른편을 개방함에 따라 고온유체통로입구(11)를 형성함과 동시에, 고온유체통로(4)의 유로방향 타단부에서 상기 2개의 끝가장자리의 한편을 폐쇄하고 다른편을 개방함에 따라 고온유체통로출구(12)를 형성하며, 저온유체통로(5)의 유로방향 타단부에서 상기 2개의 끝가장자리의 다른편을 폐쇄하고 한편을 개방함에 따라 저온유체통로입구(15)를 형성함과 동시에, 저온유체통로(5)의 유로방향 일단부에서 상기 2개의 끝가장자리의 다른편을 폐쇄하고 한편을 개방함에 따라 저온유체통로출구(16)를 형성하며, 또한 유로방향 일단측의 산형의 정점부분에 칸막이판(8)을 접합하여 상기 고온유체통로입구(11) 및 저온유체통로출구(16)사이를 칸막이함과 동시에, 유로방향 타단측의 산형의 정점부분에 칸막이판(10)을 접합하여 상기 저온유체통로입구(15) 및 고온유체통로출구(12)사이를 칸막이하여서 된 열 교환기에 있어서,

유로방향 일단측의 산형의 정점부분과 칸막이판(8)과의 접합부 및/또는 유로방향 타단측의 산형의 정점부분과 칸막이판(10)과의 접합부가 유로방향과 직교하는 방향으로 배치되어서, 상기 정점부분에 접합되는 접합기판(26)에, 유로방향으로 뻗는 칸막이판(8)의 단부에서 2갈래로 분기하여 유로방향과 직교하는 방향으로 뻗는 한쌍의 접합플랜지(27, 28)를 면접촉시켜서 일체로 접합하여 된 것을 특징으로 하는 열 교환기.
제1항에 있어서, 칸막이판(8)과, 접합기판(26)과, 적어도 한편의 접합플랜지(27, 28)를 동일부재로 구성한 것을 특징으로 하는 열 교환기.