JP4523149B2 - 熱交換器 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、第1伝熱板および第2伝熱板を交互に重ね合わせ、両伝熱板間に低圧流体通路および高圧流体通路を交互に形成した熱交換器に関する。
【0002】
【従来の技術】
高温流体が流れる流体通路と低温流体が流れる流体通路とを交互に配置して高温流体および低温流体間で熱交換を行う熱交換器は、例えば実開平3−79082号公報、特表平5−506918号公報、米国特許第3831374号明細書により既に知られている。
【0003】
上記実開平3−79082号公報には、紙製の仕切り板を所定間隔で折り曲げることにより相互に平行に延びる多数の間隔保持部を突設し、複数の仕切り板をその間隔保持部が直交するように交互に重ね合わせたもので、隣接する仕切り板間に高温流体が流れる流体通路と低温流体が流れる流体通路とを交互に形成している。
【0004】
また上記特表平5−506918号公報に記載されたものは、ガスタービンエンジンに用いられる円環状の熱交換器であって、同軸に配置されたアウターケーシングおよびインナーケーシング間にインボリュート曲線状に湾曲した多数の伝熱板を所定間隔を存して配置することにより、圧縮空気が通過する高圧通路と燃焼ガスが通過する低圧通路とを円周方向に交互に配置している。
【0005】
また上記米国特許第3831374号明細書に記載されたものは、ガスタービンエンジンに用いられる円環状の熱交換器であって、同軸に配置されたアウターケーシングおよびインナーケーシング間に多数の伝熱板を所定間隔を存して放射状に配置することにより、圧縮空気が通過する高圧通路と燃焼ガスが通過する低圧通路とを円周方向に交互に配置している。燃焼ガスが前方から後方に通過する低圧通路は軸方向に直線状に延びているのに対し、圧縮空気が通過する高圧通路は半径方向外周後部に圧縮空気入口を備えるとともに半径方向内周前部に圧縮空気出口を備えている。従って、圧縮空気は圧縮空気入口から半径方向内向きに流入して軸方向前方に流れた後に圧縮空気出口から半径方向内向きに流出することになり、高圧通路は全体としてクランク状に形成される。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、所定間隔をもって積層した多数の伝熱板間に低圧流体通路および高圧流体通路を交互に形成した熱交換器では、高圧流体通路を流れる高圧流体と低圧流体通路を流れる低圧流体との圧力差により伝熱板を低圧流体通路側に押し付ける荷重が発生するため、低圧流体の内部に前記荷重を支持する多数の突起を形成しないと伝熱板間が変形する可能性がある。一方、高圧流体通路の内部には荷重を支持するための突起は特に必要がなく、高圧流体通路の幅を所定の大きさに保持するためのスペーサ的な突起が在れば充分である。
【0007】
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、複数の伝熱板を介して低圧流体通路および高圧流体通路を交互に形成した熱交換器において、低圧流体通路および高圧流体通路の圧力差による伝熱板の変形を簡単な構造で確実に防止することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項1に記載された発明によれば、板体を所定間隔で連続的に折り曲げて該折曲部を密着させることにより、一側面に複数の平行な第1凸条を形成した第1伝熱板と、板体の一側面に第1凸条よりも数が少ない複数の第2凸条を形成した第2伝熱板とを交互に重ね合わせた熱交換器であって、第1伝熱板の一側面と第2伝熱板の他側面との間に複数の第1凸条により仕切られた低圧流体通路が形成され、かつ第2伝熱板の一側面と第1伝熱板の他側面との間に複数の第2凸条により仕切られた高圧流体通路が形成され、第2伝熱板の両側縁には、該第2伝熱板の一側面側に折り曲げて形成され第1伝熱板の他側面に先部が直接当接する凸部と、この凸部の前記先部より他側面側に折り曲げて形成される接合部とが設けられ、この接合部と、第1伝熱板の両側縁を一側面側に折り曲げて形成した接合部とが互いに重ね合わされて接合されることを特徴とする熱交換器が提案される。
【0009】
上記構成によれば、板体を所定間隔で連続的に折り曲げて該折曲部を密着させることにより第1伝熱板の一側面に複数の平行な第1凸条を形成するので、第1伝熱板の一側面と第2伝熱板の他側面とを接合して低圧流体通路を構成したとき、その低圧流体通路の両側に位置する高圧流体通路からの圧力が第1伝熱板および第2伝熱板に作用しても、複数の第1凸条で前記圧力を支持して第1、第2伝熱板の変形を防止することができる。しかも第1凸条は第1伝熱板を折り曲げて形成されるので低コストであるばかりか、第1伝熱板の板厚の2倍の厚さを有するために高い強度を有している。一方、高圧流体通路内に位置する第2伝熱板の第2凸条は前記圧力を支持する必要がないため、その数が第1凸条の数より少なくても何ら支障はなく、従って第2伝熱板の加工コストの削減および重量の軽減に寄与することができる。
【0010】
また、第2伝熱板の両側縁には、該第2伝熱板の一側面側に折り曲げて形成され第1伝熱板の他側面に先部が直接当接する凸部と、この凸部の前記先部より他側面側に折り曲げて形成される接合部とが設けられ、この接合部に、第1伝熱板の両側縁を一側面側に折り曲げて形成した接合部を重ね合わせて接合するので、第1、第2伝熱板間に区画される高圧流体通路の両側縁を確実にシールして高圧流体の吹き抜けを防止することができると共に、第2伝熱板の一側面の内側縁および外側縁に突設した凸部の先部を第1伝熱板の他側面に当接させることができるので、特別のスペーサ等を必要とせずに第1、第2伝熱板の内側縁および外側縁における相互間隔を設定値に一致させることができる。
【0011】
また請求項2に記載された発明によれば、請求項1の構成に加えて、第1伝熱板および第2伝熱板を円環状に積層し、第1、第2伝熱板の軸方向前端の半径方向外側縁および半径方向内側縁にそれぞれフロントアウターリングおよびフロントインナーリングを固定するとともに、第1、第2伝熱板の軸方向後端の半径方向外側縁および半径方向内側縁にそれぞれリヤアウターリングおよびリヤインナーリングを固定した後に、第1、第2伝熱板の半径方向外側縁および半径方向内側縁にそれぞれアウターケーシングおよびインナーケーシングを接合してシールすることを特徴とする熱交換器が提案される。
【0012】
上記構成によれば、円環状に積層した第1、第2伝熱板を4個のリングで固定して位置決めした状態で、その半径方向外側縁および半径方向内側縁にそれぞれアウターケーシングおよびインナーケーシングを接合してシールするので、多数の第1、第2伝熱板を有する熱交換器の組み立てを容易かつ精密に行うことが可能になるだけでなく、高圧流体通路から低圧流体通路への高圧流体の吹き抜けをアウターケーシングおよびインナーケーシングにより一層確実に防止することができる。
【0013】
また請求項3に記載された発明によれば、請求項2の構成に加えて、第1伝熱板および第2伝熱板をインボリュート曲線状に湾曲させたことを特徴とする熱交換器が提案される。
【0014】
上記構成によれば、第1伝熱板および第2伝熱板をインボリュート曲線状に湾曲させたので、熱交換器の半径方向の各位置において第1、第2伝熱板の間隔を均一化することができる。
【0015】
また請求項4に記載された発明によれば、請求項3の構成に加えて、第1、第2伝熱板の半径方向内側縁の接合部をインナーケーシングの外周面に沿わせるとともに、第1、第2伝熱板の半径方向外側縁の接合部をアウターケーシングの内周面に沿わせたことを特徴とする熱交換器が提案される。
【0016】
上記構成によれば、第1、第2伝熱板の側縁の接合部をインナーケーシングの外周面およびアウターケーシングの内周面に沿わせたので、第1、第2伝熱板の接合部と両ケーシングとを高精度で隙間なく接合して高圧流体の吹き抜けを効果的に防止することができる。
【0017】
また請求項5に記載された発明によれば、請求項4の構成に加えて、第1、第2伝熱板の半径方向内側縁をインナーケーシングの外周面に直交させたことを特徴とする熱交換器が提案される。
【0018】
上記構成によれば、第1、第2伝熱板の半径方向内側縁をインナーケーシングの外周面に直交させたので、第1、第2伝熱板を精度良く積層することが可能になるだけでなく、インナーケーシングへの接合精度も高められる。
【0019】
また請求項6に記載された発明によれば、請求項1の構成に加えて、平板状に形成した第1伝熱板および第2伝熱板を直方体状に積層したことを特徴とする熱交換器が提案される。
【0020】
上記構成によれば、熱交換器を直方体状に構成してコンパクト化することができる。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。
【0022】
図1〜図7は本発明の第1実施例を示すもので、図1はガスタービンエンジンの縦断面図、図2は図1の2−2線断面図、図3は図2の3−3線拡大断面図、図4は図2の4−4線拡大断面図、図5は図2の5部拡大図、図6は図2の6部拡大図、図7は図4の7−7線断面図である。
【0023】
先ず、図1に基づいて本実施例の伝熱型熱交換器HEが装着されたガスタービンエンジンEの構造の概略を説明する。
【0024】
ガスタービンエンジンEは概略円筒状に形成されたエンジンケーシング11を備える。エンジンケーシング11の外周には第1圧縮空気通路12が形成されており、この第1圧縮空気通路12の上流側には図示せぬエアクリーナおよびサイレンサに連なる吸気通路13が接続される。
【0025】
吸気通路13の中央を貫通して一対のベアリング14,14で支持された回転軸15には、遠心式のコンプレッサホイール16と遠心式のタービンホイール17とが隣接して同軸に固定される。コンプレッサホイール16の外周に放射状に形成された複数のコンプレッサブレード16a…は前記吸気通路13に臨んでおり、これらコンプレッサブレード16a…の直下流に位置する第1圧縮空気通路12に複数のコンプレッサディフューザ18…が設けられる。
【0026】
エンジンケーシング11の後端には円環状の伝熱型熱交換器HEが配置される。熱交換器HEは後端外周部に圧縮空気入口19を備えるとともに前端内周部に圧縮空気出口20を備え、かつ前端に燃焼ガス入口21を備えるとともに後端に燃焼ガス出口22を備える。熱交換器HEの内部において、実線で示す比較的に低温高圧の圧縮空気と、破線で示す比較的に高温低圧の燃焼ガスとを相互に逆方向に流すことにより、その流路の全長に亘って圧縮空気および燃焼ガス間の温度差を大きく保ち、熱交換効率を向上させることができる。
【0027】
熱交換器HEの半径方向内側には円環状のプリヒータ23が同軸に配置され、更にその半径方向内側には触媒式の単缶型燃焼器24が同軸に配置される。単缶型燃焼器24は上流側から下流側に向けて予混合部25と触媒燃焼部26と気相燃焼部27とを順次備えている。熱交換器HEの圧縮空気出口20とプリヒータ23とは第2圧縮空気通路28で接続され、プリヒータ23と予混合部25とは第3圧縮空気通路29で接続される。第3圧縮空気通路29には燃料噴射ノズル30が設けられる。燃料噴射ノズル30から噴射された燃料は、予混合部25において圧縮空気と均一に混合して有害排出物の少ない燃焼が行われる。このように単缶型燃焼器24を採用したことにより、アニュラ型燃焼器では困難な触媒燃焼が可能になるばかりか、燃料噴射ノズル30等の個数を削減して構造の簡略化を図ることができる。
【0028】
気相燃焼部27と熱交換器HEの燃焼ガス入口21とを接続する燃焼ガス通路31の上流部分には、タービンホイール17の外周に放射状に形成された複数のタービンブレード17a…が臨むとともに、その更に上流には気相燃焼部27からの燃焼ガスを導く遮熱板32およびタービンノズル33…が設けられる。また燃焼ガス通路31の下流部分には、燃焼ガス中の有害成分を除去するための円環状の酸化触媒34が配置される。
【0029】
しかして、吸気通路13から吸い込まれてコンプレッサホイール16により圧縮された空気は第1圧縮空気通路12を経て熱交換器HEに送られ、そこで高温の燃焼ガスとの間で熱交換することにより加熱される。熱交換器HEを通過した圧縮空気は第2圧縮空気通路28および第3圧縮空気通路29を経て予混合部25に達し、そこで燃料噴射ノズル30から噴射された燃料と混合する。尚、ガスタービンエンジンEの始動時には、燃焼ガスが流れないために熱交換器HEが充分に機能しない。従って、始動時には第2、第3圧縮空気通路28,29間に設けたプリヒータ23に通電して圧縮空気を電気的に加熱し、その温度を触媒活性化温度以上に上昇させる必要がある。
【0030】
単缶型燃焼器24に流入した混合気の一部は触媒燃焼部26に担持した触媒に接触して触媒反応により燃焼し、その燃焼ガスの熱によって混合気の残部が気相燃焼部27において気相燃焼する。燃焼ガスは燃焼ガス通路31に流入してタービンホイール17を駆動し、更に酸化触媒34を通過して有害成分を除去された状態で熱交換器HEに供給される。このようにしてタービンホイール17が回転すると、その回転トルクは回転軸15を介してコンプレッサホイール16および図示せぬ被駆動部に伝達される。
【0031】
次に、図2〜図7を参照して熱交換器HEの構造を説明する。
【0032】
円環状の熱交換器HEは矩形状の金属板よりなる多数の第1伝熱板41と、同一の外形を有する多数の金属板よりなる第2伝熱板42とを交互に重ね合わせ、その外周面を筒状のアウターケーシング43で覆い、その内周面を筒状のインナーケーシング44で覆って構成される。
【0033】
図3、図5および図6に示すように、第1伝熱板41は平坦な金属板を長辺と平行に波板状に折り曲げ、それら折り曲げ部分を相互に密着させて一側面側に突出する多数の第1凸条45…を小間隔で平行に形成してなる。円環状の熱交換器HEの内周部に対応する第1伝熱板41の内側縁と、外周部に対応する外側縁とには、前記一側面側に折り曲げられた接合部46,47がそれぞれ形成される。一方、第2伝熱板42に接合される第1伝熱板41の他側面は平坦に形成される。
【0034】
図4、図5および図6に示すように、第2伝熱板42は平坦な金属板の一側面に、第1伝熱板41の第1凸条45…よりも粗いピッチを有する複数の第2凸条48…を突設してなる。第2凸条48…は、第2伝熱板42の長辺と平行に延びる複数本(実施例では11本)の主凸条49…と、円環状の熱交換器HEの圧縮空気入口19に臨む位置から第2伝熱板42の短辺と平行に延びる複数本(実施例では3本)の入口凸条50a,50b,50cと、円環状の熱交換器HEの圧縮空気出口20に臨む位置から第2伝熱板42の短辺と平行に延びる複数本(実施例では3本)の出口凸条51a,51b,51cとを備える。一方、第1伝熱板41に接合される第2伝熱板42の他側面は平坦に形成される。
【0035】
尚、3本の入口凸条50a,50b,50cのうち、第2伝熱板42の後端側の1本の入口凸条50aは、シール性を高めるべく他の2本の入口凸条50b,50cよりも幅広に形成されている。これは、他の2本の入口凸条50b,50cが隣接する通路を仕切る役目を果たすのに対し、1本の入口凸条50aは熱交換器HEの後端を土手状に仕切って閉塞する閉塞部材を兼ねるためである。同様に、3本の出口凸条51a,51b,51cのうち、第2伝熱板42の前端側の1本の出口凸条51aは他の2本の出口凸条51b,51cよりも幅広に形成されており、熱交換器HEの前端を土手状に仕切って閉塞する閉塞部材を兼ねている。
【0036】
3本の入口凸条50a,50b,50cの長さは、第2伝熱板42の後端側の入口凸条50aが最も長く形成されて該第2伝熱板42の短辺と同じ長さであり、第2伝熱板42の後端側から遠いものほど短くなっている。主凸条49…の長さは一定ではなく、第2伝熱板42の後端側から2番目に遠い入口凸条50bの端部と3番目に遠い入口凸条50cの端部との間に間隙α,βを有している。また3本の出口凸条51a,51b,51cの長さは、第2伝熱板42の前端側の出口凸条51aが最も長く形成されて該第2伝熱板42の短辺と同じ長さであり、第2伝熱板42の前端側から遠いものほど短くなっている。第2伝熱板42の前端側から2番目に遠い出口凸条51bの端部と3番目に遠い出口凸条51cの端部とは、2本の主凸条49,49の端部に滑らかな円弧で連なっている。
【0037】
円環状の熱交換器HEの内周部および外周部にそれぞれ対応する第2伝熱板42の内側縁および外側縁には、前記一側面側に折り曲げられた凸部54,55と、これら凸部54,55の先部に連なって前記他側面側に折り曲げられた接合部56,57がそれぞれ形成される。凸部54,55の高さは第2凸条48…の高さに等しく設定され、前記先部は第1伝熱板41の他側面に直接当接する。第2伝熱板42の接合部56,57は、第1伝熱板41の接合部46,47の内面に一部がオーバーラップするように重ね合わされる。
【0038】
仮に第1伝熱板41および第2伝熱板42を放射状に配置すると、円環状の熱交換器HEの内周部では隣接する第1、第2伝熱板41,42の間隔が狭くなり、外周部では前記間隔が広くなってしまうが、図5および図6から明らかなように、第1伝熱板41および第2伝熱板42をインボリュート曲線状に湾曲させることにより、熱交換器HEの内周部および外周部で隣接する第1、第2伝熱板41,42の間隔を均一にすることができる。ただし、第1伝熱板41および第2伝熱板42をインボリュート曲線状に湾曲させたことにより、熱交換器HEの内周部では第1、第2伝熱板41および42がインナーケーシング44に対して略直角に交差するが、アウターケーシング43に対して鋭角に交差することになる。
【0039】
図3および図4から明らかなように、交互に重ね合わされて円環状に組み合わされた第1伝熱板41および第2伝熱板42は、その前部外周および後部外周にそれぞれフロントアウターリング58およびリヤアウターリング59が嵌合するとともに、その前部内周および後部内周にそれぞれフロントインナーリング60およびリヤインナーリング61が嵌合して位置決めされる。そして円環状に組み合わされた第1伝熱板41および第2伝熱板42の外周面を覆ってシールするアウターケーシング43は、その前端の拡径部43aがフロントアウターリング58の外周面に嵌合し、その後端とリヤアウターリング59との間に圧縮空気入口19が開口する。また第1伝熱板41および第2伝熱板42の内周面を覆ってシールするインナーケーシング44は、その後端の拡径部44aがリヤインナーリング61の内周面に嵌合し、その前端とフロントインナーリング60との間に圧縮空気出口20が開口する。
【0040】
このように、第1伝熱板41および第2伝熱板42をフロントアウターリング58、リヤアウターリング59、フロントインナーリング60およびリヤインナーリング61で一体化した後に、その外周面および内周面にアウターケーシング43およびインナーケーシング44を接合するので、多数の第1伝熱板41および第2伝熱板42を有する熱交換器HEの組立が容易になるだけでなく、組立精度を高めることができる。しかもアウターケーシング43およびインナーケーシング44の接合により、第1伝熱板41および第2伝熱板42の外周面および内周面における圧縮空気の吹き抜けを一層効果的に防止することができる。
【0041】
前記第1伝熱板41、第2伝熱板42、フロントアウターリング58、リヤアウターリング59、フロントインナーリング60、リヤインナーリング61、アウターケーシング43およびインナーケーシング44はろう付けにより接合される。図5から明らかなように、第1伝熱板41および第2伝熱板42がインナーケーシング44にろう付けされる部分において、第1伝熱板41の幅狭の接合部46は第2伝熱板42の幅広の接合部56の外面の一部にオーバーラップするように重ね合わされており、第2伝熱板42の接合部56の大部分は第1伝熱板41の板厚の相当する隙間を介してインナーケーシング44の外周面に対向する。従って、前記隙間に黒塗りで示すろう材を流して確実にろう付けし、熱交換器HEの組立強度を確保するとともに圧縮空気および燃焼ガスの吹き抜けを防止することができる。
【0042】
同様に、図6から明らかなように、第1伝熱板41および第2伝熱板42がアウターケーシング43にろう付けされる部分において、第1伝熱板41の幅狭の接合部47は第2伝熱板42の幅広の接合部57の外面の一部にオーバーラップするように重ね合わされており、第2伝熱板42の接合部57の大部分は第1伝熱板41の板厚の相当する隙間を介してアウターケーシング43の内周面に対向する。従って、前記隙間に黒塗りで示すろう材を流して確実にろう付けし、熱交換器HEの組立強度を確保するとともに圧縮空気および燃焼ガスの吹き抜けを防止することができる。
【0043】
特に、インボリュート曲線状に湾曲する第1伝熱板41および第2伝熱板42の内側縁はインナーケーシング44の外周面に略直角に交差するので、第1伝熱板41および第2伝熱板42を精度良く積層することが可能となり、ろう付け精度を高めて後述する高圧流体通路63…側から低圧流体通路62…側への圧縮空気の吹き抜けを効果的に防止することができる。
【0044】
図3から明らかなように、第1凸条45…が突出する第1伝熱板41の一側面と平坦な第2伝熱板42の他側面との間には、燃焼ガス入口21および燃焼ガス出口22を接続すべく、第1凸条45…により仕切られた直線状かつ平行な複数の低圧流体通路62…が区画される。
【0045】
図4から明らかなように、第2凸条48…が突出する第2伝熱板42の一側面と平坦な第1伝熱板41の他側面との間には、圧縮空気入口19および圧縮空気出口20を接続すべく高圧流体通路63…が形成される。高圧流体通路63…は、第2凸条48…により仕切られた入口流体通路65a,65b、主流体通路64…および出口流体通路66a,66bを有してクランク状に形成される。即ち、入口凸条50a,50b,50c間に圧縮空気入口19から半径方向内側に向かって延びる入口流体通路65a,65bが形成され、主凸条49…間に軸方向に延びる主流体通路64…が形成され、出口凸条51a,51b,51c間に圧縮空気出口20から半径方向外側に向かって延びる出口流体通路66a,66bが形成される。
【0046】
低圧流体通路62…との間で熱交換する高圧流体通路63…の主流体通路64…は、図4に鎖線で示すように略平行四辺形に形成されているので、入口流体通路65a,65bおよび出口流体通路66a,66bのスペースを確保しながら、熱交換のための伝熱面積(主流体通路64…の面積)を最大限に増加させて熱交換効率を高めることができる。
【0047】
しかして、単缶型燃焼器24において発生してタービンホイール17を駆動した比較的に高温低圧の燃焼ガスは、燃焼ガス通路31を経て熱交換器HEの前端の燃焼ガス入口21から低圧流体通路62…を通過し、熱交換器HEの後端の燃焼ガス出口22から排出される。一方、コンプレッサホイール16で圧縮された比較的に低温高圧の圧縮空気は、ガスタービンエンジンEの外周に形成された第1圧縮空気通路12を後方に流れた後に、熱交換器HEの後端外周部に形成された圧縮空気入口19から半径方向内向きに90°方向を変えて入口流体通路65a,65bに流入し、そこから90°方向を変えて主流体通路64…を前方に流れる。そして主流体通路64…の前端において圧縮空気は更に半径方向内向きに90°向きを変えて熱交換器HEの前端内周部に形成された圧縮空気出口20から第2圧縮空気通路28に排出される。
【0048】
このように、熱交換器HEは第1伝熱板41および第2伝熱板42間に交互に形成された低圧流体通路62…および高圧流体通路63…を備え、高温の燃焼ガスは低圧流体通路62…を前方から後方に流れ、低温の圧縮空気は高圧流体通路を後方から前方に流れるので、いわゆるクロスフロー状態を実現して熱交換器HEの軸方向の全長に亘って燃焼ガスおよび圧縮空気間の温度差を大きく保ち、熱交換効率を向上させることができる。
【0049】
ところで、第1圧縮空気通路12を後方に流れた圧縮空気は熱交換器HEの入口流体通路65a,65bにおいて180°旋回(図1の矢印A参照)した後に熱交換器HEの主流体通路64…を前方に流れるが、その旋回の際に作用する遠心力で圧縮空気は旋回方向外側に付勢されるため、軸方向に沿って平行に形成された多数の主流体通路64…のうち、旋回方向外側の主流体通路64…、つまり熱交換器HEの半径方向内側の主流体通路64…に供給される圧縮空気量が増加し、逆に熱交換器HEの半径方向外側の主流体通路64…に供給される圧縮空気量が減少する傾向が発生してしまう。
【0050】
しかしながら、本実施例によれば、3本の入口凸条50a,50b,50cにより区画される入口流体通路65a,65bのうち、旋回方向外側の入口流体通路65aの幅Waを狭くするとともに旋回方向内側の入口流体通路65bの幅Wbを広くし、かつ第2伝熱板42の後端側から2番目に遠い入口凸条50bの端部と3番目に遠い入口凸条50cの端部とが、主凸条49…の端部との間に間隙α,βを有しており、更に主凸条49…の長さが不均一で該主凸条49…の前後端の位置が前後方向に調整されていることにより、半径方向の位置に関わらず全ての主流体通路64…に流入する圧縮空気量を均一化することができる。
【0051】
なぜならば、遠心力で圧縮空気の流量が増加する傾向にある旋回方向外側の入口流体通路65aの幅Waを狭くし、逆に圧縮空気の流量が減少する傾向にある旋回方向内側の入口流体通路65bの幅Wbを広くすることにより、入口流体通路65a,65bから主流体通路64…への圧縮空気配分量を均一化することができる。しかも2本の入口凸条50b,50cの下流端が主凸条49,49の上流端に接続せずに間隙α,βが形成されており、かつ主凸条49…の前後端の位置が前後方向に調整されているので、主流体通路64…の圧縮空気配分量を更に効果的に均一化することができる。
【0052】
一方、2本の主凸条49,49が2本の出口凸条51b,51cに滑らかに連なっており、しかも2本の出口流体通路66a,66bの幅Wc,Wdが同一でないように設定されているので、主流体通路64…を流れる圧縮空気を出口流体通路66a,66bにスムーズに案内して圧損の発生を最小限に抑えることができる。
【0053】
主流体通路64…、入口流体通路65a,65bおよび出口流体通路66a,66bを上述のように構成したことにより、全体としてクランク状の屈曲した高圧流体通路63の全域に亘って圧縮空気を均一にかつスムーズに流すことが可能となる。
【0054】
また高圧流体通路63…を流れる圧縮空気の圧力は低圧流体通路62…を流れる燃焼ガスの圧力よりも高いため、隣接する高圧流体通路63,63に挟まれた低圧流体通路62を区画する第1伝熱板41および第2伝熱板42が、圧縮空気および燃焼ガスの圧力差で相互に接近する方向の荷重を受けることになる。しかしながら、第1伝熱板41の一側面に小さいピッチで突設した多数の第1凸条45…で第2伝熱板42の他側面を支持することにより、圧縮空気および燃焼ガスの圧力差で第1伝熱板41および第2伝熱板42が変形するのを確実に防止することができる。しかも第1凸条45…は第1伝熱板41を所定間隔で連続的に折り曲げて折曲部を相互に密着させて形成されるので、その部分の板厚が2倍になって前記圧力差を支持する剛性が高められるだけでなく、加工コストを大幅に削減することができる。
【0055】
尚、隣接する低圧流体通路62,62に挟まれた高圧流体通路63を区画する第1伝熱板41および第2伝熱板42は、圧縮空気および燃焼ガスの圧力差で相互に離反する方向の荷重を受けるため、その高圧流体通路63の内部に配置された第2伝熱板42の第2凸条48…のピッチを粗く設定しても、強度上の問題は何ら発生しない。従って、第2凸条48…は第1伝熱板41および第2伝熱板42の間隔を保持し得るピッチで形成すれば充分であり、第2伝熱板42の加工コストおよび重量軽減に寄与することができる。
【0056】
更に、第2伝熱板41の一側面の内側縁および外側縁に突設した凸部54,55の先部を第1伝熱板42の他側面に直接当接させたので、特別のスペーサ等を必要とせずに第1、第2伝熱板41,42の内側縁および外側縁における相互間隔を設定値に一致させることができる。
【0057】
図8および図9は本発明の第2実施例を示すもので、図8は熱交換器の斜視図、図9は図8の9方向矢視図である。
【0058】
上述した第1実施例の熱交換器HEは円環状に形成されているのに対し、第2実施例の熱交換器HEは直方体状に形成されている。第1伝熱板41および第2伝熱板42の構造は第1実施例のものと実質的に同一であるが、第1実施例の第1、第2伝熱板41,42がインボリュート曲線状に湾曲しているのに対し、第2実施例の第1、第2伝熱板41,42は平面状に形成される。
【0059】
交互に積層された第1、第2伝熱板41,42の一方の側縁は前記アウターケーシング43に対応する端板43′に接合され、他方の側縁は前記インナーケーシング44に対応する端板44′に接合される。また第1、第2伝熱板41,42の積層方向の両面には、一対の側板71,72が接合される。第1、第2伝熱板41,42の側縁と両端板43′,44′とは直角に交差するため、第1実施例における第1、第2伝熱板41,42の側縁とインナーケーシング43との接合部と同じ構造で接合される(図9参照)。高温の燃焼ガスは熱交換器HEの前端の燃焼ガス入口21から流入して後端の燃焼ガス出口22から流出し、低温の圧縮空気は一方の端板43′の後端に形成した圧縮空気入口19から流入して他方の端板44′の前端に形成した圧縮空気出口20から流出する。
【0060】
しかして、本第2実施例によっても、前記第1実施例と同じ作用効果を奏することができ、しかも熱交換器HEがコンパクトになる。
【0061】
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。
【0062】
【発明の効果】
以上のように、請求項1に記載された発明によれば、板体を所定間隔で連続的に折り曲げて該折曲部を密着させることにより第1伝熱板の一側面に複数の平行な第1凸条を形成するので、第1伝熱板の一側面と第2伝熱板の他側面とを接合して低圧流体通路を構成したとき、その低圧流体通路の両側に位置する高圧流体通路からの圧力が第1伝熱板および第2伝熱板に作用しても、複数の第1凸条で前記圧力を支持して第1、第2伝熱板の変形を防止することができる。しかも第1凸条は第1伝熱板を折り曲げて形成されるので低コストであるばかりか、第1伝熱板の板厚の2倍の厚さを有するために高い強度を有している。一方、高圧流体通路内に位置する第2伝熱板の第2凸条は前記圧力を支持する必要がないため、その数が第1凸条の数より少なくても何ら支障はなく、従って第2伝熱板の加工コストの削減および重量の軽減に寄与することができる。
【0063】
また、第2伝熱板の両側縁には、該第2伝熱板の一側面側に折り曲げて形成され第1伝熱板の他側面に先部が直接当接する凸部と、この凸部の前記先部より他側面側に折り曲げて形成される接合部とが設けられ、この接合部に、第1伝熱板の両側縁を一側面側に折り曲げて形成した接合部を重ね合わせて接合するので、第1、第2伝熱板間に区画される高圧流体通路の両側縁を確実にシールして高圧流体の吹き抜けを防止することができると共に、第2伝熱板の一側面の内側縁および外側縁に突設した凸部の先部を第1伝熱板の他側面に当接させることができるので、特別のスペーサ等を必要とせずに第1、第2伝熱板の内側縁および外側縁における相互間隔を設定値に一致させることができる。
【0064】
また請求項2に記載された発明によれば、円環状に積層した第1、第2伝熱板を4個のリングで固定して位置決めした状態で、その半径方向外側縁および半径方向内側縁にそれぞれアウターケーシングおよびインナーケーシングを接合してシールするので、多数の第1、第2伝熱板を有する熱交換器の組み立てを容易かつ精密に行うことが可能になるだけでなく、高圧流体通路から低圧流体通路への高圧流体の吹き抜けをアウターケーシングおよびインナーケーシングにより一層確実に防止することができる。
【0065】
また請求項3に記載された発明によれば、第1伝熱板および第2伝熱板をインボリュート曲線状に湾曲させたので、熱交換器の半径方向の各位置において第1、第2伝熱板の間隔を均一化することができる。
【0066】
また請求項4に記載された発明によれば、第1、第2伝熱板の側縁の接合部をインナーケーシングの外周面およびアウターケーシングの内周面に沿わせたので、第1、第2伝熱板の接合部と両ケーシングとを高精度で隙間なく接合して高圧流体の吹き抜けを効果的に防止することができる。
【0067】
また請求項5に記載された発明によれば、第1、第2伝熱板の半径方向内側縁をインナーケーシングの外周面に直交させたので、第1、第2伝熱板を精度良く積層することが可能になるだけでなく、インナーケーシングへの接合精度も高められる。
【0068】
また請求項6に記載された発明によれば、熱交換器を直方体状に構成してコンパクト化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】ガスタービンエンジンの縦断面図
【図2】図1の2−2線拡大断面図
【図3】図2の3−3線拡大断面図
【図4】図2の4−4線拡大断面図
【図5】図2の5部拡大図
【図6】図2の6部拡大図
【図7】図4の7−7線断面図
【図8】第2実施例に係る熱交換器の斜視図
【図9】図8の9方向矢視図
【符号の説明】
41 第1伝熱板
42 第2伝熱板
45 第1凸条
46,47 接合部
48 第2凸条
56,57 接合部
58 フロントアウターリング
59 リヤアウターリング
60 フロントインナーリング
61 リヤインナーリング
62 低圧流体通路
63 高圧流体通路
Claims (6)
- 板体を所定間隔で連続的に折り曲げて該折曲部を密着させることにより、一側面に複数の平行な第1凸条(45)を形成した第1伝熱板(41)と、板体の一側面に第1凸条(45)よりも数が少ない複数の第2凸条(48)を形成した第2伝熱板(42)とを交互に重ね合わせた熱交換器であって、
第1伝熱板(41)の一側面と第2伝熱板(42)の他側面との間に複数の第1凸条(45)により仕切られた低圧流体通路(62)が形成され、かつ第2伝熱板(42)の一側面と第1伝熱板(41)の他側面との間に複数の第2凸条(48)により仕切られた高圧流体通路(63)が形成され、
第2伝熱板(42)の両側縁には、該第2伝熱板(42)の一側面側に折り曲げて形成され第1伝熱板(41)の他側面に先部が直接当接する凸部(54,55)と、この凸部(54,55)の前記先部より他側面側に折り曲げて形成される接合部(56,57)とが設けられ、この接合部(56,57)と、第1伝熱板(41)の両側縁を一側面側に折り曲げて形成した接合部(46,47)とが互いに重ね合わされて接合されることを特徴とする熱交換器。 - 第1伝熱板(41)および第2伝熱板(42)を円環状に積層し、第1、第2伝熱板(41,42)の軸方向前端の半径方向外側縁および半径方向内側縁にそれぞれフロントアウターリング(58)およびフロントインナーリング(60)を固定するとともに、第1、第2伝熱板(41,42)の軸方向後端の半径方向外側縁および半径方向内側縁にそれぞれリヤアウターリング(59)およびリヤインナーリング(61)を固定した後に、第1、第2伝熱板(41,42)の半径方向外側縁および半径方向内側縁にそれぞれアウターケーシング(43)およびインナーケーシング(44)を接合してシールすることを特徴とする、請求項1に記載の熱交換器。
- 第1伝熱板(41)および第2伝熱板(42)をインボリュート曲線状に湾曲させたことを特徴とする、請求項2に記載の熱交換器。
- 第1、第2伝熱板(41,42)の半径方向内側縁の接合部(46,56)をインナーケーシング(44)の外周面に沿わせるとともに、第1、第2伝熱板(41,42)の半径方向外側縁の接合部(47,57)をアウターケーシング(43)の内周面に沿わせたことを特徴とする、請求項3に記載の熱交換器。
- 第1、第2伝熱板(41,42)の半径方向内側縁をインナーケーシング(44)の外周面に直交させたことを特徴とする、請求項4に記載の熱交換器。
- 平板状に形成した第1伝熱板(41)および第2伝熱板(42)を直方体状に積層したことを特徴とする、請求項1に記載の熱交換器。
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