(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
四辺形をなす複数の第１伝熱板（Ｓ１）及び第２伝熱板（Ｓ２）を第１折り線（Ｌ1 ）及び第２折り線（Ｌ2 ）を介して交互に連設してなる折り板素材（２１）を該第１、第２折り線（Ｌ1 ，Ｌ2 ）においてつづら折り状に折り曲げることにより、軸方向に延びる高温流体通路（４）及び低温流体通路（５）を円周方向に交互に形成し、  半径方向外側に位置する複数の第１折り線（Ｌ1 ）に半径方向外周壁（６，８ｏ，１０ｏ）をろう付けし、半径方向内側に位置する複数の第２折り線（Ｌ2 ）に半径方向内周壁（７，８ｉ，１０ｉ）をろう付けすることにより、軸方向に延びる高温流体通路（４）及び低温流体通路（５）の半径方向外周及び内周を閉塞するとともに、高温流体通路（４）に連なる高温流体ダクト（１３，１４）及び低温流体通路（５）に連なる低温流体ダクト（１７，１８）を形成し、
高温流体通路（４）の軸方向両端の開口部に高温流体通路入口（１１）及び高温流体通路出口（１２）を形成し、
低温流体通路（５）の軸方向両端を第１、第２伝熱板（Ｓ１，Ｓ２）の端縁の内側に沿って突設した凸条（２４F ，２４R ）どうしをろう付けして閉塞するとともに、前記高温流体通路出口（１２）側の半径方向外周壁（６，８ｏ，１０ｏ）及び半径方向内周壁（７，８ｉ，１０ｉ）の一方に低温流体通路入口（１５）を形成し、前記高温流体通路入口（１１）側の半径方向外周壁（６，８ｏ，１０ｏ）及び半径方向内周壁（７，８ｉ，１０ｉ）の他方に低温流体通路出口（１６）を形成したことを特徴とする熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の第１伝熱板及び複数の第２伝熱板をつづら折り状に折り曲げることより、高温流体通路及び低温流体通路を円周方向に交互に形成してなる円環状の熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
かかる熱交換器は、特開昭５７−２９８３公報により知られている。また平行に配置した伝熱板間に高温流体通路及び低温流体通路を交互に形成し、前記伝熱板の両端部を山形にカットすることにより高温流体及び低温流体の出入口を形成するものが、特開昭５９−１８３２９６公報により知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、金属製の熱交換器の高温流体通路及び低温流体通路にダクトを接続する場合、ダクトを構成する仕切部材の端部を熱交換器の伝熱板にろう付けにより接合する必要がある。前記特開昭５９−１８３２９６公報に記載された如く伝熱板の両端部を山形にカットしたものでは、伝熱板の材料の歩留りが悪いのは勿論のこと、その山形にカットされた端面の頂点部分に仕切板をろう付けする必要があるために、ろう付け面積が小さいために作業が難しいだけでなく、充分なろう付け強度を得ることが難しいという問題がある。
【０００４】
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、材料の歩留りが良好であり、しかも流体ダクトを形成するための部材のろう付けが容易な熱交換器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載された発明では、高温流体通路に連なる高温流体ダクト及び低温流体通路に連なる低温流体ダクトを形成するために、半径方向外側に位置する複数の第１折り線に半径方向外周壁をろう付けし、半径方向内側に位置する複数の第２折り線に半径方向内周壁をろう付けする。これにより、第１、第２伝熱板にろう付け部を形成するために特別の加工を施す必要がなくなって加工工数が削減されるだけでなく、第１、第２伝熱板を切断した端面にろう付けを施す場合に比べてろう付けの強度が増加する。
【０００５】
また高温流体通路の軸方向両端の開口部に高温流体通路入口及び高温流体通路出口を形成し、低温流体通路の軸方向両端を第１、第２伝熱板の端縁の内側に沿って突設した凸条どうしをろう付けして閉塞するとともに、前記高温流体通路出口側の半径方向外周壁及び半径方向内周壁の一方に低温流体通路入口を形成し、前記高温流体通路入口側の半径方向外周壁及び半径方向内周壁の他方に低温流体通路出口を形成したので、第１伝熱板及び第２伝熱板を単純な四辺形にして材料の歩留まりを向上させても、高温流体及び低温流体の出入口を形成することができる。しかも低温流体通路の両端の閉塞に第１、第２伝熱板の端縁の内側に沿って突設した凸条を用いているので、第１、第２伝熱板の端縁に前記凸条に代わるフラップを突設する必要がなくなり、材料の歩留まりを更に向上させることができる。
【０００６】
【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。  図１〜図９は本発明の一実施例を示すもので、図１はガスタービンエンジンの全体側面図、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（燃焼ガス通路の断面図）、図４は図２の４−４線拡大断面図（エアー通路の断面図）、図５は図４の５−５線拡大断面図、図６は図４の６−６線拡大断面図、図７は折り板素材の展開図、図８は熱交換器の要部斜視図、図９は燃焼ガス及びエアーの流れを示す模式図である。
【０００７】
図１及び図２に示すように、ガスタービンエンジンＥは、図示せぬ燃焼器、コンプレッサ、タービン等を内部に収納したエンジン本体１を備えており、このエンジン本体１の外周を囲繞するように円環状の熱交換器２が配置される。熱交換器２は９０°の中心角を有する４個のモジュール２1 …を接合面３…を挟んで円周方向に配列したもので、タービンを通過した比較的高温の燃焼ガスが通過する燃焼ガス通路４…と、コンプレッサで圧縮された比較的低温のエアーが通過するエアー通路５…とが、円周方向に交互に形成される（図５参照）。尚、図１における断面は燃焼ガス通路４…に対応しており、その燃焼ガス通路４…の手前側と向こう側に隣接してエアー通路５…が形成される。
【０００８】
熱交換器２の軸線に沿う断面形状は、軸方向に長く半径方向に短い長方形であり、その半径方向外周面が大径円筒状のアウターケーシング６により閉塞されるとともに、その半径方向内周面が小径円筒状のインナーケーシング７により閉塞される。熱交換器２の前部において、前部外側ダクト部材８ｏ及び前部内側ダクト部材８ｉがアウターケーシング６及びインナーケーシング７の前端に連なるように設けられ、また熱交換器２の後部において、後部外側ダクト部材１０ｏ及び後部内側ダクト部材１０ｉがアウターケーシング６及びインナーケーシング７の後端に連なるように設けられる。
【０００９】
熱交換器２の各燃焼ガス通路４は、図１における左側及び右側に燃焼ガス通路入口１１及び燃焼ガス通路出口１２を備えており、燃焼ガス通路入口１１には前記前部外側ダクト部材８ｏ及び前部内側ダクト部材８ｉ間に形成された燃焼ガスを導入する空間（略して燃焼ガス導入ダクト）１３の下流端が接続されるとともに、燃焼ガス通路出口１２には前記後部外側ダクト部材１０ｏ及び後部内側ダクト部材１０ｉ間に形成された燃焼ガスを排出する空間（略して燃焼ガス排出ダクト）１４の上流端が接続される。
【００１０】
熱交換器２の各エアー通路５は、図１における右上及び左下にエアー通路入口１５及びエアー通路出口１６を備えており、エアー通路入口１５には後部アウターハウジング９の内周に沿って形成されたエアーを導入する空間（略してエアー導入ダクト）１７の下流端が接続されるとともに、エアー通路出口１６にはエンジン本体１の内部に延びるエアーを排出する空間（略してエアー排出ダクト）１８の上流端が接続される。
【００１１】
このようにして、図３、図４及び図９に示す如く、燃焼ガスとエアーとが相互に逆方向に流れて且つ相互に交差することになり、熱交換効率の高い対向流且つ所謂クロスフローが実現される。即ち、高温流体と低温流体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高温流体及び低温流体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。
【００１２】
而して、タービンを駆動した燃焼ガスの温度は燃焼ガス通路入口１１…において約６００〜７００℃であり、その燃焼ガスが燃焼ガス通路４…を通過する際にエアーとの間で熱交換を行うことにより、燃焼ガス通路出口１２…において約３００〜４００℃まで冷却される。一方、コンプレッサにより圧縮されたエアーの温度はエアー通路入口１５…において約２００〜３００℃であり、そのエアーがエアー通路５…を通過する際に燃焼ガスとの間で熱交換を行うことにより、エアー通路出口１６…において約５００〜６００℃まで加熱される。
【００１３】
次に、熱交換器２の構造を図３〜図８を参照しながら説明する。
【００１４】
図３、図４及び図７に示すように、熱交換器２のモジュール２1 は、ステンレス等の金属薄板を所定の形状に予めカットした後、その表面にプレス加工により凹凸を施した折り板素材２１（図７参照）から製造される。折り板素材２１は、第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…を交互に配置したものであって、山折り線Ｌ1 及び谷折り線Ｌ2 を介してつづら折り状に折り曲げられる。尚、山折りとは紙面の手前側に向けて凸に折ることであり、谷折りとは紙面の向こう側に向けて凸に折ることである。各山折り線Ｌ1 及び谷折り線Ｌ2 はシャープな直線ではなく、第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…間に所定の空間を形成するために実際には円弧状の折り線、或いは平行且つ隣接した２本の折り線からなっている。
【００１５】
各第１、第２伝熱板Ｓ１，Ｓ２には、不等間隔に配置された多数の第１突起２２…と第２突起２３…とがプレス成形される。図７において×印で示される第１突起２２…は紙面の手前側に向けて突出するとともに、○印で示される第２突起２３…は紙面の向こう側に向けて突出し、それらは交互に（即ち、第１突起２２…どうし或いは第２突起２３…どうしが連続しないように）配列される。各第１、第２伝熱板Ｓ１，Ｓ２の前端部及び後端部には、図７において紙面の手前側に向けて突出する前部凸条２４F と後部凸条２４R とがプレス成形される。
【００１６】
尚、図３に示す第１伝熱板Ｓ１の第１突起２２…、第２突起２３…、前部凸条２４F 及び後部凸条２４R は、図７に示す第１伝熱板Ｓ１と凹凸関係が逆になっているが、これは図３が第１伝熱板Ｓ１が裏面側から見た状態を示しているためである。
【００１７】
図５〜図７を参照すると明らかなように、折り板素材２１の第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…を山折り線Ｌ1 で折り曲げて両伝熱板Ｓ１…，Ｓ２…間に燃焼ガス通路４…を形成するとき、第１伝熱板Ｓ１の第２突起２３…の先端と第２伝熱板Ｓ２の第２突起２３…の先端とが相互に当接してろう付けされる。このとき、前部凸条２４F …及び後部凸条２４R は相互に離反し、燃焼ガス通路４…の前部及び後部をそれぞれ燃焼ガス通路入口１１及び燃焼ガス通路出口１２に連通させる。
【００１８】
折り板素材２１の第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…を谷折り線Ｌ2 で折り曲げて両伝熱板Ｓ１…，Ｓ２…間にエアー通路５…を形成するとき、第１伝熱板Ｓ１の第１突起２２…の先端と第２伝熱板Ｓ２の第１突起２２…の先端とが相互に当接してろう付けされる。このとき、前部凸条２４F …及び後部凸条２４R は相互に当接してろう付けされ、燃焼ガス通路入口１１に隣接するエアー通路５…の前部と燃焼ガス通路出口１２に隣接するエアー通路５…の後部とが閉塞される。図６には、前部凸条２４F …によりエアー通路５…が閉塞された状態が示されている。
【００１９】
図４及び図５から明らかなように、山折り線Ｌ1 …のろう付けされたアウターケーシング６の後端と後部外側ダクト部材１０ｏの前端とは所定の隙間を有して対向しており、この隙間の部分に前記エアー通路入口１５が形成される。また谷折り線Ｌ2 …の前部とインナーケーシング７の前部とを貫通するように、小孔状の前記エアー通路出口１６が形成される。従って、エアー導入ダクト１７を流れるエアーは、エアー通路入口１５を通って第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…間のエアー通路５…に導かれ、そこから谷折り線Ｌ2 …及びインナーケーシング７に形成された小孔状のエアー通路出口１６を通ってエアー排出ダクト１８に排出される。
【００２０】
第１突起２２…及び第２突起２３…は概略円錐台形状を有しており、それらの先端部はろう付け強度を高めるべく相互に面接触する。また前部凸条２４F …及び後部凸条２４R …も概略台形状の断面を有しており、それらの先端部もろう付け強度を高めるべく相互に面接触する。
【００２１】
折り板素材２１をつづら折り状に折り曲げたときに隣接する山折り線Ｌ1 どうしが直接接触することはないが、第１突起２２…が相互に接触することにより前記山折り線Ｌ1 相互の間隔が一定に保持される。また隣接する谷折り線Ｌ2 どうしが直接接触することはないが、第２突起２３…が相互に接触することにより前記谷折り線Ｌ2 相互の間隔が一定に保持される。
【００２２】
前記折り板素材２１をつづら折り状に折り曲げて熱交換器２のモジュール２1 を製作するとき、第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…は熱交換器２の中心から放射状に配置される。従って、隣接する第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…間の距離は、アウターケーシング６に接する半径方向外周部において最大、且つインナーケーシング７に接する半径方向内周部において最小となる。このために、前記第１突起２２…，第２突起２３…、前部凸条２４F …及び後部凸条２４R …の高さは半径方向内側から外側に向けて漸増しており、これにより第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…を正確に放射状に配置することができる（図５参照）。
【００２３】
上述した放射状の折り板構造を採用することにより、アウターケーシング６及びインナーケーシング７を同心に位置決めし、熱交換器２の軸対称性を精密に保持することができる。
【００２４】
しかも第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…は同一形状の長方形であるために折り板素材２１も単純な帯状になり、第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…の端部を山形にカットするものに比べて材料の歩留りが向上する。特に、エアー通路５…の閉塞に前部凸条２４F …及び後部凸条２４R …を採用しているので、長方形の第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…の端部にエアー通路５…を閉塞するためのフラップを突設した場合に発生する材料の歩留りの悪化がない。
【００２５】
また高温流体導入ダクト１３、高温流体排出ダクト１４、低温流体導入ダクト１７及び低温流体排出ダクト１８を形成するための前部外側ダクト部材８ｏ、前部内側ダクト部材８ｉ、後部外側ダクト部材１０ｏ及び後部内側ダクト部材１０ｉが、第１、第２伝熱板Ｓ１…，Ｓ２…の山折り線Ｌ1 …及び谷折り線Ｌ2 …にろう付けされているので、それらを第１、第２伝熱板Ｓ１…，Ｓ２…を山形にカットした端面にろう付けする場合に比べて、前記カットに要する作業工数が削減されるのは勿論のこと、ろう付け面積が増加するために作業性及び強度が向上する。
【００２６】
熱交換器２を同一構造の４個のモジュール２1 …の組み合わせにより構成することにより、製造の容易化及び構造の簡略化が可能となる。また、折り板素材２１を放射状且つつづら折り状に折り曲げて第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…を連続して形成することにより、１枚ずつ独立した多数の第１伝熱板Ｓ１…と１枚ずつ独立した多数の第２伝熱板Ｓ２…とを交互にろう付けする場合に比べて、部品点数及びろう付け個所を大幅に削減することができるばかりか、完成した製品の寸法精度を高めることができる。
【００２７】
図５から明らかなように、熱交換器２のモジュール２1 …を接合面３…（図２参照）において相互に接合するとき、山折り線Ｌ1 を越えてＪ字状に折り曲げた第１伝熱板Ｓ１…の端縁と、山折り線Ｌ1 の手前で直線状に切断した第２伝熱板Ｓ２…の端縁とが重ね合わされてろう付けされる。上記構造を採用することにより、隣接するモジュール２1 …を接合するために特別の接合部材が不要であり、また折り板素材２１の厚さを変える等の特別の加工が不要であるため、部品点数や加工コストが削減されるだけでなく、接合部におけるヒートマスの増加が回避される。しかも、燃焼ガス通路４…でもなくエアー通路５…でもないデッドスペースが発生しないので、流路抵抗の増加が最小限に抑えられて熱交換効率の低下を来す虞もない。
【００２８】
ガスタービンエンジンＥの運転中に、燃焼ガス通路４…の圧力は比較的に低圧になり、エアー通路５…の圧力は比較的に高圧になるため、その圧力差によって第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…に曲げ荷重が作用するが、相互に当接してろう付けされた第１突起２２…及び第２突起２３…により、前記荷重に耐え得る充分な剛性を得ることができる。  また、第１突起２２…及び第２突起２３…によって第１伝熱板Ｓ１…及び第２伝熱板Ｓ２…の表面積（即ち、燃焼ガス通路４…及びエアー通路５…の表面積）が増加し、しかも燃焼ガス及びエアーの流れが攪拌されるために熱交換効率の向上が可能となる。
【００２９】
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。
【００３０】
例えば、実施例ではガスタービンエンジンＥ用の熱交換器２を例示したが、本発明は他の用途の熱交換器に対しても適用することができる。
【００３１】
【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、半径方向外側に位置する複数の第１折り線に半径方向外周壁をろう付けし、半径方向内側に位置する複数の第２折り線に半径方向内周壁をろう付けすることにより、軸方向に延びる高温流体通路及び低温流体通路の半径方向外周及び内周を閉塞するとともに、高温流体通路に連なる高温流体ダクト及び低温流体通路に連なる低温流体ダクトを形成したので、ろう付け部を形成するために第１、第２伝熱板を切断する等の特別の加工を施す必要がなくなって加工工数が削減されるだけでなく、第１、第２伝熱板を切断した端面にろう付けを施す場合に比べてろう付けの強度が増加する。
【００３２】
また高温流体通路の軸方向両端の開口部に高温流体通路入口及び高温流体通路出口を形成し、低温流体通路の軸方向両端を第１、第２伝熱板の端縁の内側に沿って突設した凸条どうしをろう付けして閉塞するとともに、前記高温流体通路出口側の半径方向外周壁及び半径方向内周壁の一方に低温流体通路入口を形成し、前記高温流体通路入口側の半径方向外周壁及び半径方向内周壁の他方に低温流体通路出口を形成したので、第１伝熱板及び第２伝熱板の両端部を山形にカットする等の特別の加工を施すことなく、第１伝熱板及び第２伝熱板を単純な四辺形にして材料の歩留まりを向上させながら、高温流体及び低温流体の出入口を支障なく形成することができる。また低温流体通路の両端を閉塞するために第１，第２伝熱板の端縁にフラップを突設すると材料の歩留まりが悪化するが、第１，第２伝熱板の端縁の内側に沿って凸条を突設して低温流体通路の両端を閉塞しているので第１，第２伝熱板の四辺形を崩す必要がなくなり、材料の歩留まりを更に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ガスタービンエンジンの全体側面図
【図２】  図１の２−２線断面図
【図３】  図２の３−３線拡大断面図（燃焼ガス通路の断面図）
【図４】  図２の４−４線拡大断面図（エアー通路の断面図）
【図５】  図４の５−５線拡大断面図
【図６】  図４の６−６線拡大断面図
【図７】  折り板素材の展開図
【図８】  熱交換器の要部斜視図
【図９】  燃焼ガス及びエアーの流れを示す模式図
【符号の説明】
４          燃焼ガス通路（高温流体通路）
５          エアー通路（低温流体通路）
６          アウターケーシング（半径方向外周壁）
７          インナーケーシング（半径方向内周壁）
８ｏ        前部外側ダクト（半径方向外周壁）
８ｉ        前部内側ダクト（半径方向内周壁）
１０ｏ      後部外側ダクト（半径方向外周壁）
１０ｉ      後部内側ダクト（半径方向内周壁）
１１        燃焼ガス通路入口（高温流体通路入口）
１２        燃焼ガス通路出口（高温流体通路出口）
１３        燃焼ガス導入ダクト（高温流体ダクト）
１４        燃焼ガス排出ダクト（高温流体ダクト）
１５        エアー通路入口（低温流体通路入口）
１６        エアー通路出口（低温流体通路出口）
１７        エアー導入ダクト（低温流体ダクト）
１８        エアー排出ダクト（低温流体ダクト）
２１        折り板素材
２４L       前部凸条（凸条）
２４R       後部凸条（凸条）
Ｌ1         山折り線（折り線）
Ｌ2         谷折り線（折り線）
Ｓ１        第１伝熱板
Ｓ２        第２伝熱板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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