(57)【要約】【課題】    小型ガスタービンの再生熱交換器には、複雑な形状のプライマリーサーフェースやブレーズドプレートアンドフィンなどが用いられており、高価な金型を用いたプレス加工で製作したプレートを溶接で接合して作られている。このため、高価な金型や設備を償却するため、この技術の適用は大量生産品に限られる。また、一般的なフィンを用いた矩形の熱交換器を円周上に複数個配置した熱交換器は、円周上に無駄なスペースができる。一般的な四角形の別置きの熱交換器を用いるとタービンや圧縮機との接続にスクロールや配管が必要となり、小型化が困難となるという課題がある。【解決手段】  円周上に展開した波型のプレートと内外周の円筒を接合してＶ字状の流路を形成して、プレートに流路内に連続矩形形状のフィンを挿入してプレートに接合する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温と低温の流体が流れる流路を有して、流体間を仕切る仕切りを介して流体間の熱交換を行い、流体間の仕切りと仕切りに接合したフィンを薄板形成した流路を形成する熱交換器において、前記の仕切りとして円周方向に展開した波型を形成する波型プレートを、前記のフィンとしてコルゲートフィンを用いて、波型プレートと内径側と外径側の円筒を接合して前記の円筒と波型プレートで高温流体と低温流体のＶ字状の流路を形成し、両方の流路内に連続した矩形形状のコルゲートフィンを挿入して波型プレートに接合したことを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
請求項１において、低温流体流路と高温流体流路間の波型プレートを介して鏡像関係となるようにコルゲートフィンを配置したことを特徴とする熱交換器。
【請求項３】
請求項１において、コルゲートフィンに少なくともひとつの位置決め部を設けたことを特徴とする熱交換器。
【請求項４】
請求項１において、波型プレートとコルゲートフィンの少なくとも一方を板曲げによって薄板から製作したことを特徴とする熱交換器。
【請求項５】
請求項１において、低温流体と高温流体の流路を軸方向から入って半径方向に出るように形成したことを特徴とする熱交換器。
【請求項６】
請求項１において、コルゲートフィンの接合面で形成される角度を、波型プレートで形成されるＶ字型の流路の角度とほぼ等しくしたことを特徴とする熱交換器。
【請求項７】
請求項１において、低温流体流路と高温流体流路の流出側の軸方向の端部の少なくとも一方の波型プレートの二つの側面と内周部または外周部のいずれかを押しつぶして接合して封止したことを特徴とする熱交換器。
【請求項８】
請求項７において、波型プレートで形成される低温流体流路の内径側、高温流体流路の外径側にスペーサを挿入して接合して封止したことを特徴とする熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】    ガスタービン等に使用される熱交換器に関する
【背景技術】
【０００２】    ガスタービンの高効率化のために排気ガスの熱エネルギーを圧縮機出口の空気に伝えて回収する再生熱交換器が使われている。特に、小型のガスタービンには、小型・軽量化のために、ターボ機械の外周側に環状に配置された熱交換器が採用されている。【０００３】    代表的な小型ガスタービンであるキャプストン（Ｃａｐｓｔｏｎｅ）社のマイクロガスタービンには、Ｍ１戦車用ガスタービンＡＧＴ１５００用に開発された熱交換器の構成や技術を習った小型軽量の新形式の再生熱交換器が採用されている。【０００４】    キャプストン社のマイクロガスタービンの構成図を図７に示す。圧縮機から出た高圧空気は内径側から熱交換器に入り、内径側へ出て燃焼器へ入って、燃料の燃焼によって高温ガスとなり、タービンを駆動後に回転軸方向から熱交換器へと入り、軸方向へ出る。この間に、前記の高圧空気と熱交換器内で熱交換する。【０００５】    キャプストン社のマイクロガスタービンには、図８及び図９に示すＰｒｉｍａｒｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｒｅｃｕｐｅｒａｔｏｒ（ＰＳＲ）が使われており、インガソルランド（Ｉｎｇｅｒｓｏｌｌ−Ｒａｎｄ）社のガスタービンには、図８及び図１０に示すＢｒａｚｅｄ  Ｐｌａｔｅ  ａｎｄ  Ｆｉｎ  Ｒｅｃｕｐｅｒａｔｏｒ（ＰＦＲ）が使われている。【０００６】    両方の再生熱交換器は、図９及び図１０に示すように、細かなプレス加工を施した複雑な形状の流路が形成されている。この流路形成のプレス加工には、高価な精密金型が使用され、その償却には数十万台程度の販売台数が必要であるため、少量多種生産には不向きである。【０００７】    また、図７で説明したように、空気が内径側から入り、内径側へと流出し、高温のガスが空気に逆行して軸方向に流れる構成の円筒形状の再生熱交換器は、ガスタービン全体のサイズが大きくなる。【０００８】    汎用性のあるコルゲートフィンを使った角型の熱交換器要素を複数個演習場に配列し、少量生産でも採算が取れる再生熱交換器が開発されている。この熱交換器の構成を図１１に示す。この構成では、円周上に熱交換器要素がない部分ができるとともに、熱交換器要素の外周を個別にシールするためのケースが必要であり、構成が複雑で熱交換器が占める容積の中で無駄な容積が大きい。
【課題を解決するための手段】
【０００９】    空気流路と高温ガス流路を分ける円周を一周する波型プレートと波型プレートで形成されるＶ字型の流路にコルゲートフィンを挿入する。
【００１０】    コルゲートフィンの両側面のなす角度を上記のＶ字型の角度とほぼ同じとして、流路への挿入を容易にする。
【００１１】    上記の波型プレートとコルゲートフィンをプレス加工または板曲げ加工で製作する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】    図１から図５に実施例１の構成を示す。図１は、再生熱交換器全体の正面断面図と側面図を示したものであり、正面断面図の上部は空気流路（１００）を、下部はガス流路（２００）を示したものである。圧縮機で作り出された高圧空気は、熱交換器の空気流路（１００）の入口（１１０）から入り、燃焼器へと向かう内円筒（６００）に設けられた出口（１５０）から流出する。空気流路（１００）とガス流路（２００）を形成する波型プレート（３００）と外円筒（５００）及び内円筒（６００）は、ロウ付けや溶接等で接合されている。正面断面図中の空気流路（１００）とガス流路（２００）は、コルゲートフィン（４００）を省略して示している。【００１３】  空気流路（１００）は、波型プレート（３００）で形成され、内径側が開放されており、内円筒（６００）と接し、空気の漏れが防止されている。出口（１５０）の部分の内円筒（６００）が開放されている。空気流路（１００）は、封止部（１４０）で塞がれている。また、高温ガス出口（１２０）は、波型プレート（３００）の外周部で塞がれている。空気流路（１００）内の波型プレート（３００）に接合されたコルゲートフィン（４００）は、入口（１１０）から切断線（１３０）の間に設けられている。【００１４】    タービンから出た高温ガスは、ガス流路（２００）の入口（２１０）から入り、外円筒（５００）に設けられた出口（２５０）から外部へ放出される。波型プレート（３００）で形成されたガス流路（２００）は、波型プレート（３００）を介して空気流路（１００）と接し、熱交換をして空気が加熱される。コルゲートフィン（４００）は、波型プレート（３００）にロウ付けや溶接等で接合されており、切断線（２３０）で切断されており、ガス流路（２００）は軸方向へは封止部（２４０）で塞がれている。また、波型プレート（３００）で形成されたガス流路（２００）は、外周側へ開放されているので、外円筒（５００）でふさがれている。【００１５】    図２（ａ）は、波型プレート（３００）で形成される空気流路（１００）とガス流路（２００）、円筒状の再生熱交換器の中心との位置関係、（ｂ）は波型プレート（３００）の各面を示している。空気流路（１００）は、側面（３２０）、（３４０）、外周面（３３０）で囲まれ、内周面は開放されている。ガス流路（２００）は、側面（３２０）、（３４１）、内周面（３１０）で形成され、外周面は開放されている。【００１６】  図３（ａ）に、コルゲートフィン（４００）の構成を、（ｂ）に波型プレート（３００）で形成される空気流路（１００）とガス流路（２００）内にコルゲートフィン（４００）を収めた状況を示す。コルゲートフィン（４００）は、位置決め部（４１０）、（４６０）、フィン部（４２０）、（４４０）、接合部（４３０）、（４５０）で形成されている。コルゲートフィン（４００）の接合部（４３０）と（４５０）のなす角度は、波型プレート（３００）の側面（３２０）と（３４０）のなす角度とほぼ等しく設定されている。コルゲートフィン（４００）は、波型プレート（３００）を挟んでほぼ鏡像関係となるように配置されている。【００１７】  図４（ａ）（ｂ）に、波型プレート（３００）を製作する板の曲げ線（４０５）、内周面（３１０）、（３１１）、（３１２）、側面（３２０）、（３２１）、（３２２）、（３４０）、（３４１）、（３４２）、外周面（３３０）、（３３１）、（３３２）、及び曲げ後の形状を示す。【００１８】  図５（ａ）にコルゲートフィン（４００）の形状を、（ｂ）に曲げ加工前の板とその曲げ線（４０５）及び曲げ前後の各部の関係を示す。コルゲートフィン（４００）は、位置決め部（４１０）、（４６０）、フィン部（４２０）、（４２１）、（４４０）、（４４１）・・・、接合部（４３０）、（４３１）、（４５０）、（４５１）・・・で形成されている。【００１９】  図６に、流路軸方向端部の封止部（１４０）、（２４０）の封止加工形状を示す。（ａ）は波型プレート（３００）で形成される空気流路（１００）とガス流路（２００）の側面（３４０）、（３２１）、（３４１）、内周部（３１１）、外周部（３３１）を示す。（ｂ）は、スペーサ（１４５）の設置位置を示す。（ｃ）は、ガス流路（２００）の側面（３４０）、（３２１）、内周面（３１１）を押しつぶしてロウ付けや溶接で封止した例を示す。（ｄ）は、空気流路（１００）の側面（３４１）、（３２１）、外周面（３３１）を押しつぶしてロウ付けや溶接で封止した例を示す。（ｅ）は、ガス流路（２００）の外周側にスペーサ（１４５）を挿入して封止した例を、（ｆ）は、空気流路（１００）の内周側にスペーサ（１４５）を挿入して封止した例を示す。
【発明の効果】
【００２０】  円筒形状の再生熱交換器において、１ｍｍ以下の板厚を有する板を板曲げによって製作可能な再生熱交換器を円周状に展開する波型プレートで低温ガス（空気）流路と高温ガス流路を形成し、両方の流路内にコルゲートフィンを挿入して、波型プレートに接合した高い温度効率を有する再生熱交換器を提供すること。
【００２１】  本発明の再生熱交換器は、板曲げとプレスの両方で製作可能であるので、少量多種生産及び大量生産に適し、少量でも大量でも安価で生産可能である。
【００２２】  空気を軸方向から入り、半径方向に流出させ、高温ガスを軸方向から入り、外向き半径方向に流出させているので、波型プレートを介して空気とガスが接する面積を広く取ることができる。
【００２３】  空気流路とガス流路内のコルゲートフィンのフィン部と接合部が波型プレートを挟んで相対するほぼ鏡像関係となる位置に設置されているので、フインの熱伸びによる波型プレートへ作用する力が相殺される。
【００２４】  波型プレートで形成される空気流路とガス流路がＶ字型形状を呈するので、コルゲートフィンを所定の位置より外周側に挿入することによって波型プレートとコルゲートフィンの隙間が大きくなり、コルゲートフィンの挿入、組み立てが容易になる。
【００２５】  本明細書では、ガスタービンに用いられる高温ガスと空気を作動流体とする再生熱交換器を例として説明しているが、本発明は、一般的な高温流体と低温流体の熱交換器にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】再生熱交換器の構成図
【図２】波型プレートで形成される空気流路とガス流路
【図３】波型プレートとコルゲートフィンの構成図
【図４】板曲げ波型プレートの曲げ線と形状
【図５】コルゲートフィンの形状と板曲げ線
【図６】流路端部の封止加工
【図７】従来の再生熱交換器を有するマイクロガスタービン
【図８】従来の再生熱交換器の一例
【図９】従来のプライマリーサーフェース型熱交換器要素
【図１０】従来のブレーズドプレート型熱交換器要素
【図１１】従来の角型熱交換器要素で形成された再生熱交換器
【符号の説明】
【００２６】（１００）空気流路                        （１１０）入口
（１３０）切断線                          （１４０）封止部
（１４５）スペーサ                        （１５０）出口
（２００）ガス流路                        （２１０）入口
（２３０）切断線                          （２４０）封止部
（２５０）出口
（３００）波型プレート                    （３１０）、（３１１）、（３１２）内周部
（３２０）、（３２１）、（３２２）、（３４０）、（３４１）、（３４２）側面
（４００）コルゲートフィン                （４１０）、（４６０）位置決め部
（４２０）、（４２１）、（４２２）、（４２３）、（４２４）、（４４０）、（４４１）、（４４２）、（４４３）、（４４４）フィン部
（４３０）、（４３１）、（４３２）、（４３３）、（４３４）、（４５０）、（４５１）、（４５２）、（４５３）接合部
（５００）外円筒                          （６００）内円筒
【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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【図１０】
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【図１１】
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