(57)【要約】【課題】タービン用の熱交換器（１００）が提供される。【解決手段】該熱交換器（１００）は、２つの対向する端部（１３０、１３５）及び２つの対向する側部（１４０、１４５）を有するシート状の材料（１２０）を含む熱伝達セル（１１０）を備える。更に、複数の陥凹（１５０）が、シート状の材料（１２０）の表面部分上に設けられて、流体（１６０）が陥凹（１５０）のまわりを流れるとき、該流体（１６０）と該陥凹（１５０）との間に流体力学的相互作用を引き起こし、該流体（１６０）と該陥凹（１５０）との間でのタービンの熱伝達率を向上させるようになっている。【選択図】　　　図１
2004093107.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン用の熱交換器（１００）であって、
２つの対向する端部（１３０）及び２つの対向する側部（１４０）を有するシート状の材料（１２０）を含む熱伝達セル（１１０）と、
前記材料（１２０）の表面部分上に設けられた複数の陥凹（１５０）と、
を含み、
該複数の陥凹（１５０）は、流体（１６０）が該陥凹（１５０）のまわりを流れるとき、該流体（１６０）と該陥凹（１５０）との間に流体力学的相互作用を引き起こし、該流体（１６０）と該陥凹（１５０）との間での前記タービンの熱伝達率を向上させるようになっている、
ことを特徴とする熱交換器（１００）。
【請求項２】
前記シート状の材料（１２０）は、前記側部（１４０）が互いに最も近くなるようにそれ自体の上に折り重ねられて、該側部（１４０）の各々の間にチャンバ（１７０）を形成するようになっていることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器（１００）。
【請求項３】
互いに最も近い前記側部が、互いに溶接されていることを特徴とする、請求項２に記載の熱交換器（１００）。
【請求項４】
少なくとも１つのプレート（２００）が、前記熱伝達セル（１１０）の少なくとも１つに結合されて、該プレート（２００）と該熱伝達セル（１１０）との間に複数のチャンバ（１７０）を形成するようになっていることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器（１００）。
【請求項５】
前記材料（１２０）の断面形状が、波形、正方形、三角形、ハニカム形状及び不規則形状からなる群から選ばれることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器（１００）。
【請求項６】
前記陥凹（１５０）が、くぼみ、圧こん、ディンプル及びピットからなる群から選ばれることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器（１００）。
【請求項７】
前記陥凹（１５０）の深さ（Ｙ）が、約０．０５ｍｍ（０．００２インチ）　から約３．１７５ｍｍ（０．１２５インチ）　の間の範囲にあることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器（１００）。
【請求項８】
前記陥凹（１５０）の深さ（Ｙ）が、該陥凹（１５０）の表面積径（Ｄ）の約０．１０倍から約０．５０倍の間の範囲にあることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器（１００）。
【請求項９】
前記陥凹（１５０）が、該陥凹（１５０）の前記表面積径（Ｄ）の約１．１倍から約２．０倍の間の範囲にある中心間距離（Ｘ）を有することを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器（１００）。
【請求項１０】
圧縮機と、
該圧縮機に結合された燃焼器と、
該圧縮機に結合されたタービン発電機と、
２つの対向する端部（１３０）及び２つの対向する側部（１４０）を有するシート状の材料（１２０）を含む熱伝達セル（１１０）と、
前記材料（１２０）の表面部分上に設けられた複数の陥凹（１５０）と、
を含み、
該複数の陥凹（１５０）は、流体（１６０）が該陥凹（１５０）のまわりを流れるとき、該流体（１６０）と該陥凹（１５０）との間に流体力学的相互作用を引き起こし、該流体（１６０）と該陥凹（１５０）との間の熱伝達率を向上させるようになっている、
を含むことを特徴とするガスタービン組立体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に発電装置に関し、より具体的には、改良されたタービン用の熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービン及び小型タービンは、一般的にその効率を高めるために復熱装置としても知られている熱交換器を使用する。その効率を高めるために、空対空主表面又はプレートフィン形熱交換器が、一般的にこのようなタービンから排出される高温の排気ガスから熱エネルギーを回収するために用いられる。熱交換器は、一般的に高温側の流路及び低温側の流路を含む。タービンの高温排気ガスは、一般的に熱交換器の高温側流路を通して送られるが、比較的低温の燃焼用空気は、圧縮機から流出し、途中にある低温側流路を通して燃焼器に送られる。熱エネルギーは、一般的に高温排気流体から低温側流路に隣接する壁面へ対流伝達されそれによって燃焼用空気を加熱することによって、高温側流路内の高温排気ガスから低温側流路内にあるより低温の燃焼用空気に伝達される。その結果、燃焼用空気は、熱交換器から流出して燃焼器に流入するが、該燃焼用空気は予熱されており、それによって高められたサイクル効率が得られ、そうでなければ失われるはずの高温排気ガスからの熱エネルギーを利用する。
【０００３】
熱交換器は、ガスタービン及び小型タービンにおいて高い効率の可能性をこれまで示しているが、高温排気ガスと燃焼用空気との間の熱伝達に関連する一部の問題が残っている。一部の設計では、高温排気ガスと燃焼用空気との間の熱伝達が、主として波形シートの間に形成された平滑なチャネル間で行われるので、ガスと空気との間での熱伝導に用いられる表面積を最適化しているとはいえない。平滑なチャネルは、一般的にチャネル表面と燃焼用空気との間での低い熱伝達率をもたらすという望ましくない特性を有する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従って、当該技術において、改善された熱伝達特性をもたらす改良された熱交換器を有するタービンに対する必要性がある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の１つの実施形態は、２つの対向する端部及び２つの対向する側部を有するシート状の材料を含む熱伝達セルを備えるタービン用の熱交換器を含む。更に、複数の陥凹がシート状の材料の表面部分上に設けられて、流体が陥凹のまわりを流れるとき、流体と陥凹との間に流体力学的相互作用を引き起こし、該流体と該陥凹との間でのタービンの熱伝達率を向上させるようになっている。
【０００６】
本発明のこれら並びに他の特徴、形態及び利点は、図面を通じて同じ符号が同じ部分を表している付属の図面を参照して以下の詳細な説明を読むとき、一層良く理解されるようになるであろう。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１に、タービン用の熱交換器１００が示されている。熱交換器１００は、少なくとも１つの熱伝達セル１１０を含む。熱伝達セル１１０は、２つの対向する端部１３０、１３５及び２つの対向する側部１４０、１４５を有する少なくとも１つのシート状の材料１２０を含む。更に、複数の陥凹１５０が材料１２０の表面部分上に設けられて、流体１６０が陥凹１５０のまわりを流れるとき、流体１６０と陥凹１５０との間に流体力学的相互作用を引き起こし、該流体１６０と該陥凹１５０との間でのタービンの熱伝達率を向上させるようになっている。本明細書で用いられる用語「上に」、「内に」、「まわりに」、「その上に」、「その中に」、「上方に」、「下に」、「中に」等は、図に示すような熱交換器１００の要素の相対的位置を表すために用いられるものであって、熱交換器１００の配向又は作動に対して如何なる限定を与えることも意味するものではない。１つの実施形態では、流体１６０は空気を含む。タービンは、一般的にガスタービン及び小型タービンからなる群から選ばれる。
【０００８】
シート状の材料１２０は、一般的に側部１４０、１４５（例えば、図２に示すような側部１４０及び１４５）が互いに最も近くなるようにそれ自体の上に折り重ねられて、側部１４０、１４５（図２を参照）の各々の間に少なくとも１つのチャンバ１７０を形成するようになっている。最も近い側部は、一般的に互いに結合される。本明細書で用いられる用語「結合される」は、熱交換器１００の側部１４０、１４５の機械的な取付けを意味し、それに限定するのではないが、溶接、ろう付け、はんだ付け及びこれと同様なもの、更に単一部品としての部材の機械加工、金属成形、及び鋳造を含む。他の構成では、少なくとも１つのプレート２００が、熱伝達セル１１０の少なくとも１つに結合されて、プレート２００と熱伝達セル１１０（図１を参照）との間に複数のチャンバ１７０を形成するようになっている。実例としてであってそれに限定するのではないが、材料１２０は、一般的にステンレス鋼、鉄、ニッケル基合金及びそれらの組合せを含む。材料１２０の断面形状は、一般的に波形、正方形、三角形、ハニカム形状及び不規則形状を含む。
【０００９】
本発明の１つの実施形態において、図１〜図３は、材料１２０（図１及び図２を参照）の表面部分上に設けられ、またプレート２００（図３を参照）の表面部分上に設けられた複数の陥凹１５０を示す。本明細書で用いられる用語「陥凹」は、くぼみ、圧こん、ディンプル、ピット又はこれと同様なものを意味する。陥凹１５０の形状は、一般的に半球形状又は逆向き切頭円錐形状である。一部の実施形態では、陥凹１５０の形状は、一般的に完全半球の任意のセクタである。他の実施形態では、陥凹１５０は、所望の用途に応じて、材料１２０、プレート２００又はその両方の全体又は表面部分上に設けることができることを理解されたい。更に、シート状の材料１２０、プレート２００、陥凹１５０及びチャンバ１７０の数は、例えば熱伝達率及び熱勾配の均一性などの所定の設計要件に基づいて決定されるように、技術者に任せられる。更に、材料１２０及びプレート２００の幅及び長さと共にその形状及び厚さは、それに限定するのではなく実例として図面に示されているが、所望の用途に応じて技術者が変更することができる。
【００１０】
本発明の１つの形態は、陥凹１５０が一般的に所定のパターンで上記の表面上に形成されて、少なくとも１つの高温側流路１８０から少なくとも１つの低温側流路１９０への熱伝達を高めるようにするものである。作動中、タービン（図示せず）の高温排気ガス（図１及び図２において紙面から突出する方向の「排気ガス」と標記された実線の矢印によって示されているような）は、一般的に高温側流路１８０を通して導かれ、一方、比較的より低温の燃焼用空気（図１及び図２において紙面に突入する方向の「燃焼用空気」と標記された実線の矢印によって示されているような）は、圧縮機（図示せず）から流出して、低温側流路１９０を通して導かれる。一部の実施形態では、排気ガスの温度は、燃焼用空気の温度より高いが、この温度は、タービンの要件及び熱交換器１００の構造に用いられている材料に応じて変化させることができる。用語「高温排気ガス」は、排気ガスが特定の温度を有する必要があることを意味するのではなく、むしろこの用語は、排気ガスの温度が対流によって燃焼用空気に熱を伝達するのに十分であることを意味するのに用いられることを理解されたい。
【００１１】
本発明の別の形態は、高温側流路１８０内の高温排気ガスから低温側流路１９０内にあるより低温の燃焼用空気に伝達される熱エネルギーが、流体１６０、例えば燃焼用空気と陥凹１５０との間の流体力学的相互作用のために従来の熱交換器と比較して増大されるものである。本明細書で用いられる用語「空気力学的相互作用」は、陥凹１５０と、流体１６０の中で各陥凹１５０が該陥凹１５０の内部に圧力領域を作り出して流体１６０の流れの一部に渦流パターン（図示せず）を作り出すようになっている流体１６０との間の相互作用を意味する。例えば、燃焼用空気中に作り出された渦流パターンは、低温側流路１９０内に位置する壁面から燃焼用空気への熱伝達を増大させ、それによって燃焼器（図示せず）に流入する前にこのような燃焼用空気をより高い温度（従来の熱交換器と比較して）にまで予熱することを可能にする。
【００１２】
流体１６０と各それぞれの陥凹１５０との間の熱伝達率はまた、各それぞれの陥凹２３０の形状により生じる表面積の増加のために増大（陥凹１５０なしの表面を有する設計と比較して）する。このため、流体１６０は、このような増加した表面積と相互作用し、それによって熱交換器からの熱エネルギーの除去をさらに高める。一部の実施形態では、熱伝達率の増大は、表面積の増加と正比例しないが、多くの場合、所定の設計に応じてより大きくできることを理解されたい。
【００１３】
陥凹１５０の任意の１つについての深さ「Ｙ」（図３を参照）は、一般的に熱交換器１００（図１を参照）の長さ「Ｌ」を通して一定に保たれる。深さ「Ｙ」（図３を参照）は、通常、陥凹の表面積径「Ｄ」の約０．１０倍から約０．５０倍の間の範囲内にある。その上に、陥凹１５０の深さ「Ｙ」は、約０．０５ｍｍ（０．００２インチ）　から約３．１７５ｍｍ（０．１２５インチ）　の間の範囲内にある。陥凹１５０の中心間距離「Ｘ」は、通常、陥凹１５０の表面積径「Ｄ」の約１．１倍から約２倍の範囲内にある。１つの実施形態では、陥凹１５０は、一般的にパルス電解加工（ＰＥＣＭ）法を用いて形成される。別の実施形態では、陥凹１５０は、一般的に放電加工（ＥＤＭ）法を用いて形成される。
【００１４】
本発明を、特許法に従ってここに図示しかつ説明してきたが、開示した実施形態において、本発明の技術思想及び技術的範囲から逸脱することなく修正及び変更をなし得ることは当業者には明らかであろう。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１つの実施形態によるタービン用の熱交換器の斜視図。
【図２】本発明の別の実施形態によるタービン用の熱交換器の斜視図。
【図３】本発明の別の実施形態による、プレートの１部分とその上に設けられた複数の陥凹を有する熱伝達セルの１部分との斜視図。
【符号の説明】
１００　熱交換器
１１０　熱伝達セル
１２０　シート状の材料
１３０、１３５　材料の端部
１４０、１４５　材料の側部
１５０　陥凹
１６０　流体
１７０　チャンバ
１８０　高温側流路
１９０　低温側流路
２００　プレート
【図１】
2004093107.tif 000003
【図２】
2004093107.tif 000004
【図３】
2004093107.tif 000005