(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体Ａが流れる第一流路を画成する複数のチューブエレメントと、互いに積層された前記チューブエレメントを収容し、流体Ｂが流れる第二流路を画成するハウジングと、各チューブエレメントの内部に介装されたインナーフィンと、各チューブエレメントの内部の空気出口端に介装された略三角形状の補強プレートと、各チューブエレメントの間に介装されたアウターフィンとを備えた積層型熱交換器において、前記アウターフィンの中央部分に、前記補強プレートの突起部分の幅とほぼ等しい幅の開口穴を有することを特徴とする積層型熱交換器。
【請求項２】
前記アウターフィンの開口穴は、その長軸を空気の流れの方向に一致させた略長円形状になっていることを特徴とする請求項１記載の積層型熱交換器。
【請求項３】
仕切プレートに前記開口穴と相似形状の突出部が形成され、同突出部は隣接するチューブエレメントに前記開口穴を通して接合されていることを特徴とする請求項１又は２記載の積層型熱交換器。
【請求項４】
流体Ａが流れる第一流路を画成する複数のチューブエレメントと、互いに積層された前記チューブエレメントを収容し、流体Ｂが流れる第二流路を画成するハウジングと、各チューブエレメントの内部に介装されたインナーフィンと、各チューブエレメントの内部の空気出口端に介装された略三角形状の補強プレートと、各チューブエレメントの間に介装されたアウターフィンとを備えた積層型熱交換器において、前記インナーフィンの中央部分に、前記補強プレートの突起部分の幅とほぼ等しい幅の開口穴を有することを特徴とする積層型熱交換器。
【請求項５】
前記インナーフィンの開口穴は、その長軸を空気の流れの方向に一致させた略長円形状になっていることを特徴とする請求項４記載の積層型熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンエンジンの廃熱回収用として用いられる積層型熱交換器の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来この種の積層型熱交換器としては、例えば特開平６−３３１２９６号公報に開示されたものが知られている。これは図７及び図８に示すように、流体Ａが流れる第一流路を画成する複数のチューブエレメント２と、互いに積層されたチューブエレメント２を収容し、流体Ｂが流れる第二流路を画成するハウジング７と、各チューブエレメント２の内部に介装されたインナーフィン３と、各チューブエレメント２の間に介装されたアウターフィン１とを備えた積層型熱交換器であって、チューブエレメント２内のインナーフィン３より下流側の出口空間に、インナーフィン３から排出される流体Ａを２方向に分流する補強プレート８を介装したものである。
【０００３】
この積層型熱交換器では、流体Ａとしては圧縮機により圧力を高められた低温の空気を流し、流体Ｂとしては高温の燃焼ガスを流して熱交換を行う。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述の従来の積層型熱交換器では、各部材に熱応力が発生するが、熱応力の大きさは部材ごとに異なっている。これはタービンから熱交換器に流入する燃焼ガスの温度に温度分布があることのほか、積層型熱交換器の構造にも原因がある。例えばチューブエレメント２においてはインナーフィン３の無い領域における剛性が低く、この部分の熱応力は大きくなる。特に補強プレートの三角形の突起８ａがある領域Ｈ（図９参照）は、インナーフィン３と補強プレート８の間の距離が小さく、熱応力が他の領域と比較して大きくなる。そして、このような熱応力の大きな領域Ｈにおいて、仕切プレート２ａに亀裂が発生することがあるという問題点があった。
【０００５】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、熱応力の大きな領域を選択的に強く冷却して、装置全体の耐久性を向上させることができる積層型熱交換器を提供することを目的とする。
【０００６】
【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記載の本発明の積層型熱交換器は、流体Ａが流れる第一流路を画成する複数のチューブエレメントと、互いに積層された前記チューブエレメントを収容し、流体Ｂが流れる第二流路を画成するハウジングと、各チューブエレメントの内部に介装されたインナーフィンと、各チューブエレメントの内部の空気出口端に介装された略三角形状の補強プレートと、各チューブエレメントの間に介装されたアウターフィンとを備えた積層型熱交換器において、前記アウターフィンの中央部分に、前記補強プレートの突起部分の幅とほぼ等しい幅の開口穴を有することを特徴とする。
【０００７】
この請求項１記載の積層型熱交換器では、熱応力の大きな領域を選択的に強く冷却するようにした。すなわちアウターフィンの中央部分には開口穴が設けられているため、この領域でのガス側流路の伝熱面積は小さくなり、伝熱量が減少する。そして伝熱量が減少しただけチューブエレメント内を流れる空気の温度は低くなる。このため比較的低温の空気が補強プレートの突起部分の近傍を流れるようになる。つまり補強プレートの突起部分近傍の熱応力の高い部分を他の部分よりも強く冷却して材料温度を低下させることになる。
【０００８】
またアウターフィンに開口穴を設けることは、部分的にアウターフィンの長さを短くしているのと等価であり、アウターフィンを流れるガスの摩擦損失が低減され、ガス側の圧力損失が全体として小さくなる作用も得られる。
【０００９】
請求項１記載の積層型熱交換器において、アウターフィンの開口穴はアウターフィンの中央部分において、補強プレートの突起部分の幅とほぼ等しい幅に設けられていれば、前記作用を有することができ、開口穴の形状は特に限定されることはない。なかでも請求項２記載の積層型熱交換器では、前記アウターフィンの開口穴は、その長軸を空気の流れの方向に一致させた略長円形状になっていることを特徴とする。
【００１０】
この請求項２記載の積層型熱交換器では、アウターフィンの開口穴が略長円形状であるため、最も熱応力の大きくなる補強プレートの中央部分において、最も伝熱量が小さくなり、外側に向うに従って伝熱量を大きくしていくため、アウターフィンに開口穴を設けたことによる熱交換器全体としての熱交換量の減少を最小限にすることができる。
【００１１】
請求項１又は２記載の積層型熱交換器においては、アウターフィンに開口穴を設けることで、この領域でのガス側流路の伝熱面積を小さくし、伝熱量を減少させている。伝熱量の減少がこれでは不十分な場合には、請求項３に記載したように、仕切プレートに前記開口穴と相似形状の突出部を形成し、同突出部を隣接するチューブエレメントに前記開口穴を通して接合するようにしてもよい。
【００１２】
この請求項３記載の積層型熱交換器では、仕切プレートに突出部を設けることで、この部分に燃焼ガスが流入するのを阻止する。このため突出部における空気側への伝熱量は大幅に減少し、空気の温度を一層低下させることができる。そしてこの低温の空気で補強プレートの突起部分近傍の熱応力の高い部分を強く冷却する。
【００１３】
また突出部の外形を開口穴と相似形状にすることで、突出部周辺を流れる高温ガスの流れを乱さず、圧力損失を低く抑えることができる。
【００１４】
請求項１乃至３の積層型熱交換器においては、アウターフィンに開口穴を設けることでガス側流路の伝熱面積を小さくし伝熱量を減少させているが、請求項４記載の積層型熱交換器ではインナーフィンに開口穴を設けるようにしている。すなわち請求項４記載の積層型熱交換器は、流体Ａが流れる第一流路を画成する複数のチューブエレメントと、互いに積層された前記チューブエレメントを収容し、流体Ｂが流れる第二流路を画成するハウジングと、各チューブエレメントの内部に介装されたインナーフィンと、各チューブエレメントの内部の空気出口端に介装された略三角形状の補強プレートと、各チューブエレメントの間に介装されたアウターフィンとを備えた積層型熱交換器において、前記インナーフィンの中央部分に、前記補強プレートの突起部分の幅とほぼ等しい幅の開口穴を有することを特徴とする。
【００１５】
この請求項４記載の積層型熱交換器では、インナーフィンの中央部分に開口穴を設けることで、この領域での空気側流路の伝熱面積を小さくして、空気の受熱量を減少させるようにした。そして受熱量が減少しただけチューブエレメント内を流れる空気の温度は低くなるため、比較的低温の空気が補強プレートの突起部分の近傍を流れるようになる。つまり補強プレートの突起部分近傍の熱応力の高い部分を他の部分よりも強く冷却して材料温度を低下させることになる。
【００１６】
またインナーフィンに開口穴を設けることは、部分的にインナーフィンの長さを短くしているのと等価であり、インナーフィンを流れる空気の摩擦損失が低減され、空気側の圧力損失が全体として小さくなる作用も得られる。そして摩擦損失の小さくなっただけ、インナーフィンの開口穴の部分に流れる圧縮空気の流量が多くなり、補強プレートの突起部分近傍の冷却能力をさらに向上させることができる。
【００１７】
請求項４記載の積層型熱交換器において、インナーフィンの開口穴はインナーフィンの中央部分において、補強プレートの突起部分の幅とほぼ等しい幅に設けられていれば、前記作用を有することができ、開口穴の形状は特に限定されることはない。なかでも請求項５記載の積層型熱交換器では、前記インナーフィンの開口穴は、その長軸を空気の流れの方向に一致させた略長円形状になっていることを特徴とする。
【００１８】
この請求項５記載の積層型熱交換器では、インナーフィンの開口穴が略長円形状であるため、最も熱応力の大きくなる補強プレートの中央部分において、最も受熱量が小さくなり、外側に向うに従って受熱量を大きくしていくため、インナーフィンに開口穴を設けたことによる熱交換器全体としての熱交換量の減少を最小限にすることができる。
【００１９】
【発明の効果】
請求項１記載の積層型熱交換器によれば、アウターフィンの中央部分に開口穴を設けることで、この領域でのガス側流路の伝熱面積を小さくし、伝熱量を減少させることができる。そして伝熱量が減少しただけチューブエレメント内を流れる空気の温度を低くして、比較的低温の空気を補強プレートの突起部分の近傍に流すことができる。これにより補強プレートの突起部分近傍の熱応力の高い部分を他の部分よりも強く冷却して材料温度を低下させることができる。すなわち熱応力の大きな領域を選択的に強く冷却することができる。このため積層型熱交換器の耐久性を向上させることができる。
【００２０】
またアウターフィンに開口穴を設けることは、部分的にアウターフィンの長さを短くしているのと等価であり、アウターフィンを流れるガスの摩擦損失を低減させることができる。つまりガス側の圧力損失を全体として小さくすることができる。
【００２１】
請求項２記載の積層型熱交換器によれば、アウターフィンの開口穴が略長円形状であるため、最も熱応力の大きくなる補強プレートの中央部分において、最も伝熱量を小さくして、熱応力の大きな領域を選択的に冷却することができる。また、外側に向かうに従って伝熱量を大きくしていくため、アウターフィンに開口穴を設けたことによる熱交換器全体としての熱交換量の減少を最小限にすることができる。
【００２２】
請求項３記載の積層型熱交換器によれば、仕切プレートに突出部を設けることで、この部分に燃焼ガスが流入するのを阻止することができる。このため突出部における空気側への伝熱量を大幅に減少させることができ、空気の温度を一層低下させることができる。そしてこの低温の空気で補強プレートの突起部分近傍の熱応力の高い部分を強く冷却することができる。また突出部の外形を開口穴と相似形状にすることで、突出部周辺を流れる高温ガスの流れを乱さず、圧力損失を低く抑えることができる。
【００２３】
請求項４記載の積層型熱交換器によれば、インナーフィンの中央部分に開口穴を設けることで、この領域での空気側流路の伝熱面積を小さくして、空気の受熱量を減少させることができる。そして受熱量が減少しただけチューブエレメント内を流れる空気の温度は低くして、比較的低温の空気を補強プレートの突起部分の近傍を流すことができる。これにより補強プレートの突起部分近傍の熱応力の高い部分を他の部分よりも強く冷却して材料温度を低下させることができる。このため積層型熱交換器の耐久性を向上させることができる。
【００２４】
またインナーフィンに開口穴を設けることは、部分的にインナーフィンの長さを短くしているのと等価であり、インナーフィンを流れる空気の摩擦損失を低減させ、空気側の圧力損失を全体として小さくすることができる。そして摩擦損失の小さくなっただけ、インナーフィンの開口穴の部分に流れる圧縮空気の流量が多くなり、補強プレートの突起部分近傍の冷却能力をさらに向上させることができる。
【００２５】
請求項５記載の積層型熱交換器によれば、インナーフィンの開口穴が略長円形状であるため、最も熱応力の大きくなる補強プレートの中央部分において、最も受熱量を小さくして、熱応力の大きな領域を選択的に冷却することができる。また、外側に向かうに従って受熱量を大きくしていくため、インナーフィンに開口穴を設けたことによる熱交換器全体としての熱交換量の減少を最小限にすることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明に係る積層型熱交換器の実施形態を説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２７】
（実施形態１）
【００２８】
図１は積層型熱交換器を破断して示す平面図、図２はＡ−Ａ線による断面図である。
【００２９】
図において、アウターフィン１は断面波形の板体であって、アルミニウム等の熱伝導の良好な金属板でできており、複数のチューブエレメント２のそれぞれの間に介装されている。
【００３０】
チューブエレメント２は、上下一対の平板状の仕切プレート２ａとその間に介装された波形のインナーフィン３とからなり、これらはいずれもアルミニウム等の熱伝導の良好な金属板からできている。インナーフィン３の長さは前記アウターフィンの長さよりも若干短くなっており、これによるインナーフィン３の存在しない両端の部分は、流体Ａとしての低温の圧縮空気が空気流入口４からインナーフィン３を通って空気排出口５へと排出される際の空気通路となっている。ここでチューブエレメント２内のインナーフィン３より下流側の出口空間には、略三角形状の補強プレート８が介装され、インナーフィン３から排出される圧縮空気を左右２方向に分流するようになっている。
【００３１】
一方、流体Ｂとしての高温の燃焼ガスは、ディフューザ６を通ってハウジング７内に導入され、前記チューブエレメント２の間の空間を前記アウターフィン１に沿って流れる。
【００３２】
前記アウターフィン１の中央部分には、補強プレート８の突起部分８ａの幅とほぼ等しい幅の開口穴１ａが形成されている。開口穴１ａは、その長軸を空気の流れの方向に一致させた略長円形状になっている。
【００３３】
次に、上記構成からなる本実施形態の積層型熱交換器の作用を説明する。
【００３４】
各層の補強プレート８の突起部分８ａでは、運転時に発生する熱応力が特に大きくなっている。本実施形態では、この熱応力の大きな領域を選択的に強く冷却するようにした。
【００３５】
アウターフィン１の中央部分には、突起部分８ａとほぼ等しい幅の開口穴１ａが設けられている。このため高温の燃焼ガスがアウターフィン１に沿って流れるとき、この開口穴１ａの領域での伝熱面積は小さくなり、燃焼ガスから仕切プレート２ａを介して圧縮空気側に伝達される伝熱量が減少する。そして伝熱量が減少しただけチューブエレメント２内を流れる空気の温度は低くなる。このため比較的低温の空気が補強プレート８の突起部分８ａの近傍を流れるようになる。つまり補強プレート８の突起部分８ａ近傍の熱応力の高い部分を他の部分よりも強く冷却して材料温度を低下させることになる。従って、実質的にこの部分の材料強度が向上し、より大きな熱応力に耐えられるようになる。
【００３６】
本実施形態によれば、整流板等の付加部品を取付けることなく、熱交換器の耐久性を向上させることができる。
【００３７】
またアウターフィン１に開口穴１ａを設けて中央部分におけるアウターフィン１の長さを短くしているので、アウターフィン１に沿って流れる燃焼ガスの摩擦損失が低減され、ガス側の圧力損失を全体として小さくすることができる。これによりエンジンの出力が向上する。
【００３８】
特にアウターフィン１の開口穴１ａが略長円形状であるため、最も熱応力の大きくなる補強プレート８の中央部分において、最も伝熱量が小さくなり、外側に向かうに従って伝熱量を大きくしていくため、アウターフィン１に開口穴１ａを設けたことによる熱交換器全体としての熱交換量の減少を最小限にすることができる。
【００３９】
また圧縮空気の圧力のほうが燃焼ガスの圧力よりも大きいため、この圧力差によってチューブエレメント２には膨張しようとする力が働くが、チューブエレメント２のインナーフィン３の存在しない両端の空気通路の部分においても、アウターフィン１は介装されているので、この膨張力を構造的に支持し、仕切プレート２ａが膨れたり亀裂が入ったりするのが防止される。
【００４０】
（実施形態２）
【００４１】
次に、本発明の別例を図３及び図４について説明すると、この実施形態の仕切プレート２ａには開口穴１ａと相似形状の突出部２ｂを形成し、突出部２ｂを隣接するチューブエレメント２に前記開口穴１ａを通して接合するようにした点において前記実施形態とは異なっている。
【００４２】
アウターフィン１には前記実施形態１と同様に略長円形状の開口穴１ａが設けられている。仕切プレート２ａにはプレス加工によって前記開口穴１ａと相似形状で若干小さい形状の突出部２ｂが形成されている。突出部２ｂの高さはアウターフィン１の厚さと同一の寸法になっている。仕切プレート２ａの突出部２ｂは、熱交換器コアのろう付け時に、隣接するチューブエレメント２とろう付けにより接合される。なお最下層のチューブエレメント２の仕切プレート２ａには図４に示すように突出部は形成しない。
【００４３】
本実施形態でも前記実施形態１と同様に、アウターフィンに開口穴を設けることで、この領域でのガス側流路の伝熱面積を小さくし、伝熱量を減少させている。
【００４４】
本実施形態ではさらに、仕切プレート２ａに突出部２ｂを設けることで、この部分に燃焼ガスが流入するのを阻止する。このため突出部２ｂにおける空気側への伝熱量は大幅に減少し、空気の温度を一層低下させることができる。そしてこの低温の空気で補強プレート８の突起部分８ａ近傍の熱応力の高い部分を強く冷却する。
【００４５】
また突出部２ｂの外形を略長円形状にすることで、突出部２ｂ周辺を流れる高温ガスの流れを乱さず、圧力損失を低く抑えることができる。
【００４６】
また前記実施形態１ではアウターフィン１に開口穴１ａが設けられた中央部分において圧力損失が小さくなっており、この部分を流れる燃焼ガスの量が多くなる傾向があるが、本実施形態では中央部分の流れが突出部２ｂで阻止されるため、中央部分に偏って燃焼ガスが流れることはなくなる。すなわち、燃焼ガス入口のディフューザ６の作用だけでは熱交換器の入口全面に十分均等には燃焼ガスを配分できないことがあるが、本実施形態では中央部分に流入する燃焼ガス量を制限することで、コア全体への分布が改善され、熱交換器の伝熱量を増加させることができる。
【００４７】
（実施形態３）
【００４８】
次に、本発明の別例を図５及び図６について説明すると、この実施形態ではアウターフィン１に開口穴１ａを設けるのに代えて、インナーフィン３に開口穴３ａを設けるようにした点が前記実施形態１及び２とは異なっている。
【００４９】
すなわち、アウターフィン１には開口穴はなく、チューブエレメント２の全長にわたって波形のフィンが配設されたものとなっている。一方、インナーフィン３の中央部分には、補強プレート８の突起部分８ａの幅とほぼ等しい幅の開口穴３ａが形成されている。開口穴３ａは、その長軸を空気の流れの方向に一致させた略長円形状になっている。
【００５０】
本実施形態では、インナーフィン３の中央部分に開口穴３ａを設けることで、この領域での空気側流路の伝熱面積を小さくして、空気の受熱量を減少させるようにした。そして受熱量が減少しただけチューブエレメント２内を流れる空気の温度は低くなるため、比較的低温の空気が補強プレート８の突起部分８ａの近傍を流れるようになる。つまり補強プレート８の突起部分８ａ近傍の熱応力の高い部分を他の部分よりも強く冷却して材料温度を低下させることになる。
【００５１】
またインナーフィン３に開口穴３ａを設けることは、部分的にインナーフィン３の長さを短くしているのと等価であり、インナーフィン３を流れる空気の摩擦損失が低減され、空気側の圧力損失が全体として小さくなる作用も得られる。そして摩擦損失の小さくなっただけ、インナーフィン３の開口穴３ａの部分に流れる圧縮空気の流量が多くなり、補強プレート８の突起部分８ａ近傍の冷却能力をさらに向上させることができる。すなわち、チューブエレメント２の中央部分に流れる空気量が増える分だけ中央部分での冷却能力を高めることができる。
【００５２】
なお、以上説明した実施の形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施の形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１による積層型熱交換器を破断して示す平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線による断面図である。
【図３】本発明の実施形態２による積層型熱交換器を破断して示す平面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ線による断面図である。
【図５】本発明の実施形態３による積層型熱交換器を破断して示す平面図である。
【図６】図５のＡ−Ａ線による断面図である。
【図７】従来技術による積層型熱交換器を破断して示す平面図である。
【図８】図７のＤ−Ｄ線による断面図である。
【図９】図７の積層型熱交換器の熱応力について説明する図である。
【符号の説明】
１…アウターフィン
１ａ…開口穴
２…チューブエレメント
２ａ…仕切プレート
２ｂ…突出部
３…インナーフィン
３ａ…開口穴
４…空気流入口
５…空気排出口
６…ディフューザ
７…ハウジング
８…補強プレート
８ａ…突起部分
【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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