热交换器 本发明涉及在圆周方向交替地形成高温流体通路与低温流体通路的热交换器。
作为在圆环状的空间内形成高温流体通路与低温流体通路的热交换器，在日本专利特开昭57-2982号公报、特开昭57-2983号公报、特开昭56-149583号公报中已有记述。
另外，通过第1折线与第2折线将多块第1传热板与多块第2传热板交替地连接设置成折板件，在该第1折线、第2折线处将该折板件弯折成曲折状，由第1折线与第1端板的连接封闭相邻接的第1折线间的间隙；同时，通过第2折线与第2端板的连接封闭邻接的第2折线间的间隙，作为这样的在相邻接的第1传热板与第2传热板间交替地形成高温流体通路与低温流体通路的热交换器，在日本专利特开昭58-40116号公报中也已有记述。
但是，在上述日本专利特开昭57-2982、特开昭57-2983号公报中所记述的热交换器，由于构成传热板的折板件的折线比较复杂，弯折作业需要比较多的劳力，加工成本增高。另外，由于高温流体通路与低温流体通路的入口是与轴呈直角方向(即半径方向)开口，在该部分区域流体流动急剧转弯，产生压力损失。另外，在日本专利特开昭56-149583号公报中所记述的热交换器，由于相对于高温流体通路或低温流体通路的流路方向，入口或出口地流路方向成正交方向，在该正交部分区域，流体流动急剧转弯，不仅要产生压力损失，而且也因为难以使与流体沿径向流动的入口或出口相连的导管沿着轴向，而必须使热交换器的径向尺寸加大。
另外，在上述日本专利特开昭58-40116号公报中所记述的热交换器，在高温流体通路与低温流体通路的出入口，由于其流通面积缩小到1/2左右，故在该部分将产生大的压力损失。而且，由于通过折板件弯曲来形成的前述出入口，折线比较复杂，弯折作业必须较多的劳力，制造成本也增加。并且，在高温流体通路与低温流体通路间的压力差大的情况下，为保持强度，在第1传热板与第2传热板之间插入隔板，只是这隔板就会引起零件数量与组装工时的增加。另外，由于邻接形成的流体出入口是相互组合着的，若要用间隔构件将出入口隔开则不仅该间隔构件构造复杂化，而且焊接等连接部分的面积增加，有产生流体漏泄的可能性。
本发明的第1个目的，即是有鉴于前述的事实，提供一种构造简单、制造容易、而且可将流路弯曲引起的压力损失抑制到最小限度的热交换器。
本发明的第2个目的，是提供一种可将流路弯曲产生的压力损失抑制到最小限度，并且可以使径向尺寸、型化的热交换器。
本发明的第3个目的，是提供一种充分保证流体通路出入口的流路横截面积，有可能将压力损失限制到最小限度，而且不依靠弯曲折板件而可以形成出入口的热交换器。
本发明的第4个目的，是提供一种充分保证流体通路出入口的流路横截面积，有可能将压力损失限制到最小限度，而且在不增加零件个数与组装工时的情况下，能够保持传热板的精度与强度的热交换器。
本发明的第5个目的，是提供一种充分保证流体通路出入口的流路横截面积，将压力损失限制到最小限度，而且依靠间隔构件将出入口很容易地间隔开的热交换器。
为了达到上述第1目的，按照本发明所提供的热交换器，在径向外周壁与径向内周壁间划出的圆环状空间里，在圆周方向交替地形成沿轴向延伸的高温流体通路与低温流体通路的热交换器中，其特征在于，通过折线将多块第1传热板与多块第2传热板交替地连接设置成折板件，在该折线处将该折板件弯折成曲折状，由将前述第1传热板与第2传热板辐射状配置于前述径向外周壁与径向内周壁间，在邻接的第1传热板与第2传热板间，于圆周方向交替地形成前述高温流体通路与低温流体通路。而且，在前述高温流体通路轴向两端部开口，形成高温流体通路入口与高温流体通路出口；同时，在前述低温流体通路轴向两端部开口，形成低温流体通路入口与低温流体通路出口。
如按上述构成，不仅可以大幅度减少热交换器传热板的零件个数，可以尽可能地减少传热板相互接合处的个数，且可以容易而精密地保持热交换器的轴对称性。而且，由于在高温流体通路与低温流体通路的入口与出口部分没有急剧地转弯，所以可限制流路阻力的增加，减少压力损失。
为达到上述第2个目的，本发明所提供的热交换器，在径向外周壁与径向内周壁间划出的圆环状空间里，辐射状配置着多块第1传热板与多块第2传热板，由此；在邻接的第1传热板与第2传热板间于圆周方向交替地形成了高温流体通路与低温流体通路的热交换器中，其特征在于，将第1传热板与第2传热板轴向两端部切断成具有两个端缘的角形，由在高温流体通路的轴向一端部封闭两个端缘中的一边而开放另一边，来形成高温流体通路入口；同时，由在高温流体通路的轴向另一端部封闭前述两个端缘中的一边而开放另一边，来形成高温流体通路入出口；另外，由在低温流体通路的轴向另一端部封闭前述两个端缘中的另一边而开放其一边，来形成低温流体通路入口；同时，由在低温流体通路的轴向一端部封闭前述两个端缘中的另外一边而开放其一边，来形成低温流体通路出口。
如采用上述结构，高温流体与低温流体相互逆向流动，可以提高热交换效率。另外，不仅可以形成平滑的高温流体通路与低温流体通路的流路，而且可以充分保证入口与出口的流路横截面积，可把压力损失的产生限制到最小限度。还有，由于能很容易使连接在入口与出口外侧的流路沿着轴向，不仅可以减小热交换器的径向尺寸，而且很容易使这些入口与出口分离开，从而能够避免高温流体与低温流体的混合。
为了达到上述第3个目的，本发明所提供的热交换器，通过第1折线与第2折线将多块第1传热板与多块第2传热板交替地连接设置成折板件，在该第1、第2折线处将该拆板件弯折成曲折状，通过第1折线与第1端板的接合，闭塞邻接的第1折线间的间隙；同时，通过第2折线与第2端板的接合；封闭邻接的第2折线间的间隙；在邻接的第1传热板与第2传热板间交替地这样的形成高温流体通路与低温流体通路的热交换器中，其特征在于，将第1传热板与第2传热板的流路方向两端部切断成具有两个端缘的角形，通过在高温流体通路的流路方向一端部，在前述第1、第2传热板上突出设置的凸条堵塞前述两个端缘中的一边而开放另一边，来形成高温流体通路入口；同时，通过在高温流体通路的流路方向另一端部，在前述第1、第2传热板上突出设置的凸条封闭前述两个端缘中的一边而开放另一边，来形成高温流体通路出口；另外，通过在低温流体通路的流路方向另一端部，在前述第1、第2传热板上突出设置的凸条封闭前述两个端缘中的另一边而开放其一边，来形成低温流体通路的入口；同时，通过在低温流体通路的流路方向一端部，在前述第1传热板与第2传热板上突出设置的凸条封闭前述两个端缘中的另一边而开放其一边，来形成低温流体通路出口。
如采用上述结构，高温流体与低温流体相互逆向流动，可以提高热交换效率。另外，不仅可以形成平滑的高温流体通路与低温流体通路的流路，而且可以充分保证入口与出口的流路横截面积，将压力损失的产生限制到最小限度；而且，不仅容易将入口与出口分离，从而避免了高温流体与低温流体的混合。再就是，由于不必进行为形成入口或出口而对折板件进行的弯折加工，可望减小制造成本。
为达到上述第4个目的，本发明所提供的热交换器，通过第1折线与第2折线将多块第1传热板与多块第2传热板交替地连接设置成折板件，在该第1、第2折线处将该折板件弯折成曲折状，依靠第1折线与第1端板的接合来封闭邻接的第1折线间的间隙；同时，依靠第2折线与第2端板的接合封闭邻接的第2折线间的间隙，在这样的邻接的第1传热板与第2传热板间交替地形成高温流体通路与低温流体通路的热交换器中，其特征在于，将第1传热板与第2传热板的流路方向两端部切断为具有两个端缘的角形，通过在高温流体通路的流路方向一端部封闭前述两个端缘中的一边而开放另一边，来形成高温流体通路入口；同时，通过在高温流体通路的流路方向另一端部封闭前述两个端部中的一边而开放另一边，来形成高温流体通路出口。另外，通过在低温流体通路的流路方向另一端部封闭前述两个端缘中的另一边而开放其一边，来形成低温流体通路入口；同时，通过在低温流体通路的流路方向一端部闭塞前述两个端缘中的另一边而开放其一边，来形成低温流体通路出口。而且，在第1传热板与第2传热板两面上形成多个突起，邻接的第1传热板与第2传热板的突起顶端相互抵接并接合。
如采用上述结构，高温流体与低温流体相互逆向流动，可提高热交换效率。另外，可形成平滑的高温流体通路与低温流体通路的流路，且可充分保证入口与出口的流路横截面积，而将压力损失的发生限制到最小限度；而且，容易分离开入口与出口，从而可避免高温流体与低温流体的混合。另外，不仅可以将第1传热板与第2传热板以正确的间隔定位，而且可以防止由高温流体通路与低温流体通路间的压力差引起的第1传热板与第2传热板的挠曲，因此，可图提高热交换器尺寸精度与强度。
为达到上述第5目的，本发明所提供的热交换器，通过第1折线与第2折线将多块第1传热板与多块第2传热板交替地连接设置成折板件，在该第1、第2折线处将该折板件弯折成曲折状，通过第1折线与第1端板的连接封闭邻接的第1折线间的间隙；同时，通过第2折线与第2端板的接合封闭邻接的第2折线间的间隙，在这样的邻接的第1传热板与第2传热板，间交替地形成高温流体通路与低温流体通路的热交换器中，其特征在于，将第1传热板与第2传热板的流路方向两端部切断为具有两个端缘的角形，通过在高温流体通路的流路方向一端部封闭前述两个端缘中的一边而开放另一边，来形成高温流体通路的入口；同时，通过在高温流体通路的流路方向另一端部封闭前述两个端缘中的一边而开放另一边，来形成高温流体通路出口；另外，通过在低温流体通路的流路方向另一端部封闭前述两个端缘中的另一边而开放其一边，来形成低温流体通路的入口；同时，通过在低温流体通路的流路方向的一端部封闭前述两个端缘中的另一边而开放其一边，来形成低温流体通路出口；并且在流路方向一端侧的角形顶点部分接合间隔板间隔开前述高温流体通路入口与低温流体通路出口；同时，在流路方向另一端侧的角形顶点部分接合间隔板，间隔开前述低温流体通路入口与高温流体通路出口。
如采用上述结构，则高温流体与低温流体相互逆向流动，可以提高热交换效率。另外，可形成平滑的高温流体通路与低温流体通路的流路，且可充分保证入口与出口的流路截面积，将压力损失的发生限制到最小限度；而且，容易分离开入口与出口，从而可以避免高温流体与低温流体的混合。还有，可将由隔板引起的入口与出口流路截面积的减小限制到最小限度，而且，将第1传热板、第2传热板与隔板的接合部分的面积限制到最小限度，从而可以减少流体漏泄的可能性。
附图简要说明
图1～12表示本发明的第1实施例；其中图1是燃气涡轮发动机的整体侧视图；图2是图1的2-2剖视图；图3是图2的3-3剖视放大图(燃气通路断面图)；图4是图2的4-4剖视放大图(空气通路断面图)；图5是图3的5-5剖视放大图；图6是图5的6部放大图；图7是图3的7-7剖视放大图；图8是图7的8部放大图；图9是图3的9-9剖视放大图；图10是折板展开图；图11是热交换器的主要部件的立体图；图12是表示燃气与空气流动的示意图；图13是本发明第2实施例与图12相对应的示意图。
实施例
下边，参照附图1～12来说明本发明第1实施例。如图1与图2所示，燃气涡轮发动机E具有发动机主体1，在发动机主体1的内部装有图中未示出的燃烧器、压缩机、涡轮等。围绕该发动机主体1的外周，配置着圆环状的热交换器2。热交换器2是将4个具有90°中心角的组件21、夹着侧板3成周向配置，并在周向交替地形成燃气通路4与空气通路5，燃气通路4中流过经涡轮的较高温度的燃气；而空气通路5中流过由压缩机压缩了的较低温度的空气(参照图5～9)。图1上的断面对应于燃气通路4，并与面对燃气通路4的一侧邻接，形成了空气通路5。
沿热交换器2的轴线的断面形状，是轴向长、径向短的扁平六角形。其径向外周面由大直径圆筒状的外壳体6所封闭；其径向内周面由小直径圆筒状的内壳体7所封闭。在热交换器2的断面的前端侧(图1的左侧)切成山形，在对应于山形顶点的端面上焊接有与发动机主体1的外周连接的端板8。另外，热交换器2的断面的后端面(图1的右侧)也切成山形，在对应于山形顶点的端面焊接有与后部外壳体9连接的端板10。
热交换器2的各燃气通路4配备有图1的左上方与右下方的燃气通路入口11与燃气通路出口12，在燃气通路入口11处连接着沿发动机主体1的外周形成的燃气导管13的下流端；同时，在燃气通路出口12处则连接着延伸到发动机主体1内部的燃气排出导管14的上流端。
热交换器2的各空气通路5配备有图1右上方与左下方的空气通路入口15与空气通路出口16。在空气通路入口15处连接着沿后部外壳体9的内周形成的空气导管17的下流端；同时，在空气通路出口16处连接着延伸到发动机主体1内部的空气排出导管18的上流端。
这样，如图3、图4与图12所示，燃气与空气相互交叉且成逆向流动，实现了热交换效率比较高的所谓横向正交流动模式。即，由于使高温流体与低温流体逆向流动，在流路的全长上保持着高温流体与低温流体间比较大的温差，故可以提高热交换效率。
然而，驱动涡轮的燃气的温度，在燃气通路入口11处约为600～700℃，由于燃气通过燃气通路4时与空气之间进行了热交换，到燃气通路出口12时，冷却到约为300～400℃。一方面是，由于压缩机的压缩，压缩空气温度在空气通路入口15处达到200～300℃，另一方面，在压缩空气通过空气通路5时，与燃气进行了热交换，在空气通路出口16处被加热到500～600℃。
下边，参照图3～图11来说明热交换器2的构造。
如图3、图4与图10所示，热交换器2的组件21是将不锈钢等的金属薄板预先加工成规定的形状之后，由在其表面冲压加工形成凹凸形状的折板件21所制成。折板件21由第1传热板S1与第2传热板S2交替地配置的，通过凸折线L1与凹折线L2弯折成曲折状。而且，所谓凸折是向纸面的靠近自己的方向凸折；所谓凹折是朝纸面的反方向凸折。各凸折线L1与凹折线L2并非是单纯的直线，为了在第1传热板S1与第2传热板S2之间形成规定的空间，实际上是由大致平行的两根线所构成，而且，为了形成后边将要讲到的封闭突起241…，251…，其两端部变成从直线向外凸出来的折线。
在第1、第2传热板S1、S2上，加压成形为棋盘状配置的多个第1突起22…与第2突起23…。第1突起22在图10上朝纸面靠自己一侧突出，而第2突起23则朝纸面的反方向突出，它们成交替地配置(即：使第1突起22…等或第2突起23…等都不是连续的)。
在第1、第2传热板S1、S2的加工成角形的前端部与后端部上，加压成形出图10上向纸面的靠自己一侧突出的第1凸条24F…，24R…，以及朝纸面的反方向突出的第2凸条25F…25R…。不管是对于第1传热S1或第2传热板S2，前后一对第1凸条24F、24R在对角位置上配置；前后一对第2凸条25F、25R也在另一对角位置配置。
参照图3与图10可以看出，将折板件21的第1传热板S1与第2传热板S2沿凸折线L1弯折接在一起，封闭图4所示空气通路5的左上部分与右下部分；同时，第1传热板S1的第2凸条25F、25R与第2传热板S2的第2凸条25F、25R互相对置，在图4所示空气通路5的右上部分与左下部分分别形成空气通路入口15与空气通路出口16。另外，图4中的第2传热板S2，是以图10的第2传热板S2作为基准，示出了其表面一侧。
在图9的上侧(径向外侧)，示出了由第1凸条24F封闭空气通路5的状态；而在图9的下侧(径向内侧)则示出了由第2凸条25F封闭燃气通路4的状态。
第1突起22…与第2突起23…具有大致为圆锥台的形状，如后将述，为提高焊接强度，这些锥台的顶端部要相互面接触。另外，第1凸条24F…、24R…与第2凸条25F…、25R…也具有大致台形断面，它们的顶端部也要相互面接触，以提高焊接强度。
由图3、图4与图11可以看出，在将折板件21弯折成曲折状时，在第1凸条24F…、24R…而在两传热板S1…、S2…之间形成燃气通路4时，第1传热板S1的第2突起23的顶端与第2传热板S2的第2突起23的顶端相互抵接焊接在一起，而第1传热板S1的第2凸条25F、25R与第2传热板S2的第2凸条25F、25R相互抵接焊接在一起，如图3所示，在燃气通路4的左下部分与右上部分被封闭的同时，第1传热板S1的第1凸条24F、24R与第2传热板S2的第1凸条24F、24R互相对置，在图3所示燃气通路4的左上部分与右下部分分别形成燃气通路入口11与燃气通路出口12。另外，图3的第1传热板S1是以图10的第1传热板S1作为基准，示出了其里面一侧。
另外，参照图4与图10可知，将折板件21的第1传热板S1…与第2折板件S2…以凹折线L2弯折而在两传热板S1…与S2…之间形成空气通路5时，第1传热板S1的第1突起22…的顶端与第2传热板S2的第1突起22…的顶端相互抵接并焊接在一起。第1传热板S1的第1凸条24F、24R与第2传热板S2的第1凸条24F、24R相互抵接并与第2凸条25F…、25R…的轴向内端部(连接到凸折线L1与凹折线L2的部分)上，形成了从该第1凸条24F…、24R…与第2凸条25F…、25R…一体延伸出来的封闭突起241…、251…对置的第1凸条24F…、24R…的顶端相互之间连接时，在其上连接设置的封闭突起241的顶端也相互接合。另外，对置的第2凸条25F…、25R…的顶端相互接合时，在其上连接设置的封闭突起251的顶端也相互接合。这样，在连接了的封闭突起241…、251…的径向外周面与径向内周面上，分别连接着外壳体6的径向内周面与内壳体7的外周面。
在图7的上侧(径向外侧)与图8上，示出了由封闭突起241…封闭空气通路5…的状态；在图7的下侧(径向内侧)示出了由封闭突起251…封闭燃气通路4的状态。由封闭突起241封闭空气通路5的状态也示于图4A部；而由封闭突起251封闭燃气通路4的状态也示于图3A部。
参照图5、图6可知，空气通路5…径向内周部分，由于相当于折板件21的弯折部(凹折线L2)而自动封闭；而空气通路5径向外周部分则是开放的，其开放部分依靠外壳体6封闭。另一方面，燃气通路4径向外周部分，由于相当于折板件21的弯折部(凸折线L1)而自动封闭；而燃气通路4径向内周部分则是开放的，其开放部分由内壳体7所封闭。
这样，在沿热交换器2径向外周部与内周部尽可能宽广的范围内，由于燃气通路4…与空气通路5…在圆周方向交替地配置，可使热交换效率提高(参照图5)。
在将前述折板件21弯折成曲折状来制作热交换器2的组件21时，第1传热板S1…与第2传热板S2…从热交换器2的中心成辐射状配置。从而，邻接的第1传热板S1…与第2传热板S2…之间的距离，在紧挨着外壳体6的径向外周部分为最大；而在紧挨着内壳体7的径向内周部分为最小。因而，前述第1突起22…、第2突起23…、第1凸条24F、24R以及第2凸条25F、25R的高度则从径向内侧向外侧逐渐增大。因此，可将第1传热板S1…与第2传热板S2…成准确辐射状配置(参照图5与图7)。
由于采用了上述辐射状折板构造，使外壳体6与内壳体7同心定位，故可以精确保持热交换器2的轴对称性。
由于以相同构造的4个组件21的组合构成热交换器2，所以可以实现制造容易，构造简化。另外，由于将折板件21弯折成辐射性曲折状连接形成第1传热板S1…与第2传热板S2，比之于多个每块独立的第1传热板S1…与多个每块独立的第2传热板S2…交替地焊接的情况，不仅零件个数与焊接处数可以大幅度减少，而且可以提高所制成的制品的尺寸精度。
在燃气涡轮发动机E的运转当中，由于燃气通路4中的压力变得比较低，而空气通路5中的压力变得比较高，所以由于这种压力差的作用，而在第1传热板S1与第2传热板S2上作用着弯曲载荷，但由于有着相互抵接焊接的第1突起22…与第2突起23…，而可以得到能够承受前述载荷的足够的刚性。
另外，由于第1突起22…与第2突起23…的缘故，第1传热板S1…与第2传热板S2…的表面积(即燃气通路4与空气通路5的表面积)有所增加，而且由于燃气与空气流被搅拌，热交换效率可得以提高。
另外，因为将热交换器的前端部与后端部分别加工成角形，在热交换器2的前端部沿前述角形的两边分别形成了燃气通路入口11与空气通路出口16，同时，在热交换器2的后端部沿前述角形两边分别形成了燃气通路出口12与空气通路入口15，所以与不将热交换器2的前端部与后端部加工成角形而形成前述入口11、15与出口12、16的情况相比，可以确保这些入口11、15与出口12、16的流通面积增大，而将压力损失限制到最小限度。
而且，因为沿前述角形两边形成了入口11、15与出口12、16，所以不仅可以使得出入燃气通路4…与空气通路5…的燃气与空气流路变得平滑，可使压力损失更进一步减小，而且，可以使流路不急剧转弯地沿轴向配置连接入口11、15与出口12、16的导管，故可以使热交换器2的径向尺寸小型化。
再者，由于在形成角形的热交换器2的前端部与后端部的顶端端面上焊接有端板8、10，而将焊接面减至最小，并减少了因焊接不良引起的燃气与空气漏泄的可能性；而且可限制入口11、15与出口12、16的开口面积的减小，并可使这些入口11，15与出口12、16简单而且可靠地隔开。
图13示出了本发明第2实施例。在该第2实施例中，燃气通路4的入口11与出口12都形成在径向外侧，而在其径向内侧则形成空气通路5的出口16与入口15。即，在第1实施例中，逆向流动的燃气与空气相互交叉；而在第2实施例中，逆向流动的燃气与空气则相互错开。
第2实施例中的其他构造与第1实施例相同，可以取得与第1实施例同样的作用效果。
上边，详述了本发明的实施例，本发明在不脱离其要点的范围内可作种种设计变更。
例如，在实施例中例示了燃气涡轮发动机E用的热交换器2，但本发明也可适用于其他用途的热交换器。另外，在权利要求7与8中记述的发明中，不一定都是将第1传热板S1与第2传热板S2做成折板构造，将各自独立的第1传热板S1与第2传热板S2组合起来也可以。另外，实施例中的热交换器2是轴对称型的，传热板S1与S2成辐射状配置，但在权利要求10～13中所记述的发明中，对将传热板平行配置的箱型热交换器也可适用。