热交换器 【发明领域】
本发明涉及一种通过交替配置多个第1传热板及多个第2传热板从而交替围成高温流体通道及低温流体通道的热交换器。
背景技术
该热交换器已由本发明人提出的日本专利特愿平7-193208号和特愿平8-275057号申请所公开。
可是，上述现有的热交换器通过在将形成为角形的传热板的顶点部切断的切断面钎焊隔板加以接合，从而将高温流体通道入口和低温流体出口间分开，将低温流体通道入口和高温流体出口间分开。为此，传热板的切断面与隔板的接合部成为线接触，为了确实地进行钎焊，不仅需要对上述切断面进行精密的精加工，而且即使进行该精加工，也难于获得足够的接合强度。
另外，上述现有的热交换器由于将传热板的轴向两端部切断成角形、形成流体通道出入口，所以，在相对轴线倾斜流入的流体于流体通道入口的近旁旋转的区域，或在沿轴线流动的流体于流体通道出口的近旁沿与轴线倾斜的方向旋转地区域，旋转方向内外的流路长度差产生从旋转方向外侧朝向内侧的的偏流，所以，在旋转方向外侧的流量减少，在旋转方向内侧的流量增加，该流量的不均匀使换热效率下降。
另外，上述现有的热交换器是通过将折板坯料弯折成曲折状，制作具有90°中心角的组件，沿周向连接4个该组件，构成圆环状的热交换器，但当通过组合多个组件构成热交换器时，不用说会增加部件个数，而且由于组件相互间的接合部分发生在4处，所以流体从接合部泄漏的可能性也因此提高。
发明的公开
本发明就是鉴于上述情况而作出的，其第1个目的在于使不用在传热板的端部进行精密的精加工即可获得足够的接合强度。本发明的第2个目的在于可抑制在热交换器的流体通道出入口近旁的方向变换部产生流体偏流，防止换热效率下降。本发明的第3个目的在于减少热交换器的部件数目，并将流体从折板坯料的接合部的泄漏抑制到最小限度。
为了达到上述第1个目的，按照本发明的第1特征，提供一种热交换器，在围于径向外周壁和径向内周壁之间的圆环状空间以辐射状配置多个第1传热板及多个第2传热板，通过相互接合形成于第1传热板及第2传热板的多个凸起，在邻接的第1传热板及第2传热板之间沿周向交替形成高温流体通道和低温流体通道；其特征在于：将第1传热板及第2传热板的轴向两端部切割成有2个端缘的角形，通过在高温流体通道的轴向一端部封闭上述2个端缘的一方而开放另一方，形成高温流体通道入口，同时，通过在高温流体通道的轴向另一端部封闭上述2个端缘的一方而开放另一方，形成高温流体通道出口，通过在低温流体通道的轴向一端部封闭上述2个端缘的另一方而开放一方，形成低温流体通道出口，同时，通过在低温流体通道的轴向另一端部封闭上述2个端缘的另一方而开放一方，形成低温流体通道入口；在该热交换器中，相互重合并接合将上述角形顶点部分一方折曲形成的凸缘部，由该重合的凸缘部分隔在上述高温流体通道入口和低温流体通道出口之间，相互重合并接合将上述角形顶点部分另一方折曲形成的凸缘部，由该重合的凸缘部分隔在上述高温流体通道出口和低温流体通道入口之间。
按照上述构成，环形热交换器将传热板的轴向两端部切断成角形从而形成流体通道出入口，相互重合并接合通过弯折上述角形顶点部分形成的凸缘部，将隔板接合在该重合的凸缘部，从而将流体通道出入口间进行分隔，所以，与以线接触状态将隔板接合在切断传热板的端面的场合相比，不仅能够以面接触状态接合重合的凸缘部，增加接合强度，而且由于不需要对切断面进行精密的精加工，所以可由1道工序完成传热板的凸起相互间的接合和凸缘部的接合，削减加工成本。
如在第1折线和第2折线交替连设第1传热板和第2传热板构成折板坯料，在该第1折线和第2折线将折板坯料弯折成曲折状，在径向外周壁接合第1折线，同时在径向内周壁接合第2折线，则与分别由别的构件构成第1传热板和第2传热板并使其相互接合的场合相比，不仅可削减部件数目，而且可防止第1传热板和第2传热板错位，提高加工精度。
如将凸缘部弯折成圆弧状并使其相互接合，同时使为了封闭流体通道出入口而沿第1传热板和第2传热板的角形端缘形成的凸条的高度在凸缘部遂渐减少，则可在凸缘部防止相互接触的凸条相互间的干涉，并防止在凸条间产生间隙，从而提高流体的密封性。
为了达到上述第1个目的，按照本发明的第2特征，提供一种热交换器，对于形成为矩形的多个第1传热板及第2传热板将它们的一对长边接合在第1底壁和第2底壁，而且将它们的一对短边接合在第1端壁和第2端壁，相互接合形成于第1传热板及第2传热板的多个凸起，从而在邻接的第1传热板及第2传热板之间交替形成高温流体通道和低温流体通道；其特征在于：在第1底壁分别沿着第1端壁和第2端壁形成与上述高温流体通道相连的高温流体通道入口和高温流体通道出口，在第2底壁分别沿着第2端壁和第1端壁形成与上述低温流体通道相连的低温流体通道入口和低温流体通道出口；在该热交换器中，相互重合并接合经折曲上述一对短边部分形成的凸缘部，在该重合的凸缘部分别接合上述第1、第2端壁。
按照上述构成，长方体的热交换器将形成为矩形的多个传热板的一对长边分别接合在底壁，而且将一对短边分别接合在端壁，在两底壁的长边方向两端部形成流体通道出入口；在该热交换器中，相互重合并接合弯折传热板的短边部分形成的凸缘部，在该重合的凸缘部接合端壁，从而在流体通道出入口间进行分隔，所以，与以线接触状态将端壁接合在切断传热板的端面的场合相比，不仅能够以面接触状态接合重合的凸缘部，增加接合强度，而且由于不需要对切断面进行精密的精加工，所以可由1道工序完成传热板的凸起相互间的接合和凸缘部的接合，削减加工成本。
如在第1折线和第2折线交替连设第1传热板和第2传热板构成折板坯料，在该第1折线和第2折线将折板坯料弯折成曲折状，在第1底壁接合第1折线，同时在第2底壁接合第2折线，则与分别由别的构件构成第1传热板和第2传热板并使其相互接合的场合相比，不仅可削减部件数目，而且可防止第1传热板和第2传热板错位，提高加工精度。
为了达到上述第2个目的，按照本发明的第3特征，提供一种热交换器，通过在围于径向外周壁和径向内周壁之间的圆环状空间以辐射状配置多个第1传热板及多个第2传热板，在邻接的第1传热板及第2传热板之间沿周向交替形成高温流体通道和低温流体通道，其特征在于：将第1传热板及第2传热板的轴向两端部切割成有2个端缘的角形，通过在高温流体通道的轴向一端部封闭上述2个端缘的一方而开放另一方，形成高温流体通道入口，同时，通过在高温流体通道的轴向另一端部封闭上述2个端缘的一方而开放另一方，形成高温流体通道出口，通过在低温流体通道的轴向一端部封闭上述2个端缘的另一方而开放一方，形成低温流体通道出口，同时，通过在低温流体通道的轴向另一端部封闭上述2个端缘的另一方而开放一方，形成低温流体通道入口，相互接合形成于第1传热板及第2传热板两面的多个凸起；在该热交换器中，上述凸起的配置节距在第1传热板及第2传热板的轴向两端部和轴向中间部不同。
按照上述构成，圆环状的热交换器将传热板的轴向两端部切断成角形，形成流体通道出入口，在该热交换器中，形成于传热板的凸起的配置节距在传热板的轴向两端部与轴向中间部不同，所以，通过由凸起使流体通道出入口近旁的流体的流路阻力变化，可防止在流体方向变换部产生偏流，实现换热效率的提高和压力损失的减少。
在对着高温流体通道和低温流体通道出入口的部分，在与通过该出入口的流体的流动方向大体垂直的方向，使凸起的配置节距在靠近角形基部的部分较密，在靠近前端部的部分较疏，则可通过凸起的密的配置增加在因流路长度短而使流体易于流动的方向变换部的径向内侧的流路阻力，通过凸起的疏的配置减少在因流路长度长而使流体难于流动的方向变换部的径向外侧的流路阻力，从而防止在流体的上述方向变换部产生偏流，实现换热效率的提高和压力损失的减少。
在第1传热板和第2传热板的轴向中间部，如在径向使传热单位数大体为一定地设定第1传热板和第2传热板的凸起的配置节距，则可在径向使传热板的温度分布均匀化，避免换热效率的下降和不良热应力。设第1传热板和第2传热板的热通过率为K，第1传热板和第2传热板的面积为A，流体的比热为C，流过上述传热面积的流体的质量流量为dm/dt，则传热单位数Ntu可由下式定义
Ntu＝(K×A)/[C×(dm/dt)]
在第1传热板和第2传热板的轴向中间部，如不沿通过该轴向中间部的流体的流动方向排列地配置凸起，则可由凸起充分地搅拌流体，提高换热效率。
为了达到上述第2个目的，按照本发明的第4特征，提供一种热交换器，通过平行配置形成为矩形的多个第1传热板及第2传热板，使它们的一对长边接合在第1底壁和第2底壁，并使它们的一对短边接合在第1端壁和第2端壁，从而在邻接的第1传热板及第2传热板之间交替形成高温流体通道和低温流体通道，其特征在于：在第1底壁分别沿着第1端壁和第2端壁形成与上述高温流体通道相连的高温流体通道入口和高温流体通道出口，在第2底壁分别沿着第2端壁和第1端壁形成与上述低温流体通道相连的低温流体通道入口和低温流体通道出口，相互接合形成于第1传热板及第2传热板两面的多个凸起；在该热交换器中，上述凸起的配置节距在第1传热板及第2传热板的长边方向两端部和长边方向中间部不同。
按照上述构成，由于在将流体通道出入口形成于矩形传热板的长边方向两端部的长方体的热交换器中，使形成于传热板的凸起的配置节距在传热板的长边方向两端部与长边方向中间部不同，所以，当在流体通道出入口近旁使流体回转时，可由凸起控制流体的流路阻力，防止在流体中产生朝向旋转方向内侧的偏流，提高换热效率和减少压力损失。
在对着高温流体路和低温流体通道出入口的部分，使与通过该出入口的流体的流动方向大体垂直的方向的凸起的配置节距在远离第1端壁和第2端壁的部分较密，在靠近的部分较疏，则可通过凸起的密的配置增加在因流路长度短而使流体易于流动的方向变换部径向内侧的流路阻力，通过凸起的巯的配置减少在因流路长度长而使流体难于流动的方向变换部径向外侧的流路阻力，从而防止在流体的上述方向变换部产生偏流，实现换热效率的提高和压力损失的减少。
为了达到上述第3个目的，按照本发明的第5特征，提供一种热交换器，通过在围于径向外周壁和径向内周壁之间的圆环状空间以辐射状配置多个第1传热板及多个第2传热板，在邻接的第1传热板及第2传热板之间沿周向交替形成高温流体通道和低温流体通道，其特征在于：在第1折线和第2折线交替连设多个第1传热板及多个第2传热板构成折板坯料，在该折线将该折板坯料弯折成曲折状，通过将上述第1折线和第2折线分别接合在径向外周壁和径向内周壁，沿辐射方向配置第1传热板及第2传热板，在邻接的第1传热板及第2传热板之间沿周向交替形成高温流体通道和低温流体通道，而且在上述高温流体通道的轴向两端部开口地形成高温流体通道入口和高温流体通道出口，同时，在上述低温流体通道的轴向两端部开口地形成低温流体通道入口和低温流体通道出口；在该热交换器中，沿360°将1片折板坯料弯折成曲折状，在包含第1折线或第2折线的部分使其两端部重合并将其接合。
按照上述构成，在第1折线和第2折线连设第1传热板和第2传热板构成折板坯料，将该折板坯料弯折成曲折状构成圆环状的热交换器，此时，由于沿360°将1片折板坯料弯折成曲折状，在包含第1折线或第2折线的部分使其两端部重合并将接合，所以，不仅可由最少的部件个数构成热交换器，而且折板坯料的接合部的数量变成最少的1处，可将流体泄漏的可能性抑制到最小限度。另外，由于折板坯料的两端部仅是简单地切断，所以不需要特别的加工，使加工工时减少，而且由于在包含第1折线或第2折线的折曲部使其两端部重合并将其接合，所以接合强度也增加。另外，通过变更折板坯料的切断位置调节第1传热板和第2传热板的片数，可对邻接第1传热板和第2传热板的圆周方向的节距进行微调。
附图的简单说明
图1-图12示出本发明的第1实施例，图1为燃气涡轮发动机的全体侧视图，图2为图1的2-2线剖视图，图3为图2的3-3线放大剖视图(燃气通道的剖视图)，图4为图2的4-4线放大剖视图(空气通道的剖视图)，图5为图3的5-5线放大剖视图，图6为图3的6-6线放大剖视图，图7为图3的7-7线放大剖视图，图8为折板坯料的展开图，图9为热交换器的要部透视图，图10为示出燃气及空气的流动的示意图，图11为说明使凸起的节距均匀的场合的作用的图，图12为说明使凸起的节距不均匀的场合的作用的图，图13-17为示出本发明的第2实施例的图，图13为热交换器的透视图，图14为图13的14-14线放大剖视图(燃气通道的剖视图)，图15为图13的15-15线放大剖视图(空气通道的剖视图)，图16为图14的16-16线放大剖视图，图17为图14的17-17线放大剖视图，图18-21为示出第1实施例的变形例的图，图18为与第1实施例的图8对应的图，图19为图18的要部放大图，图20为图19的20向视图，图21为与第1实施例的图7对应的图。
实施发明的最佳形式
首先根据图1-12说明本发明的第1实施例。
如图1及图2那样，燃气涡轮发动机E具有将图中未示出的燃烧器、压缩机、涡轮等收容于内部的发动机本体1，环绕该发动机本体1的外周配置圆环状的热交换器2。在热交换器2沿圆周方向上交替形成通过涡轮的温度较高的燃气所通过的燃气通道4…和由压缩机压缩了的温度较低的空气通过的空气通道5…(参照图5)。图1中的断面与燃气通道4…相对应，空气通道5…邻接着该燃气通道4…的靠纸面外方侧和靠里面侧形成。
热交换器2的沿轴线的断面形状为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6封闭，其径向内周面由小直径圆筒状的内壳7封闭。热交换器2的纵断面的前端侧(图1的左侧)被切割成不等长的角形，在对应该角形顶点的部分钎焊着与发动机本体1的外周相连的端板8。另外，热交换器2的断面的后端侧(图1的右侧)被切割成不等长的角形，在对应该角形顶点的部分钎焊着与外箱9相连的端板10。
热交换器2的各燃气通道4在图1中的左上及右下具有燃气通道入口11及燃气通道出口12，在燃气通道入口11连接着沿发动机本体1外周形成的用于导入燃气的空间(简称燃气导入管)13的下游端，同时，在燃气通道出口12连接着延伸到发动机本体1内部的用于排出燃气的空间(简称燃气排出管)14的上游端。
热交换器2的各空气通道5在图1中的右上及左下具有空气通道入口15及空气通道出口16，在空气通道入口15连接着沿外箱9内周形成的用于导入空气的空间(简称空气导入管)17的下游端，同时，在空气通道出口16连接着延伸到发动机本体1内部的用于排出空气的空间(简称空气排出管)18的上游端。
这样，如图3、图4及图10所示，燃气与空气相互沿相反方向流动并且相互交叉，从而实现了换热效率高的逆流及所谓的交叉流动。即，通过使高温流体和低温流体相互朝相反的方向流动，可以沿该流路的全长在高温流体和低温流体间保持大的温差，提高换热效率。
驱动涡轮的燃气的温度在燃气通道入口11…约为600-700℃，当该燃气通过燃气通道4…时，经与空气进行热交换，在燃气通道出口12将其冷却到约300-400℃。另一方面，由压缩机压缩后的空气的温度在空气通道入口15…约为200-300℃，当该空气通过空气通道5…时，经与燃气进行热交换，在空气通道出口16被加热到约500-600℃。
下面，参照图3-图9说明热交换器2的构造。
如图3、图4及图8所示，热交换器2的本体部由折板坯料21制造而成，该折板坯料21在预先将不锈钢等的金属薄板切割成规定形状后于其表面用压力加工形成凹凸。折板坯料21交替地配置第1传热板S1…及第2传热板S2…，通过山形折线L1和谷形折线L2折成曲折状。山形折叠是朝纸面的外侧凸起折叠，谷形折叠是朝纸面的里侧凸起折。各山形折线L1和谷形折线L2不是单纯的直线，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，实际上是由圆弧状的折线构成。
在第1传热板S1…与第2传热板S2…采用压力成形的方法形成以不等间隔配置的多个第1凸起22…和第2凸起23…。在图8中以×符号示出的第1凸起22…向纸面外侧凸出，以○符号示出的第2凸起23…向纸面里侧凸出。
在第1、第2传热板S1、S2的切割成角形的前端部及后端部压力成形有朝图8中的纸面外侧凸出的第1凸条24F…、24R…和朝纸面里侧凸出的第2凸条25F…、25R…。第1传热板S1…与第2传热板S2…都在对角位置配置有前后一对第1凸条24F…、24R…，在另外的对角位置配置有前后一对第2凸条25F…、25R…。
图3所示第1传热板S1的第1凸起22…、第2凸起23…、第1凸条24F…、24R…及第2凸条25F…、25R…的凹凸关系与图8所示的第1传热板S1相反，这是因为图3是从背面观看第1传热板S1时的状态。
从图5和图8可知，通过在山形折线L1折曲该折板坯料21的第1传热板S1…及第2传热板S2…而在两传热板S1…、S2…间形成燃气通道4…时，第1传热板S1的第2凸起23…的顶端与第2传热板S2的第2凸起23…的顶端相互接触并钎焊在一起。另外，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互接触并钎焊在一起，封闭图3所示的燃气通道4的左下部分及右上部分，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存有间隙地相向，在图3所示燃气通道4的左上部分及右下部分分别形成燃气通道入口11及燃气通道出口12。
通过在谷形折线L2折曲该折板坯料21的第1传热板S1…及第2传热板S2…而在两传热板S1…、S2…间形成空气通道5…时，第1传热板S1的第1凸起22…的顶端与第2传热板S2的第1凸起22…的顶端相互接触并钎焊在一起。另外，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互接触并钎焊在一起，封闭图4所示的空气通道5的左上部分及右下部分，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存有间隙地相向，在图4所示空气通道5的右上部分及左下部分分别形成空气通道入口15及空气通道出口16。
第1凸起22…与第2凸起23…大体为圆锥台形状，它们的顶端部相互以面接触以提高钎焊强度。另外，第1凸条24F…、24R…和第2凸条25F…、25R…也具有大体为台状的断面，它们的顶端部也相互以面接触以提高钎焊强度。
由图5可知，由于空气通道5…的径向内周部分相当于折板坯料21的折曲部(谷形折线L2)，所以自动封闭，而空气通道5…的径向外周部分开放，该开放部钎焊于外壳6而被封闭。另一方面，由于燃气通道4…的径向外周部分相当于折板坯料21的折曲部(山形折线L1)，所以自动封闭，而燃气通道4…的径向内周部分开放，该开放部钎焊于内壳7而被封闭。
当将折板坯料21折曲成曲折状时，邻接的山形折线L1之间不相互接触，但通过第1凸起22…相互接触而将上述山形折线L1的相互间隔保持为一定。另外，邻接的谷形折线L2之间不相互接触，但通过第2凸起23…相互接触而将上述谷形折线L2的相互间隔保持为一定。
当将上述折板坯料21折曲成曲折状以制作热交换器2的本体部时，第1传热板S1…及第2传热板S2…从热交换器2的中心配置成放射状。因此，邻接的第1传热板S1…及第2传热板S2…间的距离在与外壳6相接的径向外周部最大，而在与内壳7相接的径向内周部最小。所以，上述第1凸起22…、第2凸起23…、第1凸条24F、24R及第2凸条25F、25R的高度从径向内侧向外侧遂渐增加，由此可将第1传热板S1…及第2传热板S2…正确地配置成放射状(参照图5)。
通过采用上述放射状的折板构造，可同心地对外壳6及内壳7进行定位，从而可以精密地保持热交换器2的轴对称性。
从图7和图9可看出，通过将第1传热板S1…及第2传热板S2…的前端和后端的切割成角形的顶点部分朝热交换器2的圆周方向弯折比90°稍小的角度，形成矩形的小片状凸缘26…。当将折板坯料21弯曲成曲折状时，第1传热板S1…及第2传热板S2…的凸缘26…的一部分重合到与其相邻的凸缘部26…的一部分并以面接触状态钎焊，构成整体上呈环状的接合凸缘27。然后，该接合凸缘27通过钎焊接合于前后的端板8、10。
此时，接合凸缘27的前面形成台阶状，在与端板8、10之间形成一些间隙，但该间隙由钎料(参照图7)封闭。另外，虽然凸缘部26…从形成于第1传热板S1…及第2传热板S2…的第1凸条24F、24R及第2凸条25F、25R顶端近旁弯折，但当在山形折线L1和谷形折线L2弯折折板坯料21时，在第1凸条24F、24R及第2凸条25F、25R的顶端与凸缘部26…之间形成一些间隙，但该间隙由钎料(参照图7)封闭。
可是，如平坦地切断第1传热板S1…及第2传热板S2…的角形顶点部分，在其切断了的端面钎焊端板8、10，则需先弯折折板坯料21，相互钎焊第1传热板S1…及第2传热板S2…的第1凸起22…、第2凸起23…、第1凸条24F、24R及第2凸条25F、25R，之后，对上述顶点部分进行精密的切断加工，再钎焊端板8、10，此时钎焊有2道工序，不仅工时增加，而且在切断面需要高加工精度，所以成本增加，而且由于在小面积的切断面进行钎焊而难以获得足够的强度。然而，通过钎焊弯折的凸缘部26…，不仅可以1道工序完成上述第1凸起22…、第2凸起23…、第1凸条24F、24R及第2凸条25F、25R的钎焊和凸缘部26…的钎焊，而且不需要角形顶点部分的精密切断加工，同时，由于为在面接触凸缘部26…相互间进行钎焊，所以钎焊强度也大幅度增加。另外，由于凸缘部26…自身构成接合凸缘27，所以可削减部件数量。
通过将折板坯料21弯折成辐射状且成曲折状连续地形成第1传热板S1…及第2传热板S2…，与交替钎焊一块一块独立的第1传热板S1…和一块一块独立的第2传热板S2…的场合相比，不仅可大幅度削减部件数量和钎焊位置，而且可提高完成的制品的尺寸精度。
从图5和图6可看出，当将形成为带状的1片折板坯料21弯折成曲折状构成热交换器2的本体部时，该折板坯料21的两端部一体地接合在热交换器2的径向外周部分。为此，将夹着接合部邻接第1传热板S1…及第2传热板S2…的端缘在山形折线L1的近旁切断成J字状，例如在第1传热板S1…的J字状切断部的内周嵌合并钎焊第2传热板S2…的J字状切断部的外周。由于第1、第2传热部S1、S2的J字状切断部相互嵌合，所以外侧的第1传热板S1…的J字状切断部扩开，内侧的第2传热板S2…的J字状切断部收紧，朝热交换器2的径向内侧进一步压缩内侧的第2传热板S2。
通过采用上述构造，不需要特别的接合构件来接合折板坯料21的两端部，另外，不需要改变折板坯料21形状等的特别的加工，所以可削减部件数量和加工费用，并可避免增加接合部的热质量(heat mass)。另外，由于不产生不是燃气通道4…也不是空气通道5…的死空间，所以，可以最大限度地抑制流路阻力的增加，不存在换热效率降低的危险。由于第1、2传热板S1、S2的J字状切断部的接合部分变形，所以易产生微小间隙，但通过由1片折板坯料21构成热交换器2的本体部，可将上述接合部分作为最小的1处，将流体的泄漏抑制在最小限度。另外，在将1片折板坯料21弯折成曲折状构成圆环状的热交换器2的本体部时，如连成一体的第1、2传热板S1…、S2…的片数不适当，则第1、2传热板S1…、S2…的周向节距变得不适当，而且第1凸起22…和第2凸起23…的顶端有可能分离、压坏。然而，只需变更折板坯料21的切断位置、适当变更连成一体的第1、2传热板S1…、S2…的片数，即可容易地对上述周向节距进行微调。
在燃气涡轮发动机E的运行过程中，燃气通道4…的压力较低，空气通道5…的压力较高，所以，该压力差在第1传热板S1…及第2传热板S2…作用弯曲负荷，但由相互接触并钎焊的第1凸起22…及第2凸起23…可以获得能够承受上述负荷的足够的刚性。
另外，由第1凸起22…及第2凸起23…可以增加第1传热板S1…及第2传热板S2…的表面积(即燃气通道4…和空气通道5…的表面积)，而且由于搅拌燃气及空气的气流，所以，可以提高换热效率。
表示燃气通过4…及空气通道5…间的热传递量的传热单位数Ntu可由下式计算
Ntu＝(K×A)/[C×(dm/dt)] …(1)
在上述(1)式中，K为第1传热板S1…及第2传热板S2…的热通过率，A为第1传热板S1…及第2传热板S2…的面积(传热面积)，C为流体的比热，dm/dt为流过上述传热面积的流体的质量流量。上述传热面积A及比热C为常数，但上述热通过率K及质量流量dm/dt为邻接的第1凸起22…间或邻接的第2凸起23…间的节距P(参照图5)的函数。
当传热单位数Ntu沿第1传热板S1…及第2传热板S2…的径向变化时，第1传热板S1…及第2传热板S2…的温度分布在径向上不均匀，不仅换热效率降低，而且，第1传热板S1…及第2传热板S2…沿径向不均匀地进行热膨胀，产生不良的热应力。因此，如适当地设定第1凸起22…及第2凸起23…的径向配置节距P，使传热单位数Ntu在第1传热板S1…及第2传热板S2…的径向各部位一定，则上述各问题得以解决。
如图11A所示，在沿热交换器2的径向将上述节距P设为一定的场合，如图11B所示，传热单位数Ntu在径向内侧部分大，在径向外侧部分小，所以，如图11C所示，第1传热板S1…及第2传热板S2…的温度分布也在径向内侧部分高，在径向外侧部分低。另一方面，如图12A所示，如使上述节距P在径向内侧部分大，在径向外侧部分小，则如如图12B及图12C所示那样，可以使传热单位数Ntu及温度分布在径向大体一定。
由图3-图5可知，在本实施例的热交换器2中，在第1传热板S1…及第2传热板S2…的轴向中间部(即除了轴向两端的角形部以外的部分)的径向外侧部分设置第1凸起22…及第2凸起23…的径向配置节距P小的区域R1，同时，在其径向内侧部分设置第1凸起22…及第2凸起23…的径向配置节距P大的区域R2。这样，可在第1传热板S1…及第2传热板S2…的轴向中间部的整个区域使传热单位数Ntu大体一定，提高热交换率和减轻热应力。
如热交换器2的全体形状和第1凸起22…及第2凸起23…的形状不同，则热通过率K及质量流量dm/dt也变化，所以，适当的节距P的配置也与本实施例不同。因此，除如本实施例那样的节距P朝径向外侧遂渐减少的场合以外，也有朝径向外侧遂渐增加的场合。然而，如设定上述(1)式成立的那样节距P的配置，则不论热交换器的全体形状和第1凸起22…及第2凸起23…的形状如何，都可以获得上述作用效果。
如图3及图4可知，在第1传热板S1…及第2传热板S2…的轴向中间部，邻接的第1凸起22…相互间或邻接的第2凸起23…相互间不沿热交换器2的轴向(燃气和空气的流动方向)排列，而是相对轴倾斜规定角度地排列。换言之，考虑不在与热交换器2的轴线平行的直线上连续配置第1凸起22…和连续配置第2凸起23…。这样，在第1传热板S1…及第2传热板S2…的中间部，可由第1凸起22…及第2凸起23…将燃气通道4…和空气通道5…形成为迷宫形，提高换热效率。
另外，在第1传热板S1…及第2传热板S2…的轴向两端的角形部以与上述轴向中间部不同的配置节距配置第1凸起22…及第2凸起23…。在图3所示的燃气通道4中，从燃气通道入口11朝箭头a方向流入的燃气沿轴向旋转，流向箭头b方向，再沿箭头c方向旋转，从燃气通道出口12流出。当燃气在燃气通道入口11近旁改变方向时，在旋转方向内侧(热交换器2的径向外侧)燃气的流路PS变短，在旋转方向外侧(热交换器2的径向内侧)燃气的流路PL变长。另一方面，当燃气在燃气通道出口12的近旁变换方向时，在旋转方向内侧(热交换器2的径向内侧)燃气的流路PS变短，在旋转方向外侧(热交换器2的径向外侧)燃气的流路PL变长。当燃气的流路长度如这样在燃气的旋转方向内侧和外侧产生差别时，燃气从旋转方向外侧朝因流路长度短而使得流路阻力小的旋转方向内侧偏流，燃气的流动变得不均匀，换热效率下降。
因此，在燃气通道入口11和燃气通道出口12近旁的区域R3、R3，从旋转方向外侧向内侧遂渐变密地改变与燃气的流向垂直的方向上的第1凸起22…及第2凸起23…的配置节距。这样，通过在区域R3、R3使第1凸起22…及第2凸起23…的配置节距不均匀，可在因燃气流路长度短使得流路阻力小的旋转方向内侧紧密地配置第1凸起22…及第2凸起23…，增加流路阻力，在上述区域R3、R3的全体使流路阻力均匀化。由此可防止上述偏流的发生，避免换热效率的下降。特别是与第1凸条24F、24R内侧邻接的第1列的凸起都由凸出到燃气通道4内的第2凸起23…(在图3中用×号表示)构成，所以通过使该第2凸起23…的配置节距不均匀，可有效地发挥防偏流效果。
同样，在图4所示的空气通道5中，从空气通道入口15沿箭头d方向流入的空气朝轴向旋转，流向箭头e方向，再沿箭头f方向旋转，从空气通道出口16流出。当空气在空气通道入口15近旁改变方向时，在旋转方向内侧(热交换器2的径向外侧)空气的流路变短，在旋转方向外侧(热交换器2的径向内侧)空气的流路变长。另一方面，当空气在空气通道出口16的近旁变换方向时，在旋转方向内侧(热交换器2的径向内侧)空气的流路变短，在旋转方向外侧(热交换器2的径向外侧)空气的流路变长。当空气的流路长度如这样在空气的旋转方向内侧和外侧产生差别时，空气从旋转方向外侧朝因流路长度短使得流路阻力小的旋转方向内侧偏流，换热效率下降。
因此，在空气通道入口15和空气通道出口16近旁的区域R4、R4，从旋转方向外侧向内侧遂渐变密地改变与空气流向垂直的方向上的第1凸起22…及第2凸起23…的配置节距。这样，通过在区域R4、R4使第1凸起22…及第2凸起23…的配置节距不均匀，可在因空气流路长度短使得流路阻力小的旋转方向内侧紧密地配置第1凸起22…及第2凸起23…，增加流路阻力，在上述区域R4、R4的全体使流路阻力均匀化。由此可防止上述偏流的发生，避免换热效率的下降。特别是与第2凸条25F、25R内侧邻接的第1列的凸起都由凸出到燃气通道4内的第1凸起22…(在图4中用×号表示)构成，所以通过使该第1凸起22…的配置节距不均匀，可有效地发挥防偏流效果。
在图3中，当燃气流过与区域R3、R3邻接的区域R4、R4时，该区域R4、R4的第1凸起22…及第2凸起23…的配置节距沿燃气的流向不均匀，所以，该第1凸起22…及第2凸起23…的配置节距几乎不对燃气的流动产生影响。同样，在图4中，当空气流过与区域R4、R4邻接的区域R3、R3时，该区域R3、R3的第1凸起22…及第2凸起23…的配置节距沿空气的流向不均匀，所以，该第1凸起22…及第2凸起23…的配置节距几乎不对空气的流动产生影响。
如图3及图4可知，在热交换器2的前端部及后端部，第1传热板S1…及第2传热板S2…切割成分别有长边及短边的不等长的角形，沿着前端侧及后端侧的长边分别形成燃气通道入口11及燃气通道出口12，同时，沿着后端侧及前端侧的短边分别形成空气通道入口15及空气通道出口16。
这样，在热交换器2的前端部沿角形的二边分别形成燃气通道入口11及空气通道出口16，同时，在热交换器2的后端部沿角形的二边分别形成燃气通道出口12及空气通道入口15，所以，比起不将热交换器2的前端部及后端部切割成角形地形成上述入口11、15及出口12、16的场合，可以确保这些入口11、15及出口12、16的流路断面积较大，将压力损失抑制到最小限度。而且，由于沿上述角形的二边形成入口11、15及出口12、16，所以，不仅可以使进出燃气通道4…和空气通道5…的燃气和空气的流路光滑，进一步减少压力损失，而且可以不使流路急剧弯曲地沿轴向配置与入口11、15及出口12、16相连的管路，使热交换器2的径向尺寸小型化。
与通过空气通道入口15及空气通道出口16的空气的体积流量相比，在该空气中混合燃料使其燃烧、在涡轮使其进一步膨胀后的压力下降了的燃气的体积流量大。在本实施例中，由上述的不等长的角形，可以使体积流量小的空气通过的空气通道入口15及空气通道出口16的长度小，使体积流量大的燃气通过的燃气通道入口11及燃气通道出口12的长度大，这样，可以使燃气的流速相对降低，更为有效地避免压力损失的发生。
从图3和图4的可看出，不锈钢制的外箱9为了围成空气导入管17而具有外壁构件28、29和内壁构件30、31两重构造，与前侧的外壁构件28和内壁构件30的后端接合的前部凸缘32由多根螺栓34…接合于后部凸缘33，该后部凸缘33接合于后侧的外壁构件29和内壁构件31的前端。此时，在前部凸缘32与后部凸缘33之间夹持有断面为E形的环状密封构件35，该密封构件35密封前部凸缘32与后部凸缘33的接合面，防止空气导入管17内的空气与燃气导入管13内的燃气的混合。
热交换器2通过由与该热交换器2相同材质的镍铬铁耐热耐蚀合金板材制成的热交换器支承环36支承在外箱9的与后部凸缘33相连的内壁构件31。由于接合于后部凸缘33的内壁构件31的轴向尺寸小，所以该内壁构件31可实质上作为后部凸缘33的一部分。因此，也可不是在内壁构件31接合热交换器支承环36，而是在直接接合在后部凸缘33。热交换器支承部环36具有接合于热交换器2外周面的第1环部361、接合于内壁构件31内周面的比上述第1环部361直径大的第2环部362、及沿斜向连接于第1、2环部361、362的连接部363，断面形成为台阶状，由该热交换器支承部环36密封燃气通道入口11与空气通道入口15之间。
热交换器2的外周面的温度分布在空气通道入口15侧(轴向后侧)为低温，在燃气通道入口11侧(轴向前侧)为高温。通过将热交换器支承环36设置在比燃气通道入口11更接近空气通道入口15的位置，可将热交换器2和外箱9的热膨胀量的差抑制在最小限度，减少热应力。另外，当热膨胀量的差使热交换器2与后部凸缘33相对变位时，该变位通过由板材制成的热交换器支承环36的弹性变形吸收，从而可减轻作用在热交换器2和外箱9的热应力。特别是由于热交换器支承环36的断面形成为台阶状，所以其折曲部容易变形，可有效地吸收热膨胀量的差。
下面根据图13-17说明本发明的第2实施例。
热交换器2由上部底壁41和下部底壁42、前部端壁43和后部端壁44、及左侧壁45和右侧壁46围住，整体上形成为长方体状。沿左右方向延伸的燃气通道入口11和燃气通道出口12在上部底壁41的前部和后部开口，同时，沿左右方向延伸的空气通道入口15和空气通道出口16在下部底壁42的后部和前部开口。在热交换器2的内部交替配置矩形的第1传热板S1…及第2传热板S2…，该第1传热板S1…及第2传热板S2…通过将折板坯料21沿山形折线L1和谷形折线L2折成曲折状而形成。
在第1传热板S1…及第2传热板S2…之间，交替形成与上述燃气通道入口11和燃气通道出口12相连的燃气通道4…和与上述空气通道入口15和空气通道出口16相连的燃气通道5…。此时，通过钎焊形成于第1传热板S1…及第2传热板S2…的多个第1凸起22…及第2凸起23…的顶端相互之间，将第1传热板S1…及第2传热板S2…的间隔保持为一定。
折板坯料21在山形折线L1钎焊于上部底壁41，在谷形折线L2钎焊于下部底壁42。另外，第1传热板S1…及第2传热板S2…的短边部分(即前端和后端)折曲比90°稍小的角度，形成矩形的凸缘部26…。凸缘部26…相互重合，以面接触状态钎焊，构成整体上呈矩形的接合凸缘27，该接合凸缘27通过钎焊接合于前部端壁43和后部端壁44。接合凸缘27与前后端壁43、44之间的间隙由钎料封闭(参照图17)。通过这样钎焊将第1传热板S1…及第2传热板S2…的端部折曲的凸缘部26…，不需要第1传热板S1…及第2传热板S2…的端部的精密切断加工，所以，上述第1凸起22…及第2凸起23…的钎焊和凸缘部26…的钎焊可用1道工序完成，而且由于为在面接触的凸缘部26…相互间进行钎焊，所以钎焊强度也大幅度增加。
如图14和图15所示，形成于第1传热板S1…及第2传热板S2…的第1凸起22…及第2凸起23…的配置，在第1传热板S1…及第2传热板S2…的前后方向中间部与前后方向两端部(对着燃气通道入口11和空气通道出口16的部分，以及对着燃气通道出口12和空气通道入口15的部分)不同。
即，在第1传热板S1…及第2传热板S2…的前后方向中间部，第1凸起22…及第2凸起23…沿上下方向以等节距排列，而且沿前后方向以等节距排列。另一方面，在前后方向两端部，第1凸起22…及第2凸起23…虽然沿上下方向以等节距排列，但沿前后方向以不等节距排列。具体地说，在对着燃气通道入口11和空气通道出口16的部分，随着远离其前端，前后方向的排列节距变密，另外，在对着燃气通道出口12和空气通道入口15的部分，随着远离其后端，前后方向的排列节距变密。
因此，在图14中，当从燃气通道入口11沿箭头g方向流入的燃气朝沿燃气通道4的方向旋转90°时，由紧密配置的第1凸起22…及第2凸起23…，增加因流路长度短而使得燃气易于流动的旋转方向内侧通道的流路阻力，可使旋转方向内外的燃气的流量均匀化。另外，当在沿燃气通道4的方向流动的燃气旋转90°从燃气通道出口12沿箭头h方向流出时，由紧密配置的第1凸起22…及第2凸起23…，增加因流路长度短而使得燃气易于流动的旋转方向内侧通道的流路阻力，可使旋转方向内外的燃气的流量均匀化。
同样，在图15中，当从空气通道入口15沿箭头i方向流入的空气朝沿空气通道5的方向旋转90°时，由紧密配置的第1凸起22…及第2凸起23…，增加因流路长度短而使得空气易于流动的旋转方向内侧通道的流路阻力，可使旋转方向内外的燃气的流量均匀化。另外，当在沿空气通道5的方向流动的空气旋转90°从空气通道出口16沿箭头j方向流出时，由紧密配置的第1凸起22…及第2凸起23…，增加因流路长度短而使得空气易于流动的旋转方向内侧通道的流路阻力，可使旋转方向内外的空气的流量均匀化。
下面根据图18-图21说明上述第1实施例的变形例。
如图18所示，在该变形例的折板坯料21的第1传热板S1…及第2传热板S2…中，角形顶点的凸缘部26的形状与第1实施例稍有不同。图19和图20示出第1传热板S1…的凸缘部26的形状，上述凸缘部26由第1凸条24F和第2凸条25F的高度遂渐减小的折曲部261和与该的折曲部261前端相连的平坦部262构成，平坦部262的长度在第1传热板S1长，在第2传热板S2短(参照图18)。
由图21可知，第1传热板S1…及第2传热板S2…的凸缘部26在该折曲部261的区间于90°的范围弯折成圆弧状，该平坦部262以面接触状态钎焊。此时，在折曲部261，第1凸条24F和第2凸条25F的高度遂渐减小，所以，当钎焊第1凸条24F或第2凸条25F时，可将其间隙抑制到最小限度。而且，由于使第2传热板S2的凸缘部26的平坦部262的长度变短，所以该平坦部262的前端不与邻接的第1传热板S1的第1凸条24F和第2凸条25F干涉，间隙的产生得到更有效的防止。在图19-图21中示出第1传热板S1…及第2传热板S2…的一端侧的凸缘部26，另一端侧的凸缘部26也为相同构造。
按照该变形例，可将在第1凸条24F、24R相互间的接触部及第2凸条25F、25R相互间的接触部产生的间隙抑制到最小限度，提高流体的密封性。
以上详述了本发明的实施例，但本发明在不脱离其要旨的范围内，可以作种种设计变更。
例如，在权利要求1～权利要求11所述的发明中，也可不用折板坯料21，而是分别以别的构件构成第1传热板S1…及第2传热板S2…并使其相互接合。另外，在权利要求12所述的发明中，也可不在第1折线L1的部分接合折板坯料21的两端部，而是在第2折线L2的部分接合。