JP3165331U

JP3165331U - 熱交換器

Info

Publication number: JP3165331U
Application number: JP2010007181U
Authority: JP
Inventors: 誠二殿本
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2010-10-28
Filing date: 2010-10-28
Publication date: 2011-01-13
Anticipated expiration: 2020-10-28

Abstract

【課題】耐圧と熱交換効率の向上および加工時間を短縮する熱交換器を提供する。【解決手段】本熱交換器１は、扁平管６を定間隔に並べ、両端面に流体の流入出フランジを設けたコア２の両側に、流体の導入出ダクト９，１１と、前記コアに流体を配分する流体分配部１０とを一体にした導入出パンを溶接し全体を合金材で構成した熱交換器であって、前記流体分配部の内部に短冊状部材の両端にタブを設けたＩ型補強部材を間隔と角度を順次変えて設置し、前記コアに分配する流体の整流板を兼用させたものである。以上の構成により耐圧・耐久性と熱交換効率の向上および加工時間の短縮が可能である。【選択図】図１

Description

本考案は、一方の流体を他方の流体で加熱または冷却する方式の熱交換器で、特に航空機用熱交換器に関する。

熱交換器として主に用いられる表面式熱交換器は一方の流体と他方の流体を隔壁により分け、隔壁を通して熱伝導と隔壁表面での流体流動によって２流体間で熱交換を行うものである。ジェット・エンジンを搭載した航空機ではジェット・エンジンのブリード・エア（燃焼用圧縮空気）の一部を利用し、機外のラム・エアを冷却流体として表面式熱交換器を構成し機内の冷暖房を行っている。

ジェット・エンジンを搭載した航空機の冷暖房システムを図１１に示す航空機の冷暖房系統図により説明する。

ジェット・エンジン４３から出た高温・高圧のブリード・エア４４の一部であるブリード・エア４５は、１次熱交換器４６に送られ、機体４７の外部から導入のラム・エア４８で冷却される。１次熱交換器４６から出た冷却されたブリード・エア４９はＡＣＭ（エア・サイクル・マシン）のコンプレッサー（図示せず）に送られる。圧縮により再度高温・高圧になったブリード・エア５０は２次熱交換器５１に送られ、機体４７の外部から導入のラム・エア４８で冷却される。２次熱交換器５１から出た冷却されたブリード・エア５２はＡＣＭのタービン（図示せず）に送られ、タービンを駆動するとともに膨張によりさらに冷却される。ＡＣＭを出た冷却されたブリード・エア５３はミキシング・チャンバー５４でＡＣＭを通らない高温・高圧のブリード・エア５５と混合し、適温エア５６として機内５７に送り込まれる。

以上のとおりジェット・エンジンを搭載した航空機の熱交換器は、高温・高圧の流体を使用するため耐熱・耐圧性が高く、かつ小型・軽量が求められる。

軽量・高圧に耐える熱交換器として、複数の管とフィンとが交互に積層された管の両端部に樹脂製の一対のヘッダタンクを設け、該ヘッダタンク内に耐圧用補強リブを流体が均等配分できる形状に設けた熱交換器が提案されている（特許文献１参照）。

また、図１０（ａ）の上面外形図および図１０（ｂ）の正面外形図に示す熱交換器３０は、流れ方向Ｅの１次流体Ａに交差する流れ方向Ｆ１、Ｆ３、Ｆ５の２次流体Ｂを流通させて熱交換を行うコア３１と、２次流体Ｂの導入パン３２と、導出パン３３とを両側に溶接して構成したものである。

コア３１には、両端を開放した扁平管３４を定間隔に並べて設け、一方の開放端側に２次流体Ｂの流入側フランジ３５と他方の開放端側に流出側フランジ３６が設けられている。

導入パン３２は、２次流体Ｂの導入ダクト３７と、一方を流入側フランジ３５に接続される形状に開口し他方を導入ダクト３７の胴体に溶接された流体分配部３８とを一体に構成したものであり、流体分配部３８を流入側フランジ３５に溶接してコア３１に接続されている。

また、導出パン３３は、２次流体Ｂの導出ダクト３９と、一方を流出側フランジ３６に接続される形状に開口し他方を導出ダクト３９の胴体に溶接された流体分配部４０とを一体に構成したものであり、流体分配部４０を流出側フランジ３６に溶接してコア３１に接続されている。

さらに、流体分配部３８および４０には、２次流体Ｂの高圧によりコア３１と導入パン３２および導出パン３３の溶接部に発生する変形や破損を防止するため円筒ピン４１を溶接し、さらに円筒ピン４１の溶接部に発生する応力集中を緩和するためにワッシャ４２が溶接されている。

特開２００５−３１５５１８号公報

先行技術の樹脂製ヘッダタンクとその耐圧用補強方式では高温下で高圧負荷を繰り返し受ける環境下での耐久性に劣ること、円筒ピン４１とワッシャ４２による補強方式では円筒ピン４１とワッシャ４２の溶接に時間がかかること、円筒ピン４１では熱交換器内部の流体の整流機能や、温度分布を均等にする機能を持たないことなどの問題点がある。

上記課題を解決するために、本考案は、１次流体の流れ方向に交差する流れ方向の２次流体を通す両端を開放した流通管を定間隔に並べ、開放端側に前記２次流体の流入出用フランジを設けたコアに、前記２次流体の導入出ダクトと、一方を前記流入出フランジに接続される形状に開口し他方を前記導入出ダクトの胴体にそれぞれ接続された流体分配部とを一体に構成された導入出パンを前記流入出フランジに接続した熱交換器であって、高圧による変形や破損を防止し応力集中を緩和するために前記流体分配部の内部に短冊状部材の両端にタブを設けたＩ型補強部材を設けたことを特徴とする。

また、前記Ｉ型補強部材は、間隔と方向を変えて設置することで前記流体分配部内の流れを整流し温度分布を均等にする整流板を兼用してもよい。

さらに、前記Ｉ型補強部材は、溶接時間および取付け時間の短縮と品質の安定のために全体を削り出し成形されていることが好ましい。

以上の構成により耐圧と熱交換効率の向上および加工時間の短縮効果がある。

本考案の実施例１の構成を示す分解斜視図である。本考案の実施例１のコア部分拡大斜視図である。本考案の実施例１のパン斜視図である。本考案の実施例１のＩ型補強部材の斜視図である。本考案の実施例２の構成を示す分解斜視図である。本考案の実施例２のパン斜視図である。本考案の変形例の外形図である。本考案の変形例の横断面図である。本考案の変形例の部分斜視図である。従来の熱交換器の外形図である。航空機の冷暖房系統図である。

１次流体の流れ方向に交差する流れ方向の２次流体を通す両端を開放した流通管を定間隔に並べ、開放端側に前記２次流体の流入出用フランジを設けたコアに、前記２次流体の導入出ダクトと、一方を前記流入出フランジに接続される形状に開口し他方を前記導入出ダクトの胴体にそれぞれ接続された流体分配部とを一体に構成した導入出パンを前記流入出フランジに接続した熱交換器であって、前記流体分配部の内部に短冊状部材の両端にタブを設けたＩ型補強部材を間隔と方向が適当になるよう配置して設置するものであるが、以下図面に基づいて説明する。

本考案が提供する実施例１を図１〜図４に示す。図１は本考案の熱交換器の構成を示す分解斜視図であり、図２はコアのＷ部拡大斜視図、図３はパンの斜視図、図４はＩ型補強部材の斜視図を示す。

本考案の熱交換器１は図１に示すとおり、流れ方向Ｅの１次流体Ａに交差する流れ方向Ｆ１〜Ｆ５の２次流体Ｂを流通させて熱交換を行うコア２と、２次流体Ｂの導入パン３と、導出パン４とを両側に溶接するとともに全体を合金材で構成したものである。

コア２には、矢印Ｅの方向に流れる１次流体Ａの流入側フランジ５ａおよび流出側フランジ５ｂが設けられている。また、両端を開放した扁平管６を定間隔に並べて設け、一方の開放端側に扁平管６を連通させて挿入孔７（図２参照）に固定された矢印Ｆ３の方向に流れる２次流体Ｂの流入側フランジ８ａおよび他方の開放端側に扁平管６を連通させて挿入孔に固定された２次流体Ｂの流出側フランジ８ｂが設けられている。

導入パン３は導入ダクト９と、一方を流入側フランジ８ａに接続される形状に開口し他方を導入ダクト９の胴体に溶接された流体分配部１０とを一体に構成したものであり、最終的に流入側フランジ８ａを介してコア２に溶接接続される。また、導出パン４は導出ダクト１１と、一方を流出側フランジ８ｂに接続可能な形状に開口し他方を導出ダクト１１の胴体に溶接された流体分配部１２とを一体に構成したものであり、最終的に流出側フランジ８ｂを介してコア２に溶接接続される。

導入パン３の流体分配部１０の内部には図３に示すとおり、上壁１３ａと下壁１３ｂに設けられた取付け孔１４ａ、１４ｂに後述のＩ型補強部材１５の上タブ１６ａおよび下タブ１６ｂを挿入し溶接固定されている。なお、流体分配部１２は流体分配部１０と鏡面対称形をしており同じ構成であるため詳細説明を省略する。

前述のＩ型補強部材１５は図４に示すとおり、横断面形状が矩形の短冊状部材１７の長手方向両端に、一方の端面に凹み１８を設けた短冊状部材１７の幅より長い長円状の上タブ１６ａおよび下タブ１６ｂを互いに凹み１８側を外向きにして設けたもので、全体が削り出して形成されている。

本考案は以上のとおり構成され、熱交換過程は次のとおりである。導入ダクト９から導入された２次流体Ｂは図１の矢印Ｆ１〜Ｆ５に示すとおり、流体分配部１０から流入側フランジ８ａを経てコア２内に分散して流入し、コア２を通過する過程で矢印Ｅの方向に交差して流入側フランジ５ａから流入する１次流体Ａと扁平管６の管壁を通して冷却され、低温・高圧の２次流体Ｂとして流出側フランジ８ｂから流体分配部１２を経て導出ダクト１１へ流出される。一方１次流体Ａは熱を吸収して高温・低圧の流体として流出側フランジ５ｂから流出される。

本考案が提供する実施例２を図５、図６に示す。図５は本考案の熱交換器の構成を示す分解斜視図であり、図６（ａ）はパンの斜視図、図６（ｂ）、図６（ｃ）はコア内の温度分布図である。

実施例２の熱交換器１９は図５に示すとおり、実施例１の構成を基本とし、コア２の両端面に溶接接続された導入パン２０および導出パン２１の流体分配部２２および流体分配部２３の内部に設けられたＩ型補強部材１５に整流板を兼用させたものである。以下、図６に基づいて説明する。

実施例１では、２次流体Ｂはコア２内の流れ方向（Ｆ３）に対し９０度の方向から導入され、コの字形流路を経て導入側と同じ側へ導出される。そのため導入ダクト９または導出ダクト１１の入口側に近いほど流路が短くなり、流路抵抗が小さくなって流量が増える。したがって、コア２内の温度分布は図６（ｂ）に示すとおり、ダクトの入口に近いほど高くなり不均等になるため熱交換効率が低下する。

実施例２では、図６（ａ）に示すとおり、流体分配部２２内に設置するＩ型補強部材１５の設置間隔Ｓを導入ダクト２４の入口側および導出ダクト２５（図５参照）の出口側に近い方から遠い方へ順次大きくするとともに、Ｉ型補強部材１５の長円状タブ（上タブ１６ａ、下タブ１６ｂ）の長手方向と流入側フランジ８ａの端面に鉛直な面との設置角度θを順次小さく配置したものである。

上記の構成により、図６（ｃ）に示すとおり、導入ダクト２４の入口側または導出ダクト２５の出口側に近いほど流路抵抗が大きくなり、流路が短いことによる流路抵抗の減少を相殺してコア２内に流入する２次流体Ｂの流量を均等にし、温度分布を均一にすることができる。

本考案が提供する実施例３は、実施例１または実施例２を基本とし、図４に示すとおりＩ型補強部材１５の全体を削り出し成形したものである。

Ｉ型補強部材１５の製造方法として、削り出し以外に溶接、鍛造、鋳造、ネジ止めなどが挙げられるが、例えば溶接方式では短冊状部材１７、上タブ１６ａ、下タブ１６ｂの各部材を削り出しまたは型を起して鍛造、鋳造等で作製した後溶接工程に入るのでコストと時間がかかる。また、鍛造、鋳造ではサイズの異なる毎に型を起す必要がありさらに溶接部分は機械加工も必要なのでコストと時間がかかる。本実施例では同じ形状寸法の例を示したが、形状、寸法の異なるＩ型補強部材を成形する場合は全体を削り出しにする方が対応も早く経済的である。

本考案が提供する熱交換器の特徴は以上のとおりであるが、上記ならびに図示例に限定されるものではない。

例えば、実施例１または実施例２では導入ダクト９および導出ダクト１１がコア２内を流れる２次流体Ｂの方向（Ｆ３）に対し９０度の方向で、かつ同じ側に取付けられているが、図７に示すとおり導入パン２６および導出パン２７をコア２の流入側フランジ８ａおよび流出側フランジ８ｂに溶接接続し、コア２内を流れる２次流体Ｂの方向（Ｆ３）と同じ向きに導入ダクト２８および導出ダクト２９を取付けることもできる。

また、図４のＩ型補強部材１５のタブ（上タブ１６ａ、下タブ１６ｂ）の形状は長円以外に円形、楕円形、多角形なども可能である。さらに、短冊状部材１７の横断面形状を矩形以外に図８（ａ）に示すとおり大きな半径で山形に湾曲させた例や図８（ｂ）に示すとおり流線形にすることも可能である。

さらに、実施例１および実施例２ではコア２の熱交換用隔壁として両端を開放した扁平管６を用いているが、図９に示すとおり一方方向に流通するプレートフィン５８を互いに交差させて配置してもよい。本考案はこれら全てを包含するものである。

汎用材料を使用し、一般的な加工機を使って製作することが可能で、耐圧効果・熱交換効率の向上・製造時間の短縮・品質向上の効果があり産業上利用可能なものである。

１熱交換器
２コア
３導入パン
４導出パン
５ａ流入側フランジ
５ｂ流出側フランジ
６扁平管
７挿入孔
８ａ流入側フランジ
８ｂ流出側フランジ
９導入ダクト
１０流体分配部
１１導出ダクト
１２流体分配部
１３ａ上壁
１３ｂ下壁
１４ａ取付け孔
１４ｂ取付け孔
１５Ｉ型補強部材
１６ａ上タブ
１６ｂ下タブ
１７短冊状部材
１８凹み
１９熱交換器
２０導入パン
２１導出パン
２２流体分配部
２３流体分配部
２４導入ダクト
２５導出ダクト
２６導入パン
２７導出パン
２８導入ダクト
２９導出ダクト
３０熱交換器
３１コア
３２導入パン
３３導出パン
３４扁平管
３５流入側フランジ
３６流出側フランジ
３７導入ダクト
３８流体分配部
３９導出ダクト
４０流体分配部
４１円筒ピン
４２ワッシャ
４３ジェット・エンジン
４４ブリード・エア
４５ブリード・エア
４６１次熱交換器
４７機体
４８ラム・エア
４９ブリード・エア
５０ブリード・エア
５１２次熱交換器
５２ブリード・エア
５３ブリード・エア
５４ミキシング・チャンバー
５５ブリード・エア
５６適温エア
５７機内
５８プレートフィン
Ａ１次流体
Ｂ２次流体
Ｓ設置間隔
θ 設置角度

Claims

１次流体の流れ方向に交差する流れ方向の２次流体を通す両端を開放した流通管を定間隔に並べ、開放端側に前記２次流体の流入出用フランジを設けたコアに、前記２次流体の導入出ダクトと、一方を前記流入出フランジに接続される形状に開口し他方を前記導入出ダクトの胴体にそれぞれ接続された流体分配部とを一体に構成された導入出パンを前記流入出フランジに接続した熱交換器であって、前記流体分配部の内部に短冊状部材の両端にタブを設けたＩ型補強部材を設置したことを特徴とする熱交換器。
前記Ｉ型補強部材が、前記流体分配部内を流入出する２次流体を整流する整流板として兼用されていることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
前記Ｉ型補強部材全体を削り出し成形したことを特徴とする請求項１または請求項２記載の熱交換器。