JP5047267B2 - 熱交換器および熱交換器の組立方法 - Google Patents

Description

本発明は、翼形プロファイルを有するピンを備えるピンフィン型熱交換器に関する。

１つの場所から熱を取り除くとともに、他の場所に熱を放散する熱交換器は当該技術で周知であり、効率的に熱を取り除く必要がある種々の用途で使用されている。流体冷却装置で使用される熱交換器には、２つの並列流体通路からこれらの通路の間に設けられた冷却流体通路に熱を放散させる形式のものがある。続いて、（空気などの）冷却流体が冷却流体通路を通過する。並列流体通路からの熱は、冷却流体通路に引き込まれるとともに、熱交換器の反対側の端部で冷却流体とともに排出される。この形式の熱交換器は、航空機エンジンや自動車エンジンなどの乗物の用途で使用されることが多い。

この原理に従って構成された装置は、並列通路の表面から冷却流体通路を通って流れる流体に熱を伝達する。熱を放散する表面積を増加させるために、並列流体通路の壁から空隙内に延在するピンを追加している熱交換器もある。ピンは熱伝導性があり、熱は通路からピンに伝導されて冷却流体に放散される。ピンは、斜めのリガメントを用いて定位置に保持することができる。上述した設計による装置は、ピンフィン型熱交換器と呼ばれている。リガメントによって、冷却流体通路を通って送り込まれる流体にさらされる表面積も大きくなり、これによって放散される熱が増加する。当該技術の設計には、各々のピンが並列流体通路の両方に連結され、間隙を通って並列流体流路に対して垂直に延在するポストとなるピンを使用するものもある。ピンを使用する現行の熱交換器は、円形やダイアモンド形のプロファイルなどの対称形のピンプロファイルを有する。

流体通路の壁から冷却流体通路内に延在するピンを有する熱交換器が開示されている。ピンは、流体通路から壁に隣接する冷却流体通路に熱を伝導する。冷却流体が間隙を通過し、ピンおよび壁から流体に熱が放散される。ピンは翼形プロファイルを有する。

本発明の上述およびその他の特徴は、以下の実施形態および図面によって最もよく理解される。

例示的な熱交換器の切り欠き側面図である。 例示的な熱交換器の翼形プロファイルを示す説明図である。 例示的な熱交換器のピンおよびリガメントの列を示す説明図である。 ピンおよびリガメントの列の例示的な構成の斜視図である。 冷却流体の流れを制御するようにピンの迎え角が調整された、ピンおよびリガメントの例示的な列の説明図である。

本発明による熱交換装置の概略が図１に示されている。２つの並列流体通路１０２，１０４が、対向する外壁１０６，１０８と、これらの対向する外壁１０６，１０８の間に設けられた冷却流体通路１１０と、を有する。初期段階では対向する外壁１０６，１０８よりも低温である空気などの冷却流体が冷却流体通路１１０を通過する。冷却流体は、冷却流体通路１１０を通って移動しながら、対向する外壁１０６，１０８の露出した表面積から熱を吸収し、並列流体通路１０２，１０４を通って移動する流体を冷却する。

冷却流体通路１１０の冷却流体にさらされる表面積を増加させ、これによって熱交換器の潜在的な熱伝達を増加させるように、熱伝導性のピン１１２が流体通路１０２，１０４の対向する面１０６，１０８を連結する。ピン１１２は、対向する面１０６，１０８からの熱を冷却流体通路１１０に伝導し、これにより、冷却流体通路１１０を通過する冷却流体にさらされる表面積を増加させる。熱交換器内で放散される熱は冷却流体にさらされる表面積に比例するので、ピンによってさらされる表面積が増加することにより熱交換器の効率が向上する。

先行技術のピンフィン型熱交換器設計は、円形、ダイアモンド形または他の対称形状をピン１１２のプロファイルとして使用する。先行技術の設計では、一方向で冷却流体通路１１０を通過する冷却流体が対称形のピンの側面に衝突すると、冷却流体は自然にピンの周囲に押し出される。当該技術で周知のように、流れが面に付着して、壁の近傍の流れが壁に平行に移動して効果的な熱交換が行われる場合と、流れが面から剥離して、流れが必ずしも壁に平行にならずに効果的な熱交換が行われない場合がある。ピンの周囲に流れる過程において、冷却流体の流れはピンの表面から剥離し、ピンの表面に付着した状態に保たれる冷却流体の流れは、結果的にピンの表面積の半分程度になってしまう。よって、流路に接触するピンの表面積の部分のみが熱の放散を提供することができ、ピンの表面積の残りの部分が無駄になる。

図２は、翼形であるピン１１２の設計プロファイルを示している。翼形プロファイルは、航空機設計の分野では周知であり、この分野では翼上の空気流を制御して揚力を発生させるために使用されている。また、航空機の翼上を流れる空気流の流れの剥離を減少もしくは調整するために、翼形状の曲率を変更することも知られている。翼の曲率に加えて、航空機設計では迎え角を利用する。迎え角は、流体流れに対する翼の角度である。航空機設計では、失速を避けるために適切な迎え角を決定することが周知である。図２に示すプロファイルは、航空機の翼設計の上述の特徴を熱交換器のピンプロファイル設計に適用したものである。

図２の翼形ピン１１２のプロファイルは、上部加速領域２１０、上部減速領域２２０、下部加速領域２１２および下部減速領域２２２を有する。冷却流体が、ピンの上部加速領域２１０および下部加速領域２１２の上を流れると、冷却流体流れが加速する。流体がいったんピンの上部減速領域２２０および下部減速領域２２２に入ると、冷却流体流れが減速し始める。典型的には、流れの剥離が翼形プロファイル上で発生するのは、冷却流体流れが後縁２３０の近傍における減速領域２２０，２２２にある場合のみである。後縁２３０の表面積は、円形または他の対称形のプロファイルの流れ剥離領域に比べて、ピン１１２の表面積に占める部分が小さいので、翼形プロファイルによってピン１１２の表面積がより有効に活用され、より大きな量の熱が放散される。

図３は、ピンの列３００に含まれるピン３０２，３０４を部分的に連結するリガメント（ｌｉｇａｍｅｎｔｓ）３０６をさらに備える翼形ピン１１２を使用する熱交換器の例示的な実施例を示す。リガメント３０６は、第１のピン３０２の下部減速領域２２２と第２のピン３０４の上部減速領域２２０との間に連結されている。リガメント３０６は、同様に複数のピン３０２，３０４を相互に連結し、ピン３０２，３０４およびリガメント３０６の列３００が形成される。さらに、リガメント３０６およびピン３０２，３０４を定位置に保持するフレーム２００にリガメント３０６の各々の端部を連結することができる。フレーム２００とリガメント３０６は、単一のユニットとして構成可能である。また、リガメント３０６は、設計上の制約に従って、他の周知の方法によってフレーム２００に連結してもよい。フレーム２００は、図３に示すように４つの側面を有してもよく、または、流れに面する側面２０２，２０４がない状態でも形成可能である。流れに面する側面がない実施例では、各々のリガメントは冷却流体流れに平行な側面２０６，２０８の少なくとも一方に連結される。

冷却流体通路１１０にリガメント３０６を配置することで実現される追加の利点は、リガメント３０６によって冷却流体流れとの自然干渉が起こることによって生じる。冷却流体流れがリガメント３０６に接触すると、リガメント３０６の後に伴流領域が発生する。伴流領域は、冷却流体に乱流を生じさせて、冷却流体流れに直接含まれる冷却流体と冷却流体流れに直接含まれていない冷却流体とを混合する。

冷却流体流れの冷却流体を冷却流体流れに直接含まれていない冷却流体と混合することで、冷却流体流れの加熱された流体が、冷却流体流れに直接含まれておらず、加熱されていない冷却流体に有利に分散される。混合により、従来の設計に比べて冷却流体通路１１０のさらに先で、流体流れに直接含まれる冷却流体の温度が減少し、熱交換器の効率が向上する。

図４には、ピン１１２とリガメント３０６の列の例示的な構成が示されている。図４の例示的な実施例は、スタンピングまたはエッチングプロセスを用いて、リガメント３０６や各々のピン１１２の部分をシートメタルまたは他の熱伝導材料から形成したピンフィンの列を示している。フレームも同じの方法で同じシートから形成可能である。エッチングプロセスでは、リガメント３０６、ピン１１２およびフレームがシートからエッチングまたは打ち抜かれる。プロファイルが形成された後に、ピン１１２部分よりも薄くなるようにリガメント部分３０６がエッチングされる。一例として、ピン１１２部分は、１ｍｍの厚さとすることができ、リガメント３０６部分は０．３ｍｍの厚さとすることができる。さらに、フレームは、他の積み重ねられたフレーム部分と接続または連結して完全なユニットを形成するようにエッチングすることができる。追加のシートも同じ方法で形成され、これにより、複数の積み重ね可能なシート４０２，４０４，４０６が得られる。

各々のシート４０２，４０４，４０６が適切な形状および厚さにエッチングされると、（図４に示すように）これらのシート４０２，４０４，４０６は互いの上に積み重ねられ、積み重ねられるシート４０２，４０４，４０６の数は、特定の用途で必要なピンの高さによって決定される。積み重ねられた後、シートのピンプロファイル部分が周知の接合方法によって互いに接合され、複数のシート４０２，４０４，４０６を含み、かつ複数のリガメント３０６に連結された中実のピン１１２が形成される。ピン１１２とリガメント３０６が積み重ねられた列３００は、続いて、ピン１１２の頂部が対向する第１の壁１０６に接触するとともに、ピン１１２の底部が対向する第２の壁１０８に接触するように、冷却流体通路１１０内に配置される。列３００は、フレームまたは他の周知の方法で定位置に保持される。エッチングされたシートのリガメント３０６部分は、ピン１１２のプロファイル部分よりも薄いので、冷却流体はリガメント３０６の間を通って冷却流体通路１１０を通過する。

熱が放散する表面積を増加させるのに加えて、リガメント３０６によって流れの一部が妨害されるため、リガメント３０６を追加することで通路に絞り部が形成される。この絞り部により、流体が流れうる空間が減少し、冷却流体通路１１０を通る流れの加速および流体圧力の降下が生じる。設計上は、流体圧力の降下は減速領域２２０，２２２において生じ、これによって流れの剥離が減少する。流れの剥離を減少させる設計は、流体流れの圧力降下が設計上の重要な制約ではない用途で使用可能である。

図５に示す別の例示的な実施例は、冷却流体の流れ５０４を制御および案内するためにピン１１２のプロファイルを利用しており、これによって圧力降下が最小となるかまたは他の所望の特性が制御される。図５では、リガメント３０６は、第１のピン５０６の下部減速領域２２２と第２のピン５０８の下部加速領域とを連結する。また、この設計は、冷却流体通路１１０を通る冷却流体の流れを形状づけるために、各々のピンに対して異なる迎え角を使用する。図５の例示的な方法は、２つのピン５０６，５０８が流体流れに対して第１の方向に角度づけられ、続く２つのピン５１０，５１２が流体流れに対して第１の方向とは反対の第２の方向に角度づけられるパターンを利用し、このパターンが繰り返される。線によって、冷却流体が冷却流体通路１１０を通過するに従って角度づけられたピンのパターンによって生じる冷却流体の流れ５０４が示されている。この流れ５０４によって、従来のピンプロファイルを有するパターンに比べて他のピンに衝突する前に流体が移動する距離が長くなり、他のピンに衝突する前に加熱された冷却流体が加熱されていない冷却流体とより長い時間にわたって混合される。冷却流体の混合は、流体自体の熱吸収率を高める。所望の混合レベルを得るために、リガメントは、特定の用途における要求に応じて、流体流れとの干渉がより多くまたはより少なくなるように配置可能である。

図５のリガメント３０６配置を利用する設計は、さらに、図３の例示的なリガメント３０６配置に従って構成された設計に比べて、冷却流体通路１１０を通過する冷却流体に関連する圧力降下が低い。圧力降下が比較的低いのは、リガメント３０６と流体流れ５０４との干渉が比較的少なく、これによって流体流れに対する妨害が少なくなるためである。比較的低い圧力降下により、熱伝達も低くなる。図５の例示的な実施例は、圧力降下を最小化することが主な設計上の制約である用途に適用可能である。また、ピンの列３００のいくつかまたは全てのピン１１２の迎え角を変更することで他の流れを構成し、冷却流体流れを異なる方法で制御できることも知られている。

本発明の例示的な実施例を開示したが、当業者であれば特定の改良も本開示範囲内に含まれることが分かるであろう。このため、本発明の真の範囲および内容を定めるためには、以下の請求項の検討が必要である。

１０２，１０４…並列流体通路
１０６，１０８…外壁
１１０…冷却流体通路
１１２…ピン

Claims (20)

1. 少なくとも１つの流体通路と、
   前記流体通路に隣接し、該流体通路と第１の熱伝導性の壁を共有する冷却流体通路と、
   前記冷却流体通路内に突出するとともに、翼形プロファイルを有する少なくとも１つの熱伝導性のピンと、を有し、
   前記翼形プロファイルは、前記冷却流体通路を通過する流体流れに対して迎え角を有し、この迎え角は、流体流れが前記翼形プロファイルから分離し始める迎え角よりも小さいことを特徴とする熱交換器。
2. 前記少なくとも１つのピンを囲む複数の壁を含むフレームと、
   前記フレームと前記少なくとも１つのピンとを連結する少なくとも１つの熱伝導性のリガメントと、をさらに有することを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
3. 前記少なくとも１つのピンは、複数の前記リガメントに連結されていることを特徴とする請求項２記載の熱交換器。
4. 前記複数のリガメントの少なくとも一部分が、前記ピンの垂直軸に沿って軸方向に積み重ねられており、前記垂直軸は、前記第１の熱伝導性の壁に垂直であることを特徴とする請求項３記載の熱交換器。
5. 積み重ねられた前記複数のリガメントは、前記垂直軸に沿って等間隔で離間されていることを特徴とする請求項４記載の熱交換器。
6. 翼形プロファイルを有する前記ピンの各々は、
   前記翼形プロファイルの第１のテーパ状端部に位置する前縁と、
   前記翼形プロファイルの第２のテーパ状端部に位置する後縁と、を有し、
   前記前縁は、前記翼形形状のピンの上部傾斜領域と下部傾斜領域に接続され、前記上部傾斜領域は前記下部傾斜領域よりも傾斜が急であり、
   前記上部傾斜領域は、前記前縁と前記後縁をつないだ線から離れるように傾斜した上部加速領域と、前記前縁と前記後縁をつないだ線に向かって傾斜した上部減速領域と、を有し、
   前記下部傾斜領域は、前記前縁と前記後縁をつないだ線から離れるように傾斜した下部加速領域と、前記前縁と前記後縁をつないだ線に向かって傾斜した下部減速領域と、を有することを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
7. 前記少なくとも１つのピンは、前記上部減速領域において少なくとも１つの第１のリガメントに連結されているとともに、前記下部減速領域において少なくとも１つの第２のリガメントに連結されていることを特徴とする請求項６記載の熱交換器。
8. 前記少なくとも１つのピンは、複数のピンを含み、前記複数のピンの第１の群は、前記下部加速領域において少なくとも１つの第１のリガメントに連結されているとともに、前記下部減速領域において少なくとも１つの第２のリガメントに連結されており、前記複数のピンの第２の群は、前記下部加速領域において少なくとも１つの第１のリガメントに連結されているとともに、前記上部減速領域において少なくとも１つの第２のリガメントに連結されていることを特徴とする請求項６記載の熱交換器。
9. 前記少なくとも１つのピンは、積み重ね可能なパネルに取り付けられていることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
10. 少なくとも１つのリガメント部分と、翼形プロファイルを有する少なくとも１つのピンと、を含む少なくとも１つの積み重ね可能なパネルを冷却流体通路に備える熱交換器であって、前記ピンの翼形プロファイルに垂直な軸に沿った前記少なくとも１つのリガメント部分の厚さは、前記ピンの翼形プロファイルに垂直な軸に沿った前記少なくとも１つのピンの厚さに比べて小さく、
    前記翼形プロファイルは、前記冷却流体通路を通過する流体流れに対して迎え角を有し、この迎え角は、流体流れが前記翼形プロファイルから分離し始める迎え角よりも小さいことを特徴とする熱交換器。
11. 複数の積み重ねられたパネルを備え、前記少なくとも１つのピンの端部が隣接する積み重ね可能なパネルのピンと接触することを特徴とする請求項１０記載の熱交換器。
12. 前記積み重ね可能なパネルは、前記少なくとも１つのピンを囲む複数の壁を含むフレームをそれぞれ有し、少なくとも１つのリガメント部分は、前記複数の壁のうちの２つを連結し、前記ピンの翼形プロファイルに垂直な軸に沿った前記フレームの厚さは、前記ピンの翼形プロファイルに垂直な軸に沿った前記少なくとも１つのリガメント部分の厚さと少なくとも同じであることを特徴とする請求項１１記載の熱交換器。
13. 前記積み重ねられたパネルは、前記少なくとも１つのリガメントに取り付けられるとともに、翼形プロファイルを有する複数のピン部分をそれぞれ含むことを特徴とする請求項１２記載の熱交換器。
14. 複数の積み重ね可能なパネルを備え、該複数の積み重ね可能なパネルの各々のフレームは、隣接するパネルとそれぞれ連結されていることを特徴とする請求項１２記載の熱交換器。
15. 翼形プロファイルを有する少なくとも１つのピンと、少なくとも１つのリガメント部分と、をそれぞれ備える複数の積み重ね可能なパネルを積み重ねて、
    第１の積み重ね可能なパネルに設けられた各々のピンの端部が、第２の積み重ね可能なパネルに設けられたピンの端部に接触するように、前記積み重ね可能なパネルを整列させた状態で冷却流体通路に設けることを含み、
    前記翼形プロファイルは、前記冷却流体通路を通過する流体流れに対して迎え角を有し、この迎え角は、流体流れが前記翼形プロファイルから分離し始める迎え角よりも小さいことを特徴とする熱交換器の組立方法。
16. 前記複数の積み重ね可能なパネルを接合して、冷却流体通路のインサートを形成し、
    前記冷却流体通路のインサートを冷却流体通路内に配置することをさらに含むことを特徴とする請求項１５記載の熱交換器の組立方法。
17. 連続する前記ピンの第１の端部を第１の熱伝導性の流体通路壁に接合することをさらに含み、第１の熱伝導性の流体通路壁は第１の流体通路と共有されていることを特徴とする請求項１５記載の熱交換器の組立方法。
18. 連続する前記ピンの第２の端部を第２の熱伝導性の流体通路壁に接合することをさらに含み、第２の熱伝導性の流体通路壁は第２の流体通路と共有されていることを特徴とする請求項１７記載の熱交換器の組立方法。
19. 前記少なくとも１つのピンは、前記翼形プロファイルの上部減速領域において少なくとも１つの第１のリガメントに連結されているとともに、前記翼形プロファイルの下部減速領域において少なくとも１つの第２のリガメントに連結されていることを特徴とする請求項１０記載の熱交換器。
20. 前記少なくとも１つのピンは、前記翼形プロファイルの上部減速領域において第１のリガメントにそれぞれ連結されているとともに、前記翼形プロファイルの下部減速領域において第２のリガメントにそれぞれ連結されていることを特徴とする請求項１５記載の熱交換器の組立方法。

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