JP5442916B1 - 航空機用エンジンの熱交換器 - Google Patents

Abstract

航空機用エンジンの熱交換器は、それぞれ板状である第１部材と第２部材とを板厚方向に重ね合わせて接合しかつ、その内部に、冷却対象流体が流れる流路を区画形成するよう構成された本体と、流路内に配設されたコルゲートフィンプレートと、を備える。本体は、熱交換器が取り付けられる湾曲面に沿うように湾曲しており、第１部材及び第２部材の少なくとも一方の外表面には、複数の放熱フィンが立設している。

Description

ここに開示する技術は、航空機用エンジンに用いられる熱交換器に関し、特にエンジンの潤滑油や、エンジンにより駆動される発電機の潤滑油等を冷却するための熱交換器に関する。

特許文献１には、航空機用のガスタービンエンジンに取り付けられかつ、当該エンジンの潤滑油等の冷却対象流体を冷却する熱交換器が記載されている。この熱交換器は、ガスタービンエンジンの、例えばファンケーシングの内周面に沿うように取り付けられる弓形を有しており、ガスタービンエンジン内を通過する空気流に曝される。弓形の熱交換器の内部には、弓形状に沿うように延びかつ、冷却対象流体が流れる流路が、空気流の方向に複数、並んで形成されている。熱交換器の外表面には、多数の放熱フィンが立設している。また、弓形の熱交換器の両端部には、内部の流路に冷却対象流体を流入するための流入ヘッダ、及び、内部の流路から冷却対象流体を流出するための流出ヘッダが、それぞれ取り付けられている。

このような弓形の熱交換器は小型化が可能であると共に、ガスタービンエンジン内を流れる空気流の抵抗を減らすという利点がある。

特開２００８−１４４７５２号公報

ところで、特許文献１には、弓形の熱交換器の製造に関して、複数の流路を備えた本体部分をアルミニウム等の金属材料の押し出し成形により形成し、その本体に対して、放熱フィンを、溶接又はろう付けによって取り付けることが記載されている。しかしながら、多数の放熱フィンを、溶接又はろう付けによって確実に、本体部分の外表面に取り付けることは、一般的に困難である。一方で、放熱フィンは、確実に取り付けられていなければ熱伝達性能が大幅に低下してしまうため、結果として熱交換器の性能を低下させることになる。また、各放熱フィンを溶接又はろう付けによって本体部分に取り付けた後に、その各放熱フィンが、本体部分に確実に取り付けられているか否かを検査することも難しい。

また特許文献１には、別体の放熱フィンを本体部分に後から接合するのではなく、押し出し成形によって形成した本体部分に「一体形フィン形成プロセス」を実施して放熱フィンを形成する、とも記載されている。この「一体形フィン形成プロセス」について、特許文献１には具体的に記載されていないが、押し出し成形によって形成した本体部分の表面部を斜めに薄く削いで起立させることによって、本体部分の外表面に多数の放熱フィンを形成すること、と考えられる。この加工方法であれば、各放熱フィンと本体部分とは、熱伝達可能に連続することが保証される。

しかしながら、この加工方法では、放熱フィンの高さと、放熱フィンのピッチとの関係に制約が設けられることになる。つまり、放熱フィンの高さを高くしようとすれば、斜めに削ぐ長さを長くしなければならず、放熱フィンのピッチは大きくなってしまい、逆に放熱フィンのピッチを小さくしようとすれば、斜めに削ぐ長さは短くしなければならず、放熱フィンの高さは低くなってしまう。熱交換器の性能を高める観点からは、放熱フィンの高さを高くしかつ、放熱フィンのピッチを小さくすることが望ましいものの、前述した加工方法では、それらを両立することは困難である。

また、押し出し成形によって本体部分を形成する加工方法では、特許文献１にも記載されているように、本体部分とは別体のヘッダ部材を、本体部分に対して後から接合しなければならず、このことによっても、熱交換器の重量が増大してしまう。

さらに、押し出し成形によって本体部分を形成する方法では、流路の方向を、押し出し方向に一致する方向にしか設定することができない。そのため、例えば冷却対象流体の流路を、往路と復路との間でＵターンするように、熱交換器を構成しようとすれば、少なくともＵターン用のヘッダを本体部分に接合しなければならない。この構成は、前記と同様に、熱交換器の重量を増大させる。

ここに開示する技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、航空機用エンジンの熱交換器として、所望の性能を確保しつつ、小型化及び軽量化が可能な構造を提供することにある。

ここに開示する技術は、航空機用エンジン内に形成されている湾曲面に沿うように配置されかつ、当該エンジン内を流れる空気流に曝されることによって冷却対象流体の冷却を行うよう構成された航空機用エンジンの熱交換器に係る。この熱交換器は、それぞれ板状である第１部材と第２部材とを板厚方向に重ね合わせて接合しかつ、その内部に、前記冷却対象流体が流れる流路を区画形成するよう構成された本体と、前記本体の前記流路内に配設されるよう構成されたコルゲートフィンプレートと、を備え、前記本体は、前記湾曲面に沿うように湾曲しており、前記第１部材及び前記第２部材の少なくとも一方の外表面には、複数の放熱フィンが立設している。

この構成によると、熱交換器は、航空機用エンジンの湾曲面に沿うように配置されかつ、当該エンジン内を流れる空気流に曝されることによって冷却対象流体の冷却を行う。この熱交換器は、いわゆるサーフェスクーラーである。

熱交換器の本体は、板状の第１部材と第２部材とを板厚方向に重ね合わせて接合しており、特許文献１に記載されているような押し出し成形によって、形成されていない。このため、前述したように、押し出し成形品の表面部分を薄く削いで起立させるような加工方法によって、放熱フィンを形成することを行わずに、接合前の板状の第１部材及び／又は第２部材の外表面に、例えば切削加工等により、放熱フィンを削り出して形成することが可能である。この加工方法であれば、各放熱フィンは、その性能を確実に確保する。また、放熱フィンの高さは、第１部材及び／又は第２部材の当初の板厚によって設定され、放熱フィンのピッチは、第１部材及び／又は第２部材に対する加工の際に、放熱フィン同士の間を削る溝幅によって設定される。従って、放熱フィンの高さ及びピッチを、互いに独立して自由に設定することが可能である。つまり、放熱フィンの高さを高くすることと、放熱フィンのピッチを小さくすることとを両立させることが可能になり、所望の性能を確保しつつ、熱交換器を小型化及び軽量化することが可能になる。

前記第１部材は、前記第２部材が接合する面から窪むと共に、当該面に開口する窪み部を有し、前記コルゲートフィンプレートは、前記第１部材の前記窪み部内に配設され、前記第２部材は、前記コルゲートフィンプレートが前記窪み部内に配設された状態で、前記第１部材の前記窪み部の開口を塞ぐように、前記第１部材に重ね合わされて接合されている、としてもよい。この構成によると、第１部材の窪み部と、窪み部の開口を塞ぐ第２部材とによって、本体内の流路が区画形成される。

前記本体内には、前記コルゲートフィンプレートを前記第１部材及び前記第２部材によって板厚方向に挟持するよう構成された流路部分と、当該流路部分に連通すると共に、前記コルゲートフィンプレートが配設されないヘッダ部分と、が設けられており、前記第１部材又は第２部材には、板厚方向に貫通しかつ、前記ヘッダ部に連通する連通孔が形成されている、としてもよい。

第１部材と第２部材とを接合することによって構成される本体内には、コルゲートフィンプレートを配設する流路部分だけでなく、コルゲートフィンプレートを配設しないことによって、ヘッダ部分を設けることが可能である。また、第１部材又は第２部材に対して、そのヘッダ部分に連通するように、板厚方向に貫通する連通孔を形成することにより、当該貫通孔を、ヘッダ部分に冷却対象流体を流入させるための流入ポートとして、また、当該貫通孔を、ヘッダ部分から冷却対象流体を流出させるための流出ポートとして、機能させることが可能になる。すなわち、この構成の熱交換器は、本体とは別体のヘッダ部材は不要である。このことは、熱交換器の軽量化に有利になる。

前記ヘッダ部分に隣接する位置に配置されるコルゲートフィンプレートは、他の位置に配置されるコルゲートフィンプレートよりも剛性が高く設定されている、としてもよい。

この構成によると、ヘッダ部分に隣接する位置に配置されるコルゲートフィンプレート、言い換えると、ヘッダ部分と流路部分との境界において、流路部分に配置されたコルゲートフィンプレートの、特に端部には、ヘッダ部分の比較的高い内圧が作用することになる。この内圧に対抗するように、当該箇所に配置されるコルゲートフィンプレートは、その剛性が高いことが好ましい。つまり、ここで言う「剛性」は、内圧に対抗する剛性を意味する。

一方、本体内の流路部分においては、コルゲートフィンプレートが第１部材及び第２部材に挟持されている。尚、ここで言う「挟持」は、コルゲートフィンプレートと第１部材、及びコルゲートフィンプレートと第２部材がそれぞれ、熱伝達可能に当接（特に、接合）した状態で、コルゲートフィンプレートが第１部材及び第２部材に挟まれていることを意味する。このため、ヘッダ部分に隣接する位置とは別の位置に配置されるコルゲートフィンプレートは、第１部材及び第２部材に挟持されているため、それほど高い剛性は要求されない。

このように、熱交換器の本体内における配置に応じて、コルゲートフィンプレートの剛性を変更してもよい。このことは、熱交換器の破損を防止しつつ、熱交換器の性能向上、及び／又は、軽量化を可能にする。

ここで、コルゲートフィンプレートの剛性を変更する手法としては、様々な手法を採用することが可能である。例えば、コルゲートフィンプレートの板厚を相対的に分厚くすることによって剛性を高めるようにしてもよいし、コルゲートフィンプレートのフィンピッチを小さくすることによって剛性を高めるようにしてもよい。また、コルゲートフィンプレートの種類を変更することによって、コルゲートフィンプレートの剛性を変更してもよい。相対的に高い剛性が要求されるコルゲートフィンプレートは、例えばプレーン型のフィンプレートとする一方、相対的に低い剛性が許容されるコルゲートフィンプレートは、プレーン型のフィンプレートの各所に孔が貫通形成された、パーホレート型のフィンプレートとしてもよい。さらに、前述した各手法を適宜組み合わせてもよい。

前記ヘッダ部分には、前記流路をバイパスして前記冷却対象流体を流すためのバイパスバルブが連通している、としてもよい。

前述したように、第１部材と第２部材とを接合することによって構成される本体内には、コルゲートフィンプレートの配置に応じて、ヘッダ部分の数、及び、その配置を適宜設定することが可能である。前述したように、例えばヘッダ部分を流路の上流端位置に設けることで、当該ヘッダ部分を流入ヘッダとして機能させると共に、ヘッダ部分を流路の下流端位置に設けることで、当該ヘッダ部分を流出ヘッダとして機能させることが可能である。

また、流路の途中位置にヘッダ部分を設け、そこにバイパスバルブを連通させることによって、熱交換器に、バイパス機能を組み込みことが可能である。つまり、バイパスバルブを閉じておくことによって、前述した流入ヘッダから流路内に流入した冷却対象流体は、その流路の途中位置に設けたヘッダ部分をそのまま通過して、流路の下流端位置に設けた流出ヘッダに至るようになる。これに対し、バイパスバルブを開いておくことによって、前述した流入ヘッダから流路内に流入した冷却対象流体は、その流路の途中位置に設けたヘッダ部分から、バイパスバルブを介して熱交換器の本体の外に流出することが可能になる。その結果、冷却対象流体は、流路の一部をバイパスすることになる。

このようなバイパス機能は、例えば極低温環境下であって、冷却対象流体の温度が融点を下回るようなとき等に、冷却対象流体が熱交換器の流路の一部を通ることを省略して、冷却対象流体の温度を早期に高める際に利用可能である。尚、バイパスバルブは、流路の途中位置に設けるだけでなく、流路の上流位置に設けて、熱交換器の全体をバイパスするように構成することも可能である。また、バイパスバルブを、複数設けることも可能である。

前記第１部材及び前記第２部材の外表面それぞれに、前記放熱フィンが立設している、としてもよい。

こうすることで、熱交換器の性能が向上し、さらなる小型化、及び／又は、軽量化が実現する。

前記本体内には、前記冷却対象流体が互いに逆方向に流れる往路と復路とを含む流路が形成されており、前記往路と復路とは、前記本体内で互いに連通している、としてもよい。

押し出し成形によらずに、第１部材と第２部材とを接合することによって構成される本体では、その内部に形成する流路のレイアウトを、比較的自由に設定することが可能である。そのため、本体内に、互いに連通する往路と復路とを含む流路を形成することが可能であり、これによって、Ｕターンヘッダを本体に対して後付けする必要がなくなる。このことは、熱交換器の小型化、及び／又は、軽量化に有利になる。

前記本体は、円錐面の一部を構成する形状を有している、としてもよい。

前記構成の熱交換器は、それぞれ板状である、第１部材、第２部材及びコルゲートフィンプレートを重ね合わせて接合し、その後、曲げ加工を施すことによって、例えば円弧状に湾曲させることが可能である。尚、これとは逆に、接合前の第１部材、第２部材及びコルゲートフィンプレートをそれぞれ曲げ加工した後に、これらを重ね合わせて接合するようにしてもよい。

また、円錐面の一部を構成するように、本体における、湾曲方向に直交する方向の一側縁の曲率半径と、他側縁の曲率半径とを異ならせることも可能である。

以上説明したように、前記の航空機用エンジンの熱交換器によると、板状の第１部材と第２部材とを板厚方向に重ね合わせて接合しかつ、その内部の流路にコルゲートフィンプレートが配置された熱交換器の本体を構成することによって、第１部材及び／又は第２部材の外表面に形成する放熱フィンの高さ及びピッチを、互いに独立して自由に設定することが可能になり、熱交換器を小型化及び軽量化することが可能になる。

航空機用エンジンの熱交換器を例示する正面図である。 航空機用エンジンの熱交換器を例示する側面図である。 熱交換器の分解斜視図である。 第１部材内にコルゲートフィンプレートを配置した状態を示す、正面図である。 図１のV−V断面図である。 図１のVI−VI断面図である。 図１のVII−VII断面図である。 熱交換器の製造手順を示すブロック図である。

以下、航空機用エンジンの熱交換器の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、以下の実施形態の説明は例示である。図１、２は、熱交換器１０の構成を示し、図１は、熱交換器１０の正面図、図２は熱交換器１０の側面図である。この熱交換器１０は、図示は省略するが、航空機用エンジン（例えばガスタービンエンジン）に搭載されかつ、冷却対象流体としての、エンジンの潤滑油、又は、エンジンによって駆動される発電機の潤滑油を冷却するための熱交換器である。この熱交換器１０は、図２から明らかなように湾曲しており、例えばファンケーシングの内周面等の湾曲した面に沿うように配置される。但し、熱交換器１０の配置箇所は、任意の箇所に設定することが可能である。図１において、紙面の左右方向がガスタービンエンジンの回転軸に沿う方向であり、紙面の上下方向が周方向に沿う方向である。図例の熱交換器１０は、全周の１／８程度の周方向長さを有する。また、図１における紙面左側が、ガスタービンエンジン内を流れる空気流の上流側に相当し、紙面右側が、空気流の下流側に相当する。従って、熱交換器１０は、図１において紙面左から右に向かって流れる空気に曝される。また、図５〜７に示すように、円弧状に湾曲した熱交換器１０の、上流側の縁部の曲率半径は、下流側の縁部の曲率半径よりも小さく設定されている。尚、図５〜７に示す一点鎖線は、水平線である。この熱交換器１０は、全体として、円錐面の一部を構成するような形状を有している。

図３は、熱交換器１０の分解斜視図を示しており、この熱交換器１０は、第１部材１と、第２部材２とを板厚方向に重ね合わせて構成される本体１００内に、複数のコルゲートフィンプレート３を配設して構成されている。言い換えると、熱交換器１０は、第１部材１と、第２部材２と、コルゲートフィンプレート３との３種類の部材を、板厚方向に重ね合わせた上で、例えばろう付けによって互いに接合することにより構成されている。熱交換器１０は、例えばアルミニウム、又は、アルミニウム合金製である。但し、熱交換器１０の材質に、特に制限はない。熱交換器１０は、ステンレス鋼、チタン、銅、インコネル等、種々の材料によって製造することが可能である。

第１部材１は、矩形板状の部材であり、図例では、軸方向長さに対して、周方向長さが長く、全体としては帯板状である。第１部材１の内表面（つまり、図３に図示されている方の面）には、当該面から窪んだ窪み部１１が形成されている。窪み部１１は、全体として矩形状である第１部材１の外周縁部を残して、所定の矩形状となるように形成されている。窪み部１１を有する第１部材１は、バスタブ状である。窪み部１１は、後述するように、本体１００内に形成される、冷却対象流体の流路４の一部を区画する。コルゲートフィンプレート３は、窪み部１１内に配設される。

図３、４に示すように、窪み部１１内には、軸方向の中央位置に、周方向の一端（図４における上端）から他端（図４における下端）に向かって延びる仕切部１２が形成されている。仕切部１２は、後述するように、冷却対象流体の流路４を、往路４１と復路４２とに区画する。図４に示す矢印は、冷却対象流体の流れ方向を示している。仕切部１２は、窪み部１１内における周方向の途中位置まで延びている。窪み部１１内の他端部において、往路４１と復路４２とは、互いに連通している。窪み部１１及び仕切部１２によって区画される冷却対象流体の流路４は、全体としてＵ字状に構成されている。

窪み部１１内における、周方向の一端部には、凹溝１３、１４が形成されている。凹溝１３、１４は、仕切部１２を挟んだ軸方向の両側それぞれで、軸方向に延びている。図５から明らかなように、凹溝１３、１４は、窪み部１１よりも深く凹んでいる。この２つの凹溝１３、１４の内、往路４１側に設けられた凹溝１３は、後述する第２部材２の凹溝２７と共に、冷却対象流体を流路４内に流入させる流入ヘッダ４３を構成し、復路４２側に設けられた凹溝１４は、後述する第２部材２の凹溝２８と共に、冷却対象流体を流路４内から流出させる流出ヘッダ４４を構成する。

窪み部１１内における、周方向の中央部にも、凹溝１３、１４と同様の、凹溝１５、１６が形成されている（図７も参照）。つまり、凹溝１５、１６は、仕切部１２を挟んだ軸方向の両側それぞれで、軸方向に延びておりかつ、これらの凹溝１５、１６は、窪み部１１よりも深く凹んでいる。この２つの凹溝１５、１６は、後述する第２部材２の凹溝２１３、２１４と共に、熱交換器１０の流路４の一部をバイパスするためのバイパスヘッダ４５、４６を構成する。

第１部材１の外表面（図２における紙面左側の面、図５〜７における紙面上側の面）には、多数の放熱フィン１７が立設している。尚、各図において、放熱フィン１７が設けられた領域は、一点鎖線で示しており、一部の放熱フィン１７の図示は省略している。放熱フィン１７は、第１部材１の外表面の、ほぼ全面に亘って、周方向に並んで配置されている。放熱フィン１７のフィン高さ、および、フィンピッチは、適宜設定されている。

第２部材２は、第１部材１と同様に、矩形板状の部材であり、図例では、軸方向長さに対して、周方向長さが長い帯板状である。第２部材２の内表面には、窪み部が形成されていない。第２部材２は、バスタブ状の第１部材１に重ね合わされる蓋状である。第２部材２の外表面（つまり、図３に図示されている方の面）には、流入ポート５１１及び流出ポート５１２が一体化されたポート部材５１が取り付けられるポート取付部２１と、詳細は後述するバイパスバルブ６が取り付けられるバルブ取付部２２とがそれぞれ形成されている。

ポート取付部２１は、第２部材２における周方向の一端部に設けられている。ポート取付部２１には、図１、５に示すように、板厚に貫通する２つの貫通孔２３、２４が、軸方向に並んで形成されている。

ポート取付部２１を挟んだ軸方向の両側には、第２部材２の外表面から凸となるように膨出すると共に、それぞれ軸方向に延びる２つの膨出部２５、２６が形成されている。各膨出部２５、２６には、図５に示すように、第２部材２の内表面（つまり、図５における上側の面）から凹となる凹溝２７、２８がそれぞれ形成されている。２つの膨出部２５、２６の内の一方の膨出部２５に形成された凹溝２７は、ポート取付部２１の貫通孔２３に連通している。また、他方の膨出部２６に形成された凹溝２８は、ポート取付部２１の貫通孔２４に連通している。これらの凹溝２７、２８はそれぞれ、第２部材２を第１部材１に重ね合わせたときに、第１部材１の凹溝１３、１４に対向し、流入ヘッダ４３及び流出ヘッダ４４をそれぞれ区画する。流入ヘッダ４３及び流出ヘッダ４４はそれぞれ、図５に示すように、流路４よりも板厚方向に拡大している（図６も参照）。

ポート取付部２１に取り付けられるポート部材５１には、前述の通り、流入ポート５１１及び流出ポート５１２が設けられている。流入ポート５１１は、ポート取付部２１の貫通孔２３に連通し、流出ポート５１２は、ポート取付部の貫通孔２４に連通する。

流入ポート５１１には、図外の配管が接続され、この配管を通じて供給される冷却対象流体は、流入ポート５１１、貫通孔２３及び流入ヘッダ４３を通じて、本体１００内の流路４（つまり、往路４１）内に流入する。また、本体１００内の流路４（つまり、復路４２）を通過した冷却対象流体は、流出ヘッダ４４、貫通孔２４及び流出ポート５１２を通じて、この流出ポート５１２に接続される図外の配管に流出する。

バルブ取付部２２は、第２部材２における周方向の中央部に設けられている。このバルブ取付部２２にも、図１、７に示すように、板厚方向に貫通する２つの貫通孔２９、２１０が、軸方向に並んで形成されている。

また、バルブ取付部２２を挟んだ軸方向の両側にも、ポート取付部２１の両側と同じように、２つの膨出部２１１、２１２が形成されている。各膨出部２１１、２１２には、図７に示すように、第２部材２の内表面（つまり、図７における上側の面）から凹となる凹溝２１３、２１４がそれぞれ形成されている。２つの膨出部２１１、２１２の内の一方の膨出部２１１に形成された凹溝２１３は、バルブ取付部２２の貫通孔２９に連通している。また、他方の膨出部２１２に形成された凹溝２１４は、バルブ取付部２２の貫通孔２１０に連通している。

また、これらの凹溝２１３、２１４は、第２部材２を第１部材１に重ね合わせたときに、第１部材１の凹溝１５、１６をそれぞれ対向し、往路４１側のバイパスヘッダ４５、及び、復路４２側のバイパスヘッダ４６をそれぞれ区画する。従って、貫通孔２９は、往路４１側のバイパスヘッダ４５に連通し、貫通孔２１０は、復路４２側のバイパスヘッダ４６に連通する。バイパスヘッダ４５、４６はそれぞれ、図７に示すように、流路４よりも板厚方向に拡大している（図６も参照）。

第２部材２の外表面にはまた、前述したポート取付部２１及びバルブ取付部２２を除く全面に亘って、多数の放熱フィン２１５が、周方向に所定のピッチで並んで立設している。放熱フィン２１５のフィン高さ、および、フィンピッチは、適宜設定されている。第２部材２の放熱フィン２１５についても、その配設領域を一点鎖線で示し、各図において、一部の放熱フィン２１５の図示は省略している。

ここで、バルブ取付部２２に取り付けられるバイパスバルブ６の構造について、図７を参照しながら簡単に説明する。バイパスバルブ６は、この例では、差圧開閉弁であり、バイパスヘッダ４５とバイパスヘッダ４６との差圧に応じて開閉する。バイパスバルブ６は、バルブ取付部２２に取り付けられるバルブケーシング６１を備えている。バルブケーシング６１は、バルブ取付部２２の貫通孔２９に連通する流入チャンバ６２と、バルブ取付部２２の貫通孔２１０に連通する流出チャンバ６３と、を有している。流入チャンバ６２と流出チャンバ６３とは、連通孔６２１を介して互いに連通している。流入チャンバ６２内には、バルブ機構が内蔵されている。バルブ機構は、円筒状のバルブボディ６４と、バルブボディ６４に形成された弁座６５に着座するバルブ６６と、バルブ６６を閉じ側に付勢する圧縮コイルばね６７とを備えている。円筒状のバルブボディ６４は、弁座６５が形成される筒軸方向（つまり、図７における上下方向）の一端が開口していると共に、その周面にバルブボディ６４の内外を連通させる開口が設けられている。これにより、バルブ取付部２２の貫通孔２９は、弁座６５、バルブボディ６４の内部、連通孔６２１及び流出チャンバ６３を介して、貫通孔２１０に連通する。

バルブ６６は、バルブボディ６４の弁座６５に着座すると共に、バルブボディ６４の筒軸方向に往復動可能に構成されている。バイパスバルブ６は、バルブ６６が弁座６５に着座する状態と、バルブ６６が弁座６５から離座する状態とが切り替わることによって、開閉する。バイパスバルブ６が開いたときには、バルブ取付部２２に設けた貫通孔２９と貫通孔２１０とが、バイパスバルブ６を介して互いに連通する。つまり、本体１００内の２つのバイパスヘッダ４５、４６が、本体１００の外を通じて互いに連通する。一方、バイパスバルブ６が閉じたときには、バルブ取付部２２に設けた貫通孔２９と貫通孔２１０との連通は遮断される。その結果、本体内の２つのバイパスヘッダ４５、４６は、本体１００内の流路４を介してのみ、連通する。

圧縮コイルばね６７は、バルブ６６の軸に外挿するように配置され、バルブ６６を弁座６５に押しつける方向に、このバルブ６６を付勢する。これにより、バイパスバルブ６は、バイパスヘッダ４５とバイパスヘッダ４６との差圧が所定以上のときに開弁し、バイパスヘッダ４５とバイパスヘッダ４６との差圧が所定よりも低いときに閉弁する。バイパスバルブ６が閉弁しているときには、流入ヘッダ４３を通じて往路４１内に流入した冷却対象流体は、バイパスヘッダ４５を通過した後に復路４２に至り、その後、復路４２のバイパスヘッダ４６を通過して、流出ヘッダ４４に至る。バイパスバルブ６が閉じているときには、この２つのバイパスヘッダ４５、４６は、往路４１の途中又は復路４２の途中に設けられたミキシングヘッダとして機能する。つまり、各バイパスヘッダ４５、４６内において、冷却対象流体が混合して温度分布が均一化し、熱交換器１０の性能が向上する。

これに対し、バイパスバルブ６が開弁したときには、流入ヘッダ４３を通じて往路４１内に流入した冷却対象流体は、バイパスヘッダ４５からバイパスバルブ６を通って、復路４２側のバイパスヘッダ４６へと流れて流出ヘッダ４４に至る。バイパスバルブ６が開弁しているときには、冷却対象流体は、流路４の一部をバイパスして流れる。このようなバイパス機能は、例えば極低温環境下であって、冷却対象流体の温度が、融点を下回るようなとき等に、冷却対象流体が熱交換器１０の流路４の一部を通ることを省略して、冷却対象流体の温度を早期に高める際に利用される。尚、バイパスバルブは、前述したように、圧縮コイルばねを内蔵した圧力検知式の開閉バルブに限らず、他の方式の圧力検知型バルブを採用してもよい。また、温度検知型のバルブを採用してもよい。

コルゲートフィンプレート３は、図３、４に示すように、前述した第１部材１の窪み部１１内における、所定の位置に配置されている。コルゲートフィンプレート３は、冷却対象流体の流路４内を、流入ヘッダ４３から流出ヘッダ４４までつながる複数のチャンネルに区画すると共に、伝熱面積を拡大する。図６に端的に示すように、窪み部１１内、言い換えると流路４内に配置されたコルゲートフィンプレート３は、第１部材１及び第２部材２に挟持され、それらの内表面にそれぞれ接合している。

コルゲートフィンプレート３は、その配設位置に対応して、所定の形状に切り出された複数のコルゲートフィンプレート３を含んでいる。図例では、相対的に面積の小さい長方形状である６枚のコルゲートフィンプレート３（尚、この６枚のコルゲートフィンプレートは、後述の通り、相対的に剛性の高いプレート３１に対応する）、相対的に面積の大きい長方形状である２枚のコルゲートフィンプレート３、台形状である２枚のコルゲートフィンプレート３、概ね三角形状である１枚のコルゲートフィンプレート３である。長方形状の各コルゲートフィンプレート３は、往路４１又は復路４２に配置されている。三角形状のコルゲートフィンプレート３は、往路４１と復路４２との連通部分に配置され、台形状のコルゲートフィンプレート３は、長方形状のコルゲートフィンプレート３と、三角形状のコルゲートフィンプレート３との間に配置されている。

コルゲートフィンプレート３は、相対的に剛性の高いプレート３１と、相対的に剛性の低いプレート３２とを含んでいる。相対的に剛性の高いプレートは、この例では、プレーン型のフィンプレート３１である。これに対し、相対的に剛性の低いプレートは、この例では、プレーン型のフィンプレートの所定箇所に貫通孔が形成されたようなパーホレート型のフィンプレート３２である。

プレーン型のフィンプレート３１は、図４に示すように、第１部材１の窪み部１１内における、凹溝１３、１４、１５、１６に隣接する位置に配設されている。これらの位置はそれぞれ、熱交換器１０の本体１００内において、流入ヘッダ４３の下流側に隣接する位置、流出ヘッダ４４の上流側に隣接する位置、往路４１側のバイパスヘッダ４５の上流側及び下流側のそれぞれに隣接する位置、復路４２側のバイパスヘッダ４６の上流側及び下流側のそれぞれに隣接する位置に相当する。一方、パーホレート型のフィンプレート３２は、プレーン型のフィンプレート３１の配設位置以外の位置に配設されている。

次に、図８を参照しながら、前記の構成の熱交換器１０の製造手順について説明する。この製造手順は、大別して、第１部材１の成形プロセス（Ｐ８１、Ｐ８２）、第２部材２の成形プロセス（Ｐ８３、Ｐ８４）、プレーン型のフィンプレート３１の成形プロセス（Ｐ８５、Ｐ８６）、パーホレート型のフィンプレート３２の成形プロセス（Ｐ８７、Ｐ８８）、組み立てプロセス（Ｐ８９，Ｐ８１０、Ｐ８１１、Ｐ８１２）を含んでいる。

第１部材１の成形プロセスとして、先ずＰ８１では、所定形状の板材を用意する。この板材は、所定の板厚の、平らな板材であればよい。板材の板厚は、第１部材１の外表面に立設する放熱フィン１７の高さに関係する。尚、後述するように、本体１００を円錐面形状となるように曲げ加工することから、平らな板材は、台形状を有している。続くＰ８２では、当該板材に対し切削加工を行い、前述した、各放熱フィン１７、窪み部１１及び凹溝１３、１４、１５、１６を形成する。放熱フィン１７のフィンピッチは、フィンとフィンとの間を切削する際の、溝幅によって設定される。尚、前述の通り、本体１００を円錐面形状となるように曲げ加工することから、周方向に並設される放熱フィン１７は、互いに平行ではない。こうして、平らな第１部材１が完成する。

第２部材２の成形プロセスとして、Ｐ８３では、Ｐ８１と同様に、所定形状の板材を用意する。この板材は、放熱フィン２１５のフィン高さに対応する板厚を有する、平らな板材である。この板材も、台形状である。続くＰ８４では、当該板材に対し切削加工を行い、前述した、各放熱フィン２１５、ポート取付部２１、バルブ取付部２２、膨出部２５、２６、２１１、２１２、及び凹溝２７、２８、２１３、２１４を形成する。また、周方向に並設される放熱フィン２１５は、互いに平行ではない。こうして、平らな第２部材２が完成する。

プレーン型のフィンプレート３１の成形プロセスとして、Ｐ８５では、周知の方法によって、所定ピッチのプレーン型のフィンプレート３１を成形し、続くＰ８６で、そのフィンプレート３１を所定形状、つまり、図３、４に示すように、所定の大きさの長方形状に切り出す。所定形状のプレーン型のフィンプレート３１は、必要枚数だけ用意する。このコルゲートフィンプレート３１も、平らである。

同様に、パーホレート型のフィンプレート３２の成形プロセスとして、Ｐ８７では、周知の方法によって、所定ピッチのパーホレート型のフィンプレート３２を成形し、続くＰ８８で、そのフィンプレート３２を所定形状に切り出す。長方形状、台形状及び三角形状のパーホレート型のフィンプレート３２は、それぞれ必要枚数だけ用意する。このコルゲートフィンプレート３２もまた、平らである。

こうして、第１部材１、第２部材２及びコルゲートフィンプレート３１、３２を用意すれば、組み立てプロセスとして、図３、４に示すように、第１部材１の窪み部１１内の各位置に、各コルゲートフィンプレート３１、３２を配置した上で、第２部材２を、窪み部１１の開口が閉塞するように、第１部材１に重ね合わせる（Ｐ８９）。このときに、図３に示すように、第１部材１と各コルゲートフィンプレート３１、３２との間、及び、各コルゲートフィンプレート３１、３２と第２部材２との間のそれぞれに、所定の形状のプレート状のろう材（図例では、３種類のプレート７１、７２、７３）を介在させる。尚、図３は各部材を曲げた状態で示しているが、図８に示す製造手順のＰ８９では、各部材は平らである。

その後、Ｐ８１０では、これら第１部材１、各コルゲートフィンプレート３１、３２、及び第２部材２を、ろう付けによって一体化する。この成形品（つまり、本体１００）は、平らである。その後、Ｐ８１１で、一体化した成形品を、所定の円錐面形状となるように曲げ加工を行う。

曲げ加工後の本体１００に対し、続くＰ８１２において、ポート部材５１及びバイパスバルブ６等の各種部品を取り付け、熱交換器１０が完成する。

この熱交換器１０は、その本体１００が、板状の第１部材１と第２部材２とを板厚方向に重ね合わせて接合することによって構成されている。このため、第１部材１の外表面に立設する放熱フィン１７及び第２部材２の外表面に立設する放熱フィン２１５はそれぞれ、前述の通り、板材に対する切削加工によって形成することが可能である。このような加工方法では、放熱フィン１７、２１５のフィン高さは、板材の板厚によって設定され、放熱フィン１７、２１５のフィンピッチは、フィン同士の間を切削する際の溝幅によって設定される。従って、放熱フィン１７、２１５の高さ及びピッチを、互いに独立して自由に設定することが可能である。このことは、放熱フィン１７、２１５の高さを高くすることと、放熱フィン１７、２１５のピッチを小さくすることとを両立させることを可能にする。その結果、熱交換器１０は、所望の性能を確保しながら小型化し、ひいては、軽量化する。尚、各放熱フィン１７、２１５は当然に、本体１００に対して、熱伝達可能に一体化している。

第１部材１と第２部材２とを接合することによって構成される本体１００内には、コルゲートフィンプレート３１、３２を配設する流路４だけでなく、コルゲートフィンプレート３１、３２を配設しない流入ヘッダ４３及び流出ヘッダ４４が設けられている。本体１００に対して別体のヘッダ部材を取り付ける必要がない。このことによって、熱交換器１０は、さらに軽量化する。

また、第１部材１と第２部材２とを接合することによって構成される本体１００内には、冷却対象流体の流路４のレイアウトを、比較的自由に設定することが可能である。前記の構成の熱交換器１０では、窪み部１１内に仕切部１２を設けることによって、往路４１と復路４２とを含むＵターン流路を形成している。特に前記の構成では、往路４１と復路４２とを連通する部分も、本体１００内に設けている。このため、別体のＵターンヘッダを本体１００に取り付ける必要がない。このこともまた、熱交換器１０の軽量化に有利になる。

さらに、本体１００内の任意の位置にヘッダを設けることが可能である。前記の構成では、往路４１の途中と、復路４２の途中とのそれぞれにバイパスヘッダ４５、４６を設けることによって、軽量化を損なうことなく、冷却対象流体が熱交換器１０の流路４の一部をバイパスするバイパス機能を組み込むことが可能になる。尚、バイパスバルブを取り付けるヘッダは、流路の途中に設けるだけでなく、流路の上流位置に設けることによって、熱交換器１０の全体をバイパスするように構成してもよい。また、複数のバイパスヘッダを設けて、それぞれにバイパスバルブを取り付けるようにしてもよい。

本体１００内のコルゲートフィンプレート３１、３２はそれぞれ、図６に示すように、第１部材１と第２部材２とによって板厚方向に挟持されている。具体的に、コルゲートフィンプレート３１、３２は、第１部材１の内表面及び第２部材２の内表面に対し、それぞれ、ろう付けによって接合されている。

流入ヘッダ４３、流出ヘッダ４４、及び、バイパスヘッダ４５、４６に隣接して配置されるコルゲートフィンプレート３１には、特にその端部にヘッダの内圧が作用して、フィンが破損してしまう虞がある。このことについて、前記の構成では、各ヘッダ４３、４４、４５、４６に隣接して配置されるコルゲートフィンプレート３１は、その剛性を高めることによって、ヘッダの内圧に対抗するようにしている。こうして、コルゲートフィンプレート３１の破損が防止される。これは、熱交換器１０の性能低下を抑制する。

一方で、ヘッダ４３、４４、４５、４６に隣接する位置以外に配置するコルゲートフィンプレート３２を、パーホレート型のフィンプレートとすることによって、熱交換器１０の性能向上及び軽量化を図ることができる。また、パーホレート型のフィンプレートは、流路４内を複数のチャンネルに区画するものの、チャンネル同士は孔を通じて互いに連通しているため、仮にいずれかのチャンネルに詰まりが生じたとしても、当該チャンネル内を冷却対象流体が流れることは可能である（但し、詰まりが生じている箇所は流れず、迂回する）。このことにより、熱交換器１０の性能低下を抑制することが可能になるという利点もある。

また、第１部材１及び第２部材２によって構成される本体１００内には、前述したプレーン型やパーホレート型のコルゲートフィンプレートに限らず、様々な種類のコルゲートフィンプレートを配置することが可能である。このことは、熱交換器１０の設計自由度を高める。

尚、前記の構成では、第１部材１及び第２部材２の双方に放熱フィン１７、２１５を設けているが、第１部材１及び第２部材２のいずれか一方にのみ、放熱フィンを設けてもよい。

また、前記の構成では、第１部材１にのみ窪み部１１を設けるようにしているが、第１部材１及び第２部材２の双方に窪み部を設け、第１部材１及び第２部材２を重ね合わせたときに、その２つの窪み部によって本体１００内の流路が構成されるようにしてもよい。

また、本体１００内に設ける流路４は、往路４１及び復路４２を含むＵ字状とすることに限定されない。本体１００の周方向の一端に流入ヘッダを設け、周方向の他端に流出ヘッダを設け、それによって、冷却対象流体が周方向の一端から他端に向かう一方向に流れる流路を構成してもよい。さらに、バイパス機能は必須ではなく、省略してもよい。また、本体１００の周方向の一端に流入ヘッダを設け、他端に流出ヘッダを設ける構成においても、周方向の途中位置に、バイパスヘッダを設けることは可能である。この場合、バイパスヘッダは、流路４の途中で冷却対象流体を、本体１００外に流出させるためのヘッダとして機能する。

また、コルゲートフィンプレートの剛性を変える上で、前述したようにプレーン型のフィンプレート及びパーホレート型のフィンプレートを採用することだけには限定されない。他の種類のコルゲートフィンプレートを適宜採用してもよい。また、コルゲートフィンプレートの種類を変更する以外に、コルゲートフィンプレートの肉厚を変更するようにしてもよい。具体的に、相対的に高い剛性が要求される箇所には、厚肉のコルゲートフィンプレートを採用し、相対的に低い剛性が許容される箇所には、薄肉のコルゲートフィンプレートを採用してもよい。また、コルゲートフィンプレートのフィンピッチを変更することによって、その剛性を変更してもよい。具体的に、相対的に高い剛性が要求される箇所には、フィンピッチの小さいコルゲートフィンプレートを採用し、相対的に低い剛性が許容される箇所には、フィンピッチの大きいコルゲートフィンプレートを採用してもよい。

尚、前記の構成では、第１部材１、第２部材２及びコルゲートフィンプレート３を重ね合わせて接合した後に、曲げ加工を施しているが、これとは逆に、第１部材１、第２部材２及びコルゲートフィンプレート３のそれぞれについて、個別に曲げ加工を施した上で、それらの各部材を重ね合わせて接合してもよい。

ここに開示する熱交換器は、特に航空機用エンジンに搭載されかつ、エンジン内を通過する空気流によって、エンジンや発電機の潤滑油の冷却を行う熱交換器として有用である。

１０ 熱交換器
１００ 本体
１ 第１部材
１１ 窪み部
１７ 放熱フィン
２ 第２部材
２１５ 放熱フィン
２３ 貫通孔（連通孔）
２４ 貫通孔（連通孔）
２９ 貫通孔（連通孔）
２１０ 貫通孔（連通孔）
３ コルゲートフィンプレート
３１ プレーン型のフィンプレート
３２ パーホレート型のフィンプレート
４ 流路（流路部分）
４１ 往路
４２ 復路
４３ 流入ヘッダ（ヘッダ部分）
４４ 流出ヘッダ（ヘッダ部分）
４５ バイパスヘッダ（ヘッダ部分）
４６ バイパスヘッダ（ヘッダ部分）
６ バイパスバルブ

Claims (8)

1. 航空機用エンジン内に形成されている湾曲面に沿うように配置されかつ、当該エンジン内を流れる空気流に曝されることによって冷却対象流体の冷却を行うよう構成された航空機用エンジンの熱交換器であって、
   それぞれ板状である第１部材と第２部材とを板厚方向に重ね合わせて接合しかつ、その内部に、前記冷却対象流体が流れる流路を区画形成するよう構成された本体と、
   前記本体の前記流路内に配設されるよう構成されたコルゲートフィンプレートと、を備え、
   前記本体は、前記湾曲面に沿うように湾曲しており、
   前記第１部材及び前記第２部材の少なくとも一方の外表面には、複数の放熱フィンが立設している航空機用エンジンの熱交換器。
2. 請求項１に記載の航空機用エンジンの熱交換器において、
   前記第１部材は、前記第２部材が接合する面から窪むと共に、当該面に開口する窪み部を有し、
   前記コルゲートフィンプレートは、前記第１部材の前記窪み部内に配設され、
   前記第２部材は、前記コルゲートフィンプレートが前記窪み部内に配設された状態で、前記第１部材の前記窪み部の開口を塞ぐように、前記第１部材に重ね合わされて接合されている航空機用エンジンの熱交換器。
3. 請求項１又は２に記載の航空機用エンジンの熱交換器において、
   前記本体内には、前記コルゲートフィンプレートを前記第１部材及び前記第２部材によって板厚方向に挟持するよう構成された流路部分と、当該流路部分に連通すると共に、前記コルゲートフィンプレートが配設されないヘッダ部分と、が設けられており、
   前記第１部材又は第２部材には、板厚方向に貫通しかつ、前記ヘッダ部に連通する連通孔が形成されている航空機用エンジンの熱交換器。
4. 請求項３に記載の航空機用エンジンの熱交換器において、
   前記ヘッダ部分に隣接する位置に配置されるコルゲートフィンプレートは、他の位置に配置されるコルゲートフィンプレートよりも剛性が高く設定されている航空機用エンジンの熱交換器。
5. 請求項３又は４に記載の航空機用エンジンの熱交換器において、
   前記ヘッダ部分には、前記流路をバイパスして前記冷却対象流体を流すためのバイパスバルブが連通している航空機用エンジンの熱交換器。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の航空機用エンジンの熱交換器において、
   前記第１部材及び前記第２部材の外表面それぞれに、前記放熱フィンが立設している航空機用エンジンの熱交換器。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の航空機用エンジンの熱交換器において、
   前記本体内には、前記冷却対象流体が互いに逆方向に流れる往路と復路とを含む流路が形成されており、
   前記往路と復路とは、前記本体内で互いに連通している航空機用エンジンの熱交換器。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の航空機用エンジンの熱交換器において、
   前記本体は、円錐面の一部を構成する形状を有している航空機用エンジンの熱交換器。

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