JP5684439B1 - 航空機用熱交換器 - Google Patents

Abstract

航空用熱交換器は、熱交換器本体を備える。熱交換器本体は、当該熱交換器本体を局所的に昇温することを少なくとも行うよう構成された昇温部と、航空機用燃料及びオイルの間での熱交換を行うよう構成された熱交換部とを有する。昇温部は、オイルの流入口を有する。当該流入口を通じて熱交換器本体内に流入したオイルによって、昇温部は昇温される。熱交換部は、航空機用燃料の流出口を有する。昇温部を通過したオイルは、熱交換部における、航空機用燃料の流出口付近で当該熱交換部に導入される。熱交換部は、対向流型に構成される。

Description

ここに開示する技術は、航空機用熱交換器に関し、特に航空機に搭載されかつ、航空機用燃料とオイルとの間で熱交換を行う熱交換器に関する。

特許文献１には、航空機に搭載されるプレートフィン型の熱交換器が記載されている。この熱交換器は、航空機用燃料（以下、単に燃料ともいう）と、エンジンの潤滑油やエンジンによって駆動される発電機の潤滑油等（以下、これらを総称してオイルともいう）との間で熱交換を行う。このプレートフィン型の熱交換器は、燃料の流路及びオイルの流路は共に、仕切りによって往路と復路とが仕切られたＵターン流路に構成されている。また、燃料の流入口とオイルの流入口とは共に同じ位置に設けられることで、燃料の流れ方向とオイルの流れ方向とが並行な並行流型に構成されている。

特許文献２にも、特許文献１と同様に、プレートフィン型の航空機用熱交換器が記載されている。この熱交換器では、燃料の流路及びオイルの流路は共にＵターン流路に構成されているものの、燃料の流入口は、オイルの流出口と同じ位置に設けられる。このことで、特許文献２の熱交換器は、特許文献１の熱交換器とは異なり、燃料の流れ方向とオイルの流れ方向とが対向する対向流型に構成されている。対向流型の熱交換器は、並行流型の熱交換器と比較して、熱交換効率が高くなり、熱交換器の小型化及び軽量化に有利になる。

さらに、特許文献３には、燃料とオイルとの間で熱交換を行う航空機用熱交換器として、シェルアンドチューブ型の熱交換器が記載されている。

特開２０００−９７５８２号公報 特開２０１１−１５３７５２号公報 特表２００２−５２５５５２号公報

ところで、例えばプレートフィン型の熱交換器においては、燃料が流れる流路は、コルゲートフィンによって区画された、小断面積のフィン間隙間の集合によって構成される。このため、燃料が各フィン間隙間に流入する際に、燃料の流速変動や圧力変動が大きくなる。シェルアンドチューブ型の熱交換器においても、燃料が流れる流路は、小断面積のチューブの集合によって構成される。このため、プレートフィン型熱交換器と同様に、燃料が各チューブに流入する際に、燃料の流速変動や圧力変動が大きくなる。

一方、航空機用熱交換器では、例えば航空機の飛行中を含む、様々な使用環境下において、燃料の温度が低くなり、燃料中の水分が過冷却の状態になる場合がある。本願発明者の検討によれば、航空機用燃料の温度が所定の温度帯域にあるときには特に、その燃料の流速変動や圧力変動をきっかけとして、過冷却状態の水分が相変化をし、氷結することがわかった。水分の氷結により、熱交換器を構成する部品に氷が付着すると、それを起点として次々と、燃料中の水分が氷結をして、氷が堆積してしまうことにもなる。コルゲートフィンやチューブによって構成される燃料の流入口付近において氷が堆積してしまうと、堆積した氷が流入口を塞いでしまうことにもなる。

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、航空機用燃料とオイルとの間で熱交換を行う航空機用熱交換器において、燃料中の水分が相変化により氷結したり、熱交換器を構成する部材に氷が付着したりすることを防止することにある。

本願発明者は、熱交換器本体を、航空機用燃料中の水分の氷結を防止する昇温部と、航空機用燃料及びオイル間の熱交換を主に行う熱交換部とに分け、昇温部においては熱交換器本体を局所的に昇温することで、燃料中の水分の氷結及び氷の付着を防止する一方、熱交換部においては燃料の流れ方向とオイルの流れ方向とを対向させることで、熱交換効率を高めるようにした。

具体的に、ここに開示する技術は、航空機用熱交換器に係り、この熱交換器は、航空機用燃料とオイルとが通過している最中に、前記航空機用燃料及び前記オイルの間での熱交換を行うよう構成された熱交換器本体を備える。

前記熱交換器本体は、当該熱交換器本体を局所的に昇温することを少なくとも行うよう構成された昇温部と、前記航空機用燃料及び前記オイルの間での熱交換を行うよう構成された熱交換部とを有し、前記昇温部は、前記航空機用燃料の流入口及び前記オイルの流入口を有していて、当該流入口を通じて前記熱交換器本体内に流入したオイルによって、前記昇温部は昇温される。

前記熱交換部は、前記航空機用燃料の流出口及び前記オイルの流出口を有すると共に、前記航空機用燃料の流れ方向と前記オイルの流れ方向とが対向流となるように、前記昇温部を通過したオイルが、前記航空機用燃料の前記流出口の付近で当該熱交換部に導入されるよう構成される。

この構成によると、航空機用燃料及びオイル間で熱交換を行う熱交換器本体は、昇温部と熱交換部とを含んでいる。昇温部は、熱交換器本体の昇温を局所的に行う部分であり、航空機用燃料の流入口が設けられる。昇温部は、熱交換器本体の温度状態を高めておくことによって、熱交換器本体内に燃料が流入する際の流速変動や圧力変動が生じても、過冷却の状態の水分が氷結することを抑制する。また、水分が仮に氷結したとしても、氷が熱交換器本体を構成する部材に付着することを防止する。こうして、燃料中の水分の氷結及び氷の付着を防止することによって、昇温部において氷が堆積してしまうことが防止される。その結果、燃料の流入口が塞がってしまうことが未然に回避される。

昇温部は、オイルの流入口を有している。熱交換器本体に流入した直後の高温のオイルが、昇温部を局所的に昇温する。尚、昇温部においては、熱交換器本体の局所的な昇温が主として行われる。燃料中の水分の氷結や氷の付着を防止する上では、航空機用燃料の温度そのものを高めることよりも、航空機用燃料に接触する熱交換器本体の温度状態を高めることの方が効果的なためである。但し、昇温部も、熱交換器本体の一部であるため、この昇温部においても、航空機用燃料とオイルとの間の熱交換は行われ得る。

熱交換部は、航空機用燃料及びオイル間の熱交換を行う。熱交換部は、航空機用燃料の流出口及びオイルの流出口を有する。昇温部を通過したオイルは、航空機用燃料の流出口付近で当該熱交換部に導入される。熱交換部においては、航空機用燃料の流れ方向とオイルの流れ方向とが対向流となるように構成される。尚、「流出口付近」は、熱交換部の全体で、航空機用燃料の流れとオイルの流れとを対向流にすることが可能になるように、オイルを、燃料の流出口の近くに導入することを意味する。

燃料の流入口とオイルの流入口との双方を昇温部に設けた場合、例えば前記特許文献１にも記載されているように、通常であれば、熱交換器における燃料の流れ方向とオイルの流れ方向とは並行になる。これは、熱交換器の熱交換効率を低下させる。

これに対し、前記の構成では、燃料の流入口とオイルの流入口とを同じ位置に設けつつも、オイルは、昇温部を通過した後に、燃料の流出口の付近で当該熱交換部に導入される。熱交換部においては、燃料の流れ方向とオイルの流れ方向とを対向流にすることによって、熱交換器の熱交換効率が高まる。

こうして、航空機用熱交換器において、航空機用燃料中の水分の氷結及び氷の堆積が防止されると共に、航空機用燃料及びオイル間の熱交換効率が高まる。これは、航空機用熱交換器の小型化及び軽量化に有利になる。

前記の構成において、前記熱交換器本体は、前記航空機用燃料が流れる燃料流路と、前記オイルが流れるオイル流路とが交互に積層されることによって構成されたプレートフィン型であり、少なくとも各層の前記オイル流路内には、前記オイルが前記昇温部から前記熱交換部に流れるように流路を区画する流路部材が配設されている。

プレートフィン型の熱交換器本体は、小型化及び軽量化が可能であり、航空機用熱交換器として有利である。前記構成のプレートフィン型の熱交換器本体は、昇温部と熱交換部とを備えるという特徴構成によって、航空機用燃料中の水分の氷結及び氷の付着が防止されると共に、航空機用燃料及びオイル間の熱交換効率が高まる。従って、熱交換器本体は、さらに小型化及び軽量化し得る。

また、プレートフィン型の熱交換器本体においては、航空機用燃料が流れる燃料流路と、オイルが流れるオイル流路とは互いに異なる層に独立して設けられるため、その流れ方向を、各々、独立して設定することが可能である。前記の構成では、少なくとも各層のオイル流路内に流路部材を設けることによって、各層の燃料流路の流れ方向に対応するように、オイルを昇温部から熱交換部へと流すことが可能になる。

また、前記の構成において、少なくとも各層の前記燃料流路内にはコルゲートフィンが配設されており、前記燃料流路内において、前記昇温部に配設されている前記コルゲートフィンの熱交換効率は、前記熱交換部に配設されている前記コルゲートフィンの熱交換効率よりも低い。

航空機用燃料の水分が氷結することの要因の一つは、コルゲートフィン等の熱交換器本体を構成する部材の温度が、航空機用燃料の温度と同様に低いことである。そこで、燃料流路において、昇温部に配設されているコルゲートフィンの熱交換効率を相対的に低くする。このことは、コルゲートフィンの温度を、航空機用燃料の温度に対して、可能な限り高く維持する。その結果、航空機用燃料中の水分が氷結することが防止される。尚、前述したように、昇温部においては、航空機用燃料の温度を高めることが主目的ではないため、熱交換効率の低いコルゲートフィンによって航空機用燃料の昇温が抑制されることによる不都合は生じない。

ここで、昇温部に配設される熱交換効率の低いコルゲートフィンは、例えばフィンピッチが、熱交換部において配設されるコルゲートフィンと比較して、相対的に広いコルゲートフィンとしてもよい。こうすることで、コルゲートフィンによって区画されるフィン間隙間の横断面積が相対的に広くなるから、燃料が流入する際の流速変化及び圧力変化を緩和すると共に、燃料の流入口付近において、燃料中の水分が氷結したとしても、その氷は流入口を通過し易くなる。フィン間隙間の横断面積が広いことによって、燃料の流入口が塞がってしまうことが防止される。

また、熱交換部においては、例えばヘリンボーン型等のコルゲートフィンを配設する一方で、昇温部においては、例えばプレーン型のコルゲートフィンを配設するようにしてもよい。つまり、プレーン型のコルゲートフィンは熱交換効率が相対的に低い。

プレートフィン型の熱交換器本体において、各層の前記燃料流路は、往路と復路とを含むＵターン流路に構成され、前記昇温部に設けられた前記燃料流路の流入口と、前記熱交換部に設けられた前記燃料流路の流出口とは隣り合っており、前記オイル流路の前記流路部材は、前記昇温部において前記オイルが前記燃料流路の流れ方向に交差する方向に流れると共に、前記昇温部を通過したオイルが前記燃料流路の流出口付近に至るように、前記流路を区画する、としてもよい。

各層の燃料流路を往路と復路とを含むＵターン流路に構成したときには、昇温部に設けた流入口に対して、熱交換部に設ける流出口を、所定の方向に隣り合って配置することが可能になる。

こうしたレイアウトの燃料流路に対して、オイル流路では、流路部材によって、昇温部におけるオイルの流れ方向を、燃料流路の流れ方向に対して交差する方向に設定する。こうすることで、昇温部を通過したオイルは、自動的に、燃料流路の流出口の付近に至るようになる。このように、プレートフィン型の熱交換器本体では、昇温部を通過したオイルを、熱交換部における航空機用燃料の流出口側に導入することを、容易に実現することができる。尚、熱交換部においては、オイルの流れ方向が航空機用燃料の流れ方向に対向するように、オイル流路もまた、燃料流路と同様に、往路と復路とを含むＵターン流路に構成すればよい。

前記昇温部における前記オイル流路の流路幅は、前記熱交換部における前記オイル流路の流路幅よりも狭い、としてもよい。

前述したように、昇温部においては、オイルの熱によって熱交換器本体を昇温するため、オイルから熱交換器本体に対する熱伝達率は高いことが好ましい。オイル流路の流路幅を、昇温部において相対的に狭くすることは、そこを流れるオイルの流速を高め、昇温部において、オイルから熱交換器本体への熱伝達率が高まる。このことは、昇温部における局所的な昇温を効率化する上で有利になる。

以上説明したように、前記の航空機用熱交換器では、熱交換器本体を昇温部と熱交換部とに分けている。昇温部では、熱交換器本体に流入直後の高温のオイルによって熱交換器本体を局所的に昇温することで、航空機用燃料中の水分が氷結したり、氷が付着したりすることを防止する。一方、熱交換部では、航空機用燃料の流れ方向とオイルの流れ方向とを対向流に構成することで、航空機用燃料及びオイル間の熱交換効率が高まり、航空機用熱交換器の小型化及び軽量化に有利になる。

図１は、ここに開示する技術の特徴構成を示す概念図である。 図２は、プレートフィン型の航空機用熱交換器の外観を例示する斜視図である。 図３は、プレートフィン型熱交換器の燃料流路の構成を例示する断面図である。 図４は、プレートフィン型熱交換器のオイル流路の構成を例示する断面図である。 図５は、図４とは異なるオイル流路の構成を例示する断面図である。 図６は、シェルアンドチューブ型熱交換器の外観を例示する斜視図である。 図７は、シェルアンドチューブ型熱交換器の縦断面図である。 図８は、シェルアンドチューブ型熱交換器における燃料の流入口付近を拡大して示す断面図である。

以下、航空機用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は、航空機用熱交換器１の構成を示す概念図である。以下、航空機用熱交換器１を、単に熱交換器１ともいう。熱交換器１と熱交換器本体とは実質的に同じである。熱交換器１は、航空機に搭載されかつ、航空機用燃料と、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と、の間で熱交換を行う。熱交換器１は、燃料によってオイルを冷却する。燃料は、航空機の飛行中を含む様々な使用環境下において、極めて低温になる場合がある。その場合、燃料中の水分が過冷却の状態になり得る。そうした状態の燃料は、例えば熱交換器１に流入する際の流速変動や圧力変動等をきっかけとして、熱交換器１の流入口付近で氷結する場合がある。また、熱交換器１を構成する部材の温度が低い場合は、その温度の低い部材に、氷が付着することもある。氷が付着すると、氷結が次々と生じて氷が次第に堆積してしまうこともある。堆積した氷は、熱交換器１の燃料の流入口を塞いでしまうことにもなる。図１に示す熱交換器１は、そうした燃料中の水分の氷結、及び、氷の付着を防止すると共に、熱交換器１の熱交換効率を高める。

図１に示す熱交換器１は、一点鎖線で囲まれた昇温部１１と、それ以外の熱交換部１２とに分けられている。昇温部１１は、燃料の流入口を有している。昇温部１１は、燃料の温度が低く、また、燃料の流入口付近は、燃料の流速変動及び圧力変動が大きいため、燃料中の水分が氷結し易い部分である。

図１に示す熱交換器１において、燃料は、白抜きの矢印で示すように、熱交換器１における紙面右側から流入し、熱交換器１内を右から左に向かって流れた後、熱交換器１における紙面左側から流出する。燃料は、熱交換器１内で、昇温部１１を通過した後、熱交換部１２に導入され、その後、熱交換部１２から流出する。燃料の流出口は、熱交換部１２に設けられている。

昇温部１１はまた、後述の通り、燃料中の水分の氷結及び氷の付着を防止すべく、熱交換器１を局所的に昇温する。熱交換器１の昇温は、オイルの熱を利用する。昇温部１１には、オイルの流入口が設けられる。図１において黒矢印で示すように、高温のオイルは先ず、昇温部１１に流入するから、この昇温部１１を、効果的に昇温することが可能になる。こうして、低温の燃料が流入口に流入する際に、流速変動や圧力変動が生じたときでも、高い温度状態によって、燃料中の水分の氷結が抑制される。また、流入口付近に氷が付着することも、抑制される。さらに、氷が付着したとしても、高い温度状態によって氷は速やかに剥がれるか、又は、消滅する。そうして、氷の堆積が回避され、その結果、堆積した氷によって流入口が塞がってしまうことが回避される。昇温部１１では、燃料の温度を高めることよりも、熱交換器１を昇温することによって、燃料中の水分の氷結及び氷の付着を防止する。

熱交換部１２は、燃料とオイルとの熱交換を主に行う部分である。燃料の流入口とオイルの流入口とを、同じ位置に設けた場合、通常であれば、熱交換器内において、燃料の流れ方向とオイルの流れ方向は同じになり、熱交換器は並行流型になる。

これに対し、図１に示す熱交換器１では、昇温部１１を通過したオイルを、熱交換部１２における燃料の流出口の付近で、熱交換部１２内に導入する。こうすることで、熱交換部１２においては、紙面右から左向きの燃料の流れ方向に対し、オイルの流れ方向は、紙面左から右向きとなり、燃料の流れ方向とオイルの流れ方向とは対向するようになる。こうして、熱交換器１を対向流型に構成することによって、熱交換効率が高まる。このことは、熱交換器１の小型化及び軽量化を可能とし、航空機に搭載される熱交換器として有利になる。

このように、ここに開示する熱交換器１は、オイルによって温度状態を高める昇温部１１と、対向流型に構成された熱交換部１２とを備え、それによって、燃料中の水分の氷結及び氷の堆積の防止と、熱交換効率の向上とを両立させる点が特徴である。以下、この特徴構成を備えたプレートフィン型の熱交換器と、シェルアンドチューブ型の熱交換器とについて、図面を参照しながら詳細に説明する。

（プレートフィン型熱交換器の例）
図２は、前記の特徴構成を備えたプレートフィン型の熱交換器２の外観を例示している。この熱交換器２も、航空機用燃料とオイルとの間で熱交換を行う。図２において、符号２１はコア、符号２３は、コア２１に取り付けられかつ、コア２１に対し燃料を流入及び流出させるヘッダ、符号２４は、コア２１に取り付けられかつ、コア２１に対しオイルを流入及び流出させるヘッダ、符号２５は、詳細は後述するが、コア２１に取り付けられかつ、コア２１の昇温部１１を通過したオイルのためのミキシングヘッダである。以下において、説明の便宜上、図２に示すように、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸を定義する。つまり、Ｘ軸は、紙面右手前と左奥とを結ぶ方向に延び、Ｙ軸は、紙面左手間と右奥とを結ぶ方向に延び、Ｚ軸は、紙面下と上とを結ぶ方向に延びる。

コア２１は、図３に示す燃料流路２１０と、図４に示すオイル流路２２０とを、図においては明示しないチューブプレートを介して、交互に積層して構成されている。尚、図３においては、オイルのヘッダ２４及びミキシングヘッダ２５の図示を省略し、図４においては、燃料のヘッダ２３の図示を省略している。コア２１は、後述する各部材を、例えばろう付けによって一体化することで製造することが可能である。

燃料流路２１０は、図３に示すように、チューブプレートと、サイドバー２１１とによって区画されている。燃料流路２１０の内部は、Ｘ軸方向に延びる仕切り部材２１２によってＹ軸方向に仕切られている。これによって、燃料流路２１０は、それぞれＸ軸方向に延びる往路２１０ａと復路２１０ｂとを含む２パスの流路に構成されている。燃料流路２１０の流入口２１３及び流出口２１４はそれぞれ、コア２１のＸ軸を向いた側面（図３における紙面右側の面）に、Ｙ軸方向に並んで開口している。燃料流路２１０の流入口２１３及び流出口２１４の間は、仕切り部材２１２によって隔てられることになる。

このコア２１における昇温部１１は、一点鎖線で囲まれた部分であり、この部分は、燃料の流入口２１３付近に対応する部分である。コア２１において昇温部１１以外の部分は、熱交換部１２である。

燃料のヘッダ２３は、図例では、その内部が流入側と流出側とに仕切られている。ヘッダ２３の流入側は、各層の燃料流路２１０における流入口２１３に連通し、ヘッダ２３の流出側は、各層の燃料流路２１０における流出口２１４に連通している。また、ヘッダ２３には、燃料が流入するポート２３１が流入側に連通して取り付けられ、燃料が流出するポート２３２が流出側に連通して取り付けられている。尚、燃料のヘッダは、図例とは異なり、流入側ヘッダと流出側ヘッダとで、別体にしてもよい。

燃料流路２１０内には、伝熱面積を拡大させるコルゲートフィン２１５、２１６が配設されている。コルゲートフィン２１５、２１６は、矩形状や三角形状に切り出されることにより、往路２１０ａ、復路２１０ｂ及び往路２１０ａと復路２１０ｂとをつなぐＵターン部の全体に配設されている。このコア２１においては、昇温部１１に配置されるコルゲートフィン２１５と、熱交換部に配置されるコルゲートフィン２１６とは種類が異なる。昇温部１１に配置されるコルゲートフィン２１５は、熱交換部１２に配置されるコルゲートフィン２１６と比較して熱交換効率が低いコルゲートフィンである。具体的に、図３においてはコルゲートフィンを概念的に図示しているが、コルゲートフィン２１５は、相対的にピッチの広いプレーン型のコルゲートフィンである。これに対し、コルゲートフィン２１６は、相対的にピッチの狭いヘリンボーン型のコルゲートフィンである。尚、昇温部１１に配置されるコルゲートフィン２１５、及び、熱交換部１２に配置されるコルゲートフィン２１６はそれぞれ、適宜の種類のコルゲートフィンを選択することが可能である。

図３に白抜きの矢印で示すように、流入側のポート２３１を介してヘッダ２３内に流入した燃料は、流入口２１３からコア２１内に流入した後、往路２１０ａ内をＸ軸方向に流れる。燃料は、その後、Ｕターン部で反転して、復路２１０ｂ内をＸ軸方向の逆向きに流れる。そうして、燃料は、流出口２１４から流出し、ヘッダ２３に至る。燃料は、その間に、主に熱交換部１２において、オイルとの熱交換を行って、オイルを冷却する一方で、燃料の温度は高まる。ここで、燃料の流入口２１３においては、コルゲートフィン２１５によって区画された小断面積の各フィン間隙間内へと燃料が流入するため、大きな流速変動及び圧力変動が生じる。このときに、燃料中の水分が過冷却状態であれば、その水分が、流速変動及び圧力変動をきっかけとして氷結し、氷が流入口２１３付近に付着するようになる。こうして流入口付近に着氷すると、その氷に接した燃料の水分が次々と氷結し、氷が堆積することになる。その結果、堆積した氷によって、流入口２１３が塞がれてしまうことにもなる。

前記の構成の燃料流路２１０に対し、オイル流路２２０は、図４に示すように構成されている。つまり、オイル流路２２０は、チューブプレートと、サイドバー２２１とによって区画されている。オイル流路２２０の内部には、燃料流路２１０とは異なり、Ｙ軸方向に延びる流路部材２２３が配設されており、この流路部材２２３は、オイル流路２２０内を、Ｘ軸方向に２つの領域に分けている。昇温部１１は、Ｘ軸方向については、流路部材２２３によって、熱交換部１２に対し隔てられる一方で、Ｙ軸方向については、熱交換部１２に連通している。

熱交換部１２内には、Ｘ軸方向に延びる仕切り部材２２２が配設されており、これによって、熱交換部１２内のオイル流路２２０は、燃料流路２１０と同様に、それぞれＸ軸方向に延びる、往路２２０ａと復路２２０ｂとを含む２パスの流路に構成されている。オイル流路２２０の流入口２２４及び流出口２２５は、コア２１のＹ軸を向いた側面（図４における紙面下側の面）に、Ｘ方向に並んで開口している。オイル流路２２０の流入口２２４は、昇温部１１に設けられている。また、オイル流路２２０の流入口２２４及び流出口２２５の間は、流路部材２２３によって隔てられることになる。

流入口２２４及び流出口２２５が開口するコア２１の側面に対して逆側の側面には、第２流出口２２６及び第２流入口２２７が、Ｘ軸方向に並んで設けられている。第２流出口２２６は、昇温部１１を通過後のオイルが、コア２１の外に一旦流出する開口である。第２流入口２２７は、オイルがコア２１内に再流入する開口である。第２流出口２２６及び第２流入口２２７の間もまた、流路部材２２３によって隔てられている。

オイルのヘッダ２４も、燃料のヘッダ２３と同様に、その内部が流入側と流出側とに仕切られている。ヘッダ２４の流入側は、各層のオイル流路２２０における流入口２２４に連通し、ヘッダ２４の流出側は、各層のオイル流路２２０の流出口２２５に連通している。ヘッダ２４には、燃料が流入するポート２４１が流入側に連通して取り付けられ、燃料が流出するポート２４２が流出側に連通して取り付けられている。尚、オイルのヘッダも、流入側ヘッダと流出側ヘッダとで、別体に構成してもよい。

ミキシングヘッダ２５は、各層のオイル流路２２０における第２流出口２２６に連通すると共に、各層のオイル流路２２０における第２流入口２２７に連通している。各層のオイル流路２２０からミキシングヘッダ２５内に流入したオイルは、そのミキシングヘッダ２５内で混ざり合った後、第２流入口２２７を通じて、各層のオイル流路２２０内に分配されることになる。これにより、オイルの温度の均等化が図られる。

オイル流路２２０内にも、伝熱面積を拡大させるコルゲートフィン２２８が配設されている。コルゲートフィン２２８は、三角形状又は矩形状に切り出されることによって、オイル流路２２０内の全体に配設されている。オイル流路２２０内のコルゲートフィン２２８は、適宜の種類のコルゲートフィンを採用することが可能である。図４では概念的に示しているが、ここでは、セレート型のコルゲートフィンを採用している。

図４に黒矢印で示すように、流入側のポート２４１を介してヘッダ２４内に流入したオイルは、流入口２２４からコア２１内、つまり、昇温部１１に流入した後、流路部材２２３によって区画された流路内をＹ軸方向に流れる。そうして、昇温部１１を通過した後、熱交換部１２における燃料の流出口２１４付近に導入され、その後、第２流出口２２６を通じてミキシングヘッダ２５内に流入する。オイルは、ミキシングヘッダ２５内で各層のオイル流路２２０の昇温部１１を通過したオイルと混ざり合う。こうして温度が略均等化したオイルは、第２流入口２２７を通じて、コア２１内に、再び流入する。

オイルはその後、熱交換部１２における往路２２０ａ内をＸ軸方向に流れた後、Ｕターン部で反転して、今度は復路２２０ｂ内をＸ軸方向の逆向きに流れる。そうして、オイルは、流出口２２５から流出し、ヘッダ２４に至る。熱交換部１２においては、燃料の流れ方向とオイルの流れ方向とが対向する。

このように、プレートフィン型の熱交換器２では、オイルの流入口２２４を昇温部１１に設けているため、コア２１に流入した直後の高温のオイルによって、オイル流路２２０と燃料流路２１０とを区画するチューブプレートや、燃料流路２１０内に配設したコルゲートフィン２１５の温度状態を高めることが可能になる。一般的に、燃料流路２１０における流入口２１３付近においては、燃料中の水分の氷結や氷の付着が起こり易いところ、燃料が接触する金属部分の温度を高めておくことによって、燃料中の水分が氷結してしまうことが防止される。また、金属部分に氷が付着することも、効果的に防止される。また、仮にコルゲートフィン２１５等に氷が付着したとしても、高い温度状態であることで、氷が剥がれるか、又は、氷が消滅する。その結果、燃料の流入口２１３付近において氷が堆積することが確実に防止される。従って、燃料の流入口２１３が堆積した氷によって塞がってしまうことが回避される。

尚、燃料の流入口２１３付近において、燃料中の水分が氷結し、その氷が燃料流路２１０内に流入したときには、燃料流路２１０内を流れる燃料の圧力によって、氷は強制的に流れるため、コルゲートフィン２１５、２１６等に氷が付着することは、ほとんど生じない。従って、燃料流路２１０の途中において氷が堆積することは生じない。また、燃料流路２１０内では、燃料の流速変動や圧力変動も小さいため、燃料中の水分が氷結することも起き難い。

ここで、図４に示すように、オイル流路２２０において、流路部材２２３によって区画される流路の幅Ｗ_１は、熱交換部１２における、往路２２０ａ及び復路２２０ｂの幅Ｗ_２と比較して狭くされている。これにより、この流路を通過する際のオイルの流速は、相対的に高くなる。この幅狭に設定された流路は、昇温部１１におけるオイルの流路に相当するため、昇温部１１においては、オイルの流速が相対的に高くなる。このことは、昇温部１１における、オイルからコア２１を構成する部材（前述した、チューブプレートや、コルゲートフィン２１５）への熱伝達率を高め、昇温部１１の温度状態を高くする上で有利になる。

一方、燃料流路２１０においては、前述の通り、昇温部１１に配設されるコルゲートフィン２１５は、その熱交換効率が相対的に低い。これにより、昇温部１１において暖められるコルゲートフィン２１５の温度を、燃料の温度に対して可能な限り高く維持することが可能になるから、昇温部１１における、燃料中の水分の氷結を防止する上で有利になる。また、この例では、昇温部１１に配設するコルゲートフィン２１５を、フィンピッチが相対的に広いコルゲートフィンとしている。これによってコルゲートフィンによって区画される各フィン間隙間の横断面積が相対的に広くなる。これは、燃料が流入する際の流速変化及び圧力変化を緩和すると共に、燃料中の水分が氷結したとしても、その氷は流入口を通過してコア２１内に流入し易くなる。このこともまた、燃料の流入口が、堆積した氷によって閉塞してしまうことを防止する上で有利になる。

こうして昇温部１１においては、燃料中の水分の氷結及び氷の付着を防止する一方で、熱交換部１２においては、燃料の流れ方向とオイルの流れ方向とが対向するように構成されているため、熱交換効率を高めることが可能になる。ここで、燃料流路２１０を、往路２１０ａと復路２１０ｂとを含む２パスに構成することは、燃料の流入口２１３と流出口２１４とを隣接して配置することを可能にする（図３参照）。そのため、オイル流路２２０において、流路部材２２３を設けて、昇温部１１におけるオイルの流れ方向を、燃料の流れ方向に対して交差する方向に設定することで、昇温部１１を通過したオイルを、熱交換部１２における燃料の流出口の付近に、自動的に導入することが可能になる。つまり、プレートフィン型の熱交換器１は、そのレイアウト上、前述した特徴構成の実現が容易である。

ここで、オイル流路２２０の構成としては、例えば図５に示すように、ミキシングヘッダ２５を省略することも可能である。すなわち、図５の構成例では、流路部材２２３がＹ軸方向について、昇温部１１に対応する短い長さに設定されている。それに伴い、第２流出口２２６及び第２流入口２２７が省略されている。そして、昇温部１１に隣接する箇所、言い換えると、燃料流路２１０における流出口２１４の付近に、三角形状のコルゲートフィン２２９を配設しており、これによって、コア２１の内部において、昇温部１１を通過した後のオイルの流れ方向を、Ｙ軸方向からＸ軸方向へと変更している。尚、図５において、図４に示す構成例と同じ構成について、同じ符号を付している。このように、ミキシングヘッダ２５を省略することによって、熱交換器２の小型化及び軽量化にさらに有利になる。

また、プレートフィン型の熱交換器において、燃料流路及びオイル流路はそれぞれ、２パスに構成することに限らず、１パスに構成してもよいし、３パス以上に構成してもよい。但し、１パスや３パス等の場合には、燃料流路の流入口と流出口とが隣り合って配置されなくなることから、オイル流路の構成を変更する必要がある。例えば前述したミキシングヘッダ２５を備えた構成例のように、昇温部１１を通過したオイルを、コア２１に設けた流出口を通じて、コア２１の外のミキシングヘッダに流入させると共に、燃料流路の流出口付近に設けた流入口を通じて、オイルをコア内に再び流入させるようにしてもよい。

（シェルアンドチューブ型熱交換器の例）
図６は、参考形態として、図１に示す特徴構成を備えたシェルアンドチューブ型の熱交換器３の外観を例示している。この熱交換器３も、航空機用燃料とオイルとの間での熱交換を行う。以下において、説明の便宜上、図６に示すように、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸を定義する。つまり、Ｘ軸は、紙面右手前と左奥とを結ぶ方向に延び、Ｙ軸は、紙面左手前と右奥とを結ぶ方向に延び、Ｚ軸は紙面下と上とを結ぶ方向に延びる。

熱交換器３は、円筒状のシェル３１を備えており、シェル３１の両端開口はそれぞれ、図示を省略する燃料通路に接続されている。燃料は、図６の例では、シェル３１の筒軸がＸ軸方向に一致するよう配置された熱交換器３の手前側から流入し、熱交換器３内をＸ軸方向に流れた後、熱交換器３の奥側から流出する。これに対し、オイルは、詳細は後述するが、シェル３１の外周面に取り付けられた流入側ポート３２を通じてシェル３１内に流入し、同じくシェルの外周面に、流入側ポート３２に並んで取り付けられた流出側ポート３３を通じてシェル３１外に流出する。

図７は、シェルアンドチューブ型の熱交換器３の縦断面図である。シェル３１の両端開口は、エンドプレート３１０、３１１によって閉塞されている。各エンドプレート３１０、３１１は、燃料の流入側（つまり、図７における紙面右側）及び流出側（つまり、紙面左側）のそれぞれにおいて、燃料の通路と、シェル３１内のオイルの流路とを区画する区画壁として機能する。

エンドプレート３１０、３１１によって区画されたシェル３１内には、多数のチューブ３４とバッフル３５、３６とを備えて構成されるマトリックス３０が配設されている。後述する構成のマトリックス３０は、各部材をろう付けにより一体化することで製造可能である。

チューブ３４は、燃料流路を構成する細管である。チューブ３４は各々、Ｘ軸方向に延びると共に、シェル３１の径方向及び周方向に所定の間隔を空けて配列されている。尚、図７においては、理解容易のために、一部のチューブ３４の図示を省略している。各チューブ３４の両端は、エンドプレート３１０、３１１に形成された貫通孔に内挿されており、これによって、各チューブ３４は、エンドプレート３１０、３１１によってその両端が支持されている。また、各チューブ３４の両端開口はそれぞれ、エンドプレート３１０、３１１を介して、燃料の通路に連通している。こうして、各チューブ３４において、燃料の流入側のエンドプレート３１０に支持された端部開口は、燃料の流入口として機能し、燃料の流出側のエンドプレート３１１に支持された端部開口は、燃料の流出口として機能する。

ここで、図８に拡大して示すように、燃料の流入側のエンドプレート３１０においては、チューブ３４の先端が、エンドプレート３１０内に埋設しており、図８に仮想的に示すように、チューブ３４の先端は、エンドプレート３１０を貫通して、エンドプレート３１０の表面から突出するようには構成されていない。これによって、後述の通り、チューブ３４の先端に氷が堆積することを防止する。

前述の通り、エンドプレート３１０、３１１によって区画されたシェル３１内には、複数のバッフル３５、３６が、Ｘ軸方向に等間隔を空けて配置されている。複数のバッフル３５、３６は、中央部に貫通孔が形成されていると共に、シェル３１の内周面に内嵌する円環状のリングバッフル３５と、中央部に貫通孔が形成されていない一方で、シェル３１の内周面に対して径方向に所定の隙間が設けられる円盤状のディスクバッフル３６と、を含んでいる。リングバッフル３５とディスクバッフル３６とは、Ｘ軸方向に交互に配設されている。各チューブ３４は、リングバッフル３５及びディスクバッフル３６を貫通して配設されている。

このような構成によって、燃料は、図７に白抜きの矢印で示すように、熱交換器３における燃料の流入側において、先端開口を通じてチューブ３４内に流入し、シェル３１内においては、チューブ３４に沿ってＸ軸方向に流れた後、熱交換器３における燃料の流出側において、各チューブ３４の先端開口を通じて流出するようになる。

シェル３１内には、流入側のエンドプレート３１０に対して、Ｘ軸方向に所定の距離だけ離して隔壁部材３７が配設されている。隔壁部材３７は円盤状であって、シェル３１の内周面に内嵌している。これによって、隔壁部材３７は、シェル３１内を、Ｘ軸方向について、互いに連通しない２つの空間に分割している。隔壁部材３７は、昇温部１１と熱交換部１２とを隔てる部材であり、隔壁部材３７と流入側のエンドプレート３１０との間の空間が昇温部１１を構成し、隔壁部材３７と流出側のエンドプレート３１１との間の空間が熱交換部１２を構成する。隔壁部材３７とエンドプレート３１０との間には、リングバッフル３５が配設されている。

流入側ポート３２は、昇温部１１に連通しており、具体的には、隔壁部材３７とエンドプレート３１０との間に配設されたリングバッフル３５よりも、隔壁部材３７の側に連通している。流出側ポート３３は、熱交換部１２に連通しており、具体的には、隔壁部材３７の近傍に位置している。つまり、シェル３１に対するオイルの流入口３２１と流出口３３１とは、隔壁部材３７を間に挟んで隣り合って設けられている。

シェル３１において、オイルの流入口３２１及び流出口３３１に対し筒軸を挟んだ逆側には、シェル３１外にオイルを流出させる第２流出口３８１及びシェル３１内にオイルを流入させる第２流入口３８２がそれぞれ設けられている。第２流出口３８１は、隔壁部材３７と流入側のエンドプレート３１０との間、図例では特に、隔壁部材３７とエンドプレート３１０との間に配設されたリングバッフル３５と流入側のエンドプレート３１０との間に設けられ、これによって第２流出口３８１は、昇温部１１に連通している。これに対し、第２流入口３８２は、流出側のエンドプレート３１１の近傍、より詳しくは、流出側のエンドプレート３１１と、Ｘ軸方向に並設した複数のバッフル３５、３６の内、最も燃料の流出側に配設されたリングバッフル３５との間に設けられている。こうして、第２流入口３８２は、熱交換部１２における燃料の流出口付近に連通している。

第２流出口３８１と第２流入口３８２とは、シェル３１の外に設けられたバイパス通路３８を介して互いに連通している。バイパス通路３８は、昇温部１１と熱交換部１２とをシェル３１の外側で互いに連通する。図例において、バイパス通路３８は、シェル３１の外周面に沿って、Ｘ軸方向に延びており、シェル３１を構成する円筒に対して一体的に設けられている。尚、図例では、バイパス通路３８を、シェル３１に対して一体的に設けているが、バイパス通路３８は、第２流出口３８１と第２流入口３８２とをつなぐ、シェル３１とは別体の、例えばパイプであってもよい。

このような構成によって、図７に黒矢印で示すように、オイルは、流入側ポート３２を通じてシェル３１の昇温部１１内に流入する。熱交換器３内に流入した直後の高温のオイルによって、昇温部１１の温度状態が高まる。具体的には、流入側のエンドプレート３１０の温度が高まる。ここで、オイルの流入口３２１は、リングバッフル３５を挟んでエンドプレート３１０とは逆側に位置しており、特に第２流出口３８１が、リングバッフル３５とエンドプレート３１０との間に開口しているため、昇温部１１に流入したオイルは、リングバッフル３５を横切って、エンドプレート３１０に向かってＸ軸方向に流れるようになる。こうして、オイルとエンドプレート３１０に向かって直交する方向に流すことによって、高温のオイルとエンドプレート３１０の接触を増やし、エンドプレート３１０の温度を効果的に高めることが可能になる。つまり、オイルの流入口をリングバッフル３５よりもエンドプレート３１０側に設け、それによって、流入口とエンドプレート３１０とが近接してしまうと、流入口を通じて、シェル３１の径方向（つまり、Ｚ軸方向）に流れて、昇温部１１内に流入したオイルは、その昇温部１１内においても、エンドプレート３１０の表面に沿って流れてしまう。このようなオイルの流れは、エンドプレート３１０の昇温を効率的に行うことができない。これに対し前記の構成は、オイルの流入口３２１の位置を、エンドプレート３１０から離しかつ、その流入口３２１とエンドプレート３１０との間にリングバッフル３５を介在させることによって、径方向に流入したオイルの流れ方向を変更して、筒軸方向の流れを作り出すことができる。その結果、エンドプレート３１０の昇温効果を高めることが可能になる。

こうしてエンドプレート３１０の温度状態が高くなるため、燃料の流入口近傍において、燃料中の水分が氷結してしまうことが防止される。また、氷がエンドプレート３１０等に付着することも防止される。その結果、チューブ３４の先端開口によって構成される燃料の流入口が、堆積した氷によって塞がれてしまうことが未然に回避される。

また、チューブ３４の先端は、図８に示すように、エンドプレート３１０内に埋設しており、同図に仮想的に示すように、エンドプレート３１０の表面から突出していない。前述したように、エンドプレート３１０は、シェル３１の内側から暖めるようにしているが、チューブ３４の先端がエンドプレート３１０の外側の表面から突出していると、チューブ３４の先端の温度が、エンドプレート３１０よりも低くなり、チューブ３４の先端に氷が付着して、氷が堆積してしまう虞がある。これは特にチューブ３４の先端開口の閉塞を招く。

これに対し、チューブ３４の先端を、エンドプレート３１０内に埋設することは、チューブ３４の先端の温度を、エンドプレート３１０の温度と同様に高い温度状態に維持することが可能になる。また、チューブ３４の先端が露出していないため、チューブ３４の先端に氷が付着することも防止される。その結果、燃料の流入口付近で氷の堆積を防止して、チューブ３４の先端開口が塞がってしまうことが、確実に防止される。

昇温部１１内を流れたオイルは、昇温部１１に開口する第２流出口３８１を通じて、シェル３１外に一旦流出する。オイルは、バイパス通路３８内を、Ｘ軸方向に流れて、第２流入口３８２を通じてシェル３１内の熱交換部１２に流入する。

熱交換部１２における、燃料の流出側に流入したオイルは、燃料の流れ方向に対向するように、Ｘ軸方向に流れる。具体的に、熱交換部１２には、リングバッフル３５とディスクバッフル３６とが交互に配設されているため、オイルは、図７に黒矢印で示すように、リングバッフル３５の貫通孔をＸ軸方向に通過した後、シェル３１の径方向外方に流れ、ディスクバッフル３６とシェル３１の内周面との隙間をＸ軸方向に通過し、その後、シェル３１の径方向の内方に流れるようになる。こうしてオイルは、Ｘ軸方向のアキシャル流れと、径方向のラジアル流れとが組み合わさって、各チューブ３４を横切るように熱交換部１２内を流れ、その間に、チューブ３４内を流れる燃料との間で熱交換を行う。このように、熱交換部１２においては、Ｘ軸方向については、燃料の流れ方向とオイルの流れ方向とが対向するように構成されているため、熱交換効率を高めることが可能になる。

そうして、熱交換部１２内をＸ軸方向に流れて、隔壁部材３７の近傍にまで到達したオイルは、流出側ポート３３を通じて、シェル３１の外に流出する。

尚、シェル３１に対するオイルの流入口３２１の配置は、図例に限定されるものではなく、例えば、流入側のエンドプレート３１０に対してさらに離して配置し、エンドプレート３１０と隔壁部材３７との間に、２以上のバッフルを配設するようにしてもよい。複数のバッフルは、例えばリングバッフル３５とディスクバッフル３６とを交互に配置してもよい。

以上説明したように、前記の航空機用熱交換器は、航空機用燃料の氷結及び氷の付着を防止すると共に、熱交換効率を高めることができるから、その小型化及び軽量化に有利である。

１ 航空機用熱交換器
１１ 昇温部
１２ 熱交換部
２ プレートフィン型熱交換器
２１ コア（熱交換器本体）
２１０ 燃料流路
２１０ａ 往路
２１０ｂ 復路
２１３ 燃料流路の流入口
２１４ 燃料流路の流出口
２１５ コルゲートフィン
２１６ コルゲートフィン
２２０ オイル流路
２２３ 流路部材
２２４ オイル流路の流入口
２２５ オイル流路の流出口
２２６ 第２流出口
２２７ 第２流入口

Claims (3)

1. 航空機用燃料とオイルとが通過している最中に、前記航空機用燃料及び前記オイルの間での熱交換を行うよう構成された熱交換器本体を備え、
   前記熱交換器本体は、当該熱交換器本体を局所的に昇温することを少なくとも行うよう構成された昇温部と、前記航空機用燃料及び前記オイルの間での熱交換を行うよう構成された熱交換部とを有し、
   前記昇温部は、前記航空機用燃料の流入口及び前記オイルの流入口を有していて、当該流入口を通じて前記熱交換器本体内に流入したオイルによって、前記昇温部は昇温され、
   前記熱交換部は、前記航空機用燃料の流出口及び前記オイルの流出口を有すると共に、前記航空機用燃料の流れ方向と前記オイルの流れ方向とが対向流となるように、前記昇温部を通過したオイルが、前記航空機用燃料の前記流出口の付近で当該熱交換部に導入されるよう構成され、
   前記熱交換器本体は、前記航空機用燃料が流れる燃料流路と、前記オイルが流れるオイル流路とが交互に積層されることによって構成されたプレートフィン型であり、
   少なくとも各層の前記オイル流路内には、前記オイルが前記昇温部から前記熱交換部に流れるように流路を区画する流路部材が配設され、
   少なくとも各層の前記燃料流路内にはコルゲートフィンが配設されており、
   前記燃料流路内において、前記昇温部に配設されている前記コルゲートフィンの熱交換効率は、前記熱交換部に配設されている前記コルゲートフィンの熱交換効率よりも低い航空機用熱交換器。
2. 請求項１に記載の航空機用熱交換器において、
   各層の前記燃料流路は、往路と復路とを含むＵターン流路に構成され、
   前記昇温部に設けられた前記燃料流路の流入口と、前記熱交換部に設けられた前記燃料流路の流出口とは隣り合っており、
   前記オイル流路の前記流路部材は、前記昇温部において前記オイルが前記燃料流路の流れ方向に交差する方向に流れると共に、前記昇温部を通過したオイルが前記燃料流路の流出口付近に至るように、前記流路を区画する航空機用熱交換器。
3. 請求項１又は２に記載の航空機用熱交換器において、
   前記昇温部における前記オイル流路の流路幅は、前記熱交換部における前記オイル流路の流路幅よりも狭い航空機用熱交換器。

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