JP5946651B2

JP5946651B2 - 熱交換器

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Publication number: JP5946651B2
Application number: JP2012041996A
Authority: JP
Inventors: 清晶山中; 辰也菅野
Original assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd
Priority date: 2012-02-28
Filing date: 2012-02-28
Publication date: 2016-07-06
Anticipated expiration: 2032-02-28
Also published as: JP2013178018A

Description

ここに開示する技術は、鉄道車両等の車両に搭載されかつ、多数の伝熱管内を流れる対象液体の放熱を行うよう構成された熱交換器に関する。

特許文献１には、鉄道車両に搭載されかつ、変圧器の絶縁油を冷却する熱交換器（油冷却器）が記載されている。この油冷却器は、油分配部と、油集合部と、その間をつなぐようにＵ字状に折り曲げられた複数の冷却管とを備えており、各冷却管が鉄道車両の走行に伴う走行風に曝されることで、その冷却管内を流れる油が放熱をするように構成されている。このような熱交換器に用いる冷却管は、その横断面が円形状の円管によって構成することが一般的である。

また、特許文献２には、空調冷凍装置に設けられる熱交換器として、積層された多数の板状フィンを貫通して配置される冷媒配管を、横断面が楕円形の楕円管によって構成することが記載されている。この熱交換器では、楕円管である冷媒配管を、その長軸方向が流れ方向に一致する向きでかつ、流れ方向に直交する方向に一列に配置することにより、各冷媒配管の後流領域を小さくしている。

実開昭５４−１２８１７号公報特開２００１−１６５５８６号公報

ところで、特許文献１に記載されているような鉄道車両等の車両に搭載される熱交換器には、設置スペースが制限される関係上、大型化を招くことなく、高性能化を図ることが求められる。熱交換効率の向上のために、例えば伝熱管の本数を増やすと、多数の伝熱管を比較的高い配置密度で並べなければならず、隣り合う伝熱管同士の間隔が狭くなってしまう。このことは、熱交換器において冷却風が流入する側の端部における通風率、つまり、複数の伝熱管によって構成される熱交換器の流入側の端面全体の投影面積（冷却風の流れ方向に投影した面積）に対する、伝熱管同士の隙間部分全ての投影面積の比率を小さくして、冷却風の流入を阻害すると共に、熱交換器において冷却風が流出する側の端部における通風率も小さくして、冷却風の流出をも阻害することになる。その結果、熱交換器内を通過する走行風の流量が低下して、熱交換効率の向上という当初の目的を達成することができなくなる。逆に、通風率を所定以上に確保すべく、伝熱管同士の間隔を広くしようとすると、熱交換器全体の外寸は大きくなってしまう。

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、車両に搭載されると共に、多数の伝熱管を備えて構成される熱交換器の大型化を招くことなく、その熱交換効率の向上を図ることにある。

ここに開示する熱交換器は、車両に搭載されかつ、所定の方向に流れる冷却風が通過することによって、複数の伝熱管内を流れる対象流体を放熱させるように構成された熱交換器である。

この熱交換器は、前記対象流体が導入されると共に、当該対象流体を前記複数の伝熱管に分配するように構成された分配部と、前記分配部に対し前記冷却風の流れ方向に間隔を空けて配設されかつ、前記複数の伝熱管から流れてきた前記対象流体を集めて排出するように構成された集合部と、前記分配部と前記集合部とを連通するように形成された前記複数の伝熱管が間隔を空けて並んで配置されることで構成されかつ、前記伝熱管同士の間を前記冷却風が通過する本体部と、を備える。

そして、前記本体部は、前記分配部又は前記集合部から前記冷却風の流れ方向に交差するように延びる前記伝熱管の部分によって構成されかつ、当該伝熱管の部分が前記冷却風の流れ方向に直交する方向に複数並んで配置された流入端を介して前記本体部に前記冷却風を流入させる流入部分と、前記集合部又は前記分配部から前記冷却風の流れ方向に交差するように延びる前記伝熱管の部分によって構成されかつ、当該伝熱管の部分が前記冷却風の流れ方向に直交する方向に複数並んで配置された流出端を介して前記本体部から前記冷却風を流出させる流出部分と、前記冷却風の流れ方向に沿うように延びる前記伝熱管の部分によって構成されかつ、前記流入部分から流入した冷却風を前記流出部分に向かって前記伝熱管に沿うように流す通風部分と、を有し、前記伝熱管は、前記流入部分及び前記流出部分においては、長径と、それに直交する短径とを含む扁平な横断面形状を有していると共に、前記長径の方向が前記冷却風の流れ方向に沿う向きで配置されている。

ここで、「車両」とは、新幹線、在来線（私鉄線を含む）及び地下鉄線等を含む鉄道車両、モノレール、路面電車等の軌道上を走行する車両としてもよいし、例えば乗用車、バス及びトラック等の無軌道の車両としてもよい。

また、「冷却風」は、例えばブロア等によって強制的に生じさせる強制風としてもよいし、車両が一方向に直線的に走行しているときに生じる相対的な空気の流れ、つまり走行風としてもよい。尚、走行風であるときには、その走行風の流れ方向とは、特に走行風の主流の方向であって、車両の走行方向とは逆向きの直線的な方向となる。

「冷却風の流れ方向に交差するように延びる」とは、冷却風の流れ方向と一致する方向以外の方向に延びることを含み、冷却風の流れ方向に直交する方向に延びることを当然に含む。「冷却風の流れに沿うように延びる」とは、冷却風の流れ方向と一致する方向に延びることのほか、前記の「冷却風の流れ方向に交差するように延びる」こととの比較において、冷却風の流れ方向とほとんど一致する方向に延びることも含む。従って、冷却風の流れ方向に直交する方向に延びることは含まない。

冷却風が走行風であるときには、本体部の「流入部分」及び「流出部分」は、車両の移動方向に応じて設定される。つまり、車両が鉄道車両のように走行方向が反転する車両であれば、「流入部分」及び「流出部分」は、鉄道車両の走行方向に応じて入れ替わることになる。

前記の構成によると、本体部は、冷却風が流入する流入部分、冷却風が流出する流出部分、及び、流入部分から流入した冷却風を流出部分に向かって流す通風部分を有して構成されており、その流入部分の流入端において、伝熱管同士の間を通って冷却風が本体部に流入し、流入した冷却風は、通風部分を通過し、その後、流出部分の流出端において、伝熱管同士の間を通って本体部から流出する。このことにより、伝熱管内を流れる対象流体と冷却風との間で熱交換が行われて、対象流体が放熱する。

前記の構成ではまた、本体部の流入部分及び流出部分においては、各伝熱管の横断面形状を、長径とそれに直交する短径とを含む扁平な形状とし、その扁平断面の伝熱管を、長径の方向が冷却風の流れ方向に沿う向きで配置する。これにより、流入部分における流入端では、各伝熱管の短径が、冷却風の流れ方向に投影されることになるから、断面円形状の伝熱管によって流入部分を構成した場合と比べて、通風率が高まる（但し、円形断面の伝熱管は、扁平断面の伝熱管に対して、その内部を流れる対象流体の流量を同じに設定すると共に、配置する本数も同じに設定する。また、本体部の流入部分の外寸は互いに等しいとする）。又は、通風率を同じに設定する場合は、扁平断面の伝熱管は、断面円形状の伝熱管を配置する場合よりも、多く配置することが可能である（但し、円形断面の伝熱管は、扁平断面の伝熱管に対して、その内部を流れる対象流体の流量を同じに設定すると共に、本体部の流入部分の外寸は互いに等しいとする）。このことは、流入部分における冷却風の流入量を増大させるか、又は、冷却風の流入量を減少させることなく、伝熱面積を拡大させることを可能にする。

また、前記の構成では、流出部分においても、流入部分と同様の構成を採用しているため、流出部分における流出端では、断面円形状の伝熱管によって本体部を構成した場合と比べて、通風率が高まるか、又は、通風率を同じに設定する場合は、扁平断面の伝熱管を、より多く配置することが可能になる。このことは、流出部分における冷却風の流出量を増大させるか、又は、冷却風の流出量を減少させることなく、伝熱面積を拡大させることを可能にする。そしてこのように、流出部分において、冷却風をスムースに流出させることが、本体部を通過する冷却風の圧力損失を低減することにもなるから、流入部分での冷却風の流入を、さらに促進することにもなる。

こうして、前記の構成では、流入部分及び流出部分の双方において、扁平断面の伝熱管を所定の向きで配置することにより、熱交換器の大型化を招くことなく、熱交換効率を効果的に高めることが可能になる。

またこのように、冷却風が流入部分内に流入しやすくなることは特に、走行風自冷式の熱交換器においては、流入部分よりも上流側における動圧が低いときでも、本体部に流入する走行風の流量を十分に確保する上で有利になる。つまり、本体部に対して、走行風の流れ方向の上流に、障害物等が配置されているようなときでも、走行風の流入流量が十分に確保されて、熱交換効率を所定以上に維持することが可能になる。

前記伝熱管は、前記流入部分、前記流出部分、及び、前記通風部分を連続して構成するようにＵ字状に折り曲げられ、前記Ｕ字状の伝熱管は、前記長径及び前記短径を含む扁平な横断面形状を有していて、それによって、前記長径の方向に拡がる拡大伝熱面を有しており、前記Ｕ字状の伝熱管はまた、前記冷却風の流れ方向に直交する、前記車両の内方から外方に向かって多重に並設されることで、前記各伝熱管の前記拡大伝熱面が前記冷却風の流れ方向に沿って並ぶ伝熱管群を構成し、前記本体部は、前記伝熱管群が所定の隙間を空けて複数、積層することによって構成され、それによって、隣り合う前記伝熱管群同士の間に、前記各伝熱管の前記拡大伝熱面によって挟まれる前記冷却風の流路が、前記冷却風の流れ方向に真っ直ぐに延びて形成されている、としてもよい。

この構成では、本体部は、Ｕ字状の伝熱管が、車両の内方から外方に向かって多重に並設されることで構成された伝熱管群が、所定の間隔を空けて複数、積層されることによって構成され、隣り合う伝熱管群同士の間に、冷却風の流れ方向に真っ直ぐに延びる流路が形成される。このように、冷却風の流路が、その流れ方向に真っ直ぐに延びて形成されるため、本体部内を通過する冷却風の圧力損失がさらに低減する。このことは、前述したように、流入部分及び流出部分のそれぞれにおいて通風率が低下してしまうことを抑制して、冷却風の流入流量及び流出流量を確保する構成と組み合わさって、本体部内を通過する冷却風の流速低下を抑制し、熱交換効率の向上に有利になる。

また、本体部内に形成される冷却風の流路は、扁平断面とすることによって円形断面の伝熱管よりも拡大した拡大伝熱面によって挟まれるため、本体部全体の外寸を大きくすることなく、冷却風が接触し得る伝熱面積が有効に拡大することになる。このこともまた、熱交換器の熱交換効率の向上に有利になる。

前記伝熱管は、前記長径の長さａと、前記短径の長さｂとの比（ａ／ｂ）が、２＜ａ／ｂ＜１０となるように構成されている、としてもよい。

ａ／ｂを１に近づけることによって、伝熱管の横断面は円形に近づくことになり、前述した、流入部分及び流出部分における通風率の確保や、伝熱管群における伝熱面積の拡大という効果が低下する。そのため、２＜ａ／ｂとすることが好ましい。

一方、ａ／ｂを大きくすることによって、伝熱管の固有振動数は次第に低下することになるが、例えば冷却風の流速が１２０ｋｍ／ｈ（これは鉄道車両の走行速度域に含まれ、冷却風が走行風である場合に相当する）ではカルマン渦の周波数が２５０Ｈｚであることから、ａ／ｂ＜１０とすることにより、伝熱管の固有振動数を、そのカルマン渦の周波数に対して、ずらすことが可能になる。つまり、ａ／ｂ＜１０とすることにより、カルマン渦による伝熱管の共振を回避することが可能になる。

前記流入部分において、少なくとも前記冷却風の流入側に配置される前記伝熱管には、その周面に、前記本体部に流入する冷却風の乱流化を促進する乱流促進部材が取り付けられている、としてもよい。

こうすることで、本体部内に流入した冷却風が速やかに乱流化するようになり、熱交換効率のさらなる向上が図られる。

以上説明したように、前記の熱交換器によると、本体部の流入部分及び流出部分の双方において、扁平断面の伝熱管を、その長径の方向が冷却風の流れ方向に沿う向きで配置することにより、流入端及び流出端のそれぞれで、少なくとも通風率を所定以上に維持することが可能になり、本体部に対する冷却風の流入量及び流出量を十分に確保することができるから、熱交換器の大型化を招くことなく、その熱交換効率を効率的に高めることが可能になる。

鉄道車両に搭載された熱交換器を示す正面図である。熱交換器の平面図である。熱交換器の側面図である。（ａ）図２のａ−ａ断面の一部、（ｂ）図２のｂ−ｂ断面の一部を拡大して示す図である。（ａ）円管により構成された熱交換器周りの流れ場を示すＣＦＤの結果、（ｂ）扁平管により構成された熱交換器周りの流れ場を示すＣＦＤの結果である。伝熱管断面のアスペクト比ａ／ｂと、伝熱管の共振周波数との関係を示す図である。伝熱管断面のアスペクト比ａ／ｂと、本体部の圧力損失との関係を示す図である。熱交換器の前後に障害物を取り付けたときの流れの様子を示すＣＦＤの結果である。（ａ）周面に乱流促進部材を取り付けた伝熱管を示す斜視図、（ｂ）乱流促進部材を取り付けた伝熱管によって構成された流入部分を拡大して示す断面図である。

以下、熱交換器の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は例示である。図１〜図３は、軌道であるレール９２に沿って走行する車両としての鉄道車両９１に搭載された熱交換器１を示しており、図１は、鉄道車両９１の床下部分に配置された熱交換器１を、鉄道車両９１の側方位置から車幅方向に見たときに相当する熱交換器１の正面図、図２は、熱交換器１を上方から見たときに相当する熱交換器１の平面図、図３は、熱交換器１を、鉄道車両９１の走行方向に見たときに相当する熱交換器１の側面図である。尚、図１〜図３においては、理解容易のために、伝熱管２を支持するサポートや、熱交換器１の全体を囲むカバー等の図示を省略している。また、以下の説明においては、その便宜上、鉄道車両９１の走行方向（図１の紙面における左右方向）をＸ方向、鉄道車両９１の車幅方向（図２の紙面における左右方向）をＹ方向、Ｘ及びＹ方向に直交する垂直方向（図１、２の紙面における上下方向）をＺ方向と呼ぶ場合がある。

この熱交換器１は、熱交換の対象である対象流体が流れる多数の伝熱管２を有する多管式熱交換器の一種であり、この例では、鉄道車両９１に搭載された変圧器（図示省略）の絶縁油を対象流体とし、その絶縁油を伝熱管２において放熱させて冷却するための冷却器として機能する。熱交換器１は、図３に端的に示すように、鉄道車両９１の床下における車幅方向の外側位置に配設されており、鉄道車両９１の走行中は、熱交換器１は走行風に曝される。図例では、鉄道車両９１が紙面における左から右に走行する（実線の矢印参照）に伴い、熱交換器１が紙面における右から左に流れる走行風に曝される（白抜きの矢印参照）状態を示している。尚、鉄道車両９１の走行方向が、図例とは逆になれば、走行風の流れ方向も当然に、図例とは逆向きになる。このように、この例での熱交換器１は、例えばブロア等を用いた強制空冷式ではなく、走行風による自冷式に構成されている。走行風自冷式の熱交換器１は、冷却システムの簡素化、重量低減及びエネルギ低減を通じて、鉄道車両９１全体の省エネルギ化に寄与する。尚、車両の停止中にも絶縁油の放熱を積極的に行うべく、車両の、少なくとも停止中に駆動しかつ、熱交換器１に冷却風を供給するためのブロアを設けてもよい。また、ここに開示する技術が適用可能な熱交換器１は、走行風自冷式に限定されず、ブロア等を用いた強制空冷式であってもよい。

図例においてはまた、鉄道車両９１の床下には、熱交換器１を挟んだＸ方向の前後位置に別の車両部材９３、９３が配置されている。これらの車両部材９３には、熱交換器１への走行風の流入を案内するための、傾斜面が形成されている。尚、熱交換器１の前後位置に、こうした車両部材が配置されない場合もある。

熱交換器１は、変圧器からの絶縁油が導入されるように構成された分配部１１と、変圧器に絶縁油を排出するように構成された集合部１２と、分配部１１と集合部１２とを互いに連通させる複数の伝熱管２が、格子状に配置されることによって構成された本体部３と、を備えている。

分配部１１は、図示省略の変圧器に接続されると共に、この変圧器から流れてきた絶縁油を各伝熱管２に分配する機能を有している。この例において分配部１１は、正面視で縦長の長方形状となった矩形箱状に形成されており、各伝熱管２の入口開口端が接続される接続面１１１が車幅方向の外方を向くように鉄道車両９１の車体に固定されている。

集合部１２は、変圧器に接続されると共に、各伝熱管２内を通過してきた絶縁油を集めて変圧器に排出する（絶縁油を戻す）機能を有している。この例において集合部１２は、分配部１１と同形状に形成されている。集合部１２は、分配部１１に対し、Ｘ方向に所定の間隔を空けて並んで配置されており、各伝熱管２の出口開口端が接続される接続面１２１が車幅方向の外方を向くように、鉄道車両９１の車体に固定されている。

各伝熱管２は、図２に端的に示されるように、平面視でＵ字状（又はコ字状）となるように２箇所で折り曲げられており、これにより、各伝熱管２は、分配部１１に接続される入口開口端からＹ方向の外方に向かって延びる部分（第１部分）、集合部１２に接続される出口開口端から、Ｙ方向の外方に向かって延びる部分（第２部分）、及び、第１部分と第２部分との端部同士を連通させるように、Ｘ方向に沿って延びる部分（第３部分）とを有して構成されている。尚、ここでは、各伝熱管２の２箇所それぞれを、おおよそ９０°折り曲げた形状をＵ字状と称しているが、折り曲げ角度は適宜の範囲で設定すればよく、第１部分、第２部分及び第３部分を含む形状であれば、全てＵ字状である。

図４（ａ）は、分配部１１の近傍における伝熱管２の横断面（Ｘ−Ｚ断面）の一部を示しており、伝熱管２は、Ｘ方向について所定のピッチＰ１となるようにかつ、Ｚ方向について所定のピッチＰ２となるように正方格子状に配置されて、分配部１１の接続面１１１に接続されている。尚、図例においては、ピッチＰ１とピッチＰ２とを等しく設定している。図示は省略するが、図４（ａ）と同様に、伝熱管２は、集合部１２に対しても、Ｘ方向に所定のピッチＰ１となるようにかつ、Ｚ方向に所定のピッチＰ２となるように正方格子状に配置されて、その接続面１２１に接続されている。尚、ピッチＰ１とＰ２とは異ならせてもよい。

各伝熱管２はまた、分配部１１に接続される入口開口端と、集合部１２に接続される出口開口端との途中で、相互の位置を変えることなく配設されている。このため、図４（ｂ）に示す、各伝熱管２の長さ方向中央位置に相当する横断面（Ｙ−Ｚ断面）においても、伝熱管２は、Ｙ方向及びＺ方向のそれぞれについて、所定のピッチＰ１、Ｐ２となるように正方格子状に配置されている。

こうして、図例の熱交換器１においては、分配部１１及び集合部１２に対し、Ｘ方向に１０本、Ｙ方向に２１本の、Ｕ字状に折曲された伝熱管２が接続されることで、平面視で略矩形状を有する本体部３が構成されるが、車幅方向の外方かつ下方に配置されるべき伝熱管の一部は、障害物等との干渉を回避するために、その配置が省略されている（図１、３参照）。この本体部３は、走行風の流れ方向（Ｘ方向）に対して直交するＹ方向に延びる伝熱管２の第２部分（又は第１部分）によって構成されかつ、本体部３に走行風が流入する部分である流入部分３１と、走行風の流れ方向（Ｘ方向）に対して直交するＹ方向に延びる伝熱管２の第１部分（又は第２部分）によって構成されかつ、本体部３から走行風が流出する部分である流出部分３２と、走行風の流れ方向（Ｘ方向）に沿って延びる伝熱管２の第３部分によって構成され、流入部分３１から流入した走行風を、流出部分３２に向かって伝熱管２に沿うように流す通風部分３３とを有することになる。尚、前述の通り、鉄道車両の走行方向が逆方向に反転すれば、本体部３の流入部分３１及び流出部分３２は、図例とは逆に設定される。

伝熱管２は、言い換えると、流入部分３１、流出部分３２、及び、通風部分３３を連続して構成するようにＵ字状に折り曲げられると共に、Ｕ字状の伝熱管２はまた、走行風の流れ方向（Ｘ方向）に直交する、鉄道車両の内方から外方に向かって多重に並設されることで、図２に示されるような伝熱管群を構成し、その伝熱管群が、図１又は３に示すように、Ｚ方向に所定の隙間を空けて複数、積層するように配置されている。このことによって、本体部３には、Ｚ方向に隣り合う伝熱管群同士の間に、走行風の流路が、走行風の流れ方向（Ｘ方向）に真っ直ぐに延びて形成されている、ということになる。

各伝熱管２は、従来の熱交換器においては、図４（ａ）に仮想的に示すように円管によって構成されるところ、この熱交換器１においては、図４（ａ）（ｂ）に示すように、上下方向の高さ（短径に相当）に対して水平方向の幅（長径に相当）の方が長い扁平管、具体的には上下方向に平行な２辺の両端を円弧によってつないだ横断面形状の管によって構成されている。このことにより、本体部３の大型化を招くことなく、冷却効率を向上させるようにしている。つまり、各伝熱管２は、図４（ａ）において仮想的に示す従来の円形伝熱管に対して、内部の横断面積がほぼ等しくなるように設定された扁平管によって構成されている。これにより、従来の円形伝熱管と同程度の絶縁油の流量を確保しつつ、水平方向に拡がる伝熱面積は、円形伝熱管よりも拡大する。また、伝熱管２は、この例では、従来の円形伝熱管を用いた熱交換器と同じピッチＰ１、Ｐ２で正方格子状に配置しており、これによって、本体部３全体の外寸は、従来とほぼ同じにしつつ、流入部分３１及び流出部分３２においては、Ｚ方向についての伝熱管２同士の隙間Ｌ_ｚが、従来の隙間Ｌ_ｚ’よりも広くなる一方で、Ｘ方向についての伝熱管２同士の隙間Ｌ_ｘは、従来の隙間Ｌ_ｘ’よりも狭くなるようにしている。

このことは、図４（ａ）に示すように、本体部３における流入部分３１において、走行風が流入する端面（図の右端）で、白抜きの矢印で示す走行風が流入し得る開口の面積（間隔Ｌ_ｚに相当する）が大きいことを意味する。つまり、流入部分３１の流入端面における通風率（本体部３全体の投影面積に対する、伝熱管２同士の全隙間の投影面積の比率、図３も参照）が、従来よりも高くなり、走行風が本体部３内に流入しやすくなる。

また、伝熱管２は正方格子状に配置されているため、流入部分３１の内部においては、広い開口に対応する広い流路が、Ｘ方向に真っ直ぐに延びて形成されるようになり、この流入部分３１において、走行風の流れ方向についての圧力損失は低くなる。

一方で、流入部分３１において、Ｘ方向についての伝熱管２同士の隙間Ｌ_ｘは狭くなるため、流入部分３１の内部に流入した走行風が、その流れ方向に直交するＺ方向に流れることは抑制される。

こうして、本体部３の流入部分３１において、通風率が従来よりも高くなること、走行風の流れ方向（Ｘ方向）についての圧力損失が低くなること、及び、走行風の流れ方向に直交するＺ方向への流れが抑制されることが組み合わさって、本体部３に対する走行風の流入流量を十分に確保しかつ、流入部分３１内での走行風の流速低下が抑制される。

また、その流入部分３１に連続する通風部分３３においては、図４（ｂ）に示すように、伝熱管２がピッチＰ１、Ｐ２で正方格子状に配置されているため、Ｚ方向についての伝熱管２同士の隙間は、流入部分３１での隙間Ｌ_ｚと等しくなり、Ｙ方向についての伝熱管２同士の隙間Ｌ_ｙは、流入部分３１での隙間Ｌ_ｘと等しくなる。

このことにより、前述した流入部分３１において、走行風の流れ方向（Ｘ方向）に真っ直ぐに延びて形成されている、上下方向に広い流路が、この通風部分３３においても、上下方向に広い通路のままに、Ｘ方向に真っ直ぐに延びて形成されることになる。従って、通風部分３３においても、走行風の流れ方向（図４（ｂ）における紙面に直交する方向）についての圧力損失は低くなる。

また、通風部分３３においては、隣り合う伝熱管２同士の間隔が、Ｙ方向については狭くなるため（隙間Ｌ_ｙ参照）、通風部分の内部を流れる走行風が、その流れ方向に直交するＺ方向に流れることが抑制される。こうして、通風部分においても、走行風の流速低下が抑制される。

通風部分３３においてはまた、車幅方向の外方端（図４（ｂ）における左端）において、上下方向に隣り合う伝熱管２同士の間に、車幅方向の外方に向かって開口する、比較的広い開口部を有することになるから、同図に仮想的な白抜きの矢印で示すように、この開口部を通じて、鉄道車両の外側方から、通風部分の内方へと走行風が流入することが促進される。

さらに、流出部分３２においては、前述した流入部分３１と同様に、その流出端面（走行風が流出する端面で、図１、２の左端）において通風率が従来よりも高くなると共に、走行風の流れ方向（Ｘ方向）についての圧力損失が低くなり、さらに、走行風の流れ方向に直交するＺ方向への流れが抑制される。

その結果、本体部３から流出する流量を十分高くして、走行風を本体部３からスムースに流出させることが可能になる。このことはまた、本体部３における、走行風の圧力損失を低下させるから、流入部分３１を通じた走行風の流入に有利になる。つまり、本体部３内での走行風の流速低下が、さらに抑制される。

こうして、本体部３に対する走行風の流入量を十分に確保しつつ、本体部３内での走行風の流速低下を抑制する結果、熱交換器１の熱交換効率が高まることになる。

しかも、前述の通り、扁平な伝熱管２では、水平方向に拡がる伝熱面積が、円形伝熱管よりも拡大しており、扁平管２が多重に並設されることで、拡大した伝熱面が、Ｘ及びＹ方向に実質的に連続するようになって、伝熱管群同士の間に形成される走行風の流路を挟むように、平面状の広い伝熱面を構成する。このように、伝熱管２を扁平化することによって、本体部３を大型化しなくても、走行風の流路に面した伝熱面積を効果的に拡大させることが可能になるから、このこともまた、熱交換効率の向上に有利になる。

尚、この例では、円形伝熱管からなる従来の熱交換器に対し、その配設ピッチ及び配設本数を同じにすることで、通風率を従来よりも高くしているが、通風率を従来と同程度に設定する場合は、扁平な伝熱管２を用いることによって、その配設ピッチが従来よりも短くなる結果、熱交換器１の全体の外寸を同じにしても、伝熱管２の配設本数を、従来よりも多くすることが可能になる。この構成は、通風率が従来と実質的に同じであるため、走行風の圧力損失を高めることなく、一方で、絶縁油の流量増大及び伝熱面積の拡大を図ることが可能であるから、このことによっても、熱交換器１の熱交換効率は高まる。

尚、前述の通り、図１〜３においては、伝熱管２を支持するサポートの図示を省略しているが、このサポートは、流入部分３１及び流出部分３２においては、例えばＸ−Ｚ平面において拡がるように配置される平板により構成されかつ、Ｘ方向及びＺ方向に正方格子状に配置される複数の伝熱管２が板厚方向に貫通するように配置される。こうした平板状のサポートは、冷却風の流れ方向に沿うように配置されるため、このサポートが、冷却風の流入及び流出を阻害することが回避される。一方、通風部分３３に配置されるサポートは、例えばＺ方向に並ぶ伝熱管２同士を互いに連結するように、Ｘ方向に所定の幅を有しかつＺ方向に延びる帯板状に構成され、この帯板状のサポートもまた、通風部分３３における冷却風の流れを阻害することを回避し得る。この熱交換器１では、前述の通り扁平な伝熱管２を用いているため、分配部１１と各伝熱管２との接合部分、及び、集合部１２と各伝熱管２との接合部分の強度が、従来の円管状の伝熱管よりも低下していると共に、扁平管と円管とで断面形状が相違することに起因して、伝熱管２の共振状態も従来とは異なるから、サポートによって伝熱管２を適切に支持することが、より一層重要である。

次に、円形状の伝熱管によって構成された熱交換器と、扁平状の伝熱管によって構成された熱交換器とについて、その周囲の流れを解析した結果を検討する。図５は、熱交換器周りの流れをＣＦＤにより解析した結果の一例を示しており、同図（ａ）は、伝熱管を円管によって構成したときの流れ場の様子、同図（ｂ）は、伝熱管を扁平管によって構成したときの流れ場の様子をそれぞれ示している。尚、図５は、図２とは天地を逆転させて描いている。同図（ａ）と（ｂ）とは、熱交換器の外形状をほぼ同じに設定すると共に、伝熱管の配設ピッチもほぼ同じに設定している。このため、同図（ａ）と（ｂ）とは、熱交換器の本体部において、隣り合う伝熱管同士の隙間の大きさが異なり、扁平管からなる熱交換器（同図（ｂ））の方が、円管からなる熱交換器（同図（ａ））よりも通風率が高い。また、同図における「高」は、流速が相対的に高い領域を、「低」は、流速が相対的に低い領域を、「中」は、流速がその中間となる領域をそれぞれ示している。

先ず同図（ａ）に示すように、円管状の伝熱管によって本体部３を構成した熱交換器においては、流入部分（同図において符号３で示される本体部の右側端部）の流入端付近において流速が高まるものの、その流入部分の下流側から通風部分にかけて流速が低下している。特に、車幅方向の内方側（図における下側）では、低流速の領域が、通風部分から流出部分にかけて大きく広がっており、流出部分の後流領域は低流速領域となっている。

これに対し同図（ｂ）に示すように、扁平管からなる伝熱管によって本体部３を構成した熱交換器においては、流入部分から通風部分にかけて流速が高い状態がそのまま維持されるとに、本体部３における車幅方向の外側部分では、高流速の領域が、流入部分、通風部分及び流出部分の全域に亘って広がっている。それに伴い、低流速の領域は、大幅に小さくなっている。

このＣＦＤの解析結果では、同図（ａ）及び（ｂ）で、本体部３の入口流速が５．４ｍ／ｓで同じときに、出口流速が、同図（ａ）で３．０ｍ／ｓ、同図（ｂ）で３．９ｍ／ｓとなり、扁平管からなる伝熱管とすることで、流速の低下が抑制されることが確認された。また、放熱量は、同図（ａ）で２８ｋＷ、同図（ｂ）で３２ｋＷとなり、扁平管からなる伝熱管を用いた熱交換器の方が、放熱効率が高いことも確認された。このように扁平管からなる伝熱管を採用することは、圧力損失の増大を回避して、熱交換効率の向上に有利になる。

伝熱管２に用いる扁平管断面のアスペクト比ａ／ｂ（図４（ａ）参照）は、２＜ａ／ｂ＜１０とすることが好ましい。図６は、扁平管断面のアスペクト比ａ／ｂと、扁平管の共振周波数（固有振動数）との関係を示している。共振周波数は、熱交換器１が搭載される鉄道車両の速度域、言い換えると走行風の流速域に含まれる１２０ｋｍ／ｈ時の、共振周波数を示しており、アスペクト比ａ／ｂが小さくなるほど共振周波数は高くなる。ここで、本体部３内（正確には伝熱管周り）を走行風が通過する際に発生するカルマン渦の周波数は、流速１２０ｋｍ／ｈ時で２５０Ｈｚであるため、そのカルマン渦による伝熱管２の共振を回避する上では、アスペクト比ａ／ｂを１０未満に設定することが望ましい。こうして伝熱管２の共振を回避することは、伝熱管２の補強等を省略することを可能にし、熱交換器１の軽量化等に有利になる。

図７は、扁平管（伝熱管）の断面のアスペクト比と本体部３の圧力損失との関係を示しており、ここでは、本体部３の外形状を一定にしかつ、伝熱管のピッチを一定にした上で、伝熱管断面のアスペクト比ａ／ｂを変化させたときの圧力損失の変化を示している。同図によると、アスペクト比ａ／ｂを１に近づけることにより圧力損失が大きくなり、特に、アスペクト比ａ／ｂを２以下にしたときには、圧力損失が急激に大きくなってしまう。このため、本体部３の内部を通過する走行風の流量を必要量以上に確保して、所望の熱交換効率を達成する上では、アスペクト比ａ／ｂを２よりも大に設定することが好ましい。

以上の結果から、鉄道車両に搭載される熱交換器１においては、扁平管からなる伝熱管２の横断面形状を、２＜ａ／ｂ＜１０に設定することが望ましい。

このような伝熱管２は、種々の材料によって構成することが可能であるが、その加工性を考慮すれば、アルミニウム又はアルミニウム合金製とすることが好ましい。

ここで、図８は、図１等に示すように、熱交換器１の前後に車両部材が配置されている場合の流れ場の様子を示している。このような車両部材は、熱交換器の流入部分の前側に渦を発生させるため、流入部分の上流側の動圧が低下し、走行風の流入には不利になるところ、前述したように、扁平管からなる伝熱管２により構成した本体部３は、流入端における開口面積が広くて（言い換えると、通風率が高くて）走行風が流入しやすいため、渦の発生によって車幅方向（Ｙ方向）の外方から内方に向かうように曲げられた流れを、本体部３内にそのまま流入させることが可能になる。つまり、前述した熱交換器１は、図２に示すように、その前後に車両部材９３が配置されるような場合でも、走行風を有効に取り込んで熱交換効率の低下が抑制される。

図９は、伝熱管２についての変形例を示しており、この例は、扁平管からなる伝熱管２の周面に、乱流促進部材４を取り付けている。乱流促進部材４は、図９（ａ）に示すように、伝熱管２の周面から突出するように設けられた、湾曲した小片状の部材であり、同図（ｂ）に概念的に示すように、縦方向の渦を発生させ、それによって、本体部３内の流れの乱流化を促進する。

具体的に図例では、流入部分３１を構成する伝熱管２の第１部分において、その管軸方向に、所定の間隔を空けて複数個形成している。但し、乱流促進部材が取り付けられる伝熱管２は、流入部分３１において、その流入端（図９（ｂ）の右端）から３列目までの伝熱管２とし、十分な乱流促進効果を得つつも、圧力損失がむやみに高まることを抑制する。また、乱流促進部材４は、正方格子状に配置された伝熱管２において、隣り合う伝熱管２の間で向かい合うように取り付けられていると共に、その向かう合う箇所が、千鳥になるように設定されている。尚、乱流促進部材４の形状、取り付け個数、取付位置等は、適宜、設定することが可能である。

こうした乱流促進部材４は、前述の通り、本体部３内の流れの乱流化を促進するから、熱交換効率の向上に有利になる。

尚、扁平な伝熱管２は、図例の形状に限定されず、長径とそれに直交する短径とを含む形状であればよい。例えば横断面が楕円形状の楕円管を採用してもよい。

また、伝熱管２の配置は、正方格子状には限定されず、本体部は、少なくとも複数本の伝熱管を間隔を空けて並べて配置することによって構成されていればよい。また、前記の構成では、流入部分３１における流入端や、流出部分３２における流出端において、複数の伝熱管２をＺ方向に真っ直ぐに並べて配置することで、流入部分３１における流入端や流出部分３２における流出端をそれぞれ、ＸＹ平面上で拡がる面状に構成しているが、流入端や流出端の構成はこれに限定されない。例えば、Ｙ方向に沿って見て（図１に示す方向に見て）、流入端及び流出端において、複数の伝熱管２がＺ方向に千鳥となるように配置してもよい。また、流入端及び流出端において、複数の伝熱管２を、Ｚ方向に進むにつれてＸ方向に順次位置を変えることで、流入端及び流出端が構成する面が、傾斜するようにしてもよい。さらに、流入端及び流出端において、複数の伝熱管２の内の一部の伝熱管２のみを、他の伝熱管２に対してＸ方向に位置をずらして配置してもよい。また、伝熱管の本数についても何ら限定はない。さらに、本体部３の形状は、図２に示すような平面視で矩形状に限定されない。例えば各伝熱管２における２箇所の折曲部分の角度を適宜設定することで、本体部３の形状を、平面視で台形状等となるようにしてもよい。

加えて、この熱交換器１が搭載される車両は、新幹線、在来線（私鉄線を含む）、及び地下鉄線等の鉄道車両に限定されず、例えばモノレールや路面電車等の軌道上を走行する車両や、乗用車、バス、トラック等の無軌道の車両に搭載してもよい。加えて、熱交換器１の対象流体も絶縁油に限定されず、様々流体を走行風によって冷却させることが可能である。

以上説明したように、ここに開示した熱交換器は、大型化を招くことなく、熱交換効率を高めることが可能であるから、鉄道車両（新幹線、在来線、地下鉄線等）の他にも、例えばモノレール、路面電車等の軌道上を走行する車両や、乗用車、バス及びトラック等の無軌道の車両に搭載される、走行風自冷式熱交換器として広く適用することができる。

１熱交換器
１１分配部
１２集合部
２伝熱管
３本体部
３１流入部分
３２流出部分
３３通風部分
４乱流促進部材
９１鉄道車両（車両）

Claims

車両に搭載されかつ、所定の方向に流れる冷却風が通過することによって、複数の伝熱管内を流れる対象流体を放熱させるように構成された熱交換器であって、
前記対象流体が導入されると共に、当該対象流体を前記複数の伝熱管に分配するように構成された分配部と、
前記分配部に対し前記冷却風の流れ方向に間隔を空けて配設されかつ、前記複数の伝熱管から流れてきた前記対象流体を集めて排出するように構成された集合部と、
前記分配部と前記集合部とを連通するように形成された前記複数の伝熱管が間隔を空けて並んで配置されることで構成されかつ、前記伝熱管同士の間を前記冷却風が通過する本体部と、を備え、
前記本体部は、
前記分配部又は前記集合部から前記冷却風の流れ方向に交差するように延びる前記伝熱管の部分によって構成されかつ、当該伝熱管の部分が前記冷却風の流れ方向に直交する方向に複数並んで配置された流入端を介して前記本体部に前記冷却風を流入させる流入部分と、
前記集合部又は前記分配部から前記冷却風の流れ方向に交差するように延びる前記伝熱管の部分によって構成されかつ、当該伝熱管の部分が前記冷却風の流れ方向に直交する方向に複数並んで配置された流出端を介して前記本体部から前記冷却風を流出させる流出部分と、
前記冷却風の流れ方向に沿うように延びる前記伝熱管の部分によって構成されかつ、前記流入部分から流入した冷却風を前記流出部分に向かって前記伝熱管に沿うように流す通風部分と、を有し、
前記伝熱管は、前記流入部分及び前記流出部分においては、長径と、それに直交する短径とを含む扁平な横断面形状を有していると共に、前記長径の方向が前記冷却風の流れ方向に沿う向きで配置され、
前記伝熱管は、前記流入部分、前記流出部分、及び、前記通風部分を連続して構成するようにＵ字状に折り曲げられ、
前記Ｕ字状の伝熱管は、前記冷却風の流れ方向に直交する、前記車両の内方から外方に向かって多重に並設されている熱交換器。
車両に搭載されかつ、所定の方向に流れる冷却風が通過することによって、複数の伝熱管内を流れる対象流体を放熱させるように構成された熱交換器であって、
前記対象流体が導入されると共に、当該対象流体を前記複数の伝熱管に分配するように構成された分配部と、
前記分配部に対し前記冷却風の流れ方向に間隔を空けて配設されかつ、前記複数の伝熱管から流れてきた前記対象流体を集めて排出するように構成された集合部と、
前記分配部と前記集合部とを連通するように形成された前記複数の伝熱管が間隔を空けて並んで配置されることで構成されかつ、前記伝熱管同士の間を前記冷却風が通過する本体部と、を備え、
前記本体部は、
前記分配部又は前記集合部から前記冷却風の流れ方向に交差するように延びる前記伝熱管の部分によって構成されかつ、当該伝熱管の部分が前記冷却風の流れ方向に直交する方向に複数並んで配置された流入端を介して前記本体部に前記冷却風を流入させる流入部分と、
前記集合部又は前記分配部から前記冷却風の流れ方向に交差するように延びる前記伝熱管の部分によって構成されかつ、当該伝熱管の部分が前記冷却風の流れ方向に直交する方向に複数並んで配置された流出端を介して前記本体部から前記冷却風を流出させる流出部分と、
前記冷却風の流れ方向に沿うように延びる前記伝熱管の部分によって構成されかつ、前記流入部分から流入した冷却風を前記流出部分に向かって前記伝熱管に沿うように流す通風部分と、を有し、
前記伝熱管は、前記流入部分及び前記流出部分においては、長径と、それに直交する短径とを含む扁平な横断面形状を有していると共に、前記長径の方向が前記冷却風の流れ方向に沿う向きで配置され、
前記伝熱管は、前記流入部分、前記流出部分、及び、前記通風部分を連続して構成するようにＵ字状に折り曲げられ、
前記Ｕ字状の伝熱管は、前記長径及び前記短径を含む扁平な横断面形状を有していて、それによって、前記長径の方向に拡がる拡大伝熱面を有しており、
前記Ｕ字状の伝熱管はまた、前記冷却風の流れ方向に直交する、前記車両の内方から外方に向かって多重に並設されることで、前記各伝熱管の前記拡大伝熱面が前記冷却風の流れ方向に沿って並ぶ伝熱管群を構成し、
前記本体部は、前記伝熱管群が所定の隙間を空けて複数、積層することによって構成され、それによって、隣り合う前記伝熱管群同士の間に、前記各伝熱管の前記拡大伝熱面によって挟まれる前記冷却風の流路が、前記冷却風の流れ方向に真っ直ぐに延びて形成されている熱交換器。
請求項１又は２に記載の熱交換器において、
前記伝熱管は、前記長径の長さａと、前記短径の長さｂとの比（ａ／ｂ）が、２＜ａ／ｂ＜１０となるように構成されている熱交換器。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換器において、
前記流入部分において、少なくとも前記冷却風の流入側に配置される前記伝熱管には、その周面に、前記本体部に流入する冷却風の乱流化を促進する乱流促進部材が取り付けられている熱交換器。