WO2016063312A1 - 航空機エンジン用の熱交換器 - Google Patents

Abstract

　熱交換率を向上できる航空機エンジン用の熱交換器を提供する。熱交換器（１）は、航空機エンジンの湾曲面に配置される。熱交換器（１）は、本体（１０）と、複数の放熱フィン（２０）とを備える。本体（１０）は、流体が流通可能な流路を内部に含み、湾曲面と対向する裏面（３）と、裏面（３）と反対側の表面（２）とを有し、湾曲面に対応して湾曲している。複数の第１放熱フィン（２０）は、本体（１０）の表面に配列され、航空機エンジンの回転軸（Ｘ）に対して交差して延びる。

Description

航空機エンジン用の熱交換器

　本発明は、熱交換器に関し、さらに詳しくは、航空機エンジン用の熱交換器に関する。

　ガスタービンエンジンに代表される航空機エンジンには、熱交換器が搭載される。航空機エンジン用の熱交換器は、航空機エンジンの潤滑油の冷却や、航空機エンジンに搭載された発電機の潤滑油の冷却に利用される。航空機エンジン用の熱交換器には、プレートフィン型、シェルアンドチューブ型、及び、サーフェス型等がある。

　これらの熱交換器のうち、サーフェス型の熱交換器は、他の熱交換器と比較してコンパクト化できる。このようなサーフェス型の熱交換器はたとえば、特開２００８－１４４７５２（特許文献１）及び特許第５４４２９１６号（特許文献２）に提案されている。

　特許文献１及び特許文献２に開示された熱交換器は弓なりに湾曲した板状である。熱交換器は、航空機エンジンの湾曲面に沿って配置される。航空機エンジンの湾曲面はたとえば、ファンケースの内周面や、エンジンコアケーシングの外周面等である。サーフェス型熱交換器の湾曲形状は、熱交換機が配置される箇所の湾曲面の形状と対応する。

　サーフェス型熱交換器の表面は、航空機エンジン内を通過する気流に曝される。サーフェス型熱交換器の表面には、複数の放熱フィンが配置される。複数の放熱フィンは、航空機エンジンの回転軸方向に延び、航空機エンジンの周方向に配列される。さらに、熱交換器の内部には、流路が形成されている。

　上述の潤滑油等の流体（以下、対象流体という）は、サーフェス型熱交換器内に流入し、内部の流路を流れる。サーフェス型熱交換器の表面の複数の放熱フィンは、気流に曝される。そのため、流路中の対象流体の熱が、放熱フィンを介して外部に放出される。冷却された対象流体は、熱交換器から外部に流出し、利用される装置（発電機等）に戻る。

　上述のとおり、サーフェス型熱交換器は、航空機エンジンの任意の箇所に、エンジンの湾曲面に沿って配置される。そのため、他の熱交換器と比較して、エンジン内を流れる気流の抵抗が低減される。

　サーフェス型熱交換器において、表面に配列された複数の放熱フィンは、上述のとおり、航空機エンジンの回転軸に沿って延びる。上記特許文献１及び２に開示されたサーフェス型熱交換器の放熱フィンも、航空機エンジンの回転軸に沿って延びている。この場合、放熱フィンに流れる気流が回転軸に沿って流れていれば、熱交換率が最も高まる。しかしながら、航空機エンジンでは、気流がファンを通過すると旋回流になる。旋回流は、回転軸に沿って流れず、回転軸と交差して流れる。したがって、放熱フィンの延在方向は気流（旋回流）の流れと交差する。この場合、熱交換率が高まりにくい。

　本発明の目的は、熱交換率を向上できる、熱交換器を提供することである。

　本実施形態による熱交換器は、ファンを備える航空機エンジンにおいて、航空機エンジンの湾曲面に配置可能である。上記熱交換器は、本体と、複数の第１放熱フィンとを備える。本体は、流体が流通可能な流路を内部に含む。本体はさらに、湾曲面と対向する裏面と、裏面と反対側の表面とを有し、湾曲面に対応して湾曲している。複数の第１放熱フィンは、本体の表面に配列され、航空機エンジンの回転軸に対して交差して延びる。

　本実施形態の熱交換器は、熱交換率を向上できる。

図１は、本実施形態による航空機エンジン用の熱交換器の斜視図である。 図２は、図１中のＩＩ－ＩＩ面での断面図である。 図３は、図１に示す熱交換器の分解斜視図である。 図４は、放熱フィンが回転軸に沿って延びる熱交換器の平面図である。 図５は、図１に示す熱交換器の平面図である。

　本実施形態による熱交換器は、ファンを備える航空機エンジンにおいて、航空機エンジンの湾曲面に配置可能である。上記熱交換器は、本体と、複数の第１放熱フィンとを備える。本体は、流体が流通可能な流路を内部に含む。本体はさらに、湾曲面と対向する裏面と、裏面と反対側の表面とを有し、湾曲面に対応して湾曲する。複数の第１放熱フィンは、本体の表面に配列され、航空機エンジンの回転軸に対して交差して延びる。

　航空機エンジンにおいて、たとえば、ファンを通った気流は、旋回流となり、回転軸に対して交差して流れる。上述のとおり、複数の第１放熱フィンは、回転軸に対して交差して延びるため、複数の第１放熱フィンの間に旋回流が流れやすい。そのため、熱交換率が向上する。

　好ましくは、第１放熱フィンは、表面を流れる旋回流に沿って延びる。

　この場合、複数の第１放熱フィンの間に旋回流がさらに流れやすい。そのため、熱交換率が向上する。

　第１放熱フィンのうち、少なくとも上流側の端部は、旋回流に沿って延びてもよい。

　この場合、旋回流が複数の第１放熱フィンの間に流入しやすくなる。

　上述の熱交換器はさらに、裏面に配列され回転軸に対して交差して延びる複数の第２放熱フィンを備えてもよい。

　この場合、裏面においても、第２放熱フィンが回転軸に対して交差しているため、複数の第２放熱フィンの間に旋回流が流れやすい。

　好ましくは、第２放熱フィンは、旋回流に沿って延びる。

　この場合、複数の第２放熱フィンの間に旋回流がさらに流れやすい。

　第２放熱フィンのうち、少なくとも上流側の端部が、旋回流に沿って延びてもよい。

　この場合、旋回流が複数の第２放熱フィンの間に流入しやすくなる。

　以下、本実施形態の熱交換器の詳細について、図面を参照して説明する。図中同一又は相当する部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

　［熱交換器の全体構成］
　図１は、本実施の形態による航空機エンジン用の熱交換器の斜視図である。本実施形態の熱交換器１は、ファンを備える航空機エンジン（図示せず）に配置される。より具体的には、熱交換器１は、航空機エンジンの湾曲面に沿って配置される。

　航空機エンジンはたとえば、ターボファンエンジンである。航空機エンジンの湾曲面はたとえば、ファンケーシングの内周面や、エンジンコアケーシングの外周面等である。図１では、ファンケーシングの内周面に配置される熱交換器を例示する。しかしながら、本実施形態の熱交換器は、ファンケーシング及びエンジンコアケーシング以外の他のエンジン部材の湾曲面に配置されてもよい。湾曲面における熱交換器の配置箇所は、気流が存在する場所であれば、特に制限されない。熱交換器は、ファンの上流側の湾曲面に配置されてもよいし、ファンの下流側の湾曲面に配置されてもよい。旋回流は、ファンの上流側でも下流側でも発生する。

　図１を参照して、熱交換器１は弓なりに湾曲した板状であり、いわゆるサーフェス型の熱交換器である。航空機エンジン内において、熱交換器１は、配置される湾曲面（図示せず）に対応して湾曲している。

　図１中のＸ軸は、図示しない航空機エンジンの回転軸方向を示す。図１に示す熱交換器１の長さは、航空機エンジンの湾曲面の配置箇所における周方向長さの１／８程度である。しかしながら、熱交換器１の長さは特に限定されない。熱交換器１はたとえば、ファンケーシングの湾曲面の配置箇所における円周方向全長に延びた、円環状であってもよい。

　図１において、熱交換器１の左側が気流の上流側ＵＳであり、右側が気流の下流側ＤＳである。熱交換器１は、冷却対象となる流体（以下、対象流体という）を内部に通し、対象流体を冷却する。図２は、図１中のＩＩ－ＩＩ面での断面図である。図１及び図２を参照して、熱交換器１は、表面２と、裏面３とを有する本体１０を備える。裏面３は、航空機エンジンの湾曲面（本例ではファンケーシングの内周面）と対向する。表面２は、裏面３と反対側に配置される。

　表面２及び裏面３には、複数の放熱フィン２０及び３０が配列される。複数の放熱フィン２０は、表面２上に立てられている。複数の放熱フィン２０は、放熱フィン２０の延在方向と略垂直な方向に配列される。同様に、複数の放熱フィン３０は裏面３上に立てられ、放熱フィン３０の延在方向と垂直な方向に配列される。図１～図３において、複数の放熱フィン２０及び３０が配列された領域は一点鎖線で示され、一部の放熱フィン２０及び３０の図示は省略されている。

　図３は、熱交換器１の分解斜視図である。本体１０は、板状の表部材１１と、板状の裏部材１２とを備える。本体１０はたとえば、アルミニウム又はアルミニウム合金製である。本体１０の材質はまた、ステンレス鋼、チタン、銅、インコネル（商標）等であってもよい。

　表部材１１と裏部材１２とが板厚方向に重ね合わされ、筐体状の本体１０となる。本体１０内には、複数のコルゲートフィン４０が配置される。表部材１１、裏部材１２及び板状フィン４０はたとえば、ろう付により互いに接合される。

　本体１０内の空間は、仕切１１２により、往路１１１と復路１１３とに区画される。往路１１１内には、コルゲートフィン４０が配置される。コルゲートフィン４０により、往路１１１は複数の微細な流路に区画される。同様に、復路１１３にもコルゲートフィン４０が配置され、復路１１３は複数の微細な流路に区画される。往路１１１と復路１１３とは本体１０内で連結しており、対象流体の流路を形成する。

　裏部材１２は、流入口１２１と流出口１２２とを裏面３に有する。対象流体は、流入口１２１から熱交換器１内に流入する。対象流体は、コルゲートフィン４０により区画された微細な流路に分配され、往路１１１、復路１１３の順に、本体１０内を流れる。このとき、コルゲートフィン４０、放熱フィン２０及び３０を介して、本体１０内の対象流体と外部の気流とで熱交換が行われ、対象流体が冷却される。冷却された対象流体は、流出口１２２から熱交換器１の外部に流出して、対象流体が利用される装置（エンジンコアや発電機等）に戻る。

　［放熱フィン２０］
　図１を参照して、放熱フィン２０は、航空機エンジンの回転軸Ｘに対して交差して延びる。より具体的には、放熱フィン２０は、航空機エンジンの湾曲面のうち、熱交換器１が配置される湾曲面上を流れる旋回流ＡＦ１に沿って延びる。

　航空機エンジンに流れる気流は、航空機エンジンの回転軸方向に対してかならずしも平行ではない。特にターボファンエンジンのように、ファンを備える航空機エンジンの場合、気流はファンを通過すると旋回流になる。つまり、ファンよりも下流側では、気流（旋回流）はファンにより旋回し、回転軸Ｘと交差して流れる。

　図４に示すように、熱交換器２００の表面２００Ｓ上に配列された複数の放熱フィン２０１が、回転軸Ｘに沿って延びている場合を想定する。図中のＡＦ２のように、気流が回転軸Ｘに沿って流れれば、気流ＡＦ２は放熱フィン２０１の全長にわたって流れる。したがってこの場合、放熱フィン２０１と接触する空気流量は大きく、熱交換率は高い。

　一方、気流がＡＦ１のように旋回流であれば、旋回流ＡＦ１は回転軸Ｘに対して交差して流れる。そのため、旋回流ＡＦ１は放熱フィン２０１の上流側ＵＳの端部で放熱フィン２０１とぶつかる。この場合、旋回流ＡＦ１は流れの向きを変え、隣り合う複数の放熱フィン２０１の間から外部（たとえば、放熱フィン２０１の上方）に流出しやすい。

　要するに、旋回流ＡＦ１は、放熱フィン２０１の全長にわたって流れにくい。そのため、熱交換器２００上を気流ＡＦ２が流れる場合と比較して、熱交換率が低下する。

　上述のとおり、放熱フィン２０が回転軸Ｘに対して交差して延びる。より具体的には、放熱フィン２０は、熱交換器１が配置される湾曲面上を通過する旋回流に沿って延びる。この場合、図５に示すとおり、旋回流ＡＦ１は放熱フィン２０に沿って、放熱フィン２０全長にわたって流れやすい。そのため、図４に示す放熱フィン２０１と比較して、熱交換率が高まる。

　旋回流の流れる方向は、航空機エンジンの湾曲面の各領域で異なる。しかしながら、航空機エンジンの仕様（湾曲面の形状、ファンのサイズ及び形状等）に基づいて、シミュレーション等により、湾曲面の各領域での旋回流の流れる方向は容易に求められる。したがって、たとえば、熱交換器１が配置される湾曲面上の旋回流の流れをシミュレーションにより解析し、その解析により得られた旋回流の流れに基づいて、放熱フィン２０の延在方向を決定できる。

　放熱フィン２０は、少なくとも上流側の端部（図５中の放熱フィン２０のうち、領域２０Ｕの部分）が放熱フィンに沿って延びていればよい。この場合、旋回流ＡＦ１は、隣り合う放熱フィン２０の間に流入しやすい。そのため、旋回流ＡＦ１は隣り合う放熱フィン２０の間を流れやすい。

　本実施形態において、放熱フィン２０が旋回流ＡＦ１に沿って延びているとは、放熱フィン２０が旋回流ＡＦ１と平行に延びる場合だけでなく、たとえば、放熱フィン２０と旋回流ＡＦ１とが、±１５°以内で交差する場合も含む。

　また、本明細書において、放熱フィン２０の上流側ＵＳの端部とは、放熱フィン２０の全長をＬ０とした場合、少なくとも放熱フィン２０の上流側の端からＬ０／１０の範囲を意味する（図５参照）。

　［放熱フィン３０］
　図３を参照して、好ましくは、裏面３に配置される放熱フィン３０も、放熱フィン２０と同様に、回転軸Ｘに対して交差して延びる。より具体的には、放熱フィン３０は、熱交換器１が配置される航空機エンジンの湾曲面上に流れる旋回流に沿って延びる。この場合、放熱フィン２０と同様に、旋回流ＡＦ１が隣り合う放熱フィン３０の間に流れやすくなり、熱交換率が高まる。

　少なくとも放熱フィン３０の上流側ＵＳの端部が、旋回流に沿って延びていれば、上述の効果がある程度得られる。

　上述の実施の形態では、熱交換器１は、裏面３に放熱フィン３０を備える。しかしながら、熱交換器１は放熱フィン３０を備えなくてもよい。また、放熱フィン３０は、回転軸Ｘに対して交差して延びずに、回転軸Ｘに沿って延びていてもよい。

　図５では、放熱フィン２０は、旋回流に沿って表面２上を湾曲して延びる。しかしながら、放熱フィン２０は直線状に延びてもよい。また、放熱フィン２０及び３０は切削、精密鋳造、積層造形等により製作することができる。

　以上、本発明の実施の形態を説明した。しかしながら、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。したがって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。

１，２００　熱交換器
２，２００Ｓ　表面
３　裏面
１０　本体
２０，３０，２０１　放熱フィン
ＡＦ１　旋回流

Claims (6)

1. 　ファンを備える航空機エンジンにおいて、前記航空機エンジンの湾曲面に配置可能な、航空機エンジン用の熱交換器であって、
   　流体が流通可能な流路を内部に含み、前記湾曲面と対向する裏面と、前記裏面と反対側の表面とを有し、前記湾曲面に対応して湾曲している本体と、
   　前記本体の前記表面に配列され、前記航空機エンジンの回転軸に対して交差して延びる複数の第１放熱フィンとを備える、熱交換器。
2. 　請求項１に記載の熱交換器であって、
   　前記第１放熱フィンは、前記表面上を流れる旋回流に沿って延びる、熱交換器。
3. 　請求項１に記載の熱交換器であって、
   　前記第１放熱フィンのうち、少なくとも上流側の端部が、前記表面を流れる旋回流に沿って延びる、熱交換器。
4. 　請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の熱交換器であってさらに、
   　前記裏面に配列され、前記回転軸に対して交差して延びる複数の第２放熱フィンを備える、熱交換器。
5. 　請求項４に記載の熱交換器であって、
   　前記第２放熱フィンは、前記裏面を流れる旋回流に沿って延びる、熱交換器。
6. 　請求項４に記載の熱交換器であって、
   　前記第２放熱フィンのうち、少なくとも上流側の端部が、前記裏面を流れる旋回流に沿って延びる、熱交換器。

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