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JP-2026077579-A - 熱交換器

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Abstract

【課題】航空機に用いられる熱交換器における空気流の圧力損失が大きくなるのを抑制することが可能な熱交換器を提供する。 【解決手段】この熱交換器１００は、円管１０よりも空気流の流れ方向（Ｘ方向）における上流側に配置され、空気流の流れ方向（Ｘ方向）における下流側（Ｘ２側）から上流側（Ｘ１側）に向かって先細る形状を有し、空気流の流れ方向を調整する上流側流れ調整部材２０を備える。 【選択図】図２

Inventors

  • 植田 達哉
  • 長光 左千男

Assignees

  • 住友精密工業株式会社

Dates

Publication Date
20260513
Application Date
20250922
Priority Date
20241025

Claims (20)

  1. 空気流と熱交換を行う航空機用の熱交換器であって、 熱交換の対象となる流体を流通させる円管と、 前記円管よりも前記空気流の流れ方向における上流側に配置され、前記空気流の流れ方向における下流側から上流側に向かって先細る形状を有し、前記空気流の流れ方向を調整する上流側流れ調整部材とを備える、熱交換器。
  2. 前記上流側流れ調整部材は、前記空気流の流れ方向における下流側から上流側に向かって先細る三角形形状を有する、請求項１に記載の熱交換器。
  3. 前記三角形形状を有する上流側流れ調整部材の斜辺は、前記円管の接線となる方向、または、前記円管の接線となる方向と前記空気流の流れ方向との間に向かう斜め方向に延びている、請求項２に記載の熱交換器。
  4. 前記上流側流れ調整部材は、前記三角形形状を有する上流側流れ調整部材の斜辺が、前記円管の接線となる方向、または、前記円管の接線となる方向と前記空気流の流れ方向との間に向かう斜め方向に延びるように、前記空気流の流れ方向における前記円管との間の距離が設定されている、請求項３に記載の熱交換器。
  5. 前記三角形形状を有する上流側流れ調整部材の斜辺は、前記空気流の流れ方向に対して、１０度以上２０度以下となるように延びている、請求項２に記載の熱交換器。
  6. 前記上流側流れ調整部材は、前記空気流の流れ方向における下流側から上流側に向かって先細るとともに前記空気流の流れ方向に対して対称な三角形形状を有する、請求項２に記載の熱交換器。
  7. 前記上流側流れ調整部材は、前記空気流の流れ方向における下流側から上流側に向かって先細るとともに先端が丸みを帯びた三角形形状を有する、請求項２に記載の熱交換器。
  8. 前記上流側流れ調整部材にも、熱交換の対象となる流体を流通させる、請求項１に記載の熱交換器。
  9. 前記円管よりも前記空気流の流れ方向における下流側に配置され、前記空気流の流れ方向における上流側から下流側に向かって先細る形状を有し、前記空気流の流れ方向を調整する下流側流れ調整部材をさらに備える、請求項１に記載の熱交換器。
  10. 前記円管は、前記空気流の流れ方向に沿って、複数が並ぶように配置されている、請求項１に記載の熱交換器。
  11. 空気流と熱交換を行う航空機用の熱交換器であって、 熱交換の対象となる流体を流通させる管と、 前記管よりも前記空気流の流れ方向における上流側に配置され、前記空気流の流れ方向における下流側から上流側に向かって先細る形状を有し、前記空気流の流れ方向を調整する上流側流れ調整部材とを備える、熱交換器。
  12. 前記上流側流れ調整部材は、前記空気流の流れ方向における下流側から上流側に向かって先細る三角形形状を有する、請求項１１に記載の熱交換器。
  13. 前記管のうちの前記空気流の流れ方向および管が延びる方向と直交する方向の一方側の端部の近傍、および、他方側の端部の近傍の少なくとも一方は、曲線形状を有し、 前記三角形形状を有する上流側流れ調整部材の斜辺は、前記管の接線となる方向、または、前記管の接線となる方向と前記空気流の流れ方向との間に向かう斜め方向に延びている、請求項１２に記載の熱交換器。
  14. 前記上流側流れ調整部材は、前記三角形形状を有する上流側流れ調整部材の斜辺が、前記管の接線となる方向、または、前記管の接線となる方向と前記空気流の流れ方向との間に向かう斜め方向に延びるように、前記空気流の流れ方向における前記管との間の距離が設定されている、請求項１３に記載の熱交換器。
  15. 前記三角形形状を有する上流側流れ調整部材の斜辺は、前記空気流の流れ方向に対して、１０度以上２０度以下となるように延びている、請求項１２に記載の熱交換器。
  16. 前記上流側流れ調整部材は、前記空気流の流れ方向における下流側から上流側に向かって先細るとともに前記空気流の流れ方向に対して対称な三角形形状を有する、請求項１２に記載の熱交換器。
  17. 前記上流側流れ調整部材は、前記空気流の流れ方向における下流側から上流側に向かって先細るとともに先端が丸みを帯びた三角形形状を有する、請求項１２に記載の熱交換器。
  18. 前記上流側流れ調整部材にも、熱交換の対象となる流体を流通させる、請求項１１に記載の熱交換器。
  19. 前記管よりも前記空気流の流れ方向における下流側に配置され、前記空気流の流れ方向における上流側から下流側に向かって先細る形状を有し、前記空気流の流れ方向を調整する下流側流れ調整部材をさらに備える、請求項１１に記載の熱交換器。
  20. 前記管は、前記空気流の流れ方向に沿って、複数が並ぶように配置されている、請求項１１に記載の熱交換器。

Description

この発明は、熱交換器に関する。 従来、空気流と熱交換を行う航空機用の熱交換器であって、熱交換の対象となる流体を流通させる円管を備える熱交換器が知られている（たとえば、特許文献１参照）。 国際公開第２０２０／０１２５２４号 本発明の実施形態に係る熱交換器の構成を円管が延びる方向および空気流の流れ方向と直交する方向から見た図である。本発明の実施形態に係る熱交換器の構成を円管が延びる方向から見た図である。本発明の実施形態に係る上流側流れ調整部材の拡大図である。比較例に係る熱交換器の熱交換量に関するシミュレーション結果における、マッハ数の分布図である。本発明の実施形態に係る熱交換器に関するシミュレーション結果における、円管と上流側流れ調整部材との間の距離が０で、かつ、三角形形状を有する上流側流れ調整部材の斜辺の空気流の流れ方向に対する傾斜角が３０度の場合の、マッハ数の分布図である。本発明の実施形態に係る熱交換器に関するシミュレーション結果における、円管と上流側流れ調整部材との間の距離が円管の直径の０．５倍で、かつ、三角形形状を有する上流側流れ調整部材の斜辺の空気流の流れ方向に対する傾斜角が１０度の場合の、マッハ数の分布図である。本発明の実施形態に係る熱交換器に関するシミュレーション結果における、円管と上流側流れ調整部材との間の距離が円管の直径の１倍で、かつ、三角形形状を有する上流側流れ調整部材の斜辺の空気流の流れ方向に対する傾斜角が１０度の場合の、マッハ数の分布図である。本発明の実施形態に係る熱交換器に関するシミュレーション結果における、円管と上流側流れ調整部材との間の距離と、圧力損失との関係を示したグラフである。本発明の実施形態に係る熱交換器に関するシミュレーション結果における、三角形形状を有する上流側流れ調整部材の斜辺の空気流の流れ方向に対する傾斜角と、圧力損失との関係を示したグラフである。本発明の実施形態に係る熱交換器に関するシミュレーション結果における、円管と上流側流れ調整部材との間の距離と、熱交換量との関係を示したグラフである。本発明の実施形態に係る熱交換器に関するシミュレーション結果における、三角形形状を有する上流側流れ調整部材の斜辺の空気流の流れ方向に対する傾斜角と、熱交換量との関係を示したグラフである。本発明の第１変形例に係る熱交換器の構成を円管が延びる方向から見た図である。本発明の第２変形例に係る熱交換器の構成を円管が延びる方向から見た図である。 以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。 図１～図３を参照して、本発明の実施形態に係る熱交換器１００の構成について説明する。熱交換器１００は、空気流と熱交換を行う航空機用の熱交換器である。熱交換器１００は、航空機において空気流が生じるいずれの場所にも用いることが可能である。 （円管） 図１に示すように、熱交換器１００は、熱交換の対象となる流体を流通させる円管１０を備える。すなわち、熱交換器１００は、円管１０の内部を流れる流体と、円管１０の周囲の空気との熱交換を行う空気熱交換器である。円管１０の内部を流れる流体は、たとえば、水素、フルオロカーボン、ハイドロカーボン、水、作動油である。円管１０は、アルミニウム、銅、真鍮、等の高い熱伝導性を有する金属材料を用いて形成されるのが望ましい。 円管１０は、空気流の流れ方向（Ｘ方向）に沿って、複数（３つ）が並ぶように配置されている。具体的には、円管１０は、円管１１、円管１２および円管１３を含む。そして、空気流の流れ方向における上流側（Ｘ１側）から下流側（Ｘ２側）に向かって、円管１１と、円管１２と、円管１３とが、この順に、空気流の流れ方向（Ｘ方向）に沿って並ぶように配置されている。複数の円管１０の各々は、空気流の流れ方向（Ｘ方向）と直交するＺ方向に延びている。複数の円管１０の各々は、空気流の流れ方向（Ｘ方向）に延びる一対のヘッダに挟まれている。 以下の説明では、空気流の流れ方向をＸ方向とし、空気流の流れ方向における上流側および下流側を、それぞれ、Ｘ１側およびＸ２側とする。また、円管１０が延びる方向をＺ方向とする。また、空気流の流れ方向および円管１０が延びる方向に直交する方向を、Ｙ方向とし、Ｙ方向の一方側および他方側を、それぞれ、Ｙ１側およびＹ２側とする。 （上流側流れ調整部材） 図２に示すように、熱交換器１００は、円管１１（円管１０）よりも空気流の流れ方向（Ｘ方向）における上流側（Ｘ１側）に配置され、空気流の流れ方向（Ｘ方向）における下流側（Ｘ２側）から上流側（Ｘ１側）に向かって先細る三角形形状を有し、空気流の流れ方向を調整する上流側流れ調整部材２０を備える。なお、三角形形状を有する上流側流れ調整部材２０の（Ｙ方向に延びる）底辺の幅Ｗは円管１０の直径Ｄよりも小さい。 三角形形状を有する上流側流れ調整部材２０の斜辺２０ａは、円管１１（円管１０）の接線となる方向と空気流の流れ方向（Ｘ方向）との間に向かう斜め方向に延びている。たとえば、三角形形状を有する上流側流れ調整部材２０の斜辺２０ａは、空気流の流れ方向（Ｘ方向）に対して、１０度以上２０度以下となるように延びている。 上流側流れ調整部材２０は、三角形形状を有する上流側流れ調整部材２０の斜辺２０ａが、円管１１（円管１０）の接線となる方向と空気流の流れ方向（Ｘ方向）との間に向かう斜め方向に延びるように、空気流の流れ方向（Ｘ方向）における円管１１（円管１０）との間の距離Ｌが設定されている。なお、図２では、一例として、距離Ｌが、円管１０の直径Ｄに設定されている例を示している。 上流側流れ調整部材２０は、円管１０が延びる方向（Ｚ方向）から見て、空気流の流れ方向（Ｘ方向）における下流側（Ｘ２側）から上流側（Ｘ１側）に向かって先細るとともに空気流の流れ方向（Ｘ方向）に対して対称な三角形形状（二等辺三角形形状）を有する。 図３に示すように、上流側流れ調整部材２０は、空気流の流れ方向（Ｘ方向）における下流側（Ｘ２側）から上流側（Ｘ１側）に向かって先細るとともに先端２０ｂが丸みを帯びた三角形形状を有する。 図１に示すように、上流側流れ調整部材２０にも、熱交換の対象となる流体を流通させる。すなわち、上流側流れ調整部材２０の内部にも、円管１０の内部を流れる流体と同様の流体が流れ、上流側流れ調整部材２０の内部を流れる流体と、上流側流れ調整部材２０の周囲の空気との熱交換を行う。上流側流れ調整部材２０は、円管１０と同様に、アルミニウム、銅、真鍮等の高い熱伝導性を有する金属材料を用いて形成されるのが望ましい。 （下流側流れ調整部材） 図２に示すように、熱交換器１００は、円管１３（円管１０）よりも空気流の流れ方向（Ｘ方向）における下流側（Ｘ２側）に配置され、空気流の流れ方向（Ｘ方向）における上流側（Ｘ１側）から下流側（Ｘ２側）に向かって先細る形状を有し、空気流の流れ方向を調整する下流側流れ調整部材３０を備える。 下流側流れ調整部材３０の形状、および、下流側流れ調整部材３０の円管１３に対する配置と、上流側流れ調整部材２０の形状、および、上流側流れ調整部材２０の円管１１に対する配置とは、空気流の流れ方向（Ｘ方向）における上流側（Ｘ１側）と下流側（Ｘ２側）とで反転させた関係となっている。 図１に示すように、下流側流れ調整部材３０にも、熱交換の対象となる流体を流通させる。すなわち、下流側流れ調整部材３０の内部にも、円管１０の内部を流れる流体と同様の流体が流れ、下流側流れ調整部材３０の内部を流れる流体と、下流側流れ調整部材３０の周囲の空気との熱交換を行う。下流側流れ調整部材３０は、円管１０と同様に、アルミニウム、銅、真鍮等の高い熱伝導性を有する金属材料を用いて形成されるのが望ましい。 （シミュレーション結果） 図４～図１１を参照して、本発明の実施形態に係る熱交換器１００に関するシミュレーション結果を説明する。 シミュレーションでは、円管の近傍におけるＭａｃｈ数の分布、熱交換器における空気流の圧力損失と熱交換器による熱交換量を算出した。シミュレーションでは、レイノルズ平均ナビエ・ストークス方程式において、ＳＳＴ－Ｋ－ω乱流モデルを用いて圧縮性の３次元定常計算を行った。シミュレーションは、以下の条件で行った。空気は理想気体とした。空気は、上空を飛行する機体での使用を想定して静圧をゲージ圧で－８１０６０．０Ｐａ、気温を２０℃として、Ｍａｃｈ数に応じて上流での全温と質量流量にて設定した。Ｍａｃｈ数とは空気の流れの速さと音速との比である。円管は、アルミニウム製と想定して、密度を２７０２．０ｋｇ／ｍ３、熱伝導率を２３７．０Ｗ/（ｍ・Ｋ）に設定した。円管の内部を流れる流体に関しては省略した。すなわち、円管の周囲に温度規定で計算を実施した。円管は、温度を１５０℃とした。円管は、空気流の流れ方向に沿って１つのみ配置されているとした。上記実施形態の圧力損失と熱交換量が満たすべき所定の関係は、このシミュレーションの計算結果に基づいて導出された。以下、シミュレーション結果を説明する。 図４～図７に示すように、本実施形態に係る熱交換器のように上流側流れ調整部材が配置されている場合（図５～図７）は、比較例に係る熱交換器のように上流側流れ調整部材が配置されていない場合（図４）と比較して、円管の近傍におけるＭａｃｈ数が比較的大きくなっている。これにより、上流側流れ調整部材により、熱交換器による空気流の圧力損失を小さくすることが確認された。なお、図４～図７では、空気流の流れ方向と直交する方向の一方側のみのＭａｃｈ数の分布を示している。 図８および図９に示すように、円管と上流側流れ調整部材との間の空気流の流れ方向における距離Ｌが０．５Ｄ～３．０Ｄの範囲、かつ、三角形形状を有する上流側流れ調整部材の斜辺の空気流の流れ方向に対する傾斜角が３０度以下の範囲において、概ね、円管と上流側流れ調整部材との間の空気流の流れ方向における距離Ｌに関係なく、三角形形状を有する上流側流れ調整部材の斜辺の空気流の流れ方向に対する傾斜角の大きさが大きくなる程、熱交換器における空気流の圧力損失が大きくなることが確認された。 図１０および図１１に示すように、円管と上流側流れ調整部材との間の空気流の流れ方向における距離Ｌが０．５Ｄ～３．０Ｄの範囲において、概ね、三角形形状を有する上流側流れ調整部材の斜辺の空気流の流れ方向に対する傾斜角の大きさが１０度および２０度の場合に、三角形形状を有する上流側流れ調整部材の斜辺の空気流の流れ方向に対する傾斜角の大きさが０度、３０度および４０度の場合と比較して、熱交換器による熱交換量が大きくなることが確認された。 上記のシミュレーション結果に基づいて、熱交換器１００における熱交換の性能が低下するのを抑制しながら、熱交換器１００における空気流の圧力損失が大きくなるのを抑制するという観点で、三角形形状を有する上流側流れ調整部材の斜辺の空気流の流れ方向に対する傾斜角は、１０度以上２０度未満であることが好ましいことが見い出された。 （変形例） なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。 図１２に示す第１変形例に係る熱交換器２００のように、上流側流れ調整部材２２０が、空気流の流れ方向における下流側から上流側に向かって先細る三角形形状を有する上流側部分２２１と、空気流の流れ方向における下流側から上流側に向かって先細らない形状を有する下流側部分２２２と、を含んでもよい。また、上流側流れ調整部材が、空気流の流れ方向における下流側から上流側に向かって先細る非三角形形状を有していてもよい。 また、図１３に示す第２変形例に係る熱交換器３００のように、三角形形状を有する上流側流れ調整部材３２０の斜辺３２０ａが、円管１０の接線となる方向に延びていてもよい。 また、三角形形状を有する上流側流れ調