JP2001097285A - 高速走行体の熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】航空機等高速で走行する機体に用いる熱交換器
の小型・軽量化を図る。 【解決手段】隔壁を介して流体間で熱交換を行う方式の
熱交換器３において、この隔壁を高速に走行する機体の
ポッド外壁１７の一部で構成するとともにその表面をフ
ィン形状にし、電子部品１１を搭載したヒートシング１
２においてチューブＴで吸熱して昇温した冷媒ガスＧ１
をコンプレッサ１５によって圧縮し、より高温を得た過
熱冷媒ガスＧ２を熱交換器３のフィンＦ１に送給し、熱
交換器３の隔壁たるポッド外壁１７のフィン形状をした
表面を高速に通過する低温の外気Ａによって冷却する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一方の流体を他方
の流体で加熱あるいは冷却する方式の熱交換器に関し、
例えば航空機等の高速走行体の熱交換器に関する。

【０００２】

【従来の技術】航空機等高速に走行飛行する機体におい
ては、機体内の気圧を一定に保つ与圧制御、温度制御や
新鮮空気の供給等機内を快適状熊に保つための空調機の
他、各種の制御・通信機器等から局部的に発生する熱を
効率的に吸収し、機器が正常に作動する温度範囲に保つ
ための冷却装置が必要である。一方、航空機等高速に走
行飛行する機体においては空間利用効率を最大限高める
べく要求があり、空調機や熱交換器の小型・軽量化が望
まれている。

【０００３】上記機器の温度や環境状態を好適に保つた
めに用いられる熱交換器には各種あり、主に表面式熱交
換器、直接接触式熱交換器、畜熱式熱交換器に分類され
る。表面式熱交換器は一方の流体と他方の流体を隔壁に
より分け、隔壁を通しての熱伝導と隔壁の表面での流体
の流動によって２流体間での熱交換を行わせるもので、
自動車のラジエーターや空調器等がある。直接接触式熱
交換器は２流体を直接接触させて熱交換を行わせるもの
で、冷水塔等がある。蓄熱式熱交換器は高温流体からの
熱を一定時間固体の畜熱体に蓄え、これを低温流体に伝
熱していくもので、燃焼ガスの廃熱利用器などがある。

【０００４】この内、一般に空調器には主として表面式
熱交換器が用いられる。隔壁内側の流体は一般に水やオ
イル等の熱伝達率の大きい液体や代替フロンまたは空気
等の媒体が用いられ、隔壁外側の流体は熱伝達率の小さ
い空気であることが多い。熱交換効率を上げるため、熱
交換器に送風するダクト設備や熱交換器を固定するため
のブラケットを備えてかなり大きな空間を占有し且つ重
量が増加する。

【０００５】航空機は航続距離を伸ばすため予備燃料タ
ンクを懸架したり、電子機器を設置するため脱着自在の
増槽タンクを懸架することがある。増槽タンク内部には
各種の電子機器が搭載されていて空間利用効率を最大限
高めながら、かつ電子機器の環境を一定範囲の動作温度
に保つことが要求される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このように航空機等で
は狭い空間を有効に利用せねばならず、熱交換器の小型
化・軽量化が厳しい要求事項の一つである。特に制御機
器や通信機器の不可避的な発熱部品は各所に分散し得る
ので、複数台の熱交換器が必要となったり、熱交換器数
を節減するため非合理的な設備配置となる等の間題があ
った。本発明は上記問題に鑑み、熱交換器の小型・軽量
化を図ることを目的とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の高速走行体の熱交換器は、隔壁を介して流
体間で熱交換を行う熱交換器であって、この隔壁を高速
に走行する機体の外壁の一部で構成したものである。し
たがって、高速に走行する機体の外壁である隔壁外側を
高速に流れる空気によって機体内との熱交換が行なわれ
る。さらに、本発明の熱交換器は前記隔壁の表面をフィ
ン形状にしたもので、熱交換特性が向上する。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明による高速走行体の
熱交換器の一実施例を図１〜図３によって説明する。先
ず、本装置の構成を以下に説明する。図１に示すとおり
航空機１に懸架した増槽タンクであるポッド２には熱交
換器３のサイドプレート４が固定ネジＳにて嵌着されて
いる。さらにサイドプレート４に固設されたへッダバー
６にサイドプレートカバー５が冠着されてヘッダバー６
内を密封する。機内の発熱部の熱を吸収し高温となった
熱媒体がコンプレッサ等の還流装置（図示せず）により
熱媒体入ロ７よりタンク８を通して送給されると、熱媒
体がフィンＦ１の間を矢印の方向に流動している間にサ
イドプレート４を通して低温の外気に熱移動を生じ熱媒
体温度が低下する。低温となった熱媒体はタンク９を通
り熱媒体出ロ１０より流出して機内の発熱部に還流し、
そこで再び熱を吸収して高温となる。以下、上記サイク
ルを繰り返し、機内の発熱部の温度上昇を一定の範囲に
制御することができる。

【０００９】図２は熱媒体の還流系を示している。各部
の構成部品１１〜１８と、互いの接続関係を説明する。
電子部品１１が発熱するとヒートシンク１２の温度が上
昇する。これをサーミスタ１３で検出し制御器１４でコ
ンプレッサ１５を制御する。熱媒体として通常代替フロ
ンが用いられているが、ヒートシンク１２から熱を吸収
した代替フロンの冷媒ガスＧ１はコンプレッサ１５で圧
縮され、さらに高温高圧の過熱冷媒ガスＧ２となりチュ
ーブ１６の中を流れて熱交換器３に達する。ここで過熱
冷媒ガスＧ２がフィンＦ１を潜通している間に熱交換が
行われサイドプレート４たるポッド外壁１７から外気Ａ
に熱が移動し、代替フロンは高圧の凝縮液化冷媒Ｌとな
り、膨張弁１８で断熱膨張して温度が下がるので気体と
液体の混合冷媒（Ｇ＋Ｌ）となりヒートシング１２に還
流し、ここで熱を吸収して気体の冷媒ガスＧ１となる。
以下このサイクルを繰り返すことによって機体内部発熱
体の熱を外気Ａを介して機体外部へ移動させる。図３
は、実質的な表面積の増加を図り熱交換効率を向上する
ため、サイドプレート４の機体外側の表面に直線状のフ
ィンＦ２を設けたものである。

【００１０】以上の構成において、次ぎに作動を説明す
る。図１（Ａ）は各種の電子機器を搭載したポッド２を
航空機１に懸架している様子を示す。ポッド２の内部で
は各種の電子機器が稼動していて空間利用効率を最大限
高めながら機器を効率的に冷却し、かつ一定範囲の動作
温度に電子機器を保つことが要求されるが、高速低高度
飛行では気温も高く、また摩擦熱で機体が高温になり
得、また高高度飛行では機体周辺の気温はかなり低温の
環境となる。機体周辺の温度条件とは無関係に、先述の
ごとく空間を可能な限り効率的に利用せねばならない。

【００１１】上記要件を勘案し構成したシステムを図２
にしたがって説明する。熱を発生する電子部品１１をヒ
ートシンク１２に密着させ、その温度をサーミスタ１３
で計測する。低温の冷媒はチューブＴを通過しながら気
化してヒートシンク１２より熱を奪い冷媒ガスＧ１とな
る。制御器１４はサーミスタ１３の出力を受け、コンプ
レッサ１５を制御しヒートシンク１２の温度が高ければ
高いほど回転数を上げて出力を増す。コンプレッサ１５
で圧縮された過熱冷媒ガスＧ２は高温高圧となりチュー
ブ１６を通って熱交換器３に送給され、熱交換器３のフ
ィンＦ１を通過しながら外気Ａに放熱して液化し高圧の
凝縮液化冷媒Ｌとなる。膨張弁１８を開いて急激に圧力
を下げると冷媒Ｌは断熱膨張し冷媒自身の温度が低下し
て低圧低温の気液混合冷媒Ｇ＋Ｌになりヒートシンク１
２に還流して熱を奪うので電子部品１１の温度が適温に
保持されるのである。

【００１２】本発明では、熱交換器３の熱交換部材たる
サイドプレート４が図１（Ｂ）に示すとおりポッド外壁
１７を兼ねるように構成されている。コンプレッサ１５
で圧縮された過熱冷媒ガスＧ２は高温高圧となりチュー
ブ１６を通って熱交換器３の図１（Ｃ）に示す熱媒体入
ロ７に送給される。サイドプレートカバー５はサイドプ
レート４に固着されたヘッダバー６と溶接またはろう付
けされ機密構造になっているので、タンク８で分流しフ
ィンＦ１に沿って複数の経路を潜通し矢印の方向に流
れ、タンク９で合流して熱媒体出口ｌ０より流出する
が、フィンＦ１に沿って複数の経路を潜通している間に
サイドプレート４を通して過熱冷媒ガスＧ２から熱が機
体の外部へ移動して徐々に液化し凝縮液化冷媒Ｌとな
る。

【００１３】サイドプレート４（すなわちポッド外壁１
７）の外側（図２における機体外部０Ｕ）は機体が高速
走行しているので通常の熱交換器のように強制的に送風
して放熱させる手段が不要である。したがって通常の熱
交換器のように、強制的に送風するための送風用モー
タ、送風機、ファン、ダクトおよび熱交換器を固定する
ブラケット等の付帯設備が不要となり機体内部ＩＮ側の
空間が有効利用でき、小型で軽量の熱交換器を提供でき
る。

【００１４】しかしながら、冷却装置の更なるコンパク
ト化と軽量化への要求が高まっていて、そのため熱交換
器の単位面積あたりの熱交換効率を向上したい。図３
は、この目的を達成する手段の一つとして放熱面として
機能するサイドプレート４の機外表面部面積を大きくす
るべく、一例として機体の走行方向に沿って直線状のフ
ィンＦ２を形成した熱交換器３を示すもので、フィンＦ
２以外の他の構成部品は省略して図示してある。熱媒体
入口７より流入した高圧の過熱冷媒ガスＧ２はフィンＦ
２を流動している間に冷却され液化した高圧の凝縮液化
冷媒Ｌとなり熱媒体出口１０より流出する。フィンＦ２
は航空機１の走行抵抗を増加することなくスムースに外
気が流れる形状・寸法としたことにより、高速に移動す
る外気Ａに対して実質的に放熱面積を増加することがで
き、熱交換効率が向上した。

【００１５】フィンＦ２の形状は図４（Ａ）に示すよう
な断面角形に限定されない。例えば、図４（Ｂ）のよう
な断面が円錐形であってもよい。このような直線状のフ
ィンは、例えば引抜加工法により容易に製作可能であ
る。さらに、直線状のフィンに限定せず、図５（Ａ）、
（Ｂ）に示すような突起状フィンＦ３、Ｆ４であっても
よく、要は外気がスムースに流れ十分な冷却効率が得ら
れれば目的は達成できる。

【００１６】発熱体を冷却するシステムとしては、図６
に示すように熱交換器３ａと熱交換用のチューブＴａ、
Ｔｂとを設け、膨張弁１８から混合冷媒Ｇ＋Ｌをチュー
ブＴｂに送給して熱交換器３ａを希望温度に冷却し、一
方例えばエチレングリコールのような熱媒体たる冷却液
体ＣをポンプＰによりヒートシンク１２のチューブＴと
熱交換器３ａのチューブＴａの間を循環させることによ
りヒートシンク１２の温度を制御する構成としてもよ
い。さらに、例えば図７に示すように、ポンプＰにより
冷却液体ＣをチューブＴとチューブＴａの間を循環させ
る経路途上に切換バルブＶとバイパス管ＢＴを設け、切
換バルブＶを制御器１４により制御し、冷却液体Ｃをチ
ューブＴａ側とバイパス管ＢＴ側とに切換えて送給する
ことにより熱交換器３ａにおけるチューブＴａの熱輸送
効率を変化させヒートシンク１２の温度を制御する構成
としてもよい。

【００１７】電子部品などの動作温度範囲に余裕がある
場合、コンプレッサ１５を用いずに適度の作動能力のあ
るオイル等の熱媒体を、ポンプＰによりヒートシンク１
２から熱交換器３ａに循環させて、熱を高温部から熱交
換器３ａのフィンＦ１に移動させるようにしてもよい。
熱交換器３ａの取付け位置は、機体の側面に限定するも
のではなく、機体の前面や後面でもよい。また、熱交換
器３ａはポッド２に固定ネジＳで固定する構造以外に
も、例えば、ポッド２内の器機整備用ドア（図示せず）
を兼用する可動構造としてもよい。熱交換器３ａの形態
は上記説明のようなプレートフィンタイプに限定せずチ
ューブタイプ等であっても本発明の効果はなんら影響を
受けるものではない。制御器１４の入力であるサーミス
タ１３の測温位置はヒートシンク１２に限定されず、例
えば冷媒ガスＧ１、冷却液体Ｃでもよく、さらには熱交
換器３ａなど他の位置でも同様な効果が得られることは
自明である。本発明は高速走行体の熱交換器全般に適応
し得るものであり、例えば鉄道車両や船舶にも適用でき
る。

【００１８】

【発明の効果】高速走行する機体に設置することを特徴
とした熱交換器であり強制的に送風して放熱させる手段
が不要となるので、強制的に送風するための送風用モー
タ、送風機、ダクトおよび熱交換器を固定するブラケッ
ト等の付帯設備が不要となり空間が有効利用でき、小型
で軽量の熱交換器を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の高速走行体に用いる熱交換器の概要を
示す図で、（Ａ）は増槽タンク（ポッド）を懸架した航
空機の概観を示し、（Ｂ）はポッド部を拡大して示し、
（Ｃ）はポッドに嵌着した熱交換器とサイドプレートの
内部構造を示している。

【図２】熱交換器の構成と作動の関係を示す図である。

【図３】直線状のフィンを形成したサイドプレートとそ
れをポッドに嵌着した際の関係を一部断面して示す図で
ある。

【図４】（Ａ）はサイドプレートに形成した断面角形の
直線状のフィンを示し、（Ｂ）は断面円錐形の直線状の
フィンの変形例を示す図である。

【図５】（Ａ）はサイドプレートに形成した円柱状のフ
ィンを示す図であり、（Ｂ）は円錐形で突起状のフィン
の変形例を示す図である。

【図６】熱交換器の構成の変形例を示す図である。

【図７】熱交換器の構成の他の変形例を示す図である。

【符号の説明】

１…航空機 ２…ポッド ３…熱交換器 ３ａ…熱交換器 ４…サイドプレート ５…サイドプレートカバー ６…ヘッダバー １１…電子部品 １２…ヒートシンク １３…サーミスタ １４…制御器 １５…コンプレッサ １６…チユーブ １７…ポツド外壁 １８…膨張弁 Ａ…外気 ＢＴ…バイパス管 Ｃ…冷却液体 Ｆ１、Ｆ２…フィン Ｆ３、Ｆ４…突起状フィン ＩＮ…機体内部 ＯＵ…機体外部 Ｐ…ポンプ Ｖ…切換バルブ

フロントページの続き (72)発明者 山本 幹造 京都市中京区西ノ京桑原町１番地 株式会 社島津製作所内 (72)発明者 乙野 和史 京都市中京区西ノ京桑原町１番地 株式会 社島津製作所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】隔壁を介して流体間で熱交換を行う熱交換
   器において、この隔壁を高速に走行する機体の外壁の一
   部で構成したことを特徴とする高速走行体の熱交換器。
2. 【請求項２】隔壁を介して流体間で熱交換を行う熱交換
   器において、この隔壁を高速に走行する機体の外壁の一
   部で構成するとともにその表面をフィン形状にしたこと
   を特徴とする高速走行体の熱交換器。