JPH0213234B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、キヤビテイ内に第１流体を循環せし
め、又該キヤビテイ内に設けた導管内に第２流体
を流動せしめそれによつて該二つの流体間に熱交
換を行なわせしめるようにした熱交換器の改良に
関するものである。更に詳しく言えば、本発明は
弧状壁によつて少なくとも一部は囲包された中空
キヤビテイを形成し、第１流体を弧状壁に対し概
略平行な弧状進路内に差し向けるように構成した
熱交換器の改良に関するものである。

容器内に円筒状のキヤビテイを形成し、円筒状
容器の壁には円周方向に離隔した位置に流体入口
と、流体出口とを設けた構成とされる熱交換器は
既に知られている。従来の斯る熱交換器の円筒状
キヤビテイは直径方向に延在した中央仕切板によ
つて二つの等しい半円筒状隔室に分離される。中
央仕切板は直径方向に対向した端縁を有し、上端
縁は入口と出口との間にて円筒状容器壁に連結さ
れる。流体の入口及び出口導管が中央仕切板の上
端縁近傍の且つ該仕切板の各側にて円筒状壁を貫
通し熱交換器キヤビテイ内へと連通して形成され
る。中央仕切板の反対側の下端縁は二つの隔室間
に開口を画定するように形成され、それによつて
入口を通つて第１隔室内へと導入された流体が該
第１隔室を貫く概略弧状進路、即ち、弧状経路を
たどつて流動し、次で仕切板の反対端縁の開口を
貫通して第２隔室へと流入し、第２隔室をも概略
弧状進路、即ち、弧状経路をたどつて引き続き流
動し、最後には出口開口を介して中空キヤビテイ
から流出する。

従来の熱交換器ハウジングは更に直円筒を画定
するために平面で且つ互いに平行とされた二つの
端壁を具備する。例えばアルミニウムのような熱
伝達性材料で作製された比較的小径の多数の冷却
管が両端壁の間の中空キヤビテイ内を貫通して延
在する。例えば空気のような流体流れが冷却管内
を循環され、中空キヤビテイ内を循環する流体と
熱接触状態にもたらされ、それによつて両流体間
に熱交換が行なわれる。従来知られている特定の
熱交換器の構造において入口と出口とは比較的小
さな角度、例えば45度より小さい角度だけ円周方
向に離隔して形成されている。従つて入口を通つ
て中空キヤビテイへと流入した流体は出口に達す
る前に270度以上にわたつて形成される概略円弧
状９進路を通つて流動しなければならない。流体
は円筒状壁によつてもたらされる前記円筒状進路
を通つて流動する。

周壁近傍では過剰の流体流動が行なわれるが、
中空キヤビテイの中央部の流体は比較的停滞して
いることが分つた。周壁の表面積は中空キヤビテ
イを貫通して延在する冷却用即ち熱交換用管の総
表面積に比較すると相当小さいので周壁部又は周
壁を介して行なわれる冷却即ち熱交換作用は比較
的小さく、従つて前記の如き状態は熱交換器の冷
却効率を阻害するものである。

冷却流体の撹乱作用を増大せしめそれによつて
管から冷却流体への熱伝達を増大するために熱交
換器管に「ターボレター（turbolator）」部材を
設けることは知られている。この構成により管の
中央を流れる流体は管壁の方へと差し向けられ、
そこで熱を吸収することとなる。もしターボレタ
ー部材によつて流れの撹乱が行なわれない場合に
は中央部を流れる冷却流体は管壁近傍を流れる冷
却流体によつて比較的隔離された状態となるであ
ろう。

本出願人が知つている従来使用されているター
ボレター部材は熱交換器管内に同軸線にて配置さ
れたコイルばねである。斯る構造は乱流化作用を
増大せしめるが、コイル部材は又管の開口量を減
じ、流体流動を阻害し、更にはコイル自体が冷却
流体によつて連行された粒状異物を集積する傾向
を有するので管を閉塞する可能性を増大せしめ
る。

本発明に係る改良された熱交換器によると半径
方向に突出したフランジが熱交換器ハウジングの
弧状周壁に設けられる。斯る半径方向フランジは
周壁から中空キヤビテイへと突出し、流体流れを
周壁から中空キヤビテイの内部へと差し向ける流
動偏向邪魔板として作用する。

熱交換器の効率は流体の中空キヤビテイへの流
入角度に対する半径方向偏向フランジの配置の相
関関係によつて更に改良し得ることが分つた。入
口角度が30度の熱交換器において、周壁に４つの
フランジを設け、各隔室には２つのフランジを中
央仕切板の上端及び下端から夫々概略41度離隔し
て設けることによつて著しい改良をし得ることが
分つた。驚くべきことに、熱交換器の効率は従来
望ましいと考えられていた熱交換器管の数を減ら
し、各熱交換器管間の間隔を増大せしめることに
よつて向上することができた。特に、半径方向フ
ランジの流動偏向機能を妨害しないように各フラ
ンジのまわりに熱交換器管が存在しない空間を設
けることができる。従つて、本発明に従つて改良
された熱交換器の全重量は減少し、航空用流体圧
系統には極めて利益あることである。

最後に、熱交換器管から冷却流体への熱伝達を
助長せしめるために新規な形状のターボレター部
材を熱交換器管の幾つか又は全てに挿入すること
ができる。

第１図を参照すると、本発明に従つた熱交換器
１０は円筒状ハウジング１２を具備する。該ハウ
ジング１２は互いに平行に配置された平らの端壁
１６及び１８の間に延在した円筒状周壁１４を有
する。該ハウジング１２は更に流体入口２０及び
流体出口２２を具備する。該流体入口２０及び流
体出口２２は第２図に最も良く図示されるよう
に、互いに離れる方向へと進行し周壁１４を貫通
して形成される。

第２図は第１図の熱交換器の横断面図である。
熱交換器にはハウジング１２によつて画定される
円筒状の中空キヤビテイ１５を第１隔室３０及び
第２隔室３２に分離するために中心を通り直径方
向に延在する上縁２６と下縁２８とを有した仕切
板２４が設けられる。例示される実施態様におい
ては仕切板２４は熱交換器の入口側と出口側との
間の対称面を画定する。流体入口導管２０は周壁
１４を貫通して形成され、そして接線ｂ−ｂとの
間に角度αを形成する矢印ａ−ａに沿つて流体を
半円筒状隔室３０へと差し向ける。出口導管軸線
ｃ−ｃは接線ｄ−ｄとの間に前記角度αと同じ角
度βを形成する。又熱交換器は通常は閉鎖されて
いる排液プラグ組立体２３を具備する。

第２図に最も良く図示されるように、仕切板２
４はその上端２６が円周方向に隔設された入口開
口及び出口開口との中間位置にて周壁１４へと連
結される。仕切板は又その両側端が二つの平行な
端壁１６及び１８に接触する。仕切板の下端は開
口３８を画定するべく切欠かれる。該開口３８は
第３図に最もよく図示されるように細長の矩形開
口とすることができ、入口及び出口開口の直径方
向に対向した箇所にて流体を入口隔室３０から出
口隔室３２へと流動せしめる。前記構造から、入
口２０を通つて熱交換器キヤビテイ１５へと流入
した流体は第１の半円筒形隔室３０を貫流し、次
で仕切板開口３８を通つて第２の半円筒形隔室３
２へと流入し、最後には出口２２を通つて流出せ
られることが理解されるであろう。従つて流体は
熱交換器キヤビテイ内をほぼ円形の弧状進路、即
ち、経路をたどつて流動することとなるであろ
う。

熱交換器キヤビテイ１５内には該キヤビテイを
貫通し両端壁１６及び１８間にわたつて且つ互い
に平行に配列して比較的多数の熱交換器導管４０
が設けられる。各導管４０はその両端が熱交換器
の外部へと開口しているが、熱交換器キヤビテイ
１５内には連通していない。従つて、二つの隔室
３０及び３２を貫流する第１流体は導管４０を貫
流する第２流体と熱交換接触状態にもたらすこと
ができる。典型的な用途においては、例えば高温
作動流体のような液体が前述のような態様で入口
２０及び出口２２、並びに熱交換器キヤビテイ１
５を通つて循環される。より冷い空気を第３図に
矢印で示される方向に平行管４０内を貫いて流動
せしめるためにフアン又はブロワが配置される。
該空気は熱交換器隔室３０及び３２を通つて循環
する流体と熱接触状態にある熱交換器管４０を貫
流する。空気は流体より低温であるので、流体か
ら熱を奪う。熱交換器管４０を貫流して空気以外
の他の流体を循環し得ること、及び或る用途にお
いては管４０を貫流する第２流体が熱交換器キヤ
ビテイを通して循環される第１流体より高温とな
るようにしそれによつて第１流体の温度が増大す
るべく構成し得ることを理解されたい。

前記構造体において隔室３０及び３２を通つて
流れる流体は入口２０と出口２２の間で周壁１４
に近接して円形進路に沿つて流動し、仕切板２４
の底部開口３８を通つて流れる傾向があることが
分つた。このような円形進路は、熱交換器キヤビ
テイ１５の中央部に存在しそして中央部に配置さ
れた熱交換器管４０と接触している流体は停滞状
態にあるか又は周壁１４に近い流体より遅い流速
にて循環することとなるので熱交換器の効率にと
つては有害なものである。周壁は循環流体から熱
を取り去るには熱交換器管４０の全外表面ほど有
効なものではない。従つて熱交換器の全効率は、
もし群をなす熱交換器管の中央部を流れる流体流
量が増大されるのであれば相当改良されるであろ
う。この問題は半径方向フランジ５０を熱交換器
キヤビテイ１５内へと半径方向内方向へと突出せ
しめるようにして円筒状周壁１４に取付けること
によつて改善される。該半径方向フランジの意図
する目的は群をなす熱交換器管の中央部を通る流
体流動を増大させるべく第２図に矢印で示される
模様にて流体を周壁から離しそして熱交換器キヤ
ビテイの内部へと再び差し向けることである。

本発明の一実施態様において、半径方向フラン
ジ５０を全体で４個、つまり各隔室３０，３２に
２個づつ、しかもキヤビテイ１５の中心軸線を中
心として中央仕切板２４から両側へ47度の角度位
置のところに対称的に配置することによつて最適
な結果を得ることができた。好ましくは、半径方
向フランジは厚さ0.068インチ（1.7272mm）の金
属シートで作製され、又該フランジは周壁１４か
ら半径方向に概略0.035インチ（0.889mm）突出
し、且つ両端壁１６及び１８の間にて円筒状キヤ
ビテイの軸方向の全長にわたつて形成される。こ
のようなフランジの諸寸法はキヤビテイ内径が
9.516インチ（（24.17cm）、円筒周壁の外径が9.760
インチ（24.79cm）とされた熱交換器の効率を相
当増大せしめることが分つた。４つのフランジ５
０は望ましくはろう付けによつて円筒状壁１４に
固定されるが、更にその半径方向内端縁を１つの
好適位置に配置された熱交換器管４０にろう付け
によつて取付けることもできる。

上記値のキヤビテイ寸法とされる従来の熱交換
器は今まで外径が0.218インチ（5.54mm）、壁厚が
0.015インチ（0.381mm）のアルミニウム製冷却
管、即ち、熱交換器管４０を1280本必要とすると
考えられていた。各管は互いに平行で且つ第２図
に図示されるような矩形の格子内に概略0.030〜
0.050インチ（0.762〜1.27mm）の等間隔にて隔設
されていた。管４０は第３図に示されるように熱
交換器ハウジングの円筒体軸線に対して平行に取
付けられた。

上記フランジ付装置を使用すると、熱交換器管
４０の数は従来の熱交換器に使用されていた従前
の熱交換器管と同寸法の管を従前の1280本からわ
ずかに760本へと減らすことができた。一方、各
管４０の外壁間の間隔は隣接する管の中心を結ぶ
線に沿つて測つて従前の構造の概略0.040インチ
から0.100インチ（1.016mmから2.54mm）へと増大
した。このような各熱交換器管間の間隔が増大し
たことは半径方向フランジを配設することによつ
て得られる流動特性の改良と相俟つて相当改良さ
れた熱交換器を作り出すこととなる。

又、各半径方向フランジ５０のまわりに熱交換
器管４０が存在しない空間５１を設けることが有
益であることが分つた。斯る空間５１は半径方向
フランジ５０の流動偏向特性を助長せしめるもの
であると思われる。該空間５１は第２図にはわず
かに１つのフランジ５０に対してしか図示されて
はいないが、同じような空間が他のフランジ５０
のまわりにも又存在することが理解されるであろ
う。該空間５１の容積は少なくとも１本の熱交換
器管４０が各フランジの側部に占有する容積に等
しくなるようにすることができる。

又、熱交換器管４０の数を減少させることによ
つて熱交換器の全重量を従来の13ポンド
（5889g）から概略10ポンド〜10ポンド２オンス
（4539g〜4587g）まで減少させることができた。
斯る重量の減少は、この種の熱交換器が通常重量
を極めて重要なフアクタとする航空機用流体圧系
統に使用されるので重要な事である。

従来の熱交換器は典型的には、熱交換器キヤビ
テイを流動する作動流体の流速を最大20ガロン
（75.7）／分とした場合に概略132〜152〓
（55.6〜66.7℃）にて作動した。上記説明した如
くに改良された熱交換器は作動流体の温度を、同
じ条件にて従来の熱交換器が132〓（55.6℃）で
あるのに対し２分間にて102〜106〓（38.9〜41.1
℃）にまで低下せしめることができた。一般に、
作動流体の温度は上記改良の結果少なくとも20〓
（11.2℃）は低下した。

半径方向フランジ５０と中央仕切板２４の上、
下端部との間の最適の円周方向の距離は流体が熱
交換器キヤビテイ１５に流入する角度に関連する
と思われる。従つて本発明に係る熱交換器におい
て、流体は入口軸線ａ−ａの入口点において、円
筒周壁１４に対する接線ｂ−ｂに対して30度の角
度αにて入口導管２０を通つて第１隔室３０に流
入する。流体出口２２は中央仕切板２４を鏡面と
して、流体入口２０の鏡像位置に形成される。従
つて、出口軸線ｃ−ｃも又、該軸線ｃ−ｃと周壁
との交点位置にて該周壁に接する線ｄ−ｄに対し
30度の角度βとされる。

第４図及び第７図に図示されるように、新規な
「ターボレター」部材６０を熱交換器管４０内に
挿入することによつて更に熱交換器の効率を増大
することができた。各ターボレター６０は銅又は
他の熱伝達性材料で作製したストリツプ６２から
成り、該ストリツプ６２は冷却管４０を貫通し
て、好ましくは冷却管４０の全長にわたつて軸線
方向に延在する。ストリツプ６２は第７図に図示
されるように、管４０の直径を横断して延在し且
つフランジ６４，６６を具備する。該フランジ６
４，６６は熱交換器の内壁面に摩擦嵌合にて接触
する。フランジ６４及び６６はストリツプ６２の
上端及び下端から夫々突出し、好ましくは弾性材
料にて作製される。従つて、各フランジは通常は
ストリツプに対し概略直角に突出しているが、タ
ーボレターを管４０へと挿入するとき第７図に図
示されるように湾曲される。その結果ターボレタ
ーは管内に摩擦嵌合態様にて保持され、つまり各
フランジはばね力にて管にしつかりと保持されそ
れによつて管４０からストリツプ６２へと伝わる
熱流れ通路の抵抗が小さくされる。フランジ６
４，６６は又熱交換器管からターボレターストリ
ツプへの熱伝達をより有効にするためにターボレ
ターストリツプ６２と熱交換器管４０との間の接
触面積を拡大せしめる。ターボレター部材６０は
好ましくは管壁を構成するアルミニウムより熱伝
導性の良い青銅にて作製される。ターボレターは
放熱器として作用し、熱を熱交換器管からストリ
ツプ自体を通して移送し、冷却流体との接触表面
積を著しく増大せしめ、熱伝達を促進せしめる。
直径方向に配設されたストリツプ６２は軸線方向
に離隔して、例えばタブ６８を打出しそしてスト
リツプの両側に交互に曲げて突き出し、熱交換器
管４０内を貫流する流体中へと突出するように構
成することもできる。斯る突出タブは管４０を流
れる流体流れに乱流を生ぜしめ、これによつて又
前述のように熱伝達を向上せしめることができ
る。好ましくは、各タブは流れに対向しないよう
に流動方向に或る角度にて突出するべく構成され
る。ストリツプ６２は管４０内に配設したターボ
レターによる閉塞を最小限とするべく比較的薄い
金属シートで作ることができる。従つて、上記の
如きターボレター構造体は二つの機能、即ち、熱
交換器管を貫流する流体流れに乱流を起すこと、
及び流体に露出された表面積を増大することつま
り放熱器としての機能を有する。

本発明の特定の実施態様について図示し説明し
たが、本発明の範囲内で種々の変更態様が可能で
あることを理解されたい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る熱交換器の斜視図であ
る。第２図は中空キヤビテイと、周壁に取付けら
れた半径方向フランジとを示す熱交換器の横断面
図である。第３図は中央仕切板を示す本発明に係
る熱交換器の側面断面図である。第４図はターボ
レター部材の内部を示す熱交換器管の一部破断側
面図である。第５図はターボレター部材の側面図
である。第６図はストリツプから或る角度で突出
するタブを示す、第５図の線６−６に沿つて取つ
た断面図である。第７図は第５図の線７−７に沿
つて取つたターボレター部材の横断面図である。 １０：熱交換器、１２：円筒状ハウジング、１
４：円筒状周壁、１５：中空キヤビテイ、１６，
１９：端壁、２０：流体入口、２２：流体出口、
２４：仕切板、３０，３２：隔室、４０：熱交換
器管、５０：半径方向フランジ、６０：ターボレ
ター部材、６２：ストリツプ、６４，６６：フラ
ンジ、６８：タブ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 周囲空気を冷却媒体として使用する熱交換器
   であつて、 周囲空気に露呈した面を有する１対の互いに離
   隔した平行な端壁と、円筒状の周壁とを備え、内
   部に円筒状の中空キヤビテイを形成するハウジン
   グと、 該ハウジング上に取付けられ、流体を前記キヤ
   ビテイに流入させるための通路を画定する流体入
   口と、該ハウジング上に取付けられ、流体を該キ
   ヤビテイから流出させるための通路を画定する流
   体出口と、 前記キヤビテイ内に取付けられ、該キヤビテイ
   を前記流体入口の通路と連通する入口隔室と、前
   記流体出口の通路と連通する出口隔室の２つの隔
   室に分割するように前記周壁に接触し、かつ、該
   流体入口及び流体出口のある側から遠い側の領域
   において該入口隔室と出口隔室を連通させる通路
   を画定するように配設された開口を有する平面状
   の仕切板と、 前記キヤビテイの入口隔室及び出口隔室を通つ
   て流れる流体を冷却するために、周囲空気を通流
   させるために両端が開口しており、前記１対の端
   壁に取付けられ、該１対の端壁の間で該キヤビテ
   イを貫通して延設された複数の互いに平行な熱交
   換器管と、 前記円筒状周壁から前記入口隔室内へ半径方向
   内方へ突出させた少なくとも２つのフランジと、
   該円筒状周壁から前記出口隔室内へ半径方向内方
   へ突出させた少なくとも２つのフランジと、 から成り、前記流体入口及び流体出口の各々の通
   路は、その通路の軸線が、該それぞれの軸線と前
   記周壁との交点において該周壁に接する接線に対
   し約30度の角度をなすように配置されており、前
   記フランジのうち少なくとも前記流体入口及び流
   体出口に最も近接しているフランジは、前記キヤ
   ビテイの中心線を中心として前記仕切板から両側
   へ40〜55度の角度位置のところに配置されている
   ことを特徴とする熱交換器。 ２ 前記フランジのうち前記流体入口及び流体出
   口に最も近接している２つのフランジは、前記キ
   ヤビテイの中心線を中心として前記仕切板から一
   方又は他方の側へ概略47度の角度位置のところに
   配置されている特許請求の範囲第１項記載の熱交
   換器。 ３ 前記各フランジの半径方向内端縁は、前記中
   空キヤビテイを貫通して延在する熱交換器管の一
   つに取付けられている特許請求の範囲第１項記載
   の熱交換器。 ４ 前記各フランジのまわりには熱交換器管が存
   在しない空間が設けられている特許請求の範囲第
   １項記載の熱交換器。 ５ 前記熱交換器管は、互いに0.100インチ
   （2.54mm）の間隔を置いて配置されている特許請
   求の範囲第１項記載の熱交換器。 ６ 前記熱交換器管は、0.218インチ（5.54mm）
   の外径を有している特許請求の範囲第５項記載の
   熱交換器。 ７ 前記中空キヤビテイは、概略9.5インチ
   （24.1cm）の内径を有している特許請求の範囲第
   ６項記載の熱交換器。 ８ 前記仕切板は、前記流体入口側と流体出口側
   との間の対称平面を画定する特許請求の範囲第１
   項記載の熱交換器。