(57)【要約】【課題】簡素な構造で部品点数を削減でき、しかも熱交換効率を向上させることができる交差流方式の一次伝面型熱交換器を提供する。【解決手段】一次伝面型熱交換器は、コルゲートフィン３を積層して各層間に交互に高温流体通路６と低温流体通路７が形成され、各流体通路６、７での流体Ｈ、Ｌの主流方向が互いに交差する伝熱コア２を有し、各流体通路６、７での流体Ｈ、Ｌの主流方向が、当該流体通路６、７を形成するいずれのコルゲートフィン３の畝３ｂとも交差する構成である。この熱交換器では、互いに積層されたコルゲートフィン３の畝３ｂが角度６０°〜１２０°の範囲内で交差し、各流体Ｈ、Ｌの主流方向がいずれのコルゲートフィン３の畝３ｂとも等しい角度で交差する構成が好ましい。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コルゲートフィンを積層して各層間に交互に高温流体通路と低温流体通路が形成され、各流体通路での流体の主流方向が互いに交差する伝熱コアを有する一次伝面型熱交換器において、
各流体通路での流体の主流方向が、当該流体通路を形成するいずれのコルゲートフィンの畝とも交差することを特徴とする一次伝面型熱交換器。
【請求項２】
互いに積層されたコルゲートフィンの畝が角度６０°〜１２０°の範囲内で交差し、
各流体通路での流体の主流方向が、当該流体通路を形成するいずれのコルゲートフィンの畝とも等しい角度で交差することを特徴とする請求項１に記載の一次伝面型熱交換器。
【請求項３】
前記流体のうちの一方が気体であり、他方が液体であり、
気体の主流方向が前記コルゲートフィンの畝と交差する角度は、液体の主流方向が前記コルゲートフィンの畝と交差する角度よりも小さいことを特徴とする請求項１または２に記載の一次伝面型熱交換器。
【請求項４】
前記伝熱コアを内設するケーシングと、前記伝熱コアへの各流体の流入部をそれぞれ形成する入側ヘッダーおよび入側ノズルと、前記伝熱コアからの各流体の流出部をそれぞれ形成する出側ヘッダーおよび出側ノズルと、を備え、
前記伝熱コアは、プレス加工により押し潰された前記コルゲートフィンの外周部に、前記流体通路を確保するスペーサーバーが接合され、スペーサーバーが接合された前記コルゲートフィンが前記ケーシング内で積み重ねられてなり、
前記伝熱コアと、前記ケーシングと、前記入側ヘッダーおよび入側ノズルと、前記出側ヘッダーおよび出側ノズルとがろう付により接合されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の一次伝面型熱交換器。
【請求項５】
前記伝熱コアは、プレス加工により押し潰された前記コルゲートフィンの外周部に、前記流体通路を確保するスペーサーバーが接合され、スペーサーバーが接合された前記コルゲートフィンがケーシング内で積み重ねられてなり、
前記スペーサーバーの両端部が前記コルゲートフィンの外周部から突出し、この両端部が前記ケーシングに嵌合することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の一次伝面型熱交換器。
【請求項６】
当該一次伝面型熱交換器が航空機用の熱交換器であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の一次伝面型熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コルゲートフィンを積層して各層間に交互に高温流体通路と低温流体通路が形成される伝熱コアを有する一次伝面型熱交換器に関し、特に、伝熱コアにおける各流体通路での流体の主流方向が互いに交差する交差流方式の一次伝面型熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギーの有効利用という観点から、分散型エネルギーシステムが有望視され、小型ガスタービン等の熱機関や、化学プロセスを経て燃料から直接発電を行う高温型燃料電池の開発が盛んに行われている。これらの分散型エネルギーシステムでは、排熱回収性能がガスタービンや高温型燃料電池の性能に大きく影響することから、有効な熱交換が可能な高性能の熱交換器の使用が要請される。
【０００３】
また、航空機においては種々の高性能な熱交換器が搭載される。例えば、タービンエンジンからの排熱を回収するための熱交換器や、タービンエンジンの圧縮機に流入する圧縮空気の温度を外気で低下させるインタークーラーが代表的である。その他にも、エンジンオイルを外気によって冷却する熱交換器や、ベアリング等の部品を冷却するための空気を外気によって冷却する熱交換器がある。
【０００４】
ガスタービンや高温型燃料電池や航空機などで使用される熱交換器としては、シェルアンドチューブ型熱交換器やフィンチューブ型熱交換器やプレートフィン型熱交換器が一般に知られている。
【０００５】
しかし、シェルアンドチューブ型熱交換器やフィンチューブ型熱交換器は、簡素な構造で安価である反面、コンパクト性に劣る。一方、プレートフィン型熱交換器は、高い熱交換効率を実現でき、高温流体通路と低温流体通路との積層配置の選択によりコンパクト化が可能である反面、精度要求が厳しく複雑な構造であり高価である。このため、いずれの熱交換器も使用が限定されていた。
【０００６】
また、これらの熱交換器は、高温流体と低温流体との間で熱交換を行う伝熱コアを有するが、この伝熱コアに各流体の流入・流出部となるヘッダーおよびノズルを取り付ける際に溶接が欠かせない。このため、従来は、伝熱コアの性能に影響を及ぼす溶接入熱に配慮したり、熱交換器の低価格化を実現するために自動溶接機の導入を検討する必要があり、溶接施工時の条件設定や設備投資の面で多大な工数と費用が問題とされていた。
【０００７】
これに対し、近年では、シェルアンドチューブ型熱交換器やフィンチューブ型熱交換器やプレートフィン型熱交換器に代え、例えば、特許文献１に開示される一次伝面型熱交換器の採用が検討されている。
【０００８】
一次伝面型熱交換器は、伝熱コアとして、コルゲートフィンを積層して各層間に高温流体通路と低温流体通路を形成し、伝熱面としてコルゲートフィンで高温流体通路と低温流体通路とを仕切る構成であり、各流体通路を流通する高温流体と低温流体との間でコルゲートフィンのみを介して熱交換を行うものである。
【０００９】
一次伝面型熱交換器は、高温流体と低温流体との間の伝熱面積をコルゲートフィンによって大きく確保できることから、熱交換効率が著しく優れる。また、一次伝面型熱交換器は、プレートフィン型熱交換器の場合に必須となるチューブプレートを削減できることから、部品点数を減らすことができ、組み立てに要する製造コストの抑制も可能である。
【００１０】
図１は、従来の一次伝面型熱交換器の伝熱コアに用いられるコルゲートフィンの一例を示す図であり、同図（ａ）は互いに積層されるコルゲートフィンの斜視図、同図（ｂ）はそれらのコルゲートフィンの平面図をそれぞれ示している。同図に示すように、従来のコルゲートフィン３は、ステンレス鋼のような薄い合金シートを素材とし、これを波形に成形し、全体として矩形状にしたものである。
【００１１】
図１に示すコルゲートフィン３は、外周部３ａがプレス加工により押し潰され、この押し潰された外周部３ａには、互いに積層されたコルゲートフィン３間の流体通路を確保するため、後述する図２に示すスペーサーバー４が接合される。このような従来のコルゲートフィン３では、波状の頂部となる各畝３ｂが、両端部と平行に（他の両端部とは直角に）配列している。
【００１２】
図２は、従来の一次伝面型熱交換器における伝熱コアの構成例を示す図であり、同図（ａ）は斜視図、同図（ｂ）はサイドプレートを除いた状態での平面図、同図（ｃ）は高温流体通路の出口の正面図、同図（ｄ）は低温流体通路の出口の正面図をそれぞれ示している。同図に示す従来の一次伝面型熱交換器の伝熱コア２は、前記図１に示すコルゲートフィン３を用いて構成される。
【００１３】
具体的には、コルゲートフィン３は、押し潰された外周部３ａの両端部、およびその裏面の他の両端部に、一対のスペーサーバー４がそれぞれ接合される。伝熱コア２は、スペーサーバー４が接合されたコルゲートフィン３を積み重ね、互いに重なるスペーサーバー４を溶接して構成される。伝熱コア２の最上段と最下段に配されるコルゲートフィン３には、サイドプレート５がろう付される。
【００１４】
この伝熱コア２では、積層されたコルゲートフィン３の畝３ｂが交互に直交するように配置され、コルゲートフィン３間に交互に高温流体通路６と低温流体通路７が形成される。そして、図２（ｂ）に実線矢印で示すように、高温流体通路６を流通する高温流体Ｈと、低温流体通路７を流通する低温流体Ｌとは、それぞれ伝熱コア２における流体通路６、７の入口から出口に向かう方向を主流方向として流れ、その主流方向が互いに直交する。
【００１５】
このような伝熱コア２を有する一次伝面型熱交換器は、各流体Ｈ、Ｌの主流方向が互いに直交する直交流方式の熱交換器として成り立つ。この一次伝面型熱交換器においては、各流体通路６、７での流体Ｈ、Ｌは、当該流体通路６、７を形成するコルゲートフィン３のうちの一方の畝３ｂに沿って流れ、その過程で、両者を仕切るコルゲートフィン３を介し、効率良く熱交換を行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２００８／１４３３１８号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
上述の通り、一次伝面型熱交換器は、シェルアンドチューブ型熱交換器やフィンチューブ型熱交換器やプレートフィン型熱交換器と比較して、高い熱交換効率を実現でき、組み立てコストの抑制も期待できる。
【００１８】
しかし、一次伝面型熱交換器の実用化には、より高性能で安価であることが求められ、そのため、さらに構造が簡素で組み立てが容易であること、構成部品、例えば向流方式の熱交換器で必須となるディストリビュータ部などを削減できること、一層優れた熱交換効率を実現できることなどが要求される。特に、航空機で用いられる一次伝面型熱交換器には、一層のコンパクト化と軽量化が求められる。
【００１９】
本発明は、上記の要求に鑑みてなされたものであり、簡素な構造で部品点数を削減でき、しかも熱交換効率を向上させることができる一次伝面型熱交換器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明者らは、上記目的を達成するため、一次伝面型熱交換器において、各流体通路での流体の主流方向とコルゲートフィンの畝との配置関係に着目し、ＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics）解析および種々の試験を行い、鋭意検討を重ねた。その結果、簡素な構造で部品点数を削減し、熱交換効率のさらなる向上を図るには、各流体通路での流体の主流方向が互いに交差する交差流方式を採用し、各流体の主流方向が、当該流体通路を形成する一方のコルゲートフィンの畝のみならず、いずれのコルゲートフィンの畝とも交差するように配置するのが有効であることを知見した。
【００２１】
本発明は、上記の知見に基づいて完成させたものであり、その要旨は、下記の一次伝面型熱交換器にある。すなわち、コルゲートフィンを積層して各層間に交互に高温流体通路と低温流体通路が形成され、各流体通路での流体の主流方向が互いに交差する伝熱コアを有する一次伝面型熱交換器において、各流体通路での流体の主流方向が、当該流体通路を形成するいずれのコルゲートフィンの畝とも交差することを特徴とする一次伝面型熱交換器である。
【００２２】
この熱交換器では、互いに積層されたコルゲートフィンの畝が角度６０°〜１２０°の範囲内で交差し、各流体通路での流体の主流方向が、当該流体通路を形成するいずれのコルゲートフィンの畝とも等しい角度で交差することが好ましい。
【００２３】
上記の熱交換器においては、前記流体のうちの一方が気体であり、他方が液体であり、気体の主流方向が前記コルゲートフィンの畝と交差する角度は、液体の主流方向が前記コルゲートフィンの畝と交差する角度よりも小さいことが好ましい。こうすることによって、流路抵抗の影響を受け易い気体の圧力損失を抑制できるからである。
【００２４】
上記の熱交換器は、前記伝熱コアを内設するケーシングと、前記伝熱コアへの各流体の流入部をそれぞれ形成する入側ヘッダーおよび入側ノズルと、前記伝熱コアからの各流体の流出部をそれぞれ形成する出側ヘッダーおよび出側ノズルと、を備え、前記伝熱コアは、プレス加工により押し潰された前記コルゲートフィンの外周部に、前記流体通路を確保するスペーサーバーが接合され、スペーサーバーが接合された前記コルゲートフィンが前記ケーシング内で積み重ねられてなり、前記伝熱コアと、前記ケーシングと、前記入側ヘッダーおよび入側ノズルと、前記出側ヘッダーおよび出側ノズルとがろう付により接合されることが好ましい。ろう付により接合することで、溶接による接合と比較して、接合時の変形を小さくでき、熱応力の発生を抑制できるからである。溶接に要する作業時間を短縮でき、製造コストの低減を図ることもできるからである。
【００２５】
また、上記の熱交換器においては、前記伝熱コアは、プレス加工により押し潰された前記コルゲートフィンの外周部に、前記流体通路を確保するスペーサーバーが接合され、スペーサーバーが接合された前記コルゲートフィンがケーシング内で積み重ねられてなり、前記スペーサーバーの両端部が前記コルゲートフィンの外周部から突出し、この両端部が前記ケーシングに嵌合する構成にすることができる。こうすることにより、熱交換器の組み立てに際し、スペーサーバーおよびコルゲートフィンの位置決め用治具が不要となり、組み立てが容易となるからである。
【００２６】
このような一次伝面型熱交換器は、熱交換効率の向上に伴ってコンパクト化と軽量化を実現できるため、航空機用の熱交換器として好適に採用することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の一次伝面型熱交換器によれば、各流体通路での流体の主流方向がいずれのコルゲートフィンの畝とも交差する構成であるため、各流体が、当該流体通路を形成する両方のフィンの畝を順次越えながら流れることにより乱流効果が促進され、その過程で、両者を仕切るコルゲートフィンと有効に接触し、効率良く熱交換を行うことができ、熱交換効率を向上させることが可能になる。このため、同じ熱交換性能を有する従来の一次伝面型熱交換器と比較しても、よりコンパクトで軽量な熱交換器とすることができる。また、交差流方式を採用する構成であることから、ディストリビュータ部が不要となり、部品点数を削減でき、構造も簡素になる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】従来の一次伝面型熱交換器の伝熱コアに用いられるコルゲートフィンの一例を示す図であり、同図（ａ）は互いに積層されるコルゲートフィンの斜視図、同図（ｂ）はそれらのコルゲートフィンの平面図をそれぞれ示す。
【図２】従来の一次伝面型熱交換器における伝熱コアの構成例を示す図であり、同図（ａ）は斜視図、同図（ｂ）はサイドプレートを除いた状態での平面図、同図（ｃ）は高温流体通路の出口の正面図、同図（ｄ）は低温流体通路の出口の正面図をそれぞれ示す。
【図３】本発明の一次伝面型熱交換器の伝熱コアに用いられるコルゲートフィンの一例を示す図であり、同図（ａ）は互いに積層されるコルゲートフィンの斜視図、同図（ｂ）はそれらのコルゲートフィンの平面図をそれぞれ示す。
【図４】本発明の一次伝面型熱交換器における伝熱コアの構成例を示す図であり、同図（ａ）は斜視図、同図（ｂ）はサイドプレートを除いた状態での平面図、同図（ｃ）は高温流体通路の出口の正面図、同図（ｄ）は低温流体通路の出口の正面図をそれぞれ示している。
【図５】本発明の一次伝面型熱交換器における伝熱コアの他の構成例を示す図であり、同図（ａ）は互いに積層されるコルゲートフィンを個々に示す平面図、同図（ｂ）は伝熱コアのサイドプレートを除いた状態での平面図をそれぞれ示している。
【図６】コルゲートフィン間に形成される流体通路に流体を流通させたＣＦＤ解析により伝熱コアの性能を評価した結果を示す図であり、同図（ａ）は積層されたコルゲートフィンの畝の交差角（挟み角）と圧力損失との関係を示し、同図（ｂ）は挟み角と伝熱性能との関係を示す。
【図７】本発明の一次伝面型熱交換器の全体構成例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下に、本発明の交差流方式の一次伝面型熱交換器の実施形態について、図面を参照しながら詳述する。
【００３０】
図３は、本発明の一次伝面型熱交換器の伝熱コアに用いられるコルゲートフィンの一例を示す図であり、同図（ａ）は互いに積層されるコルゲートフィンの斜視図、同図（ｂ）はそれらのコルゲートフィンの平面図をそれぞれ示している。同図に示すように、本発明の一次伝面型熱交換器に用いられるコルゲートフィン３は、薄い合金シートを素材とし、これをひだ付けの性質を備えるように波形に成形し、全体として矩形状にしたものである。
【００３１】
図３に示すコルゲートフィン３は、外周部３ａがプレス加工により押し潰されている。この押し潰された外周部３ａには、互いに積層されたコルゲートフィン３間の流体通路を確保するため、後述する図４に示すスペーサーバー４が接合される。
【００３２】
本発明におけるコルゲートフィン３では、外周部３ａを除く領域の表裏面に、波状の頂部となる各畝３ｂが、両端部と平行でなく（他の両端部とは直角でなく）、両端部に対し所定の角度で傾斜して配列している。図３では、コルゲートフィン３の畝３ｂが両端部に対して３０°に傾斜した状態を例示している。
【００３３】
コルゲートフィン３の素材となる合金シートには、高強度で耐熱性に優れたステンレス系材料、Ｎｉ基超耐熱合金、アルミニウム合金などを用いるのが好ましい。ステンレス系材料としては、例えば、ＳＵＳ３４７、ＳＵＳ３２１、ＳＵＳ３１０、ＳＵＳ３１０Ｓ、ＳＵＳ３０４等を、またＮｉ基超耐熱合金としては、例えば、インコネル６２５等を用いることができる。また、アルミニウム合金として、３００３、４００４、６９５１等を適用できる。
【００３４】
その合金シートの厚さは、合金シートを細密な波状に成形でき、外周部３ａのプレス加工も行えるように、０．０６〜０．１５ｍｍの範囲内が好ましく、特に０．１０ｍｍ程度が望ましい。
【００３５】
また、コルゲートフィン３は、伝熱面積および強度を確保しつつコンパクト性を維持できるように、単位長さ当たりの畝３ｂの設置数、すなわちフィン数を２０〜３０ｆｉｎ／ｉｎｃｈとするのが好ましく、２５ｆｉｎ／ｉｎｃｈ以上とするのがより好ましい。同様の観点から、畝３ｂの高さ、すなわちフィン高さを１．５〜３．０ｍｍとするのが好ましく、２．５ｍｍ以下とするのがより好ましい。
【００３６】
図４は、本発明の一次伝面型熱交換器における伝熱コアの構成例を示す図であり、同図（ａ）は斜視図、同図（ｂ）はサイドプレートを除いた状態での平面図、同図（ｃ）は高温流体通路の出口の正面図、同図（ｄ）は低温流体通路の出口の正面図をそれぞれ示している。同図に示す本発明の一次伝面型熱交換器の伝熱コア２は、前記図３に示すコルゲートフィン３を用いて構成される。
【００３７】
具体的には、コルゲートフィン３は、押し潰された外周部３ａの両端部に一対のスペーサーバー４が接合され、さらに、その裏面の他の両端部にも一対のスペーサーバー４が接合される。伝熱コア２は、スペーサーバー４が接合されたコルゲートフィン３を積み重ね、互いに重なるスペーサーバー４を接合して構成される。伝熱コア２の最上段と最下段に配されるコルゲートフィン３には、サイドプレート５がろう付される。
【００３８】
この伝熱コア２では、コルゲートフィン３の畝３ｂが傾斜配列しているのに伴い、積層されたコルゲートフィン３の畝３ｂが交互に所定の角度で交差するように配置され、コルゲートフィン３間に交互に高温流体通路６と低温流体通路７が形成される。そして、図４（ｂ）に実線矢印で示すように、高温流体通路６を流通する高温流体Ｈと、低温流体通路７を流通する低温流体Ｌとは、それぞれ伝熱コア２における流体通路６、７の入口から出口に向かう方向を主流方向として流れ、その主流方向が互いに直交する。
【００３９】
図４に示す伝熱コア２においては、高温流体通路６を形成するコルゲートフィン３の畝３ｂが６０°の角度θ１で交差し、低温流体通路７を形成するコルゲートフィン３の畝３ｂが１２０°の角度θ２で交差した状態を例示している。以下の説明では、積層されたコルゲートフィン３の畝３ｂの交差角θ１、θ２を「挟み角」ともいう。
【００４０】
そして、高温流体Ｈの主流方向は、高温流体通路６を形成する両方のコルゲートフィン３の畝３ｂと交差し、いずれの畝３ｂとも等しい角度（３０°）で交差している。同様に、低温流体Ｌの主流方向は、低温流体通路７を形成する両方のコルゲートフィン３の畝３ｂと交差し、いずれの畝３ｂとも等しい角度（６０°）で交差している。すなわち、本実施形態では、各流体通路６、７において、コルゲートフィン３の畝３ｂが各流体Ｈ、Ｌの主流方向に対し対称に配置される。
【００４１】
このような伝熱コア２を有する一次伝面型熱交換器は、各流体Ｈ、Ｌの主流方向が互いに直交する直交流方式の熱交換器として成り立つ。この一次伝面型熱交換器においては、各流体通路６、７での流体Ｈ、Ｌが、当該流体通路６、７を形成する両方のコルゲートフィン３の畝３ｂを順次越えながら流れることにより乱流効果が促進され、その過程で、両者を仕切るコルゲートフィン３を介し、効率良く熱交換を行うことができる。その際に、各流体Ｈ、Ｌが各流体通路６、７を形成する両方のコルゲートフィン３と有効に接触するため、本発明の一次伝面型熱交換器は、従来の交差流方式の一次伝面型熱交換器よりも熱交換効率を向上させることができる。その結果、同じ熱交換性能を有する従来の一次伝面型熱交換器よりも、コンパクトで軽量な熱交換器とすることが可能になる。
【００４２】
図５は、本発明の一次伝面型熱交換器における伝熱コアの他の構成例を示す図であり、同図（ａ）は互いに積層されるコルゲートフィンを個々に示す平面図、同図（ｂ）は伝熱コアのサイドプレートを除いた状態での平面図をそれぞれ示している。図５（ａ）に示すように、本実施形態のコルゲートフィン３は、全体として平行四辺形となる形状にしたものであり、前記図３（ｂ）に示すコルゲートフィン３と同様に、傾斜配列した畝３ｂを備える。
【００４３】
図５（ａ）に示すコルゲートフィン３を積層して構成される伝熱コア２では、図５（ｂ）に実線矢印で示すように、高温流体通路６を流通する高温流体Ｈと、低温流体通路７を流通する低温流体Ｌとは、それぞれ伝熱コア２の入口から出口に向かう方向を主流方向として流れ、その主流方向が互いに傾斜して交差する。すなわち、このような伝熱コア２を有する一次伝面型熱交換器は、斜交流方式の熱交換器として成り立つ。
【００４４】
この斜交流方式の一次伝面型熱交換器でも、上述した直交流方式の一次伝面型熱交換器と同様に、各流体通路６、７での流体Ｈ、Ｌが、当該流体通路６、７を形成する両方のコルゲートフィン３の畝３ｂを順次越えながら流れるため、乱流効果により、両方のコルゲートフィン３と有効に接触し、熱交換効率を向上させることができる。
【００４５】
従って、直交流方式や斜交流方式といったように、各流体通路を流通する流体の主流方向が互いに交差する交差流方式を採用し、各流体の主流方向が、当該流体通路を形成するいずれのコルゲートフィンの畝とも交差するように配置した一次伝面型熱交換器とすることにより、同じ熱交換性能を有する従来の一次伝面型熱交換器よりも、コンパクト化と軽量化を実現することが可能になる。
【００４６】
本発明の熱交換器は、交差流方式であることから、向流方式で必須となるディストリビュータ部の設置が不要となり、また一次伝面型熱交換器であることから、プレートフィン型熱交換器で必須となるチューブプレートも不要となり、その結果、部品点数を削減でき、構造を簡素にすることができる。
【００４７】
前記図４（ｂ）に示す挟み角θ１、θ２の好適な範囲について検討する。
【００４８】
図６は、コルゲートフィン間に形成される流体通路に流体を流通させたＣＦＤ解析により伝熱コアの性能を評価した結果を示す図であり、同図（ａ）は挟み角と圧力損失との関係を示し、同図（ｂ）は挟み角と伝熱性能との関係を示している。同図では、コルゲートフィンの畝を流体の主流方向に対し対称に配置した条件で、挟み角を４０〜１４０°まで２０°ずつ変更して解析を行い、挟み角が６０°の場合を基準（１）とした比率を用いて、各挟み角での圧力損失と伝熱性能を表示している。
【００４９】
図６（ａ）、（ｂ）に示すように、挟み角が大きくなるほど、当該流体通路の圧力損失と伝熱性能はともに増加する。すなわち、挟み角を大きく設定すれば、流体がコルゲートフィンの畝を順次越えながら流体通路を流通する際に、流路抵抗が増加し、これに伴って伝熱性能が増加する。このため、優れた熱交換効率を得るには、挟み角を大きく設定することが好ましい。
【００５０】
ただし、図６（ａ）に示すように、挟み角が１２０°を超えると、圧力損失が急激に増加する。これは、流路抵抗が著しくなることを意味し、熱交換器を使用する上で支障となる。このため、使用上で問題なく、優れた熱交換効率を確保するには、挟み角を６０°〜１２０°の範囲内に設定するのが望ましい。
【００５１】
前記図４および図５に示す伝熱コア２では、熱交換対象の流体Ｈ、Ｌとして、空気やガスなどの気体と、冷却水や温水などの液体を採用することができる。また、両方とも気体を採用したり、両方とも液体を採用することもできる。
【００５２】
流体Ｈ、Ｌとして気体と液体を採用する場合、例えば、気体はファンやブロアによって伝熱コア２に供給され、液体はポンプによって伝熱コア２に供給される。この場合、ファンやブロアによる気体の送給力は、ポンプによる液体の送給力に比べて低いため、伝熱コア２で気体の流路抵抗が過大であると、気体を十分に供給できなくなる。このため、伝熱コア２での流路抵抗は、液体が流通する流体通路よりも、気体が流通する流体通路で低減させることが好ましく、そのためには、伝熱コア２において、気体の主流方向がコルゲートフィン３の畝３ｂと交差する角度を、液体の主流方向がコルゲートフィン３の畝と交差する角度よりも小さく設定することが好ましい。この構成は、気体が液体よりも流路抵抗の影響を受け易いことから、気体の圧力損失を抑制するためにも有効である。
【００５３】
本発明の一次伝面型熱交換器を実用的に適用できる構成を説明する。
【００５４】
図７は、本発明の一次伝面型熱交換器の全体構成例を示す平面図である。同図では、上面側のサイドプレート５を一部破断した状態を示している。
【００５５】
同図に示すように、一次伝面型熱交換器１は、伝熱コア２を内設するケーシング８と、高温流体用の入側ヘッダー９ａ、入側ノズル１０ａ、出側ヘッダー１１ａおよび出側ノズル１２ａと、低温流体用の入側ヘッダー９ｂ、入側ノズル１０ｂ、出側ヘッダー１１ｂおよび出側ノズル１２ｂとから構成される。各入側ヘッダー９ａ、９ｂおよび各入側ノズル１０ａ、１０ｂは、伝熱コア２への各流体Ｈ、Ｌの流入部をそれぞれ形成する。各出側ヘッダー１１ａ、１１ｂおよび各出側ノズル１２ａ、１１ｂは、伝熱コア２からの各流体Ｈ、Ｌの流出部をそれぞれ形成する。
【００５６】
このような構成の熱交換器１を組み立てるに際し、上面側のサイドプレート５が取り付けられる前のケーシング８内に、スペーサーバー４が接合されたコルゲートフィン３を積み重ねる。このとき、スペーサーバー４の両端部４ａがコルゲートフィン３の外周部から突出するように予め形成し、コルゲートフィン３の各角部から突出するスペーサーバー４の端部４ａをケーシング８に嵌合させることにより、ケーシング８に対しコルゲートフィン３およびスペーサーバー４を位置決めすることができる。このため、別途の位置決め用治具が不要となり、組み立てが容易となる。
【００５７】
そして、ケーシング８内の最上段のコルゲートフィン３を覆うようにサイドプレート５を配置するとともに、このサイドプレート５を上面として含むケーシング８の各側面を覆うように、各入側ヘッダー９ａ、９ｂおよび入側ノズル１０ａ、１０ｂ、ならびに各出側ヘッダー１１ａ、１１ｂおよび出側ノズル１２ａ、１２ｂを配置し、これらを一体で加熱しろう付を行う。これにより、積層されたコルゲートフィン３がろう付接合され、これと同時に、ケーシング８と、各入側ヘッダー９ａ、９ｂおよび入側ノズル１０ａ、１０ｂ、ならびに各出側ヘッダー１１ａ、１１ｂおよび出側ノズル１２ａ、１２ｂがろう付接合され、一次伝面型熱交換器１を構成することができる。
【００５８】
このような構成にすれば、一次伝面型熱交換器を組み立てるに際し、溶接施工を削減することができ、しかも一度の加熱処理で熱交換器全体の接合を行えるため、溶接施工に伴う溶接入熱への配慮や、自動溶接機の導入の検討が不要であり、熱交換器の組み立てに要するコストの低減を一層図ることが可能になる。しかも、溶接による接合と比較して、接合時の伝熱コアの変形を小さくでき、熱応力の発生を抑制できる。
【００５９】
ただし、積層されたコルゲートフィン３よりなる伝熱コア２と、ケーシング８と、各ヘッダー９ａ、９ｂ、１１ａ、１１ｂおよび各ノズル１０ａ、１０ｂ、１２ａ、１２ｂとを、一度の加熱処理で接合せず、それぞれを個別に溶接などで接合することも可能である。
【００６０】
上述した通り、交差流方式を採用した本発明の一次伝面型熱交換器は、熱交換効率の向上に伴ってコンパクト化と軽量化を実現できるため、航空機用の熱交換器として好適に採用することができる。
【００６１】
その他本発明は上記の実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。例えば、上記の実施形態では、コルゲートフィンとして、波状の頂部となる畝が直線状で配列したプレーン型を示したが、フィンの畝が蛇行して配列したヘリンボーン型を採用することもできる。コルゲートフィンに穴や切れ目がない限り、一次伝面型熱交換器でのコルゲートフィンの機能を果たせるからである。
【００６２】
また、前記図３および図４では、各流体通路での流体の主流方向が、当該流体通路を形成するいずれのコルゲートフィンの畝とも等しい角度で交差する状態を示したが、一方の畝と交差する角度と、他方の畝と交差する角度とが異なっても構わない。すなわち、各流体通路において、フィンの畝が各流体の主流方向に対し非対称に配置することもできる。各流体の主流方向がいずれのコルゲートフィンの畝とも交差する限り、いずれのフィンとも有効に接触するため、熱交換効率の向上が図れるからである。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明の一次伝面型熱交換器によれば、各流体通路での流体の主流方向がいずれのコルゲートフィンの畝とも交差する構成であるため、各流体が、当該流体通路を形成する両方のコルゲートフィンの畝を順次越えながら流れ、その過程で、両者を仕切るコルゲートフィンと有効に接触し、効率良く熱交換を行うことができ、熱交換効率を向上させることが可能になる。また、交差流方式を採用することに伴い、部品点数を削減でき、構造も簡素になる。
【００６４】
従って、本発明の一次伝面型熱交換器は、熱交換の性能を十分確保しつつ安価に構成でき、分散型エネルギーシステムや航空機などで使用する熱交換器として広く適用できる。
【符号の説明】
【００６５】
１：一次伝面型熱交換器、    ２：伝熱コア、
３：コルゲートフィン、    ３ａ：外周部、    ３ｂ：畝、
４：スペーサーバー、    ４ａ：端部、    ５：サイドプレート、
６：高温流体通路、    ７：低温流体通路、    ８：ケーシング、
９ａ、９ｂ：入側ヘッダー、    １０ａ、１０ｂ：入側ノズル、
１１ａ、１１ｂ：出側ヘッダー、    １２ａ、１２ｂ：出側ノズル、
Ｈ：高温流体、    Ｌ：低温流体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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