| 【発明の名称】 |
熱交換器 |
| 【発明者】 |
【氏名】金塚 憲彦
【住所又は居所】東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三菱電機株式会社内
【氏名】村上 政明
【住所又は居所】東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三菱電機株式会社内
【氏名】北村 洋一
【住所又は居所】東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三菱電機株式会社内
【氏名】城川 伊知郎
【住所又は居所】東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三菱電機株式会社内
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| 【要約】 |
【課題】本発明は、流体の流れの方向に不均等な分布で配置された被熱交換体の温度をより均等に保つことを目的とするものである。
【解決手段】一端部１ａ側及び他端部１ｂ側におけるアンテナユニットの配置密度が中間部におけるアンテナユニットの配置密度よりも低くなっており、アンテナユニットと取付面１ｃ，１ｄとの間の熱交換が流体の相対的な流れの方向における位置毎に行われる場合に、取付面１ｃの一端部１ａ側及び他端部１ｂ側における針状フィン６ａの配置密度を、アンテナユニットの配置密度に対応させて、取付面１ｃの中間部における針状フィン６ａの配置密度よりも低くした。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 一端部と、他端部と、上記一端部と上記他端部との間に設けられている取付面とを有し、上記一端部側から上記他端部側へ向けて流れる流体の相対的な流れの中に配置される筐体、上記筐体内に配置され、上記一端部側及び上記他端部側における配置密度が上記一端部と上記他端部との中間部における配置密度よりも低くなっている複数の被熱交換体、上記流体の相対的な流れの方向における位置毎に上記被熱交換体と上記取付面との間で熱交換を行う複数の筐体内熱交換手段、及び互いに間隔をおいて上記取付面に立設された複数の針状フィンを有し、上記取付面と上記流体との間で熱交換を行うフィン群を備え、上記取付面の上記一端部側及び上記他端部側における上記針状フィンの配置密度が上記取付面の中間部における上記針状フィンの配置密度よりも低くなっていることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】 上記フィン群には、上記針状フィンの配置間隔を大きくすることにより、上記一端部側から上記中間部側へ向けて延びる流体導入流路が設けられており、かつ上記流体導入流路の幅は、上記一端部側から上記中間部側へ向けて徐々に小さくなっていることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項３】 上記フィン群には、上記針状フィンの配置間隔を大きくすることにより、上記中間部側から上記他端部側へ向けて延びる流体排出流路が設けられており、かつ上記流体排出流路の幅は、上記中間部側から上記他端部側へ向けて徐々に大きくなっていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱交換器。
【請求項４】 上記他端部側における上記針状フィンの配置密度が上記一端部側における上記針状フィンの配置密度よりも高くなっていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の熱交換器。
【請求項５】 上記フィン群の上記取付面と反対側の端部は、集風板により覆われていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の熱交換器。
【請求項６】 上記フィン群の下部には、上記針状フィンと平行に延びる側壁が設けられており、上記取付面の上記一端部側では、上記針状フィンが上記取付面の上部に配置されていることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、例えばアンテナ素子の冷却などに使用される熱交換器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、針状フィンを用いた冷却機構では、針状フィンを放熱面に一様に配置することが多かった。針状フィンは、平板状の放熱フィンに比べて、熱伝達率が数倍大きいが、流体が針状フィンの間を流れるときの流体抵抗が大きくなってしまう。これに対し、例えば実開平４−４７９８号公報には、針状フィンの間を流体がスムーズに流れるように、針状フィンの配置密度を上流側で粗に、下流側で密にする針状フィンの配置方法が示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記のような従来の針状フィンの配置方法では、被熱交換体の熱分布と針状フィンの配置分布とが必ずしも一致していなかったため、発熱量が比較的少なく、熱拡散板などが利用できる機器、即ち全体の放熱量だけに対応すればよいような機器に適用する場合は問題がなかった。
【０００４】しかし、例えばヘリコプタや飛行機などの航空機に搭載され、衛星通信などを行うのに用いられるＡＰＡＡアンテナ（アクティブ・フェーズド・アレイ・アンテナ）では、個々のアンテナ素子に対応した制御部での発熱量が多い上、アンテナ面全体で全ての制御部を均等な温度に冷却する必要がある。即ち、アンテナ面内において冷却の過不足が許されないＡＰＡＡアンテナでは、従来の流体の流れだけに着目したフィン配置では、安定かつ十分な特性を得られないという課題があった。
【０００５】この発明は、上記のような問題点を解決することを課題としてなされたものであり、流体の流れの方向に不均等な分布で配置された複数の被熱交換体の温度をより均等に保つことができる熱交換器を得ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この発明に係る熱交換器は、一端部と、他端部と、一端部と他端部との間に設けられている取付面とを有し、一端部側から他端部側へ向けて流れる流体の相対的な流れの中に配置される筐体、筐体内に配置され、一端部側及び他端部側における配置密度が一端部と他端部との中間部における配置密度よりも低くなっている複数の被熱交換体、流体の相対的な流れの方向における位置毎に被熱交換体と取付面との間で熱交換を行う複数の筐体内熱交換手段、及び互いに間隔をおいて取付面に立設された複数の針状フィンを有し、取付面と流体との間で熱交換を行うフィン群を備え、取付面の一端部側及び他端部側における針状フィンの配置密度が取付面の中間部における針状フィンの配置密度よりも低くなっているものである。
【０００７】また、フィン群には、針状フィンの配置間隔を大きくすることにより、一端部側から中間部側へ向けて延びる流体導入流路が設けられており、かつ流体導入流路の幅は、一端部側から中間部側へ向けて徐々に小さくなっている。さらに、フィン群には、針状フィンの配置間隔を大きくすることにより、中間部側から他端部側へ向けて延びる流体排出流路が設けられており、かつ流体排出流路の幅は、中間部側から他端部側へ向けて徐々に大きくなっている。さらにまた、他端部側における針状フィンの配置密度が一端部側における針状フィンの配置密度よりも高くなっている。また、フィン群の取付面と反対側の端部は、集風板により覆われている。さらに、フィン群の下部には、針状フィンと平行に延びる側壁が設けられており、取付面の一端部側では、針状フィンが取付面の上部に配置されている。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図について説明する。
実施の形態１．図１はこの発明の実施の形態１によるＡＰＡＡアンテナの熱交換器を一部切り欠いて示す平面図、図２は図１の熱交換器を示す正面図、図３は図１の熱交換器を示す側面図である。図において、金属製の薄形の筐体１は、一端部１ａと、他端部１ｂと、一端部１ａと他端部１ｂとの間に設けられ、互いに対向する一対の取付面１ｃ，１ｄとを有している。また、筐体１は、一端部１ａから他端部１ｂへ向けて流れる流体の相対的な流れの中に配置される。
【０００９】筐体１内には、被熱交換体である多数のアンテナユニット２が配置されている。アンテナユニット２は、アンテナ素子と、アンテナ素子の直下に配置されている小形パッケージ状のアンテナ素子制御部とを有している。アンテナ素子は、アンテナ機能の要求から、なるべく円形に近くなるように（円形近似して）配列されている。
【００１０】即ち、取付面１ｃ，１ｄの一端部１ａ側及び他端部１ｂ側におけるアンテナユニット２の配置密度は、取付面１ｃ，１ｄの中間部におけるアンテナユニット２の配置密度よりも低くなっている。また、アンテナユニット２の配置密度は、一端部１ａ側から中間部へ向けて徐々に高くなり、中間部から他端部１ｂ側へ向けて徐々に低くなっている。
【００１１】筐体１内には、流体の相対的な流れの方向における位置毎にアンテナユニット２と取付面１ｃ，１ｄとの間で熱交換を行う筐体内熱交換手段としての複数のヒートパイプ３が設けられている。この例では、２列のアンテナユニット２に対して、取付面１ｃ側に１本のヒートパイプ３が、取付面１ｄ側に１本のヒートパイプ３がそれぞれ配置されている。各ヒートパイプ３は、取付面１ｃ，１ｄの内側に接する凝縮部４を有している。筐体１の上部には、カバーであるレドーム５が被せられている。
【００１２】取付面１ｃ，１ｄには、取付面１ｃ，１ｄと筐体１外を流れる流体との間で熱交換を行うフィン群６がそれぞれ設けられている。各フィン群６は、互いに間隔をおいて取付面１ｃ，１ｄに立設された多数の針状フィン６ａを有している。
【００１３】一端部１ａ側及び他端部１ｂ側における針状フィン６ａの配置密度は、中間部における針状フィン６ａの配置密度よりも低くなっている。また、この例では、針状フィン６ａの配置密度は、アンテナユニット２の配置密度に対応して変化されている。
【００１４】フィン群６には、針状フィン６ａの配置間隔を大きくすることにより、一端部１ａ側から中間部側へ向けて延びる流体導入流路６ｂが設けられている。流体導入流路６ｂの幅は、一端部１ａ側から中間部側へ向けて徐々に小さくなっている。即ち、流体導入流路６ｂと針状フィン６ａの列との境界は、ほぼ＞形になっている。
【００１５】また、フィン群６には、針状フィン６ａの配置間隔を大きくすることにより、中間部側から他端部１ｂ側へ向けて延びる流体排出流路６ｃが設けられている。流体排出流路６ｃの幅は、中間部側から他端部１ｂ側へ向けて徐々に大きくなっている。即ち、流体排出流路６ｃと針状フィン６ａの列との境界は、ほぼ＜形になっている。
【００１６】次に、動作について説明する。高出力のアンテナ素子制御部で発生した熱は、ヒートパイプ３により輸送され、凝縮部４から取付面１ｃ，１ｄに伝達される。取付面１ｃ，１ｄに伝達された熱交換器は、フィン群６の針状フィン６ａから流体（ここでは空気）に放出される。
【００１７】一般に、放熱フィンによる伝熱量は、（Ａ）フィン表面積と、（Ｂ）フィン表面の熱伝達率と、（Ｃ）フィン表面と流体との温度差との積（（Ａ）×（Ｂ）×（Ｃ））にほぼ比例する。針状フィン６ａは、平面状の放熱フィンに比べて、フィン表面の熱伝達率が数倍大きい上、単位面積当りのフィン表面積も大きいので、同等の流体をフィン群６内に供給できれば、より効率的な放熱が実現できる。
【００１８】また、針状フィン６ａの一般的な特徴として、針状フィン６ａに流体を供給するとき、その供給方向によって流体抵抗が大きく違うことが知られている。即ち、針状フィン６ａの軸方向の流れについては流体抵抗が低いが、軸方向に垂直な方向の流れについては流体抵抗が高くなってしまう。このため、針状フィン６ａの使用方法としては、（１）なるべく針状フィン６ａの軸方向に流体を流すようにする、（２）針状フィン６ａの軸方向に垂直な方向に流体を流す場合は、針状フィン６ａの配列をなるべく粗くする、などの工夫がなされる。
【００１９】図４は図１のＡＰＡＡアンテナが搭載されたヘリコプタを示す平面図、図５は図４のヘリコプタを示す正面図、図６は図４のヘリコプタを示す側面図である。図４〜６に示すように、ＡＰＡＡアンテナを航空機に取り付ける場合、フィン群６が配置された面が、機体進行方向に対して前後ではなく左右に位置するように配置すると走行風を有効に利用できる。
【００２０】しかし、この場合、針状フィン６ａに供給される流体は、軸方向に垂直な方向となり、流体抵抗が高くなってしまう。また、ＡＰＡＡアンテナの特徴の一つである「薄形」の影響で、針状フィン６ａを配置する筐体１の厚さ方向の寸法制約がきつくなる。このため、必要な放熱能力を確保するためには、針状フィン６ａの配置密度を高くする必要がある。
【００２１】ここで、図１７は筐体の側面全体に均等な密度で針状フィンが配置されている熱交換器に走行風が当たった状態を示す説明図である。このような熱交換器では、針状フィン６ａが高密度に横長に配置されているため、走行風８に対して非常に高い流体抵抗を示す。このため、ヘリコプタ７が前方に飛行しているときに流れる走行風８は、一部はフィン群６の中に入り込むが、大部分はフィン群６を避けるように漏れ１１となり、結果としてフィン群６には十分な流体が供給できなかった。
【００２２】また、図１８は図１７の熱交換器にヘリコプタホバリング時の下降流が当たった状態を示す説明図である。この場合、筐体１の幅方向寸法よりも厚さ方向寸法が小さいため、下降流１０に対するフィン群６の流体抵抗は低く、フィン群６に必要十分な流体が流れるが、どうしてもフィン群６の周囲にも漏れ１１が生じてしまう。
【００２３】これに対し、図７は図１の熱交換器に走行風が当たった状態を示す説明図、図８は図７の熱交換器にヘリコプタホバリング時の下降流が当たった状態を示す説明図である。実施の形態１の熱交換器では、針状フィン６ａが、走行風８の流れる方向に沿って、アンテナユニット２の数にほぼ比例するように配置されている。
【００２４】このため、各ヒートパイプ３に対応するアンテナユニット２の個数と針状フィン６ａの本数との比をほぼ一定にすることができる。即ち、発熱量に応じた放熱を行うことができる。この結果、各アンテナ素子制御部は、ほぼ均等に冷却されるので、ＡＰＡＡアンテナの面内温度むらを抑制でき、部分的な冷やし過ぎや冷却不足を防止することができ、安定かつ十分なアンテナ特性を得ることができる。また、走行風８の方向に対して、流体抵抗が特に高い針状フィン６ａの密な部分の長さを短くできるので、フィン群６内での流体の流れがスムーズになる。
【００２５】また、走行風８の入口付近に流体導入流路６ｂが設けられているため、フィン群６内に走行風８が効率良く取り込まれ、一度取り込まれた流体がフィン群６外へ逃げる漏れ１１の量を抑えることができる。
【００２６】さらに、走行風８の出口付近に設けた流体排出流路６ｃがデフューザの働きをして、後部に抜ける流体９に負圧を発生させるので、周囲から流体１２を補助的に引き込むことができ、フィン群６の全体へ均等かつスムーズに流体を供給することができる。
【００２７】一方、ヘリコプタのホバリング時の下降流１０についても、中央よりも両端部の方が流体抵抗が低くなっているので、流体が針状フィン６ａ群を通過してから漏れ１１となる流れが多く、針状フィン６ａ群を最初から避けて流れる流体の量を抑えることができる。
【００２８】即ち、実施の形態１による熱交換器によれば、アンテナ素子制御部を均等に冷却することができる上、走行風８に対しても下降流１０に対しても流体をより多くフィン群６の内部に導き込める構造が実現できる。
【００２９】実施の形態２．次に、図９はこの発明の実施の形態２による熱交換器を示す側面図である。実施の形態１では、フィン群６における走行風８の入口側と出口側との針状フィン６ａの配置状態を対称にした。しかし、ホバリング時の下降流１０を考慮しなくてもよい場合、例えばＡＰＡＡアンテナを飛行機に搭載する場合などでは、流体が入口から出口に向けて一方向に流れていく間に、針状フィン６ａと熱交換することで流体自身の温度が上昇する点に重点を置き、出口側の針状フィン６ａの配置密度を若干高めにしてもよい。
【００３０】即ち、他端部１ｂ側における針状フィン６ａの配置密度を、一端部１ａ側における針状フィン６ａの配置密度よりも若干高くしてもよい。これにより、デフューザ効果は低くなるものの、アンテナ素子制御部での発熱量と放熱部での放熱量とのバランスを更に向上し、アンテナ面内の温度分布のばらつきを更に抑えることができる。
【００３１】実施の形態３．次に、図１０はこの発明の実施の形態３による熱交換器を示す正面図、図１１は図１０の熱交換器を示す側面図である。図において、フィン群６の取付面１ｃ，１ｄと反対側の端部は、集風板（フード）１３により覆われている。このような熱交換器では、フィン群６に取り込まれた流体が外部に漏れるのを防止することができ、より効果的な放熱が期待できる。
【００３２】実施の形態４．次に、図１２はこの発明の実施の形態４による熱交換器を示す正面図、図１３は図１２の熱交換器を示す側面図である。図において、フィン群６の取付面１ｃ，１ｄと反対側の端部は、集風板（フード）１４により覆われている。集風板１４の走行風上流端及び走行風下流端部（前後端部）には、端部へ行くほど間隔が広がるテーパ状の走行風テーパ部１４ａが設けられている。また、集風板１４の下降流上流端部（上端部）には、フィン群６側へ斜めに折り曲げられた折曲部１４ｂが設けられている。
【００３３】このような集風板１４を用いることにより、走行風８及び下降流１０の両方をフィン群６内により多く取り込むことができ、熱交換効率を向上させることができる。
【００３４】実施の形態５．次に、図１４はこの発明の実施の形態５による熱交換器を示す正面図、図１５は図１４の熱交換器を示す側面図である。図において、フィン群６の下部には、針状フィン６ａと平行に延びる側壁１５が、一端部１ａから他端部１ｂに渡って配置されている。また、針状フィン６ａは、側壁１５側の下辺が短い等脚台形状に配置されている。
【００３５】このような構成によれば、流体の取り込みをより効果的に行うことができる。また、針状フィン６ａの配置密度が低い部分、即ち一端部１ａ近傍及び他端部１ｂ近傍では、針状フィン６ａを取付面１ｃ，１ｄの上部に配置できるため、熱交換効率を向上させることができる。
【００３６】図１６はヒートパイプとフィン群との間の熱交換の様子を示す説明図である。アンテナ素子制御部の熱を吸収して気化された冷媒１６ａは、取付面１ｃ，１ｄに密着した凝縮部４で熱交換を行い液化される。このとき、凝縮部４には、気相の冷媒１６ａと液相の冷媒１６ｂとが混在するが、気相の冷媒１６ａは凝縮部４の上部に集まる。つまり、取付面１ｃ，１ｄと接している凝縮部４の面全体で熱交換が行われてはいるものの、取付面１ｃ，１ｄの下部では、液溜まりができて、その部分で蒸気が凝縮できず、取付面１ｃ，１ｄに熱を伝達しにくくなる。従って、放熱部品である針状フィン６ａは、取付面１ｃ，１ｄの上部に配置されるのが好ましい。
【００３７】なお、上記の例では、ＡＰＡＡアンテナの冷却のために用いられる熱交換器について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば列車に搭載される機器を冷却する熱交換器であってもよい。また、熱交換の媒体となる流体が流れていれば、移動体ではなく、固定物に搭載された機器に適用してもよい。また、被熱交換体よりも温度の高い流体により被熱交換体を加熱するために用いられる熱交換器にも、この発明は適用でき、被熱交換体を均等に加熱することができる。さらに、針状フィンの断面形状は、円形に限定されず、例えば四角形又は歯車形等であってもよい。さらにまた、針状フィンの配置方法は、碁盤目配置に限定されず、例えば千鳥格子状に配置してもよい。また、流体は空気に限定されるものではなく、例えば空気以外の気体や水等の液体であってもよい。
【００３８】
【発明の効果】以上説明したように、この発明の熱交換器は、一端部側及び他端部側における被熱交換体の配置密度が中間部における被熱交換体の配置密度よりも低くなっており、被熱交換体と取付面との間の熱交換が流体の相対的な流れの方向における位置毎に行われる場合に、取付面の一端部側及び他端部側における針状フィンの配置密度を、取付面の中間部における針状フィンの配置密度よりも低くしたので、流体の流れの方向に不均等な分布で配置された被熱交換体の温度をより均等に保つことができる。
【００３９】また、フィン群には、針状フィンの配置間隔を大きくすることにより、一端部側から中間部側へ向けて延びる流体導入流路が設けられており、かつ流体導入流路の幅は、一端部側から中間部側へ向けて徐々に小さくなっているので、フィン群内に流体が効率良く取り込まれ、一度取り込まれた流体がフィン群外へ逃げる漏れの量を抑えることができる。さらに、フィン群には、針状フィンの配置間隔を大きくすることにより、中間部側から他端部側へ向けて延びる流体排出流路が設けられており、かつ流体排出流路の幅は、中間部側から他端部側へ向けて徐々に大きくなっているので、流体排出流路がデフューザの働きをして、後部に抜ける流体に負圧を発生させるので、周囲から流体を補助的に引き込むことができ、フィン群の全体へ均等かつスムーズに流体を供給することができる。さらにまた、他端部側における針状フィンの配置密度が一端部側における針状フィンの配置密度よりも高くなっているので、一方向への流体の流れのみ考慮する場合に、被熱交換体全体での温度分布のばらつきを更に抑えることができる。また、フィン群の取付面と反対側の端部は、集風板により覆われているので、フィン群に取り込まれた流体が外部に漏れるのを防止することができ、より効果的な熱交換が期待できる。さらに、フィン群の下部には、針状フィンと平行に延びる側壁が設けられており、取付面の一端部側では、針状フィンが取付面の上部に配置されているので、熱交換効率を向上させることができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００６０１３
【氏名又は名称】三菱電機株式会社
【住所又は居所】東京都千代田区丸の内二丁目２番３号
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| 【出願日】 |
平成１４年２月８日（２００２．２．８） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００５７８７４
【弁理士】
【氏名又は名称】曾我 道照 （外６名）
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| 【公開番号】 |
特開２００３−２３４５８７（Ｐ２００３−２３４５８７Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１５年８月２２日（２００３．８．２２） |
| 【出願番号】 |
特願２００２−３２３１２（Ｐ２００２−３２３１２） |
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