JP2007078258A - 積層型熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】エンボス周囲を流れる低温流体のよどみを抑制することができる内燃機関用の積層型熱交換器を提供する。
【解決手段】複数のプレートが積層されて構成され、各プレート間に、内燃機関から供給される高温流体が流れる高温流体通路１１と、高温流体と熱交換を行う低温流体が流れる低温流体通路１２と、が交互に積層配置されており、低温流体通路１２を形成する上下プレートにエンボス成形を施した内燃機関用の積層型熱交換器１１０、１２０であって、エンボス１０、２０の外壁面は、長手方向の略下流側に向けて延設されており、且つ次第に収束する先端部１０ｃ、２０ｃを形成している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、オイルクーラやＥＧＲクーラ等の内燃機関用の積層型熱交換器に関する。

近年、内燃機関用の積層型熱交換器としては、高温流体通路のみ複数のプレートを積層して構成し、これをケーシング等で包み込んだもの（以下「Ａタイプの積層型熱交換器」という。）と、高温流体通路及び低温流体通路の双方とも複数のプレートを積層して構成するもの（以下「Ｂタイプの積層型熱交換器」という。）と、がある。かかる積層型熱交換器にあっては、いずれのタイプにおいても、高温流体通路を形成する上下プレート間には、熱交換効率を向上させるためのフィンや、補強部材の一種であるリンフォースなどが設けられている一方で、低温流体通路を形成する上下プレート間には、補強部材が設けられていない。そのため、低温流体通路を形成する上下プレートは、耐圧性が低く亀裂等の破損が生じやすい。

そこで、従来、かかる低温流体通路を形成する上下プレートを補強するために、該上下プレートにエンボス成形を施したものが開発されている（例えば、特許文献１，２参照）。

以下、図９〜１２を参照しながら、従来の積層型熱交換器の問題点について詳細に説明する。図９〜１２には、従来の積層型熱交換器が示されていて、前述したＡタイプの積層型熱交換器９０が示されている。すなわち、図９はＡタイプの積層型熱交換器９０の要部を示す図、図１０は低温流体通路１０１を示す概略図、図１１は上流側付近における低温流体の流れを示す模式図、図１２は図１１に示した低温流体の流れ解析の結果をベクトル表示した図である。但し、図１０にはケーシング１０３を示しているが、図９、１１、１２には示していない。なお、図１２の流れ解析は、自動車用オイルクーラを対象とし、所定の流体解析ソフト（ＳＣＲＹＵ／Ｔｅｔｒａ）を用いて行った。低温流体としては冷却水（温度；９０℃）を流し、その流量を０．１５ｋｇ／ｓｅｃとした。

同図に示すように、積層型熱交換器９０は、複数のプレート９１〜９４が積層されて構成されており、各プレート間には、内燃機関から供給される高温流体（例えば、オイルクーラ、ＥＧＲガス等）が流れる高温流体通路１０１と、高温流体と熱交換を行う低温流体（例えば、冷却水等）が流れる低温流体通路１０２と、が交互に積層配置されている。

そして、高温流体通路１０１を形成する上下プレート間（例えば、プレート９１とプレート９３ａとの間、及びプレート９４とプレート９３ｂとの間など）には、フィン９５及びリンフォース９６を備えたプレート９２が設けられる一方で、低温流体通路１０２を形成する上下プレート（例えば、プレート９３ａ、９３ｂ、及びプレート９４など）には、エンボス成形が施され、略円柱状のエンボス１００が該プレート間に設けられている。

エンボス１００は、例えば、上下プレートをプレス成形して接合したものであり、より具体的には、上側のプレート９３ａにプレス成形したエンボス１００ａと、下側のプレート９４にプレス成形したエンボス１００ｂとを、ろう付け接合したものである。そして、このエンボス１００は、断面が円形状に成形されており、長手方向中心線（ＣＬ_１）に対して左右対称的に配置されている。なお、上側のプレート９３ａと下側のプレート９４とは、接続ポート９７ａ,９７ｂを介して接続されており、最上段のプレート９１には、接続金具９８ａ,９８ｂが設けられている。また、各プレート９１〜９４、接続ポート９７ａ,９７ｂ及び接続金具９８ａ,９８ｂには、それぞれ高温流体通路１０１に連通する高温流体連通路９９ａ,９９ｂが鉛直方向に形成されている。

かかる積層型熱交換器９０において、低温流体は、エンボス１００が設けられた低温流体通路１０２を長手方向上流側から下流側に向けて流れ、その際に各プレート（例えば、プレート９３ａ、９４など）を介して高温流体と熱交換が行われる。また、低温流体通路１０２を形成する上下プレート９３ａ、９４にエンボス１００を設けたことにより、プレートの耐久性もある程度は向上する。
実開昭５０−１２３９５８号公報 実開平６−２２７７０号公報

しかしながら、従来の積層型熱交換器にあっては、前述したようにエンボス１００が略円柱状に成形されている（上記の図９、１０参照）。そのため、低温流体がエンボス１００の周囲を流れる際に、その下流側付近によどみ１０４が生じて、プレート９３ａ、９３ｂ、９４等の冷却が不十分となってしまう（上記の図１１、１２参照）。その結果、熱交換効率が低下して、該上下プレートへの熱負荷若しくは熱応力が著しく増加し、これらのプレートに亀裂等の破損が生じることがあった。また、かかる問題は、前述したＢタイプの積層型熱交換器でも生じ得る。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、エンボス周囲を流れる低温流体のよどみを抑制することができる内燃機関用の積層型熱交換器を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、複数のプレートが積層されて構成され、前記プレート間に、内燃機関から供給される高温流体が流れる高温流体通路と、前記高温流体と熱交換を行う低温流体が流れる低温流体通路と、が交互に積層配置されており、前記低温流体通路を形成する上下プレートにエンボス成形を施した内燃機関用の積層型熱交換器であって、前記エンボスの外壁面は、長手方向の略下流側及び／又は略下流側に向けて延設されており、且つ次第に収束する先端部を形成していることとし、特に、長手方向の略下流側に延設されており、且つ次第に収束する先端部を形成していることが好ましい。

また、本発明において、前記先端部は、その中心線が長手方向中心線に対して平行となるように配置し、或いは長手方向中心線に対して外側を向くように配置し、特に、長手方向中心線に対して内側を向くように配置することが好ましい。

本発明によれば、内燃機関用の積層型熱交換器において、エンボス周囲を流れる低温流体のよどみを抑制することができる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の各実施形態について説明する。
本発明の積層型熱交換器あっては、エンボス１０、２０の外壁面が、長手方向の略下流側に向けて延設され、且つ次第に収束する先端部１０ｃ、２０ｃを形成しており、第一実施形態の積層型熱交換器１１０では、先端部１０ｃの中心線（ＣＬ_１０）が長手方向中心線（ＣＬ_１）と平行となるように配置されている（図１〜４参照）。他方、第二実施形態の積層型熱交換器１２０では、先端部２０ｃが長手方向中心線（ＣＬ_１）側に向けられ、その中心線（ＣＬ_２０）が長手方向中心線（ＣＬ_１）と交差するように配置されている（図５〜８参照）。

＝＝＝第一実施形態＝＝＝
まず、図１〜４を参照しながら、本発明の第一実施形態について詳細に説明する。
図１〜４には、本実施形態の積層型熱交換器が示されていて、図１はＡタイプの積層型熱交換器１１０の要部を示す図、図２は低温流体通路１１を示す概略図、図３は上流側付近における低温流体の流れを示す模式図、図４は図３に示した低温流体の流れ解析の結果をベクトル表示した図である。但し、図２にはケーシング１３を示しているが、図１、３、４には示していない。なお、図４の流れ解析は図１２と同一条件で実施した。

同図に示すように、本実施形態の積層型熱交換器１１０は、図９に示した従来の積層型熱交換器９０とほぼ同様の構造を有している。具体的には、複数のプレート１〜４が積層されて構成されており、各プレート間には、内燃機関から供給される高温流体（例えば、オイルクーラ、ＥＧＲガス等）が流れる高温流体通路１１と、高温流体と熱交換を行う低温流体（例えば、冷却水等）が流れる低温流体通路１２と、が交互に積層配置されている。

そして、高温流体通路１１を形成する上下プレート間（例えば、プレート１とプレート３ａとの間、及びプレート４とプレート３ｂとの間など）には、フィン５及びリンフォース６を備えたプレート２が設けられる一方で、低温流体通路１２を形成する上下プレート（例えば、プレート３ａ、３ｂ、及びプレート４など）にはエンボス成形が施されている。

このエンボス１０は、例えば、上下プレートをプレス成形して接合したものであり、上側のプレート３ａにプレス成形したエンボス１０ａと、下側のプレート４にプレス成形したエンボス１０ｂとを、ろう付け接合したものである。なお、上側のプレート３ａと下側のプレート４とは、接続ポート７ａ,７ｂを介して接続されており、最上段のプレート１には接続金具８ａ,８ｂが設けられている。また、各プレート１〜４、接続ポート７ａ,７ｂ及び接続金具８ａ,８ｂには、それぞれ高温流体通路１１に連通する高温流体連通路９ａ,９ｂが鉛直方向に形成されている。

かかる積層型熱交換器１１０において、低温流体は、エンボス１０が設けられた低温流体通路１２を長手方向上流側から下流側に向けて流れ、その際に各プレート（例えば、プレート３ａ、４など）を介して高温流体と熱交換が行われる。また、低温流体通路１２を形成する上下プレート３ａ、４にエンボス１０を設けたことにより、プレートの耐久性が向上する。

ところで、本発明の積層型熱交換器１１０にあっては、エンボス１０の外壁面が、長手方向の略下流側に向けて延設され、且つ次第に収束する先端部１０ｃを形成しており、その先端部１０ｃの中心線（ＣＬ_１０）が長手方向中心線（ＣＬ_１）と平行となるように配置されている。より具体的には、エンボス１０の外壁面のうち、上流側半分は断面半円形状に成形され、他方、下流側半分は断面略三角形状に成形されており、エンボス１０の中心線（ＣＬ_１０）を軸にして左右対称的な形状を有するとともに、下流側の先端部１０ｃが円弧状に成形されている。さらに、各エンボス１０の中心線（ＣＬ_１０）（先端部１０ｃの中心線と同一）は、いずれも長手方向中心線（ＣＬ_１）に対して平行となるように配置されており、長手方向中心線（ＣＬ_１）上にはエンボス１０が四箇所配置され、その上下二本の平行線上にはエンボス１０が五箇所ずつ配置されている。なお、エンボス１０の配置箇所及び配置数は、図９〜１２と同様であり、各エンボス１０は長手方向中心線（ＣＬ_１）に対して左右対称となるように合計１４箇所配置されている。但し、エンボス１０の配置箇所及び配置数、形状等については、適宜設計しうることは言うまでもなく、例えば、エンボス１０の下流側半分を曲面的に延設して流れ線形状としてもよい。また、同図では、各エンボス１０の形状をいずれも同一形状としているが、配置箇所に応じて異なる形状としてもよい。

上記の構成によれば、エンボス１１０が前述したように変形されている。そのため、低温流体がエンボス１０の周囲を流れる際に、その下流側付近のよどみ１４が減少し、プレート３ａ、３ｂ、４等の冷却不足が解消される。その結果、熱交換効率の低下が抑制され、プレート３ａ、３ｂ、４等への熱負荷若しくは熱応力が減少し、これらのプレートに亀裂等の破損が生じにくくなる。従って、本実施形態の場合には、従来の場合（図１１、１２参照）と比べて優れた効果を奏するようになる。

＝＝＝第二実施形態＝＝＝
次に、図５〜８を参照しながら、本発明の第二実施形態について詳細に説明する。図５〜８には、本実施形態の積層型熱交換器が示されていて、図５はＡタイプの積層型熱交換器１２０の要部を示す図、図６は低温流体通路１２を示す概略図、図７は上流側付近における低温流体の流れを示す模式図、図８は図７に示した低温流体の流れ解析の結果をベクトル表示した図である。但し、本実施形態では、第一実施形態と同一若しくは類似の箇所には同一の符号を付し、異なる箇所及び新たに追加した箇所にのみ新たな符号を付している。なお、図８の流れ解析は図４と同一条件で実施した。

同図に示すように、本実施形態の積層型熱交換器１２０は、図１〜４に示した積層型熱交換器１１０とほぼ同様の構造を有しており、エンボス２０の形状は第一実施形態と同一形状である。しかし、本実施形態にあっては、エンボス２０の配置箇所、配置数等が、第一実施形態と異なる。すなわち、本実施形態の積層型熱交換器１２０にあっては、各エンボス２０の外壁面が、長手方向の略下流側に向けて延設され、且つ次第に収束する先端部２０ｃを形成するとともに、いずれも長手方向中心線（ＣＬ_１）側に向けられ、その中心線（ＣＬ_２０）が長手方向中心線（ＣＬ_１）と交差するように配置されている。

これらのエンボス２０は、長手方向中心線（ＣＬ_１）を軸にして左右対称的に配列され、複数のエンボス２０が一組となって、各組が上流側から下流側に向けて略ハ字状となるように配列されている。また、本発明の構成は、同図の形態に限定されるものではなく、例えば、各エンボス２０について交差角度θが同一となるように設計してもよい。

さらに、エンボス２０の中心線（ＣＬ_２０）（先端部２０ｃの中心線と同一）と長手方向中心線（ＣＬ_１）との交差角度θは、各エンボス２０について異なるものとしてもよく、具体的な交差角度θは適宜設計することとする。但し、説明の便宜上、各中心線及び交差角度については、それぞれ同一の符号ＣＬ_２０及びθを付している。

上記の構成によれば、エンボス２０の形状が第一実施形態の場合と同様に変形し、さらにその配置・配列も改良されている。そのため、低温流体がエンボス２０の周囲を流れる際に、その流れがコントロールされて低温流体が中央部に集中するとともに、エンボス２０の下流側付近のよどみ１４が著しく減少する（有効伝熱面積：約３〜５％増加）。これにより、プレート３ａ、３ｂ、４等の冷却不足が十分に解消されることとなる。その結果、熱交換効率が約２〜３％向上し、プレート３ａ、３ｂ、４等に亀裂等の破損がよりいっそう発生しにくくなる。従って、本実施形態の場合には、従来の場合（図１１、１２参照）と比べて優れた効果を奏するだけでなく、第一実施形態の場合（図３、４参照）と比べてもより優れた効果を奏するようになる。

以上の通り、本発明の各実施形態の構成によれば、Ａタイプの積層型熱交換器について、エンボス周囲を流れる低温流体のよどみを抑制することができる。これにより、エンボス成形された上下プレート等に亀裂等の破損が生じにくくなる。また、本発明は、Ｂタイプの積層型熱交換器についても適用可能であり、かかる場合にも同様の効果を奏する（但し、図示せず）。従って、かかる本発明の構成によれば、Ａタイプ及びＢタイプのいずれの場合においても、より優れた効果を奏することとなる。

ところで、本発明において、交差角度θは、−９０°≦θ≦９０°の範囲内で設計することが可能である。θ＝０°の場合には、両中心線が交差することなく平行に配置された形態を意味するとともに（第一実施形態：図１〜４参照）、０°＜θ≦９０°の場合には、先端部が長手方向中心線に対して内側を向くように配置された形態を意味する（本実施形態：図５〜８参照）。一方、−９０°≦θ＜０°の場合には、先端部が長手方向中心線に対して外側を向くように配置された形態を意味する（但し、図示せず）。なお、交差角度θが−９０°≦θ＜−４５°の場合及び４５°＜θ≦９０°場合には、エンボスの抵抗が比較的大きくなり、その周囲のよどみを低減することが困難となる。そのため、交差角度θは、−４５°≦θ≦４５°が好ましい。また、本発明の構成は、前述のように各エンボスにつき規則的に配置した構成に限定されるものではなく、例えば、各エンボスにつき上記の実施形態を適宜組み合わせて、不規則的に配置した構成としてもよい。

なお、上記の各実施形態において、エンボスの外壁面は、長手方向の略下流側のみに延設されており、且つ次第に収束する先端部を形成している。しかし、本発明の構成は、かかる実施形態の構成に限定されものではなく、例えば、エンボスの外壁面について、長手方向の略上流側に延設された構成とし、あるいは長手方向の略下流側及び略上流側の双方に向けて延設された構成としてもよい（但し、図示せず）。かかる場合においても、上記の実施形態と同様に、エンボス周囲を流れる低温流体のよどみを抑制することができる。

本発明の第一実施形態に係る積層型熱交換器の要部を示す図である。 本発明の第一実施形態に係る低温流体通路を示す概略図である。 本発明の第一実施形態に係る低温流体の流れを示す模式図である。 本発明の第一実施形態に係る低温流体の流れ解析の結果を示す図である。 本発明の第二実施形態に係る積層型熱交換器の要部を示す図である。 本発明の第二実施形態に係る低温流体通路を示す概略図である。 本発明の第二実施形態に係る低温流体の流れを示す模式図である。 本発明の第二実施形態に係る低温流体の流れ解析の結果を示す図である。 従来技術に係る積層型熱交換器の要部を示す図である。 従来技術に係る低温流体通路を示す概略図である。 従来技術に係る低温流体の流れを示す模式図である。 従来技術に係る低温流体の流れ解析の結果を示す図である。

符号の説明

３（３ａ，３ｂ）、４ プレート
１０（１０ａ，１０ｂ）、 ２０（２０ａ，２０ｂ） エンボス
１０ｃ、２０ｃ エンボスの先端部
１１ 高温流体通路
１２ 低温流体通路
１３ ケーシング
１４、１０４ よどみ
１１０、１２０ 積層型熱交換器
ＣＬ_１ 長手方向中心線
ＣＬ_１０、ＣＬ_２０ エンボス（先端部）の中心線

Claims (4)

1. 複数のプレートが積層されて構成され、前記プレート間に、内燃機関から供給される高温流体が流れる高温流体通路と、前記高温流体と熱交換を行う低温流体が流れる低温流体通路と、が交互に積層配置されており、前記低温流体通路を形成する上下プレートにエンボス成形を施した内燃機関用の積層型熱交換器であって、
   前記エンボスの外壁面は、長手方向の略下流側及び／又は略上流側に向けて延設されており、且つ次第に収束する先端部を形成していることを特徴とする内燃機関用の積層型熱交換器。
2. 請求項１に記載の内燃機関用の積層型熱交換器において、
   前記先端部は、その中心線が長手方向中心線に対して平行となるように配置されていることを特徴とする内燃機関用の積層型熱交換器。
3. 請求項１に記載の内燃機関用の積層型熱交換器において、
   前記先端部は、長手方向中心線に対して内側を向くように配置されていることを特徴とする内燃機関用の積層型熱交換器。
4. 請求項１に記載の内燃機関用の積層型熱交換器において、
   前記先端部は、長手方向中心線に対して外側を向くように配置されていることを特徴とする内燃機関用の積層型熱交換器。