JP2013122368A - 車両用熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】流入する作動流体の流れを変え、乱流を起すことによって、熱交換効率を向上し、冷却性能を向上させることができる車両用熱交換器を提供する。
【解決手段】第１流入ポートと第１排出ポートを通って第１作動流体が流入および排出できるように形成されたタンクと、タンクの下部と上部に装着され、第１チャンバーと第２チャンバーを形成し、それぞれに第２流入ポートと第２排出ポートを通って第２作動流体が流入および排出できるようにした第１ヘッダと第２ヘッダと、長さ方向に沿って複数の突出部が形成されたプレートを組み合わせて形成された結合管を備え、第１ヘッダの第１チャンバーと第２ヘッダの第２チャンバーを流体が流れることができるように連結された複数の放熱ユニットとを有して、結合管の内部には、第２作動流体が流れる連結流路が形成されて、結合管を流れる第２作動流体が、結合管の外部を流れる第１作動流体と熱交換して冷却される。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両用熱交換器に関し、より詳しくは、それぞれの作動流体が流入されて相互に熱交換して温度が調節される車両用熱交換器に関する。

最近の自動車産業は、環境とエネルギーに対する関心が高まることに伴って、燃費改善のための研究が行われており、多様な消費者の要求を満足させるために軽量化、小型化および高機能化のための研究開発が続いて行われている。
熱交換器は、伝熱壁を通って温度が高い流体から温度が低い流体に熱を伝達するもので、ラジエータ、加熱器、冷却器、蒸発器、および凝縮器などに使用されており、車両では、エンジンルームに装着され、空調システムや変速機オイルクーラーなどに適用されている。

熱交換器は、エンジンルームに装着しようとすると、限られた空間であることから装着するに困難を伴い、そこで、熱交換器の小型化、軽量化、さらに高効率化が求められ、精力的な研究が続いている〔例えば、特許文献１〜３参照〕。

最近は、プレートが積層され、冷却水を熱交換媒体として使用する板型熱交換器や、パイプ内部にさらに細いパイプを配置したシェルアンドチューブ（Ｓｈｅｌｌ ａｎｄ Ｔｕｂｅ）タイプ熱交換器の開発が行われている。しかしながら、板型熱交換器は、高圧流体と低圧流体の相互熱交換の時、プレートの厚さを増大させなければならず、作動流体間の熱交換効率が低下し、製作原価が高くなり、全体重量も増すなどの問題がある。シェルアンドチューブタイプ熱交換器は、比較的熱交換効率に優れるが、流体を乱流にするに難しく、さらに二重パイプとするので製作費用に比べて熱交換効率を上げ難いという問題がある。

特開２００６−１６２１７６号公報 特開２００８−１７０１４０号公報 特開２０１０−１９６６２６号公報

上記問題点を解決するためになされた本発明の目的は、流入する作動流体の流れを変え、乱流を起すことによって、熱交換効率を向上し、冷却性能を向上させることができる車両用熱交換器を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明の車両用熱交換器は、第１流入ポートと第１排出ポートを通って第１作動流体が流入および排出できるように形成されたタンクと、タンクの下部と上部に装着され、第１チャンバーと第２チャンバーを形成し、それぞれに第２流入ポートと第２排出ポートを通って第２作動流体が流入および排出できるようにした第１ヘッダと第２ヘッダと、長さ方向に沿って複数の突出部が形成されたプレートを組み合わせて形成された結合管を備え、第１ヘッダの第１チャンバーと第２ヘッダの第２チャンバーを流体が流れることができるように連結された複数の放熱ユニットとを有して、結合管の内部には、第２作動流体が流れる連結流路が形成されて、結合管を流れる第２作動流体が、結合管の外部を流れる第１作動流体と熱交換して冷却される。

以下、本発明に係る車両用熱交換器の好ましい形態を挙げる。
第１ヘッダと第２ヘッダには、それぞれ第１チャンバーに連結された第１装着ホールと第２チャンバーに連結された第２装着ホールが形成され、放熱ユニットの両端は、第１装着ホールと第２装着ホールにそれぞれ挿入される。

第１流入ポートと第１排出ポートは、第１チャンバーと第２チャンバーの間でタンクの一側面上部と他側面下部にそれぞれ対角線方向に配置され、第２流入ポートと第２排出ポートは、タンクの下面と上面に対角線方向に配置される。

各突出部は、プレス成型によりプレートに一体加工される。また、突出部は、半円形状に形成された外周面と内周面を有し、プレートの長さ方向に沿って螺旋形状に配置される。
放熱ユニットの両端部は、第１ヘッダと第２ヘッダにそれぞれ挿入され、放熱ユニットの両端部には、突出部が形成されない。

各結合管は、複数の突出部により形成された円形のパイプであり、結合管の内周面と外周面は、螺旋形状に形成されて連結流路の内部を流れる第２作動流体に回転による渦巻流を発生させ、連結流路の外部を通過する第１作動流体に乱流形成を誘導する。
結合管は、一対のプレートの突出部が外側に向かって突出されるように配置された状態で、一対のプレートを結合して形成する。

隣接した放熱ユニットは、幅方向に互いに交差するように配置されて、隣接した一つの放熱ユニットの結合管は隣接した他の一つの放熱ユニットの隣接した結合管の間に配置される。
放熱ユニットに含まれる結合管の個数は、第１ヘッダと第２ヘッダの大きさに応じて調節される。
一つの放熱ユニットを構成する結合管は、互いに分離可能に組立てられる。

一つのプレートに複数列の突出部を形成し、一列の突出部が他列の突出部と共に結合管を形成するように一つのプレートを畳んで放熱ユニットを形成する。
プレートは、結合管の間に形成された複数の流動ホールが備えられる。
結合管の連結流路内部を通過する第２作動流体の流動方向と結合管の外部を通過する第１作動流体の流動方向とは互いに反対方向である。

第１流入ポートと第１排出ポートは、タンクの上部と下部で第２ヘッダおよび第１ヘッダを貫通して形成され、タンクの上面と下面にそれぞれ対角線方向に配置される。
第２流入ポートは、第１排出ポートの対角線方向にタンクの下面に形成され、第２排出ポートは、第１流入ポートの対角線方向にタンクの上面に形成される。
第１流入ポートに流入する第１作動流体と第２流入ポートに流入する第２作動流体とはタンクの内部で互いに反対方向に移動しながら熱交換する。

本発明の車両用熱交換器によれば、その内部に流れる作動流体の流れを変化させ、乱流を起させることによって、作動流体間の熱交換効率をよくし、全体的な冷却性能を上げることができる。また、螺旋形状の突出部が形成されたプレートを結合して連結流路を有する螺旋形状の結合管を形成することにより、熱交換効率をさらに上げることができる。また、高圧の作動流体が流れる連結流路の断面形状を、円形にすることができ、従来の板型熱交換器に比べて耐久性を高めることができる。製作が簡単で、製造原価を節減でき、さらに全体重量を下げることができる。

本発明に係る車両用熱交換器の投影斜視図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 図１のＢ−Ｂ線断面図である。 本発明に係る車両用熱交換器の第１実施形態に適用される放熱ユニットの斜視図である。 図４の放熱ユニットの分解斜視図である。 本発明に係る車両用熱交換器における第１実施形態の作動状態図である。 本発明に係る車両用熱交換器における第１実施形態の作動状態図である。 本発明に係る車両用熱交換器の第２実施形態の斜視図である。 図８のＣ−Ｃ線断面図である。 本発明に係る車両用熱交換器の第２実施形態の作動状態図である。

以下、本発明に係る車両用熱交換器について、好ましい実施形態を挙げ、添付図面に基づいて説明する。
図１は、第１の実施形態による車両用熱交換器の投影斜視図であり、図２は、図１のＡ−Ａ線断面図であり、図３は、図１のＢ−Ｂ線断面図であり、図４は、第１実施形態による車両用熱交換器に適用される放熱ユニットの斜視図であり、図５は、放熱ユニットの分解斜視図である。

車両用熱交換器１００は、流入する作動流体の流れを変え、乱流を起させることによって、作動流体の熱交換効率を高め、冷却性能を向上させることができる構造であり、タンク１１０、第１ヘッダ１２０、第２ヘッダ１３０、および放熱ユニット１４０を有している。

タンク１１０は、第１流入ポート１１２と第１排出ポート１１４を備えており、第１流入ポート１１２を通って第１作動流体が流入し、第１排出ポート１１４を通って第１作動流体が排出する。また、第１ヘッダ１２０と第２ヘッダ１３０は、それぞれタンク１１０の下部と上部に装着され、タンク１１０壁との間に第１チャンバー１２４と第２チャンバー１３４を形成する。

すなわち、タンク１１０の内部の下部には、第１ヘッダ１２０により第１チャンバー１２４が、タンク１１０の内部の上部には第２ヘッダ１３０により第２チャンバー１３４がそれぞれ形成され、第１チャンバー１２４は第２作動流体が流入する第２流入ポート１２２と連通し、第２チャンバー１３４は第２作動流体が排出する第２排出ポート１３２と連通している。第１チャンバー１２４は、第２流入ポート１２２を通って流入された第２作動流体を一時貯蔵し、第２チャンバー１３４は、第２排出ポート１３２を通って排出する第２作動流体を一時貯蔵するようになる。

また、第１ヘッダ１２０の上面と第２ヘッダ１３０の下面には放熱ユニット１４０の両端がそれぞれ装着される。放熱ユニット１４０は、長さ方向に沿って複数の突出部１４４が形成されたプレート１４２を結合して形成された結合管１４８を有し、結合管１４８の内部には連結流路１４６があり、連結流路１４６には第１チャンバー１２４から第２チャンバー１３４に第２作動流体が流れる。

従って、第２作動流体は、第２流入ポート１２２から第１チャンバー１２４に入り、放熱ユニット１４０の連結流路１４６を通り、第２チャンバー１３４を経て、第２排出ポート１３２から出る流路を作る。

一方、第１作動流体は、第１流入ポート１１２からタンク１１０に入り、第１ヘッダ１２０と第２ヘッダ１３０に挟まれた領域を分散されて流れ、第１排出ポート１１４から出る流れとなる。

ここで、第１流入ポート１１２と第１排出ポート１１４は、第１チャンバー１２４と第２チャンバー１３４の間で、タンク１１０の一側面上部と他側面下部にそれぞれ対角線方向に配置される。
第２流入ポート１２２と第２排出ポート１３２は、タンク１１０の下面と上面に対角線方向に配置される。つまり、第２流入ポート１２２は、タンク１１０の下面一側部に形成され、第２排出ポート１３２は、タンク１１０の上面他側部に形成される。

タンク１１０の内部では、第１作動流体と第２作動流体は互いに混ざり合うことないようにされていて、放熱ユニット１４０において第１作動流体と第２作動流体の間で熱が交換される。

放熱ユニット１４０は、代表的には板状で、複数枚が平行に配置されている。結合管１４８の内部を通過する第２作動流体は、タンク１１０の内部で結合管１４８の外部を流れる第１作動流体と熱交換を通って冷却される。複数枚の放熱ユニット１４０は、第１ヘッダ１２０と第２ヘッダ１３０を連結するようになる。

つまり、放熱ユニット１４０の下端は、第１ヘッダ１２０に形成された第１装着ホール１２６に挿入され、放熱ユニット１４０の上端は、第２ヘッダ１３０に形成された第２装着ホール１３６に挿入される。

隣接した放熱ユニット１４０は、図３に示したように、その結合管１４８が、隣接した放熱ユニット１４０の結合管１４８の間に配置されるようにする。また、結合管１４８の連結流路１４６内部を流れる第２作動流体の流れ方向と、結合管１４８の外部を流れる第１作動流体の流れ方向は、互いに上下方向が逆、水平方向で逆にする。これにより、放熱ユニット１４０における熱交換効率を高めることができる。

突出部１４４は、図４および図５に示したように、その外周面と内周面が半円形状に形成され、プレート１４２の長さ方向に沿って螺旋形状に配置される。
放熱ユニット１４０の両端部には、突出部１４４を形成しない。放熱ユニット１４０の両端部は、第１ヘッダ１２０と第２ヘッダ１３０に形成された第１装着ホール１２６、第２装着ホール１３６にそれぞれ挿入されるため、放熱ユニット１４０の両端部と第１装着ホール１２６０よび第２装着ホール１３６との間を密閉させるためには放熱ユニット１４０の両端部は直線としておく。

突出部１４４は、プレス成型によりプレート１４２と一体に加工できる。
本実施形態において、結合管１４８は、複数の突出部１４４により形成される円形のパイプであり、結合管１４８の内周面と外周面は螺旋形状に形成する。螺旋形状にすることで、第２作動流体が連結流路１４６の内部を流れる時、回転して渦巻流を誘導するようになる。また、結合管１４８の外では、その外部を通過する第１作動流体に乱流を誘導して第１作動流体と第２作動流体の熱交換効率を上げることができる。

このような放熱ユニット１４０は、突出部１４４が外側に向かって突出するように一対のプレート１４２を配置して結合することにより形成することができる。つまり、一対のプレート１４２を、突出部１４４の内側面が互いに向き合うようにして溶接などにより結合し、その内部に連結流路１４６のある結合管１４８とすることができる。

放熱ユニット１４０の結合管１４８の個数は、第１ヘッダ１２０と第２ヘッダ１３０の大きさに応じて調整される。また、一つの放熱ユニット１４０を構成する結合管１４８は、分離可能に組立ててもよい。

図３に示した例では、一つの放熱ユニット１４０に７つの結合管１４８をもっているが、これに限定されるものではない。つまり、第１ヘッダ１２０と第２ヘッダ１３０の大きさに応じて一つの放熱ユニット１４０を構成する結合管１４８の個数を、任意に設定することができる。

一方、本実施形態において、プレート１４２には結合管１４８の間に、プレート１４２の長さ方向に沿って流動ホール１４９を形成している。流動ホール１４９は、プレート１４２で突出部１４４のプレス成型を行った後、パンチングにより形成できる。流動ホール１４９は、放熱ユニット１４０の外部を流れる第１作動流体が、放熱ユニット１４０を基準に上側または下側へ移動可能にすることができ、結合管１４８の外周面に第１作動流体の流れを多様化して、第１作動流体と第２作動流体の間の熱交換効率をより上げることができる。

放熱ユニット１４０は、二つのプレート１４２を互いに結合した実施形態で説明したが、これに限定されない。一つのプレートに複数列の突出部を形成し、一列の突出部が他列の突出部と共に結合管を形成するように一つのプレートを畳んで放熱ユニットを形成することもできる。

次に、上記のように構成した車両用熱交換器１００の作動および作用を説明する。
図６および図７は、車両用熱交換器の作動状態図である。図６に示したように、第１作動流体は、第１流入ポート１１２を通ってタンク１１０の内部に入る。第１作動流体は、放熱ユニット１４０の結合管１４８外部を流れて、第１排出ポート１１４から排出される。

一方、第２作動流体は、第２流入ポート１２２から第１チャンバー１２４に入り、放熱ユニット１４０に形成された結合管１４８の連結流路１４６を流れて第２チャンバー１３４に流れ、第２排出ポート１３２から出る。

結合管１４８の内周面と外周面は螺旋形状にすることによって、連結流路１４６の内部を流れる第２作動流体は回転して渦巻流とになり、一方、図７に示したように、結合管１４８の外部に沿って流れる第１作動流体は、その螺旋形状によって乱流となる。

同時に、第１作動流体の一部は、流動ホール１４９を通って複層に構成された放熱ユニット１４０の上下に分散して流れ、これも乱流を作ることになり、第２作動流体との熱交換効率がよくなる。

図８は、本発明の別の第２の実施形態による車両用熱交換器の斜視図であり、図９は、図８のＣ−Ｃ線断面図であり、図１０は、車両用熱交換器の作動状態図である。

図面を参照すると、車両用熱交換器２００は、第１流入ポート２１２と第１排出ポート２１４の取付け位置を除いては、第１の実施形態による車両用熱交換器１００と同じである。つまり、車両用熱交換器２００において、第１流入ポート２１２と第１排出ポート２１４は、図８に示したように、タンク２１０の上部と下部で第２ヘッダ２３０と第１ヘッダ２２０を貫通して形成されている。

このような第１流入ポート２１２と第１排出ポート２１４は、タンク１１０の上面と下面にそれぞれ対角線方向に配置される。そして、第２流入ポート２２２はタンク２１０の下面に形成され、第２排出ポート２３２はタンク２１０の上面に形成され、第２流入ポート２２２と第２排出ポート２３２は対角線方向に形成される。また、第２排出ポート２３２は第１流入ポート２１２に対角線方向に配置され、第２流入ポート２２２は第１排出ポート２１４に対角線方向に配置される。これにより、タンク２１０の内部を流れる第１作動流体と第２作動流体は、互いに反対方向に流れ、互いの熱交換が効率よく行われる。

第２の実施形態による車両用熱交換器２００のその他の構成要素は、第１の実施形態による車両用熱交換器１００と同じであるため、詳細な説明は省略する。

本発明の実施形態による車両用熱交換器１００、２００において、第１作動流体と第２作動流体は、熱交換が要求される冷却水、エンジンオイル、変速機オイル、エアコン冷媒、車両排気ガスなどいずれの流体であってもよい。また、本発明の熱交換器１００は、車両を含む多様な分野への適用が可能である。

従って、本発明に係る車両用熱交換器１００、２００によれば、その内部に流れる作動流体の流れを変化させ、かつ乱流を作ることによって、２つの作動流体間の熱交換効率が向上し、全体的な冷却性能を高めることができ、しかも製作原価を下げ、全体重量を小さくすることができる。高圧の作動流体が流す場合には、連結流路１４６の断面形状が円形にすればよく、従来の板型熱交換器に比べて全体的な耐久性を向上させることができる。

本発明を、限定された実施形態と図面により説明したが、本発明はこれにより限定されず、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者により本発明の技術思想と特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正および変形が可能であることは当然である。

１００、２００；車両用熱交換器
１１０、２１０；タンク
１１２、２１２；第１流入ポート
１１４、２１４；第１排出ポート
１２０、２２０；第１ヘッダ
１２２、２２２；第２流入ポート
１２４；第１チャンバー
１２６；第１装着ホール
１３０、２３０；第２ヘッダ
１３２、２３２；第２排出ポート
１３４；第２チャンバー
１３６；第２装着ホール
１４０；放熱ユニット
１４２；プレート
１４４；突出部
１４６；連結流路
１４８；結合管
１４９；流動ホール

Claims (18)

1. 第１流入ポートと第１排出ポートを通って第１作動流体が流入および排出できるように形成されたタンクと、
   前記タンクの下部と上部に装着され、第１チャンバーと第２チャンバーを形成し、それぞれに第２流入ポートと第２排出ポートを通って第２作動流体が流入および排出できるようにした第１ヘッダと第２ヘッダと、
   長さ方向に沿って複数の突出部が形成されたプレートを組み合わせて形成された結合管を備え、前記第１ヘッダの第１チャンバーと前記第２ヘッダの第２チャンバーを流体が流れることができるように連結された複数の放熱ユニットと、
   を有して、
   前記結合管の内部には、前記第２作動流体が流れる連結流路が形成されて、前記結合管を流れる前記第２作動流体が、前記結合管の外部を流れる前記第１作動流体と熱交換して冷却されることを特徴とする車両用熱交換器。
2. 前記第１ヘッダと前記第２ヘッダには、それぞれ前記第１チャンバーに連結された第１装着ホールと前記第２チャンバーに連結された第２装着ホールが形成され、前記放熱ユニットの両端は、前記第１装着ホールと前記第２装着ホールにそれぞれ挿入されることを特徴とする請求項１に記載の車両用熱交換器。
3. 前記第１流入ポートと前記第１排出ポートは、前記第１チャンバーと前記第２チャンバーの間で前記タンクの一側面上部と他側面下部にそれぞれ対角線方向に配置されることを特徴とする請求項１に記載の車両用熱交換器。
4. 前記第２流入ポートと前記第２排出ポートは、前記タンクの下面と上面に対角線方向に配置されることを特徴とする請求項１に記載の車両用熱交換器。
5. 前記各突出部は、プレス成型により前記プレートに一体加工されることを特徴とする請求項１に記載の車両用熱交換器。
6. 前記突出部は、半円形状に形成された外周面と内周面を有し、前記プレートの長さ方向に沿って螺旋形状に配置されることを特徴とする請求項１に記載の車両用熱交換器。
7. 前記放熱ユニットの両端部は、前記第１ヘッダと前記第２ヘッダにそれぞれ挿入され、前記放熱ユニットの両端部には、前記突出部が形成されないことを特徴とする請求項６に記載の車両用熱交換器。
8. 前記各結合管は、複数の突出部により形成された円形のパイプであり、前記結合管の内周面と外周面は、螺旋形状に形成されて前記連結流路の内部を流れる前記第２作動流体に回転による渦巻流を発生させ、前記連結流路の外部を通過する前記第１作動流体に乱流形成を誘導することを特徴とする請求項１に記載の車両用熱交換器。
9. 前記結合管は、一対のプレートの突出部が外側に向かって突出されるように配置された状態で、前記一対のプレートを結合して形成することを特徴とする請求項１に記載の車両用熱交換器。
10. 前記隣接した放熱ユニットは、幅方向に互いに交差するように配置されて、隣接した一つの放熱ユニットの結合管は隣接した他の一つの放熱ユニットの隣接した結合管の間に配置されることを特徴とする請求項１に記載の車両用熱交換器。
11. 前記放熱ユニットに含まれる前記結合管の個数は、前記第１ヘッダと前記第２ヘッダの大きさに応じて調節されることを特徴とする請求項１に記載の車両用熱交換器。
12. 前記一つの放熱ユニットを構成する結合管は、互いに分離可能に組立てられることを特徴とする請求項１１に記載の車両用熱交換器。
13. 一つのプレートに複数列の突出部を形成し、前記一列の突出部が他列の突出部と共に前記結合管を形成するように前記一つのプレートを畳んで前記放熱ユニットを形成することを特徴とする請求項１に記載の車両用熱交換器。
14. 前記プレートは、前記結合管の間に形成された複数の流動ホールが備えられることを特徴とする請求項１に記載の車両用熱交換器。
15. 前記結合管の連結流路内部を通過する前記第２作動流体の流動方向と前記結合管の外部を通過する前記第１作動流体の流動方向とは互いに反対方向であることを特徴とする請求項１に記載の車両用熱交換器。
16. 前記第１流入ポートと前記第１排出ポートは、前記タンクの上部と下部で前記第２ヘッダおよび前記第１ヘッダを貫通して形成され、前記タンクの上面と下面にそれぞれ対角線方向に配置されることを特徴とする請求項１に記載の車両用熱交換器。
17. 前記第２流入ポートは、前記第１排出ポートの対角線方向に前記タンクの下面に形成され、前記第２排出ポートは、前記第１流入ポートの対角線方向に前記タンクの上面に形成されることを特徴とする請求項１６に記載の車両用熱交換器。
18. 前記第１流入ポートに流入する前記第１作動流体と前記第２流入ポートに流入する前記第２作動流体とは前記タンクの内部で互いに反対方向に移動しながら熱交換することを特徴とする請求項１７に記載の車両用熱交換器。

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