JP5142987B2 - 複数の流体の熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器に関し、具体的には２つを超える流体間で熱エネルギーを移動するための熱交換器に関する。

自走車両製作などいくつかの用途では、用途で使用される種々多様な流体を冷却するかまたは加熱するための複数の熱交換器を有することは普通である。例えば、自動車の場合には、エンジン冷却液を冷却するためのラジエータ、ならびにエンジン・オイル、トランスミッション・オイルまたは流体、パワー・ステアリング流体などのような流体を冷却するための１つまたは複数の別の熱交換器を有することは普通である。通常、エンジン冷却液を冷却するために空気が使用され、エンジン冷却液自体が、エンジン・オイル、トランスミッション・オイルまたはパワー・ステアリング流体など他の流体を冷却するためにしばしば使用される。理解されるように、これは通常多くのプラミングを含むが、自動車用途では、自動車へ組み付ける必要のある要素があまりにも多くあるのは非常にまずいことである。というのは、組立のコストが増加し、故障する恐れのある要素が多くなり、しかも常に不足状態にある貴重なスペースを占有するからである。

必要とされるプラミングの量を低減し、かつスペースの無駄をなくす試みにおいて、２つの熱交換器の機能または熱交換器サブアセンブリを併用熱交換器へ合併させることが提案されており、エンジン冷却液など流体のうち１つが２つのサブアセンブリ熱交換器間で共有される。この一例はＢｅｌｄａｍに交付された米国特許第４，３２７，８０２号に示されており、ラジエータで使用された同じエンジン冷却液が、ラジエータと一体化して形成されたオイル冷却器サブアセンブリ中で使用される。このＢｅｌｄａｍ熱交換器では、空気を使用してエンジン冷却液を冷却し、次にエンジン冷却液を使用してオイルを冷却する。

別の併用熱交換器に米国特許第５，８８４，６９６号（Ｌｏｕｐ）があり、平行に据えた２つの熱交換器にはさまれた流体流路が使用されて、両熱交換器が離れすぎないようにして外形寸法を縮小する。このデバイスでは、エンジン冷却液および冷媒など２つの熱交換流体用の隣接した流路は、２つの熱交換流体と大気の間の伝熱のためのエア流路によって分離される。

熱エネルギーが共通の流体と２つの他の流体の間で移動される併用熱交換器の別の例が、米国特許第５，４６２，１１３号に示されている。このデバイスでは、離隔された交番する流路を有する２つの冷媒回路が設けられ、水など第３の熱交換流体が冷媒回路の流路全体を囲み、そのため、冷媒に対する水の最大の接触が実現される。

前述の従来技術デバイスのすべてが、コンパクト設計およびプラミングの簡素化という所望の結果を実現するが、これらはすべて１つの共通の流体と２つの他の流体の間で熱を移動することに関するものである。これらは、２つの他の流体自体の間での熱エネルギー移動に関するものではなく、そのため、大変効率的になるわけではない。

本発明では３つ以上の流体流路または導管が設けられ、流体の導管のうち任意の１つとその他の各流体導管の間で熱エネルギーを効率的に移動することができる。

本発明によれば、複数の積み重ねられた熱交換モジュールを備えた熱交換器が提供される。各モジュールは、第１の主要な伝熱面を有する第１の流体導管および第２の主要な伝熱面を有する第２の流体導管を含む。第１の主要な伝熱面は、第２の主要な伝熱面に熱的に結合される。各モジュールは、第１および第２の主要な伝熱面の両方に熱的に結合された第３の主要な伝熱面を有する第３の流体導管も有し、そのため、流体導管のうち任意の１つとその他の各導管の間で熱を移動させることができる。

次に、本発明の好ましい実施形態が、添付図面を参照しながら例として説明される。

まず図１〜図７を参照すると、本発明による熱交換器の第１の好ましい実施形態が参照数字１０によって全体的に示されている。熱交換器１０は、複数の積み重ねられた熱交換モジュール１２から形成され、そのうちの１つの右端が、図４に最もよく示されている。熱交換器１０は、天板１４および底板１６、１対の内側のニップル１８および１対の外側のニップル２０も有する。内側ニップル１８および外側ニップル２０は、熱交換器１０で使用される熱交換流体のうち２つ向けの流入口および流出口を形成するが、これは以下でさらに説明されることになる。

各熱交換モジュール１２は、１対の離隔されたプレート２２、２４および１対の背中合わせの中間プレート２６、２８によって形成される。離隔されたプレート２２、２４は同一であり、そのうち１つは、ちょうど上下逆さまに向きを変えられている。同様に、中間プレート２６、２８は同一であり、これもそのうち１つが、ちょうど上下逆さまに向きを変えられている。中間プレート２６、２８には、平行なリブ３２および溝３４の形で波状起伏３０が形成されている。プレートが上下逆さまにされたとき、プレート２６、２８のうちの１つにあるリブ３２は溝３４になる。リブ３２、溝３４は、斜めに配向され、そのため、中間プレート２６、２８が組み立てられたときそれらは交差し、したがって中間プレート２６と２８の間に波状の長手方向流路（ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｆｌｏｗ ｐａｔｈ）または導管（ｃｏｎｄｕｉｔ）３６（図７参照）を形成する。最上部の離隔されたプレート２２が中間プレート２６に対して配置されるとき、中間プレート２６のリブ３２は天板２２の下側を固定し、プレート２２と２６の間に屈折した長手方向流路３８をもたらす。類似の屈折した長手方向流路または導管４０が、プレート２８と２４の間に形成される。

図３から図７には２つの中間プレート２６、２８が示されているが、中間プレート２６、２８のうちの１つだけが必要であることが理解される。それでもなお、長手方向流体導管３６、３８（中間プレート２６だけが使用されたとき）、または流体導管３６、４０（中間プレート２８だけが使用されたとき）のいずれかを与えることになる。

中間プレート２６、２８は、ボス４２が流入開口または流出開口の４４を画定して形成される。ボス４２および流入／流出開口４４は、プレートの各終端の近くに配置されて、中間プレート２６と２８の間の中央の長手方向流路３６を流体が通過することが可能になる。中間プレート２６、２８は、プレートの終端近くに流入／流出開口４６も有して、第２の流体が、背中合わせの中間プレート２６、２８を通過し、かつプレート２２と２６の間の長手方向流体導管３８およびプレート２８と２４の間の長手方向流体導管４０を通って流れることを可能にする。

図３で最もよく見られるように、離隔されたプレート２２、２４も形成され、ボス４８および５０がそれぞれ流入／流出開口５２、５４を画定する。流入／流出開口５２は、流体または流路の導管３６と連接し、流入／流出開口５４は、長手方向の流路または導管３８および４０と連接する。モジュール１２の各終端での開口５２、５４が、モジュール１２を通る所望の流れ方向次第で、流入開口または流出開口のいずれでもあり得ることが理解されるであろう。

各モジュール１２は、それに取り付けられた伝熱フィン５６も有する。平坦なアルミ合金でフィン５６を形成することができるが、熱交換器１０のプレートおよびフィンは好ましくはクラッド・アルミニウムのろう付けで形成され、そのため、プレートおよびフィンはすべて、ろう付け炉内でともに組み立てて接合することができる。

ボス４８、５０の高さは、フィン５６の高さのほぼ半分延びて、ろう付けプロセス中、フィン５６とプレート２２、２４の間の優れた接触を確実にする。ボス４８、５０は外側に延び、そのため、隣接した熱交換モジュール１２のボスは、連結して流れマニホールドを形成する。

使用するとき、中間プレート２６、２８の間の流体流路または導管３６は、第１の流体導管と見なすことができ、流路または導管の３８または４０のどちらかを第２の流体導管と見なすことができる。これら第１および第２の流体導管の各々は、それらの間の共有壁の形で主要な伝熱面を有する。第１の主要な伝熱面は、第２の主要な伝熱面に熱的に結合されて、流入／流出開口５２、５４を通過するそれぞれの流体間の伝熱が可能になる。隣接したモジュール１２の離隔されたプレート２２、２４は、フィン５６が配置される第３の流体導管を画定する。第１および第２の導管の片側に第３の流体導管が配置され、隣接した熱交換モジュールの第３の流体導管が第１および第２の導管の反対側に配置されることが理解されよう。この開示の目的ために、第１および第２の流体導管は、並列に配設された管状部材と見なされる。フィン５６を含むエア流路５８の形の第３の流体導管は、第１および第２の流体導管の横方向に隣接して配置され、エア流路５８と流体導管３８および４０の間に配置されたプレート２２および２４の壁部分である主要な伝熱面も有する。これら第３の主要な伝熱面は、中間プレート２６、２８によって形成された第１および第２の主要な伝熱面の両方と熱的に結合され、そのため、流体導管のうち任意の１つとその間の主要な伝熱面によってそれに熱的に接続されたその他の各流体導管の間で熱を移動させることができる。この開示の目的のために、用語「熱的に接続された」は、隣接した導管を分離する少なくとも１つの壁を通して熱エネルギーを移動させることができることを意味する。

例えば自動車用途では、中間プレート２６と２８の中間に配置された流体導管３６が第１の流体導管と見なされるのであれば、それは、この導管を形成する波状の壁すなわちリブ３２および溝３４の形で第１の主要な伝熱面を有することになる。この第１の流体導管を、熱交換器１０を通るエンジン・オイルまたは伝達流体の流れ用に使用することができる。第２の流体導管は、流路または導管３８であり得て、第２の主要な伝熱面を有するものと見なすことができる。この伝熱面も、中間プレート２６のリブ３２および溝３４を形成する波状起伏３０である。エンジン冷却液は、この第２の流体導管３８を通過することができ、第１の流体導管３６内のオイルを冷却する。第３の流体導管は、もちろんプレート２２の上のエア流路５８になるはずであるが、空気が、伝熱流体として、第１の流体導管３６内のオイルまたは伝達流体、および第２の流体導管３８内のエンジン冷却液の両方を冷却することが可能になるはずである。これは熱交換器１０の通常動作のはずである。しかし、暖かい日のエンジン始動条件で、第１の流体導管３６内のオイルまたは伝達流体が比較的冷たく粘性のとき、エア流路５８を通過するエアは、実際に第１の導管３６内のオイルを予熱するのを支援することができ、また、エアが第１の導管３６内のオイルを予熱することができない非常に寒い周囲条件では、エンジンが暖機を開始するとき、第２の流体導管３８を通って流れる冷媒が、非常に速くオイルを予熱することができる。

第１の流体導管３６および第２の流体導管３８を通って流れる流体の選択を逆にすることができるか、または第１および第２の導管を通過することができる燃料または冷媒など他の流体があり得ることが理解されよう。実際、側面または横方向にマニホールド板を追加することで、フィン５６を含むスペースまたは第３の導管を通して空気以外の流体を通過させることができる。また、フィン５６は、モジュール１２内で垂直または横方向に整列することが示されるが、フィンを異なって配向することができて、モジュール１２を通って横向きと異なる流れを与えることができる。

次に図８および図９を参照すると、中間プレート６０の別の好ましい実施形態が示されており、中間プレート２６、２８の場合のように傾斜して配向されたリブ３２および溝３４の代りに、単一の縦リブ６２および縦溝６４が中間プレート６０に形成される。これは、中央の長手方向に単一の第１の流体導管を、背中合わせの中間プレート６０とこの中央の第１の流体導管を囲むより大きな第２の流体導管の間に設けることになる。この場合、流入口／流出口４６を通ってエンジン・オイルまたは伝達流体が通過することができ、また、流入／流出開口４４をエンジン冷却液が通過することができ、オイル用の大きな流れ領域に対しては、熱交換器のオイル側に撹拌器または他の流れ増強器を使用することができる。リブ６２および溝６４をプレート６０の片側面に他方より近く配置するか、または、それらが流入／流出開口４４間の直線以外の経路を辿るようにすることも可能である。

次に図１０から図１４を参照すると、本発明による熱交換器の別の好ましい実施形態が参照数字７０によって全体的に示されている。熱交換器７０では、第１および第２の流体導管または管状部材は押出し管７２によって形成される。押出し管７２は、中央の流路または流体導管７６をもたらす分割器を形成する内部の長手方向の内部壁部７４を有し、かつ中央の導管７６の両側に周辺部分または導管７８を有する。周辺の導管７８は、強化の目的で分割壁８０を有することもできる。中央の流体導管は、第１および第２の流体導管の一方であり得て、周辺の流体導管７８の一方または両方は、第１および第２の流体導管の他方であり得る。

押出し管７２は、個別の開放端部８２および８４を有し、第１および第２の導管の各々向けの流入／流出開口を画定する。図１３および図１４に最もよく見られるように、マニホールド８６および８８は、それぞれの流体導管７６および７８からの流体を供給しかつ戻す。マニホールド８６、８８は、離隔された開口９８、１００を画定するそれぞれのディッシュ底面９４、９６を有する入れ子状のディッシュ要素９０および９２で形成され、それぞれの押出し管開放端部８２、８４を収容する。ニップル１０２、１０４は、マニホールド８６、８８向けの流入口および流出口である。図１〜図９に示された実施形態の場合のように、第３の流体導管が、離隔された押出し管７２の間にこれと接触して配置されたフィン５６を含むエア流路５８によって形成される。

熱交換器７０では、第１および第２の流体導管用の主要な伝熱面は、押出し管７２の内部壁部７４および隣り合った最上壁部と最下壁部の隣接した部分になるはずである。第１および第２の流体導管と第３の流体導管またはエア流路５６の間の主要な伝熱面は、押出し成形された要素または管７２の最上壁部および最下壁部になるはずである。

本発明の好ましい実施形態を説明してきたが、前述の構造に対して様々な変更がなされ得ることが理解されよう。例えば、様々な実施形態の中で使用されるプレートは、長手方向軸を有する細長いプレートとして示されているが、プレートは他の形状または構成であり得る。２つの流入開口および流出開口が細長いプレートの各端に離隔して配置されているが、流入開口および流出開口は異なって配置することができる。図１〜図９に実際に示された中間プレートは実際に２つの入れ子状の流路を有するが、３つ以上の入れ子状の流路を設けるために同じ方式を適用することができ、本発明の熱交換器は、３つを超える流体を扱うことができる。同様に、図１０〜図１４に示された実施形態では、端部８２、８４のように追加で個別の開放端部があり得て、熱交換器７０に３つを超える流体を収容するために追加で入れ子状のディッシュを使用することができる。

前述のことから、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるように意図的に解釈されることが当業者には明らかであろう。

本発明による熱交換器の好ましい実施形態の概略の正面図である。 図１に示された熱交換器の上面図である。 図１の囲まれた領域３の、拡大された分解斜視図である。 図３に示された要素を組み立てたものの斜視図である。 図３の線５−５に沿って得られた断面図である。 図３の線６−６に沿って得られた断面図である。 図４の線７−７に沿って得られてはいるが、２つの積み重ねられた熱交換モジュールを示す断面図である。 本発明による熱交換器の別の好ましい実施形態を作製するために使用される伝熱板の平面図である。 図８の線９−９に沿って得られた断面図である。 本発明による熱交換器の別の好ましい実施形態の右端の部分的正面図である。 図１０に示された熱交換器の右側面図である。 図１０の熱交換器で使用される押出し成形された導管（ｅｘｔｒｕｄｅｄｃｏｎｄｕｉｔ）の斜視図である。 図１１の線１３−１３に沿って得られた断面図である。 図１３の線１４−１４に沿って得られた断面図である。

Claims (3)

1. 各々が第１の主要な伝熱面を有する第１の流体導管と第２の主要な伝熱面を有する第２の流体導管と、第３の主要な伝熱面を有する第３の流体導管とを含む複数の積み重ねられた熱交換モジュールを備え、前記第１の主要な伝熱面が前記第２の主要な伝熱面に熱的に結合され、前記第３の主要な伝熱面が前記第１および第２の主要な伝熱面の両方に熱的に結合され、そのため、前記流体導管のうち任意の１つとその他の各前記流体導管の間で熱を移動させることができ、
   前記第１および第２の流体導管が並列に配設された管状部材であり、前記第３の流体導管が、前記第１および第２の流体導管の両方に、横方向に隣接して配置され、かつ熱的に結合され、
   １対の離隔されたプレートと１対の中間プレートとによって、前記第１および第２の流体導管が形成され、前記離隔されたプレートの間に前記１対の中間プレートが配置され、前記離隔されたプレートのうちの１つが前記第１および第２の流体導管の各々と連接した流入開口および流出開口を画定し、
   前記１対の中間プレートが、波状起伏が形成されている第１の中間プレートと、前記第１の中間プレートと背中合わせに配置され波状起伏が形成されている第２の中間プレートとを有する熱交換器。
2. 前記第２の中間プレートが前記第１の中間プレートと同一である請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記波状起伏が平行なリブおよび溝の形である請求項１に記載の熱交換器。

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