JP2004012085A

JP2004012085A - 熱交換器

Info

Publication number: JP2004012085A
Application number: JP2002169448A
Authority: JP
Inventors: Koji Nakazato; 中里　浩二
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2002-06-11
Filing date: 2002-06-11
Publication date: 2004-01-15
Anticipated expiration: 2022-06-11
Also published as: JP4224803B2

Abstract

【課題】従来のラジエータ等の熱交換器とは異なり、汎用性に富み小型化することが可能な熱交換器を提供すること。
【解決手段】熱交換器のヒートパイプ５は伝熱材で形成された内外にパイプを形成した二重構造であり、二重管４の小径壁１５を流れる冷却水３はその周囲にある熱交換室９の純水１１と熱交換が可能である。そして、純水１１は熱交換室９がほぼ真空状態にあることから、熱を吸収することにより水蒸気となり、次いで、外壁８の周囲にある外気に熱を奪われる。すると、凝縮してもとの純水１１となり、この動作を繰り返すことで、ヒートパイプ５は外部に熱を放熱する。他方、断熱材１２を流通する冷却水３は、熱交換しない。
【選択図】　　　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒートパイプからなり、配置場所のレイアウトを広げるとともに汎用性に富み小型化することが可能な熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７は、自動車のエンジンルーム５１を示す。エンジンルーム５１の前端部には図示しないフロントグリルが配設されその後部にラジエータ５２が配設され、さらにその後部にはエンジン５３が配設されている。
周知のとおり、ラジエータ５２は冷却水が流れＳ字状に曲がりくねったチューブと、チューブの周囲に取付けられている多数のフィンを有し、エンジン５３等を経由して高温になった冷却水を、ラジエータ５２に導入して冷却水を低温にする役割を果たす。すなわち、冷却水がチューブ内を流れている間に、フィンが冷却水の熱を吸収し、フィンは自動車の走行中にフロントグリルから流通する風や、ラジエータ５２の後部に配設された図示しないクーリングファン（または強制ファン）に冷却されることにより、吸収した熱を放熱している。そして、ラジエータ５２内のチューブを通過した冷却水は冷却された後、エンジン５３部内に導入され、その熱を冷すために用いられる。
また、エアーコンデショナ付きの自動車であれば、ラジエータ５２と同様に冷却媒体の温度を下げるコンデンサーがラジエータ５２と隣接した位置に配置され、コンデンサーは、ラジエータ５２と同様に、チューブと放熱用のフィンを配設した構造を有する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来から用いられているラジエータやコンデンサー等のチューブとフィンを備えた熱交換器は、容積が大きいため大きな設置スペースが必要となり、特にエンジンルームの容積が小さな小型車には、取付面では改善の余地がある。また、自動車のエンジンルーム内への空気導入面積の関係から取付位置が、エンジンルームの前面部分に制約されてしまうのが通常である。そのため、レイアウト上、大きなラジエータを配置できなかったり、その自動車の車種の形状に適合するような、専用品を作らなければならず、汎用性についても欠けている。さらには、フロントグリルからの空気の流入面積が小さな場合は、好適な熱交換が行えないことがあったり、ラジエータ等のフィン同士間の隙間が狭いため、風量の通気抵抗が大きくなるという問題がある。
【０００４】
これらの問題を解決するため、特開平１１−１５７３２６号公報に記載された技術には、従来のチューブと放熱フィンからなる熱交換器にヒートパイプを組み合わせたものもあるが、従来の熱交換器構造の域をでないものであり、上記した問題点を解決するものではなかった。
本発明は、このような事情を鑑みてなされたもので、従来の熱交換器とは異なり、汎用性に富むとともにより小型化することが可能な熱交換器を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の熱交換器は、冷却媒体が流れる内部流路と、該内部流路の周囲に設けた低圧空間に熱交換媒体が封入される熱交換室とが設けられ、前記内部流路の内壁が前記冷却媒体及び熱交換媒体間で熱交換を可能にする熱伝導部材と、それらの冷却媒体と熱交換媒体間の熱交換を阻止する断熱部材とを冷却媒体の流れ方向へ交互に複数配設するとともに、上記熱交換室を冷却媒体の流れ方向へ複数配設し、前記熱交換室の外壁が熱交換室の熱を外部に放熱するようにして成るヒートパイプを備えている。なお、低圧空間とは実質的な真空状態から、本発明の効果が認められる程度の圧力範囲を意味する。
上記熱交換器は、前記熱伝導部材の１つと前記断熱部材の１つとを有する前記内壁を設け、該内壁の周囲に前記熱交換室の１つを設けたヒートパイプユニットを形成することができ、さらに、これらのヒートパイプユニットを複数個接続して前記ヒートパイプを形成することができ、前記ヒートパイプユニットとこれに隣接するヒートパイプユニットとの接続部に位置する前記内部流路の内壁に、上記断熱部材を配置するようにすることができる。
また、上記熱交換器は、前記ヒートパイプが自動車のラジエータの代替えとして用いられ、自動車の過給器付きエンジンのインタークーラの代替えとして用いることができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態による熱交換器について図面を参照しながら説明する。
図１は、自動車のラジエータの代替え部品として用いられる熱交換器１と、エンジン２部の概略図である。熱交換器１は、エンジン２の稼働中に図示しないウォータポンプの作動により、冷却媒体としての冷却水３をエンジン２や熱交換器１内に循環させて、エンジン２部を冷却させる。
【０００７】
図に示すように、熱交換器１は、本実施の形態では直線形状のヒートパイプ５と、各々のヒートパイプ５を接続する湾曲状のゴムホース２０を備えている。これらのうち、ヒートパイプ５の構造を詳細に説明する。
ヒートパイプ５は、図１中の円Ｘ内の領域を拡大したものを図２に示し、ヒートパイプユニット１０は、金属製の二重管４とゴムまたは樹脂製の断熱材１２とで形成したものである。
【０００８】
各ヒートパイプユニット１０には、冷却水３が流れる流路６を形成する内壁７が内側に形成されている。内壁７は、二重管４の小径壁１５と断熱材１２とが、ヒートパイプ５の軸方向に交互に配設することにより形成されている。そして、筒状の断熱材１２は、二重管４の軸方向の両端部に設けられ、二重管４の最も径の小さい小径壁１５に対して、段差を形成して設けた中径壁１６の内側に配設されている。断熱材１２の厚さは、段差に等しく断熱材１２の内径は二重管の小径壁１５の内径に等しい。よって、流路６は流通抵抗のないような同一断面形状が維持されている。
【０００９】
ヒートパイプ５の内壁７（若しくは小径壁１５と中径壁１６）の周囲には、内壁７と間隔を開けて二重管４の外壁８が設けられている。二重管４の内側に位置する小径壁１５及び中径壁１６と、二重管４の外側に位置する外壁８との間には、二重管４の端部壁２１と共に内部を密封にして真空状態にした熱交換室９が設けられている。熱交換室９には、熱交換媒体としての純水１１が熱交換室９内に封入され、この純水１１が熱交換室９内にて蒸発、凝縮が繰り返し行われるように、適量が封入されている。熱交換媒体としては、純水１１の代わりにフレオン（Ｒ−１３４ａ）を使用することができる。
なお、本実施の形態では、ヒートパイプ５の内壁７及び外壁８の断面形状を円としているが、冷却水３が円滑に流れることができれば、長孔、楕円形状であっても四角形のような角形であってもよく、角形のものの角については円弧状に丸みを形成してもよい。また、断面形状も冷却水３が円滑に流れれば、複数あるヒートパイプ５毎にその形状を変えても良い。
【００１０】
ヒートパイプユニット１０の長さは、適宜選択することができ、ヒートパイプユニット１０同士は接続して延長することができる。よって、ヒートパイプ５の長さも適宜調整することができる。ヒートパイプユニット１０の接続部１８は、冷却水３が漏れない程度の気密性を要し、二重管４の中径壁１６と断熱材１２の外周部との当接部は、いずれも凹凸形状に形成してこれらを嵌合するようにしている。そして、断熱材１２にゴムを用いることにより、熱交換サイクル内の内圧により、断熱材１２が接続部を外側に圧着してその接続部の気密性や、断熱材１２の保持性を確保することができる。また、必要とあれば、通常の継ぎ手のようにパッキンを介してネジ止めで接続してもよいし、ゴムホースで接続部を嵌装して止め具により抜け止めすることもでき、さらには溶接で密封してもよい。
【００１１】
図２に示すヒートパイプユニット１０は、断熱材１２の位置を二重管４の接続部の中間位置に配置しているが、図３及び図４に示すように、この接続部を二重管４の内方へ断熱材１２が十分に差し込むようにして、断熱材１２の先端部のみを二重管４から突出させるようにしてもよい。こうするときは、二重管４の他端部（図面左側）は、その突出する断熱材の先端部が挿入できるように、それに対応させて段部形状に形成する。図４に、ヒートパイプユニット１０を接続させたものを示す。なお、断熱材１２の位置はヒートパイプユニット１０の流路６の流れ方向に対して、下流側に配設する方が望ましい。
【００１２】
図５は、図１中の円Ｙ内にある領域のヒートパイプ５と、他のヒートパイプ５の接続部を示す。例えば、複数のヒートパイプ５を上下方向に並べて配設する場合には、入り口側の方向と出口側の方向を１８０度変換させたゴムホース２０を用いる。ゴムホース２０は、二重管４の中径壁１６に先端部を差し込むことにより装着する。なお、この接続部についてもゴムホース２０の代わりに、ゴムホース２０と同形状に湾曲させたヒートパイプ５やヒートパイプユニット１０の接合体を用いて接合してもよい。この場合は熱交換器１の全体が、ヒートパイプ５で形成されることになる。
二重管４の材質は、熱伝導がよい金属材料を用いることができ、銅などが好適である。また、断熱材１２は、断熱性のあるゴムや樹脂製材料を用いることができる。
【００１３】
次に、本実施の形態の熱交換器１の作用について説明する。
このような、熱交換器１は、図１に示すエンジン２が作動してエンジン２部の温度が上昇してサーモスタットが開きウォータポンプの働きによって、エンジン２部及び熱交換器１内を冷却水３が循環する。エンジン２の出口から流出する冷却水３の水温は始めは高く、この冷却水３が熱交換器１内へ流入する。図３に示すように、冷却水３はヒートパイプユニット１０に流入すると、熱交換室９の液状態にある純水１１が二重管４の小径壁１５を介し、小径壁１５の外周部において冷却水３の熱を奪って蒸気ａとなって蒸発する。熱交換室９は真空（低圧）状態にあるので、純水１１は低温でも容易に蒸発する。そして、蒸発した蒸気ａは、二重管４の外壁８を介してその周囲の外気に熱を奪われて放熱ｂし、これと同時に蒸気ａは、凝縮して液化ｃする。こうして、冷却水３は熱を奪われて温度が下がる。純水１１は、このような動作を何度も繰り返す。なお、純水１１の代わりにフレオン１３４ａを用いても液体、蒸発、凝縮の同様の動作を繰り返す。
【００１４】
ヒートパイプユニット１０の中径壁１６では、断熱材１２の存在で冷却された冷却水３と純水１１とが熱交換できないので、ここでは冷却水が温度上昇するのを防いでいる。次の下流側のヒートパイプユニット１０で、この動作を繰り返し行うことにより、冷却水３が流路６を通過することにより段階的に冷却水３を冷却していく。図６に、流路６を通過する冷却水３が温度降下する状態を示す。縦軸は温度を示し、横軸はヒートパイプユニット１０の複数ユニットを接続した熱交換器の管長である。図に示すように、冷却水３はヒートパイプユニット１０の１ユニットを通過する毎に温度が徐々に低下していく。
【００１５】
このように伝熱部と断熱部を交互に配置したのは、ヒートパイプ５が熱交換という仕事をするには、ヒートパイプ５に温度差を与える必要があるからであり、もし、断熱材１２がないと高温部分の面積（容積）が大きくなりすぎ、ヒートパイプユニット１０の１ユニット当たりの熱交換が十分に行われなくなる。よって、ヒートパイプユニット１０に低温部分の面積を確保するために、断熱材１２を設けている。なお、この断熱材１２は、他にパイプの接続や気密性も同時に兼ねている。
【００１６】
また、熱交換器１をユニット化することにより、蛇腹パイプのように複雑な形状に連結することができ、風当たりのよい場所さえあれば、どのような形状のスペースでも設置することができる。熱交換器１のヒートパイプ５が破損した場合は、破損した部分のヒートパイプユニット１０を交換するだけで、修理が容易である。ラジエータのように多数のフィンがないので、通気抵抗も小さい。熱交換器１の熱交換量を多くする場合は、ヒートパイプユニット１０の長さを長くすればよく、逆に熱交換量をさほど必要としないものについては、ヒートパイプユニット１０の長さを短めのものを使用すればよい。
【００１７】
この熱交換器１は、ラジエータの代替え品としてのみでなく、ターボチャージャーとエンジンとの間に配設されるインタークーラの代替えとしても使用することができ、その他、自動車用や家電用を問わずエアーコンデショナのコンデンサーとして使用することができる。さらには、自動車用ヒータのヒータコイルの代替えとして、エンジン２側から循環してきた熱水をヒートパイプ５で冷却し、ヒートパイプ５の外周部の熱をブロアファンにより吹き付ける空気で奪い、その温風を車室内に放出させで暖房装置としても使用することもできる。
【００１８】
以上、本発明の熱交換器の実施の形態について説明したが、本発明の技術的思想に基づいて、本発明は種々の変形及び変更が可能である。
例えば、上記実施の形態では、１つのヒートパイプユニット１０を用いてユニット毎に連結したが、１ユニットに多数の熱交換室９や断熱材１２を備えるものであってもよく、１ユニットに断熱材１２を２個以上設けたものであってもよい。
設置面積が大きくなり、取付性や汎用性は失われるが、ヒートパイプ５の外壁の周囲にフィンを形成して、フィン兼用型のラジエータやコンデンサー等にすることにより熱交換率をより向上させるようにしてもよい。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の熱交換器は、冷却媒体が流れる内部流路と、該内部流路の周囲に設けた低圧空間に熱交換媒体が封入される熱交換室とが設けられ、前記内部流路の内壁が前記冷却媒体及び熱交換媒体間で熱交換を可能にする熱伝導部材と、それらの冷却媒体と熱交換媒体間の熱交換を阻止する断熱部材とを冷却媒体の流れ方向へ交互に複数配設するとともに、上記熱交換室を冷却媒体の流れ方向へ複数配設し、前記熱交換室の外壁が熱交換室の熱を外部に放熱するようにして成るヒートパイプを備えているので、熱交換器として例えばラジエータのように、まとまったスペースを必要とせず、形状も自由度があり、取付け汎用性が向上する。
前記熱伝導部材の１つと前記断熱部材の１つとを有する前記内壁を設け、該内壁の周囲に前記熱交換室の１つを設けたヒートパイプユニットを形成し、これらのヒートパイプユニットを複数個接続して前記ヒートパイプを形成するようにしたので、ユニットの数を増減させることにより、熱交換量を調整することができる。ユニット毎に組み付けられることから、汎用性がより向上する。
前記ヒートパイプユニットとこれに隣接するヒートパイプユニットとの接続部に位置する前記内部流路の内壁に、前記断熱部材を配置するようにしたので、接続用の部品を削減することができ、また断熱部材をゴムなどの伸縮性のある材料を用いることにより、ヒートパイプを振動部に配置する場合は、振動を吸収することができる。
前記ヒートパイプが自動車のラジエータの代替えとして用いられることにより、自動車の車両前方のデザインの自由度が大きくなる。また、自動車の過給器付きエンジンのインタークーラの代替えとして用いることで、エンジンルームのレイアウトの自由度が大きくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による熱交換器とエンジン部の概略図である。
【図２】図１の熱交換器の円Ｘ部におけるヒートパイプのヒートパイプユニット同士の接続部の拡大断面図である。
【図３】図２のヒートパイプの変形例であり、ヒートパイプユニットの１ユニットの拡大断面図である。
【図４】図３のヒートパイプユニットが接続されている状態を示す拡大断面図である。
【図５】図１の熱交換器の円Ｙ部におけるヒートパイプユニット同士の接続部の拡大図である。
【図６】本実施の形態の熱交換器の冷却水の温度降下を示す図である。
【図７】従来の自動車のラジエータとエンジン部の配置を示す斜視図である。
【符号の説明】
１　熱交換器
２　エンジン
３　冷却水
４　二重管
５　ヒートパイプ
６　流路
７　内壁
８　外壁
９　熱交換室
１０　ヒートパイプユニット
１１　純水
１２　断熱材
１５　小径壁
１６　中径壁
２０　ゴムホース

Claims

冷却媒体が流れる内部流路と、該内部流路の周囲に設けた低圧空間に熱交換媒体が封入される熱交換室とが設けられ、前記内部流路の内壁が前記冷却媒体及び熱交換媒体間で熱交換を可能にする熱伝導部材と、それらの冷却媒体と熱交換媒体間の熱交換を阻止する断熱部材とを冷却媒体の流れ方向へ交互に複数配設するとともに、上記熱交換室を冷却媒体の流れ方向へ複数配設し、前記熱交換室の外壁が熱交換室の熱を外部に放熱するようにして成るヒートパイプを備えたことを特徴とする熱交換器。
前記熱伝導部材の１つと前記断熱部材の１つとを有する前記内壁を設け、該内壁の周囲に前記熱交換室の１つを設けたヒートパイプユニットを形成し、これらのヒートパイプユニットを複数個接続して前記ヒートパイプを形成したことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
前記ヒートパイプユニットとこれに隣接するヒートパイプユニットとの接続部に位置する前記内部流路の内壁に、上記断熱部材を配置するようにしたことを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
前記ヒートパイプが自動車のラジエータの代替えとして用いたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに１に記載の熱交換器。
前記ヒートパイプが自動車の過給器付きエンジンのインタークーラの代替えとして用いたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１に記載の熱交換器。