JP2006522311A - 乗物用のオイル・クーラー - Google Patents

Abstract

本発明は、機械類および車両で使用される流体を冷却する熱交換器（１０）および関連する方法に関するものである。熱交換器（１０）は、流入タンク（１２）、流出タンク（１４）、および流入タンク（１２）を流出タンク（１４）に連結する複数の伝熱管（１６）を含んでいる。管（１６）はほぼ平坦な押し出し成型物である。複数の凹部（４６）が、各管（１６）の少なくとも１つの平面（３８）上に押し出し成型されていてもよい。

Description

発明の詳細な説明

〔関連出願の参照〕
本出願は、２００３年３月３１日提出米国特許出願第10/404,015号のＰＣＴ国際出願であり、２００２年４月２５日提出米国仮出願第60/375920号の利益を主張する。これらの出願は、この参照により開示に含まれる。

〔技術分野〕
本発明は、エンジンや、トランスミッションや、構成部品を滑らかにし、かつ／または力を伝達する他の動力装置のような、機械類や乗り物で使用される流体を冷却する熱交換器に関する。

〔背景技術〕
多くの、産業上利用されている機械および装置において、使用されている流体を冷却することは必要である。例えば、自動車産業においては、オートマチック・トランスミッションで使用されるオイルを冷却することが必要である。トランスミッションの作動中に、オートモーティブ・トランスミッション・フルード（ＡＴＦ）は、高温に達する。高温によって流体が変質することを防ぐため、温度を下げる必要がある。そのために、従来、トランスミッション・オイル・クーラーと呼ばれる装置が使用されている。

従来技術の簡単な概略図である図１に、典型的なトランスミッション・クーラー３の形態をとる熱交換器が、自動車に適用された形態を示す。ここには、エンジン４およびトランスミッション５を含む一般的な典型例が示されている。

オイル・クーラー３は、ラジエータ１が備えるタンク２のうち１つの内部に位置しているのが一般的である。タンク２内の冷却剤は、それ自体が比較的高温ではあるが、実質的にはオイルの温度が冷却剤の温度よりも高いため、オイル・クーラー３の冷却手段として使用される。ラジエータのタンク２内の冷却剤とオイル・クーラー３内のオイルとの温度差を利用して、オイルを冷却する。オイルは、トランスミッション５とオイル・クーラー３との間の油圧パイプ６を通って循環し、オイル・クーラー３で冷却される。

図２は、典型的なトランスミッション・クーラー３を、より詳細に示している。トランスミッション・クーラー３は、ラジエータ１が備えるタンク２の内部に位置している。この種のオイル・クーラー３は、２本の筒を同心円状に組み合わせ、外側の筒と内側の筒の間を油が流れる真鍮の管からなり、これは通常、真鍮をろう付けして作られるが、この工程は高温で行われ、比較的高価なろう付け設備と複雑な工程制御が必要とされる。その結果、オイル・クーラー３は、比較的高価で重いものとなってしまう。図２Ａは、オイル・クーラー３の断面を示している。

図３は、より最新式のトランスミッション・クーラーを示している。トランスミッション・クーラー３′もまた、ラジエータ１が備えるタンク２の内部に位置している。この種のオイル・クーラー３′は、基本的に、その中をオイルが流れる複数の平板からなるため、プレート・クーラーと呼ばれている。プレート・クーラーは一般に、アルミニウム製の板をその周辺に沿って互いにろう付けし連結させることで製造される。平板を使用すると、２本の筒を同心円状に組み合わせた管を用いた冷却器よりも熱交換の性能が良くなるが、それでも比較的高価で重いオイル・クーラーとなってしまう。ろう付けされた継ぎ目が非常に多く、またその継ぎ目が長くなることで、このオイル・クーラーの破損、すなわち漏れる可能性のある箇所は多くなる。これは、このオイル・クーラーが信頼性を損なう可能性を含んでいることを示す。

図４は、すでに示したトランスミッション・オイル・クーラー３に加えて、エンジン・オイル・クーラー７を示している。両方のオイル・クーラーを必要とする車両もある。実際、オートマチック・トランスミッションを有する車両はすべてトランスミッション・オイル・クーラーを必要としており、多くの高性能エンジンまたは高回転エンジンにはエンジン・オイル・クーラーも必要である。一般的に、エンジンおよびトランスミッション・オイル・クーラーは、二つの離れていて独立した冷却回路である。エンジン・オイル・クーラー７を通って循環するエンジン・オイルは一般的に、冷却剤を含む筐体内にエンジン・オイル・クーラー７を配置することによって冷却される。また、エンジン・オイル・クーラーを、トランスミッション・オイル・クーラーでふさがっていない第二ラジエータ・タンク内に配置することもできる（ここでは図示しない）。

従来のオイル・クーラーはそれぞれの意図された用途に好適ではあるが、高い熱交換効率を持ち、軽量、安価で信頼性の高い熱交換器のための関連技術はまだ必要とされている。

〔発明の概要〕
本発明は、車両または他の機械類に用いられる流体用の熱交換器を提供する。上記オイル・クーラーは、オイル流入タンク、オイル流出タンク、および該オイル流入タンクと該オイル流出タンクとを連結する複数の伝熱管を含み、該管はほぼ平坦な押し出し成型物である。複数の凹部が各管の少なくとも１つの平面上に押し出し成型されていてもよい。

本発明は、また、機械用流体を冷却する熱交換器を製造する方法を提供する。該方法は、第一および第二平面を有する複数の管を押し出し成型する工程、各管の第一の端を流体流入タンクにろう付けする工程、および各管の第二の端を流体流出タンクにろう付けする工程を含む。

以下の詳細な説明により、本発明のさらなる応用領域が明らかにされるだろう。詳細な説明および具体例は、本発明の好ましい実施形態を示してはいるが、あくまでも説明を目的としており、本発明の範囲を限定することを企図してはいないと理解されたい。

図１は、従来技術であるトランスミッション・オイル・クーラーの回路の概略図である。
図２は、従来技術である、２本の筒を同心円状に組み合わせた管によって構成されるオイル・クーラーの部分断面図である。
図２Ａは、図２の線２Ａ−２Ａにおける断面図である。
図３は、また別の従来技術である、平板で構成されるオイル・クーラーの部分断面図である。
図４は、従来技術である、エンジン・オイル・クーラーおよびトランスミッション・オイル・クーラーの回路の概略図である。
図５は、本発明の熱交換器の平面図である。
図６は、図５のオイル・クーラーの側面図である。
図６Ａは、図６の線分６Ａ−６Ａにおける、図６のオイル・クーラーの断面図である。
図７は、本発明の熱交換器の平面図である。
図８は、本発明の熱交換器の平面図である。
図９は、本発明の熱交換器の平面図である。
図１０Ａは、本発明の熱交換器の管の断面図である。
図１０Ｂは、図１０Ａの管の部分図である。
図１１Ａは、本発明の熱交換器の管の断面図である。
図１１Ｂは、図１１Ａの管の部分断面図である。
図１２Ａは、本発明の熱交換器の管の断面図である。
図１２Ｂは、図１２Ａの管の部分断面図である。
図１３は、本発明の熱交換器に用いられる管の一部分の側面図である。
図１３Ａは、図１３の線分１３Ａ−１３Ａにおける、断面図である。
図１４は、本発明の熱交換器の平面図である。
図１５は、１４の熱交換器の側面図である。
図１６は、本発明の熱交換器の平面図である。
図１７は、図１６の熱交換器の側面図である。
図１８は、本発明の空冷熱交換器の平面図である。
図１９は、図１８の熱交換器の側面図である。

〔実施形態の詳細な説明〕
様々な実施形態についての以下の説明は、本質的には単なる模範例であり、本発明とその適用および使用を限定することを企図したものではない。

まず、図５、図６および図６Ａには、ここに記載された事項に従って構成された熱交換器が図示され、参照番号１０で示されている。図示された実施形態の例において、熱交換器１０はオイル・クーラーとして示されているが、ここに記載された事項はそれに限定されてはいないということが、当業者には理解されるだろう。例えば、熱交換器１０はヒートポンプ、冷蔵設備、コンプレッサーなどにおいて、冷却器として使用することもできる。

熱交換器１０は、一般的に、円形の断面を有する第一および第二エンドタンクを含むことが示されている。タンク１２および１４のうちの１つ、たとえばタンク１２は流入タンクとして機能し、残りの１つ、たとえばタンク１４は流出タンクとして機能する。第一エンドタンクと第二エンドタンクとは、オイルや、他の液体や、ガスのような流体を、流入タンク１２から流出タンク１４まで通す複数の管１６で接続されている。管１６は、ほぼ平坦で継ぎ目がなく、アルミニウムからなる押し出し成型物であることが好ましい。管１６が押し出し成形物であることにより、製造工程は簡略化される。そして、たとえば漏れのような破損が発生し得る箇所は、減少するか、無くなる。このことは、信頼性、生産費、試験費用、および品質保証費用に直接影響する。具体的には、押し出し成型の管１６を使用することにより、水およびオイルが漏れないようにするため、面と面とをろう付けする必要のある箇所が劇的に低減される。加圧型熱交換器では、全ての接合部が破損の可能性がある箇所となるので、接合箇所をなくすことおよび低減することにより、高い信頼性という利点が得られる。

タンク１２、および１４の端は、オイル（または他の流体）を導く油圧パイプとの接続を可能にする何種類かのコネクタと結合されているか、またはコネクタを備えていることが可能である。熱交換器１０は、たとえば、一般に５０％が水であり５０％がグリコールであるラジエータ冷却液のような冷却剤中に浸して使用することもできる。オイルの熱は管１６の表面を介して、冷却剤に移されるので、熱交換器１０から流出するオイルの温度は、熱交換器１０に流入するオイルの温度に比べて顕著に低い。

図５に図示された例では、５本の管１６を含む熱交換器１０が示されている。他の好適な方法を用いて１６をエンドタンク１２および１４に接続することもできるが、管１６はエンドタンク１２および１４にろう付けされることが好ましい。第一エンドタンク１２は、冷却されるオイルの流入口として第一ポート１８を規定し、第二エンドタンク１４は、流出口として第二ポート２０を規定する。

別法として、熱交換器１０は、上記管１６を何本含んで構成されてもよいということが理解されるであろう。オイルは複数の押し出し成型の管１６を通り、流入ポート１８から流出ポート２０まで流れる。したがって、オイルが流入ポート１８と流出ポート２０との間を流れる距離は、およそ流入タンク１２と流出タンク１４との間の距離に等しく、一方、熱交換器１０の熱交換領域は、管１６一本分の熱交換領域とその熱交換器１０で使用される管１６の本数を掛け合わせた値とおよそ等しい。

例として、図７に熱交換器１０と類似の熱交換器３０を示す。これは、より少ない熱交換で足りる場合に適応し、管１６が３本である点を除いては熱交換器１０と同様である。図８には熱交換器１０と類似の熱交換器３２を示す。４本の管１６が適用されている以外は図５の熱交換器１０と同様である。図９には熱交換器１０と類似の熱交換器３４を示す。これは、より大量の熱交換を必要とする場合に適応し、６本の管１６が適用されている点を除いては熱交換器１０と同様である。

図１０Ａおよび１０Ｂは、管１６の断面図である。図１０Ａに示す典型的な管１６は、一対の側壁３８、および側壁３８を連結している内壁４０を含む。内壁４０は管１６に、熱交換器１０が許可を受けるために通過しなければならない、通常約５００ｐｓｌ（約３.４ＭＰａ）で行われる加圧試験の通過要件を満たす強度を与える。

図１１Ａおよび１１Ｂは、管１６の別の形態を示す断面図である。この構成において上記管１６は、その全幅に沿って凹部４４を有する。凹部４４は、管１６の側壁３８の両方に交互に設置される。各凹部４４において管１６内に乱流が発生し、熱交換が促進される。

図１２Ａおよび１２Ｂは、管１６のさらに別の形態を示す断面図である。凹部４６は管１６の側壁３８の両方に交互に設置される。凹部４６は、円形、楕円形、または他の形など所望の形状でよい。各凹部４６において管１６内の流れに乱流が発生し、熱交換能力が向上する。

図１３Ａおよび１３Ｂは、管１６のさらに別の形態を示す断面図である。この構成において、凹部４６は管１６の片方の側壁３８上に、互い違いに、またはジグザグに形成されているが、もう一方の側壁３８には凹部４６が全く無い。凹部４６によって、管１６の熱交換能力が向上する。

図１４および１５は、熱交換器５０の他の実施形態を示している。熱交換器５０は、断面が円形であるエンドタンク１２および１４を有する。この実施形態の例において、熱交換器５０は、折り畳み形状に形成された複数の管１６を含む。折り畳み形状５１は、約９０度に曲げられるか、または他の好的な角度もしくは形状に曲げられることにより形成され、オイルの流れる方向を繰り返し変えることによって、乱流の発生を促し、熱交換を促進する。つまり、管１６の方向が何度も変わることによって、効率のよい熱交換のために好適な乱流が発生する。また、各管１６が管１６の流路内に攪拌器４９を含むことも可能である。攪拌器４９は、例えば、湾曲した金属線、湾曲した金属片もしくは金属板、または従来知られている他の攪拌器であってもよい。

図１６および１７は、図１４および１５の熱交換器５０と類似の構造を持つ、熱交換器５２を示している。熱交換器５２は、断面が長方形である第一エンドタンク５４および第二エンドタンク５６を含んで構成されている。タンク５４および５６の形状は、本発明の技術範囲から逸脱しない限り、楕円形、正方形、多角形、および丸みを帯びた断面など、他の形状であってもよい。

図１８および１９は、空冷熱交換器６０を示している。上述の熱交換器１０、３０、３２、３４、５０、および５２とは対照的に、空冷熱交換器６０は、冷却剤中に浸されてはいないが、その代わりに、一般的なエンジンの冷却器と同様、周囲の空気中に熱を放出する。空冷熱交換器６０はフィン６２を含む。フィン６２は、複数の管１６の間に設置され、さらなる冷却面を提供する。効率のよい熱交換を行うためには、フィン６２と管の表面とはぴったり接触していなければならず、管１６は、フィン６２とぴったり接触させるために、互いに束ねられていてもよいし、取り付け用金具または他の手段によって互いにしっかりと結び付けられていてもよい。エンドタンク１２および１４は円形で示されているが、長方形、楕円形、または他の形など所望の形でよい。

ここに記載された事項は、車両への適用においては、トランスミッション・オイルおよび／またはエンジン・オイル冷却の領域に適用可能であるが、それに限定されてはおらず、鉄道、船舶、航空機、工作機械、発電装置など他の用途が数多く存在する。

本発明は、大幅な信頼性の向上のみならず、費用および重量をも大幅に低減し、熱交換器の製造に飛躍的な発展をもたらすものである。従来の平板オイル冷却器では各管のろう付けされた継ぎ目は全て漏れが起こる可能性があったのに対し、ここに記載された事項による熱交換器で漏れが起こる可能性のある箇所は、上記管とポートとの間の結合部のみである。このことは、破損がおこる可能性のある箇所が大幅に減少することを示している。さらに、ここに記載された事項による熱交換器は、軽量、安価で、信頼性が高く、また効率の高い熱交換能力を有する。

本発明についての記載はあくまでも例であり、本発明の主旨から外れない変形は本発明の範囲内であるとみなされる。そのような変形は、本発明の精神と範囲から外れたものとはみなされない。

従来技術であるトランスミッション・オイル・クーラーの回路の概略図である。 従来技術である、２本の筒を同心円状に組み合わせた管によって構成されるオイル・クーラーの部分断面図である。 図２の線２Ａ−２Ａにおける断面図である。 また別の従来技術である、平板で構成されるオイル・クーラーの部分断面図である。 従来技術である、エンジン・オイル・クーラーおよびトランスミッション・オイル・クーラーの回路の概略図である。 本発明の熱交換器の平面図である。 図５のオイル・クーラーの側面図である。 図６の線分６Ａ−６Ａにおける、図６のオイル・クーラーの断面図である。 本発明の熱交換器の平面図である。 本発明の熱交換器の平面図である。 本発明の熱交換器の平面図である。 本発明の熱交換器の管の断面図である。 図１０Ａの管の部分図である。 本発明の熱交換器の管の断面図である。 図１１Ａの管の部分断面図である。 本発明の熱交換器の管の断面図である。 図１２Ａの管の部分断面図である。 本発明の熱交換器に用いられる管の一部分の側面図である。 図１３の線分１３Ａ−１３Ａにおける、断面図である。 本発明の熱交換器の平面図である。 図１４の熱交換器の側面図である。 本発明の熱交換器の平面図である。 図１６の熱交換器の側面図である。 本発明の空冷熱交換器の平面図である。 図１８の熱交換器の側面図である。

Claims (28)

1. 流体流入タンクと、
   流体流出タンクと、
   上記流入タンクと上記流出タンクとを連結する複数の伝熱管とを含み、
   該管は、ほぼ平坦な押し出し成型物である、機械用流体を冷却するための熱交換器。
2. 冷却液に浸すことに適した、請求項１に記載の熱交換器。
3. 空冷に適した、請求項１に記載の熱交換器。
4. 上記管は、ろう付けによって上記流入タンクおよび上記流出タンクに連結されている、請求項１に記載の熱交換器。
5. 上記管は、アルミニウムからなる押し出し成型物である、請求項１に記載の熱交換器。
6. 上記管に継ぎ目がない、請求項５に記載の熱交換器。
7. 上記管は、耐圧のための内壁を含む、請求項５に記載の熱交換器。
8. 上記押し出し成型された管は、第一および第二平面を含み、
   該第一および第二平面のうち少なくとも１つは、当該平面上に凹部を有する、請求項７に記載の熱交換器。
9. 上記凹部は円形である、請求項８に記載の熱交換器。
10. 上記凹部は、楕円形、正方形、長方形、多角形、円形、および丸みを帯びた形を含むグループの中から選択された形状である、請求項８に記載の熱交換器。
11. 上記凹部は、上記管の内壁の間に直線状に配置されている、請求項８に記載の熱交換器。
12. 上記凹部は、上記管の内壁の間にジグザグ状に配置されている、請求項８に記載の熱交換器。
13. 上記押し出し成型された管のそれぞれは、第一および第二平面を含み、該管と同じ幅の凹部が上記第一および第二平面上に交互に配置されている、請求項１に記載の熱交換器。
14. 上記各管は、上記流体の流れる方向を繰り返し変えることで、乱流および熱交換を促進させる折り畳み形状をさらに備えている、請求項１に記載の熱交換器。
15. 上記折り畳み形状は、上記管を所定の角度で曲げることにより形成されている、請求項１４に記載の熱交換器。
16. 上記所定の角度は９０度である、請求項１５に記載の熱交換器。
17. 上記押し出し成型された管における上記流体の流れの中に挿入され、上記流体の流れる方向を繰り返し変えて乱流を発生させ、熱交換を促進する攪拌器をさらに含む、請求項１に記載の熱交換器。
18. 上記攪拌器は、湾曲した金属線、定型金属片および金属板を含むグループの中から選択されたものである、請求項１に記載の熱交換器。
19. 上記管と上記管との間に挿入された冷却フィンをさらに含む、請求項３に記載の熱交換器。
20. 上記流体は、自動車用のオートマチック・トランスミッション・フルードである、請求項１に記載の熱交換器。
21. 第一および第二平面を含む複数の管を押し出し成型する工程と、
    各管の第一の端を流体流入タンクにろう付けする工程と、
    各管の第二の端を流体流出タンクにろう付けする工程とを含む、機械用流体を冷却するための熱交換器を製造する方法。
22. 上記押し出し成型の工程には、上記各管の第一平面と第二平面との間に内壁を形成する工程が含まれる、請求項２１に記載の製造方法。
23. 上記押し出し成型の工程には、上記管と同じ幅の凹部を上記第一および第二平面上に交互に形成する工程が含まれる、請求項２１に記載の製造方法。
24. 上記押し出し成型の工程には、各管の少なくとも１つの平面上に凹部を形成する工程が含まれる、請求項２２に記載の製造方法。
25. 上記凹部を形成する工程には、上記管の内壁の間にジグザグ状に凹部を形成する工程が含まれる、請求項２４に記載の製造方法。
26. 流体流入タンクと、
    流体流出タンクと、
    上記流入タンクと上記流出タンクとを連結する、第一および第二平面を含む複数の伝熱管と、
    上記各管の第一および第二平面のうち、少なくとも１つの平面上に押し出し成型された複数の凹部とを含む、機械用流体を冷却するための熱交換器。
27. 上記第一平面と上記第二平面との間に複数の内壁をさらに含む、請求項２６に記載の熱交換器。
28. 上記凹部は、上記内壁の間にジグザグ状に配置されている、請求項２７に記載の熱交換器。