JP2010502929A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱交換器内、特にその流れ路内の温度差によって引き起こされる熱応力を防止もしくは減らす。
【解決手段】 媒体を供給するための被冷却媒体を流通可能なバイパス路が第１通路に付設される。互いに並行に配置される流れ路を有する１つのブロック（２）を備えた熱交換器（１５）であって、このブロック（１２）が少なくとも２つの通路（２ａ、２ｂ）内で逆方向に被冷却媒体を流通させることができ、媒体を供給するための被冷却媒体を流通可能なバイパス路（６）が第１通路（２ａ）に付設されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、互いに並行に配置される流れ路を有する１つのブロックを備えた熱交換器であって、このブロックが少なくとも２つの通路内で逆方向に被冷却媒体を流通させることができるものにおいて、媒体を供給するための被冷却媒体を流通可能なバイパス路が第１通路に付設されているものに関する。

互いに並行に配置される流れ路を有する熱交換器ブロック、簡単にブロックと呼ばれるこのような熱交換器は、例えば自動車において冷却材／空気ラジエータとして知られている。被冷却媒体、例えば自動車の内燃機関冷却回路の冷却材が流れ路を流れる。冷却材は好ましくは空気（周囲空気）によって冷却され、二次交換面はフィンの態様で設けておくことができる。このようなブロックについてさまざまな流れパターン、例えば１つまたは２つの流れ経路を有するダウンフローラジエータまたはクロスフローラジエータが知られている。最後に指摘した事例ではブロックの貫流がＵ形に起きる。このため２つの集合タンクがブロックに設けられており、第１集合タンクは１つの流入室と１つの流出室とを有し、第２集合タンクは方向転換タンクとして形成されている。それとともに流れの方向転換は「幅方向」、すなわち方向転換タンクの長手方向で起きる。第１、第２通路へのブロックの分割は一般に５０：５０で行われ、両方のブロック半片の管内の流速は同じである。冷却空気の流れ方向は被冷却媒体の流れ方向に垂直であり、従って熱交換は十字流で行われる。第１通路の管内の媒体温度は冷却のゆえに第２通路内の媒体温度よりも高い。パラレルフローラジエータ（その際、ブロック全体が１方向で流通させる）と比較して流れ路内の流速が方向転換によって高まり、僅かな冷却材流量において熱交換が改善されることになる。第１、第２通路内の管の温度差によって管の膨張が異なることになり、そのことで熱交換器内に熱応力が生じる。エンジン負荷の高まる結果として冷却材流入温度が高まるときには特に、ブロックの第１通路と第２通路との間の温度差が強まる。なぜならば、このような非定常過程のとき時間遅延が現れ、この時間遅延で媒体が両方の通路を順次通過するからである。

本出願人の特許文献１により公知となった熱交換器は嵌挿された隔壁と流入短管と流出短管とを備えた１つの集合タンクを有する。こうして熱交換器のＵ形流通が可能となり、この流通が第１、第２流れ通路内に上記温度差を生じる。

本出願人の特許文献２により公知となった内燃機関用熱交換器として形成された熱交換器はフィン／管ブロックと上タンクと下タンクと側部品とから成り、側部品は流れ路として形成され、冷却材を流通させる。被冷却媒体はタンクから取り出され、こうして側部品を冷却し、これにより側部品は僅かな部材温度となる。こうして冷却管と側部品との間で過度に高い温度差と熱応力の高まりが防止される。

独国特許発明第１９７２２０９９号明細書 独国特許発明第３２１２８９１号明細書

Ｕ形に流通可能な熱交換器から出発して、本発明の課題は、熱交換器内、特にその流れ路内の温度差によって引き起こされる熱応力を防止もしくは減らすことである。

この課題は、媒体を供給するための被冷却媒体を流通可能なバイパス路が第１通路に付設されていることによって解決される。本発明の有利な諸構成は従属請求項から明らかとなる。

本発明によれば、まず、熱交換器の第１通路、つまり流れ推移の第１Ｕ脚部にバイパスが付設されている。すなわち、被冷却媒体の一部は熱交換器の第１通路に流入する前に分岐され、バイパスに通され、冷却されることなく第１通路後、もしくは第２通路の前で再び主流れに供給される。こうして達成される利点として、第２通路内で温度が高まり、こうして温度差が減少する。こうして流れ路、例えば管および管板結合部内で熱に起因した応力も減少する。

有利には、流入室および流出室を備えた第１集合タンクと方向転換タンクの態様の第２集合タンクが熱交換器のブロックに付設されている。その場合、バイパス路が流入室と方向転換タンクとの間を延びており、方向転換タンク内へのバイパス路の局所的入口は可変に、すなわち第２通路内の所望する温度上昇に依存して形成することができる。好ましくは方向転換タンク内へのバイパス路の入口は、流入室と流出室とを相互に分離する隔壁の高さに設けることができる。その場合好ましくは熱交換器が水平に推移する流れ路と垂直に配置される集合タンクとを有する。方向転換タンクが流入口を有する。バイパス路が方向転換タンクに注ぐ。バイパス路および／または方向転換タンクは僅かに冷却されただけの媒体を通す。バイパス路は方向転換タンク内に配置されている。僅かに冷却された媒体は流入口を介して方向転換タンクに達する。バイパス路の流入口が第２通路への入口に一層接近させて設けられれば設けられるほど、第１通路の冷却された媒体との混合は一層少なくなり、第２通路内で温度の上昇が一層起きる。

第１通路と第２通路へのブロックの分割は１：１で行うことができ、しかしそれから外れて行うこともできる。同じ分割の場合、両方の通路内で流速は実質同じとなる。それに対してバイパス路内の流速は高く、その横断面または流れ抵抗の設計によって所望する値に調整することができる。バイパス路内の流速が高ければ高いほど、高温媒体の温度前線は一層速く方向転換タンクもしくは第２通路入口に達する。こうして被冷却媒体の突然現れる温度上昇と、それと結び付いて上昇する第１通路と第２通路との間の温度差は、第１通路と第２通路とで温度前線が互い違いに走るので補償することができる。

有利には、バイパス路は熱交換器に至る個別のバイパス管路として形成しまたは熱交換器に一体化しておくことができる。一体化は例えばバイパス路を熱交換器の側部品に一体化することによって行うことができる。側部品は流れ路として、すなわち中空に形成され、流入タンクおよび方向転換タンクと流れ結合されている。

本発明の好ましい１実施形態によれば、熱交換器が自動車用内燃エンジンの冷却材回路内の冷却材／空気ラジエータとして形成されている。ラジエータブロックは一般に、冷却材を流通可能な管と周囲空気を付加されるフィンとから成る。フィン／管ブロックは機械的に作製し、または蝋付けブロックとして形成しておくことができる。集合タンクはプラスチックまたは金属、特に例えば完全アルミニウムラジエータにおけるようにアルミニウムから製造しておくことができる。

有利には、バイパス管路の直径が７〜１６ｍｍの範囲内である。こうして、ラジエータ内の総流量のうちバイパス内の流量の占める割合は１０〜２５％である。

本発明の実施例が図面に示してあり、以下で詳しく説明される。

先行技術によるＵ形流れ方向転換を有する冷却材ラジエータを示す。 バイパス管路を備えた本発明に係る冷却材ラジエータを示す。 温度／時間線図である。 先行技術によるラジエータにおける温度前線の略図である。 本発明に係るラジエータにおける温度前線の略図である。 バイパス管路から冷却材を導入するための導入管の略図である。 バイパス管路から冷却材を導入するための導入管の他の略図である。

図１は先行技術による冷却材／空気ラジエータとして形成された熱交換器１を示す。以下で簡単にラジエータと呼ぶ冷却材ラジエータ１はクロスフローラジエータとして自動車内燃機関用の図示しない冷却材回路内に配置されている。ラジエータ１は以下で簡単にブロック２と呼ぶラジエータブロック２を有し、このブロックは図示しない水平に推移する管（流れ路）と管の外面に配置されるやはり図示しないフィンとを有する。管とフィンは好ましくは蝋付けして１つのブロック、すなわちブロック２とされている。しかしながら別の構造様式、例えば機械的に作製された円形または楕円形管系も考慮に値する。図示しない管の管端はそれぞれ集合タンク３、４に注ぎ、第１集合タンク３は隔壁３ａによって流入室３ｂと流出室３ｃとに仕切られているが、第２集合タンク４は隔壁を持たず、方向転換タンクとして形成されている。ブロック２は隔壁３ａのゆえに、流入短管３ｄを通して流入室３ｂに流入する冷却材がまず、図面の上側に設けられた第１通路２ａ（第１管群）内を矢印Ａの方向に流通する。その後、冷却材は方向転換タンク４内で方向転換され、次に図面の下側に設けられた第２通路２ｂ（第２管群）を通して矢印Ｂの方向に還流し、流出室３ｃに流入し、流出短管３ｅを介してラジエータ１から流出する。両方の通路もしくは管群２ａ、２ｂは隔壁３ａの高さで破線ｍによって分離されている。管を流通する冷却材は、図示平面に垂直にブロック２を流通する周囲空気によって冷却される。

この配置では有利なことに一方で方向転換のゆえに冷却材の流速が高まり、それとともに熱交換が改善される。他方で特定組込条件のとき冷却材流入短管と流出短管を同じ側もしくは同じ集合タンクに配置することが有利なことがある。

図２が示す本発明に係る熱交換器５はやはり自動車用冷却材／空気ラジエータとして形成され、先行技術による公知のラジエータ１に一致している。それゆえに、ラジエータ５の一致した部品には図１のラジエータ１の符号が引き継がれた。ラジエータ５は公知のラジエータ１とは異なりバイパス管路６を有し、このバイパス管路はブロック２の第１通路２ａを迂回し、その際に冷却材が冷却されることはない。流入した冷却材流は矢印Ｖ_Ｅで表し、流出する冷却材流は矢印Ｖ_Ａで表してある。つまりバイパス管路６は流入室３ｂの前または内部で分岐し、流入口７を介して方向転換タンク４と結合されている。バイパス管路６は個別の管路、例えば配管として形成し、または図面には図示していないがラジエータ５に一体化しておくことができる。これは例えば側部品を有するラジエータにおいて達成することができ、第１通路のブロック半片に当接する側部品は中空で、流れ路として形成され、流入室から方向転換タンクへと冷却材を流通させる。

流入口７は、好ましくは、線ｍの両側にブロック２の幅の約１５％だけそれぞれ外れた範囲ｂ内に配置されている。流入口または流入部７とは、バイパス流（バイパス路６内の冷却材流）が方向転換タンク４内の冷却材流に衝突して両方の流れが混じり合う個所のことである。

本発明の好ましい実施例によれば、ラジエータ用バイパス管路の直径が７〜１６ｍｍの範囲内であり、従ってラジエータ５内の流量全体に占めるバイパス流の割合は１０％〜２５％に調整することができる。

方向転換タンク４の流入口７は図面において、すなわち好ましい実施例では、線ｍの上方に配置されており、この線は図面の上側に設けられる第１通路２ａを、図面の下側に設けられる第２通路２ｂから分離する。第１通路２ａと第２通路２ｂは同じ流れ横断面を有する同数の（図示しない）管を有するので、上側ブロック半片２ａと下側ブロック半片２ｂは同じである。しかし、通路２ａ、２ｂの流れ横断面を５０：５０から離れて例えば４０：６０に設計することも本発明の枠内のことである。

バイパス流、すなわちバイパス管路６内を流れる冷却材の割合と、事実上冷却されていない冷却材が方向転換タンク４の中央領域で再流入することによって、第２通路２ｂには高温冷却材もしくは比較的冷却されていない冷却材が供給され、第２通路２ｂ内で冷却材の温度が上昇する。本発明によるこのバイパス流の作用を以下で詳しく説明する。

図３が示す線図には冷却材、つまり冷却材流Ｖ_Ｅの流入温度Ｔ_Ｅが時間ｔにわたってプロットされている。図示した温度推移には車両内の以下の両方の動作状態が根底にある。第１動作状態（短絡動作）では冷却材回路の（図示しない）サーモスタットが閉じており、エンジンは部分負荷範囲内で作動する。冷却材ラジエータは冷却材をほぼ周囲温度（Ｔ１）に冷却する。この動作状態のときラジエータ内の体積流量はゼロに等しくまたはごく僅かである。第２動作状態のときエンジンは負荷のもとで作動し、それゆえに一層多くの熱がエンジンから奪われ、すなわちサーモスタットが開く。体積流量が増加し、冷却材はＴ１よりも高い温度Ｔ２でラジエータ内に流れる。

線図においてＴ１は低い冷却材流入温度であり、Ｔ２は高まった冷却材流入温度を表し、後者は上で述べたようにエンジン負荷の上昇時に現れることがある。時間ｔに対する温度Ｔ_Ｅの時間的依存関係を表す連続線は遅延を示しており、ラジエータ入口でのＴ１からＴ２への温度上昇はこの遅延でもって方向転換タンクまで伝播する。冷却材流入温度が時間（ｔ２−ｔ１）内にＴ２に増加する間、温度Ｔ２が方向転換タンクにも到来し、すなわち第２通路の入口に到来するまでに時間（ｔ４−ｔ２）が経過する。

図４は先行技術、つまり図１によるラジエータの略図であり、時点ｔ＝ｔ３（図３参照）に第１（上側）通路内にＴ１の温度とＴ２の高い温度とを有する温度前線が示してある。ラジエータの上側ブロック２ａは特に入口で温度急変時に実質的にハッチング範囲Ａを有し、この範囲において管内の冷却材は流入温度Ｔ２に達している。Ｔ２＞Ｔ＞Ｔ１の移行範囲において低温冷却材と高温冷却材が互いに混ざり合う。Ｔ＝Ｔ１の範囲に温度Ｔ＝Ｔ１の低温冷却材がある。そのことから明らかとなるように、温度差（Ｔ２−Ｔ１）は全範囲で有効であり、すなわち上側通路の管が大部分既に高まった温度Ｔ２を有する一方、下側通路の管はなお低い温度Ｔ１を有する。そのことから前記熱応力が帰結する。

図５は、図２の実施例に相応してバイパス管路６と方向転換タンク４内のバイパス流の流入部７とを有する本発明に係るラジエータにおける時点ｔ＝ｔ３（図３参照）での温度前線の伝播を示す。流入部７は有利には隔壁の位置（線ｍ）に対して相対的にラジエータ幅の±１５％の範囲内に配置されている。バイパス流と線ｍの領域でのその流入とによって、高まった温度Ｔ２の冷却材は第２通路２ｂの入口へと直接送られる。これにより、ハッチング範囲８によってモデル化（理想化）して示した温度分布もしくは温度前線が生じる。第１通路内の高い冷却材流入温度Ｔ２を有する範囲はやはりハッチングして符号９としてある。ハッチング範囲８、９が形成する面Ａ_Ｕ、Ａ_Ｏは温度Ｔ２を有する冷却材体積に一致している。図４において符号Ａは温度Ｔ２の相応するハッチング面である。図４と図５を比較して関係Ａ＝Ａ_Ｏ＋Ａ_Ｕが成り立つ。この線図は、第１通路内の範囲９の温度前線（Ａ_Ｏ）と第２通路内の範囲８の温度前線（Ａ_Ｕ）が互い違いに、すなわち上下で進むことを示している。これにより、先行技術の方から知られている温度差増は減少し、従ってそこから帰結する応力も低下する。

バイパス管路の流れ抵抗と横断面とのゆえにタンク３ａ内の温度上昇とタンク４の個所７での温度上昇との間の時間的ずれは変更し適合させることができる。

図６と図７は導入管２１の実施例を示す。導入管２１は管フランジ２０によってバイパス路６に接続されており、バイパス路６から方向転換タンク４内に冷却材を導入するのに役立つ。導入管２１は少なくとも部分的に方向転換タンク４内に突出している。さらに、導入管２１は少なくとも直角に曲げてあり、および／またはバイパス路６から冷却材を導入するための少なくとも１つの口２２を有する。

Claims (19)

1. 互いに並行に配置される流れ路を有する１つのブロック（２）を備えた熱交換器であって、このブロックが少なくとも２つの通路（２ａ、２ｂ）内で逆方向に被冷却媒体を流通させることができるものにおいて、媒体を供給するための被冷却媒体を流通可能なバイパス路（６）が第１通路（２ａ）に付設されていることを特徴とする熱交換器。
2. ブロック（２）に第１集合タンク（３）が付設されており、この集合タンクが第１通路（２ａ）用流入室（３ｂ）と第２通路（２ｂ）用流出室（３ｃ）とを有することを特徴とする、請求項１記載の熱交換器。
3. 第１、第２通路（２ａ、２ｂ）用方向転換タンクとしての第２集合タンク（４）がブロック（２）に付設されていることを特徴とする、請求項１または２記載の熱交換器。
4. バイパス路（６）がブロック（２ａ）に入る前に分岐可能であることを特徴とする、請求項１〜３の少なくとも１項記載の熱交換器。
5. バイパス路（６）が流入室（３ｂ）から分岐可能であることを特徴とする、請求項４記載の熱交換器。
6. バイパス路（６）が方向転換タンク（４）に注ぐことを特徴とする、請求項３〜５の少なくとも１項記載の熱交換器。
7. 流入室（３ｂ）と流出室（３ｃ）が隔壁（３ａ）によって相互に仕切られていることを特徴とする、請求項２〜６の少なくとも１項記載の熱交換器。
8. 流れ路が第１、第２通路用に１：１である通過横断面を有することを特徴とする、請求項１〜７の少なくとも１項記載の熱交換器。
9. バイパス路（６）が方向転換タンク（４）の流入口（７、２２）に注ぐことを特徴とする、請求項６〜８の少なくとも１項記載の熱交換器。
10. 流入口（７、２２）が隔壁（３ａ）の位置を標識する線（ｍ）の範囲（ｂ）内に配置されており、この範囲（ｂ）が線（ｍ）の両側にブロック（２）の幅のそれぞれ約１５％だけ外れていることを特徴とする、請求項９記載の熱交換器。
11. バイパス路が個別のバイパス管路（６）として形成されていることを特徴とする、請求項１〜１０の少なくとも１項記載の熱交換器。
12. バイパス路（６）が、特に部分的にまたは完全に、熱交換器（５）に一体化されていることを特徴とする、請求項１〜１１の少なくとも１項記載の熱交換器。
13. 熱交換器が流れ路と並行に配置される少なくとも１つの側部品を有し、この側部品が流れ路として形成されかつバイパス（６）として流通可能であることを特徴とする、請求項１２記載の熱交換器。
14. 熱交換器が自動車用内燃機関の冷却材回路用冷却材／空気ラジエータ（５）として形成されていることを特徴とする、請求項１〜１３の少なくとも１項記載の熱交換器。
15. バイパス管路（６）の直径が好ましくは７〜１６ｍｍであることを特徴とする、請求項１０〜１４の少なくとも１項記載の熱交換器。
16. バイパス路（６）内の流量の割合がラジエータ（５）内の流量の１０〜２５％に調整可能であることを特徴とする、請求項１４または１５記載の熱交換器。
17. バイパス管路（６）内の冷却材の流速が第１通路（２ａ）の流れ路内の流速よりも高いことを特徴とする、請求項１６記載の熱交換器。
18. 流れ路が管として形成され、ブロック（２）が管／フィンブロックとして形成されていることを特徴とする、請求項１４〜１７の少なくとも１項記載の熱交換器。
19. バイパス管路（６）が導入管（２１）によって少なくとも部分的に方向転換タンク（４）内に突出していることを特徴とする、請求項２〜１８のいずれか１項記載の熱交換器。

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