JP2010510470A - 多流体式２次元熱交換器 - Google Patents

Abstract

熱交換器は、各導管の間および周囲に空気が流れるように離間した少なくとも３つの管状の導管を有する。導管は、この導管を介して第１液体が流れるように、入口および出口マニホルドと連通する。中間の導管が、少なくとも２つの、しかし全てではない、離間した管状の導管の間に配置され、中間の導管は、この中間の導管を介して第２液体が流れるように、入口および出口開口部を有する。

Description

本発明は、熱交換器に関し、特に、３つ以上の流体の間で熱エネルギーを伝達する熱交換器に関する。

自動車の製造などのいくつかの用途では、その用途に使用される様々な異なる流体を冷却または加熱する複数の熱交換器を有するのが一般的である。たとえば、自動車の場合、エンジン冷却液を冷却するラジエータ、および、エンジン・オイル、トランスミッション・オイルまたはトランスミッション液、パワーステアリング液、燃料などの流体を冷却する１つまたは複数の他の熱交換器を有するのが一般的である。通常、エンジン冷却液を冷却するのに空気が使用され、エンジン冷却液自体が、しばしば、エンジン・オイルもしくはトランスミッション・オイルまたはパワーステアリング液といった他の流体を冷却するのに使用される。理解されるように、これは、通常、多くの配管系統が関係し、自動車の用途では、自動車に組み入れられる必要のある構成要素が多すぎると、組み立てのコストが増大し、壊れる可能性のある構成要素がより多くなり、常に不足している貴重な空間を占有してしまうので、非常に望ましくない。

必要とされる配管系統の量を削減し、空間を節約する試みとして、２つの熱交換器の機能または熱交換器のサブアセンブリーを組み合わせて１つの組合せ熱交換器にし、エンジン冷却液など、流体のうちの１つが、この２つのサブアセンブリー熱交換器の間で共有されることが提案されている。この例は、Ｂｅｌｄａｍに対して発行された米国特許第４，３２７，８０２号に示され、ここでは、ラジエータで使用されるのと同じエンジン冷却液が、ラジエータと一体的に形成されたオイル冷却器のサブアセンブリーにおいて使用される。このＢｅｌｄａｍの熱交換器では、空気がエンジン冷却液の冷却に使用され、次に、エンジン冷却液がオイルの冷却に使用される。

米国特許第５，８８４，６９６号（Ｌｏｕｐ）は、別の組合せ熱交換器であり、ここでは、交互に配置された流体流路（ｉｎｔｅｒｌｅａｖｅｄ ｆｌｕｉｄ ｆｌｏｗ ｐａｓｓａｇｅｓ）が、２つの熱交換器を平行に置くのに使用され、そうでなければ離れすぎてしまう熱交換器の全体的なサイズを縮小する。この装置では、エンジン冷却液および冷媒などの２つの熱交換流体のための隣接する流れ通路が、２つの熱交換流体と空気との間の熱伝達のために、空気通路によって分離される。

共通の流体と２つの他の流体との間で熱エネルギーが伝達される組合せ熱交換器のさらに別の例が、米国特許第５，４６２，１１３号に示される。この装置では、交互になった離間した流路を備えた２つの冷媒回路が設けられ、水などの第３の熱交換流体が、水が冷媒に対して最もよくさらされるように、冷媒回路の流路の全てを囲む。

上述の従来技術の装置は全て、コンパクトな構成および配管系統の簡略化という所望の結果を達成するが、これらの装置は、主に、１つの共通の流体と２つの他の流体との間で熱を伝達することに関する。これらの装置は、２つの他の流体自体の間で熱エネルギーを伝達するのにはあまり効率的ではない。

本発明では、様々な運転条件において、熱エネルギーが一方から他方へと伝達可能である、３つ以上の流体通路または導管が設けられる。

本発明の一態様によれば、複数の離間した細長い二重管の導管を備える熱交換器が設けられる。この導管は、それぞれ、内部流路を有する一対の管を含む。管と管との間に中間の流れチャネルを画定するように、一方の管は、他方の管に接合される高くなった外周の縁部部分を有する。二重管の導管は、向かい合う端部部分を有する。第１対のマニホルドは、内部流路と連通した、向かい合う端部部分にそれぞれ配置される第１入口マニホルドおよび第１出口マニホルドを含む。また、第２対のマニホルドは、中間の流れチャネルと連通している。第２対のマニホルドは、第２入口マニホルドおよび第２出口マニホルドを含む。第１入口マニホルドは、第２入口マニホルドおよび第２出口マニホルドのうちの一方のそばに嵌められ、第１出口マニホルドは、第２入口マニホルドおよび第２出口マニホルドのうちの他方のそばに嵌められる。

本発明の別の態様によると、熱交換器を介して第１液体が流れるように、内部流路を中に画定する少なくとも３つの管状の導管を備える液体／空気式熱変換器が設けられる。管状の導管は、向かい合う端部部分を有し、各導管の間および周囲に空気が流れるように離間されている。第１対のマニホルドは、内部流路と連通した、向かい合う端部部分にそれぞれ配置される入口マニホルドおよび出口マニホルドを含む。少なくとも２つの、しかし全てではない、離間した管状の導管の間に、中間の導管が配置される。また、中間の導管は、第１流体と第２流体との間の熱伝達のために中間の導管を介して第２液体が流れるように、入口開口部および出口開口部を含む。

ここで、添付の図面を参照して、本発明の好ましい実施形態が、例によって説明される。

左側または左端部が右側の鏡像である、本発明による熱交換器の好ましい実施形態の右側または右端部の斜視図である。 管状の導管の内部を示すように部分的に破断された、図１と同様の斜視図である。 図２に示される二重管の導管の１つおよび関連する冷却フィンの斜視図である。 図３に示される構成要素の分解斜視図である。 図１の５−５線に沿って取られた縦断面図である。 本発明による熱交換器の別の好ましい実施形態の概略的な立面図である。

まず、図１から図５を参照すると、本発明による熱交換器の好ましい実施形態が、参照符号１０によって全体的に示される。熱交換器１０は、各導管の間および周囲に空気が流れるように離間された、複数の細長い管状の二重管の導管１２を含む。二重管の導管は、それぞれ、内部流路１６を有する一対の導管または管１４を含む。図４および図５において最もよく分かるように、管１４は、それぞれの二重管の導管１２の２つの管１４の間に中間の導管または流れチャネル２０を画定するように互いに接合される、高くなった外周の縁部部分１８を有する。しかしながら、管１４の一方のみが、間に中間の流れチャネル２０を画定するように他方の管１４に接合される高くなった外周の縁部部分１８を有する必要がある。中間の導管または流れチャネル２０は、少なくとも２つの、しかし全てではない、離間した管１４の間に配置される。

二重管の導管１２は、向かい合う端部部分２２（その一方のみが図面に示される）を有する。向かい合う端部部分２２は、第１マニホルド２４および第２マニホルド２６を含む。第１マニホルド２４は内部流路１６と連通し、第２マニホルド２６は中間の流れチャネル２０と連通する。二重管の導管１２の向かい合う端部部分２２の第１マニホルド２４は、流体が内部流路１６の中を流れる方向によって、第１入口マニホルドおよび第１出口マニホルドを含む第１対のマニホルドを形成する。二重導管１２の向かい合う端部部分２２の第２マニホルド２６は、やはり、流体が中間の流れチャネル２０の中を流れる方向によって、第２入口マニホルドおよび第２出口マニホルドを含む第２対のマニホルドを形成する。通常、第１入口マニホルド２４は、第２出口マニホルド２６に隣接してまたは第２出口マニホルド２６のそばに配置されるか、または嵌められ、熱交換器１０を向流タイプの熱交換器にする。しかしながら、熱交換器１０は並流式熱交換器であってもよく、この場合には、第１入口マニホルド２４は、第２入口マニホルド２６に隣接して配置されるか、第２入口マニホルド２６のそばに嵌められてよい。言い換えると、管１４を介して流れる流体の所望の方向によって、第１入口マニホルド２４が、第２入口マニホルドまたは第２出口マニホルド２６のいずれかのそばに嵌められ、第１出口マニホルド２４が、第２入口マニホルドまたは第２出口マニホルド２６のいずれかのそばに嵌められてよい。

二重導管１２の向かい合う端部部分２２に配置される第１の入口および出口マニホルド２４は、第１対のマニホルドを形成し、このマニホルドは、それぞれの管１４に外向きに配設されたボス２８（図４を参照）によって形成される。ボス２８は、中を通る整列された横断方向の流れ開口部３０、および流れ開口部３０を囲む外周の縁部部分３２を画定する。外周の縁部部分３２は、第１マニホルド２４を形成するように隣接する管１４内で互いに接合される。

同様に、第２対のマニホルド２６が、それぞれの管１４に内向きに配設されたボス３４（図４を参照）によって形成される。ボス３４は、整列された横断方向の流れ開口部３６を中に画定する。外周の縁部部分３８は流れ開口部３６を囲み、外周の縁部部分３８は、第２のマニホルド２６を形成するように隣接する管内で互いに接合される。ボス３４は、高くなった外周の縁部部分１８の内側に配置されることに留意されたい。

図４において最もよく分かるように、広がった金属の乱流器４０が内部流路１６に配置される。管１４は、乱流器（ｔｕｒｂｕｌｉｚｅｒ）４０と接触し内部流路１６の一部を画定する、離間した平行で平坦な壁４２、４４を有する。中間の流れチャネル２０の一部を画定する壁４４は、中間の流れチャネル２０内で混合またはおそらく乱流を引き起こすのを助けるように、中間の流れチャネル２０の中へ延在する嵌合する窪み４６を有する。冷却フィン４８が、各二重管の導管１２の管１４の１つに取り付けられる。フィン４８は、フィン４８が管１４の平坦な壁４２に接触するように、ボス２８とボス２８との間に延在し、ボス２８の高さの２倍の高さを有する。フィン４８は、要求に応じて、任意の従来のタイプ、平坦形、またはルーバー付きであってよい。

図４および図５において最もよく分かるように、管１４は、互いに接合される高くなった外周のつば５４を有する、嵌合する板５０、５２から形成される。第１および第２のマニホルド２４、２６を形成するボス２８および３４が、外周のつば５４の内側に配置される。

熱交換器１０が２つのタイプの板５０、５２から形成されることに留意されたい。これらの板は、通常、クラッド・アルミニウム合金をろう付けすることで形成される。フィン４８および乱流器４０は、通常、単なるアルミニウム合金からなる。底部の、より厚い取付け板５６が、通常、熱交換器の支持または取付けをするのに使用される。熱交換器は、通常、所望のタイプおよび数の板、乱流器、およびフィンを全て組み立て、ろう付け炉で部品を互いにろう付けすることによって作製される。

熱交換器１０の好ましい用途は、オイルが導管または管１４を通過し、空気がフィン４８を介して各二重導管１２の間および周囲を横断方向に通る、オイル／空気式熱変換器である。エンジン冷却液のような別の液体が、中間の導管または流れチャネル２０を通過する。このやり方においては、低温の起動条件では、エンジン冷却液がオイルより速く暖まるので、そうでない場合に流れ始めるよりも早くオイルを流れ始めさせるように、オイルは、中間の導管２０内の冷却液によって暖められる。また、通常の運転条件では、熱交換器１０において冷却液へのさらなる熱伝達があるために、中間の導管２０を通過する冷却液は、オイルからの熱伝達を強化または増大させる。

次に図６を参照すると、本発明による熱交換器６０の好ましい別の実施形態が示される。熱交換器６０は、熱交換器６０を介して液体などの第１流体が流れるように内部流路６４を中に画定する、少なくとも３つの管状の導管６２から形成される。管状の導管６２は、向かい合う端部部分６６を有し、導管６２または少なくとも内部流路６４は、各導管６２の間および周囲に空気などの第２流体が流れるように離間される。

一方が入口マニホルドで他方が出口マニホルドである第１対のマニホルド６８、７０が、向かい合う端部部分６６および内部流路６４に配置され、向かい合う端部部分６６および内部流路６４と連通している。マニホルド６８、７０は、管状の導管６２の向かい合う端部において、拡張されたボス７２によって形成される。ボス７２は、マニホルド６８、７０の全長に沿って流体が流れるように横断方向の開口部（図示せず）を中に有する。

フィン７４は管状の導管６２の間に配置され、必要に応じて、広がった金属の乱流器（図示せず）も、内部流路６４の内側に配置可能である。

中間の導管７６が、少なくとも２つの、しかし全てではない、離間した管状の導管６２の間に配置される。中間の導管７６は、好ましくは、内部流路６４を画定する導管６２の部分に接合される、一対の平行で平坦な管７８を含み、この導管６２の部分はまた、管７８と管状の部分８０との間に良好な表面対表面の接触を与える平坦な管状の部分８０である。入口および出口取付け部品８２、８４が、第１流体と第２流体との間の熱伝達のために、中間の導管７６を介して別の液体などの第２流体が流れるように、入口および出口開口部８６、８８を画定する。必要に応じて、別の冷却フィン９０が、中間の導管７６の平坦な管７８の間に配置可能である。

熱交換器６０の好ましい用途は、オイルが導管６２を通過し、空気がフィン７４を介して各導管６２の間および周囲を横断方向に通る、オイル／空気式熱変換器としてである。通常、４つ以上の管状の導管６２があるが、好ましくは、１つのみの中間の導管７６がある。エンジン冷却液などの別の液体が中間の導管７６を通過する。このやり方においては、低温の起動条件では、エンジン冷却液がオイルより速く暖まるので、そうでない場合に流れ始めるよりも早くオイルを流れ始めさせるように、オイルは、中間の導管７６内の冷却液によって暖められる。また、通常の運転条件では、熱交換器６０において冷却液へのさらなる熱伝達があるために、中間の導管７６を通過する冷却液は、オイルからの熱伝達を強化または増大させる。

本発明の好ましい実施形態を説明してきたが、上述のこれらの構造体に様々な修正を行ってよいことが理解されよう。たとえば、図１から図５に示される熱交換器において、乱流器４０および窪み４６が排除されるか、または、乱流器が中間の流れチャネル２０に用いられ、嵌合する窪みが内部流路１６に用いられてもよい。

第１マニホルド２４は、熱交換器１０の長さ方向の軸に沿って第２マニホルド２６の内側または内向きに嵌るように示されているが、第１および第２のマニホルド２４、２６は、要求に応じて、横方向に偏位されるか、または、その位置が入れ替えられてもよい。管１４を形成するのに一対の板５０、５２を使用する代わりに、実際の管が、マニホルド２４、２６の形成または取付けのために、適切な修正を行って使用可能である。

要望に応じて、第１および第２のマニホルド２４、２６の形成のためにその他の構造も使用可能である。

図６に示される実施形態では、中間の導管７６を形成するのに２つの離間した平坦な管７８を用いる代わりに、単一の管が中間の導管７６に使用可能である。２つ以上の中間の導管７６が熱交換器６０に使用可能であるが、中間の導管７６は、管状の導管６２の全ての対の間には使用されないことが好ましい。マニホルド６８、７０の形成にその他の構造が使用可能である。管状の導管６２は、中間の導管７６と同様に、板の対または管から作製可能である。

上述の内容から、本発明の範囲は、目的にかなうように解釈される添付の請求項のみによって限定されることが、当業者には明らかであろう。

Claims (20)

1. 複数の離間した細長い二重管の導管であって、前記導管が、それぞれ、内部流路を有する一対の管を含み、前記管と管との間に中間の流れチャネルを画定するように、一方の前記管が、他方の前記管に接合される高くなった外周の縁部部分を有し、
   向かい合う端部部分を有する二重管の導管と、
   前記内部流路と連通した、前記向かい合う端部部分にそれぞれ配置される第１入口マニホルドおよび第１出口マニホルドを含む第１対のマニホルドと、
   前記中間の流れチャネルと連通する第２対のマニホルドであって、前記第２対のマニホルドが、第２入口マニホルドおよび第２出口マニホルドを含み、前記第１入口マニホルドが、前記第２入口マニホルドおよび第２出口マニホルドのうちの一方のそばに嵌められ、前記第１出口マニホルドが、前記第２入口マニホルドおよび第２出口マニホルドのうちの他方のそばに嵌められる第２対のマニホルドとを備える熱交換器。
2. 前記第１対のマニホルドが、各管に外向きに配設されたボスによって形成され、前記ボスが、中を通る整列された横断方向の流れ開口部、および前記流れ開口部を囲む外周の縁部部分を画定し、前記外周の縁部部分が、前記第１のマニホルドを形成するように隣接する管内で互いに接合される、請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記第２対のマニホルドが、各管に内向きに配設されたボスによって形成され、前記内向きに配設されたボスが、前記高くなった外周の縁部部分の内側に配置され、前記ボスが、中を通る整列された横断方向の流れ開口部、および前記流れ開口部を囲む外周の縁部部分を画定し、前記外周の縁部部分が、前記第２マニホルドを形成するように隣接する管内で互いに接合される、請求項１に記載の熱交換器。
4. 前記第１入口マニホルドおよび前記第１出口マニホルドが、前記第２入口マニホルドおよび前記第２出口マニホルドの内側に配置される、請求項２に記載の熱交換器。
5. 前記第１入口マニホルドおよび前記第１出口マニホルドが、前記第２入口マニホルドおよび前記第２出口マニホルドの内側に配置される、請求項３に記載の熱交換器。
6. 前記管が、互いに接合される高くなった外周のつばを有する嵌合する板の対から形成される、請求項１に記載の熱交換器。
7. 前記管が、互いに接合される高くなった外周のつばを有する嵌合する板の対から形成され、前記ボスが前記外周のつばの内側に配置される、請求項２に記載の熱交換器。
8. 前記管が、互いに接合される高くなった外周のつばを有する嵌合する板の対から形成され、前記ボスが前記外周のつばの内側に配置される、請求項３に記載の熱交換器。
9. 前記管の両方が、前記中間の流れチャネルを画定するように互いに接合される高くなった外周の縁部部分を有する、請求項１に記載の熱交換器。
10. 前記二重管の導管が、前記管の１つに取り付けられた冷却フィンを有し、前記フィンが前記ボスとボスとの間に延在し、前記冷却フィンが、前記ボスの高さの２倍の高さを有する、請求項２に記載の熱交換器。
11. 前記管が、前記中間の流れチャネルを画定する平行で平坦な壁を有し、前記平坦な壁が、前記中間の流れチャネルの中へ延在する嵌合する窪みを有する、請求項１に記載の熱交換器。
12. 各管が、前記内部流路の一部を画定する離間した平行で平坦な壁を有し、
    前記平坦な壁と接触して各管の内部流路の内側に配置される乱流器をさらに備える、請求項１に記載の熱交換器。
13. 液体／空気式熱変換器であって、
    前記熱交換器を介して第１液体が流れるように、内部流路を中に画定する少なくとも３つの管状の導管であって、
    向かい合う端部部分を有し、前記導管の間および周囲に空気が流れるように離間された管状の導管と、
    前記内部流路と連通した、前記向かい合う端部部分にそれぞれ配置される入口マニホルドおよび出口マニホルドを含む第１対のマニホルドと、
    少なくとも２つの、しかし全てではない、前記離間した管状の導管の間に配置された中間の導管であって、
    前記第１流体と第２流体との間の熱伝達のために前記中間の導管を介して第２液体が流れるように入口開口部および出口開口部を含む中間の導管とを備える液体／空気式熱変換器。
14. 前記中間の導管が、向かい合う平行で平坦な壁を有する管状の部材であり、前記管状の導管が、前記平坦な壁の上にあり、前記平坦な壁に取り付けられた平坦な管である、請求項１３に記載の熱交換器。
15. 前記中間の導管が、前記平行な管の両側の各管状の導管に取り付けられた一対の平行な管を含み、前記中間の導管を介して第２の液体が流れるように、前記入口開口部および出口開口部を画定する入口取付け部品および出口取付け部品をさらに備える、請求項１４に記載の熱交換器。
16. 前記中間の導管の平行な管が、中を空気が流れるように離間された、請求項１５に記載の熱交換器。
17. 請求項１６に記載された熱交換器であって、前記平行な管の間に配置され、前記入口取付け部品と出口取付け部品との間に延在する冷却フィンをさらに備える熱交換器。
18. ４つ以上の前記管状の導管と、前記管状の導管のあらかじめ選択された対の間に配置された１つのみの中間の導管とがある、請求項１３に記載の熱交換器。
19. 前記中間の導管が、前記平行な管の両側の各管状の導管に取り付けられた一対の平行な管を含み、前記中間の導管を介して第２液体が流れるように、前記入口開口部および出口開口部を画定する入口取付け部品および出口取付け部品をさらに備える、請求項１８に記載の熱交換器。
20. 前記中間の導管の平行な管が、中を空気が流れるように離間され、前記平行な管の間に配置され、前記入口取付け部品と出口取付け部品との間に延在する冷却フィンをさらに備える、請求項１９に記載の熱交換器。

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