JP2011127819A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 冷却水入口８の付近の間隙７ｂに集中的に冷却水が流れ込むことを抑制し、熱交換効率を向上する。
【解決手段】 ケーシング１内に収容されたコア３は、周縁部において互いに接合された第１プレート２１と第２プレート２２とからなる偏平なチューブ２が、その内部の空間が互いに連通するように複数個多段に積層されてロー付け接合により一体化されている。ケーシング１の外周壁１ｂを貫通する冷却水入口８より導入された冷却水は、ケーシング１の外周壁１ｂとコア３の外周部との隙間７ａを経由して、積層方向に並んだ複数のチューブ間の間隙７ｂへと供給される。冷却水入口８に近い部分の第１プレート２１にのみ、間隙７ｂ側へ向かって突出する突起部３２を形成して、複数の間隙７ｂに流れ込む冷却水の流量を均一化する。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えば内燃機関のオイルクーラ等として用いられる熱交換器に関する。

２枚の金属製プレートをその周縁部で接合して偏平なチューブとし、このチューブを複数個多段に積層して熱交換コアを構成するとともに、このコアをケーシング内に収容した熱交換器が、例えば、本出願人が先に提案した特許文献１に開示されている。冷却水は、ケーシングの外周壁を貫通する流体入口よりケーシング内に導入され、ケーシングの外周壁とコアの外周部との間に形成される隙間を経由して、隣接するチューブの間の間隙へと供給され、各チューブ内部の空間を通流するオイルとの間で熱交換が行われる。

各段の偏平チューブは基本的に同一の形状を有し、一方のプレートが平坦形状をなすとともに、他方のプレートに多数のエンボスが形成され、このエンボスの先端が隣接するチューブの平坦なプレートの表面に当接することで、各段のチューブ間に、冷却水が通流する所定の間隙を確保している。

特開２００６−１０１９２号公報

このような構造のオイルクーラにあっては、多段に積層されたチューブ間の複数の間隙のうちで、流体入口に近い積層方向中央部の間隙に冷却水が流れ込み易く、流体入口から遠い最上段付近や最下段付近の間隙には冷却水が流れ込み難いため、冷却水の分配流量が不均一なものとなり、熱交換効率が低下するという課題があった。

そこで、この発明は、多段に積層されたチューブ間の複数の間隙に流れ込む流量のばらつきを抑制し、各間隙に供給される流量をできるだけ均一化することにより、熱交換効率を向上するものである。

すなわち、本発明に係る熱交換器は、筒状のケーシングと、このケーシングの空間内に収容されたコアと、を有し、このコアは、周縁部において互いに接合された第１プレートと第２プレートとからなる偏平なチューブが、その内部の空間が互いに連通するように複数個多段に積層されて一体化されており、上記ケーシングの外周壁を貫通する流体入口より導入された第１の流体が、上記ケーシングの外周壁とコアの外周部との隙間を経由して、隣接するチューブの間の間隙へと供給され、各チューブ内部の空間を通流する第２の流体との間で熱交換が行われるものである。そして本発明は、上記隣接するチューブの間の間隙のうち、上記流体入口に近い部分の間隙を形成する第１プレートと第２プレートの少なくとも一方に、上記間隙側へ向かって突出する突起部が形成されていることを特徴としている。

このように、流体入口に近い部分の間隙へ向けて突出する突起部を設け、この突起部により間隙を部分的に遮蔽・絞ることで、流体入口付近の間隙に集中的に流体が流れ込むことを抑制し、各間隙に流れ込む流量のばらつきを抑制することができる。この結果、流体入口から遠い部分の間隙にもバランス良く流体が流れ込むこととなり、全体としての交換熱量が増し、熱交換効率を向上することができる。

本発明の一態様では、上記突起部は、上記第１プレート又は第２プレートの外周部に沿って膨出形成された帯状のビードを構成している。この場合、突起部がプレートの面直交方向の剛性を向上する補強用のビードとしても機能し、このビードによって、プレートの平面度の向上やロー付け性の向上を図ることができる。

あるいは、上記第１，第２プレートの外周縁部に互いに嵌合する傾斜したテーパ面をなす嵌合壁が設けられ、外周側の嵌合壁を延長形成することによって、上記間隙側へ向かって突出する上記突起部を形成するようにしてもよい。この場合、既存の嵌合壁を利用して容易に突起部を形成することができる。

また、本発明の一態様では、隣接する各チューブの間に上記間隙を形成するように、上記第１プレートの各々に、隣接するチューブにおける第２プレートの平坦面へ向かって突出して、この第２プレートの平坦面に当接する多数のエンボスが膨出形成されている。このエンボスによって、各プレートをロー付けにより容易に接合することができ、かつ、チューブ間の間隙を適切に保つことができる。

これらのエンボスや突起部は例えばプレス加工により同時に形成されるが、突起部をエンボスの形成されている第１プレートに形成する場合には、突起部の内周側に深く絞られるエンボスが多数存在することから、内周側への材料の流動性を確保するために、突起部にあっては、内周側の傾斜面を、外周側の傾斜面よりも緩やかに形成する必要がある。

本発明の熱交換器によれば、流体入口に近い部分の間隙に突起部を設けることで、流体入口付近の間隙に集中的に流体が流れ込むことを抑制し、コア全体としての熱交換効率を向上することができる。

本発明の第１実施例に係る熱交換器としてのオイルクーラを示す断面図。 上記オイルクーラの要部を拡大して示す断面図。 第１プレートの平面図。 第２プレートの平面図。 本発明の第２実施例に係る突起部の近傍を示す断面図。 本発明の第３実施例に係る突起部の近傍を示す断面図。

以下、この発明の好ましい実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図１および図２は、この発明を内燃機関のシリンダブロックに取り付けられるオイルクーラとして構成した第１実施例を示している。このオイルクーラは、カップ状つまり有底円筒状をなすケーシング１と、このケーシング１内に収容された複数の偏平チューブ２からなるコア３と、上記ケーシング１の開口面を覆うカバープレート４と、このカバープレート４の下面に積層されたパッキンガイド５と、上記ケーシング１の底壁１ａの上面に積層されたシートプレート６と、から大略構成されている。なお、理解を容易にするために、以下の説明では、便宜上、「上」「下」の方向を図１の姿勢を基準として用いることとする。

上記ケーシング１は、内部の空間７に第１の流体としての冷却水が通流するものであって、筒状の外周壁１ｂには、冷却水をケーシング１内に導入する冷却水入口８と、ケーシング１内の冷却水を外部へ排出する冷却水出口９と、が貫通形成されている。冷却水入口８は、ケーシング１の外周壁１ｂの積層方向中央部に設けられ、径方向外方へ向けて短い円筒状に折り曲げられた入口縁部８ａと、この入口縁部８ａに嵌合する入口パイプ８ｂと、を有している。これらの入口縁部８ａと入口パイプ８ｂとはロー付け接合されており、入口縁部８ａには、入口縁部８ａの先端縁を受けるように部分的に外周側へ張り出した位置決め用の大径部８ｃが形成されている。同様に、冷却水出口９は、ケーシング１の外周壁１ｂの積層方向中央部に設けられ、径方向外方へ向けて短い円筒状に折り曲げられた出口縁部９ａと、この出口縁部９ａに嵌合する出口パイプ９ｂと、により構成されている。これらの出口縁部９ａと出口パイプ９ｂとはロー付け接合されており、出口縁部９ａには、出口縁部９ａの先端縁を受けるように部分的に外周側へ張り出した位置決め用の大径部９ｃが形成されている。

なお、これらの冷却水入口８と冷却水出口９は、外周壁１ｂのほぼ１８０°離れた位置に一箇所ずつ設けられものであるが、説明の便宜状、図１及び図２の双方に冷却水入口８と冷却水出口９とを描いてある。

ケーシング１の底壁１ａおよびシートプレート６の中心には、取付孔１０が開口形成されており、コア３およびパッキンガイド５等の中心に同様に設けられた開口部を通して挿通される図示せぬセンタボルトによって、オイルクーラ全体が図示せぬシリンダブロックに取り付けられるようになっている。この取付状態において、上記シートプレート６の上に図示せぬカートリッジ型オイルフィルタが装着されるのであり、オイルクーラ全体としては、カバープレート４の一方に偏心した位置に設けられた開口部がオイル入口１１となり、上記のセンタボルトが通過するパッキンガイド５中心の開口部が、シリンダブロック側へのオイル出口１２となっている。また、ケーシング１の底壁１ａおよびシートプレート６に、図示せぬオイルフィルタへのオイル連通孔１３，１４がそれぞれ形成されている。

上記コア３は、本実施例では、円筒状オイルクーラの軸方向に積層された１２段の偏平チューブ２を備えているが、各々のチューブ２は、後述する突起部３２を除き、全く同一の構成であり、それぞれ下側の第１プレート２１と、上側の第２プレート２２と、から構成されている。これらの真円形の第１，第２プレート２１，２２は、各々外周縁に、傾斜したテーパ面をなす嵌合壁２１ａ，２２ａを有し、これらの嵌合壁２１ａ，２２ａが互いに嵌合することで、偏平な空間を有する円盤状のチューブ２を構成している。各チューブ２の内部には、適宜形状のフィンプレート２０が封入されている。

図３は、上記第１プレート２１を図１の上側から見た平面図を一部破断した図であり、真円形をなす第１プレート２１の中心部に、第２の流体としてのオイルが通流する中心開口部２３が開口形成されているとともに、ほぼ１８０°離れた位置に、２つの連通孔２４（図１参照）が開口形成されている。上記中心開口部２３の開口縁２３ａは、図１に示すように、下方へ向けて短い円筒状に折り曲げられており、コア３として多段に積層したときに、各チューブ２の円筒状開口縁２３ａが順次連続し、１本の円筒状の通路を構成するようになっている。また上記連通孔２４の開口縁２４ａは、下方へ向かってステップ状に突出している。さらに、上記第１プレート２１の全面に、多数の微細なエンボス２６がプレス加工されている。このエンボス２６は、円錐台形をなし、各々下側つまりカバープレート４側へ向かって突出している。

図４は、上記第２プレート２２を図１の上側から見た平面図を示しており、真円形をなす第２プレート２２の中心部に、上記円筒状開口縁２３ａが通過可能な中心開口部２８が開口形成されているとともに、ほぼ１８０°離れた位置に、２つの連通孔２９，３０が開口形成されている。上記中心開口部２８の開口縁２８ａは、図１に示すように、隣接する段のチューブ２の第１プレート２１に当接するようにステップ状に突出している。そして、この開口縁２８ａの全周を囲むように、逆に下方へ凹んだ段部３１が形成されている。この段部３１は、図１に示すように第１プレート２１に接合され、チューブ２内の空間の内周側を仕切っている。図４に明らかなように、この第２プレート２２は、上記段部３１と３つの開口部２８，２９，３０を除いては凹凸を有さない平坦面をなしている。

上記の第１プレート２１および第２プレート２２は、カバープレート４等とともに、基材の両面にロー材層を備えたクラッド材からなり、図１に示したように全体を仮組付した状態で、炉内で加熱することにより、各部のロー付け接合が行われる。なお、このロー付け接合の際には、オイルクーラの軸方向（図１の上下方向）に重錘により適宜な加圧力を与え、各部の密接状態を保つようにしている。

上記の第１プレート２１および第２プレート２２を組み合わせ、かつ多段に積層した状態では、図１に示すように、両プレート２１，２２の嵌合壁２１ａ，２２ａが互いに嵌合するとともに内周側の段部３１が第１プレート２１に当接して１つのチューブ２が構成される。そして隣接するチューブ２同士の間では、上方に位置するチューブ２の第１プレート２１のエンボス２６が下方に位置するチューブ２の第２プレート２２上面に当接し、かつ下方に位置するチューブ２の第２プレート２２の中心開口部２８の開口縁２８ａが上方に位置するチューブ２の第１プレート２１の下面に当接し、さらに、上方に位置するチューブ２の第１プレート２１の連通孔２４の開口縁２４ａが、下方に位置するチューブ２の第２プレート２２上面に当接して、各チューブ２間の間隙が確保されている。なお、これらの各部の当接部は、最終的にロー付け接合されている。ここで、隣接するチューブ２同士の間では、第１プレート２１の多数のエンボス２６が第２プレート２２の平面上に当接するので、常に安定した位置関係が得られる。

また、最後の段つまり図１の最下段のチューブ２とカバープレート４との間も、２つのチューブ２間の関係と同様であり、平坦面をなすカバープレート４の上面に、第１プレート２１の多数のエンボス２６および連通孔２４の開口縁２４ａが当接し、同様の間隙が確保されている。また、カバープレート４の中心開口部の開口縁が上方へステップ状に立ち上がっていて、第１プレート２１の中心開口部２３の周囲を支持している。なお、これらの接触部も最終的に互いにロー付け接合されている。

一方、最初の段つまり図１の最上段のチューブ２と、ケーシング１の底壁１ａとの間には、外周に嵌合壁（２１ａ）のない第１プレート２１Ａが介装されている。この第１プレート２１Ａは、そのエンボス２６が最上段のチューブ２の平坦な上面に当接し、かつ、エンボスのない上面がケーシング底壁１ａの下面に当接している。これらの当接部もやはり最終的に互いにロー付け接合されている。
次に、突起部３２を含めた本実施例の特徴的な構成について、図１〜図３を参照して説明する。

図２を参照して、ケーシング１の外周壁１ｂとコア３の外周部との間には、冷却水が縦方向に通流するための筒状の隙間７ａが確保されており、冷却水入口８からケーシング１内に導入された冷却水は、矢印Ｙに示すように、コア３の積層方向中央部に向けて水平に流れ、その一部が直接的に積層方向中央部の間隙７ｂへ導入されるとともに、残りの冷却水が隙間７ａを縦方向に流れてからチューブ２間の複数の間隙７ｂへとそれぞれ供給される。なお、外周の隙間７ａが大き過ぎると、チューブ間の間隙７ｂへ流れ込む冷却水の流量が低下し、隙間７ａが小さ過ぎると、流通抵抗が増加し、冷却水入口８から離れた最上段や最下段付近の間隙７ｂに冷却水が流れ込み難くなるために、これらの事項を勘案して隙間７ａの大きさ・寸法が設定されている。

ここで、同一形状をなすチューブ２間の間隙７ｂは、上記のエンボス２６によりほぼ同一の高さに保持されている。このため、ケーシング外周壁１ｂの中央部に開口する冷却水入口８から流れ込む冷却水は、積層方向に配列される複数の間隙７ｂのうち、冷却水入口８に近い積層方向中央近傍の間隙、つまり冷却水入口８の流れ方向上に存在する中央部の間隙に集中的に流れ込み易く、その冷却水入口８から離れた間隙、特に、最上段や最下段付近の間隙には冷却水が流れ込み難い傾向にある。

そこで本実施例では、積層方向に並んだ複数の間隙７ｂのうち、冷却水入口８に近い積層方向の中央部分の間隙を他の間隙よりも相対的に狭くするように、中央部分の幾つかの（この実施例では５つの）第１プレート２１にのみ、間隙７ｂ側へ向かって突出する突起部３２が形成されている。

突起部３２は、本実施例では、第１プレート２１の外周縁部に沿って、その全周にわたって帯状に形成され、間隙７ｂの一部を遮蔽して幅狭部７ｃを形成するように、間隙７側へ向かって張り出したビードを形成している。詳しくは図２に拡大して示すように、突起部３２は、エンボス２６と同様にプレス加工により膨出形成されるもので、２つの傾斜面３３，３４からなる断面略Ｌ字状をなしている。ここで、プレス加工時に深く絞られることとなる多数のエンボス２６による内周側への材料の流動性を確保するために、突起部３２を形成する２つの傾斜面３３，３４のうち、エンボス２６に近い内周側の傾斜面３３が、嵌合壁２１ａへ連なる外周側の傾斜面３４よりも緩やかな傾斜に設定されている。

このように本実施例では、冷却水入口８に近い部分の間隙７ｂを突起部３２により部分的に遮蔽することで、冷却水入口８付近の間隙７ｂに集中的に冷却水が流れ込むことを抑制し、各間隙７ｂに流れ込む流量のばらつきを抑制することができる。この結果、冷却水入口８から遠い最上段や最下段付近の間隙７ｂにもバランス良く冷却水が流れ込むこととなり、各間隙７ｂに流れ込む冷却水の流量のばらつきを抑制することで、コア３全体としての交換熱量が増し、熱交換効率・熱交換性能を向上することができる。

加えて、突起部３２が第１プレート２１の外周縁部の全周にわたって膨出形成されており、このプレート２１の面直交方向の剛性を向上する補強用のビードとしても機能することとなる。これによって、プレート２１の平面度の向上や部品同士のロー付け性の向上を図ることができる。

図５は、本発明の第２実施例を示している。この第２実施例では、チューブ２を構成する第１プレート２１と第２プレート２２のうち、上側の第２プレート２２に、間隙７ｂへ向かって突出する突起部３２Ａを形成している。この突起部３２Ａは、上記第１実施例のものと同様、内周側の傾斜面３３が外周側の傾斜面３４よりも緩く傾斜する断面略Ｌ字状をなし、このプレート２２の外周縁の全周にわたって帯状に延在している。この場合、上記第１実施例と同様の効果が得られることに加え、エンボスがなく平坦で剛性の低い第２プレート２２の剛性を、補強用のビードとしても機能する突起部３２Ａにより効果的に向上することができる。

図６は、本発明の第３実施例を示している。この第３実施例では、チューブ２の外周部で互いに嵌合するテーパ面となった嵌合壁２１ａ，２１ｂのうち、外側に位置する第１プレート２１の嵌合壁２１ａを利用して、間隙７ｂ側へ向かって突出する突起部３５を形成している。すなわち、冷却水入口８近傍に位置するチューブ２の第１プレート２１については、嵌合壁２１ａを他のものより延長して、第２プレート２２の上面よりも間隙７ｂへ向けて張り出させ、この延長部分を、間隙７ｂを部分的に遮蔽する突起部３５として機能させている。この場合、嵌合壁２１ａを利用して容易に突起部３５を形成することができる。また、嵌合壁２１ａの延長部分の長さを調整することで、間隙の遮蔽度合い、つまりは間隙に流れ込む流量を容易に調整することができる。

以上のように本発明を具体的な実施例に基づいて説明してきたが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変形・変更を含むものである。

例えば、上記実施例では、突起部の高さ寸法、つまり間隙を遮蔽する度合いを一定のものとしているが、複数の間隙に流れ込む流量をより均一化するように、冷却水入口からの距離などに応じて、突起部の大きさを段階的に変化させるようにしてもよい。例えば、全ての第１又は第２プレートに突起部を設け、複数の間隙に流れ込む流量を均一化するように、各々の突起部の大きさをそれぞれ設定するようにしてもよい。

また、突起部の形状についても上記実施例のものに限られず、例えば、上記第１，第２実施例のように帯状の突起部を全周にわたって延在させるものに代えて、エンボス形状の突起部を周方向に間欠的に設けるようにしてもよい。更に、上記実施例のように全周にわたって突起部を形成するのではなく、周方向の一部、例えば間隙に流れ込む流量に最も影響のある流体入口（及び流体出口）の近傍の部分（図３の符号αで囲んだ部分）についてのみ、突起部を設けるようにしてもよい。

更に、上記実施例のように流体入口がケーシングの外周壁における積層方向中央部に位置するものに限られず、例えば、流体入口がケーシングの外周壁の上端付近や下端付近に位置するものに本発明を適用することもできる。この場合、流体入口に近い上端付近や下端付近の間隙に対して突起部を設ければよい。

１…ケーシング
１ｂ…外周壁
２…チューブ
３…コア
７ａ…隙間
７ｂ…間隙
８…冷却水入口（流体入口）
９…冷却水出口（流体出口）
２１…第１プレート
２２…第２プレート
２６…エンボス
３２，３２Ａ，３５…突起部

Claims (4)

1. 筒状のケーシングと、このケーシングの空間内に収容されたコアと、を有し、このコアは、周縁部において互いに接合された第１プレートと第２プレートとからなる偏平なチューブが、その内部の空間が互いに連通するように複数個多段に積層されて一体化されており、上記ケーシングの外周壁を貫通する流体入口より導入された第１の流体が、上記ケーシングの外周壁とコアの外周部との隙間を経由して、隣接するチューブの間の間隙へと供給され、各チューブ内部の空間を通流する第２の流体との間で熱交換が行われる熱交換器において、
   上記隣接するチューブの間の間隙のうち、上記流体入口に近い部分の間隙を形成する第１プレートと第２プレートの少なくとも一方に、上記間隙側へ向かって突出する突起部が形成されていることを特徴とする熱交換器。
2. 上記突起部は、上記第１プレート又は第２プレートの外周部に沿って膨出形成された帯状のビードを構成していることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 上記第１，第２プレートの外周縁部に、互いに嵌合する傾斜したテーパ面をなす嵌合壁を有し、外周側の嵌合壁を延長形成することによって、上記間隙側へ向かって突出する上記突起部を形成していることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
4. 隣接する各チューブの間に上記間隙を形成するように、上記第１プレートの各々に、隣接するチューブにおける第２プレートの平坦面へ向かって突出して、この第２プレートの平坦面に当接する多数のエンボスが膨出形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の熱交換器。

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