JP2013122369A

JP2013122369A - 車両用熱交換器

Info

Publication number: JP2013122369A
Application number: JP2012141014A
Authority: JP
Inventors: Jae Yeon Kim; 載然金; Wan Je Cho; 完濟趙
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2011-12-09
Filing date: 2012-06-22
Publication date: 2013-06-20
Also published as: CN103162560A; US20130146255A1; DE102012105523A1; KR20130064936A

Abstract

【課題】、蒸発式熱交換原理を利用し、内部で流動する作動流体の放熱効果を向上させるた車両用熱交換器を提供する。
【解決手段】本発明の実施例による車両用熱交換器は、内部に液体状態の第１作動流体が貯留され、発熱体から熱を伝達されて液体状態の第１作動流体を蒸発させて気体に変化させる吸熱部と、長さ方向に沿って１以上の突出部が形成された１以上のプレートを結合して形成された１以上の結合管を備え、一端が吸熱部と連結される１以上の放熱ユニットと、を有し、結合管の内部には、吸熱部で気体に変化した気体状態の第１作動流体が流れる連結流路が形成され、結合管を流れる気体状態の第１作動流体は、結合管の外部を流れる第２作動流体と熱交換して冷却及び凝縮されることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両用熱交換器に係り、より詳しくは、蒸発式熱交換原理を利用し、内部で流動する作動流体の放熱効果を向上させるた車両用熱交換器に関する。

作動流体の蒸発潜熱を利用して小さい温度差でも無動力で熱を効果的に移送することができる熱交換装置として、ヒートパイプ（ｈｅａｔｐｉｐｅ）が使用されている。
ヒートパイプは、密閉された容器の内部に作動流体を注入した後、真空に作ったものである。ヒートパイプの蒸発部側を加熱すると、内部に貯留された作動流体が蒸発し気化してヒートパイプの両端に圧力差が発生し、この圧力差により作動流体が凝縮部側に移動して周囲へ熱を放出する。熱を放出した作動流体は冷却され凝縮されて蒸発部側に戻る。

ヒートパイプは、真空のパイプの内部に作動流体を貯留することによって構成される。ヒートパイプの一側には蒸発器の役割を果たす蒸発部が形成され、他側には凝縮機の役割を果たす凝縮部が形成されている。また、このようなヒートパイプは、内壁の湿潤状態を維持するための手段としてウィック（ｗｉｃｋ）が設置されたものとウィックが設置されていないものがある。ウィックは、毛細管形状の構造物で、グルーブ（ｇｒｏｏｖｅ）形態、メッシュ（ｍｅｓｈ）形態、及びシンター（ｓｉｎｔｅｒ）形態がある。
一般に、ヒートパイプは単一管構造からなっており、ヒートパイプの内周面にウィックが形成され、ヒートパイプの内部空間は蒸発された作動流体の移送通路を形成する。

このようなヒートパイプは、発熱量が多い発熱体を冷却させる熱交換器として適用されている。
しかし、従来のヒートパイプは、その内周面にウィックを加工するのが難しく、加工による費用がかかった。また、ヒートパイプの外周面は、スムースなチューブ状に加工されているためにートパイプの外部を過ぎる作動流体の乱流形成が難しいため、製造費用に比べて熱交換効率をが良くないないという問題点があった。

特開２００４−１２０８５号公報

本発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであって、本発明の目的は、蒸発式熱交換原理を応用し、内部で流動する作動流体の放熱効果を向上させた車両用熱交換器を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明の車両用熱交換器は、内部に液体状態の第１作動流体が貯留され、発熱体から熱を伝達されて液体状態の第１作動流体を蒸発させて気体に変化させる吸熱部と、長さ方向に沿って１以上の突出部が形成された１以上のプレートを結合して形成された１以上の結合管を備え、一端が吸熱部と連結される１以上の放熱ユニットと、を有し、結合管の内部には、吸熱部で気体に変化した気体状態の第１作動流体が流れる連結流路が形成され、結合管を流れる気体状態の第１作動流体は、結合管の外部を流れる第２作動流体と熱交換して冷却及び凝縮されることを特徴とする。

また本発明の吸熱部は、発熱体から提供された熱を利用して内部に貯留された液体状態の第１作動流体を蒸発させ、生じた気体状態の第１作動流体を、体積膨張による圧力差と毛細管現象とを利用して放熱ユニットに移動させることを特徴とする。

また本発明の突出部は、プレス成型を通じてプレートに一体に加工され、半円形状に形成された外周面と内周面とを有し、複数個の突出部が合わされて結合管を形成し、形成された結合管が放熱ユニットの長さ方向に沿って螺旋形状に配置されることを特徴とする。
また本発明は、放熱ユニットの両端部に形成された結合管が、直管形状を有することを特徴とする。

また本発明は、結合管が、複数の突出部により形成される円形のパイプであり、結合管の外周面と内周面とは螺旋形状に形成されて連結流路の内部を流れる液体状態の第１作動流体に回転による渦巻流を発生させ、外部を通過する第２作動流体に乱流形成を誘導することを特徴とする。

また本発明は、結合管が、一対のプレートの突出部が外側に向かって突出されるように配置された状態で、一対のプレートを結合して形成され、
隣接した放熱ユニットは、幅方向に互いに交差するように配置され、一方の放熱ユニットの結合管が、他方の放熱ユニットの隣接した結合管の間に配置されることを特徴とする。

また本発明は、放熱ユニットに含まれる結合管の個数が吸熱部の大きさに応じて調節され、
一つの放熱ユニットを構成する結合管が、互いに分離可能に組立てられ、
一つのプレートに複数列の突出部が形成され、一列の突出部が他列の突出部と共に結合管を形成するように、一つのプレートを折畳んで放熱ユニットが形成されることを特徴とする。

また本発明は、プレートが、結合管の間に形成された１以上の流動ホールを備え、
吸熱部の一面には、放熱ユニットに対応して長さ方向に沿って１以上の第１装着ホールが形成されることを特徴とする。

また本発明は、放熱ユニットは、放熱ユニットの吸熱部に対向する他端に装着され、他端を固定させ、放熱ユニットを移動する気体状態の第１作動流体が外部に漏出するのを防止する連結部をさらに含み、
連結部の一面には、放熱ユニットに対応して長さ方向に沿って１以上の第２装着ホールが形成されることを特徴とする。

また本発明は、第２作動流体が外気であり、
放熱ユニットを移動する第１作動流体の移動方向は、放熱ユニットの外部を通過する外気の移動方向と互いに直角であることを特徴とする。

本発明の車両用熱交換器によれば、蒸発式熱交換原理を利用し、内部で流動する作動流体の放熱効果を向上させることができる。
また、本発明の車両用熱交換器１００は、放熱ユニットの外部で流動する作動流体の流れの変更を通じた乱流形成を促進することによって、放熱ユニットの内部で移動する作動流体との熱交換効率を向上させることができる。
また、本発明の車両用熱交換器１００は、プレート１２２に螺旋形状を有する突出部１２４をプレス成型により一体に形成し、突出部１２４を相互結合して結合管１２８を形成することによって、従来のヒートパイプに比べて製作費用を節減することができる。

本発明の１実施例による車両用熱交換器の斜視図である。図１のＡ−Ａ線断面図である。図１のＢ−Ｂ線断面図である。本発明の車両用熱交換器に適用される放熱ユニットの斜視図である。本発明の車両用熱交換器に適用される放熱ユニットの分解斜視図である。本発明の車両用熱交換器の作動状態図である。本発明の車両用熱交換器の作動状態図である。

本発明の車両用熱交換器１００は、蒸発式熱交換原理を利用し、内部で流動する作動流体の放熱効果を向上させることができる構造からなる。蒸発式熱交換原理によれば、低圧で作動流体の沸点が低くなり作動流体が容易に蒸発され、作動流体の体積膨張による圧力差と毛細管現象により一側の作動流体が他側に移動しながら熱交換を行う。

以下に、本発明を添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の１実施例による車両用熱交換器の斜視図であり、図２は、図１のＡ−Ａ線断面図である。
図１、２に示すように、本発明の車両用熱交換器１００は、吸熱部１１０と放熱ユニット１２０とを含んで構成される。
吸熱部１１０の内部には作動流体が貯留される。吸熱部１１０は、発熱体１０２から熱が伝達され、作動流体を蒸発させて気体に変化させる。
ここで、発熱体１０２は高熱を発生させるもので、車両では、例えば、電装品、モータ、及び燃料電池が発熱体１０２がこれに該当する。

吸熱部１１０は、発熱体１０２から提供された熱を利用して、その内部に貯留された作動流体を蒸発させ、蒸発された作動流体の体積膨張により生じる圧力差と毛細管現象を利用して放熱ユニット１２０に気体状態の作動流体を移動させる。
吸熱部１１０の一面には、放熱ユニット１２０に対応して長さ方向に沿って等間隔に複数の第１装着ホール１１２が形成される。

放熱ユニット１２０の一端が第１装着ホール１１２に挿入されて放熱ユニット１２０と吸熱部１１０とが連結される。
放熱ユニット１２０は、長さ方向に沿って１以上の突出部１２４が形成されたプレート１２２が結合されて形成された複数の結合管１２８を有する。結合管１２８の内部には、吸熱部１１０で気相に変化した作動流体が移動する連結流路１２６が形成される。

車両用熱交換器１００は、複数の放熱ユニット１２０を備える。
放熱ユニット１２０の一端は吸熱部１１０と連結される。放熱ユニット１２０は、結合管１２８の外部を通過する作動流体と、連結流路１２６の内部を通過する作動流体と、を熱交換させる。これによって、連結流路１２６を通過する作動流体は冷却され凝縮する。
車両用熱交換器１００は、空冷式熱交換器であってもよい。即ち、結合管１２８の外部を通過し、吸熱部１１０で気体に変化されて連結流路１２６を通過する作動流体と熱交換する第２作動流体は、外気である。

結合管１２８の連結流路１２６を通過する作動流体の流動方向と、結合管１２８の外部を通過する外気の流動方向と、は互いに直角である。
車両用熱交換器１００は、作動流体と外気とがそれぞれ異なる方向に流動することによって、効率的な熱交換が可能になる。

図３は、図１のＢ−Ｂ線断面図である。図３に示すように、隣接した放熱ユニット１２０の結合管１２８は、放熱ユニット１２０の幅方向に互いに交差するように配置される。即ち、隣接した放熱ユニット１２０の一方の放熱ユニット１２０に設けられた結合管１２８は、隣接した他方の放熱ユニット１２０に設けられた複数の結合管１２８の間に配置される。
本実施例において、複数の放熱ユニット１２０は、吸熱部１１０の上方に複層に配置され、放熱ユニット１２０の外部を通過する外気と結合管１２８の外周との間の接触面積が拡大される。

図４は、本発明の車両用熱交換器に適用される放熱ユニットの斜視図であり、図５は、本発明の車両用熱交換器に適用される放熱ユニットの分解斜視図である。
図４、５に示すように、突出部１２４はその外周面と内周面とが半円形に形成される。
突出部１２４は、プレート１２２の長さ方向に沿って形成され、複数個が結合されて結合管を形成し、形成された前記結合管が前記放熱ユニットの長さ方向に沿って螺旋を形成する形状を有する。

ここで、放熱ユニット１２０の一端部は、前記吸熱部１１０に形成される第１装着ホール１１２に挿入される。従って、放熱ユニット１２０と吸熱部１１０との間を密閉させるために、突出部１２４の一端部は、直管を形成する形状を有する。

突出部１２４は、プレス成型を通じてプレート１２２に一体に加工される。
本実施例において、結合管１２８は、複数の突出部１２４により形成される円形のパイプであり、結合管１２８の内周面と外周面とは螺旋形状に形成される。
吸熱部１１０で蒸発されて気体に変化した作動流体は、連結流路１２６を通過しながら外気と熱交換して冷却及び凝縮されて液体に再変化する。

その後、連結流路１２６を移動しながら液体に変化した作動流体は、再び連結流路１２６を通じて吸熱部１１０に移動する。この時、結合管１２８は、作動流体に回転による渦巻流の形成を誘導する。
また、結合管１２８は、その外部を通過する外気に乱流の形成を促進することによって、作動流体と外気との熱交換効率を向上させる。
吸熱部１１０で発熱体１０２の熱により気体に変化した作動流体は、連結流路１２６の中心に沿って移動し、結合管１２８の外周面に沿って移動する液体状態の作動流体と熱交換される。

本実施例において、放熱ユニット１２０は、吸熱部１１０の他端に装着されて放熱ユニット１２０の他端部を固定し、作動流体が外部に漏出するのを防止する連結部１３２をさらに含む。
連結部１３２の一面には、放熱ユニット１２０に対応して長さ方向に沿って等間隔に複数の第２装着ホール１３４が形成される。
放熱ユニット１２０の他端部は、第２装着ホール１３４に挿入される。したがって、放熱ユニット１２０は、吸熱部１１０と連結部１３２とを連結する。

連結部１３２は、放熱ユニット１２０の吸熱部１１０と対向する端部に連結されており、連結流路１２６を通過する気体状態の作動流体のうち、凝縮されなかった作動流体が連結部１３２に集まる。したがって、連結部１３２は、気体状態の作動流体が外部に漏出するのを防止するように配備される。
また、連結部１３２の内部で気体状態の作動流体が液体に変化した場合、連結部１３２は、作動流体が連結流路１２６を通じて吸熱部１１０に移動するように誘導する。

本実施例においては、放熱ユニット１２０の他端部に連結部１３２が装着されることを例示したが、本発明はこれに限定されない。即ち、連結部１３２の代わりに、各結合管１２８の他端にキャップを装着したり、各結合管１２８の他端を溶接などによって密封したりすることができる。
結合管１２８は、一対のプレート１２２のそれぞれの突出部１２４が外側に向かって突出するように重ね合わされた状態で、一対のプレート１２２を結合してパイプ形状の管を形成することによって形成される。

即ち、一対のプレート１２２に形成された突出部１２４の内側面が互いに向き合うように一対のプレート１２２を配置した状態で、一対のプレート１２２を相互に結合して内部に連結流路１２６を有する結合管１２８を形成する。
ここで、一対のプレート１２２は、溶接などを通じて相互結合される。
放熱ユニット１２０に含まれる結合管１２８の個数は、吸熱部１１０の大きさに応じて調節される。また、一つの放熱ユニット１２０を構成する結合管１２８は、分離可能に組立てられる。

本実施例においては、図３に示すように、一つの放熱ユニット１２０が２個の結合管１２８を含んでいる例を示すが、本発明はこれに限定されない。即ち、吸熱部１１０の大きさに応じて一つの放熱ユニット１２０を構成する結合管１２８の個数を調節することができる。また、結合管１２８の個数により複数の結合管１２８を含む放熱ユニット１２０から所望の個数の結合管１２８を分離して使用することができる。

一方、本実施例において、プレート１２２には、結合管１２８の間に１以上の流動ホール１２９が形成される。流動ホール１２９は、プレート１２２の長さ方向に沿って形成される。
流動ホール１２９は、プレート１２２で突出部１２４のプレス成型を行った後、パンチング工程を通じて形成される。

流動ホール１２９は、放熱ユニット１２０の外部を通過する外気が、放熱ユニット１２０の一面と他面との間で移動可能にすることによって、結合管１２８の外周面の外気の流れを均一にする。したがって、作動流体と外気との間の熱交換効率をより増大させることができる。

一方、本実施例において、放熱ユニット１２０は、二つのプレート１２２が結合されることを例示したが、本発明はこれに限定されない。一つのプレート１２２に複数列の突出部１２４を形成し、プレート１２２を折り畳んで、一列の突出部１２４が他列の突出部１２４と共に連結流路１２６を有する結合管１２８を形成するようにすることもできる。

次に、上記のように構成された本発明の実施例による車両用熱交換器１００の作動及び作用を詳しく説明する。
図６及び図７は、本発明の車両用熱交換器の作動状態図である。
図６、７に示すように、吸熱部１１０に発熱体１０２から熱が伝達されると、吸熱部１１０の内部に貯留された作動流体は蒸発して液体から気体に変化する。

吸熱部１１０の内部で気体に変化した作動流体は、体積膨張による圧力差と毛細管現象により結合管１２８の連結流路１２６に沿って移動する。
この場合、気体状態の作動流体は連結流路１２６の中心に沿って移動し、外気との熱交換を通じて冷却および凝縮される。

連結流路１２６を通じて移動する気体状態の作動流体が、外気との熱交換を通じて冷却及び凝縮されて液体状態に変化すると、作動流体は、連結流路１２６内周面に沿って吸熱部１１０に向かって移動する。
そして、変化しなかった気体状態の作動流体は、連結流路１２６を通じて移動しながら連結部１３２に流入される。その後、気体状態の作動流体は、連結部１３２内で液体に変化すると、吸熱部１１０に向かって連結流路１２６の内周面に沿って移動するように誘導される。

この時、連結流路１２６内で吸熱部１１０に移動する液体状態の作動流体は、結合管１２８の突出部１２４が螺旋形状に形成されていることによって回転されて渦巻流を形成する。
ここで、外気は、図７に示したように、結合管１２８の外部に沿って流動し、突出部１２４の螺旋形状により外気の乱流形成が促進される。
同時に、外気は、流動ホール１２９を通じて複層に構成された放熱ユニット１２０の一面と他面に均一に分散され、作動流体との熱交換が効率的に行われる。

この時、結合管１２８の内部で互いに反対方向に移動する気体状態の作動流体と液体状態の作動流体も、相互に熱交換することによって、より効率的な熱交換が可能となり、熱交換器１００の全体的な放熱性能が向上する。
本実施例では、放熱ユニット１２０の外部を通過しながら熱交換作用する作動流体が外気であることを例示したが、本発明はこれに限定されない。熱交換作用する作動流体としては、固体を除いた全ての流体が使用可能である。
また、本発明の熱交換器１００は、車両を含む多様な分野への適用が可能である。

以上、本発明に関する好ましい実施形態を説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の属する技術範囲を逸脱しない範囲での全ての変更が含まれる。

１００車両用熱交換器
１０２発熱体
１１０吸熱部
１１２第１装着ホール
１２０放熱ユニット
１２２プレート
１２４突出部
１２６連結流路
１２８結合管
１２９流動ホール
１３２連結部
１３４第２装着ホール

Claims

内部に液体状態の第１作動流体が貯留され、発熱体から熱を伝達されて前記液体状態の第１作動流体を蒸発させて気体に変化させる吸熱部と、
長さ方向に沿って１以上の突出部が形成された１以上のプレートを結合して形成された１以上の結合管を備え、一端が前記吸熱部と連結される１以上の放熱ユニットと、
を有し、
前記結合管の内部には、前記吸熱部で気体に変化した気体状態の第１作動流体が流れる連結流路が形成され、前記連結流路を流れる前記気体状態の第１作動流体は、前記結合管の外部を流れる第２作動流体と熱交換して冷却及び凝縮されることを特徴とする車両用熱交換器。
前記吸熱部は、前記発熱体から提供された熱を利用して内部に貯留された前記液体状態の第１作動流体を蒸発させ、生じた前記気体状態の第１作動流体を、体積膨張による圧力差と毛細管現象とを利用して前記放熱ユニットに移動させることを特徴とする請求項１に記載の車両用熱交換器。
前記突出部は、プレス成型を通じて前記プレートに一体に加工されることを特徴とする請求項１に記載の車両用熱交換器。
前記突出部は、半円形状に形成された外周面と内周面とを有し、複数個の前記突出部が合わされて前記結合管を形成し、形成された前記結合管が前記放熱ユニットの長さ方向に沿って螺旋形状に配置されることを特徴とする請求項１に記載の車両用熱交換器。
前記放熱ユニットの一端部に形成された結合管は、直管形状を有することを特徴とする請求項４に記載の車両用熱交換器。
前記結合管は、複数の前記突出部により形成される円形のパイプであり、前記結合管の外周面と内周面とは螺旋形状に形成されて前記連結流路の内部を流れる前記液体状態の第１作動流体に回転による渦巻流を発生させ、外部を通過する前記第２作動流体に乱流形成を誘導することを特徴とする請求項１に記載の車両用熱交換器。
前記結合管は、一対の前記プレートの前記突出部が外側に向かって突出されるように配置された状態で、一対の前記プレートを結合して形成されることを特徴とする請求項１に記載の車両用熱交換器。
隣接した前記放熱ユニットは、幅方向に互いに交差するように配置され、一方の放熱ユニットの結合管が、他方の放熱ユニットの隣接した結合管の間に配置されることを特徴とする請求項１に記載の車両用熱交換器。
前記放熱ユニットに含まれる前記結合管の個数は、前記吸熱部の大きさに応じて調節されることを特徴とする請求項１に記載の車両用熱交換器。
一つの前記放熱ユニットを構成する結合管は、互いに分離可能に組立てられることを特徴とする請求項９に記載の車両用熱交換器。
一つの前記プレートに複数列の前記突出部が形成され、一列の前記突出部が他列の前記突出部と共に前記結合管を形成するように、一つの前記プレートを折畳んで前記放熱ユニットが形成されることを特徴とする請求項１に記載の車両用熱交換器。
前記プレートは、前記結合管の間に形成された１以上の流動ホールを備えることを特徴とする請求項１に記載の車両用熱交換器。
前記吸熱部の一面には、前記放熱ユニットに対応して長さ方向に沿って１以上の第１装着ホールが形成されることを特徴とする請求項１に記載の車両用熱交換器。
前記放熱ユニットは、前記放熱ユニットの前記吸熱部に対向する他端に装着され、前記他端を固定させ、前記放熱ユニットを移動する前記気体状態の第１作動流体が外部に漏出するのを防止する連結部をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の車両用熱交換器。
前記連結部の一面には、前記放熱ユニットに対応して長さ方向に沿って１以上の第２装着ホールが形成されることを特徴とする請求項１に記載の車両用熱交換器。
前記第２作動流体は、外気であることを特徴とする請求項１に記載の車両用熱交換器。
前記放熱ユニットを移動する第１作動流体の移動方向は、前記放熱ユニットの外部を通過する外気の移動方向と互いに直角であることを特徴とする請求項１６に記載の車両用熱交換器。