JP2018096561A

JP2018096561A - 熱交換装置

Info

Publication number: JP2018096561A
Application number: JP2016238767A
Authority: JP
Inventors: 仁勝谷; Hitoshi Katsuya
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2016-12-08
Filing date: 2016-12-08
Publication date: 2018-06-21
Anticipated expiration: 2036-12-08
Also published as: CN108167422B; JP6438452B2; CN108167422A

Abstract

【課題】液体の温度の立ち上がり性能を向上した熱交換装置を提供すること。【解決手段】本発明の熱交換装置は、熱交換する液体の循環経路に配置され、該液体を貯留する貯留部と、前記貯留部内の内部部分と、前記貯留部外の外部部分とを有するヒートパイプと、を備え、前記貯留部は、その内部空間を、第一の空間と第二の空間とに前記液体が流通可能に区画する隔壁を備え、前記第一の空間は、前記液体の流入部と流出部とを含み、前記ヒートパイプの前記内部部分は、前記第二の空間に配置されている。【選択図】図２

Description

本発明は熱交換装置に関する。

車両の自動変速機におけるオイルの冷却方式として、オイルクーラを用いることが知られている。しかし、オイルクーラへオイルを循環させるためにポンプの動力損失があり、また、配管スペース確保のためのレイアウトの制約といった課題がある。そこで、ヒートパイプをオイルパンに設けた冷却方式が提案されている（特許文献１および２）。この方式では、オイルクーラを設けた場合に比較して、ポンプの動力損失を低減でき、また、配管も不要であるという利点がある。

特開２００９−２８１５６４号公報特開平０７−０９８０５４号公報

しかし、ヒートポンプは常時熱交換作用が働くため、冷間時の暖機運転に時間がかかる場合がある。換言すると、適度な油温への立ち上がり性能が悪いという課題がある。

本発明の目的は、液体の温度の立ち上がり性能を向上した熱交換装置を提供することにある。

本発明によれば、
熱交換する液体の循環経路に配置され、該液体を貯留する貯留部と、
前記貯留部内の内部部分と、前記貯留部外の外部部分とを有するヒートパイプと、を備え、
前記貯留部は、その内部空間を、第一の空間と第二の空間とに前記液体が流通可能に区画する隔壁を備え、
前記第一の空間は、前記液体の流入部と流出部とを含み、
前記ヒートパイプの前記内部部分は、前記第二の空間に配置されている、
ことを特徴とする熱交換装置が提供される。

本発明によれば、液体の温度の立ち上がり性能を向上した熱交換装置を提供することができる。

車両の前部構造の平面図。（Ａ）は熱交換装置の説明図、（Ｂ）は貯留部の内部構造を示す斜視図。（Ａ）および（Ｂ）は図２（Ａ）の熱交換装置の動作説明図。（Ａ）および（Ｂ）は別例の熱交換装置の説明図。

図１は本発明の適用例に係る車両の前部構造１の平面図である。この車両はハイブリッド電気乗用車であり、図１は車両のエンジンルーム周辺の構造を模式的に示している。前部構造１は、内燃機関３、自動変速機４およびモータユニット５を備える。内燃機関３は一例として、直列四気筒エンジンであり、横置きされている。自動変速機４は例えばＥＣＶＴやｉ−ＤＣＤ（登録商標）であり、内燃機関３に接続されている。モータユニット５は自動変速機４に一体的に設けられており、電動モータを備えている。内燃機関３またはモータユニット５の駆動力は自動変速機４で変速されて前輪２へ伝達される。

前部構造１は、走行風を取り入れる中央導入部１ａを備える。中央導入部１ａの後方には、矢印で示す走行風により熱交換（ここでは冷却）される構成が配置されている。中央導入部１ａの後方には、エアコン用のコンデンサ６と、モータユニット５を駆動する回路（ＰＣＵ、ＰＤＵ、ＶＣＵ等）の電動系のラジエータ７が配置される。その後方には内燃機関３用のラジエータ９が配置され、更にその後方には走行風を後方へ導く電動ファン８が配設されている。

図２（Ａ）は本発明の一実施形態に係る熱交換装置１０の構造を模式的に示す説明図である。熱交換装置１０は、自動変速機４の内部機構を潤滑するオイルＯＬの温度調整を行う装置であり、自動変速機４の下部に構成されている。

熱交換装置１０は、貯留部４２、ヒートパイプ１１およびヒートシンク１３を含む。図２（Ａ）においては貯留部４２とヒートシンク１３とが断面にて図示されている。貯留部４２は、オイルＯＬの循環経路に配置されており、本実施形態の場合、自動変速機４のオイルパンを構成している。以下の説明では、貯留部４２のことをオイルパン４２と呼ぶ場合がる。

オイルパン４２は、天部が開口した箱型をなしており、自動変速機４の本体４１の底部に着脱可能に固定されている。オイルパン４２の開口した天部はオイルＯＬの流入部４２ａを構成しており、矢印で示すように、本体４１から流下してくるオイルＯＬが流入部４２ａからオイルパン４２へ流入し、貯留される。オイルパン４２の側壁には、オイルＯＬをオイルパン４２から排出する開口部である流出部４２ｂ、４２ｃが形成されており、流出部４２ｂ、４２ｃには、オイルＯＬの通路を構成する配管１４、１５が接続されている。配管１４、１５は合流して循環ポンプ１６に接続されている。循環ポンプ１６は、内燃機関３の駆動力または不図示のモータの駆動力により駆動されるポンプであり、オイルＯＬを配管１７を介して本体４１に戻す。循環ポンプ１６の駆動によって、オイルＯＬは矢印で示すように、本体４１、オイルパン４２を循環される。

配管１４には配管１４を開閉するバルブ１８が設けられている。バルブ１８は本実施形態の場合、電磁制御弁である。バルブ１８を閉状態とした場合、配管１４を介してオイルパン４２と循環ポンプ１６とが連通されず、オイルパン４２から循環ポンプ１６へのオイルＯＬの送出は配管１５を介して行われる。

ヒートパイプ１２は、オイルパン４２の側壁を貫通して設けられており、オイルパン４２内を延在する内部部分１２ａと、オイルパン４２外を延在する外部部分１２ｂとを含む。本実施形態の場合、ヒートパイプ１２は、外部部分１２ｂが内部部分１２ａに曲折されて全体としてＬ字型に構成されており、内部部分１２ａが車両の前後方向に横方向に延設されているのに対し、外部部分１２ｂは上下方向に延設されている。外部部分１２ｂは車両の車幅方向に横方向に延設されてもよい。ヒートパイプ１２が曲折されることで、オイルパン４２の外形上に沿わせてヒートパイプ１２を配設することができ、外部に設置した熱交換装置へオイルを圧送する配管を設置することなく必要な冷却能力を得ることができる。つまり、熱交換装置１０のコンパクト化を図ることができ、エンジンルーム内のレイアウト性を向上できる。本実施形態では、ヒートパイプ１２の数は一本であるが、複数本設けてもよい。

ヒートパイプ１２の外部部分１２ｂには、ヒートシンク１３が設けられている。ヒートシンク１３は外部部分１２ｂが挿入される穴を有しており、熱伝導率の高い材料で構成される。ヒートシンク１３は複数のフィンを有していてもよい。本実施形態の場合、ヒートシンク１３およびヒートパイプ１２はオイルパン４２に固定されており、オイルパン４２、ヒートパイプ１２およびヒートシンク１３が一体のユニットを構成している。これにより、車両の組み立て時における熱交換装置１０の組み付け作業の工程削減を図れる。ヒートパイプ１２やヒートシンク１３には、自動変速機４の発熱に、モータユニット５が備える電動モータを十分に冷却できる放熱能力を設定する。

ヒートパイプ１２の外部部分１２ｂおよびヒートシンク１３は、車両前後方向でオイルパン４２の前側に配設されている。電動ファン８によって後方に排気される走行風が、ヒートシンク１３の熱を奪いつつ、自動変速機４の下方へ車両後方へ流れてゆく。ヒートパイプ１２の内部部分１２ａがオイルＯＬによって加熱され、外部部分１２ｂが走行風によって冷却される。ヒートパイプ１２において内部部分１２ａから外部部分１２ｂへ熱の移動が生じることで、オイルパン４２内のオイルＯＬの油温が所定温度以上に高温となることが抑制される。

オイルパン４２の内部には、隔壁１１が設けられている。図２（Ａ）および図２（Ｂ）を参照する。図２（Ｂ）はオイルパン４２の内部空間を示す斜視図である。隔壁１１は、オイルパン４２の内部空間を、空間Ｓ１と空間Ｓ２とに区画している。本実施形態の場合、隔壁１１は横方向に延在する壁体であり、オイルパン４２の内部空間を上側の空間Ｓ１と下側の空間Ｓ２とに区画している。

隔壁１１は、空間Ｓ１と空間Ｓ２とを遮断するものではなく、オイルＯＬが流通可能に区画している。本実施形態の場合、隔壁４２は、オイルパン４２の四方の側壁のうちの一側壁と離間して空隙Ｇを形成している。空間Ｓ１と空間Ｓ２とは空隙Ｇを介して連通しており、オイルＯＬの流通が可能が可能となっている。また、本実施形態の場合、隔壁４２には、その厚み方向に貫通する複数の孔１１ａが形成されており、空間Ｓ１と空間Ｓ２とは孔１１ａを介して連通しており、オイルＯＬの流通が可能が可能となっている。

各孔１１ａの大きさ（径）は同じであってもよいが、本実施形態では、流出部４２ｂ、４２ｃから遠くなるほど、大きくなるように形成している。これにより、オイルＯＬが空間Ｓ１から空間Ｓ２へ流れる際、流出部４２ｂ、４２ｃから相対的に遠い位置において流れやすくなり、近い位置で流れ難くすることができる。

なお、本実施形態の場合、空隙Ｇと孔１１ａとにより、空間Ｓ１と空間Ｓ２とを連通させたが、空隙Ｇのみ、または、孔１１ａのみにより、空間Ｓ１と空間Ｓ２とを連通させる構成であってもよい。

流出部４２ｂは空間Ｓ１に設けられており、流出部４２ｃは空間Ｓ２に設けられている。空隙Ｇは流出部４２ｃが形成された側壁と対向する側壁と隔壁４２との間に形成されている。したがって、流出部４２ｃからオイルパン４２の外部へ排出されるオイルＯＬは、流入部４２ａから流入して空隙Ｇを通って、または、孔１１ａを通ることになる。一方、流出部４２ｂからオイルパン４２の外部へ排出されるオイルＯＬは、隔壁４２を跨ることなくオイルパン４２の外部へ排出される。したがって、オイルパン４２の構造的に、流入部４２ａから流入したオイルＯＬは流出部４２ｂから排出され易くなっている。

ヒートパイプ１２の内部部分１２ａは、空間Ｓ２に配置されており、空間Ｓ１には配置されていない。よって、空間Ｓ１内よりも空間Ｓ２内においてオイルＯＬの熱交換が促進される。

図３（Ａ）および（Ｂ）を参照してバルブ１８の開閉制御について説明する。本実施形態の熱交換装置１０は、上記のとおり、ヒートパイプ１２の内部部分１２ａが空間Ｓ２に配設される一方、オイルパン４２の構造的に、流入部４２ａから流入したオイルＯＬは空間Ｓ１を経由して流出部４２ｂから排出され易くなっていることから、内燃機関３や自動変速機４の始動時に、オイルＯＬが空間Ｓ２を経由せずに、空間Ｓ１を経由して循環し易いことで、油温上昇の立ち上がり性能が向上され、暖機時間の短縮が可能である。空間Ｓ１は空間Ｓ２と連通していることから、ヒートパイプ１２によるオイルＯＬの冷却によりその油温が一定の温度に維持されるが、引き続きオイルＯＬが空間Ｓ２を経由せずに、空間Ｓ１を経由して循環するとヒートパイプ１２による熱交換率が十分に発揮されない場合がある。本実施形態では、バルブ１８の開閉制御により、油温上昇の立ち上がり性能の向上と、立ち上がり後の冷却効果を促進することができる。

バルブ１８の開閉制御は、ＥＣＵ２０が行う。ＥＣＵ２０は、例えば、自動変速機３の制御ユニットであり、ＣＰＵ、メモリ、外部デバイスとのインタフェースを備える。ＣＰＵはメモリに格納されたプログラムを実行することでバルブ１８の開閉を制御する。ＥＣＵ２０には、油温センサ２１の検知結果が入力される。油温センサ２１はオイルＯＬの油温を検知する。

図３（Ａ）は、油温センサ２１の検知結果が所定温度未満の場合の制御内容を示しており、ＥＣＵ２０はバルブ１８を開状態に制御する。所定温度とは、自動変速機４の暖機完了に対応する油温であり、例えば、６５°Ｃ〜８５°Ｃの範囲内の温度である。バルブ１８を開状態としたことで、オイルパン４２に貯留されたオイルＯＬは配管１４および配管１５の双方を経由して循環ポンプ１６へ吸引されて配管１７へ圧送されるが、隔壁１１の存在により、空間Ｓ２よりも空間Ｓ１および配管１４を経由して循環するオイルＯＬの油量が多くなる。ヒートパイプ１２に接しないオイルＯＬの循環が多くなるため、オイルＯＬの油温上昇を促進できる。

図３（Ｂ）は、油温センサ２１の検知結果が所定温度以上の場合の制御内容を示しており、ＥＣＵ２０はバルブ１８を閉状態に切り替える。配管１４が閉鎖されるため、オイルパン４２に貯留されたオイルＯＬは配管１５を経由して循環ポンプ１６へ吸引されて配管１７へ圧送される。循環されるオイルＯＬが必ず空間Ｓ２を経由するので、ヒートパイプ１２に接するオイルＯＬの循環が多くなり、オイルＯＬの油温上昇を抑制できる。

このように本実施形態では、ヒートパイプ１２を用いながら、適度な油温への立ち上がり性能を向上することができる。ヒートパイプ１２を用いることで、オイルＯＬの冷却用の専用ファンやラジエータが不要となり、車両の構成を簡素化できる。更に、ヒートパイプ１２やヒートシンク１３がオイルパン４２と一体の構造なので、組み付け工数も削減できる。

＜他の実施形態＞
上記実施形態では、ヒートパイプ１２の外部部分１２ｂやヒートシンク１３を、車両前後方向でオイルパン４２の前側に配置したが、他の構成も採用可能である。図４（Ａ）はその一例を示している。同図の例ではヒートパイプ１２がＵ字型に屈曲され、オイルパン４２の下方に外部部分１２ｂが延設されている。ヒートシンク１３もオイルパン４２の底壁に固定されている。このような構成であっても、例えば、図２（Ａ）に矢印で例示したように、走行風がオイルパン４２の下方を流れる車両構成においては、ヒートパイプ１２によるオイルＯＬの熱交換を効率よく行うことができる。

次に、上記実施形態では、隔壁１１がオイルパン４２内を上下に区画したが左右（または前後）に区画する構成であってもよい。図４（Ｂ）はその一例を示している。同図の例では隔壁１１が縦方向に延在しており、オイルパン４２の内部空間を左右に区画している。隔壁１１とオイルパン４２の底壁との間には隙間Ｇが形成されている。また、隔壁１１には孔１１ａが形成されている。空間Ｓ１には流出部４２ｂが含まれ、空間Ｓ２は流出部４２ｃが含まれる。ヒートパイプ１２の内部部分１２ａは空間Ｓ２に配置されている。流入部４２ａは、空間Ｓ１、Ｓ２の双方に設けられているが、空間Ｓ２の天部を閉鎖して空間Ｓ１だけに設けてもよい。

次に、上記実施形態では、熱交換装置１０を自動変速機４のオイルＯＬの熱交換に用いたが、他の用途にも適用可能である。例えば、エンジン３のオイル、冷却水の熱交換に用いることも可能である。車両以外の各種の動力装置の液体の熱交換に熱交換装置１０を適用することも可能である。

＜実施形態のまとめ＞
１．上記実施形態の熱交換装置(例えば10)は、
熱交換する液体の循環経路に配置され、該液体を貯留する貯留部(例えば42)と、
前記貯留部内の内部部分(例えば12a)と、前記貯留部外の外部部分(例えば12b)とを有するヒートパイプ(例えば12)と、を備え、
前記貯留部は、その内部空間を、第一の空間(例えばS1)と第二の空間(例えばS2)とに前記液体が流通可能に区画する隔壁(例えば11)を備え、
前記第一の空間は、前記液体の流入部(例えば42a)と流出部(例えば42b)とを含み、
前記ヒートパイプの前記内部部分は、前記第二の空間に配置されている、
ことを特徴とする。

この構成によれば、前記ヒートパイプが配置されていない前記第一の空間を介した液体の循環が促進され、液体の温度の立ち上がり性能を向上することができる。前記第一の空間と前記第二の空間とは液体が流通可能であるので、前記ヒートパイプによる熱交換も行うことができる。

２．上記実施形態の熱交換装置(例えば10)は、
前記第二の空間は、前記液体の流出部(例えば42c)を含み、
前記第一の空間の前記流出部と循環ポンプ(例えば16)を連通させる第一液体通路(例えば14)と、
前記第二の空間の前記流出部と前記循環ポンプとを連通させる第二液体通路(例えば15)と、
前記第一液体通路または前記第二液体通路のいずれか一方に設けられ、該通路を開閉するバルブ(例えば18)と、を更に備える、
ことを特徴とする。

この構成によれば、前記バルブの開閉により、液体の温度の立ち上がり促進と前記ヒートパイプによる熱交換の促進とを切り替えることができる。

３．上記実施形態の熱交換装置(例えば10)は、
前記バルブは前記第一液体通路に設けられ、
前記液体の循環開始時には前記バルブが開状態である、
ことを特徴とする。

この構成によれば、液体の温度の立ち上がり性能を向上することができる。

４．上記実施形態の熱交換装置(例えば10)は、
前記液体の循環開始後、前記液体の温度が所定の温度に達したことを条件として、前記バルブが閉状態となる、
ことを特徴とする。

この構成によれば、液体の温度の立ち上がり後に、前記ヒートパイプによる熱交換を促進できる。

５．上記実施形態の熱交換装置(例えば10)は、
前記液体は自動変速機(例えば4)のオイルであり、
前記貯留部は、前記自動変速機のオイルパンである、
ことを特徴とする。

この構成によれば、前記自動変速機の冷間時における暖機を短時間で完了させつつ、油温を安定させることができる。

６．上記実施形態の熱交換装置(例えば10)は、
前記ヒートパイプの前記外部部分に設けられたヒートシンク(例えば13)を更に備え、
前記ヒートシンクおよび前記ヒートパイプは前記オイルパンに固定されている、
ことを特徴とする。

この構成によれば、前記熱交換装置をユニット化することができ、組み付け作業の工程削減を図ることができる。

７．上記実施形態の熱交換装置(例えば10)は、
前記隔壁には、複数の孔(例えば11a)が形成されている、
ことを特徴とする。

この構成によれば、前記第一の空間と前記第二の空間とを区画しつつ、これらの空間の間での液体の流通性を維持することができる。

８．上記実施形態の熱交換装置(例えば10)は、
前記隔壁は、前記貯留部の前記内部空間を上下に区画し、
前記第一の空間は前記第二の空間に対して上に位置している、
ことを特徴とする。

この構成によれば、重力を利用して液体を前記第一の空間に導入可能であり、また、液体の温度の立ち上げの際には、下側の前記第二の空間への液体の流入量を少なくすることができ、温度の立ち上がり性能を更に向上できる。

９．上記実施形態の熱交換装置(例えば10)は、
前記ヒートパイプの前記内部部分は横方向に延設され、
前記ヒートパイプの前記外部部分は前記内部部分に対して曲折されている、
ことを特徴とする。

この構成によれば、前記熱交換装置のコンパクト化を図ることができ、設置個所におけるレイアウト性を向上できる。

１０熱交換装置、１１隔壁、１２ヒートパイプ、４２貯留部、４２ａ流入部、４２ｂ流出部、Ｓ１空間、Ｓ２空間

Claims

熱交換する液体の循環経路に配置され、該液体を貯留する貯留部と、
前記貯留部内の内部部分と、前記貯留部外の外部部分とを有するヒートパイプと、を備え、
前記貯留部は、その内部空間を、第一の空間と第二の空間とに前記液体が流通可能に区画する隔壁を備え、
前記第一の空間は、前記液体の流入部と流出部とを含み、
前記ヒートパイプの前記内部部分は、前記第二の空間に配置されている、
ことを特徴とする熱交換装置。
請求項１に記載の熱交換装置であって、
前記第二の空間は、前記液体の流出部を含み、
前記第一の空間の前記流出部と循環ポンプを連通させる第一液体通路と、
前記第二の空間の前記流出部と前記循環ポンプとを連通させる第二液体通路と、
前記第一液体通路または前記第二液体通路のいずれか一方に設けられ、該通路を開閉するバルブと、を更に備える、
ことを特徴とする熱交換装置。
請求項２に記載の熱交換装置であって、
前記バルブは前記第一液体通路に設けられ、
前記液体の循環開始時には前記バルブが開状態である、
ことを特徴とする熱交換装置。
請求項３に記載の熱交換装置であって、
前記液体の循環開始後、前記液体の温度が所定の温度に達したことを条件として、前記バルブが閉状態となる、
ことを特徴とする熱交換装置。
請求項４に記載の熱交換装置であって、
前記液体は自動変速機のオイルであり、
前記貯留部は、前記自動変速機のオイルパンである、
ことを特徴とする熱交換装置。
請求項５に記載の熱交換装置であって、
前記ヒートパイプの前記外部部分に設けられたヒートシンクを更に備え、
前記ヒートシンクおよび前記ヒートパイプは前記オイルパンに固定されている、
ことを特徴とする熱交換装置。
請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の熱交換装置であって、
前記隔壁には、複数の孔が形成されている、
ことを特徴とする熱交換装置。
請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の熱交換装置であって、
前記隔壁は、前記貯留部の前記内部空間を上下に区画し、
前記第一の空間は前記第二の空間に対して上に位置している、
ことを特徴とする熱交換装置。
請求項８に記載の熱交換装置であって、
前記ヒートパイプの前記内部部分は横方向に延設され、
前記ヒートパイプの前記外部部分は前記内部部分に対して曲折されている、
ことを特徴とする熱交換装置。