JP2018146216A - 複数流路熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 チューブが熱応力により損傷することを防止したタンク構造を有する複数流路熱交換器の提供。【解決手段】 外部から冷却流体で冷却される複数のチューブ２が連通するタンク５内に、流体の流通路を複数に区画する仕切部９が形成された複数流路熱交換器において、互いに隣接する区画部分１０，１１における流体の温度がより高い側のタンク５内に流量制限バッフル１２を設けることにより、温度がより高い側の区画部分における仕切板９近傍のチューブ２に流通する流量を減少させるように構成されていることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、単一の熱交換器において、タンク内の流路が複数に区画された複数流路熱交換器に関する。

ハイブリット自動車には、エンジンを冷却するメインラジエータと、電動モータやそのインバータなどの補機用の冷却水を冷却するサブラジエータが設けられる。これら２つのラジエータはスペース効率などから、単一の熱交換器内を２つの異なる系統の流体が流通する複数流路熱交換器として構成することが多い。

また、過給器付きのエンジンにおいて、圧縮された吸気を冷却して吸気密度を高めるために使用されるインタークーラの場合、吸気が熱交換器の内部をＵターンして流通する複数流路熱交換器がスペース効率の良いクーラとして利用されることがある。

特許文献１に複数流路熱交換器の１例が示されている。この複数流路熱交換器は、タンクにコア部を構成する複数のチューブが接合されると共に、タンク内には流体の流通路を２つに区画する仕切部が形成されている。仕切部で区画された各タンクの区画部分には、温度の異なる２つの流体が流入し、各区画部分に連通するチューブに流出し、２つの流体が同時に熱交換される。

特開２００２−１１５９９１号公報

仕切部で区画されたタンク内の各区画部分に温度の異なる流体がそれぞれ流入すると、各区画部分の温度は、そこに流入する流体の温度に応じて異なってくる。すなわち、仕切部を境に異なる温度の区画部分が隣り合って発生する。このような仕切部を境にタンク内部の温度差が大きくなると、仕切部近傍のチューブ先端部にその温度差に応じた熱応力が発生し、チューブ損傷の原因になる。この熱応力は仕切部近傍のチューブ先端部が最も大きくなり、仕切部から遠ざかるに従って次第に低減する傾向にある。

本発明は、このようなチューブが熱応力により損傷することを防止することを課題とし、その課題を解決した新しいタンク構造を有する複数流路熱交換器を提供する。

本発明の第１の発明は、外部から冷却流体で冷却される複数のチューブが連通するタンク内に、流体の流通路を複数に区画する仕切部が形成された複数流路熱交換器において、互いに隣接する区画部分における流体の温度がより高い側のタンク内に流量制限バッフルを設けることにより、温度がより高い側の区画部分における仕切板近傍のチューブに流通する流量を減少させるように構成されていることを特徴とする（請求項１）。

本発明の第２の発明は、第１の発明において、タンク内における流体の流通路は前記仕切部により２つに区画され、流体の温度がより高い側の区画部分において、仕切部に最も近接したチューブとその次に近接したチューブとの間に流量制限バッフルを設けることにより、最接近のチューブに流通する流量を減少させるように構成されていることを特徴とする（請求項２）。

本発明の第３の発明は、第２の発明において、前記２つの流体は互いに異なる系統の流体であることを特徴とする（請求項３）。

本発明の第４の発明は、第２の発明において、前記複数のチューブが連通するタンクはそのチューブの両端にそれぞれ設けられると共に、その片方のタンクのみに仕切部が設けられ、仕切部の一方の区画部分に連通するチューブの反対側の端部と他方の区画部分に連通するチューブの反対側の端部は、いずれも仕切部が設けられていないタンクに連通するように構成されていることを特徴とする（請求項４）。

第１の発明は、互いに隣接する区画部分における流体の温度がより高い側のタンク内に流量制限バッフルを設けることにより、温度がより高い側の区画部分における仕切板近傍のチューブに流通する流量を減少させるように構成されていることを特徴とする。

このように構成することにより、高温側の区画部分において、仕切板近傍のチューブに流通する流量が低下するので、該部分と隣接する他の区画部分との温度差が減少し、結果として仕切板近傍のチューブに加わる熱応力も抑制される。そのためチューブの耐久力低下を効果的に防止できる。

第２の発明は、タンク内における流体の流通路は前記仕切部により２つに区画され、流体の温度がより高い側の区画部分において、仕切部に最も近接したチューブとその次に近接したチューブとの間に流量制限バッフルを設けることにより、最接近のチューブに流通する流量を減少させるように構成されていることを特徴とする。
このように構成すると、流量を減少させるチューブを仕切部に最も接近したチューブのみとしたことにより、その系統の流体の圧力損失が過大に増加することなく、仕切部近傍のチューブ先端部の熱応力を抑制することができる。

第３の発明は、前記２つの流体が互いに異なる系統の流体であることを特徴とする。
この構成により、独立した流体系統を有する２つの熱交換器を複合した熱交換器となり、そのような熱交換に際しても仕切部近傍のチューブ先端部の熱応力を抑制する効果が発揮される。

第４の発明は、複数のチューブが連通するタンクはそのチューブの両端にそれぞれ設けられると共に、その片方のタンクのみに仕切部が設けられ、仕切部の一方の区画部分に連通するチューブの反対側の端部と他方の区画部分に連通するチューブの反対側の端部は、いずれも仕切部が設けられていないタンクに連通するように構成されていることを特徴とする。
このように構成した熱交換器は、Ｕターン状の流路を有するチャージエアクーラ等において、仕切部近傍のチューブ先端部の熱応力を抑制する効果が発揮される。

本発明の複数流路熱交換器における第１の実施形態を示す断面図。 本発明の複数流路熱交換器における第２の実施形態を示す側断面図。 図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ矢視断面図。 本発明の複数流路熱交換器における第２の実施形態の別例を示す断面図。 本発明の複数流路熱交換器における第３の実施形態を示す断面図。

次に、図面を基に本発明の実施形態を説明する。図１は本発明の複数流路熱交換器における第１の実施形態を示す断面図であり、図１（Ａ）は側断面図、図１（Ｂ）は図１における上側のタンクの基本構造を示す平断面図である。

図１に示す複数流路熱交換器１は、Ｕターン状の流路を有するチャージエアを冷却するインタークーラ等の熱交換器である。複数のチューブ２が左右方向に並列され、各チューブ２の間にフィン３が配置されてコア部４を構成している。コア部４を構成する各チューブ２は、タンク５，６の長手方向（図１の左右方向）に積層され、それらの両端部がろう付けなどでタンク５，６に接合することにより、各チューブ２と各タンク５，６の内部が互いに連通する。

図１の上側のタンク５に高温のチャージエアやオイルなどの流体の入口部７と出口部８が形成され、板状の仕切部９により入口部７に連通する区画部分１０と出口部８に連通する区画部分１１がタンク５内に形成される。すなわちタンク内における流体の流通路は仕切部９により２つに区画（分離）されている。一方、下側のタンク６に仕切部は設けられていない。

入口部７に連通する区画部分１０に接合された複数のチューブ２の中で、仕切部９に最も近接したチューブ２とその次に近接したチューブ２との間に流量制限バッフル１２が設けられている。流量制限バッフル１２はタンク５と一体形成された方形な板状で且つ仕切部９と平行に配置され。流量制限バッフル１２の底面位置はタンク５の下面から所定の間隔で上方に離反している。

流量制限バッフル１２は、それが配置された位置より仕切部９に近い領域に流れる流体の流量を制限するもので、本実施形態では仕切部９に最も近接したチューブ２への流量を制限するようになっている。流量制限バッフル１２による流量制限割合は、タンク５の下側内面から所定の間隔で上方に離反している流量制限バッフル１２の底面位置を調整することにより変更できる。

本実施形態において、入口部７からチャージエアやオイルなどの高温の流体がタンク５の区画部分１０内に供給され、熱交換後に温度低下した流体が出口部８から排出される。具体的には、高温の流体は入口部７からタンク５の区画部分１０に流入し、タンク５内を矢印で示すように流れる。その際、流量制限バッフル１２を通過する流体は、図示のように流量制限バッフル１２の底面とタンク５の下側内面との狭い間隔を蛇行しながら流通する。その際に加わる流動抵抗により、該部分の流量が制限される。そして流量制限バッフル１２の作用により、仕切部９に最も近接したチューブ２への流量があらかじめ設定された割合で制限される。

高温の流体はチューブ２内を流通する間に、図１の左側の前面から後面に向かってチューブ２の外側を流通する空気などの冷却用流体で冷却されながら下側のタンク６に流入する。熱交換により温度低下した流体は、タンク６内を矢印方向に流通し、上側のタンク５に設けられた仕切部９より右側の各チューブ２に流入する。

仕切部９より右側の各チューブ２内にＵターンし流通する流体は、空気などとの熱交換により更に冷却されて低温化した状態で上側のタンク５における区画部分１１に流入する。そして区画部分１１に流入した流体は矢印のように流れ出口部８から外部に排出する。

このように本実施形態では、タンク５内を２つの区画部分１０，１１に区画し、流体の温度がより高い側の区画部分１０において、仕切部９に最も近接したチューブ２とその次に近接したチューブ２との間に流量制限バッフル１２を設けることにより、区画部分１０における仕切部９に最接近のチューブ２へ流通する流量を減少させている。

図２は、本発明の複数流路熱交換器における第２の実施形態を示す側断面図で、図３は図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ矢視断面図である。この第２の実施形態が前記第１の実施形態と異なる部分は流量制限バッフル１２の構成のみで、そのほかの部分は同様に構成される。そのため第２の実施形態において第１の実施形態と同じ部分には同一符号付し、重複する説明は省略する。

第２の実施形態でも、第１の実施形態と同じ位置で且つ同じ形状の流量制限バッフル１２が設けられている。すなわち、仕切部９に最も近接したチューブ２とその次に近接したチューブ２との間に第１の実施形態と同じ形状の基本的な流量制限バッフル１２が配置されている。しかし第２実施形態では、それに加えて仕切部９から数えて２番目のチューブ２と３番目のチューブ２の間に補助的な流量制限バッフル１２ａが配置されている。

このような構成は、基本的な流量制限バッフル１２だけでは十分に当該温度差を低減できない場合に有効である。すなわち補助的な流量制限バッフル１２ａによって仕切部９から数えて２番目のチューブ２を通過する流量も制限されることにより、さらに流量を制限および調整することが可能になり、それによって当該温度差をいっそう低減することが可能になる。
なお、補助的な流量制限バッフル１２ａは、図４に示したように、基本的な流量制限バッフル１２と同じものでも良い。

図５は、本発明の複数流路熱交換器における第３の実施形態を示す断面図である。
これまで説明した各実施形態はＵターン状の流路を有する複数流路熱交換器であるが、本発明はこれに限らない。
第３の実施形態においては、下側タンク６にも仕切部９が形成され、それによって区画された２つの部分にそれぞれ流体の出口部が設けられ、さらに、上側のタンク５における出口部８は別の流体の入口部に置き換えられている。その結果、本実施形態においては、左右異なった温度の別々の流体が流通する複数流路熱交換器となっている。なお、本実施形態では、上側のタンク５の双方の区間部分に流量制限バッフル１２が設けられているが、流体の温度がより低い側の区画部分の流量制限バッフルはなくともよい。

さらに別の実施形態として、タンク５、６にそれぞれ３つの仕切部９を設け、互いに温度の異なる３つ以上の流体が同時に流通する複数流路熱交換器に構成することもできる。これらいずれの構成においても、少なくとも、互いに隣接するタンクの区画部分における流体の温度がより高い側のタンク内に流量制限バッフルを設ける。

本発明の複数流路熱交換器は、メインラジエータおよびサブラジエータからなるハイブリッド自動車用ラジエータ、過給器付きエンジン用のチャージエアクーラ等の熱交換器として利用できる。

１ 複数流路熱交換器
２ チューブ
３ フィン
４ コア部
５，６ タンク
７ 入口部
８ 出口部
９ 仕切部
１０，１１ 区画部分
１２，１２ａ 流量制限バッフル

Claims (4)

1. 外部から冷却流体で冷却される複数のチューブ（２）が連通するタンク（５）内に、流体の流通路を複数に区画する仕切部（９）が形成された複数流路熱交換器において、
   互いに隣接する区画部分（１０）（１１）における流体の温度がより高い側のタンク（５）内に流量制限バッフル（１２）を設けることにより、温度がより高い側の区画部分における仕切板（９）近傍のチューブ（２）に流通する流量を減少させるように構成されていることを特徴とする複数流路熱交換器。
2. タンク（５）内における流体の流通路は前記仕切部（９）により２つに区画され、流体の温度がより高い側の区画部分において、仕切部（９）に最も近接したチューブ（２）とその次に近接したチューブ（２）との間に流量制限バッフル（１２）を設けることにより、最接近のチューブ（２）に流通する流量を減少させるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の複数流路熱交換器。
3. 前記２つの流体は互いに異なる系統の流体であることを特徴とする請求項２に記載の複数流路熱交換器。
4. 前記複数のチューブ（２）が連通するタンクはそのチューブ（２）の両端にそれぞれ設けられると共に、その片方のタンク（５）のみに仕切部（９）が設けられ、仕切部（９）の一方の区画部分（１０）に連通するチューブ（２）の反対側の端部と他方の区画部分（１１）に連通するチューブ（２）の反対側の端部は、いずれも仕切部（９）が設けられていないタンク（６）に連通するように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の複数流路熱交換器。

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