JP2021025677A - 熱交換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ラジエータそのもの構造は複雑化させずに比較的単純な構造で熱歪の影響を低減させることができる熱交換装置を提供する。【解決手段】熱交換装置は、車両に取り付けられた状態において、横方向に冷却水が流れるラジエータ１０と、ラジエータの風上側又は風下側に、ラジエータを構成し内部に冷却水を流すチューブに沿って延びるように設けられた遮蔽部６０，６０Ａ，６０Ｂと、を備えている。【選択図】図１

Description

本開示は、熱交換装置に関する。

車両等に設けられた熱交換器の例として、独立した複数の熱交換器が一体となって形成された複合熱交換器が知られている。複合熱交換器においては、一方の熱交換器と他方の熱交換器の熱膨張差に起因して熱歪が生じることがある。この問題に対し、例えば下記特許文献１には、一方の熱媒体が流通する第１チューブと、他方の熱媒体が流通する第２チューブとの間にダミーチューブを設け、ダミーチューブの近くに配置された２本の第１チューブの間のコアプレートに２つのリブを設けた熱交換器が開示されている。

特開２０１６−１２８７３０号公報

特許文献１に開示された構成は、熱交換器の強度を向上させることで熱交換器に生じる応力の集中に対処するものであるので、熱交換器の構造が複雑化し、製造コストが増大するおそれがある。

本開示は、ラジエータそのもの構造は複雑化させずに比較的単純な構造で熱歪の影響を低減させることができる熱交換装置を提供することを目的とする。

本開示に係る熱交換装置は、車両に取り付けられた状態において、横方向に冷却水が流れるラジエータ（１０）と、ラジエータの風上側又は風下側に、ラジエータを構成し内部に冷却水を流すチューブに沿って延びるように設けられた遮蔽部（６０，６０Ａ，６０Ｂ）と、を備えている。

本開示では、ラジエータの風上側又は風下側に、ラジエータを構成するチューブに沿って遮蔽部を設けるので、冷却水が流れる方向に沿って遮蔽部が設けられる。遮蔽部に対応した位置に設けられたチューブには熱交換のための空気が流れにくくなり、そのチューブにおける熱交換が抑制され、冷却水の温度が他の部分に比較して相対的に上昇する。ラジエータ全体では、遮蔽部に対応した位置に設けられたチューブを流れる冷却水の温度と、その他の位置に設けられたチューブを流れる冷却水の温度との間に差が生じ、温度差に伴う粘性差が発生する。冷却水の温度が相対的に高い部分は冷却水の粘性が低くなり、冷却水の温度が相対的に低い部分は冷却水の粘性が高くなるので、冷却水の温度が相対的に高い部分の冷却水の流れが促進され、意図的に偏流を生じさせることができる。遮蔽部を設ける位置をチューブが並べられる方向に変化させることで、偏流の発生する位置を制御することが可能となり、比較的単純な構造で、偏流に起因する熱歪の影響を低減させることができる。ラジエータの構造を改変することなく、遮蔽部を設けることで熱歪の影響を低減させることができる。

本開示によれば、ラジエータそのもの構造は複雑化させずに比較的単純な構造で熱歪の影響を低減させることができる熱交換装置を提供することができる。

図１は、本開示の一実施形態に係る熱交換装置が備えられた車両の断面図である。 図２は、図１に示されたラジエータの平面図である。 図３は、図１に示されたラジエータシャッタの平面図である。 図４は、車両の前方側から見たラジエータの平面図と、発生する熱歪の程度のイメージを示すグラフである。 図５は、車両の前方側から見たラジエータの平面図と、発生する熱歪の程度のイメージを示すグラフである。 図６は、第１変形例に係る熱交換装置が備えられたファンの平面図である。 図７は、第２変形例に係る熱交換装置が備えられた車両の断面図である。 図８は、第２変形例に係る熱交換装置が備えられた車両を前方側から見た平面図である。

以下、添付図面を参照しながら本実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

図１から図３を参照しながら、本開示の一実施形態に係る熱交換装置について説明する。

車両は、ラジエータ１０と、コンデンサ２０と、ラジエータシャッタ３０と、ファン４０と、バンパ５０と、遮蔽部６０と、を備えている。ラジエータ１０と遮蔽部６０は、熱交換装置１００を構成する。車両は特に限定されず、例えばエンジン車、ハイブリッド車、又は電気自動車などであってよい。

以下では説明の便宜上、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸による直交座標系を用いることがある。図１に示されるように、Ｘ軸は車両の後方から前方に向かう方向に沿い、Ｙ軸は紙面奥側から紙面手前側に向かう方向に沿い、Ｚ軸は車両の下方から上方に向かう方向に沿うように設定されている。

ラジエータ１０は、冷媒と空気との間で熱交換を行うことで冷媒を冷却する。図２は、ラジエータ１０を車両の前方側から見た平面図である。図２に示されるように、ラジエータ１０は、２つのタンク１１ａ，１１ｂと、コア部１２と、を備えている。

２つのタンク１１ａ，１１ｂは、互いに平行な状態でラジエータ１０のＹ軸方向の両端側に配置されている。２つのタンク１１ａ，１１ｂは、ラジエータ１０の外部からラジエータ１０に供給される冷媒を貯留したり、コア部１２から供給される冷媒をラジエータ１０の外部に排出したりする。

コア部１２は、冷媒と空気との間で熱交換が行われる領域であって、積層された複数のチューブ１３及び複数のフィン１４により構成される。チューブ１３は、内部に冷媒を流す細長い配管であって、扁平形状の断面を有する。チューブ１３は、その両端がそれぞれタンク１１ａ，１１ｂのコアプレートに接続され、ラジエータ１０が車両に取り付けられた状態において、横方向（Ｙ軸方向）に沿って冷媒を流す。すなわち、ラジエータ１０はクロスフローラジエータである。チューブ１３は、互いに平行な状態でＺ軸方向に沿って並ぶように配置されている。

フィン１４は、金属板を波状に折り曲げることにより形成されたコルゲートフィンである。フィン１４は、互いに隣り合うチューブ１３の間において、波状がＹ軸方向に沿って続くように配置されている。チューブ１３とフィン１４がＺ軸方向に沿って交互に積層されることで、互いに隣り合うチューブ１３の間に空気流路が形成される。

本実施形態におけるラジエータ１０は、例えば独立した複数の熱交換器が組み合わされて構成された多機能ラジエータである。具体的に、ラジエータ１０は、Ｚ軸正方向側に設けられた第１部分１５と、Ｚ軸負方向側に設けられた第２部分１６と、を備えている。第１部分１５は、例えば車両に設けられた内燃機関（不図示）を冷却する冷却水を冷媒とする。第２部分１６は、例えば車両に設けられた電池等（不図示）を冷却する冷却水を冷媒とする。タンク１１ａ，１１ｂの内部は、第１部分１５と第２部分１６との境界において、仕切り部１７ａ，１７ｂによって仕切られている。例えば冬場など、外気の温度が十分に低く電池等の冷却の必要がない場合、第１部分１５において熱交換が行われ、第２部分１６において熱交換が行われないことがあってもよい。第１部分１５は、例えば第２部分１６より温度が上昇しやすく、第１部分１５と第２部分１６との境界には温度差が生じやすい。

図１に戻り、コンデンサ２０は、ラジエータ１０の車両前方側に設けられている。コンデンサ２０は、車両に設けられた空調装置の冷媒と空気との間で熱交換を行うことで冷媒を冷却する。

ラジエータシャッタ３０は、ラジエータ１０とコンデンサ２０との間に設けられている。図３は、ラジエータシャッタ３０を車両の前方側から見た平面図である。図３に示されるように、ラジエータシャッタ３０は、フレーム３１と、ブレード３２と、を備える。ラジエータシャッタ３０は、制御装置（不図示）から入力される制御信号に基づいてブレード３２の開閉を切り替えることにより、ラジエータ１０への通風量を調節する。ラジエータシャッタ３０のフレーム３１には、後述する遮蔽部６０が設けられている。

図１に戻り、ファン４０は、ラジエータ１０の車両後方に設けられている。ファン４０は、制御装置（不図示）から入力される制御信号に基づいて回転し、ラジエータ１０及びコンデンサ２０に空気を供給する。

バンパ５０は、車両の前方に設けられている緩衝装置である。バンパ５０は、ラジエータ１０のコア部１２の風上側をＹ軸方向に沿って横切っている。バンパ５０は、ラジエータ１０の前方に設けられた構造物の一具体例である。

遮蔽部６０は、ラジエータ１０の風上側に配置され、ラジエータ１０のチューブ１３に沿って延びるように、ラジエータシャッタ３０のフレーム３１のＹ軸方向の両端にわたって設けられている。本実施形態では、ラジエータシャッタ３０のフレーム３１の一部を構成するリンクが遮蔽部６０として機能する。

遮蔽部６０は、ラジエータ１０のコア部１２の第１部分１５に重なるように設けられ、第１部分１５の一部への空気の流れを遮蔽する。遮蔽部６０のＺ軸方向の長さは、例えばラジエータ１０に重なっているバンパ５０のＺ軸方向の長さより短くてよく、ラジエータ１０の一本のチューブ１３のＺ軸方向の長さと同程度であってもよい。

次に、ラジエータ１０に生じる熱歪について説明する。ラジエータ１０では、例えば風上側に設けられたバンパ５０によって空気の流れが遮られることにより、ラジエータの通風量に偏りが生じる。バンパ５０に対応した位置に設けられたチューブ１３には熱交換のための空気が流れにくくなり、そのチューブにおける熱交換が抑制され、冷却水の温度が他の部分に比較して相対的に上昇する。ラジエータ全体では、バンパに対応した位置に設けられたチューブを流れる冷却水の温度と、その他の位置に設けられたチューブを流れる冷却水の温度との間に差が生じ、温度差に伴う粘性差が発生する。冷却水の温度が相対的に高い部分は冷却水の粘性が低くなり、冷却水の温度が相対的に低い部分は冷却水の粘性が高くなるので、冷却水の温度が相対的に高い部分の冷却水の流れが促進され、冷却水の偏流が生じる。偏流が生じると、熱歪が発生し、ラジエータ１０の一部に応力が集中することがある。

特に、本実施形態に係るラジエータ１０のように複数の熱交換器が組み合わされた多機能ラジエータにおいては、第１部分１５と第２部分１６との間の仕切り部１７ａ，１７ｂの強度が他の部分に比べて弱くなりやすい。例えばバンパ５０の位置が第１部分１５と第２部分１６の境界と重なっていると、熱歪が発生しやすい部分と強度が弱い部分が重なることとなる。

この点、本実施形態では、ラジエータ１０のコア部１２に重なり、かつバンパ５０とは重ならない位置に遮蔽部６０が設けられている。遮蔽部６０は、上述のバンパ５０と同様に空気の流れを遮ることにより、遮蔽部６０に対応した位置に設けられたチューブ１３の温度を上昇させる。当該チューブ１３の温度が相対的に高くなることにより当該チューブ１３の冷却水の流れが促進されるので、意図的に偏流を生じさせることができる。遮蔽部６０を設ける位置を、チューブ１３が並べられる方向に変化させることで、偏流の発生する位置を制御することが可能となる。バンパ５０に対応した位置とは異なる位置のチューブ１３に偏流を生じさせることで、各偏流に起因する熱歪の影響を低減させることができる。

図４（ａ）及び図５（ａ）は、それぞれ、ラジエータにおいて偏流が生じる領域４００，５００を示す図である。図４（ｂ）及び図５（ｂ）は、それぞれ、ラジエータのチューブとコアプレートの嵌合部において発生する熱歪の程度のイメージを示すグラフである。図４（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態の比較例として、遮蔽部６０により空気の流れが遮られない場合における熱歪の様子を示す。図５（ａ）及び（ｂ）は、遮蔽部６０により空気の流れが遮られる場合における熱歪の様子を示す。

図４（ａ）及び（ｂ）に示されるように、比較例では、ラジエータ１０のうちバンパが重なる部分に集中的に偏流が生じるので、発生する熱歪のピークが比較的大きい。

他方、図５（ａ）及び（ｂ）に示されるように、本実施形態に係るラジエータ１０では、バンパが重なる部分に加えて遮蔽部６０が重なる部分にも偏流が生じるので、発生するそれぞれの熱歪のピークが比較例に比べて緩和される。

本実施形態に係る熱交換装置１００は、車両に取り付けられた状態において、横方向に冷却水が流れるラジエータ１０と、ラジエータ１０の風上側又は風下側に、ラジエータ１０を構成し内部に冷却水を流すチューブ１３に沿って延びるように設けられた遮蔽部６０と、を備えている。

本実施形態によれば、ラジエータ１０の風上側又は風下側に、ラジエータ１０を構成するチューブ１３に沿って遮蔽部６０を設けるので、冷却水が流れる方向に沿って遮蔽部６０が設けられる。遮蔽部６０に対応した位置に設けられたチューブ１３には熱交換のための空気が流れにくくなり、そのチューブにおける熱交換が抑制され、冷却水の温度が他の部分に比較して相対的に上昇する。ラジエータ１０全体では、遮蔽部６０に対応した位置に設けられたチューブ１３を流れる冷却水の温度と、その他の位置に設けられたチューブ１３を流れる冷却水の温度との間に差が生じ、温度差に伴う粘性差が発生する。冷却水の温度が相対的に高い部分は冷却水の粘性が低くなり、冷却水の温度が相対的に低い部分は冷却水の粘性が高くなるので、冷却水の温度が相対的に高い部分の冷却水の流れが促進され、意図的に偏流を生じさせることができる。遮蔽部６０を設ける位置をチューブ１３が並べられる方向に変化させることで、偏流の発生する位置を制御することが可能となり、比較的単純な構造で、偏流に起因する熱歪の影響を低減させることができる。ラジエータ１０そのものの構造を改変することなく、遮蔽部６０を設けることで熱歪の影響を低減させることができる。

本実施形態において、遮蔽部６０は、ラジエータ１０の前方に設けられた他の構造物と重ならないように設けられていてもよい。

本実施形態によれば、遮蔽部６０が他の構造物と重ならないように設けられることにより、遮蔽部６０及び当該他の構造物のそれぞれに起因した偏流が、ラジエータの異なる位置に生じることとなる。偏流が分散して生じることにより、各偏流に起因する熱歪の程度が抑制され、ラジエータ１０にかかる応力を低減させることができる。

本実施形態において、ラジエータ１０は、互いに異なる冷却水を冷却する第１部分１５及び第２部分１６を備え、遮蔽部６０は、第１部分１５と第２部分１６との境界と重ならないように設けられていてもよい。

本実施形態によれば、ラジエータ１０のうち、第１部分１５と第２部分１６の境界とは異なる部分に偏流を生じさせることで、強度が比較的弱くなる境界部分にかかる応力を低減させることができる。

本実施形態において、第１部分１５を流れる冷却水の温度は、第２部分１６を流れる冷却水の温度より高く、遮蔽部６０は、第１部分１５と重なるように設けられていてもよい。

本実施形態によれば、第１部分１５に重なるように遮蔽部６０が設けられるので、例えば冬場などの外気の温度が低い場合に、第２部分１６において熱交換を行わず、第１部分１５において熱交換を行う場合であっても遮蔽部６０が好適に機能する。

本実施形態において、遮蔽部６０は、ラジエータ１０の風上側又は風下側に設けられたラジエータシャッタ３０に設けられていてもよい。

本実施形態によれば、既存の構造物を用いて遮蔽部６０を構成することができるので、部品点数の増加を抑えることができる。ラジエータシャッタ３０は、ラジエータ１０の近くに配置されるので、空気の流れを効果的に遮ることができる。

上述の実施形態では、遮蔽部６０がラジエータシャッタ３０のフレーム３１内において、横方向の端から端まで延びているが、遮蔽部は必ずしもラジエータシャッタ３０の端から端まで延びていなくてもよい。遮蔽部は、例えばラジエータ１０のコア部１２の横方向における一部に重なるように設けられていてもよい。

上述の実施形態では、ラジエータシャッタ３０のリンクが遮蔽部６０として機能しているが、遮蔽部として機能する部材はリンクに限定されず、ラジエータシャッタのストッパ、ブレード、又はブレード保持部などであってもよい。遮蔽部は、ラジエータ１０の風上側又は風下側に設けられていればよく、ラジエータ自体に取り付けられてもよいし、ラジエータとは離れて取り付けられてもよい。

図６は、上述の実施形態の第１変形例に係る熱交換装置における、車両の前方側から見たファン及び遮蔽部の平面図である。本変形例に係る熱交換装置は、遮蔽部６０の代わりに遮蔽部６０Ａを備える。

遮蔽部６０Ａは、図１に示されるラジエータ１０の風下側に設けられたファン４０のシュラウドに取り付けられている。遮蔽部６０Ａは、ファン４０のシュラウドのＹ軸方向の両端にわたって設けられている。遮蔽部６０Ａは、上述の遮蔽部６０と同様に、ラジエータ１０のチューブ１３に沿う方向に延びている。

このように、遮蔽部６０Ａがラジエータ１０の風下側に設けられた場合であっても、ラジエータ１０の当該遮蔽部に対応した位置への空気の流れが遮蔽されるので、当該位置に設けられたチューブの温度が上昇し、意図的に偏流を生じさせることができる。従って、上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。

上述のとおり、遮蔽部６０Ａは、ラジエータ１０に空気を送るファン４０のシュラウドに設けられていてもよい。

本変形例によれば、既存の構造物に遮蔽部を取り付けることができるので、部品点数の増加を抑えることができる。

図７は、上述の実施形態の第２変形例に係る熱交換装置における車両の断面図である。図８は、第２変形例に係る熱交換装置が備えられた車両を前方側から見た平面図である。図７に示される車両は、図１に示される車両に比べて導風ダクト７０をさらに備える。本変形例に係る熱交換装置は、遮蔽部６０の代わりに遮蔽部６０Ｂを備える。

導風ダクト７０は、ラジエータ１０の風上側に設けられ、車両の前方から導入された外気をコンデンサ２０及びラジエータ１０に効率的に導くための装置である。導風ダクト７０は、前方に配置されたバンパ５０を避けつつ、コンデンサ２０及びラジエータ１０の四方を囲むように設けられている。

遮蔽部６０Ｂは、導風ダクト７０のＹ軸方向の両端にわたって設けられている。遮蔽部６０Ｂは、上述の遮蔽部６０，６０Ａと同様に、ラジエータ１０のチューブ１３に沿う方向に延びている。

遮蔽部６０Ｂがラジエータ１０から離れた構造物に設けられた場合であっても、ラジエータ１０の当該遮蔽部に対応した位置への空気の流れが遮蔽されるので、当該位置に設けられたチューブの温度が上昇し、意図的に偏流を生じさせることができる。従って、上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。

上述のとおり、遮蔽部６０Ｂは、ラジエータ１０に空気を導く導風ダクト７０に設けられていてもよい。

本変形例によれば、既存の構造物に遮蔽部を取り付けることができるので、部品点数の増加を抑えることができる。

以上、具体例を参照しつつ本実施形態について説明した。しかし、本開示はこれらの具体例に限定されるものではない。これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、条件、形状などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。前述した各具体例が備える各要素は、技術的な矛盾が生じない限り、適宜組み合わせを変えることができる。

１０：ラジエータ
１５：第１部分
１６：第２部分
３０：ラジエータシャッタ
４０：ファン
６０，６０Ａ，６０Ｂ：遮蔽部
７０：導風ダクト
１００：熱交換装置

Claims (7)

1. 熱交換装置であって、
   車両に取り付けられた状態において、横方向に冷却水が流れるラジエータ（１０）と、
   前記ラジエータの風上側又は風下側に、前記ラジエータを構成し内部に冷却水を流すチューブに沿って延びるように設けられた遮蔽部（６０，６０Ａ，６０Ｂ）と、を備えている、熱交換装置。
2. 前記遮蔽部は、前記ラジエータの前方に設けられた他の構造物と重ならないように設けられた、
   請求項１に記載の熱交換装置。
3. 前記ラジエータは、互いに異なる冷却水を冷却する第１部分（１５）及び第２部分（１６）を備え、
   前記遮蔽部は、前記第１部分と前記第２部分との境界と重ならないように設けられた、
   請求項１又は２に記載の熱交換装置。
4. 前記第１部分を流れる冷却水の温度は、前記第２部分を流れる冷却水の温度より高く、
   前記遮蔽部は、前記第１部分と重なるように設けられた、
   請求項３に記載の熱交換装置。
5. 前記遮蔽部は、前記ラジエータの風上側又は風下側に設けられたラジエータシャッタ（３０）に設けられた、
   請求項１から４のいずれか一項に記載の熱交換装置。
6. 前記遮蔽部は、前記ラジエータに空気を送るファン（４０）のシュラウドに設けられた、
   請求項１から４のいずれか一項に記載の熱交換装置。
7. 前記遮蔽部は、前記ラジエータに空気を導く導風ダクト（７０）に設けられた、
   請求項１から４のいずれか一項に記載の熱交換装置。

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