JP2810546B2 - 熱交換器のための受動的バイパス - Google Patents

熱交換器のための受動的バイパス

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    • Y10S165/916—Oil cooler

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、熱交換器に関し、特に例えばエンジン及び
トランスミッション・オイル、パワー・ステアリングも
しくはブレーキ流体の冷却に用いられる、自動車用の熱
交換器に関する。
自動車用熱交換器は、オイルや他の自動車用流体とと
もに用いられる。これらの流体は、自動車が始動したと
き特に低温環境下では、冷たく粘性が高い。さらに最近
の自動車用の熱交換器は、小型、軽量化のために極めて
細い流体流路と薄い壁材料を用いている。その結果、エ
ンジンが暖かくなり流体システムが通常の動作温度に達
するまでの間、熱交換器の内部の圧力が極めて高くな
り、熱交換器内の流れが妨げられ或いは厳しく制限され
る。場合によっては、エンジンやトランスミッションに
潤滑油がなくなり、故障が起こる。
これらの問題を解決するために、過去において２つの
方法による解決が試みられた。一つの方法では、能動的
バイパス（active bypass）と呼ばれることのあるもの
が用いられた。これは熱交換器内に設けられたバイパス
弁であり、オイル等の流体が冷たく粘性が高いときに、
流体の流れを熱交換回路からバイパス回路に切換え、流
体が暖かくなり粘性が低くなったら流体を熱交換回路に
戻す。バイパス弁は典型的には圧力または温度によって
作動する。圧力型のパイパス弁の一例はドナルト・ジェ
イ・フロストの米国特許第4,360,055号に示されてい
る。温度型のバイパス弁の一例はマサヒロ・デジマ他の
米国特許第4,669,532号に示されている。この特許はバ
イメタル細片型の弁を示している。他の圧力型の弁、例
えばスプリング・ローディッド・ポペット型の弁も用い
られた。熱膨張プラグのごとき熱膨張技術を利用した他
の温度型の弁も用いられた。しかし、これらの能動的バ
イパスは製造が困難であり、コストが高くなり、さらに
可動部分を持つため故障が起こり易いと言う問題があっ
た。
従来の第２の方法では、受動的バイパス（passive by
pass）と呼ばれることのあるものが用いられた。これ
は、熱交換器への供給ライン及び熱交換器からの戻りラ
イン間の別個の管やチャネル等の外部バイパス回路であ
る。これに伴う問題は、付加的な管が必要なので、コス
トが高くなり、また漏れや損傷が生じ得る点である。ま
た、最近の自動車のエンジン室には余分なスペースがほ
とんどなく、従ってこれらの外部バイパス回路のための
スペースが確保できない場合がある。後者の問題は、バ
イパス管を熱交換器構造本体に組込むことにより幾分軽
減される。しかし、そうすると、熱交換流路を通る流れ
の分布に影響を与え、熱交換効率が下がる。この熱交換
効率の低下は、通常、熱交換器の熱交換性能を維持する
ためには熱交換器のサイズを、許容範囲内で大きくしな
ければならない程である。しかし、エンジン室のスペー
ス上の制約のため、熱交換器のサイズを大きくすること
は不可能であることが多い。
本発明では、熱交換器の内壁内に簡単なオリフィスを
設けることにより、受動的バイパスが形成され、作動流
体（working fluid）の一部が既存の熱交換流路をバイ
パスする。
本発明の一つの態様によれば、熱交換器が流体入口室
及び流体出口室を形成するハウジングを有する。分離部
材が流体入口及び出口室の間に配置されている。入口及
び出口室の間に配置され、これらと連通した（繋がっ
た）複数の熱交換流路を形成する手段が設けられてい
る。また、分離部材はそれを貫通する調整された（cali
brated:即ち、寸法、形状が定められた）バイパス・オ
リフィスを形成して、熱交換流路をバイパスする、入口
及び出口室の間の連続的な流れを可能にする。
以下添付の図面を参照して本発明の好ましい実施の形
態を説明する。
図１は、本発明の一つの実施の形態を用いた典型的な
自動車用の熱交換器とオイル・フィルタの組合せの概念
的な垂直断面図である。
図２は、図１の２−２線に沿って見た底面図である。
図３は、図２に類似の図で、但し図１の熱交換器にお
ける流体流れパターンの他の例を示す図である。
図４は、図１に類似の図で、但し２つのオリフィスを
有する他の実施の形態を示す図である。
図５は、図１に類似の図で、但しオリフィスのさらに
他の実施の形態を示す図である。
図６は、他の型の自動車用熱交換器を一部破断して示
す概念的斜視図である。
図７は、さらに他の型の自動車用熱交換器を示す概念
的垂直断面図である。
図８は、図７の実施の形態で用いられる流れ転換部材
（diverter）ないしバッフルの斜視図である。
図９は、図８に類似の図で、但し流れ転換部材の他の
実施の形態を示す図である。
図10は、図７に類似の概念的垂直断面図で、但しバッ
フルのさらに他の実施の形態を示す図である。
図11は、本発明に係るバイパス・オリフィスを用いた
自動車用熱交換器のさらに他の実施の形態を示す概念的
垂直断面図である。
最初に図１〜３を参照し、熱交換器とオイル・フィル
タの組合せが符号10で示されている。これは本発明の好
ましい実施の形態の熱交換器12及び従来のオイル・フィ
ルタ14を含む。熱交換器12はハウジング16を含む。この
ハウジング16は流体入口室18及び流体出口室20を形成し
ている。複数の、積層されたないし積み重ねられた、円
形の板ないしプレートの対22がハウジング16内に配置さ
れている。板の対22は、エンジン・オイルを流すための
内部の円形ないし環状の流路24を形成する。各板対22
は、入口流路26及び出口流路28を有する。全ての入口流
路は整列しており、入口室18に連通した入口流れマニフ
ォールド29を形成する。また、全ての出口流路28は整列
しており、出口室20に連通した流れ出口マニフォールド
30を形成する。特に図２を参照し、入口室18に入ったオ
イルは、分離した流れパターンで板の対22を流れ（半分
は時計回りに、半分は半時計回りに）、出口室20に至
る。図３は周方向の流れパターンの他の例を示す。この
例では、出口室20が入口室18に隣接している。
再び図１を参照し、熱交換器のハウジング16は冷却媒
体入口31及び冷却媒体出口32を有する。これらはエンジ
ン冷却媒体の流入及び流出のためのものであり、流入し
た冷却媒体は板の対22と熱交換関係を持つように流れ
る。
熱交換器12はまた入口室18と出口室20の間に配置され
た上部壁ないし分離部材34を有する。実際には、分離部
材34は入口マニフォールド29と出口室20の間に配置され
ている。しかし、この開示の目的からは、入口マニフォ
ールド29は入口室18の一部と見ることができる。分離部
材34は、それを貫通する、調整されたバイパス・オリフ
ィス36を有する。このオリフィス36は、入口室18と出口
室20の間で、オイル等の作動流体を連続的に流し、板の
対22内の熱交換流路をバイパスさせるためのものであ
る。
オイルフィルタ14は、出口室20からのオイルの流入を
許容するための、入口開口38を有する。従来のフィルタ
部材40は、上部閉塞部材42を有し、従って入口開口38に
入ったオイルはフィルタ部材40を通り、中央の管44を介
して外に出る。
動作において、オイルが入口室18から入口流れマニフ
ォールド29に入る。オイルの流れの大部分は、板の対22
を通り、出口マニフォールド30を介し、出口室20に至
る。しかし、バイパス流れはオリフィス36を通過して出
口室20に至る。全オイル流れは、次にオイルフィルタの
入口開口38を通り、オイルフィルタを通り、中央の管44
を介して外に出る。出口室20は環状の室であり、従っ
て、オリフィス36を通ったバイパス流れは、管44のまわ
りを回って、入口開口38に入る主たるオイル出力流れと
一緒になる。
図４には、他の実施の形態の熱交換器及びオイル・フ
ィルタの組合せ50が示されている。この実施の形態の熱
交換器52は概して図１の熱交換器12と同じである。従っ
て、同様の部材は同じ符号で示されている。しかし、熱
交換器52においては、出口室20は、流体出口マニフォー
ルド30の上部の一部であり、オリフィス36は図１の実施
の形態よりも少し大きい。この実施の形態では、中央の
管44は環状のフランジ43を有する。フランジ54内の貫通
流路56は出口室20と連通し、その一部を構成する。フィ
ルタ入口開口38は、流路56をフィルタ室57と結合し、該
フィルタ室57は管44と連通している。この開示の目的に
おいては、流路56を介し、フィルタ室57及び管44はすべ
て出口室20の一部をなす。フィルタ14もまた、オリフィ
ス36と連通したバイパス入口58を有し、フランジ54は、
やはりオリフィス56と連通した、さらなる径方向バイパ
ス60を有する。この実施の形態において、オリフィス36
を通ったバイパス流れの一部はフィルタ室57を通って出
口室20に至り、このバイパス流れの一部は径方向バイパ
ス60を通って直接管44に至る。このようにして、もしフ
ィルタが塞がれまたは詰まったときにも、尚も径方向バ
イパス・チャネル60を通してのバイパス流れが存在す
る。
図５の実施の形態は図４に示されるものと類似であ
る。しかし、フィルタ14を通してのバイパスがなく、径
方向のバイパス・チャネル60があるのみである。
図４及び図５の実施の形態では、フランジ54が、オリ
フィス36と流れ出口室20（貫通流路56及びフィルタ室57
を含む）の間に配置された流れ転換部材を構成する。こ
の流れ転換部材内に形成されたバイパス・チャネル60は
オリフィス36と出口室20（管44）とを連通させる。
次に図６に示された熱交換器70は、鎖線74で示すよう
にＵ字パターンにオイルを流す長手方向の流路72を形成
する複数の細長い管又は板の対を含む。流路72を形成す
る板又は管の間にくぼみ又はフィン76が配置され、冷却
媒体は、流路72を横切る方向に、かつ流路72を流れるオ
イル等の作動流体と熱交換関係を持って、流体フィン76
を通る。ハウジング78が、熱交換流路72と連通した流れ
入口室80及び流れ出口室82を形成する。入口開口84は入
口室80と連通し、出口開口86は出口室82と連通してい
る。分離部材88が入口室80と出口82の間に設けられてい
る。分離部材88は板ないしバッフル（baffle）の形態の
もので、板内の穴の形態のオリフィス90を有する。オリ
フィス90は丸い穴であっても、矩形の穴であっても、他
の形状の穴であっても良く、当業者には理解されるよう
に、流体入口室80内の流体静圧が最も高いときに圧力損
失が最小となるようなものであればよい。
図６の実施の形態において、入口開口84及び出口開口
86は、入口室80及び出口室82を形成するハウジング78の
壁の他の領域に設けても良い。また、図６に示すよう
に、Ｕ字形の管又は板による流路の代りに、熱交換器70
の背後ないし裏側に背後の渡し部ないしクロスオーバ
（cross−over）・マニフォールドを設けても良い。
図７に示されたイン・ライン熱交換器94は、入口室98
及び出口室100を形成するハウジング96を有する。複数
の流体熱交換流路102が入口室98及び出口室100を連通す
るように形成されている。流路102間のスペースをくぼ
み又はフィン104が満たし、流路102を通る作動流体の流
れを横切る方向に、冷却媒体を通す。流体入口106は作
動流体を入口室98に供給し、流体出口108は、流体出口
室100から作動流体を流出させる。流れ転換部材110（図
８を参照）がハウジング96内に、流体流路102及びフィ
ン104の下に設けられている。流れ転換部材110は下部板
112を含む。この下部板112は、ノッチ114から先細に形
成され、流路ないしはバイパス・チャネル115を形成
し、冷却媒体が長手方向に、下部板112の脇を、入口室9
8から出口室100に流れるのを可能にする。分離部材ない
しバッフル116が下部板112と一体に形成されている。分
離部材116は、入口室98内にある角をなし、先細の流れ
のマニフォールド117を形成するとともに、入口室98に
入った作動流体のためのバイパス室119を形成するよう
に配置されている。バイパス・オリフィス118がバッフ
ルないし分離部材116に形成され、これにより、作動流
体が入口室98からバイパス室119を通り、さらに転換部
材の下部板112の脇のバイパス・チャネル115を通って、
出口室100に至る。
図９に示す他の例の流れ転換部材120においては、オ
リフィスがノッチまたはスロット122の形態である。入
口室98が作動流体で完全に満たされていないときには、
ノッチ122の先端においてのみ小さなバイパス流れが生
ずる。入口室が満たされ、圧力が上がるに伴い、ノッチ
122が広くなり、バイパス流れが増える。
次に図10のイン・ライン熱交換器126は、図７の実施
の形態と類似である。しかし、この実施の形態では、流
れ転換部材128は、分離部材としても作用する水平板130
と、直立バッフル132とを含む。バッフル132により、入
口室98が先細の流れのマニフォールド134を形成する。
バッフル132の上端がハウジング96から少し離れていて
ダム135を形成し、このダム135を作動流体が越えて流
れ、バイパス室137に入り、次にオリフィス136を通る。
部分的に転換部材130により形成されたバイパス・チャ
ネル138により、バイパス流体流れが流路102及びフィン
104の下を通って、出口室100に至る。
図11に示す熱交換器142は、ハウジング144、流体入口
146及び流体出口148を有する。部分的に転換部材ないし
分離部材152により形成された長手方向流路150により、
作動流体が入口146から入口室154に流れる。間にフィン
158を有する、積層された板の対または管156により、熱
交換器142内の長手方向流路160が形成され、作動流体が
入口室154から出口室162に流れるのを可能にする。分離
部材152内に形成されたオリフィス164によりバイパス流
れが形成される。この開示の目的からは、流路150は入
口室154の一部と考えられる。流体は、熱交換器142内に
おいて、図７及び10の実施の形態と同様に、フィン158
が設けられた、板ないし管156間のスペースを、横切っ
て流れる。
上記の実施の形態のいずれにおいても、バイパス・オ
リフィスは、熱交換流路を通る流れの分布に与える悪影
響が最小となるように配置されている。このことは通
常、オリフィスが熱交換流路から出来るだけ離れた位置
に設けられることを意味する。熱交換器内の、一般的に
流体静圧が最も高く、一般的に流体動圧が最も低い位置
に、オリフィスを配置するのが好ましい。但し、製造条
件、例えば、オリフィスは製造工程中、典型的にはろう
付け（brazing）または半だ付け（soldering）工程中に
詰まる可能性があることを考慮する必要がある。。
バイパス・オリフィスを通る流れのため、熱交換器を
通る流体が減少するので、熱交換器内における熱交換効
率が低下する。この低下が、通常の動作状態において、
所定の限界を超えないように、オリフィスの寸法が決め
られる。エンジン・オイル冷却器の場合、この所定の減
少はオリフィスを持たない熱交換器の熱伝達率の５％と
低い。トランスミッション・オイル冷却器の場合、所定
の限界はオリフィスを持たない熱交換器の熱伝達率の10
％と低い。しかし、所定の限界は、オリフィスを持たな
い熱交換器の熱伝達率の25％まで高くて良い場合もあ
る。また、熱交換器の効率を上げ、または熱交換器の板
または管、及び熱交換流路を形成するために用いられる
フィンのサイズを大きくし、或いは数を増やすことによ
り、バイパス流れによる熱交換の減少を補うことも可能
であるかも知れない。
バイパス・オリフィスはまた、オリフィスを持たない
点を除き同一の熱交換器と比較して、熱交換器内におけ
る流体圧力損失が所定の最少量だけ減少するように、寸
法が決められる。この所定の最少量は、通常の定常状態
の熱交換器の動作条件下において、通常10及び30％の間
である。エンジン・オイルの場合、この所定の最少量は
約10％であるのが望ましいが、オイルが熱い場合には20
％程度の高さでも良い。トランスミッション・オイルな
いし流体の場合、この所定の最少量は約15％であるのが
望ましいが、暑い動作温度条件下において、30％程度の
高さであっても良い。
さらに、エンジンまたはトランスミッション・オイル
が熱交換器を流れる流体である場合に、低温の始動条件
を含む、すべての動作温度において、熱交換器内におけ
るオイルの流量が所定の下限よりも上に保たれるよう
に、オリフィスの寸法が決められる。エンジン・オイル
の場合、この下限は、毎分約８リットル（２米国ガロ
ン）である。トランスミッション流体の場合、この下限
は毎分約２リットル（0.5米国ガロン）である。
エンジン・オイルの場合、エンジンが始動してから約
30秒後に、熱交換器出口における圧力が少なくとも20ps
i（3kPa）となるように、オリフィスの寸法を決めるべ
きである。トランスミッション・オイルまたは流体の場
合には、低温でエンジンを始動してから約10分後に、熱
交換器を通る流量が少なくとも毎分約２リットル（0.5
米国ガロン）となるべきである。
典型的な自動車のオイル冷却器において、エンジン・
オイルが熱交換器を流れる流体である場合に、上記の熱
交換基準を満たすには、オリフィスの最大の径は1.5及
び3.6mmの間であるべきことが分った。上記のオイル圧
力損失基準を満たすには、最小のオリフィスは0.2及び
1.5mmの間であるべきである。いずれにせよ、オリフィ
スの直径は6.4mmを超えるべきではない。もちろん、オ
リフィスの形状が単純な円形とは異なる場合には、等価
な流体学的直径が上記の限界内となるべきである。
種々の部材のためのクラッド・アルミニウムをろう付
け（brazing）し、部材を所望の形状に組み立て、組み
立て体を炉ろう付け（furnace brazing）して、熱交換
器を完成させることにより、上記の熱交換器を製造する
のが望ましい。しかし、当業者には了解されるように、
他の方法及び材料を用いることも可能である。
本発明の好ましい実施の形態を説明したが、上記の構
造に種々の変形が可能である。例えば、図１ないし５の
実施の形態において、熱交換器のみが必要であるなら
ば、オイル・フィルタを省略することもできる。同様
に、オイル・フィルタ自体が、熱交換器の役割をも果た
すなら、板の対22を省略することができる。図６〜11に
示される実施の形態及びその種々の特徴は互いに置き換
えることができ、また併用し、合致させることができ
る。上記の実施の形態において、熱交換器のサイズ及び
全体の形状は、必要に応じて変えることができる。
上記の開示により、本発明の精神及び範囲を逸脱する
ことなく、本発明の実施において、多くの変更及び修正
が可能であることが当業者には理解されよう。従って、
本発明の範囲は、以下の請求の範囲に定められる実体に
照らして解釈されるべきである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−233310（ＪＰ，Ａ) 実開 昭59−110310（ＪＰ，Ｕ) 実開 平１−80612（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) F01M 5/00 F01M 11/03 F01P 3/18,3/20

Claims (20)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】流体入口室（18）及び流体出口室（20）を
    形成するハウジング（16）と、 上記流体入口及び出口室（18、20）間に配置されて、そ
    れらの間の流体の流れを妨げる分離部材（34）と、 上記入口及び出口室（18、20）間に配置されこれらに連
    通した複数の熱交換流路（24）を形成する手段とを有す
    る熱交換器において、 上記分離部材（34）が、それを貫通する、調整された、
    連続的に開いているバイパス・オリフィス（36）を形成
    して、上記熱交換流路（24）をバイパスする、上記入口
    及び出口室（18、20）間の流体の連続した流れを可能に
    する ことを特徴とする熱交換器。
  2. 【請求項２】上記分離部材が板であり、上記オリフィス
    が上記板内の穴であることを特徴とする請求項１に記載
    の熱交換器。
  3. 【請求項３】上記オリフィスと上記流体出口室の間に配
    置された流れ転換部材をさらに備え、上記転換部材は、
    そこに形成され、上記オリフィスと上記流体出口室間に
    連通したバイパス・チャネルを有することを特徴とする
    請求項１に記載の熱交換器。
  4. 【請求項４】上記分離部材は上記入口室内に配置されて
    パイバス室を形成するバッフルであり、上記バッフルは
    それを貫通して上記オリフィスを形成する穴を有し、 上記バイパス室と上記流体出口室の間に連通したバイパ
    ス・チャネルを形成する手段をさらに有することを特徴
    とする請求項１に記載の熱交換器。
  5. 【請求項５】上記オリフィスに隣接する上記流体入口室
    内の流体静圧が最も高いときに、該オリフィスを通して
    の圧力損失が最小となるように上記のオリフィスの形が
    定められていることを特徴とする請求項２、３または４
    に記載の熱交換器。
  6. 【請求項６】上記バイパス・オリフィスは、それによ
    る、熱交換器内の流れ分布への悪影響が最小になるよう
    に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の熱
    交換器。
  7. 【請求項７】上記オリフィスは、上記熱交換流路から離
    隔して配置されていることを特徴とする請求項６に記載
    の熱交換器。
  8. 【請求項８】上記バイパス・オリフィスを通しての流れ
    による熱交換器内の熱伝達の減少が最小の所定の限界を
    超えないように上記バイパス・オリフィスの寸法が決め
    られていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換
    器。
  9. 【請求項９】上記所定の限界が、オリフィスを持たない
    熱交換器の熱伝達率の５及び10％の間であることを特徴
    とする請求項８に記載の熱交換器。
  10. 【請求項１０】上記所定の限界が、オリフィスを持たな
    い熱交換器の熱伝達率の５及び25％の間であることを特
    徴とする請求項８に記載の熱交換器。
  11. 【請求項１１】バイパス・オリフィスが、熱交換器内の
    流体圧力損失を、オリフィスを持たない同じ熱交換器と
    比較して、所定の最少量だけ減少させるように上記パイ
    バス・オリフィスの寸法が決められていることを特徴と
    する請求項１に記載の熱交換器。
  12. 【請求項１２】上記所定の最少量が10及び15％の間であ
    ることを特徴とする請求項11に記載の熱交換器。
  13. 【請求項１３】バイパス・オリフィスが、熱交換器内の
    流体圧力損失を減少させて、熱交換器を流れる流体の流
    れを所定の量だけ増加させるように上記バイパス・オリ
    フィスの寸法が決められていることを特徴とする請求項
    １に記載の熱交換器。
  14. 【請求項１４】上記所定の量が、通常の定常状態の熱交
    換器の動作条件下において10及び30％の間であることを
    特徴とする請求項13に記載の熱交換器。
  15. 【請求項１５】熱いエンジン・オイルが上記流体である
    場合に、上記所定の量が20％以下であることを特徴とす
    る請求項13に記載の熱交換器。
  16. 【請求項１６】オイルが上記熱交換器を通る上記流体で
    あり、すべての通常の動作温度において、熱交換器を通
    るオイルの流量が所定の下限よりも上に保たれるよう
    に、上記バイパス・オリフィスの寸法が決められている
    ことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
  17. 【請求項１７】上記所定の下限が毎分２リットルである
    ことを特徴とする請求項16に記載の熱交換器。
  18. 【請求項１８】上記のパイパス・オリフィスの最大の直
    径が1.5及び3.6mmの間であることを特徴とする請求項
    ８、11、13または16に記載の熱交換器。
  19. 【請求項１９】上記のバイパス・オリフィスの最小の直
    径が0.2及び1.5mmの間であることを特徴とする請求項
    ８、11、13または16に記載の熱交換器。
  20. 【請求項２０】上記のバイパス・オリフィスの直径が6.
    4mmよりも小さいことを特徴とする請求項８、11、13ま
    たは16に記載の熱交換器。
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