JP3988889B2 - 自動車用熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、オイルクーラ区画を含む熱交換器に関し、より具体的には、性能比が向上した管体を含むオイルクーラ区画に関する。

自動車は、空調システム用の冷媒又はトランスミッション装置用のトランスミッションオイルなどの、自動車システムにおいて使用される流体を冷却する１つ又はそれ以上の熱交換器を含む。一般的な熱交換器は、各端部においてマニホールドに接続され、波形フィンにより互いに離間して配置された複数の平行管体を含む。これらの管体は、典型的には押出しアルミニウムで形成される。マニホールドは、冷却しようとする流体を受けるための入口と、冷却された流体をシステム内の他の構成要素に供給するための出口とを含む。流体は、入口を介してマニホールドに入り、管体内の流路を通って流れるように分配される。熱は、管体間の波形フィンの間の空間を流れる空気によって除去される。マニホールドは、該マニホールドを複数の区画に分割して、多数の流路内で流体を順逆方向へ流すバッフルを含むことができる。

様々な流体を冷却するために別個の区画に分割された熱交換器を製造することは公知である。例えば、冷媒を冷却するための凝縮器区画と、トランスミッションオイルを冷却するためのオイルクーラ区画とを含む熱交換器が利用可能である。マニホールドはバッフルにより分割されて流体を分離する。製造を容易にするために、両方の区画の管体は同じ外形寸法を有する。凝縮器区画内の冷媒圧力が比較的高圧であることから、管体は、外壁を強化して変形を防止するための多数の内部ウエブを含む。これらのウエブは、管体の断面を比較的小さな面積の個別領域に分割する。冷媒は気体として熱交換器に入ることから、このような小領域は、冷媒の冷却及び凝縮に効果的である。他方、オイルクーラ区画を通って流れるトランスミッションオイルは、比較的低圧で比較的高粘性の流体である。凝縮器の管体内で見られるような小断面経路は、比較的大きなオイル圧力低下をもたらす。しかしながら、流路のサイズを大きくするためにウエブを省くと、オイルと管体との接触が小さくなる。これは冷却効率を低下させ、所望の温度降下を達成するために管体の長さ又は数を増やすことが必要になる。

従って、マニホールド間で延びる管体であって、該管体を通って流れるオイルの冷却効率を高めるようなサイズ及び形状にされ、これにより管体の長さ又は数、すなわち熱交換器のサイズを小さくするような管体を含むオイルクーラ区画を有する熱交換器に対する要求が存在する。

本発明は、空調システム用の凝縮器区画などの、異なる流体を冷却する別個の区画と好ましくは組み合せられたオイルクーラ区画を含む自動車用熱交換器を提供する。この熱交換器は、離間して配置された第１のマニホールド及び第２のマニホールドと、これらのマニホールド間に延び、且つマニホールド内のチャンバと流体連通した流体流路を形成する複数の管体とを含む。管体の少なくとも一部分は、オイルクーラ区画のためのオイル流路を形成し、オイルを搬送するように適合されている。本発明によれば、オイルクーラ管体は、約３．９と８．５の間の性能比によって特徴付けられる断面を有する。本明細書で使用される性能比とは、管体の断面積に基づく値であって、ミリメートルで表したオイル流路の濡れ周辺長を管体の金属の断面積、すなわちオイル流路の面積を除いた管体断面積で除算した比をいう。上記範囲内の性能比を有する管体を利用することにより、熱交換器は、オイルに対する冷却効率を改善し、これによって所望の冷却効果を達成するために必要とする管体の長さ又は数が低減される。

添付図面を参照しながら本発明を更に説明する。
図１及び図２に示す本発明の第１の好ましい実施形態によれば、組合せ熱交換器１０は、自動車で使用するように適合されており、様々な流体を冷却するための第１の区画１２と第２の区画１４とを含む。好ましい実施形態においては、区画１２は、空調システム用の冷媒を冷却する凝縮器である。同様に、好ましい実施形態においては、区画１４は、トランスミッションオイルを冷却するように適合されており、本明細書においてはトランスミッションオイルクーラ区画と呼ばれる。若しくは、熱交換器１０は、他の流体を冷却するように適合されても良い。

熱交換器１０は、平行に離間した関係にある第１のマニホールド１６と第２のマニホールド１８とを含む。バッフル１９及び２０が、各マニホールド１６及び１８を凝縮器区画１２の第１のチャンバ２２及び２４と、オイルクーラ区画１４の第２のチャンバ２６及び２８とに分割する。更に、マニホールドは、例えば、流体を特定の流路に沿った区画に流すためにチャンバを幾つかの部分へ更に分割するバッフル２１のようなバッフルを含むことができる。凝縮器区画１２に関しては、この区画は更に、マニホールド１６及び１８間に延び、チャンバ２２及び２４と流体連通した流路を形成する複数の管３０を含む。凝縮器区画１２は更に、入口３２と出口３４とを含む。自動車用空調システムで作動中に、入口３２は圧縮機からの暖かい冷媒を受けるために該圧縮機に結合され、出口３４は、冷却された冷媒を蒸発器に放出するために該蒸発器に結合される。凝縮器区画１２内において、冷媒は、管体３０内の流路を通って流れるようにチャンバ２６及び２８を介して分配され、この時に管体間の空間内を空気が流れることによって熱が除去される結果、冷媒が冷却される。管体間の空間内に配置されたフィン３６が、流体から空気への熱伝達を更に向上させる。

次に、オイルクーラ区画１４に関して、この区画は、マニホールド１６及び１８間で延び、チャンバ２６及び２８と流体連通した流路を含む複数の管体４０を含んでいる。これらの管体は、平行に離間して構成される。管体間の空間を通って流される冷却空気との熱伝達を向上させるよう、管体間にフィン３６が配置される。接続ブロック４２は、入口４４と出口４６とを含む。作動中、入口４４は、トランスミッションケースに結合され、そこから暖かいトランスミッションオイルを受けて、オイルをチャンバ２６内へ配向する。オイルは、チャンバ２６から管体４０内のオイル通路を通って流れ、この時に管体間の空間を通って流れる空気により冷却される。オイルは、管体からチャンバ２８内に流入し、オイル戻し管体４８を介して接続ブロック４２に戻り、出口４６を介して放出され、該出口は冷却されたオイルを戻すようトランスミッションケースに結合されている。オイル戻し管体４８は、管体４０内のオイル流路よりもかなり大きなサイズにされ、これにより熱交換器１０に追加的な強度を与える。

次に図２を参照すると、本発明の第１の実施形態によるオイルクーラ管体４０の断面図が示されている。管体４０は、金属（好ましくはアルミニウム）で形成された押出し管体である。管体４０は、ウエブ５４により個別の流路に分割されたオイル流路５２を取り巻く外壁５０を含む。本明細書で使用されるオイル流路とは、流体を運搬するための管体内の容積を意味し、この実施例においては、ウエブ５４により分離された幾つかの流路全体のことである。ウエブ５４により外壁５０が強化され、取扱い中における管体への損傷又は使用中の流体圧による変形を防止する点に留意されたい。管体４０は更に、外壁５０からオイル流路５２へ延びるフィン５６を含む。強化要素とも呼ばれるフィン５６は、オイル流路５２を通って流れる流体と接する管体４０の表面積を増大させる。ウエブ５４及びフィン５６は、流路５２を通る流体流の方向に垂直な軸線６０に沿って延びる。通路５２を個別の流路に分割するウエブ５４とは違って、フィン５６は、流路の隣り合う部分間の流体連通を可能にする間隙により間隔を置いて配置されている。フィンは、管体と流体との間の表面接触を増大させ、これにより両者の間の熱伝達を向上させる。更にこの間隙は、フィンの周りにおける流体の流れを促進すると共に、流れ抵抗を小さくし、これによりオイル流路を通る流体流に起因する圧力降下を低減する。図２において、間隙は、各々が隣接する間隙とずれるように断面全体にわたって交互配置にされる。或いは、間隙を整列させてもよい。

本発明によれば、約３．９と８．５の間の性能比の管体を有するオイルクーラ区画を含む熱交換器において冷却効率が改善される。性能比を決定する目的で、管体４０の断面は、オイル流路を通って流れる流体と接触する管体の内表面を表す濡れ周辺長によって特徴付けられ、ミリメートルで測定される。濡れ周辺長は、好ましくは約１００ｍｍより大きい。また、管体の断面も、流路を除く管体金属の断面積（平方ミリメートル）によって特徴付けられる。性能比は、濡れ周辺長を断面積で除算した比として計算される。表１を参照すると、本発明によるオイルクーラ管体の実施例における性能比がまとめられている。実施例１から８は、様々の数のウエブ及びフィンを備えた図２と同様の押出しアルミニウム管体を含む。比較のために、比較例１は、通常凝縮器用に採用され、凝縮器区画１２内で好適に使用されるであろうほぼ矩形状の流体チャネルに内部を分割する多数のウエブを備える押出しアルミニウム管である。表１に報告されているように、例１から８は、３．９から８．５の範囲内の性能比を示している。これに対して、比較例の凝縮器管体は、３．０よりかなり低い性能比を示している。

特定の理論に限定されるわけではないが、本発明による性能比を有するオイルクーラ管体は、比較的低圧で比較的高粘性の特徴を有するトランスミッションオイル又は同様の流体を最適に冷却すると考えられる。管体とオイルとの大きな表面接触により、オイルから管体への熱伝達が増大することでオイルの冷却が促進される。管体の金属の比較的小さな質量は、管体の周りを流れる周囲空気への熱伝達を向上させ、従って、オイルの冷却が更に増進する。これにより、流路の比較的大きな断面積を維持しながら、通路を流れるオイルの圧力降下を最小限に抑えることが達成される。

図１の実施形態においては、通路５２を流れる流体流は、層状化する傾向がある。冷却効率は、流体の乱流によって更に向上する。次に図３を参照すると、乱流を増大させて流体の冷却を更に向上させるようにした、本発明の別の実施形態による熱交換器に使用するオイルクーラ管体が示されている。オイルクーラ管体９０は、押出し金属管体で形成され、図１のオイルクーラ管体４０と同様であり、同じ要素を表すために同じ参照符号が使用されている。更にオイルクーラ管体９０は、外壁５０内に形成されたくぼみ９２を含む。くぼみ９２は、オイル流路５２内のフィン５６の向きを変形する。これにより、結果としてオイル流路を流れるオイルの乱流が増大し、この乱流が流体の混合を促進して、オイルと外壁５０との間の熱伝達を改善するようになる。このくぼみは、くぼみ形成の前に管体に関して計算された性能比への影響が最小限になると思われる。

次に図４及び図５を参照すると、本発明の更に別の実施形態によるオイルクーラ管体１００が示されている。このオイルクーラ管体１００は、図１の熱交換器１０と同様の組合せ熱交換器において管体３０の代わりに使用するよう適合されている。管体１００は、好ましくはアルミニウム金属である押出し金属で形成され、そこを通ってオイルを運ぶためのオイル流路１０４を定める外壁１０２を含む。本発明によれば、管体１００内に乱流器１０６が挿入される。乱流器１０６は、スタンプ加工された金属で形成され、流路１０４を流れるオイルの乱流を促進する開口１０８を含む。乱流器についての詳細及びこれを製造するための方法は、２００１年４月１０日にＲｈｏｄｅｓ他に付与された米国特許第６，２１３，１５８号明細書で記載されている。当該発明のこの態様によれば、乱流器１０６は、符号１１０において折り曲げられた単一のスタンプ加工された金属板で形成された二層構造を特徴とする。表１を参照すると、実施例９は、この実施形態による二層式乱流器に対する性能比を報告している。比較のために、単層の乱流器を含む比較構造は、約３．２の性能比を示す。従って、二層式乱流器は、オイルとの表面接触を増大させ且つオイル流路を通って乱流を発生し、冷却効率を改善する。

幾つかの実施形態に関して本発明を開示してきたが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、添付の請求項に記載される範囲内のものである。

本発明の第１の好ましい実施形態による組合せ熱交換器を部分的に切り取った平面図である。 図１の線２−２に沿ったオイルクーラ管体の断面図である。 本発明の別の実施形態によるオイルクーラ管体の断面図である。 本発明の更に別の実施形態によるオイルクーラ管体を部分的に切り取った斜視図である。 図４の線５−５に沿ったオイルクーラ管体の断面図である。

符号の説明

１０ 組合せ熱交換器
１２ 第１の区画、凝縮器区画
１４ 第２の区画、トランスミッションオイルクーラ区画
１６ 第１のマニホールド
１８ 第２のマニホールド
１９ バッフル（第２のマニホールド１８内の）
２０ バッフル（第１のマニホールド１６内の）
２１ バッフル
２２ 第１のチャンバ（第１のマニホールド１６内の）
２４ 第１のチャンバ（第２のマニホールド１８内の）
２６ 第２のチャンバ（第１のマニホールド１６内の）
２８ 第２のチャンバ（第２のマニホールド１８内の）
３０ 管（凝縮器区画１２内の）
３２ 入口（凝縮器区画１２の）
３４ 出口（凝縮器区画１２の）
３６ フィン
４０ オイルクーラ管（オイルクーラ区画１４内の）
４２ 接続ブロック
４４ 入口（接続ブロック４２の）
４６ 出口（接続ブロック４２の）
４８ オイル戻し管
５０ 外壁
５２ オイル流路
５４ ウエブ
５６ フィン
６０ 流体の流動方向に垂直な軸線
９０ オイルクーラ管
９２ 凹部
１００ オイルクーラ管
１０２ 外壁
１０４ オイル流路
１０６ 乱流器
１０８ 開口
１１０ 折り曲げ部

Claims (3)

1. オイルクーラ区画を含む熱交換器であって、
   前記オイルクーラ区画は、離間した関係で配置された第１及び第２のマニホールド、及び、複数の管体を備え、
   前記管体の各々は、オイル流路を形成すると共に前記第１のマニホールドを流体連通で前記オイル流路に接続される第１の端部と前記第２のマニホールドを流体連通で前記オイル流路に接続される第２の端部とを有し、
   前記管体の各々は、押出し形成された金属管体から形成され、この金属管体が、外壁、内壁、及び、内壁からオイル流路へ向き合って延びる複数対のフィンを有し、これらのフィンは間隙を介して離間しており、これらの間隙は隣接する間隙とずれるように管体断面全体にわたって交互配置され、
   前記管体の各々は、ミリメートルで表した濡れ周辺長を平方ミリメートルで表した管体金属の断面積で除算した比である性能比が約３．９から８．５である断面を有することを特徴とする熱交換器。
2. 前記押出し金属管が、オイル流路を多数の別個の流路に分割するウエブを含む請求項１記載の熱交換器。
3. 前記濡れ周辺長が約１００ｍｍより大きい請求項１記載の熱交換器。

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