JP4106332B2 - 主ラジエータと副ラジエータとからなる自動車用熱交換モジュール、およびこのモジュールを含むシステム - Google Patents

主ラジエータと副ラジエータとからなる自動車用熱交換モジュール、およびこのモジュールを含むシステム Download PDF

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Description

本発明は、自動車用熱交換器に係り、特に単一のアセンブリを形成するように、集積された複数の熱交換器からなる熱交換モジュールに関する。
より正確にいうと、本発明は、主熱交換器と少なくとも１つの副熱交換器とからなる熱交換モジュールに関する。各熱交換器は、入口ヘッダボックス、出口ヘッダボックス、冷却材が循環するチューブ集積体、およびチューブ集積体との間で熱交換を行う熱交換面を有し、主熱交換器と副熱交換器は、それぞれのチューブの集積体が、同じ空気流に晒されるように配置されている。
自動車の熱交換器は、一般に、冷却材が循環するチューブが集積した形状をなし、フィンまたは波形インサートのような、周囲の環境との間で熱交換を行う面を有している。チューブ集積体は、冷却材を複数の循環チューブに分配する２つのヘッダボックスの間に配置されている。変形例として、熱交換器は、入口部と出口部とに分割された単一のヘッダボックスを備えるものとすることもある。
自動車に搭載しうるアセンブリ（「モジュール」とも呼ばれる）を形成するために、自動車エンジンのラジエータのような主熱交換器に、１つまたは複数の副熱交換器を組み合わせることは、すでに知られている。この場合、モジュールの熱交換面は、複数の熱交換器に共通のものとすることができる。副熱交換器としては、通常、エンジンに送られる空気のクーラ、空調用コンデンサ、またはオイルラジエータが用いられている。
このタイプの熱交換モジュールにおいては、各熱交換器は、各別の冷却材循環サイクルを有しているため、必要なダクトの数が多い。また、外気との間で効果的に熱交換を行うため、各熱交換器を循環する冷却材を、自動車の前面にも導くことが必要である。しかし、各熱交換器は、通常、これらの熱交換器により冷却される部品からは離れた位置にあるため、冷却材を流すためのダクトの長さが長くなり、かつボンネットの下の限られたスペースに、これらのダクトを通さなければならないという問題がある。
各熱交換器の熱交換面の大きさは、一定であり、これは、熱交換器集積体の表面積に相当する。そのため、熱交換器の冷却能力を調整するには、冷却材の循環ポンプを、稼動させるかまたは停止させるしかない。したがって、このような熱交換システムは、エンジンの負荷条件の変化に対する適合性を、ほとんど有していない。
本発明の目的は、上述の欠点を除去しうる、自動車エンジンから発生する熱エネルギーのための熱交換モジュールと、その作動システムを提供することである。
本発明によれば、上記の目的は、主熱交換器と副熱交換器に、同一の冷却材を循環させることによって達成される。
本発明の熱交換モジュールは、熱交換器の各集積体の間における共通のヘッダボックス、共通のインサート、共通のチーク、その他の結合手段によって一体となった機械的アセンブリを構成する２つの熱交換器を含む、「複熱交換器」とも呼ぶべき構成要素を備えている。しかし、本発明の熱交換モジュールは、２つの熱交換器を循環するのが同一の冷却材であり、この冷却材は、後述の２つの別個の冷却材循環ループから流入するため、２つの温度に設定されうるという特徴を有する。
したがって、各熱交換器は、冷却材が出入りする少なくとも１つの入口と、少なくとも１つの出口とを有する。さらに、熱交換器のチューブ集積体は、少なくとも同一の冷却材が循環するという点において、各熱交換器にわたって、同一の特性を有する。
本発明の一実施形態によれば、空気との間で熱交換が行われる。積み重ね部とも呼ばれる熱交換面は、少なくとも同一の冷却材が循環するという点において、各熱交換器にわたって、同一の特性を有する。
好ましい実施形態によれば、主熱交換器の出口ヘッダボックスは、貫通孔を介して、副熱交換器の入口ヘッダボックスと連通されている。
本発明に係る熱交換モジュールは、主熱交換器の出口ヘッダボックスを、主出口チャンバと副出口チャンバに分け隔てる隔壁を有し、主熱交換器のチューブ集積体は、前記主出口チャンバと接続され、主熱交換器の入口ヘッダボックスの一部は、前記チューブ集積体と接続されて主ラジエータを構成し、主熱交換器のチューブ集積体は、前記副出口チャンバと接続され、主熱交換器の入口ヘッダボックスの一部は、チューブ集積体および副熱交換器と接続されて、副ラジエータを構成しているのが好ましい。
本発明に係る熱交換モジュールは、上記の特徴を有するため、同一の冷却材が、熱交換器の全部または一部を循環することができる。チューブ集積体の一部を選択して、この中で冷却材を循環させることは可能である。本発明はまた、エンジンの種々の負荷条件に適合しうる熱エネルギーの管理システムを提供するものである。
副ラジエータの熱交換面は、副熱交換器と連通する主ラジエータのチューブ集積体の一部を用いて、拡張することができる。２つの熱交換器は、積み重ねられているため、副ラジエータは、熱交換モジュールの表面積を拡大することなく、大型にすることができる。
本発明に係る熱交換モジュールは、主熱交換器の出口ヘッダボックスと副熱交換の入口ヘッダボックスとを連通させる貫通孔を開閉するための開閉手段を備えるのが好ましい。
このような開閉手段を設けると、熱交換器のチューブ集積体における表面積、したがって冷却能力を変化させることができる。本発明の一実施形態によれば、この開閉手段は、ピストンと、このピストンおよびアクチュエータ手段を連結するロッドとを備えている。
前記アクチュエータ手段は、貫通孔を閉鎖するために、ピストンを引くか、または押し出すことができるようになっている。
本発明の一実施形態によれば、主熱交換器の入口ヘッダボックスと接続された単一の入口管ソケットを有し、この入口管ソケットは、主ラジエータおよび副ラジエータへの共通の入口として働く。
本発明の他の実施形態に係る熱交換モジュールは、主ラジエータの一部をなす入口ヘッダボックスの一部と、副ラジエータの一部をなす入口ヘッダボックスの他の一部との間に位置する隔壁を有し、この隔壁は、主熱交換器の入口ヘッダボックスを、主入口チャンバと副入口チャンバとに分け隔てるものであり、入口管ソケットは、冷却材を主ラジエータに導入するために、主入口チャンバと接続されており、もう一つの入口管ソケットは、冷却材を副ラジエータに導入するために、副入口チャンバと接続されている。
本発明に係る熱交換モジュールは、主熱交換器および副熱交換器を循環する冷却材とは異なる冷却材が循環する別個の冷却サイクルに属する第３の熱交換器を備えることができる。
上述の場合の熱交換モジュールは、「複熱交換器」の構成を有している。すなわち、熱交換モジュールが、熱交換器の各集積体の間における共通のヘッダボックス、共通のインサート、共通のチークその他の結合手段によって一体となった機械的アセンブリを構成している複数の熱交換器を備えている。
本発明の一実施形態に係る熱交換モジュールは、主熱交換器のヘッダボックスと、副熱交換器のヘッダボックスの少なくとも一方が、冷却材のための連続した通路を区画するよう、隔壁によって複数のチャンバに分け隔てられる。
熱交換面は、この熱交換モジュールにおける複数の熱交換器に共通のフィンによって構成するのが好ましい。この外、熱交換面を、モジュールにおける複数の熱交換器に共通の波形インサートによって構成することもできる。
上記のいずれの場合でも、熱交換面は、温度差のある２つの熱交換器の間で、冷却材が循環することから生ずる熱交換器間の熱伝導を遮断するための手段を備えているのが好ましい。
熱交換面は、熱交換器のチューブに、半田付けによって接合されるのが好ましい。また、熱交換面は、熱交換器のチューブに、機械的に接合されることもできる。
本発明の一実施形態によれば、熱交換器のヘッダボックスは、集合プレートと、この集合プレートに半田付けによって接合された蓋体とから構成されている。また、他の実施形態によれば、熱交換器のヘッダボックスは、集合プレートと、この集合プレートに機械的に固着されたプラスチック材料製の蓋体とから構成されている。
本発明はまた、自動車エンジンで発生する熱エネルギーの管理システムであって、外気との間で熱交換を行う主ラジエータとエンジンとの間で冷却材を循環させるための主ポンプと、近道用ダクトと、ユニットヒータを含む加熱用ダクトを備える主サイクル、ならびに副ラジエータおよび副ポンプを含む副サイクルを有する熱エネルギーの管理システムにおいて、前記主サイクルと副サイクルとは、冷却材の循環が、主サイクルと副サイクルとの間で制御されつつ行われるか、またはエンジンの負荷の関数として阻害されうるようになっている相互連絡手段によって接続されており、かつ主ラジエータおよび副ラジエータは、上記いずれかの熱交換モジュールの一部を構成するようになっている熱エネルギーの管理システムを提供するものである。
本発明に係る熱交換モジュールは、主熱交換器と、２つの副熱交換器とを備え、同一の冷却材が、これら主熱交換器および２つの副熱交換器を循環するようにすることもできる。
本発明は、さらに、自動車エンジンで発生する熱エネルギーの管理システムであって、外気との間で熱交換を行う高温用主熱交換器とエンジンとの間で、冷却材を循環させるための主ポンプと、ユニットヒータを含む加熱用ダクトを備える高温サイクル、ならびに副ラジエータおよび副ポンプを含む低温サイクルを有する熱エネルギーの管理システムにおいて、前記高温用主熱交換器および副ラジエータは、上記２つの副熱交換器とを備える熱交換モジュールの一部を構成している熱エネルギーの管理システムを提供する。
本発明の一実施形態に係る熱エネルギーの管理システムにおいては、副熱交換器の一方は、車室の空調システムの一部をなすコンデンサと直列に接続されている。
上記熱エネルギーの管理システムにおいては、副熱交換器の他の一方は、給気クーラと直列に接続されている。
本発明の他の実施形態に係る熱エネルギーの管理システムにおいては、一方の副熱交換器は、給気クーラと直列に接続されており、給気クーラは、高温サイクルの一部をなすようになっている。
本発明のさらに他の実施形態に係る熱エネルギーの管理システムにおいては、給気クーラと直列に接続されている副熱交換器と、給気クーラとは、低温サイクルの一部をなすようになっている。
本発明によれば、冷却材循環サイクルのダクトの数を減らすことによって、収容スペースの問題を解消し、かつ自動車エンジンの負荷条件の変化に対して適合しうる熱交換システムと、これに用いる熱交換モジュールが提供される。
本発明の他の特徴および効果は、添付図面を参照して行う以下の例示的な実施形態の説明から明らかになると思う。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る熱交換モジュール２を示す。熱交換モジュール２は、２つの熱交換器、すなわち主熱交換器４と副熱交換器６とから構成されている。主熱交換器４は、入口ヘッダボックス８、出口ヘッダボックス10、およびこれら両ボックスの間に配置された冷却材循環チューブの集積体12からなっている。
入口ヘッダボックス８は、主入口チャンバ16と副入口チャンバ18とを区画する隔壁14を有する。同様に、出口ヘッダボックス10は、主出口チャンバ22と副出口チャンバ24とを区画する隔壁20を有する。入口管ソケット26および28は、それぞれ主入口チャンバ16および副入口チャンバ18と接続している。
入口管ソケット26は、主入口チャンバ16と連通しているチューブ集積体12に冷却材を送り込み、入口管ソケット28は、副入口チャンバ18と連通しているチューブ集積体12に、冷却材を送り込む。主出口チャンバ22は、入口管ソケット26を介して流入した冷却材が、主出口チャンバ22から流出するときに通過する出口管ソケット30を備えている。
副出口チャンバ24には、出口管ソケットはない。しかし、副熱交換器６の入口ヘッダボックス34と連通させる貫通孔32が設けられている。副熱交換器６は、出口ヘッダボックス36と、入口ヘッダボックス34および出口ヘッダボックス36の間に設置されたチューブ集積体38とを備えている。出口管ソケット40は、出口ヘッダボックス36と接続されている。貫通孔32は、後述の開閉手段によって開閉することができる。
主熱交換器４のチューブ集積体12と副熱交換器６のチューブ集積体38には、矢印42で示す同じ空気流が通り抜ける。２つの熱交換器４と６は、副熱交換器６が空気流42によって最初に冷却されるように配置されている。したがって、空気流は、副熱交換器６のチューブ集積体38と接触することによって一旦暖められるが、チューブ集積体12は、この空気流によって冷却される。
主熱交換器４のチューブ集積体12において、主入口チャンバ16および主出口チャンバ22と接続している部分は、主ラジエータ196（図１５〜図１８参照）を構成している。他方、主熱交換器４のチューブ集積体12において、副熱交換器６のチューブ集積体38と直列に接続しつつ、副入口チャンバ18および副出口チャンバ24と接続している部分は、副ラジエータ200（図１５〜図１８参照）を構成している。
副ラジエータ200を通過したときの冷却材の温度が、この冷却材の主ラジエータ196の出口における温度よりも低いときは、副ラジエータを低温ラジエータB.T.と、また主ラジエータを高温ラジエータH.T.と呼ぶこともある。
したがって、本発明に係る熱交換器モジュール２は、例えば約１００℃の高温と、約６０℃の低温の２つの温度レベルをつくり出すことができる。高温ラジエータは、高温サイクルの一部を構成し、エンジン、および低温にまでする必要がない部品を冷却する。対照的に、低温ラジエータは、いわゆる低温サイクルと接続し、エンジン冷却サイクルが高温になりすぎた場合に、冷却材を冷却する。
図１の熱交換モジュール２における冷却材は、次のように循環する。主熱交換サイクルまたは高温サイクルにおいて熱せられた冷却材は、矢印44で示すように、主入口チャンバ16の入口管ソケット26を介して、主ラジエータ196に流入し、ついで入口チャンバ16と接続しているチューブ集積体12を経て、主出口チャンバ22に流入する。この間に冷却された冷却材は、矢印46で示すように、出口管ソケット30を経て、主出口チャンバ22を離れる。
副熱交換サイクルまたは低温サイクルにおいて熱せられた冷却材は、矢印48で示すように、入口管ソケット28を介して、副入口チャンバ18に流入する。冷却材は、その後、チューブ集積体12のうち、副入口チャンバ18および副出口チャンバ24と接続している部分を通過する。冷却材は、副出口チャンバ24に流入し、さらに矢印50で示すように、貫通孔32を経て、入口ヘッダボックス34へ流入する。
ついで、冷却材は、図の右方から左方へチューブ集積体38を通過し、出口ヘッダボックス36に流入する。冷却された冷却材は、矢印52で示すように、出口管ソケット40を経て、この熱交換モジュールから再び流出する。主ラジエータと副ラジエータを循環するのは、同じ冷却材である。
図２は、本発明の第２の実施形態に係る熱交換モジュールを示す斜視図である。図２の熱交換モジュールは、主熱交換器４の入口ヘッダボックス８に、図１の実施形態における入口管ソケット26と28に代わって、単一の入口管ソケット26のみしか設けられていない点が、図１の熱交換モジュールとは異なる。さらに、入口ヘッダボックス８には、隔壁14がない。したがって、入口ヘッダボックス８は、主入口チャンバ16と副入口チャンバ18とには分けられていない。
矢印44で示すように、入口管ソケット26には、主熱交換サイクルまたは高温サイクルの冷却材と、副熱交換サイクルまたは低温サイクルの冷却材の両方が、流入することができる。入口ヘッダボックス８においては、冷却材の一部は、チューブ集積体12のうち主出口チャンバ22と接続している部分に流入し、残りの冷却材は、チューブ集積体12のうち副出口チャンバ24と接続している部分に流入する。
他方、出口ヘッダボックス10は、図１の実施形態と同様に、隔壁20によって、主出口チャンバ22と副出口チャンバ24に分割されている。
図３は、本発明の第３の実施形態に係る熱交換モジュールを示す斜視図である。図３の熱交換モジュールは、主熱交換器４の入口ヘッダボックス８に接続された単一の入口管ソケット26を備えている。図２に示す実施形態との違いは、副熱交換器６の入口ヘッダボックス34が、下方チャンバ60と上方チャンバ62とを区画する隔壁58を有する点にある。同様に、副熱交換器６の出口ヘッダボックス36も、下方チャンバ66と上方チャンバ68とを区画する隔壁64を有する。
冷却材は、入口ヘッダボックス34と出口ヘッダボックス36の間を行き来しながら、副熱交換器６のチューブ集積体38内を循環する。この冷却材の行き来は、折返しとも呼ばれる。図３の実施形態においては、３つの折返しがある。
矢印70で示すように、貫通孔32を介して下方チャンバ60に流入した後、冷却材は、図の右方から左方へ循環し、出口ヘッダボックス36の下方チャンバ66に流入する。冷却材は、下方チャンバ66内で分流し、図の左方から右方へチューブ集積体38を循環し、入口ヘッダボックス34の上方チャンバ62に到達する。ついで、矢印74で示すように、図の右方から左方へ再循環し、出口ヘッダボックス36の上方チャンバ68に流入する。ついで、冷却材は、矢印52で示すように、出口管ソケット40を介して、上方チャンバ68から流出する。
図示の実施形態においては、主ラジエータまたは高温ラジエータにおける冷却材の循環は、単一の流路を通って行われる。しかし、主ラジエータは、冷却材が複数の流路を進むことができるように、すでに説明した隔壁58,64と同様の隔壁を備えていてもよい。同様に、副ラジエータも、流路の数を増やすために、複数の隔壁を備えていてもよい。
図４は、本発明の第４の実施形態に係る熱交換モジュールを示す斜視図である。この熱交換モジュールは、これまでに説明した図１〜図３に示す熱交換モジュールとは、主熱交換器４の出口ヘッダボックス10が、内部を２つのチャンバに区画する隔壁を有しないという点で異なっている。そのため、主ラジエータまたは高温ラジエータ196は、主熱交換機または高温熱交換器４と合体されている。同様に、副ラジエータ200も、副熱交換器６と合体されている。
この熱交換モジュールにおける冷却材の循環は、次のようにして行われる。主熱交換サイクルにおける冷却材は、矢印82で示すように、入口管ソケット80を介して、主熱交換器４の入口ヘッダボックス８に流入する。冷却材は、チューブ集積体12を通って、図の左方から右方へ進み、出口ヘッダボックス10に到達する。冷却材は、この間に冷却され、矢印86で示すように、出口管ソケット84を介して、熱交換モジュールから流出する。
副熱交換サイクルまたは低温サイクルの冷却材は、矢印90で示すように、入口管ソケット88を介して、副ラジエータのヘッダボックス36に流入する。冷却材は、チューブ集積体38を通って、図の左方から右方へ進み、出口ヘッダボックス34に到達する。ついで、冷却材は、矢印94で示すように、出口管ソケット92を介して、この熱交換モジュールから再び流出する。
この実施形態においては、主ラジエータと副ラジエータとの間に、貫通孔を設けないこともある。この場合、主熱交換サイクルと副熱交換サイクル間における冷却材の循環は、バルブのような外部型連通手段を、熱交換モジュールに取り付けることによって行われる。図４の熱交換モジュール２には、破線で示すように、主熱交換器の出口ヘッダボックス10と、副熱交換器の入口ヘッダボックス34とを連通させる貫通孔32を設けることもできる。貫通孔32は、後述の開閉手段によって開閉することができる。このように、貫通孔と開閉手段を設けると、冷却材を熱交換器の全体、または一部だけに循環させることによって、熱交換器の熱容量を変化させることができる。
図５は、本発明の第５の実施形態に係る熱交換モジュール２を示す斜視図である。この熱交換モジュールは、図４の熱交換モジュールと比較すると、主熱交換器４の出口ヘッダボックスに、主出口チャンバと副出口チャンバとを区画する隔壁が存在しないという点において、類似している。したがって、この出口ヘッダボックスの内部は、単一の空間からなっている。主熱交換器４における冷却材の循環は、図４に示す実施形態と同様にして行われる。
副熱交換器６の出入口兼用ヘッダボックス36は、内部を、下方チャンバ98と上方チャンバ100とに区画する隔壁96を有する。低温サイクルの冷却材は、矢印104で示すように、入口管ソケット102を介して、上方チャンバ100に流入する。冷却材は、隔壁96の上方に位置するチューブ集積体38の上部を、図の左方から右方へ流れ、ヘッダボックス34に到達する。冷却材は、ヘッダボックス34において、矢印106で示すように、分流し、ついで、隔壁96の下方に位置するチューブ集積体38の下部を、図の右方から左方へ流れ、出入口兼用ヘッダボックス36に到達する。
副熱交換器６で冷却された冷却材は、矢印112で示すように、出口管ソケット110を介して、下方チャンバ98から流出する。この実施例においては、副熱交換器６は、２つの流路を有する。しかし、この数を超える流路、例えば３または４の流路を設けることもできる。
図５の熱交換モジュールは、さらに、主熱交換器４のチューブ集積体12および副熱交換器６のチューブ集積体38と熱交換を行う熱交換面114が、波形インサートである点においても、上述の実施形態とは異なっている。
すでに述べたように、主熱交換器４の出口ヘッダボックス10と副熱交換器６のヘッダボックス34とを連通させる貫通孔32は、開閉手段によって開閉することができる。図６と図７は、開閉手段の２つの態様を示す。副熱交換器６のヘッダボックス34の壁体に固着されたアクチュエータ部材120は、ピストン124に連結されたロッド122を駆動する。
アクチュエータ部材120がロッド122を引くと、シールガスケットを備えるピストン124は、例えばスリーブ126から構成されている貫通孔32の入口方向に向かって引かれ、この貫通孔32を密閉する。これと反対に、アクチュエータ部材120がロッド122を押し戻すと、ピストン124は、貫通孔32から離れ、矢印128で示すように、冷却材を循環させる。
図７においては、アクチュエータ部材は、図６のものと同一である。しかし、ピストン124は、主熱交換器４の出口ヘッダボックス10の内側ではなく、副熱交換器６のヘッダボックス34の内側に位置している。したがって、アクチュエータ部材が、ピストン124をスリーブ126へ向けて押し出すと、貫通孔32は密閉される。反対に、アクチュエータ部材がロッド122を引くと、ピストン124は、スリーブ126から離れ、貫通孔32は開放して、矢印128で示すように、冷却材が循環しうるようになる。
自動車用熱交換器を組み立てるには、種々の方法がある。例えば、熱交換器を、半田付けという単一の作業で接合させる方法がある。この外、一部を半田付けにより、残りを機械的手段によって接合させる方法もある。チューブの集積体と熱交換を行う熱交換面は、波形、平面、または微細なフィン形状とし、ついでチューブ集積体に、半田付けすることができる。一方、ヘッダボックスの蓋体は、熱交換器の集合プレートに機械的に接合される。このような異なる組立て手段を用いる例を、図８〜図１０に示す。
図８は、図１〜図５に示すような本発明に係る熱交換モジュールに用いられる微細なフィン130を示す。フィン130は、丸い先端を有する長い切込み134によって互いに区画される２つの長辺132を含む非常に細長い矩形をしている。切込み134は、主熱交換器４のチューブ集積体12と副熱交換器６のチューブ集積体38を収容する。フィン130は、２つのチューブ列の間に位置し、チューブ集積体12とチューブ集積体38の間の熱の伝導を制限するための矩形の穿孔136を有する。
図９は、図８のＩＸ線に沿う断面図である。ヘッダボックス８と36（図１〜図５参照）は、隔壁142を含む単一の部品140によって形成されている。チューブ集積体12とチューブ集積体38は、半田付けという単一の作業によって、集合プレート144に接合されている。
シーリングガスケット146は、集合プレート144と部品140との間に設けられている。集合プレート144は、シーリングガスケット146と単一の作業で係合しうるように、部品140の端部と対向する位置において、折返しによって形成された嵌合用の縁部148を有する。したがって、ヘッダボックス８と36は、集合プレート144に対して機械的に組み合わされる。
この図から、穿孔136の箇所において、フィン130の表面が途切れていることが分かる。なお、入口管ソケット26と出口管ソケット40も存在することに留意してほしい。
図１０は、図８のＸ線に沿う断面図である。図１０は、フィン130の表面が連続するように、穿孔136を通らない断面を示すという点を除いて、図９と同じである。この図は、集合プレート144における途切れることのない断面を示している。
また、他の組立て態様として、熱交換器を構成する部品を、捲縮のような機械的手段によって組立てることもできる。図１１と図１２は、このような態様を示す。図１１に示すフィン150は、主熱交換器４のチューブ集積体12および副熱交換器６のチューブ集積体38を嵌合しうるように、平坦化された楕円形の穿孔154を含む２つの長辺152を有する。これらの穿孔は、チューブ集積体12,38の外壁とフィン150との間で熱交換が行われるように、オリーブ油を潤滑油として用いつつ、チューブ集積体12,38の各チューブを嵌合することによって、完全に密閉される。フィン150は、２つの熱交換器の間の熱伝導を防止するため、チューブ集積体と対向する位置に、矩形の穿孔156をも有する。
図１２においては、集合プレート158は、ヘッダボックス８と36が形成されている部品140との接合部を密閉するためのシーリングガスケット160を備えている。チューブ集積体12と38は、集合プレート158と熱交換を行えるよう、穿孔154に嵌合される。
図１３は、本発明の第６の実施形態に係る熱交換モジュールを示す斜視図である。この熱交換モジュールは、第３の熱交換器164を備えている。この補助的な熱交換器164には、主熱交換器４および副熱交換器６を通過する空気流と同じ空気流42が通過する。第３の熱交換器164は、最初に冷却されるように、副熱交換器６の前方に配置される。
冷却系統にコンデンサが装備されていない場合に、主熱交換サイクルおよび副熱交換サイクルを流れる冷却材以外の冷却材（例えば空調システムにおいて蓄熱している冷却材）が、周囲の空気流によって冷却される必要があるときには、本発明に係る熱交換モジュールに、第３の熱交換器164のような補助的な熱交換器が一体化される。第３の熱交換器164は、トランスミッションやエンジンの潤滑油の冷却用ラジエータとすることもできる。
補助的な熱交換器164は、本発明に係る熱交換モジュールのどのような実施形態、特に図１〜図５に示すいずれの実施形態においても具現することができる。
図１４は、図８に示すフィン130と類似する微細なフィン166と、このフィンが半田付けされた平面部とを示す。フィン166は、２つの長辺168を有する非常に長い矩形であり、長辺168には、先端が丸められた長手の切込みが形成されている。これらの切込みには、２つのタイプがある。第１のタイプの切込み170は、単一のチューブ列、すなわち主熱交換器４のチューブ集積体12を収容することができる。
対照的に、第２のタイプの切込み172は、第１のタイプの切込み170よりも長い。第２のタイプの切込み172は、２つのチューブ列、すなわち副熱交換器６のチューブ集積体38と第３の補助的熱交換器164のチューブ集積体174とを収容することができる。したがって、フィン166は、３つの熱交換器に共通に用いることができる。さらに、図からは、溝170,172の反対側に、矩形の穿孔176が設けられていることが分かる。穿孔176は、すでに説明したように、チューブ列間の熱の伝導を抑制するために設けられたものである。
図１５は、本発明に係る熱交換モジュール２を含む、エンジンで発生する熱エネルギーを管理するためのシステムを示す。この熱管理システムは、一点鎖線180によって矩形に囲まれた主熱交換サイクルと、一点鎖線182によって矩形に囲まれた副熱交換サイクルとからなる。主熱交換サイクルは、エンジン186と、主熱交換サイクル、特にエンジン186を循環する冷却材を送り出す主ポンプ188とを有する。
主熱交換サイクル内においては、加熱ラジエータ（「ユニットヒータ」とも呼ばれる）190を含む分枝サイクルが分岐している。この外、主熱交換サイクルの冷却材との間で熱交換を行う熱交換器や、排ガスクーラ192またはエンジン潤滑油クーラ194のような自動車の装備品を冷却する熱交換器を含む分枝サイクルを分岐させることもできる。主熱交換サイクルは、主ラジエータ196を含む分枝サイクルと、主ラジエータ196を経由しない分枝ダクト198とを有している。
副熱交換サイクル182は、副ラジエータまたは低温ラジエータ200へ冷却材を送り出す循環ポンプ199を有する。また、低温サイクルとしての副熱交換サイクル182は、インタクーラ202と空調用コンデンサ204のような自動車のオプション装備品を冷却するために用いられる装備品用熱交換器を有することができる。主ラジエータ196と副ラジエータ200とを連通させる貫通孔32は、矢印で示してある。
符号196と200は、それぞれ、主ラジエータと副ラジエータを示し、主熱交換器４および副熱交換器６とは、別物である。すでに説明したように、主ラジエータは、主熱交換器を兼ねるようにすることができ、同様に、副ラジエータは、副熱交換器を兼ねるようにすることができる。しかし、副ラジエータ200は、一般には、副熱交換器６によって構成され、かつ主熱交換器４のチューブ集積体のかなりの部分を占める。一方、主ラジエータ196は、主熱交換器４のごく一部を占めるだけである。
主熱交換サイクルと副熱交換サイクルとの連絡は、相互連絡手段を介して行われる。図示の態様においては、この相互連絡手段は、４方向バルブ206と２方向バルブ208からなっている。
図１５の熱管理システムで用いられる主熱交換モジュール２は、主熱交換サイクルと副熱交換サイクルに共通の単一の入口と、２つの出口とを有する。この熱交換モジュールは、図１〜図３に示した実施形態に対応する。
この外、主ラジエータ196は、主熱交換サイクル180と副熱交換サイクル182とに共通の部分を構成していることにも留意してほしい。
ユニットヒータ190、分枝ダクト198、および主ラジエータ196を循環する冷却材は、４方向バルブ206によって調整することができる。
図１６は、図１５に示す熱エネルギー管理システムが、コールドスタートと車室の暖房を同時に行う条件で作動する場合の冷却材の流れを示す。主ラジエータ196と副ラジエータ200は、エンジン186の温度を最も早く上昇させるように、空調システムにおけるコンデンサ型の熱交換器へ送り出すための冷水を生成する。主熱交換サイクル180の冷却材は、主ラジエータ196の温度が低下するのを防止するため、分岐ダクト198を通過する。
図１７は、熱エネルギー管理システムが、エンジンの低負荷時に作動する場合の冷却材の流れを示す。主ラジエータ196と副ラジエータ200は、エンジン186の温度を最も早く上昇させるように、空調システムにおけるコンデンサ型の熱交換器204および給気クーラ型の熱交換器202へ送り出すための冷水を生成する。主熱交換サイクル180の冷却材は、主ラジエータ196の温度が低下するのを防止するため、分岐ダクト198を通過する。冷却材は、２つのラジエータを交互に通過する。
バルブ206は、エンジン186の温度制御も行う。エンジン186の温度が閾値（例えば１００℃）よりも低いときは、冷却材は、分枝ダクト198を循環する。エンジンの温度が、閾値よりも上昇した場合は、エンジンを冷却するために、主ラジエータを循環する冷却材の一部、例えば１０〜２０％が、主熱交換サイクル180に導入される。
図１８は、熱エネルギー管理システムが、エンジンの高負荷時に作動する場合の冷却材の流れを示す。４方向バルブ206は、主ラジエータ196が。エンジン186を冷却する冷水を生成し、かつ副ラジエータ200が、装備品用の熱交換器202,204を冷却する冷水を生成しうる位置に配置される。４方向バルブ20６は、冷却材を分枝ダクト198と主ラジエータ196とに振り分けることにより、エンジンの温度制御を行う。
この図における冷却材の流れは、熱を放散させるために相当量の冷却材を循環させる必要があるエンジンの高負荷におけるものである。ただし、この図における冷却材の流れは、冬季に、運転者が、クーラを使う意思も、エンジンに補給される空気を冷却する意思もないような場合にも適用しうる。
図１９〜図２２は、エンジンで発生する熱エネルギーを管理するための他のシステムを示す。これらのシステムは、いずれも、図１５に示す熱管理システムと共通する要素をいくつか含んでおり、このような共通する要素には、同じ符号を付してある。これらの各システムは、相互に影響を及ぼし合うループを含んでいるが、本発明は、互いに影響することのないループにも適用しうる。
図１９に示すシステムは、特にラジエータ196と200とが、貫通孔32を介して連通するようにはなっていないという点で、図１５に示すシステムとは異なっている。また、バルブ206と208、およびポンプ199の配置が異なっており、さらに、エンジン潤滑油クーラ194と主ラジエータ196を結ぶ管に、図１５のシステムにはないバルブ210が設けられている。
図２０に示す熱管理システムは、図１５のものと非常に類似している。２つのラジエータ196と200とは、互いに接続されていない。ラジエータ200は、管２１２を介してポンプ199と連結されており、バルブ208に連なる管214は、管212と合体されている。
図２１に示す熱管理システムも、図１５のものと類似している。ラジエータ196と200に接続されているループは、共通の増設容器216を介して接続されている。増設容器216は、ポンプ188と199の各上流側でループと合体する２つの管218と220を介して、２つのループに接続されている。図２１に示す熱管理システムも、図１９と図２０に示すシステムと同じように、ラジエータ196と200は、貫通孔32を介して連通するようにはなっていない。
図２２に示すシステムは、図２１のものと類似している。しかし、ラジエータ196と200は、矢印で示すように、貫通孔を介して連通している。このシステムにおいては、増設容器は存在しない。
本発明に係る熱交換モジュールを具備し、エンジンで発生する熱エネルギーを管理するシステムは、上述のもの以外にも可能である。このような熱管理システムは、高温サイクルと低温サイクルとから構成されている。
この実施形態に係る熱交換モジュールは、第１列目から第３列目までの３列のチューブ列から構成されている。第何列目のチューブ列であるかは、これらのチューブ列を通過する空気流の方向との関係で決まる。空気流は、最初に、空気流の上流側に位置するチューブを通過し、このチューブ列は、最も温度が低い空気流に晒される。
次のチューブ列には、第１列目のチューブ列と接触することによって暖められた空気流が通過する。したがって、この第２列目のチューブ列は、第１列目のチューブ列よりも、冷却される程度が小さい。
最後に、第３列目のチューブ列は、空気流が最初の２つのチューブ列を通過し、これらとの接触により暖められているため、最も冷却される程度が小さい。第１列目のチューブ列を循環する冷却材は、第２列目のチューブ列を循環する冷却材よりも、冷却される程度が大きい。同様に、第２列目のチューブ列を循環する冷却材は、第３列目のチューブ列を循環する冷却材よりも、冷却される程度が大きい。
この実施形態においては、入口ヘッダボックスと出口ヘッダボックスは、分けられていない。したがって、各チューブ列は、それぞれ熱交換器を構成している。逆に、熱交換器が、各チューブ列であるともいえる。よって、熱交換モジュールは、互いに積み重ねられかつ同一の空気流が通過する３つの熱交換器から構成されている。熱交換器は、共通のフィンまたはインサートを備えることができ、この場合は、物理的に結合されたモジュールが形成される。同一の冷却材、すなわちエンジン冷却材は、３つの熱交換器を循環する。
第２列目と第３列目の熱交換器は、高温サイクルの一部を構成する。他方、第１列目の熱交換器は、低温サイクルの一部を構成する。
高温サイクルは、すでに説明したように、エンジンと、高温サイクル内で冷却材を循環させるための主ポンプとを備えている。また、高温サイクルは、ユニットヒータが存在する分枝サイクル、および４方向バルブも有する。入口チャネルは、エンジンにおける冷却材の出口側に接続され、他方、ユニットヒータ、第２列目の熱交換器と連通する第２の出口チャネル、および第４のチャネルと連通する出口チャネルは、第３の出口チャネルを構成しつつ、第３列目の熱交換器と接続される。
第２列目と第３列目の熱交換器は、恒久的に、高温サイクルの一部を構成し、他方第１列目の熱交換器は、恒久的に、低温サイクルの一部を構成する。
上記熱管理システムの他の実施形態を、次に説明する。このシステムは、すでに説明したように、高温サイクルおよび低温サイクルから構成されている。この実施形態における熱交換モジュールは、前述の熱交換モジュールと同様に、互いに積み重ねられ、かつ同一の空気流が通過する３つの熱交換器を構成する３つのチューブ列よりなる。
しかし、この実施形態においては、最初の２列の熱交換器が、低温サイクルの一部を構成し、他方第３列目の熱交換器が、単独で高温サイクルの一部を構成している。高温サイクルは、エンジン、循環ポンプ、およびユニットヒータの外に、３方向バルブを有する。入口チャネルは、エンジンにおける冷却材の出口側に接続されている。他方、バルブの出口のうち１つは、ユニットヒータに接続されている。また他の出口は、冷却材を熱交換器に入口に導くように設けられている。
第１列目の熱交換器は、コンデンサと直列に接続され、車室の空調システムの一部を構成している。他方、第２列目の熱交換器は、給気クーラと直列に接続されている。これらの熱交換器と、これら熱交換器が直列に接続する装備品とは、低温サイクルの一部を構成している。
この実施形態においては、前述のシステムと同様に、接続箇所は固定される。換言すれば、第２列目の熱交換器は、高温サイクルとして利用されることが不可能な低温サイクルの一部を構成する。
本発明の範囲内で、他の熱管理システムを想起することもできる。
本発明の第１の実施形態に係る熱交換モジュールの斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る熱交換モジュールの斜視図である。 本発明の第３の実施形態に係る熱交換モジュールの斜視図である。 本発明の第４の実施形態に係る熱交換モジュールの斜視図である。 本発明の第５の実施形態に係る熱交換モジュールの斜視図である。 図１〜図５に示す熱交換モジュールにおける開閉手段の第１の態様を示す断面図である。 図１〜図５に示す熱交換モジュールにおける開閉手段の第２の態様を示す断面図である。 本発明に係る熱交換モジュールに用いられる半田付けされたフィンの平面図である。 図８のＩＸ線に沿う断面図である。 図８のＸ線に沿う断面図である。 本発明に係る熱交換モジュールからなるアセンブリの平面図である。 図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ線断面図である。 第３の熱交換器を含む本発明の第６の実施形態に係る熱交換モジュールの斜視図である。 図１３に示す熱交換モジュールに用いられるフィンの平面図である。 自動車エンジンから発生する熱エネルギーを管理する本発明の第１の実施形態に係る熱交換システムを示すブロック図である。 エンジンのコールドスタート時における図１５の熱交換システムの作動を示すブロック図である。 図１５の熱交換システムにおけるエンジンの低負荷時の冷却材の流れを示すブロック図である。 図１５の熱交換システムにおけるエンジンの高負荷時の冷却材の流れを示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係る熱交換システムを示すブロック図である。 本発明の第３の実施形態に係る熱交換システムを示すブロック図である。 本発明の第４の実施形態に係る熱交換システムを示すブロック図である。 本発明の第５の実施形態に係る熱交換システムを示すブロック図である。
符号の説明
２ 熱交換モジュール
４ 主熱交換器
６ 副熱交換器
８ 入口ヘッダボックス
10 出口ヘッダボックス
12 チューブ集積体
14 隔壁
16 主入口チャンバ
18 副入口チャンバ
20 隔壁
22 主出口チャンバ
24 副出口チャンバ
26,28 入口管ソケット
30 出口管ソケット
32 貫通孔
34 入口ヘッダボックス
36 出口ヘッダボックス
38 チューブ集積体
40 出口管ソケット
42 空気流
58 隔壁
60 下方チャンバ
62 上方チャンバ
64 隔壁
66 下方チャンバ
68 上方チャンバ
88 入口管ソケット
92 出口管ソケット
96 隔壁
98 下方チャンバ
100 上方チャンバ
102 入口管ソケット
100 上方チャンバ
110 出口管ソケット
114 熱交換面
120 アクチュエータ部材
122 ロッド
124 ピストン
126 スリーブ
130 フィン
132 長辺
134 切込み
136 穿孔
142 隔壁
144 集合プレート
140 部品
146 シーリングガスケット
148 縁部
150 フィン
154,156 穿孔
158 集合プレート
164 第３の熱交換器
166 フィン
168 長辺
170 切込み
172 切込み
176 穿孔
180 主熱交換サイクル
182 副熱交換サイクル
186 エンジン
188 主ポンプ
190 ユニットヒータ
192 排ガスクーラ
194 エンジン潤滑油クーラ
196 主ラジエータ
198 分枝ダクト
199 循環ポンプ
200 副ラジエータ
202 インタクーラ
204 空調用コンデンサ
206 ４方向バルブ
208 ２方向バルブ

Claims (24)

  1. 主熱交換器(４)および少なくとも１つの副熱交換器(６)を備える熱交換モジュールであって、前記主熱交換器(４)および副熱交換器(６)は、それぞれ、入口ヘッダボックス(８)(34)、出口ヘッダボックス(10)(36)、冷却材が循環するチューブ集積体(12)(38)、およびチューブ集積体(12)(38)と熱交換を行うための熱交換面(130)(150)を有するとともに、チューブ集積体(12)(38)を同一の空気流(42)が通過するように配置されている熱交換モジュールにおいて、前記主熱交換器(４)および副熱交換器(６)を循環する冷却材が、２つの別個の冷却材循環ループから流入するエンジン冷却材であることを特徴とする熱交換モジュール。
  2. 前記主熱交換器(４)の出口ヘッダボックス(10)は、貫通孔(32)を介して、副熱交換(４)の入口ヘッダボックス(34)と連通していることを特徴とする請求項１記載の熱交換モジュール。
  3. 主熱交換器(４)の出口ヘッダボックス(10)を、主出口チャンバ(22)と副出口チャンバ(24)とに分け隔てる隔壁(20)を有し、主熱交換器(４)のチューブ集積体は、前記主出口チャンバ(22)と接続され、主熱交換器の入口ヘッダボックス(８)の一部は、前記チューブ集積体(12)と接続されて主ラジエータ(196)を構成し、主熱交換器(４)のチューブ集積体(12)は、前記副出口チャンバ(24)と接続され、主熱交換器(４)の入口ヘッダボックス(８)の他の一部は、チューブ集積体(12)および副熱交換器(６)と接続されて、副ラジエータ(200)を構成していることを特徴とする請求項２記載の熱交換モジュール。
  4. 主熱交換器(４)の出口ヘッダボックス(10)と副熱交換器(４)の入口ヘッダボックス(34)とを連通させる貫通孔(32)を開閉するための開閉手段を備えていることを特徴とする請求項２または３記載の熱交換モジュール。
  5. 開閉手段は、ピストン(124)と、このピストン(124)およびアクチュエータ手段(120)を連結するロッド(122)とを備えることを特徴とする請求項４記載の熱交換モジュール。
  6. アクチュエータ手段(120)は、貫通孔(32)を閉鎖するために、ピストン(124)を引くようになっていることを特徴とする請求項５記載の熱交換モジュール。
  7. アクチュエータ手段(120)は、貫通孔(32)を開放するために、ピストン(124)を押すようになっていることを特徴とする請求項５記載の熱交換モジュール。
  8. 主熱交換器(４)の入口ヘッダボックス(８)と接続された単一の入口管ソケット(26)を有し、この入口管ソケット(26)は、主ラジエータ(196)および副ラジエータ(200)への共通の入口として働くようになっていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の熱交換モジュール。
  9. 主ラジエータ(196)の一部をなす入口ヘッダボックス(８)の一部と、副ラジエータ(200)の一部をなす入口ヘッダボックス(８)の他の一部との間に位置する隔壁(14)を有し、この隔壁(14)は、主熱交換器(４)の入口ヘッダボックス(８)を、主入口チャンバ(16)と副入口チャンバ(18)とに分け隔てるものであり、入口管ソケット(26)は、冷却材を主ラジエータ(196)に導入するために、主入口チャンバ(16)と接続されており、もう一つの入口管ソケット(28)は、冷却材を副ラジエータ(200)に導入するために、副入口チャンバ(18)と接続されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の熱交換モジュール。
  10. 主熱交換器(196)および副熱交換器(200)を循環する冷却材とは、異なる冷却材が循環する別個の冷却サイクルに属する第３の熱交換器(164)を備えていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の熱交換モジュール。
  11. 主熱交換器(４)のヘッダボックスと副熱交換器(６)のヘッダボックスの少なくとも一方が、冷却材のための連続した通路を区画するよう、隔壁によって、複数のチャンバに分け隔てられていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の熱交換モジュール。
  12. 熱交換面は、この熱交換モジュールにおける複数の熱交換器に共通のフィン(130)(150)によって構成されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の熱交換モジュール。
  13. 熱交換面は、モジュールにおける複数の熱交換器に共通の波形インサート(114)によって構成されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の熱交換モジュール。
  14. 熱交換面は、熱交換器のチューブに、半田付けによって接合されていることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の熱交換モジュール。
  15. 熱交換面は、熱交換器のチューブに、機械的に接合されていることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の熱交換モジュール。
  16. 熱交換器のヘッダボックスは、集合プレートと、この集合プレートに半田付けによって接合された蓋体とから構成されていることを特徴とする請求項１〜１５のいずれかに記載の熱交換モジュール。
  17. 熱交換器のヘッダボックスは、集合プレートと、この集合プレートに機械的に固着されたプラスチック材料製の蓋体とから構成されていることを特徴とする請求項１〜１５のいずれかに記載の熱交換モジュール。
  18. 自動車エンジンで発生する熱エネルギーの管理システムであって、外気との間で熱交換を行う主ラジエータ(196)とエンジン(186)との間で冷却材を循環させるための主ポンプ(188)と、近道用ダクト(198)と、ユニットヒータ(190)を含む加熱用ダクトを備える主サイクル(180)、ならびに副ラジエータ(200)および副ポンプ(199)を含む副サイクル(182)を有する熱エネルギーの管理システムにおいて、前記主サイクル(180)と副サイクル(182)とは、冷却材の循環が、主サイクルと副サイクルとの間で制御されつつ行われるか、またはエンジンの負荷の関数として阻害されうるようになっている相互連絡手段(206)(208)によって接続されており、かつ主ラジエータ(196)および副ラジエータ(200)は、請求項１〜１７のいずれかに記載の熱交換モジュール(２)の一部を構成していることを特徴とする熱エネルギーの管理システム。
  19. 主熱交換器(256)と、２つの副熱交換器(252)(254)とを備え、かつ同一の冷却材が、これら主熱交換器(256)および２つの副熱交換器(252)(254)を循環するようになっていることを特徴とする請求項１記載の熱交換モジュール。
  20. 自動車エンジンで発生する熱エネルギーの管理システムであって、外気との間で熱交換を行う高温用主熱交換器(256)とエンジン(186)との間で冷却材を循環させるための主ポンプ(188)と、ユニットヒータ(190)を含む加熱用ダクトを備える高温サイクル(230)(270)、ならびに副ラジエータ(200)および副ポンプ(199)を含む低温サイクル(240)(280)を有する熱エネルギーの管理システムにおいて、前記高温用主熱交換器(256)および副ラジエータ(200)は、請求項１９記載の熱交換モジュール(250)(290)の一部を構成していることを特徴とする熱エネルギーの管理システム。
  21. 一方の副熱交換器(252)は、車室の空調システムの一部をなすコンデンサ(204)と直列に接続されていることを特徴とする請求項２０記載の熱エネルギーの管理システム。
  22. 副熱交換器(254)は、給気クーラ(202)と直列に接続されていることを特徴とする請求項２０記載の熱エネルギーの管理システム。
  23. 副熱交換器(254)は、給気クーラ(202)と直列に接続されており、給気クーラ(202)は、高温サイクル(230)の一部をなしていることを特徴とする請求項２２記載の熱エネルギーの管理システム。
  24. 給気クーラ(202)と直列に接続されている副熱交換器(254)と、給気クーラ(202)とは、低温サイクル(280)の一部をなしていることを特徴とする請求項２２記載の熱エネルギーの管理システム。
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