JP4415712B2

JP4415712B2 - 熱交換器

Info

Publication number: JP4415712B2
Application number: JP2004071144A
Authority: JP
Inventors: 倫子森田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-03-12
Filing date: 2004-03-12
Publication date: 2010-02-17
Anticipated expiration: 2024-03-12
Also published as: WO2005087523A1; JP2005257205A; EP1633583A1; US20080223559A1; US7845392B2

Description

本発明は、熱交換器、詳しくは三つの冷却媒体の放熱を行う熱交換器に関する。

従来、複数の冷却媒体の放熱を行う熱交換器は、一対のタンクと、タンク間に設けられる複数のチューブおよびフィンとを備え、チューブは、途中に閉塞部を設けて通路を二分するとともに、一方のタンクに接続される一方の通路および他方のタンクに接続される他方の通路がそれぞれＵターン形状に形成されている。

そして、一方のタンクとチューブの一方のＵターン形状の通路とで片タンク構造の第一熱交換器が形成され、他方のタンクとチューブの他方のＵターン形状の通路とで片タンク構造の第二熱交換器が形成される。
特開平１０−７３３８８号公報（第１，２図）

しかしながら、上記した従来の熱交換器では、三つの冷却媒体を流そうとした場合、第一熱交換器および第二熱交換器の各通路がＵターン形状なので、その後方あるいは前方に第三熱交換器を配置すると、前後方向の厚さが拡大し、熱交換器全体が大型化してしまう。

また同様に第三熱交換器を、第一熱交換器および第二熱交換器の左右どちらかに配置した場合も、左右方向の長さが拡大して熱交換器全体が大型化する上に、背面に冷却ファンを設けた場合には、各熱交換器における冷却性能にばらつきが発生し、冷却性能の低下を招く。

さらに、従来の熱交換器は、複雑な冷媒流路構造であるため、製造性の悪化を招く。

そこで、本発明は、冷却性能の低下を防止しながら、熱交換器全体の大型化を防ぎ、しかも既存の熱交換器からでも容易に作製できる三つの冷却媒体の放熱を行う熱交換器を提供することを目的とする。

本発明は、三つの冷却媒体の放熱を行う放熱部をそれぞれ備えた熱交換器において、車両に空調装置と燃料電池と燃料電池から電力の供給を受ける強電装置とをそれぞれ搭載し、前記空調装置に第一の放熱部を流れる第一の冷却媒体を、前記燃料電池に第二の放熱部を流れる第二の冷却媒体を、前記強電装置に第三の放熱部を流れる第三の冷却媒体を、それぞれ流し、前記三つの放熱部のうちで冷却媒体出入口相互の冷却媒体温度差が最も大きい前記第一の冷却媒体が流れる前記第一の放熱部の背面に、前記第二および第三の各冷却媒体がそれぞれ流れる前記第二および第三の各放熱部を互いに並列して配置し、前記第二の冷却媒体の前記第二の放熱部に対する入口温度が、前記第三の冷却媒体の前記第三の放熱部への入口温度より高く、前記第二の冷却媒体の前記第二の放熱部に対する出口温度が、第三の冷却媒体の前記第三の放熱部への出口温度より高く、前記第一の放熱部における第一の冷却媒体の流れの上流側の背面に前記第二の放熱部を配置する一方、前記第一の放熱部における第一の冷却媒体の流れの下流側の背面に前記第三の放熱部を配置することを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、第一の放熱部の冷却媒体上流側に第三の放熱部よりも冷却媒体温度が高い第二の放熱部を配置しているので、冷却媒体温度が高い第二の放熱部は、要求される冷却媒体温度が低くても、気水温度差を確保でき、熱交換効率を高めることができる。一方、第一の放熱部の冷却媒体下流側に第二の放熱部よりも冷却媒体温度が低い第三の放熱部を配置しているので、第三の放熱部は、要求される冷却媒体温度が低くても、気水温度差を確保でき、熱交換効率を高めることができる。

また、第一の放熱部の背面に第二および第三の各放熱部を配置し、前記第一の放熱部には、その冷却媒体出入口相互の冷却媒体温度差が、前記第二，第三の各放熱部における冷却媒体出入口相互の冷却媒体温度差に比べて大きい冷却媒体を流すので、冷却風が第一の放熱部の前面全体に当たり第一の放熱部の放熱効率を向上できる上に、第一の放熱部の背面に配置した第二，第三の各放熱部には、第一の放熱部ほど放熱量が大きくない冷却媒体を流すことで、放熱効率を充分確保できる。

したがって、本熱交換器の背面に、冷却ファンを設けたとしても、各放熱部における冷却性能を所望に維持でき、冷却性能の低下を防止することができる。

また、従来の冷却媒体通路をＵターン形状とした熱交換器を用いて三つの冷却媒体を流すようにした場合に比べ、熱交換器全体の厚さを薄くでき小型化することができる。

さらに、各放熱部において冷却媒体の流れる方向は直線状で済むため、既存の熱交換器から作製でき、製造性も向上する。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係わる熱交換器の概略構成を示す平面図である。なおここでの熱交換器１は、燃料電池３を搭載する燃料電池自動車に適用するもので、図１中で矢印ＦＲで示す方向が車両前方である。したがって、車両走行時には、冷却風が図１中で上部から下部に向けて流れることになる。また、この燃料電池自動車は、燃料電池３から電力を受けて駆動する強電装置に含まれる車両駆動用の駆動モータ５を搭載し、さらに、空調装置７も備えている。

上記した熱交換器１は、車両前方側に第一の熱交換器９を、車両後方側に第二の熱交換器１１をそれぞれ配置し、第二の熱交換器１１の車両後方側に冷却ファン１３を設けている。第一の熱交換器９は、車幅方向（図１中で左右方向）左側に第一の冷却媒体が流入する冷却媒体入口１５を備える一方、同右側に第一の冷却媒体が流出する冷却媒体出口１７を備える。そして、冷却媒体入口１５と空調装置７とを冷却媒体入口通路１９で接続するとともに、冷却媒体出口１７と空調装置７とを冷却媒体出口通路２１で接続する。

第一の熱交換器９は、車両後方側から見た図２（ａ）に示すように、第一の放熱部２３を備え、この第一の放熱部２３における第一の冷却媒体が流れる方向が、実線矢印で示すように、車幅方向左側から同右側に向けて直線的となっている。

一方第二の熱交換器１１は、車両後方側から見た図２（ｂ）に示すように、前記した冷却媒体入口１５に対応する第一の冷却媒体の流れの上流側の第一の熱交換器９の背面に第二の放熱部２５を、同冷却媒体出口１７に対応する第一の冷却媒体の流れの下流側の第一の熱交換器９の背面に第三の放熱部２７を、それぞれ備えている。

第二の放熱部２５における第二の冷却媒体が流れる方向は、破線矢印で示すように、車両の上部から下部に向かうよう直線的であり、かつ第一の冷却媒体の流れ方向と直交している。また、第三の放熱部２７における第三の冷却媒体が流れる方向は、二点鎖線矢印で示すように、第二の冷却媒体と同様に、車両の上部から下部に向かっている。

上記した第一の放熱部２３の通風方向に対向する部位の面積と、第二の放熱部２５および第三の放熱部２７を合わせた通風方向に対向する部位の面積とは、互いにほぼ同一となっている。

また、第二の熱交換器１１は、第二の放熱部２５に対応して第二の冷却媒体入口２９および第二の冷却媒体出口３１をそれぞれ備え、第二の冷却媒体入口２９と燃料電池３とを第二の冷却媒体入口通路３３で接続するとともに、第二の冷却媒体出口３１と燃料電池３とを第二の冷却媒体出口通路３５で接続する。

さらに、第二の熱交換器１１は、第三の放熱部２７に対応して第三の冷却媒体入口３７および第三の冷却媒体出口３９をそれぞれ備え、第三の冷却媒体入口３７と駆動モータ５とを第三の冷却媒体入口通路４１で接続するとともに、第三の冷却媒体出口３９と駆動モータ５とを第三の冷却媒体出口通路４３で接続する。

上記した熱交換器における第一，第二，第三の各放熱部２３，２５，２７のそれぞれの冷却媒体の入口（ＩＮ）および出口（ＯＵＴ）での第一，第二，第三の各冷却媒体の温度を比較すると、以下の通りである。

第一の放熱部（ＩＮ）＞第二の放熱部（ＩＮ）＞第三の放熱部（ＩＮ）
第二の放熱部（ＯＵＴ）＞第三の放熱部（ＯＵＴ）＞第一の放熱部（ＯＵＴ）
また、第一，第二，第三の各放熱部２３，２５，２７がそれぞれ必要とする放熱量（冷却媒体入口から同出口までの温度差)は、第一の放熱部２３が一番大きいものとする。

次に、作用を説明する。第一の熱交換器９における第一の放熱部２３で放熱した第一の冷却媒体は、冷却媒体出口１７から冷却媒体出口通路２１を経て空調装置７に達し、空調装置７の冷却に使用された後、冷却媒体入口通路１９を経て冷却媒体入口１５から第一の放熱部２３に戻る。そして、この第一の冷却媒体は、第一の放熱部２３にて冷却風と熱交換して冷却される（放熱する）。

また、第二の熱交換器１１における第二の放熱部２５で放熱した第二の冷却媒体は、第二の冷却媒体出口３１から第二の冷却媒体出口通路３５を経て燃料電池３に達し、燃料電池３の冷却に使用された後、第二の冷却媒体入口通路３３を経て第二の冷却媒体入口２９から第二の放熱部２５に戻る。そして、この第二の冷却媒体は、第二の放熱部２５にて冷却風と熱交換して冷却される（放熱する）。

さらに、第二の熱交換器１１における第三の放熱部２７で放熱した第三の冷却媒体は、第三の冷却媒体出口３９から第三の冷却媒体出口通路４３を経て駆動モータ５に達し、駆動モータ５の冷却に使用された後、第三の冷却媒体入口通路４１を経て第三の冷却媒体入口３７から第三の放熱部２７に戻る。そして、この第三の冷却媒体は、第三の放熱部２７にて冷却風と熱交換して冷却される（放熱する）。

上記したような熱交換がなされる過程において、本熱交換器は、第一の熱交換器９の冷却媒体入口１５に近い側の第一の放熱部２３の背面に、第三の放熱部２７より冷却媒体温度が高い第二の放熱部２５を配置しているので、第二の放熱部２５は、空気温度上昇が大きくても、冷却媒体温度が高いことから、気水温度差を所望に確保でき、熱交換効率を高めることができる。

一方、第一の熱交換器９の冷却媒体出口１７に近い側の第一の放熱部２３の背面に、第二の放熱部２５よりも冷却媒体温度が低い第三の放熱部２７を配置しているので、第三の放熱部２７は、要求される冷却媒体温度が低くても、気水温度差を所望に確保でき、熱交換効率を高めることができる。

以上より、第一〜第三の三つの冷却媒体の放熱を行う本熱交換器は、冷却性能の低下を防止できるとともに、従来の冷却媒体通路をＵターン形状とした熱交換器を用いて三つの冷却媒体の放熱を行う場合に比べ、熱交換器全体の厚さを薄くでき小型化することができる。さらに、第一，第二，第三の各放熱部２３，２５，２７において冷却媒体の流れる方向は直線状で済むため、既存の熱交換器から作製でき、製造性も向上する。

また、第一の熱交換器９の背面に第二の熱交換器１１を配置したので、例えば、図２に示すように、第一の熱交換器９および第二の熱交換器１１に流れるそれぞれの冷却媒体を互いに直交する方向に流した場合でも、後側に、第一の冷却媒体が流れる方向に沿って第二，第三の各放熱部２５，２７を並列配置して、各放熱部２５，２７での第一の冷却媒体が流れる方向の長さを短くしているので、各放熱部２５，２７におけるそれぞれの冷却媒体出口温度を、第一の冷却媒体が流れる方向に沿ってほぼ均一にすることができる。

また、放熱量が一番大きい冷却媒体を車両前方側に配置した第一の熱交換器９における第一の放熱部２３に流すようにしたので、走行風が第一の熱交換器９の前面全体に当たり、第一の熱交換器９の放熱効率が向上する上に、第一の熱交換器９の背面に配置した第二の熱交換器１１の放熱量は、第一の熱交換器９ほど大きくないので、前述の効果を充分に確保できる。

さらに、第一の放熱部２３の通風方向に対向する部位の面積と、第二の放熱部２５および第三の放熱部２７を合わせた通風方向に対向する部位の面積とを、互いにほぼ同一とすることで、第一の熱交換器９および第二の熱交換器１１が通風方向で同位置となり、第一の熱交換器９の冷却媒体出口１７後方の第三の放熱部２７に冷却風を確実に送ることができ、冷却性能を確実なものとすることができる。

例えば、第一の熱交換器９が極端に大きい（第二の熱交換器１１が極端に小さい）場合には、第一の放熱部２３を流れる冷却媒体が、冷却が充分に行われていない状態(例えば冷却媒体入口付近)で、第三の放熱部２７に冷却風が送られる場合が発生し、充分な冷却性能を発揮できない場合がある。

図３（ａ）および図３（ｂ）は、第一の放熱部２３および第二，第三の各放熱部２５，２７におけるそれぞれの冷却媒体の流れ方向の他の例を示す、前記図２（ａ）および図２（ｂ）に対応する図である。第一の放熱部２３では、第一の熱交換器９の車両左側上方に設けた冷却媒体入口１５から同右側上方に設けた冷却媒体出口１７にかけて、蛇行するように、いわゆるサーペンタイン式に冷却媒体を流す。第二，第三の各放熱部２５，２７での冷却媒体の流れ方向は、図２（ｂ）と同様に車両の上部から下部に向かっている。

図４（ａ）および図４（ｂ）は、第一の放熱部２３および第二，第三の各放熱部２５，２７におけるそれぞれの冷却媒体の流れ方向のさらに他の例を示す、前記図２（ａ）および図２（ｂ）に対応する図である。なお、この例での第一の熱交換器９の冷却媒体入口１５は車幅方向中央部上方に設け、同冷却媒体出口１７は車両左側上方および同右側上方の二箇所に設ける。

そして、図４（ａ）に示すように、第一の放熱部２３では、中央部上方の冷却媒体入口１５から車両左側上方および同右側上方(冷却媒体出口１７)にかけて、冷却媒体を流す。また、図４（ｂ）に示すように、第二の放熱部２５を中央に配置し、その両側に第三の放熱部２７を配置し、これら第二，第三の各放熱部２５，２７での冷却媒体の流れ方向は、図２（ｂ）と同様に車両の上部から下部に向かっている。

上記した図３，図４においても、第一の放熱部２３の冷却媒体入口１５側の背面（車両後方側）に第二の放熱部２５を、第一の放熱部２３の冷却媒体出口１７側の背面（車両後方側）に第三の放熱部２７を、それぞれ配置している。

なお、上記した実施形態では、熱交換器での冷却媒体の流れ方向を特定しているわけではない。すなわち、図２から図４において、その紙面上で第一，第二の各熱交換器９，１１を９０度，１８０度，２７０度それぞれ回転させた状態での流れ方向としてもよい。

本発明によれば、第一の放熱部の背面に第二および第三の各放熱部を配置し、前記第一の放熱部には、冷却媒体温度が相対的に最も高い冷却媒体を流すので、冷却風が第一の放熱部の前面全体に当たり第一の放熱部の放熱効率を向上できる上に、第一の放熱部の背面に配置した第二，第三の各放熱部には、第一の放熱部ほど放熱量が大きくない冷却媒体を流すことで、放熱効率を充分確保できる。

また、前記第一の放熱部の通風方向に対向する部位の面積と、前記第二，第三の各放熱部を合わせた通風方向に対向する部位の面積とを、互いにほぼ同一とすることで、第一の放熱部および第二，第三の各放熱部が通風方向で同位置となり、第一の放熱部の冷却媒体出口後方の第三の放熱部に冷却風を確実に送ることができ、冷却性能を確実なものとすることができる。

さらに、車両に空調装置と燃料電池と燃料電池から電力の供給を受ける強電装置とをそれぞれ搭載し、前記空調装置に前記第一の放熱部を流れる第一の冷却媒体を、前記燃料電池に前記第二の放熱部を流れる第二の冷却媒体を、前記強電装置に前記第三の放熱部を流れる第三の冷却媒体を、それぞれ流すことで、燃料電池自動車においても、上述の効果を発揮できる。

本発明の一実施形態に係わる熱交換器の概略構成を示す平面図である。図１の熱交換器の各放熱部における車両後方から見た冷却媒体の流れ方向を示す説明図で、（ａ）は第一の熱交換器における第一の放熱部を示し、（ｂ）は第二の熱交換器における第二，第三の各放熱部を示す。図２に対して他の例による冷却媒体の流れ方向を示す説明図である。図２に対してさらに他の例による冷却媒体の流れ方向を示す説明図である。

符号の説明

１熱交換器
１５第一の放熱部の第一の冷却媒体が流入する冷却媒体入口
１７第一の放熱部の第一の冷却媒体が流出する冷却媒体出口
２３第一の熱交換器の第一の放熱部
２５第二の熱交換器の第二の放熱部
２７第二の熱交換器の第三の放熱部

Claims

三つの冷却媒体の放熱を行う放熱部をそれぞれ備えた熱交換器において、車両に空調装置と燃料電池と燃料電池から電力の供給を受ける強電装置とをそれぞれ搭載し、前記空調装置に第一の放熱部を流れる第一の冷却媒体を、前記燃料電池に第二の放熱部を流れる第二の冷却媒体を、前記強電装置に第三の放熱部を流れる第三の冷却媒体を、それぞれ流し、前記三つの放熱部のうちで冷却媒体出入口相互の冷却媒体温度差が最も大きい前記第一の冷却媒体が流れる前記第一の放熱部の背面に、前記第二および第三の各冷却媒体がそれぞれ流れる前記第二および第三の各放熱部を互いに並列して配置し、前記第二の冷却媒体の前記第二の放熱部に対する入口温度が、前記第三の冷却媒体の前記第三の放熱部への入口温度より高く、前記第二の冷却媒体の前記第二の放熱部に対する出口温度が、第三の冷却媒体の前記第三の放熱部への出口温度より高く、前記第一の放熱部における第一の冷却媒体の流れの上流側の背面に前記第二の放熱部を配置する一方、前記第一の放熱部における第一の冷却媒体の流れの下流側の背面に前記第三の放熱部を配置することを特徴とする熱交換器。
請求項１に記載の熱交換器において、前記第一，第二，第三の各放熱部のそれぞれの冷却媒体の入口（ＩＮ）および出口（ＯＵＴ）での前記第一，第二，第三の各冷却媒体の温度が、以下の関係を備えていることを特徴とする熱交換器。
第一の放熱部（ＩＮ）＞第二の放熱部（ＩＮ）＞第三の放熱部（ＩＮ）
第二の放熱部（ＯＵＴ）＞第三の放熱部（ＯＵＴ）＞第一の放熱部（ＯＵＴ）
請求項１または２に記載の熱交換器において、前記第一の放熱部の通風方向に対向する部位の面積と、前記第二，第三の各放熱部を合わせた通風方向に対向する部位の面積とを、互いに同一とすることを特徴とする熱交換器。