JP4845711B2

JP4845711B2 - 熱交換器

Info

Publication number: JP4845711B2
Application number: JP2006343042A
Authority: JP
Inventors: 礼慈小島; 久宜加藤; 智也兼井
Original assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-12-20
Filing date: 2006-12-20
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2026-12-20
Also published as: JP2008157472A

Description

本発明は、熱交換通路内の内部流体（例えば、流体燃料）と熱交換通路外の外部流体（例えば、空気）との間にて熱交換されるように構成した熱交換器に関し、特に、流入ポートと流出ポートを備えるとともに前記流入ポートと前記流出ポートを連通させる熱交換通路を備えた熱交換器を二つ組み合わせて構成した熱交換器組立体に関する。

この種の熱交換器組立体は、例えば、下記特許文献１の図４に示されていて、一方の熱交換器の流出ポートが他方の熱交換器の流入ポートに接続されて連通し、一方の熱交換器の流入ポートから他方の熱交換器の流出ポートに向けて前記熱交換通路内を流れる内部流体と前記熱交換通路外の外部流体との間にて熱交換されるように構成されている。
特開平６−８８６８４号公報

上記のように構成した熱交換器組立体では、内部流体が、一方の熱交換器の流入ポートから一方の熱交換器の流出ポートに向けて流れた後に、他方の熱交換器の流入ポートから他方の熱交換器の流出ポートに向けて流れるため、何れか一方の熱交換器のみで当該熱交換器が構成された場合に比して、内部流体が流れる通路長が長くて、熱交換性能が向上するものの、当該熱交換器組立体内での内部流体の圧力損失が大きくなる。

なお、一方の熱交換器の流入ポートと他方の熱交換器の流入ポートを３方向ユニオン（Ｔ形の接続具）にて接続するとともに、一方の熱交換器の流出ポートと他方の熱交換器の流出ポートを３方向ユニオンにて接続して、流入側の３方向ユニオンから流出側の３方向ユニオンに向けて内部流体が流れるように構成した場合には、当該熱交換器組立体内での内部流体の圧力損失が小さくなるものの、流入側の３方向ユニオンと流出側の３方向ユニオンが必要であり、構成部品点数の増加に伴うコストアップが生じる。

本発明は、上記した課題に対処すべくなされたものであり、流入ポートと流出ポートを備えるとともに前記流入ポートと前記流出ポートを連通させる熱交換通路を備えた熱交換器を二つ組み合わせて構成した熱交換器組立体であり、前記各熱交換器には前記熱交換通路の中間部に連通する中間ポートがそれぞれ設けられていて、一方の熱交換器の中間ポートが他方の熱交換器の流入ポートに接続されて連通し、一方の熱交換器の流出ポートが他方の熱交換器の中間ポートに接続されて連通しており、一方の熱交換器の流入ポートから他方の熱交換器の流出ポートに向けて前記熱交換通路内を流れる内部流体と前記熱交換通路外の外部流体との間にて熱交換されるように構成した熱交換器組立体に特徴がある。

本発明による熱交換器組立体においては、一方の熱交換器の中間ポートが設けられている部分にて分流した内部流体が他方の熱交換器の中間ポートが設けられている部分にて合流する。このため、当該熱交換器組立体の分流部分から合流部分までの間では、熱交換通路が並列であり、当該熱交換通路での圧力損失を低減することが可能である。

したがって、流入ポートと流出ポートを備えるとともに前記流入ポートと前記流出ポートを連通させる熱交換通路を備えた熱交換器を二つ組み合わせる際に、一方の熱交換器の流出ポートが他方の熱交換器の流入ポートに接続されて連通し、一方の熱交換器の流入ポートから他方の熱交換器の流出ポートに向けて前記熱交換通路内を流れる内部流体と前記熱交換通路外の外部流体との間にて熱交換されるように構成した場合に比して、当該熱交換器組立体内での内部流体の圧力損失が低減するとともに、同等の熱交換性能が得られる。これにより、当該熱交換器組立体での熱交換性能を低減させることなく、当該熱交換器組立体内での内部流体の圧力損失を低減させることが可能である。

また、本発明による熱交換器組立体においては、各熱交換器における熱交換通路の中間部に中間ポートを設けて、各熱交換器の内部に分岐部（分流部、合流部）が形成されるように構成したため、３方向ユニオンのような接続具が不要であり、当該熱交換器組立体を構成部品点数が少なくてシンプルで安価に構成することが可能である。

本発明の実施に際しては、一方の熱交換器の中間ポートから一方の熱交換器の流出ポートに至る熱交換通路の通路長さとこれに作用する流路抵抗が、他方の熱交換器の流入ポートから他方の熱交換器の中間ポートに至る熱交換通路の通路長さとこれに作用する流路抵抗にそれぞれ略等しくなるように設定されていることも可能である。この場合において、一方の熱交換器の中間ポートと他方の熱交換器の流入ポートを接続させる第１接続管の通路径と長さが、一方の熱交換器の流出ポートと他方の熱交換器の中間ポートを接続させる第２接続管の通路径と長さにそれぞれ略等しくなるように設定されていることも可能である。

これらの場合には、一方の熱交換器の中間ポートから一方の熱交換器の流出ポートに至る熱交換通路を流れる内部流体の流量と、他方の熱交換器の流入ポートから他方の熱交換器の中間ポートに至る熱交換通路を流れる内部流体の流量を略等しくすることが可能であり、一方の熱交換器の中間ポートが設けられている部分にて分流した内部流体が他方の熱交換器の中間ポートが設けられている部分にて合流する際に発生する圧力損失を小さくすることが可能である。

以下に、本発明の各実施形態を図面に基づいて説明する。図１および図２は、内燃機関の流体燃料を空気（走行風）により冷却する自動車用のフューエルクーラである熱交換器組立体１００に本発明を実施した第１実施形態を概略的に示している。この第１実施形態の熱交換器組立体１００は、図１に示したように、所定の間隔Ｈｏで上下に積み合わせるように配置される一方の熱交換器１０と他方の熱交換器２０を備えるとともに、第１接続管３０と第２接続管４０を備えている。

一方の熱交換器１０は、アルミニウム製の熱交換器本体１１と、アルミニウム製の流入パイプ１２と、アルミニウム製の流出パイプ１３と、アルミニウム製の中間パイプ１４を備えている。熱交換器本体１１は、流入ポート１１ａと流出ポート１１ｂを備えるとともに、流入ポート１１ａと流出ポート１１ｂを連通させる蛇行した熱交換通路１１ｃを備えていて、熱交換通路１１ｃの中間部に連通する中間ポート１１ｄが設けられている。

なお、熱交換器本体１１の熱交換通路１１ｃには、少なくとも一つの隔壁Ｓが設けられている。また、熱交換器本体１１の図１上下両面には、各ポート１１ａ、１１ｂ、１１ｄが形成されている端部から他側の端部に向けて直線状に延びて空気（走行風）により冷却される複数個のフィン（図示省略）を形成されている。

流入パイプ１２は、熱交換器本体１１の流入ポート１１ａに嵌合された状態にてろう付けされて密に固着されている。流出パイプ１３は、熱交換器本体１１の流出ポート１１ｂに嵌合された状態にてろう付けされて密に固着されている。中間パイプ１４は、熱交換器本体１１の中間ポート１１ｄに嵌合された状態にてろう付けされて密に固着されている。

他方の熱交換器２０は、アルミニウム製の熱交換器本体２１と、アルミニウム製の流入パイプ２２と、アルミニウム製の流出パイプ２３と、アルミニウム製の中間パイプ２４を備えている。熱交換器本体２１は、流入ポート２１ａと流出ポート２１ｂを備えるとともに、流入ポート２１ａと流出ポート２１ｂを連通させる蛇行した熱交換通路２１ｃを備えていて、熱交換通路２１ｃの中間部に連通する中間ポート２１ｄが設けられている。

なお、熱交換器本体２１の熱交換通路２１ｃには、少なくとも一つの隔壁Ｓが設けられている。また、熱交換器本体２１の図１上下両面には、各ポート２１ａ、２１ｂ、２１ｄが形成されている端部から他側の端部に向けて直線状に延びて空気（走行風）により冷却される複数個のフィン（図示省略）を形成されている。

流入パイプ２２は、熱交換器本体２１の流入ポート２１ａに嵌合された状態にてろう付けされて密に固着されている。流出パイプ２３は、熱交換器本体２１の流出ポート２１ｂに嵌合された状態にてろう付けされて密に固着されている。中間パイプ２４は、熱交換器本体２１の中間ポート２１ｄに嵌合された状態にてろう付けされて密に固着されている。

第１接続管３０は、一端部３１にて一方の熱交換器１０の中間パイプ１４に接続され、他端部３２にて他方の熱交換器２０の流入パイプ２２に接続されていて、一方の熱交換器１０の中間ポート１１ｄと他方の熱交換器２０の流入ポート２１ａを連通させている。第２接続管４０は、一端部４１にて一方の熱交換器１０の流出パイプ１３に接続され、他端部４２にて他方の熱交換器２０の中間パイプ２４に接続されていて、一方の熱交換器１０の流出ポート１１ｂと他方の熱交換器２０の中間ポート２１ｄを連通させている。なお、第１接続管３０と第２接続管４０の素材は、金属であっても非金属（例えば、合成樹脂）であってもよい。

ところで、この第１実施形態の熱交換器組立体１００においては、一方の熱交換器１０の中間ポート１１ｄから一方の熱交換器１０の流出ポート１１ｂに至る熱交換通路１１ｃの通路長さとこれに作用する流路抵抗が、他方の熱交換器２０の流入ポート２１ａから他方の熱交換器２０の中間ポート２１ｄに至る熱交換通路２１ｃの通路長さとこれに作用する流路抵抗にそれぞれ略等しくなるように設定されている。

また、この第１実施形態の熱交換器組立体１００においては、第１接続管３０の通路径と長さが、第２接続管４０の通路径と長さにそれぞれ略等しくなるように設定されている。なお、図１および図２においては、作図上の関係から、第１接続管３０と第２接続管４０の長さが異なるように表わされている。

上記のように構成した第１実施形態の熱交換器組立体１００においては、一方の熱交換器１０の中間ポート１１ｄが設けられている部分にて分流した流体燃料（内部流体）が他方の熱交換器２０の中間ポート２１ｄが設けられている部分にて合流する。このため、当該熱交換器組立体１００の分流部分から合流部分までの間では、熱交換通路１１ｃ、２１ｃが並列であり、当該熱交換通路１１ｃ、２１ｃでの圧力損失を低減することが可能である。

したがって、流入ポートと流出ポートを備えるとともに前記流入ポートと前記流出ポートを連通させる熱交換通路を備えた熱交換器を二つ組み合わせる際に、上記した中間ポート１１ｄに相当する中間ポートが設けられていない一方の熱交換器の流出ポートが、上記した中間ポート２１ｄに相当する中間ポートが設けられていない他方の熱交換器の流入ポートに接続されて連通し、一方の熱交換器の流入ポートから他方の熱交換器の流出ポートに向けて前記熱交換通路内を流れる流体燃料（内部流体）と前記熱交換通路外の空気（外部流体）との間にて熱交換されるように構成した場合（比較例）に比して、当該熱交換器組立体１００内での流体燃料（内部流体）の圧力損失が低減するとともに、同等の熱交換性能が得られる。

これにより、当該熱交換器組立体１００での熱交換性能を低減させることなく、当該熱交換器組立体１００内での流体燃料（内部流体）の圧力損失を低減させることが可能である。なお、当該熱交換器組立体１００内での流体燃料（内部流体）の圧力損失は、一方の熱交換器１０の流入ポート１１ａから中間ポート１１ｄまでの流路抵抗をＲとし、一方の熱交換器１０の中間ポート１１ｄから流出ポート１１ｂまでの流路抵抗を２Ｒとし、他方の熱交換器２０の流入ポート２１ａから中間ポート２１ｄまでの流路抵抗を２Ｒとし、他方の熱交換器２０の中間ポート２１ｄから流出ポート２１ｂまでの流路抵抗をＲとした場合、一方の熱交換器１０の流入ポート１１ａから他方の熱交換器２０の流出ポート２１ｂまでの流路抵抗が３Ｒ（＝Ｒ＋１／{（１／２Ｒ）＋（１／２Ｒ）}＋Ｒ）となる。これに対して、上記した比較例では、一方の熱交換器の流入ポート（１１ａ）から他方の熱交換器の流出ポート（２１ｂ）までの流路抵抗が６Ｒ（＝３Ｒ＋３Ｒ）となり、当該熱交換器組立体１００での圧力損失は、上記した比較例での圧力損失の０．５（＝１／２）程度になる。

また、当該熱交換器組立体１００内での流体燃料（内部流体）の圧力損失は、一方の熱交換器１０の流入ポート１１ａから中間ポート１１ｄまでの流路抵抗をＲとし、一方の熱交換器１０の中間ポート１１ｄから流出ポート１１ｂまでの流路抵抗をＲとし、他方の熱交換器２０の流入ポート２１ａから中間ポート２１ｄまでの流路抵抗をＲとし、他方の熱交換器２０の中間ポート２１ｄから流出ポート２１ｂまでの流路抵抗をＲとした場合、一方の熱交換器１０の流入ポート１１ａから他方の熱交換器２０の流出ポート２１ｂまでの流路抵抗が２．５Ｒ（＝Ｒ＋１／{（１／Ｒ）＋（１／Ｒ）}＋Ｒ）となる。これに対して、上記した比較例では、一方の熱交換器の流入ポート（１１ａ）から他方の熱交換器の流出ポート（２１ｂ）までの流路抵抗が４Ｒ（＝２Ｒ＋２Ｒ）となり、当該熱交換器組立体１００での圧力損失は、上記した比較例での圧力損失の０．６２５（＝２．５／４）程度になる。

また、上記のように構成した第１実施形態の熱交換器組立体１００においては、各熱交換器１０、２０における熱交換通路１１ｃ、２１ｃの中間部に中間ポート１１ｄ、１２ｄを設けて、各熱交換器１０、２０の内部に分岐部（分流部、合流部）が形成されるように構成したため、３方向ユニオンのような接続具が不要であり、当該熱交換器組立体１００を構成部品点数が少なくてシンプルで安価に構成することが可能である。

また、上記のように構成した第１実施形態の熱交換器組立体１００においては、一方の熱交換器１０の中間ポート１１ｄから一方の熱交換器１０の流出ポート１１ｂに至る熱交換通路１１ｃの通路長さとこれに作用する流路抵抗が、他方の熱交換器２０の流入ポート２１ａから他方の熱交換器２０の中間ポート２１ｄに至る熱交換通路２１ｃの通路長さとこれに作用する流路抵抗にそれぞれ略等しくなるように設定されている。また、第１接続管３０の通路径と長さが、第２接続管４０の通路径と長さにそれぞれ略等しくなるように設定されている。

このため、一方の熱交換器１０の中間ポート１１ｄから一方の熱交換器１０の流出ポート１１ｂに至る熱交換通路１１ｃを流れる流体燃料（内部流体）の流量と、他方の熱交換器２０の流入ポート２１ａから他方の熱交換器２０の中間ポート２１ｄに至る熱交換通路２１ｃを流れる流体燃料（内部流体）の流量を略等しくすることが可能であり、一方の熱交換器１０の中間ポート１１ｄが設けられている部分にて分流した流体燃料（内部流体）が他方の熱交換器２０の中間ポート２１ｄが設けられている部分にて合流する際に発生する圧力損失を小さくすることが可能である。

上記した第１実施形態の熱交換器組立体１００においては、各熱交換器１０、２０における熱交換通路１１ｃ、２１ｃに少なくとも一つの隔壁Ｓが設けられている実施形態について説明したが、図３に示した変形実施形態の熱交換器組立体１００のように、各熱交換通路１１ｃ、２１ｃに隔壁Ｓを設けないで実施することも可能である。

また、上記した第１実施形態の熱交換器組立体１００においては、一方の熱交換器１０と他方の熱交換器２０が所定の間隔Ｈｏで上下に積み合わせるように配置される実施形態について説明したが、図４に示した第２実施形態の熱交換器組立体１００のように、一方の熱交換器１０と他方の熱交換器２０が車両の前後方向に配置されるように構成して本発明を実施することも可能である。なお、一方の熱交換器１０と他方の熱交換器２０が車両の左右方向にて並列的に配置されるように構成（図２参照）して本発明を実施することも可能である。

また、上記した第１実施形態の熱交換器組立体１００においては、一方の熱交換器１０の中間ポート１１ｄから一方の熱交換器１０の流出ポート１１ｂに至る熱交換通路１１ｃの通路長さとこれに作用する流路抵抗が、他方の熱交換器２０の流入ポート２１ａから他方の熱交換器２０の中間ポート２１ｄに至る熱交換通路２１ｃの通路長さとこれに作用する流路抵抗にそれぞれ略等しくなるように設定するとともに、第１接続管３０の通路径と長さが、第２接続管４０の通路径と長さにそれぞれ略等しくなるように設定して実施したが、これらの構成を採用しないで本発明を実施することも可能である。

また、上記各実施形態においては、流体燃料を空気（走行風）により冷却する自動車用のフューエルクーラに本発明を実施したが、本発明は他の種々な熱交換器にも同様にまたは適宜変更して実施することが可能であり、上記各実施形態に限定されるものではない。

本発明による熱交換器組立体の第１実施形態を概略的に示した部分斜視図である。図１に示した各熱交換器の内部構造を示す一部省略の中央横断平面図である。図１および図２に示した第１実施形態の変形実施形態を示す一部省略の中央横断平面図である。本発明による熱交換器組立体の第２実施形態を概略的に示す一部省略の中央横断平面図である。

符号の説明

１００…熱交換器組立体、１０…一方の熱交換器、１１…熱交換器本体、１１ａ…流入ポート、１１ｂ…流出ポート、１１ｃ…熱交換通路、１１ｄ…中間ポート、１２…流入パイプ、１３…流出パイプ、１４…中間パイプ、２０…他方の熱交換器、２１…熱交換器本体、２１ａ…流入ポート、２１ｂ…流出ポート、２１ｃ…熱交換通路、２１ｄ…中間ポート、２２…流入パイプ、２３…流出パイプ、２４…中間パイプ、４０…第１接続管、５０…第２接続管

Claims

流入ポートと流出ポートを備えるとともに前記流入ポートと前記流出ポートを連通させる熱交換通路を備えた熱交換器を二つ組み合わせて構成した熱交換器組立体であり、前記各熱交換器には前記熱交換通路の中間部に連通する中間ポートがそれぞれ設けられていて、一方の熱交換器の中間ポートが他方の熱交換器の流入ポートに接続されて連通し、一方の熱交換器の流出ポートが他方の熱交換器の中間ポートに接続されて連通しており、一方の熱交換器の流入ポートから他方の熱交換器の流出ポートに向けて前記熱交換通路内を流れる内部流体と前記熱交換通路外の外部流体との間にて熱交換されるように構成した熱交換器組立体。
請求項１に記載の熱交換器組立体において、一方の熱交換器の中間ポートから一方の熱交換器の流出ポートに至る熱交換通路の通路長さとこれに作用する流路抵抗が、他方の熱交換器の流入ポートから他方の熱交換器の中間ポートに至る熱交換通路の通路長さとこれに作用する流路抵抗にそれぞれ略等しくなるように設定されていることを特徴とする熱交換器組立体。
請求項２に記載の熱交換器組立体において、一方の熱交換器の中間ポートと他方の熱交換器の流入ポートを接続させる第１接続管の通路径と長さが、一方の熱交換器の流出ポートと他方の熱交換器の中間ポートを接続させる第２接続管の通路径と長さにそれぞれ略等しくなるように設定されていることを特徴とする熱交換器組立体。