JP5071181B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器に関する。

自動車において、エンジンからの高温のリターン燃料を冷却してから燃料タンクに戻すことがある。たとえば、特許文献１に記載の車両用燃料冷却装置では、車内の空調で用いる冷媒と燃料との間で熱交換を行う燃料冷却系が設けられており、燃料を冷却することができる。

実際には、熱交換の効率を高めて、より効果的にリターン燃料を冷却できる熱交換器が望まれる。
特許３２８２３９１号公報

本発明は上記事実を考慮し、熱交換の効率が高く、効果的にリターン燃料を冷却できる熱交換器を得ることを課題とする。

請求項１に記載の発明では、相対的に高温のリターン燃料が流れるリターン燃料流路が折り返して形成されたリターン燃料流路部と、相対的に低温の冷媒が流れる冷媒流路が折り返して形成され前記リターン燃料流路部に 積層されて配置された冷媒流路部、を備えると共に、前記リターン燃料流路部及び前記冷媒流路のそれぞれの折り返し部分が同一の露出部分で露出するように形成された熱交換器本体と、前記露出部分を覆うと共に、前記リターン燃料流路部及び前記冷媒流路部とで分割されて分割部分に隙間が構成されたエンドプレートと、を有し、前記積層方向に見て、前記リターン燃料流路へのリターン燃料の入口となるリターン燃料入口と、前記冷媒流路への冷媒の入口となる冷媒入口とが異なる位置に配置されていることを特徴とする。

この熱交換器では、折り返して形成されたリターン燃料流路内をリターン燃料が流れ、おなじく折り返して形成された冷媒流路を冷媒が流れる。そして、リターン燃料から冷媒へと熱が移動して、リターン燃料が冷却される。リターン燃料流路及び冷媒流路はいずれも折り返して形成されているので、直線状のものと比較して流路が長くなり、熱交換の効率が高くなる。

冷媒流路が形成された冷媒流路部は、リターン燃料流路が形成されたリターン燃料流路部に積層されており、熱交換器本体は全体として層構造になっている。そしてこの積層方向に見て、リターン燃料入口と冷媒入口とが異なる位置となっている。リターン燃料入口と冷媒入口とを該積層方向で同一位置に設定すると、リターン燃料の温度は出口に近づくにしたがって低下するのに対し、冷媒の温度は出口に近づくにしたがって上昇するので、互いの出口付近では温度差が小さくなって熱交換の効率が低くなる。しかし、本発明のように、リターン燃料入口と冷媒入口とが異なる位置に設けると、それぞれの出口付近での温度差が、リターン燃料入口と冷媒入口とを同じ位置に設けた構成と比較して大きくなる。このため、熱交換の効率がそれぞれの出口付近でも高くなり、効果的にリターン燃料を冷却できる。
リターン燃料流路部及び冷媒流路部のそれぞれの折り返し部分は、熱交換器本体において同一の露出部分で露出するように形成されている。そして、エンドプレートは、この露出部分を覆うと共に、リターン燃料流路部及び冷媒流路部とで分割されており、分割部分には隙間が構成されている。このように、エンドプレートを、リターン燃料流路部の露出部分と、冷媒流路部の露出部分とに分けて隙間を構成することで、エンドプレートが一体化された構成と比較して、熱交換器本体への取り付け（溶接等）が容易になる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の熱交換器であって、前記積層方向に見て、前記リターン燃料入口と前記冷媒入口とが対角線上に配置されていることを特徴とする。

このように、リターン燃料入口と前記冷媒入口とを対角線上に配置することで、さらに熱交換の効率を高めて、効果的にリターン燃料を冷却可能となる。

請求項３に記載の発明では、請求項１又は請求項２に記載の熱交換器であって、前記リターン燃料流路部と前記冷媒流路部の間の隔壁の厚みをＳ１、前記リターン燃料流路部及び前記冷媒流路部の外周部の厚みをＳ２、折り返して形成された前記リターン燃料流路の間及び前記冷媒流路の間の隔壁の厚みをＳ３としたとき、Ｓ１＞Ｓ２＞Ｓ３を満たすことを特徴とする。

これにより、熱交換器において必要な強度が必要とされる箇所では厚みを相対的に厚くすることで、この強度を確保することができる。

本発明は上記構成としたので、熱交換の効率が高く、効果的にリターン燃料を冷却できる熱交換器が得られる。

図１には、本発明の第一実施形態の熱交換器１８を適用した車両用のリターン燃料冷却装置１２が概念的に示されている。この車両では、燃料タンク１４からメイン配管１５を経てエンジン１６に供給された燃料の一部は、リターン燃料としてリターン配管１７から熱交換器１８を通過した後、燃料タンク１４に戻されるようになっている。リターン燃料は、いったんエンジンに送られているため、高温になっている。

また、熱交換器１８には、車両の空調装置（図示省略）で使用する冷媒も通過するようになっている。冷媒は、車両の冷房等に使用される流体であり、リターン燃料と比較して低温である。そして、熱交換器１８において、リターン燃料から冷媒に熱が移動することで、リターン燃料が冷却される。

図２に示すように、熱交換器１８は、略板状に形成された熱交換器本体２０と、この熱交換器本体２０の端面に取り付けられるエンドプレート２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄとを有している。以下、４枚のエンドプレートを総称するときは、エンドプレート２２とする。

熱交換器本体２０は、アルミニウム等の金属による押し出し成形品とされており、長手方向（矢印Ｌ方向）と直交する任意の位置の断面で見たときに、図４にも示すように略同一の断面を有している。また、熱交換器本体２０は、上下方向の中央部分に層隔壁２４が形成され、さらに、層隔壁２４の上側及び下側には、外壁２６が形成されている。この層隔壁２４と外壁２６とにより熱交換器本体２０は、車両への搭載状態で上側に位置する冷媒流路層２８と、下側に位置するリターン燃料流路層３０とが矢印Ｐ方向に積層された２層構造とされている。

図３に詳細に示すように、熱交換器本体２０内には、冷媒流路層２８とリターン燃料流路層３０のそれぞれに対応して、長手方向（矢印Ｌ方向）沿った形状の流路隔壁３２が複数形成されている。なお、図３では、冷媒流路層２８のみを示しているが、その下側に同一構成（ただし、流体の長手方向は反対になっている）のリターン燃料流路層３０が構成されている。

流路隔壁３２は互いに平行となるように一定の間隔をあけて配置されており、流路隔壁３２の間が、流体（リターン燃料又は冷媒）の流路（冷媒流路３４又はリターン燃料流路３６）となっている。

本実施形態では特に、流路隔壁３２は所定枚数ごとに、熱交換器１８の長手方向のそれぞれの端部において延長部３２Ｌが形成されており、エンドプレート２２に達している。そしてこれにより、隣接する２本の流路によって、同一方向に流体が流れる一組の流路（流路組）が構成され、さらに、この流路組が、熱交換器本体２０の長手方向端部（エンドプレート２２の位置）に達するごとに折り返しされて、全体として迷路構造になっている。

なお、このように延長部３２Ｌを形成する方法は特に限定されないが、熱交換器本体２０の押し出し成形時に流路隔壁３２を延長部３２Ｌまで形成しておき、延長部３２Ｌが不要な隔壁は、延長部３２Ｌに該当する部分を除去することで、容易に形成できる。

図４に詳細に示すように、熱交換器本体２０の層隔壁２４の厚みをＳ１、外壁２６の厚みをＳ２、流路隔壁３２の厚みをＳ３として、Ｓ１＞Ｓ２＞Ｓ３の関係が成立するように、それぞれの厚みが設定されている。

また、図５にも詳細に示すように、層隔壁２４、外壁２６、流路隔壁３２には、冷媒流路３４及びリターン燃料流路３６のそれぞれの内側に突出する突起部３８が形成されている。この突起部３８により、構造的に脆弱部をつくることなく、流体（冷媒及びリターン燃料）の接触面積を広く確保している。なお、突起部３８は、熱交換器本体２０の長手方向（矢印Ｌ方向）には同一の断面を有しており、流体の流れに抵抗を生じさせないようになっている。

図１から分かるように、冷媒流路層２８には、エンドプレート２２Ａ、２２Ｂが配置され、リターン燃料流路層３０には、エンドプレート２２Ｃ、２２Ｄが配置されている。したがって、熱交換器本体２０の長手方向の一端部では、冷媒流路３４及びリターン燃料流路３６の折り返し部分が露出しているが、この露出部分が、図６（Ａ）にも示すように、エンドプレート２２が冷媒流路層２８とリターン燃料流路層３０とで分割されたエンドプレーと２２Ａ、２２Ｃで覆われている。同様に、熱交換器本体２０の長手方向の他端部においても、冷媒流路３４及びリターン燃料流路３６の折り返し部分が露出しているが、この露出部分が、冷媒流路層２８とリターン燃料流路層３０とで分割して、エンドプレーと２２Ｂ、２２Ｄとして取り付けられている。

エンドプレート２２Ａには、図１において左側の位置に開口４０Ａが形成されている。エンドプレート２２Ａが熱交換器本体２０に取り付けられると、この開口４０Ａに対応する位置が、冷媒入口４２となる。これに対し、エンドプレート２２Ｂには、図１において右側の位置に開口４０Ｂが形成されている。エンドプレート２２Ｂが熱交換器本体２０に取り付けられると、この開口４０Ｂに対応する位置が、冷媒出口４４となる。

また、エンドプレート２２Ｃにも、エンドプレート２２Ａと同様に、図１において左側の位置に開口４０Ｃが形成されており、熱交換器本体２０への取付状態では、この開口４０Ｃに対応する位置が、リターン燃料出口４８となる。これに対し、エンドプレート２２Ｄには、エンドプレート２２Ｂと同様に、図１において右側の位置に開口４０Ｄが形成されている。エンドプレート２２Ｄが熱交換器本体２０に取り付けられると、この開口４０Ｄに対応する位置が、リターン燃料入口４６となる。

したがって、本実施形態の熱交換器１８では、冷媒流路層２８リターン燃料流路層３０との積層方向（矢印Ｐ方向）に見たとき、冷媒入口４２とリターン燃料入口４６とが、熱交換器１８の対角線上で異なる位置に配置されている。同様に、冷媒出口４４とリターン燃料出口４８も、熱交換器１８の対角線上で異なる位置に配置されている。そして、冷媒流路３４とリターン燃料流路３６とは、矢印Ｐ方向に見て重なって配置されているが、冷媒の流れ方向とリターン燃料の流れ方向が全く逆の向きとなっている。

次に、本実施形態の熱交換器１８の作用を説明する。

熱交換器１８は、熱交換器本体２０に、４枚のエンドプレート２２が溶接等により取り付けられて構成される。図６（Ａ）にも示すように、熱交換器本体２０の一端側において、冷媒流路層２８に対応するエンドプレート２２Ａとリターン燃料流路層３０に対応するエンドプレート２２Ｂとに分割されている。同様に、熱交換器本体２０の他端側においても、冷媒流路層２８に対応するエンドプレート２２Ｃとリターン燃料流路層３０に対応するエンドプレート２２Ｄとに分割されている。

このようにエンドプレート２２を冷媒流路層２８とリターン燃料流路層３０とで分割したことで、熱交換器本体２０への取り付けの作業性が向上している。すなわち、たとえば図６（Ｂ）に示す第１比較例のように、分割されていない１枚のエンドプレート２２Ｅを熱交換器本体２０に溶接する場合には、エンドプレート２２Ｅの上下方向中央部分２２Ｍを熱交換器本体２０の層隔壁２４に溶接する際に作業性が悪い。これに対し、本実施形態のように、エンドプレート２２を上下に２分割すると、図６（Ａ）からも分かるように、エンドプレート２２の間から溶接ガン等を差し入れて、エンドプレート２２のそれぞれを層隔壁２４の端面に溶接でき、作業性が高くなる。

図１に示すように、熱交換器１８には、リターン燃料入口４６からリターン燃料が流入し、リターン燃料流路３６を通ってリターン燃料出口４８から流出する。また、冷媒入口４２から冷媒が流入し、冷媒流路３４を通って冷媒出口４４から流出する。このとき、リターン燃料から冷媒へと熱が移動し、リターン燃料が冷却される。

図４に示すように、熱交換器本体２０の層隔壁２４の厚みＳ１、外壁２６の厚みＳ２、流路隔壁３２の厚みＳ３の間には、Ｓ１＞Ｓ２＞Ｓ３の関係が成立している。すなわち、最も強度が必要とされるリターン燃料流路層３０と冷媒流路層２８の間の流路隔壁３２に厚みを確保して、信頼性を向上させている。また、熱交換器本体２０の外壁２６にも強度が要求されるため、この部分も流路隔壁３２よりも厚くすることで、必要な信頼性を確保している。そして、流路隔壁３２としては、層隔壁２４や外壁２６よりも薄くすることで、軽量化や低コスト化を図っている。

ここで、本実施形態では、冷媒流路３４とリターン燃料流路３６とが矢印Ｐ方向に見て重なって配置され、さらに冷媒の流れ方向とリターン燃料の流れ方向が全く逆向きとなるいわゆるカウンターフローを生じさせている。図７（Ａ）には、リターン燃料入口４６からリターン燃料出口４８までリターン燃料流路３６に沿った距離（実質的に、冷媒出口４４から冷媒入口４２まで冷媒流路３４に沿った距離と同じ）と、各位置でのリターン燃料（実線で示す）及び冷媒（二点鎖線で示す）の温度が概念的に示されている。なお、熱交換器１８に流入する時点（リターン燃料入口４６）でのリターン燃料の温度をｔ１、同じく熱交換器１８に流入する時点（冷媒入口４２）での冷媒の温度をｔ２としている。また、図７では、リターン燃料を単に「燃料」と表記している。

このグラフから分かるように、本実施形態では、リターン燃料の冷却の初期（リターン燃料入口４６の近傍）において冷媒との間で温度差が確保されてリターン燃料の熱が冷媒に効率的に伝わるが、この温度差が、リターン燃料出口４８に近づいても確保されている。すなわち、リターン燃料出口４８近傍のリターン燃料は、冷媒入口４４近傍の冷媒に熱を伝えるが、この冷媒は、熱交換器１８に流入してからの経過時間が短く、温度も低くなっている。換言すれば、リターン燃料流路３６に沿ってリターン燃料と冷媒の温度差を考えたとき、リターン燃料入口４６からリターン燃料出口４８に至るまで、所定の温度差が生じている。したがって、リターン燃料の冷却の初期から終期に至るまで、効果的にリターン燃料を冷却できる。

これに対し、図７（Ｂ）には第２比較例として、リターン燃料入口と冷媒入口を矢印Ｐ方向（図１参照）に見て同じ位置とし、リターン燃料出口と冷媒出口も同じ位置とした構成における、リターン燃料及び冷媒の温度が概念的に示されている。すなわち、この比較例では、図１に示す矢印Ｐ方向に見ると、同じ位置からリターン燃料と冷媒とが熱交換器に入って同一の流路を流れ、同じ位置から流出する。

このグラフから分かるように、比較例では、リターン燃料の冷却の初期（リターン燃料入口４６の近傍）では温度差が大きいが、リターン燃料出口４８に近づくにしたがってリターン燃料の温度は低下し冷媒の温度は上昇するため、温度差が小さくなってしまう。したがって、比較例の構成では、リターン燃料の冷却の終期での冷却効率が、本実施形態と比較して低下している。

このように、本実施形態では、リターン燃料の冷却の後半においても冷媒との温度差を確保することで、冷却効率を高く維持している。

また、本実施形態では、熱交換器１８において相対的に上側（上層）に冷媒流路３４と、下側（下層）にリターン燃料流路３６を配置している。したがって、たとえばこの上下関係を逆にした構造のものと比較して、冷却効率が高くなっている。

さらに、本実施形態では、冷媒流路３４及びリターン燃料流路３６のそれぞれの内側に突起部３８が形成して、流体（冷媒及びリターン燃料）の接触面積を広く確保している。したがって、このような突起部３８を形成しない構造のものと比較して、リターン燃料から熱交換器本体２０への伝熱、及び熱交換器本体２０から冷媒への伝熱の効率が高くなっており、この点においても冷却効率が高くなっている。

なお、突起部３８は、熱交換器本体２０の長手方向（矢印Ｌ方向）には同一の断面を有しており、流体の流れに抵抗を生じさせないようになっている。また、リターン燃料流路３６及び冷媒流路３４の双方が、流路の断面積を一定に維持しつつ、長手方向の端部で折り返す構造とされている。したがって、流速の変化を抑制し、且つ流路長を長く確保しており、省スペースで高い冷却効率を得ることが可能になっている。

図８には、本発明の第２実施形態の熱交換器５８が示されている。第２実施形態では、第１実施形態と比較して、リターン燃料入口４６及びリターン燃料出口４８の位置が異なっている。すなわち、リターン燃料入口４６は、矢印Ｐ方向に見て、熱交換器本体２０の長手方向一端側で冷媒入口４２と反対の位置に設定されている。また、リターン燃料出口４８も矢印Ｐ方向に見たとき、熱交換器本体２０の他端側で冷媒出口４４と反対側に設けられている。なお、熱交換器本体２０内の流路構成も、このようにリターン燃料入口４６及びリターン燃料出口４８の位置を変更したことに対応して変更されているが、これ以外は、第２実施形態の熱交換器５８は第１実施形態の熱交換器１８と同一の構成とされているので、詳細な説明を省略する。

このような構成とされた第２実施形態の熱交換器５８においても、熱交換器本体２０内では、矢印Ｐ方向に見たとき冷媒の流れ方向とリターン燃料の流れ方向を全体で見たときに、カウンターフローが生じている。すなわち、熱交換器本体２０の一端側から他端側に至る冷媒流路３４及びリターン燃料流路３６の各部分で考えるとカウンターフローは生じていないが、熱交換器５８全体で考えると、特に、矢印Ｌと直交する方向では、カウンターフローになっている。したがって、このようなカウンターフローが生じない流路構造を有する熱交換器と比較して、効率的にリターン燃料を冷却することが可能になる。

なお、第１実施形態と第２実施形態とを比較すると、第１実施形態では、リターン燃料入口４６と冷媒入口４２を、矢印Ｐ方向に見たときの対角線上に配置している。同様に、リターン燃料出口４８と冷媒出口４４も対角線上に配置している。そしてこれにより、リターン燃料入口４６からリターン燃料出口４８までの一連のリターン燃料流路３６が全体を通じて、冷媒入口４２から冷媒出口４４までの一連の冷媒流路３４と逆方向になっている。このため、第１実施形態のほうが、より高い冷却効果が得られる。

ただし、第１実施形態では、矢印Ｐ方向に見てリターン燃料入口４６と冷媒出口４４が重なっており、同様にリターン燃料出口４８と冷媒入口４２も重なっている。したがって、これらに接続するための配管の配設（取り回し）等の自由度が低くなる場合もある。これに対し、第２実施形態では、リターン燃料入口４６、冷媒出口４４、リターン燃料出口４８及び冷媒出口４４は、いずれも矢印Ｐ方向に見て重なっていないので、配管の配置等の自由度が高くなる。

また、本発明のリターン燃料及び冷媒のそれぞれの流路構造は、上記したものに限定されない。すなわち、冷媒流路層２８とリターン燃料流路層３０の積層方向に見たときに、冷媒入口４２とリターン燃料入口４４とを異なる位置に配置すれば、熱交換器全体で考えたときに、冷媒とリターン燃料がカウンターフローとなる方向が存在する。したがって、これらを同じ位置に配置した構成と比較して、効率的にリターン燃料から冷媒へと熱を伝えることが可能になる。

本発明の第１実施形態の熱交換器を用いたリターン燃料冷却装置の概略構成を示す概念図である。 本発明の第１実施形態の熱交換器を示す分解斜視図である。 本発明の第１実施形態の熱交換器を水平方向の断面で示す断面図である。 本発明の第１実施形態の熱交換器を構成する熱交換器本体の長手方向端面を示す端面図である。 本発明の第１実施形態の熱交換器を構成する熱交換器本体の流路近傍を拡大して示す拡大図である。 熱交換器の端部におけるエンドプレート取付部分を拡大して示す説明図であり、（Ａ）は本発明の第１実施形態の熱交換器、（Ｂ）は第１比較例の熱交換器をそれぞれ示す。 熱交換器における冷媒温度とリターン燃料温度の関係を示すグラフであり、（Ａ）は本発明の第１実施形態の熱交換器、（Ｂ）は第２比較例の熱交換器をそれぞれ示す。 本発明の第２実施形態の熱交換器を示す分解斜視図である。

符号の説明

１２ リターン燃料冷却装置
１８ 熱交換器
２０ 熱交換器本体
２２ エンドプレート
２４ 層隔壁
２６ 外壁（外周部）
２８ 冷媒流路層（冷媒流路部）
３０ リターン燃料流路層（リターン燃料流路部）
３２ 流路隔壁
３２Ｌ 延長部
３４ 冷媒流路
３６ リターン燃料流路
３８ 突起部
４２ 冷媒入口
４４ 冷媒出口
４６ リターン燃料入口
４８ リターン燃料出口
５８ 熱交換器

Claims (3)

1. 相対的に高温のリターン燃料が流れるリターン燃料流路が折り返して形成されたリターン燃料流路部と、相対的に低温の冷媒が流れる冷媒流路が折り返して形成され前記リターン燃料流路部に積層されて配置された冷媒流路部、を備えると共に、前記リターン燃料流路部及び前記冷媒流路部のそれぞれの折り返し部分が同一の露出部分で露出するように形成された熱交換器本体と、
   前記露出部分を覆うと共に、前記リターン燃料流路部及び前記冷媒流路部とで分割されて分割部分に隙間が構成されたエンドプレートと、
   を有し、
   前記積層方向に見て、前記リターン燃料流路へのリターン燃料の入口となるリターン燃料入口と、前記冷媒流路への冷媒の入口となる冷媒入口とが異なる位置に配置されていることを特徴とする熱交換器。
2. 請求項１に記載の熱交換器であって、前記積層方向に見て、前記リターン燃料入口と前記冷媒入口とが対角線上に配置されていることを特徴とする熱交換器。
3. 請求項１又は請求項２に記載の熱交換器であって、
   前記リターン燃料流路部と前記冷媒流路部の間の隔壁の厚みをＳ１、
   前記リターン燃料流路部及び前記冷媒流路部の外周部の厚みをＳ２、
   折り返して形成された前記リターン燃料流路の間及び前記冷媒流路の間の隔壁の厚みをＳ３としたとき、
   Ｓ１＞Ｓ２＞Ｓ３を満たすことを特徴とする熱交換器。

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