JP5401476B2 - 複合材からなる熱交換器端部構造体 - Google Patents

Description

本特許情報開示は、概略的には熱交換器に関し、より詳細には、管束の全長に沿って流れ反転移行領域を形成するように構成された熱交換器を密封する、エラストマー性の端部構造体を組み込んだ熱交換器に関する。

熱交換器は様々な用途に使用することができ、いくつかの異なる形態をもち得る。単なる例として、内燃機関用のオイル冷却器は、しばしば、実質的に分離した熱交換管からなる管束を囲む細長いハウジングの形態をとる。これらの管は、各管が最大６つの別の管で囲まれたほぼ六角形のパターンで束ねられることが多い。もちろん、他のパターンを利用してもよい。管束は熱伝導フィンおよび／または流れ誘導バッフルに通して取り付けられ、バッフルおよび伝導フィンによって支持することができ、バッフルおよび伝導フィンは、ハウジングへの流入口から流出口の間に、蛇行する流路を形成するようにハウジング内に配置される。

例示的な従来の熱交換装置は、２００７年７月１７日に登録の、アムスタッツ（Ａｍｓｔｕｔｚ）らによる（特許文献１）に図示して説明されている。この（特許文献１）に開示された熱交換器の実施形態は、高い効率で冷却するのに適した構造を有する。特に、この（特許文献１）は、管束が配置される熱交換空洞を画定するハウジングを有する熱交換器を開示している。管束は、特定のパターンで配置された複数の管で形成される。開示された実施形態は、バッフルの配置を利用して管束を支持する。管束、バッフル、およびハウジングは、流入口と流出口の間の蛇行する流路を画定する。蛇行する流路は、管に対してほぼ垂直な複数のセグメントを含む。これらのセグメントは、流れ方向変更ウインドウによって分離される。流れ方向変更ウインドウにおいて、管束は、比較的大きな空隙距離でハウジングから離れている。流れ方向変更ウインドウから外れた位置において、管束は、かなり小さい空隙距離でハウジングから離れている。ハウジングの端部は、管束の管を囲み、ハウジングに延びる、弾性材料からなる端部構造体などの従来からの方法によって塞がれる。この構成は、内部動作圧力がかかる場合に、漏れに対して熱交換チャンバを封止するのに適する。一方、内部圧力および／または空隙距離が増大すると、封止がさらに困難になる可能性がある。したがって、良好な封止関係を維持しながら、管束とハウジングとの間の領域内で端部構造体を支持する構成が望ましい。

米国特許第７，２４３，７１１号明細書

本開示は、１つの態様では、熱交換器について説明する。熱交換器は、熱交換空洞の一部を画定する内壁を有するハウジングを含む。複数の管を含む管束がハウジング内に配置される。少なくとも１つの弾性端部構造体が、管束を形成する管の少なくとも一部に対して交差する関係を保ち、熱交換空洞にわたって、少なくとも部分的に、圧縮されて栓を形成する関係を保って配置される。熱交換器は、複数の流れ方向変更ウインドウを含む蛇行する流路を利用する。管束の周縁部は、流れ方向変更ウインドウにおいて、内壁からウインドウ距離だけ離れている。弾性端部構造体は、内壁と管束の周縁部との間に延在する少なくとも１つの境界セグメントを含む。境界セグメントは、第１の圧縮弾性係数であることを特徴とする第１の材料で形成された少なくとも第１の領域を含む。境界セグメントはまた、第２の圧縮弾性係数であることを特徴とする第２の材料で形成された少なくとも第２の領域を含む。第２の圧縮弾性係数は、前記第１の圧縮弾性係数よりも大きい。

別の態様では、本開示は、熱交換器を組み立てる方法について説明する。その方法は、熱交換空洞の一部を画定する内壁を有するハウジングを用意することを含む。方法は、複数の管を含む管束を用意し、その管束をハウジング内に配置することをさらに含む。ハウジングは、管の少なくとも一部に対して交差する関係を保ち、熱交換空洞にわたって、少なくとも部分的に、圧縮されて栓を形成する関係を保って配置された少なくとも１つの弾性端部構造体で封止される。端部構造体は、内壁と管束との間に配置された少なくとも１つの境界セグメントを含む。境界セグメントは、第２の圧縮弾性係数であることを特徴とする少なくとも第２の材料とともに、第１の圧縮弾性係数であることを特徴とするエラストマー性の第１の材料を少なくとも含む。第２の圧縮弾性係数は、第１の圧縮弾性係数よりも大きい。

別の態様では、封じ込めユニットが提供される。封じ込めユニットは、開口を備えた構造体を含む。封止部材が開口内に配置される。封止部材は、内部部分および少なくとも１つの境界セグメントを含む。境界セグメントは、第２の圧縮弾性係数であることを特徴とする少なくとも第２の材料とともに、第１の圧縮弾性係数であることを特徴とするエラストマー性の第１の材料を少なくとも含む。第２の圧縮弾性係数は、前記第１の圧縮弾性係数よりも大きい。

本開示による多領域弾性端部構造体を組み込んだ例示的な熱交換器を示す概略図である。 図１の熱交換器内の熱交換空洞を示す概略断面図である。 図１の熱交換器の多領域端部構造体を示す、図２の３−３線にほぼ沿った概略図である。 別の多領域端部構造体構成を示す図３と同様の概略図である。 別の多領域端部構造体構成を示す図３と同様の概略図である。

本開示は、ハウジング内に配置された管束を有し、弾性端部構造体が、熱交換空洞にわたって、少なくとも部分的に、圧縮されて栓を形成する関係を保って配置された熱交換器に関する。弾性端部構造体は、ハウジングの内壁と管束の周縁部との間に延在する１つまたは複数の境界セグメントを含む。境界セグメントは、異なる圧縮特性を有し、境界セグメントに対する支持を強化する材料の組み合わせを含む。

以下に図面を参照するが、種々の図において、同様の参照数字は同様の要素を示す。図１は、オイル冷却器などの例示的な熱交換器１２を示している。この点について、当然のことながら、熱交換器１２は、内燃機関などで使用されるオイル冷却器の形態で図示されているが、決してそのような構成または用途に限定されるものではない。それどころか、本開示による例示的な熱交換器１２は、多数の形態をとることができ、使用者が所望する多数の用途に適応することができる。

例示的な構成では、熱交換器１２は、流入口１６および流出口１８を有する構造体またはハウジング１４を含む。ハウジング１４は、公知の材料を使用して任意の適切な態様で製造することができる。単なる例として、１つの適切な構成材料には、鋳造アルミニウムを挙げることができ、この鋳造アルミニウムは、最終形態に仕上げるのに機械加工される。ハウジング１４は、冷却すべきオイルまたは他の流体用の流入口１６および流出口１８を含む。複数の管２１で形成された管束２０（図２）は、ハウジング１４によって画定される熱交換空洞内に取り付けられている。管２１は、銅または他の熱伝導性材料で形成され、当業者には公知の態様で冷却剤流体を通す。動作時、高温オイルまたは他の流体が流入口１６から熱交換器１２に入る。次いで、流体は、管束２０に沿って進み、低温となって流出口１８から出る。

図２で最もよく分かるように、例示的な構成のバッフル２３が、ハウジング１４の全長に沿って複数の位置に配置されている。バッフル２３は、管束２０の一部を囲んでいる。バッフル２３は、ハウジング１４の内部断面と概略的に合致し、ハウジング１４によって画定される空洞にわたって、完全ではないが部分的に延在する。こうして、バッフル２３、管束２０、およびハウジング１４は、流入口１６から始まり、流出口１８で終わる、蛇行する流路２５を画定する。蛇行する流路２５は、管２１に対してほぼ垂直に延びるセグメントを含む。これらのセグメントは、流れ方向変更ウインドウ３０によって分離されている。このように、ハウジングは、管束２０が配置された熱交換空洞２４を画定する。

図２および図３を共に参照すると、ハウジング１４は、その空洞長さ４３に沿ってほぼ一様な内壁２２を含む（図２）。内壁２２は、管束２０およびバッフル２３をスライドさせて受け入れる寸法に合わせた形状を有する。したがって、例示的な熱交換空洞２４は、空洞幅４０および空洞高さ４２を有する一様断面とともに、空洞長さ４３を有すると考えることができる。管束２０は、管束周縁部を画定する周縁管セット２６を含み、管束周縁部は、流れ方向変更ウインドウ３０において、ハウジング１４の内壁２２からウインドウ距離２８だけ離れ、ウインドウから遠ざかったところでは空隙距離２７だけ離れている。ウインドウ距離２８は通常、空隙距離２７より大きい。空隙距離２７は、管束２０内の管２６間の間隔とほぼ同じとすることができるが、より大きいか、またはより小さい空隙距離を使用してもよい。この点について、当然のことながら、空隙距離２７は一様である必要はなく、周縁管セット２６の少なくともいくつかのものは内壁２２と接触してもよい。ウインドウ距離は、流れ方向変更ウインドウ３０での蛇行流路２５の断面でもって、不適切に制限することなく流れを受け入れることができ、それによって、動作時に熱交換器１２の両端間の圧力降下を小さくするような距離とされる。見て分かるように、例示的な熱交換器１２および熱交換空洞２４が、ほぼ六角形の断面を有するとして示されているが、いくつもの他の形状を同様に使用することができる。単なる例として、そのような他の形状には、他の多角形形状、円形状、楕円形状などがあり得る。

示すように、熱交換器１２は、熱交換空洞２４を封止するのに使用する、例示的な圧縮性端部構造体５０を組み込んでいる。端部構造体５０は、ハウジング１４の内部にわたって、圧縮されて栓を形成する関係を保って配置されている。図示した例示的な端部構造体５０は、端部構造体５０の内部部分５２で、管２１に対して囲む関係を保って配置された、弾性材料からなる母材を含む。弾性材料からなる母材は、周縁管セット２６から内側の部分を包含する。単なる例であり、限定しないものとして、母材を形成する弾性材料には、クロロプレン、シリコーン、ＥＰＤＭ、ＦＫＭ、ポリウレタン、ＨＮＢＲなどのエラストマーを挙げることができる。図示した例示的な端部構造体５０はまた、管束２０とハウジング１４の内壁２２との間に配置された一対の境界セグメント５６を含む。示すように、境界セグメント５６は、流れ方向変更ウインドウ３０の断面寸法と軸方向にほぼ合致していて、境界セグメント５６の大きさおよび形状は、流れ方向変更ウインドウ３０の断面形状とほぼ一致している。ただし、必要に応じて、他の形状を同様に使用することができる。この点について、当然のことながら、図示した端部構造体５０は、一対の境界セグメント５６を含むが、端部構造体５０は、管束２０のまわりの別の位置に配置された、形状および大きさが異なる任意の数量の境界セグメントを含むことができるとさらに考えられる。

境界セグメント５６の配置または形状にかかわらず、１つまたは複数のそのような境界セグメント５６は、剛性レベルが異なることを特徴とする領域を含む複合構造体になる。特に、少なくとも１つの境界セグメント５６は、第１の圧縮弾性係数であることを特徴とする、エラストマーなどの材料から形成された１つまたは複数の低弾性係数領域６０を含む。境界セグメント５６はまた、低弾性係数領域６０を形成する材料よりも大きい第２の圧縮弾性係数であることを特徴とする材料から形成された、１つまたは複数の高弾性係数領域６２を含む。当業者には分かるように、より高い圧縮弾性係数を有する材料は剛性がより高く、圧縮荷重がかかった状態で、弾性変形に対してより大きい抵抗性を示す。したがって、同等の圧縮レベルにおいて、低弾性係数領域６０は、高弾性係数領域６２よりも大きな弾性変形を受けやすい。高弾性係数領域６２は、実質的に圧縮できないか、または低弾性係数領域６０に比べて圧縮性をわずかに有することができる。低弾性係数領域６０および高弾性係数領域６２は、境界セグメント５６全体にわたって、各位置で互いに概ね隣接した関係を保って配置することができる。

単なる例として、図３に示した構成において、低弾性係数領域６０は、エラストマー材料で形成することができる。高弾性係数領域６２は、境界セグメント５６全体にわたって開口に挿入された、またはモールド成型されたプラグの形態とすることができて、低弾性係数領域６０が、プラグを実質的に囲むようにプラグ間のすき間を占める。低弾性係数領域６０は内壁２２まで延在し、それによって、端部構造体５０とハウジング１４との間の封止関係を形成する。図示した構成では、プラグは、管束２０内の管２１のパターンと概ね一致するパターンで配置されている。ただし、いくつもの他の構成を同様に利用することができる。１つの企図された実施例によれば、低弾性係数領域６０は、内部部分５２で管２１を囲んでいる母材と同じエラストマーで形成することができる。ただし、必要に応じて、他の弾性材料を同様に利用することができる。低弾性係数領域６０は、必要に応じて、２つ以上のエラストマーを含むことができるとも考えられる。プラグは、低弾性係数領域６０と比べて圧縮弾性係数が高い任意の適切な材料で形成することができる。単なる例として、適切なプラグ材料には、鋼または他の金属、高剛性のエラストマー、木材、プラスチック、セラミックなどを挙げることができる。プラグは、端部構造体５０に加わる大きな圧縮力によって所定の位置に維持されるが、必要に応じて、接着および／またはモールド成型を使用して安定性を維持することもできる。

いくつもの他の構成を利用して、熱交換器端部構造体の境界セグメント全体にわたって、大きく圧縮できる領域と低圧縮領域との組み合わせを形成できるとも考えられる。単なる例として、図４は、ハウジング１１４の内部で、圧縮された関係のまま保持された端部構造体１５０の構成を示している。見て分かるように、前に挙げた要素に対応する図４の要素は、１００番台の同様の参照数字で示されている。図４に示した構成では、高弾性係数領域１６２は、境界セグメント１５６全体にわたって配置された挿入物の形態をとっている。低弾性係数領域１６０は、挿入物に隣接する領域を占め、挿入物を実質的に囲むことができる。図示した構成では、挿入物はほぼ台形の形状である。ただし、いくつもの他の構成を同様に利用することができる。さらに、図示した構成は、高弾性係数領域１６２を形成するのに単体の挿入物を利用しているが、必要に応じて、複数の挿入物を境界セグメント１５６全体にわたって使用できると考えられる。示すように、低弾性係数領域１６０は内壁１２２まで延在し、それによって、端部構造体１５０とハウジング１１４との間の封止関係を形成している。低弾性係数領域１６０は、管１２１を囲んでいる母材と同じエラストマーで形成することができるが、必要に応じて、異なるエラストマーを使用してもよい。低弾性係数領域１６０は、必要に応じて、２つ以上のエラストマーを含むことができるとも考えられる。挿入物は、低弾性係数領域１６０と比べて圧縮弾性係数が高い任意の適切な材料で形成することができる。単なる例として、そのような材料には、高剛性のエラストマー、金属、木材、プラスチック、セラミックなどを挙げることができる。挿入物は、端部構造体１５０に加わる大きな圧縮力によって所定の位置に維持されるが、必要に応じて、接着および／またはモールド成型を使用して安定性を維持することもできる。

図５は、ハウジング２１４の内部で、圧縮された関係のまま保持された端部構造体２５０の構成を示している。見て分かるように、前に挙げた要素に対応する図５の要素は、２００番台の同様の参照数字で示されている。図５に示す構成では、高弾性係数領域２６２は、境界セグメント２５６全体にわたって特定の位置で、選択的に化学変性させるか、または化学物質を添加することで形成される。低弾性係数領域２６０は、高弾性係数領域２６２に隣接する領域を占め、高弾性係数領域２６２を実質的に囲むことができる。図示した構成では、高弾性係数領域２６２はほぼ楕円形である。ただし、いくつもの他の構成を同様に利用することができる。低弾性係数領域２６０は内壁２２２まで延在することができ、それによって、端部構造体２５０とハウジング２１４との間の封止関係を形成する。ただし、必要に応じて、高弾性係数領域２６２も内壁２２２と接触して、封止境界部の一部を確立することができる。低弾性係数領域２６０は、管２２１を囲んでいる母材と同じエラストマーで形成することができるが、必要に応じて、異なるエラストマーを使用してもよい。低弾性係数領域２６０は、２つ以上のエラストマーを含むことができるとも考えられる。単なる例として、１つの実施例によれば、高弾性係数領域２６２は、様々なフィラまたは他の添加物を選択的に局在させて導入することで、および／あるいは境界セグメント２５６の全体にわたり局所的な位置で、架橋剤または他の硬化剤を基剤のエラストマー組成物に選択的に導入することで形成することができる。そのような助剤は局所的に剛性を高め、それによって、圧縮弾性係数を局所的に大きくする。

弾性端部構造体の境界セグメント全体にわたって複数の位置に高弾性係数領域が存在することで、境界セグメントを支持する助けとなることが分かった。このように支持を増強することは、管束とハウジングとの間の距離を広げること、および／または熱交換空洞内の圧力を上げることの実現に寄与する。特定の理論に限定されることなく、境界セグメント全体にわたって、複数の位置に高弾性係数領域が存在することで、端部構造体全体にわたって応力分布の均一性を高めることが容易になると理論付ける。周囲を囲むハウジングによって加えられた圧縮力は、こうして端部構造体全体に向けられ、それによって、低圧縮領域を回避するので、構造体全体の安定性が改善される。

本開示による多領域封止要素には、熱交換器以外の環境での用途があり得るとも考えられる。この点について、そのような装置は、加圧された、または加圧されないいくつもの封じ込めユニットで、封止構造体として適用することができる。単なる例として、そのような封じ込めユニットには、様々な貯蔵タンク、化学反応容器、および構造体の開口全体にわたって良好な封止関係を必要とするその他同種のものなどを挙げることができる。

本開示による熱交換器または他のユニットの産業上の利用可能性については、前述の説明から容易に分かるであろう。この点について、熱交換器に関する本開示は、ハウジング内で管束を利用し、弾性封止部材を組み込み、封止部材のセグメントが管束の周縁部から外側に延在する、事実上任意の熱交換環境に適用される。本開示による熱交換器を使用して、水、オイル、空気などの流体を冷却することができる。そのような熱交換器には、熱交換器を通る蛇行流路を使用して熱伝導が行われる環境での特定の用途があり得る。

実際上、本開示による熱交換器は、産業機械、幹線道路走行車両、および空間が限定され、高い冷却効率を必要とするその他同種類のものなどの環境で利用することができる。そのような環境では、比較的大きい流れ方向変更ウインドウを組み込んだ、ハウジングを通る蛇行流路を使用することで、冷却効率を改善することができる。弾性端部構造体を使用して、熱交換空洞を漏れに対して効率的に封止することができる。弾性端部構造体の境界セグメント内に、比較的高いレベルの圧縮弾性係数を有する材料を組み込む、および／または分散させることで、弾性端部構造体とハウジングとの間の、圧縮による周縁部封止関係を維持しながら、安定性を高めることができる。

本開示による封止要素には、熱交換機内での使用に加えて、大きな開口全体にわたって確実な封止を必要とする事実上任意の構造体での産業用途があり得る。これには、確実な封止を必要とする任意の貯蔵または反応構造体での使用を含めることができる。

Claims (10)

1. 熱交換空洞（２４）の一部を画定する内壁（２２、１２２、２２２）を有するハウジング（１４、１１４、２１４）と、
   前記ハウジング（１４、１１４、２１４）内に配置された複数の管（２１、１２１、２２１）を含む管束（２０）と、
   前記複数の管（２１、１２１、２２１）の少なくとも一部に対して交差する関係を保ち、前記熱交換空洞（２４）にわたって、少なくとも部分的に圧縮された関係を保って配置された少なくとも１つの弾性端部構造体（５０、１５０、２５０）と、
   を含む熱交換器（１２、１１２、２１２）であって、
   前記少なくとも１つの弾性端部構造体（５０、１５０、２５０）は、前記内壁（２２、１２２、２２２）と前記管束（２０）との間に配置された少なくとも１つの境界セグメント（５６、１５６、２５６）を含み、前記少なくとも１つの境界セグメント（５６、１５６、２５６）は、第２の圧縮弾性係数であることを特徴とする少なくとも第２の材料とともに、第１の圧縮弾性係数であることを特徴とするエラストマー性の第１の材料を少なくとも含み、前記第２の圧縮弾性係数は、前記第１の圧縮弾性係数よりも大きく、
   前記境界セグメント（５６、１５６、２５６）は、剛性レベルが異なることを特徴とする複数の領域を含む複合構造体からなり、前記エラストマー性の第１の材料は、前記境界セグメント（５６、１５６、２５６）内において、前記管束（２０）の周縁部から前記内壁（２２、１２２、２２２）まで延在すると共に、前記第１の材料の内部に配置された前記第２の材料を囲む、熱交換器（１２、１１２、２１２）。
2. 前記エラストマー性の第１の材料は、クロロプレン、シリコーン、ＥＰＤＭ、ＦＫＭ、ポリウレタン、およびＨＮＢＲからなる群から選択されるエラストマーである、請求項１に記載の熱交換器（１２、１１２、２１２）。
3. 前記第２の材料は、金属、エラストマー、木材、プラスチック、およびセラミックで構成されたグループから選択される、請求項１または請求項２のいずれかに記載の熱交換器（１２、１１２、２１２）。
4. 前記第２の材料は、前記少なくとも１つの境界セグメント（５６、１５６、２５６）全体にわたって、前記エラストマー性の第１の材料とのパターン化された関係を保って配置された複数の高弾性係数領域（６２、１６２、２６２）を画定する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱交換器（１２、１１２、２１２）。
5. 前記複数の高弾性係数領域（６２）は多数のプラグ要素を含み、前記エラストマー性の第１の材料は、１つまたは複数の前記プラグ要素を少なくとも部分的に囲む、請求項４に記載の熱交換器（１２）。
6. 少なくとも１つの前記プラグ要素は、金属、エラストマー、木材、プラスチック、およびセラミックからなる群から選択される材料で形成される、請求項５に記載の熱交換器（１２）。
7. 少なくとも１つの前記プラグ要素は鋼で形成される、請求項６に記載の熱交換器（１２）。
8. 前記第２の材料は、前記少なくとも１つの境界セグメント（１５６）全体にわたって、前記エラストマー性の第１の材料とのパターン化された関係を保って配置された複数の高弾性係数領域（１６２）を画定し、前記複数の高弾性係数領域（１６２）は多数の挿入物を含み、前記エラストマー性の第１の材料は、１つまたは複数の前記挿入物を少なくとも部分的に囲む、請求項１に記載の熱交換器（１１２）。
9. 少なくとも１つの前記くさび状挿入物は、金属、エラストマー、木材、プラスチック、およびセラミックからなる群から選択される材料で形成される、請求項８に記載の熱交換器（１１２）。
10. 前記第２の材料は、前記少なくとも１つの境界セグメント（２６２）全体にわたって、前記エラストマー性の第１の材料とのパターン化された関係を保って配置された複数の高弾性係数領域（２６２）を画定し、前記複数の高弾性係数領域（２６２）は、前記エラストマー性の第１の材料からなる、選択的に剛性化された多数の局所領域を含み、前記選択的に剛性化された局所領域は、隣接する前記エラストマー性の第１の材料の領域と比べて高い剛性を有する、請求項１に記載の熱交換器（２１２）。

Images