JP6058653B2 - 特に自動車用の熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、特に自動車用の熱交換器に関する。
本発明の好ましい適用分野は、“給気冷却器”と称される熱交換器を使用して充填空気を冷却する自動車用のスーパーチャージャー付きエンジンの分野である。

実際に、スーパーチャージャー付きエンジンまたはターボ圧縮ヒートエンジン、特にディーゼルエンジンには、コンプレッサまたはターボコンプレッサからくる“充填空気”と称される加圧空気が充填される。この空気は、その圧縮後に過度に高温となり、そのため、エンジンが適切に作動するように、この空気をエンジンに入る前に冷却することが望ましい。

従来、この目的のために給気冷却器が使用される。この冷却器の機能は、外気などの他の流体との熱交換によって、或いはまた、グリコール水などの液体冷却剤との熱交換によって充填空気を冷却することである。

この種の交換器または冷却器においては、複数の構造が知られている。特に、ハウジング内またはケーシング内に装着される熱交換コアを備える熱交換器が知られている。熱交換コアは、例えば、第１の流体を運ぶために平行に配置される平行なプレートまたはチューブの積層体を備え、一方、第２の流体はチューブ間で流れる。この熱交換コアを受けるケーシングは、一般に、それが流体分配ハウジング、すなわち、入口ハウジングおよび出口ハウジングに接続され得るようにその２つの端部が開放する。

２つの流体の循環は、熱交換性能にとって重要である。

既知の解決策によれば、流体の一方または２つの流体が攪乱器または乱流器を通じて循環され、それにより、２つの流体間の熱交換表面が増大される。

また、自動車分野における最新の傾向は、この種の熱交換器の全体の寸法を減少させることである。しかしながら、交換器のサイズの減少は、２つの流体間の交換表面を減少させる可能性があり、したがって、交換器の性能を変化させる可能性がある。

本発明の目的は、最小の寸法をもって、２つの流体間の熱交換の質を更に高めることである。

この目的のため、本発明の対象は、第１の流体と第２の流体との間の熱交換器であって、
−第１の流体の第１の循環チャネルと、前記第１のチャネル間にある第２の流体の第２の循環チャネルとを備える、第１の流体と第２の流体との間の熱交換のための熱交換コアと、
−前記第１のチャネルの端部が内部へと開口する、第１の流体のための入口コレクタボックスおよび第１の流体のための出口コレクタボックスと、
−第２の流体のための入口接続ピースおよび第２の流体のための出口接続ピースと、
を備える熱交換器において、
−第１の流体のための前記入口コレクタボックスおよび出口コレクタボックスは、前記コアの第１の側面に固定されるとともに、デフレクタによって分けられ、前記交換器は、前記第１のチャネル内で第１の流体のＵ循環をもたらすために前記第１のチャネルと連通する中間コレクタボックスを更に備え、
−前記交換器は、前記第１の側面に隣接する前記コアの第２の側面に固定される少なくとも１つの壁を備え、第２の流体のための前記入口接続ピースおよび出口接続ピースは、一方が他方から分離されて前記壁の一端に配置され、前記交換器は、前記第２のチャネル内の第２の流体のＵ循環のために前記第２のチャネルと連通する中間区画室を備え、
−前記中間コレクタボックスおよび前記中間区画室は、互いに垂直な前記コアの側面上に配置される、
ことを特徴とする熱交換器である。

２つの流体のＵ循環は、最小の交換器寸法をもって、熱交換性能を高めることができる。

また、前記交換器は、個別に或いは組み合わせて解釈される以下の１つ或いは複数の特徴を備え、
−前記第１および第２の流体が向流循環する；
−前記交換器は、一方側に前記入口ボックスを形成し且つ他方側に前記出口ボックスを形成するように前記デフレクタによって２つの区画室へと分割されるジョイントコレクタボックスを備える；
−第１の流体の入口コレクタボックスおよび出口コレクタボックスが２つの異なる部分によって実現される；
−前述したコアがチューブの積層体を備え、これらのチューブのうちの少なくとも２つのチューブが結合され、その場合、２つのチューブは、前記結合されたチューブの側表面が前記接続ピース間の接合部とほぼ対向して位置されるように結合され；
−前記第１のチャネルのアセンブリと連通する中間コレクタボックスは、第１の流体のＵ循環のために、前記第１の側面とは反対側の前記コアの第３の側面上に配置され；
−前記第２のチャネルのアセンブリと連通する前記中間区画室は、第２の流体のＵ循環のために、前記接続ピースとは反対側の前記壁の端部に配置され；
−前記コアは、２つの端面と、２つの小側面と、２つの大側面とを有する略平行六面体である一般形状を成し、前記第１の側面が前記コアの前記小側面であり、前記第２の側面が前記コアの前記大側面であり；
−前述した交換器は、自動車エンジンの充填空気の冷却のために構成され；
−第１の流体が充填空気であり、第２の流体がグリコール水である。

本発明の他の特徴および利点は、例示的で非限定的な一例として与えられる以下の説明および添付図面を読むと、より明確に分かる。

熱交換器の側面図を表わす。 図１の熱交換器の分解図を表わす。 図１の熱交換器コアの分解斜視図である。 図３のコアの側面図である。 図４の部分IIに係る図である。

これらの図において、本質的に同一である要素は、同じ参照数字を用いて特定される。

本発明は、特に自動車のディーゼルエンジンなどのエンジンのための充填空気を冷却するための熱交換器１に関する。

記載される実施形態によれば、この交換器は、“空気−水”交換器と呼ばれるもの、言い換えると、熱を交換する流体が空気および水である交換器である。給気冷却器の場合、水は、前述したエンジンのいわゆる“低温”冷却回路の水であることが好ましく、それは一般にグリコール水である。

この種の熱交換器１が図１に描かれている。図２の分解斜視図で更に良く分かるこの交換器１は、略平行六面体の一般形状を成す。

交換器１は、空気などの第１の流体と水などの第２の流体との間の熱交換のためのコア３を備える。

この目的のため、交換器は、コア３内での空気の循環を可能にするために、第１の流体、この場合には空気のための第１の入口コレクタボックス５と、出口空気の第２のコレクタボックス７とを備えるとともに、空気と熱を交換することによるコア３内での水の循環を可能にするために、第２の流体、この場合には水の入口接続ピース９と、水出口接続ピース１１とを備える。

図２〜図４において分かるように、コア３は略平行六面体の一般形状を有する。したがって、コア３は、２つの端面３ａ，３ｂと、２つの小側面３ｃ，３ｄと、２つの大側面３ｅ，３ｆとを有する。それぞれの大側面３ｅ，３ｆは小側面３ｃ，３ｄに隣接する。

図示の実施形態によれば、空気入口コレクタボックス５および空気出口コレクタボックス７は、コア３の例えば小側面３ｃに形成される。これらのコレクタボックス５，７は、交換器１が装着される空気回路のチャネルに接続される。

したがって、図１および図２を参照すると、コレクタボックス５，７は、図２に見えるデフレクタ１３によって上下に分けられて配置される。

交換器１のシールを確保するため、交換器は、コレクタボックスとコア３との間にシール手段（図示せず）を備える。無論、交換器１は、同様に、コレクタボックス５，７を分けるデフレクタ１３の高さにシール手段を有する。一例として、シールリングを設けることができる。

熱交換器コア３は、例えば、空気の流れのための平行チューブ１５，１５ａ，１５ｂ，１５’，１５”（図３）の積層体を備える。したがって、この積層体は、２つの端部チューブ１５ａ，１５ｂをチューブ１５の積層方向に有し、また、これらの端部チューブ１５ａ，１５ｂはコア３の端面３ａ，３ｂを画定する。

これらのチューブ１５，１５ａ，１５ｂ，１５’，１５”はそれぞれ、例えば、略扁平な一般形状を成す。

チューブ１５，１５ａ，１５ｂ，１５’，１５”はそれぞれ、入口ボックス５内および出口ボックス７内に開口する空気のための循環の第１のチャネルを規定する（図２および図３参照）。したがって、空気は、入口ボックス５によってチューブ内へ導入されるとともに、出口ボックス７によってチューブの出口で集められる。

チューブ１５，１５ａ，１５ｂ，１５’，１５”の壁を通じた空気と水との間の熱交換を促進させるべく、空気流を乱して交換表面を増大させるため、例えばこれらのチューブ１５，１５ａ，１５ｂ，１５’，１５”内に配置される略波形状を伴う攪乱フィン１７を設けることができる。

フィン１７は、例えば、チューブ１５，１５ａ，１５ｂ，１５’，１５”に半田付けされてもよい。

より正確には、既知の態様で、これらのフィン１７は、波形を形成するように変形される例えば金属ストリップから形成される波形挿入体の形態を成して実現されてもよい。各波形挿入体は、波形の端部領域を介してチューブの内壁とそれぞれ接触するように配置され得る（図５参照）。

チューブ１５，１５ａ，１５ｂは、同様に、水の流れのための第２の循環チャネルをそれら自体の間に規定する。

したがって、第２のチャネルは、チューブ１５，１５ａ，１５ｂ間に挿入され、また、コア３は、第１および第２の循環チャネルの交互の積み重ねを成す。

例えば、これらの第２のチャネル内に嵌め込まれる水流の攪乱器１９を想起できる。図３および図５には、この種の攪乱器１９が部分的な概略的態様で表わされる。

これらの攪乱器１９は、２つのチューブ間で、例えば２つの隣接するチューブ間の全長にわたって延びる。

これらの攪乱器１９は、それらを通過する水の流れに乱流をもたらす形態を成す。この目的のため、攪乱器１９は、攪乱構造を成すプレートの形態を成して、或いはまた、図示の例にしたがって２つの重ね合わされる開放した攪乱プレート１９の形態を成して実現されてもよい。

各プレート１９は、第２のチャネルを規定する２つの隣接チューブのうちの一方に半田付けされてもよい。

これらの攪乱プレート１９は、チューブ１５，１５ａ，１５ｂ間に補強材を形成するとともに、水の流れを乱すことによって交換表面を増大させることができるようにする。これは、チューブ壁を通じた空気と水との間の熱交換を可能にする。

この場合、コア３は、チューブと攪乱器１９との交互の積層体を備える。

また、この積層体では、少なくとも２つのチューブ１５’，１５”が結合され、したがって、これらのチューブは、第２のチャネルまたはプレート１９によって分離されない。図示の実施形態によれば、２つのチューブ１５’，１５”が結合される。

これらの２つの結合されたチューブ１５’，１５”は、例えば、積層体のほぼ中央に位置される。図５において更に良く分かるように、これらの２つの結合されたチューブ１５’，１５”は、コア３の第１の部分Ａまたは第１の半分と、第２の部分または半分Ｂとを画定する。

第１の部分Ａは、端部チューブ１５ａから結合されたチューブ１５’に至るまで延びる。第２の部分Ｂは、第２の結合されたチューブ１５”から反対側の端部チューブ１５ｂに至るまで延びる。

図２および図５に示される実施形態によれば、コア３の小側面３ｃの側で、第１の部分Ａのチューブ１５ａ，１５，１５’の端部が空気出口コレクタボックス７内に開口する。第２の部分Ｂのそれら自体のチューブ１５”，１５，１５ｂの端部は、入口空気コレクタボックス５内に開口する。チューブ１５’，１５”間の接合部は、２つのコレクタボックス５，７を分けるデフレクタ１３のほぼ反対側に位置される。

この配置は、コア３のチューブ内で空気の略Ｕ形状の循環を可能にする。

また、交換器１は、第１の小側面３ｃとは反対側の第２の小側面３ｄに形成される中間コレクタボックス２１（図１および図２参照）を備える。

交換器１のシールを確保するため、交換器は、この中間コレクタボックス２１とコア３との間に、シールリングなどのシール手段（図示せず）を備える。

第２の小側面３ｄの側のチューブ１５，１５ａ，１５ｂ，１５’，１５”のアセンブリの端部は、この中間コレクタボックス２１内に開口する（図２および図３参照）。

そのため、第２の部分Ｂのチューブ内で循環した空気は、それが出口ボックス７により除去されるまで、第１の部分Ａのチューブ内で循環する前にこの中間コレクタボックス２１内に収集される。

したがって、入口コレクタボックス５および出口コレクタボックス７の反対側のこの中間コレクタボックス２１は、コア３内での空気のＵ循環に関与する。

また、分配ボックス５，７，２１は、コレクタ２３（図２および図３）と相補的な関連するカバー２５，２７とによって共同で形成される。

図示の実施形態によれば、２つの入口ボックス５および出口ボックス７は、コレクタ２３と関連するカバー２５とから共同で形成される。

カバー２５は、単一部品から形成されるとともに、一方側に入口ボックス５を形成し且つ他方側に出口ボックス７を形成するようにカバー２５を２つの区画室へと分割するデフレクタ１３を備える。

コレクタ２３は、小側面３ｃの位置でチューブのアセンブリの端部に配置されて、関連するカバー２５との組み付けを可能にする。

コレクタ２３は、単一部品から形成されるとともに、チューブコアの第１の部分Ａおよび第２の部分Ｂの両方から複数のチューブ端部を受ける。

これを達成するために、コレクタ２３は、チューブ１５，１５ａ，１５ｂの端部を受けるための複数のオリフィス２９を有するとともに、２つの結合されたチューブ１５’，１５”の端部を同時に受けるための大きなオリフィス３１を備える。この大きなオリフィス３１は、例えば、単純なチューブ端のオリフィス２９の寸法の２倍を成す。

無論、２つのコレクタボックス５，７を２つのコレクタ２３と２つの関連するカバーとを伴う異なる態様で実現することもできる。

同様の態様で、中間ボックス２１は、小側面３ｄの位置でチューブのアセンブリの端部に配置されるコレクタ２３と、関連するカバー２７とから共同で形成される。

この場合、コレクタ２３は、入口ボックス５および出口ボックス７のコレクタ２３と同一である。

カバー２７は、それがデフレクタ１３によって分けられる２つの区画室を画定しないという点においてカバー２５から区別される。カバー２７は、チューブのアセンブリの端部が開口する空気収集チャンバを規定するようにコレクタ形態２３の相補的な形態を成す。

また、図１〜図４に示される実施形態によれば、交換器１は、コア３を閉じるための２つの側壁３３を備える。

これらの壁３３は、例えば、コア３と対向する２つの大側面３ｅ，３ｆに形成される。（図３）。したがって、壁３３は、コア３の積層チューブの側表面と対向する。

壁３３は、例えば半田付けによってコア３に固定されてもよい。

図２に描かれる例によれば、両側の側壁３３は、略長方形の形状であり、それにより、端部チューブ１５ａ，１５ｂと共同して開放した平行六面体形態を画定し、この平行六面体形態には、空気分配のために、一方で入口ボックス５および出口ボックス７が接続され、他方で中間ボックス２１が接続される。

これを達成するため、２つの壁３３は、端部チューブ１５ａ，１５ｂのそれぞれに対する固定手段３４を有してもよい。

前述したように、水入口接続ピース９および水出口接続ピース１１は、水がコア３内で循環できるようにする。

これを達成するため、これらの入口接続ピース９および出口接続ピース１１は、壁３３のうちの一方に配置される。より正確には、水のＵ循環を可能にするため、２つの接続ピース９，１１は、一方が他方から分離されて、壁３３の第１の端部の位置に配置される。

接続ピース９，１１は、例えば、空気入口ボックス５および空気出口ボックス７に隣接して配置される。

図３において分かるように、壁３３は、入口および出口のための例えば略円形状を成す開口３５を有してもよく、また、この開口３５の右側に、図２および図３に示されるように、交換器１の外側へ向けて方向付けられるクラウン３７を有してもよい。

このクラウン３７は、例えば切削によって実現される。

接続ピース９，１１はそれぞれ開口３５の位置に接続され、また、クラウン３７間で延びる壁３３は、入口接続ピース９と出口接続ピース１１との間にシール分離を形成する（図３および図５参照）。

また、２つのクラウン３７間で延びる壁３３によって形成されるこの分離は、２つの結合されたチューブ１５’，１５”の側表面とほぼ対向して位置される（図５参照）。

この配置は、水の略Ｕ循環を可能にする。

そのため、出口接続ピース９を介してコア３内へ導入される第２の流体、この場合は水は、第１の部分Ａのチューブ１５ａ，１５，１５’間に介挿される第２のチャネル内で循環し、その後、水は、出口接続ピース１１を介して出る前に、チューブ１５”，１５，１５ｂ間に介挿される第２のチャネル内で循環する。

また、コア３の第１の部分Ａの第２のチャネルおよび第２の部分Ｂの第２のチャネルの両方と連通する中間区画室３９（図１〜図４）が、第１の部分Ａ内で循環した水を受けた後にそれを除去するために第２の部分Ｂへと再分配するように設けられる。

したがって、この中間区画室３９は、コア３内での水のＵ循環に関与する。

中間区画室３９は、中間コレクタボックス２１が配置される側面３ｄに対して垂直なコア３の一側面上に配置される。

この特定の配置は、２つの流体の二重Ｕ循環を可能にする。

図示の実施形態によれば、この中間区画室３９は、入口接続ピース９および出口接続ピース１１と同じ壁３３上に位置されるが反対側の端部に位置される。

また、水収集チャンバを形成するように、この区画室３９は、例えば、入口接続ピース９および出口接続ピース１１を受けるためのクラウン３７と同様の態様で、壁３３のクラウンの形態を成して与えられる。

このクラウンは、例えば切削によって実現される。

また、記載された実施形態によれば、２つの流体は向流循環する。この向流循環は、熱交換器１の性能を更に向上させる。

これを達成するため、図２を参照すると、空気入口ボックス５は、水出口接続ピース１１とほぼ同じ平面上に位置され、また、空気出口ボックス７は、水入口接続ピース９とほぼ同じ平面上に位置される。

そのため、空気入口ボックス５および出口接続ピース１１はコア３の第２の部分Ｂと連通し、また、空気出口ボックス７および水入口接続ピース９はコア３の第１の部分Ａと連通する。

第１の流体および第２の流体の両方のＵ循環を可能にするこの種の交換器１は、２つの流体の循環ルートを延ばすことによって熱交換表面を増大させることができるようにする。

また、二重Ｕ循環を伴わない従来技術の交換器に対して同じ熱交換能力においては、あまり嵩張らない交換器１が得られる。

Claims (8)

1. 第１の流体と第２の流体との間の熱交換器であって、
   第１の流体の第１の循環チャネルと、前記第１の循環チャネル間にある第２の流体の第２の循環チャネルとを含み、第１の流体と第２の流体との間の熱交換のための熱交換コア（３）と、
   前記第１の循環チャネルの端部が内部へと開口する、第１の流体のための入口コレクタボックス（５）および第１の流体のための出口コレクタボックス（７）と、
   第２の流体のための入口接続ピース（９）および第２の流体のための出口接続ピース（１１）と、
   を備え、
   第１の流体のための前記入口コレクタボックス（５）および前記出口コレクタボックス（７）は、前記熱交換コア（３）の第１の側面（３ｃ）に固定されるとともに、デフレクタ（１３）によって分けられ、前記熱交換器は、前記第１の循環チャネル内で第１の流体のＵ循環をもたらすために前記第１の循環チャネルと連通する中間コレクタボックス（２１）を更に備え、
   前記熱交換器は、前記第１の側面（３ｃ）に隣接する前記熱交換コア（３）の第２の側面（３ｅ）に固定される少なくとも１つの壁（３３）を備え、第２の流体のための前記入口接続ピース（９）および前記出口接続ピース（１１）は、一方が他方から分離されて前記壁（３３）の一端に配置され、前記熱交換器は、前記第２の循環チャネル内の第２の流体のＵ循環のために前記第２の循環チャネルと連通する中間区画室（３９）を備え、
   前記中間コレクタボックス（２１）および前記中間区画室（３９）は、互いに垂直な前記熱交換コア（３）の側面（３ｄ，３ｅ）上に配置され、
   前記熱交換コアがチューブ（１５，１５ａ，１５ｂ，１５’，１５”）の積層体を備え、これらのチューブのうちの少なくとも２つのチューブ（１５’，１５”）が結合され、その場合、２つのチューブは、
   前記結合されたチューブ（１５’，１５”）の側表面が前記入口接続ピース（９）と前記出口接続ピース（１１）との間の接合部とほぼ対向して位置されるように、
   前記入口コレクタボックス（５）と前記出口コレクタボックス（７）とを分ける前記デフレクタ（１３）が前記結合されたチューブ（１５’，１５”）間の接合部とほぼ対向して位置されるように、
   結合される、
   ことを特徴とする熱交換器。
2. 一方側に前記入口コレクタボックス（５）を形成し且つ他方側に前記出口コレクタボックス（７）を形成するように前記デフレクタ（１３）によって２つの区画室へと分割されるジョイントコレクタボックスを備えることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 第１の流体の前記入口コレクタボックス（５）および前記出口コレクタボックス（７）が２つの異なる部分によって実現されることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
4. 前記第１の循環チャネルのアセンブリと連通する前記中間コレクタボックス（２１）は、第１の流体のＵ循環のために、前記第１の側面（３ｃ）とは反対側の前記熱交換コア（３）の第３の側面（３ｄ）上に配置されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の熱交換器。
5. 前記第２の循環チャネルのアセンブリと連通する前記中間区画室（３９）は、第２の流体のＵ循環のために、前記入口接続ピース（９）および前記出口接続ピース（１１）とは反対側の前記壁（３３）の端部に配置されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の熱交換器。
6. 前記熱交換コア（３）は、２つの端面（３ａ，３ｂ）と、２つの小側面（３ｃ，３ｄ）と、２つの大側面（３ｅ，３ｆ）とを有する略平行六面体である一般形状を成し、前記第１の側面（３ｃ）が前記熱交換コアの前記小側面であり、前記第２の側面（３ｅ）が前記熱交換コアの前記大側面であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の熱交換器。
7. 自動車エンジンの充填空気の冷却のために構成されることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の熱交換器。
8. 前記第１の流体が充填空気であり、前記第２の流体がグリコール水であることを特徴とする請求項７に記載の熱交換器。

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