JP6616115B2 - 熱交換器 - Google Patents

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Description

この発明は、アルミニウム合金等からなる比較的薄いコアプレートを複数積層してコア部を構成した熱交換器に関する。
オイルクーラ等の熱交換器として、アルミニウム合金等からなる比較的薄いコアプレートを複数積層し、隣接するコアプレートの間に流体の流路を形成した構成のものが知られている。この種の熱交換器は、特許文献１に記載のように、コアプレートを積層してなるコア部を、コアプレートよりも相対的に板厚が厚い底部プレートの上にろう付けし、この底部プレートを介して相手部材への取付を行うのが一般的である。なお、特許文献１には、複数のコアプレートによってオイル通路と冷却水通路とを交互に構成するようにした構成の熱交換器が開示されているが、特許文献２のように、複数のコアプレートを積層することでオイル通路のみを構成し、このコア部を冷却水が流れるハウジング内に収容して用いる形式のものも知られている。
また、特許文献２には、コア部を通らずに一部のオイルがオイル入口からオイル出口へと流れるようにバイパス通路を備えた熱交換器が開示されている。特許文献２では、コア部の頂面を覆うハウジング側にバイパス通路が形成されている。
特開２００２−３３２８１８号公報 特開２００６−１７４３０号公報
例えばオイルクーラとして用いられる熱交換器にあっては、熱交換される熱量の大小と熱交換器の通過に伴う流体つまりオイルの圧力損失（換言すれば通路抵抗）の大小とが、いわゆるトレードオフの関係にあり、熱交換器の総合的な性能を高めるためには、両者を高いレベルで両立させる必要がある。例えば、熱交換される熱量を低下させることなく通路抵抗を抑制することが望ましい。
特許文献２に開示されているバイパス通路は、オイル入口からオイル出口へとオイルの一部を熱交換しないままバイパスさせる構成であるので、通路抵抗は低減するものの、熱交換熱量が低減してしまい、熱交換器の総合的な性能の向上には寄与しない。
この発明に係る熱交換器は、
複数のコアプレートを積層してなるコア部の底面に、１枚もしくは複数枚のプレート部材からなる底部プレートが積層されており、
上記底部プレートは、流体入口ポートと流体出口ポートとを有し、
上記コア部は、コアプレート間の流体通路と連通しつつ流体をコア部の積層方向の底部プレートとは反対側へ案内する積層方向に沿った２つの第１の通路と、コアプレート間の流体通路から独立して積層方向の底部プレートへ向かう方向へ流体を案内する積層方向に沿った第２の通路と、を有し、上記コア部の底面には、一方の第１の通路の端部が上記流体入口ポートと連通するようにして開口するとともに、他方の第１の通路の端部が補助流体連通孔として開口し、かつ上記第２の通路の端部が上記流体出口ポートに連通するようにして開口しており、
コア部の頂部において少なくとも一方の第１の通路と上記第２の通路とが連通しており、
上記底部プレートには、上記補助流体連通孔と上記流体出口ポートとを連通する補助通路が形成されている。
このものでは、コアプレート間の流体通路を通過して熱交換した流体が第１の通路を通ってコア部の頂部側へ案内され、この流体は、最終的には、第２の通路を通ってコア部の底面側へ案内され、底部プレートの流体ポート（つまり流体出口）へと至る。ここで、本発明では、第１の通路を流れる流体の一部がコア部底面の端部開口から補助通路を介して流体ポート（流体出口）へと流出する。つまりコアプレート間の流体通路を通過して第１の通路へ流れ出た流体の一部が分流され、第２の通路を経ることなく流体ポート（流体出口）へと向かう。従って、通路抵抗の要因となる第２の通路を流れる流体の流量が少なくなり、通路抵抗ないし圧力損失が低減する。そして、補助通路へと分流された流体もコアプレート間の流体通路の通過に伴って熱交換したものであるから、熱交換熱量の確保に寄与する。
この発明によれば、コア部から流体出口ポートへの熱交換後の流体の排出がコア部の第２の通路を介して行われるものにおいて、一部の流体を分流して流体出口ポートと第１の通路との間で補助通路を介して通流させるようにしたので、熱交換熱量を確保しつつ第２の通路における通路抵抗を低減させることができ、トレードオフの関係にある熱交換熱量と圧力損失とをより高いレベルで両立させることが可能となる。
この発明に係る熱交換器の第１実施例を示す断面図。 この第１実施例の熱交換器の分解斜視図。 下側コアプレートの斜視図。 上側コアプレートの斜視図。 中間段下側コアプレートの斜視図。 最上段上側コアプレートの斜視図。 最下段下側コアプレートの斜視図。 第１底部プレートの斜視図。 第２底部プレートの斜視図。 第２実施例を示す断面図。 第３実施例を示す断面図。 第４実施例を示す断面図。
以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図１および図２は、この発明に係る熱交換器の一実施例として、例えば自動車用自動変速機の作動油となるオイルを冷却水との熱交換により冷却するオイルクーラを示している。なお、以下では、理解を容易にするために必要に応じて図１，図２の姿勢を基準として「上」「下」の用語を用いるが、実際のオイルクーラの使用時には、図１，図２の取付姿勢に限定されるものではない。
オイルクーラは、比較的厚い板状の第１底部プレート２および第２底部プレート３の上に、多数の薄板状のコアプレート５をフィンプレート６とともに積層してなるコア部１が載置され、かつこのコア部１の上に、コアプレート５よりも厚い頂部プレート４が重ねられた構成となっている。そして、頂部プレート４に、冷却水流入口および冷却水流出口となる一対のコネクタ７，８が取り付けられている。これらのオイルクーラの各構成部品は全てアルミニウム系材料にて構成されており、所定の状態に組み立てた後に治具で保持したまま炉内で加熱することにより各部一体にろう付けされている。なお、ろう材の供給手法としては、コアプレート５等を、アルミニウム系材料からなる母材の表面にろう材（例えば母材よりも融点が低いアルミニウム系材料）をコーティングしたいわゆるクラッド材として形成してもよく、あるいはシート状等とした別のろう材を接合面に配置するようにしてもよい。
コア部１は、図２に示すように、基本的な形状が同一の矩形状をなす浅皿状のコアプレート５をフィンプレート６とともに多数積層することで、隣接する２枚のコアプレート５の間に、オイル通路１０と冷却水通路１１（図１参照）とを交互に構成するようにしたものであり、コアプレート５としては、実際には細部が異なる複数種のコアプレート５を含み、これらが適宜に組み合わせてある。大別すると、オイル通路１０の下側に位置する下側コアプレート５Ａと、オイル通路１０の上側に位置する上側コアプレート５Ｂと、を有し、両者間（つまりオイル通路１０内）にフィンプレート６を挟み込んだ形で順次積層されている。矩形のコアプレート５は、テーパ状に立ち上がったフランジ部１２を有し、これらのフランジ部１２が互いに積層されかつろう付けされることで、オイル通路１０と冷却水通路１１とが交互に画成されている。なお、図２と図１とは、段数が異なっており、つまり、図２では、下側コアプレート５Ａおよび上側コアプレート５Ｂの組み合わせからなる一部の段を省略してある。また、図１では、フィンプレート６は図示していない。
これらのコアプレート５には、図３，図４に示すように、対角線上の２箇所に円形のオイル連通孔１３が開口形成されているとともに、異なる対角線上の２箇所に円形の冷却水連通孔１４が開口形成されており、さらに、中心位置に、円形のオイル出口孔１５が開口形成されている。これらのオイル連通孔１３や冷却水連通孔１４ならびにオイル出口孔１５は、コア部１を構成する複数のコアプレート５について、上下方向に整列した位置に設けられている。そして、各々の孔１３，１４，１５の周囲に設けられた円形のボス部１３０，１４０，１５０が互いに接合されることで、各段のオイル通路１０および冷却水通路１１がそれぞれ密封されるとともに、後述するように、上下方向に整列した冷却水通路ならびにオイル通路が構成されている。下側コアプレート５Ａと上側コアプレート５Ｂとでは、ボス部１３０，１４０，１５０の膨出方向が異なっている。また、各コアプレート５には、冷却水通路１１に向かって突出するように、半球状ないし円錐台形のディンプル１６が多数形成されている。これらのディンプル１６は、図１に示すように、冷却水通路１１内にそれぞれ位置し、下側コアプレート５Ａのディンプル１６の頂部が上側コアプレート５Ｂの平坦面に接合されるとともに、上側コアプレート５Ｂのディンプル１６の頂部が下側コアプレート５Ａの平坦面に接合されている。
なお、フィンプレート６は、詳細には図示しないが、微細なフィンを具備した一般的な構成であり、コアプレート５のオイル連通孔１３、冷却水連通孔１４およびオイル出口孔１５の位置に対応して、各々のボス部１３０，１４０，１５０が嵌合し得る大きさの円形の開口部１３１，１４１，１５１を備えている。
また、第１実施例は、いわゆるマルチパス形式のオイルクーラとして構成されており、オイル通路１０が複数段積層されている中で、中間段に相当するオイル通路１０を構成するコアプレート５（下側コアプレート５Ａおよび上側コアプレート５Ｂのいずれか一方）では、オイル連通孔１３の一方が封止されている。図５は、このようにオイル連通孔１３の一方がボス部１３０を備えた封止部１３ａとして封止されてなる中間段下側コアプレート５Ｃを示している。
最上段のオイル通路１０の上側に位置する最上段上側コアプレート５Ｄは、頂部プレート４と密接するものであるため、ディンプル１６は具備していない。そして、符号１３ｂでもって示す一方のオイル連通孔のみがボス部１３０を具備しない単純な孔として開口形成されている。図６は、この最上段上側コアプレート５Ｄの詳細を示している。
同様に最下段のオイル通路１０の下側に位置する最下段下側コアプレート５Ｅは、第１底部プレート２と密接するものであるため、ディンプル１６は具備していない。そして、符号１３ｃでもって示す一方のオイル連通孔がボス部１３０を具備しない単純な孔として開口形成されているとともに、他方のオイル連通孔に対応する位置に、相対的に小径な補助オイル連通孔１３ｄがボス部を具備しない単純な孔として開口形成されている。なお、ここでは流量調整のために補助オイル連通孔１３ｄが比較的小径となっているが、流量の設定によっては、補助オイル連通孔１３ｄを他のオイル連通孔１３と同じ径に形成することも可能である。図７は、この最下段下側コアプレート５Ｅの詳細を示している。
上述した複数のコアプレート５を積層してなるコア部１の頂部に重ねられる頂部プレート４は、最上段上側コアプレート５Ｄの上面にろう付けされるものであって、図２に示すように、最上段上側コアプレート５Ｄの一対の冷却水連通孔１４に対応する位置に冷却水流入口および冷却水流出口となるコネクタ７，８が取り付けられている。また対角線に沿って延びた膨出部１７を有し、この膨出部１７と最上段上側コアプレート５Ｄとの間で、オイル連通孔１３ｂと中央のオイル出口孔１５とを連通する頂部連通路１８（図１参照）を構成している。
図８に詳細を示す第１底部プレート２および図９に示す第２底部プレート３は、互いに積層されることでコア部１の底面に位置する「底部プレート」を構成するものである。相対的に下側に位置する第２底部プレート３は、取付孔２１ａを有する取付部２１を四隅に備えているとともに、コアプレート５の一方のオイル連通孔１３に対応した位置にオイル入口ポート２２が開口形成され、かつコアプレート５の中心のオイル出口孔１５から僅かに外側へ片寄った位置にオイル出口ポート２３が開口形成されている。オイルクーラは、上記取付部２１を介して自動変速機の制御弁ハウジング等に取り付けられ、オイル入口ポート２２およびオイル出口ポート２３がそれぞれ自動変速機側の油通路に接続されることとなる。
第１底部プレート２は、最下段下側コアプレート５Ｅの下面および第２底部プレート３の上面にそれぞれろう付けされるものであり、コアプレート５の一対の冷却水連通孔１４に対応して一対の冷却水連通孔１４ａが開口形成されているとともに、コアプレート５の一方のオイル連通孔１３に対応した位置にオイル連通孔１３ｅが開口形成されている。そして、最下段下側コアプレート５Ｅの中心のオイル出口孔１５と隅部に片寄って位置する補助オイル連通孔１３ｄと第２底部プレート３のオイル出口ポート２３との三者を互いに連通させるように、対角線に沿った細長いスリット状に補助通路２４が開口形成されている。
以上の各構成部品が積層されかつ一体にろう付けされた状態では、図１に示すように、コア部１内に、積層方向に連続したいくつかの通路が構成され、これらの通路を介して、各段のオイル通路１０を通してオイル入口ポート２２からオイル出口ポート２３へとオイルが案内される。具体的には、オイル入口ポート２２の上方に整列した各コアプレート５の一方のオイル連通孔１３を積層することで構成される上下オイル通路Ｌ１と、他方のオイル連通孔１３を積層することで構成される上下オイル通路Ｌ２と、中心のオイル出口孔１５を積層することで構成されるオイル出口通路Ｌ３と、がコア部１内に積層方向の通路として構成される。さらに、上下オイル通路Ｌ１は、中間の封止部１３ａによって下側上下オイル通路Ｌ１１と上側上下オイル通路Ｌ１２とに区分されている。
下側上下オイル通路Ｌ１１は、下端がオイル入口ポート２２に向かって開口し、該オイル入口ポート２２に直線的に接続されている。なお、図示例では、第１，第２底部プレート２，３のオイル連通孔１３ｅおよびオイル入口ポート２２は、各コアプレート５のオイル連通孔１３と基本的に等しい径を有しているが、本発明は、必ずしもこれに限られるものではなく、オイル連通孔１３と異なる径であってもよい。上側上下オイル通路Ｌ１２は、頂部プレート４により形成される頂部連通路１８に向かって上端が開口している。これらの上下オイル通路Ｌ１１，Ｌ１２は、コアプレート５Ａ，５Ｂ間の各オイル通路１０にそれぞれ連通している。
他方のオイル連通孔１３による上下オイル通路Ｌ２は、上端が最上段上側コアプレート５Ｄによって封止されている一方、下端が、最下段下側コアプレート５Ｅの補助オイル連通孔１３ｄとして第１底部プレート２の補助通路２４の一端部に向かって開口している。この上下オイル通路Ｌ２は、やはりコアプレート５Ａ，５Ｂ間の各オイル通路１０にそれぞれ連通している。
中心のオイル出口通路Ｌ３は、頂部プレート４により形成される頂部連通路１８に向かって上端が開口しているとともに、第１底部プレート２の補助通路２４の他端部に向かって下端が開口している。このオイル出口通路Ｌ３は、コアプレート５Ａ，５Ｂ間のオイル通路１０から分離・独立しており、積層方向にのみオイルが案内される。
従って、オイル出口ポート２３は、補助通路２４を介してオイル出口通路Ｌ３の下端に連通していると同時に、同じく補助通路２４を介して補助オイル連通孔１３ｄつまり上下オイル通路Ｌ２の下端に連通している。
なお、本実施例では、上記の上下オイル通路Ｌ２が請求項における「第１の通路」に相当し、上記のオイル出口通路Ｌ３が「第２の通路」に相当する。
また、図１には冷却水連通孔１４により構成される積層方向の冷却水通路については図示されていないが、各コアプレート５の冷却水連通孔１４が積層されることで、上下オイル通路Ｌ２と同様に、積層方向に沿った一対の冷却水通路が構成されている。これらの冷却水通路は、コアプレート５Ａ，５Ｂ間の冷却水通路１１にそれぞれ連通し、従って、コネクタ７，８の一方から他方へと冷却水が通流する。
次に、上記第１実施例のオイルクーラにおけるオイルの流れについて説明する。
図１にオイルの流れを矢印でもって示すように、オイル入口ポート２２から流入したオイルは、下側上下オイル通路Ｌ１１を上方へ流れ、かつコア部１の下半部に位置する各段のオイル通路１０へと案内される。各段のオイル通路１０で冷却水と熱交換したオイルは、反対側の上下オイル通路Ｌ２へ流れ出るとともに、該上下オイル通路Ｌ２を上方へ（つまり頂部側へ）流れ、コア部１の上半部に位置する各段のオイル通路１０へと案内される。つまり、コア部１内で下半部の領域から上半部の領域へとＵターンするように流れる。上半部の各段のオイル通路１０でさらに冷却されたオイルは、上側上下オイル通路Ｌ１２へ流れ出るとともに、該上側上下オイル通路Ｌ１２を上方へ流れ、頂部連通路１８を介して中心のオイル出口通路Ｌ３へと導かれる。オイル出口通路Ｌ３内でオイルは下方へ流れ、補助通路２４の一部を介してオイル出口ポート２３へと流れ出る。
以上がオイルの基本的な流れであるが、上記第１実施例においては、さらに、Ｕターンする流れの中間流路となる上下オイル通路Ｌ２の下端部から、矢印Ｌ４で示すように、補助オイル連通孔１３ｄおよび補助通路２４を介して一部のオイルがオイル出口ポート２３へと流れ出る。つまり、上下オイル通路Ｌ２において、コア部１の下半部の領域を通過した後のオイルの流れが上方へ向かう流れと下方へ向かう流れとに分流され、一部が中心のオイル出口通路Ｌ３を通過することなくオイル出口ポート２３へと案内される。
従って、通路抵抗の要因となるオイル出口通路Ｌ３を流れるオイルの流量が少なくなり、オイルクーラとしての通路抵抗ないし圧力損失が低減する。つまり、仮に補助通路２４を具備しない構成では、オイルの全量がオイル出口通路Ｌ３を流れることとなり、単位通路断面積当たりの流量が多いとともに、頂部連通路１８からオイル出口通路Ｌ３へと流れが屈曲することから、通路抵抗が大となる。上記実施例では、オイルがオイル出口通路Ｌ３と補助通路２４とを並列に流れてオイル出口ポート２３で合流するので、コア部１内での通路抵抗が低減する。そして、補助通路２４へと分流されたオイルもコアプレート５間のオイル通路１０の通過に伴って熱交換したものであるから、オイルクーラとしての熱交換熱量の確保に寄与する。換言すれば、上記実施例では、熱交換後のオイルの一部を補助通路２４を介してオイル出口ポート２３へ導くことにより、熱交換熱量を確保しつつ通路抵抗を低減させることができ、トレードオフの関係にある熱交換熱量と圧力損失とをより高いレベルで両立させることができる。なお、補助通路２４を流れる流量の割合は、補助オイル連通孔１３ｄの径の設定によって容易に調整することができる。
次に、図１０に基づいて、本発明の第２実施例を説明する。なお、以下では、主に第１実施例と異なる点のみを説明し、重複する説明は省略する。
この第２実施例では、最上段上側コアプレート５Ｄに、上下オイル通路Ｌ２の上端位置に対応してオイルバイパス孔１３ｆが開口形成されており、頂部プレート４における膨出部１７が、このオイルバイパス孔１３ｆを覆うように、対角線上に延長されている。従って、上下オイル通路Ｌ２の上端がオイルバイパス孔１３ｆを介して頂部連通路１８に連通している。
このような第２実施例では、コア部１の下半部を通過したオイルの一部が、矢印Ｌ５で示すように、オイルバイパス孔１３ｆから頂部連通路１８を介して中心のオイル出口通路Ｌ３へと流れる。つまり、オイルの一部が、コア部１の上半部のオイル通路１０をバイパスして流れる。従って、オイルクーラとしての通路抵抗ないし圧力損失がさらに低減する。バイパスする流量の割合は、オイルバイパス孔１３ｆの径の設定によって調整可能である。なお、補助通路２４の構成ならびに機能は、前述した第１実施例と同様である。
図１１は、封止部１３ａを有する中間段下側コアプレート５Ｃを用いずに、オイル入口ポート２２上方の上下オイル通路Ｌ１をコア部１底部から頂部まで連続させた第３実施例を示している。この第３実施例では、頂部プレート４の膨出部１７および最上段上側コアプレート５Ｄのオイル連通孔１３ｂの位置が、第１実施例とは反対側つまり上下オイル通路Ｌ２側となっている。
従って、この第３実施例では、オイル入口ポート２２から流入したオイルが全ての段のオイル通路１０に並列に案内され、熱交換後に上下オイル通路Ｌ２へと流れ出る。そして、この上下オイル通路Ｌ２から膨出部１７による頂部連通路１８を介して中心のオイル出口通路Ｌ３へと案内される。また、第１，第２実施例と同じく、一部のオイルは、上下オイル通路Ｌ２の下端から補助通路２４を介してオイル出口ポート２３へ導かれる。
この第３実施例では、全ての段のオイル通路１０でもって熱交換した後のオイルが２系統に分流してオイル出口ポート２３へ向かうことになる。
なお、図示例では、補助オイル連通孔１３ｄが他のオイル連通孔１３と同様の径に設定されている。
次に、図１２は本発明の第４実施例を示している。この第４実施例は、第３実施例の構成を基本構成として、第２実施例に示したバイパス経路を付加したものである。つまり、最上段上側コアプレート５Ｄに、上下オイル通路Ｌ１の上端位置に対応してオイルバイパス孔１３ｆが開口形成されており、頂部プレート４における膨出部１７が、このオイルバイパス孔１３ｆを覆うように、対角線上に延長されている。従って、オイル入口ポート２２から上方へ延びる上下オイル通路Ｌ１の上端がオイルバイパス孔１３ｆを介して頂部連通路１８に連通している。
従って、この第４実施例では、オイル入口ポート２２から流入したオイルの一部が、矢印Ｌ５で示すように、オイルバイパス孔１３ｆから頂部連通路１８を介して中心のオイル出口通路Ｌ３へと流れる。つまり、オイルの一部が、コア部１をバイパスして流れる。従って、オイルクーラとしての通路抵抗ないし圧力損失がさらに低減する。バイパスする流量の割合は、オイルバイパス孔１３ｆの径の設定によって調整可能である。なお、補助通路２４の構成ならびに機能は、前述した第３実施例と同様である。
以上、この発明のいくつかの実施例を説明したが、この発明は上記の実施例に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。例えば、図示例では、別途のハウジングを具備せずにコアプレート５の積層によってオイル通路１０と冷却水通路１１とを交互に画成した構成となっているが、冷却水が流れるハウジング内にオイル通路のみを備えたコア部を収容した構成とすることも可能である。
さらに、上記実施例では、補助通路２４等の加工を容易とするために、第１底部プレート２と第２底部プレート３とを積層して底部プレートを構成しているが、単一のプレート部材でもって底部プレートを構成し、ここに溝状の補助通路２４等を形成するようにしてもよい。
１…コア部
２…第１底部プレート
３…第２底部プレート
５…コアプレート
１０…オイル通路
１１…冷却水通路
１３…オイル連通孔
１４…冷却水連通孔
１５…オイル出口孔
２４…補助通路
Ｌ１，Ｌ２…上下オイル通路
Ｌ３…オイル出口通路

Claims (3)

  1. 複数のコアプレートを積層してなるコア部の底面に、１枚もしくは複数枚のプレート部材からなる底部プレートが積層されており、
    上記底部プレートは、流体入口ポートと流体出口ポートとを有し、
    上記コア部は、コアプレート間の流体通路と連通しつつ流体をコア部の積層方向の底部プレートとは反対側へ案内する積層方向に沿った２つの第１の通路と、コアプレート間の流体通路から独立して積層方向の底部プレートへ向かう方向へ流体を案内する積層方向に沿った第２の通路と、を有し、上記コア部の底面には、一方の第１の通路の端部が上記流体入口ポートと連通するようにして開口するとともに、他方の第１の通路の端部が補助流体連通孔として開口し、かつ上記第２の通路の端部が上記流体出口ポートに連通するようにして開口しており、
    コア部の頂部において少なくとも一方の第１の通路と上記第２の通路とが連通しており、
    上記底部プレートには、上記補助流体連通孔と上記流体出口ポートとを連通する補助通路が形成されている、ことを特徴とする熱交換器。
  2. 上記コア部の頂面に、少なくとも一方の第１の通路の第２の端部と上記第２の通路の第２の端部とがそれぞれ開口しているとともに、頂部プレートが積層されており、この頂部プレートによって形成される連通路によって、上記第１の通路の第２の端部と上記第２の通路の第２の端部とが互いに接続されている、ことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
  3. 上記コア部は、積層方向に複数の領域に区分されて、これら複数の領域を流体がＵターンしつつ順次に流れるように構成されており、
    上記他方の第１の通路は、流体がＵターンする中間の流路を構成している、ことを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
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