JPH01502292A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 熱交換器 この発明は２個の液体媒体間の熱の交換を行ないかつ請求の範囲第１項の前文に 述べられている種類であることが意図される熱交換器に関するものである。

この発明に従った熱交換器は冷却媒体としてエンジン冷却水を用いて潤滑油また は作動油を冷却するためのものであって、自動車において用いるために最初に開 発された。

自動車の内燃機関はまず水かまたは一般に水とグリコールの混合物で冷却され、 次に空気−水冷却器内で冷却される。過度の熱応力にエンジンをさらさないため に、水冷却剤の温度はその空気−水冷却器を通過する問わずかな程度しか変化し ない。その結果、必要なエンジン冷却効果を得るためには冷却水の非常に大きな 体積の流れを利用する必要がある。現代のエンジンの場合、エンジンオイルおよ び多くの場合自動車のトランスミッションシステム内のオイル、も冷却する必要 がある。これは空気の助けかまたは冷却剤としてエンジン冷却水を利用すること によって達成できる。初期の頃、空気冷却器によってオイルを冷却することは全 く普通であったが、この方法は次第に使われなくなり、というのも、含まれる冷 却剤は嵩高くかつ多くの冷却器が必要であり、その結果、その冷却空気流を効果 的に利用することが難しくなるからである。その結果、冷却剤としてエンジン冷 却水でオイルを冷却することがより一般的になってきた。原則として、これは２ つの異なる方法で達成され得る。第１の方法はエンジンの空気−水冷却器の収集 ボックス内の水−オイル冷却器の実施例を含む。この配置はしばしば自動ギヤボ ックス内のオイルを冷却するために用いられる。この場合、そのオイルはホース を通ってエンジンの空気−水冷却器に送られる。第２の方法は、エンジン冷却水 の流れまたはその一部をそこのオイルが冷却されるべき構成要素に近く位置決め される水−オイル冷却器へと通過させることを含む。こうして、この場合ホース を通ってオイル−水冷却器へと送られるのは水である。この特定の配置の一具体 例は、エンジンブロックとオイルフィルタとの間に嵌められるエンジンオイル冷 却器で発見される。

合計のエンジン冷却水の流れの一部のみがこれらのオイル冷却器を通過する。前 述の第１の方法に従えば、オイル冷却器はエンジンの空気−水冷却器の収集ボッ クス内に位置決めされるので、エンジンを冷却するのに最も重要である空気−水 冷却器の機能を乱すことを避けるか、またはオイルの冷却条件を損うことを避け るのが困難である。前述の第２の方法によれば、オイル−水冷却器はそのオイル が冷却されるべき構成要素の非常に近くに位置決めされるので、雑な回路網が冷 却水を冷却器に送るために必要とされる。

さらに、従来のオイル−水冷却器は冷却水の流れのためにエンジン冷却水システ ムにおける欠点である厄介な高圧力降下を必要とする。

それゆえ、この発明の目的はまず第１にエンジン冷却水の流れの助けを借りて自 動車のエンジンオイルおよびトランスミッションオイルを冷却するのに特に有利 に利用され得る熱交換器を提供し、第２に少ない合計容量ではあるが、それにも かわらず高い熱交換率が与えられ得る熱交換器を提供し、第３にその結果として 冷却水の流れにおける圧力降下が非常にわずかしか増加しないエンジンの冷却水 回路において任意の適切でかつ所望の位置に位置決めされ得る熱交換器を提供す ることである。

この発明に従って構成される熱交換器の主要な特性的特徴は以下の請求の範囲で 述べられる。

この発明の熱交換器が自動車のオイル冷却器として用いられるとき、冷却水の非 常に大きな流れ、たとえばすべてのエンジン冷却水が非常に少ない流れの損失と 非常にわずかな圧力の降下でその熱交換器を介して真直ぐに送られてもよく、そ れに伴い問題の熱交換に必要とされる冷却水の流れの部分のみが円筒状の仕切壁 の内部に置かれている熱交換チャンバを通り、一方でオイルは円筒状の仕切壁の 外に置かれている熱交換チャンバを通って流れる。そのようなオイル冷却器は冷 却水を運ぶように意図されたホース内に嵌められる。もし所望されるなら、その 冷却器はホースの外径よりわずかに大きい外径が与えられ得る。この発明に従っ て構成されるオイル冷却器はまた、冷却水が流れる場所でエンジンと一体をなし ているかまたはエンジン内に組込まれる。これによってパイプまたははホースの 形式の補助の外部導管の必要がなくなる。冷却トランスミッションオイルとエン ジンとトランスミッションが一体にされて剛性のユニットまたはアセンブリを形 成するとき、必要とされる導管は剛性のバイブからなっていてもよく、これによ って撓み性のあるホースの必要がなくなる。

この発明の熱交換器の熱交換チャンバの両方が現在の標準の熱交換原理に従って 、前記チャンバを流れる媒体の乱流用に形作られてもよい。しかしながら、この 発明の熱交換器の熱交換チャンバのどちらかまたは両方がそこで通過する媒体の 層流を発生しかつ国際特許出願ＰＣＴ／５Ｅ８４１００２４５に記述されている 熱交換原理に従って動くように形作られているとき特定の有利な点が与えられる 。

この熱交換原理によって、熱交換器の容量の１単位あたり非常に高い熱交換効果 が与えられる。また、これは比較的小さな体積の流れと、通過して流れる媒体の 低い圧力降下で達成され得る。

水−オイル冷却器としてこの発明に従って構成される熱交換器を用いるとき、熱 交換器の外部チャンバを介して流れるオイルは好ましくない熱交換特性を有しか つ前記オイルの体積の流れは通常比較的小さい。その結果、この場合オイルの層 流および前述の国際特許出願で教示される熱交換原理に従って外部の熱交換チャ ンバを形作ることが特に有利である。たとえば内燃機関におけるオイルの体積の 流れはエンジンの潤滑要求次第でありかつ比較的小さいので、乱流で動〈従来の 伝熱機能は結果として実行不可能な大きな容積のこの発明の熱交換器を生じるで あろう。自動のギヤボックスの場合、必要な体積のオイルの流れはトランスミッ ションシステムの要求によって支配されておりかつこの場合、それは非常に小さ いので、熱交換器が激しいオイルの流れ用に構成されるとき、実行不可能なほど 大きな寸法のこの発明の熱交換器を生じる。冷却要求は体積のオイル流れに関し て可能な最大の要求に近いので、最良の可能性のある熱交換原理が用いられるべ きことは明らかである。

そのオイルを冷却するために用いられるエンジン冷却水は非常に好ましい熱交換 特性を有しかつ大量に存在し、その結果乱流の従来の熱交換原理かまたは層流の 上で述べられた熱交換原理のいずれかがこの発明の熱交換器の内部に置の熱交換 原理は内部の熱交換チャンバを流れるより大きな体積の流れを必要とし、すなわ ち合計の冷却水の流れのより広い部分がその内部チャンバを通って送られ、それ によってより大きな容積の内部チャンバを必要とし、また同時に内部チャンバに わたるより大きな圧力降下を必要とする。

しかしながら、そのような熱交換チャンバの流れの面積は比較的広くかつ発生す る閉塞の危険がこうして比較的小さくなるであろう。また一方で、層流を採用す る熱交換原理は内部の熱交換チャンバを介するかなり小さな体積の流れを必要と し、その結果小さな容積のチャンバを生じまたそのチャンバにわたるより低い圧 力降下を生ずる。しかしながら、そのようなチャンバの流れる面積およびそこで 発生する閉塞の危険性はその結果大きくなり、それによって清潔な冷却水の必要 性が増す。

この発明はこの発明の熱交換器の有利な実施例を具体例によって例示している添 付の概略図を参照してより詳細に以下に述べられる。すなわち、 第１図はこの発明に従って構成された熱交換器の軸セクションの一部の°側面図 である。

第２図は第１図の熱交換器の半径方向の断面図である。

例示されたこの発明の熱交換器は、たとえば冷却媒体として乗物のエンジン冷却 水を利用して、自動車のトランスミッションオイルを冷却するために形成される 。

その例示の熱交換器は一般に１で表わされる内部の管状熱交換チャンバを含み、 それを介して冷却水が通過することが意図され、さらに一般に２で表わされる外 部の管状チャンバを含み、それを介してオイルが通過することが意図され、これ らのチャンバは互いに円筒形のチューブ状の液体を通さない仕切ｇ！３によって 分離されている。管状の仕切壁３はインレットコネクタ４とアウトレフトコネク タ５をそのそれぞれの端部に備えており、それによってエンジン冷却水を送るホ ース６が熱交換器に接続され得る。こうして、すべての冷却水は矢印７で示され るように熱交換器を通過し、それに伴って全体の冷却水の流れのうちの熱交換の 目的に必要とされる部分のみが仕切壁３との熱交換接触で内部のチャンバ１を介 して送られ、一方で冷却水の流れの残余の部分はその熱交換工程にいかなる明ら かな働きもせずにその半径方向の内部で内部チャンバ１を流れる。

冷却水のこの分割は熱交換チャンバ１の半径方向の内側の冷却水の直接の流れの 経路の特別な形態の結果、すなわちその経路はインレットコネクタ４からアウト レットコネクタ５に真直ぐつながっている結果、達成される。この直接の流れの 経路またはチャネルは、内部のチャンバ１のインレットが置かれている比較的高 圧力のゾーンを発生し、かつ内部のチャンバからのアウトレフトが置かれている 比較的低圧力のゾーンを発生するように形作られる。これらのゾーンは種々の異 なる方法で発生され得る。たとえば、冷却水のための直接の流れのチャネルにお いて、剛性または撓み性のあるスロットル手段またはそれ以外のものと、さらに 好ましくは冷却の体桔の流れに一致する可変の弾性スロットル手段が設けられて もよく、その結果スロットル手段の上流で内部チャンバ１のインレフトが置かれ 得る比較的高圧力のゾーンを作りかつスロットル手段の下流で内部チャンバ１か らのアウトレットが置かれ得る比較的低圧力のゾーンを作り出すことができる。

例示の好ましい実施例の場合においては、互いに異なる圧力の所望のゾーンは次 第に増加する流れの面積を有するディフューザを形成するためにインレットコネ クタ４を形作ることによって作られ、そのため流量は落ちかつ静圧は増す。さら に、一般に８で示される内部の熱交換チャンバ１の内部に円筒状の壁が同軸に配 置されており、これはアウトレットに向けて円錐状にテーパし、かつこれから後 により詳細に説明される、内部チャンバ１のインレットとして機能するスクリー ンデバイスまたはフィルタ壁９を一部に含む。円筒状の円錐形にテーパしている 壁８は液体の流れの速度を増しかつ静圧を減じるイジェクタを形成し、その内部 チャンバからのアウトレットは後に詳細に述べられるように、前記壁の下流端部 に置かれている。アウトレットコネクタ５はまたイジェクタ内部で発生される可 能な限り大きな運動エネルギを回復し、その結果熱交換器を介する冷却水の流れ の合計の圧力降下が低くなるように、流れの方向に次第と増加する面積を有する ディフューザの形を有する。

この発明の熱交換器の例示の有利な実施例の内部の熱交換チャンバ１と外部の熱 交換チャンバ２は両方とも上述の国際特許出願において記述されている熱交換原 理に従って、流れている媒体の層流用に形作られる。

オイルが流れる外部チャンバ２は管状の仕切壁３とスリーブ管状の外部壁１０の 間にあり、その壁１０は仕切壁３と同軸上にかつそこから半径の距離だけ離れた まわりで延在し、その軸の端部は液体の漏らない態様で仕切壁の外部表面に接続 される。円筒状外部壁１０には、オイルインレットパイプスタブ１２が設けられ かつチャンバ２の軸方向の長さの半分に沿って延在する軸方向に延在しているイ ンレットチャンバ１１と、インレットチャンバ１１と一致して延在し、オイルア ウトレットパイプスタブ１４が設けられかつ熱交換チャンバ２の残りの半分に沿 って延在している軸方向に延びているアウトレットチャンバ１３とをその内部に 形成している。インレットチャンバ１１とアウトレットチャンバ１３の直径方向 に反対の位置では、円筒状の外部壁１０は熱変換チャンバ２の全長に沿って延在 する軸方向に延びている接続チャンバ１５をその中に形成している。層流の様式 でその中をオイルが流れることができる周辺に延在しているスロット状の流れの チャネルをそれらの間で規定する大多数の周辺に延びているフィン１６は仕切壁 ３の外部表面と一体に形成される。そのフィン１６は軸方向に延在しているチャ ネル１７によって、インレットチャンバ１１とアウトレフトチャンバ１３の反対 の位置で中断され、そのチャネル１７は横の壁１７ａによって半分に分けられ、 その一方はインレットチャンバ１１の半径方向の内部に置かれ、その他方はアウ トレットチャンバ１３の半径方向の内部に置かれる。フィン１６はまた同様の態 様で、軸方向に延在しているチャネル１８によって、接続チャネル１５の反対の 場所で中断されており、そのチャネル１８は熱交換チャンバ２の全体の軸の長さ に沿って途切れずに延在している。こうして、オイルは第１図に見られるように 、インレット１２を介しインレットチャンバ１１に入り、かつそこからチャネル １７の左側の部分に流れる。

オイルはそのチャネル１７を離れてフィン１６の間の周辺に延びているスロット 状の流れのチャネルを通って分散し、そこでオイルは軸方向に延びるチャネル１ ８と接続チャネル１５へと周辺方向に層流で流れる。オイルは第１図で見られる ように接続チャネル１５で乱流の様式で流れかつ熱交換器の右側へと流れ、そこ でそのオイルは再び軸方向のチャネル１８から周囲に延在しているスロット状の フィン１６の間の流れのチャネルへと再び分散し、そこではそのオイルは第２図 の矢印に示されているように層流の様式で周辺に流れ、第１図に見られるように 軸方向のチャンバ１７の右半分に流れる。そのオイルは次にアウトレット１４を 介して熱交換器を出る。外部の熱交換チャンバ２はこう〔て半分に分けられ、そ れらは直列に接続されてそれらの各々は連続してオイルを通過させそれは熱交換 の局面からそのオイルと内部の熱交換チャンバ１を流れる冷却水との間のより好 ましい温度差を与える。

その内部熱交換チャンバ１は管状の仕切壁３とその仕切壁３と同軸にかつ半径方 向の内部に延在する実質的に円筒状のプレート１９によって規定され、その円筒 状プレート１９の一方の軸方向の端部は湾曲またはカーブしており前述されたイ ジェクタ表面８の最も狭い部分を形成する。その仕切壁３の内部表面にはここで は２０で示される周辺に延在しているフィンが設けられており、これらは前記表 面と一体をなしておりかつその間にスロット状の流れチャネルを規定し、そこで はその冷却水は層流の様式で流れる。

フィン２０は４つの軸方向に延在しているチャネル２１によって中断され、それ らのチャネルは円周のまわりに均一に分配されかつそこに冷却水が円錐状のスク リーン構造９とプレート１９上に設けられたアパーチャ２２を介して第１図の矢 印で示されるように流れる。冷却水は軸方向に延びているチャネル２１からそれ ぞれのフィン２０の間の周辺に延在しているスロット状の流れチャネルへと流れ 、そして第２図の矢印で示されているように前記チャネル内で周辺に流れかつそ の軸方向に延在しているフィン２０を遮るチャネル２３に流れる。チャネル２３ の内部の場所において、円筒状のプレート１９はここでくぼみと呼ばれる内方向 にカーブし、軸方向に延在しているチャネル２４を呈示し、その流れの面積はア ウトレットコレクタ５に対する方向に次第と増加し、そこでは熱交換チャンバ１ を通過すると冷却水は集められて上で述べられたイジェクタの下流のくぼみ２４ の開放端部に送られる。以前に述べられたように、冷却水の合計の流量の一部は イジェクタの上流および下流に拡がる圧力差の影響のもとてチャンバ１を通過す る。

イジェクタの一部を形成するフィルタまたはスクリーン構造９は円筒状プレート １９内で形成されかつチャネル・２４を形成するくぼみの内部方向に面している 頂上に対して支持される。こうして、スクリーン９を介した熱交換チャンバ１へ の冷却水の流入はインレットコネクタ４からアウトレットコネクタ５への冷却水 の直接の流れの経路に対して実質的に垂直である方向に発生する。フィルタまた はスクリーン９の流れの面積においてそこを通る水の流量が前記フィルタまたは スクリーンの表面に沿った水の流れの量より非常に小さくかつそのため内部の熱 交換チャンバ１にわたる圧力降下とインレットコネクタ４からアウトレットコネ クタ５への冷却水の直接的な流れの経路におけるダイナミック圧力とに関連して 、低い圧力降下がフィルタにわたって得られるとき利点が与えられる。これらの 条件が満たされると、内部チャンバ１における流れのチャネルを阻止しやすいか もしれない粒子および汚染菌はそのフィルタ９を通過せず、どちらもフィルタの 内部表面に付いたりそれを詰まらせたりすることはない。その代わり、これらの 粒子および他の汚染菌はフィルタ９に沿って流される。フィルタ９は冷却水の通 過を可能にするように孔をあけられている他の表面と置換されてもよいことが理 解されるであろう。

第２図に例示されるように、外部熱交換チャンバ２内のフィン１６と内部熱交換 チャンバ１内のフィン２０は複数個の狭い軸方向に延在しているスロットによっ て中断され、その機能は上述の外国特許明細書に詳細に記述されている。

上述されたようにまず初めに自動車のエンジンオイルおよびトランスミッション オイルを冷却するための水−オイル冷却器として構成される熱交換器の説明がな されてきたが、この発明に従って構成される熱交換器は多くの他の目的にも有利 に利用され得ることが理解されるであろう。

国際調査報告

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．２つの液体媒体の間で熱の交換を行ないかつ一般の液体を通さない仕切壁（ ３）によって液体を通さない様式で互いに離されている２つの熱交換チャンバ（ １、２）を含みかつそれらの各々は前記媒体のそれぞれ１つが通過するように意 図されている熱交換器であって、仕切壁（３）は本質的に管状でかつ実質的に円 形の断面および前記一方の媒体のためにそれぞれインレットとアウトレットを形 成する開いた軸方向の端部を有し；前記一方の媒体のための一方の熱交換チャン バ（１）は管状でありかつ管状の仕切壁（３）の半径方向の内部の側に置かれか つ仕切壁の互いに反対の側でインレット（４）からアウトレット（５）に前記一 方の媒体のための直接の流れの経路を取囲み、そして前記インレット（４）を通 って流れる媒体の一部のみが前記一方の熱交換チャンバ（１）を流れ、一方で前 記の流れの残りは前記一方の熱交換チャンバ（１）を通過することなく前記直接 の流れの経路に沿ってアウトレット（５）に流れるように前記直接の流れの経路 とつながっており；前記媒体の他方のために意図される他方の熱交換チャンバ（ ２）は管状でありかつ管状の仕切壁（３）の外部表面のまわりに延びていること を特徴とする、熱交換器。
2. ２．前記直接の流れの経路が前記一方の媒体がそれに沿って流れるとき、比較的 高圧力のゾーンと比較的低圧力のゾーンが流れの経路に沿ったそれぞれ異なる場 所で媒体のの流れの中で作り出されるように形作られ、かつ前記一方の熱交換チ ャンバ（１）には前記高圧力が広がる位置に１個以上のインレットのアパーチャ と前記低圧力が広がる場所に１個以上のアウトレットアパーチャとが設けられて いることを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の熱交換器。
3. ３．直接の流れの経路がその長さの部分に沿ってイジェクタ手段（８）を形成す るように形作られ、かつ前記一方の熱交換チャンバ（１）のインレットアパーチ ャがイジェクタ手段の上流に置かれ、一方で前記チャンバのアウトレットアパー チャがイジェクタ手段の下流に置かれることを特徴とする、請求の範囲第２項に 記載の熱交換器。
4. ４．直接の流れの経路が前記一方の熱交換チャンバ（１）からアウトレットアパ ーチャの下流でディフユーザ（５）として形作られていることを特徴とする、請 求の範囲第３項に記載の熱交換器。
5. ５．前記一方の熱交換チャンバ（１）のインレットアパーチャはそこに流れる前 記一方の媒体の一部が前記直接の流れの経路における媒体の流れの方向に対し実 質に横切っている流れの方向を有するように配置されることを特徴とする、請求 項第１項ないし第４項に記載の熱交換器。
6. ６．イジェクタ手段（８）が前記一方の熱交換チャンバ（１）と同軸にかつ半径 方向の内部に延在しかつ前記軸方向のアウトレットに対して円錐状にテーパして いる円筒状の表面（９）によって形成され、かつ前記一方の熱交換チャンバ（１ ）へのインレットアパーチャは前記円筒状表面（９）に設けられていることを特 徴とする、請求の範囲第３項に記載の熱交換器。
7. ７．前記インレットアパーチャが設けられている前記円錐表面の一部がスクリー ンまたはフィルタ動作する表面（９）の形を有していることを特徴とする、請求 の範囲第６項に記載の熱交換器。
8. ８．前記一方の媒体のため円周上に延在するスロット状の流れチャネルをその間 で規定する円周上に延在す大多数のフィン（２０）が仕切壁（３）にその内部表 面上で設けられており；そのフィン（２０）はその円周上のまわりに均一に配分 されかつ前記第１の媒体のためにそれぞれ前記円周上に延在している流れのチャ ネルヘの分配チャネル（２１）とそこからの収集チャネル（２３）として交互に 機能する複数個の軸方向に延在するスロット（２１、２３）によって中断され； その分配チャネル（２１）は前記フィン（２０）の内部に置かれかつフィンの半 径方向の内部の端縁と当接する円筒状スリーブ（１９）内に設けられる開口部（ ２２）を介して前記直接の流れの経路とつながり；その収集チャネル（２３）は 下流方向に開口しておりかつ前記円筒状スリーブ（１９）内に形成される軸方向 に延在し内部にカーブしているチャネルまたはくぼみ（２４）を介して前記直接 の流れの経路とつながることを特徴とする、請求の範囲第１項ないし第７項に記 載の熱交換器。
9. ９．仕切壁（３）には前記第２の媒体のための円周に延在するスロット状の流れ のチャネルをその間で規定する多数の円周上に延在するフィン（１６）がその外 部表面上に設けられており；そのフィン（１６）はそのフィンの半径方向の外側 の端縁に当接しかつ２個の軸方向に延在しかつ連続的に配置された、各々が仕切 壁（３）の軸方向の長さのそれぞれの半分にわたって延在しかつそれらには前記 第２の媒体のためのインレット（１２）とアウトレット（１４）が設けられてい るチャンバ（１１、１３）と、さらに前記第１および第２のチャンバ（１１、１ ３）と直径方向に反対の仕切壁（３）の全体の軸方向の長さに沿って軸方向に延 在している第３のチャンバ（１５）を提示するように形作られる円筒状スリーブ
10. （１０）によって取囲まれていることを特徴とする、請求の範囲第１項ないし第 ８項に記載の熱交換器。