WO2019220161A1

WO2019220161A1 - 熱交換器

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Publication number: WO2019220161A1
Application number: PCT/IB2018/000629
Authority: WO
Inventors: 義和鶴岡; 山室　毅; 洋輔肥塚; 久保　賢明; 野田　徹; 丈治杉田; 長谷川　潤
Original assignee: Renault SAS; Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Renault SAS; Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2018-05-15
Filing date: 2018-05-15
Publication date: 2019-11-21
Anticipated expiration: 2020-11-15

Abstract

オイルクーラのコア（1)は、それぞれ薄い金属プレー卜からなる複数の第1プレ—卜（11)と第2プレー卜（12)と伝熱プレー卜（13)とを含む。第1プレー卜（11)と第2プレート（12)とが伝熱プレート（13)を挟んで交互に積層されている。第1プレート（11)は、オイル流路（51)を形成するための第1開口部（21)と、ポ一卜用開口部（22，23)と、を有する。第2プレート（11)は、冷却水流路（52)を形成するための第2開口部（31)と、ポ一卜用開口部（32，33)と、を有する。オイル流路（51)と冷却水流路（52)とが伝熱プレ—卜（13)を挟んで隣接する。流路（51，52)の厚みを、温度境界層の厚みに近づけることで、高い効率で熱交換がなされる。

Description

熱交換器

　この発明は、オイルクーラ等に好適な熱交換器に関する。

　特許文献１は、オイルと水（冷却水）との間で熱交換を行うオイルクーラとして、典型的なプレート積層型のオイルクーラを開示している。この形式のオイルクーラは、それぞれ周縁が斜めに立ち上がった第１のカッププレートと第２のカッププレートとを交互に積層し、これらのプレートの間に、オイル流路と冷却水流路とを交互に形成した構成となっている。そして、特許文献１が開示しているように、熱交換効率を高めるために、オイル流路内にインナーフィン（フィンプレートとも呼ばれる）が挟み込まれているのが一般的である。また冷却水流路内には、一方のカッププレートに形成した多数の突起が配置されている。

　熱交換の原理として、例えば、２枚のプレートに挟まれて構成される流路をある流体が流れるときに、流体とプレートとが異なる温度である場合の両者間の伝熱を考えると、流体の温度は、プレート表面に近いいわゆる温度境界層のみで変化し、プレートから離れたいわゆる主流の中ではプレート温度の影響を受けない。

　オイルや水等の液体の流れでは、温度境界層の厚みはかなり小さく、１ｍｍ未満のオーダ、例えば０．１ｍｍ程度のものとなりうる。このような温度境界層の厚さのオーダに比較して、従来のプレート積層型の熱交換器におけるプレート間の流路（オイル流路および冷却水流路）の厚みは、数ｍｍ程度のオーダであり、遙かに大きい。

　従って、従来のプレート積層型の熱交換器にあっては、仮にインナーフィンや突起が流路内に存在しないと、流体の流れの大部分が主流として熱交換に寄与しないまま流れ出てしまうことになり、本質的に熱交換効率が低い。

　そのため、従来のプレート積層型の熱交換器では、インナーフィン等によって流れの中の温度境界層を攪拌ないし破壊し、熱交換効率の向上を図っている。しかしながら、このようなコンセプトでは、必然的に流体の流れの乱れを伴い、熱交換量の向上代に比較して圧力損失の増加代が大きい。

　この発明の目的は、新たなコンセプトに基づく新規な構成の熱交換器を提供し、熱交換量と圧力損失とを高い次元で両立させることにある。

特開２０１５−４５４２７号公報

　この発明の熱交換器は、
　それぞれ液体からなる第１の流体と第２の流体との間で熱交換を行う熱交換器であって、
　第１の流体が導かれる第１開口部を有する複数の第１プレートと第２の流体が導かれる第２開口部を有する複数の第２プレートとを含み、かつ各々の第１プレートと各々の第２プレートとがそれぞれ伝熱プレートを挟んで交互に積層されており、
　上記第１プレートの板厚に相当する厚みの第１の流体用の第１流路が上記第１開口部によって構成されており、上記第２プレートの板厚に相当する厚みの第２の流体用の第２流路が上記第２開口部によって構成されており、これら２つの流路が伝熱プレートを介して積層方向に隣接している。

　この熱交換器にあっては、第１流路および第２流路のいずれも、第１プレートないし第２プレートの板厚に相当する厚みの狭小な流路となる。第１プレート、第２プレートおよび伝熱プレートは、密に積層された構成であるので、剛性や強度からの制約が少ないため、第１プレートないし第２プレートの板厚を十分に小さくすることが可能であり、第１流路および第２流路の厚みが十分に小さなものとなる。従って、各々の流路を流れる流れの中で温度境界層が占める割合が大きくなり、理想的には流れの大部分を温度境界層が占めるようにすることが可能である。これにより、熱交換効率が向上する。

　一方、この熱交換器では、隣接する２つの伝熱プレートによって形成される流路（第１流路ないし第２流路）の中を流体（第１の流体ないし第２の流体）が層流となって流れる。換言すれば、インナーフィン等による積極的な攪拌や乱流形成が不要である。そのため、流路の厚みを小さくしても、圧力損失の増加は比較的に小さい。

　従って、熱交換量と圧力損失とを高い次元で両立させることができる。

この発明に係る熱交換器のコアを示す斜視図。コアを構成するプレートの組み合わせを示した分解斜視図。第１プレートの平面図。第２プレートの平面図。伝熱プレートの平面図。図５のＡ−Ａ線に沿った断面の構成を模式的に示した断面図。コアをハウジングに収容した状態を示す断面説明図。ボディの内側底面の構成を示す平面図。熱交換量および圧力損失を実施例と比較例とで対比して示した特性図。第１プレートないし第２プレートの変形例を示した平面図。第１プレートないし第２プレートのさらに他の変形例を示した平面図。冷却水およびオイルの流れの態様のいくつかの例を示した説明図。この発明の第２の実施例を示す各プレートの平面図。この発明の第３の実施例を示す各プレートの平面図。第３の実施例の流れの態様を変更した変形例を示す各プレートの平面図。この発明の第４の実施例を示す各プレートの平面図。第４の実施例の流れの態様を変更した変形例を示す各プレートの平面図。

　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は、この発明に係る熱交換器のコア１を示す斜視図であり、図２は、このコア１を構成する複数種類のプレートの組み合わせを示した分解斜視図である。この実施例の熱交換器は、例えば自動車のエンジンの潤滑油や自動変速機の作動油等のオイルの冷却に好適なオイルクーラであって、第１の流体としてのオイルと第２の流体としての冷却水（水）との間で熱交換を行うものである。

　実施例のコア１は、全体として円柱状、特に、軸方向の寸法が直径よりも小さな偏平な円柱状をなしている。このコア１は、外形がそれぞれ円形をなす薄いプレートを軸方向に多数積層することで円柱状に構成されているものであり、構成要素となるプレートとしては、図２に示すように、第１プレート１１と、第２プレート１２と、伝熱プレート１３と、の３つの種類のプレートを含んでいる。そして、第１プレート１１と第２プレート１２とが伝熱プレート１３を挟んで交互に積層されている。一実施例においては、各プレート１１，１２，１３は、いずれも平面に沿った平坦な円形のプレートである。

　これらの３つのプレート１１，１２，１３は、それぞれ異なる材質であってもよく、また異なる板厚のものであってもよいが、—実施例では、これらの３つの種類のプレート１１，１２，１３が、同じ板厚を有する同じ母材から形成されている。例えば、ステンレス鋼のような金属板からそれぞれ構成されている。板厚としては、０．１ｍｍ~０．５ｍｍであることが望ましく、一実施例では、０．２ｍｍである。また、図２の実施例では、第１プレート１１と第２プレート１２は、全く同一の形状を有している。換言すれば両者は同一のプレートであって、積層時に組み合わせる方向のみが異なっている。なお、コア１の直径つまりプレート１１，１２，１３の直径は、特に限定されるものではないが、例えば５０ｍｍ~１００ｍｍ程度に構成することができ、一実施例では、７５ｍｍである。

　図３、図４、図５は、それぞれ、第１プレート１１、第２プレート１２、伝熱プレート１３、の詳細を示している。これらの図には、説明の便宜のためにそれぞれＸ，Ｙ方向を矢印とともに付した。これらのＸ，Ｙ方向が整列した形でもってこれらのプレート１１，１２，１３が積層される。

　第１プレート１１は、コア１内にオイル流路を形成するためのプレートであり、中央部に大きな第１開口部２１を有する。また第１開口部２１の両側に、相対的に小さな一対のポート用開口部２２，２３が位置している。ここで図示例では、熱交換面積（つまり流路面積）をできるだけ大きく確保するために、第１プレート１１は、必要な部分に細い幅のリブを残して大部分が開口したいわゆるスケルトン構造をなしている。従って、スケルトン構造として記述すると、第１プレート１１は、外周円に沿った円形リブ２４と、Ｙ方向に延びる円の弦に沿った一対の弦方向リブ２５，２６と、第１開口部２１を２つの平行な流路に区分するようにＹ方向に延びた円の直径線に沿った中央リブ２７と、各弦方向リブ２５，２６の中央と隣接する円形リブ２４とを接続するようにＸ方向に延びたポート区分リブ２８，２９と、を備えている。

　図３に示すように、互いに平行な直線状をなす一対の弦方向リブ２５，２６とこれらの弦方向リブ２５，２６を接続する円形リブ２４の一対の弧状部分２４ａとによって第１開口部２１の全体が区画されている。この第１開口部２１は、直径線に沿った直線状の中央リブ２７によってさらに一対の第１開口部２１Ａ，２１Ｂに２分されている。また各々の弦方向リブ２５，２６とその外側の円形リブ２４の弧状部分２４ｂとによってポート用開口部２２，２３の全体が区画されている。これらのポート用開口部２２，２３は、ポート区分リブ２８，２９によってさらにそれぞれ一対のポート用開口部２２Ａ，２２Ｂ，２３Ａ，２３Ｂに２分されている。

　弦方向リブ２５，２６、中央リブ２７、ポート区分リブ２８，２９を含む第１プレート１１は、Ｘ方向およびＹ方向の各々について線対称の形状であり、また回転対称形状でもある。

　なお、本発明において、中央リブ２７およびポート区分リブ２８，２９は必ずしも必須のものではない。

　第１開口部２１は、その領域の大部分を占める中央の矩形部分が熱交換領域となり、Ｙ方向での両側（外側）となる部分が入口ないし出口のポート領域となる。図３には、これら２つの領域の境界を仮想線３０でもって示してある。なお、図示例では、２つの領域の間に物理的な境界はない。

　第２プレート１２は、コア１内に冷却水流路を形成するためのプレートである。前述したように、第２プレート１２は部品単体としては第１プレート１１と全く同一のプレートであり、コア１として積層する際に、第１プレート１１とは向き（回転方向の姿勢）が９０°異なるようにして積層されるものであるが、理解を容易にするために、以下では、第１プレート１１とは異なる符号を付して各部を説明する。

　第２プレート１２は、図４に示すように、中央部に大きな第２開口部３１を有し、この第２開口部３１の両側に、相対的に小さな一対のポート用開口部３２，３３が開口する。すなわち、第２プレート１２は、外周円に沿った円形リブ３４と、Ｘ方向に延びる円の弦に沿った一対の弦方向リブ３５，３６と、第２開口部３１を２つの平行な流路に区分するようにＸ方向に延びた円の直径線に沿った中央リブ３７と、各弦方向リブ３５，３６の中央と隣接する円形リブ３４とを接続するようにＹ方向に延びたポート区分リブ３８，３９と、を備えている。

　図示するように、互いに平行な直線状をなす一対の弦方向リブ３５，３６と両弦方向リブ３５，３６を接続する円形リブ３４の一対の弧状部分３４ａとによって第２開口部３１の全体が区画されている。この第２開口部３１は、直径線に沿った直線状の中央リブ３７によってさらに一対の第２開口部３１Ａ，３１Ｂに２分されている。また各々の弦方向リブ３５，３６とその外側の円形リブ３４の弧状部分３４ｂとによってポート用開口部３２，３３の全体が区画されている。これらのポート用開口部３２，３３は、ポート区分リブ３８，３９によってさらにそれぞれ一対のポート用開口部３２Ａ，３２Ｂ，３３Ａ，３３Ｂに２分されている。

　なお、第２プレート１２における中央リブ３７およびポート区分リブ３８，３９も必ずしも必須のものではない。

　第２開口部３１は、第１開口部２１と同様に、その領域の大部分を占める中央の矩形部分が熱交換領域となり、Ｘ方向での両側（外側）となる部分が入口ないし出口のポート領域となる。図４には、これら２つの領域の境界を仮想線４０でもって示してある。図示例では、２つの領域の間に物理的な境界はない。

　伝熱プレート１３は、第１プレート１１および第２プレート１２と重なることで各々のオイル流路および冷却水流路の積層方向（円柱の軸方向）の境界面を規定するとともに、オイルと冷却水との間の伝熱壁を構成するものである。

　図５に示すように、伝熱プレート１３は、各プレート１１，１２，１３を積層したときに第１プレート１１のポート用開口部２２，２３にそれぞれ対応する一対のポート用開口部４１，４２と、第２プレート１２のポート用開口部３２，３３にそれぞれ対応する一対のポート用開口部４３，４４と、を有する。換言すれば、伝熱プレート１３は、外周円に沿った円形リブ４５と、各辺がＸ方向ないしＹ方向に沿う円の弦に沿った正方形をなす中央の伝熱壁部４６と、伝熱壁部４６の四辺の中央と隣接する円形リブ４５とを接続するようにＸ方向に延びたポート区分リブ４７，４８およびＹ方向に延びたポート区分リブ４９，５０と、を有する。一対のポート用開口部４１，４２は、ポート区分リブ４７，４８によってさらにそれぞれ一対のポート用開口部４１Ａ，４１Ｂ，４２Ａ，４２Ｂに２分されている。同様に、一対のポート用開口部４３，４４は、ポート区分リブ４９，５０によってさらにそれぞれ一対のポート用開口部４３Ａ，４３Ｂ，４４Ａ，４４Ｂに２分されている。

　伝熱プレート１３のポート用開口部４１，４２，４３，４４（４１Ａ，４１Ｂ，４２Ａ，４２Ｂ，４３Ａ，４３Ｂ，４４Ａ，４４Ｂ）は、第１プレート１１のポート用開口部２２，２３（２２Ａ，２２Ｂ，２３Ａ，２３Ｂ）および第２プレート１２のポート用開口部３２，３３（３２Ａ，３２Ｂ，３３Ａ，３３Ｂ）とそれぞれ同一の形状をなしており、重ね合わせたときに互いに合致する位置にある。換言すれば、伝熱プレート１３においては、４つのポート用開口部４１，４２，４３，４４が９０°毎に同じ形状に開口している。

　上記の第１プレート１１、第２プレート１２、伝熱プレート１３は、前述したように、伝熱プレート１３を間に挟んで第１プレート１１と第２プレート１２とが交互に位置するように積層されている。例えば図２に示すように、下から順に、伝熱プレート１３、第２プレート１２、伝熱プレート１３、第１プレート１１、伝熱プレート１３、第２プレート１２、伝熱プレート１３・・・のように積層される。最下面には伝熱プレート１３が位置し、これに隣接する下から２番目のプレートは第２プレート１２である。同様に、最上面には伝熱プレート１３が位置し、これに隣接する上から２番目のプレートは第２プレート１２である。一実施例においては、４５枚の第１プレート１１と４６枚の第２プレート１２とが伝熱プレート１３を挟んで交互に積層されている。すなわち、「伝熱プレート１３、第２プレート１２、伝熱プレート１３、第１プレート１１」の組み合わせを１段と呼ぶとすると、４５段の構成となっている。本発明においては、勿論４５段に限定されるものではなく、３０段、６０段といった他の段数の積層構造が可能である。

　図６は、図５のＡ−Ａ線に沿った断面を模式的に示している。上記のように第１プレート１１と第２プレート１２とを伝熱プレート１３を挟んで交互に重ねることで、オイル流路５１と冷却水流路５２とが交互に構成される。オイル流路５１は、第１プレート１１の第１開口部２１によって上下２枚の伝熱プレート１３の間に形成される。従って、第１プレート１１の板厚に相当する厚みの狭小な流路となる。冷却水流路５２は、第２プレート１２の第２開口部３１によって上下２枚の伝熱プレート１３の間に形成される。従って、第２プレート１２の板厚に相当する厚みの狭小な流路となる。一実施例では、オイル流路５１および冷却水流路５２のいずれも、実質的に０．２ｍｍの厚みの流路となる。そして、これらのオイル流路５１と冷却水流路５２とが両者間の伝熱プレート１３を介して積層方向に隣接しており、これによって、オイルと冷却水との間での熱交換がなされる。プレートの段数を４５段とした一実施例では、積層方向に、４５個のオイル流路５１と４６個の冷却水流路５２とが存在する。なお、これらのオイル流路５１や冷却水流路５２は、従前のインナーフィンのような付加的な熱交換フィンや乱流形成を促進するための凹凸部などを一切具備していない。オイル流路５１や冷却水流路５２を形成する伝熱プレート１３の壁面（つまり伝熱壁部４６の表面）は、可能な限り滑らかな平滑面である。

　また、オイル流路５１は、第１開口部２１の一部である両端部のポート領域が、隣接する伝熱プレート１３のポート用開口部４３，４４さらには第２プレート１２のポート用開口部３２，３３に重なっており、これらのポート用開口部４３，４４，３２，３３を介してオイルが流入・流出する。一実施例においては、伝熱プレート１３のポート用開口部４３および第２プレート１２のポート用開口部３２がオイル入口となり、これらと重なる第１開口部２１の一端部が入口ポート領域となる。そして、伝熱プレート１３のポート用開口部４４および第２プレート１２のポート用開口部３３がオイル出口となり、これらと重なる第１開口部２１の他端部が出口ポート領域となる。なお、この実施例では、オイル流路が中央リブ２７によって平行な２つの流路（第１開口部２１Ａ，２１Ｂ）に２分されており（図３参照）、これら２つの流路を同じ向きに平行にオイルが流れる。

　冷却水流路５２についても基本的に同様であり、第２開口部３１の一部である両端部のポート領域が、隣接する伝熱プレート１３のポート用開口部４１，４２さらには第１プレート１１のポート用開口部２２，２３に重なっており、これらのポート用開口部４１，４２，２２，２３を介して冷却水が流入・流出する。一実施例においては、伝熱プレート１３のポート用開口部４１および第１プレート１１のポート用開口部２２が冷却水入口となり、これらと重なる第２開口部３１の一端部が入口ポート領域となる。そして、伝熱プレート１３のポート用開口部４２および第１プレート１１のポート用開口部２３が冷却水出口となり、これらと重なる第２開口部３１の他端部が出口ポート領域となる。なお、この実施例では、冷却水流路が中央リブ３７によって平行な２つの流路（第２開口部３１Ａ，３１Ｂ）に２分されており（図４参照）、これら２つの流路を同じ向きに平行に冷却水が流れる。

　コア１として複数のプレート１１~１３を積層した状態においては、４５個のオイル流路５１の全てについて、オイル入口となるポート用開口部４３およびポート用開口部３２がオイル流路５１の入口ポート領域とともにコア１の積層方向に整列する。これにより、コア１の積層方向に沿って連続した通路状に、オイル入口ポート５５が形成される（図１参照）。同様に、４５個のオイル流路５１の全てについて、オイル出口となるポート用開口部４４およびポート用開口部３３がオイル流路５１の出口ポート領域とともにコア１の積層方向に整列しており、これにより、コア１の積層方向に沿って連続したオイル出口ポート５６が形成される。なお、オイル入口ポート５５は、ポート区分リブ３８によって一対のオイル入口ポート５５Ａ，５５Ｂに２分されている。オイル出口ポート５６は、同様に、ポート区分リブ３９によって一対のオイル出口ポート５６Ａ，５６Ｂに２分されている。

　また、同様に、４６個の冷却水流路５２の全てについて、冷却水入口となるポート用開口部４１およびポート用開口部２２が冷却水流路５２の入口ポート領域とともにコア１の積層方向に整列しており、これにより、コア１の積層方向に沿って連続した冷却水入口ポート５７が形成される。そして、冷却水出口となるポート用開口部４２およびポート用開口部２３が冷却水流路５２の出口ポート領域とともにコア１の積層方向に整列しており、これにより、コア１の積層方向に沿って連続した冷却水出口ポート５８が形成される。冷却水入口ポート５７および冷却水出口ポート５８は、やはりそれぞれ一対の冷却水入口ポート５７Ａ，５７Ｂおよび冷却水出口ポート５８Ａ，５８Ｂに２分されている。

　ここで、コア１を構成する各プレート１１~１３は、積層方向に密に積層されており、かつ各々の接触面が互いに接合されている。一実施例においては、プレート１１~１３を積層したコア１を積層方向に加圧しつつ母材の融点以下に加熱して、接合面間での原子の拡散を利用して接合させる、いわゆる拡散接合によってコア１全体が一体に接合されている。なお、拡散接合以外の他の手段によってプレート１１~１３の各面を互いに接合するようにしてもよい。

　このように多数の平坦なプレート１１~１３を密に積層して一体に接合することで、コア１の剛性および強度は非常に高いものとなる。換言すれば、個々のプレート１１~１３は、最終的なコア１に必要な剛性や強度の上で制約を受けることなく十分に薄肉に形成することが可能であり、これに伴い、熱交換を行うオイル流路５１および冷却水流路５２をプレート１１，１２の板厚（例えば０．２ｍｍ）に相当する厚みの非常に狭いものとすることが可能となる。

　上記のように構成されたコア１は、オイル入口ポート５５およびオイル出口ポート５６に入口側オイル通路および出口側オイル通路となるオイル配管をそれぞれ接続し、冷却水入口ポート５７および冷却水出口ポート５８に入口側冷却水通路および出口側冷却水通路となる冷却水配管をそれぞれ接続することによって、熱交換器すなわちオイルクーラとして構成される。

　オイルや冷却水の配管をどのようにしてコア１に接続するかは任意であるが、一実施例においては、図７に簡略化して示すように、ボディ６１とキャップ６２とからなるハウジング６０の内部にコア１が収容されており、ボディ６１に設けられたオイル配管６３および冷却水配管６４がコア１の各ポート５５~５８に連通している。ボディ６１の円筒壁部６１ａは外周面に螺条を有し、キャップ６２の円筒壁部６２ａは内周面に螺条を有し、これらが互いに螺合している。

　ハウジング６０の内部つまり円筒壁部６１ａ，６２ａ内周面とコア１の外周面との間の隙間には、適宜なシール材例えばシリコーン樹脂系のシール材６８が充填されている。なお、キャップ６２を螺合により締め付けていったときに余剰のシール材が溢れ出るように小さな孔をキャップ６２に設けるようにしてもよい。また、内部のシール材の充填に加えて、ハウジング６０の外周面において円筒壁部６１ａ，６２ａの螺合面を覆うようにシール材を塗布してもよい。

　コア１の一方の端面が接するボディ６１の内側底面には、図８に簡略化して示すように、９０°毎に４つの扇形の案内凹部６５が形成されている。これらの案内凹部６５は、ボディ６１の内側底面に適宜な高さに設けられた仕切り壁６６によって互いに区画されている。仕切り壁６６は、頂部が一平面に沿って形成されており、コア１をハウジング６０に収容する際に、コア１の端面に適宜な接着剤を介して接合されている。案内凹部６５の各々には、オイル配管６３および冷却水配管６４がそれぞれボディ６１の外側から接続されている。具体的には、相対的に径が大きな一対のオイル配管６３が１８０°離れた一対の案内凹部６５に接続され、相対的に径が小さな一対の冷却水配管６４が残りの一対の案内凹部６５に接続されている。

　図５等との関係から容易に理解できるように、４つの案内凹部６５は、それぞれコア１のオイル入口ポート５５、オイル出口ポート５６、冷却水入口ポート５７、冷却水出口ポート５８、のいずれかに対応する。従って、一対のオイル配管６３の一方がオイル入口ポート５５に導通し、他方がオイル出口ポート５６に導通する。同様に一対の冷却水配管６４の一方が冷却水入口ポート５７に導通し、他方が冷却水出口ポート５８に導通する。

　このように構成された熱交換器つまりオイルクーラにあっては、オイル配管６３を介してコア１のオイル入口ポート５５に圧送された高温のオイルは、４５個のオイル流路５１に平行して流れ、オイル出口ポート５６から排出される。またコア１の冷却水入口ポート５７に冷却水ポンプにより圧送されてくる相対的に低温の冷却水は、４６個の冷却水流路５２に平行して流れ、冷却水出口ポート５８から排出される。図３および図４から明らかなように、オイルはＹ方向に沿って流れ、冷却水は、オイルの流れに対し９０°の角度を有するＸ方向に沿って流れる。これら２つの流体は、伝熱プレート１３の伝熱壁部４６によって仕切られたオイル流路５１と冷却水流路５２との間で熱交換する。つまり、オイルが冷却水によって冷却される。

　ここで、オイル流路５１および冷却水流路５２のいずれも、例えば０．２ｍｍ程度の厚みの狭い流路となる。オイルや水の温度境界層の厚みは、例えば０．１ｍｍ程度であり、上記実施例のように十分に厚みの小さな流路では、流体の流れの殆どが温度境界層で占められることとなる。つまり、２つの伝熱面の間で熱的影響を受けない中央の主流が占める割合が非常に小さく（理想的には０に）なり、何らかのフィン等による温度境界層の破壊や攪拌に依存せずに高い熱伝達効率が得られる。

　一方、オイル流路５１および冷却水流路５２は、厚みの小さな狭小な流路であるが、これらの流路の中にはインナーフィンや凹凸部等が存在せず、平滑面からなる２つの伝熱プレート１３（伝熱壁部４６）の間を層流（勿論、粘性による速度勾配は存在する）として流れようとする。そのため、流路の厚みが小さくても、圧力損失の増加は比較的に小さい。特に、個々のプレート１１~１３は薄いので、カッププレートを用いる従来のプレート積層型のオイルクーラに比較して、仮に積層方向の高さ寸法を同等とした場合に、オイル流路５１および冷却水流路５２の積層方向の段数が遙かに多くなる。このような段数の設定により、結果的に圧力損失を低くすることができる。

　前述した一実施例のコア１を用いたオイルクーラにおける熱交換量および圧力損失を、油温が１２０℃、オイル流量が７．５Ｌ／ｍｉｎ、の条件で測定したところ、熱交換量が７．４ｋＷ、オイル側の圧力損失が４１ｋＰａであった。比較例として、カッププレートを用いオイル流路内にインナーフィンを備えた従来のプレート積層型オイルクーラでは、熱交換量が７．１ｋＷ、オイル側の圧力損失が１２０ｋＰａであった。すなわち、上記実施例では、従来のオイルクーラに比較して、圧力損失が小さくなり、熱交換量と圧力損失とが高い次元で両立している。なお、平面視でのプレート面積は、一実施例と比較例とでほぼ等しい。また、一実施例のコア１の積層方向の高さは、約３６ｍｍであり、従来のプレート積層型オイルクーラの積層方向の高さは、約５５ｍｍであった。すなわち、一実施例のコア１は、高さ寸法の点でも有利である。

　図９は、オイル流量を変化させた場合の熱交換量と圧力損失との相関を上記実施例と上記比較例とで比較して示した特性図である。基本的にオイル流量を大とすると、熱交換量は増加するが、同時に圧力損失も増加する。このような熱交換量と圧力損失との関係において、実施例の特性は、比較例の特性よりも全体として図の左上側に位置する。これは、同じ圧力損失であれば実施例の方が比較例よりも大きな熱交換量を得られ、あるいは、同じ熱交換量であれば実施例の方が比較例よりも圧力損失が低いことを意味する。

　以上、この発明の一実施例を詳細に説明したが、この発明は、上記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。

　図１０は、第１プレート１１もしくは第２プレート１２の変形例を示す。ここではオイル流路５１を構成する第１プレート１１として説明するが、冷却水流路５２を構成する第２プレート１２であってもよい。この実施例の第１プレート１１は、熱交換領域と入口ないし出口のポート領域とを含む第１開口部２１を具備し、かつ第１開口部２１を２つの開口部２１Ａ，２１Ｂに２分するようにＹ方向に延びた中央リブ２７を備えているが、この第１開口部２１の領域内に、当該第１プレート１１の面内で流路を蛇行させるためのラビリンス形成リブ７１を備えている。詳しくは、２つの開口部２１Ａ，２１Ｂの各々について見ると、弦方向リブ２５，２６からＸ方向に延びた３つのラビリンス形成リブ７１が設けられており、中央リブ２７からＸ方向に延びた２つのラビリンス形成リブ７１が設けられている。これらのラビリンス形成リブ７１が互い違いに位置することで、複数回Ｕターンする蛇行流路が形成されている。弦方向リブ２５，２６の両端に接続された２つのラビリンス形成リブ７３は、第１開口部２１における熱交換領域と入口ないし出口のポート領域との境界に沿っている。

　このようなラビリンス形成リブ７１を備えた第１プレート１１もしくは第２プレート１２によれば、オイル流路５１もしくは冷却水流路５２の入口ポートから出口ポートまでの流路長を実質的に長くすることができる。従って、このような構成のプレート１１，１２を適宜に用いることで、所望の特性のオイルクーラを容易に得ることができる。

　図１１は、第１プレート１１もしくは第２プレート１２のさらなる変形例を示す。ここではオイル流路５１を構成する第１プレート１１として説明するが、冷却水流路５２を構成する第２プレート１２であってもよい。この実施例の第１プレート１１は、第１開口部２１の中に中央リブ２７を具備しておらず、第１開口部２１の領域全体が１つのオイル流路５１となっている。そして、この第１開口部２１によって構成される１つの流路を第１プレート１１の面内で蛇行させるために、弦方向リブ２５，２６からＸ方向に延びた計３つのラビリンス形成リブ７１を備えている。また、この実施例の第１プレート１１では、ポート区分リブ２８，２９を具備せずに、ポート用開口部２２，２３がそれぞれ１つの開口部となっている。なお、このような第１プレート１１と組み合わされる第２プレート１２および伝熱プレート１３においても、それぞれのポート用開口部をポート区分リブを具備しない１つの開口部として形成することが可能である。

　図１に示した実施例のコア１は、中央リブおよびポート区分リブを具備することで、各段のオイル流路５１および冷却水流路５２がそれぞれ２つの流路に区分されているとともに、計８つのポート用開口部を具備している。そのため、コア１を通るオイルの流れおよび冷却水の流れに関して、種々の態様ならびに種々の組み合わせが可能である。図１２は、オイルの流れおよび冷却水の流れに関するいくつかの例を示している。ここでは、オイルの流れを矢印Ｏで示し、冷却水の流れを矢印Ｗで示す。

　図１２の（ａ）は、前述したように、２つのオイル流路５１Ａ，５１Ｂに平行にオイルが流れ、かつ、２つの冷却水流路５２Ａ，５２Ｂに平行に冷却水が流れるように構成したものである。オイルと冷却水は、互いに９０°の角度で交差するように流れる。

　（ｂ）は、２つのオイル流路５１Ａ，５１Ｂに平行にオイルが流れる一方で、２つの冷却水流路５２Ａ，５２Ｂには対向流として冷却水が互いに反対方向に流れるように構成したものである。この場合には、ポート区分リブによって分割された冷却水ポート５７Ａ，５７Ｂの一方が入口ポートで他方が出口ポートとなり、同様に、冷却水出口ポート５８Ａ，５８Ｂの一方が入口ポートで他方が出口ポートとなる。

　（ｃ）は、（ｂ）の例とは逆に、２つの冷却水流路５２Ａ，５２Ｂに平行に冷却水が流れる一方で、２つのオイル流路５１Ａ，５１Ｂには対向流としてオイルが互いに反対方向に流れるように構成したものである。

　（ｄ）は、（ｂ）の例の冷却水流路５２の構成と（ｃ）の例のオイル流路５１の構成とを組み合わせたもので、２つのオイル流路５１Ａ，５１Ｂに対向流としてオイルが互いに反対方向に流れるとともに、２つの冷却水流路５２Ａ，５２Ｂに対向流として冷却水が互いに反対方向に流れる構成となっている。

　これらの流れの態様は、さらに、図１０や図１１に例示したような構成の第１プレート１１ないし第２プレート１２と組み合わせることが可能である。

　図１３は、本発明の第２の実施例を示している。この実施例は、伝熱壁を挟んで隣接するオイルと冷却水とが対向流として流れるように構成したものであり、長方形をなす第１プレート１１と第２プレート１２とを伝熱プレート１３を介して交互に積層した構成となっている。第１プレート１１は、長手方向の図右側の一端部にポート用開口部２２，２３を有し、残りの部分に第１開口部２１を有する。第１開口部２１は、中央リブ２７によって２つの領域に区画されているが、これら２つの領域がＵ字形に連続した１つの流路を構成するように、中央リブ２７の一端部（ポート用開口部２２，２３寄りの端部）が切り欠かれている。換言すれば、中央リブ２７は、先端が自由端となった短いものとなっている。

　第２プレート１２は、長手方向の図左側の一端部にポート用開口部３２，３３を有し、残りの部分に第２開口部３１を有する。第２開口部３１は、中央リブ３７によって２つの領域に区画されているが、これら２つの領域がＵ字形に連続した１つの流路を構成するように、中央リブ３７の一端部（ポート用開口部３２，３３寄りの端部）が切り欠かれている。換言すれば、中央リブ３７は、先端が自由端となった短いものとなっている。

　伝熱プレート１３は、第１プレート１１のポート用開口部２２，２３および第２プレート１２のポート用開口部３２，３３にそれぞれ重なる４つのポート用開口部４１，４２，４３，４４を四隅に備えている。

　図示例では、ポート用開口部４３がオイル入口、ポート用開口部４４がオイル出口となり、第１プレート１１によって形成されるオイル流路５１内を矢印Ｏで示すようにオイルがＵターンして流れる。また、ポート用開口部４１が冷却水入口、ポート用開口部４２が冷却水出口となり、第２プレート１２によって形成される冷却水流路５２内を矢印Ｗで示すように冷却水がＵターンして流れる。従って、伝熱プレート１３を介して隣接する２つの流体が互いに反対方向へ流れることとなる。

　図１４は、本発明の第３の実施例を示している。この実施例においては、オイル流路５１を形成する第１プレート１１の第１開口部２１がＸ方向に延びた中央リブ２７によって２つの第１開口部２１Ａ，２１Ｂに２分されており、各々の領域内に、円形リブ２４からＹ方向に沿って内周側へ突出した第２の中央リブ７２と、複数のラビリンス形成リブ７１と、を備えている。従って、伝熱プレート１３のポート用開口部４３Ａ，４３Ｂの一方をオイル入口、他方をオイル出口として、また同様に、ポート用開口部４４Ａ，４４Ｂの一方をオイル入口、他方をオイル出口として、例えば、矢印Ｏで示すように、個々の領域内でオイルが流れる。

　第２プレート１２は、第１プレート１１と同一形状のプレートを９０°向きを変えて配置したものである。つまり冷却水流路５２を形成する第２プレート１２の第２開口部３１がＹ方向に延びた中央リブ３７によって２つの第２開口部３１Ａ，３１Ｂに２分されている。従って、伝熱プレート１３のポート用開口部４１Ａ，４１Ｂの一方を冷却水入口、他方を冷却水出口として、また同様に、ポート用開口部４２Ａ，４２Ｂの一方を冷却水入口、他方を冷却水出口として、例えば、矢印Ｗで示すように、個々の領域内で冷却水が流れる。

　図１４のオイルおよび冷却水の流れの設定では、オイル流路５１を流れるオイルの流れと冷却水流路５２を流れる冷却水の流れとが、概ね同じ方向に沿ったものとなる。

　図１５は、第３の実施例の変形例であり、第１プレート１１、第２プレート１２および伝熱プレート１３の構成そのものは、図１４の例と変わりがない。図１４の例と比較して、オイルおよび冷却水の入口と出口の関係を一部変更することにより、オイルの流れ（矢印Ｏ）と冷却水の流れ（矢印Ｗ）の態様を変更している。この図１５の例では、オイル流路５１を流れるオイルの流れと冷却水流路５２を流れる冷却水の流れとが、概ね反対方向に向かう対向流となる。

　図１４に示したオイルの流れの設定と図１５に示した冷却水の流れの設定とを組み合わせることも可能であり、図１４に示した冷却水の流れの設定と図１５に示したオイルの流れの設定とを組み合わせることも可能である。

　図１６は、本発明の第４の実施例を示している。この実施例においては、オイル流路５１を形成する第１プレート１１の第１開口部２１がＸ方向に延びた中央リブ２７によって２つの第１開口部２１Ａ，２１Ｂに２分されており、各々の領域内に、円形リブ２４からＹ方向に沿って内周側へ突出した第２の中央リブ７２と、複数のラビリンス形成リブ７１と、を備えている。第３の実施例の第１プレート１１とは、ラビリンス形成リブ７１の配置が異なっている。従って、この第４の実施例では、伝熱プレート１３のポート用開口部４３Ａ，４３Ｂの一方をオイル入口、他方をオイル出口として、また同様に、ポート用開口部４４Ａ，４４Ｂの一方をオイル入口、他方をオイル出口として、例えば、矢印Ｏで示すように、個々の領域内でオイルが流れる。

　図１６のオイルおよび冷却水の流れの設定では、オイル流路５１を流れるオイルの流れと冷却水流路５２を流れる冷却水の流れとが、概ね同じ方向に沿ったものとなる。

　図１７は、第４の実施例の変形例であり、第１プレート１１、第２プレート１２および伝熱プレート１３の構成そのものは、図１６の例と変わりがない。図１６の例と比較して、オイルおよび冷却水の入口と出口の関係を一部変更することにより、オイルの流れ（矢印Ｏ）と冷却水の流れ（矢印Ｗ）の態様を変更している。この図１７の例では、オイル流路５１を流れるオイルの流れと冷却水流路５２を流れる冷却水の流れとが、概ね反対方向に向かう対向流となる。

　図１６に示したオイルの流れの設定と図１７に示した冷却水の流れの設定とを組み合わせることも可能であり、図１６に示した冷却水の流れの設定と図１７に示したオイルの流れの設定とを組み合わせることも可能である。

　伝熱プレート１３を含む各プレート１１~１３は、上述した実施例ではステンレス鋼から形成されているが、本発明では、これらのプレート１１~１３をチタンや樹脂複合材料などの比較的に熱伝導率の低い材料から形成することもできる。これは、上述したように流路５１，５２を厚みの小さな流路とすることで壁面と流体との間での熱交換効率が高く得られるとともに、伝熱プレート１３が薄いことで母材の低熱伝導率の影響が少なくなることによる。例えば樹脂複合材料として、カーボン繊維の織布にエポキシ樹脂等の樹脂材料を含浸させた薄いプレート状の材料を用いて、各プレート１１~１３を形成することができる。この場合には、これらのプレート１１~１３を積層して加圧・加熱することで、各プレート１１~１３を一体に接合し、コア１を形成することが可能である。

Claims

　それぞれ液体からなる第１の流体と第２の流体との間で熱交換を行う熱交換器であって、
　第１の流体が導かれる第１開口部を有する複数の第１プレートと第２の流体が導かれる第２開口部を有する複数の第２プレートとを含み、かつ各々の第１プレートと各々の第２プレートとがそれぞれ伝熱プレートを挟んで交互に積層されており、
　上記第１プレートの板厚に相当する厚みの第１の流体用の第１流路が上記第１開口部によって構成されており、上記第２プレートの板厚に相当する厚みの第２の流体用の第２流路が上記第２開口部によって構成されており、これら２つの流路が伝熱プレートを介して積層方向に隣接している、
　熱交換器。
　上記第１流路および上記第２流路にそれぞれ面する上記伝熱プレートの各々の面が平滑面である、請求項１に記載の熱交換器。
　上記第１流路および上記第２流路が、付加的な熱交換フィンを具備していない、請求項１または２に記載の熱交換器。
　上記第１の流体がオイルであり、
　上記第１プレートは、０．１ｍｍ~０．５ｍｍの板厚を有する、
　請求項１~３のいずれかに記載の熱交換器。
　上記第２の流体が水であり、
　上記第２プレートは、０．１ｍｍ~０．５ｍｍの板厚を有する、
　請求項１~４のいずれかに記載の熱交換器。
　上記第１プレートと上記第２プレートと上記伝熱プレートとが、同じ板厚を有する同じ母材から形成されている、請求項１~５のいずれかに記載の熱交換器。
　上記第１プレート、上記第２プレートおよび上記伝熱プレートは、平面に沿った平坦なプレートである、請求項１~６のいずれかに記載の熱交換器。
　上記第１プレートにおける上記第１開口部は、上記第２プレートによる第２の流体の流路と重なり合う熱交換領域と、この熱交換領域に連続した入口ポート領域および出口ポート領域と、を含み、
　上記第２プレートにおける上記第２開口部は、上記第１プレートの熱交換領域に重なる熱交換領域と、この熱交換領域に連続した入口ポート領域および出口ポート領域と、を含み、
　上記第１プレートは、さらに、上記第１開口部から独立して上記第２プレートの上記入口ポート領域および出口ポート領域にそれぞれ対応するポート用開口部を有し、
　上記第２プレートは、さらに、上記第２開口部から独立して上記第１プレートの上記入口ポート領域および出口ポート領域にそれぞれ対応するポート用開口部を有し、
　上記伝熱プレートは、上記第１プレートおよび上記第２プレートの各々のポート用開口部にそれぞれ対応するポート用開口部を有する、
　請求項１~７のいずれかに記載の熱交換器。
　上記第１プレート、上記第２プレートおよび上記伝熱プレートは、外形がそれぞれ円形をなし、
　上記第１プレートにおける上記第１開口部と上記ポート用開口部とが弦に沿った直線状のリブによって分離されており、
　上記第２プレートにおける上記第２開口部と上記ポート用開口部とが弦に沿った直線状のリブによって分離されており、
　上記第１プレートにおける上記リブと上記第２プレートにおける上記リブとが９０°異なる方向に延びている、
　請求項８に記載の熱交換器。
　上記第１プレートと上記第２プレートとが同一形状のプレートからなり、
　互いに９０°異なる向きで積層されている、
　請求項９に記載の熱交換器。
　上記第１開口部および上記第２開口部の少なくとも一方は、当該開口部の領域内に、第１，第２プレートの面内で流路を蛇行させるためのラビリンス形成リブを備えている、請求項１~１０のいずれかに記載の熱交換器。
　上記第１開口部および上記第２開口部の少なくとも一方は、当該開口部の領域内に、第１，第２プレートの面内で平行な２本の流路に仕切るための中央リブを備えている、請求項１~１０のいずれかに記載の熱交換器。
　上記第１プレート、上記第２プレートおよび上記伝熱プレートは、各々の面が互いに拡散接合されている、請求項１~１２のいずれかに記載の熱交換器。
　上記第１プレート、上記第２プレートおよび上記伝熱プレートは、樹脂複合材料から形成されている、請求項１~１２のいずれかに記載の熱交換器。