JP2005283095A - 効率的な熱交換器、およびそれを用いたエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】 効率的な熱交換器、およびそれを用いたエンジンを提供する。
【解決手段】 エンジンの応用品の中には、オイル冷却器などの熱交換器に空間的な制限を課すものがある。このような場合、円形よりもむしろ長方形の断面を有する熱交換器は、空間的な制限を満足することができ、所定の幾何学的な内部形状によって、材料の低減によるコスト削減を潜在的に可能にするとともに、熱遮断性能を向上することができる。この熱交換器は、管巣が位置する熱交換キャビティを画定するハウジングを備える。管巣は、複数の阻流板により支持された複数の管から六角形の包囲パターンで形成されている。この管巣とハウジングとは、入口と出口との間の蛇行状流路を画定する。この蛇行状流路は、管に対して一般に垂直な複数の部分を備え、これらの部分が流動方向切換窓により分離されている。管巣は、窓において比較的大きい隙間距離と、窓から離れた位置に比較的小さい隙間距離とを有する。加えて、管巣の各管は、少なくとも３つの他の管に隣接しており、これら管のうちの外周の一組の管が六角形を形成している。
【選択図】 図１

Description

本開示内容は、一般に、熱交換器に関し、より詳しくは、エンジンオイル冷却器の新たな幾何学的形状に関する。

熱交換器は、良く知られた多くの応用例があり、数多くの異なる形態をとりうる。例えば、内燃機関用のオイル冷却器では、一般に断面円筒形の管巣を備える円筒形のハウジングの形態をとるものが多い。これら複数の管は、しばしば、各管が当該技術で公知なパターンで最大６個の他の管により取り囲まれるように、亀甲パターンで束ねられている。管巣は、ハウジングに配置された阻流板により支持されることが多く、ハウジングに対して入口と出口との間に蛇行状流路を形成する。この形態の多くの熱交換器は、長年製造されており良く機能してきたが、改良の余地もある。

潜在的な問題は、円筒形のハウジング内に収納された断面円形状の管巣を備える熱交換用オイル冷却器を、従来の知識に基づいて構成する点にある。この問題は、適切な熱交換容量を確保しながら、特定のエンジン応用例に対して利用可能な空間範囲内でオイル冷却器を適合させることに関連する。言い換えれば、より新しいエンジンの応用例の中には、オイル冷却器が占める利用可能な空間に実質的に制限を課しつつも、オイル冷却性能要求と圧力降下要求とを満足することができるものがある。

また、設計技術者がしばしば考えつく他の潜在的問題は、コスト削減を同時に図りながらいかに熱交換性能を向上させるかに関する点である。当業者であれば、材料の低減や、製造技術および当該技術で公知な他の要因の簡略化などの多くの方法によって、コスト削減が可能であることは理解するところであろう。しかし、熱交換性能を向上するための対策は、依然として実現しにくいものであり、これらの問題は、所定コストで管路を減らすかまたは維持するべきといった、既存の困難な点によって、複雑化している。

そこで、本発明は、上述した問題のうちの１つ以上を克服することに関する。

本発明の一形態において、熱交換器は、熱交換キャビティの一部を画定する環状内壁部を有するハウジングを備える。管巣は、複数の管と阻流板とを備え、ハウジング内に位置する。内壁部と管巣は、複数の流動方向切換窓を含む蛇行状流路を画定する。複数の管は、窓で窓距離分、内壁部から分離され、且つ窓から隙間距離分、離れて分離された管巣外周を画定する外周の一組の管を含む。この窓距離は、隙間距離よりも長くなされている。

本発明の他の形態においては、熱交換器は、熱交換キャビティの一部を画定する環状内壁部を有するハウジングを備える。管巣は、複数の管と複数の阻流板とを備え、ハウジング内に位置する。管巣は、複数の管の各々が少なくとも３つの他の管に隣接するように構成されている。内壁部と管巣は、複数の流動方向切換窓を含む蛇行状流路を画定する。複数の管は、窓で窓距離分、内壁部から分離され、且つ窓から隙間距離分、離れて分離された管巣外周を画定する外周の一組の管を含む。

まず、図１を参照するに、エンジン１０は、オイル冷却器の機能を実行する熱交換器１２を備える。熱交換器１２は、入口１６および出口１８を有するハウジング１４を備える。加えて、このハウジング１４により画定された熱交換キャビティ内には、管巣２０が実装されている。これらの管は、当該技術にて公知なタイプの冷却流体を運搬する。言い換えれば、熱いオイルは、入口１６に進入し、管巣２０に沿って蛇行状流路２５（図３）を通り、出口１８で低温となって流出する。本発明は、エンジン用のオイル冷却器の状況を図示しているが、当業者であれば、本開示内容を、入口および出口間に蛇行状流路２５を画定するようにハウジング１４に実装された管巣を備えた任意の熱交換器に、潜在的に適用可能であることは、理解するであろう。ハウジング１４は、適切な材料から当該技術で知られた任意の適切な方法により製造することができる。図示したより好ましい実施形態の場合では、ハウジングは、好ましくは、アルミニウム鋳物から形成され、その後、機械加工されて図示した最終形態に達する。

加えて、図２〜図４を参照するに、本文の例では、管巣２０は、図２に示された断面延長六角形の５枚の阻流板２３に取り付けられた１４０個の銅製管２１を備える。なお、必要または希望に応じて、他の公知な管材料で置き換えることができる。管巣２０をハウジング１４に実装すると、蛇行状流路２５は、入口１６で始まり、出口１８で終結する。この蛇行状流路２５は、管２１にほぼ垂直に延びる部分を備え、これら部分が流動方向切換窓３０により分離されている。このため、ハウジングは、熱交換キャビティ２４を画定するものとして把握することができ、このキャビティ内で管巣２０が位置付けられる。ハウジング１４の末端は、管２１の末端とともに、従来の方法で密閉される。

特に、図４を参照するに、ハウジング１４は、キャビティ長４３（図３）に沿って実質的に均一な環状内壁部２２を備える。この環状内壁部２２は、管巣２０を摺動可能に収納する寸法形状となされている。このため、熱交換キャビティ２４は、キャビティ幅４０とこのキャビティ幅４０よりも小さいキャビティ高さ４２とを有する均一な断面をなすキャビティ長４３を有するものとして把握することができる。この幾何学的形状および熱交換器１２の他の幾何学的特徴は、本開示の特徴である。例えば、複数の管２１は、ハウジング１４の内壁部２２から流動方向切換窓３０で窓距離分２８、および当該窓から隙間距離２７分、離れて分離された管巣の外周を画定する外周の一組の管２６を含むものとして把握することができる。この窓距離は、好ましくは、隙間距離よりも長い。通常、この窓距離２８は、隙間距離２７の少なくとも数倍の長さがある。好ましくは、窓距離は、例えば、熱交換器１２を通る圧力の降下を増すことにより、動作を劣えさせる流動制限を生じることなく、窓にて蛇行状流路２５の断面が流れを収納することができるように、設定されている。図示したより好ましい実施形態では、隙間距離２７は、外周の一組の管２６の隣接する複数の管に対応する管巣外周２６の一部分において、均一である。好ましくは、隙間距離２７は、管の直径３１よりも小さく、また好ましくは、隣接する管２１の組同士の間の管分離距離３８と同じオーダーである。

本開示の他の形態は、各管２１が少なくとも３つの他の管２１と隣接することに関する。外周の一組の管２６の一部に属さない管は、各々、六角形状の包囲構造に従って６個の管により取り囲まれている。本構造は、外周の一組の管２６が六角形状をとるように構成されていると好ましいが、ハウジング１４の内壁部が外周の一組の管２６に対して隙間距離を小さくとるように形成されているならば、他の形状は本発明の意図する範囲内に含まれうる。しかしながら、六角形状をとることにより、互いに平行な平坦な壁部分は、一般に、内壁部２２の対向する面を形成することができる。内壁部２２の対向する平坦な壁部分は、流動方向切換窓３０を部分的に画定する。図示した実施形態では、これら窓は、キャビティ高さ４２よりも長い窓幅３６を有する。このように、窓は、管巣外周２６の長い方の側面に隣接している。

また、管巣２０は、好ましい実施形態の形態である幾つかの特定の幾何学的形状も有している。これらは、管巣２０が高さ寸法４２に沿って順に配列された奇数個の管列３３を有しているという事実を含む。複数の管列のうちの１つの管列３４は、他の全ての管列よりも長い。

図５を参照するに、本発明の他の実施形態に係る熱交換器１１２が図示されている。本実施形態では、ハウジング１１４は、管巣１２０との密接した隙間距離を維持するため、不規則な面１２３を有する環状内壁部１２２を備える。この構造は、環状内壁部１２２の不規則部１２３に隣接する管巣周りよりもむしろ管間に流体流を導くものと理解される。このため、当業者であれば、本発明は、図１〜図４の実施形態に示したような平面とは著しく異なる形状の内壁部を意図していることを、理解するであろう。

本明細書は、ハウジングが管巣を含み、且つハウジングを通して蛇行状流路を共に規定する実質的に任意の熱交換の応用例に適用される。なお、本発明は、長さ方向に均一の断面を有する環状の内壁部２２を有するハウジング１４を備えるものとして図示されているが、当業者であれば、本発明が異なる形状のハウジングにも潜在的に適用しうることを、理解するであろう。比較的大きな窓距離２８とともに比較的小さな隙間距離２７を用いることによって、流動方向切換窓３０にて流動方向を逆にする流動制限を回避することにより、流れは、熱交換器を通してよりスムーズになる。また、比較的小さな隙間距離２７により、外周管巣２６の外側縁部に沿うよりもむしろ管巣２０の中央部を通して流体流が流れるようになるため、熱交換性能が高まり、管２１の内側および外側の流体間において熱伝導性が向上する。実際、本発明は、この幾何学的な方法をとることにより、断面円形状で本熱交換器よりも１０％以上も多い管を有する従来の熱交換器対応品の性能に、潜在的に適合するか、或いはそれよりも超越することができる。このため、本熱交換器は、同時にコスト削減を潜在的に可能とするとともに、可能な限りの性能向上を図ることができる。

本発明を実施する１つの方法では、まず、従来の断面円形状とし、且つ所定の応用例に必要な管の数を決定する熱交換器設計から始めることができる。次に、管の数を１０％〜１５％分減らし、その後、管巣を、流動方向切換窓のある場所を除いて内壁部に沿って比較的小さな隙間距離をとるように作り直す。一般に、管巣の高さ対幅の比は、熱交換器を通って生じる圧力降下と熱遮断性能との好ましい組み合わせに対して、最適化することができる。加えて、阻流板間の分離距離、隣接する管２１間の分離距離３８、および流動方向切換窓３０の開口部の大きさは、好ましくは、熱交換器１２の所定の位置での流れ領域がある程度一定を保つように組み合わされ、それにより、流体が熱交換器１２を通過する際に、過度な圧力降下を生じながら、加速したり減速したりしないようになる。

なお、上述した説明は、あくまでも本発明の例示を意図するものであり、いずれにしろ本発明の範囲を限定することを意図するものではない。例えば、本発明の実施形態では、阻流板２３を互いに平行に且つ管２１に垂直に配向するように示しているが、当業者であれば、阻流板が熱遮断性能および/または熱交換器１２を通る圧力降下性能のうちの少なくとも一方を変更および／または向上するために他の配向をとることができることは、理解するであろう。加えて、ハウジング１４の内壁部は、径方向部により連結された６つの平坦な壁部分を備えているが、内壁部は、管２１と内壁部２２との間よりもむしろ管２１間により多くの流れを通すように流動方向切換窓３０の開口部の形状および／または隙間距離２７を調整するため、実質的に不規則な形状（図５のような）をとることも可能である。このように、当業者であれば、本発明の他の形態、目的および利点は、図面、明細書および添付した請求の範囲の検討によって得られる。

本開示に係る熱交換器を有するエンジンの等角図である。 図１の熱交換器用の管巣を示す端面図である。 図４の切断線３−３に沿って見た図２の熱交換器の前面断面図である。 図１の熱交換器を示す端面図である。 他の実施形態による熱交換器を示す端面図である。

符号の説明

１０ エンジン
１２ 熱交換器
１４ ハウジング
１６ 入口
１８ 出口
２０ 管巣
２１ 複数の管
２２ 環状内壁部
２３ 阻流板
２４ 熱交換キャビティ
２５ 蛇行状流路
２６ 外周の一組の管
２７ 隙間距離
２８ 窓距離
３０ 流動方向切換窓
３１ 管の直径
３３ 管列
３４ 管の長い列
３６ 窓幅
３８ 分離距離
４０ キャビティ幅
４２ キャビティ高さ
４３ キャビティ長
１１２ 熱交換器
１１４ ハウジング
１２０ 管巣
１２２ 環状内壁部
１２３ 不規則部

Claims (10)

1. 熱交換キャビティの一部を画定する環状内壁部を有するハウジングと、
   前記ハウジング内に位置し、複数の管と複数の阻流板とを有する管巣とを備え、
   前記内壁部と前記管巣は、複数の流動方向切換窓を含む蛇行状流路を画定し、
   前記複数の管は、前記窓で窓距離分、前記内壁部から分離され、且つ前記窓から隙間距離分、離れて分離された管巣外周を画定する外周の一組の管を含んでおり、
   前記窓距離は、前記隙間距離より長くなされている熱交換器。
2. 前記隙間距離は、前記外周の一組の管の隣接する複数の管に対応する前記管巣外周の一部分において、均一である請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記窓距離は、前記外周の一組の管の隣接する複数の管に対応する前記管巣外周の一部分において、均一である請求項１に記載の熱交換器。
4. 前記管巣外周は、長方形である請求項１に記載の熱交換器。
5. 前記隙間距離は、前記複数の管のうちの１つの直径よりも小さい請求項１に記載の熱交換器。
6. 前記複数の管の各々は、少なくとも３つの他の管に隣接している請求項１に記載の熱交換器。
7. 前記熱交換キャビティは、キャビティ長に沿って均一であるキャビティ幅およびキャビティ高さを有する請求項１に記載の熱交換器。
8. 前記内壁部は、互いに平行な一対の平坦な壁部分を有し、前記窓は、前記平坦な壁部分により部分的に画定される請求項１に記載の熱交換器。
9. 前記窓は、前記キャビティ高さよりも長い窓幅を有する請求項１に記載の熱交換器。
10. 請求項１に記載の熱交換器によるオイル冷却器を備えるエンジン。

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