JP2009068809A - ハイブリッド型熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 大型化や部品点数の大幅な増加を招くことなく、冷却性能を向上できるハイブリッド型熱交換器の提供。
【解決手段】 所定間隔を置いて配置される一対のタンク10a,10bと、両端部がそれぞれ対応する前記タンク10a,10bに連通接続された複数のチューブ１１を備え、チューブ１１に車両走行風またはファン３による強制風を当てて該チューブ１１を流通する吸入空気を冷却するようにしたインタークーラ６において、チューブ１１の一部をケーシング７で囲繞すると共に、このケーシング７に該チューブ１１の冷却媒体よりも温度が低いエンジン冷却水を流通させるための入出力ポートP3,P4を設けた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ハイブリッド型熱交換器に関する。

従来、所定間隔を置いて配置される一対のタンクと、両端部がそれぞれ対応するタンクに連通接続された複数のチューブを備え、チューブに車両走行風またはファンによる強制風を当てて該チューブ内の冷却媒体を冷却するようにした熱交換器の技術が公知となっており、このような熱交換器の１つとして、ターボチャージャー付きエンジン車両には、空冷式インタークーラが採用されている（特許文献１〜３参照）。
特開平１１−２８０４７９号公報 特開２００６−３３６８９０号公報 特開２００６−１８９１８１号公報

しかしながら、近年のエンジン出力向上に伴う高い冷却性能を満足させるために熱交換器は大型化する一方、車室スペースの拡大化に伴ってエンジンルームは狭小化しており、対応が困難になりつつあった。
また、特にターボチャージャー付きエンジン車両の冷却回路では、搭載部品が増えるために高性能でコンパクトな熱交換器が望まれていた。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、大型化や部品点数の大幅な増加を招くことなく、冷却性能を向上できるハイブリッド型熱交換器を提供することである。

本発明の請求項１記載の発明では、所定間隔を置いて配置される一対のタンクと、両端部がそれぞれ対応する前記タンクに連通接続された複数のチューブを備え、前記チューブに車両走行風またはファンによる強制風を当てて該チューブの冷却媒体を冷却するようにした熱交換器において、前記チューブの一部をケーシングで囲繞すると共に、このケーシングに該チューブの冷却媒体よりも温度が低い冷却媒体を流通させるための出入り口を設けたことを特徴とする。

本発明の請求項１記載の発明にあっては、所定間隔を置いて配置される一対のタンクと、両端部がそれぞれ対応する前記タンクに連通接続された複数のチューブを備え、前記チューブに車両走行風またはファンによる強制風を当てて該チューブの冷却媒体を冷却するようにした熱交換器において、前記チューブの一部をケーシングで囲繞すると共に、このケーシングに該チューブの冷却媒体よりも温度が低い冷却媒体を流通させるための出入り口を設けたため、大型化や部品点数の大幅な増加を招くことなく、冷却性能を向上できる。

以下、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。

以下、実施例１を説明する。
なお、実施例１ではハイブリッド型熱交換器をインタークーラに適用した例について説明する。

図１は実施例１のハイブリッド型熱交換器が採用された車両の冷却回路を示す全体図、図２は実施例１のハイブリッド型熱交換器の後面図、図３は同上面図であり、ラジエータとの配置を説明する図である。
図４は実施例１の要部拡大断面図、図５は図４のＳ５−Ｓ５線における断面図、図６〜９は実施例１のハイブリッド型熱交換器の製造を説明する図（一部省略）である。

先ず、全体構成を説明する。
図１に示すように、実施例１では、所謂ターボチャージャー付きのエンジン車両が採用されており、エンジン冷却回路Ｒ１と、ターボチャージャーガス回路Ｒ２とから構成されている。

エンジン冷却回路Ｒ１において、エンジン１のウォータージャケット（図示せず）から排出された８０℃前後のエンジン冷却水は、先ず、接続管9a,9bによりラジエータ２へ導入されて車両走行風またはファン３による強制風と熱交換して６０℃前後に冷却される。
次に、ラジエータ２で冷却されたエンジン冷却水は、サーモスタット４及びポンプ５を介した各接続管９ｃ〜９ｅにより再びエンジン１へ戻されて環流する。

また、接続管９ｂのエンジン冷却水の一部は、接続管９ｆにより後述するインタークーラ６のケーシング７内に導入された後、接続管９ｇにより接続管９ｂと再び合流する。
なお、図示を省略するが、接続管９ｇにはエンジン冷却水をケーシング７側へ逆流するのを防止する逆止弁が介装されている。

また、エンジン冷却水の温度が低い間は、サーモスタット４が閉弁することより、エンジン冷却水が接続管９ａから接続管９ｈ側へ流通してラジエータ２及びケーシング７を迂回しながら環流する。

ターボチャージャーガス回路Ｒ２において、図外のエアクリーナから導入された吸入空気は、先ず、接続管９ｉによりターボチャージャー８のコンプレッサ８ａへ導入されて１８０℃前後に加圧・高温化される。
次に、コンプレッサ８ａで加圧・高温化された吸入空気は、接続管９ｊによりインタークーラ６のケーシング７内でエンジン冷却回路Ｒ１のエンジン冷却水と熱交換して冷却された後、さらに、車両走行風またはファン３の強制風と熱交換して６０℃前後に冷却される。

次に、インタークーラ６で冷却された吸入空気は、接続管９ｋ（インテークマニホールド）によりエンジン１の吸気ポート（図示せず）へ供給されることにより、エンジン１の過給効率を高めてエンジン出力を向上できるようになっている。
最後に、エンジン１の排気ポート（図示せず）から排出された排気ガスは、接続管９ｍ（エキゾーストマニホールド）によりターボチャージャー８へ導入されてタービン８ｂを駆動した後、接続管９ｎにより図外の触媒装置やメインマフラー等を介して車外へ排出される。

このように、実施例１では、インタークーラ６が吸入空気をケーシング７内のエンジン冷却水で冷却した後、さらに、車両走行風またはファン３の強制風で冷却する空水冷式のハイブリッド型熱交換器として機能し、これによって、インタークーラ６の冷却効率を大幅に向上でき、ひいてはエンジン出力の更なる向上を実現できる。

また、ケーシング７内にはエンジン冷却回路Ｒ１のエンジン冷却水を流通させるため、簡便且つ安価なシステムで実現でき、実施も容易である。

次に、インタークーラ６の構造を詳細に説明する。
図２〜５に示すように、インタークーラ６は、所定間隔を置いて配置された一対のタンク10a,10bと、両端部がそれぞれ対応するタンク10a,10bに連通接続された複数のチューブ１１と、該チューブ１１の上流側（図２、３中右側）を囲繞した状態で設けられたケーシング７等から構成されている。

各タンク10a,10bは、樹脂製でチューブ１１側に開口した器状に形成される他、その開口周縁部はそれぞれ対応する器状のチューブプレート12,13にシール部材Ｓ１（図４参照）を介して複数の爪部１４により加締め固定されている。
また、タンク１０ａの後面には、接続管９ｊと接続するための入力ポートＰ１が後方へ向けて突設される一方、タンク１０ｂの後面には、接続管９ｋと接続するための出力ポートＰ２が後方へ向けて突設されている。

ケーシング７は、四角形断面の筒状に形成されるケーシング本体１５と、該ケーシング本体１５の開口一端部を閉塞する前記チューブプレート１２と、該ケーシング本体１５の開口他端部を閉塞し、各チューブ１１が貫通した器状の閉塞プレート１６から構成され、その内部に密閉空間が形成されている。
従って、ケーシング７は側壁の一部をチューブプレート１２で兼用してタンク１０ａと一体的に形成されており、これによって、ケーシング７とタンク１０ａを別体で離間して設けた場合に比べて部品点数を削減できると同時に、周辺部剛性を向上できるようになっている。

図５に示すように、ケーシング本体１５の下部には、接続管９ｆと接続するための入力ポートＰ３が下方へ向けて突設される一方、この入力ポートＰ３に近接した後方位置には、最下位のチューブ１１ａとの間を仕切る板状の仕切り部１７ａがケーシング７内に向けて立設されている。
一方、ケーシング７の上部には、接続管９ｇと接続するための出力ポートＰ４が上方へ向けて突設される一方、この入力ポートＰ４に近接した前方位置には最上位のチューブ１１ｂとの間を仕切る板状の仕切り部１７ｂがケーシング７内へ向けて立設されている。

また、チューブ１１は、扁平管状に形成されると共に、その内部には該チューブ１１の全長に亘って波板状のインナーフィン１１ｃが収容されている。なお、チューブ１１やインナーフィン１１ｃの形状は適宜設定できる。

さらに、ケーシング７内を除く隣接するチューブ１１同士間には、波板状のフィン１８が設けられている。

その他、タンク１０及びシール部材Ｓ１を除く各構成部材は全てアルミ製であり、各構成部材の接合部のうちの少なくとも一方にはクラッド材（ブレージングシート）が設けられている。

次に、実施例１のインタークーラ６の製造について説明する。
このように構成されたインタークーラを製造する際には、図６に示すように、所定位置に並べられたチューブ１１とフィン１８に対して、該チューブ１１の上流側端部１９を閉塞プレート１６に挿通し固定させた状態とする。
この際、閉塞プレート１６におけるチューブ１１が貫通する部位には、環状突起状のバーリング部１６ａが該チューブ１１の挿通方向へ突設されているため、チューブ１１の挿入性が良好となっている（図５参照）。

次に、図６、７に示すように、ケーシング本体１５の開口他端部を閉塞プレート１６の外周部に嵌合させて固定する。
なお、実施例１では、別工程でケーシング７に対して両仕切り部17a,17b及び入出力ポートP3,P4が溶接またはろう付け等により予め固定されているが、これらは後述するろう付け時に固定するようにしても良い。

次に、図７、８に示すように、各チューブ１１の上流側端部１９をチューブプレート１２のバーリング部１２ａに挿通し固定した状態とすると共に、ケーシング７の開口一端部をチューブプレート１２の外周部に嵌合させて配置する（図５参照）。
また、図示を省略するが、チューブ１１の下流側においても同様にチューブ１１の下流側端部とチューブプレート１３を固定する。

次に、このように仮組みされたチューブ１１、フィン１８、閉塞プレート１６、ケーシング７、及びチューブプレート12,13を図外の加熱炉に搬送して熱処理することにより、これらの各接合部をろう付けして一体的に形成する。

従って、実施例１では、チューブ１１、フィン１８、閉塞プレート１６、ケーシング７、及びチューブプレート12,13の各部品の組み付け方向をチューブ１１の長手方向に限定しているため、チューブ１１の軸直方向へ連続的に搬送しつつチューブ１１の長手方向両側から次々と各部品を容易に組み付け可能となる。

最後に、図８、９に示すように、チューブプレート１２とタンク１０ａとの間にシール部材Ｓ１（図４参照）を介装して最中状に重ね合わせた状態として、チューブプレート１２の開口周縁部に形成された複数の爪部１４をタンク１０ａの開口周縁部に加締めて固定する。
また、図示を省略するが、チューブ１１の下流側においても同様にチューブプレート１３とタンク１０ｂを固定して、インタークーラ６の製造を終了する。
なお、各チューブプレート12,13とそれぞれ対応するタンク10a,10bをろう付けまたは溶接して固定するようにしても良い。

次に、インタークーラ６の作動を説明する。
このように構成されたインタークーラ６は、図３に示すように、一対のタンク10a,10bが車幅方向に離間した状態で配置される。

また、インタークーラ６の後方には、コア部２ａの車幅方向両側に上流側タンク２ｂ及び下流側タンク２ｃが配置された横流れ式のラジエータ２が並設される他、ケーシング７の後方に上流側タンク２ｂが重ねられた状態で設けられる。

従って、車両走行風またはファン３の強制風を当てる必要がない上流側タンク２ｂの前方のデッドスペースにケーシング７を配置して有効利用できる。
また、ケーシング７とラジエータの上流側タンク１０が近接することで、接続管9f,9gを最短の長さでもって接続管９ｂに接続でき、好適となる。

そして、図４に示すように、接続管９ｆから入力ポートＰ３を介してケーシング７に流入したエンジン冷却水（図中二点鎖線矢印で図示）は、チューブ１１同士間を流通した後、出力ポートＰ４を介して接続管９ｇへ排出される。
この際、図５に示すように、入力ポートＰ３からケーシング７内に流入したエンジン冷却水（図中二点鎖線矢印で図示）は、仕切り部17a,17bによってケーシング７の車両前方側に流入した後、各チューブ１１同士間を通過した後、出力ポートＰ４へ向かう流路となる。
従って、エンジン冷却水の偏流を防止して各チューブ１１同士間に確実且つ均一に流通させることができる。

また、ケーシング７は、車両走行風またはファン３の強制風を受けて外部から冷却される上、ケーシング７に流入したエンジン冷却水は、チューブ１１同士間を通過する前に車両走行風が直接当たって特に冷えたケーシング７の前方側によって冷却される。

また、ケーシング７内にはフィン１８を設けていないため、エンジン冷却水のチューブ１１同士間の流通抵抗を少なくでき、スムーズに流通させることができると同時に、フィン１８を設ける場合に比べてフィン１８の材料費を節約できる。

一方、接続管９ｊから入力ポートＰ１を介してタンク１０ａに流入した吸入空気（図４中破線矢印で図示）は、各チューブ１１を介してケーシング７を通過する際に、ケーシング７内のエンジン冷却水と熱交換して冷却される。
この際、前述したように、エンジン冷却水は、各チューブ１１同士間に確実且つ均一に流通しているため、吸入空気を効率よく冷却できる。
さらに、ケーシング７は、車両走行風またはファン３の強制風を受けて外部から冷却される上、ケーシング７に流入したエンジン冷却水は、チューブ１１同士間を通過する前に車両走行風が直接当たって特に冷えたケーシング７の前方側によって冷却されるため、吸入空気との熱交換を向上できる。

次に、ケーシング７を通過したチューブ１１の吸入空気は、車両走行風またはファン３の強制風と熱交換して冷却される。この際、フィン１８によって該風との熱交換効率を促進できる。
最後に、タンク１０ｂに流入した吸入空気は、出力ポートＰ２から接続管９ｋへ排出される。

ここで、各チューブ１１は吸入空気の流通によって主に長手方向へ熱膨張・収縮し、その熱応力はチューブ１１におけるチューブプレート12,13との付け根に集中する。
実施例１では、各チューブ１１において吸入空気の温度が高いチューブプレート１２との付け根に前述した熱応力が特に集中する。

これに対し、実施例１では、ケーシング７をチューブ１１の上流側に設けているため、ケーシング７のエンジン冷却水でチューブ１１の上流側全体を冷却でき、これによって、チューブ１１の熱膨張・収縮による熱応力を軽減してチューブ１１を保護できる。

なお、補足ではあるが、図１で説明したように、実施例１のインタークーラ６の出口要求温度（接続管９ｋの吸入空気の温度）は６０℃であり、エンジン冷却回路Ｒ１を流用した水冷化のみではこの要求を満たすことができず、また、独立した冷却回路で水冷化した場合には、サブラジエータ、ポンプ、及び水冷式インタークーラの構成が必須となり、部品点数及び製造コストが大幅に増大する上、これらの搭載スペースを確保することが困難になる。
これに対して実施例１のインタークーラ６は、大型化や部品点数の大幅な増加を招くことなく、所望の冷却性能を発揮できる。

次に、効果を説明する。
以上、説明したように、実施例１のハイブリッド型熱交換器にあっては、所定間隔を置いて配置される一対のタンク10a,10bと、両端部がそれぞれ対応する前記タンク10a,10bに連通接続された複数のチューブ１１を備え、チューブ１１に車両走行風またはファン３による強制風を当てて該チューブ１１を流通する吸入空気を冷却するようにしたインタークーラ６において、チューブ１１の一部をケーシング７で囲繞すると共に、このケーシング７に該チューブ１１の冷却媒体よりも温度が低いエンジン冷却水を流通させるための入出力ポートP3,P4を設けたため、大型化や部品点数の大幅な増加を招くことなく、冷却性能を向上できる。

また、ケーシング７をチューブ１１の上流側に設けたため、チューブ１１が熱膨張・収縮した際に掛かる熱応力を軽減でき、チューブ１１を保護できる。

また、ケーシング７とタンク１０を一体的に形成したため、部品点数を減らすことができる上、全体剛性を向上できる。

また、ケーシング７内を除くチューブ１１同士間にフィン１８を設けたため、ケーシング７内のエンジン冷却水におけるチューブ１１同士間の流通抵抗を軽減してスムーズに流通させることができると同時に、ケーシング７以外のチューブ１１間ではフィン１８を介して車両走行風またはファン３の強制風との熱交換を向上できる。

また、ケーシング７内にエンジン冷却水の偏流を防止する仕切り部17a,17bを設けたため、ケーシング７内のエンジン冷却水をチューブ１１同士間へ確実且つ均一に流通させてチューブ１１の吸入空気との熱交換を向上できる。

また、一対のタンク１０を車幅方向に離間して配置すると共に、その後方に横流れ式のラジエータ２を並設し、ケーシング７の後方にラジエータ２のタンク２ａを重ねた状態で配置したため、車両走行風またはファンの強制風を当てる必要がないタンク２ｂの前方のデッドスペースを有効利用できる。
また、ケーシング７とラジエータの上流側タンク１０が近接することで、接続管9f,9gを最短の長さでもって接続管９ｂに接続でき、好適となる。

また、ハイブリッド熱交換器をインタークーラ６とし、ケーシング７内を流通する冷却媒体をエンジン冷却回路Ｒ１のエンジン冷却水としたため、特に高性能化とコンパクト化の両立が望まれているインタークーラに適用して好適となる。
また、エンジン冷却回路Ｒ１のエンジン冷却水を流用することで、新規に冷却回路を設ける場合に比べてコストを低く抑えることができる。

以下、実施例２を説明する。
実施例２において、前記実施例１と同様の構成部材については同じ符号を付してその説明は省略し、相違点のみ詳述する。

図１０は実施例２のケーシング本体を説明する図である。

実施例２では、図１０に示すように、実施例１の閉塞プレート１５とケーシング本体１５を一体的に形成した箱状のケーシング本体２０を採用したという点が実施例１と異なる。

従って、実施例１と同様の作用・効果を得られることに加えて、部品点数と組み付け工数を減らすことができる。

以上、実施例を説明してきたが、本発明は上述の実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても、本発明に含まれる。
例えば、実施例１では、エンジン冷却回路Ｒ１のエンジン冷却水の一部をケーシング７へ流入させたが、全量を流入させても良いし、接続管９ｆにバルブを介装してラジエータ３の負荷に応じてケーシング７への流量を調整しても良い。
また、接続管9f,9gの分岐位置及び合流位置は適宜設定できる。

さらに、実施例では、ハイブリッド式熱交換器をインタークーラに適用したが、ラジエータ、コンデンサ、オイルクーラ、エバポレータ等の他の熱交換器にも適用でき、その際のケーシング７へ供給される冷却媒体の種類も温度条件を考慮して適宜設定できる。

同様に、本発明をターボチャージャーを有しない一般的なエンジン車両や、ハイブリッド車両、燃料電池車両等に適用することは当然考えられる。

実施例１のハイブリッド型熱交換器が採用された車両の冷却回路を示す全体図である。 実施例１のハイブリッド型熱交換器の後面図である。 実施例１のハイブリッド型熱交換器の上面図であり、ラジエータとの配置を説明する図である。 実施例１の要部拡大断面図である。 図４のＳ５−Ｓ５線における断面図である。 実施例１のハイブリッド型熱交換器の製造を説明する図（一部省略）である。 実施例１のハイブリッド型熱交換器の製造を説明する図（一部省略）である。 実施例１のハイブリッド型熱交換器の製造を説明する図（一部省略）である。 実施例１のハイブリッド型熱交換器の製造を説明する図（一部省略）である。 実施例２のケーシング本体を説明する図である。

符号の説明

Ｐ１、Ｐ３ 入力ポート
Ｐ２、Ｐ４ 出力ポート
Ｒ１ エンジン冷却回路
Ｒ２ ターボチャージャーガス回路
Ｓ１ シール部材
１ エンジン
２ ラジエータ
２ａ コア部
２ｂ 上流側タンク
２ｃ 下流側タンク
３ ファン
４ サーモスタット
５ ポンプ
６ インタークーラ
７ ケーシング
８ ターボチャージャー
８ａ コンプレッサ
８ｂ タービン
９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅ、９ｆ、９ｇ、９ｈ、９ｉ、９ｊ、９ｋ、９ｍ、９ｎ 接続管
１０ａ、１０ｂ タンク
１１、１１ａ、１１ｂ チューブ
１１ｃ インナーフィン
１２、１３ チューブプレート
１２ａ バーリング部
１４ 爪部
１６ 閉塞プレート
１６ａ バーリング部
１７ａ、１７ｂ 仕切り部
１８ フィン
１９ （チューブの）上流側端部
２０ ケーシング

Claims (7)

1. 所定間隔を置いて配置される一対のタンクと、
   両端部がそれぞれ対応する前記タンクに連通接続された複数のチューブを備え、
   前記チューブに車両走行風またはファンによる強制風を当てて該チューブの冷却媒体を冷却するようにした熱交換器において、
   前記チューブの一部をケーシングで囲繞すると共に、このケーシングに該チューブの冷却媒体よりも温度が低い冷却媒体を流通させるための出入り口を設けたことを特徴とするハイブリッド型熱交換器。
2. 請求項１記載のハイブリッド型熱交換器において、
   前記ケーシングをチューブの上流側に設けたことを特徴とするハイブリッド型熱交換器。
3. 請求項１または２記載のハイブリッド型熱交換器において、
   前記ケーシングとタンクを一体的に形成したことを特徴とするハイブリッド型熱交換器。
4. 請求項１〜３のうちのいずれかに記載のハイブリッド型熱交換器において、
   前記ケーシング内を除くチューブ同士間にフィンを設けたことを特徴とするハイブリッド型熱交換器。
5. 請求項１〜４のうちのいずれかに記載のハイブリッド型熱交換器において、
   前記ケーシング内の冷却媒体の偏流を防止する仕切り部を設けたことを特徴とするハイブリッド型熱交換器。
6. 請求項１〜５のうちのいずれかに記載のハイブリッド型熱交換器において、
   前記一対のタンクを車幅方向に離間して配置すると共に、その後方に横流れ式の熱交換器を並設し、
   前記ケーシングの後方に前記横流れ式の熱交換器のタンクを重ねた状態で配置したことを特徴とするハイブリッド型熱交換器。
7. 請求項１〜６のうちのいずれかに記載のハイブリッド型熱交換器において、
   前記熱交換器をインタークーラとし、
   前記ケーシング内を流通する冷却媒体をエンジン冷却回路のエンジン冷却水としたことを特徴とするハイブリッド型熱交換器。

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