JP4375045B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、例えば車両エンジンにおける自動変速機用作動油の暖機および冷却に用いて好適な熱交換器に関するものである。

従来の自動変速機の作動油用の熱交換器として、特許文献１に示されるように、専用の本体内に作動油が流通する熱交換部（公報中ではエレメント）が収容され、この本体がサーモスタット閉時にエンジン冷却水が還流する冷却水回路内（具体的にはヒータコアが配設されるヒータ温水回路としている）に配設されたものが知られている。

この熱交換器においては、作動油とエンジン冷却水との間で熱交換が成され、エンジン始動後の暖機運転時における作動油の暖機とエンジン定常運転時における作動油の冷却を行うものとしており、専用の本体を設けることで搭載性の自由度を高めている。
特開２００２−４７９３５号公報

しかしながら、上記熱交換器においては、エンジン定常運転時における作動油の冷却を行うと言いつつも、作動油の暖機を念頭においていることから冷却水としてヒータ温水回路内の冷却水を用いているので、エンジン作動負荷が高く作動油の温度上昇度合いが高いと、充分な冷却が得られない場合が考えられる。

そこで、作動油冷却用の補助熱交換器を追加することが考えられるが、これを行うと暖機を行う際に作動油は補助熱交換器により冷却されることになるので、本来の暖機性能が悪化してしまう。

本発明の目的は、上記問題に鑑み、エンジンや自動変速機等の作動油の暖機に加えて、作動油の温度に応じて充分な冷却も可能とする熱交換器を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。

請求項１に記載の発明では、エンジン（１０）あるいは自動変速機（２０）の作動油が外部循環する循環流路（１２０Ａ）に配設され、エンジン（１０）用のラジエータ（３２）をバイパスして供給される冷却水と作動油との間で熱交換を行う熱交換部（１１０）を有し、冷却水によって、エンジン（１０）始動後の作動油の暖機、および暖機後の作動油の冷却を行う熱交換器において、
循環流路（１２０Ａ）に、作動油冷却用の補助熱交換部（１４０）と、
補助熱交換部（１４０）をバイパスするバイパス流路（１２４）と、
エンジン（１０）始動後に作動油をバイパス流路（１２４）側のみに流して、熱交換部（１１０）と補助熱交換部（１４０）とのうち熱交換部（１１０）のみを作動させて作動油の暖機を行うと共に、暖機後に作動油の温度に応じてバイパス流路（１２４）側及び補助熱交換部（１４０）側への作動油の流量を調節して、熱交換部（１１０）と補助熱交換部（１４０）とを作動させて作動油の冷却を行う流量調節バルブ（１５０）とを設けたことを特徴としている。

これにより、エンジン（１０）始動後は、作動油は熱交換部（１１０）のみを循環するので、冷却水によって早期に暖機される。そして、暖機後においては、流量調節バルブ（１５０）によって作動油は、熱交換部（１１０）に加えて補助熱交換部（１４０）にも循環するようになるので、作動油の温度に応じて充分に冷却することができる。

総じて、作動油の早期暖機および充分な冷却の両者を可能とする熱交換器（１００）とすることができる。

熱交換部（１１０）は、請求項２に記載の発明のように、エンジン（１０）あるいは自動変速機（２０）のうち、自動変速機（２０）用の作動油に対して暖機あるいは冷却を行うＡＴＦウォーマ（１１０）として用いて好適である。

また、請求項３に記載の発明では、流量調節バルブ（１５０）は、作動油の温度に応じて膨張収縮する熱膨張体によって、バイパス流路（１２４）側あるいは補助熱交換部（１４０）側の弁開度を可変するサーモバルブ（１５０）であることを特徴としている。

これにより、作動油の温度検出手段や流量調節バルブ（１５０）の弁開度可変のための制御機器等を不要として、安価な対応が可能となる。

更に、請求項４に記載の発明では、補助熱交換部（１４０）は、外部空気との熱交換によって作動油を冷却する空冷式熱交換部（１４０）であることを特徴としている。

これにより、冷却水より温度の低い外部空気によって作動油との温度差を大きく取る事ができるので、作動油を効果的に冷却することができる。

請求項５に記載の発明では、熱交換部（１１０）に供給される冷却水は、暖房用熱交換器（４２）が配設されるヒータ温水回路（４０）を流通する冷却水であることを特徴としている。

これにより、通常エンジン（１０）の冷却水回路の中に設けられるヒータ温水回路（４０）を活用することで、新たな回路を設定する必要が無い。

尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について、図１〜図５を用いて説明する。第１実施形態は、本発明を自動車用エンジン１０の自動変速機２０の作動油用熱交換器１００に適用したものとしている。

図１に示すように、エンジン１０は、自動変速機２０を有している。自動変速機は周知のように、クラッチの働きをするトルクコンバータと変速のための各種ギヤが組み込まれたものであり、トルクコンバータには動力伝達用の媒体として作動油（オートマッチック トランスミッション フルード）が用いられている。この作動油の温度を早期に上昇させ、また、高温時には冷却して適温に保持するために、後述する熱交換器１００が設けられている。尚、自動変速機２０には、オイル出口部２１、オイル入口部２２が設けられており、図示しないポンプによって、作動油が後述するバイパス流路１２４を含む循環流路１２０Ａを還流するようにしている。

尚、エンジン１０には、このエンジン１０自身を適切な温度に保持するためのラジエータ冷却水回路３０が設けられている。これは、ウォータポンプ１１によってエンジン１０内の冷却水が還流するラジエータ流路３１の途中にラジエータ３２が配設された回路である。尚、ラジエータ流路３１のラジエータ３２の上流側には、図示しないサーモスタットが設けられている。

また、エンジン１０には、ラジエータ３２をバイパスするラジエータバイパス回路として、エンジン１０から流出してウォータポンプ１１側に戻るヒータ流路４１の途中部分にヒータコア４２が配設されるヒータ温水回路４０が設けられている。ヒータコア４２は、冷却水（温水）を熱源として空調用空気を加熱する周知の暖房用熱交換器である。尚、ヒータ回路４０にはバルブ等の流量可変手段を設けておらず、常時ウォータポンプ１１によってエンジン１０内の冷却水が還流される。特にエンジン１０始動後で、ラジエータ流路３１に設けられた図示しないサーモスタットが閉じている場合には、冷却水は、ヒータ温水回路４０のみを流通することになる。

本発明の熱交換器１００は、スペーサ１２０内の各流路１２１、１２２、１２３および各配管１３１、１３２によって形成される循環流路１２０Ａに配設されるＡＴＦウォーマ１１０、オイルクーラ１４０、サーモバルブ１５０等から成る。

図２、図３に示すように、ＡＴＦウォーマ（本発明における熱交換部に対応）１１０は、自動変速機２０の作動油の暖機や冷却を行う熱交換器であり、ここでは、アルミニウム製の丸型積層式のものとしている。更に詳述すると、ＡＴＦウォーマ１１０は、複数の開口部を有する丸型のプレート部材が複数積層され、各開口部が連通することによって内部にオイル流通部と冷却水流通部とが形成される本体部１１１に、円盤状のフランジ部１１２が接合されたものである。

フランジ部１１２には、入口ポート１１３および出口ポート１１４が穿設され、本体部１１１内のオイル流通部と連通するようにしている。また、冷却水流通部にはヒータ流路４１（図１）が接続され、エンジン１０からの冷却水が流通する。尚、ＡＴＦウォーマ１１０としては、上記の積層式のものに限らず、丸型や角型を成すケース部の中にオイルユニットが収容されるものや、外径の異なる円筒部材を同軸上に配置して成る多重管式のもの等、各種選択することができる。

スペーサ１２０は、アルミニウム製のブロック状部材の内部にウォーマ入口流路１２１、ウォーマ出口流路１２２、ミッション入口流路１２３、バイパス流路１２４およびバルブ収容部１２５が形成されたものであり、上記ＡＴＦウォーマ１１０と共に、ボルト１６０（図１）によって自動変速機２０の外表面に締結されている。尚、自動変速機２０とスペーサ１２０との間、ＡＴＦウォーマ１１０とスペーサ１２０との間には作動油洩れ防止用のパッキン１７０がそれぞれ介在されている。

スペーサ１２０において、ウォーマ入口流路１２１は自動変速機２０のオイル出口部２１とＡＴＦウォーマ１１０の入口ポート１１３とを連通させる流路として形成されており、ウォーマ出口流路１２２はＡＴＦウォーマ１１０の出口ポート１１４とスペーサ１２０の外部とを連通させる流路として形成されており、ミッション入口流路１２３はスペーサ１２０の他の外部と自動変速機２０のオイル入口部２２とを連通させる流路として形成されており、バイパス流路１２４は出口ポート１１４とオイル入口部２２とを連通させる流路として形成されている。更に、バルブ収容部１２５は、スペーサ１２０の一側面からウォーマ出口流路１２２とバイパス流路１２４とにそれぞれ連通する空間として形成されている。

そして、ウォーマ出口流路１２２にはオイルクーラ１４０の入口側に繋がる入口配管１３１が接続され、また、ミッション入口流路１２３にはオイルクーラ１４０の出口側から繋がる出口配管１３２が接続されている。

上記のウォーマ入口流路１２１、ウォーマ出口流路１２２、入口配管１３１、出口配管１３２、ミッション入口流路１２３によって、自動変速機２０内の作動油が図示しないポンプによって外部に還流する循環流路１２０Ａが形成されることになり、この循環流路１２０ＡにＡＴＦウォーマ１１０およびオイルクーラ１４０が直列となるように配設されることになる。また、バイパス流路１２４によって、循環流路１２０Ａにおいて作動油がオイルクーラ１４０をバイパスしてＡＴＦウォーマ１１０のみを通る流路を形成することができるようにしている。

尚、上記オイルクーラ（本発明における補助熱交換部に対応）１４０は、ここでは一対のチューブプレートから成るチューブとアウターフィンとを交互に積層して成るアルミニウム製の空冷式ドロンカップオイルクーラ（本発明における空冷式熱交換部に対応）としており、ラジエータ３２の車両前方側に配設されるようにしている（図１）。

サーモバルブ（本発明における流量調節バルブに対応）１５０は、スペーサ１２０のバルブ収容部１２５に配設されており、感温部１５１、シャフト１５２、第１バルブ１５３、第２バルブ１５４から成る。

感温部１５１は、内部にサーモワックス（本発明における熱膨張体に対応）が封入された容器体である。サーモワックスはウォーマ出口流路１２２からバルブ収容部１２５に流入する作動油の温度に応じて（温度を感知して）膨張収縮する。

シャフト１５２は、その一端側が感温部１５１内に挿入され、図示しないスプリングによって支持されており、上記感温部１５１内のサーモワックスの膨張収縮時の力とスプリング力とのバランスによって、その長手方向に往復動される。

そして、シャフト１５２の他端側には、第１バルブ１５３、第２バルブ１５４が設けられている。第１バルブ１５３、第２バルブ１５４は、上記シャフト１５２に連動して往復動し、第１バルブ１５３は、バルブ収容部１２５において連通するウォーマ出口流路１２２を開閉し、また、第２バルブ１５４は、バルブ収容部１２５において連通するバイパス流路１２４を開閉する。

第１バルブ１５３、第２バルブ１５４による各流路１２２、１２４の開閉タイミングは、作動油の温度が予め定めた所定温度を超えると、第１バルブ１５３がウォーマ出口流路１２２を閉状態（図２、図３）から開状態（図４、図５）に移行し、第２バルブ１５４はバイパス流路１２４を開状態（図２、図３）から閉状態（図４、図５）に移行するようにしている。尚、所定温度とは、トルクコンバータの媒体として作動油が効率良く作動し得る温度に準じた温度としている。

次に、上記構成に基づく熱交換器１００の作動および作用効果について説明する。

まず、エンジン１０の始動直後においては、ラジエータ流路３１のサーモスタットは閉じられており、ウォータポンプ１１の作動によって、冷却水は主にヒータ温水回路４０を循環し、ＡＴＦウォーマ１１０の本体部１１１内の冷却水流通部に冷却水が流れる。合わせて、自動変速機２０内の作動油が図示しないポンプの作動によって、オイル出口部２１から流出する。作動油はスペーサ１２０のウォーマ入口流路１２１、入口ポート１１３からＡＴＦウォーマ１１０の本体部１１１内のオイル流通部を流れ、出口ポート１１４からウォーマ出口流路１２２、バルブ収容部１２５およびバイパス流路１２４に至る。

この時、作動油はまだ昇温しておらず所定温度以下であるので、サーモバルブ１４０の感温部１５１内のサーモワックスは収縮状態にあり、シャフト１５２は、スプリングの付勢力によって図２、図３中の右側に摺動され、第１バルブ１５３によってウォーマ出口流路１２２が閉じられ、第２バルブ１５４によってバイパス流路１２４が開かれる。よって、ＡＴＦウォーマ１１０を流通した作動油は、出口ポート１１４からバイパス流路１２４、オイル入口部２２を通って自動変速機２０に戻る。

即ち、作動油はＡＴＦウォーマ１１０のみを流通して、自動変速機２０との間で還流することになるので、ラジエータ３２をバイパスしてエンジン１０の暖機運転に伴って温度上昇する冷却水によって、短時間で昇温（暖機）されることになる。

一方、作動油が暖機されてその温度が所定温度を超えると、感温部１５１内のサーモワックスは膨張していき、シャフト１５２は、サーモワックスの膨張力によって、図４、図５中の左側に摺動されていき、第１バルブ１５３によってウォーマ出口流路１２２が順次開かれていき、サーモワックスが完全に膨張すると第２バルブ１５４によってバイパス流路１２４が完全に閉じられる。よって、ＡＴＦウォーマ１１０を流通した作動油は、出口ポート１１４からウォーマ出口流路１２２、入口配管１３１、オイルクーラ１４０、出口配管１３２、ミッション入口流路１２３、オイル入口部２２を通って自動変速機２０に戻る。

即ち、作動油は循環流路１２０ＡのＡＴＦウォーマ１１０およびオイルクーラ１４０の両者を流通して、自動変速機２０との間で還流することになり、ＡＴＦウォーマ１１０とオイルクーラ１４０の両者によって冷却される訳である。尚、所定温度を超えて作動油の温度上昇分が大きい程、第１バルブ１５３によるウォーマ出口流路１２２に対する開度が大きくなるので、オイルクーラ１４０側へ流れる作動油の油量が増大し、冷却効果が高められることになる。

このように、本熱交換器１００においては、エンジン１０始動直後において作動油を早期に暖機すると共に、この暖機後において作動油温度が更に上昇した時に、ＡＴＦウォーマ１１０のみでは冷却がまかなえない分を、作動油流路を切替えることでオイルクーラ１４０も活用できるようにしているので、充分な冷却も行うことができる。

また、ここでは作動油の流路切替えにあたってはサーモバルブ１５０を用いるようにしているので、作動油の温度検出手段やバルブの弁開度可変のための制御機器等を不要として、安価な対応が可能となる。

また、作動油冷却用の補助熱交換器として空冷式のものを用いているので、冷却水より温度の低い外部空気によって作動油との温度差を大きく取る事ができ、作動油を効果的に冷却することができる。

更に、ＡＴＦウォーマ１１０に供給される冷却水を、ヒータ温水回路４０を流通する冷却水を用いるようにしているので、新たな回路を設定すること無く、作動油の暖機用の冷却水として活用できる。

（その他の実施形態）
上記第１実施形態では、本発明の熱交換器１００を自動変速機２０の作動油の暖機、冷却に用いるもの（ＡＴＦウォーマ）として説明したが、これに限らず、エンジン１０の作動油用（オイルウォーマ）として用いるようにしても良い。

また、循環流路１２０Ａ中のＡＴＦウォーマ１１０とオイルクーラ１４０の配置は上流側と下流側とで逆にして、バイパス流路１２４においてサーモバルブ１５０をオイルクーラ１４０の上流側に設けるようにしても良い。

また、流量調節バルブとしては、サーモバルブ１５０に代えて、電磁式の弁としても良く、この場合は、作動油の温度検出手段（温度センサー等）によって得られる温度に応じて、制御機器によって、電磁式の弁の開度を制御するようにすれば良い。

また、オイルクーラ１４０は、空冷式のものに限らす、例えば、ラジエータ冷却水回路３０を流通する冷却水を用いた水冷式のものとしても良い。

また、ＡＴＦウォーマ１１０に冷却水を供給するための回路としては、ヒータ温水回路４０に限らず、ラジエータ３２をバイパスする専用の回路を設けて用いるようにしても良い。

本発明の第１実施形態における全体構成を示す模式図である。 図１における熱交換器および暖機時における作動油の流れ方向を示す断面図である。 図２におけるＡ方向から見た熱交換器および暖機時における作動油の流れ方向を示す断面図である。 図１における熱交換器および暖機後における作動油の流れ方向を示す断面図である。 図４におけるＢ方向から見た熱交換器および暖機後における作動油の流れ方向を示す断面図である。

符号の説明

１０ エンジン
２０ 自動変速機
３２ ラジエータ
４０ ヒータ温水回路
４２ ヒータコア（暖房用熱交換器）
１００ 熱交換器
１１０ ＡＴＦウォーマ（熱交換部）
１２０Ａ 循環回路
１２４ バイパス流路
１４０ オイルクーラ（補助熱交換部、空冷式熱交換部）
１５０ サーモバルブ（流量調節バルブ）

Claims (5)

1. エンジン（１０）あるいは自動変速機（２０）の作動油が外部循環する循環流路（１２０Ａ）に配設され、前記エンジン（１０）用のラジエータ（３２）をバイパスして供給される冷却水と前記作動油との間で熱交換を行う熱交換部（１１０）を有し、
   前記冷却水によって、前記エンジン（１０）始動後の前記作動油の暖機、および前記暖機後の前記作動油の冷却を行う熱交換器において、
   前記循環流路（１２０Ａ）に、前記作動油冷却用の補助熱交換部（１４０）と、
   前記補助熱交換部（１４０）をバイパスするバイパス流路（１２４）と、
   前記エンジン（１０）始動後に前記作動油を前記バイパス流路（１２４）側のみに流して、前記熱交換部（１１０）と前記補助熱交換部（１４０）とのうち前記熱交換部（１１０）のみを作動させて前記作動油の暖機を行うと共に、前記暖機後に前記作動油の温度に応じて前記バイパス流路（１２４）側及び前記補助熱交換部（１４０）側への前記作動油の流量を調節して、前記熱交換部（１１０）と前記補助熱交換部（１４０）とを作動させて前記作動油の冷却を行う流量調節バルブ（１５０）とを設けたことを特徴とする熱交換器。
2. 前記熱交換部（１１０）は、前記エンジン（１０）あるいは前記自動変速機（２０）のうち、前記自動変速機（２０）用の作動油に対して前記暖機あるいは前記冷却を行うＡＴＦウォーマ（１１０）であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記流量調節バルブ（１５０）は、前記作動油の温度に応じて膨張収縮する熱膨張体によって、前記バイパス流路（１２４）側あるいは前記補助熱交換部（１４０）側の弁開度を可変するサーモバルブ（１５０）であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記補助熱交換部（１４０）は、外部空気との熱交換によって前記作動油を冷却する空冷式熱交換部（１４０）であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の熱交換器。
5. 前記熱交換部（１１０）に供給される前記冷却水は、暖房用熱交換器（４２）が配設されるヒータ温水回路（４０）を流通する冷却水であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の冷却水回路。

Images