JP5864731B2 - フィン式熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、フィン式熱交換器、特に車両用のフィン式熱交換器に関する。

熱交換器によって、ある流体の持つ熱エネルギーを他の流体に移すことができる。熱の移動とは特には熱が交換されることであって、その結果２つの流体の温度が近づき合う。第１の流体が高温で第２の流体が低温の場合、熱交換により前者が後者によって降温され、後者が前者により昇温される。第１の流体が低温で第２の流体が高温の場合、熱交換により前者が後者によって昇温され、後者が前者により降温される。熱交換器の用途は広い。車両の分野における熱交換器の用途の例として、内燃機関に供給するチャージエアを冷却するためのチャージエア冷却器や、排気ガス熱交換器や、内燃機関で生じた熱を再利用するための暖房用熱交換器が挙げられる。

本発明の目的は、冒頭で述べたタイプの熱交換器の改良された、または少なくとも代替の、実施形態を提供することであって、特に製造の容易さに優れたものを提供することである。

この目的は、本発明によれば、独立請求項に記載の構成により達せられる。より好ましい構成は従属請求項に記載のとおりである。

本発明の基本技術思想によれば、熱交換器はフィン式熱交換器として構成される。熱交換器は複数のフィンを備え、これらのフィンは間隔を置いて積層方向に積み重なってフィン積層体を構成する。各フィンは襟部に囲まれた開口を有する。隣り合うフィンの襟部同士が結合され、結合された一連の襟部の領域が通路を形成し、このような通路からなる通路系によって第１の流体のための第１の流路が構成される。このように、フィンひいては襟部が積み重なることで、各フィンの各開口および対応する襟部を通る通路からなる通路系が構成される。フィンが積み重なることでまた、隣り合うフィン間に第２の流体のための第２の流路が構成される。つまり、積み重なったフィン間の間隔によって第２の流路が構成される。フィン式熱交換器はさらに、フィン積層体の積層方向の両端に端板を備える。つまり、端板は積層方向に関してフィン式熱交換器の相対する端部に設けられる。端板はまた、通路同士が該端板の内側で連通するように設けられる。このように構成されたフィン式熱交換器であれば、通路間の第１流体の流れ方向の転換をフィン式熱交換器内で行うことができるので、フィン式熱交換器をパイプを使用することなく構成することができる。

好ましくは、フィン式熱交換器の少なくとも一側面、すなわち積層方向と直交する一方向の側面において、フィンの縁部によってフィン積層体のその側の閉じた側壁を形成する。その目的で、フィンの該縁部をフィンの平面から曲げて、隣り合うフィンの縁部同士を互いに接触させる。側壁を形成する縁部は例えば対応するフィンから同一の角度で同一の方向に曲げられる。好ましくは、フィン式熱交換器の相対する２側面において、フィンの縁部によって閉じた側壁を形成する。

次のような実施形態も考えられる。フィン式熱交換器の隣り合う側面においてフィンの縁部を上述のように構成してそれら側面のそれぞれにフィン積層体の閉じた側壁を形成する。その場合隣り合う２側壁に共通の隅部において一方の壁面から他方の壁面への流通を可能にする形状に、対応するフィンつまりは縁部を形成する。フィンの縁部をこのように構成することで側壁を形成することにより、別途部品の使用や組み付けの必要がなくなる。

あるいは、次のような実施形態も考えられる。フィン式熱交換器の筐体を、積層方向と交差する該筐体の横断方向に関しては相対する側壁によって、積層方向に関しては端板によって、第２の流路を区切り、これをその周方向にトンネルのように取り囲むように構成する。筐体には、その長さ方向に第２の流路が貫通し、筐体は該長さ方向の両端に第２の流体のための入口と出口を有する。

好ましくは、通路は第２の流路内に設けられる。これにより通路は第２の流体の流れに曝されるので、２つの流路間で通路の壁およびフィンを介して熱交換がとりわけ盛んにおこなわれる。

好ましくは、通路を、フィン式熱交換器の長さ方向と交差する方向に第２の流路を突っ切って配し、フィン式熱交換器の長さ方向および横断方向に並列して互いに平行に配する。これによりコンパクトな構成が実現できる。

さらに好ましくは、フィンの積み重ねを、互いに結合された襟部同士が当接し合うように行う。これにより、隣り合い互いに結合された襟部が互いに接触する。当接し合う襟部同士は、溶接やろう付けによって接合される。

各フィンの襟部の形状および寸法は任意である。好ましくは、襟部は円錐形に形成する。これにより特にフィンの積み重ねが容易になり、隣り合う襟部つまりは開口同士の結合が容易になり、またフィン間の間隔の確保を可能にする。襟部の形状の他の例として円筒形、円錐体形、双曲線形、放物線形が挙げられる。次のような実施形態も考えられる。異なる襟部に異なる形状を与えてもよい。フィン式熱交換器の全ての襟部が同一の向きに形成される必要はない。特に１つのフィンにおいてその全ての襟部が同一の向きに該フィンから突出している必要はない。襟部はしたがって、第１の流体の流れ方向の向きかまたは第１の流体の流れ方向と反対の向きに、言い換えればフィンの積層方向の向きかまたはフィンの積層方向と反対の向きに形成されればよい。例えば、通路系のうちの隣り合う通路を形成すべく各フィン内で隣り合う襟部を、互いに反対向きに形成してもよい。襟部をこのように形成することで、例えば襟部のエッジが流れに及ぼすブレーキ作用を弱めたり強めたりすることができる。このようにして、通路を流れる第１の流体の流れ速度の調節がある程度可能になり、フィン式熱交換器内で熱交換が行われる時間の調節が可能になる。

各襟部が対応のフィンにおいて囲む開口は必ずしも１つである必要はない。１つの襟部が対応のフィンにおいて複数の開口を囲んでいてもよい。

他の実施形態において、各端板に１つまたは複数の開口を設け、該開口を介して第１の流体の通路系への導入または通路系からの排出を行う。第１の流体のそのような導入または排出は、該端板において通路系のうちの２つの通路が連通している箇所で行う。好ましくは、導入部を一方の端板に、排出部をもう一方の、反対側の端板に設ける。他の実施形態として、導入と排出を同じ端板で行ってもよいし、１つの端板に複数の導入部または排出部を設けてもよい。

さらに他の実施形態によれば、フィン式熱交換器の端板を、それと隣り合うフィンと、これの開口および襟部以外の領域で接触するように設ける。ここでの接触は線接触または面接触となり、ここで端板とそれと隣り合うフィンとを結合してもよい。結合は例えば何らかの接合方法で実現される。端板とそれと隣り合うフィンとの接触によって、通路同士が連通し、かつ第１および第２の流体のための第１および第２の流路間の分離が保たれる。その目的で、端板に例えば空洞を設け、該空洞がその一端でそれと隣り合うフィンに、該フィンの開口つまりは襟部以外の領域で当接して接触するように構成する。好ましくは、端板の空洞を整列して、特には規則的に、配する。

好ましくは、少なくとも一方の端板において、各空洞が１つの通路の出口端と他の１つの通路の入口端を連通させるように構成する。ここでは空洞が、第１の流体の通路同士を連通させる連通管を構成する。この場合各通路の入口端と出口端は第１の流体のための第１の流路によって定まり、第１の流路は端板の連通管すなわち空洞によって定まる。あるいは、各空洞が複数の通路の出口端と他の複数の通路の入口端を連通させるように構成してもよい。ここでは空洞が連通室を構成し、流路したがって先述の入口端と出口端を定める。さらに他の実施形態として、端板に１つまたは複数の連通管および１つまたは複数の連通室を設けてもよく、連通管および連通室をどのように組み合わせて設けてもよい。

好ましくは、各フィンの襟部つまりは開口を、通路系の通路が互いに平行となるように形成する。そのために、例えば、フィン式熱交換器のフィンの襟部を同一の向き、または互いに反対の向きに形成する。それに加えてまたはそれに代えて、通路を第２の流体の流れ方向と交差する方向に列をなすように配する。列は互いに平行とすることができる。列を第２の流体の流れ方向沿いに並べる一方で、第２の流体の流れ方向と交差する方向に揃えて、またはずらして、配してもよい。

好ましくは 少なくとも１つのスリーブを、襟部が形成する通路の少なくとも１つに挿通する。スリーブはフィン同士の例えばろう付けによる接合を可能にする。スリーブはまたその支持機能により、フィン式熱交換器の安定性を高める。

フィン式熱交換器の稼働時の熱的条件および要求される熱交換能力を考慮し、好ましくは、フィン式熱交換器のフィンおよび端板は、適切な熱伝導率を有しつつ熱抵抗のある材料で製造する。特に好ましいのは例えばアルミニウム、ブリキ、ニッケル合金、アルミニウム合金などの金属または合金である。各フィン並びにそれに属する襟部および開口、ひいてはフィン式熱交換器、の特に簡便で安価な製造方法として、プレス成型（パンチング）およびバルジ成形（ハイドロフォーミング）が考えられる。このような製造方法は特に、一続きの材料、特に金属または合金、から個々のフィンを作成するのに好ましい。各フィンの襟部は打ち出し成型で作製することができる。

フィン式熱交換器の各フィンの開口の形状および寸法は任意である。好ましくは各開口を、対応する１つの襟部によってその全周が囲まれる丸い形状に形成する。開口はその他にも楕円形や長円形であってもいいし、角（コーナー）を有する形状であってもよい。

本発明のフィン式熱交換器は組立が容易であり、サイズの変更も容易である。フィン式熱交換器のサイズを変更するには、それに設けるフィンの数を変えるだけでよい。すなわち、様々な寸法のパイプなどを別途部品として製造する必要がない。このため、本発明のフィン式熱交換器は応用範囲が広い。用途の例として、排気ガス用熱交換器、蒸発器、排気ガス再循環冷却器、チャージエア冷却器、凝縮器、暖房用熱交換器、廃熱利用装置、などが挙げられる。

本発明の他の重要な特徴や効果は、従属請求項、図面、および図面に基づいた本明細書内の記載の該当箇所から理解されるとおりである。

上に述べた、また下にこれから述べるいずれの特徴も、具体的に言及されている組み合わせ以外のどのような組み合わせでも、あるいは単独でも、本発明の範囲を逸脱しない限り実施可能である。

本発明に係るフィン式熱交換器の部分側面図。 本発明に係るフィン式熱交換器の縦断面図。 本発明の一実施形態によるフィン式熱交換器の斜視図。 本発明の一実施形態によるフィン式熱交換器の斜視図。 本発明の一実施形態によるフィン式熱交換器の部分縦断面図。 本発明の一実施形態によるフィン式熱交換器の部分縦断面図。

本発明の好ましい実施形態を、図面を参照しながら以下に詳細に説明する。同一、類似、または機能上同等の部材は同一の参照符号で示す。

図面は全て模式図であり、各図の内容は次のとおりである。図１は本発明に係るフィン式熱交換器の部分側面図である。図２は本発明に係るフィン式熱交換器の縦断面図である。図３は本発明の一実施形態によるフィン式熱交換器の斜視図である。図４は本発明の一実施形態によるフィン式熱交換器の斜視図である。図５は本発明の一実施形態によるフィン式熱交換器の部分縦断面図である。図６は本発明の一実施形態によるフィン式熱交換器の部分縦断面図である。

図１〜図６に本発明に係るフィン式熱交換器１を示す。フィン式熱交換器１は、積層方向５に積み重なった複数のフィン２を備えている。各フィン２は襟部３に囲まれた開口４を有する。積み重なったフィン２同士は所定の間隔で隣り合っている。隣り合うフィン２の襟部３同士が積層方向５に結合されている。この結合により、積層方向５に隣り合う一連の襟部３が通路６を形成し、合わせて通路系７を構成している。通路系７の通路６により、第１の流体のための第１の流路が形成される。また、隣り合うフィン２および襟部３間に間隔がある結果、隣り合うフィン２間に、第２の流体のための第２の流路が形成される。さらに、図２〜図４に示すように、フィン式熱交換器１は２枚の端板１０を備え、これによって複数の通路６が連通する（流体的に互いに接続される）。

図１に示す実施形態において、各フィン２の襟部３は円錐形に形成されている。また、各フィン２の襟部３は全て同一の寸法で同一の向きに形成されている。すなわち、全ての襟部３が対応するフィン２から積層方向５に突出している。各フィン２の相対する縁部１１は該フィン２から積層方向５に曲げられている。これにより、隣り合うフィン２の、積層方向５に隣り合う縁部１１同士が互いに面接触する。ここでの縁部１１の曲げ角度によって、隣り合うフィン２間の距離が決まる。全ての縁部１１を同一の寸法かつ同一形状とし、さらに積層方向５に隣り合う縁部１１の、対応するフィン２の両端における角度を同一にすることにより、隣り合うフィン２間の距離が一定となる。この距離を介して、円錐形の各襟部３がそれと積層方向５に隣り合うフィン２の開口４つまりは襟部３に嵌り込む。このようにして通路系７の各通路６が互いに平行に、かつ積層方向５に平行に、形成される。各フィン２の積層方向５方向に隣り合う縁部１１同士が面接触することにより、フィン積層体の対応する側面に閉じた側壁１２が形成される。ここで互いに面接触している縁部１１同士は、それぞれの接触面上で接合箇所１４にて接合される。

図２に示すフィン式熱交換器１において、各フィン２の襟部３は円錐形に形成されている。襟部３同士が互いに結合されて互いに接触し、その結果生じた接触面上でそれらが接合箇所１４にて接合されることによって、フィン２の積み重ねが実現される。本実施形態のフィン式熱交換器１においては、端板１０に空洞１５が設けられている。各空洞１５は寸法と形状が同一で、やはり寸法と形状が同一である分離部１６によって互いから分離されている。一方の端板１０、すなわちフィン式熱交換器１の積層方向５上側に設けられる方、において、積層方向５と直交する方向に隣り合う２つの通路６同士が対応する空洞１５を介して連通する一方で、そのように空洞１５を介して連通する２つの通路６のそれぞれと、そのさらに方向１７の先に隣り合う通路６とが、対応する各分離部１６によって分離される。このように、端板１０の空洞１５は連通管を構成する。あとで言及した方の通路６のペア、すなわち上側端板１０の分離部１６によって互いから分離された２つの通路６、同士の連通は、積層方向５に関して反対側、すなわち下側の端板１０の空洞１５を介して実現する。下側の端板１０には、上側の端板１０におけると同一の形状および寸法の空洞１５と分離部１６が設けられている。ただし、上側端板１０の空洞１５と下側端板１０の空洞１５とは、方向１７沿いの空洞１５の幅の半分だけ位置をずらしてある。各端板１０は分離部１６において、それと隣り合うフィン２と、これの平坦部分、すなわち襟部３と開口４を除いた領域、において接触する。ここで各端板１０においては、隣り合う分離部１６同士の間隔を、方向１７に隣り合う２つの通路６同士の間隔の２倍としている。各端板１０はまた分離部１６において、それと隣り合うフィン２と面接触する。この面接触領域において、各端板１０は対応するフィン２に接合箇所１４にて接合されている。

図３および図４に示すフィン式熱交換器１において、積層方向５に関して上側の端板１０に開口１８が設けられる。この開口１８によって、パイプ１９を介して第１の流体を通路系８へ導入したりそこから排出したりすることが可能になる。この端板１０の開口１８は該端板１０の空洞１５のうちの一つに設けられる。その一つとは、フィン式熱交換器１において積層方向５と交差する一方向２１に関して一番外側の通路列２２に属する通路６同士を積層方向５と交差する他の方向２０に連通させる空洞１５である。この空洞１５はしたがって連通室を構成する。図３に示された実施形態のフィン式熱交換器１と図４に示された実施形態のそれとでは、上側端板１０における空洞の構成が異なっている。

図３に示すフィン式熱交換器１の上側端板１０においては、各空洞１５を介して連通するのは、方向２１に隣り合う２つの通路６同士である。これら空洞１５同士の間に、この端板１０は分離部１６を有しているため、方向２０に隣り合う２つの通路６同士は連通しない。このように、これらの空洞１５は連通管を構成する。

図４に示すフィン式熱交換器１の上側端板１０においては、各空洞１５が、フィン式熱交換器１の方向２０沿いの長さに相当する長さと、方向２１に隣り合う２つの通路６の間隔に相当する幅を有する。このような各空洞１５を介して連通するのは、方向２１に隣り合う、方向２０沿いの２列の通路列２２同士である。このように、これらの空洞１５は連通管を構成する。

図３および図４に示すように、フィン式熱交換器１の筐体２５が、積層方向５と交差するその横断方向２０に関しては相対する側壁１２によって、積層方向５方向に関しては上下の端板１０によって、第２の流路９を区切っている。筐体２５にはその長さ方向２１に第２の流路９が貫通し、筐体２５は該方向の両端に第２の流体のための入口２６と出口２７を有する。

フィン式熱交換器１において、通路６は筐体２５内、かつ第２の流路９内に配される。通路６はまたフィン式熱交換器１つまりは筐体２５の長さ方向２１と交差する方向に、第２の流路９を突っ切って配される。ここで通路６はフィン式熱交換器１つまりは筐体２５の長さ方向２１および横断方向２０に並列して、互いに平行に配される。

図３および図４においては、通路６を単純化して示してあるが、これらの実施形態においても、襟部３を図１、図２および図５、図６に示すように構成してもよい。

図５にフィン式熱交換器１の一構成例におけるフィン積層体の一部を示す。ここでは、各通路６にそれと同軸にかつ接触してスリーブ２３が設けられている。各スリーブ２３はその接触箇所において対応する通路６に接合されている。スリーブ２３は特にフィン２同士の接合と、フィン式熱交換器１の安定化に寄与するが、スリーブ２３のない構成が好ましい。

図６にフィン式熱交換器１の他の構成例における積み重なったフィン２の一部を示す。ここでは全ての襟部３が円錐形に形成されている。さらに、各フィン２において、方向１７に隣り合う２つの襟部３が反対向きに形成されている。つまり襟部３は、ある襟部３が対応するフィン２から積層方向５の向きに突出していれば、それと方向１７に隣り合う襟部３は対応するフィン２から積層方向５と反対の向きに突出するように構成される。この場合フィン積層体の襟部３は、同一の通路６に属する襟部３が全て同一の向き、すなわち積層方向５の向きまたはそれと反対の向き、に対応するフィン２から突出するように構成される。こうすることで、特に襟部３のエッジ２４により、また通路６内の流れ方向あるいは流路８の適切な選択により、第１の流体の流速、流れ抵抗、および熱交換率を調節することができる。

１ フィン式熱交換器
２ フィン
３ 襟部
４ 開口
５ 積層方向
６ 通路
７ 通路系
８ 第１の流路
９ 第２の流路
１０ 端板
１１ 縁部
１２ 側壁
１３ 接触面
１４ 接合箇所
１５ 空洞
１６ 分離部
１７ 方向
１８ 開口
１９ パイプ
２０ 横断方向
２１ 長さ方向
２２ 通路列
２３ スリーブ
２４ エッジ
２５ 筐体
２６ 入口
２７ 出口

Claims (13)

1. 複数のフィン（２）を備え、該複数のフィン（２）が間隔を置いて積層方向（５）に積み重ねられてフィン積層体を形成し、
   各前記フィン（２）が複数のそれぞれが襟部（３）に囲まれた開口（４）を有し、
   隣り合う前記フィン（２）の前記襟部（３）同士が結合されて通路（６）を形成し、該通路（６）からなる通路系（７）が第１の流体のための第１の流路（８）を構成し、
   隣り合う前記フィン（２）間の間隔が第２の流体のための第２の流路（９）を構成し、
   端板（１０）を前記フィン積層体の前記積層方向（５）の両端に備え、
   前記通路（６）同士が前記端板（１０）の内側で連通し、
   前記襟部（３）はそれぞれ、複数の前記開口（４）を囲み、
   少なくとも１つのスリーブ（２３）が、前記襟部（３）が形成する前記通路（６）の少なくとも１つに挿通され、該通路（６）を覆っており、
   各前記フィン（２）において前記襟部（３）は前記第２の流体の流れ方向（９）と交差する方向に列をなして配されるとともに、前記第２の流体の該流れ方向（９）に隣り合う前記襟部（３）同士は前記第２の流体の該流れ方向（９）と交差する方向にずらして配される、
   ことを特徴とするフィン式熱交換器（１）。
2. 請求項１に記載のフィン式熱交換器において、
   前記フィン（２）の縁部（１１）が、前記フィン式熱交換器（１）の少なくとも一側面で前記フィン積層体の側壁（１２）を形成するように構成されている。
3. 請求項２に記載のフィン式熱交換器において、
   前記フィン式熱交換器（１）の筐体（２５）が、
   前記積層方向（５）と交差する該筐体（２５）の横断方向（２０）に関しては相対する側壁（１２）によって、
   前記積層方向（５）に関しては前記端板（１０）によって
   前記第２の流路（９）をその周方向に取り囲むように構成され、
   該筐体（２５）には、その長さ方向（２１）に前記第２の流路（９）が貫通し、該筐体（２５）は該長さ方向（２１）の両端に第２の流体のための入口（２６）と出口（２７）を有する。
4. 請求項１〜請求項３のいずれかに記載のフィン式熱交換器において、
   前記通路（６）は前記第２の流路（９）内に設けられる。
5. 請求項４に記載のフィン式熱交換器において、
   前記通路（６）は、前記フィン式熱交換器（１）の前記長さ方向（２１）と交差する方向に前記第２の流路（９）を突っ切って配され、また前記フィン式熱交換器（１）の前記長さ方向（２１）と前記横断方向（２０）とに並列して互いに平行に配される。
6. 請求項１〜請求項５のいずれかに記載のフィン式熱交換器において、
   前記フィン（２）の前記襟部（３）は円錐台形に形成される。
7. 請求項１〜請求項６のいずれかに記載のフィン式熱交換器において、
   前記フィン（２）の前記襟部（３）は前記第１の流体の流れ方向の向きに、または前記第１の流体の流れ方向と反対の向きに、対応する前記フィン（２）から突出して形成される。
8. 請求項１〜請求項７のいずれかに記載のフィン式熱交換器において、
   各前記端板（１０）が少なくとも１つの開口（１８）を有し、該開口（１８）を介して前記第１の流体の前記通路系（７）への導入または前記通路系（７）からの排出を行う。
9. 請求項１〜請求項８のいずれかに記載のフィン式熱交換器において、
   各前記端板（１０）はそれと隣り合う前記フィン（２）と、前記開口（４）および前記襟部（３）以外の領域で接触し、
   該接触によって前記通路（６）同士が連通し、
   該接触によって前記第１および第２の流体のための前記第１および第２の流路（８、９）間の分離が保たれる。
10. 請求項９に記載のフィン式熱交換器において、
    各前記端板（１０）とそれと隣り合う前記フィン（２）とは線接触または面接触し、
    該接触箇所にて各前記端板（１０）がそれと隣り合う前記フィン（２）に固定される。
11. 請求項１〜請求項１０のいずれかに記載のフィン式熱交換器において、
    各前記端板（１０）が空洞（１５）を備え、該空洞（１５）を介して前記通路（６）同士が前記端板（１０）の内側で連通する。
12. 請求項１１に記載のフィン式熱交換器において、
    少なくとも一方の前記端板（１０）の前記空洞（１５）が連通管を構成し、該連通管を介して１つの前記通路（６）の出口端と他の１つの前記通路（６）の入口端が連通する、または
    少なくとも一方の前記端板（１０）の前記空洞（１５）が連通室を構成し、該連通室を介して複数の前記通路（６）の出口端と他の複数の前記通路（６）の入口端が連通する。
13. 請求項１〜請求項１２のいずれかに記載のフィン式熱交換器において、
    互いに結合された前記襟部（３）同士は互いに当接しているかまたは接合箇所（１４）にて互いに接合されている。

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