JP2012132606A - プレート積層型熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】積層コア部の各コアプレートを長方形にしてその短辺側の寸法の縮小化を図るにあたって、流入口や流出口の面積縮小化による圧力損失を招くことなく、熱交換性能の向上を図る。
【解決手段】第１のコアプレート２と、第２のコアプレート３とを交互に且つ多段に積層して積層コア部とする。対角に流入口６と流出口７が形成された第１のコアプレート２上には冷却水の通路８が形成される。流入口６と流出口７とを結んだ対角線と交差する対角に流入口１５と流出口１６が形成された第２のコアプレート３上にはオイルの通路１７が形成される。各流入口６，１５と流出口７，１６を各プレート２，３自体の短辺に平行な底辺部と上辺部とを有する台形状のものとし、流入口１５と流出口１６について互いに最も近い辺を台形の底辺部としてある。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば内燃機関の潤滑油や自動変速機用作動油等の冷却のためのオイルクーラに代表されるプレート積層型の熱交換器の改良に関するものである。

内燃機関用のオイルクーラに用いられる熱交換器の構造として特許文献１〜３に記載のものが提案されている。

これらの従来の熱交換器の構造では、複数種類の四辺形で浅皿状のコアプレートを多段にわたって積層して相互に接合したものをいわゆる多板式の積層コア部とし、この積層コア部において隣接するコアプレート同士の間に形成されるそれぞれの空間を放熱および受熱のための冷却水通路およびオイル通路としたもので、多くの場合に各コアプレートの積層方向において冷却水通路とオイル通路とが交互に配置されている。そして、各プレートの対角に冷却水通路またはオイル通路の入口側なる流入口と出口側となる流出口とが対をなして開口形成されていて、冷却水通路の流入口と流出口とを結んだ対角線とオイル通路の流入口と流出口とを結んだ対角線とが平面視にて互いに交差するように、例えば各コアプレートが正方形である場合には両者がほぼ直交するように設定してある。なお、オイル通路には放熱面積の増大化を目的としてフィンプレートが収容されることもある。

特開２００２−３３２８１８号公報 特開２００６−１８３９０３号公報 特開２００８−１１６１５１号公報

このような多板式の積層コア部を主要部とする熱交換器において、限られた容積の積層コア部における冷却水とオイルとの熱交換性能が不足気味となる場合には、例えば冷却水またはオイルの流速向上や、冷却水通路またはオイル通路の流路長を長くすることによる性能向上を図るために、積層コア部の投影形状（平面視形状）を例えば特許文献３に記載のように長方形にすることがある。

この場合において、冷却水およびオイルの圧力損失を考慮してそれぞれの流入口および流出口の面積を一定と仮定すると、互いに重ね合わせた上下二枚のコアプレートの平面視状態では、当該プレートの短辺側において一方のコアプレートの流入口と他方のコアプレートの流出口とが相互に接近するかたちとなることから、上下二枚のコアプレートの短辺側、ひいては積層コア部の短辺側の寸法の縮小化にも限界がある。他方、長方形とした各コアプレートの短辺側の寸法の縮小化を優先して、逆に言うならばそれぞれの流入口および流出口の面積を犠牲にして、各コアプレートの短辺側の寸法、ひいては積層コア部の短辺側の寸法を縮小化すると、当然のことながらそれぞれの流入口および流出口の面積の減少により冷却水やオイルの圧力損失の増大化を招くこととなる。その結果として、積層コア部の投影形状を長方形にしたことによる性能向上が十分に図れないという問題がある。特に特許文献１，３に記載のように、各流入穴および流出穴を円形のものとすると、いわゆるデッドスペースの増大により上記の傾向が顕著となる。

本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、積層コア部の構成要素である各プレートを長方形にして特にその短辺側の寸法の縮小化を図るにあたって、それぞれの流入口や流出口の面積縮小化による圧力損失を招くことなく、所期の目的である熱交換性能の向上を図ったプレート積層型熱交換器の構造を提供するものである。

請求項１に記載の発明は、共に長方形で浅皿状をなす第１のプレートと第２のプレートを交互に且つ多段にわたって積層して相互に接合したものを積層コア部とし、上記積層コア部における第１のプレートとその上の第２のプレートとの間には両者間の空間をもって低温媒体の通路を、上記第２のプレートとその上の第１のプレートとの間には両者間の空間をもって高温媒体の通路をそれぞれに形成してなるプレート積層型熱交換器であることを前提としている。

その上で、上記低温媒体の通路には、第１のプレートの対角線上において対向する双方の隅部のうち一方の隅部に形成された流入口と他方の隅部に形成された流出口とをそれぞれに開口させる一方、上記高温媒体の通路には、第２のプレートの対角線上において対向する双方の隅部のうち一方の隅部に形成された流入口と他方の隅部に形成された流出口とをそれぞれに開口させて、上記第１のプレート側の流入口と流出口とを結んだ対角線と第２のプレート側の流入口と流出口とを結んだ対角線とが平面視にて交差するように設定してある。さらに、上記第１，第２のプレート側の流入口と流出口のそれぞれを四辺形のものとして形成するとともに、上記四辺形の流入口と流出口のそれぞれは、該当する対角線上において当該流入口と流出口とのなす距離の最短距離をとる一辺部がそれぞれのプレート自体の短辺と平行であって、且つこの一辺部の長さを第１のプレート側の流入口と流出口のものよりも第２のプレート側の流入口と流出口のものの方を大きく設定してあることを特徴とする。

ここで、それぞれの流入口と流出口の形状である四辺形には、長方形や正方形のほか、台形、平行四辺形および菱形等がものが含まれる。また、それぞれのプレートにて形成される低温媒体の通路および高温媒体の通路のうちいずれか一方あるいは双方に必要に応じてフィンプレートが収容されていても良い。

この場合において、各プレートの短辺側でのデッドスペースを少なくしてスペース効率の向上を図る上では、請求項２に記載のように、四辺形の流入口と流出口のそれぞれを台形状のものとし、第１のプレート側では該当する対角線上において当該流入口と流出口とのなす距離の最短距離をとる一辺部を台形の上辺部とし、第２のプレート側では該当する対角線上において当該流入口と流出口とのなす距離の最短距離をとる一辺部を台形の底辺部としてあることが望ましい。

したがって、少なくとも請求項１に記載の発明では、それぞれの流入口と流出口の形状を四辺形にしたことによって、長方形の各プレートの短辺側でのデッドスペースを少なくして、流入口と流出口として必要な面積を確保することができ、その結果としてのその短辺側の寸法の一層の縮小化を図ることが可能となる。

請求項１に記載の発明によれば、それぞれの流入口や流出口の面積縮小化による圧力損失を招くことなく、積層コア部の構成要素である各プレートを長方形にした上で、特にその短辺側の寸法の縮小化を図ることができるから、各プレートを長方形にしたことによる流路長増大効果等によって熱交換性能が一段と向上する。

また、請求項２に記載の発明によれば、それぞれの流入口と流出口の形状を台形状にしたことによって、各プレートの短辺側でのデッドスペースを少なくしてスペース効率の向上を図ることができるから、その短辺側の寸法のさらなる縮小化によって、上記熱交換性能の向上効果が一段と顕著となる。

本発明を実施するためのより具体的な形態として、オイルクーラにおける積層コア部の要部の構造を示す分解斜視図。 図１における第１のコアプレート、第２のコアプレートおよびフィンプレートそれぞれの平面説明図。 第１のコアプレートの詳細を示す要部拡大説明図。 フィンプレートの詳細を示す要部拡大説明図。

図１〜４は本発明を実施するためのより具体的な形態を示し、特に図１はプレート積層型の熱交換器であるオイルクーラの主要素として機能する積層コア部１の分解図を、図２は図１における各コアプレート２，３等の概略的な平面図をそれぞれ示している。

図１に示すように、共に長方形で浅皿状をなす第１のコアプレート２とその上に重ね合わされる第２のコアプレート３およびその第２のコアプレート３に収容されるフィンプレート４の三者を一組として、これらの三者一組とする各プレート２，３，４を多段に積層した上で第１のコアプレート２と第２のコアプレート３の周縁部であるフランジ部５，１４等にろう付けを施して接合一体化することにより、オイルクーラの積層コア部１が構成される。この積層コア部１の下面側に冷却水やオイルの流入側となる厚肉で剛性のあるボトムプレートが、積層コア部１の上面側に冷却水やオイルの流出側となるトッププレートがそれぞれ装着されてオイルクーラとして組み立てられることになるが、図１ではこれらのボトムプレートやトッププレートを図示省略してある。

なお、図１では、冷却媒体あるいは低温媒体である冷却水の流れを破線で示し、同様に被冷却媒体あるいは高温媒体であるオイルの流れを実線で示している。

第１のコアプレート２の周縁部には傾斜したフランジ部５を全周にわたって起立形成してあるとともに、底壁部には冷却水のため流入口６と流出口７とを対角に開口形成してある。そして、相互に積層されることになる第１のコアプレート２とその上の第２のコアプレート３との間には後述するエンボス部９，１０の高さに相当する空間が形成されることから、この空間が流入口６を冷却水流入口とし流出口７を冷却水流出口とする低温媒体（冷却媒体）の通路としての冷却水の通路８が形成されることになる。

より詳しくは、長方形をなす第１のプレート２の底壁部において、一方の対角線上において対向する双方の隅部のうち一方の隅部に流入口６を開口形成するとともに、他方の隅部に流出口７を開口形成し、流入口６を冷却水流入口とし流出口７を冷却水流出口として、流入口６と流出口７とをそれぞれに上記冷却水の通路８に臨ませてある。

同様に、長方形をなす第１のプレート２の底壁部において、他方の対角線上において対向する双方の隅部のうち一方の隅部にエンボス部９を、他方の隅部にもエンボス部１０をそれぞれに膨出形成してあるとともに、各エンボス部９，１０の頂部にはそれぞれに連通穴１１または１２を開口形成してある。

そして、図１のほか図２から明らかなように、長方形をなす第１のプレート２の底壁部に形成された流入口６と流出口７のほか各連通穴１１，１２は、共に四辺形のもの、より具体的には台形状のものとして形成され、同様に各連通穴１１または１２が形成されたエンボス部９，１０の平面形状も当該連通穴１１，１２よりも一回り大きな相似形の台形状のものとして膨出形成してある。

さらに、長方形をなす第１のプレート２の底壁部に形成された台形状の流入口６と流出口７のそれぞれは、当該台形状の底辺部および上辺部共に第１のコアプレート２自体の短辺と平行となっている。この関係はエンボス部９，１０とその頂部に形成された連通穴１１，１２についても同様であるが、エンボス部９，１０とその頂部に形成された連通穴１１，１２については、台形の底辺部と上辺部との相対位置関係が流入口６および流出口７のそれとは逆になっている。

そして、第１のプレート２の底壁部に形成された流入口６と流出口７との相対位置関係としては、台形状の流入口６のうちでも流出口７に最も近い入口幅相当部６ａが台形状の上辺部（底辺部の長さ＞上辺部の長さ）とされ、同様に台形状の流出口７のうちでも流入口６に最も近い出口幅相当部７ａが台形状の上辺部（底辺部の長さ＞上辺部の長さ）とされている。

言い換えるならば、長方形をなす第１のプレート２の底壁部に形成された台形状の流入口６と流出口７のそれぞれは、該当する対角線上において当該流入口６と流出口７とのなす距離（相互離間距離）の最短距離をとる一辺部としての台形の少なくとも底辺部（流入口６の入口幅相当部６ａおよび流出口７の出口幅相当部７ａ）が第１のコアプレート２自体の短辺と平行となっている。なお、流入口６と流出口７の開口面積は共にほぼ等しいものとなっている。

ここで、図１，２では図示省略しているが、第１のコアプレート２の底壁部には放熱面積の増大化のために、図３に示すように多数の丸形あるいは長円形等の微細エンボス部１３ａ，１３ｂを膨出形成してあり、これらの微細エンボス部１３ａ，１３ｂの膨出高さは連通穴１１，１２が形成されたエンボス部９，１０の膨出高さよりも小さいものとなっている。

他方、第２のコアプレート３についても第１のコアプレート２とほぼ同様な構造であって、第２のコアプレート３の周縁部には傾斜したフランジ部１４を全周にわたって起立形成してあり、その内部にフィンプレート４が収容されるようになっているとともに、第２のコアプレート３の底壁部には被冷却媒体であるオイルのため流入口１５と流出口１６とを対角に開口形成してある。そして、相互に積層されることになる第２のコアプレート３とその上の第１のコアプレート２との間には後述するエンボス部１８，１９に高さに相当する空間が形成されることから、この空間が流入口１５をオイル流入口とし流出口１６をオイル流出口とする高温媒体（被冷却媒体）の通路としてのオイルの通路１７が形成されることになる。

より詳しくは、長方形をなす第２のコアプレート３の底壁部において、一方の対角線上において対向する双方の隅部のうち一方の隅部に流入口１５を開口形成するとともに、他方の隅部に流出口１６を開口形成し、流入口１５をオイル流入口とし流出口１６をオイル流出口として、流入口１５と流出口１６とをそれぞれに上記オイルの通路１７に臨ませてある。

同様に、長方形をなす第２のコアプレート３の底壁部において、他方の対角線上において対向する双方の隅部のうち一方の隅部にエンボス部１８を、他方の隅部にもエンボス部１９をそれぞれに膨出形成してあるとともに、各エンボス部１８，１９の頂部にはそれぞれに連通穴２０または２１を開口形成してある。

そして、図１のほか図２から明らかなように、長方形をなす第２のコアプレート３の底壁部に形成された流入口１５と流出口１６のほか各連通穴２０，２１は、共に矩形状、より具体的には台形状のものとして形成され、同様に各連通穴２０，２１が形成されたエンボス部１８，１９の平面形状も当該連通穴２０，２１よりも一回り大きな相似形の台形状のものとして膨出形成してある。

さらに、長方形をなす第２のコアプレート３の底壁部に形成された台形状の流入口１５と流出口１６のそれぞれは、当該台形状の底辺部および上辺部共に第２のコアプレート３自体の短辺と平行となっている。この関係はエンボス部１８，１９とその頂部に形成された連通穴２０，２１についても同様であるが、エンボス部１８，１９とその頂部に形成された連通穴２０，２１については、台形の底辺部と上辺部との相対位置関係が流入口１５および流出口１６のそれとは逆になっている。

そして、第１のコアプレート２の底壁部に形成された流入口６と流出口７との相対位置関係とは逆に、第２のコアプレート３の底壁部に形成された流入口１５と流出口１６との相対位置関係としては、台形状の流入口１５のうちでも流出口１６に最も近い入口幅相当部１５ａが台形状の底辺部（底辺部の長さ＞上辺部の長さ）とされ、同様に台形状の流出口１６のうちでも流入口１５に最も近い出口幅相当部１６ａが台形状の底辺部（底辺部の長さ＞上辺部の長さ）とされている。

言い換えるならば、長方形をなす第２のコアプレート３の底壁部に形成された台形状の流入口１５と流出口１６のそれぞれは、該当する対角線上において当該流入口１５と流出口１６とのなす距離（相互離間距離）の最短距離をとる一辺部としての台形の少なくとも底辺部（流入口１５の入口幅相当部お１５ａよび流出口１６の出口幅相当部１６ａ）が第２のコアプレート３自体の短辺と平行となっている。なお、流入口１５と流出口１６の開口面積は共にほぼ等しく、且つ第１のコアプレート２側の流入口６および流出口７の開口面積ともほぼ等しいものとなっている。

上記第２のコアプレート３に収容されることになるフィンプレート４は、第１，第２のコアプレート２，３のようなフランジ部５，１４を有しておらず、そのために第１，第２のコアプレート２，３の形状よりも一回り小さく、それらの第１，第２のコアプレート２，３の底壁部と同じ大きさのものであって、且つ例えば図４に示すように規則性をもって矩形の波形状に切り起こし形成したものである。このフィンプレート４には第２のコアプレート３側の流入口１５および流出口１６と同形状でそれに合致する流通穴２２および流通穴２３をそれぞれに形成してあるとともに、第２のコアプレート３側のエンボス部１８，１９よりも一回り大きく且つそのエンボス部１８，１９に外嵌される逃げ穴２４，２５を形成してある。

そして、図１に示すように、先に述べた第１のコアプレート２と、上記フィンプレート４を収容することになる第２のコアプレート３とを一組として多段にわたって積層した状態では、第１，第２のコアプレート２，３の周縁部におけるフランジ部５，１４同士が密着して、当該部分にろう付けを施すことにより第１，第２のコアプレート２，３同士が積層コア部１として接合一体化されて、各コアプレート２，３の内部空間が封止されることになる。さらに、第１のコアプレート２の各エンボス部９，１０に対してその上の第２のコアプレート３側の流入口１５と流出口１６の周縁部が密着してろう付けされることになる。同様にして、第２のコアプレート３の各エンボス部１８，１９に対してその上の第１のコアプレート２側の流入口６と流出口７の周縁部が密着してろう付けされることになる。

これにより、先にも述べたように、第１のコアプレート２とその上の第２のコアプレート３との間には、第１のコアプレート２側のエンボス部９，１０の高さに相当する冷却水の通路８が形成され、同様にフィンプレート４を収容してなる第２のコアプレート３とその上の第１のコアプレート２との間には、第２のコアプレート３側のエンボス部１８，１９の高さに相当するオイルの通路１７が形成されることになる。つまり、第１，第２のコアプレート２，３を多段に積層してなる積層コア１では、図１，２に示すように、流れの向きが逆向きとなる冷却水の通路８とオイルの通路１７とがプレート積層方向において交互に形成されることになる。

その上で、図２に示すように、相互に重ね合わされることになる第１のコアプレート２と第２のコアプレート３とでは、冷却水の通路８を形成することになる第１のコアプレート２側の流入口６と流出口７とを結んだ対角線と、オイルの通路１７を形成することになる第２のコアプレート３側の流入口１５と流出口１６とを結んだ対角線とが平面視にて交差するように設定してある。

その結果として、第１，第２のコアプレート２，３自体の短辺側において、第１のコアプレート２の流入口６とそれに隣接するエンボス部９との相対位置関係、および第１のコアプレート２の流出口７とそれに隣接するエンボス部１０との相対位置関係が、第２のプレート３側のそれとはそれぞれに逆になっている。これらのことは、多段に積層した第１，第２のコアプレート２，３相互間に形成される冷却水の通路８とオイルの通路１７において、図１，２に破線で示した冷却水の流れ方向と実線で示したオイルの流れ方向とが互いに逆向きで且つ平面視にて両者が交差することを意味している。

したがって、このように構成された積層コア部１によれば、図１，２に示すように、第１のコアプレート２とその上に積層される第２のコアプレート３との間に冷却水の通路８が形成され、同様に第２のコアプレート３とその上に積層される第１のコアプレート２との間にオイルの通路１７が形成されることは先に述べたとおりである。

その上で、第２のコアプレート３に形成されたエンボス部１８，１９と当該エンボス部１８，１９に形成された連通穴２０，２１のほか、上側の第１のコアプレート２に形成されて上記エンボス部１８，１９に接合されることになる流入口６および流出口７とによって、複数の冷却水の通路８，８同士を上下方向で連通させるための連通路が形成される。

同様に、第１のコアプレート２に形成されたエンボス部９，１０と当該エンボス部９，１０に形成された連通穴１１，１２のほか、上側の第２のコアプレート３に形成されて上記エンボス部９，１０に接合されることになる流入口１５および流出口１６とによって、複数のオイルの通路１７，１７同士を上下方向で連通させるための連通路が形成される。

そのために、積層コア部１内では、図１に破線で示す冷却水の流れと実線で示すオイルの流れとがそれぞれに形成され、これらの通流過程での相互熱交換作用により、オイル側から第１，第２のコアプレート２，３を介して冷却水側へ放熱が行われることでオイルが冷却されることになる。なお、第２のコアプレート３（オイルの通路１７）内に配置されているフィンプレート４は、オイルの圧力損失の上ではわずかに不利になるものの、放熱面積の増大化の上では大きく貢献することになる。

この場合において、図２から明らかなように、第１のコアプレート２側の流入口６および流出口７のほか第２のコアプレート３側の流入口１５および流出口１６のそれぞれを同一形状で開口面積もほぼ同一の四辺形のもの、より具体的には台形状のものとして形成してあるので、第１のコアプレート２と第２のコアプレート３とを重ね合わせた状態において、長方形のそれぞれのコアプレート２，３の短辺側においてデッドスペースを少なくして、流入口６と流出口７または流入口１５と流出口１６とを併存させることができるので、それぞれのコアプレート２，３の短辺部の長さを小さくして、その短辺部と長辺部との長さの差を一段と大きくすることが可能となる。これによって、冷却水の通路８やオイルの通路１７の流路長を可及的に大きく確保して、放熱性あるいは熱交換性能の向上に寄与できることになる。

また、例えば冷却水側の熱交換作用に余裕があると仮定した場合、上記の形態では、オイルの通路１７を形成することになる第２のコアプレート３の底壁部に形成された流入口１５と流出口１６では、台形状の流入口１５のうちでも流出口１６に最も近い入口幅相当部１５ａが台形状の底辺部とされ、同様に台形状の流出口１６のうちでも流入口１５に最も近い出口幅相当部１６ａが台形状の底辺部とされていて、同等部位が台形状の上辺部とされている第１のコアプレート２側のものよりも幅広に形成されているので、開口面積としては冷却水の通路８を形成することになる第１のコアプレート２側の流入口６および流出口７と同等ではあっても、オイルの通路１７での当該オイルの圧力損失を抑制することができ、これによってもまた放熱性あるいは熱交換性能の向上に寄与できる。

ここで、上記の形態では、第１のコアプレート２側の流入口６および流出口７のほか第２のコアプレート３側の流入口１５および流出口１６のそれぞれを台形状のものとしているが、四辺形のものでさえあれば、例えば長方形や正方形のほか、平行四辺形および菱形等の形状のものであっても良い。

１…積層コア部
２…第１のコアプレート
３…第２のコアプレート
４…フィンプレート
６…流入口
６ａ…入口幅相当部
７…流出口
７ａ…出口幅相当部
９…エンボス部
１０…エンボス部
１１…連通穴
１２…連通穴
８…冷却水の通路
１５…流入穴
１５ａ…入口幅相当部
１６…流出穴
１６ａ…出口幅相当部
１７…オイルの通路
１８…エンボス部
１９…エンボス部
２０…連通穴
２１…連通穴

Claims (2)

1. 共に長方形で浅皿状をなす第１のプレートと第２のプレートを交互に且つ多段にわたって積層して相互に接合したものを積層コア部とし、
   上記積層コア部における第１のプレートとその上の第２のプレートとの間には両者間の空間をもって低温媒体の通路を、上記第２のプレートとその上の第１のプレートとの間には両者間の空間をもって高温媒体の通路をそれぞれに形成してなる熱交換器であって、
   上記低温媒体の通路には、第１のプレートの対角線上において対向する双方の隅部のうち一方の隅部に形成された流入口と他方の隅部に形成された流出口とをそれぞれに開口させる一方、
   上記高温媒体の通路には、第２のプレートの対角線上において対向する双方の隅部のうち一方の隅部に形成された流入口と他方の隅部に形成された流出口とをそれぞれに開口させて、
   上記第１のプレート側の流入口と流出口とを結んだ対角線と第２のプレート側の流入口と流出口とを結んだ対角線とが平面視にて交差するように設定してあり、
   上記第１，第２のプレート側の流入口と流出口のそれぞれを四辺形のものとして形成するとともに、
   上記四辺形の流入口と流出口のそれぞれは、該当する対角線上において当該流入口と流出口とのなす距離の最短距離をとる一辺部がそれぞれのプレート自体の短辺と平行であって、且つこの一辺部の長さを第１のプレート側の流入口と流出口のものよりも第２のプレート側の流入口と流出口のものの方を大きく設定してあることを特徴とするプレート積層型熱交換器。
2. 上記四辺形の流入口と流出口のそれぞれを台形状のものとし、
   第１のプレート側では該当する対角線上において当該流入口と流出口とのなす距離の最短距離をとる一辺部を台形の上辺部とし、第２のプレート側では該当する対角線上において当該流入口と流出口とのなす距離の最短距離をとる一辺部を台形の底辺部としてあることを特徴とする請求項１に記載のプレート積層型熱交換器。

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