(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の積層管部材を配設して流路を形成し、管部材の凸状端部に入り口開口および出口開口を形成し、管部材を積層配設した場合に、それぞれ入り口開口および出口開口が連絡して、入り口マニホルドおよび出口マニホルドを形成するようにし、管部材として所定の内部低温流体抵抗をもつ管部材を使用し、バイパス導管を積層配設した管部材に取り付け、バイパス導管の対向端部と中間壁とでバイパスチャネルを形成し、バイパス導管の対向端部によりそれぞれ流体入り口と流体出口とを形成し、この流体入り口を管部材の出口開口が形成する出口マニホルドに連絡するとともに、この流体出口を管部材の出口開口が形成する出口マニホルドに連絡して、バイパスチャネルに流体を流すように構成し、中間壁に、複数の長手方向に離間し、内向きの係合ディンプルを形成し、これら係合ディンプルが、係合ディンプルと中間壁の隣接領域との間に流れ絞りを形成するように構成し、これら流れ絞りを過ぎた後の低温流体抵抗が所定の内部低温流体抵抗よりも小さくなるように、またバイパスチャネルの流体の温度が高くなり、かつその粘度が小さくなる一方でその速度が高速なると、ディンプルを過ぎた後の流れの抵抗が、バイパスチャネルがちょうど直線状流路を形成する場合よりも、ディンプルによって発生した乱流または流れの速度および方向の変化により高くなるように係合ディンプルの高さおよび横断方向幅を決定し、かつこれらディンプルを離間配設したことを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
さらに、積層配設した管部材による流路に乱流発生器を配設した請求項１記載の熱交換器。
【請求項３】
乱流発生器をエキスパンデッド金属で構成した請求項２記載の熱交換器。
【請求項４】
中間壁において、複数の内向き周辺ディンプルを係合ディンプル間に配設するとともに、バイパスチャネルに一部挿入した請求項１記載の熱交換器。
【請求項５】
係合ディンプルを中心面内に内向きに配設し、周辺ディンプルをこの中心面に向けて内向きに配設して、係合ディンプルと周辺ディンプルとの間に長手方向流路チャネルを形成した請求項４記載の熱交換器。
【請求項６】
バイパスチャネルが所定の高さをもち、かつ係合ディンプルがバイパスチャネル高さの半分の高さをもち、そして積層配設した管部材による流路が所定の高さをもち、かつバイパスチャネルの高さがこれら流路の高さより高い請求項１記載の熱交換器。
【請求項７】
バイパス導管が長手方向中心面をもち、この長手方向中心面内に係合ディンプルを設けて、係合ディンプルの両側に長手方向流路を形成した請求項１記載の熱交換器。
【請求項８】
長手方向流路が所定の高さと所定の平均幅をもち、この高さが係合ディンプルの高さの合計に等しく、かつこの平均幅が所定の高さより低い請求項７記載の熱交換器。
【請求項９】
上記平均幅が上記所定の高さの半分の高さである請求項８記載の熱交換器。
【請求項１０】
上記所定の高さがほぼ５．６ｍｍ（０．２２インチ）で、上記所定の平均幅がほぼ２．３ｍｍ（０．０９インチ）である請求項８記載の熱交換器。
【請求項１１】
積層配設した管部材に、複数の離間内向き係合ディンプルを形成し、これらディンプルの高さを上記バイパス導管の中間壁に形成したディンプルの高さより低くした請求項１記載の熱交換器。
【請求項１２】
管部材の凸状端部において管部材間に横断方向外部流路を形成し、これら流路内に波形フィンを配設した請求項３または１１記載の熱交換器。
【請求項１３】
上記長手方向流路が、係合ディンプルの高さに等しい高さをもち、かつ係合ディンプルと周辺ディンプルとの間の平均横断距離に等しい有効幅をもつ請求項５記載の熱交換器。
【請求項１４】
上記長手方向流路の高さが、これら流路の有効幅の少なくとも二倍である請求項１３記載の熱交換器。
【請求項１５】
係合ディンプルが平面図で矩形である請求項９、１２または１４記載の熱交換器。
【請求項１６】
係合ディンプルが平面図で円形である請求項９、１２または１４記載の熱交換器。
【請求項１７】
係合ディンプルがピラミッド形である請求項９、１２または１４記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱交換器に、そして特にあらゆる稼動条件下で熱交換器に一部の流れを流すバイパスチャネルを内蔵した熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱交換器を使用して、自動車におけるエンジンオイルやトランスミッションオイルなどのオイルを冷却する場合、周囲温度が冷却の必要がない程度の温度であっても、通常は、熱交換器を常に流体回路に接続しておく必要がある。通常、エンジンやトランスミッションは、ある種のポンプを使用して、潤滑用の油圧を発生し、このポンプあるいはこれが発生する油圧によりオイルを熱交換器に循環し、サンプやポンプ入り口に戻している。周囲が寒冷条件下では、オイルの粘度が極端に高くなり、特にはゲル化するほど高くなり、このような条件下では、熱交換器を循環する流体の抵抗が増すため、オイルの温度が高くなるまで、熱交換器にオイルがほとんど流れなくなる。この結果、トランスミッションやエンジンに還流するオイル量が、寒冷条件では、トランスミッションやエンジンが潤滑油不足になる点まで大幅に減るため、損傷が生じたり、あるいはエンジンやトランスミッション内部のオイルが、熱交換器が作動する前に過熱状態になり、エンジンやトランスミッションがしばしば故障することになる。
【０００３】
これら問題を解決する一つの方法は、低温流体条件下において、熱交換器の流体をバイパスするパイプや管を配設することである。熱交換器の入り口と出口との間において熱交換器にバイパスチャンネルまたは導管を配設することも可能である。この種の装置の実例は、１９９６年１１月１９日に発行された米国特許第５，５７５，３２９号（Soなど）明細書に開示されている。このタイプの装置では、周囲が寒冷条件であっても、このバイパス導管は流体抵抗が小さいため、上記のように故障が発生する前に、バイパス流れ回路、すなわち短い流れ回路を設定できる。通常、これらバイパス導管は、低温流体の抵抗を最小限に抑えるように直管や平形管で構成するが、このようなバイパスチャンネルに必要な低温流れがある状態でも、オイルが過熱したり、あるいはオイルの粘度が低くなった場合に、過剰な流体がバイパスチャンネルに流れ、熱交換器の放熱能力が殺がれる問題が発生する。これを補償するためには、熱交換器を問題がない場合よりもかなり大型化する必要があるが、これは望ましくない。というのは、コストが嵩むだけでなく、エンジンルームなどに大型の熱交換器を配設するために利用できる余裕がそれほどないからである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、低温流れを可能にする所望の低温流体抵抗を発生するが、バイパスチャンネルの流体温度が高くなるに従って高温流体抵抗も発生するように所定の高さ、幅、間隔でディンプル（小さな凹み）を形成したバイパスチャネルを熱交換器に配設することによってこれら問題を解決することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、複数の積層管部材を配設して流路を形成した熱交換器を提供するものである。管部材の凸状端部に入り口開口および出口開口を形成し、管部材を積層配設した場合に、それぞれ入り口開口および出口開口が連絡して、入り口マニホルドおよび出口マニホルドを形成する。管部材は、所定の内部低温流体抵抗をもつ。バイパス導管を積層配設した管部材に取り付ける。バイパス導管の対向端部と中間壁とでバイパスチャネルを形成する。バイパス導管の対向端部がそれぞれ流体入り口と流体出口とを形成し、これら入り口と出口とがそれぞれの入り口マニホルドと出口マニホルドとに連絡するため、流体がバイパス導管に流れる。中間壁には、複数の長手方向に離間し、内向きの係合ディンプルを形成する。これら係合ディンプルが、係合ディンプルと中間壁の隣接領域との間に流れ絞りを形成する。これら流れ絞りを過ぎた後の低温流体抵抗が所定の内部低温流体抵抗よりも小さくなるように、係合ディンプルが所定の高さと横断方向幅とをもつ。また、係合ディンプルは、バイパスチャネル内部の流体の温度が高くなると、ディンプルを過ぎた後の高温流体抵抗が高くなるように、係合ディンプルを離間配設する。
【０００６】
以下、添付図面を参照して、例示のみを目的とする本発明の好適な実施態様を説明する。
【０００７】
【発明の実施の態様】
まず図１および図２について説明するが、本発明熱交換器の好適な実施態様は全体として１０で示す。この熱交換器１０は、複数の管部材１２を積層配設して、流路を形成する。各管部材１２は上プレート１４と下プレート１６とで構成するため、プレート対と呼ぶこともできる。各プレート１４、１６の端部周囲に凸部１８，２０を形成する。端部１８、２０はそれぞれ入り口開口または出口開口２２（図３参照）を備えているため、管部材１２を積層配設すると、入り口/出口開口２２が連絡し、入り口/出口マニホルド２６、２８を形成する。管部材１２の中間の管部分３０は、入り口/出口マニホルド２６および２８の間にあって、これらに連絡している。入り口マニホルドおよび出口マニホルド２６、２８は相互変換できるため、いずれか一方を入り口にすると他方が出口になる。いずれにせよ、流体は、マニホルド２６または２８の一つから管部材１２の中間部分３０を通ってマニホルド２６、２８の他方に流れる。
【０００８】
管部材１２の中間部分３０には、乱流発生器３２を配設しておくのが好ましい。乱流発生器３２は、エキスパンデッド金属かその他の金属で構成し、流体流れに波動を与え、管部材１２の熱交換能を高くするものである。乱流発生器３２と管部材の中間部分３０の内部寸法が相乗して、所定の内部低温流体抵抗を発生し、これが、流体低温時に、管部材１２を流れる流体に対する抵抗になる。熱交換器１０は、例えば、低温時に粘度が非常に高いエンジンオイルまたはトランスミッションオイルを冷却するために使用する。オイルの温度が高くなると、オイルの粘度が低くなり、このオイルは正常な流れとして管部材１２を流れる。
【０００９】
図２および図３からよく理解できるように、上下プレート１４、１６の凸状端部１８、２０により、管部材１２の中間部分３０が相互に離れるため、管部材間に外部横断流路３４が形成する。この外部流路３４内に波形冷却フィン３６を配設する。通常は、冷却フィン３６に空気が流れるため、この熱交換器１０はオイル対空気式熱交換器と呼ぶこともできる。
【００１０】
また、熱交換器１０には、ディンプルを形成したバイパスチャネル３８および上下の端部プレートあるいは取り付けプレート４０、４２を設ける。上取り付けプレート４０に、入り口/出口マニホルド２６、２８に流体を出入りさせる継ぎ手あるいはニップル４４、４６を設ける。下取り付けプレート４２の中間平面部４８により、下管部材１２の下プレート１６の入り口/出口開口２２を密閉する。
【００１１】
図２および図３から理解できるように、バイパスチャネル３８と上管部材１２との間に高さが半分の冷却フィン５０を配設する。同様に、下管部材１２と下取り付けプレート４２との間に別な高さが半分の冷却フィン５２を配設する。乱流発生器３２を構成したのと同じ材料で高さが半分の冷却フィン５０、５２を構成すると、熱交換器１０を構成するために使用する部品点数を減らすことできるため、好ましい。なお、冷却フィン５０、５２の構成については、他の構成も可能であり、例えば冷却フィン３６と同じ構成（ただし、高さは低い）も可能である。
【００１２】
上述したように、管部材１２は対向プレート１４、１６で構成するため、プレート対と呼ぶことも可能である。プレート１４、１６は同一である。これらプレート対１２の中間部分３０の間に乱流発生器３２を配設する代わりに、中間部分３０の内側に相互に係合するディンプルを設けて、管部材内部に必要な乱流を発生することも可能である。さらに、管部材１２については、プレート対で構成する必要はない。すなわち、マニホルド２６、２８を形成するように端部を適宜凸状にした管で構成してもよい。また、所望ならば、冷却フィン３６、５０および５２を省略することも可能である。この場合には、管部材の中間部分３０の外側にディンプルを形成すると、管部材１２間に、空気やその他の流体の横断流れに対して必要な直流または乱流を発生することができる。なお、熱交換器１０には、上記以外のタイプの取り付けプレート４０、４２を使用することも可能である。積層配設した管部材１２については、コアと呼ぶことも可能である。コアの幅または高さは任意でよいが、通常は、必要な熱交換能を実現するためには、コアサイズはできるだけ小さいほうが好ましい。
【００１３】
次に図４〜図８について説明する。これら図には、バイパスチャネルまたは導管３８を詳しく図示する。バイパス導管３８は、対向する同じプレート５４、５６で構成し、各プレートは平坦中間部分５８と周囲フランジ６０とで構成する。側壁６１が中間平坦部分５８とフランジ６０とを接合する。バイパス導管３８、あるいは少なくともプレート５４、５６は、対向端部６２において入り口/出口開口６４を形成する。中間部分５８と側壁６１が対向端部部分６２の間に管中間壁を形成し、それぞれの入り口/出口開口６４間にバイパスチャネル６５を形成する。
【００１４】
図３からよく理解できるように、バイパス導管３８の入り口/出口開口６４がそれぞれの入り口マニホルドおよび出口マニホルド２６、２８および入り口継ぎ手および出口継ぎ手４４、４６に連絡する。従って、例えば、継ぎ手４４に流入する流体がマニホルド２６に流れ込み、管部材１２を流れるが、流れの一部は、管の中間壁６６が構成するバイパスチャネル６５に流れることになる。
【００１５】
中間壁６６の中間平坦部分５８には、複数の、長手方向に離間し、内向きに対向した相互係合ディンプル６８を形成する。ディンプル６８は、ディンプル６８と中間壁６６の隣接側壁領域６１との間に流体絞りを構成する。ディンプル６８は、内側に延長し、長手方向中間面７０に配設され、係合ディンプル６８の両側に長手方向流路７２、７４（図８参照）を形成する。
【００１６】
図７および図８からよく理解できるように、中間壁６６では、複数の内向きに対向するディンプル７６を係合ディンプル６８間に長手方向に設け、バイパスチャネル６５、あるいは少なくとも長手方向流路７２、７４内に一部挿入する。
【００１７】
特に図７について説明する。なお、長手方向流路７２、７４の横断面形状は、斜線領域で示すように、ディンプル７６の位置でほぼダイヤモンド形である。この斜線領域は、バイパスチャネル６５の全長に沿って流れるバイパス流れの最小横断面積を示す。これは、低温流れ条件におけるバイパス流れの形である。長手方向流路７２、７４の高さについては、予め決定しておく。これは、ディンプル６８の高さの二倍に等しく、乱流発生器３２を配設した管部材１２内部の流路の高さより高い。長手方向流路７２、７４の幅については、不規則形状からみた平均幅または有効幅の観点から考慮する必要がある。従って、この平均幅または有効幅についても予め決定しておくが、長手方向流路７２、７４の高さ未満であることが好ましい。実際、長手方向流路７２、７４の平均幅については、これら流路の高さの半分かそれ以下であるのが好ましい。
【００１８】
熱交換器１０の好適な実施態様では、すなわちバイパス導管３８および管部材１２を構成するプレートを幅１９ｍｍ（０．７５インチ）、材質厚さが０．７１ｍｍ（０．０２８インチ）であるロウ付けクラッドアルミニウムで形成した実施態様では、長手方向流路７２、７４の所定高さが５．６ｍｍ（０．２２インチ）で、これら流路の所定平均幅が約２．３ｍｍ（０．０９インチ）である。ディンプル６８の長手方向間隔、即ちピッチは約３．２ｃｍ（０．８２０インチ）である。ディンプル６８の形状は、所定の金属変形範囲内で、可能な限り正方形に近い。本実施態様におけるディンプルの底部は、約７ｍｍ２（０．２７インチ２）で、上部は約４ｍｍ２（０．１６インチ２）である。
【００１９】
長手方向流路７２、７４の高さは、係合ディンプル６８の高さに等しく、これら流路の有効幅は、係合ディンプル６８と周辺ディンプル７６との間の平均横断方向距離に等しいかあるいは小さい。長手方向流路７２、７４の高さがこれら長手方向流路の有効幅の少なくとも二倍であるのが好ましいが、プレート５４、５６を形成するさいに金属形成範囲が存在するため、これら長手方向流路のアスペクト比をどの位高くするかに関しては制限がある。
【００２０】
低温流体条件下では、バイパスチャンネル６５を流れるバイパス流れは、図７および図８に示すようになる。長手方向流路７２、７４の所定の高さおよび横断方向幅については、ディンプル６８および７６による流れ絞りを過ぎた後の低温流体抵抗が管部材１２内部の低温流体抵抗より低くなるように設定されている。バイパス導管３８内部の流体の温度が高くなると、ディンプル６８および７６により、導管３８内部に乱流が発生するか、あるいは流れの速度や方向に変化が生じ、バイパスチャネル６５が流路をちょうど直線状に走っているばあいよりも流れ抵抗が実際に高くなる。
【００２１】
なお、ディンプル６８および７６の寸法を変更するなどして、長手方向流路７２、７４の寸法を変更すると、所望の用途に合うように、熱交換器１０全体の圧力降下を調節できる。
【００２２】
上述したように、管部材１２は、乱流発生器３２を使用する代わりに、ディンプル付きのプレートで構成できる。この場合、管部材１２のディンプルの高さをバイパス導管３８のディンプルの高さよりも低くすると、バイパス導管３８の低温流体抵抗を管部材の低温流体抵抗よりも小さくできるため、好ましい。あるいは、管部材１２のディンプルの数および間隔を選択して、低温流体抵抗がバイパス導管３８よりも管部材１２のほうで高くなるようにすることも可能である。
【００２３】
図１〜図８に示したディンプル６８の場合、バイパス導管３８内部の高温乱流を最大化するために、できるだけ正方形に近いのが好ましいが、図９および図１４に示すように、ディンプルは他の形状であってもよい。図９および図１０には、半球形のディンプル７８を形成したバイパスプレート７７を示す。従って、ディンプル７８は平面図では円形である。図１１および図１２には、平面図では三角形のピラミッド形ディンプル８０を形成したバイパスプレートを示す。図１３および図１４に、三角形の長辺が横断方向にあり、かつ三角的の短辺が長手方向にある三角形のディンプル８２を設けたバイパスプレート８１を示す。なお、この場合、所望ならば、ディンプル８２を斜めなどの異なる方向に向けてもよい。現実には、このような細長いディンプル８２は、ディンプルというよりはリブと考えた方がよい場合がある。図１３および図１４の実施態様では、バイパスプレート８１の幅は約３２ｍｍ（１．２６インチ）であるが、長手方向流路７２、７４の寸法は、図１〜図８に示した実施態様とほぼ同じ寸法であるのが好ましく、（リブまたはディンプル８２の幅を除く）他のすべての寸法も同様に図１〜図８の実施態様とほぼ同じ寸法であるのが好ましい。
【００２４】
以上本発明の好適な実施態様を説明してきたが、以上の構成に各種の変更を加えることは可能である。例えば、熱交換器１０の場合、バイパス導管３８を上取り付けプレート４０に隣接する上部に取り付けているが、バイパス導管３８はプレート対からなるコアあるいは積層構造体の任意の場所に取り付けることができる。また、バイパス導管３８は、横断面が全体的に矩形として説明してきたが、円形などの他の形状も可能である。係合ディンプル６８、７８、８０および８２についても、垂直面ではなく水平面に配設することができる。この場合、周辺ディンプルは、中央の係合ディンプルを含む面に対して９０度の角度をもつ面に配設することができる。
【００２５】
なお、本発明の熱交換器は、自動車のオイル冷却以外の用途にも適用可能である。また、本発明の熱交換器は、ある種の低温流れのバイパス流れが望ましい任意の用途にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明熱交換器の一つの好ましい実施態様を示す正面図である。
【図２】  図１に示した熱交換器の左側面を示す拡大展開斜視図である。
【図３】  点線の円３によって示した図１の部分の拡大垂直断面図である。
【図４】  図１の熱交換器のバイパスチャネル構成するために使用するプレートの一つを示す平面図である。
【図５】  図４の５−５線についての垂直断面図である。
【図６】  図４の６−６線についての垂直断面図である。
【図７】  図６の紙面に重ねた図５を示す垂直断面図である。
【図８】  点線の円８で示した図４の部分の拡大図である。
【図９】  本発明熱交換器のためのバイパスチャネルを構成するために使用するプレートの別な実施態様を示す平面図である。
【図１０】  図９の線１０−１０についての垂直断面図である。
【図１１】    本発明熱交換器のためのバイパスチャネルを構成するために使用するプレートの別な実施態様を示す平面図である。
【図１２】  図１１の線１２−１２についての垂直断面図である。
【図１３】    本発明熱交換器のためのバイパスチャネルを構成するために使用するプレートの別な実施態様を示す平面図である。
【図１４】  図１３の線１４−１４についての垂直断面図である。
【符号の説明】
１０：熱交換器
１２：管部材
１４：プレート
１６：プレート
１８：端部部分
２０：端部部分
２２：開口
２６：マニホルド
２８：マニホルド
３４：横断外部流路
３６：冷却フィン
３８：バイパスチャネル
４０：取り付けプレート
４２：取り付けプレート
４４：継ぎ手
４６：継ぎ手
５０：冷却フィン
５２：冷却フィン
５４：プレート
５６：プレート
５８：中間部
６０：フランジ
６４：開口
６６：壁
６８：ディンプル
７２：流路
７４：流路
７８：ディンプル
８０：ディンプル
８２：ディンプル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図８】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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