(57)【要約】【課題】熱交換効率を調整可能な熱交換装置を提供する。【解決手段】熱交換装置１は、内部に熱媒体が流れる熱交換器と、熱交換器に熱媒体を流す流体輸送装置と、熱交換器と流体輸送装置とを接続して熱媒体が流れる流路２０とを備えている。熱交換装置１は、流路２０に設けられて、開閉弁５１を用いて流路２０を流れる熱媒体の流速を増減させる流速調整装置５０を備えている。開閉弁５１は、回転することで流路２０を流れる熱媒体の量を変化させる弁体５７と、弁体５７を開閉弁５１の回転軸の径方向に移動させる弁体駆動部６０とを備えている。このため、弁体駆動部６０が弁体５７の位置を移動させることで熱交換器を流れる冷却水の量を調整できる。したがって、熱交換効率を調整可能な熱交換装置を得ることができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に熱媒体が流れる熱交換器（３１、３２）と、
前記熱交換器に熱媒体を流す流体輸送装置（７）と、
前記熱交換器と前記流体輸送装置とを接続して熱媒体が流れる流路（２０）と、
前記流路に設けられて、開閉弁（５１）を用いて前記流路を流れる熱媒体の流速を増減させる流速調整装置（５０）とを備え、
前記開閉弁は、
回転することで前記流路を流れる熱媒体の量を変化させる弁体（５７）と、
前記弁体を前記開閉弁の回転軸の径方向に移動させる弁体駆動部（６０、２６０、３６０）とを備えている熱交換装置。
【請求項２】
前記弁体駆動部は、熱媒体の温度が高いほど、前記開閉弁の回転軸の径方向外側に向かって前記弁体を移動させ、熱媒体の温度が低いほど、前記開閉弁の回転軸の径方向内側に向かって前記弁体を移動させる請求項１に記載の熱交換装置。
【請求項３】
前記弁体駆動部は、形状記憶合金によって形成されている請求項２に記載の熱交換装置。
【請求項４】
前記弁体駆動部（２６０）は、熱媒体の流量が多いほど、前記開閉弁の回転軸の径方向外側に向かって前記弁体を移動させ、熱媒体の流量が少ないほど、前記開閉弁の回転軸の径方向内側に向かって前記弁体を移動させる請求項１に記載の熱交換装置。
【請求項５】
前記弁体駆動部は、前記開閉弁の回転軸を中心に渦を巻いている渦巻き形状である請求項１から請求項４のいずれかに記載の熱交換装置。
【請求項６】
前記弁体駆動部（３６０）は、前記開閉弁の回転軸に沿う方向に複数並んで設けられている請求項１から請求項５のいずれかに記載の熱交換装置。
【請求項７】
前記開閉弁は、前記弁体の移動をガイドするガイド部（４６１）を備えている請求項１から請求項６のいずれかに記載の熱交換装置。
【請求項８】
前記開閉弁は、前記流路に設けられて、前記流路を流れる熱媒体の流れから力を受けて前記開閉弁を回転駆動する回転駆動部（５４）を備えている請求項１から請求項７のいずれかに記載の熱交換装置。
【請求項９】
前記熱交換器は、第１熱交換部（３１）と第２熱交換部（３２）とを備え、
前記流路は、
前記第１熱交換部に熱媒体を流す第１流路（２１）と、
前記第２熱交換部に熱媒体を流す第２流路（２２）とを備え、
前記流速調整装置は、前記第１流路と前記第２流路との接続箇所に設けられている請求項１から請求項８のいずれかに記載の熱交換装置。
【請求項１０】
前記流速調整装置は、前記熱交換器を流れる熱媒体の流速を周期的に増減させる請求項１から請求項９のいずれかに記載の熱交換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この明細書における開示は、熱交換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、熱交換を行う流体を脈動させることで乱流を引き起こし、熱交換効率を高めた熱交換器を開示している。ポンプの駆動モータを制御するモータ制御部は、駆動モータの回転数を変更制御することで熱媒体に脈動を生成させている。
【０００３】
特許文献２は、熱輸送システムにおいて、熱媒体を脈動させる目的で２台のポンプを備え、それらのポンプを制御して脈動流を生成させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−２１７５６４号公報
【特許文献２】特開２０１５−４５４７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来技術の構成では、脈動流を生成するためにポンプの駆動モータを様々な回転数に変更制御している。あるいは、脈動流を生成するために複数のポンプを備え、それらのポンプの駆動モータを別々の回転数に変更制御している。これらの場合、脈動流を生成するために複雑な制御が必要である。また、脈動流を生成するために制御用の配線などの複雑な構成が必要である。上述の観点において、または言及されていない他の観点において、熱交換装置にはさらなる改良が求められている。
【０００６】
開示される１つの目的は、熱交換効率を調整可能な熱交換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
ここに開示された熱交換装置は、内部に熱媒体が流れる熱交換器（３１、３２）と、熱交換器に熱媒体を流す流体輸送装置（７）と、熱交換器と流体輸送装置とを接続して熱媒体が流れる流路（２０）と、流路に設けられて、開閉弁（５１）を用いて流路を流れる熱媒体の流速を増減させる流速調整装置（５０）とを備え、開閉弁は、回転することで流路を流れる熱媒体の量を変化させる弁体（５７）と、弁体を開閉弁の回転軸の径方向に移動させる弁体駆動部（６０、２６０、３６０）とを備えている。
【０００８】
開示された熱交換装置によると、流路を流れる熱媒体の量を変化させる弁体を開閉弁の回転軸の径方向に移動させる弁体駆動部を備えている。このため、弁体駆動部が弁体の位置を熱媒体の量を制限する位置と制限しない位置とに切り替えることで、熱交換器を流れる熱媒体の流速を調整できる。言い換えると、流体輸送装置から送られた熱媒体の流速が変動しやすいモードと変動しにくいモードとに流速調整装置のモードを切り替えることができる。したがって、熱交換効率を調整可能な熱交換装置を提供できる。
【０００９】
この明細書における開示された複数の態様は、それぞれの目的を達成するために、互いに異なる技術的手段を採用する。請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態の部分との対応関係を例示的に示すものであって、技術的範囲を限定することを意図するものではない。この明細書に開示される目的、特徴、および効果は、後続の詳細な説明、および添付の図面を参照することによってより明確になる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】熱交換装置を示す構成図である。
【図２】流速調整装置を示す分解図である。
【図３】脈動流モードの流速調整装置を示す断面図である。
【図４】脈動流モードの流速調整装置を示す断面構成図である。
【図５】脈動流モードの流速調整装置を示す断面構成図である。
【図６】定常流モードの流速調整装置を示す断面構成図である。
【図７】第２実施形態における脈動流モードの流速調整装置を示す断面構成図である。
【図８】第２実施形態における定常流モードの流速調整装置を示す断面構成図である。
【図９】第３実施形態における脈動流モードの流速調整装置を示す断面図である。
【図１０】第４実施形態における脈動流モードの流速調整装置を示す断面構成図である。
【図１１】第４実施形態における脈動流モードの流速調整装置を示す断面構成図である。
【図１２】第４実施形態における定常流モードの流速調整装置を示す断面構成図である。
【図１３】第４実施形態における定常流モードの流速調整装置を示す断面構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図面を参照しながら、複数の実施形態を説明する。複数の実施形態において、機能的におよび／または構造的に対応する部分および／または関連付けられる部分には同一の参照符号、または百以上の位が異なる参照符号が付される場合がある。対応する部分および／または関連付けられる部分については、他の実施形態の説明を参照することができる。
【００１２】
第１実施形態
熱交換装置１は、車両に搭載されて車両の発熱部品を冷却する冷却装置として用いることができる。例えば電気自動車やハイブリッド自動車などにおいては、熱交換装置１の内部に冷却水を循環させて、発熱部品を冷却する低温ラジエータなどに用いることができる。この場合、発熱部品としては、例えば電池パック、駆動モータ、インバータ、パワーコントロールユニットなどがあげられる。特に、発熱部品が電池パックである場合には、熱交換装置１により電池パックの効率的な冷却を行うことで、電池パックの温度上昇による電池の劣化を低減できる。言い換えると、電池の劣化を抑制して、電池パックの性能を長期間にわたって安定して発揮させることができる。あるいは、熱交換装置１に温度の高い熱媒体を循環させることより電池パックの効率的な加熱を行うことで、電池の使用可能な下限温度を下回ってしまうことを抑制できる。言い換えると、電池パックを適切な温度範囲内で使用可能である。
【００１３】
また、エンジン駆動の車両においては、熱交換装置１の内部にエンジン冷却水を循環させて、エンジンなどの発熱部品を冷却することができる。あるいは、エンジンで加熱されたエンジン冷却水と空気とを熱交換して車内に温風を送る車両用空調装置などにも用いることができる。ただし、熱交換装置１は、車両に搭載される用途以外にも、家庭用の空調装置やサーバの冷却装置などの熱交換を行う装置に対して広く適用可能である。冷却水やエンジン冷却水は、熱媒体を提供する。
【００１４】
図１において、熱交換装置１は、ラジエータ（ＲＡＤ）３とポンプ７と流速調整装置５０と第１熱交換部３１と第２熱交換部３２とを備えている。熱交換装置１は、各部品を接続して冷却水が循環する流路２０を有している。流路２０は、共通流路２５と第１流路２１と第２流路２２とを備えている。第１流路２１には、第１熱交換部３１が設けられている。第２流路２２には、第２熱交換部３２が設けられている。
【００１５】
ラジエータ３は、内部を流れる冷却水とラジエータ３の表面を流れる空気などの流体とを熱交換させる装置である。ラジエータ３において、冷却水が流れる配管の周りには、ラジエータ３の表面積を大きくして熱交換効率を上げるため、複数のフィンが設けられている。熱交換装置１が車両に搭載されている場合には、ラジエータ３が車両の走行風を受けることで熱交換が促進される。
【００１６】
ポンプ７は、出力を制御可能なウォーターポンプである。ポンプ７は、例えば電気的に出力制御を行う電動ウォーターポンプである。ポンプ７は、流路２０に冷却水を循環させる動力源として機能する装置である。ポンプ７は、一定の流速で冷却水を送り出して循環させる。言い換えると、ポンプ７は、冷却水を定常流として流路２０に循環させる。ポンプ７は、流体輸送装置を提供する。ただし、熱交換装置１は、冷却水などの液体を用いて熱交換させる装置に限られず、空気などの気体を循環させて熱交換を行う装置でもよい。この場合、流体輸送装置としては、送風機などを用いることができる。
【００１７】
流路２０において、共通流路２５から第１流路２１と第２流路２２とに分岐する接続箇所には、流速調整装置５０が設けられている。流速調整装置５０の詳細については後述する。流速調整装置５０は、ポンプ７から定常流で送られる冷却水の流れを周期的に減速させて流速の増減を繰り返す流れを生成する機能を有している。言い換えると、流速調整装置５０は、定常流で流れている冷却水を脈動流に変換する脈動流生成機能を有している。流速調整装置５０は、第１流路２１と第２流路２２との２つの経路のどちらに冷却水を流してどちらに冷却水を流さないかを切り替える流路切り替え機能を有している。流速調整装置５０は、冷却水の流れを脈動流に変換して流す脈動流モードと、ポンプ７で送られた定常流のまま流す定常流モードとの２つのモードを切り替え可能である。脈動流モードは、冷却水の流速が変動しやすいモードである。定常流モードは、脈動流モードに比べて冷却水の流速が変動しにくいモードである。
【００１８】
第１熱交換部３１と第２熱交換部３２とは、１つの熱交換器を構成している。熱交換器は、２つのヘッダー間に複数の冷媒配管を平行に並べて形成されたマルチフロー型の熱交換器である。熱交換器は、冷却水の経路である配管の流路面積が小さく平たい扁平管と扁平管同士の間に配されたコルゲートフィンを有するコア部を備えている。熱交換器はマルチフロー型の熱交換器に限られない。例えばフィンチューブ型の熱交換器やサーペンタイン型の熱交換器であってもよい。フィンチューブ型などの熱交換器においては、冷却水が循環する配管の内部に冷却水との接触面積を増加させるインナーフィンを形成してもよい。また、第１熱交換部３１と第２熱交換部３２とで１つの熱交換器を構成するのではなく、第１熱交換部３１と第２熱交換部３２とが、互い独立した２つの熱交換器を構成するようにしてもよい。
【００１９】
熱交換装置１は、発熱部品よりも温度の低い冷却水を循環させることで、発熱部品を冷却する冷却装置として利用可能である。すなわち、ラジエータ３で冷却水を冷却して、低温となった冷却水を第１熱交換部３１および第２熱交換部３２に循環させることで、発熱部品を冷却する。一方、発熱部品よりも温度の高い熱媒体を循環させることで、発熱部品を加熱する加熱装置としても利用することができる。すなわち、ラジエータ３に代えてヒータを備えるなどして熱媒体を加熱して、高温になった熱媒体を第１熱交換部３１および第２熱交換部３２に循環させることで、発熱部品を加熱する。
【００２０】
熱交換装置１における冷却水の流れについて、第１流路２１を流れる場合を例に以下に説明する。ポンプ７から送られた冷却水は、共通流路２５を流れて流速調整装置５０に流入する。脈動流モードの流速調整装置５０では、第１流路２１と第２流路２２とに向かって流出する冷却水の流速が互いに異なる位相かつ同じ周期で増減される。例えば、流速調整装置５０が第１流路２１を開いて、第２流路２２を閉じている場合には、第１流路２１には冷却水が勢いよく流れるが、第２流路２２には冷却水が流れない。また、流速調整装置５０によって第１流路２１と第２流路２２との両方の経路が開いている場合には、第１流路２１と第２流路２２とに一様に同じ量の冷却水が流入する。ここで、周期的な流速の増減を繰り返す脈動流においては、流速の増加している時間と流速の減少している時間とが同じ長さであって、流速が増加も減少もしない時間を含んだサイクルを規則的に繰り返すこととなる。ただし、流速が増加も減少もしない時間を含まないように流速調整装置５０を構成してもよい。
【００２１】
第１流路２１に流入した冷却水は、第１熱交換部３１を流れて発熱部品を冷却すべく熱交換を行う。第１熱交換部３１は、例えば発熱部品である電池パックと接触しており、第１熱交換部３１の内部を流れる冷却水によって電池パックが直接冷却される。あるいは、第１熱交換部３１は、電池パックに向かって風が流れる風路内に設けられて、第１熱交換部３１の内部を流れる冷却水によって風が冷却される。この冷却された風が電池パックに吹き付けられることで、電池パックが冷却される。ただし、第１熱交換部３１による発熱部品の冷却方法は上述した方法に限られず、冷却対象である発熱部品も電池パックに限られない。
【００２２】
脈動流モードの流速調整装置５０から流出した冷却水は、流速が周期的に増減する脈動流の状態で第１熱交換部３１に流入している。脈動流の状態で第１熱交換部３１に流れ込んだ冷却水は、層流ではなく乱流となって流れやすい。すなわち、規則正しく流線上を運動する流れである層流ではなく、時間的空間的に不規則に運動する流れである乱流となって流れやすい。乱流のように、流れの乱れが大きくなると、配管と熱交換した冷却水は配管から遠ざかるように運動し、配管と熱交換していない冷却水は配管に近づくように運動しやすいため熱伝達が促進される。言い換えると、配管を流れる冷却水の熱分布が配管からの距離によらず一様になりやすいため、熱伝達効率が向上する。したがって、脈動流の状態で冷却水を流すことで第１熱交換部３１での熱交換効率を向上させることができる。
【００２３】
第１熱交換部３１と第２熱交換部３２とで冷却性能や冷却対象が異なる場合には、第１流路２１を流れ出た冷却水の温度と第２流路２２を流れ出た冷却水の温度とが大きく異なる場合がある。第１熱交換部３１を流れた冷却水は、第２熱交換部３２を流れた冷却水と合流して混ざり合い、温度が略均一になる。この時、脈動流の状態で流れていた冷却水が複雑に重ね合わされることで、冷却水の流れは合流前に比べて定常流に近づいた状態となる。その後、冷却水は、定常流に近づいた状態でラジエータ３に流入する。
【００２４】
ラジエータ３では、発熱部品との熱交換により加熱されて温度の上昇した冷却水をラジエータ３の周囲の空気と熱交換する。これにより、ラジエータ３の周囲の空気の温度に近づくように冷却水が冷却される。ラジエータ３で冷却された後、冷却水は、ポンプ７に吸い込まれて再び流路２０を循環して熱交換装置１としての一連の運転を繰り返す。
【００２５】
図２において、流速調整装置５０は、ケース２９と開閉弁５１とを備えている。ケース２９は、共通流路２５の一部をなす接続ポートと第１流路２１の一部をなす接続ポートと第２流路２２の一部をなす接続ポートとを備えている。第１流路２１と第２流路２２とは、ケース２９において対向している。共通流路２５と第１流路２１とは、ケース２９において直交している。共通流路２５と第２流路２２とは、ケース２９において直交している。ケース２９には、内部に開閉弁５１を収納するための凹形状が設けられている。開閉弁５１は、ケース２９の中心部分の凹形状に収納されることとなる。開閉弁５１は、流路２０の一部をなす第１流路２１と第２流路２２との開度を調整して、それぞれの経路に流れ込む冷却水の量を調整する弁装置である。開閉弁５１は、回転することで開閉を切り替えるロータリ弁である。
【００２６】
開閉弁５１は、第１流路２１の開口や第２流路２２の開口を開閉するための弁体５７を備えている。開閉弁５１は、開閉弁５１の上面をなす上面部５３と下面をなす下面部５５を備えている。弁体５７と上面部５３と下面部５５とは、開閉弁５１を構成する部分であって、一体の開閉弁５１として回転可能に設けられている。弁体５７は、断面が円弧状の板部材である。開閉弁５１がケース２９内に適正に収納された状態において、弁体５７は、円盤状の下面部５５と接触することとなる。
【００２７】
開閉弁５１は、開閉弁５１を回転駆動する回転駆動部５４を備えている。回転駆動部５４は、円盤状の上面部５３の中央部分に位置している。開閉弁５１は、回転駆動部５４の回転軸と弁体５７の回転軸とを同軸とする回転軸部５９を備えている。開閉弁５１は、弁体５７を移動させる移動部として機能する弁体駆動部６０を備えている。弁体駆動部６０は、弁体５７の位置を移動させて、流速調整装置５０が冷却水を脈動流に変換して流す脈動流モードと、ポンプ７で送られた定常流のまま流す定常流モードとに切り替える装置である。開閉弁５１がケース２９内に適正に収納された状態において、弁体駆動部６０は、円柱状の回転軸部５９の周囲に巻き付けられた状態で、上面部５３と下面部５５との間に位置することとなる。
【００２８】
弁体駆動部６０は、形状記憶合金の板部材を渦巻き状に巻いて形成されている。形状記憶合金は、例えばチタンおよびニッケルの合金や、鉄を主成分とし、マンガンおよびケイ素の混入された合金である。形状記憶合金には、金属原子の配列が変化する温度である変態点が設定されている。変態点は例えば６５℃である。ただし、変態点は、熱交換装置１の用途によって自由に設定可能であり、上述した温度に限られない。
【００２９】
弁体駆動部６０は、変態点以上の温度では、弁体駆動部６０が所定の渦巻き形状を維持し、変態点未満の温度では、弁体駆動部６０が所定の渦巻き形状に比べて、内側に縮んだ渦巻き形状となるように形成されている。すなわち、変態点未満の温度においては、内側に収縮した渦巻き形状であり、変態点以上の温度となることで形状が回復してもとの渦巻き形状に戻る。これにより、渦巻き形状をなす弁体駆動部６０の外側の端部が、変態点未満の温度の状態に比べて渦の中心部分から離れる方向に移動する。すなわち、流速調整装置５０が脈動流モードとなる変態点以上における弁体駆動部６０の外径は、定常流モードとなる変態点未満における弁体駆動部６０の外径に比べて大きくなる。
【００３０】
回転駆動部５４は、冷却水の流れる方向に対して角度をつけた４枚の羽根を有している。言い換えると、回転駆動部５４は、開閉弁５１の回転軸を中心として羽根をらせん状に形成した形状の回転体である。言い換えると、回転駆動部５４は、水車構造である。回転駆動部５４は、開閉弁５１を通過して流れる冷却水の流れの力である流体エネルギーを受けて回転駆動部５４と一体である弁体５７を回転駆動させる。すなわち、冷却水が速く流れる場合は、回転駆動部５４が速く回転することとなり、回転駆動部５４と一体に接続された弁体５７も速く回転する。一方、冷却水が遅く流れる場合は、回転駆動部５４が遅く回転することとなり、回転駆動部５４と一体に接続された弁体５７も遅く回転する。開閉弁５１の回転する速さは、回転駆動部５４の羽根の形状によって制御可能である。脈動流の周波数が、２Ｈｚ程度になるように回転駆動部５４の回転を調整することが好ましい。ただし、脈動流の周波数は、熱交換を行う用途や、熱交換装置１全体をなす各構成部品の性能などによって適宜最適な値を設定することができる。
【００３１】
ケース２９には、カバー４５が設けられている。カバー４５は、開閉弁５１を冷却水の流路２０の内部に設置するために流路２０の一部をなすケース２９に設けられた開口を、外側から覆って冷却水の漏出を防ぐためのカバー部材である。カバー４５と開閉弁５１との間にはワッシャが設けられている。
【００３２】
図３において、回転軸部５９の一方の端部は、共通流路２５の内部に設けられた円筒状の軸保持部５８に挿入された状態で保持されている。回転軸部５９の他方の端部は、カバー４５に設けられた凹部に挿入された状態で保持されている。
【００３３】
冷却水の温度が所定温度よりも高く、弁体駆動部６０の温度が形状記憶合金の変態点を超える温度であるため、弁体駆動部６０が所定の渦巻き形状を維持している。弁体駆動部６０は、弁体５７を開閉弁５１の回転軸の径方向の外側に向かって押しつけている。すなわち、弁体５７は、弁体駆動部６０によって外方に向かって押されることでケース２９の内側表面と接触して、第２流路２２の開口を塞いでいる。すなわち、第２流路２２は、冷却水が流通不可能な閉状態である。
【００３４】
弁体５７は、下面部５５と接触している下端部と、下端部の反対側の端部である上端部とを備えている。弁体駆動部６０は、弁体５７の下端部よりも上端部に近い位置に接触するように設けられている。
【００３５】
図４は、第２流路２２の閉状態を示している。冷却水の温度が所定温度よりも高く、弁体駆動部６０の温度が形状記憶合金の変態点を超える温度であるため、弁体駆動部６０が所定の渦巻き形状を維持している。弁体駆動部６０は、一方の端部が開閉弁５１の軸受け部分に巻き付けられ、他方の端部が弁体５７に接続されている。言い換えると、弁体５７は、弁体駆動部６０を介して開閉弁５１の軸受け部分と接続されている。
【００３６】
第２流路２２は、弁体５７で塞がれている。一方、第１流路２１は、弁体５７によって塞がれておらず、弁開口５６と連通している。この状態においては、第１流路２１は、冷却水が流通可能な開状態であり、第２流路２２は、冷却水が流通不可能な閉状態である。開閉弁５１は、矢印Ａ１方向に回転することで弁体５７および弁開口５６の位置が開閉弁５１の回転軸の周方向に移動する。
【００３７】
開閉弁５１が矢印Ａ１方向に回転することで、弁体５７の位置がずれて第２流路２２の一部が弁体５７によって塞がれ、第２流路２２の残りの部分が弁開口５６と連通した絞り状態となる。絞り状態においては、冷却水が流通可能であるが、開状態よりも流通可能な冷却水の量が少なく制限された状態である。
【００３８】
第１流路２１に接続されている第１熱交換部３１や第２流路２２に接続されている第２熱交換部３２において、内部を流れる冷却水の流量は、閉状態においてはゼロであり、流速もゼロである。一方、開状態においては、内部を流れる冷却水の流量が多く、流速も速い。絞り状態においては、開状態に比べて内部を流れる冷却水の流量が少なく、流速も遅い。
【００３９】
図５は、第１流路２１および第２流路２２の開状態を示している。第１流路２１と第２流路２２とは、ともに弁開口５６と連通しており、冷却水が第１流路２１と第２流路２２とに同時に流通可能な状態である。その後、開閉弁５１は、さらに矢印Ａ１方向に回転することで、第１流路２１を絞り状態を経て閉状態とする。脈動流モードにおいては、第１熱交換部３１や第２熱交換部３２を流れる冷却水の流量を制限する閉状態や絞り状態と、第１熱交換部３１や第２熱交換部３２を流れる冷却水の流量を制限しない開状態とを切り替え可能な位置に弁体５７が位置している。
【００４０】
第１流路２１が閉状態の時には、第２流路２２が開状態である。一方、第２流路２２が閉状態の時には、第１流路２１が開状態である。したがって、第１熱交換部３１を流れる冷却水の流速が遅い時には、第２熱交換部３２を流れる冷却水の流速が速い。一方、第２熱交換部３２を流れる冷却水の流速が遅い時には、第１熱交換部３１を流れる冷却水の流速が速い。すなわち、第１流路２１と第２流路２２とで流速の増減の位相が半周期ずれて互いに逆位相の状態で冷却水が流れている。言い換えると、第１流路２１と第２流路２２とが同時に閉状態となることがない。
【００４１】
第１流路２１と第２流路２２とは、流速調整装置５０によって、閉状態と絞り状態と開状態との３つの状態を繰り返すことで内部を流れる冷却水の流速が変化する。このため、第１熱交換部３１と第２熱交換部３２とには、流速が周期的に変化する脈動流の状態で冷却水が流れる。したがって、冷却水が定常流で流れる場合に比べて、第１熱交換部３１や第２熱交換部３２の熱交換効率を高めることができる。
【００４２】
図６は、冷却水の温度が変態点未満である場合における開閉弁５１を示している。弁体駆動部６０は、もとの形状から変形を起こして内側に向かって収縮している。すなわち、弁体駆動部６０が弁体５７を開閉弁５１の回転軸の径方向の内側に移動させている。弁体５７は、第２流路２２の開口と対向しているが、弁体５７と第２流路２２の開口との間に大きな隙間が生じている。このため、弁体５７が第２流路２２を閉状態とすることができない。開閉弁５１が回転して弁体５７の位置が周方向に移動しても、弁体５７が第１流路２１と第２流路２２とのどちらも閉状態とすることができない状態である。言い換えると、弁体５７の回転によらず第１流路２１と第２流路２２とが常に開状態となる。すなわち、定常流モードにおいては、冷却水の流量を制限する閉状態や絞り状態と、冷却水の流量を制限しない開状態とを切り替え不可能な位置に弁体５７が位置している。
【００４３】
第１流路２１と第２流路２２とが、ともに常に開状態である場合、内部を流れる冷却水は定常流の状態である。このため、第１熱交換部３１と第２熱交換部３２とには、ポンプ７で送られた定常流の状態で冷却水が流れる。したがって、冷却水が脈動流で流れる場合に比べて、圧力損失を小さくして、冷却水をスムーズに循環することができる。
【００４４】
上述した実施形態によると、弁体５７を開閉弁５１の回転軸の径方向に移動させる弁体駆動部６０を備えている。このため、必要に応じて弁体５７を開閉弁５１の回転軸の径方向に移動させて、第１流路２１や第２流路２２を流れる冷却水の量を調整できる。言い換えると、脈動流モードと定常流モードとに流速調整装置５０のモードを切り替えることができる。したがって、冷却水の流れを脈動流とするか、定常流とするかを適切に切り替えることで、熱交換装置１で必要な熱交換量を確保しつつ、ポンプ７の消費電力を低減することができる。また、常に脈動流の状態で冷却水を流す場合に比べて、冷却水の循環に伴う振動や音の発生を低減できる。
【００４５】
また、脈動流の状態で冷却水を流す場合には、開閉弁５１が冷却水の経路を閉じる瞬間に弁体５７が開閉弁５１の回転軸の径方向外側に押される方向に冷却水から流体力を受ける。この流体力によって、開閉弁５１の軸受け部分が回転軸部５９に強く押し付けられると、軸受け部分の磨耗が進行しやすい。脈動流と定常流とを使い分けることで、開閉弁５１が閉状態および絞り状態となる時間を短くして、弁体５７が冷却水から流体力を受ける時間を低減できる。したがって、開閉弁５１の軸受け部分における摩耗を低減して、開閉弁５１の機能を安定して長期間にわたって発揮させやすい。
【００４６】
弁体駆動部６０は、熱媒体である冷却水の温度に応じて弁体５７を移動させる移動量を変えている。このため、冷却水の温度が高い時と低い時とで弁体５７の位置を変えて、冷却水の流量を調整することができる。したがって、冷却水の温度に応じて第１熱交換部３１や第２熱交換部３２での熱交換効率を変えて適切な熱交換を行うことができる。
【００４７】
弁体駆動部６０は、熱媒体である冷却水の温度が高いほど、開閉弁５１の回転軸の径方向外側に向かって弁体５７を移動させ、冷却水の温度が低いほど、開閉弁５１の回転軸の径方向内側に向かって弁体５７を移動させている。言い換えると、冷却水の温度が高く、第１熱交換部３１や第２熱交換部３２で冷却水を積極的に熱交換する必要がある高熱負荷の場合には、冷却水の流れを脈動流に変換して第１熱交換部３１や第２熱交換部３２の熱交換効率を高めている。一方、冷却水の温度が低く、第１熱交換部３１や第２熱交換部３２で冷却水を積極的に熱交換する必要がない低熱負荷の場合には、冷却水の流れをポンプ７で送られた定常流のままとしている。これにより、第１流路２１や第２流路２２における冷却水の流れの圧力損失を必要に応じて小さくしている。このため、第１熱交換部３１や第２熱交換部３２で必要となる熱交換量が多いほど、第１熱交換部３１や第２熱交換部３２での熱交換効率を高めることができる。
【００４８】
弁体駆動部６０は、形状記憶合金によって形成されている。このため、冷却水の温度に応じて自動的に弁体５７を移動させることができる。したがって、冷却水の温度をセンサで計測して弁体駆動部６０の挙動を電気的に制御する場合に比べて、簡単な構成で弁体５７の位置を移動させることができる。また、弁体駆動部６０自体が冷却水の温度を感知する機能を備えているため、熱交換装置１の部品点数を削減できる。
【００４９】
弁体駆動部６０は、開閉弁５１の回転軸を中心に渦を巻く渦巻き形状である。このため、開閉弁５１の回転軸における径方向への変位を大きく確保しやすい。また、弁体駆動部６０を折り曲げた状態と伸ばした状態とが交互に繰り返されるような変形が引き起こされる場合に比べて、弁体駆動部６０に対して局所的に大きな負荷が加えられることを低減しやすい。言い換えると、弁体駆動部６０に発生する疲労を低減して、弁体駆動部６０が適正に機能する状態を長期間にわたって安定して維持しやすい。
【００５０】
冷却水の温度を感知する機能を有する弁体駆動部６０は、渦巻き形状である。このため、弁体駆動部６０の渦巻き形状の内側と外側との両方の表面に沿って冷却水が流れ、冷却水と弁体駆動部６０との接触面積を大きく確保しやすい。したがって、弁体駆動部６０が冷却水の温度を正確かつ素早く感知して、適切なタイミングで弁体駆動部６０による弁体５７の移動を引き起こしやすい。
【００５１】
弁体駆動部６０の形状は、形状記憶合金の変態点の前後で開閉弁５１の回転軸の径方向に変位する形状であればよく、渦巻き形状に限られない。例えば、形状記憶合金からなるコイルバネであって、変態点未満では収縮し、変態点以上に温度が変化することで収縮した状態から伸びるように弁体駆動部６０を形成してもよい。あるいは、変態点未満の温度では、波形状であって、変態点以上の温度では真っすぐな板形状となるように弁体駆動部６０を形成してもよい。
【００５２】
弁体駆動部６０は、温度に依存して変形が引き起こされる部品であればよく、形状記憶合金からなる部品に限られない。例えば、温度変化による体積変化を利用したサーモエレメントを用いてもよい。あるいは、熱膨張率の異なる金属板を利用したバイメタルを用いてもよい。
【００５３】
開閉弁５１は、流路２０を流れる冷却水の流れから力を受けて開閉弁５１を駆動する回転駆動部５４を備えている。このため、開閉弁５１の駆動制御をするために駆動用モータや配線などを設ける必要がない。したがって、熱交換装置１を小型にできる。また、開閉弁５１を電気的に制御する必要がないため、制御フローを簡略化できる。
【００５４】
流速調整装置５０は、第１流路２１と第２流路２２との接続箇所に設けられている。このため、１つの流速調整装置５０を用いて第１熱交換部３１と第２熱交換部３２との両方に流速を調整した冷却水を流すことができる。したがって、複数の発熱部品に対して熱交換を行い冷却することができる。あるいは、１つの発熱部品の複数箇所に対して同時に熱交換することができる。また、第１熱交換部３１の熱交換能力と第２熱交換部３２の熱交換能力を用途や熱交換対象に応じて変えることができる。よって、１つの熱交換装置１を用いて様々な対象物に対して熱交換を行うことができる。ここで、流路２０は第１流路２１と第２流路２２との２つの経路に分岐するものに限られず、第３流路などを備えて冷却水の経路を３つ以上に分岐させてもよい。
【００５５】
流速調整装置５０は、熱交換器をなす第１熱交換部３１や第２熱交換部３２に流れる冷却水の流速を周期的に増減させている。このため、ポンプ７を定常流ではなく不規則な流れとした場合など、第１熱交換部３１や第２熱交換部３２に流れ込む冷却水の流速が周期的ではない増減を繰り返す場合に比べて、熱交換装置１全体での熱交換能力を一定に保ちやすい。したがって、熱交換装置１による熱交換能力不足により、十分な冷却ができないといった事態が引き起こされにくい。また、冷却水の流れを流速が周期的に変化する脈動流とすることで、冷却水を定常流で流す場合に比べて、熱交換装置１全体での熱交換能力を高めることができる。
【００５６】
回転駆動部５４は、冷却水の流れから力を受ける水車構造に限られない。例えば、電動モータを用いて開閉弁５１の回転を電気的に制御してもよい。これによると、任意の回転数で開閉弁５１を回転させることができる。したがって、開閉弁５１の適切な回転数を維持して、熱交換装置１の熱交換効率を高めやすい。
【００５７】
第２実施形態
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。この実施形態では、弁体駆動部２６０が形状記憶合金などの温度に依存して形状が変形する部品ではなく、遠心力によって開閉弁５１の回転軸の径方向に伸縮する部品である。
【００５８】
図７において、弁体駆動部２６０は、渦巻き形状の板部材である。弁体駆動部２６０は、開閉弁５１において回転軸部５９に沿って設けられた軸受け部分に板部材を巻き付けて形成されている。弁体駆動部２６０は、開閉弁５１の回転軸の径方向に収縮することで、開閉弁５１の回転軸の径方向に弁体５７を移動させる。
【００５９】
弁体駆動部２６０が内側に収縮しようとする収縮力よりも開閉弁５１の回転に伴う遠心力が大きく、弁体５７がケース２９の内側表面に押し付けられている。弁体５７は、第２流路２２と対向した状態でケース２９に接触しており、第２流路２２の開口を閉塞している状態である。言い換えると、第２流路２２における冷却水の流れを停止させている状態である。一方、第１流路２１は、弁開口５６と連通した開状態であり、第１熱交換部３１に向かって冷却水が流れている。
【００６０】
図８において、弁体駆動部２６０は、弁体５７を回転軸部５９に近づく方向に弁体５７を引っ張っている状態である。弁体駆動部２６０が内側に収縮しようとする収縮力が開閉弁５１の回転に伴う遠心力よりも大きく、弁体５７とケース２９の内側表面との間に大きな隙間が形成されている。弁体５７は、第２流路２２と対向した位置であるが、ケース２９の内側表面と離れているため、第２流路２２の開口を閉塞していない状態である。言い換えると、第２流路２２に冷却水が流れている状態である。この時、第１流路２１についても冷却水が流れているため、第１流路２１と第２流路２２との両方の経路に同時に冷却水が流れている。
【００６１】
弁体駆動部２６０は、開閉弁５１が回転する際に発生する遠心力の大きさに応じて外径の大きさが変化する。すなわち、回転駆動部５４で得られる冷却水の流れの力が大きく、開閉弁５１が速く回転する場合には、発生する遠心力が大きい。この大きな遠心力の作用により、弁体駆動部２６０が開閉弁５１の回転軸の径方向の外側に広がるように大きく変形して、弁体５７をケース２９の内側表面に押し付ける。
【００６２】
一方、回転駆動部５４で得られる冷却水の流れの力が小さく、開閉弁５１が遅く回転する場合には、発生する遠心力が小さい。この小さな遠心力の作用では、弁体駆動部２６０が開閉弁５１の回転軸の径方向の外側に広がる変形量が小さく、弁体５７をケース２９の内側表面に押し付けることができない。すなわち、弁体５７とケース２９とは常に離れた状態であり、第１流路２１や第２流路２２を閉状態とすることができない。
【００６３】
上述した実施形態によると、弁体駆動部２６０は、熱媒体である冷却水の流量が多いほど、開閉弁５１の回転軸の径方向外側に向かって弁体５７を移動させ、冷却水の流量が少ないほど、開閉弁５１の回転軸の径方向内側に向かって弁体５７を移動させている。言い換えると、冷却水の流量が多く、第１熱交換部３１や第２熱交換部３２で冷却水を積極的に熱交換する必要がある場合には、冷却水の流れを脈動流に変換して第１熱交換部３１や第２熱交換部３２の熱交換効率を高めている。一方、冷却水の流量が少なく、第１熱交換部３１や第２熱交換部３２で冷却水を積極的に熱交換する必要がない場合には、冷却水の流れを定常流のままとして、第１流路２１や第２流路２２における冷却水の流れの圧力損失を小さくしている。このため、第１熱交換部３１や第２熱交換部３２で必要な熱交換量が多いほど、第１熱交換部３１や第２熱交換部３２での熱交換効率を高めることができる。
【００６４】
第３実施形態
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。この実施形態では、弁体駆動部３６０が、単一の部品で構成されているのではなく、第１弁体駆動部３６０ａと第２弁体駆動部３６０ｂとの２つの部品によって構成されている。
【００６５】
図９において、第１弁体駆動部３６０ａと第２弁体駆動部３６０ｂとは、ともに同一の渦巻き形状の部材であって形状記憶合金で形成されている。第１弁体駆動部３６０ａと第２弁体駆動部３６０ｂとは、開閉弁５１の軸受け部分に巻き付けられた状態で開閉弁５１の回転軸に沿う方向に並んで設けられている。互いに並んで設けられている第１弁体駆動部３６０ａと第２弁体駆動部３６０ｂとの間には、隙間が形成されている。
【００６６】
第１弁体駆動部３６０ａは、弁体５７の下端部よりも上端部に近い位置に接触している。一方、第２弁体駆動部３６０ｂは、弁体５７の上端部よりも下端部に近い位置に接触している。すなわち、弁体駆動部３６０は、上端部に近い位置と下端部に近い位置の２箇所で弁体５７と接触している。
【００６７】
冷却水の温度が弁体駆動部３６０をなす形状記憶合金の変態点以上の温度であれば、弁体５７は、第１弁体駆動部３６０ａと第２弁体駆動部３６０ｂとの２箇所の接触部分において、ケース２９の内側表面に向かって押しつけられる。一方、冷却水の温度が弁体駆動部３６０をなす形状記憶合金の変態点未満の温度であれば、弁体５７は、第１弁体駆動部３６０ａと第２弁体駆動部３６０ｂとの２箇所の接触部分において、ケース２９の内側表面から離れる方向に引っ張られる。
【００６８】
上述した実施形態によると、弁体駆動部３６０は、開閉弁５１の回転軸に沿う方向に複数並んで設けられた第１弁体駆動部３６０ａと第２弁体駆動部３６０ｂとを備えている。このため、弁体５７は、複数箇所で弁体駆動部３６０から力を加えられることで、開閉弁５１の回転軸の径方向に移動する。したがって、弁体５７が１箇所のみから力を加えられて移動する場合に比べて、弁体５７をスムーズに移動させることができる。すなわち、弁体５７を移動させる際に弁体駆動部３６０の力が適切に伝わらずに、弁体５７が傾斜してしまうといった事態を抑制しやすい。
【００６９】
第４実施形態
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。この実施形態では、開閉弁５１が、弁体５７の移動をガイドするガイド部４６１を備えている。
【００７０】
図１０および図１１に示すように、開閉弁５１の一部をなす下面部５５は、ガイド部４６１を備えている。ガイド部４６１は、開閉弁５１の回転軸の径方向を長手方向とする矩形の溝形状である。弁体５７の一部は、ガイド部４６１をなす溝形状に挿入されている。弁体５７において、ガイド部４６１に挿入されている部分は、弁体５７の断面における円弧形状において中心をなす部分から下面部５５に向かって突出している部分である。
【００７１】
弁体駆動部６０をなす形状記憶合金の変態点以上の温度においては、弁体５７がガイド部４６１に設定される可動域において、最も外側に位置している。弁体５７が最も外側に位置している状態において、弁体５７とケース２９の内側表面とは接触しておらず、わずかに隙間が形成されている。すなわち、弁体５７は、第２流路２２の開口を完全には塞がない位置で、第２流路２２を流れる冷却水の量を制限している絞り状態である。脈動流モードにおいては、第１熱交換部３１や第２熱交換部３２を流れる冷却水の流量を制限する絞り状態と、第１熱交換部３１や第２熱交換部３２を流れる冷却水の流量を制限しない開状態とを切り替え可能な位置に弁体５７が位置している。
【００７２】
第１流路２１と第２流路２２とは、流速調整装置５０によって、絞り状態と開状態との２つの状態を繰り返すことで内部を流れる冷却水の流速が変化する。このため、第１熱交換部３１と第２熱交換部３２とには、流速が周期的に変化する脈動流の状態で冷却水を流すことができる。したがって、冷却水が定常流で流れる場合に比べて、熱交換装置１の熱交換効率を高めることができる。
【００７３】
図１２および図１３に示すように、弁体駆動部６０をなす形状記憶合金の変態点未満の温度では、ガイド部４６１に設定される可動域において、ガイド部４６１の中間点よりも回転軸部５９に近い内側に弁体５７が位置している。弁体５７がガイド部４６１の中間点よりも内側に位置している状態において、弁体５７とケース２９の内側表面とは接触しておらず、大きな隙間が形成されている。すなわち、弁体５７は、第２流路２２の開口を開いている開状態である。定常流モードにおいては、常に第１熱交換部３１や第２熱交換部３２を流れる冷却水の流量を制限しない開状態となるよう、第１流路２１や第２流路２２から大きく離れた位置に弁体５７が位置している。
【００７４】
第１流路２１と第２流路２２とは、流速調整装置５０によって常に開状態となり、内部を流れる冷却水の流速が変化しない。このため、第１熱交換部３１と第２熱交換部３２とには、流速が一定な定常流の状態で冷却水を流すことができる。したがって、冷却水が脈動流で流れる場合に比べて、熱交換装置１の圧力損失を小さくすることができる。
【００７５】
流速調整装置５０において、脈動流モードと定常流モードとのモード切り替えにおいては、弁体５７の一部がガイド部４６１に挿入された状態を維持しながら、弁体駆動部６０がガイド部４６１に沿って弁体５７をスライド移動させる。これにより、弁体５７が下面部５５に対して直交する角度を維持しながら、開閉弁５１の回転軸の径方向に移動することができる。言い換えると、弁体５７が下面部５５に対して傾いてしまうことにより、第１流路２１や第２流路２２と弁体５７との間に意図せず隙間が形成されてしまうことを防止しやすい。
【００７６】
上述した実施形態によると、開閉弁５１は、弁体５７の移動をガイドするガイド部４６１を備えている。このため、弁体５７をガイド部４６１に沿って適切に移動させることができる。したがって、弁体５７が傾いてしまって適切に移動できないといった事態を抑制しやすい。
【００７７】
脈動流モードにおいて、弁体５７が径方向の最も外側に位置している状態で、弁体５７とケース２９の内側表面との間にわずかな隙間が形成されている。このため、弁体５７が第１流路２１や第２流路２２を閉状態とすることがない。したがって、開閉弁５１の回転にともなって、弁体５７とケース２９の内側表面とが接触して磨耗することを抑制できる。よって、流速調整装置５０による流速調整機能を長期間にわたって安定して発揮させやすい。
【００７８】
他の実施形態
弁体５７の移動は、スライド移動に限られない。例えば、弁体５７の下端部を下面部５５にヒンジ構造で固定し、弁体５７の上端部と回転軸部５９との距離を変えるように傾斜させることで弁体５７を移動させてもよい。これによると、弁体５７の傾斜する角度を変えるように弁体５７を移動させることで脈動流モードと定常流モードとを切り替えることができる。
【００７９】
この明細書における開示は、例示された実施形態に制限されない。開示は、例示された実施形態と、それらに基づく当業者による変形態様を包含する。例えば、開示は、実施形態において示された部品および／または要素の組み合わせに限定されない。開示は、多様な組み合わせによって実施可能である。開示は、実施形態に追加可能な追加的な部分をもつことができる。開示は、実施形態の部品および／または要素が省略されたものを包含する。開示は、１つの実施形態と他の実施形態との間における部品および／または要素の置き換え、または組み合わせを包含する。開示される技術的範囲は、実施形態の記載に限定されない。開示されるいくつかの技術的範囲は、請求の範囲の記載によって示され、さらに請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内での全ての変更を含むものと解されるべきである。
【符号の説明】
【００８０】
１  熱交換装置、  ７  ポンプ（流体輸送装置）、  ２０  流路、  ２１  第１流路、  ２２  第２流路、  ３１  第１熱交換部（熱交換器）、  ３２  第２熱交換部（熱交換器）、  ５０  流速調整装置、  ５１  開閉弁、  ５３  回転駆動体、  ５４  回転駆動部、  ５６  弁開口、  ５７  弁体、  ５９  回転軸部、  ６０  弁体駆動部、  ２６０  弁体駆動部、  ３６０  弁体駆動部、  ３６０ａ  第１弁体駆動部、  ３６０ｂ  第２弁体駆動部、  ４６１  ガイド部
【図１】
2019211104.tif 000003
【図２】
2019211104.tif 000004
【図３】
2019211104.tif 000005
【図４】
2019211104.tif 000006
【図５】
2019211104.tif 000007
【図６】
2019211104.tif 000008
【図７】
2019211104.tif 000009
【図８】
2019211104.tif 000010
【図９】
2019211104.tif 000011
【図１０】
2019211104.tif 000012
【図１１】
2019211104.tif 000013
【図１２】
2019211104.tif 000014
【図１３】
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