(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の作動流体と第２の作動流体との間で熱エネルギーを伝達するための熱交換器であって、前記熱交換器が、
第１のポートと、第２のポートと、第３のポートと、第４のポートとを含む複数の開口部を有する外殻と、
各々が前記外殻内で前記第１のポートと前記第２のポートとの間に延在する１組のチューブであって、前記第１の作動流体が流れる第１の作動流体流路を各チューブが形成している、１組のチューブと、
前記第２の作動流体が流れるプレナム空間であって、前記外殻内で前記第３のポートと前記第４のポートとの間に延在しており、前記プレナム空間が、前記１組のチューブのうちの少なくとも１つを各々が少なくとも部分的に囲む複数の流体導管を含み、前記流体導管の各々が第２の作動流体流路を形成している、プレナム空間と
を備え、
前記外殻が、前記第１のポートに隣接する領域および／または前記第２のポートに隣接する領域において前記１組のチューブのうちの少なくともいくつかの管壁の一部分を形成している、熱交換器。
【請求項２】
前記１組のチューブのうちの少なくともいくつかは、前記管壁のうちの１つから突出する１つ以上のフィンを有する、少なくとも１つの第１の部分を含む、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記プレナム空間は、前記１組のチューブを囲んでおり、前記１つ以上のフィンは、前記管壁のうちの１つから対応する前記作動流体流路内へ各々が突出しており、前記１組のチューブのうちの少なくともいくつかは、対応する前記第１の作動流体流路に面する前記管壁の表面が実質的に内向きに凹状を成す、１つ以上の第２の部分を含む、請求項２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記１つ以上のフィンは、前記管壁のうちの１つから前記第２の作動流体流路内へ各々が突出しており、前記１組のチューブのうちの少なくともいくつかは、対応する前記第２の作動流体流路に面する前記管壁の表面が実質的に外向きに凸状を成す、１つ以上の第２の部分を含む、請求項２に記載の熱交換器。
【請求項５】
中央コア領域と、前記第１のポートと前記中央コア領域との間に延在する第１の移行領域と、前記第２のポートと前記中央コア領域との間に延在する第２の移行領域とをさらに含み、前記少なくとも１つの第１の部分が前記中央コア領域に少なくとも部分的に延在しており、前記第２の部分の各々が前記第１の移行領域および前記第２の移行領域のうちの対応する一方に延在している、請求項３または４に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記フィンが略蛇行形状を有し、対応する前記作動流体流路に関して略細長である、請求項２に記載の熱交換器。
【請求項７】
前記フィンが複数組のフィンで構成されており、各組におけるフィン同士が、対応する前記作動流体流路の方向において離間している、請求項２に記載の熱交換器。
【請求項８】
前記フィンの少なくともいくつかが、前記フィンの長手方向に沿ってギザギザの構造を有する、請求項２に記載の熱交換器。
【請求項９】
前記ギザギザの構造が、対応する前記フィンの長手方向に沿って間隔を置いて配置された１つ以上の胸壁構造によってもたらされている、請求項８に記載の熱交換器。
【請求項１０】
前記流体導管の少なくともいくつかが前記外殻によって形成されている、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項１１】
中央コア領域と、
前記第１のポートと前記中央コア領域との間に延在する第１の移行領域と、
前記第２のポートと前記中央コア領域との間に延在する第２の移行領域と
をさらに備え、前記少なくとも１つの第１の部分が前記中央コア領域に設けられており、前記第２の部分の各々が前記第１の移行領域および前記第２の移行領域のうちの対応する一方に設けられており、
前記外殻が、前記中央コア領域において対応する前記流体導管を形成している、請求項３または４に記載の熱交換器。
【請求項１２】
前記第１のポートに隣接する領域において、各々が前記１組のチューブのうちの１つ以上の前記管壁を形成する１つ以上のチューブ隔壁をさらに備える、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項１３】
前記第２のポートに隣接する領域において、各々が前記１組のチューブのうちの１つ以上の前記管壁を形成する１つ以上のチューブ隔壁をさらに備える、請求項１２に記載の熱交換器。
【請求項１４】
前記チューブ隔壁が１つ以上の環状チューブ隔壁を含む、請求項１２または１３に記載の熱交換器。
【請求項１５】
前記環状チューブ隔壁の各々が円形断面を有する、請求項１４に記載の熱交換器。
【請求項１６】
前記チューブ隔壁が１つ以上の径方向チューブ隔壁を含む、請求項１２に記載の熱交換器。
【請求項１７】
各チューブ隔壁が２つ以上の第１の作動流体流路の間に延在している、請求項１２に記載の熱交換器。
【請求項１８】
中央コア領域と、
前記第１のポートと前記中央コア領域との間に延在する第１の移行領域と、
前記第２のポートと前記中央コア領域との間に延在する第２の移行領域と
をさらに備え、前記少なくとも１つの第１の部分が前記中央コア領域に設けられており、前記第２の部分の各々が前記第１の移行領域および前記第２の移行領域のうちの対応する一方に設けられており、
前記熱交換器は、前記第１のポートに隣接する領域において、各々が前記１組のチューブのうちの１つ以上の管壁を形成する１つ以上のチューブ隔壁をさらに備え、
各チューブ隔壁が前記第１の移行領域または前記第２の移行領域のそれぞれで開裂しており、その結果、各第１の作動流体流路の前記管壁が前記中央コア領域で前記第１の作動流体流路に専用のものとなっている、
請求項３または４に記載の熱交換器。
【請求項１９】
各々が前記中央コア領域において１つ以上の前記流体導管の壁を形成する１つ以上の導管隔壁をさらに備える、請求項１８に記載の熱交換器。
【請求項２０】
対応する複数の前記流体導管内で複数の前記管壁を各々が離間させる複数の架橋部材をさらに備える、請求項１２に記載の熱交換器。
【請求項２１】
前記プレナム空間が、前記第３のポートと前記流体導管の第１の端部との間に存在する第１のマニホルドを含み、前記第１のマニホルドが前記１組のチューブの一部分を囲んでいる、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項２２】
前記プレナム空間が、前記第４のポートと前記流体導管の第２の端部との間に存在する第２のマニホルドをさらに含み、前記第２のマニホルドが前記１組のチューブの別の部分を囲んでいる、請求項２１に記載の熱交換器。
【請求項２３】
前記１組のチューブのうちの少なくともいくつかの断面積が、前記第１のポートと前記第２のポートとの間で変化している、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項２４】
前記熱交換器は、中央コア領域と、前記第１のポートと前記中央コア領域との間に延在する第１の移行領域と、前記第２のポートと前記中央コア領域との間に延在する第２の移行領域とを有し、前記１組のチューブのうちの少なくともいくつかについて、該チューブの各々の断面積が、前記第１のポートおよび前記第２のポートのそれぞれに隣接する部分よりも、前記中央コア領域の部分で大きくなっている、請求項２３に記載の熱交換器。
【請求項２５】
前記熱交換器が、中央コア領域と、前記第１のポートと前記中央コア領域との間に延在する第１の移行領域と、前記第２のポートと前記中央コア領域との間に延在する第２の移行領域とを有し、
前記第１の作動流体が前記第１のポートを通って前記熱交換器に第１の方向へ流入し、前記１組のチューブのうちの少なくともいくつかが、前記第１の作動流体が前記第１の方向に関して外方に流れるように前記第１の移行領域に形成されており、および／または
前記第１の作動流体が前記第２のポートを通って前記熱交換器から第２の方向へ流出し、前記１組のチューブのうちの少なくともいくつかが、前記流体が前記第２の方向に関して内方に流れるように前記第２の移行領域に形成されている、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項２６】
前記第１の方向と前記第２の方向が平行である、請求項２５に記載の熱交換器。
【請求項２７】
前記第１の作動流体が前記熱交換器に同軸上で流入および流出するように、前記第１のポートおよび前記第２のポートが構成されている、請求項２５または２６に記載の熱交換器。
【請求項２８】
中央コア領域をさらに有し、前記外殻が前記中央コア領域において略円筒形状を有する、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項２９】
中央コア領域をさらに有し、前記外殻が、前記中央コア領域から前記第１のポートおよび前記第２のポートの各々に向かって狭くなっている、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３０】
前記外殻が、ジョイントおよび／または継ぎ目のない構造体からなる単一の構成要素である、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３１】
前記熱交換器が、ジョイントおよび／または継ぎ目のない構造体からなる単一の構成要素である、請求項１に記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
潤滑液および冷却液（以下、一般に「作動流体」と呼ぶ）を冷却するために熱交換器を使用することが知られている。多くのエンジンおよび収容される駆動系部品は、潤滑液および冷却液を使用して内部摩擦を低減し、性能を最適化する。例えば内燃機関は、クランクケース内のエンジンオイルを使用してクランクシャフト上の大端部軸受を潤滑し、さらにはピストン面／シリンダ面を潤滑する。エンジン内の温度は、負荷および／またはエンジン速度の増加と共に増加する。エンジンを最適に作動させるためには、エンジンオイルを冷却する必要がある。他の駆動系部品に関しても同様である。
【０００３】
ラジエータは、作動流体からラジエータを通過する空気に熱を伝達するための自動車用途において一般的に使用される熱交換器である。作動流体対空気用の熱交換装置は効果的であるが、作動流体から空気への熱伝達は、空気の温度および湿度の高い変動、およびラジエータを通る空気流量のために予測不可能である。熱伝達の変動は、部品に戻される作動流体の温度に悪影響を及ぼす可能性がある。高性能のエンジンおよび車両では、性能を最大にするために作動流体の温度を正確に制御する必要がある。高性能用途の冷却システムは、作動流体から冷却液へ熱を伝達する追加の熱交換器を含むことができる。次いで、ラジエータを使用して冷却液を別個に冷却することができる。この型の冷却システムはより複雑であるにもかかわらず、作動流体の温度をより正確に制御することができる。
【０００４】
体積に対する熱伝達表面積比が比較的高い熱交換器を、「小型熱交換器」と呼ぶことができる。小型熱交換器は、一般的には多くの性能特性によって評価され、その性能特性には入口および出口の作動流体の温度差、交換器を通る作動流体流量、入口および出口の作動流体の圧力差が含まれる。
【０００５】
さらに、（自動車分野などの）高性能用途では、熱交換器の全体質量は、燃料消費、車両の慣性および加速に影響するため、重要な要素である。
【０００６】
既存の熱交換器を改善する必要性、および／または少なくとも有用な代替物を提供する必要がある。
【発明の概要】
【０００７】
本発明は、第１の作動流体と第２の作動流体との間で熱エネルギーを伝達するための熱交換器を提供し、熱交換器は、
第１のポートと、第２のポートと、第３のポートと、第４のポートとを含む複数の開口部を有する外殻と、
第１の作動流体が平行に流れることができるように、各々が外殻内で第１のポートと第２のポートとの間に延在する１組のチューブと、
第２の作動流体が流れるプレナム空間であって、外殻内で第３のポートと第４のポートとの間に延在するとともに１組のチューブを囲むプレナム空間と
を備え、
熱交換器は、中央コア領域と、第１のポートと中央コア領域との間に延在する第１の移行領域と、第２のポートと中央コア領域との間に延在する第２の移行領域とを有し、
１組のチューブのうちの少なくともいくつかについて、該チューブの各々の断面積は、第１のポートと第２のポートとの間で変化する。
【０００８】
いくつかの実施形態では、該チューブの各々の断面積は、第１のポートおよび第２のポートのそれぞれに隣接する部分よりも、中央コア領域の部分で大きくなる。
【０００９】
代替的にまたは追加的に、本発明は、第１の作動流体と第２の作動流体との間で熱エネルギーを伝達するための熱交換器を提供し、熱交換器は、
第１のポートと、第２のポートと、第３のポートと、第４のポートとを含む複数の開口部を有する外殻と、
第１の作動流体が平行に流れることができるように、各々が外殻内で第１のポートと第２のポートとの間に延在する１組のチューブと、
第２の作動流体が流れるプレナム空間であって、外殻内で第３のポートと第４のポートとの間に延在するとともに１組のチューブを囲むプレナム空間と
を備え、
熱交換器は、中央コア領域と、第１のポートと中央コア領域との間に延在する第１の移行領域と、第２のポートと中央コア領域との間に延在する第２の移行領域とを有し、
第１の作動流体は第１のポートを通って熱交換器に第１の方向へ流入し、１組のチューブのうちの少なくともいくつかは、第１の作動流体が第１の方向に関して外方に流れるように第１の移行領域に形成され、および／または
第１の作動流体は第２のポートを通って熱交換器から第２の方向へ流出し、１組のチューブのうちの少なくともいくつかは、流体が第２の方向に関して内方に流れるように第２の移行領域に形成される。
【００１０】
好ましくは、第１の移行領域および第２の移行領域の各々における第１の作動流体の流れは、対応する第１の方向および第２の方向に関する径方向成分を含む。
【００１１】
少なくともいくつかの実施形態では、第１の方向と第２の方向は平行である。好ましくは、第１の作動流体が熱交換器に対して同軸上で流入および流出するように、第１のポートおよび第２のポートが構成される。
【００１２】
代替的にまたは追加的に、本発明は、第１の作動流体と第２の作動流体との間で熱エネルギーを伝達するための熱交換器を提供し、熱交換器は、
第１のポートと、第２のポートと、第３のポートと、第４のポートとを含む複数の開口部を有する外殻と、
各々が外殻内で第１のポートと第２のポートとの間に延在する１組のチューブであって、第１の作動流体が流れる第１の作動流体流路を各チューブが形成する、１組のチューブと、
第２の作動流体が流れるプレナム空間であって、外殻内で第３のポートと第４のポートとの間に延在するとともに１組のチューブを囲むプレナム空間と
を備え、
１組のチューブのうちの少なくともいくつかは、管壁のうちの１つから対応する第１の作動流体流路内へ各々が突出する１つ以上のフィンを有する、少なくとも１つの第１の部分と、対応する第１の作動流体流路に面する管壁の表面が実質的に内向きに凹状である１つ以上の第２の部分とを含む。
【００１３】
熱交換器が中央コア領域と、第１のポートと中央コア領域との間に延在する第１の移行領域と、第２のポートと中央コア領域との間に延在する第２の移行領域とを有する実施形態では、少なくとも１つの第１の部分が中央コア領域に少なくとも部分的に延在することができ、第２の部分の各々が第１の移行領域および第２の移行領域のうちの対応する一方に延在することができる。
【００１４】
いくつかの実施形態では、フィンは略蛇行形状を有し、第１の作動流体流路に関して略細長である。あるいは、フィンは、それぞれの第１の作動流体流路に対して平行に延在することができる。
【００１５】
好ましくは、フィンは、複数組のフィンで構成され、隣り合う組におけるフィン同士は対応する第１の作動流体流路の方向において離間している。
【００１６】
フィンの少なくともいくつかは、そのフィンの長手方向に沿ってギザギザの構造を有する。換言すれば、フィンの少なくともいくつかは、それぞれのフィンの長手方向に沿って間隔を置いて配置された１つ以上の胸壁構造を含み、それぞれのフィンは各胸壁構造の少なくとも１つの側面に狭間構造を有する。
【００１７】
代替的にまたは追加的に、本発明は、第１の作動流体と第２の作動流体との間で熱エネルギーを伝達するための熱交換器を提供し、熱交換器は、
第１のポートと、第２のポートと、第３のポートと、第４のポートとを含む複数の開口部を有する外殻と、
各々が外殻内で第１のポートと第２のポートとの間に延在する１組のチューブであって、第１の作動流体が流れる第１の作動流体流路を各チューブが形成する、１組のチューブと、
第２の作動流体が流れるプレナム空間であって、外殻内で第３のポートと第４のポートとの間に延在するとともに、１組のチューブのうちの少なくとも１つを各々が少なくとも部分的に囲む複数の流体導管を含み、流体導管の各々が第２の作動流体流路を形成する、プレナム空間と
を備え、
１組のチューブのうちの少なくともいくつかは、管壁のうちの１つから対応する第２の作動流体流路内へ各々が突出する１つ以上のフィンを有する、少なくとも１つの第１の部分と、対応する第２の作動流体流路に面する管壁の表面が実質的に外向きに凸状である１つ以上の第２の部分とを含む。
【００１８】
熱交換器が中央コア領域と、第１のポートと中央コア領域との間に延在する第１の移行領域と、第２のポートと中央コア領域との間に延在する第２の移行領域とを有する実施形態では、少なくとも１つの第１の部分が中央コア領域に設けられてもよく、第２の部分の各々が第１の移行領域および第２の移行領域のうちの対応する一方に設けられてもよい。
【００１９】
いくつかの実施形態では、フィンは略蛇行形状を有し、対応する第１の作動流体流路に関して略細長である。あるいは、フィンは、対応する第２の作動流体流路に対して平行に延在することができる。
【００２０】
好ましくは、フィンは、複数組のフィンで構成され、隣り合う組におけるフィン同士は対応する第２の作動流体流路の方向において離間している。
【００２１】
フィンの少なくともいくつかは、そのフィンの長手方向に沿ってギザギザの構造を有する。換言すれば、フィンの少なくともいくつかは、それぞれのフィンの長手方向に沿って間隔を置いて配置された１つ以上の胸壁構造を含み、それぞれのフィンは各胸壁構造の少なくとも１つの側面に狭間構造を有する。
【００２２】
代替的にまたは追加的に、本発明は、第１の作動流体と第２の作動流体との間で熱エネルギーを伝達するための熱交換器を提供し、熱交換器は、
第１のポートと、第２のポートと、第３のポートと、第４のポートとを含む複数の開口部を有する外殻と、
各々が外殻内で第１のポートと第２のポートとの間に延在する１組のチューブであって、第１の作動流体が流れる第１の作動流体流路を各チューブが形成する、１組のチューブと、
第２の作動流体が流れるプレナム空間であって、外殻内で第３のポートと第４のポートとの間に延在するとともに、1組のチューブのうちの少なくとも１つを各々が少なくとも部分的に囲む複数の流体導管を含み、流体導管の各々が第２の作動流体流路を形成する、プレナム空間と
を備え、
外殻は、第１のポートに隣接する領域において１組のチューブのうちの少なくともいくつかの管壁の一部分を形成する。
【００２３】
少なくともいくつかの実施形態では、外殻はまた、第２のポートに隣接する領域において１組のチューブのうちの少なくともいくつかの管壁の一部分を形成する。
【００２４】
代替的にまたは追加的に、本発明は、第１の作動流体と第２の作動流体との間で熱エネルギーを伝達するための熱交換器を提供し、熱交換器は、
第１のポートと、第２のポートと、第３のポートと、第４のポートとを含む複数の開口部を有する外殻と、
各々が外殻内で第１のポートと第２のポートとの間に延在する１組のチューブであって、第１の作動流体が流れる第１の作動流体流路を各チューブが形成する、１組のチューブと、
第２の作動流体が流れるプレナム空間であって、外殻内で第３のポートと第４のポートとの間に延在するとともに、１組のチューブのうちの少なくとも１つを各々が少なくとも部分的に囲む複数の流体導管を含み、流体導管の各々が第２の作動流体流路を形成する、プレナム空間と
を備え、
流体導管の少なくともいくつかは外殻によって形成される。
【００２５】
熱交換器が中央コア領域を有する実施形態では、外殻は中央コア領域においてそれぞれの流体導管を形成する。
【００２６】
代替的にまたは追加的に、本発明は、第１の作動流体と第２の作動流体との間で熱エネルギーを伝達するための熱交換器を提供し、熱交換器は、
第１のポートと、第２のポートと、第３のポートと、第４のポートとを含む複数の開口部を有する外殻と、
各々が外殻内で第１のポートと第２のポートとの間に延在する１組のチューブであって、第１の作動流体が流れる第１の作動流体流路を各チューブが形成する、１組のチューブと、
第２の作動流体が流れるプレナム空間であって、外殻内で第３のポートと第４のポートとの間に延在するとともに、１組のチューブのうちの少なくとも１つを各々が少なくとも部分的に囲む複数の流体導管を含み、流体導管の各々が第２の作動流体流路を形成する、プレナム空間と、
第１のポートに隣接する領域にあり、各々が１組のチューブのうちの１つ以上の管壁を形成する１つ以上のチューブ隔壁と
を備える。
【００２７】
少なくともいくつかの実施形態では、熱交換器は、第２のポートに隣接する領域にあるとともに、各々が１組のチューブのうちの１つ以上の管壁を形成する１つ以上のチューブ隔壁をさらに備える。
【００２８】
チューブ隔壁は、１つ以上の環状チューブ隔壁を含むことができる。特定の実施形態では、環状チューブ隔壁の各々は円形断面を有する。好ましくは、環状チューブ隔壁は同心状である。
【００２９】
代替的にまたは追加的に、チューブ隔壁は１つ以上の径方向チューブ隔壁を含むことができる。
【００３０】
少なくとも１つの実施形態では、各チューブ隔壁は２つ以上の第１の作動流体流路の間に延在する。
【００３１】
好ましくは、チューブ隔壁は第１および／または第２のポートで外殻と同一平面で終端する。
【００３２】
特定の実施形態では、熱交換器は、略円形断面を有する内側の第１の作動流体流路を形成する最内環状チューブ隔壁を含むことができる。好ましくは、最内環状チューブ隔壁は第１のポートから第２のポートまで交換器を貫通して延在する。
【００３３】
熱交換器が第１の移行領域および第２の移行領域を有する実施形態では、各チューブ隔壁は、各第１の作動流体流路の管壁が中央コア領域でその第１の作動流体流路に専用となるように、第１の移行領域または第２の移行領域のそれぞれで開裂する（換言すれば「分離する」、「分岐する」または「分裂する」）。
【００３４】
少なくともいくつかの実施形態では、熱交換器は、１つ以上のチューブの壁に接合され、かつ隣り合う流体導管同士を分離する架橋要素をさらに備える。
【００３５】
少なくとも一部の実施形態では、熱交換器は、中央コア領域にあり、各々が１つ以上の流体導管の壁を形成する１つ以上の導管隔壁をさらに備える。
【００３６】
熱交換器は、複数の流体導管内の対応する複数の管壁を各々が離間させる複数の架橋部材をさらに備えることができる。いくつかの例では、架橋部材は導管隔壁のうちの１つと管壁のうちの１つとの間にそれぞれ延在する。いくつかの他の例では、架橋部材は管壁のうちの１つと外殻との間に延在する。
【００３７】
中央コア領域では、熱交換器は内側の第１の作動流体流路を囲む最内流体導管を含むことができる。いくつかの実施形態では、熱交換器は、各々がチューブおよび流体導管からなる複数のリングを含むことができ、リングは内側の第１の作動流体流路および最内流体導管を囲む。
【００３８】
少なくともいくつかの実施形態では、中央コア領域で、熱交換器は、内側の第１の作動流体流路および最内流体導管を囲むチューブおよび流体導管の第１のリングを含む。さらに中央コア領域では、熱交換器は、第１のリングを囲むチューブおよび流体導管の第２のリングを含むことができる。さらに中央コア領域では、熱交換器は、第２のリングを囲むチューブおよび流体導管の第３のリングを含むことができる。
【００３９】
代替的にまたは追加的に、本発明は、第１の作動流体と第２の作動流体との間で熱エネルギーを伝達するための熱交換器を提供し、熱交換器は、
第１のポートと、第２のポートと、第３のポートと、第４のポートとを含む複数の開口部を有する外殻と、
第１の作動流体が平行に流れることができるように、各々が外殻内で第１のポートと第２のポートとの間に延在する１組のチューブと、
外殻内で第３のポートと第４のポートとの間に延在する、第２の作動流体が流れるプレナム空間であって、第３のポートと連通している第１のマニホルドと、第４のポートと連通している第２のマニホルドと、１組のチューブのうちの少なくとも１つを各々が少なくとも部分的に囲む複数の流体導管とを含み、流体導管の各々が、第１のマニホルドと第２のマニホルドとの間に延存するとともに熱交換器の中央コア領域を通って延在する第２の作動流体流路を形成する、プレナム空間と、
中央コア領域にある１つ以上の導管隔壁であって、各々が１つ以上の流体導管の壁を形成する、導管隔壁と、
各々が管壁のうちの１つを少なくとも１つの導管隔壁の端部に接続するバットレス支持部と
を備える。
【００４０】
導管隔壁は、１つ以上の環状導管隔壁および１つ以上の径方向導管隔壁を含むことができ、環状導管隔壁および径方向導管隔壁は交差し、バットレス支持部は、各々が環状導管隔壁と径方向導管隔壁との交差部に接続する。
【００４１】
好ましくは、２つ以上のバットレス支持部は、環状導管隔壁のうちの１つと径方向導管隔壁のうちの１つとの各交差部に接続する。いくつかの例では、４つのバットレス支持部は環状導管隔壁のうちの１つと径方向導管隔壁のうちの１つの交差部の少なくともいくつかに接続する。
【００４２】
特定の実施形態では、環状導管隔壁の各々は円形断面を有する。好ましくは、環状導管隔壁は同心状である。
【００４３】
好ましくは、プレナム空間は、第３のポートと流体導管の第１の端部との間に存在する第１のマニホルドを含み、第１のマニホルドは１組のチューブの一部分を囲む。より好ましくは、プレナム空間は、第４のポートと流体導管の第２の端部との間に存在する第２のマニホルドをさらに含み、第２のマニホルドは１組のチューブの別の部分を囲む。
【００４４】
熱交換器は、第１のポート、第２のポート、第３のポートおよび第４のポートのうちのいずれか１つ以上において接続部材を含むことができ、特定の接続部材または各接続部材はチューブ片と嵌合する。特定の接続部材または各接続部材は一対の離間した環状リングの形態であってもよく、その環状リングの間にＯリングを配置することができる。
【００４５】
いくつかの実施形態では、第１のポートおよび第２のポートの各々はネック部を含む。
【００４６】
好ましくは、外殻は、第３のポートと第１のマニホルドとの間に延在するステム、および／または第４のポートと第２のマニホルドとの間に延在するステムを含む。
【００４７】
いくつかの実施形態では、外殻は、中央コア領域において略円筒形状を有する。いくつかの代替実施形態では、外殻は、中央コア領域においてプリズム形状を有する。
【００４８】
好ましくは、外殻は中央コア領域から第１のポートおよび第２のポートの各々に向かって狭くなっている。
【００４９】
中央コア領域が略円筒形状を有する実施形態では、第１のマニホルドおよび第２のマニホルドを囲む外殻の部分は、好ましくは中央コア領域の長手方向軸線を中心に回転するＳ字型曲線の形状を有する。
【００５０】
少なくともいくつかの実施形態では、第１のポートおよび第２のポートは、第１のポートおよび第２のポートを通る第１の作動流体の流れが平行および／または同軸となるように外殻内に位置決めされる。
【００５１】
好ましくは、外殻はジョイントおよび／または継ぎ目のない構造体からなる単一の構成要素である。より好ましくは、熱交換器はジョイントおよび／または継ぎ目のない構造体からなる単一の構成要素である。
【００５２】
いくつかの用途では、第１の作動流体が熱交換器を通って第１のポートと第２のポートとの間に流れ、第２の作動流体が熱交換器を通って第３のポートと第４のポートとの間に流れるように、熱交換器に配管することができる。他の用途では、第１の作動流体が熱交換器を通って第３のポートと第４のポートとの間に流れ、第２の作動流体が熱交換器を通って第１のポートと第２のポートとの間に流れるように、熱交換器に配管することができる。
【００５３】
特定の実施形態では、熱交換器は小型熱交換器である。
【００５４】
本発明をより容易に理解できるようにするために、添付の図面を参照し、一例として一実施形態を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の第１の実施形態による小型熱交換器の斜視図である。
【図２】図１の小型熱交換器の上面図である。
【図３】図１の小型熱交換器の側面図である。
【図４】図１の小型熱交換器の端面図である。
【図５】図４の線Ａ−Ａに沿って見た小型熱交換器の断面図である。
【図６】図４の線Ａ−Ａに沿って切断した小型熱交換器の断面図である。
【図７】図４の線Ｂ−Ｂに沿って見た小型熱交換器の断面図である。
【図８】図４の線Ｂ−Ｂに沿って切断した小型熱交換器の断面図である。
【図９】図４の線Ｃ−Ｃに沿って見た小型熱交換器の断面図である。
【図１０】図３の線Ｄ−Ｄに沿って切断した小型熱交換器の断面図である。
【図１１】図３のＥ−Ｅ線に沿って切断した小型熱交換器の断面図である。
【図１２】図３のＦ−Ｆ線に沿って切断した小型熱交換器の断面図である。
【図１３】図３の線Ｇ−Ｇに沿って切断した小型熱交換器の断面図である。
【図１４】図３の線Ｈ−Ｈに沿って切断した小型熱交換器の断面図である。
【図１５】図３のＪ−Ｊ線に沿って切断した小型熱交換器の断面図である。
【図１６】図３の線Ｊ−Ｊに沿って見た小型熱交換器の断面図である。
【図１７】図８の領域Ｘの拡大図である。
【図１８】図１４の領域Ｙの拡大図である。
【図１９】本発明の第２の実施形態による熱交換器の斜視図である。
【図２０】図１９の熱交換器の上面図である。
【図２１】図１９の熱交換器の側面図である。
【図２２】図１９の熱交換器の端面図である。
【図２３】図２２の線Ａ２−Ａ２に沿って見た熱交換器の断面図である。
【図２４】図２２の線Ａ２−Ａ２に沿って切断した熱交換器の断面図である。
【図２５】図２２の線Ｂ２−Ｂ２に沿って見た熱交換器の断面図である。
【図２６】図２２の線Ｃ２−Ｃ２に沿って切断した熱交換器の断面図である。
【図２７】図２０の線Ｄ２−Ｄ２に沿って切断した熱交換器の断面図である。
【図２８】図２０の線Ｅ２−Ｅ２に沿って切断した熱交換器の断面図である。
【図２９】図２０の線Ｆ２−Ｆ２に沿って切断した熱交換器の断面図である。
【図３０】図２０の線Ｇ２−Ｇ２に沿って切断した熱交換器の断面図である。
【図３１】図２０の線Ｈ２−Ｈ２に沿って切断した熱交換器の断面図である。
【図３２】図２０の線Ｊ２−Ｊ２に沿って切断した熱交換器の断面図である。
【図３３】図２０の線Ｈ２−Ｈ２に沿って切断した熱交換器の断面図である。
【図３４】図２０の線Ｊ２−Ｊ２に沿って切断した熱交換器の断面図である。
【図３５】図２０の線Ｐ２−Ｐ２に沿って見た熱交換器の断面図である。
【図３６】図２０の線Ｑ２−Ｑ２に沿って見た熱交換器の断面図である。
【図３７】図２５の領域Ｘ２の拡大図である。
【図３８】図３６の領域Ｙ２の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００５６】
図１〜図１８は、本発明の一実施形態による小型熱交換器１０を示している。使用においては、熱交換器１０は第１の作動流体と第２の作動流体との間で熱エネルギーを伝達することを目的とする。以下の説明を簡単にするために、第１の作動流体を単に「作動流体」と呼び、第２の作動流体を「冷却剤」と呼ぶ。
【００５７】
熱交換器１０は、第１の作動流体ポート１４と、第２の作動流体ポート１６と、第１の冷却剤ポート１８と、第２の冷却剤ポート２０とを含む複数の開口部を有する外殻１２を有する。冷却されるかまたは加熱される作動流体は、第１の作動流体ポート１４を介して熱交換器１０に流入し、第２の作動流体ポート１６を介して熱交換器１０から流出することができ、またはその逆であってもよい。熱交換に使用される冷却剤は、第１の冷却剤ポート１８を介して熱交換器１０に流入し、第２の冷却剤ポート２０を介して熱交換器１０から流出することができ、またはその逆であってもよい。このように、図示の実施形態では、作動流体および冷却液の並流で動作するように、または作動流体および冷却液の向流で動作するように熱交換器１０に配管することができる。
【００５８】
１組のチューブは、作動流体がチューブを通って平行に流れることができるように、外殻１２内で第１の作動流体ポート１４と第２の作動流体ポート１６との間に延在している。この実施形態のチューブの構造については、以下にさらに詳細に説明する。
【００５９】
冷却剤が通って流れるべきプレナム空間は、外殻１２内で第１の冷却剤ポート１８と第２の冷却剤ポート２０との間に延在している。プレナム空間は、２つの作動流体の間で熱エネルギーを伝達することができるようにチューブを囲む。プレナム空間およびプレナム空間の構造については、以下にさらに詳細に説明する。
【００６０】
図２に示すように、この実施形態では、熱交換器１０は（図２の波括弧「Ｍ」で示す）中央コア領域と、第１の作動流体ポート１４と中央コア領域Ｍとの間に延在する（図２の波括弧「Ｌ」で示す）第１の移行領域と、第２の作動流体ポート１６と中央コア領域との間に延在する（図２の波括弧「Ｎ」で示す）第２の移行領域とを有する。
【００６１】
図１〜図１８に示す実施形態では、第１の作動流体ポート１１４は外殻１２のネック部分２２を含み、第２の作動流体ポート１１６は外殻１２のネック部分２４を含む。第１の移行領域Ｌおよび第２の移行領域Ｎの各々において、外殻の直径はネック部２２および２４からそれぞれ中央コア領域Ｍに向かって増大する。中央コア領域Ｍは略円筒形である。
【００６２】
さらに、外殻１２は第１の移行領域Ｌ内にステム２６を含み、ステム２６は第１の冷却剤ポート１８から受け入れられた（または排出された）冷却剤を交換器１０内へ誘導する。同様に、外殻１２は第２の移行領域Ｎ内にステム２８を含み、ステム２８は第２の冷却剤ポート２０から排出された（または受け入れられた）冷却剤を交換器１０外へ誘導する。
【００６３】
チューブの構造
この特定の実施形態では、熱交換器１０を通る作動流体流路を各々が形成する７３本のチューブが存在する。これらのチューブは、
最内チューブ３０、
最内チューブ３０の周りの第１のリング３４に配置された２４本組の内側チューブ３２、
第１のリング３４の周りの第２のリング３８に配置された２４本組の中間チューブ３６、および
第２のリング３８の周りの第３のリング４２に配置された２４本組の外側チューブ４０
として配置される。
【００６４】
図１および図４〜図１０に示すように、交換器１０は、ネック部２２および２４内、および第１の作動流体ポート１４および第２の作動流体ポート１６のそれぞれに隣接する第１の移行領域Ｌおよび第２の移行領域Ｎの部分において、チューブ隔壁を有する。各チューブ隔壁は、２つ以上の作動流体流路の間に延在している。図１、図４および図１０から明らかなように、この実施形態では、チューブ隔壁は３つの環状チューブ隔壁４４と、２４の径方向チューブ隔壁４６とを含む。チューブ隔壁４４および４６は、最内チューブ３０の管壁、および第１のリング３４および第２のリング３８のチューブ３２および３６を形成する。第３のリング４２のチューブの場合、チューブ４０の壁は、環状チューブ隔壁４４のうちの外側の１つと、径方向チューブ隔壁４６の外側部分と、外殻１２とによって形成される。
【００６５】
特に図１１、図１２および図１７から明らかなように、第１の作動流体ポート１４から中央コア領域Ｍに向かう方向で見た場合、チューブ隔壁４４および４６の各々は第１の移行領域Ｌ内で開裂して、複数のチューブの壁の２つの分離部分を形成する。さらに、外殻１２は第１の移行領域Ｌ内で開裂して、第３のリング４２においてチューブ４０の壁の一部を形成する。
【００６６】
同様に、第２の作動流体ポート１６から中央コア領域Ｍに向かう方向で見た場合、チューブ隔壁４４および４６の各々はまた、第２の移行領域Ｎ内で開裂して複数のチューブの壁の２つの分離部分を形成する。外殻１２はまた、第２の移行領域Ｎ内で開裂して第３のリング４２内にチューブ４０の壁の一部を形成する。図２は、第２の冷却剤ポート２０を通じて、第３のリング４２のチューブ４０の壁の一部を形成するように開裂する環状チューブ隔壁４４のうちの外側の１つを示す図を提供している。
【００６７】
この特定の実施形態では、チューブ隔壁４４および４６は、第１の作動流体ポート１４および第２の作動流体ポート１６の各々で外殻１２と同一平面で終端する。
【００６８】
図１０と図１１および図１２とを比較することにより、環状チューブ隔壁４４および径方向チューブ隔壁４６は、チューブ３２、３６および４０の各々が中央コア領域Ｍ内で別個の要素となるように、換言すれば、各作動流体流路の管壁が中央コア領域でその作動流体流路専用となるように分割されることは明らかであろう。
【００６９】
各チューブの断面積は、第１の作動流体ポート１４と第２の作動流体ポート１６の間で変化する。この特定の実施形態では、各チューブ３０、３２、３６および４０は、第１の作動流体ポート１４および第２の作動流体ポート１６のそれぞれに隣接するチューブ３０、３２、３６および４０のそれぞれの断面積よりも、中央コア領域Ｍ内で大きくなる。換言すれば、チューブ３０、３２、３６および４０の各々の断面積は、第１の作動流体ポート１４の第１の断面領域から第１の移行領域Ｌを通って、中央コア領域Ｍ内の第２のより大きな断面領域まで増大する。同様に、各チューブ３０、３２、３６および４０の断面積は、中央コア領域Ｍ内の第２の断面領域から第２の移行領域Ｎを通って、第２の作動流体ポート１６の第１の断面領域まで減少する。
【００７０】
第１の移行領域Ｌおよび第２の移行領域Ｎの各々におけるチューブ３０、３２、３６および４０の断面積の変化により、作動流体流路の断面積は中央コア領域に向かって総合的に増大し、中央コア領域から離れるにつれて減少する。
【００７１】
第１のリング３４、第２のリング３８および第３のリング４２のチューブ３２、３６および４０の各々は、中央コア領域Ｍ内で、それぞれのチューブが最内チューブ３０に対して、かつ第１の作動流体ポート１４および第２の作動流体ポート１６の各々における該チューブの径方向位置に対して径方向に偏位するように成形される。その結果、第１のリング３４、第２のリング３８および第３のリング４２における各作動流体流路は、第１の移行領域Ｌおよび第２の移行領域Ｎの各々を通る（この例ではＳ字型曲線である）非線形経路を辿る。
【００７２】
一構成では、作動流体は第１の作動流体ポート１４を通って熱交換器１０に流入し、第２の作動流体ポート１６を通って熱交換器１０から流出する。チューブ３２、３６および４０の形状により、作動流体は、第１の移行領域Ｌ内で外側に流れ、第２の移行領域Ｎ内で内側に流れる。さらに、第１の移行領域Ｌおよび第２の移行領域Ｎの各々における作動流体の流れは径方向成分を含む。換言すれば、作動流体流路は、第１の移行領域および第２の移行領域において分岐し、かつ合流する。
【００７３】
図１〜図１７に示す例では、チューブ３０、３２、３６および４０は、ネック部２２および２４内、かつ中央コア領域Ｍ内の作動流体流路が略平行になるように成形されている。さらに、チューブ３０、３２、３６および４０は、ネック部２２および２４内の各作動流体流路もまた共線的であるように成形される。
【００７４】
プレナム空間の構造
プレナム空間は、第１の冷却剤ポート１８と連通している第１の冷却剤マニホルド４８と、第２の冷却剤ポート２０と連通している第２の冷却剤マニホルド５０とを含む。この実施形態では、第１の冷却剤マニホルド４８は外殻１２内に収容され、交換器１０の第１の移行領域Ｌ内に形成される。同様に、第２の冷却剤マニホルド５０は外殻１２内に収容され、第２の移行領域Ｎに形成される。図５および図６から明らかなように、第１の冷却剤マニホルド４８は第１の移行領域Ｌ内でチューブ３０、３２、３６および４０を囲み、第２の冷却剤マニホルド５０は第２の移行領域Ｎ内でチューブ３０、３２、３６および４０を囲む。図２は、第２の冷却剤ポート２０を通って第２の冷却剤マニホルド５０に入る図を提供している。
【００７５】
プレナム空間はまた、各々がチューブ３０、３２、３６および４０の少なくとも１つを囲む冷却剤導管を含み、各冷却剤導管は冷却剤流路を形成する。冷却剤導管は、熱交換器１０の中央コア領域Ｍを通って延在する。この特定の実施形態では、各々が、チューブ３０、３２、３６および４０のそれぞれを囲む冷却剤流路を形成する７３本の冷却剤導管が存在する。これらの冷却剤導管は、
最内チューブ３０を囲む最内冷却剤導管５２、
チューブ３２を囲み、かつ第１のリング３４に配置された２４本組の内側冷却剤導管５４、
チューブ３６を囲み、かつ第２のリング３８に配置された２４本組の中間冷却剤導管５６、および
チューブ４０を囲み、かつ第３のリング４２に配置された２４本組の外側冷却剤導管５８
として配置される。
【００７６】
熱交換器１０は、各々が中央コア領域において１つ以上の冷却剤導管５４、５６および５８の壁を形成する導管隔壁を有する。導管隔壁は、３つの環状導管隔壁６０と、２４の径方向導管隔壁６２とを含む。最内冷却剤導管５２は、最内チューブ３０と最内環状導管隔壁６０Ａとの間に形成される。図１７から明らかなように、最内環状チューブ隔壁４４は第１の移行領域Ｌおよび第２の移行領域Ｎの各々において開裂して、最内チューブ３０および最内環状導管隔壁６０Ａを形成し、最内冷却剤導管５２は中央コア領域Ｍ内で最内チューブ３０と最内環状導管隔壁６０Ａとの間に形成される。
【００７７】
第１のリング３４内の冷却剤導管５４は、２つの環状導管隔壁６０と径方向に隣り合う対の径方向導管隔壁６２との間にそれぞれ形成され、第２のリング３８内の冷却剤導管５６に関しても同様である。第３のリング４２内の冷却剤導管５８は、環状導管隔壁６０のうちの外側の１つと、径方向に隣り合う対の径方向導管隔壁６２と、外殻１２とによって形成される。
【００７８】
特定の実施形態では、環状導管隔壁６０は円形断面を有し、互いにかつ外殻１２と同心である。したがって、第１のリング３４、第２のリング３８および第３のリング４２の冷却剤導管５４、５６および５８の各々は環状セグメントの断面を有する。さらに、第１のリング３４、第２のリング３８および第３のリング４２のチューブ３２、３６および４０の各々もまた、環状セグメントの断面を有する。
【００７９】
熱交換器１０は、第１のリング３４、第２のリング３８および第３のリング４２において架橋部材６４を含み、架橋部材６４は、各々がそれぞれ冷却剤導管５４、５６および５８内のチューブ３２、３６および４０の壁を離間させる。第１のリング３４および第２のリング３８において、架橋部材６４は、各々が環状導管隔壁６０のうちの１つと管壁３２および３６のうちの１つとの間に延在する。第３のリング４２において、架橋部材６４は、環状導管隔壁６０のうちの外側の１つとチューブ４０の壁との間に延在し、さらにチューブ４０の壁と外殻１２との間に延在する。架橋部材６４は、中央コア領域Ｍ内に設けられている。さらに、各架橋部材６４は熱交換器１０に対して径方向に延在し、かつ冷却剤流路に対して平行に延在する。
【００８０】
熱伝達フィン
チューブ３０、３２、３６および４０の各々はフィン（以下、「吸熱フィン６６」と呼ぶ）を含む中央部分を有し、各フィンは管壁３０、３２、３６、４０のうちの１つからそれぞれの作動流体流路内へ突出している。また、チューブ３０、３２、３６および４０の各々が有する２つの端部では、作動流体流路に面する管壁の表面が平滑である。熱交換器１０を使用して作動流体から冷却剤へ熱エネルギーを伝達する用途では、吸熱フィン６６は作動流体と接触する表面積を増大させ、チューブ３０、３２、３６および４０の壁への熱吸収を促進する。
【００８１】
チューブ３０、３２、３６および４０の各々はまた、フィン（以下、「放熱フィン６８」と呼ぶ）を含む中央部分を有し、各フィンは管壁３０、３２、３６、４０のうちの１つからそれぞれの冷却剤流路内へ突出している。また、チューブ３０、３２、３６および４０の各々が有する２つの端部では、冷却剤流路に面する管壁の表面が平滑である。再び、熱交換器１０を使用して作動流体から冷却剤へ熱エネルギーを伝達する用途では、放熱フィン６８は冷却剤と接触する表面積を増大させ、チューブ３０、３２、３６および４０の壁から冷却剤への熱伝達を促進する。
【００８２】
チューブ３２、３６および４０から突出したフィン６６および６８は、図５〜図９から明らかなように、熱交換器１０の中央コア領域Ｍ内に設けられている。最内チューブ３０から最内冷却剤導管５２内へ突出している放熱フィン６８に関しても同様である。これらの放熱フィン６８は、最内チューブ３０から最内冷却剤導管５２内へ径方向外向きに突出している。
【００８３】
図５および図６から最も明らかなように、最内チューブ３０から最内作動流体流路内へ突出している吸熱フィン６６は、第１の移行領域Ｌおよび第２の移行領域Ｎのうちの一方で終端する軸線方向端部を有する。また、これらの吸熱フィン６６は、最内チューブ３０から最内作動流体流路内へ径方向内向きに突出している。
【００８４】
この実施形態では、吸熱フィン６６は全て、それぞれの作動流体流路に対して平行に延在する。同様に、放熱フィン６８は全て、それぞれの導管流路に対して平行に延在する。フィン６６および６８は、それぞれの作動流体流路または冷却剤流路の方向に離間した２つ以上の組のフィンで構成され、各組内でフィン６６および６８は互いに平行である。最内チューブ３０から最内作動流体流路内へ径方向内向きに突出している吸熱フィン６８、および最内チューブ３０から最内冷却剤導管５２内へ径方向外向きに突出している放熱フィン６６の場合、フィン６６および６８は離間した２組のフィンで構成されている。チューブ３２、３６および４０の壁から突出しているフィン６６および６８は、離間した４組のフィンで構成される。
【００８５】
上述のフィン６６および６８の長手方向の分離は、それぞれの流体の流れにおける境界層の発達を最小限にする。その結果、それぞれの流路内の流体の流れは、流体の混合を促進し、熱交換器構造間の熱エネルギーの伝達を促進する濁度を増加させる。
【００８６】
チューブ３０、３２、３６および４０の端部では、壁面は特徴に欠けるか、および／または「平滑」である。換言すれば、これらの端部では、チューブ３０、３２、３６および４０の断面は、管壁の内面が内向きに凹状となり、かつ管壁の外面が外向きに凸状となるように成形されている。図面から明らかなように、管壁の内面は作動流体流路に面し、外面は冷却剤流路に面している。このようにして、端部の管壁の表面は「平滑」であるとみなすことができる。しかし、いくつかの製造技術は表面仕上げを粗いとみなされる形で残しており、この点で表面仕上げは表面形状とは異なる特性であることが理解されよう。この実施形態では、端部は、作動流体流路および冷却剤流路のそれぞれの断面積の減少に一致する。したがって、断面積のより小さい領域では、チューブの平滑な壁面は流体の流れに対する抵抗が最小限になるようにする。
【００８７】
バットレス支持部
図１６に最も明確に示すように、熱交換器１０は、各々が管壁３２、３６および４０のうちの１つを導管隔壁６０および６２の少なくとも一方の端部に接続するバットレス支持部７０を含む。付加的な製造技術を使用して熱交換器１０が形成される実施形態では、バットレス支持部７０は、部分的に形成されたチューブ３２、３６および４０に対して幾何学的に正確な位置での導管隔壁６０および６２の形成を容易にする。
【００８８】
この特定の実施形態では、環状導管隔壁６０および径方向導管隔壁６２は、４つのチューブ３２、３６および４０の群の中間位置において交差部を形成する。これらの交差部において、バットレス支持部７０は、各々が環状導管隔壁６０および径方向導管隔壁６２に接続する。
【００８９】
第１のリング３４の径方向内周のバットレス支持部７０は、チューブ３２の隣り合う対から延びて最内環状導管隔壁６０Ａと径方向導管隔壁６２のうちの１つとの交差部に接続する。第１のリング３４と第２のリング３８との間にある環状導管隔壁６０と径方向導管隔壁６２のうちの１つとの交差部では、バットレス支持部７０は各交差部を囲む４つのチューブ３２、３６および４０の群から延びている。
【００９０】
この特定の実施形態では、熱交換器１０は付加的な製造技術によって形成される。したがって、熱交換器１０は、ジョイントおよび継ぎ目のない単一の構成要素である。換言すれば、熱交換器１０の構成要素は連続的であり、中断されていない。
【００９１】
この特定の実施形態では、熱交換器１０は、適切な締結具を用いて交換器を構造体上に取り付けることができる貫通孔を各々が有する４つの取付フランジ７２を有する。
【００９２】
熱交換器１０は、第１の作動流体ポート１４、第２の作動流体ポート１６、第１の冷却剤ポート１８および第２の冷却剤ポート２０の各々に接続部材７４を含む。各接続部材７４は、チューブ片と嵌合して熱交換器１０を冷却システムに接続するものである。この実施形態では、各接続部材７４は一対の離間した環状リングの形態であり、その環状リングの間にＯリング（図示せず）を配置することができる。代替的な実施形態では、熱交換器が動作する冷却システムに適合するように他の形態の接続部材を設けてもよい。
【００９３】
図１９〜図３８は、本発明の第２の実施形態による熱交換器１１０を示している。使用においては、熱交換器１１０は第１の作動流体と第２の作動流体との間で熱エネルギーを伝達することを目的とする。再び、以下の説明を簡単にするために、第１の作動流体を単に「作動流体」と呼び、第２の作動流体を「冷却剤」と呼ぶ。図１９〜図３８に示す実施形態によって作られた物理的実施形態は、小型熱交換器を提供することができる。
【００９４】
熱交換器１１０は、図１の熱交換器１０と実質的に同様である。図１９〜図３８では、熱交換器１０の特徴と実質的に同様の熱交換器１１０の特徴は、接頭辞「１」を伴う同一の参照番号を有する。
【００９５】
熱交換器１１０は、第１の作動流体ポート１１４と、第２の作動流体ポート１１６と、第１の冷却剤ポート１１８と、第２の冷却剤ポート１２０とを含む複数の開口部を有する外殻１１２を有する。
【００９６】
１組のチューブは、作動流体がチューブを通って平行に流れることができるように、外殻１１２内で第１の作動流体ポート１１４と第２の作動流体ポート１１６との間に延在している。この実施形態における熱交換器１１０のチューブの構造については、以下にさらに詳細に説明する。
【００９７】
冷却剤が通って流れるべきプレナム空間は、外殻１１２内で第１の冷却剤ポート１１８と第２の冷却剤ポート１２０との間に延在している。プレナム空間は、２つの作動流体の間で熱エネルギーを伝達することができるようにチューブを囲む。プレナム空間およびプレナム空間の構造については、以下にさらに詳細に説明する。
【００９８】
図２１に示すように、この実施形態では、熱交換器１１０は（図２１の波括弧「Ｍ２」で示す）中央コア領域と、第１の作動流体ポート１１４と中央コア領域Ｍ２との間に延在する（図２１の波括弧「Ｌ２」で示す）第１の移行領域と、第２の作動流体ポート１１６と中央コア領域Ｍ２との間に延在する（図２１の波括弧「Ｎ２」で示す）第２の移行領域とを有する。
【００９９】
この実施形態では、第１の作動流体ポート１１４は外殻１１２のネック部分１２２を含み、第２の作動流体ポート１１６は外殻１１２のネック部分１２４を含む。第１の移行領域Ｌ２および第２の移行領域Ｎ２の各々において、外殻の直径はネック部１２２および１２４からそれぞれ中央コア領域Ｍ２に向かって増大する。中央コア領域Ｍ２は略円筒形状である。
【０１００】
さらに、外殻１１２は第１の移行領域Ｌ２内にステム１２６を含み、ステム１２６は第１の冷却剤ポート１１８から受け入れられた（または排出された）冷却剤を交換器１１０内へ誘導する。同様に、外殻１１２は第２の移行領域Ｎ２内にステム１２８を含み、ステム１２８は第２の冷却剤ポート１２０から排出された（または受け入れられた）冷却剤を交換器１１０外へ誘導する。
【０１０１】
図２１から明らかなように、この実施形態では、熱交換器１１０を通り、かつ第１の作動流体ポート１１４と第２の作動流体ポート１１６との間を流れる作動流体の一般的な方向に対して、ステム１２６および１２８が鋭角に配置されるように外殻１１２が設置される。
【０１０２】
チューブの構造
この特定の実施形態では、熱交換器１１０を通る作動流体流路を各々が形成する８５本のチューブが存在する。これらのチューブは、５組の同心状リングに配置されており、例えば、
熱交換器１１０内で中央に配置されて第１のリング１３０ａを形成する４本組の第１のチューブ１３２ａ、
第１のリング１３０ａの周りの第２のリング１３０ｂに配置された１２本組の第２のチューブ１３２ｂ、
第２のリング１３０ｂの周りの第３のリング１３０ｃに配置された２４本組の第３のチューブ１３２ｃ、
第１のリング１３０ｃの周りの第４のリング１３０ｄに配置された２４本組の第４のチューブ１３２ｄ、および、
第２のリング１３０ｄの周りの第５のリング１３０ｅに配置された２４本組の第５のチューブ１３２ｅ
として配置される。
【０１０３】
以後、特定のチューブまたはチューブの組について特定の文脈がない場合、チューブ１３２ａ、１３２ｂ、１３２ｃ、１３２ｄ、１３２ｅをそれぞれ「チューブ１３２（単数）」と呼び、総称して「チューブ１３２（複数）」と呼ぶ。
【０１０４】
図１９および図２２〜図２７に示すように、交換器１１０は、ネック部１２２および１２４内、および第１の作動流体ポート１１４および第２の作動流体ポート１１６のそれぞれに隣接する第１の移行領域Ｌ２および第２の移行領域Ｎ２の部分において、チューブ隔壁を有する。各チューブ隔壁は、２つ以上の作動流体流路の間に延在している。図２２および図２７から明らかなように、この実施形態では、チューブ隔壁は、それぞれの作動流体ポートに対して径方向に配向された径方向壁１４４と、それぞれの作動流体ポートに対して同心円状に配向された円弧状壁１４６とを含む。径方向壁１４４は、５つのリングのそれぞれの内部の隣り合うチューブを円周方向に分離する。円弧状壁１４６は、５つのリングの隣り合う対においてチューブを径方向に分離する。この特定の実施形態では、円弧状壁１４６の各々は、円筒状セグメントの形状を有し、換言すれば、各円弧状壁１４６の断面は円筒状セグメントである。
【０１０５】
第５のリング１３０ｅのチューブ１３２ｅの場合、各チューブ１３２ｅを形成する壁は、円弧状壁１４６のうちの１つ、２つの径方向壁１４４および外殻１１２によって形成される。
【０１０６】
特に図２３〜図２６および図３７から明らかなように、第１の作動流体ポート１１４から中央コア領域Ｍ２に向かう方向で見た場合、チューブ隔壁１４４および１４６の各々は第１の移行領域Ｌ２内で開裂して、複数のチューブの壁の２つの分離部分を形成する。同様に、第２の作動流体ポート１１６から中央コア領域Ｍ２に向かう方向で見た場合、チューブ隔壁１４４および１４６の各々はまた、第２の移行領域Ｎ２内で開裂して複数のチューブの壁の２つの分離部分を形成する。
【０１０７】
各チューブの断面積は、第１の作動流体ポート１１４と第２の作動流体ポート１１６の間で変化する。この例では、各チューブ１３２ａ、１３２ｂ、１３２ｃ、１３２ｄ、１３２ｅの断面積は、第１の作動流体ポート１１４および第２の作動流体ポート１１６のそれぞれに隣接するそれぞれのチューブ１３２の断面積よりも中央コア領域Ｍ２内で大きくなる。換言すれば、チューブ１３２の各々の断面積は、第１の作動流体ポート１１４の第１の断面領域から第１の移行領域Ｌ２を通って、中央コア領域Ｍ２内の第２のより大きな断面領域まで増大する。同様に、各チューブ１３２の断面積は、中央コア領域Ｍ２内の第２の断面領域から第２の移行領域Ｎ２を通って、第２の作動流体ポート１１６における第１の断面領域まで減少する。さらに、熱交換器１１０を通る各作動流体流路は非線形経路を辿る。
【０１０８】
図１８〜図３７に示す例では、チューブ１３２は、ネック部１２２および１２４内、かつ中央コア領域Ｍ２内の作動流体流路が略平行になるように成形されている。さらに、チューブ１３２は、ネック部１２２および１２４内の各作動流体流路もまた共線的であるように成形される。
【０１０９】
プレナム空間の構造
プレナム空間は、第１の冷却剤ポート１１８と連通している第１の冷却剤マニホルド１４８と、第２の冷却剤ポート１２０と連通している第２の冷却剤マニホルド１５０とを含む。この実施形態では、第１の冷却剤マニホルド１４８は、外殻１１２内に収容され、交換器１１０の第１の移行領域Ｌ２内に形成される。同様に、第２の冷却剤マニホルド１５０は、外殻１１２内に収容され、第２の移行領域Ｎ２に形成される。図２３から明らかなように、第１の冷却剤マニホルド１４８は第１の移行領域Ｌ２内でチューブ１３２を囲み、第２の冷却剤マニホルド１５０は第２の移行領域Ｎ２内でチューブ１３２を囲む。
【０１１０】
プレナム空間はまた、チューブ１３２によって各々が１つ以上の作動流体流路から分離された冷却剤導管を含む。各冷却剤導管は冷却剤流路を形成する。冷却剤導管は、熱交換器１１０の中央コア領域Ｍ２を通って延在する。
【０１１１】
熱交換器１１０は、各々が１つ以上の作動流体流路に隣接する冷却剤流路を形成する、１７６の別個の冷却剤導管を有する。この特定の実施形態では、熱交換器１１０は熱交換器１１０内で長手方向に延在する架橋要素１６０を中央コア領域Ｍ２内で有する。各架橋要素１６０はチューブ１３２の壁に接合され、かつ隣接する冷却剤導管を分離する。さらに、架橋要素１６０は中央コア領域Ｍ２内のチューブ隔壁に幾何学的安定性をもたらす。
【０１１２】
図３８は、熱交換器の四分円を示す中央コア領域Ｍ２を介して見た熱交換器１１０の部分断面図である。図１８では、外殻１１２、チューブ１３２および架橋要素１６０は、黒塗りで示されている。作動流体流路は薄い灰色で示され、冷却剤導管は濃い灰色で示されている。
【０１１３】
架橋要素１６０は、図２４および図２５に示されている。この特定の実施形態では、架橋要素１６０は、
中央架橋要素１６０ａと、
第１のリング１３０ａおよび第２のリング１３０ｂにおいてチューブ１３２を形成するチューブ隔壁の間に延在する４つの架橋要素１６０ｂと、
第２のリング１３０ｂにおいてチューブ１３２を形成するチューブ隔壁の特定の隣り合う対の間に延在する８つの架橋要素１６０ｃと、
第２のリング１３０ｂおよび第３のリング１３０ｃにおいてチューブ１３２を形成するチューブ隔壁の間に延在する１２の架橋要素１６０ｄと、
第３のリング１３０ｃにおいてチューブ１３２を形成するチューブ隔壁の特定の隣り合う対の間に延在する１２の架橋要素１６０ｅと、
第３のリング１３０ｃおよび第４のリング１３０ｄにおいてチューブ１３２を形成するチューブ隔壁の間に延在する２４の架橋要素１６０ｆと、
第４のリング１３０ｄおよび第５のリング１３０ｅにおいてチューブ１３２を形成するチューブ隔壁の間に延在する２４の架橋要素１６０ｇと、
外殻１１２と、第５のリング１３０ｅにおいてチューブ１３２ｅを形成するチューブ隔壁との間に延在する２４の架橋要素１６０ｈと
を含む。
【０１１４】
架橋要素１６０ａ〜１６０ｅは、略十字状の断面を有する。架橋要素１６０ｆは、略三角形の断面を有する。これらの形状は、熱交換器の容積を最大にすることができる一方で、前述したようにチューブ隔壁に適切な幾何学的安定性をもたらす。
【０１１５】
熱伝達フィン
チューブ１３２の各々は熱伝達フィン１６６を含む中央部分を有し、各熱伝達フィンはチューブ隔壁のうちの１つからそれぞれの作動流体流路内へ突出している。さらに、チューブ１３２の各々は熱伝達フィン１６８を含む中央部分を有し、各熱伝達フィンはチューブ隔壁のうちの１つからそれぞれの冷却剤導管内へ突出している。この実施形態では、チューブ１３２のこれらの中心部分は熱交換器１１０の中央コア領域Ｍ２内に配置される。さらに、チューブ１３２のこれらの中央部分は、第１の移行領域Ｌ２および第２の移行領域Ｎ２内に延在する。
【０１１６】
第１の移行領域Ｌ２および第２の移行領域Ｎ２内では、熱伝達フィン１６６および１６８の高さは、それぞれ第１の作動流体ポート１１４および第２の作動流体ポート１１６に向かって減少する。チューブ１３２の端部では、作動流体流路および冷却剤導管に面するチューブ隔壁の表面が平滑である。
【０１１７】
フィン１６６および１６８は作動流体および冷却剤と接触する表面積を増大させ、これにより、チューブ１３２の壁を介した作動流体と冷却材との間の熱伝達が促進される。
【０１１８】
図２３に最も明確に示すように、この実施形態では、フィン１６６および１６８は略細長い蛇行形状を有する。さらに、蛇行形状はジグザグ模様である。
【０１１９】
各フィン１６６および１６８は、そのフィンの長手方向に沿ってギザギザの構造を有する。このようにして、各フィン１６６および１６８は、そのフィンの長手方向に沿って間隔を置いて配置された胸壁構造１７１を含み、各胸壁構造１７１のいずれか一方の側面に、それぞれのフィン１６６および１６８は狭間構造を効果的に有する。各胸壁構造１７１は、狭間構造におけるフィン１６６および１６８の高さに対してチューブ隔壁から離間しているそれぞれのフィン１６６および１６８の高さを増大させる。さらに、各胸壁構造１７１は、それぞれのフィン１６６および１６８の長さよりも短い長さを有する。フィン１６６および１６８が略蛇行形状であることにより、胸壁構造１７１は、熱交換器１１０の中央コア領域Ｍ２を通るそれぞれの作動流体および冷却剤の流れの一般的な方向に対して斜めに（一方向または二方向に）延在する。
【０１２０】
胸壁構造１７１は、図２４および２５に示されている（これらの図は、熱交換器を長手方向に切断した断面図である）が、図２３、２６および３５〜３８にも示されている。
【０１２１】
図２３に示すように、フィン１６６および１６８は、それぞれの作動流体流路または冷却剤流路の方向に離間した２つ以上の組のフィンで構成されている。
【０１２２】
フィン１６６および１６８の上述の構造は、それぞれの流体の流れにおける境界層の発達を最小限にする。その結果、それぞれの作動流体流路または冷却剤導管内の流体の流れは、流体の混合を促進し、熱交換器構造間の熱エネルギーの伝達を促進する濁度を増加させる。
【０１２３】
熱交換器１１０はまた、付加的な製造技術によって形成される。したがって、熱交換器１１０はジョイントおよび継ぎ目がない単一の構成要素である。換言すれば、熱交換器１１０の構成要素は連続的であり、中断されていない。
【０１２４】
図示の実施形態による試作熱交換器を市販の標準小型熱交換器と比較した予備試験では、標準熱交換器と比較した場合に、（第１の作動流体ポートと第２の作動流体ポートとにおける作動流体圧の差異として測定された）約３５％の作動流体圧の降下および対数平均温度差の約４０％の改善を反映した結果が得られた。さらに、試作品の乾燥質量は標準熱交換器の乾燥質量の約５０％であった。
【０１２５】
対数平均温度差は、交換器が作動流体から冷却液へ熱を伝達する際の有効性の尺度である。作動流体圧力差は、装置を通る作動流体の流れに対する熱交換器の抵抗の尺度である。その結果、作動流体圧力差の降下は熱交換器を介して作動流体を圧送するのに必要な動作の低減を表す。
【０１２６】
この明細書では、第１の作動流体ポートと第２の作動流体ポートとの区別は、主として意味論的であることが理解されるであろう。いくつかの例では、これらの作動流体ポートを参照して作動流体の流れについての議論がなされている。必要に応じて作動流体の流れの方向を逆転させることができることは理解されるであろう。同様の観察を、第１の移行領域および第２の移行領域、第１の冷却剤ポートおよび第２の冷却剤ポート、および第１の冷却剤マニホルドおよび第２の冷却剤マニホルドに関して適用して、熱エネルギーが除去されるべき流体を、第１の作動流体ポートと第２の作動流体ポートとの間をチューブを通って流すか、または第１の冷却液ポートと第２の冷却液ポートとの間をプレナム空間を通って流すように熱交換器を実施する。
【０１２７】
本発明による熱交換器またはその任意の態様は、多くの用途で使用することができ、エンジンおよびモータでの使用に限定されない。
【０１２８】
本明細書で使用される用語「流体」は、液体および気体の材料を含むことが理解されるであろう。
【０１２９】
本明細書および添付の特許請求の範囲を通じて、文脈上別段の解釈を要する場合を除き、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」という単語および「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」などの変形は、記載された整数、ステップ、整数群またはステップ群を包含し、任意の他の整数、ステップ、整数群またはステップ群を除外するものではないことが理解されるであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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８】
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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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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