JP2015515602A - 熱交換器における案内薄板 - Google Patents

Abstract

本発明は、自動車の為の熱交換器（１）、特に排ガス熱交換器であって、その際、熱交換器（１）が外側カバー（２）を有し、および外側カバー（２）内に熱交換器パイプ（１１）が配置されおよびカバー（２）内へ正面側から媒体を供給可能であり、および反対の側に排出可能であり、その際、カバー（２）内の端部側に正面プレート（３）が配置されており、その際、正面プレート（３）が複数の開口部（４）を有し、これら開口部を通して媒体が熱交換器パイプ（１１）内へと移送可能であり、特に開口部（４）が熱交換器パイプ（１１）を少なくとも部分的に差し込まれている熱交換器に関する。発明にしたがい、正面プレート（３）に縁部側（７）で開口部（４）の間に平らな面（８）が形成されており、その際、流れ方向（Ｓ）において平らな面（８）の前に直接または間接に案内要素（９）が配置されており、その際、案内要素（９）のせん断応力面が、流れ方向（Ｓ）で少なくとも平らな面（８）を覆っていることが提案される。

Description

本発明は、請求項１の上位概念に係る特徴に従う熱交換器に関する。

先行技術より、部材を媒体によって冷却し、及び／又は媒体から意図的に熱を取り上げるために、特に自動車内で熱交換器を使用することが公知である。例えば、これによって、自動車の燃焼機関の冷却水を意図的に第二の媒体、特に空気によって冷却することが可能となる。しかしながら、例えば冷却された排ガス自体を再び燃焼プロセスへと供給するために、自動車の排ガスを冷却することも可能である。

特許文献１から、例えば、パイプ積層式の熱交換器が公知である。ここでは、一方の端部において媒体が供給され、管底部に至り、そして管底部において集合し、そしてその後、管底部に存在する熱交換パイプを通して案内される。クロス流原理において、熱交換器のカバーの外側に、第二の媒体が供給される。この媒体は、熱交換器を通って流れ、そして第二の媒体の入口と反対側の出口において熱交換器を再び去る。

ここでは、特に管底部が、そのような管積層式の熱交換器を排ガス熱交換器として使用する場合に、少なくとも局所的に、流れる排ガスの高温にさらされるという点が不利である。

独国出願公開第４３４ ３４ ０５ Ａ１号明細書

本発明の課題は、熱交換器を流れる媒体の、熱交換器内部の部材要素に対する熱的影響を減少させることである。

上述した課題は、発明に従い自動車の為の一つの熱交換器、特に排ガス熱交換器であって、請求項１に記載の特徴に従うものにより解消される。

本発明の有利な実施バリエーションは、従属請求項の対象である。

自動車の為の発明に係る熱交換器は、排ガス熱交換器として形成されている。その際熱交換器は、一つの外側カバーを有し、かつ外側カバー内に複数の熱交換器パイプが配置されており、そしてカバー内に正面側から媒体が供給可能であり、そして反対の側から排出可能である。その際、媒体は、その後、熱交換器パイプを通って流れる。カバーの各端部側には、正面プレートが設けられている。その際、正面プレート自体は、複数の開口部を有し、そして熱交換器パイプを流れる媒体は、まずこれら開口部を通って熱交換器パイプ内へと至り、そして端部側で複数の開口部を通って再び熱交換器パイプの外へと出される。特にその際、開口部は、熱交換器パイプを少なくとも部分的に差し込まれている。発明に従い、熱交換器は以下の点で際立っている。つまり、正面プレートには開口部の間の縁部側に平らな面が形成されている。その際流れ方向において平らな面の前に間接的または直接的に案内要素が配置されている。その際、案内要素のせん断応力面は、流れ方向において少なくとも一つの平らな面を覆っている。

本発明の枠内において、カバーは、特に外側カバー、特に好ましくは、熱交換器カセットと理解されることが可能である。この中に、熱交換器パイプ、特に管積層として配置されている。カバーは、その際好ましくは、一つの金属材料から形成されることが可能である。例えば、これは管構造または薄板構造でもあり得る。その際カバーは、その後、長手方向溶接される。本発明の枠内でカバーは、特に鋼材料から形成され、特に好ましくは、排ガスの腐食性の特性に対して安定的である材料から形成される。しかしまた、本発明の枠内で、カバーが軽金属材料、特にアルミニウム等から形成されることもまた可能である。

カバー自体の中には、その後、熱交換器パイプが一つの管積層として配置される。その際、個々の熱交換器パイプは、特に正面プレートによって、特に好ましくは、カバーの端部の各領域に配置された正面プレートによって保持されている。正面プレート自体は、管底部として、または管結束としても公知である。正面プレートは、この為、複数の切欠き部を有する。その際、熱交換器パイプは切欠き部と連結されるか、または切欠き部は少なくとも部分的に、特に完全に差し込まれている。これによって、カバー内に正面側から進入し、そしてまた再び正面側からカバーより外にでる媒体が、まず進入側に配置された正面プレートに当たり、そしてその後、開口部を通して熱交換器パイプ内へと流れ込む。特に、その際、熱交換器パイプを通って案内される排ガスが問題となる。本発明の枠内で、しかしまた、他の各媒体が、流体の状態及び／又はガス状の状態で熱交換器を通して案内可能である。

正面プレート自体には、正面プレートに当たる媒体によって、局所的に高められた温度、特に熱集中の形式のものが形成される。熱交換器パイプを通って流れる排ガスによって、その後再び、熱が連行される、または取り去られる。特に正面プレートの縁部領域にける、平らな面として形成されている正面プレートの部分は、複数開口部が、ここでは特にオフセットされて配置された開口部における複数開口部が場合によっては形成されないのではなく、部分的にのみ形成されるので、衝突する排ガス流に常にさらされ、それゆえ明らかに強く熱せられる。これによって、正面プレートの熱的遅滞が発生する。これは、特に長期にわたる集中的に使用の際の、熱交換器の漏えい性に通じる。これは一つには、より価値の高い正面プレートのみによって、そして特に厚さが厚く形成された正面プレートによって補償されることが可能である。しかしこのことは製造コストの上昇を伴う。しかし、発明に係る解決策は、適当な案内要素を以下のように、つまり、その結果、流れる媒体、特に流れる排ガスは、案内要素によって意図的に正面プレート中央の方法及び／又は熱交換器パイプ内への開口部の方向に導かれ、これによって平たいまたは平らな面に当たらないよう、流れ方向において正面プレートの前に間接的に、つまり間隔をあけて、または直接、したがって正面プレート自体に略直接しかしまたはこれと直接接触して配置することを意図する。これによって平らな面の、正面プレートの他の部分に対して高められた加熱が防止される。このことは特に、熱交換器の加熱耐性および長寿命性を、従来の材料と最適化された材料使用、つまり最小限の壁厚のもと可能とする。これによって、より温度耐性の高く、かつ耐久寿命の長い熱交換器を形成することが可能である。その際、高価な材料、及び／又は多くの材料は使用されることが無い。

本発明の枠内で、案内要素は、特に熱交換器の内部室内に突出した湾曲部として形成されている。案内要素は本発明の枠内で、熱交換器の内部室内に突出した特徴部として形成されていることも可能である。従って、湾曲部の形状の案内要素は、カバー及び／又はフランジの内側カバー面によって、熱交換器の内部室の方向に持ち上がっている。特に好ましくは、案内要素はこの為、一つの先端を有している。この先端は媒体の流れ方向において拡大している。特に、各案内要素のせん断応力面が拡大している。せん断応力面は、その際、特に本発明の枠内で徐々に減少する推移と共に拡大している。これによってまず、媒体、特に排ガスの流れ方向と反対に突き出る先端が、その後拡大する案内要素のせん断応力面によって、最適な流れ抵抗を有するということが保証される。

特に、案内要素は少なくとも部分的にロケット先端及び／又は水滴の形状に形成され、特に前述した流れ最適化された形状の混合形状として形成されている。案内要素は、更に、錐形断面の形状、少なくとも半錐形断面の形状、三角柱の形状、しかしまたは立方体断面を有しうる。

本発明の枠内で、案内要素が独立した部材として流入漏斗内に挿入されていることも可能である。例えば、案内要素は、流入漏斗の内側カバー面内で熱的接合によって連結される。例えばこれは、はんだ付け過程または溶接過程によって行われる。本発明の枠内で、複数の案内要素が、一つの案内要素薄板上に例えば成型技術的に形成され、その後、案内要素薄板が、流入漏斗の内部室内へと挿入され、そして流れ方向においてその後ろに位置する正面プレートに対応して配置されるので、平らな面が、高温の排ガス流と、これに伴い高い熱発生にさらされるということも、同様に考え得る。

案内要素は、しかし決定的に縁部から内部室内へと延びて形成されているので、上述した例はそれぞれ半分とみなされることが可能である。特に、せん断応力面の徐々に減少する増加とは、これがまず著しく増加し、そしてこれに引き続いて弱く、しかしながら未だ増加して形成されていることと理解される。

特に、案内要素の流れ方向でみて後ろ側は、まっすぐに降下しているので、ゆっくりと再び熱交換器の内側カバー面に近づく面によって、吸引効果（独語でいうＳｏｇｅｆｆｅｋｔ）が生じる。これによって、流れる媒体の案内の、平らな面による発明に係るメリットは生じない。

特に、複数の案内要素は、放射方向に周回して互いに間隔をあけて配置されている。案内要素は、好ましくは、熱交換器の縁部領域における平らな面に常に付設されている、または前置されている。熱交換器自体は、その際、断面において例えば正方形や長方形に形成されていることが可能である。本発明の枠内において、しかしまた、熱交換器が断面において円形及び／又は楕円形に形成されていることが可能であり、その際、正面プレートの縁部領域には同様に平らな面が開口部に基づいて残っている。

更に好ましくは、熱交換器のカバーが、フランジと連結されている。フランジは、本発明の枠内において、管状短管であることが可能である。その際、フランジまたは管状短管はカバーと連結されている。特に、管状短管は少なくとも部分的に、流れ方向においてカバー内に挿入されている、及び／又はカバーにかぶせられている。案内要素は、本発明の枠内において特に好ましくはフランジ自体の中に配置されている。

特に安価な製造の為に、フランジは特に鋳造部材として形成されている。その際、案内要素は、フランジと一体式にかつ材料統一的に連結されており、特に鋳造部材として形成されたフランジにおいては、これと直接一体に鋳造されているか、または案内要素が外的部材としてフランジと連結されている。好ましくは案内要素は、フランジ内に溶接されている、及び／又ははんだ付けされている。本発明の枠内で、案内要素をフランジ内に接着することも可能である。同様に、本発明の枠内で、内側カバー面に外側を周回する、追加的なフレーム部材を組み入れることも可能である。その際、案内要素は、フレーム部材自体の中に形成されるか、またはフレーム部材に形成される。

更に好ましくは、本発明の枠内で、フランジの内側カバー面及び／又は案内要素の表面がコーティング。コーティングは特に、熱的に耐性を有するコーティング及び／又は流れを最適化されたコーティングである。これによって、特に案内要素の耐久性向上が引き起こされ、かつ同時に熱交換器内で、特に案内要素によって生じる、流れ最適化された表面に基づく対向圧が最小とされる。

本発明の更なるメリット、特徴、特性および観点は、従属請求項の対象である。好ましい実施バリエーションは、図に簡略的に表されている。これらは、本発明の簡単な理解の為に使用される。図では、同じまたは同様の部材に対しては同一の参照符号が付されている。繰り返しの説明は簡略化の観点から省略される。

発明に係る熱交換器の部分斜視図。 発明に係る熱交換器の断面図。 挿入された熱交換器パイプを有する発明に係る熱交換器の長手方向断面図。 正面プレートを有する熱交換器の正面図。

図１ａは、発明に係る熱交換器１を斜視部分図にて示す。熱交換器１は、その際、挿入された正面プレート３を有するカバー２を有している。カバー２の端部５には、フランジ６が流入短管６ａと共に設けられている。流入短管６ａ自体の中には、案内要素９が形成されている。これらは、以下に図１ｂに説明するように、流体の流れ方向Ｓに平らな面８を前接続されている。案内要素９は、その際、一部品式かつ材料統一的に流入短管６ａ自体の中に形成されていることが可能であるか、または代替的に、外部部材として流入短管６ａ内に固定されていることが可能である。本発明の枠内で、案内要素９が流入短管６ａの各一方の側に案内薄板によって形成されていることか、または全体の案内薄板が、流入短管６ａ内にもたらされていることも可能である。

更に、カバー２の端部５が拡大されて形成されている。その結果、ここで、周回する***部１３が流入短管６ａを形状結合的に少なくとも部分的に収容する。更に、***部１３には、接続短管１４が設けられている。この接続短管は、詳細には表されていない冷却媒体を、図２に表された冷却チャネル１５内に搬送する。この冷却チャネルは、正面プレート３の後ろ側に形成されており、かつこれによって正面プレート３を追加的に冷却する。***部１３と流入短管６ａは、好ましくは材料結合的に互いに連結されている。これは特にはんだ付けまたは溶接によって行われる。

図１ｂは、発明に係る熱交換器１の断面図を示す。その際、熱交換器１は、正面プレート３を有するカバー２を有する。正面プレート３自体は、ここでもまた開口部４を有する。その際、開口部４内には図１には詳細に表されていない熱交換器パイプが挿入されることができる。更に、熱交換器１を通って流れる媒体の流れ方向Ｓが表されている。カバー２の端部５において、これには一つのフランジ６が前接続されている。フランジ６を通して、媒体はカバー２の方向へと流れ、そしてまず正面プレート３にぶつかる。ここで媒体は開口部４を通って流れる。その際、正面プレート３自体の縁部領域７には、平らな面８が設けられている。流れ方向Ｓには、平らな面８に各一つの案内要素９が前接続されている。案内要素９自体は、一つの先端１０を有する。その際、案内要素９は、流れ方向Ｓにおいて先端１０から始まり拡大している。特にこれは、フランジ６の内部室内に突出する湾曲部の形状で行われている。

図２には、熱交換器１が縦断面図として示されている。その際、正面プレート３がカバー２の端部に設けられている。ここで、縁部領域７において正面プレート３は、一つの平らな面８を有している。その際、正面プレート３自体は、開口部４内で熱交換器パイプ１１を差し込まれている。媒体の流れ方向Ｓは、熱交換器パイプ１１によって記入されている。流れ方向Ｓにおいて正面プレート３に案内要素９が前接続されている。その際、図２には、これによって流れ方向Ｓが案内要素９の後方の端部１２から熱交換器パイプ１１に向かう方向へ流れ、そしてこれによって正面プレート３の縁部領域の平らな面８の前への流れが妨げられることが見て取れる。更に冷却チャネル１５が表されている。この冷却チャネルは、詳細には表されていない冷却媒体を接続短管１４を介して正面プレート３の後ろ側と、部分的に熱交換器１内に配置された管１６とに案内し、これによって特に正面プレート３を冷却する。更に分離壁１７が表されている。この分離壁は冷却チャネル１５を境界づけている。接続短管１４自体は、その際、ここに表されているように、形状結合的に***部１３に載置されていることが可能であるが、しかしまた、これと一体式にかつ材料統一的に形成されていることも可能である。同様に図２には、流れ方向Ｓと、したがって管１６を流れる排ガスが、平らな面８の前に当たり、ここで上昇した熱発生が発揮されることなく、むしろ直接管１６の内部室Ｉの中へと導かれることが良好み見て取れる。

これは特に、更に図３に良好に見て取れる。その際、ここでは個々の開口部４は其々、正面プレート３内でオフセットされているのが見て取れる。周辺部７内には、平らな面８が形成されている。しかしこれは、図３では図平面内で後方を推移する流れ方向Ｓ内の各案内要素９によって覆われている。案内要素９は、その際、簡略的に記載されている。というのは、これらは、図平面に対して正面プレート３の上に位置しているからである。従って、案内要素９のせん断応力面は、図平面に対してその後ろに位置し、よって案内要素９のせん断応力面によって覆われている、正面プレート３の縁部領域の平らな面８よりも大きい。図平面に流入する排ガスと流入する媒体は、よって、流れ、特に案内要素９の平らな面８の前のよどみを妨げられ、および意図的に開口部４内へと導かれる。

１ − 熱交換器
２ − カバー
３ − 正面プレート
４ − ３への開口部
５ − ２への端部
６ − フランジ
６ａ − 流入短管
７ − 縁部領域
８ − 平らな面
９ − 案内要素
１０ − ９への先端
１１ − 熱交換器パイプ
１２ − ９への後方の端部
１３ − ２への***部
１４ − 接続短管
１５ − 冷却チャネル
１６ − 管
１７ − 分離壁
Ｓ − 流れ方向
Ｉ − 内部室

Claims (9)

1. 自動車の為の熱交換器（１）、特に排ガス熱交換器であって、その際、熱交換器（１）が外側カバー（２）を有し、および外側カバー（２）内に熱交換器パイプ（１１）が配置されおよびカバー（２）内へ正面側から媒体を供給可能であり、および反対の側に排出可能であり、その際、カバー（２）内の端部側に正面プレート（３）が配置されており、その際、正面プレート（３）が複数の開口部（４）を有し、これら開口部を通して媒体が熱交換器パイプ（１１）内へと移送可能であり、特に開口部（４）が熱交換器パイプ（１１）を少なくとも部分的に差し込まれている熱交換器において、
   正面プレート（３）に縁部側（７）で開口部（４）の間に平らな面（８）が形成されており、その際、流れ方向（Ｓ）において平らな面（８）の前に直接または間接に案内要素（９）が配置されており、その際、案内要素（９）のせん断応力面が、流れ方向（Ｓ）で少なくとも平らな面（８）を覆っていることを特徴とする熱交換器。
2. 開口部（４）が正面プレート（３）内で円形の複数孔として形成されており、その際、複数孔が、互いにオフセットされて配置されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 案内要素（９）が、熱交換器（１）の内部室内（Ｉ）に突出する湾曲部として形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 案内要素（９）が先端（１０）を有し、および媒体の流れ方向（Ｓ）で拡大し、特に、案内要素（９）のせん断応力面が拡大することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の熱交換器。
5. せん断応力面が、徐々に減少するよう拡大することを特徴とする請求項４に記載の熱交換器。
6. 複数の案内要素（９）が、放射方向に周回して互いに間隔をあけて配置されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の熱交換器。
7. フランジ（６）がカバー（２）と連結されており、その際、案内要素（９）がフランジ（６）内に配置されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の熱交換器。
8. フランジ（６）が鋳造部材として形成されており、その際、案内要素（９）が、フランジ（６）内に一体式かつ材料統一的に設けられていること、または案内要素（９）が外的部材としてフランジ（６）内に連結されていることを特徴とする請求項７に記載の熱交換器。
9. フランジ（６）の内側カバー面、及び／又は案内要素（９）の表面がコーティングされており、特に、熱耐性のコーティング、及び／又は流れ最適化されたコーティングによりコーティングされていることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の熱交換器。

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