JP2016524119A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

本発明は、第１の流体と第２の流体との間での熱交換の可能性を与える熱交換器であって、筐体と、前記筐体内部に配置された熱交換束とを備え、前記熱交換束は、主幅を有し、複数の管路で形成された主面であって、前記管路は第１の流体をこれら管路の内部に案内するのに適している主面と、 第１の流体の出口に向かう第１の流体の入口であって、これらの管路の外側に第２の流体を案内する可能性を与える入口と、第２の流体の出口に向かう第２の流体の入口とを備え、前記管路は、少なくとも第１の端部にて、第１の流体の入口および／または出口に接続するための、主幅よりも小さい二次幅を有する二次面を形成するよう組み立てられており、前記管路の第１の端部の前記二次面は、筐体と二次面の外面との間に空間を生成するために形成されており、この空間は第２の流体の入口および／または出口に接続されることを特徴とする熱交換器に関する。【選択図】図１

Description

本発明は、自動車向けを意図した熱交換器等の熱交換器に関する。本発明に係る熱交換器は、特に、エンジンの排気管への使用に適している。この種の熱交換器は、一般に、排気再循環冷却器（ＥＧＲまたはＥＧＲＣ熱交換器）と呼ばれている。

自動車産業で使用される種類の熱交換器は、より具体的には、内燃熱機関の排気管の内部に、第１の流体から第２の流体への熱交換を可能にする熱交換要素を内部に含む箱体または筐体を本質的に備える。この熱交換を可能とするこれらの要素は、例えば、管路を含む。

熱交換器の内部に位置するこれらの管路は、互いに略平行に位置する複数の管路を含む熱交換束内部に存在することができる。管路は、一列に、または、互いに平行な複数の列に配置することができる。管路は、前記管路の内部の第１の流体を、熱交換束の第１の端部から熱交換束の第２の端部に案内する可能性を与える。

関連する管路は、それらの間に、熱交換器の第２の端部から熱交換器の第１の端部に第２の流体を案内する流路を相互に画定する。したがって、熱交換器は、特に、この熱交換器内での、第１の流体および第２の流体の循環を向流として可能にする。

第１の流体と第２の流体との間の熱交換を向上させるために、熱交換束を形成するこれらの管路に加えて、プレート、フィンおよび擾乱器等の他の要素を設けることができる。

その内部に熱交換束を受容する可能性を与える筐体を含む熱交換器は、従来技術から公知である。筐体は、筐体の外側を形成し、熱交換が行われる空間を画定する複数の壁を備える箱体として見える。筐体は、筐体の第１の端部および第２の端部に、第１の流体および第２の流体のための入口および出口を本質的に備える。したがって、これらの入口および出口は、熱交換器を入口導管および出口導管にそれぞれ接続可能とし、これら導管は、前記第１および第２の流体が熱交換器を通過する際に、第１および第２の流体を、入口導管により熱交換器に、出口導管により最終目的地に案内するのに好適である。

上述したような熱交換器は、特許文献１に開示されている。この文献によれば、熱交換器は複数の管路を備え、これらの管路は、第１の流体を、この第１の流体のための入口からこの第１の流体のための出口まで案内することを可能にする管路を得るために、筐体内に互いに積層したプレートを用いて得られる。

流路を画定する個々の管路は、第２の流体を、この第２の流体のための入口からこの第２の流体のための出口まで案内することを可能とする。特許文献１に係る熱交換器は、第１の流体を筐体の長手方向に沿って、筐体の第１の端部から筐体の第２の端部まで案内するよう適合されている。第２の流体のための入口および出口は、第１の流体の流れ方向に垂直な方向に沿って第２の流体の注入および排出が可能となるように、筐体の側壁に配置される。

特許文献１に係る熱交換器は、流体の個々の入口および出口接続部が、熱交換器の外側を形成する筐体の４つの異なる壁に位置するという第１の問題点を有する。第１の流体のための入口および出口は、筐体の長手方向において、筐体の端部に存在する。第２の流体のための入口および出口は、筐体の側壁に存在する。流体のこれらの入口と出口の位置は、利用可能な空間内に熱交換器を設置する適応性を制限する。

さらに、特許文献１に係る熱交換器の製造は、第１の流体と第２の流体との熱交換を、前記熱交換器の長さの一部、すなわち、第２の流体のための入口と出口の間に制限する。換言すれば、第１の流体と第２の流体との間の熱交換は、第１の流体の流路の一部において不可能である。このため、特許文献１に記載の装置を有する熱交換器は、熱交換器の外形寸法の割には、最適ではない。

今日では、熱交換器およびその部品のための自動車内の空間は、自動車の操作に必要な他の装置を統合するために、縮小する傾向にある。このことは、熱交換器の統合がますます複雑であることを意味する。このため、利用可能な空間に熱交換器組立体をできるだけ効率的に統合することができるようにするために、相対的な適応の自由、特には、第１および第２の流体の入口導管および出口導管の配置の自由を可能にする、小型の熱交換器を開発することが重要である。

独国特許出願公開第１９９ ２７ ６０７号明細書

本発明に係る熱交換器は、当業で公知の熱交換器の問題点の解決策を見出すことを目的とし、熱交換器の小型化を可能とする熱交換束の形成に関する新規な設計を提案するものである。

この目的のために、本発明は、第１の流体と第２の流体との間での熱交換の可能性を与える熱交換器であって、
筐体と、
前記筐体内部に配置された熱交換束とを備え、
前記熱交換束は、
主幅を有し、複数の管路で形成された主面であって、前記管路は第１の流体をこれら管路の内部に案内するのに適している主面と、
第１の流体の出口に向かう第１の流体の入口であって、これらの管路の外側に第２の流体を案内する可能性を与える入口と、
第２の流体の出口に向かう第２の流体の入口とを備え、
前記管路は、少なくとも第１の端部にて、第１の流体の入口および／または出口に接続するための、主幅よりも小さい二次幅を有する二次面を形成するよう組み立てられており、
前記管路の第１の端部の前記二次面は、筐体と二次面の外面との間に空間を生成するために形成されており、この空間は第２の流体の入口および／または出口に接続されることを特徴とする熱交換器に関する。

本発明によれば、前記管路は、第１の端部にて、第１の流体の入口に接続するための二次面を形成するように組み立てられることが可能であり、
管路の第１の端部の二次面は、筐体と二次面の外面との間に空間を生成するために形成されており、この空間は第２の流体の出口に接続されており、
前記管路は、第２の端部にて、第１の流体の出口に接続するための、主幅よりも小さい二次幅を有する二次面を形成するために組み立てられており、前記管路の第２の端部の二次面は、筐体と二次面の外面との間に空間を生成し、この空間は第２の流体の入口に接続される。

したがって、第１段階で、本発明にしたがう熱交換束の形成および組み立てによって、第１および第２の流体のための入口および出口は、筐体の反対側の端部に配置される。入口および出口のこの組み分けは、適応の可能性を増加させ、利用可能な空間に、最適な方法で、熱交換器組立体を統合する可能性を与える。

また、第２段階では、二次面は、管路の第２の端部を、第１の流体の入口に空間を生成する出口に接続する可能性を与え、流体の流路の全てにわたり、すなわち、それらの入口から出口まで、第１の流体と第２の流体の間の熱交換を行うことができるという利点を有する。このため、熱交換器の効率は、その外側寸法に比例して増加する。

一実施形態によれば、本発明にしたがう熱交換器は、管路のそれぞれの端部を覆う可能性を与える封止要素を備える。

一実施形態によれば、本発明にしたがう熱交換器は接続要素を備え、前記接続要素によって、管路の少なくとも一方の端部を入口または出口に接続することが可能である。

一実施形態によれば、管路は、それらの間に流路を生成するように互いに対して配置され、前記流路は擾乱器を含む。

本発明の一実施形態によれば、熱交換束は、順に重ねて配置された複数のプレートによって得られ、前記プレートの端部は、プレートと筐体の内側との間の表面を増加させる可能性を与える縁部を備える。

本発明の目的、課題および特徴、ならびにそれらの利点は、図面を参照しつつ、本発明にしたがう熱交換器の好適な実施形態に関する以下の説明を読めば、より明確に明らかになるであろう。

本発明の第１実施形態にしたがう熱交換器の分解斜視図を示す。 図１の熱交換器を組み立てた形態で示す。 図１および２の熱交換器の熱交換束を示す。 図３の熱交換束の一部を構成する２枚のプレートの詳細を示す。 熱交換束の主面を概略的に示す図である。 熱交換束の二次面を概略的に示す図である。 本発明の第２実施形態にしたがう熱交換器の分解斜視図を示す。 図７の熱交換器の熱交換束を示す。 図８の熱交換束の端部を詳細に示す。 本発明にしたがう熱交換器の第３実施形態の分解斜視図である。

図１は、本発明にしたがう熱交換器１０の第１の実施形態を分解斜視図にて示す。熱交換器１０は、組み合わされた場合に熱交換器１０の外側を形成する可能性を与える、第１の要素１１および第２の要素１２を備える。組み合わされた要素１１および１２は、第１の流体と第２の流体の間の熱交換を最適化する可能性を与える要素を収容ことができる箱体または筐体１１、１２を形成する。第２の要素１２は、第１および第２の流体の個々の入口および出口を備える。

第２の要素１２内に存在する入口２１は、第１の流体のための入口を形成する。反対側の面には、出口２２が、第１の流体のための出口を形成する。入口３１は、第２の流体のためのものである。出口３２は、第２の流体のためのものである。

熱交換器１０の使用中に、第１の流体は、入口２１を通って前記熱交換器１０の内部に入る。同時に、第２の流体は、入口３１を通って熱交換器１０の内部に入る。したがって、熱交換器１０は、プレート１７のスタックを含む熱交換束１３を備え、プレート１７のスタックは、組み合わされた場合に、管路と、前記管路の間に画定される流路とを形成する。熱交換束１３は、図３および４により詳細に示されている。上述したように、熱交換束１３は、プレート１７のスタックを含み、スタック内では、２枚のプレートで構成される組立体が、その内部に、第１の流体を入口２１から出口２２にまで案内することを可能とする管路を形成している。異なる管路の間に流路が画定されており、第２の流体の入口３１から出口３２までの循環を可能としている。

実用的な理由から、および、図１に示す熱交換器１０への参照を容易にする観点から、寸法「Ｌ」、「ｌ」および「Ｈ」を図１に表示す。符号「Ｌ」は、熱交換器１０の最大寸法を示すために用いられ、第１および第２の流体が循環する方向に相当する。符号「ｌ」は、熱交換器１０の幅を示すために用いられ、符号「Ｈ」は、熱交換器１０の高さを示すために用いられる。

プレート１７のスタックは、熱交換束１３を得る可能性を与え、図４に示す配置にしたがって存在する。プレート１７はそれぞれ、管路の内壁を形成するのに適しており、第１の流体に晒されるのに適した内面と、反対の面すなわち外面とを有している。この外面は、プレート１７の使用中に第２の流体と接触する。

図４は、各プレート１７が、長手方向において湾曲した要素を備えることを示している。この湾曲した要素は、プレート１７の（長手方向で見て）端部と、図１に示す第１の要素１１の壁の内側との間の接触面を増加させるように適合される。表面のこの増加は、熱交換器１０の異なる要素の相互の組み立てを可能とし、かつ、熱交換器１０の使用中の流体の漏れの可能性を回避するために最適な接触を確保するろう付けを容易にする。

熱交換束１３を得る観点から、異なるプレート１７を、第１のプレート１７の内面が第２のプレートの内面を向き、前記第２のプレート１７の外面が第３のプレート１７の内面を向き、プレートの数に応じてこれが繰り返されるように、配置する。

図１にしたがう熱交換器１０において、個々のプレート１７は、前記熱交換器１０の筐体１１、１２の内部寸法に対応する寸法を有する。図４に示すプレート１７の幅「ｌ」は、図１に示す筐体１１、１２の内幅に相当する。

熱交換束の管路の形状は、管路の端部で変化し、狭窄部を呈する。熱交換束は、この端部に、異なる管路の出口を組み立てた接続面を含む。図３に示すように、この接続面は、接続要素１４を用いて、第２の流体のための出口３２に接続するのに適している。

図１は、プレート１７の端部を覆い、これとともに熱交換束１３を形成するよう適合された封止要素１６を示す。この封止要素１６は、管路の内側から管路の外側に位置する流路への漏れ、および、その逆の漏れの可能性を回避するために、前記プレート１７を相互に保持することを可能とする。

接続要素１４は、個々の管路の表面を出口２２に接続するのに好適である。接続要素１５は、第１の流体のための入口２１を、前記熱交換束１３の反対側の端部で接続面に接続するために、熱交換束の反対側に設けられる。

本発明にしたがう熱交換器の作用は、図４に示すように、プレート１７の形状が、それらの第１の端部９１とそれらの第２の端部９２との間で変化するということに基づく。端部９１および９２では、プレートは、プレートを組み合わせた際に、管路がより大きな幅を有することを可能とするために、比較的限定された長さ「Ｌ」の管路を形成する可能性を与える形状を有する。管路の端部における断面の表面は、「二次面」なる用語で表される。プレート１７の中央９３では、プレート１７は、比較的大きな長さ「Ｌ」および小さな幅「ｌ」を有する管路を形成するように適合されている。本発明の範囲内で、熱交換束の中央領域にある管路の中央の断面の表面は「主面」なる用語で表される。端部９１から中央部に向けて、プレート１７は、遷移領域を含む。中央部９３から端部９２に向けて、各プレート１７は、参照符号９５によって示された第２の遷移領域を備える。

プレート１７の特定の形状の技術的効果を、図５および６に概略的に示す。

図５は、熱交換束１３の一部を断面図として示す。管路の内部は、参照符号「Ａ」によって示されている。個々の管路は、参照符号「Ｂ」で示される流路によって分離されている。管路の内側「Ａ」は第１の流体を案内するのに適しており、流路「Ｂ」は第２の流体を向流として案内するのに適している。図５は、熱交換束１３の中央で、異なる流体が十分に分離されていること、および、熱交換は、個々の壁を介して可能であること、を示している。

熱交換束１３を、正面から模式的に図６に示す。図６に示すように、異なる遷移領域９４および９５によって、管路および流路によって形成された組立体の容積は、プレート１７の端部に特異的に分布している。容積のこの分布は、管路の容積および熱交換束の端部の外側の流路の容積の分布と異なる。

異なる表面「Ａ」は、それらの端部において、二次面を形成し、この二次面は、接続要素１４、１５を介して、第１の流体のための入口／出口に接続される。表面「Ａ」の周囲に位置する自由空間は、異なる流路「Ｂ」の入口を可能とし、第２の流体のための入口／出口に接続することができる。

管路の二次面により、第２の流体は、接続要素１４および管路の狭窄部を包囲する空間内の筐体に琉球することができる。次いで、第１流体は、熱交換束１３を形成する管路の組立体「Ａ」の外部により画定される流路「Ｂ」の内部に案内される。第２の流体は、狭窄部を包囲する空間に向かう種々の管路と、出口３２に向かう管路の接続要素１５との間に案内される。

図１は、熱交換束の形状および、プレート１７の遷移領域９４および９５による管路の端部の狭窄部の存在が、要素１１および１２、この狭窄部の外側、ならびに接続要素１４により形成される、筐体の内側の自由空間を利用可能とすることを示している。筐体内部に生成されたこの空間は、第２の流体のための入口３１の接続を可能にする。したがって、熱交換束１３に向かう入口３１に向けられる第２の流体は、接続要素１４の外側および管路の狭窄部の外側を循環することができる。換言すれば、これは、熱交換が、接続要素１４の壁を介して、第２の流体が熱交換器１０の内部に導入された直後に、第１の流体と第２の流体の間で起こり得ることを意味する。熱交換束１３の反対側の端部に存在する要素の配置が同じであることにより、両方の流体の間での、第２の流体のための出口に至るまでの理想的な熱交換が可能となる。

図１に示すような異なる要素を、従来技術で公知のろう付け法を用いて組み立てる。熱交換器１０内に異なる要素を組み立てる観点から、前記要素は、筐体内での位置と同一の位置に予備組み立てされ、炉内に導入される。アルミニウムおよびステンレス鋼は、ろう付け法により、本発明にしたがう熱交換器１０を形成するのに特に好適な材料である。

図２は、図１の熱交換器１０の、組み立てた位置での斜視図を示す。図２は、本発明にしたがう熱交換器１０が比較的小型であることを示している。さらに、異なる入口および出口２１（図示せず）、２２、３１および３２を一緒に、例えば自動車の内部の熱交換器１０の最終的な設置を最適化するために、組にする。

図３は、熱交換束１３を詳細に示しており、プレート１７は、それらの内部に、第１の流体を管路の第１の端部１３１から第２の端部１３２まで案内するとともに、第２の流体の案内を可能とする流路を異なる管路の間に画定することを可能とする管路を形成するように、積み重ねられる。擾乱器１８が、異なるプレート１７の間に存在してもよい。前記擾乱器１８は、熱交換器１０を使用した際の、第１の流体と第２の流体との間の熱交換を改善する目的を有している。

図７は、本発明にしたがう熱交換器の第２の実施形態を示す。図７は、熱交換器４０を示し、その構造は図１の熱交換器１０と同様である。熱交換束４３を形成するプレートのみが、熱交換器１０のものと比較して異なって配置される。実際には、プレートは、熱交換器４０の長さ「Ｌ」に対して垂直に配置される。

熱交換器４０は、前記熱交換器４０の外部を形成するために、組み合わせて箱体または筐体４１、４２を形成する第１の要素４１および第２の要素４２を備える。筐体４１、４２は熱交換束４３を収容するのに適している。この熱交換束４３は、図８および９に示すプレート２７のスタックを含む。相互に組み合わされた異なるプレート２７は、第１の流体を熱交換束４３の第１の端部から第２の端部まで、その内部に案内する可能性を与える管路を形成する。異なる管路は、管路の外部の第２の流体を熱交換束４３の第２の端部から第１の端部まで案内することを可能とする流路を一緒に画定する。異なる管路の端部は、接続面を形成するために前記端部が一緒に組にされた狭窄部を有し、前記接続面は、接続手段により、第１の流体のそれぞれの入口／出口に接続するのに適している。狭窄部を持つ端部は、図８および９に明確に示されている。

図７に示すように、第１の流体のための入口５１（部分的に見えている）および排出口５２は、第２の要素４２内に存在する。入口５１は、接続要素４５に接続され、この要素４５によって、第１の流体を入口５１から熱交換束４３の管路の内側に向けて案内するよう適合されている。出口５２は、接続要素４４に接続され、第１の流体を異なる管路の出口からおよび接続要素４４から出口５２へ案内するよう適合されている。

また、第２の要素４２は、入口６１および出口６２（部分的に見えている）を備え、第２の流体が筐体の内部に流入することを可能にする。熱交換束４３の第２の端部に存在する狭窄部により、第２の流体は、異なる管路で画定された流路の内部を継続して進むために、接続要素４４の外側おおよび管路の端部の外側に案内される。第２の流体は、出口６２を介して熱交換器４０から出るために、管路の第２の端部の周りの自遊空間および接続要素４５の外部に向けて案内されることができる。

熱交換器４０は、異なる管路の端部を相互に保持する可能性を与え、かつ、前記管路の封止を向上させて、流体の漏れの可能性を回避する封止要素４６を備える。

図８は、管路６６の端部の、第１の接続要素４４および第２の接続要素４５への接続を示す。

図８は、熱交換束４３の詳細図を示す。熱交換束は、図４に示したプレートに相当する２枚のプレートのスタックによりそれぞれ構成される管路６６を含む。擾乱器６８が異なる管路６６の間に示されており、この擾乱器は、管路６６の内部の第１の流体と管路６６の外部の第２の流体との間の熱交換を促進する。異なる管路６６の端部は、図７により詳細に示されている。図７は、管路の異なる端部同士が二次面を形成することを示している。この二次面は、図７に示すように、接続要素４４に接続されるように適合されている。封止性を向上させるために、管路６６の異なる端部を封止要素４６で覆う。

図９は、管路の異なる端部の接続によって得られた二次面を示している。

図７、８および９に示す熱交換器４０の異なる要素を、ろう付け法を用いて組み立てることができる。このろう付け法を実行するために、異なる要素をそれらの異なるそれぞれの位置に組み立て、炉に導入する。

図１０は、本発明の第３の実施形態の熱交換器７０を分解斜視図で示す。図１０に示すように、熱交換器７０は、ともに筐体を形成する第１の要素７１および筐体７２を備える。熱交換束７３は、前記筐体の内部に存在する。図１０および１１にしたがう熱交換器７０の使用は、上述した熱交換器１０および４０の使用と同様である。熱交換器７０と熱交換器１０および４０との間の違いは、異なる管路が、狭窄部以降で、組み立て面にて、筐体の外部に存在する入口／出口に直接接続されるという点にある。これは、第２の流体の案内を可能にする接続要素が、図１０および１１のように、筐体の外部に位置することを意味する。

Claims (6)

1. 第１の流体と第２の流体との間での熱交換の可能性を与える熱交換器（１０、４０、７０）であって、前記熱交換器（１０、４０、７０）は、
   筐体（１１、１２；４１、４２；７１、７２）と、
   前記筐体（１１、１２；４１、４２；７１、７２）内部に配置された熱交換束（１３、４３、７３）とを備え、
   前記熱交換束（１３、４３、７３）は、
   主幅を有し、複数の管路（６６）で形成された主面であって、前記管路（６６）は第１の流体をこれら管路（６６）の内部に案内するのに適している主面と、
   第１の流体の出口（２２、５２）に向かう第１の流体の入口（２１、５１）であって、これらの管路（６６）の外側に第２の流体を案内する可能性を与える入口（２１、５１）と、
   第２の流体の出口（３２、６２）に向かう第２の流体の入口（３１、６１）とを備え、
   前記管路（６６）は、少なくとも第１の端部（１３１、１３２）にて、第１の流体の入口（２１、５１）および／または出口（２２、５２）に接続するための、主幅よりも小さい二次幅を有する二次面を形成するよう組み立てられており、
   前記管路の第１の端部（１３１、１３２）の前記二次面は、筐体（１１、１２；４１、４２；７１、７２）と二次面の外面との間に空間を生成するために形成されており、この空間は第２の流体の入口（３１、６１）および／または出口（３２、６２）に接続されることを特徴とする熱交換器。
2. 前記管路（６６）は、第１の端部（１３１）にて、第１の流体の入口（２１、５１）に接続するための二次面を形成するように組み立てられ、
   前記管路（６６）の第１の端部（１３１）の二次面は、筐体（１１、１２；４１、４２；７１、７２）と二次面の外面との間に空間を生成するために形成されており、この空間は第２の流体の出口（３２、６２）に接続されており、
   前記管路（６６）は、第２の端部（１３２）にて、第１の流体の出口（２２、５２）に接続するための、主幅よりも小さい二次幅を有する二次面を形成するために組み立てられており、前記管路（６６）の第２の端部（１３２）の二次面は、筐体（１１、１２；４１、４２；７１、７２）と二次面の外面との間に空間を生成し、この空間は第２の流体の入口（３１、６１）に接続される、請求項１に記載の熱交換器（１０、４０、７０）。
3. 前記熱交換器（１０、４０、７０）は、少なくとも一方の端部（１３１、１３２）で管路（６６）を覆う可能性を与える封止要素（１６、４６）を備える、請求項１または２に記載の熱交換器（１０、４０、７０）。
4. 前記熱交換器（１０、４０、７０）は接続要素（１４、１５；４４、４５）を備え、前記接続要素（１４、１５；４４、４５）によって、管路（６６）の少なくとも一方の端部（１３１、１３２）を入口（２１、５１）または出口（２２、５２）に接続することを可能とする、請求項１、２または３に記載の熱交換器（１０、４０、７０）。
5. 前記管路（６６）は、それらの間に流路を生成するように互いに対して配置され、前記流路は擾乱器（１８、６８）を含む、請求項１〜４の何れか１項に記載の熱交換器（１０、４０、７０）。
6. 前記熱交換束（１３、４３、７３）は、順に重ねて配置された複数のプレート（１７、２７）によって得られ、前記プレートの端部（９１、９２）は、プレート（１７、２７）と筐体（１１、１２；４１、４２；７１、７２）の内側との間の表面を増加させる可能性を与える縁部を備える、請求項１〜５の何れか１項に記載の熱交換器（１０、４０、７０）。

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