JP4445384B2 - スタック構造のプレート熱伝達体 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載されているスタック構造のプレート熱伝達体（すなわち、多数の、槽状に形成されて互いに入り組むように積み重ねられた、第１と第２のタイプのプレート（２３、２４）を有し、第１と第２のタイプのプレート（２３、２４）が、それらの間に複数の流れ通路（２５、２６）を形成し、これらの複数の流れ通路（２５、２６）が、第１の媒体のための第１通路高さ（ｈ）と第２の媒体のための第２通路高さ（Ｈ）を有し、第１と第２のタイプのプレート（２３、２４）が、周面側に立ち上がった端縁を有して互いに半田付けされていて、第１と第２のタイプのプレートのために異なる高さを有する、スタック構造のプレート熱伝達体）に関する。

スタック構造のプレート熱伝達体は、たとえば、それぞれ本出願人のドイツ公開公報ＤＥ−Ａ４３１４８０８とＤＥ−Ａ１９７５０７４８によって知られている。この既知の熱交換機タイプにおいては、同一部品の個数を多くするために、原則的に唯一のタイプの同じプレートが使用される。それによって、熱交換に関与する媒体、たとえばオイルと冷却剤のために同一の通路高さ、すなわち同一の流れ断面が生じる。異なる媒体の異なる熱伝達条件には、プレート間の種々の、すなわち適合された乱流挿入片によって対処することができる。

たとえば液状媒体とガス状媒体のように、極めて異なる媒体においては、効率的な熱伝達のために異なる断面の流れ通路が必要である。従って本出願人のドイツ公開公報ＤＥ−Ａ１９５１１９９１においては、スタック構造のプレート熱伝達体のために２つの解決が設けられており、その解決において第１の媒体、たとえば内燃機関の冷却剤循環の冷却剤のためには、第２の媒体、たとえばコンプレッサによって圧縮されて加熱される、内燃機関のための過給空気のためよりも、小さい通路断面が設けられている。第１の解決においては、同一のプレートのみが等しい通路高さで使用されるが、もちろん過給空気側には２つ以上の通路が並列に接続されているので、冷媒のための流れ断面に対して過給空気のためには二倍以上の流れ断面が得られる。第２の解決によれば、２つの異なるプレートタイプ、すなわち二種類の構造が使用されるので、過給空気によって貫流される流れ通路は、冷却剤通路の約２倍の通路高さを有している。２つの異なるプレートタイプは、プレート底に対して垂直に立ち上がった、段部を備えた端縁を有しており、その場合にこれらのプレートを積み重ねる場合に一周する段部が隣接するプレートのための支持およびストッパ面として用いられる。プレート端縁は、重なり合う、垂直に立ち上がった領域において互いに半田付けされ−そのために定められた、許容誤差の比較的少ない間隙が必要であり、そうでないと半田付けは密でなくなってしまう。その限りにおいてこの構造は、増大された製造の手間とコストによって特徴づけられている。
ドイツ公開公報ＤＥ−Ａ１９５１１９９１ ドイツ公開公報ＤＥ−Ａ４３１４８０８ ドイツ公開公報ＤＥ−Ａ１９７５０７４８

本発明の課題は、冒頭で挙げた種類のプレート熱伝達体を、より少ない製造の手間とコストによって形成できるように、改良することである。

この課題の解決は、請求項１の特徴（すなわち、第１のタイプのプレート（２３）は、第１側面角度（α）を有する端縁高さ（ｈ１）の端縁の部分（２３ａ）を有し、第２のタイプのプレート（２４）は、第１端縁高さ（Ｈ１）、第２端縁高さ（Ｈ２）および第３端縁高さ（Ｈ３）の少なくとも３つの部分（２４ａ、２４ｂ、２４ｃ）を有するより高く形成された端縁を有しており、第１端縁高さ（Ｈ１）の第１の端縁の部分（２４ａ）と第３端縁高さ（Ｈ３）の第３の端縁の部分（２４ｃ）は、それぞれ第１側面角度（α）を有しており、第２端縁高さ（Ｈ２）の第２の端縁の部分（２４ｂ）は、プレート底（２４ｅ）に対して垂直に延びており、第２のタイプのプレート（２４）の第１側面角度（α）を有する第１の端縁の部分（２４ａ）が、第１のタイプのプレート（２３）の第１側面角度（α）を有する端縁の部分（２３ａ）に半田付けされ、第２のタイプのプレート（２４）の第１側面角度（α）を有する第３の端縁の部分（２４ｃ）が、別の第１のタイプのプレート（２３）の第１側面角度（α）を有する端縁の部分（２３ａ）に半田付けされていることを特徴とする、スタック構造のプレート熱伝達体）によって達成される。まず、第１のタイプのプレートも第２のタイプのプレートもプレート底に対して傾斜して、すなわちプレートの簡単な積み重ねを可能にする、第１側面角度αで配置されている。端縁ないし側面の円錐率に基づいて、弾性変形による製造不精度の補償が可能である。第２のタイプのプレートの本発明に基づく端縁形成によって、より大きい通路高さを有する流れ通路が達成される。これは、第２のタイプのプレートの端縁領域が第１と第３の側面部分およびプレート底に対して垂直に延びる、通路高さにとって重要な、中央ないし第２の部分を有していることによって、行われる。プレートは、深絞りによって、製造の手間が比較的小さい限りにおいて、複数の段階で形成される。

発明の実施の形態

本発明の好ましい展開によれば、第１と第２のタイプのプレートが交互の順序で積み重ねられるので、それぞれ小さい高さを有する通路と大きい高さを有する通路が交代する。しかし、他の順序も可能であるので、たとえば２つまたはそれより多い通路に並列に１つの流れ媒体が供給される。

本発明の好ましい展開によれば、第１のタイプのプレートの端縁は、プレート底に隣接する側面部分よりも大きい側面角度を備えた導入側面を有している。それによって、積み重ねる際に次のプレートの容易な導入が達成され、従って簡略化された組立てが可能になる。さらに、この導入側面によって、端縁領域の改良された半田付けが得られる。

本発明の他の好ましい形態によれば、第２のタイプのプレートも導入側面を有しており、その導入側面も同様に上述した、改良された組立てと半田付けの利点をもたらす。

本発明の好ましい形態によれば、流れ通路内に旋回を発生させる手段、たとえば乱流挿入片ないし乱流薄板、突起、ビードなどがプレートの間に配置されて、プレートと半田付けされている。それによって媒体の旋回により改良された熱伝達とプレートスタックの増大された圧縮強さが得られる。乱流挿入片を、その圧力降下とその幾何学的な形態に関して、冷却剤および過給空気のような様々な媒体に適合させることが可能である。乱流挿入片は、その高さによってプレートの間隔とそれに伴って通路高さを定める。

本発明の実施例を図面に示し、以下で詳細に説明する。

図１は、プレート熱伝達体１を平面Ｉ−Ｉ（図２）に沿って断面で示しており、その左側Ｌは本出願人のＤＥ−Ａ１９５１１９９１に記載の従来技術に基づく形成を示しており、その右半分Ｒはプレート熱伝達体１の本発明に基づく形成を示している。これは、２つの異なるタイプのプレート、すなわちより小さい高さのプレート２とより大きい高さのプレート３から形成されている。２つのタイプのプレート２、３は、それぞれ平坦な底２ａ、３ａと立ち上がった端縁２ｂ、３ｂを有しており、その幾何学的な形成に関しては、後に詳しく説明する。プレート２、３は、公知のように互いに重ね合わされて、第１通路高さｈの流れ通路４と第２通路高さＨの流れ通路５を、従って異なる通路高さで（第２通路高さＨ＞第１通路高さｈ）形成している。流れ通路４、５の内部に、図示の実施例においては、乱流挿入片６、７が配置されており、それらは流れ断面を満たし、かつ隣接するプレート底２ａ、３ａと半田付けされている。流れ通路４は、分配通路８と接続されており、その分配通路は第１の媒体のための流入スリーブ９と整合して配置されている。より大きい第２通路高さＨを有する流れ通路５は、分配通路１０と接続されており、その分配通路は第２の媒体の流入スリーブ１１と整合して配置されている。流入スリーブ９を通ってプレート熱伝達体１へ流入する、第１の媒体は、自動車の内燃機関の、図示されていない冷却剤循環の冷却剤であり、流入スリーブ１１を通してプレート熱伝達体１へ流入する第２の媒体は、図示されていないコンプレッサによって圧縮されて、それによって加熱された過給空気であって、それはこのプレート熱伝達体内で冷却剤によって冷却されて、その後図示されていない内燃機関へ供給される。低い流れ通路４と高い流れ通路５のための高さの異なるリング状のスペースホルダ１２と１３、並びに下方の終端プレート１４と上方の終端プレート１５のような、このプレート熱伝達体の他の構成部分は、既知の従来技術に相当する。

図２は、図１に示すプレート熱伝達体１を上から過給空気流入スリーブ１１を見た図であって、−冷却剤流入スリーブ９は覆われており、従って破線で示されている。上方の終端プレート１５上には、さらに、冷却剤流出スリーブ１６が配置されており、過給空気流出スリーブ１７は（覆われているので）破線で示されている。従って過給空気は、一方で、流入スリーブ１１から流れ通路５を通って流出スリーブ１７へ対角線状に流れ、他方では、上方から下方へプレート熱伝達体１を通って流れる。それに対して冷却剤は流入スリーブ９から、同様に対角線状に流れ通路４を通って流出スリーブ１６へ、もちろん下から上へ流れる。上述した従来技術に基づく他の流れ形式も、可能である。

図示されているプレート熱伝達体１のすべての部分は、好ましくはアルミニウム合金からなり、半田コーティングされており、互いに半田付けされ、円錐状に形成された端縁領域２ｂも端縁領域３ｂと半田付けされる。これらの端縁領域２ｂ、３ｂの円錐率は、以下で詳細に説明する。

図３は、互いに入れ子に積み重ねられた、第１のプレート２０と第２のプレート２１を有する略図を示している。プレート２０、２１は、それぞれ平坦な底２０ａ、２１ａと斜めに立ち上がって一周する端縁領域２０ｂ、２１ｂを有しており、それら端縁領域は底２０ａ、２１ａに対して鈍角γで傾斜している。その場合に鈍角γは、９０°プラス第１側面角度αの合計から形成される。プレート２０、２１は、それぞれ底領域において肉厚ｓを有し、プレート２０、２１の間の第１通路高さはｈで示されている。記入されている線分の交点Ａ、Ｂ、Ｃおよび交点Ａ、Ｃ、Ｄは、それぞれ直角三角形を形成している。区間Ａ−Ｃは、ｓプラスｈの合計として得られ、区間Ａ−Ｄは肉厚ｓに相当する。それに基づいて以下の角度関係が得られる：ｓｉｎα＝ｓ／（ｓ＋ｈ）；従って肉厚ｓと第１通路高さｈの選択から、いわゆる第１側面角度αが得られる。

その場合の条件は、点Ａが点Ｃ上に垂直に位置していることである。プレート２０、２１を積み重ねる場合に、端縁領域２１ｂの外側面と端縁領域２０ｂの内側面の間に接触面２２が生じる。プレートは、この接触面において互いに半田付けされる。

図４は、２つのタイプのプレート、すなわち左側に詳細に示される、第１のタイプのプレート２３と、右側に詳細に示される、第２のタイプのプレート２４を概略的に示している。２つのプレート２３、２４の合体は、図４の中央に示されており、その場合に第１通路高さｈの流れ通路２５（冷却剤用）と第２通路高さＨの流れ通路２６（過給空気用）が得られる。図示では、第２通路高さＨ＞第１通路高さｈであり、その場合にプレートは、第１通路高さｈに対する第２通路高さＨの比が、１．５から１０の領域にあり、好ましくは２と６の間の領域にあるように、選択される。プレート２３、２４は、図１のプレート２、３に相当する。

左に部分的に詳細に示すプレート２３は、端縁高さｈ１と第１側面角度αを有する一周する第１の端縁の部分２３ａを有している。この第１の端縁の部分２３ａに、第２側面角度βを有する更なる端縁高さｈ２の第２の部分２３ｂが続いており、その場合に第２側面角度β＞第１側面角度αである。この第２の部分２３ｂは、第２側面角度βが大きいことにより、いわゆる導入側面を形成している。

図４の右側には、第２のタイプのプレート２４が詳細に示されている；このプレートは、プレート底２４ｅと互いに連続する４つの部分、特に、第１側面角度αを有する第１端縁高さＨ１の第１の端縁の部分２４ａ、０度の側面角度を有する第２端縁高さＨ２の第２の端縁の部分２４ｂ、第１側面角度αを有する第３端縁高さＨ３の第３の端縁の部分２４ｃおよび側面導入のための第２側面角度βを有する第４端縁高さＨ４の第４の端縁の部分２４ｄを有している。従って第２の端縁の部分２４ｂは、傾斜しておらず、プレート底２４ｅに対して垂直に延びている。

プレート２３、２４、従ってそれらの第１の端縁の部分２３ａ、第２の部分２３ｂおよび第１からだい４の端縁の部分２４ａから２４ｄの領域のこの幾何学配置によって、これらのプレートを重ねた場合に、図４の中央に示す、冷却剤通路２５と過給空気通路２６のために異なる第１通路高さｈと第２通路高さＨを有する図が得られる。プレート２３、２４は、その円錐状の端縁領域、すなわち領域２７、２８内の第１側面角度αで傾斜した側面において互いに対して平行かつ互いに添接して、この領域内で半田付けされる。それぞれ連続する導入側面のための第２の部分２３ｂないし第２の端縁の部分２４ｂの領域は、組立てを容易にするために用いられ、同時に−半田間隙が拡幅されていることにより−改良された半田付けをもたらす。第２の端縁の部分２４ｂの第２端縁高さＨ２を変化させることによって、第２通路高さＨを変更することができる。

従来技術（左半分）と本発明（右半分）に基づくスタック構造のプレート熱伝達体を、図２の平面Ｉ−Ｉで示す断面図である。 プレート熱伝達体を上から概略的に（完全ではなく）示す図である。 プレートの端縁の第１側面角度αの計算を説明している。 本発明に基づく、第１と第２のタイプのプレートの端縁領域を概略的に示している。

１ プレート熱伝達体
２、３ プレート
４、５ 流れ通路
６、７ 乱流挿入片
８、１０ 分配通路
９、１１ 流入スリーブ
１２、１３ スペースホルダ
１４、１５ 終端プレート
１６ 冷却剤流出スリーブ
１７ 過給空気流出スリーブ
２０、２１ プレート
２２ 接触面
２３、２４ プレート
２５ 冷却剤通路
２６ 過給空気通路
２７、２８ 領域
ｈ、Ｈ 第１通路高さ、第２通路高さ
ｓ 肉厚
Ｌ 左側
Ｒ 右側
α、β 第１側面角度、第２側面角度
γ 鈍角

Claims (6)

1. 多数の、槽状に形成されて互いに入り組むように積み重ねられた、第１と第２のタイプのプレート（２３、２４）を有し、第１と第２のタイプのプレート（２３、２４）が、それらの間に複数の流れ通路（２５、２６）を形成し、これらの複数の流れ通路（２５、２６）が、第１の媒体のための第１通路高さ（ｈ）と第２の媒体のための第２通路高さ（Ｈ）を有し、第１と第２のタイプのプレート（２３、２４）が、周面側に立ち上がった端縁を有して互いに半田付けされていて、第１と第２のタイプのプレートのために異なる高さを有する、スタック構造のプレート熱伝達体において、
   第１のタイプのプレート（２３）は、第１側面角度（α）を有する端縁高さ（ｈ１）の端縁の部分（２３ａ）を有し、第２のタイプのプレート（２４）は、第１端縁高さ（Ｈ１）、第２端縁高さ（Ｈ２）および第３端縁高さ（Ｈ３）の少なくとも３つの部分（２４ａ、２４ｂ、２４ｃ）を有するより高く形成された端縁を有しており、第１端縁高さ（Ｈ１）の第１の端縁の部分（２４ａ）と第３端縁高さ（Ｈ３）の第３の端縁の部分（２４ｃ）は、それぞれ第１側面角度（α）を有しており、第２端縁高さ（Ｈ２）の第２の端縁の部分（２４ｂ）は、プレート底（２４ｅ）に対して垂直に延びており、
   第２のタイプのプレート（２４）の第１側面角度（α）を有する第１の端縁の部分（２４ａ）が、第１のタイプのプレート（２３）の第１側面角度（α）を有する端縁の部分（２３ａ）に半田付けされ、第２のタイプのプレート（２４）の第１側面角度（α）を有する第３の端縁の部分（２４ｃ）が、別の第１のタイプのプレート（２３）の第１側面角度（α）を有する端縁の部分（２３ａ）に半田付けされていることを特徴とする、スタック構造のプレート熱伝達体（１）。
2. 第１と第２のタイプのプレート（２３、２４）が交互に積み重ねられて、隣接する流れ通路（２５、２６）が異なる第１通路高さ（ｈ）と第２通路高さ（Ｈ）を有するようになっていることを特徴とする請求項１に記載のプレート熱伝達体。
3. 第１通路高さ（ｈ）に対する第２通路高さ（Ｈ）の比が、１．５から１０の範囲内にあることを特徴とする請求項１または２に記載のプレート熱伝達体。
4. 第１のタイプのプレート（２３）の第１の端縁の部分（２３ａ）に、導入側面と第２側面角度（β）と更なる端縁高さ（ｈ２）とを有する第２の部分（２３ｂ）が連続しており、かつ、第２側面角度（β）＞第１側面角度（α）であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のプレート熱伝達体。
5. 第２のタイプのプレート（２４）の第３の端縁の部分（２４ｃ）に、導入側面と第２側面角度（β）と第４端縁高さ（Ｈ４）とを有する第４の部分（２４ｄ）が連続していることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のプレート熱伝達体。
6. プレート（２、２ａ；３、３ａ）の間かつ流れ通路（４、５）の領域内に、旋回を発生させる手段（６、７）が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１項に記載のプレート熱伝達体。

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