JP6283773B1 - 積層プレート熱交換器 - Google Patents

Abstract

本発明は、高温冷却液回路（ＨＴ）および低温冷却液回路（ＮＴ）と、交互に積層され、一方では、高温冷却液回路（ＨＴ）および低温冷却液回路（ＮＴ）内の異なる温度レベルを有する二の冷却液（３，４）が、他方では、冷却対象の媒体（５）、特に給気が流通する複数の熱交換プレート（２）とを備えた積層プレート熱交換器（１）、特に給気冷却器に関する。本発明の本質的事項は、熱交換プレート（２）が、高温冷却液回路（ＨＴ）を低温冷却液回路（ＮＴ）から隔てるための隔壁（６）を有すること、高温冷却液回路（ＨＴ）が、隔壁（６）に隣り合って設けられた中央高温冷却液入口（９）を有すること、および低温冷却液回路（ＮＴ）が、隔壁（６）に隣り合って設けられた中央低温冷却液出口（１０）を有することである。【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１の前提部に係る、高温冷却液回路および低温冷却液回路を備えた積層プレート熱交換器、特に給気冷却器に関する。

現代の自動車では、例えば給気冷却の領域において、冷却要求がますます高まってきている。その結果、冷却および空調システムに対する要求がいっそう高まっている。温熱源および冷熱源の改善された使用は、より広い利用に、さらには燃費の改善につながり得る。今日の市場において給気冷却に利用可能な冷却システムは、一段に構成された積層プレート熱交換器を備えていることが多い。しかしながら、一段の温度調節によって実現可能な効率は限られている。特に冷却液、冷媒、オイル、排気、または給気のような流体を冷却するための冷却回路の効率を向上させるために、流体を二段階にわたって冷却および加熱することが望ましい場合がある。しかしながら、流体の二段階温度調節には、慣例的に一続きに接続された２つの熱交換器を使用することによるコストの上昇および設置スペースの増大という欠点がある。

このため、いわゆる積層プレート熱交換器がよく使用される。この積層プレート熱交換器は、高温冷却液回路ＨＴおよび低温冷却液回路ＮＴの双方を備えている。そのような連結式積層プレート熱交換器によって、設置スペースを大幅に小さくすることができる。しかしながら、そのような連結式積層プレート熱交換器は、製造が比較的複雑であるという欠点を有する。

特許文献１から、積層プレート熱交換器、特に給気冷却器であって、交互に積層されかつ互いに接続、例えばロウ付けされた複数の細長いプレートを備え、当該プレートは、プレート長手方向において冷却対象の媒体、例えば給気を案内するためのキャビティ、および冷却液を案内するための別キャビティを区画しかつ冷却対象の媒体のための入口接続部および出口接続部を有する、積層プレート熱交換器が知られている。低コストに製造可能でありかつ高温中でも長い耐用年数を有する積層プレート熱交換器を作ることができるように、少なくとも１つの冷却液接続部が、冷却対象の媒体のための接続部の一部を囲んで延びている。

特許文献２から、別の積層プレート熱交換器が知られている。この積層プレート熱交換器は、少なくとも一の高温流体と少なくとも一の冷却流体との間で熱交換させるように設計されていて、互いにロウ付けされた複数の積層熱交換プレートを備えており、当該積層熱交換プレートの各々は、高温流体用入口開口と、オイル流体用出口開口と、高温流体用出口開口と、冷却流体用入口開口とを有する。

独国特許出願公開第１０２００５０４４２９１号明細書 欧州特許第１７０００７９号明細書

しかしながら、従来技術から公知の積層プレート熱交換器は、量産したとしても、比較的複雑な方法でしか生産することができず、よって高価になるという欠点を有する。

したがって、本発明は、一般的なタイプの積層プレート熱交換器のための改善されたまたは少なくとも従来のものに代わる実施形態を提供するという問題に関する。当該実施形態によると、冷却対象の媒体の二段階温度調節において熱輸送を増大させることが可能になると共に、低コスト生産が可能になる。

本発明によると、この問題は独立請求項１の主題によって解決される。有利な実施形態は、従属請求項の主題である。

本発明は、それ自体は公知の積層プレート熱交換器を、従来技術のように高温冷却液入口および低温冷却液出口を隔壁の領域に２つずつ設けるのではなく、当該隔壁の領域にそれらを１つだけ設けるように改変するという考え方に基づいている。本発明に係る積層プレート熱交換器は、例えば給気冷却器として構成され得るものであって、高温冷却液回路ＨＴおよび低温冷却液回路ＮＴと、交互に積層され、一方では、高温冷却液回路ＨＴおよび低温冷却液回路ＮＴ内の異なる温度レベルを有する二の冷却液が、他方では、冷却対象の媒体、例えば給気が流通する複数の熱交換プレートとを備えている。本発明によると、熱交換プレートは、高温冷却液回路ＨＴと低温冷却液回路ＮＴとを隔てるための隔壁を有しており、それにより異なる温度レベルを有する２つの冷却液回路を１つの積層プレート熱交換器内で組み合わせることが可能となる。また、本発明に係る積層プレート熱交換器は、隔壁に隣り合って設けられた１つの中央高温冷却液入口を高温冷却液回路ＨＴに有する一方、低温冷却液回路ＮＴがまた、隔壁に隣り合って設けられた１つの中央低温冷却液出口を有する。冷却液入口および冷却液出口を少なくすることにより、各熱交換プレートおよびよって積層プレート熱交換器全体をより低コストに構成することができるのみでなく、熱交換プレートを通過する異なった冷却液のより均一な、したがってより優れた流れを実現し、それにより全体としてより優れた熱輸送を実現することができる。本発明に係る積層プレート熱交換器の低コストな生産性とは別に、それに加えて当該熱交換器はより強力である。

本発明に係る解決策の有利な側面によると、積層プレート熱交換器は、向流冷却器として構成されている。そのような向流冷却器では、冷却対象の媒体、例えば給気が冷却液とは逆方向に流れ、それにより優れた冷却が実現され得るのみでなく、何としても回避することが必要な各冷却液の沸騰が回避され得る。冷却液が沸騰すると損傷が生じ得るため、本発明に係る積層プレート熱交換器の耐用年数は、本発明にしたがって用いられる向流方式によって延長され得る。向流方式の冷却によると、実際の冷却効果は一般に並流方式のそれよりも高くなる。

好適には、熱交換プレートは、周縁立ち上がりエッジを有していて、当該周縁立ち上がりエッジを介して隣り合う熱交換プレート、特に上側または下側に設けられた熱交換プレートとロウ付けされていてもよく、ここで隔壁は、長手方向端部において当該エッジに接続されている。よって、隔壁は、熱交換プレート内を幅方向に延びていて、一方の端部においてエッジと接続され、他方の端部において反対側のエッジと接続されている。そのような熱交換プレートは、通常、矩形状であって、その短辺はしかしながら半円形状に丸みを帯びている。隔壁は、中央を延びていることが好ましいが、低温冷却液回路または高温冷却液回路の要求冷却性能に応じて、熱交換プレートの長手方向において実質的に任意の位置に配置されていてもよい。２つの回路の冷却性能が、よって調節され得る。隔壁の配置は、打ち抜き工具における分離ウェブの対応する位置によってシンプルに調節できるのが好ましい。

本発明に係る解決策の別の有利な実施形態では、高温冷却液出口および低温冷却液出口は、共に、隔壁によって分割された涙滴のような形状をなしている。そのような涙滴形状は、概して、比較的好ましい流れ特性を有すると考えられ、それにより給気側の圧力損失が最小化され得る。高温冷却液入口は、円の一部のような形状を有していてもよく、一方で、低温冷却液出口は、三角形状を有していて、その辺の１つが隔壁に隣り合っている、すなわちその辺の１つが隔壁の一部として形成されている。低温冷却液出口の隔壁に隣り合っていない２つの辺は、当該隔壁に対して鋭角をなして配置されていて、隔壁から離れている側の長手方向端部において円形セグメント部を介して互いに合流している、すなわち丸まっている。したがって、涙滴形状は、鋭く先細になった端部を有さず、この領域において丸みを帯びており、そのことが給気流れに対向して流れる低温回路の冷却液流れに好ましい影響を与える。

低温冷却液の流れ方向を変える障害部が、上述した円形セグメント部の領域に設けられていることが好ましい。この障害部により、低温冷却液が、隔壁の中央寄りに設けられた低温冷却液出口に直接流れ込み、よって十分な熱交換をせずにそこから流れ去ることができなくなる。それどころか、障害部によって低温冷却液出口周りの流れが作り出され、それにより例えば、これまで低温冷却液が流通しにくかった領域であるいわゆる死領域を通る流れができ、よってより優れた熱輸送がそこでなされ得る。

本発明に係る解決策の別の有利な実施形態では、高温冷却液入口の外側輪郭は、低温冷却液出口の外側輪郭に、滑らかな態様で移行している。そのような２つの外側輪郭の互いに対する滑らかな移行により、給気流れが乱れにくくなり、その結果、圧力損失が最小化され得る。

本発明の別の重要な特徴および利点は、従属請求項から、図面から、および図面を参照した関連する図の説明から明らかになるだろう。

上述したあるいは後述する特徴は、それぞれに示された組合せにおいてのみでなく、本発明の範囲を逸脱することなく、他の組合せにおいてあるいは単独でも使用され得ることを理解されたい。

図１は、本発明に係る積層プレート熱交換器の熱交換プレートを、温度レベルの異なる２つの冷却液回路の平面において示す図である。 図２は、図１と同様の図であるが、中間平面、すなわち図１に対して平行な各熱交換プレートの平面におけるものである。

以下、本発明の好ましい実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、同一の参照符号は、同一のもしくは類似の、または機能的に同一の構成要素を示す。

図１に示すように、本発明に係る積層プレート熱交換器１は、例えば給気冷却器として構成されるものであって、高温冷却液回路ＨＴと、低温冷却液回路ＮＴとを備えている。各冷却液回路ＨＴ，ＮＴは、交互に積層された熱交換プレート２によって形成されており、当該熱交換プレート２を通って、高温冷却液回路ＨＴおよび低温冷却液回路ＮＴ内の異なる温度レベルを有する二の冷却液３，４が流れている。熱交換プレート２に対して平行な平面の間では、冷却対象の媒体５、例えば給気が流れている（図２を参照）。本発明によると、熱交換プレート２は、高温冷却液回路ＨＴと低温冷却液回路ＮＴとを互いに隔てる隔壁６を有する。この隔壁６は、媒体５の平面、すなわち給気平面を通過しておらず、そのため給気または媒体５は、媒体入口７から各熱交換プレート２の全長にわたって媒体出口８まで流れることができる（図２を参照）。媒体入口７および媒体出口８は、円形セグメントとして、特に半円形状に構成されている。

本発明によると、高温冷却液回路ＨＴは、隔壁６に隣り合って設けられた１つの中央高温冷却液入口９を有し、低温冷却液回路ＮＴは、隔壁６に隣り合って設けられた１つの中央低温冷却液出口１０を有する。

一般に、積層プレート熱交換器１は、いわゆる向流熱交換器として構成される。つまり、冷却液３および冷却液４は同じ方向に流れる一方（図１を参照）、冷却対象の媒体５、すなわち給気は逆方向に流れる（図２を参照）。

熱交換プレート２は、周縁立ち上がりエッジ１１を有していて、当該周縁立ち上がりエッジ１１を介して隣り合う熱交換プレート２と接続、特にロウ付けされている。隔壁６は、長手方向端部においてエッジ１１に接続されていて、当該エッジ１１と垂直をなしている。

ここで、互いに隣り合いかつ隔壁６によって隔てられた高温冷却液入口９および低温冷却液出口１０について見てみると、当該入口９および出口１０が共に涙滴のような形状をなしており、それが隔壁６によって分割されている。そのような涙滴形状は、高温冷却液入口９および低温冷却液出口１０の双方が、媒体５、すなわち給気の流れ（図２を参照）に関する非常に優れた流れ特性を有するという大きな利点をもたらす。本発明によると、高温冷却液入口９の外側輪郭と低温冷却液出口１０の外側輪郭とは互いに滑らかになるように並んでおり、それにより特に好ましい流れ特性を有する形状を実現することができ、したがって媒体５の流路における圧力損失が非常に小さくなる。

高温冷却液入口９は円の一部のような形状を有する一方、低温冷却液出口１０は三角形状を有しかつ隔壁６に隣接する縁部１２を有する。隔壁６が辺１２を形成していてもよい。隔壁６に沿っていない２つの辺１３，１４は、辺１２と鋭角をなすと共に、隔壁６から離れている側の長手方向端部において互いに合流して円形セグメント部１５を形成している。円形セグメント部１５の領域には障害部１６が設けられており、当該障害部によって低温冷却液４の流れ方向が変えられる（図１を参照）。これにより、低温冷却液入口１７（図１を参照）から流れてきた低温冷却液４が、低温冷却液出口１０に直接流れ込むのを阻止されると共に障害物１６によって向きを変えられ、全領域、特にいわゆる角部領域１９にわたる均一な流れが実現される。同様にして、高温冷却液３も高温冷却液回路ＨＴまたはその領域もしくは角部領域１９を通って均一に流れる。ここで、当該高温冷却液は、高温冷却液入口９を介して流入しかつ高温冷却液出口１８を介して流出する。高温冷却液出口１８は、半円形状を有して媒体入口７周りに設けられている。

本発明に係る熱交換プレート２およびこれから製造される本発明の積層プレート熱交換器１によると、流れの大幅な改善およびそれによる熱輸送の大幅な増大を実現することができるのみでなく、各熱交換プレート２を、ただ１つの高温冷却液入口９および低温冷却液出口１０のために、打ち抜き加工によってずっと容易に製造することができる。隔壁６は、対応する打ち抜き工具によって形成可能であり、かつ熱交換プレート２の長手方向において配置変更可能である。中央に配置された入口および出口９，１０により、角部領域１９における均一な流れがまた実現される。冷却液側および媒体側、すなわち給気側の双方において、均一な流れがよって実現され得る。通路の数が少なくなることで部品形状がよりシンプルになり、その結果、プロセス信頼性が向上しかつ必要とされるロウ付け領域が小さくなる。ただ１つの冷却液入口および冷却液出口９，１０のために、よりシンプルな工具の使用が可能となり、それにより工具コストが低減される。流れ分布が最適化されることにより、積層プレート熱交換器１の全体効率が向上し、それにより給気または媒体出口温度が１ケルビン程度低下する。逆に言えば、このことは、熱交換プレート２が、よりコンパクトな設計で同じ性能を達成できることを意味する。積層熱交換器１は、給気冷却器としてのみでなく、原理的に全ての冷却器、例えばオイルクーラーとしても使用することができる。障害部１６は、熱交換プレート２および隔壁６と一体形成されていてもよいし、あるいは別個のインサート部品として形成されていてもよい。さらに、全ての回路が、冷却液側および媒体側の双方において、もちろん実現可能でありかつ組合せ可能である。とりわけ、並流の変形例も考えられる。

Claims (7)

1. 高温冷却液回路（ＨＴ）および低温冷却液回路（ＮＴ）と、
   交互に積層され、一方では、上記高温冷却液回路（ＨＴ）および上記低温冷却液回路（ＮＴ）内の異なる温度レベルを有する二の冷却液（３，４）が、他方では、冷却対象の媒体（５）、特に給気が流通する複数の熱交換プレート（２）とを備えた積層プレート熱交換器（１）、特に給気冷却器であって、
   上記熱交換プレート（２）は、上記高温冷却液回路（ＨＴ）を上記低温冷却液回路（ＮＴ）から隔てるための隔壁（６）を有し、
   上記高温冷却液回路（ＨＴ）は、上記隔壁（６）に隣り合って設けられた中央高温冷却液入口（９）を有し、
   上記低温冷却液回路（ＮＴ）は、上記隔壁（６）に隣り合って設けられた中央低温冷却液出口（１０）を有し、
   上記高温冷却液入口（９）および上記低温冷却液出口（１０）は、共に、上記隔壁（６）によって分割された涙滴のような形状をなしており、
   上記高温冷却液入口（９）は、円の一部のような形状を有し、
   上記低温冷却液出口（１０）は、１つの辺（１２）が上記隔壁（６）によって形成された三角形状を有する
   ことを特徴とする積層プレート熱交換器。
2. 請求項１において、
   上記積層プレート熱交換器（１）は、向流冷却器として構成されている
   ことを特徴とする積層プレート熱交換器。
3. 請求項１または２において、
   上記熱交換プレート（２）は、周縁立ち上がりエッジ（１１）を有していて、該周縁立ち上がりエッジ（１１）を介して隣り合う上記熱交換プレート（２）とロウ付けされており、
   上記隔壁（６）は、長手方向端部において上記エッジ（１１）に接続されていて、該エッジ（１１）と垂直をなしている
   ことを特徴とする積層プレート熱交換器。
4. 請求項１〜３のいずれか１項において、
   上記低温冷却液出口（１０）の上記隔壁（６）に沿っていない２つの辺（１３，１４）は、上記隔壁（６）によって形成された上記１つの辺（１２）に対して鋭角をなしていて、上記隔壁（６）から離れている側の長手方向端部において円形セグメント部（１５）を介して互いに合流している
   ことを特徴とする積層プレート熱交換器。
5. 請求項４において、
   上記円形セグメント部（１５）の領域に、上記低温冷却液（４）の流れ方向を変える障害部（１６）が設けられている
   ことを特徴とする積層プレート熱交換器。
6. 請求項１〜５のいずれか１項において、
   上記高温冷却液入口（９）の外側輪郭と上記低温冷却液出口（１０）の外側輪郭とは、互いに滑らかになるように並んでいる
   ことを特徴とする積層プレート熱交換器。
7. 請求項１〜６のいずれか１項において、
   高温冷却液出口（１８）が、半円形状を有して媒体入口（７）周り、特に給気入口周りに設けられ、
   および／または、
   低温冷却液入口（１７）が、半円形状を有して媒体出口（８）周り、特に給気出口周りに設けられている
   ことを特徴とする積層プレート熱交換器。

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