JP2004504584A - 熱伝達装置 - Google Patents

Abstract

第１の流体から、第１の流体から隔てられた第２の流体に熱伝達をする装置であって、少なくとも２つの層（１，２，３）、特にプレート（１，２，３）を有するパイル形のあるいはシャーレ形の構造体を備え、その際、各層（１，２，３）が、多数の通路（１１，１２，１３）を有している熱伝達範囲、流動方向で熱伝達範囲の前方に配置されている入口範囲並びに流動方向で熱伝達範囲の後方に配置されている出口範囲を有している形式のものにおいて、小さい体積の場合に比較的に大きな熱伝達面を実現し、かつこの場合支障のない運転を、両方の流体の圧力水準が大きい場合でも、保証することを提案する。このことは本発明によれば、入口範囲及び又は出口範囲が少なくとも１つの支持エレメント（１８）を有していることによって、達成される。

Description

【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念による、第１の流体から、第１の流体から隔てられた第２の流体に熱伝達をする装置であって、少なくとも２つの層、特にプレートを有するパイル形のあるいはシャーレ形の構造体を備えている形式のものに関する。
【０００２】
背景技術
従来は例えば、高圧側の冷却剤により貫流される第１の通路と、低圧側の冷却剤により貫流される、第１の通路から隔てられた第２の通路とを備えた熱交換器がＣＯ_２自動車空調設備のおいて設けられる。
【０００３】
ＣＯ_２プロセスの出力及び効率を増大させるために、いわゆる内側のあるいは内部の熱交換器が設けられる。内部の熱交換器は冷却剤（ＣＯ_２）により向流原理であるいは同一方向流の原理で流過される。流体はこの場合熱交換器を、一度はガス冷却器から蒸発器への経路上で、かつ第２回は蒸発器から圧縮器へ流過する。内部の熱交換器の主課題はこの場合、冷却剤を膨張の前に付加的に冷却することである。熱は高圧側からガス冷却器に、蒸発器の後で（圧縮器に入る前に）低圧側に放出される。部分的にまだ液状の冷却剤は、それが圧縮器に達する前に完全に蒸発する。
【０００４】
可能な使用分野は、自動車空調設備における熱交換器、ヒートポンプ、小出力の搬送可能な空調装置、空気除湿器、乾燥器、燃料電池及び類似の用途である。
【０００５】
質量及び体積の減少のために比較的にコンパクトに製作される熱交換器は既に公知である。小さな構造形式で大きな熱量を伝達するために、例えばいわゆるマイクロ熱交換器が設けられる。これは特に構造化されたプレートから成り、これらのプレートは互いに上下にパイルされ、互いにろう接されるか、ねじ結合されるかあるいは相応して結合される。この場合熱交換器の相応して設けられている通路は同時にシールもされる。熱交換器内で互いに熱的に接触する流体は、通路を介してプレートの間を案内される。
【０００６】
マイクロ熱交換器においては、流体は入口開口若しくは出口開口を通って個々の層内に導かれ、したがって種々の層内で交互に熱受け取り流体及び熱放出流体が流れる。流体の個々の通路への分配若しくは個々の通路からの集合はこの場合、入口範囲若しくは出口範囲内で行われる。これらの範囲においては、それぞれの流体流が分割し、若しくは集合する。
【０００７】
この場合、入口範囲と出口範囲との重なりはいわゆる自由横断面を生ぜしめる。両方の流体の大きな圧力差によって、個々の層は自由横断面の範囲において、互いに著しく異なっている圧力水準に耐えなければならない。
【０００８】
自由横断面の範囲における大きな圧力負荷される面は、大きな材料応力をもたらし、その際、材料変形、例えば流性変形、若しくは構造部分の損傷を生ぜしめることがある。
【０００９】
発明の利点
これに対し、本発明の課題は、小さな体積で比較的に大きな熱伝達する面を実現し、かつこの場合両方の流体の圧力水準が大きく異なっている場合でも支障のない運転を保証する、熱伝達装置を提案することである。
【００１０】
この課題は最初に述べた形式の背景技術から出発して、請求項１の特徴構成要件によって解決される。
【００１１】
従属請求項に記載した手段によって本発明の有利な構成及び展開が可能である。
【００１２】
これに応じて、本発明による装置の特徴とするところは、入口範囲及び又は出口範囲が少なくとも１つの支持エレメントを有している点に存する。本発明によればこれによって、生ずる自由横断面及び特に入口範囲若しくは出口範囲において生ずる曲げモーメントが著しく減少せしめられる。例えば、圧力負荷される面、特に比較的に低い圧力で運転される側における面、が支えられ、かつこれによりプレートの不利な変形が抑制されることが保証される。
【００１３】
更に、支持エレメントの有利な配置では、各プレートに設けられている本発明による支持エレメントが、相応する圧力をプレートからプレートへ伝達し、場合により比較的に内実なカバープレートが圧力を受け止め、したがってプレートの変形若しくは全構造部分の損傷が効果的に阻止されることができる。
【００１４】
有利には、入口範囲においても、また出口範囲においても、多数の支持エレメントが設けられており、したがって生じる自由横断面も、また生じる曲げ応力も更に減少せしめられる。
【００１５】
入口範囲の拡大に相応して、入口範囲は熱伝達範囲に向いた側に有利な形式で多数の支持エレメントを有している。入口範囲の、入口開口に向いた側では、しかしながら比較的にわずかな支持エレメントが設けられている。相応することは、有利な形式で、出口範囲に伝達される。
【００１６】
有利には、材料応力が例えば背景技術の相応する構造及び構造形式に対して減少せしめられていることによって、本発明による熱交換器はより大きな圧力差で負荷することができる。これに対して代替的に、本発明による熱交換器は背景技術と比較して、両方の流体の間の同じ圧力差で、著しく薄壁のプレートを有することができ、このことは有利には、伝達すべき熱出力が与えられている場合に、全熱交換器の特に明確な質量減少及び体積減少をもたらすことができる。
【００１７】
有利な形式で、支持エレメントは熱伝達面を増大させ、したがって本発明による熱交換器の熱伝達は付加的に改善される。このことは、伝達すべき熱出力が与えられている場合に、有利な形式で本発明による熱交換器の体積が付加的に減少されることを、生ぜしめる。
【００１８】
本発明の特に有利な実施形態では、支持エレメントの長さがその幅の何倍もの値に構成されている。これによって、支持エレメントが例えば比較可能な流動抵抗の場合に、著しく大きな支持作用並びに熱伝達する面を有していることが保証される。本発明によれば、これによって熱交換器は有利な形式で両方の流体流の間のより大きな圧力差で負荷することができ、その場合、不利な材料変形又は熱交換器の損傷が生ずることはない。
【００１９】
有利な形式で、支持エレメントは流体案内エレメントとして構成されている。これによって、改善された流体流動を本発明による支持エレメントによって生ぜしめることが可能になる。有利には、本発明による支持エレメントによって、流体が一様に熱伝達範囲の通路に分配され、若しくは流動が有利に行われるように通路からまとめられ、相応する集合通路に導かれる。これにより、熱伝達範囲の通路構造の一様に分配された負荷が生ぜしめられ、このこと自体は、熱交換器の改善された熱伝達を生ぜしめる。
【００２０】
本発明の特別な実施形では、２つの隣接する支持エレメントは互いに２０°よりも小さな角度、有利には１０°と１５°との間の角度で配置されている。流体流動の開き角度、いわゆるデフューザ角度は、背景技術ではこれに対し、しばしば５０°を超える。本発明による比較的に小さな、２つの隣接する支持エレメントの間の開き角度は、例えば入口範囲若しくは出口範囲における流体流動のはがれを阻止し、したがって不利なエネルギ損失が最低にされ、同時に熱伝達範囲の通路構造の一様でない負荷が阻止される。重要なことはこの場合、支配する流動条件に関連するレイノルズ数であり、これは例えば開き角度、流体圧力並びに支持エレメント若しくは熱伝達範囲の通路の配置若しくは構成に関連している。
【００２１】
特に流動条件を改善するために、支持エレメントの側壁は直線状及び又はカーブ形に構成されている。この場合、支持エレメントを多角形に構成することも考えられる。有利には、支持エレメントは材料技術的にかつ幾何学的に、それが最大限可能な支持作用及び極めて良好な流動分配を、比較的にわずかな流動圧力損失で達成するように、構成されている。場合によっては、細長い支持エレメントは有利には拡幅された区分を支持作用を改善するため並びに流動案内のために有している。
【００２２】
本発明の特別な展開では、少なくとも１つの支持エレメントは、熱交換範囲の２つの通路の間の仕切り壁の延長部として構成されている。これによって例えば熱伝達範囲の通路の著しく一様な負荷が実現可能である。
【００２３】
支持エレメントの相応する配置により、流動案内の更なる改善を生ぜしめることができる。１つの支持エレメントが通路仕切り壁の延長部として構成されていると、有利には支持エレメントから通路仕切り壁へのカーブ形の移行が設けられる。カーブ形の移行は有利な流動体流動を生ぜしめ、したがって不利な圧力損失を最低限にすることができる。この場合、例えば単に支持エレメントがカーブ形の側壁を有しているだけでなしに、通路仕切り壁も少なくとも縁範囲においてカーブ形の側壁を有しており、これにより、より有利な流体流動を生ぜしめることができる。この場合においても、比較的に小さな折れ曲がりを有する軽い折り曲げを備えた移行部が実現可能である。
【００２４】
有利には、パイル形あるいはシャーレ形の装置の種々の層は、平らなあるいは湾曲したプレートとして、あるいは円筒形の、直径が異なっていることにより互いにパイル可能な構造エレメントとして構成されていて、したがって本発明による熱交換器の有利な製作を実現することができる。平らのプレートを備えた変化形では、有利には熱交換器を閉鎖するカバープレートが設けられている。
【００２５】
基本的に、支持エレメントの構成及び配置は熱交換範囲の通路に適合せしめられる。例えば層内の通路並びに支持エレメントは削除するあるいは塗り上げる製作法によって製作され、したがって支持エレメント並びに通路は比較的に小さく製作することができる。
【００２６】
有利には、プレートの相応する切り欠きは、後続のエッチングプロセスを備えた写真石版の構造化プロセスによって製作され、したがって場合によりすべての方法ステップは、熱伝達範囲の通路の製作のためにも、また入口範囲若しくは出口範囲の支持エレメントの製作のためにも、それぞれ１つの作業ステップで実現可能である。
【００２７】
特定の実施形では、熱交換器は互いに上下にパイルされかつ互いにろう接されたプレートによって形成され、これらのプレートにおいては、少なくとも部分的に相応する切り欠きが、例えば通路若しくは支持エレメントを形成するために、設けられている。この場合、プレートの間に、ろう接プロセスのために、少なくとも１つのろう接層が設けられる。ろう接プロセスは有利には真空中で、あるいは不活性ガスの雰囲気中で行われる。有利には、少なくとも１つの、それらの間に位置するろう接層を備えたプレートは構造部分の後の配置で上下にパイルされ、特に低温の状態で、ろう接プロセスの前に、プレスされる。プレートを本来のろう接プロセスの前にプレスすることによって、比較的に高い温度でのプレートの強いプレスが省略される。これによって、高いろう接温度に耐えなければならない比較的に高価なプレス工具が不要となる。
【００２８】
実施例
本発明の１実施例は図面に示されており、以下において図面により詳細に説明する。
【００２９】
図１においては、背景技術による熱交換器が示されている。この熱交換器は、互いにろう接又は溶接されている熱伝達のための個々のプレート１，２，３を、２つのカバープレート８，９の間にパックされて有しており、これらのプレートは小さな通路１１，１２，１３並びに流動開口４，５，６，７を備えている。カバープレート８の入口開口１４に流入する大きな圧力のＣＯ_２（矢印ＦＥ２）は熱伝達プレート１の流動開口４を貫通して、中央の熱伝達プレート２に流れ、その通路１２を通って、矢印方向に下方に向かって流れ、かつそこから熱伝達プレート１の流動開口６及びカバープレート８の出口開口１６を通って、出る（矢印ＦＡ２）。更に、ハッチングを施した矢印で示すように、低圧のＣＯ_２（矢印ＦＥ１）がカバープレート８の入口開口１５内に流れ、熱伝達プレート１の通路１１を下方から上方に流れ、更に熱伝達プレート２の流動開口５を通って熱伝達プレート３に流れ、かつそこからやはりその小さな通路を下方から上方に流れ、かつ熱伝達プレート３，２，１の相応する流動開口７及び次いでカバープレート８の出口開口１７を通って出る（矢印ＦＡ１）。
【００３０】
この形式で、図示の熱交換器は高圧側の冷媒（黒い矢印）により第１の方向で貫流され、かつ向流で低圧側の冷媒（ハッチングを施した矢印）により貫流される。
【００３１】
図１に示した熱交換器はその有利な図示により単に３つの熱伝達プレート１，２，３を有しているに過ぎない。熱交換器は個々の、熱伝達プレート１，２，３によって規定された層より成り、向流で、一方の側で高圧（ほぼ１５０バールまで）で高い温度の、かつ他方の側で低圧（ほぼ６０バールまで）で低い温度の、ＣＯ_２により貫流される。
【００３２】
熱交換器を理想的に、生ずる熱伝達条件に適合させるために、熱移行が流体の物質特性及び流動状態によって定められることを考慮しなければならない。低圧側における熱伝達係数は、しかしながら、一般に著しく、高圧側における熱伝達係数よりも小さい。熱交換器の体積を最も効果的に利用するためには、したがって原則的に、高圧側における熱伝達係数と熱伝達をする面との積が、低圧側における熱伝達係数と熱伝達をする面との積に適合せしめられるように、しなければならない。このことは例えば、個々の成形体、換言すれば小さな通路１１，１２，１３が形成されている熱伝達プレート１，２，３より成る図示のコンパクトな熱交換器の場合に、小さな通路１１，１２，１３の液力直径の相応する適合によって行うことができる。
【００３３】
更に、熱伝達範囲の熱伝達する面若しくは熱伝達係数を小さな通路１１，１２，１３の相応する流動案内によって、例えばジクザク状にすることによって、増大させる可能性がある。
【００３４】
本発明による熱交換器は有利には、銅及び銅合金、特殊鋼、アルミニウム及び別の材料から製作することができる。
【００３５】
本発明による熱交換器は有利には、車両、特に自動車のＣＯ_２空調設備の内部の熱交換器として、使用することができる。
【００３６】
例えば図１において第１の黒い矢印によってマークした（高圧の）流動通路は、自動車空調設備のガス冷却器から蒸発器への第１の流動経路内に、かつ第２の、図においてハッチングを施した矢印によってマークした（低圧の）流動通路は、蒸発器から圧縮機への第２の流動経路内に位置している。
【００３７】
第１の流動経路において、ほぼ１５０バールまでの及び高温の高圧が支配し、かつ第２の流動経路においてほぼ６０バールまでの及び比較的に低温の低圧が支配している。
【００３８】
図２において、例えば背景技術による流体Ｉの入口範囲Ｅ１と流体ＩＩの出口範囲Ａ２との重なりによって生じる自由横断面２４が示されている。この場合、自由横断面２４が比較的に大きな圧力負荷面を有していて、これにより比較的に大きな材料応力を受け止めなければならず、このことは特にプレート２，３の変形並びに熱交換器の損傷をもたらすことがあることが、明らかになる。
【００３９】
図３においては、両方にプレート２，３の区分が、図２に区分に相応して、示されている。この場合しかしながら、プレート２，３の本発明による入口範囲若しくは出口範囲は本発明による支持エレメント１８を有している。図３による支持エレメント１８は直線状の支持エレメント１８として構成されている。この場合、若干の支持エレメント１８′は通路仕切り壁１９の延長部として構成されている。
【００４０】
更に、図３から、２つの隣接する支持エレメント１８から形成されている開口角度αは、本発明による支持エレメント１８のない、背景技術による開口角度βよりも著しく小さいことが、明らかである。このようにして、支持エレメント１８による構造化によって流体の流動が熱伝達範囲の通路上に均一に分配され、開口角度は例えば約５０°から約１０°〜１５°に縮小される。このことは特に、エネルギ損失及び通路構造体１１，１２，１３の不均一並びに負荷を伴う流体流動のはがれを充分に阻止する。はがれの阻止ひいてはエネルギ損失の減少は大体において、支配しているレイノルズ数に関連している。レイノルズ数自体はなかんずく開口角度及びまた流体の調整されている圧力に関連している。
【００４１】
更に図３は、減少せしめられた自由横断面２３が図２の自由横断面２４に比して圧力負荷面を著しく減少され、ひいては生ずる曲げ負荷を著しく減少させることを、明らかにする。これによってプレート１，２，３の変形若しくは熱交換器の損傷が充分に阻止される。
【００４２】
図４においては、特に、本発明による支持作用を増強するために局所的な補強部２０を有している支持エレメント１８が示されている。
【００４３】
図５においては、カーブ形の側壁を有している支持エレメント１８が示されている。支持エレメント１８の、この本発明による構成は、特に、有利な流動並びに流体の通路１１，１２，１３への分配をもたらす。図５に示したカーブ形の支持エレメント１８は角ばった移行部２１を有している。詳細に図示していないカーブ形の移行部２１はこの場合、流動案内の更なる改善をもたらすことがある。カーブ形の移行部２１は、有利には通路仕切り壁１９のカーブ形の端部範囲であることもできる。
【００４４】
本発明による支持エレメント１８は生じる負荷を著しく良好に分配し、これにより支持エレメントは付加的な支持機能を有している。背景技術によれば、なかんずく、生じる負荷は主としてプレート１，２，３の縁範囲により受け止めなければならず、これにより本発明による支持エレメント１８によって例えば縁範囲において有利な形式で材料を節減することができる。
【００４５】
原則的にプレート１，２，３は交互に熱を受け取る流体及び熱を放出する流体により向流原理あるいは同一方向流原理で貫流される。この場合例えば熱を受け取る面若しくは熱を放出する面を増大させるために、複数の、例えば隣接するプレート１，２が同一の流体により貫流され、後続のプレート３若しくはまた複数の隣接するプレートが初めて他方の流体により貫流されるようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】背景技術による熱交換器に構造条件及び流動条件を概略的に示す。
【図２】背景技術による２つ層の重なりを概略的な自由横断面で示す。
【図３】直線状の支持エレメントを備えた、本発明による減少せしめられた自由横断面を概略的に示す。
【図４】補強された支持エレメントを備えた、本発明による入口範囲若しくは出口範囲を概略的に示す。
【図５】カーブ形の支持エレメントを備えた別の入口範囲若しくは出口範囲を概略的に示す。
【符号の説明】
１　プレート、　２　プレート、　３　プレート、　４　流動開口、　５　流動開口、　６　流動開口、　７　流動開口、　８　カバープレート、　９　カバープレート、　１１　通路、　１２　通路、　１３　通路、　１４　入口開口、　１５　入口開口、　１６　出口開口、　１７　出口開口、　１８　支持エレメント、　１８′　支持エレメント、　１９　通路仕切り壁、　２０　補強部、　２１　移行部、　２３　自由横断面、　２４　自由横断面、　Ａ１　出口範囲、　Ｅ１　入口範囲、　ＦＡ１　矢印、　ＦＡ２　矢印、　ＦＥ１　矢印、　ＦＥ２　矢印、　α　開口角度、　β　開口角度

Claims (8)

1. 第１の流体から、第１の流体から隔てられた第２の流体に熱伝達をする装置であって、少なくとも２つの層（１，２，３）、特にプレート（１，２，３）を有するパイル形のあるいはシャーレ形の構造体を備え、その際、各層（１，２，３）が、多数の通路（１１，１２，１３）を有している熱伝達範囲、流動方向で熱伝達範囲の前方に配置されている入口範囲並びに流動方向で熱伝達範囲の後方に配置されている出口範囲を有している形式のものにおいて、入口範囲及び又は出口範囲が少なくとも１つの支持エレメント（１８）を有していることを特徴とする、熱伝達装置。
2. 支持エレメントの長さがその幅の何倍もの大きさであることを特徴とする、請求項１記載の熱伝達装置。
3. 支持エレメント（１８）が流体案内エレメント（１８）として構成されていることを特徴とする、請求項１又は２記載の熱伝達装置。
4. ２つの互いに隣接する支持エレメント（１８）が互いに２０°よりも小さい角度（α）をなして配置されていることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項に記載の熱伝達装置。
5. 支持エレメントの側壁が直線状及び又はカーブ形に構成されていることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項に記載の熱伝達装置。
6. 少なくとも１つの支持エレメント（１８）が２つの通路の間の仕切り壁の延長部として構成されていることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項に記載の熱伝達装置。
7. カーブ形の移行部（２１）が支持エレメント（１８）から仕切り壁（１９）へと設けられていることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項に記載の熱伝達装置。
8. 層（１，２，３）が、平らなあるいは湾曲したプレート（１，２，３）として、あるいは円筒形の、異なった直径によって互いにパイル可能な構造エレメント（１，２，３）として構成されていることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項に記載の熱伝達装置。