JP2005527764A - Heat exchanger and cooling system - Google Patents

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    • F01P5/10Pumping liquid coolant; Arrangements of coolant pumps
    • F01P5/12Pump-driving arrangements
    • F01P2005/125Driving auxiliary pumps electrically

Abstract

【課題】 同じ伝熱特性において冷却回路のポンプ用動力需要を下げることのできる熱交換器を提供する。さらに冷媒回路内の流れ抵抗を克服するのに一層小さなポンプ動力が全体として可能となった冷却システムを提供する。
【解決手段】 熱交換器、とくに自動車の冷却回路(1)内で使用するための熱交換器(2)であって、少なくとも1つの伝熱網(3)を有し、この伝熱網が少なくとも1つの管機構(11)を含み、この管機構が2.0mm以下の特性流体力学的直径を有する熱交換器。
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a heat exchanger capable of reducing the power demand for a pump of a cooling circuit with the same heat transfer characteristics. In addition, a cooling system is provided that allows for lower overall pump power to overcome the flow resistance in the refrigerant circuit.
A heat exchanger, in particular a heat exchanger (2) for use in a motor vehicle cooling circuit (1), comprising at least one heat transfer network (3), the heat transfer network comprising: A heat exchanger comprising at least one tube mechanism (11), the tube mechanism having a characteristic hydrodynamic diameter of 2.0 mm or less.

Description

本発明は、特に自動車内で使用するための熱交換器および冷却システムに関する。本発明は以下で自動車での利用に関連して述べられるのではあるが、本発明に係る熱交換器および本発明に係る冷却システムは別の冷却プロセスにも利用できることを指摘しておく。   The present invention relates to heat exchangers and cooling systems, particularly for use in motor vehicles. It will be pointed out that although the invention is described below in connection with its use in motor vehicles, the heat exchanger according to the invention and the cooling system according to the invention can also be used in other cooling processes.

技術の現状において冷却システムは自動車内で、例えば内燃エンジンの廃熱を周囲に放出するために利用される。冷媒として一般に水が利用され、この水は例えば不凍液等の添加剤を含有している。エンジンから冷却回路に放出される熱は冷媒冷却器内で、冷媒冷却器の表面付近に空気流を通すことによって、周囲に排出される。   In the state of the art, cooling systems are used in motor vehicles, for example, to release waste heat of internal combustion engines to the surroundings. Water is generally used as the refrigerant, and this water contains additives such as antifreeze. The heat released from the engine to the cooling circuit is exhausted to the surroundings by passing an air flow in the refrigerant cooler near the surface of the refrigerant cooler.

本願の意味において冷媒とは常に冷却回路内部の媒体を表す。それに対して冷却媒体は、冷却回路の冷却性能がそれに放出される(外部)媒体を表す。例えば内燃エンジンの冷却回路では、エンジンの廃熱は冷却回路に含まれた冷媒によって吸収される。次に冷媒の廃熱は冷媒冷却器において、冷媒冷却器を流通する冷却媒体に排出される。従来の冷却回路では冷却媒体が冷却空気である。   In the meaning of the present application, the refrigerant always represents a medium inside the cooling circuit. In contrast, the cooling medium represents a (external) medium into which the cooling performance of the cooling circuit is released. For example, in an internal combustion engine cooling circuit, engine waste heat is absorbed by refrigerant contained in the cooling circuit. Next, the waste heat of the refrigerant is discharged in a refrigerant cooler to a cooling medium flowing through the refrigerant cooler. In the conventional cooling circuit, the cooling medium is cooling air.

熱流量を高めるために冷媒冷却器の放熱表面が拡大され、冷却フィンを配置した多数の平行な冷媒管に冷媒流を分配して熱が効率的に周囲に放出される。   In order to increase the heat flow, the heat radiating surface of the refrigerant cooler is enlarged, and the refrigerant flow is distributed to a large number of parallel refrigerant tubes provided with cooling fins so that heat is efficiently released to the surroundings.

実務において自動車製造業者もしくは冷却システム製造業者によって指定される技術的条件を冷却システムの熱交換器は遵守しなければならない。冷媒および周囲の所定の運転温度における熱出力、運転状態時に所定の冷媒質量流量における最大圧力損失、等の熱力学的データが指定される。   In practice, the cooling system heat exchanger must comply with the technical conditions specified by the car manufacturer or the cooling system manufacturer. Thermodynamic data such as the heat output at a predetermined operating temperature of the refrigerant and the surroundings, the maximum pressure loss at a predetermined refrigerant mass flow rate in the operating state, and the like are designated.

冷媒ポンプの費やすべき動力および寸法設計を考慮して圧力損失は限定される。   The pressure loss is limited in consideration of the power to be consumed by the refrigerant pump and the dimensional design.

代表的には冷却回路の個々の構成要素はいわゆる車両臨界運転状態に合わせて設計され、そこでは例えば特定の負荷条件と支配的外気温度のもとで上り坂を走行するとき、許容限界温度を超えることなく、所定の熱量が周囲に放出可能でなければならない。   Typically, the individual components of the cooling circuit are designed for so-called vehicle critical operating conditions, where, for example, when driving uphill under specific load conditions and dominant outside temperatures, the allowable limit temperature is set. Without exceeding, it must be possible to release a certain amount of heat to the surroundings.

前記基準を達成するために、自動車内の冷媒回路用熱交換器は、最大伝熱能力のとき流れ抵抗が僅かとなるように設計される。超えてはならない最大流れ損失は熱交換器もしくは伝熱網内の冷媒側に設けられる。   In order to achieve the above criteria, the heat exchanger for the refrigerant circuit in the automobile is designed so that the flow resistance is small at the maximum heat transfer capacity. The maximum flow loss that should not be exceeded is provided on the refrigerant side in the heat exchanger or heat transfer network.

冷媒冷却器内での最大圧力損失は僅かなものに設定されているのではあるが、冷却回路全体における圧力損失は全体として高い。   Although the maximum pressure loss in the refrigerant cooler is set to be small, the pressure loss in the entire cooling circuit is high as a whole.

本発明の課題は、同じ伝熱特性において冷却回路のポンプ用動力需要を下げることのできる熱交換器を提供することである。さらに本発明の課題の1観点は、主に、冷媒回路内の流れ抵抗を克服するのに一層小さなポンプ動力が全体として可能となった冷却システムを提供することである。   The subject of this invention is providing the heat exchanger which can reduce the power demand for the pumps of a cooling circuit in the same heat transfer characteristic. Furthermore, one aspect of the subject of the present invention is primarily to provide a cooling system that allows for smaller pump power as a whole to overcome the flow resistance in the refrigerant circuit.

本発明に係る熱交換器は、熱交換器、特に自動車の冷却回路内で使用するための熱交換器であって、少なくとも1つの伝熱網を有し、この伝熱網が少なくとも1つの管機構を含み、この管機構が2.0mm以下の特性流体力学的直径を有する熱交換器である。本発明に係る冷却システムは、少なくとも1つのポンプ機構と、少なくとも1つの伝熱網機構を含む少なくとも1つの伝熱機構と、少なくとも1つの熱源機構とを有し、ポンプ機構と伝熱機構と熱源機構が、冷媒を流通させる実質密閉された冷却回路中に配置されており、伝熱機構の伝熱網機構内での圧力損失が冷媒回路内での圧力損失の少なくとも12%の割合である冷却システムである。好ましい諸構成は従属請求項の対象である。   The heat exchanger according to the invention is a heat exchanger, in particular a heat exchanger for use in a cooling circuit of a motor vehicle, having at least one heat transfer network, which heat transfer network is at least one tube. A heat exchanger including a mechanism, the tube mechanism having a characteristic hydrodynamic diameter of 2.0 mm or less. The cooling system according to the present invention includes at least one pump mechanism, at least one heat transfer mechanism including at least one heat transfer network mechanism, and at least one heat source mechanism, and includes the pump mechanism, the heat transfer mechanism, and the heat source. Cooling in which the mechanism is disposed in a substantially sealed cooling circuit through which the refrigerant flows and the pressure loss in the heat transfer network mechanism of the heat transfer mechanism is at least 12% of the pressure loss in the refrigerant circuit System. Preferred configurations are the subject of the dependent claims.

本発明に係る熱交換器は特に自動車の冷却回路内での使用が予定されているが、しかしそれだけではない。熱交換器の冷媒入口と冷媒出口との間に少なくとも1つの伝熱網が設けられている。少なくとも1つの伝熱網が少なくとも1つの管機構を含み、単数もしくは複数の管機構は廃熱が排出される間に冷媒入口から冷媒出口へと熱交換器内で冷媒を輸送するために設けられている。本発明に係る熱交換器において管機構の特性流体力学的直径は2.0mm以下である。   The heat exchanger according to the invention is intended for use in the automotive cooling circuit in particular, but not exclusively. At least one heat transfer network is provided between the refrigerant inlet and the refrigerant outlet of the heat exchanger. The at least one heat transfer network includes at least one pipe mechanism, and the one or more pipe mechanisms are provided to transport the refrigerant in the heat exchanger from the refrigerant inlet to the refrigerant outlet while the waste heat is discharged. ing. In the heat exchanger according to the present invention, the characteristic hydrodynamic diameter of the pipe mechanism is 2.0 mm or less.

本願の意味において流体力学的直径dhydrは、多室管が表示されるときに例えばVDI熱地図でも使用されるように横断面積の4倍を内周面で割ったものと定義されている。VDI熱地図において流体力学的直径dhydrは平行に流通させるすべての室の流体力学的直径を表す。横断面積はここでは以下において、冷媒の流れに利用可能な内側横断面積を表す。内周面は管機構内部の流れ通路機構の回りの円周である。 In the sense of the present application, the hydrodynamic diameter dhydrr is defined as four times the cross-sectional area divided by the inner peripheral surface so that it can be used, for example, in a VDI thermal map when a multi-chamber tube is displayed. In the VDI thermal map, the hydrodynamic diameter dhydrr represents the hydrodynamic diameter of all chambers flowing in parallel. The cross-sectional area here represents the inner cross-sectional area available for refrigerant flow in the following. The inner peripheral surface is a circumference around the flow passage mechanism inside the pipe mechanism.

これは、円形の理想的に形成された管機構の場合流体力学的直径dhydrが管機構の直径dに等しいことを意味する。正方形内面を有する管機構の場合、流体力学的直径dhydrは管機構の内側側長に一致する。 This means that for a circular ideally formed tube mechanism, the hydrodynamic diameter d hydrr is equal to the tube mechanism diameter d. In the case of a tube mechanism having a square inner surface, the hydrodynamic diameter d hydrr corresponds to the inner length of the tube mechanism.

本発明に係る熱交換器は多くの利点を有する。   The heat exchanger according to the invention has many advantages.

技術の現状において公知となった自動車冷媒回路用熱交換器は流体力学的直径dhydrが例えば2.8mm以上である。このような流体力学的直径は、熱交換器内での流れ損失を最少にするために選択される。 An automotive refrigerant circuit heat exchanger known in the state of the art has a hydrodynamic diameter dhydrr of, for example, 2.8 mm or more. Such a hydrodynamic diameter is selected to minimize flow loss in the heat exchanger.

それに対して、本発明に相当するような比較的小さな流体力学的直径は冷却媒体の流速が一定している場合一層大きな圧力損失を有し、本発明に係る熱交換器は質量流量が一定している場合一層高い圧力損失をもたらす。それゆえに専門業界では、流体力学的直径が比較的小さい自動車冷媒回路用熱交換器を研究することは検討されなかった。というのも比較的小さな流体力学的直径は自動車製造業者によって指定された規格の外側となり得るからである。   In contrast, a relatively small hydrodynamic diameter corresponding to the present invention has a larger pressure loss when the flow rate of the cooling medium is constant, and the heat exchanger according to the present invention has a constant mass flow rate. Results in higher pressure loss. Therefore, the professional industry has not considered studying heat exchangers for automotive refrigerant circuits with relatively small hydrodynamic diameters. This is because the relatively small hydrodynamic diameter can be outside the standards specified by the automobile manufacturer.

しかしながら意外なことに、比較的小さな流体力学的直径の利用は過度に高い流れ抵抗、従って圧力損失を生じるだけでなく、同時に冷却媒体内側での伝熱が改善され、同じ熱量を周囲に搬出するのに必要な冷媒質量流量が全体として少なくなることが判明した。   Surprisingly, however, the use of a relatively small hydrodynamic diameter not only results in excessively high flow resistance and thus pressure loss, but at the same time heat transfer inside the cooling medium is improved and the same amount of heat is carried out to the surroundings. It has been found that the refrigerant mass flow rate required for this is reduced as a whole.

それゆえに、本発明に係る熱交換器でもって、自動車冷却回路内の冷媒質量流量を低減することが可能になる。例えば冷却水等の非圧縮性冷却媒体の場合、冷媒質量流量の低減は冷却回路内の冷媒流速の比較的低減を直接にもたらす。冷却回路内での流れ損失は冷媒速度の2乗に比例しているので、冷媒質量流量の約70%への低減は、総回路内で流れ損失が半分になり、流体力学的吐出し量□P×体積流量が約35%に低下することを意味する。   Therefore, the refrigerant mass flow rate in the automobile cooling circuit can be reduced with the heat exchanger according to the present invention. In the case of an incompressible cooling medium such as cooling water, for example, a reduction in refrigerant mass flow directly results in a relatively reduction in refrigerant flow rate in the cooling circuit. Since the flow loss in the cooling circuit is proportional to the square of the refrigerant velocity, reducing the refrigerant mass flow rate to approximately 70% reduces the flow loss by half in the total circuit, resulting in a hydrodynamic discharge rate □ Px means that the volumetric flow rate drops to about 35%.

本発明に係る熱交換器を利用する場合、熱交換器内の管機構の小さな流体力学的直径によって熱交換器内の流れ抵抗が高められる。冷媒の流速は熱出力が一定する場合冷却器の外側で低減することができ、周辺部での冷却媒体流速は従来型熱交換器におけるよりもはるかに低い。   When utilizing the heat exchanger according to the present invention, the flow resistance in the heat exchanger is increased by the small hydrodynamic diameter of the tube mechanism in the heat exchanger. The flow rate of the refrigerant can be reduced outside the cooler when the heat output is constant, and the coolant flow rate at the periphery is much lower than in a conventional heat exchanger.

その際周辺部とは、管機構を除き、冷却回路内の冷媒を流通させる全部材および全部材領域のことである。   In this case, the peripheral portion refers to all members and all member regions that allow the refrigerant in the cooling circuit to flow except for the pipe mechanism.

熱交換器内で流れ損失を克服するのに不可欠なポンプ動力は従来型熱交換器におけるよりも著しく(例えば2倍または4倍)高いことがあるが、熱交換器の一層高い伝熱能力によって、冷却に必要な冷媒循環量は全体として減らすことができる。周辺部での圧力損失を減らすことによってポンプ機構の所要のポンプ動力が低減し、本発明はポンプを運転するためのエネルギーを全体として(例えば1.5倍または2倍)節約することを可能とする。   The pump power that is essential to overcome flow losses in the heat exchanger may be significantly (eg, 2 or 4 times) higher than in conventional heat exchangers, but the higher heat transfer capacity of the heat exchanger As a whole, the amount of refrigerant circulation required for cooling can be reduced. By reducing the pressure loss at the periphery, the required pump power of the pump mechanism is reduced, and the present invention makes it possible to save the energy for operating the pump as a whole (for example, 1.5 times or 2 times). To do.

電動ポンプを有する回路で本発明が使用される場合、機械エネルギーから電気エネルギーへの変換損失も少ないので、一次エネルギーの節約効果は大きい。   When the present invention is used in a circuit having an electric pump, there is little conversion loss from mechanical energy to electric energy, so the primary energy saving effect is great.

本発明に係る熱交換器の他の利点として、電動ポンプ機構を利用する場合著しく小さな電気出力を有する電動ポンプを使用することができ、ポンプ、バッテリ、ゼネレータ等用の費用を節約することができる。   As another advantage of the heat exchanger according to the present invention, when using an electric pump mechanism, an electric pump having a remarkably small electric output can be used, and costs for pumps, batteries, generators, etc. can be saved. .

排出される熱量を吸収するための冷媒として気体、特別好ましくは空気が使用される。   A gas, particularly preferably air, is used as a refrigerant for absorbing the amount of heat discharged.

指摘しておくなら、本発明または本発明の有利な構成は暖房回路または任意の冷却回路においても応用できる。同様に本発明は並列回路において、または多回路系でも、応用することができる。   It should be pointed out that the invention or the advantageous configuration of the invention can also be applied in heating circuits or any cooling circuit. Similarly, the present invention can be applied in parallel circuits or in multi-circuit systems.

本発明の好ましい1構成において、少なくとも多数の実質同様な管機構が設けられている。第1型式の管機構のうち第1多数を設け、第2型式以上の管機構のうちそれぞれ第2(第3等)多数を設けることも可能である。   In a preferred configuration of the invention, at least a number of substantially similar tube mechanisms are provided. It is also possible to provide a first majority of the first type of pipe mechanisms and provide a second (third, etc.) majority of the second or more types of pipe mechanisms.

本発明の他の1構成において、少なくとも1型式の管機構の少なくとも横断面は、球形、円形、楕円形、長円形、角形、長方形、三角形、正方形横断面形状、前記横断面形状の丸味付け変更態様を含む1群の横断面形状から選定されている。   In another configuration of the invention, at least the cross-section of at least one type of tube mechanism is spherical, circular, elliptical, oval, square, rectangular, triangular, square cross-sectional shape, or rounding modification of the cross-sectional shape. It is selected from a group of cross-sectional shapes including embodiments.

主に、少なくとも1つの管機構の横断面は管機構に沿って少なくとも1つの長さ部分にわたって実質的に一定している。冷却媒体の流れ通路が(それぞれ冷却媒体の流れ方向を横切って)比較的僅かな幅と比較的高い奥行とを有する扁平管機構を利用するのが好ましい。   Mainly, the cross-section of the at least one tube mechanism is substantially constant over at least one length along the tube mechanism. It is preferred to utilize a flat tube mechanism in which the cooling medium flow passages (each across the flow direction of the cooling medium) have a relatively small width and a relatively high depth.

圧縮強さを改善するために流れ通路内に腹部を設けておくことができ、腹部は例えば扁平流れ通路を長方形または正方形または球形または円形セグメントに区画する。その場合管機構は例えば管セグメントを含む。管機構がセグメントを含んでいるとしても、以下では常に管機構の寸法に関連付ける。   An abdomen can be provided in the flow passage to improve the compressive strength, for example, the abdomen divides the flat flow passage into rectangular or square or spherical or circular segments. The tube mechanism then includes, for example, a tube segment. Even if the tube mechanism includes segments, it will always be related to the dimensions of the tube mechanism below.

好ましい1構成において、乱流と伝熱を高めるために管機構は管機構内に乱流化機構またはフィン機構を備えておくこともできる。これらのフィン機構および乱流化機構によって特性流体力学的直径が変化することはない。   In a preferred configuration, the tube mechanism can include a turbulence mechanism or fin mechanism within the tube mechanism to enhance turbulence and heat transfer. These fin and turbulence mechanisms do not change the characteristic hydrodynamic diameter.

本発明の好ましい1構成において、実質的にすべての管機構が互いに実質平行に配置されており、冷却媒体は実質平行に配置される管機構内を横切って貫流する。管機構に主にフィン機構が設けられており、管機構の外側での伝熱を高めるためにフィン機構は鰓体機構を有することができる。   In a preferred configuration of the invention, substantially all the pipe mechanisms are arranged substantially parallel to one another, and the cooling medium flows through the pipe mechanisms arranged substantially parallel. A fin mechanism is mainly provided in the tube mechanism, and the fin mechanism can have a housing mechanism in order to enhance heat transfer outside the tube mechanism.

本発明の好ましい1構成では、冷却媒体の流れ方向において管機構の奥行と管機構の高さとの特性横断面比が1〜100、主に7〜50、特別好ましくは15〜50、特別好ましくは20〜30である。   In a preferred configuration of the present invention, the characteristic cross-sectional ratio of the depth of the pipe mechanism to the height of the pipe mechanism in the flow direction of the cooling medium is 1 to 100, mainly 7 to 50, particularly preferably 15 to 50, particularly preferably. 20-30.

これは、冷却媒体の流れ方向において管機構が、これに垂直および冷媒流れ方向に垂直な方向よりもかなり大きな広がりを有することを意味する。前記数値は管機構の外寸法に、または内寸法にも、関係付けることができる。   This means that in the flow direction of the cooling medium, the pipe mechanism has a considerably larger extent than the direction perpendicular to this and the direction perpendicular to the refrigerant flow direction. The numerical value can be related to the outer dimension of the tube mechanism or to the inner dimension.

単数または複数の前記構成の好ましい1構成において、冷媒は主成分として水を含み、冷媒は不凍液、別の添加剤等々の添加剤も有することができる。冷媒が無水でありまたは僅かな割合の水を含むだけであることもまったく可能である。本発明はヒータにおいても応用することができる。同様に、本発明は例えば自動車のエンジンオイル、変速機オイルまたは燃料の冷却または加熱に利用することも可能である。応用事例に応じて冷媒は成分としてオイルまたはその他の技術の現状において知られている冷媒を有することができる。   In one preferred configuration of the one or more of the above-described configurations, the refrigerant may contain water as a main component, and the refrigerant may also have an additive such as an antifreeze liquid or another additive. It is entirely possible that the refrigerant is anhydrous or contains only a small proportion of water. The present invention can also be applied to a heater. Similarly, the present invention can be used to cool or heat, for example, automobile engine oil, transmission oil or fuel. Depending on the application, the refrigerant can have oil or other refrigerant known in the state of the art as a component.

主に、管機構の外側で冷却媒体として気体、特別好ましくは空気が利用される。   Mainly gas, particularly preferably air, is used as the cooling medium outside the tube mechanism.

本発明に係る冷却システムは少なくとも1つのポンプ機構と少なくとも1つの(例えばエンジン機構等の)熱源機構と少なくとも1つの伝熱機構とを有し、伝熱機構は少なくとも1つの伝熱網機構を含む。ポンプ機構と伝熱機構と熱源機構は実質密閉された冷却回路へと接続されており、少なくとも1つの冷媒が流通する。   The cooling system according to the present invention has at least one pump mechanism, at least one heat source mechanism (such as an engine mechanism) and at least one heat transfer mechanism, and the heat transfer mechanism includes at least one heat transfer network mechanism. . The pump mechanism, the heat transfer mechanism, and the heat source mechanism are connected to a substantially sealed cooling circuit, and at least one refrigerant flows therethrough.

全冷媒回路での圧力損失に対して伝熱機構の伝熱網機構の圧力損失は、ポンプ機構の前後で評価して、少なくとも12%、主に15%超である。   The pressure loss of the heat transfer network mechanism of the heat transfer mechanism with respect to the pressure loss in the entire refrigerant circuit is at least 12%, mainly more than 15%, evaluated before and after the pump mechanism.

本発明に係る冷却システムは多くの利点を有する。   The cooling system according to the present invention has many advantages.

主に、伝熱網機構の圧力損失は運転状態時の全冷媒回路における圧力損失の15〜90%の範囲内、特別好ましくは20%〜70%の範囲内である。好ましくはそれは少なくとも30%である。   Mainly, the pressure loss of the heat transfer network mechanism is in the range of 15 to 90%, particularly preferably in the range of 20% to 70% of the pressure loss in the entire refrigerant circuit during operation. Preferably it is at least 30%.

本発明に係る冷却システムの好ましい1構成では伝熱網機構が管機構を含み、少なくとも1つの管機構は、流体力学的直径<2mm、特に流体力学的直径範囲1〜1.8mmの管機構、ディンプル管、乱流化機構を備えた管機構等々を含む1群の管機構から選定されている。乱流化は、管機構内に持ち込まれる例えば(金属)螺旋体または薄膜または糸とすることができる。   In a preferred configuration of the cooling system according to the invention, the heat transfer network mechanism comprises a tube mechanism, at least one tube mechanism having a hydrodynamic diameter <2 mm, in particular a hydrodynamic diameter range of 1 to 1.8 mm, It is selected from a group of tube mechanisms including dimple tubes, tube mechanisms with turbulence mechanisms, and the like. Turbulization can be, for example, a (metal) helix or thin film or thread that is brought into the tube mechanism.

本発明の好ましい1構成では冷媒流が伝熱機構内で少なくとも1回方向転換される。伝熱機構内の冷媒流は2回、3回、4回、5回、6回またはそれ以上方向転換することもできる。   In a preferred configuration of the invention, the refrigerant flow is redirected at least once in the heat transfer mechanism. The refrigerant flow in the heat transfer mechanism can be diverted two times, three times, four times, five times, six times or more.

特別好ましくは、伝熱機構は管機構のデシメートル長さ当り50〜120の範囲のフィン密度を有し、個々のフィンの厚さは0.01〜0.5mm、主に0.05〜0.2mmである。フィン密度が大きければ大きいほど、伝達可能な熱は基本的に一層多くなる。しかしながら、大きなフィン密度は、特にフィンの大きな厚さと合わせて、例えば冷却空気流等の冷却媒体用に利用可能な横断面積を減少させる。所定の冷却フィン材料において冷却フィンの数、厚さおよび長さから最適状態が得られる。   Particularly preferably, the heat transfer mechanism has a fin density in the range of 50-120 per decimeter length of the tube mechanism, the thickness of the individual fins being 0.01-0.5 mm, mainly 0.05-0. .2 mm. The higher the fin density, basically, the more heat that can be transferred. However, the large fin density, particularly in combination with the large thickness of the fins, reduces the cross-sectional area available for a cooling medium such as a cooling air flow. The optimum state is obtained from the number, thickness and length of cooling fins for a given cooling fin material.

ふつう冷却回路内の総流れ抵抗は接続ホース、タンク、熱交換器伝熱網、直列に接続されたサーモスタットおよびエンジンブロック内の流れ抵抗によって実質的に決まる。   Usually the total flow resistance in the cooling circuit is substantially determined by the flow resistance in the connecting hoses, tanks, heat exchanger network, series connected thermostats and engine block.

指摘しておくなら、本願の意味において総冷却回路に占める伝熱網の圧力損失割合はこの定義によって決まる。別のシステムにおいて他の構成要素が加わりまたは欠落する場合、ここで指摘した数値は場合によっては相応に換算もしくは適合されねばならない。   It should be pointed out that in this sense the ratio of the pressure loss of the heat transfer network in the total cooling circuit is determined by this definition. If other components are added or missing in another system, the numerical values pointed out here must be converted or adapted accordingly.

以下、図面を参考に実施例を基に本発明のその他の利点および応用の可能性が説明される。   Hereinafter, other advantages and possible applications of the present invention will be described based on embodiments with reference to the drawings.

本発明に係る冷却システム1の実施例が図1に示してある。冷媒システム1は自動車内での利用が予定されており、エンジン5の冷却に役立つ。エンジンから流出する温められた冷媒はサーモスタット7に通され、熱交換器2のタンク4に流入する。   An embodiment of a cooling system 1 according to the present invention is shown in FIG. The refrigerant system 1 is scheduled to be used in an automobile and is useful for cooling the engine 5. The warmed refrigerant flowing out of the engine is passed through the thermostat 7 and flows into the tank 4 of the heat exchanger 2.

例えば車両始動直後にエンジン運転温度がまだ達成されていないとき、冷媒はバイパス8を介して熱交換器2の脇に案内することもでき、再びポンプ6を介してエンジン5に導入される。   For example, when the engine operating temperature is not yet achieved immediately after starting the vehicle, the refrigerant can be guided to the side of the heat exchanger 2 via the bypass 8 and is again introduced into the engine 5 via the pump 6.

熱交換器2が伝熱網3を有する。本発明に係るこのような伝熱網3がさまざまな実施形態で図2、図3、図4に示してあり、そこでは個々の構成要素の配置および寸法が異なっている。   The heat exchanger 2 has a heat transfer network 3. Such a heat transfer network 3 according to the present invention is shown in various embodiments in FIGS. 2, 3 and 4 where the arrangement and dimensions of the individual components are different.

図2に示す伝熱網は扁平管態様の管11を有し、この管は冷却媒体の流れ方向で奥行12を有し、この奥行は選択された実施例の場合32mmである。伝熱網の所要寸法に応じて扁平管11の奥行は10、12、16、20、24、32mmとすることもでき、または40または48mmまたはそれらの間の値とすることもできる。しかし熱交換器に対する要求がそれを必要とする場合、別の値も可能である。   The heat transfer network shown in FIG. 2 has a tube 11 in the form of a flat tube, which has a depth 12 in the flow direction of the cooling medium, which is 32 mm in the case of the selected embodiment. Depending on the required dimensions of the heat transfer network, the depth of the flat tube 11 can be 10, 12, 16, 20, 24, 32 mm, or it can be 40 or 48 mm or a value therebetween. However, other values are possible if the requirements for the heat exchanger require it.

図2の扁平管11は幅13が1.3mm、肉厚17は‐扁平管の周面にわたって実質的に一定して‐僅か0.26mmである。これは、奥行31.48mm、幅0.78mmの内法内側寸法に相当する。   The flat tube 11 of FIG. 2 has a width 13 of 1.3 mm and a wall thickness 17 of −substantially constant over the circumference of the flat tube−only 0.26 mm. This corresponds to the inner inner dimension with a depth of 31.48 mm and a width of 0.78 mm.

自由横断面積23と内周面24とでもって(内側横断面が長方形であると仮定して)前記寸法での一次近似において流体力学的直径はDhydr=4×内面/内周面=1.52mmとなる。奥行32mmの代りに奥行16mmの管を使用する場合、前記前提条件のもとで流体力学的直径はDhydr=1.48mmとなる。 With a free cross-sectional area 23 and an inner peripheral surface 24 (assuming the inner cross section is rectangular), the hydrodynamic diameter in the first order approximation of the above dimensions is D hydrr = 4 × inner surface / inner peripheral surface = 1. 52 mm. When using a tube of depth 16mm instead of depth 32 mm, hydrodynamic diameter under the precondition is the D hydr = 1.48 mm.

それに対して奥行方向の広がりを64mmに倍化すると、流体力学的直径はDhydr=1.54となる。これは、流体力学的直径Dhydrが実質的に個々の扁平管の内幅によって影響を受ける一方、大きなまたは小さな奥行方向広がりが広い範囲にわたって流体力学的直径に僅かな程度に影響するだけであることを意味する。 On the other hand, when the spread in the depth direction is doubled to 64 mm, the hydrodynamic diameter becomes D hydro = 1.54. This is because the hydrodynamic diameter D hydrr is substantially affected by the inner width of the individual flat tubes, while large or small depth spreads only affect the hydrodynamic diameter to a small extent over a wide range. Means that.

扁平管の深さ方向広がりを高めることによって、一方で一層大きな伝熱面によって、伝達される熱出力の上昇が達成され、他方で、横断面積が増加するので冷媒の流速は低下する。冷媒の流速が一定に留まる場合、一層大きな冷媒質量流量が輸送されることになろう。   By increasing the depth spread of the flat tube, on the one hand, an increase in the heat output transmitted is achieved by means of a larger heat transfer surface, while on the other hand the cross-sectional area increases and thus the refrigerant flow rate decreases. If the refrigerant flow rate remains constant, a larger refrigerant mass flow rate will be transported.

一定した冷媒流量において冷却性能を高めるために、管11内の内法流れ幅を低減することによって流体力学的直径が低減されると好ましい。これは管の内面での伝熱を高めることになり、そのことで状況によっては伝熱能力全体が高まる。   In order to increase the cooling performance at a constant refrigerant flow rate, it is preferable if the hydrodynamic diameter is reduced by reducing the internal flow width in the tube 11. This increases the heat transfer on the inner surface of the tube, which in some circumstances increases the overall heat transfer capacity.

その場合、冷却器の同じ熱出力において冷媒質量流量は低減することができる。これは、一定した流れ横断面において冷媒の流速低下、従って流れ損失の減少をもたらす。   In that case, the refrigerant mass flow rate can be reduced at the same heat output of the cooler. This results in a decrease in the flow rate of the refrigerant and thus a reduction in the flow loss in a constant flow cross section.

個々の管11の間隔14は図2の実施例の場合9.3mmである。フィン15のフィン高さは8mm。伝熱能力を高めるためにフィンが鰓体16を備えており、こうして境界層が絶えず新たに形成される。   The spacing 14 between the individual tubes 11 is 9.3 mm in the case of the embodiment of FIG. The fin height of the fin 15 is 8 mm. In order to increase the heat transfer capability, the fin is provided with a housing 16, and thus a boundary layer is constantly formed anew.

図2の実施例において管11の肉厚17は0.26mmである。それより小さなまたは大きな肉厚、例えば0.35mm等も同様に可能である。重量と材料を節約しかつ熱伝導抵抗を向上するために肉厚は低減される傾向にある。しかしながら最低肉厚はシステム内部の圧力にも依存している。   In the embodiment of FIG. 2, the wall thickness 17 of the tube 11 is 0.26 mm. Smaller or larger wall thicknesses such as 0.35 mm are possible as well. Wall thickness tends to be reduced in order to save weight and material and improve heat transfer resistance. However, the minimum wall thickness also depends on the pressure inside the system.

図2の実施例ではフィン15が管11にろう接されている一方、図3の実施例ではフィンが機械的に固着されもしくは締付けられている。フィン要素15は図3の実施例において円形の管21に装着される。引き続き管21は延伸され、一層大きな外径が得られる。フィン要素15は管21でしっかり保持される。   In the embodiment of FIG. 2, the fins 15 are brazed to the tube 11, while in the embodiment of FIG. 3, the fins are mechanically secured or tightened. The fin element 15 is mounted on a circular tube 21 in the embodiment of FIG. Subsequently, the tube 21 is stretched to obtain a larger outer diameter. The fin element 15 is firmly held by the tube 21.

ふつう伝熱はろう接継手の場合向上している。それゆえに図3の実施例でも熱交換器内で円形管を使用してフィンと管との間にろう接継手を設けておくこともできる。   Usually heat transfer is improved for brazed joints. Therefore, in the embodiment of FIG. 3, a brazed joint can be provided between the fin and the tube by using a circular tube in the heat exchanger.

図3の実施例では管21の内径18が流体力学的直径Dhydrに等しい。管機構23が内径18を有する。肉厚25は図4に示してある。 In the embodiment of FIG. 3, the inner diameter 18 of the tube 21 is equal to the hydrodynamic diameter Dhydrr . The tube mechanism 23 has an inner diameter 18. The wall thickness 25 is shown in FIG.

図4に示す伝熱網ではいわゆるラジアス管21が使用される。管21は(冷却空気の流れ方向で)奥行12と最大幅13とを有する。流体力学的直径はやはり内側流れ面積23と内周面24とから算出され、Dhydr=4×流れ横断面積23÷内周面積24である。内周面積24と流れ横断面積23は、奥行12と最大幅13および管肉厚25と幾何学的輪郭とを承知して算定することができる。 In the heat transfer network shown in FIG. 4, a so-called radius pipe 21 is used. The tube 21 has a depth 12 and a maximum width 13 (in the direction of cooling air flow). The hydrodynamic diameter is also calculated from the inner flow area 23 and the inner peripheral surface 24, and D hydrr = 4 × flow cross-sectional area 23 ÷ inner peripheral area 24. The inner peripheral area 24 and the flow cross-sectional area 23 can be calculated by knowing the depth 12, the maximum width 13, the tube thickness 25, and the geometric contour.

個々の管21は横方向で間隔14を置いて配置されている。図3の実施例におけるように、管列間隔19を有する2列の伝熱管21が設けられている。   The individual tubes 21 are arranged at intervals 14 in the lateral direction. As in the embodiment of FIG. 3, two rows of heat transfer tubes 21 having a tube row spacing 19 are provided.

それより少ない、すなわち1つの管列、またはそれより多くの例えば3つ、4つまたは5つの管列を設けておくこともできる。個々の管列は空気流れ方向で一直線に並べて、またはそれぞれずらして、配置することができる。   It is also possible to have fewer, i.e. one tube row, or more, e.g. 3, 4 or 5 tube rows. The individual tube rows can be arranged in a straight line in the direction of air flow or shifted from each other.

図5には冷却回路の流体力学的動力と伝熱ブロックの圧力損失との関係が線図で示してある。伝熱ブロックは伝熱網と底とからなる。伝熱網は冷却フィンを備えた冷媒管からなる。   FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the hydrodynamic power of the cooling circuit and the pressure loss of the heat transfer block. The heat transfer block consists of a heat transfer net and a bottom. The heat transfer network is composed of a refrigerant pipe provided with cooling fins.

この線図は、例えば1.7lディーゼルエンジンを備えた中型車に関して作成されたものである。   This diagram was created for a medium-sized vehicle equipped with, for example, a 1.7 l diesel engine.

書き込まれた測点30は今日のシリーズモデルを表し、そこでは特定運転状態のときエンジン5および冷却器7用に不可欠な冷媒質量流量を提供するために約270Wの流体力学的動力が必要である。   The station 30 written represents today's series model, where about 270 W of hydrodynamic power is required to provide the refrigerant mass flow that is essential for the engine 5 and the cooler 7 during certain operating conditions. .

書き込まれた測点はすべて一定した冷却性能について算定されたものである。伝熱網の管の肉厚は図5が0.35mm、図6が0.26mmであった。測点33、34、35は、熱交換器が異なる伝熱網を備えた冷却システムについて導き出されたものである。   All written stations are calculated for a constant cooling performance. The wall thickness of the heat transfer net tube was 0.35 mm in FIG. 5 and 0.26 mm in FIG. Stations 33, 34, 35 are derived for a cooling system in which the heat exchangers have different heat transfer networks.

測点30が今日の技術の現状を示し、そこでは利用された管の流体力学的直径が大きく、この場合約2.5mmであるのに対して、測点33の流体力学的直径は1.94mmに低減された。測点34では流体力学的直径が1.56mm、測点35では1.3mmである。   Station 30 represents the current state of the art, where the hydrodynamic diameter of the tube utilized is large, in this case about 2.5 mm, whereas the hydrodynamic diameter of station 33 is 1. Reduced to 94 mm. The hydrodynamic diameter at station 34 is 1.56 mm and 1.3 mm at station 35.

測点30から見て、伝熱ブロックの圧力損失は流体力学的直径の低下に伴って著しく高まる。流体力学的直径2.5mmにおける圧力損失が約120mbarであるのに対して、流体力学的直径1.56mmにおける圧力損失は約200mbarと既にほぼ2倍である。   From the point of view of the station 30, the pressure loss of the heat transfer block increases significantly as the hydrodynamic diameter decreases. The pressure loss at a hydrodynamic diameter of 2.5 mm is about 120 mbar, whereas the pressure loss at a hydrodynamic diameter of 1.56 mm is already about double, about 200 mbar.

他方で、管内での伝熱能力を著しく高めることができ、従って総冷媒質量流量を低減できることによって、冷却回路の残りの構成要素内での流速が下げられ、ベース点では約270ワットの代りに約120Wの流体力学的動力が必要であるにすぎない。   On the other hand, the ability to significantly increase heat transfer in the tube, and thus reduce the total refrigerant mass flow, reduces the flow velocity in the remaining components of the cooling circuit, instead of about 270 watts at the base point. Only about 120 W of hydrodynamic power is required.

これは本発明に係る熱交換器を利用することによって、冷却回路内の他の構成要素を変更する必要もなしに可能である。この結果は意外である。というのも、伝熱ブロック内での圧力損失を高めることによってポンプ動力は、従って一次エネルギー投入量は著しく、ほぼ半分に、減らすことができるからである。   This is possible by utilizing the heat exchanger according to the present invention without having to change other components in the cooling circuit. This result is surprising. This is because, by increasing the pressure loss in the heat transfer block, the pump power, and therefore the primary energy input, can be significantly reduced to almost half.

伝熱網の変更を補足して周辺部が適合され、つまりそこでは例えばエンジン、サーモスタット、ホース、タンクまたは類似物内の流れ抵抗が低減され、図5と図6に書き込まれた線が周辺部圧力損失37のパーセント値に応じて生じ、その際100%はシリーズ状態に相当する。   Complementing the heat transfer network, the perimeter is adapted, that is, for example, the flow resistance in an engine, thermostat, hose, tank or the like is reduced, and the lines written in FIGS. Depending on the percentage value of the pressure loss 37, 100% corresponds to the series state.

流体力学的直径が1.56mm、周辺部内での圧力損失が今日のシリーズと比較して80%である場合、冷却回路内の所要の流体力学的動力が約100ワットにすぎない測点38が得られる。   If the hydrodynamic diameter is 1.56 mm and the pressure loss in the periphery is 80% compared to today's series, a station 38 where the required hydrodynamic power in the cooling circuit is only about 100 watts is can get.

周辺部の他の構成要素内での圧力損失をさらに40%の値に下げると、冷却回路内の所要流体力学的動力が60〜70ワットにすぎない測点39が得られる。   Lowering the pressure loss in the other components of the periphery further to a value of 40% gives a station 39 where the required hydrodynamic power in the cooling circuit is only 60-70 watts.

書き入れられた状態点40も興味あるものであり、これは周辺部内での圧力損失を0%として計算された。測点40は伝熱ブロック内での約200mbarの圧力損失を示している。伝熱ブロック内での流れ抵抗を克服するのに必要な流体力学的動力が僅か30ワットであることが線図からわかる。   The written state point 40 is also of interest and was calculated with 0% pressure loss in the periphery. Station 40 shows a pressure loss of about 200 mbar in the heat transfer block. It can be seen from the diagram that the hydrodynamic power required to overcome the flow resistance in the heat transfer block is only 30 watts.

運転点34における流体力学的動力と運転点40における流体力学的動力との差から、周辺部内での流れ抵抗を克服するのに必要な流体力学的動力が明らかとなる。総動力としての約120ワットと伝熱ブロック内での流れ損失動力としての約30ワットとでもって、周辺部内で点34後の冷却回路用の流れ損失動力は約90ワットと算定される。   The difference between the hydrodynamic power at operating point 34 and the hydrodynamic power at operating point 40 reveals the hydrodynamic power necessary to overcome the flow resistance in the periphery. With about 120 watts as total power and about 30 watts as flow loss power in the heat transfer block, the flow loss power for the cooling circuit after point 34 in the periphery is estimated to be about 90 watts.

従来の冷却システムでは周辺部内での損失動力は約270ワットの総損失から25ワットのブロック損失を引いたもの、従って約250ワットである。   In conventional cooling systems, the power lost in the periphery is about 270 watts total minus 25 watts block loss, thus about 250 watts.

流体力学的直径を約2.5から約1.5mmに低減することによって伝熱ブロック内での流れ損失動力が著しく高められた一方、伝熱網内での総損失動力がかなり低下する。というのも、本発明に係る冷却システム内では所要の冷媒質量流量が少ないことによって総システム内での流れ損失を減らすことができるからである。   By reducing the hydrodynamic diameter from about 2.5 to about 1.5 mm, the flow loss power in the heat transfer block is significantly increased while the total power loss in the heat transfer network is significantly reduced. This is because the flow loss in the total system can be reduced by reducing the required refrigerant mass flow rate in the cooling system according to the present invention.

冷却回路内で冷媒を輸送するためにここでは電動式ポンプの利用も考慮に値する。   The use of an electric pump is also considered here for transporting the refrigerant in the cooling circuit.

冷却回路1内のポンプ6の寸法設計は臨界運転状態に依存している。ポンプは、臨界運転状況のときでもエンジンの確実な冷却を確保できるように設計されていなければならない。   The dimensional design of the pump 6 in the cooling circuit 1 depends on the critical operating conditions. The pump must be designed to ensure reliable cooling of the engine even in critical operating conditions.

電動ポンプが設けられる場合、今日必要とされる流体力学的動力において利用されねばならないのは、本発明に係る冷却システムで利用できるポンプよりも1等級ないし2等級大きいポンプであろう。   If an electric pump is provided, it will be one or two grades larger than the pump available in the cooling system according to the present invention that must be utilized in the hydrodynamic power required today.

400ワット以下または600ワット以下でさえある高いポンプ動力は自動車内に一層大きなゼネレータを必要とし、状況によっては12ボルトから24ボルトまたは42ボルトへと使用搭載電圧の変更を必要とする。それに加えてハーネスおよびコネクタの横断面とヒューズの強さを高電流に適合しなければならない。   High pump power, less than 400 watts or even less than 600 watts, requires a larger generator in the car and, depending on the situation, requires changing the onboard voltage from 12 volts to 24 volts or 42 volts. In addition, harness and connector cross sections and fuse strength must be adapted to high currents.

さらに、冷却回路内で電動ポンプを使用すると自動車設計者にとってポンプをエンジンにかかわりなく配置することが可能となる。これは設計自由度をもたらし、エンジンブロック自体の体積および重量を減らす。これはなかんずく自動車変形ゾーンの寸法、形状および位置を考慮すると重要である。   In addition, the use of an electric pump in the cooling circuit allows the vehicle designer to place the pump regardless of the engine. This provides design freedom and reduces the volume and weight of the engine block itself. This is especially important when considering the size, shape and position of the vehicle deformation zone.

電動ポンプが利用できる動力はエンジン回転数に左右されず、低いエンジン回転数のときでも確実な冷却は確保できる。   The power that can be used by the electric pump is not affected by the engine speed, and reliable cooling can be ensured even at a low engine speed.

そのような場合のために将来の自動車に電気冷媒ポンプが組付けられる場合、本発明に係る伝熱網を使用してこのポンプは一層小さく寸法設計することができ、機械的ポンプは省くことができる。   If an electric refrigerant pump is to be assembled in a future vehicle for such a case, the pump can be further dimensioned using the heat transfer network according to the present invention and the mechanical pump can be omitted. it can.

本発明に係る伝熱網は、例えば暖房回路または油回路等の副回路でも利用することができる。その場合にも、主冷媒ポンプもしくは当該副回路中にある補助ポンプを一層小さく寸法設計することが有利である。   The heat transfer network according to the present invention can be used in a sub circuit such as a heating circuit or an oil circuit. Even in that case, it is advantageous to design the main refrigerant pump or the auxiliary pump in the sub-circuit to a smaller size.

図5には冷却回路の所要の流体力学的ポンプ動力が管肉厚0.35mm用の伝熱ブロックの圧力損失との関係で示してある一方、図6には書き込まれたすべての運転点について管肉厚が0.26mmである同様の線図が示してある。   FIG. 5 shows the required hydrodynamic pump power of the cooling circuit in relation to the pressure loss of the heat transfer block for a tube wall thickness of 0.35 mm, whereas FIG. 6 shows all the operating points written. A similar diagram is shown with a tube thickness of 0.26 mm.

はっきり認めることができるように、伝熱網内でブロックの圧力損失もしくは使用される管の流体力学的直径に対して回路全体内で所要のポンプ動力の同様の曲線が得られる。   As can be clearly seen, a similar curve of the required pump power in the entire circuit is obtained for the block pressure drop or the hydrodynamic diameter of the tube used in the heat transfer network.

この線図の書き込まれたベース点30に相当する2.8mmの流体力学的直径を有する従来型管を利用する場合、高い流体力学的動力が必要となる。   When using a conventional tube having a hydrodynamic diameter of 2.8 mm corresponding to the base point 30 on which this diagram is written, high hydrodynamic power is required.

流体力学的直径がベース点30における2.8mmから測点33における2.27mmに低減すると、所要の流体力学的ポンプ動力は約300から約130ワットに低下する。流体力学的直径がさらに1.52mmに低下すると、測点34に示したような運転状態が得られる。   As the hydrodynamic diameter is reduced from 2.8 mm at base point 30 to 2.27 mm at station 33, the required hydrodynamic pump power is reduced from about 300 to about 130 watts. If the hydrodynamic diameter is further reduced to 1.52 mm, the operating condition as shown at station 34 is obtained.

所要の流体力学的動力は約95ワットであり、ベース点30では流体力学的動力の1/3に低減された。書き込まれた曲線48は、40%〜120%の間で変化する異なる周辺圧力損失のための最適条件を示す。   The required hydrodynamic power was about 95 watts and was reduced to 1/3 of the hydrodynamic power at the base point 30. The written curve 48 shows the optimal conditions for different ambient pressure losses varying between 40% and 120%.

図5の線図におけると同様に、図6の線図でも、流体力学的直径<約2mmについて冷却回路内で所要の流体力学的動力が強く減少して最適状態に達するまでになる一方、それよりなお小さな流体力学的直径については総損失が再び上昇することが明らかとなる。   As in the diagram of FIG. 5, in the diagram of FIG. 6, for the hydrodynamic diameter <about 2 mm, the required hydrodynamic power is strongly reduced in the cooling circuit until it reaches an optimum state. It becomes clear that for even smaller hydrodynamic diameters, the total loss rises again.

その原因は熱交換器内で過比例的に上昇する流れ損失であり、この流れ損失は、周辺部において一層少ない質量流量、従って一層小さい流速によって引き起こされる一層小さな流れ損失によってはもはや相殺できない。   The cause is a flow loss that rises proportionally in the heat exchanger, which can no longer be offset by a lower mass loss caused by a lower mass flow rate and hence a lower flow rate in the periphery.

結果として最適な流体力学的直径は<2mm、特に最適な流体力学的直径範囲は約0.5〜2mmである。約1〜1.7mmの範囲が特別適している。   As a result, the optimum hydrodynamic diameter is <2 mm, in particular the optimum hydrodynamic diameter range is about 0.5-2 mm. A range of about 1 to 1.7 mm is particularly suitable.

図5に書き込まれた限界線71は応用例においてエンジン上での10Kの冷媒温度差を示す。線71で示されたよりも高い圧力損失をブロック内に有する運転状態は、エンジン上での冷媒温度差が10Kよりも大きいことを示す。線71の(図5の向きにおいて)左側状態点は10Kよりも小さな温度差を有する運転状態を表す。   The limit line 71 written in FIG. 5 shows the refrigerant temperature difference of 10K on the engine in the application example. An operating condition with a higher pressure loss in the block than indicated by line 71 indicates that the refrigerant temperature difference on the engine is greater than 10K. The left state point (in the direction of FIG. 5) of line 71 represents an operating state with a temperature difference of less than 10K.

同様に、図6に書き込まれた限界線71は図5と同様にエンジン上での10K以上の冷媒温度差を示している。付加的に図6になお示してある限界線72はエンジン上での8Kの冷媒温度差もしくは温度勾配を示している。   Similarly, the limit line 71 written in FIG. 6 indicates a refrigerant temperature difference of 10K or more on the engine, as in FIG. In addition, the limit line 72, which is still shown in FIG. 6, indicates an 8K refrigerant temperature difference or temperature gradient on the engine.

限界線71、72によるものより大きな圧力損失を有する運転状態は、エンジン上でその都度明示された温度差(8Kもしくは10K等)よりも上の温度差を生じる。   An operating condition with a greater pressure loss than that due to the limit lines 71, 72 results in a temperature difference above the specified temperature difference (such as 8K or 10K) on the engine each time.

今日、許容温度差はエンジンまたは自動車の製造業者によって指定され、各温度限界線よりも小さな圧力損失を有する運転状態は一般に製造業者が許容している。それゆえに、(図6の線71または72に合わせて選択される温度差限界に応じて)当該限界線で示されたもの以下の圧力損失を有する運転状態が可能となる。   Today, the allowable temperature difference is specified by the engine or automobile manufacturer, and operating conditions that have a pressure drop below each temperature limit line are generally allowed by the manufacturer. Therefore, an operating state is possible that has a pressure loss equal to or less than that indicated by the limit line (depending on the temperature difference limit selected for line 71 or 72 in FIG. 6).

これは図6の限界線71の場合ブロック上で約340mbarである。線72によりエンジン上で冷媒の最大温度差が8Kの場合、ここに示した例では圧力損失が約210mbarである。しかしなお指摘しておくなら、別の温度差または別の実施例では別の値が現れることがある。   This is about 340 mbar on the block for the limit line 71 in FIG. When the maximum temperature difference of the refrigerant on the engine is 8K by the line 72, the pressure loss is about 210 mbar in the example shown here. However, it should be pointed out that other temperature differences or other values may appear in other embodiments.

同じ前提条件(冷却性能、管肉厚=0.26mm)のもとで、図7に示す線図は作成された。そこには、伝熱網内の3種類の管間隔もしくは管ピッチについて冷却回路内の流体力学的動力が管外面のフィン密度との関係で示してある。   The diagram shown in FIG. 7 was created under the same preconditions (cooling performance, tube thickness = 0.26 mm). There, the hydrodynamic power in the cooling circuit is shown in relation to the fin density on the tube outer surface for three types of tube spacing or tube pitch in the heat transfer network.

運転状態線41は或る管から次の管までの管間隔9.3mm、運転状態線42は管間隔7.3mm、運転状態線43は管間隔5.8mmについてそれぞれ算定されたものである。フィン密度が管長さ・直径当り65フィン超に高められると、フィン間隔9.3mmの場合まず所要ポンプ動力が約70〜75フィン/直径において低下する一方、フィン密度は一層高い方へと再び上昇する。   The operation state line 41 is calculated for a tube interval from one tube to the next tube, 9.3 mm, the operation state line 42 is calculated for a tube interval of 7.3 mm, and the operation state line 43 is calculated for a tube interval of 5.8 mm. When the fin density is increased to more than 65 fins per tube length / diameter, the required pump power decreases at about 70-75 fins / diameter at fin spacing of 9.3 mm, while the fin density increases again to a higher level. To do.

その場合所要の流体力学的動力が再び上昇する。なぜならば、なかんずく高いフィン密度に起因して冷却空気の自由流れ横断面が狭くなり、それゆえに伝達される熱出力が少なくなるからである。これにより伝熱網内で冷媒流を高めねばならず、こうして冷却回路内で流れ損失が増加する。   The required hydrodynamic power then rises again. This is because, inter alia, due to the high fin density, the free-flow cross section of the cooling air is narrowed and therefore the heat output transferred is reduced. This has to increase the refrigerant flow in the heat transfer network, thus increasing the flow loss in the cooling circuit.

その逆にフィン密度を下げると、外に伝達される熱出力が減少し、冷媒の流速は再び高められねばならない。   Conversely, if the fin density is lowered, the heat output transmitted to the outside decreases, and the flow rate of the refrigerant must be increased again.

管間隔が7.3mm、9.3mmの場合最適範囲は約70〜75フィン/直径・管長さである。   When the tube interval is 7.3 mm and 9.3 mm, the optimum range is about 70 to 75 fins / diameter / tube length.

管間隔5.8mmでは、利用可能な冷却空気自由横断面はフィン密度が小さい場合でも別の管間隔と比べて小さく、つまり5.8mm‐1.3mm=4.5mmである。それに対して管間隔7.3mmでは自由間隔が6.0mmである。   At a tube spacing of 5.8 mm, the available cooling air free cross section is small compared to another tube spacing even at low fin density, ie 5.8 mm-1.3 mm = 4.5 mm. On the other hand, when the tube interval is 7.3 mm, the free interval is 6.0 mm.

伝達能力を一定に保つために、冷媒管内の流速を高めて伝熱係数を高めねばならない。そのことから所要の流体力学的動力は別の管間隔の動力よりも上となる。   In order to keep the transmission capacity constant, the heat transfer coefficient must be increased by increasing the flow velocity in the refrigerant pipe. As a result, the required hydrodynamic power is above the power of the other tube spacing.

図7に示す運転状態では、管間隔9.3mmのとき約73フィン/直径の外側フィン密度が最適結果として生じよう。   In the operating state shown in FIG. 7, an outer fin density of about 73 fins / diameter will result in an optimal result when the tube spacing is 9.3 mm.

しかしながら冷却システムの設計時に他のパラメータも考慮しなければならない。これにはなかんずく冷却空気流量も含まれる。   However, other parameters must be considered when designing the cooling system. This includes, inter alia, the cooling air flow rate.

自動車内では、冷却器内を流れる冷却空気は冷媒冷却器を冷却するのに使用されるだけでなく、例えば空調装置回路等の他の回路を冷却するのにも利用することができる。   In an automobile, the cooling air flowing in the cooler is not only used to cool the refrigerant cooler, but can also be used to cool other circuits such as an air conditioner circuit, for example.

それゆえに、熱交換器での諸変更によって冷却空気流量が過度に強く変化、特に低減することのないことが大切である。増加は肯定的であることがある(しかし必ずしもではない)。   Therefore, it is important that the flow rate of the cooling air does not change excessively and is not particularly reduced due to various changes in the heat exchanger. The increase may be positive (but not necessarily).

冷却空気流量の変更概要を図8が示す。この線図には図7に示す管間隔についてそれぞれ冷却空気流量が外側フィン密度との関係で記載されている。   FIG. 8 shows an outline of the change in the cooling air flow rate. In this diagram, the cooling air flow rate is shown in relation to the outer fin density for each of the tube intervals shown in FIG.

状態点54は図7の状態点44に相当し、管間隔9.3mmとフィン数65/直径・管長さとについて求めたものである。   The state point 54 corresponds to the state point 44 in FIG. 7, and is obtained with respect to the tube interval of 9.3 mm and the number of fins 65 / diameter / tube length.

フィン密度が高いと冷却空気流量はすべての管間隔において強く減少する。そのことから明らかとなるように、ここに示す例において65/直径のフィン密度は9.3mmの管間隔を使用するとき最適である。というのも一方で冷却空気流量が1.5%強だけ高まるからである。当該状態点45における流体力学的動力は約105ワットである。   With high fin density, the cooling air flow rate decreases strongly at all tube intervals. As will become apparent, the 65 / diameter fin density in the example shown is optimal when using a tube spacing of 9.3 mm. This is because, on the other hand, the cooling air flow rate is increased by a little over 1.5%. The hydrodynamic power at the state point 45 is about 105 watts.

要約するなら、技術の現状と比較して著しく低減された流体力学的直径が約dhydr=1mm〜2mm、好ましくは1.1〜1.8mm、特別好ましくは1.1〜1.7mmの範囲内で選択されるとき、最適設計点が得られる。 If summary, significantly reduced hydrodynamic diameter as compared to the state of the art is about d hydr = 1 mm to 2 mm, the range preferably 1.1~1.8Mm, special Preferably the 1.1~1.7mm The optimal design point is obtained when selected within.

流体力学的直径のこのような低減から出発してフィン密度、肉厚および管間隔が好適に選択されると、技術の現状において従来公知のものよりもはるかに少ない流体力学的ポンプ動力を必要とする本発明に係る冷却システムにとって最適な設計点が(状況によっては反復的にも)得られる。   Starting from such a reduction in hydrodynamic diameter, if fin density, wall thickness and tube spacing are suitably selected, the state of the art requires much less hydrodynamic pump power than previously known. The optimum design point for the cooling system according to the present invention can be obtained (repeatedly depending on the situation).

ポンプ動力の低減は、冷却回路の伝熱網および他の構成要素の設計に応じて20%、50%、75%またはそれ以上とすることができる。   The pump power reduction can be 20%, 50%, 75% or more depending on the design of the heat transfer network and other components of the cooling circuit.

流体力学的直径の選択は、一方で伝熱網で流れ損失が過大となることによって、他方で冷媒質量流量が過度に減少することによって、下側で限定される。冷媒質量流量が少ない場合、被冷却エンジンの出口温度と入口温度との間の温度差は、全体として伝達される熱出力が一定しているので増加する。   The choice of hydrodynamic diameter is limited on the lower side, on the one hand by excessive flow losses in the heat transfer network and on the other hand by excessively reducing the refrigerant mass flow. When the refrigerant mass flow rate is small, the temperature difference between the outlet temperature and the inlet temperature of the engine to be cooled increases because the heat output transmitted as a whole is constant.

この点で従来はエンジン製造業者が約8〜約10Kの範囲内に指定限界を設けており、図6に示したような最低冷媒質量流量が確定している。しかしこの限界は状況によってはエンジンにとって危険なしに高めることができ、一層小さな流体力学的直径も可能と考えられる。   In this regard, conventionally, the engine manufacturer has set a specified limit within the range of about 8 to about 10K, and the minimum refrigerant mass flow rate as shown in FIG. 6 has been established. However, this limit can be increased without danger to the engine in some circumstances, and even smaller hydrodynamic diameters are possible.

図9には運転状態において冷却回路の総圧力損失に対する伝熱網内での圧力損失の割合(これは冷媒ポンプの吐出しヘッドに等しい)が伝熱管の流体力学的直径との関係で示してある。   FIG. 9 shows the ratio of the pressure loss in the heat transfer network to the total pressure loss of the cooling circuit in the operating state (this is equal to the discharge head of the refrigerant pump) in relation to the hydrodynamic diameter of the heat transfer tube. is there.

線61〜65は冷却回路周辺部における圧力損失率、すなわち伝熱網の外側における圧力損失を表す。   Lines 61 to 65 represent the pressure loss rate at the periphery of the cooling circuit, that is, the pressure loss outside the heat transfer network.

線64が今日のシステムの周辺部を表す一方、線61は今日のシステムに比べて40%の周辺部圧力損失を示している。線62は今日のシステムに比べて周辺部における60%の損失、線63は80%の損失、線65は120%の損失を表す。   Line 64 represents the periphery of today's system, while line 61 shows a 40% peripheral pressure loss compared to today's system. Line 62 represents 60% loss at the periphery, line 63 represents 80% loss, and line 65 represents 120% loss compared to today's systems.

今日の伝熱網はふつう、流体力学的直径が2.8mm以上である管機構を有する。今日の冷却システムの場合、伝熱網の圧力損失は冷却回路内の総圧力損失で測定して10%(dhydr=2.8)である。本発明に係る伝熱網を利用すると、流体力学的直径2mmのとき圧力損失は今日の周辺部材の利用時少なくとも12%であり、従ってかなり高い。 Today's heat transfer networks usually have a tube mechanism with a hydrodynamic diameter of 2.8 mm or more. For today's refrigeration systems, the pressure loss in the heat transfer network is 10% (d hydr = 2.8) measured in the total pressure loss in the cooling circuit. Using the heat transfer network according to the invention, the pressure loss is at least 12% when using today's peripheral members at a hydrodynamic diameter of 2 mm and is therefore quite high.

全冷却回路の圧力降下に占める伝熱網の割合20%も有利であり、特別有利には割合は25%、30%、40%またはそれ以上である。   A proportion of 20% of the heat transfer network in the total cooling circuit pressure drop is also advantageous, with particular preference being 25%, 30%, 40% or more.

本発明に係るシステムは伝熱網内での圧力損失が比較的大きい。これにより、伝熱網内での冷媒速度が高くかつ同時に伝熱網内側の伝熱が高い場合一層小さな冷媒質量流量が可能となる。熱交換器の外側で流速を下げることができ、所要の流体力学的動力が全体として低減する。   The system according to the present invention has a relatively large pressure loss in the heat transfer network. This allows a smaller refrigerant mass flow rate when the refrigerant speed in the heat transfer network is high and at the same time the heat transfer inside the heat transfer network is high. The flow rate can be reduced outside the heat exchanger, reducing the overall required hydrodynamic power.

図6〜図8から明らかとなる最適実験車両について、周辺部での損失が今日の現状の80%に下げられるとき、流体力学的直径dhydr=1.52の最適設計点と30%の損失割合が得られる。これは、例えば管路、タンク等の諸変更で可能である。 6-8, when the loss at the periphery is reduced to 80% of today's present situation, the optimum design point of hydrodynamic diameter dhydrr = 1.52 and the loss of 30% A percentage is obtained. This is possible, for example, by various changes such as pipes and tanks.

今日のシリーズの冷却回路における圧力損失は例えばホース内が4%、タンク内が15%、冷却網内が9%、直列に接続されたサーモスタット内が21%、エンジンブロック内が51%である。   The pressure loss in today's series cooling circuits is, for example, 4% in the hose, 15% in the tank, 9% in the cooling network, 21% in the thermostat connected in series, and 51% in the engine block.

周辺部内で変更することなく本発明に係る熱交換器を利用する場合、同じ流速においてエンジンブロック内、直列に接続されたサーモスタット内、タンク内および直列に接続されたホース内での圧力損失は一定に留まろう。   When using the heat exchanger according to the present invention without changing in the periphery, the pressure loss is constant in the engine block, in the thermostat connected in series, in the tank and in the hose connected in series at the same flow rate. Let's stay at.

伝熱の向上に起因して冷媒質量流量は減らすことができ、これにより流速が低下する。これにより周辺部での絶対損失が減少する一方、冷却網内での圧力損失は例えば9%から20%に、または30%にさえも、増加する。   Due to improved heat transfer, the refrigerant mass flow rate can be reduced, thereby reducing the flow rate. This reduces the absolute loss at the periphery, while the pressure loss in the cooling network increases, for example from 9% to 20% or even 30%.

その際、冷却網内で圧力損失率が増加するだけでなく、絶対圧力損失も増加することがある。この圧力損失増加は最適システム内では他の部材内での少ない圧力損失によって過補償される。   At that time, not only the pressure loss rate increases in the cooling net, but also the absolute pressure loss may increase. This increase in pressure loss is overcompensated in the optimum system by a small pressure loss in other components.

略示された本発明に係る冷却回路である。1 is a simplified cooling circuit according to the present invention. 本発明に係る熱交換器用の第1伝熱網を示す。1 shows a first heat transfer network for a heat exchanger according to the present invention. 本発明に係る第2熱交換器用の伝熱網を示す。The heat transfer network for the 2nd heat exchanger concerning the present invention is shown. 本発明に係る第3熱交換器用の伝熱網を示す。The heat transfer network for the 3rd heat exchanger concerning the present invention is shown. 第1管肉厚において最適な流体力学的直径を算定するための線図である。It is a diagram for calculating the optimum hydrodynamic diameter in the first tube thickness. 第2管肉厚において最適な流体力学的直径を算定するための他の線図である。It is another diagram for calculating the optimum hydrodynamic diameter in the second pipe wall thickness. 所定の管肉厚において最適なフィン密度を算定するための線図である。It is a diagram for calculating the optimum fin density at a predetermined tube thickness. 冷却空気流量と異なる管ピッチのフィン密度との関係を示す。The relationship between a cooling air flow rate and the fin density of a different pipe pitch is shown. 冷却回路内での総圧力損失に占める冷却器内での圧力損失の割合と流体力学的直径との関係を示す。The relationship between the ratio of the pressure loss in the cooler to the total pressure loss in the cooling circuit and the hydrodynamic diameter is shown.

符号の説明Explanation of symbols

1 冷却システム
2 熱交換器
3 伝熱網
4 タンク
5 エンジン
6 ポンプ
7 サーモスタット
8 バイパス
11 扁平管
12 奥行
13 最大幅
14 間隔
15 フィン
16 鰓体
17、25 肉厚
21 管
24 内周面
41、42、43 運転状態線
44、54 状態点
71、72 境界線

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cooling system 2 Heat exchanger 3 Heat transfer network 4 Tank 5 Engine 6 Pump 7 Thermostat 8 Bypass 11 Flat tube 12 Depth 13 Maximum width 14 Spacing 15 Fin 16 Housing 17, 25 Thickness 21 Pipe 24 Inner peripheral surface 41, 42 , 43 Operating state line 44, 54 State point 71, 72 Boundary line

Claims (13)

熱交換器、たとえば自動車の冷却回路(1)内で使用するための熱交換器(2)であって、少なくとも1つの伝熱網(3)を有し、この伝熱網が少なくとも1つの管機構(11)を含み、この管機構が2.0mm以下の特性流体力学的直径を有する熱交換器。 A heat exchanger, for example a heat exchanger (2) for use in a motor vehicle cooling circuit (1), having at least one heat transfer network (3), the heat transfer network having at least one tube A heat exchanger comprising a mechanism (11), wherein the tube mechanism has a characteristic hydrodynamic diameter of 2.0 mm or less. 少なくとも多数の実質同様な管機構(11)が設けられていることを特徴とする、請求項1記載の熱交換器。 2. A heat exchanger according to claim 1, characterized in that at least a number of substantially similar tube mechanisms (11) are provided. 少なくとも1つの管機構の少なくとも横断面(23)が、球形、円形、楕円形、長円形、角形、三角形、長方形、正方形横断面形状、前記横断面形状の丸味付け変更態様を含む1群の横断面形状から選定されていることを特徴とする、請求項1および/または請求項2記載の熱交換器。 A group of crossings, wherein at least the cross-section (23) of the at least one tube mechanism comprises a spherical, circular, elliptical, oval, square, triangular, rectangular, square cross-sectional shape, rounding variant of said cross-sectional shape The heat exchanger according to claim 1 and / or claim 2, wherein the heat exchanger is selected from a surface shape. 冷却媒体が冷媒の流れ方向に対して実質垂直に流れることを特徴とする、先行請求項の少なくとも1項記載の熱交換器。 The heat exchanger according to at least one of the preceding claims, characterized in that the cooling medium flows substantially perpendicular to the flow direction of the refrigerant. 管機構(12)の奥行と管機構(13)の幅との特性横断面比が1〜100、主に7〜50であることを特徴とする、先行請求項の少なくとも1項記載の熱交換器。 Heat exchange according to at least one of the preceding claims, characterized in that the characteristic cross-sectional ratio between the depth of the tube mechanism (12) and the width of the tube mechanism (13) is 1 to 100, mainly 7 to 50 vessel. 冷媒が主成分として水を含むことを特徴とする、先行請求項の少なくとも1項記載の熱交換器。 The heat exchanger according to at least one of the preceding claims, characterized in that the refrigerant contains water as a main component. 冷却媒体が気体、主に空気であることを特徴とする、先行請求項の少なくとも1項記載の熱交換器。 Heat exchanger according to at least one of the preceding claims, characterized in that the cooling medium is a gas, mainly air. 少なくとも1つの管機構(11)が、1.8mm以下または1.7mm以下または1.6mm以下またはそれ以下の特性流体力学的直径を有することを特徴とする、先行請求項の少なくとも1項記載の熱交換器。 The at least one tube mechanism (11) according to at least one of the preceding claims, characterized in that it has a characteristic hydrodynamic diameter of 1.8 mm or less or 1.7 mm or less or 1.6 mm or less or less. Heat exchanger. 冷却システム(1)であって、少なくとも1つのポンプ機構(6)と;少なくとも1つの伝熱網機構(3)を含む少なくとも1つの伝熱機構(2)と;少なくとも1つの熱源機構(5)とを有し、ポンプ機構(6)と伝熱機構(2)と熱源機構(5)が、冷媒を流通させる実質密閉された冷却回路(1)中に配置されており;伝熱機構の伝熱網機構(3)内での圧力損失が冷媒回路内での圧力損失の少なくとも12%の割合である冷却システム。 A cooling system (1) comprising at least one pump mechanism (6); at least one heat transfer mechanism (2) comprising at least one heat transfer network mechanism (3); and at least one heat source mechanism (5) And a pump mechanism (6), a heat transfer mechanism (2), and a heat source mechanism (5) are disposed in a substantially sealed cooling circuit (1) for circulating the refrigerant; A cooling system in which the pressure loss in the heat net mechanism (3) is at least 12% of the pressure loss in the refrigerant circuit. 伝熱網機構(3)の圧力損失が冷却回路(1)内での圧力損失の20%よりも大きいことを特徴とする、請求項9記載の冷却システム。 The cooling system according to claim 9, characterized in that the pressure loss of the heat transfer network mechanism (3) is greater than 20% of the pressure loss in the cooling circuit (1). 伝熱網機構(3)が管機構(11)を含み、少なくとも1つの管機構(11)が、流体力学的直径<2mmの管、ディンプル管、乱流化機構を備えた管機構等々を含む1群の管機構から選定されていることを特徴とする、請求項9および/または請求項10記載の冷却システム。 The heat transfer network mechanism (3) includes a tube mechanism (11), and at least one tube mechanism (11) includes a tube with a hydrodynamic diameter <2 mm, a dimple tube, a tube mechanism with a turbulent mechanism, etc. 11. Cooling system according to claim 9 and / or 10, characterized in that it is selected from a group of tube mechanisms. 冷媒流が少なくとも1回方向転換されることを特徴とする、請求項9〜11の少なくとも1項記載の冷却システム。 12. Cooling system according to at least one of claims 9 to 11, characterized in that the refrigerant flow is diverted at least once. 冷媒を移送するための電動式ポンプ機構が設けられていることを特徴とする、請求項9〜12の少なくとも1項記載の冷却システム。

The cooling system according to at least one of claims 9 to 12, wherein an electric pump mechanism for transporting the refrigerant is provided.

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