JP2005531747A - 自動車用熱交換器、特に給気冷却器 - Google Patents

Abstract

自動車用、好ましくは商用車用の熱交換器、特に給気冷却器であって、第１媒体用の第１集合箱および第２集合箱を有し、両方の集合箱が第１媒体用の各１つの第１媒体接続口を有しかつ少なくとも１つの熱交換要素を介して互いに連通接続されており、熱交換要素を受容し内部に第２媒体を案内するケーシングが第２媒体用第２媒体接続口を有する。ケーシング（８）は、その内部に少なくとも１つの集合箱（２、３）、主に２つの集合箱（２、３）を少なくとも部分的に、ケーシング内壁から少なくとも領域ごとに存在する距離で一緒に受容するように構成されている。

Description

本発明は、自動車用の熱交換器、好ましくは商用車用の熱交換器、特に給気冷却器であって、第１媒体用の第１集合箱および第２集合箱を有し、両方の集合箱が第１媒体用の各１つの第１媒体接続口を有しかつ少なくとも１つの熱交換要素を介して互いに連通接続されており、熱交換要素を受容し内部に第２媒体を案内するケーシングが第２媒体用第２媒体接続口を有するものに関する。

このような熱交換器は公知である。それらは自動車において冷却された給気を用意するのに役立つ。給気は冷却空気によって冷却され、車両の相対風またはファンから移送される周囲空気が冷却空気として利用される。公知熱交換器の両方の集合箱は例えば給気管を介して互いに結合されており、給気管の間に‐表面積拡大のために‐冷却フィンが配置されている。これらの冷却フィンは冷却空気を流通させ、給気管を受容するケーシングが設けられている。このケーシングは両方の集合箱の間の空隙を橋絡するケーシング壁によって形成される。冷却空気は給気管の縦伸長推移を横切って、一方の集合箱から横方向で距離を置いてケーシングに進入し、そこで９０°方向転換され、給気管の方向でケーシングを流通し、他方の集合箱から距離を置いて、給気管の縦伸長に直角な方向でケーシングから進出する。冷却空気の前記空気方向転換は比較的大きな圧力損失をもたらす。さらに冷却空気は給気管の全長とは接触しない。すなわち、各集合箱に隣接する給気管区域は冷却空気によって冷却されずまたは不十分に冷却される。それゆえに全体として効率は満足できるものでない。

本発明の課題は、構造形状を拡大することなくまた僅かな冷却空気需要のみできわめて良好な熱交換機能、特に冷却性能をもたらす熱交換器を提供することである。

この課題は、本発明によれば、ケーシングがその内部に少なくとも１つの集合箱、主に２つの集合箱を少なくとも部分的に、ケーシング内壁から少なくとも領域ごとに存在する距離で一緒に受容するように構成されていることによって解決される。本発明に係るこの構造様式は、熱交換要素、特に給気管の全長またはほぼ全長が第２媒体で負荷され、それゆえに相応に高い効率が達成されるように第２媒体接続口を配置することを可能とする。第２媒体接続口は例えば集合箱の領域で、第２媒体がまず外側で付属する集合箱の一部に沿ってまたは集合箱全体に沿って流れ、次に熱交換要素に衝突し、そこで相応に大きな区間にわたって熱交換を行うように、配置しておくことができる。媒体が次に他方の集合箱の領域に達すると、媒体はそこで少なくとも部分区間に沿って外側を流れ、第２媒体接続口を介して配置から進出する。少なくとも一方、主に両方の集合箱に対するケーシング内壁の少なくとも領域ごとに存在する距離によって、第２媒体が第２媒体接続口からケーシングに流入して熱交換器に達し得ることが確保されている。ケーシングからの第２媒体の流出についても同様のことがあてはまる。すなわち、このような場合第２媒体は熱交換器をその末端に至るまで流れることができ、その後にはじめて排出される。

本発明の１構成によれば、ケーシングが集合箱を完全に受容する。この配置は、一方で第２媒体と熱交換要素との極力大きな前記接触区間を提供し、さらに第２媒体の供給排出用の第２媒体接続口を圧力損失が極力僅かとなるように配置する可能性をもたらす。すなわち、第２媒体は１回または数回、顕著な圧力損失が生じるほど強くその方向を転換されることの極力ないようにされる。特に、第１集合箱が第２媒体接続口と熱交換要素との間、第２集合箱が他方の第２媒体接続口と熱交換要素との間にあるように２つの媒体接続口が両方の集合箱に付設されているようにすることができる。そのような場合、流入する第２媒体はまず集合箱に衝突し、これに沿ってまたはその周囲を流れ、次に熱交換要素に達し、そこから他方の集合箱に達し、そこでそれに沿ってまたはその周囲を流れ、次に第２媒体接続口に達し、これが第２媒体を排出する。流れ方向は第２媒体が第２媒体接続口の領域で熱交換要素内と同じ方向またはほぼ同じ方向を有するように選択されている。すなわち、媒体は‐技術の現状におけるように‐熱交換要素内の流れを横切ってではなく、同じ方向で供給排出される。それに応じて、特に各集合箱の沿流または周囲流が層状に起きるように、つまり第２媒体の実質無渦な流れが存在するように各集合箱の周囲流断面が形成されるとき、僅かな圧力損失が現れるだけである。

本発明の１構成によれば、集合箱内での第１媒体の流れ方向は熱交換要素内での第１媒体の流れ方向を横切って、特に直角に延びている。第１媒体はそれゆえに第１集合箱に流入し、集合箱内での流れ方向を横切ってそこから進出し、つまり集合箱内で方向転換され、特に直角に方向転換され、熱交換要素を流通し、第２集合箱に衝突する。そのなかで再び集合箱の縦伸長方向で方向転換が起き、特に直角に方向転換する。第１媒体は次に第２集合箱から進出する。第１媒体の単数または複数の方向転換はあまり重要ではない。というのもそれは主に熱交換器を形成する給気冷却器の給気であり、給気は高圧で現れ、それゆえに方向転換に起因した圧力損失を甘受できるからである。このことは本発明によれば第２媒体、例えば給気冷却器の冷却空気には妥当しない。というのもこの冷却空気は例えばそれが相対風またはファンから移送される周囲空気である場合圧力が低いからである。

第２媒体接続口が熱交換要素内での第１媒体の流れ方向の方向またはほぼその方向を向いていると有利である。これは既に先に言及したことである。すなわち、熱交換要素に接近もしくは離反して流れるとき第２媒体は両方の集合箱の周囲を流れる。

第１媒体接続口が熱交換要素内での第１媒体の流れ方向を横切って、特に直角に向いているようにすることができる。このことも既に言及したことである。第１媒体は第１媒体接続口を通過後に第１集合箱内で方向転換され、次に熱交換要素を通過し、第２集合箱内に達し、再度の方向転換によって他の第１媒体接続口に達し、これが第１媒体を排出する。

特に、ケーシングが‐横断面で見て‐骨形状を有し、またはその造形が骨形状に近似しているようにすることができる。骨形状の両方の厚肉部領域に第１、第２集合箱が配置されている。すなわち、各厚肉部が付属する集合箱を有し、ケーシングが各集合箱から距離を有し、ケーシング内部で第２媒体は各集合箱の外側をそれに沿って流れることができる。骨形状を形成する両方のケーシング厚肉部の間に薄肉領域があり、この領域に熱交換要素がある。

本発明の１構成によれば、ケーシングの壁が熱交換要素に密着している。これらの壁はケーシングの側壁であり、底壁および蓋壁でもある。この密着により第２媒体は第１媒体と集中的に熱交換接触することになり、ケーシングの内壁に沿って流れるが第１媒体との十分な熱交換接触を維持しない媒体誤流が生じることはない。

本発明の１構成によれば、ケーシングがファンのファンケーシングのケーシング区域を形成するようにすることができる。従って本発明に係る熱交換器はファンのケーシングに一体化されている。すなわち、ファンケーシング全体がファンのファンホイールを有し、熱交換器も有し、これによりきわめて省スペースな構造形状が達成されている。ファンケーシングは好ましくは渦巻ケーシングとして構成しておくことができる。

熱交換器が向流式熱交換器として構成されていると特別好ましい。すなわち、熱交換要素の領域で第１媒体と第２媒体が互いに逆方向に流れ、少ない冷却空気容積流において高い熱交換度が達成されている。しかし選択的に、熱交換器を並流式熱交換器として構成しておくことも可能である。すなわち、第１媒体と第２媒体は熱交換要素内で同じ方向に流れる。最後に、前記両方の可能性を混合した構造態様も可能である。すなわち、部分区域は向流式、別の部分区域は並流式に流通させる。付加的にまたは選択的に、直交流式熱交換器を構成しておくことも考えられる。

図面を基に本発明の実施例を具体的に説明する。

図１に示す熱交換器１は商用車の給気冷却器として役立つ。熱交換器１は第１媒体４用の第１集合箱２とこれから離間した第２集合箱３とを有する。第１媒体４は給気５である。給気５は第２媒体６によって冷却されねばならない。第２媒体６は冷却空気７であり、相対風によって形成されおよび／または図示しない送風機によって吸引される空気である。両方の集合箱２、３は管状に、卵形横断面で構成されている。その縦伸長は図１の図示平面に垂直である。

熱交換器１がケーシング８を有し、これは‐図１の縦断面で見て‐骨形状である。ケーシング８の２つの厚肉領域９、１０の間に薄肉領域１１があり、この薄肉領域内でケーシング８は２つの平らな壁１２、１３を有する。厚肉領域９、１０において各平らな壁１２、１３は凸面湾曲壁１４、１５もしくは１６、１７に移行している。ケーシング８が成端している領域１８、１９は‐図１の縦断面で見て‐領域１１よりも薄く、各１つの正面２０もしくは２１を有する。凸面湾曲壁１４、１５、１６、１７は各集合箱２もしくは３に対し距離ａで延びており、流路２２〜２５は集合箱１、２の領域内に、後者がケーシング８の内部で外周に流すことができるように構成されている。骨形状を形成することになる厚肉領域９、１０がそのことを可能にする。

詳しくは図示しない第１媒体接続口２６によって第２集合箱３に給気５が‐図１の図示平面に垂直に‐供給される。従って給気５は第２集合箱３内を上昇し、次に第１集合箱２の方向に９０°方向転換される。給気は両方の集合箱３、２の間にある熱交換要素２７を通過する。そのことが破線の矢印２８で示唆してある。熱交換要素２７を通過後に給気５は第１集合箱２に進入し、そこで９０°下方に方向転換され、詳しくは図示しない第１媒体接続口２９を通して集合箱２から進出する。熱交換要素２７は、互いに平行に延びて両方の集合箱２、３を連通接続する給気管によって形成しておくことができる（詳しくは図示しない）。給気管は集合箱２、３の縦伸長に直角に延びている。相互に離間した個々の給気管の間に‐表面積拡大のため‐冷却空気フィンを配置しておくことができ、冷却空気フィンは給気５の方向とは逆に冷却空気７を流通させ、熱交換要素２７内で集中的熱交換が起き、給気５が冷却空気７によって冷却されることになる。このため冷却空気７は領域１８の正面２０にある第２媒体接続口３０によってケーシング８の内部に導入され、両方の流路２２、２３を通過し、従って少なくとも部分的に第２集合箱３の周囲を流れる。冷却空気７は次に熱交換要素２７に進入し、向流原理でこの部材を流通する。すなわち、給気５の流れ方向は冷却空気７の流れ方向とは逆である。冷却空気７は第２集合箱３の領域で熱交換要素２７から進出し、流路２４、２５に流入する。すなわち、集合箱３は両側で周囲に流す。冷却空気７は次に、冷却空気７を排出するための第２媒体接続口３１が形成されている領域１９の正面２１に達する。

図１からはっきり読み取ることができるように、冷却空気７は熱交換器１の領域ではさしたる方向転換を受けず、熱交換要素２７の領域ではまったく受けない。両方の集合箱２、３の転換流は確かに冷却空気７の一定の方向変更で行われるのではあるが、層流を形成できるのでこの方向変更は顕著な圧力損失を生じない。従って両方の第２媒体接続口３０、３１は熱交換要素２７の内部で給気５、冷却空気７の流れ方向の方向を向く。

図２は熱交換要素２７のディスク輪郭を平面図で示す。すなわち、熱交換要素２７は積層ディスク構造様式に実現されている。このため個々のディスク（異形アルミニウム板）が交互に積み重ねられ、ディスクは‐接続口を形成しかつ両方の集合箱２、３を形成するために‐カップおよび通路を備えている。これは基本的に公知である。積み重ねるときカップ／通路がカップ／通路に、次に、次の対の縁が縁等に重ねられかつろう接される。この積み重ねによって図５の熱交換要素２７において交互に冷却空気フィン３２、給気フィン３３が、次に再び冷却空気フィン３２、‐それに続いて‐給気フィン３３等が構成される。図５からわかるように、２つの半殻３４、３５を重ねることによって熱交換要素２７の領域に給気５用流路が形成される。隣接する給気フィン３３は最初に指摘した給気フィン３３から距離を有し、その間に冷却空気フィン３２が形成され、この冷却空気フィンは冷却空気７を向流で流通させることができる。集合箱２、３の領域で給気５および冷却空気７を熱交換要素２７の内部でそれぞれの流路に供給できるようにするために、図６のディスク構造様式によれば、給気フィン３３がそこで‐集合箱２もしくは３を形成するために‐互いに結合され、給気５は隔絶されて冷却空気フィン３２を通過して給気フィン３３の領域に流入し、次に相応に‐いわば図６の板平面内に‐分割されて熱交換要素２７を通過する。他方の集合箱の領域でも同様のことが起き、そこでは給気が再び一つにされて一緒に排出される。冷却空気フィン３２は流路２２〜２５と接続されており、すなわちそこを冷却空気５が通過する。

図３、図４からは、積層ディスク構造態様の前記熱交換器１の構造全体が詳細に明らかとなる。図３は熱交換要素２７を取り囲むケーシング８を示しており、ケーシング８は直径上で向き合う末端に第２媒体接続口３０、３１を有する。さらに、集合箱２、３に通じた第１媒体接続口２６、２９を認めることができる。

図４から読み取ることができるように、熱交換要素２７から来る給気５は給気フィン３３によって導かれ、‐矢印３５に従って‐集合箱２から排出される。それに対して給気フィン３３の間にある冷却空気フィン３２は矢印３６に従って冷却空気７を‐向流原理で‐案内する。

図２〜図４の実施例でも、熱交換要素２７に流入するのに冷却空気７を方向転換させる必要がなくまたはごく僅かに方向転換させる必要があるだけであり、圧力損失がごく僅かに現れるだけであることが確保されている。

図７はファン３７とファンケーシング３８とファンホイール３９とを示す。前記実施例によればファンケーシング３８に熱交換要素２７が一体化され少なくとも部分的に受容されており、ファンケーシング３８の内部で案内される冷却空気７は図７から明らかとなる矢印に従って熱交換要素２７を流通できる。熱交換要素２７は積層構造様式に基づいて一体化された集合箱２、３とその間にある冷却空気フィン３２と給気フィン３３とを有し、そこで案内される給気流が冷却空気７によって冷却される。ケーシング３８は主に渦巻ケーシング４０として構成されている。

その造形が骨形状に近似された熱交換器の縦断面図である。 熱交換器熱交換要素のディスク輪郭を一部断面で示す平面図である。 一部切欠いた熱交換器の他の実施形態を示す。 図３の熱交換器の拡大細部図である。 図２のＶ‐Ｖ線に沿った断面図である。 図２のＶＩ‐ＶＩ線に沿った断面図である。 ファンのファンケーシングに一体化された熱交換器の他の実施例を示す。

符号の説明

１ 熱交換器
２ 第１集合箱
３ 第２集合箱
４ 第１媒体
５ 給気
６ 第２媒体
７ 冷却空気
８ ケーシング
９、１０ 厚肉領域
１１ 薄肉領域
１２、１３ 壁
１４、１５、１６、１７ 凸面湾曲壁
２６、２９ 第１媒体接続口
２７ 熱交換要素
３０、３１ 第２媒体接続口
３２ 冷却空気フィン
３３ 給気フィン
３７ ファン
３８ ファンケーシング
３９ ファンホイール
４０ 渦巻ケーシング

Claims (14)

1. 自動車用の熱交換器、好ましくは商用車用の熱交換器、特に給気冷却器であって、第１媒体用の第１集合箱および第２集合箱を有し、両方の集合箱が第１媒体用の各１つの第１媒体接続口を有しかつ少なくとも１つの熱交換要素を介して互いに連通接続されており、熱交換要素を受容し内部に第２媒体を案内するケーシングが第２媒体用第２媒体接続口を有するものにおいて、ケーシング（８）がその内部に少なくとも１つの集合箱（２、３）、主に２つの集合箱（２、３）を少なくとも部分的に、ケーシング内壁から少なくとも領域ごとに存在する距離で一緒に受容するように構成されていることを特徴とする熱交換器。
2. ケーシング（８）が集合箱（２、３）を完全に受容することを特徴とする、請求項１記載の熱交換器。
3. 第１集合箱（２）が一方の第２媒体接続口（３０）と熱交換要素（２７）との間、第２集合箱（３）が他方の第２媒体接続口（３１）と熱交換要素（２７）との間にあるように、第２媒体接続口（３０、３１）が両方の集合箱（２、３）に付設されていることを特徴とする、先行請求項のいずれか１項記載の熱交換器。
4. 集合箱（２、３）内での第１媒体（４）の流れ方向が熱交換要素（２７）内での第１媒体（４）の流れ方向を横切って、特に直角に延びていることを特徴とする、先行請求項のいずれか１項記載の熱交換器。
5. 第２媒体接続口（３０、３１）が熱交換要素（２７）内での第１媒体（４）の流れ方向の方向またはほぼその方向を向いていることを特徴とする、先行請求項のいずれか１項記載の熱交換器。
6. 第１媒体接続口（２６、２９）が熱交換要素（２７）内での第１媒体（４）の流れ方向を横切って、特に直角に向いていることを特徴とする、先行請求項のいずれか１項記載の熱交換器。
7. 第１媒体接続口（２６、２９）が集合箱（２、３）の縦伸長方向またはほぼその方向を向いていることを特徴とする、先行請求項のいずれか１項記載の熱交換器。
8. 各第１媒体接続口（２６、２９）が付属する第１もしくは第２集合箱（２、３）の縦伸長と一直線に並ぶことを特徴とする、先行請求項のいずれか１項記載の熱交換器。
9. ケーシング（８）が‐縦断面で見て‐骨形状を有し、またはその造形が骨形状に近似していることを特徴とする、先行請求項のいずれか１項記載の熱交換器。
10. ケーシング（８）の壁（１２、１３）と付属する底壁および蓋壁が熱交換要素（２７）に密着していることを特徴とする、先行請求項のいずれか１項記載の熱交換器。
11. ケーシング（８）がファン（３７）のファンケーシング（３８）のケーシング部分を形成することを特徴とする、先行請求項のいずれか１項記載の熱交換器。
12. ファンケーシング（３８）が渦巻ケーシング（４０）として構成されていることを特徴とする、先行請求項のいずれか１項記載の熱交換器。
13. 熱交換器が向流式熱交換器として構成されていることを特徴とする、先行請求項のいずれか１項記載の熱交換器。
14. 熱交換器が並流式熱交換器として構成されていることを特徴とする、先行請求項のいずれか１項記載の熱交換器。
    
    

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