JP2006513395A - 部分水路を備えた空気/水・熱交換器 - Google Patents

部分水路を備えた空気/水・熱交換器 Download PDF

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    • F28F2250/10Particular pattern of flow of the heat exchange media
    • F28F2250/102Particular pattern of flow of the heat exchange media with change of flow direction

Abstract

本発明は、モジュール構造またはモジュールブロック構造における、ガス状の媒体と液状の媒体との間の熱交換のための向流型積層熱交換器に関する。この場合、2つの空気流れ領域(2)の間のモジュール領域が、水流れ通路(5)を備えた水流れ領域(3)を有しており、水流れ通路(5)が、空気入口から空気出口まで1つのレベルに配置されている。この場合、特に当該熱交換器(1)を通る水路が、少なくとも1つの区分/領域(A1,A2)で、平行な複数の水流れ通路(5)の接続によって平行な複数の部分水路に、特に所望のまたは要求された水当量比を生ぜしめるために分割可能である/分割されている。さらに、本発明は、熱交換器を運転するための方法に関する。

Description

本発明は、有利にはモジュール構造またはモジュールブロック構造で形成された、ガス状の媒体と液状の媒体との間の熱交換のための熱交換器、特に向流型積層熱交換器ならびに熱交換器を運転するための方法に関する。
このような形式の熱交換器は、熱量とその温度ポテンシャルとを一方の熱担持媒体から他方の熱担持媒体に移動させるために使用される。この場合、一方の媒体は、有利にはガス、特に空気であり、他方の媒体は、液状の媒体、有利には水または水・凍結防止剤混合物もしくは別の適切な液状の流体である。一般的な空気/水・グリコール・熱交換器がしばしば使用される。
ガス状の媒体と液状の媒体との間の熱交換のためのこのような形式の熱交換器の構造は、ガス側もしくは液体側での極めて大きな体積流差による構造上の強制を受ける。この強制は、異なる媒体の著しく異なる熱容量によって生ぜしめられ、効果的な熱交換、特に回収技術のために、使用される両媒体の熱容量流を同じにしたいという事実から生ぜしめられる。
熱容量流の比は、たとえば空気/水・熱交換器では、いわゆる「水当量比」によって表される。この水当量比(凝縮物沈殿なし)w=mLuft×cLuft/mWasser×cWasserは、可能な限り効果的な熱交換および温度ポテンシャル交換を可能にするために、理想的にはw=1であることが望ましい。この場合、mは質量を意味しており、cは相応の媒体の比熱容量を意味している。凝縮物沈殿時には、cLuftの代わりに、エンタルピ差が重要となる。
各熱容量における極めて大きな差によって、たとえば空気/水・熱交換器の特殊な使用事例では、単位時間あたり約3400空気体積割合に対する、単位時間あたり約1水体積割合の体積流差が生ぜしめられる。
しばしば、熱交換器の顧客特有の構造では、空気体積流と熱交換器モジュールの外側の寸法とが顧客側によって設定され、これによって、このために、適宜な水体積流が検出され、構造的に変換されなければならない。この場合、特に僅かな空気体積流および、たとえば8〜15mmの内径の通常の水管横断面を備えた熱交換器の構造では、必要となる水体積流において流速が過度に僅かになり、これによって、熱移行抵抗が管内側で高められ、これによって、熱伝達が極めて激しく減少させられることが生ぜしめられ得る。
流速が僅かな場合の熱伝達の減少の結果、水管の内部での流速が僅かな場合に、ほぼ放物線状の流速プロフィルを備えた層流が生ぜしめられる。この流速プロフィルでは、水の流速が管内側で最も僅かとなり、これに相応して、別の効果的な熱伝達を阻止する断熱性のクッションが形成される。
この理由から、熱交換器装置の顧客特有の注文時には、水当量比を最適な値に調整しかつ十分に高い水流速を実現するために、熱交換器が構造的に顧客設定に個々に適合されなければならない。
公知先行技術では、たとえばドイツ連邦共和国特許出願公開第3325230号明細書に基づき、有効な管横断面を人為的に減少させ、これによって、体積流をコンスタントにして、流れる媒体の流速を高めるために、液体案内管の内部に挿入された充填体を設けることが公知である。しかし、熱交換器の管内へのこのような充填体の挿入は、構造的に極めて手間がかかり、さらに、充填体に、目詰まりおよび最終的に熱交換器の故障を生ぜしめる不純物が堆積するという危険をはらんでいる。
さらに、たとえば前述した刊行物に基づき、最適な水当量比を、高点で噴出する接続部によって実現することが公知である。しかし、これによって、空気流れ方向で、この空気流れ方向に対して横方向に延びる管のため、より高い空気流れ抵抗が生ぜしめられる。
本発明の課題は、熱容量流の所要の比、媒体案内管の内部での液状の媒体の十分な流速ならびに高い効率および容易な清浄化を構造的に簡単に確保することができる、特にモジュール構造における自在の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、熱交換器がもしくはモジュール構造では熱交換器の2つの空気流れ領域の間のモジュール領域が、水流れ通路を備えた水流れ領域を有しており、水流れ通路が、有利には空気入口から空気出口まで1つのレベルに配置されていることによって解決される。
すでに空気流れ領域と水流れ領域とへの分割によって、空気流れ領域の内部に管が設けられておらず、これによって、空気が空気流れ領域の内部で妨害されずに熱交換器を通って流れることができることが生ぜしめられる。1つのレベルに位置する、特に空気流れ方向で見て全て平行に連続して、有利には技術的に可能な限り密に配置された水流れ通路を備えた水流れ領域の内部への有利な配置形式によって、空気流れ抵抗が減少させられる。なぜならば、主として、空気流れ方向で見て第1の水流れ通路しか空気によって流過されないからである。この場合、隣り合った2つの流れ通路の間の中間スペースは、有利には1つの流れ通路の幅の半分もしくは直径の半分よりも小さくなる。
さらに、この構造では、熱交換器を通る水路が、少なくとも1つの区分/領域で、平行な複数(少なくとも2つ)の水流れ通路の接続によって平行な複数の部分水路に分割可能であるかもしくは分割されていると有利である。
このように形成された熱交換器によって、所望のもしくは要求された水当量比もしくは一般的には熱容量流比を、特に十分な流速を水流れ通路の内部に達成して生ぜしめることが簡単に可能となる。さらに、水流れ通路を1つのレベルに配置することによって、熱交換器を他の装置なしに極めて簡単に空気抜きすることができると共に空にすることができるという有利な作用が生ぜしめられる。
熱交換器のこの構造によって、必要となる空気流過面もしくはこれに基づき生ぜしめられる空気体積流に応じて、十分に高い流速を備えた所要の水体積流に個々に適合される標準熱交換器を提供することができる。この場合、このような形式の熱交換器モジュールの手間のかかる周辺構造または新規構造は不要となる。
この構造における本発明による主要な思想は、本発明による熱交換器が、相並んで配置された、特に平行な複数の水流れ通路を有しており、これらの水流れ通路が、直交流・向流原理で水を、特に1つのレベルで熱交換器を通して案内することから生ぜしめられる。熱交換器を通る水路は、向流原理に相応して、熱交換器の空気出口から空気入口にまで通じている。この場合、水流れ通路は流れ方向に対して横方向に位置しており、これに相応して、水路もしくは空気と逆方向に流れる水が同時に空気流と複数回交差する。これによって、前述した直交流・向流原理が生ぜしめられる。
いま、空気流と交差する複数の水流れ通路が熱交換器の少なくとも1つの区分/領域で平行に統合されると、この統合によって、水路を平行な複数の部分水路に分割することができる。この場合、各部分水路は1つの水流れ通路を通って延びている。これによって、熱交換器の内部の水路における有効な横断面を効果的に拡大させることができる。なぜならば、水路の有効な横断面が個々の部分水路もしくは水流れ通路の横断面の合計によって生ぜしめられるからである。
すなわち、たとえば各水流れ通路が同一の横断面(円形の管では同一の直径)を備えていると、たとえば2つの水流れ通路の平行な統合ひいては空気流と交差する平行な2つの部分水路への水路の分割において、水路の有効な横断面をただ1つの水流れ通路に比べて二倍にすることができる。このことは、さらに多くの水流れ通路の統合の場合にも当てはまる。
この場合、水流れ通路の統合は、平行に相並んで配置された、統合された少なくとも2つの水流れ通路内で水が同一の方向に流れかつ空気流と交差するように行われる。
この構造によって、自在に使用可能な熱交換器が生ぜしめられる。なぜならば、たとえば僅かな空気体積流と、これに基づき生ぜしめられる僅かな水体積流とを伴う小さな熱交換器モジュールでは、水流れ通路の統合もしくは複数の部分水路への水路の分割を省略することができるかまたは、十分に高い流速を各水流れ通路によって保証するために、ほんの僅かな流れ通路しか統合されないからである。
これに対して、たとえば、水当量比を維持するために、水体積流の変化も招く空気横断面が著しく拡大されると、複数の水流れ通路を1つの水路に対して平行に接続技術的に統合することができるかもしくは熱交換器を通る水路が、少なくとも1つの区分で複数の部分水路に分割され、これによって、単位時間あたり、より大きな水体積を使用することができる。これによって、水の流速は、統合された部分水路の内部で増加させられない。
これに相応して、このような本発明による構成によって、熱交換器の、設定された空気流過面に対してもしくはコンスタントな熱交換器高さでは、熱交換器の、設定された幅に対して、熱交換器を通って流れる単位時間あたりの所要の水量を、特に1つのレベルに連続して位置する平行な複数の部分水路もしくは流れ通路への水路の分割によって調和させることができる。逆に、1つの流れ通路内の可能な限り僅かな部分水量の選択と、流れ通路の、場合によって行われ得る統合とによって、任意の各空気量/モジュールもしくはモジュール幅またはモジュール面を達成することができる。
さらに、平行な複数の流れ通路への水路の分割時に、各水流れ通路の横断面を減少させることができるという事実に基づき、空気流れ方向に、この空気流れ方向に対して横方向に位置する水流れ通路のより僅かな流過面が生ぜしめられ、これによって、連続して位置する可能な限り多くの水流れ通路のこの配置形式により、熱交換器のより僅かな空気流抵抗が運転中に達成される。これに相応して、この構造によって、極めて効果的な熱交換器を製作することができる。
第1の構成では、熱交換器モジュールは、空気流れ領域と水流れ領域とが、別個の製造ユニットとしてのそれぞれ分離された空気流れユニットと水流れユニットとから形成されているように形成されていてよい。こうして、本発明による熱交換器を、2つの空気流れユニットと、両空気流れユニットの間に配置された1つの水流れユニットとの接合によって形成することができる。この場合、十分な熱伝達を生ぜしめることができる。この場合、必要となる熱伝達は、個々の製造ユニット相互の熱技術的に適切な種々異なる結合手段、たとえば溶接、ろう接、接着、圧締、すり合わせ等によって行うことができる。
水流れ領域が、内部に配置された水流れ通路を備えた熱伝導プレートの形で形成されていると特に有利である。この熱伝導プレートに設けられた水流れ通路の横断面が小さく選択されればされるほど、熱伝導プレートの厚さがますます僅かになり、空気流れ方向での熱伝導プレートの空気流れ抵抗がますます僅かとなる。
この場合、熱伝導プレートの形成は種々異なる形式で行うことができる。たとえば、第1の択一的な構成では、熱伝導プレートが、相並んで平行に配置された複数の水流れ通路を有する中実材料から形成されていてよい。これらの水流れ通路は、たとえば孔または異なる性質の通路によって中実材料の材料厚さの内部に実現されている。
別の第2の択一的な有利な構成では、熱伝導プレートが、たとえば平行に相並んで配置された、互いに結合された複数の方形管から形成されていてよい。この場合、有利には、方形管の内部に平行な複数の流れ通路が形成されていてよい。これらの流れ通路は一緒に1つの水路を形成している。方形管は、たとえば接着、溶接、ろう接、溝/キー等によって互いに結合することができ、したがって、並置時には、個々の各方形管の高さに相当する高さを有する熱伝導プレートを形成することができる。
この場合、個々の方形管は、平らな2つの表面を備えた、それぞれ空気流れユニットを配置することができる熱伝導プレートを最終的に形成するために、有利には、それぞれ同一の構造高さを有している。有利には、方形管は同じ構造高さで異なる幅ひいては横断面を有していてよい。さらに、この場合、管は幅に応じて、内部に位置する異なる数の流れ通路を有することができる。
別の第3の択一的な構成では、熱伝導プレートを、互いに結合可能なもしくは結合された2つの部分プレートから形成することが提案されていてよい。両部分プレートはその成形構造によって接合時に、両部分プレートの間に配置された水流れ通路を形成している。
したがって、たとえば、部分プレートが、それぞれ互いに向かい合った内面に通路壁形成ウェブを有しており、これによって、両部分プレートの接合時に水流れ通路が形成されることが提案されていてよい。また、部分プレートは金属薄板として形成することができる。この金属薄板には凹部が打ち抜かれている。この凹部はやはり個々のプレートの接合時に通路を形成している。ここでは、熱伝導プレートを構造的に形成するために、任意の種々異なる構造的な手段が可能となる。
ここに説明した本発明は、前述した3つの択一的なかつ有利に使用される構造可能性に限定されていない。当業者の好みで、適切な熱伝導プレートを形成することがある。この熱伝導プレートは、平行に相並んで配置された複数の水流れ通路を有している。これらの水流れ通路自体は互いに統合可能であるかもしくは統合されており、これによって、複数の部分水路への水路の所望の分割が得られる。
前述した伝導プレートの形で水流れ領域を形成することによって、空気流れユニットと水流れユニットとの接合時に自動的に両空気流れユニットの間の分離が生ぜしめられ、これによって、一方の空気流れユニット内で流れる空気が他方の空気流れユニットにオーバフローし得ない。このオーバフローは、構造的に自体閉鎖された熱伝導プレートによって阻止され、これによって、たとえば複数の薄板から形成することができる空気流れユニットに効果的に、自体閉鎖された空気流れ通路が生ぜしめられる。
単に互いに接合された熱交換器薄板が、空気流れ方向に対して横方向に延びる管によって貫通された慣用の構造に比べて、ここに提案された構造では、著しく僅かな圧力損失が空気側に生ぜしめられる。なぜならば、空気が、横方向に延びる管に衝突することなしに、妨害されずに、形成された空気流れ通路を通流することができるからである。直交向流原理での慣用の熱交換器に比べて僅かなこの圧力損失によって、このような熱交換器の、エネルギを節約した著しく経済的な作業形式が生ぜしめられる。
この構造の別の利点は、空気流れユニットの内部の万が一の汚染堆積物を簡単に個々の空気流れ通路から除去することができることである。なぜならば、清浄化のために使用される空気流が、たとえば高圧送風機または清浄化用蒸気噴流によって空気流れ通路の内部でこの通路に沿って流れ続け、隣り合った領域には逃げ出し得ないからである。これに相応して、熱交換器の始端部で導入された空気流は、その流れ方向が変えられ得ることなしに、熱交換器の、対応する後方の端部で最終的に流出するようになる。
これに相応して、前述した構造によって、公知先行技術に比べて特別な清浄化可能性および卓越したエネルギ効率が生ぜしめられる。
空気流れ領域および水流れ領域のための別個の製造ユニットを備えた前述した第1の択一的な構成に比べて、第2の択一的な構成では、空気流れ領域と水流れ領域とが、特に特殊に成形された個々の熱伝導薄板の接合によって形成されていることが提案されていてよい。これに相応して、このような熱伝導薄板は種々異なる区分を有している。この場合、有利には、少なくとも2つの区分が空気流れ領域の部分領域を形成しており、少なくとも1つの区分が水流れ領域の一部領域を形成している。これに相応して、特に同一の複数の熱伝導薄板の接合によって、完全に形成された空気流れ領域および水流れ領域を備えた本発明による熱交換器が生ぜしめられる。
このためには、1つの薄板の内部の薄板面に対して垂直に複数の孔が設けられていてよい。これらの孔は複数の薄板の接合時に互いにそれぞれ整合していて、これによって、水流れ通路を形成しているかもしくは切欠きを形成している。この切欠き内には、別個の管を挿入することができる。この管は、熱伝導性に薄板に、たとえばプレス嵌めまたは別の適切な手段によって結合されている。
したがって、個々の薄板は、たとえば相並んで配置された孔を備えた1つの材料肉厚部を有することができる。この場合、複数の薄板のこの材料肉厚部は接合後に水流れ領域を形成している。この場合、特に各材料肉厚部は、所望の薄板間隔に相当する厚さを有している。このような薄板は、たとえば端部に向けられた平形異形材の圧延によって製作することができる。この場合、この平形異形材の中心の領域には、所望の材料厚さが存在し続ける。この材料厚さに孔が設けられている。この場合、材料肉厚部が個々の熱伝導薄板の接合時に互いに密に接触し、したがって、水流れ領域を、特に孔によって形成することが提案されていてよい。
別の構成では、薄板が、たとえばビード状の湾曲部を有していてよい。この湾曲部は全薄板長さにわたって延びていて、薄板に対して垂直に延びる管を収容するための切欠きまたは孔を有している。この場合、有利には、このようなビード状の湾曲部の内部に、この内部に挿入したい管と、薄板との間のより良好な熱接触を保証するために、熱伝導材料が挿入可能であるかもしくは挿入されていることが提案されていてよい。たとえば、この熱伝導材料は、湾曲部内に圧入可能であるかもしくは圧入されている熱伝導帯材として形成されていてよい。
別個の複数の製造ユニットを備えた前述した第1の択一的な構成と同様に、複数の薄板の接合による熱交換器の構造でも、特にたとえば各薄板の内部のビード状の湾曲部または少なくとも1つの材料肉厚部によって、隣り合った空気流れ領域を互いに分離する少なくとも1つの分離面が生ぜしめられる。
これに相応して、ここでも同じく、形成された空気流れ通路内で流れる空気が熱交換器の始端部から終端部にまで空気流れ通路に沿って流れ続け、別の方向に逃げ出し得ないことが達成される。これによって、減少させられた流れ抵抗を備えた妨害されない流れ経過および上述した特別な清浄化活性が生ぜしめられる。
本発明を制限しない上述した択一的な両構成によって、相並んで1つのレベルに配置された水流れ通路が平行に統合されてもよいし、このような統合後に再び分割されてもよい。
したがって、水路が、異なる数の平行な水流れ通路の統合によって、異なる数の部分水路に分割可能であるかもしくは分割されている複数の区分/領域を熱交換器が有している可能性が生ぜしめられる。したがって、たとえば熱交換器の第1の領域では、水路が3つの水流れ通路の統合によって3つの部分水路に分割されていてよく、たとえば第1の領域に並んで位置する別の領域では、4つの部分水路に分割されていてよい。要求に応じて、水流れ通路の統合もしくは部分水路への分割の異なる組合せ可能性が生ぜしめられる。
これによって、このような形式の熱交換器の異なる領域にコンスタントな体積流のまま異なる流速が実現可能となることを達成することができる。なぜならば、異なる数の水流れ通路を備えた水路の分割もしくは再統合によって、異なる効果的な内側横断面も生ぜしめられるからである。この内側横断面によって、熱交換器の各領域における流速に影響を与えることができる。
複数の水流れ通路の統合による複数の部分水路への水路の分割は、熱交換器の特定の領域に制限されていない。水路が熱交換器の始端部で特定の数の部分水路もしくは水流れ通路に分割され、この部分水路が熱交換器の終端部で再び1つの水路に統合されるまで、分割が全熱交換器にわたって維持されたままであることが提案されていてよい。これに相応して、平行に接続された水流れ通路によって実現された平行な複数の部分水路は、たとえばメアンダ状に熱交換器を始端部から終端部にまで貫通している。
ここで、本発明によれば、複数の水流れ通路の統合は、種々異なる構造的な手段によって達成することができる。たとえば、水流れ通路が、外部で熱交換器に配置された分配管によって実現されていることが提案されていてよい。このためには、たとえば水流れ通路が熱交換器の各端面で突出していてよく、管曲げもしくは横方向に位置する流れ通路によって接続管片に接続されてよい。
また、択一的な構成では、水流れ通路が内側の接続部を有していることも可能である。たとえば、このような形式の接続部は、水流れ通路と、特に熱伝導プレートとが、相並んで配置された方形管によって形成されている場合に選択することができる。
一般的には、熱交換器の端面の領域に、相並んで位置する2つの水流れ通路を分離する通路壁が除去されているかもしくは除去され、これによって、1つの接続箇所から2つまたはそれ以上の水流れ通路への流れる水のオーバフローが同時に可能となることが提案されていてよい。この事例では、本発明による熱交換器の端面が、邪魔になる管なしに形成されている。
有利な構成では、水路が、熱交換器に設けられた水流れ通路を越えて張り出しており、これによって、たとえば、このように露出した通路内に測定装置、たとえば温度測定装置またはこれに類するものが挿入されることが提案されていてよい。
以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。
図1および図2には、種々異なる複数の図で、相応の製造ユニットから成る本発明による熱交換器1の構造が示してある。この場合、それぞれ図面では、2つの空気流れ領域2が、熱伝導プレート3の形の水流れ領域3によって互いに分離されている。この場合、製造ユニット2,3として形成された空気流れ領域と水流れ領域とは熱伝導性に互いに結合されており、これによって、空気と液状の媒体との間の効果的な熱伝達が可能となる。結合の種類に対して、当業者は適切な手段、たとえばすり合わせ、ろう接、接着、溶接、圧締、熱伝導ペーストまたは別の適切な手段の使用を提案する。
各熱伝導プレート3自体は、空気方向Lに対して横方向もしくは直交方向に延びる多数の孔5を有している。これらの孔5は、図1および図2に示した中実材料として形成された熱伝導プレート3を完全に貫通していて、したがって、それぞれ1つの水流れ通路を形成しており、これによって、複数の水通路5の平行な連続配置により直交流・向流原理における熱交換器が形成される。
このためには、図1aおよび図2aを参照して、水が、たとえば空気方向Lに対して横方向にかつ空気方向Lと逆方向に水流れ通路5aから他の全ての水流れ通路5を通って最後の水流れ通路5mにまで流れる。この場合、適切な接続部によって、水流れ通路5a内に、たとえば熱交換器1の右側で流入した水が裏側(図示せず)で、水流れ通路5aの前方に配置された水流れ通路5b内にオーバフローし得ることが確保される。したがって、水はメアンダ状に熱交換器内で流れることができる。
空気流れユニットの構造によってだけでなく、2つの空気流れユニット2の間に配置された熱伝導プレート3によっても、両空気流れ領域2への空気流の完全な分離ならびに空気流れ通路2a,2b,…の内部への個々の部分空気流の分離も生ぜしめられる。これによって、このような形式の熱交換器の、すでに前述した特別な清浄化可能性が生ぜしめられ、空気の妨害されない流れに基づき、エネルゲティックに有利と感じられる特に僅かな圧力損失が生ぜしめられる。
図2には、図1に示した、それぞれ2つの空気流れ領域と、両空気流れ領域の間に配置された水流れ領域とから成る複数の熱交換器モジュールを組み立てて1つの総合熱交換器を形成することができることが図1に対して補足的に示してある。この場合、水当量比を維持するために、2つの水流れ領域もしくは熱伝導プレート3の間に配置された空気流れ領域が、片側でしか水流れ領域もしくは熱伝導プレート3に隣接していない空気流れ領域2の2倍の構造高さを有していることが提案されていてよい。
図3には、水当量比もしくは所望の流速の適合を達成するために、相並んで配置された、熱伝導プレート3に形成された水流れ通路を統合する、すなわち、水路を部分水路に分割するための種々異なる可能性が示してある。
したがって、図3bに関して、それぞれ3つの水流れ通路5a,5b,5cが接続技術的に平行に1つの水路にまとめられている。このためには、この水路が分配管6によって区分A1で水流れ通路5a,5b,5cの3つの部分水路に分割され、熱交換器を横方向に通過した後、反対の側に位置する集合管6aで再びまとめられ、これによって、これに並んで配置された水流れ通路への区分A2での新たな分割が即座に実施される。要するに、水流れ通路5a,5b,5c内では、水が同一の方向で空気流れ方向に対して横方向に流れる。
ここでは、水路の統合もしくは分割が、外部で熱交換器に設けられた、横方向に位置する分配管6/6aの形の接続部によって実現されている。この分配管6/6aは、水を熱伝導プレート3内に流入させるためのもしくは水を熱伝導プレート3から流出させるための管片を有している。
たとえばそれぞれ3つの水流れ通路5a,5b,5cのこの統合によって、不変の体積流のまま、個々の水流れ通路に比べて3ファクタだけ流速の減少を達成することができる。したがって、不変の水流速でも、空気量を3ファクタだけ高めることができる。任意に異なるファクタが適宜に可能である。
別の択一的な構成として、図3には、個々の水流れ通路の、内部に位置する接続部が示してある。この場合、ここでは、ただ2つの水流れ通路5a,5bが接続技術的に互いに接続されていて、1つの水路を形成している。接続は、ここでは、2つの水流れ通路5a,5bの間の材料7が熱交換器の端面の領域で除去され、熱伝導プレート3に形成された開口が栓8によって閉鎖されるように行われる。これによって、流入した水が同時に2つの水流れ通路5a,5bに分配されることが確保され、これによって、この両水流れ通路が、熱交換器を貫く1つの水路を形成している。
図4には、種々異なる複数の図で、本発明による熱交換器の空気流れ領域と水流れ領域とを、特に特殊に成形された個々の熱伝導薄板10の接合によって形成することができることが示してある。この場合、各熱伝導薄板10または少なくとも幾つかの薄板は同一に形成されていて、その薄板高さHの範囲内に材料肉厚部11を有している。この材料肉厚部11は全薄板10にわたって延びている。本事例では、材料肉厚部11がほぼ中心で薄板10に形成されている。薄板10の表面に対して垂直に、相並んで配置された複数の孔5が形成されている。これらの孔5は中心で材料肉厚部を貫いて延びていて、複数の薄板10の接合後、熱交換器の空気方向に対して横方向の水路を形成している。
この図示の構造では、薄板10がそれぞれ空気流れ領域および水流れ領域の部分区分を有している。この部分区分は複数の薄板の接合後に生ぜしめられる。この場合、材料肉厚部11の周辺の領域は、のちの水流れ領域3を形成しており、図4で見て上方にかつ下方に示した領域は、それぞれ空気流れ領域2の一部を形成している。
個々の薄板の接合後、種々異なる孔5の整合した配置によって水流れ通路が生ぜしめられる。この水流れ通路内には、さらに1つの補足的な管Rが挿入されるかまたは水流れ通路が材料肉厚部11の密な相互載置によって形成される。
この構造でも明確となるように、空気流れ領域2が水流れ領域Wから完全に分離されており、これによって、一方の空気流れ領域から他方の空気流れ領域への空気のオーバフローが回避される。空気流れ領域2の内部でも、特に材料肉厚部11と各薄板の上側の縁曲げ部とによって互いに分離された空気流れ通路2a,2b,…が生ぜしめられ、これによって、前述した清浄化活性と圧力損失最小化とが達成される。
図4に対して、図5には、ほぼ同一の構成が示してある。しかし、この場合、個々の薄板は著しく大きな高さHを有しており、この薄板高さの範囲内に複数の材料肉厚部が設けられており、これによって、複数の空気流れ領域のほかに、それぞれ有利には平行なレベルに配置された複数の水流れ領域も形成される。
この場合、2つの水流れ領域3の間で1つの空気流れ領域2の内部に各薄板が湾曲部、突出部、ビードまたはその他の構造部12を有しており、これによって、複数の薄板の接合時に、それぞれ互いに接触する構造部12によって効果的に、空気流れ領域の個々の空気流れ通路2a,2b,…をさらに分割する分離面Tが生ぜしめられることが補足的に提案されていてよい。
これによって、熱交換器の、前述した清浄化活性的な構成を、空気流れ領域の、より大きく形成された構造高さの場合でも維持することができる。
図5にも、各薄板10のそれぞれ外側の端部に任意の縁曲げ部13が示してあり、これによって、このような形式の縁曲げ部13により、熱交換器の外側に対して閉鎖された空気流れ通路2a,2b,…が生ぜしめられる。
前述した実施例では、個々の薄板10の接合によって、材料肉厚部11の厚さに相当する薄板相互の間隔が生ぜしめられるように、1つの薄板10の内部の材料肉厚部11の厚さが選択されている。
これに相応して、各薄板の構造によって、接合後に本発明による熱交換器の循環構造が付与されている。
図4および図5に示した、それぞれ薄板の一方の側にしか配置されていない材料肉厚部は、薄片を、たとえば押出し異形材としてまたは湾曲部/ビードもしくは突出部を備えた圧延された平形異形材として形成することによって製作することができる。
図6には、同一の複数の薄板の接合によって製作された熱交換器の択一的な構成が示してある。この熱交換器では、薄板10が、図4に対して、1つの薄板10の表面の両側で延びる材料肉厚部11を有している。図4でも同様に、1つの薄板の内部でその長さにわたって延びる各材料肉厚部11が、相並んで配置された複数の孔を有している。これらの孔は、整合する接合後にかつ場合によって、圧入された管Rの使用下で全水路の一部を形成している。
ここに図示したように、熱交換器モジュールブロックは、各薄板10に縁曲げ部13としての上側が形成されていることによって、外部に対して閉鎖された空気流れ通路2を有することができる。縁曲げ部13はその各端部で、隣接した薄板10の表面に当て付けられる。また、縁曲げされていない薄板10を上側で、載着される分離面金属薄板15によって閉鎖し、したがって、それぞれ異なる個々の空気流れ通路2を形成することも可能である。このような形式の分離面金属薄板15は、空気流れ通路2の分離を生ぜしめるために、互いに積み重ねられる、図6に示したような個々の熱交換器モジュールの間に挿入することができる。
片側に設けられた材料肉厚部を備えた図4および図5の構造に比べて、薄板10に対して両側に形成された図6の材料肉厚部11は、水流れ通路5へのもしくは水流れ通路5内に挿入された管Rへの薄板10による熱伝導が対称的な熱伝導路によって改善されているという利点を有しており、これによって、図6に示した構成を、図5に示した構成に比べて有利と見なすことができる。
図7には、同一の複数の薄板から接合された熱交換器の別の択一的な構成が示してある。この場合、薄板10は、たとえばビード状の湾曲部16を有している。この湾曲部16は薄板の全長にわたって延びていて、接合後に生ぜしめられるのちの水流れ領域を形成している。このような形式の湾曲部16内には、熱伝導材料、たとえば熱伝導帯材17を挿入することができる。この熱伝導帯材17は接着、圧締またはこれに類する手段によって薄板10に熱伝導性に結合されていて、孔5を有している。この孔5は薄板方向に対して横方向ののちの水路を形成している。
図7aに対して、図7bには、同一の薄板10の極めて簡単な構成が示してある。この薄板10はその表面で完全に滑らかに形成されていて、上側のかつ下側の端部にのみ、個々の空気流れ通路2を閉鎖するための縁曲げ部を有している。個々の薄板10の間には、閉鎖された水流れ領域を形成しかつ個々の薄板を間隔を置いて配置するために、平形異形材または熱伝導帯材17が載着されている。この平形異形材または熱伝導帯材17もやはり、相並んで配置された多数の孔を有している。これらの孔は、各薄板10に設けられた対応する孔に整合する。また、ここでは、同一の多数の熱伝導薄板と熱伝導帯材17との接合によって、図4で説明したように、空気流れ領域と水流れ領域とが形成される。
図8aおよび図8bには、より詳しい図で、図7aに示した個々の薄板10の詳細図が示してある。ここでは、ビード状の湾曲部16内に挿入された、相並んで配置された多数の孔5を有する熱伝導帯材17を認めることができる。個々の孔5の内部には、図8aの左側に示したように、別の管Rを挿入することができ、熱伝導帯材17に熱伝導性に、たとえばプレス嵌めによって結合することができる。図示の薄板10の上下には、縁曲げ部13が示してある。この場合、縁曲げ部13の幅は湾曲部16の深さに相当しており、これによって、この寸法により、個々の薄板10相互の間隔が付与されている。
図5に対応して、図9には、より大きな構造高さの熱交換器モジュールユニットが示してある。この熱交換器モジュールユニットでは、前述した図7および図8に示した熱伝導薄板が使用される。ここでも、1つの薄板の内部にビード状の複数の湾曲部16が設けられていることを認めることができる。これらの湾曲部16内には、それぞれ1つの熱伝導帯材17が挿入されている。この場合、空気流れ領域2の内部には、各薄板10が、すでに前述した構造部12を有しており、これによって、個々の薄板10の接合時に別の分離面Tが空気流れ領域2の内部に形成される。
図10には、個々の薄板10の特別な構成が示してある。この場合、全薄板長さにわたって、たとえば図7、図8および図9で前述したように、湾曲部16が設けられている。この場合、この湾曲部16の内部には円形の対応成形部17が打ち抜かれている。この対応成形部17は円形の内側横断面を有していて、管Rを収容するために働く。
対応成形部17によって、ばね弾性が、水案内管Rと薄板10との結合時に達成される。この薄板の内部の、たとえばビード状の各湾曲部16は、すでに前述したように、個々の薄板10相互の所望の間隔に相当する深さを有しており、このことは、各薄板の上下の縁曲げ部13にも当てはまる。
全薄板長さにわたって延びる湾曲部16によって、やはり、有効に作用する分離面が個々の空気流れ領域の間にもしくは個々の空気流れ通路の間に生ぜしめられ、これによって、一方の空気流れ領域から他方の空気流れ領域への空気のオーバフローが排除され、したがって、前述した清浄化活性と僅かな空気抵抗とが達成される。
図10には、図1および図2に対して択一的な構成が示してある。この構成では、空気流れ領域および水流れ領域がやはり別個の製造ユニットとして形成されている。図11では、熱伝導プレート3が複数の方形管5の並置によって形成されている。これらの方形管5はそれぞれ同一の構造高さを有している。
この場合、複数の方形管5が複数、たとえば3つまたは4つの方形管のユニットに統合されているかもしくは1つの方形管が、分割のための別の内側の通路壁を有していることが提案されていてよい。
個々の方形管もしくは管ユニットは互いに、たとえば溶接によって適切に結合されている。この場合、複数の方形管5の統合は、本事例では、個々の管の内側の接続部によって付与されている。このためには、部分的に熱交換器の端面の領域で、隣り合った方形管の間の分離通路壁が、箇所20に例示的に示したように除去されていてよく、これによって、ここで、水が、たとえば4つの方形管5から統合された第1の水路Iから第2の水路IIに即座にオーバフローする。
この構造および全ての別の構造では、ここでは、たとえば水路IV,Vで図示したように、熱交換器の種々異なる領域の内部の統合された水流れ通路5の数が変化することが提案されていてよい。水路IVは全部で4つの方形管から統合されているのに対して、水路Vは3つの方形管からしか統合されておらず、これによって、熱交換器のこの両領域に、互いに異なる流速が同一の体積流で生ぜしめられる。
したがって、異なる数の水流れ通路、ここでは、たとえば方形管が統合されることによって、熱交換器の内部での流速を部分的に可変に形成するための可能性が存在する。
ここでは、全熱交換器循環路への水接続をアダプタ片21によって達成することができる。このアダプタ片21は細長い方形横断面を、慣用の管への分配のための円形の横断面に変化させる。
図12には、別の構成が示してある。この構成では、熱伝導プレート3が、上側のプレート部分3aと下側のプレート部分3bとによって接合されている。各プレート部分には、それぞれ互いに面した側に少なくとも1つのウェブ22が設けられている。このウェブ22は、それぞれ他方のプレート部分に設けられた対応する相応のウェブに向かい合って位置しており、これによって、上側のかつ下側の部分プレートの接合時に流れ通路が熱伝導プレート3の内部に生ぜしめられる。プレートの接合は慣用の手段、たとえばろう接、溶接、接着、圧締等によって行うことができる。
その他の構造は、すでに図11で説明した構造とほぼ同様である。
図13には、熱交換器のさらに択一的な構成が示してある。この熱交換器は、同一の複数の熱伝導薄板10から接合されている。ここに図示した熱伝導薄板10は、たとえば打抜き加工部によって製作されていてよい単に円形の成形部23を備えた極めて簡単な構造を示している。この成形部23は、薄板表面から離れる方向に向けられた管状の区分を形成している。この区分には管Rを熱伝導性に圧入することができる。これによって、成形部23を介した管Rと薄板との間の良好な密接した熱伝導接触が生ぜしめられる。
成形部23は薄板10の平らな面に加工されており、これによって、ここでは、基本的に、空気が2つの管Rの間で上側の空気流れ通路2aから下側の空気流れ通路2a′にオーバフローし得る可能性が生ぜしめられる。確かに、この構成は、空気流れ領域の内部のより高い圧力損失を伴う構造を成しているが、しかし、極めて簡単な実現で本発明の根本的な原理と合致して、1つのレベルに相並んで配置された複数の管の統合によって、水当量比と流速とを変えることができる。
図14には、概略的な装置が示してある。この装置では、熱交換器を貫く水路が水入口WEで3つの部分水路に分割される。これらの部分水路は水流れ通路5a,5b,5cを通って延びている。3つの部分水路への分割を維持して、水はメアンダ状に全熱交換器を通って、最後に水出口WAで再び1つの水路にまとめられるまで案内される。これに相応して、ここでは、複数の水路への分割が、熱交換器の1つの領域/区分でのみ行われるのではなく、全熱交換器にわたって行われる。
1つのレベルへの熱交換器の内部での流れ通路5の並置に基づき、最初に選択された分割を維持して、水のコンスタントな体積流を複数の部分水路に分割するための可能性が存在する。ここでは、同じく、要求に応じて、異なる数の部分水路が実現されてもよいし、分割もしくは統合が部分的に変えられてもよい。
全ての択一的な構成による図示の本発明による熱交換器の内部での流速のかつ水当量比の変化の可能性の、特に本発明に対して重要な原理は、特に有利な構成では、慣用の熱交換器に対して、著しく減少させられた流れ横断面を備えた水流れ通路が使用されることに基づいている。したがって、公知先行技術では、通常、8〜15mmの内径を備えた管が水路のために使用され得る。
前述した本発明では、有利には、1つの水路の接続横断面の10〜50%である流れ通路の横断面が使用される。この場合、特に次の水流れ通路への1つの水流れ通路の通路内壁の間の間隔が、有利には、1つの管の内側の直径もしくは1つの通路の幅よりも小さく選択されている。したがって、1つの水路の接続横断面が、より僅かな横断面を備えた多くの流れ通路、特に可能な限り多くの流れ通路に分割される。この場合、特により小さな横断面の合計は接続横断面にほぼ相当している。
この場合、1つのレベルへの小さな多数の流れ通路の、極めて狭幅に相並んで位置する配置形式が生ぜしめられ、これによって、このように減少させられた流れ横断面を備えた個々の水流れ通路により、体積流が僅かな場合でさえ十分な流速を達成することができる。
相並んで配置された複数のこれらの水流れ通路の統合によって、全体積流が増加する場合、たとえば全熱交換器設備の寸法がより大きい場合に流速を、統合された部分水路の内部で減少させることができ、したがって、接続された多かれ少なかれ大きな数の通路によって常に最適に調整することができる。
したがって、本発明による熱交換器は、この熱交換器が、標準化されたモジュールユニットでストックされて使用可能であってよく、付与された外的な条件、たとえば空気流、水流、構造寸法、これに基づき生ぜしめられる水当量比への適合と、必要となる流速とを、水路の多かれ少なかれ著しい統合によってのみ簡単に生ぜしめることができるという特別な利点を有している。
これに相応して、本発明による熱交換器は、上述した構造でほぼ妨害されない、相互の分離により前述した清浄化可能性を達成する空気路によって、極めて経済的であり、保守しやすく、エネルギ節約的である。
空気流れユニットと、この空気流れユニットの間に配置された、空気方向に対して横方向に配置された通路形成孔を備えた熱伝導プレートの形の水流れユニットとを備えた熱交換器を示す図である。 空気流れユニットと、この空気流れユニットの間に配置された、空気方向に対して横方向に配置された通路形成孔を備えた熱伝導プレートの形の水流れユニットとを備えた熱交換器を示す図である。 空気流れユニットと、この空気流れユニットの間に配置された、空気方向に対して横方向に配置された通路形成孔を備えた熱伝導プレートの形の水流れユニットとを備えた熱交換器を示す図である。 空気流れユニットと、この空気流れユニットの間に配置された、空気方向に対して横方向に配置された通路形成孔を備えた熱伝導プレートの形の水流れユニットとを備えた熱交換器を示す図である。 空気流れユニットと、この空気流れユニットの間に配置された、空気方向に対して横方向に配置された通路形成孔を備えた熱伝導プレートの形の水流れユニットとを備えた熱交換器を示す図である。 空気流れユニットと、この空気流れユニットの間に配置された、空気方向に対して横方向に配置された通路形成孔を備えた熱伝導プレートの形の水流れユニットとを備えた熱交換器を示す図である。 相並んで配置された水流れ通路の内側の接続部に対する可能性を示す図である。 相並んで配置された水流れ通路の外側の接続部に対する可能性を示す図である。 それぞれ特殊に成形された同一の熱伝導薄板の接合によって本発明による熱交換器を形成するための1つの可能性を示す図である。 それぞれ特殊に成形された同一の熱伝導薄板の接合によって本発明による熱交換器を形成するための1つの可能性を示す図である。 それぞれ特殊に成形された同一の熱伝導薄板の接合によって本発明による熱交換器を形成するための1つの可能性を示す図である。 それぞれ特殊に成形された同一の熱伝導薄板の接合によって本発明による熱交換器を形成するための1つの可能性を示す図である。 それぞれ特殊に成形された同一の熱伝導薄板の接合によって本発明による熱交換器を形成するための1つの可能性を示す図である。 それぞれ特殊に成形された同一の熱伝導薄板の接合によって本発明による熱交換器を形成するための1つの可能性を示す図である。 それぞれ特殊に成形された同一の熱伝導薄板の接合によって本発明による熱交換器を形成するための1つの可能性を示す図である。 それぞれ特殊に成形された同一の熱伝導薄板の接合によって本発明による熱交換器を形成するための1つの可能性を示す図である。 それぞれ特殊に成形された同一の熱伝導薄板の接合によって本発明による熱交換器を形成するための1つの可能性を示す図である。 それぞれ特殊に成形された同一の熱伝導薄板の接合によって本発明による熱交換器を形成するための1つの可能性を示す図である。 それぞれ特殊に成形された同一の熱伝導薄板の接合によって本発明による熱交換器を形成するための1つの可能性を示す図である。 それぞれ特殊に成形された同一の熱伝導薄板の接合によって本発明による熱交換器を形成するための1つの可能性を示す図である。 それぞれ特殊に成形された同一の熱伝導薄板の接合によって本発明による熱交換器を形成するための1つの可能性を示す図である。 それぞれ特殊に成形された同一の熱伝導薄板の接合によって本発明による熱交換器を形成するための1つの可能性を示す図である。 それぞれ特殊に成形された同一の熱伝導薄板の接合によって本発明による熱交換器を形成するための1つの可能性を示す図である。 それぞれ特殊に成形された同一の熱伝導薄板の接合によって本発明による熱交換器を形成するための1つの可能性を示す図である。 相並んで配置された複数の方形管による、空気流れユニットの間の熱伝導プレートの構成を示す図である。 相並んで配置された複数の方形管による、空気流れユニットの間の熱伝導プレートの構成を示す図である。 互いに面した内側に配置された、部分プレートの接合後に水流れ通路を形成するためのウェブを備えた2つの部分プレートによる熱伝導プレートの構成を示す図である。 互いに面した内側に配置された、部分プレートの接合後に水流れ通路を形成するためのウェブを備えた2つの部分プレートによる熱伝導プレートの構成を示す図である。 管を収容するためのそれぞれ打ち抜かれた孔を備えた接合された熱伝導薄板から成る熱交換器を示す図である。 管を収容するためのそれぞれ打ち抜かれた孔を備えた接合された熱伝導薄板から成る熱交換器を示す図である。 3つの部分水路に分割された水路を備えた熱交換器を示す図である。
符号の説明
1 熱交換器、 2 空気流れ領域、 2,2a,2a′,2b,… 空気流れ通路、 3 水流れ領域、 3a,3b プレート部分、 5 孔または方形管、 5a〜5m 水流れ通路、 6,6a 分配管、 7 材料、 8 栓、 10 薄板、 11 材料肉厚部、 12 構造部、 13 縁曲げ部、 15 分離面金属薄板、 16 湾曲部、 17 熱伝導帯材または対応成形部、 20 箇所、 21 アダプタ片、 22 ウェブ、 23 成形部、 I〜V 水路、 A1,A2 区分、 H 薄板高さ、 L 空気方向、 R 管、 T 分離面、 WA 水出口、 WE 水入口

Claims (13)

  1. モジュール構造またはモジュールブロック構造における、ガス状の媒体と液状の媒体との間の熱交換のための向流型積層熱交換器において、2つの空気流れ領域(2)の間のモジュール領域が、水流れ通路(5)を備えた水流れ領域(3)を有しており、水流れ通路(5)が、空気入口から空気出口まで1つのレベルに配置されていることを特徴とする、向流型積層熱交換器。
  2. 当該熱交換器(1)を通る水路が、少なくとも1つの区分/領域(A1,A2)で、平行な複数の水流れ通路(5a,5b,5c)の接続によって平行な複数の部分水路に、特に所望のまたは要求された水当量比を生ぜしめるために分割可能である/分割されている、請求項1記載の熱交換器。
  3. 熱交換器モジュール内に空気流れ領域(2)および水流れ領域(3)が、製造ユニットとしてのそれぞれ分離された空気流れユニットおよび水流れユニットから形成されている、請求項1または2記載の熱交換器。
  4. 水流れ領域(3)が、内部に配置された水流れ通路(5)を備えた熱伝導プレート(3)の形で形成されており、特に該熱伝導プレート(3)が、空気流れ領域を互いに分離している、請求項1から3までのいずれか1項記載の熱交換器。
  5. 熱伝導プレート(3)が、
    ・水流れ通路(5)を形成する平行な複数の孔/通路を備えた中実材料から形成されているかまたは
    ・平行に相並んで配置された複数の方形管から形成されているかまたは
    ・互いに結合可能な/結合された2つの部分プレート(3a,3b)から形成されており、両部分プレート(3a,3b)が、その成形構造によって接合時に、両部分プレート(3a,3b)の間に配置された水流れ通路を形成している、
    請求項4記載の熱交換器。
  6. 空気流れ領域(2)と水流れ領域(3)とが、特に特殊に成形された個々の熱伝導薄板(10)の接合によって形成されている、請求項1から5までのいずれか1項記載の熱交換器。
  7. 1つの薄板(10)が、相並んで配置された孔を備えた1つの材料肉厚部(11)を有しており、複数の薄板(10)の材料肉厚部(11)が、接合後に水流れ領域(3)を形成しており、特に各材料肉厚部(11)が、所望の薄板間隔に相当する厚さを有している、請求項6記載の熱交換器。
  8. 接合された薄板(10)内に薄板方向に対して垂直に管(R)が挿入されており、該管(R)が、薄板(10)に熱伝導性に結合されていて、特にプレス嵌めされている、請求項6または7記載の熱交換器。
  9. 1つの薄板(10)が、1つのビード状の湾曲部(16)を有しており、該湾曲部(16)の内部に管が配置されており、特に湾曲部(16)内に熱伝導材料(17)が挿入可能である/挿入されている、請求項8記載の熱交換器。
  10. 複数の薄板(10)の接合時に、特にビード状の湾曲部(16)または材料肉厚部(11)によって少なくとも1つの分離面が形成されており、該分離面が、隣り合った空気流れ領域(2)を互いに分離している、請求項1から9までのいずれか1項記載の熱交換器。
  11. 当該熱交換器が、複数の区分/領域(A1,A2)を有しており、該区分/領域(A1,A2)で水路が、異なる数の平行な水流れ通路(5)の統合によって、異なる数の部分水路に分割可能である/分割されている、請求項1から10までのいずれか1項記載の熱交換器。
  12. 複数の水流れ通路(5)の統合が、外部で当該熱交換器に配置された分配管(6,6a)または水流れ通路の内側の接続部によって実現されている、請求項1から11までのいずれか1項記載の熱交換器。
  13. 請求項1から12までのいずれか1項記載の熱交換器を運転するための方法において、運転のために必要なまたは所望の水体積流の調和のために、熱交換器を通る水路を少なくとも熱交換器の一部領域で複数の部分水路、特に1つのレベルに空気流れ方向で平行に連続して配置された複数の水流れ通路に分割することを特徴とする、熱交換器を運転するための方法。
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