JP2007500836A - 熱交換器およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 公知熱交換器の諸欠点を有しない熱交換器を提供する。
【解決手段】 自動車用熱交換器、特に油冷却器が、互いに結合された複数のプレートで形成され、それらのプレートの間に外部に対して密閉された空隙が構成されている。空隙がそれぞれ少なくとも１つの流入管路および排出管路を介して第１、第２媒体を交互に流通させる。プレートの各断面の間に接触部が生じるようにプレートが異形化されている。接触部の領域でプレートが互いに固着されている。プレート（１０）の間に構成される第１、第２媒体の流れが相応する流入管路から相応する排出管路へと直線的に延びることのないようにプレート（１０）の断面およびそれらの接触部が構成されている。
【選択図】 図１ａ

Description

本発明は、自動車用熱交換器、特に油冷却器に関し、特に熱交換器が互いに結合されたプレートで形成され、プレートの間に外部に対して密閉された空隙が構成されており、空隙がそれぞれ少なくとも１つの流入管路および排出管路を介して第１、第２媒体を交互に流通させ、プレートの各断面の間に接触部が生じるようにプレートが異形化されており、接触部の領域でプレートが互いに固着されている熱交換器、および、それを製造するための方法に関する。

複数のプレートを並べた積み重ね体で形成されるいわゆるプレート形熱交換器が公知である。これらのプレートの間に空隙が構成されており、これらの空隙を交互に第１もしくは第２媒体が流通する。

冷却器として使用され、その場合例えば第１媒体が冷却水、第２媒体が被冷却作動媒体‐内燃機関の油冷却器の場合エンジン油‐である他に、車両空調装置等の冷却機構の蒸発器としての使用も考えられ、その場合一方の媒体は冷却材、他方の媒体は冷媒である。

その際、プレートの間に接触部が生じるようにプレートを異形化することが公知である。接触部の領域でプレートが互いに固着される。さらに、冷却媒体もしくは作動媒体が専ら空隙を流通するようにプレートは外側で密封されて互いに当接している。その際、第１、第２媒体はそれぞれ相応する流入管路を通して供給され、排出管路を介して排出される。その際、流入管路および排出管路は、相応するすべての空隙の流体流が供給もしくは排出される集合管路としてそれぞれ役立つ。

プレート形熱交換器ではふつう熱交換を改善しかつ表面積を拡大するための乱流を強化する組付け材が流体通路に挿入され、熱交換プレートと強固に結合される。これにより、通路の熱力学的特性の他に冷却器の強度特性が著しく改善される。

このような乱流プレートの欠点として、貫通孔の製造時に容易に切屑が発生し、流通する媒体の汚れを生じることがある。さらに、乱流プレートの領域に容易に汚れが堆積する。これにより空隙の流通が望ましくないことに妨げられることがある。さらに、乱流プレートは付加的に製造されるべき部材であり、製造費および材料費の上昇によって熱交換器の高価格化をもたらす。

そこで本発明の課題は、公知熱交換器の諸欠点を有しない熱交換器を提供することである。

この課題は、プレートの間に構成される第１、第２媒体の流れが相応する流入管路から相応する排出管路へと直線的に延びることのないようにプレートの断面およびそれらの接触部が構成されている本発明に係るプレート形熱交換器によって解決される。

発明の実施形態

特に自動車分野で油冷却器として使用される熱交換器は互いに結合されるプレートで形成される。プレートの間に外部に対して密閉された空隙が構成されている。空隙はそれぞれ少なくとも１つの流入管路および排出管路を介して第１もしくは第２媒体を交互に供給され、相応する媒体も流通させる。その際、プレートの各断面の間に接触部が生じるようにプレートは異形化されている。これらの接触部の領域でプレートは互いに固着されている。その際、プレートの間に構成される第１もしくは第２媒体の流れが相応する流入管路から相応する排出管路へと直線的に延びることのないようにプレートは構成されている。

この措置の利点として、流通する媒体がその流れ経路で部分的に数回方向転換される。これにより、プレート幅にわたって流体の分布が改善される。流通する媒体の流れ挙動（粘度）に依存して、事情によっては乱流流れも現れる。通路内で頻繁に生じる流体の方向変化と、開口する波通路の領域に事情によって形成される渦が、生成する境界層を頻繁に引き裂く。そのことから熱交換が改善される。

本発明の好ましい構成によれば、プレートが反復する波形断面を有し、この波形断面はその場合、媒体の入口部から出口部に至る直線的結合である貫流方向を横切る少なくとも１方向に延びている。この方向の周りで波形断面はジグザグ状に延びている。このような波形断面は、相応する空隙を流通する媒体の流れを誘導するのに適した流れ誘導領域を簡単に形成する。そのことによって流れはその推移において有利には数回、しかも特にプレート平面においてだけでなく、プレート平面から外にも、方向転換される。プレートの相互距離が異なる大きさに形成されている領域では、事情によっては流れ速度が変化する。同時に、有利なことに、媒体が全体としてプレートの全面にわたって分布し、こうして熱交換面全体にわたって極力最適な利用のなされることが達成される。

さらなる構成によれば、波形断面は流れ領域の間を直線的に延びる脚部を有し、波形断面の推移は脚部の脚長と脚部の間に存在する脚角度と波形断面の断面深さとによって特徴付けられている。１つの波形断面の断面はその横断面において脚部領域および湾曲領域における推移によって確定され、好ましい諸構成ではこれらの領域内で横断面形状の逸脱を予定することができる。

ジグザグ状に延びる波形断面はその際特に脚長と隣接脚部の間の脚角度と断面深さとによって特徴付けられる。本発明の好ましい諸構成では、脚長が８〜１５ｍｍの範囲内、主に９〜１２ｍｍの範囲内である。断面深さの代表的値は‐これは例えば１つの波山とプレート中心平面との間の距離から量定され‐０．３〜１．５ｍｍの範囲内である。多くの用途にとって、０．５〜１ｍｍの断面深さが有利であることがあり、約０．７５ｍｍの値が優先されることがある。波形断面の２つの脚部の間の脚角度は主に４５°〜１３５°である。特に約９０°の値は流体の分布と流通速度と熱交換器の処理量とに関する良好な妥協である。

脚長と脚角度は一方で波形断面の流れ誘導機能に影響を及ぼし、しかし他方で熱交換器の安定性にとって必要な隣接プレート相互の接触部の配置にも影響を及ぼす。媒体による圧力付加に対するプレートの固有剛性は、多くの用途において重量節約および熱交換の理由から望ましいことであるがプレートの材料厚が小さく選択されるとき、相互支持なしには保証しておくことができない。

その際好ましい構成においてプレートの結合は接触部の領域で硬蝋付によって行われ、プレートは少なくとも片側を蝋等の蝋付用フラックスで被覆されている。脚長および脚角度の選択は主に、流通する媒体およびその粘度に依存して行われる。脚長と脚角度は発生する流れ速度およびそれと結び付いた熱交換に大きく影響し、これらはその都度の使用目的に適合可能である。前記値はその際特に、エンジン油と冷却水との間で熱交換が行われる車両における油冷却器としての熱交換器の使用に関係している。さらにそれらはプレートとプレートの距離から生じる空隙との寸法設計にも当然依存している。

波形断面の形姿は実質的にこの領域における断面の外稜に垂直な横断面の形状と、プレートにわたる１つの波形断面の伸長方向を横切る推移における、ピッチによって確定された断面相互の系列とによって確定される。好ましい諸構成は一定したピッチ、つまり任意に相隣接する２つの波形断面の固定距離を予定している。波形断面のこの形姿が有利であるのは、特に、波形断面が１つの波尾の外面に１つの平坦領域を有するときである。その際、平坦領域は特に幅が０．１〜０．４ｍｍである。平坦領域は、相隣接するプレート相互の良好な面的当接を可能にし、従って隣接プレートの支持もしくは‐硬蝋付等による‐結合の容易かつ安定した実現を可能にする。

プレートの材料は主にアルミニウムである。この材料の利点として、密度が低く、同時に例えばエンボス加工による波形断面の製造が簡単に可能である。接触部領域および縁部領域で２枚の隣接プレートの結合を実現するために少なくとも一方の側面を硬蝋等の蝋付用フラックスで全面的に被覆しておくことができる。蝋付用フラックスの選択と蝋付用フラックスの塗布層厚の選択とに応じて、蝋付用フラックスでの両面被覆を行っておくこともできる。蝋付用フラックスでの被覆はブロック内で特に縁部および流入・排出管路の領域において、他の補助材もしくは補助物質を利用することなく、接合工具（硬蝋付炉）を使った１接合過程において２枚のプレートの流体密な相互結合を確実に実現するのに役立たねばならない。

さらなる構成において、プレートが穴を有し、これらの穴が熱交換器の領域において流入管路および排出管路として役立ち、また穴の軸線がプレート平面に垂直に延びているようにすることができる。その際穴は特に、プレートの基礎平面に対して隆起した領域に設けられている。隆起領域はその際主に、隆起領域とそれに続く他のプレートとの間に密な結合が各第２プレート空隙内に生じるように隆起しており、各第２プレート空隙においてのみ穴とプレート空隙との間に流体結合が成立する。この措置によって、管路を使用することなく流体供給とプレート空隙からの流体排出が可能となり、プレート空隙は交互に冷却媒体もしくは作動媒体のいずれかを流通させる。

その際、高くされた領域と隣接プレートとの間の流体密な当接は形状接合によるだけでなく、硬蝋付等の別の結合技術によっても達成することができる。このため隆起領域は特に１つの主に面的な当接区域を有し、この当接区域は、流体密な結合を生じる隣接プレートの主に面的な当接縁部と当接している。

その際、隆起領域と隆起領域の穴は円形横断面を有することができるだけでなく、むしろ長円形または溝孔状造形も可能でありかつ有利である。その際、溝孔状造形の両方の軸線のうち長い方の軸線は主に流体の主流動方向を横切って配置することができる。この措置も、両方の媒体の間の熱交換を向上するのに役立つ。というのもその場合、プレートの同じ総伸長において一層大きな熱交換面が残るからである。

さらに、流入管路の領域と流入管路に付設された穴の領域とに分配通路を設けておくことが可能であり、これらの分配通路は主にやはり波形断面として構成されている。分配通路の波形断面が波形断面の特徴的変量に関して残りの波形断面と相違していることは、本発明のさらなる特別好ましい諸構成に合致する。分配通路の波形断面はその際特に脚角度が４５°未満、特に約５°〜約２５°の範囲内である。分配断面と残りのプレート領域における波形断面との間で断面造形の急激な移行も連続的移行も構成しておくことができる。その際、分配通路はプレートの幅全体にわたって流体流を極力均一に分配する役目を引き受ける。そのことから熱交換器の効率が向上する。というのもその場合一層大きな熱交換面が実際にも熱交換に利用されるからである。また、熱交換器の全面にわたって媒体の分布を向上するために周囲流れ通路が隆起領域を取り囲むことができる。周囲流れ通路はその際主に波形断面のない区域によって形成され、この区域は隆起領域の周りで特に環状に案内されている。こうして１つの流れ抵抗低減区域が形成され、そこに複数の波形断面が注ぎ込み、これによっても媒体分配機能が果たされる。

熱交換器がプレートの系列で製造されていることは、本発明に係る熱交換器の特別簡単かつ安価に製造することのできる実施形態に合致している。その際、プレートは両方の側面がその波形断面に関して相互に異なる断面を有することができる。１つの熱交換器は特に、このような相互に同一に構成されたプレートの１つの積重ね体で形成しておくことができる。というのもその場合特に、相隣接するプレートを相互に１８０度回しておくことが可能であり、回転軸線はプレート平面に垂直に延設されているからである。この種のプレート積重ね体が有利であるのは、特に、隆起部からなる穴が流入管路に付設して構成され、これらの穴が２つの異なる管路ガイドに交互に付設されていなければならないときである。流入管路領域における隆起部は特に、実質円錐台形丸屋根として構成しておくことができる。これに対する代案となるのは、楕円形横断面を有する丸屋根状隆起部である。

その際、プレートは相互に同一に相一致させまたは同様にも、または異なる態様にも、造形しておくことができる。相互に同一のプレートは、波形断面の特徴的性質および波形断面の形姿に関して同一の性質を有する。相一致するプレートは構造が互いに同じであるが、しかしプレートが例えば相互に異なる脚角度を有することが可能である。相一致するプレートは主に相互に異なる形姿の波形断面および／または相互に異なる値の特徴的変量を有するが、しかしプレートの縁部の構成と前面および裏面の構成とに関して相一致している。例えば特徴的変量のうち脚角度の違いのみによって相違する２つの相一致したプレートを交互に使用すると、所要の剛性と所要の流通とを考慮して異形化領域においてプレート相互の接触部の位置および相対位置を簡単に最適化可能であるという利点が得られる。

プレートの間の結合は特に硬蝋付によって実現されている。プレート縁部領域で良好な密封作用と同時に熱交換器の安定した構造とを達成するために、折り曲げられた縁部をプレートが有し、少なくとも２枚の相隣接するプレートがこの縁部領域で相当接しかつ部分的に重なるように縁部の高さを選択するようにすることができる。その際、縁部領域で部分的に重なるプレートの枚数は５枚までとすることができる。部分的に重なるプレートの枚数が多ければ多いほど、これによって形成されかつ外方に向かって熱交換器を密閉する壁は一層剛性となる。そのことから同時に、持続的に安定し耐久性があり外部に対して流体密なプレート成端部の製造が促進される。その際、好ましいさらなる諸構成では、波形断面が縁部内に、特に縁部の幅全体にわたって延設されている。その際、波形断面の造形時にプレートがなおかつ積重ね可能に留まるように注意しなければならない。これは、縁部領域における波形断面の推移を２枚の隣接プレート相互の組立状態に適応させることによってなされる。

折り曲げ部の根元領域で波形断面が成端している場合波形断面は縁部内にまで延設され、断面はその断面深さが縁部内にまで延設されている。特に生産技術の理由から、縁部の根元が波形断面のない領域にあると有利なことがある。というのもその場合断面によって補強されていない領域で縁部の曲げを行うことができるからである。その場合好ましい諸構成では、縁部と波形断面領域との間に成立する条溝が極力細い。条溝は特に、硬蝋付時に蝋流れが起きるように細く選択される。蝋流れはこの条溝を完全に塞ぎ、または少なくとも、無視し得る量の媒体のみが条溝を流通する程度に塞ぐ。条溝は、それが媒体用バイパス通路として働くことのないように、また主要割合の媒体が波形断面領域ではなく条溝内を流れることのないように造形されていなければならない。

外部に対して熱交換器の安定性を向上するために、また冷却材および作動媒体の外部流入管路および外部排出管路の接続を簡略化するために、熱交換器の正面の少なくとも１つに、外側に断面のない成端プレートを配置するようにすることができる。その際、外側に断面のない成端プレートは接続部として特にフランジを有する。成端プレートは特に、別のプレートよりも大きな材料厚を有することもでき、それとともに特に補強する安定化要素を具現することができる。この要素は外部に対して正面を密閉するハウジング部分を形成する。熱交換器を外部に対して密閉する側部ハウジング壁は縁部を介して形成され、この縁部はプレートを限定し、隣接プレートの縁部と部分的に重なる。その際、縁部は互いに流体密に結合されており、これは特に硬蝋付によって行うことができる。

プレート積重ね体の流通性を特徴付ける可能性は、媒体の主流れ方向に沿った２枚の隣接プレート間の水力直径を算定することにある。その際、水力直径は流通可能な通路横断面と熱交換面との比である。その際、水力直径ｈＤは面積比Ｆｖと面密度Ｆｄとの比の倍数として定義されている。面積比Ｆｖは２枚の隣接プレート間の自由通路横断面ｆＫと通路正面の総面積Ｓとの比として算定され、面密度Ｆｄは熱交換面積ｗＦとブロック体積Ｖとの比から算定される。つまり次式が成り立つ：

その際、本発明の好ましい構成によれば水力直径は媒体の主流れ方向全体にわたって極力一定に留まるべきであろう。これにより、通路を形成するプレート空隙の、事情によっては改善されかつ場合によっては均一な流通性が達成される。

本発明の好ましい構成によれば、そして特に熱交換器を油冷却器として使用する場合、水力直径は１．１ｍｍ〜２ｍｍである。水力直径の好ましい値は約１．４ｍｍである。その際、１つのプレート対の異形化の周期にわたって水力直径の偏差は主に約１０％以上変動せず、特に５％未満だけ変動すべきであろう。水力直径の選択はプレート間の空隙を流れる媒体にも当然依存している。前記値は、一方で水、他方で油が熱交換器を流通する油冷却器に妥当する。

好ましい１実施によれば、熱交換器の相隣接する２枚のプレートの間の接触部がプレート面にわたって均一に分布している。好ましくは、相隣接する２枚のプレートの間の接触部がｃｍ^２当り４〜７、特別好ましくはｃｍ^２当り５〜６の面密度を有する。このような構成では、圧力損失を過剰に高めることなく熱交換器の十分な強度が可能である。

本発明に係る熱交換器は一方で油冷却器として、しかし蒸発器または凝縮器としても利用することができる。その際、このような機構の冷凍回路は（車）室内を空調するのに利用できるだけでなく、電気負荷、エネルギー貯蔵部、電圧源等の熱源またはターボチャージャの給気を冷却するのにも利用することができる。例えば冷却材を付加されるコンパクト熱交換器において空調装置の冷媒の凝縮が行われ、冷却材が熱交換器内で他の媒体としての空気に熱を放出するとき、熱交換器は凝縮器である。本発明に係る熱交換器内で別の媒体の蒸発もしくは凝縮は例えば燃料電池システムでの応用時にも行うことができる。

凝縮器または蒸発器としてのこれらすべての応用において、冷却材が第２媒体として熱を放出しまたは吸収する高性能コンパクト熱交換器の利用が望ましい。その際、冷媒側で内部純度要請がきわめて厳しいので、アルミニウム粒子を冷媒回路に運び入れるような打抜き乱流挿入材を挿入することはできない。こうした純度要請の他に、入口で流体の最適分布がやはり不可欠であり、流体は引き続き熱交換器内で蒸発または凝縮する。入口で蒸発時に主として液状態様、凝縮時には蒸気状態様で存在する流体は理想的にはディスク幅全体にわたって分配される。蒸発および凝縮の特殊性は両方の流体の間にしばしば存在する僅かな温度差である。蒸発すべき液状流体または凝縮すべき蒸気状流体の横分布が最適でない場合、高い性能損失が迅速に現れることがある。こうした問題に対して本発明に係る熱交換器は解決を提供する。

熱交換器、特に本発明に係る熱交換器を製造するための本発明に係る方法では、波形断面がプレートのエンボス加工によって製造され、引き続きプレートが相応に整列させて積重ねられ、その後、硬蝋付によって結合が行われる。好ましい構成によれば、相隣接する２枚のプレートがそれぞれ１８０度回して配置されているようにプレートの上下積重ねが行われる。その際、硬蝋付によるプレートの結合は特に、プレートがそれらの縁部で密封して互いに結合されているように行われ、特に同時に、断面の接触部で隣接プレートの結合が行われる。これにより、特別有利な構成において安定した捩り剛性要素が製造される。

以下では図面に示した実施例を基に本発明が詳しく説明される。

図１ａと図１ｂが本発明に係る１枚のプレートの前面もしくは裏面を示す一方、図２は図１ａ、図１ｂによるプレートで形成される相応する１つの積重ね体を示す。

プレート１０が本体１１を有し、この本体はその前面および裏面にそれぞれ波形断面１２を備えており、この波形断面はエンボス加工によって本体１１に設けられたものである。図１ａと図１ｂに示す実施形態では、図１ｂによる裏面の波形断面１２が図１ａの図示による前面の負型断面に一致している。その際、波形断面１２は互いに脚角度１３にある複数の脚部１０で形成され、脚部はそれぞれ固定脚長１５を有し、互いに湾曲領域１６に続いている。波形断面はプレート１０を横切って延設されている。プレート１０の長さにわたって多数の波形断面１２が前後に構成されており、波形断面は特に密な距離で連続しかつ互いに一直線に整列している。プレート１０はその際、プレートを横方向で限定する折り曲げられた周設縁部１７を有する。その際、波形断面１２は縁部内にまで延びている。

波形断面１２はその際エンボス加工によってプレート１０に設けることができる。その際エンボス加工は、プレート１０の両方の側面が相互に異なる波形断面を有するように行うことができる。特に波形断面１２は一方の側面に他方の側面の波形断面１２の負型を具現することができ、そのことは例えば図１ａ、図１ｂによる実施例から明らかとなる。１枚のプレート１０が両方の側面に同じ波形断面１２を有することも可能である。両方の場合とも波形断面は１枚のプレート１０の両方の側面に互いに一直線にまたは互いにずらして構成しておくことができる。波形断面１２は横断面においてなかんずく、プレート平面と平行に延びる１つの平坦領域を形成する１つの波尾をそれが有することによって特徴付けられる。平坦領域はその際主に幅が０．１ｍｍ〜０．４ｍｍである。

隅領域にプレートが穴１８を有し、穴はプレートの推移平面に垂直にプレートを貫通している。その際、穴の２つは隆起領域１９に設けられている。その際、穴の１つは２枚のプレートの間の領域に作動媒体を供給するのに役立つ一方、特に直径上で向き合う穴は作動媒体を排出するのに役立つ。別の穴対は冷却媒体の供給および排出に役立つ。プレート１０が図２に示すように上下に積重ねられると、それぞれ交互に、作動媒体または冷却媒体のいずれかに付設された管路が２枚のプレート１０の間の空隙２０と流体結合されている。というのも相応する穴１８の隆起領域１９が隣接プレート１０に当接しているからである。それとともに穴１８はプレートの積重ね体２１を通して冷却媒体および作動媒体用供給管路もしくは排出管路を形成する。図２は図１ａ、図１ｂによるプレート１０のこのような積重ね体２１を斜視図で示す。

図３には図２による積重ね体２１の断面図が示してある。プレート１０が相当接し、かつ上下に積み重ねられている。隣接プレートの折り曲げられた縁部１７は相当接し、複数枚のプレートの縁部がそれぞれ部分的に重なるように構成されている。２枚の隣接プレートの縁部１７の間に流体密な結合を達成するためにプレートは硬蝋付によって互いに結合されている。さらに、相隣接する２枚のプレートはそれらの波形断面１２の異なる諸領域で互いに当接している。これらの領域でもプレートは硬蝋付によって互いに結合されている。蝋結合を実現するためにプレートは片面または両面を蝋で被覆しておくことができる。相隣接する２枚のプレート１０の間にそれぞれ１つの空隙２０が構成されており、空隙は作動媒体または冷却媒体のいずれかを流通させる。プレート積重ね体はその際特に、空隙２０を作動媒体と冷却媒体が交互に流通するように構成されており、各プレート１０は一方で冷却媒体、他方で作動媒体が周囲を流れる。それとともに各プレート１０にわたって冷却媒体と作動媒体との間で熱交換を行うことができる。

プレートが波形断面を有することによって、数多くの個所で空隙２０は内法幅が異なる。通路内で頻繁に生じる流体の方向変化と、開口する波通路の領域に生じる渦が、生成する境界層を頻繁に引き裂く。そのことから熱伝達は平滑な通路と比べて著しく改善される。

そのことから、プレート１０にわたって両方の媒体の間で別の交換が促進される。付加的にプレート１０の構成によって、供給管路から排出管路へと直線的流れが可能でないことが達成される。媒体の粘度に依存して空隙２０のこのような造形は、完全にまたは部分的に乱流流れが現れ、それとともに作動媒体と冷却媒体との間の熱交換向上が達成されることにもなり得る。さらに、プレート１０の伸長を横切って波形断面１２を推移させることによって相応する媒体はプレート１０の幅全体にわたっても誘導され、プレート１０の提供する熱交換面の利用が改善され、これによりこのような熱交換器の効率がさらに高められる。流れガイド用の主要誘導要素は、２枚の隣接プレート１０の間で、流れ障害物および流れ方向転換部として働く接触部で頻繁にそれがドルトン格子に等しくなることにも認めることができる。さらにこれらの接触部はプレート相互の支えとして働き、それとともに特にプレート１０の決定挙動に関してプレート１０を安定させる機能を有する。２枚のプレートの間で図８に示す均一な水力直径値を得るには、隣接プレートの断面接触部の配置が重要である。これは、相向き合うプレート側面の波形断面と断面推移とから生じる。均一な水力直径は波形断面にわたっておよびプレート空隙の幅全体にわたって均一な流体貫流を確保する。波形断面の設計造形の選択によって、応用目的にとって最適な水力直径が達成される。

図４が拡大図で示すプレート１０は波形断面１２を有し、この波形断面を形成する脚部１４は互いに４５°の脚角度１３を有する。プレート１０は折り曲げられた縁部１７によって限定され、波形断面１２は縁部１７の領域内にまで延設されている。

この図には特に２つの穴１８の間の領域が示してあり、穴の１つは丸屋根状隆起領域１９に設けられている。特に穴１８と近傍の縁部１７との間の領域にも延設される両方の穴１８の間の領域に分配通路２２が構成されている。分配通路２２はその際１つの波形断面２３によって形成され、この波形断面は脚角度および脚長に関してプレート１０の残りの領域における波形断面１２と相違している。脚角度は特に４５°以下の範囲内である。分配通路２２は特に、隆起領域１９に設けられていない穴の領域において、相応する空隙に流入する媒体をプレート１０の主伸長を横切って案内し、それとともにプレートの幅全体にわたって流体流の均一な分配をもたらす。別の穴１８が設けられている隆起領域１９はその際特に、積重ね体中でその上にあるプレート１０の穴領域に密封当接しており、硬蝋付によってこれと結合しておくことができる。これにより、その上にあるプレート１０の空隙２０に対する流体密な成端部が提供され、この穴１８と空隙との間で媒体流れは起きることができず、この穴１８を流通する媒体はまずその上にあるプレート１０の背後で後続の空隙２０に流入することができる。穴１８は横断面を高めるために溝孔状に構成しておくこともでき、その場合溝孔の軸線は好ましくは主貫流方向Ｈを横切って延設されている。

さらに図４ａに示すように、断面のない環状領域９９は丸屋根状隆起領域１９の周りに１つの通路を形成することができ、この通路は複数の波形断面２３と分配通路２２とを互いに結合し、流れ抵抗の小さい領域を形成するので媒体の良好な横分配をもたらす。環状領域１９はその際、波形断面２３の窪み深さに実質一致した窪み深さを有する。

図５が平面図で示す成端プレート２４は４つの接続フランジ２５を有し、接続フランジはプレート積重ね体２１のプレート１０の穴１８と一直線に配置されている。このような成端プレートは積重ね体１０の片側または両側に配置しておくことができ、積重ね体を外部に対して密閉することができる。成端プレート２４は少なくとも外側にある側面に波形断面１２を有していない。プレート積重ね体の両側に各１つの成端プレート２４が配置されると、両方のプレートの一方が４つの接続フランジ２５を有し、または１枚のプレートが１つ、２つまたは３つの接続フランジ２５を有し、反対側のプレートが４つのうちの残りの数の接続フランジ２５を有することが可能である。接続フランジ２５はそれぞれ接続穴に付設されている。接続フランジ２５は作動媒体および冷却媒体の供給および排出用の外部管路を接続するのに役立つ。さらに、成端プレート２４はプレート積重ね体２１を補強し、正面側ハウジング壁を形成する。その際、成端プレート２４はプレート１０の縁部１７に適合された縁部１７を有することができる。プレートの上下にある縁部１７は、図２に示すようなプレート積重ね体２１中で、熱交換器の横方向ハウジング壁を形成する。それとともに接続フランジ２５と成端プレート２４とを備えた図２による１つのプレート積重ね体が１つの熱交換器を形成する。このような熱交換器は特に車両内で油冷却器として利用することができる。

図６が示すプレート積重ね体２１は１枚のベースプレート８８とプレート１０と３つの穴１８、１８ａを有する１枚のカバープレート８９とからなる。穴１８は第１媒体を案内するのに役立ち、この媒体はプレートの間で、プレート空隙２０が互いに並列に流通させるように案内される。第２媒体は穴１８ａを通してプレート積重ね体に流入し、ベースプレートの穴１８ｂを通して再びプレート積重ね体から流出する。

穴１８ａ、１８ｂの間に配置されて外部から見ることのできない少なくとも１つの隔壁によって第２媒体用流れ通路は少なくとも２つの流れ経路に分割され、流れ経路は順次流通させ、それぞれ単数または複数の流れ通路からなる。それに対して第１媒体用流れ通路は並列に流通させる。それに対して変更実施例では第１媒体用流れ通路がやはり少なくとも２つの流れ経路に分割され、流れ経路は順次流通させる。

図７ａ〜図７ｄは、熱交換器の組付け状態における重力方向Ｇに関してプレート空隙２０の主流通方向Ｈのさまざまな整列と、特に凝縮器として使用する場合のプレート空隙内での媒体分配に対する好ましい影響とを示している。図７ａと図７ｃは蒸発器の応用事例を示している。図７ａと図７ｃから明らかとなるように、液状媒体である場合に重力方向Ｇで整列するのがプレートの長辺面Ｌであるのか短辺面Ｓであるのかに応じて、主流通方向Ｈは重力方向Ｇを横切ってまたは逆平行に起きねばならないであろう。主流通方向に関して媒体の横分配は重力によって促進される。それに対して図７ｂと図７ｄは、プレートの間での媒体分配に重力方向Ｇが対抗して働くとき、気状媒体が最も良好にプレート１０の間で分布することを示している。

図８は主流通方向Ｈにおける波形断面全体にわたる水力直径を示しており、図８ａには隣接プレート１０の円９８として書き込まれた接触部を有する波形断面２３の構成が示してある。隣接プレートの波形断面２３から生じるパターンの周期全体にわたって波形断面が１．２〜１．６の帯域幅内を動き、平均して約１．４であることがわかる。波形断面の構成は、好ましくは、主流通方向で極力一定した水力直径が生じるように選択される。

図８ａには熱交換器の相隣接する２枚のプレートの間の接触部がプレートの１枚の平面図で円として示してある。はっきり認めることができるように、接触部はプレート面にわたって均一に分布している。十分な強度にとって接触部の好ましい面密度はｃｍ^２当り４〜７、特別好ましくはｃｍ^２当り５〜６である。そのことは図８ｂ、図８ｃに基づいて明らかになる。

図８ｂは複数の断面周期にわたって、しかもやはり媒体の主流れ方向Ｈにおける、２枚のプレートの間の１つの流れ通路の水力直径ｈＤを示す。接触部の大きな面密度は、図８ｂの破線曲線によって示される推移を予想させる。というのも多くの接触部が主流れ方向Ｈに見て並べて配置されて流れ通路横断面を狭めるからである。そのことは水力直径の落込み部４０で明らかとなる。本発明に係る造形、特に接触部の均一分布によって、これらの落込み部が除去または低減され、実線で示す水力直径推移が得られる。流れ通路の有するこれらの落込み部が少なければ少ないほど、流れる媒体にとって通路の有する狭隘部は一層少なくなる。すなわち、接触部の同じ面密度において圧力損失は減らすことができる。

特に、１枚のプレートの１つの波形断面の２つの特に直線的な脚部の間の湾曲領域が隣接プレートの湾曲領域に正確には重ならないことによって均一分布は達成される。事情によって有利であるのはむしろ、隣接プレートの湾曲領域が−主流れ方向に見て−互いにずらされており、各湾曲領域が主流れ方向を横切って両方のプレートの２つの接触部の脇に並び、これらの接触部が有利には別の接触部に対するのと同じまたは類似の相互距離を有し、それとともにそれらの間に流れ路を開放し、この流れ路がかなりの流通を許容し、従ってプレート間に構成される流れ通路の圧力損失に望ましくない程度には寄与しないことである。他方で２つの接触部の間の距離は過大に選択することもできない。というのもさもないと事情によっては熱交換器の強度に局所的弱点が生じ得るであろうからである。

図８ｃには２枚のプレート間の接触部の密度ＢＤにわたって熱交換器の強度Ｆおよび圧力損失ＤＶのプロットが示してある。熱交換器の強度は接触部密度ＢＤに伴って線形に上昇し、図８ｃに直線４１として表れる。これとは異なり、圧力損失ＤＶはこのプロット（４２）において累進性を有し、強度Ｆと圧力損失ＤＶとの比Ｆ／ＤＶについて極大４３は接触部密度ＢＤ１において生じる。ところで圧力損失が本発明により低減されると（４４）、前記極大が高まり（４５）、場合によっては高い方の接触部密度ＢＤ２の方にずらされる。実験で判明したように、ｃｍ^２当り４〜７、主にｃｍ^２当り５〜６の接触部密度は受け入れ可能な圧力損失において良好な強度をもたらす。

別の見方をするなら、図８ｃに矢印４６で示したように、同じ圧力損失ＤＶにおいて高い方の接触部密度ＢＤに移行することができ、そのことから熱交換器の強度Ｆが高まる。

図９には熱交換器のプレート３０の一部が示してある。２枚の隣接プレートの間の結合部は両方のプレートの各波形断面の交点によって与えられている。プレート縁部と縁部近傍の交点との間の距離が過大でないことを達成するために、事情によっては、波形断面の最も外側の脚部の幾何学形状をプレート内部の脚部の幾何学形状に対して変更すると有利である。この理由から図９のプレートでは外側脚部３１の脚角度２ｂが内側脚部３２の脚角度２ａとは相違している。図９に認めることができるように、プレート３０の縁部領域における脚角度の半分ｂはプレート中央領域における脚角度の半分が４５°のとき例えば６０°である。これにより、プレートの縁部領域３３では結合部の均一分布、従って熱交換器の圧縮強さの向上が達成される。

図１０が示す熱交換器のプレート３５では、折り曲げられたプレート縁部３６にまで波形断面３４が延設されており、残存する通路３７は事情によっては望ましくないバイパス流れを許容するが、ごく僅かな横断面を有し、バイパス流れは減らすことができる。特に蝋付熱交換器の場合、すなわちプレート３５が蝋被覆されている場合、波形断面３４の最も外側の脚部３８と折り曲げられたプレート縁部３６との間に蝋メニスカスが生じ、これらの蝋メニスカスは縁部通路３７を縮小しまたは特別有利には閉鎖する。

熱交換器に起因した圧力損失の縮小を引き起こすために、プレートの開口部３８、従ってこれにより形成される集合通路の横断面は長円形状に拡張されている。

図１１ａは図１１ｂに示すように複数枚のプレート４１で構成される熱交換器４２の１枚のプレート４１の横断面図である。プレート４１は流入管路および排出管路として各１対の穴４３をプレート平面に垂直に有し、穴４３は各プレート４１の基礎平面に対して、両方の穴の一方から交互に各第２プレート空隙４４に対してのみ流体結合が成立するように隆起している。図１１ｂに認めることができるように、各１つの隆起した穴４３は隣接プレート４１の隆起していない領域に当接し、隆起領域の高さは例えばプレート４１の波形断面の高さと同じ大きさである。

図１２ａは図１２ｂに示すように複数枚のプレート５１で構成される熱交換器５２の１枚のプレート５１の横断面図である。プレート５１は流入管路および排出管路として各１対の穴５３をプレート平面に垂直に有し、穴５３は各プレート５１の基礎平面に対して、両方の穴の一方から交互に各第２プレート空隙５４に対してのみ流体結合が成立するように隆起している。図１２ｂに認めることができるように、各１つの隆起した穴５３は隣接プレート５１の隆起した穴５３に当接し、隆起領域の高さは例えばプレート５１の波形断面の高さの半分にすぎない。この構造様式によって、事情によっては隆起領域の製造時に材料肉薄化が減少し、熱交換器５２の引張強さ、すなわち内部圧縮強さが少なくともこれらの領域では好ましい影響を受ける。

本発明に係る１枚のプレートの前面と裏面を示す。 本発明に係る１枚のプレートの前面と裏面を示す。 このようなプレートの積重ね体の図である。 上下に多重に積み重ねられたプレートの縁部領域における断面図である。 穴の領域における分配通路の構成を拡大図で示す。 丸屋根状隆起領域の周りに１つの通路を形成した環状領域を示す。 接続フランジを有する１枚の成端プレートの略図である。 流体の一方においてすべてのプレート空隙の流通が存在するときのプレート内の流体ガイドを示す。 流体分布に対する重力の作用を示す。 流体分布に対する重力の作用を示す。 流体分布に対する重力の作用を示す。 流体分布に対する重力の作用を示す。 ２枚のプレートの空隙内の媒体主流れ方向における波形断面の１周期にわたる水力直径を示す。 熱交換器の１枚のプレートの平面図である。 ２枚のプレートの空隙内の媒体主流れ方向における水力直径を示す。 ２枚のプレートの間の接触部の密度にわたる熱交換器の強度および圧力損失のプロットを示す。 １枚の熱交換器プレートの一部を示す。 熱交換器の１枚のプレートを示す。 熱交換器の一部の横断面図である。 熱交換器の一部の横断面図である。 熱交換器の一部の横断面図である。 熱交換器の一部の横断面図である。

符号の説明

１０、３０、３５、４１、５１ プレート
１１ 本体
１２、２３、３４ 波形断面
１３ 脚角度
１５ 固定脚長
１７ 周設縁部
１８、１８ａ、１８ｂ、４３、５３ 穴
１９ 隆起領域
２０ 空隙
２１ 積重ね体
２２ 分配通路
２４ 成端プレート
２５ 接続フランジ
３１ 外側脚部
３２ 内側脚部
３３ 縁部領域
３６ プレート縁部
３７ 縁部通路
４２、５２ 熱交換器
４４、５４ 第２プレート空隙
８８ ベースプレート
８９ カバープレート
９８ 円

Claims (32)

1. 自動車用熱交換器、特に油冷却器であって、熱交換器が互いに結合されたプレートで形成され、プレートの間に外部に対して密閉された空隙が構成されており、空隙がそれぞれ少なくとも１つの流入管路および排出管路を介して第１、第２媒体を交互に流通させ、プレートの各断面の間に接触部が生じるようにプレートが異形化されており、接触部の領域でプレートが互いに固着されており、プレート（１０）の間に構成される第１、第２媒体の流れが相応する流入管路から相応する排出管路へと直線的に延びることのないようにプレート（１０）の断面およびそれらの接触部が構成されていることを特徴とする熱交換器。
2. プレート（１０）が反復する波形断面（１２）を有し、この波形断面が実質的に主貫流方向（Ｈ）を横切って延設され、特に伸長方向の周りでジグザグ状に波付けされていることを特徴とする、請求項１記載の熱交換器。
3. 波形断面（１２）が湾曲領域の間を直線的に延びる脚部（１４）を有し、波形断面（１２）が脚部（１４）の脚長（１５）と脚部（１４）の間に存在する脚角度（１３）と波形断面の断面深さとによって特徴付けられていることを特徴とする、先行請求項のいずれか記載の熱交換器。
4. 波形断面の形姿が脚部領域および湾曲領域における断面の推移によって特徴付けられており、相隣接する断面が所定のピッチで反復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。
5. 波形断面が１つの波尾の外面に１つの平坦領域を有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。
6. 平坦領域が波形断面の横断面において０．１ｍｍ〜０．４ｍｍであ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. 脚角度（１３）が主に４５°〜１３５°、主に約９０°であ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. 断面深さが０．３ｍｍ〜２ｍｍ、液状媒体では主に０．５ｍｍ〜１ｍｍ、特に０．７ｍｍ〜０．８ｍｍであり、気状媒体では主に０．６ｍｍ〜２ｍｍの範囲内、特に約１．５ｍｍであ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。
9. 脚長（１５）が８ｍｍ〜１５ｍｍの範囲内、特に９ｍｍ〜１２ｍｍの範囲内であ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. 波形断面（１２）がプレート（１０）の窪みとして構成され、プレート（１０）が主に金属材料、特にアルミニウムからなり、プレートが主に少なくとも１つの側面を蝋付用フラックスで被覆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。
11. プレート（１０）が流入管路および排出管路として各１対の穴（１８）をプレート平面に垂直に有し、両方の穴の一方から交互に各第２プレート空隙（２０）にのみ流体結合が成立するように穴（１８）が基礎平面に対して隆起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。
12. 穴の少なくとも一部の隆起領域が、主に環状に回旋された無波形断面領域によって取り囲ま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. 流入管路に付設された穴（１８）の領域に分配通路（２３）が設けられており、これらの分配通路が主に、波形断面の脚角度に比べて高められた脚角度を有する波形断面（１２）によって与えら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. 流入管路に付設された穴が長円形、楕円形または長方形であ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。
15. 波形断面（１２）に関して相互に異なる２枚のプレート（１０）が交互に使用され、波形断面（１２）が脚長（１５）、脚角度（１３）および断面深さの特徴の少なくとも１つに関して相違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。
16. プレート（１０）の一方の側面の波形断面（１２）が脚長（１５）、脚角度（１３）および断面深さの特徴の少なくとも１つに関してプレート（１０）の他方の側面の波形断面（１２）と相違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。
17. 隣接プレートの波形断面が互いに同一であ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。
18. 熱交換器がプレート（１０）の積重ね体（２１）で形成され、プレート（１０）が相一致し、互いに交互に１８０°回して配置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。
19. プレート（１０）が１つの折り曲げられた縁部（１７）を有し、隣接プレート（１０）の縁部（１７）が相当接し、主に硬蝋付によって互いに結合されていることを特徴とする、特に先行請求項のいずれか１項記載の熱交換器。
20. 複数枚、特に５枚までのプレート（１０）の折り曲げられた縁部（１７）が部分的に重な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。
21. 波形断面（１２）が縁部（１７）内に、特に縁部（１７）を越えて延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。
22. 波形断面の末端と縁部との間に断面のない曲げ区域が構成されており、その幅が２ｍｍ未満でありかつ主に、プレートの硬蝋付時に波山区域で曲げ領域が蝋で塞がれて曲げ区域内で媒体貫流が低減されまたは実質的に妨げられるように幅が決定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。
23. 熱交換器の少なくとも１つの正面に、特に少なくとも外側に断面のない成端プレート（２４）が付設されており、この成端プレートが主に第１、第２媒体用接続部（２５）を有し、これらの接続部が接続管路に注ぎかつ穴（１８）と一直線に並べて配置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。
24. 主伸長方向（Ｄ）における水力直径（ｈＤ）が、平均値に対して最高で２５％、特に最高で１５％、特に最高で１０％の変動を有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。
25. 水力直径（ｈＤ）が１ｍｍ〜４ｍｍの平均値を有し、液状媒体では主に１ｍｍ〜２ｍｍ、主に約１．４ｍｍであり、気状媒体では主に約３ｍｍであ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。
26. 相隣接する２枚のプレートの間の接触部がプレート面にわたって均一に分布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。
27. 相隣接する２枚のプレートの間の接触部がｃｍ^２当り４〜７、特にｃｍ^２当り５〜６の面密度を有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。
28. プレート空隙内で１つの媒体の相転移が起き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。
29. プレート空隙内で媒体の横分布が重力によって促進されるように熱交換器の組付け状態が決定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。
30. 特に先行請求項のいずれか１項記載の熱交換器を製造するための方法において、方法が特にプレート（１０）をエンボス加工するステップ、プレート（１０）を上下に積重ねるステップ、主に硬蝋付によって互いに固着するステップを含むことを特徴とする方法。
31. ２枚の隣接プレート（１０）がそれぞれ互いに１８０度回されているようにプレートの上下積重ねが行われることを特徴とする、請求項３０記載の方法。
32. プレート（１０）がそれらの縁部で密封して互いに結合されているように硬蝋付が行われ、主に同時に、波形断面（１２）の接触部で隣接プレート（１０）の相互結合が行われることを特徴とする、請求項３０または３１記載の方法。
    
    

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