JP2009534817A - 並行管を備えたマルチステージ熱交換管 - Google Patents

Abstract

媒体用の注入口（９）と排出口（３３）とを有する熱交換チャネル（１１、２１、３１）を備える熱交換器。熱交換器は、媒体が流れる方向において連続的に配置され、それぞれ熱交換チャネル（１１、２１、３１）を有する少なくとも２つのステージ（１０、２０、３０）を有する。最初のステージは、熱交換チャネル（１１）に並行に配置された少なくとも１つの案内チャネル（１２）を有する。熱案内チャネル（１１、２１、３１）は、各ステージ（１０、２０、３０）の終端において少なくとも１つの排出口（１３、２３、３３）を有し、各ステージの案内チャネル（１２、２２）は、後続のステージ（２０、３０）の熱交換チャネル（２１、３１）と接続する。これにより、未使用の熱伝達媒体が各ステージに供給される。この未使用の熱伝達媒体は、各熱交換チャネルに対して高い温度差を有する。これにより、流路が比較的長い場合でも、良好な熱伝達効率を実現することができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、請求項１のプリアンブルに記載される熱交換器に係る。

かかる熱交換器は、例えば、ＤＥ１０２００４０３０６７５Ａ１から公知である。切替えキャビネット内に配置された電子部品を冷却することを目的として、切替えキャビネットの壁とともに形成されるチャネルがあり、かかるチャネル内には、例えば、空気である媒体が流される。チャネルは、冷気用の注入口と、加熱された空気用の排出口を有する。チャネル壁上には複数の冷却部が配置される。これらの部位は、壁から、壁に沿って流れる空気への熱伝達を改善する。

連続配置されたステージを有し、各ステージには未使用の媒体が供給される熱交換器が、ＵＳ２００４／０２５６０９２Ａ１及びＵＳ２００２／００００３１１Ａ１から公知である。

一般に、表面Ａに沿って流れる熱流量ＷＦは、流体と表面Ａとの温度差ΔＴに比例する。比例定数αとして［Ｗ／ｍ^２＊Ｋ］を単位とする熱伝達係数を選択すると、次が成立する。
ＷＦ＝α＊Ａ＊ΔＴ

熱伝達係数αは、材料定数及び上述した冷却部に依存し、これらは、例えば、乱流を引き起こす。

上述の式から、冷却性能は、温度差ΔＴに比例することが分かる。冷却流体の流路が長いほど、冷却流体がより多く加熱されるので、流路に沿っての温度差が減少し、それに伴い冷却性能も低下する。

このような関係は、例えば、熱い媒体がプレートといった別の対象に熱を伝達するといったように、加熱に関しても成立する。以下において、冷却又は冷却効率といった用語を用いる場合、加熱及び加熱効率についても同様のことが言える。

上述した従来技術に記載されるように、細長い表面を冷却又は加熱することがしばしば必要となるが、長さが増加するに従い冷却効率が低下するという問題がある。

この問題を解決する１つの可能性としては、流体の流速を増加し、それと共に流体の流量を増加することが挙げられる。しかし、この解決策は、大型の流体供給装置、したがって、例えば大型の送風機が必要となるので、駆動エネルギーが高くなり、それに伴い電力消費量が増加する。また、必要な空間やノイズ放射も増加する。

したがって、本発明は、大きい表面が冷却又は加熱される場合であっても良好な性能を有するが必要とする空間は小さくてすむよう上述したようなタイプの熱交換器を改善することを目的とする。

この目的は、請求項１に記載する特徴により達成される。本発明の有利な実施形態及び更なる発展を従属項に記載する。

本発明の基本原理は、少なくとも２以上の連続配置されたステージを有し、各ステージには、「未使用（fresh）」の媒体が供給され、「使用済み（used）」の媒体は、当該ステージの終端において排出される、熱交換器を実現することにある。

したがって、最後のステージ以外の各ステージは、熱交換チャネルと、各ステージにおいて熱交換には関与しない「未使用」媒体用の案内チャネルとを有し、熱交換チャネルと案内チャネルは、互いに並行に配列される。各ステージの終端において、熱交換チャネルの流体は、排出口から排出され、案内チャネルの「未使用」の流体は、次のステージの熱交換チャネルに供給され、また、必要に応じて、更に次のステージの案内チャネルに供給される。流体の流れ方向に垂直に見た場合、使用済み流体と未使用流体の流れは互いに交差するが、これらの流れは、案内チャネルによって互いから離間されている。ここでは、案内チャネルは、「交差流部」とも呼ぶ。

個々のステージは、理論上は、必要に応じて多数の要素を連続的に配置することができるようモジュラー設計されてよい。

個々のステージの全ての熱交換チャネルは、１つの平面内に配置され単純な形状を実現することが好適である。このとき、熱交換チャネルと案内チャネルは、それぞれ、立方体である。これらのチャネルは、流れ抵抗は小さく、したがって、送風機といった小型の供給装置を用いて相当量の流れ、更に、熱流量を実現することができる。本発明の更なる発展において、各ステージの熱交換チャネルの排出口は、少なくとも案内プレートが、熱案内チャネルの少なくとも１つの側壁の方向に流体を偏向させるよう設計される。各側壁には、排出口が設けられる。各熱交換チャネルの両側壁には、上述したような排出口が存在し、また、本発明の好適な実施形態では、排出口の断面積の合計は、熱交換チャネルの断面積に対応することが好適である。

本発明の熱交換器は、必要とする空間が小さく、特に、流れ方向に垂直な面に対する高さが小さいので、例えば、冷却する切替えキャビネットの壁といったある表面の両面に使用できる。さらに、本発明の熱交換器は、１つの流体注入口しか使用しない。注入口から入れられる流体は、各ステージにおいて、少なくとも２つの分岐流に分割され、これらの分岐流は、異なるチャネルに供給される。

流体と表面との熱的な相互作用は、熱交換チャネルにおいて表面の別々に空気が供給された領域において発生し、例えば、ＤＥ１０２３３７３６Ｂ３に記載されるような粗表面、冷却リブ、又は極小リブといった熱伝達を向上する手段を使用することが好適である。

上述した交差流部は、熱交換チャネル及び案内チャネルのそれぞれの表面領域に流体を供給する、又は、表面領域から流体を排出する機能は有さない。

以下において添付図面を参照しながら本発明を実施形態に関連してより詳細に説明する。

本発明の一実施形態による３つのステージを有する熱交換器を示す略断面図である。

図１の熱交換器を示す略平面図である。

図１及び図２の熱交換器を斜め上から見た斜視図である。

図１に類似するが、本発明の別の変形による熱交換器を示す略側面図である。

本発明の更なる実施形態による熱交換器を斜め上から見た斜視断面図である。

図５の熱交換器を斜め下から見た斜視図である。

図５及び図６の熱交換器を示す下面図である。

個々の図面に使用する同じ参照番号は、同じ又は機能的に関連する要素を指すものである。更に、３ステージを有する熱交換器の説明は限定的ではないことに留意されたい。少なくとも２ステージがあることが必要であって、ステージ数には制限がないものとする。

図１は、３つのステージ１０、２０、及び３０を有する熱交換器を示す側面図である。第１のステージ１０は、熱交換チャネル１１を有し、この中を、空気といった流体が流れうる。このことは、矢印によって第１の部分流１４として示す。熱交換チャネル１１は、熱伝達壁１５を有し、この壁は、第１の部分流１４と熱伝達するよう相互作用する。熱伝達壁１５は、例えば、ＤＥ１０２３３７３６Ｂ３に記載されるような冷却リブ、凹凸又は極小リブといった熱伝達を向上させる部位をその内側に有してもよい。

熱交換チャネル１１は更に、熱交換チャネル１１を、その上にある案内チャネル１２から分離する分割壁１６を有する。案内チャネル１２は、上壁１８によって閉じられる。熱交換チャネル１１及び案内チャネル１２はともに、側部において、共通の側壁１９及び１９ａ（図２参照）によって閉じられる。これらのチャネルはともに、流体用の共通の注入口９を有し、流体は、注入口９において分割壁１６によって、熱交換チャネル１１内を流れる第１の部分流１４と、案内チャネル１２内を流れ、熱交換チャネル１１と熱伝達壁１５とは熱交換のために相互作用していない少なくとも追加的な部分流２４及び／又は３４とに分離される。

第１のステージ１０の下流端において、「交差流部」８が配置される。この部位は、一方で、熱交換チャネル１１を案内プレートによって排出口１３に接続し、第１の部分流１４は、排出口１３によって雰囲気に排出される。交差流部８は、他方で、部分流２４及び３４が第２のステージ２０に供給されるよう案内チャネル１２を第２のステージ２０に接続する。部分流１４と、部分流２４及び３４とは、案内プレートによって互いから離されるので、互いに熱伝達のために相互作用していない。

第１の部分流１４は、熱交換チャネル１１において熱交換をしていたので、この媒体は、「使用済み」であり、熱伝達壁１５に対して小さい温度差ΔＴしかない。一方、部分流２４及び３４は、「未使用」媒体であるので、後続のステージ２０及び３０に対して比較的高い温度差ΔＴを依然として有する。

図１を参照するに、第１の部分流１４は、排出口１３の開口を介して上方に排出され、一方、部分流２４及び３４は下方に導かれて、第２のステージ２０において、第２のステージ内に設けられた分離壁２６によって分割される。第２のステージ２０も、同様に、熱交換チャネル２１と案内チャネル２２を有する。部分流２４は、熱交換チャネル２１内を流れ、壁２５と熱交換を行い、案内チャネル２２内の部分流３４は、壁２５とは熱交換していない。

第２のステージ２０の終端において、同様に、交差流部７が存在する。交差流部７も、案内プレートを介して、熱交換チャネル２１を開口２３に接続し、案内チャネル２２を、第３のステージ３０の熱交換チャネル３１に接続する。第３のステージは、最後のステージであるので、案内チャネルは必要ではなく、上壁３６と、ここでは熱交換する壁３５だけが必要である。第３のステージの排出口３３において、使用済み媒体は、部分流３４として排出される。

図２において、各上壁１８、２８、及び３６は省略し、第１のステージ１０及び第２のステージ２０における案内チャネル１２及び２２の内部、第３のステージ３０における熱交換チャネル３１の内部を示す。交差流部７及び８は、案内チャネル１２及び２２の各上面に案内プレート４０を有し、これらは、リードオーバ（leadover）チャネル４１となるよう開いていることを示す。これらのリードオーバチャネルは、図１に示すように下方に傾斜される。第１のステージ１０と第２のステージ２０との間の遷移領域において、分離壁２６があり、ここで、部分流２４及び３４が分離される。

更に、点線で示す案内プレートがある。これは、各熱交換チャネルの最も下にある平面の案内プレートを示し、部分流を、排出口１３及び２３にそれぞれつながる排出チャネル４２に向けて上方向に導く。

図３は、図１及び２における熱交換器を斜め上から見た斜視図である。この図では、上述した個々のチャネルを良好に見ることができる。

図１では、熱伝達壁１５、２５、及び３５は、１つの部分として連続的に形成されたもののように示す。しかし、図３に示すように、これらの壁を個別に設計して、それにより、連続するステージは、交差流部７及び８だけで接続されるようにすることもできる。

図１乃至３の実施形態では、熱交換器は、単一の流体用の注入口９を有するが、部分流１４、２４、及び３４用の３つの排出口１３、２３、及び３３があり、これらの排出口は、連続的に配置される。

一部の適用では、１つの注入口及び１つの排出口だけを有することが有用である。

このためには、第１のステージ１０の上壁１８は、図４に示す変形である熱交換器の上全体に亘って延ばされ、それにより、第２のステージ２０の案内チャネル２２の上方には更に追加の案内チャネル４４が設けられ、この案内チャネル内に部分流１４が排出され、第２のステージの終端において、部分流２４と合流し、全体的には、１つの排出口３３しか設けられないことになる。図１の実施形態の排出口１３及び２３は、本実施形態では案内チャネル４４とつながることは明らかであろう。

本発明の熱交換器は、少数の簡単な基本要素によって取り付けられ、キットのように組み合わせて、個々の適用に対する熱効率の容量に適応することができる。個々のステージ及び下流の交差流部は、１つのモジュールとして設計されてもよく、第１、第２、第３、第４等のステージのモジュールが製造されて、これらは、プラグ接続によって結合されることが好適でありうる。個々のステージを互いにプラグ接続するだけでよいが、一部の適用では、例えば、接着、はんだ付け、溶接、又は他の既知の接続方法によって更に接続される。個々の基本要素は、金属又はプラスチックから形成されうる薄板から構成され、また、互いにプラグ接続される、及び／又は、互いに接着されることができる。したがって、熱交換器は、軽量で、格別な努力を必要とすることなく冷却又は加熱する表面に接続することができる。

一般に、熱伝達壁１５、２５、及び３５を省略して、冷却又は加熱する対象の表面が、個々の熱交換チャネルの下面とすることができる。熱伝達壁１５、２５、及び３５は、良好な熱伝導特性を有する材料から形成されることは明らかである。

適用によっては、個々のステージ１０、２０、及び３０は、曲げられて、冷却又は加熱する対象の輪郭に適応させてもよい。

図５乃至図７は、第２の実施形態を示す。

図５は、熱交換器３が配置された平面を有する冷却又は加熱する対象１を示す。熱交換器３は、３つのステージ１０、２０、及び３０を有する。これらのステージは、例えば、空気といった熱伝達媒体の流れ方向において連続して配置される。３つのステージ１０、２０、及び３０は、それぞれ、熱交換チャネル１１、２１、及び３１を有する。これらのチャネルは、対象１の平面２と、側壁４及び５（図６及び７）と、制限壁１６、２６、及び３６とによってそれぞれ制限される。最後のステージ３０の制限壁３６は、上壁の機能を有する。

熱交換器３は、個々のステージ１０、２０、及び３０、したがって、個々の熱交換チャネル１１、２１、及び３１に供給される媒体は、「未使用」の媒体であって、「使用済み」の媒体ではないように設計される。「未使用」の媒体は、それぞれの熱交換チャネルに到達する前に、先行するステージにおいて熱交換作用には関与していない。

熱交換器３は、媒体用の共通の注入口９を有し、媒体は、図示する３ステージの熱交換器では、第１の熱交換チャネル１１の制限壁１６に２つの追加の壁１７及び１８を並行に配置することにより３つの部分流１４、２４、及び３４に分割される。これらの２つの追加の壁１７及び１８は、側壁４及び５とともに、部分流２４及び３４用の案内チャネル１２及び１３を形成し、これらの案内チャネルの中を、媒体は、第１の熱交換チャネル１１の熱交換作用に関与することなく流れる。

図７から最もよく分かるように、第１の熱交換チャネル１１内に、案内プレート４０が配置され、案内プレート１４は、流れ方向において、熱交換チャネル１１の最も後方部を２つの湾曲ブラケットによって制限し、部分流１４を側壁４及び５にある開口１３に導く。

これにより、第１の熱交換チャネルの下流端において、それまで使用された媒体は、横から排出される。この流れは、上方、即ち、煙突型の側方突起物１３'によって平面２に垂直に、又は、斜め上方向に偏向されることが可能である。両方の側部開口１３の断面積は、熱交換チャネル１１の断面積と実質的に対応し、それにより、部分流１４（図７）を有する媒体が基本的に制限されずに排出され、流れの抵抗が非常に小さい。

第１のステージの案内チャネル１２は、第２のステージの熱交換チャネル２１に接続される。これは、案内チャネル１２の上壁１７が、傾斜壁４６を介して、第２の熱交換チャネル２１の制限壁２６に接続することによる。したがって、部分流２４である未使用の媒体が、第２のステージ２０内に流れ込み、熱交換作用をもたらす。第２のステージ２０は、同様の案内プレート２９によって終端する。この案内プレートは、壁４及び５にある側部開口２３につながるので、第２のステージの下流端において、部分流２４は、これらの開口２３を通り排出されることができる。ここでも、開口２５の表面積の合計は、第２の熱交換チャネル２１の断面積に対応する。

第２の熱交換チャネル２１の上には、制限壁２６と上壁２７との間に形成さ、制限壁２６と並行にある案内チャネル２２が設けられる。上壁２７は上壁１８と、第１のステージ１０からの部分流３４とその流れが通る案内チャネル１３が、第２のステージ２０の案内チャネル２３内に、次に、そこから、傾斜壁４７を介して、上壁３６と両側壁４及び５により形成される第３のステージ３０内に流れ込むよう、傾斜壁４３を介して接続される。第３のステージ３０の終端には、案内プレート４０及び２９に類似する案内プレートは設けられない。その代わり、部分流３４である媒体は、第３の熱交換チャネル３１の下流端において、開口３１を介して排出される。排出される空気が略同じ方向にあることが望ましい場合には、案内プレートと、開口１５及び２５に類似した側部開口を設けることもできる。

図５は、前の案内チャネルから各熱交換チャネル２１又は３１への遷移領域に、追加の案内プレート４１及び４８を設けてもよいことを示す。これらの追加の案内プレートは、傾斜プレート４３、４６、及び４７と並行にある。これにより、均一な流れが得られ、案内プレート４０及び２９の下流側における乱流が回避される。なお、これらの案内プレート４１及び４８は省略されてもよいので、各媒体は、案内プレート４０、２９の下流側で、次のステージの熱案内チャネルに到達することができる。上壁１６及び２６は、下流側で案内プレート４０及び２９において終端する。

図７から最もよく分かるように、使用済み媒体の部分流１４及び２４は、個々の熱交換チャネルの下流側において、図７の開口２３に示すように冷却対象の表面２（図５）に並行な側壁４及び５を通り横方向に排出されても、媒体が表面２に対して垂直に放出されるよう開口１３の横に取り付けられた案内煙突１３'によって偏向されて排出されてもよい。

なお、案内プレート４０及び２９の形を変更してもよい。好適な変形は、円弧形であり、これは、図７に最もよく分かるように示す。２つの円弧は、各熱案内チャネルの中央において、流れを分割する先端部を形成する。更に、左右対称又は左右非対称に配置される直線の又はＶ字型の案内チャネルを用いることもできる。特定の適用において、片側のみへの使用済み媒体の排出が望まれる場合、側壁４及び５のうちの一方に１つの側部開口だけを設けることもできる。この場合、各案内プレートは、熱交換チャネル全体に亘って傾斜されている。更に、図７には、図５の傾斜プレート４８が省略され、媒体は、案内プレート２９の下流側の案内チャネル２３から直接第３の熱交換チャネルに流れ込む変形が示される。

図６の実施形態は、本発明の熱交換器を斜め下から見た斜視図である。ここでは、両方の側方開口１３及び２３は、煙突型の突起物１３'及び２３'に接続されている。

Claims (15)

1. 熱交換チャネル（１１、２１、３１）を備え、前記熱交換チャネルはその中を流れる媒体用の注入口（９）と排出口（３３）を有する、熱交換器であって、
   前記媒体が流れる方向において連続的に配置され、それぞれ熱交換チャネル（１１、２１、３１）を有する少なくとも２つのステージ（１０、２０、３０）を備え、
   最初の前記ステージ（１０）は、前記熱交換チャネル（１１）に並行に配置された少なくとも１つの案内チャネル（１２）を含み、
   前記熱交換チャネル（１１、２１）は、各ステージ（１０、２０）の終端において少なくとも１つの排出口（１３、２３）を有し、
   前記各ステージ（１０、２０）の前記案内チャネル（１２、２２）は、後続のステージ（２０、３０）の前記熱交換チャネル（２１、３１）と流体接続する、熱交換器。
2. 前記個々のステージ（１０、２０、３０）は、前記媒体の分離された部分流（１４、２４、３４）があるよう交差流部（７、８）により接続される、請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記ステージ（１０、２０、３０）は、プラグ接続により互いに接続される、請求項１又は２に記載の熱交換器。
4. 前記熱交換チャネル（１１、２１、３１）及び前記案内チャネル（１２、２２、３２）は、直方体形状に設計される、請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載の熱交換器。
5. 前記個々のステージ（１０、２０、３０）は、互いに接着される、請求項１、２、４、又は５に記載の熱交換器。
6. プラスチック又は金属から作製される、請求項１乃至５のうちいずれか一項に記載の熱交換器。
7. ３以上のステージ（１０、２０、３０）を備える、請求項１乃至７のうちいずれか一項に記載の熱交換器。
8. 前記個々のステージ（１０、２０、３０）は、モジュラー式に設計される、請求項７に記載の熱交換器。
9. 全てのステージ（１０、２０、３０）を覆い、追加の案内チャネル（４４）を形成する上壁（１８）を備え、
   最後のステージ（３０）以外の全てのステージ（１０、２０）の前記排出口（１３、２３）は、前記案内チャネル（４４）につながる、請求項１乃至９のうちいずれか一項に記載の熱交換器。
10. 少なくとも１つの熱交換チャネル（１１、２１）は、その下流端において、前記媒体を、前記各熱案内チャネル（１１、２１）の側壁（４、５）に設けられた開口（１３、２３）を通り排出させる案内プレート（４０、２９）を有する、請求項１に記載の熱交換器。
11. 一又は複数の前記開口（１３、２３）の断面積は、前記割り当てられた案内チャネル（１１、２１）の断面積に対応する、請求項１０に記載の熱交換器。
12. 前記案内プレート（４０、２９）は、先端部を形成するよう配置される２つのブラケットを含む、請求項１０又は１１に記載の熱交換器。
13. 前記案内プレート（４０、２９）の前記ブラケットは、湾曲される、請求項１２に記載の熱交換器。
14. 前記案内プレート（２９）は、前記熱案内チャネル（１１、２１）の中央に対して上から見た場合に鏡対称に配置される、請求項１０乃至１４のうちいずれか一項に記載の熱交換器。
15. 前記開口（１３、２３）に煙突型の突起物（１３'、２３'）が接続され、
    前記突起物は、前記開口（１３、２３）から排出される前記媒体を、前記熱交換器を通る主流方向に垂直であり、且つ、前記開口（１３、２３）からの排出方向に垂直である流れ成分を前記媒体が少なくとも含むよう偏向させる、請求項１０乃至１４のうちいずれか一項に記載の熱交換器。

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