JP2009540264A - 中空プレート熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】軽量でかつ熱伝導性が高く、高い差圧および温度の流体を扱うことが可能な熱交換器を提供する。
【解決手段】複数の中空金属プレートが、均等間隔で積層されて外部マニホールドに接続され、前記中空プレートが、狭い開口を有する２つの接続ゾーン間にエンボス加工された中央ゾーンを備えており、前記狭い開口が、中央ゾーンの断面積に等しい面積を有しており、中空プレートが、金属シートのスタンピング加工および切断によって作製され、互いに溶接された２つの壁部からなる熱交換器において、中空プレートの壁部が堅牢かつ薄く形成されており、中央ゾーンが、交互に形成された隆起部を有しており、該隆起部が、多数の鋭角の縁を形成する急勾配のひずみ硬化面を有しており、対向するこれら面間の隙間が、想定される差圧の範囲において、均一に、小さく、正確に制御されて形成されており、プレート間の隙間が比較的狭くなるように配置されている。
【選択図】図５

Description

本発明は、主として、中空プレートの積層体で形成された熱交換器であって、きわめて高いレベルの性能、すなわちきわめて高いバルク伝導度を有し、前面の面積が小さく、流体を推進するために必要とされる機械的動力が小さく、比較的高い差圧および温度の液体および／または気体流体を取り扱うことができる熱交換器に関する。

本発明は、二次的には、上記に類似する構成の熱交換器であって、全体としての性能レベルは上記熱交換器よりも低いが、特定の具体的用途に、より適する熱交換器に関する。

中空プレート熱交換器は、熱機関のためのラジエタにおいて、中実フィン熱交換器よりもはるかに高い性能レベルを有している。実際、このような液体／気体熱交換器においては、バルク伝導度が同等であれば、隣り合う中空プレート間の隙間は、中実フィン間の隙間よりもはるかに大きい。結果として、前者においては、後者に比べて、重量、体積、前面の面積、および消費される電力（液体のポンピングおよび／または気体の吹き出しに費やされる電力）が大幅に小さい。中実金属フィンの熱交換器は、依然としていくつかの分野において広く使用されている。これらの状況において、熱機関に通常の水／空気のラジエタを取り付けた場合、そのようなラジエタの前面の表面積（主断面）が、放出される１ｋＷあたり約０．３ｄｍ^２になる一方で、放散される熱出力の１０％の機械的動力（通気およびポンピング）が動作において消費され、温度差が小さい場合にはこれがさらに大きくなる。このことは、中空プレート熱交換器の利点を示している。

ポリマー、ガラス、または金属からなる中空プレートの１部品の積層によって形成された熱交換器が、ＴＥＴ社の欧州特許ＥＰ １ ５７９ １６３Ｂ１（特許文献１）に記載されている。これらの交換器のうちの１つの製造方法は、急勾配の交互に形成された隆起部でエンボス加工された壁部を有する両凸のベローズが設けられた、アコーディオン形状のブランク材を、ポリマーパリソンの熱ブロー成形によって製造し、次いで、このブランク材の制御された圧縮を実行することからなる。この圧縮の後で、これらのベローズは、２つの内部マニホールドに接続された狭い内部チャネルを有する堅牢な中空プレートの１部品の積層の最終形態をとる。このような一部材からなるポリマー熱交換器は、求められるバルク伝導度が中程度（最大で２０Ｗ／℃／ｄｍ^３）にとどまり、取り扱われる流体の差圧が中程度（最大で０．１ＭＰａ）であり、温度がさほど高くない（＜１００℃）限りにおいては、多くの用途において完全に満足できる結果をもたらす。実際には、多くの特定の事例においては、このような熱交換器の重量、コスト、体積、および消費出力（放出される熱出力の３〜５％）に関する利点が、特には該当の２つの流体間の初期の温度差が比較的小さい（＜６０℃）場合に、この限られた性能を大きく補う。

エンボス加工されたポリマー壁部を備える中空プレートで形成された一部品からなる熱交換器は、多くの利点を有している。壁部が、相反する特性である特定の剛性および特定の薄さを兼ね備えており、したがって重量、コスト、および体積が低減される。冷却液が層流であるにもかかわらず、狭い内部チャネルが、液体と中空プレートの壁部との間の良好な熱伝導を可能にしている。他方で、エンボス加工された壁部が、プレート間の空気の流れに比較的大きな乱れを生じさせ、プレート間の隙間を増大することを可能にしている。これが、プレート間の空気を進めるために必要なエネルギーを大幅に減らす。さらに、このプレート間を循環する空気の大きな乱れが、空気の見掛けの熱伝導率を高め、交換器の全体としての熱伝導を高める。

しかしながら、熱ブロー成形、および、それに続くポリマーブランクからなる両凸ベローズの制御された圧縮という２段階の技術は、所望の性能レベル（特には、このように製造される熱交換器のバルク伝導度）を高めようとする場合に、限られた結果に直面することが経験によって示されている。実際、この技術においては、内部チャネルおよびプレートの壁部の厚さに関して、これらの厚さが交換器のバルク伝導度の値を決定付けるパラメータであるにもかかわらず、中空プレートの１部品の積層の２段階の製造プロセスを完全に制御することは不可能である。現実には、中空プレートの内部チャネルについては、厚さの平均値が約２ミリメートルであるが、少なくとも３０パーセントのばらつきを伴う。壁部の厚さに関しては、平均値が１ミリメートルの領域にあって、ばらつきが約５０パーセントであり、このばらつきは、主としてブランクの熱ブロー成形の際の壁の不均一な薄化に起因する。

これらの厚さの問題に起因する性能の限界に加えて、積層された中空プレートの内部マニホールドの存在が、そのような限界にさらなる態様を追加することに注目する必要がある。すなわち、これらの中空プレートのすべてに共通な中央チャネルが生成されて、これら２つのマニホールドの間の液体の直接かつ迅速な流れを可能にする。結果として、この比較的大きな中央チャネルが、所望の熱交換にほとんど寄与しない。

種々の用途のための高性能な冷却装置が、ＴＥＴ社の国際出願の国際公開公報ＷＯ ２００６／０１０８２２（特許文献２）に記載されている。これらの装置においては、ラジエタが、ＴＥＴ社の上記欧州特許の方法に従って製造された熱交換器である。１つの特定の用途（リサイクルを目的とするディーゼルエンジンからの排気ガスの冷却）は、中空の金属プレートを有する一部品からなる熱交換器を使用するための構成を備えており、１部品からなるポリマー製交換器がさらされ得るよりもはるかに高い差圧および温度に耐えることが可能になっている。この目的のため、熱交換器のための金属製のアコーディオン形状のブランクを、ハイドロフォーミングによって製造する必要がある。この公知の技術は、中空金属プレートを有する一部品からなる熱交換器の分野において有望であるように見受けられるが、現在のところ、正確に実施することが未だ不可能であるほか、それ自身が、その理論効率に関して限界がある。実際、冷却液、水、または油の熱伝導抵抗が高いため、そのような中空プレートを層流として流れる液体の層の熱抵抗が、少なくとも２ｍｍの平均厚さに鑑み、不可避的に高い。これが、金属壁によってもたらされると想定される低い熱抵抗の利点の大部分を除いてしまう。

したがって、金属熱交換器を製造する他の方法を、いくつかの特定の用途のために、特に最初に想定された用途のために、より一般的にはきわめて高い性能の熱交換器を有する可能性を含む任意の装置のために、開発する必要がある。この目的のため、これらの新規な金属熱交換器は、上述の１部品からなる交換器と同程度の低い重量、体積、前面の面積、および機械的動力の消費を有する必要があり、これをはるかに高いバルク伝導度（例えば、少なくとも１００Ｗ／℃／ｄｍ^３）を有し、とりわけ例えば１ＭＰａおよび６００℃のような高い差圧および温度で正しく動作できる可能性を有しつつ、達成する必要がある。さらに、これらの第１の金属製交換器に由来して、とりわけ腐食性の流体を使用する用途などの具体的な特定の用途に関する他の低性能のポリマーまたはガラス交換器も可能である。

この目的のため、ディーゼルエンジンの排気ガスの冷却のために初期に想定された一部品からなる熱交換器と異なり、特にはこの特定の使用のために想定される新規な熱交換器には、可能な限り狭くかつ正確な内部チャネルと、堅くかつきわめて薄い壁とが設けられた中空の金属プレートが装備される必要がある。そのような熱交換器の全体的な特徴は、当然ながら上述の熱交換器の特徴と完全に異なるであろう。それらは、１９６４年の米国特許ＵＳ ３ １５３ ４４７号（特許文献３）および１９７４年の米国特許ＵＳ ３ ８４９ ８５１号（特許文献４）に記載されている配電システムにおける変圧器を冷却するために開発された重くて嵩高い熱交換装置から取り入れられる。この装置は、垂直に配置されて自然対流によって循環する空気によって冷却されることができるエンボス加工された壁部を有する大きな中空の金属プレートを、２つの外部マニホールドへと溶接によって接続して作製される。

欧州特許第１ ５７９ １６３号 国際公開公報ＷＯ ２００６／０１０８２２ 米国特許第３ １５３ ４４７号 米国特許第３ ８４９ ８５１号

本発明の第１の主題は、適切な型押しすなわちエンボス加工によって硬く形成された薄い金属壁を備える中空プレートで構成され、重量が軽く、体積および表面積が小さく、機械的動力の消費が少なく、かつ高いバルク伝導度を有する一方で、確実かつ制御の容易な工業的生産に適し、さらに高い温度および／または差圧の液体および／または気体流体を取り扱うことができる高性能の熱交換器である。

本発明の第２の主題は、先の交換器と同様の改善された熱交換器であって、先の交換器よりも性能が低いが、先の交換器の用途とは異なる所与の特定の用途により適しており、適切なエンボス加工によって硬く形成された薄いポリマーまたはガラスの壁を備える中空プレートの積層を有する熱交換器に関する。

本発明の第３の主題は、これらの改善された熱交換器から作製され、前面の表面積が小さく、高い熱伝導度を有しており、必要とするポンピングおよび通気力がきわめて小さいコンパクトなラジエタである。

本発明によれば、
狭い内部チャネルを有する中空金属プレートが、均等な間隔で積層され、外部マニホールドに接続されており、
これらのプレートが、狭い開口が設けられた２つの接続ゾーンの間に位置するエンボス加工された中央ゾーンを備えており、前記狭い開口が、中央ゾーンの断面の面積にほぼ等しい面積を有しており、
これらのプレートの壁部が、金属シートのスタンピング加工および切断によって製造されており、
中空プレートの２枚の壁部の側縁部が溶接されている、
重量および体積が小さく、きわめて高いバルク伝導度を有しており、高い差圧および温度で流体を扱うことができる熱交換器において、
各中空プレートの壁部が、いずれも堅牢に、かつきわめて薄く形成されており、該壁部のエンボス加工された中央ゾーンが、交互に形成された隆起部の列の整列配置された組を１組以上有しており、該隆起部が、該隆起部の整列方向に対して斜めまたは垂直な方向に延びる多数の鋭角の縁を生成する急勾配のひずみ硬化面を備えており、
対向する面の間の隙間が、想定される差圧の範囲において、均一に、きわめて小さく、正確に制御されて形成されており、かつほぼ一定であり、プレート間を隔てる隙間が比較的狭い
ことを特徴としている。

これらの新規な構成の利点を説明する前に、上述の米国特許においては、プレートの壁部を薄くする必要がないので、それらの剛性が特に問題でなく、壁部の中央ゾーンのエンボス加工部分が、この事例においてはほとんど存在しない硬さの問題に対する解決手段とて設けられたのではないことに注目すべきである。通常の金属から作製される壁の充分な厚さが、困難なくこの必要性を満足する。エンボス加工は、単にプレートの熱交換面積をそれらの寸法を増大させることなく増加させるためのものである。これは、壁において均等に離間した比較的小さな凹所からもたらされる長手方向の起伏によって達成される。この起伏の特定の輪郭が示されているが、この形式の交換器においてはこの態様が重要でないため、起伏の輪郭は普通であって、ほとんどいかなる独自性も特徴としていない。しかしながら、これらの起伏ゆえ、中空プレートの内部チャネルが、比較的大きな平均値の周囲で対称に変化する起伏する厚さを有している。さらに、内部チャネルの壁が、対向する傾斜面を有していない。

本発明の第１の構成によれば、本発明は、第１に、標準的な（冷間）スタンピング加工の際に「ボーナス」として得られるひずみ硬化による特に高い硬さおよび弾性限度が与えられたきわめて薄い堅牢な壁部（例えば、特定の鋼においては０．１５ｍｍ）を有するプレートを備えており、これらの中空および隆起のそれぞれの面が、剛性ストリップとして機能し、さらにそれぞれの鋭角の縁が、これらのストリップが埋め込まれた梁として挙動する。したがって、これらのストリップには、加えられる差圧の作用のもとで、きわめて制限された撓みしか生じない。特には過剰な圧力が外的である場合に、この撓みは、常に、中空プレートの内部寸法の半分よりも大幅に小さく保たれる。中空プレートの内部寸法は、隆起部の対向面間で測定され、設計によって正確に制御でき、かつきわめて小さい（例えば、０．３ｍｍ））。このような構成が、２つの流体の間の熱交換の機能が常に正確に果たされるよう、対向する面の壁の間の接触を防止する。

これらの条件のもとで、本発明によるそれぞれのエンボス加工された中空プレートは、その顕著な一次的な硬さを、その壁を構成している金属がひずみ硬化しているという事実に拠り、さらに交互に形成された隆起部が慣性モーメントを大きく増加させるという事実に拠っている。したがって、これらの二重に硬く形成されたきわめて薄いストリップが、それらの２つの表面に沿って循環する２つの流体の間の効率的な熱交換器として、たとえ流体間に高い差圧が存在する場合でも完璧に機能することができる。この硬さをもたらす必要があるこれらのスタンピング加工された交互に形成された隆起部の直接の特徴が、本発明の基本構成を定める。それらは、すべての縁が隆起部の鋭角の縁によって形成される梁に埋め込まれている、いくつかのきわめて薄くてきわめて硬いストリップを生成する初期の平坦なシートの大きな局所延びによって生成される、急勾配のひずみ硬化面の形態をとる。

間にこれらの急勾配の面を形成する二面角の鋭角の縁は、空気の見掛けの熱伝導度を増大させるという第２の既知の効果を有しており、空気の流れの方向に対して斜めおよび／または垂直に向けられた縁が、プレートを隔離する比較的狭い隙間を通過する一般的に高速な空気流に大きな乱流を生じさせるという効果を有している。この構成は、上述の米国特許の垂直に配置された起伏付きプレートにおいては、低速な空気流が自然対流によって循環してプレートを隔離する不特定の寸法の隙間を通過するため、意味がないと考えられる。

ここで、この構成を結論付けるために、ＴＥＴ社の欧州特許を参照すると、上述の性能の限界の原因のすべてが、この新規な熱交換器において取り除かれ、それらの逆の構成を有する部材によって置き換えられていることを見て取ることができ、壁および内部チャネルが、きわめて薄い正確な既知の厚さを有しており、詳しく後述されるとおり、中央のチャネルをなくすことができる。対照的に、この欧州特許に記載の一部材からなるポリマー熱交換器の中空プレートのエンボス加工された壁部に関する肯定的な特徴のすべては維持されている。これらの特徴は、使用される金属シートのひずみ硬化から生じる特徴によって補足される。それらを米国特許に記載の交換器の利点ならびにきわめて薄い壁の使用（一見したところ、高い差圧が想定される場合においては推奨できないように思われる）および特に狭い内部チャネルの生成と組み合わせることによって、新規かつ非自明な熱交換器が生み出される。結果として、この新規な交換器は、すでにきわめて効率的であるＴＥＴ社の欧州特許による一部材からなるポリマー熱交換器の性能レベルを大きく超える性能レベルを有する。

特定の特徴によれば、上述の主たる特徴の補足として、
各中空プレートが、交互に形成された隆起部からなる列を少なくとも２つ有しており、
隣り合う２つの列が、スタンピング加工された２つの内部突起によって形成され溶接によって組み付けられる細い直線状のパーティションによって隔てられており、
これらの突起の高さが、これらの隆起の尾根におけるプレートの内部寸法の値の半分に等しい。

プレートが大きい寸法（ｍ^２）を有するときにプレートの剛性を改善するために上述の米国特許において想定される可能性からとられるこれらの後者の構成は、本発明による熱交換器に２つの特に好都合な結果を与える。第１に、そのような熱交換器の中空プレートに、比較的高い内部の過剰の圧力が作用したときに、直線状の内部のパーティションが、エンボス加工された中央ゾーンの内部寸法を、プレートの薄い壁部に加わる差圧の影響を受けない値に維持する。その結果、適切なエンボス加工によって硬く形成されたきわめて厚い壁部を有する中空プレートは、比較的高い内部の過剰な圧力に損傷なく耐えることができる。このような溶接による内部の突起が存在しない場合、高い剛性を有する交互に形成された隆起部からなる隣り合う列が、ヒンジとして作用する柔軟なゾーンによって隔離される。これは、そのような過剰な圧力に応答して、プレートのわずかな膨らみをもたらし、プレート間の隙間における熱交換、あるいはプレートの急速な劣化を引き起こす。しかしながら、上述のように溶接される２つの内部突起によって形成されるパーティションを備えれば、中空プレートのきわめて薄い壁部の厚さを体系的に増加させなくとも、一時的な高い内部の過剰な圧力に耐えることができる。これは、より軽量であってよりコストが低い熱交換器を製造できることを意味する。

これらの溶接された内部突起の第２の利点は、所望の熱交換のより高い効率という形で現れる。交互に形成された隆起部からなる２つの隣り合う列の間にこの方法で形成された内部のパーティションが、中空プレートに進入する液体の流れのためのバリアを構成する。各バリアの第１の効果は、上流側のマニホールドの後方領域にあるがために強い気流に掃引されないことにより、表面積が小さいために所望の熱交換のためには非効率的である平滑な壁に沿って、外部マニホールド間の流れの多くが直接的に流れることが防止される点にある。他方で、このバリアの第２の効果は、流入する流れを高い熱交換効率を有する交互に形成された隆起部からなる２つの列に向かって案内し、熱交換性能を最大化することにある。

これら２つの利点が、上述の米国特許に記載された比較的厚い壁を有する大きな中空プレートを備える熱交換器においては、あまり重要でないことに注意すべきである。この交換器においては、大きな垂直プレートの最下部において生じる最大の差圧は、冷却油によって生成される比較的低い静水過圧である。これは、当然ながら任意の適切な位置に設置することができ、とりわけきわめて高い差圧にて動作することができる本発明による熱交換器には関係しない。さらに、オイルが、外部マニホールドよりもはるかに多く中間プレート内を自然対流によって上方から下方へと循環するため、低い循環速度ゆえの低い上流の動圧が、一方のマニホールドから他方のマニホールドへの迅速な直接的軌跡を有利にできることを防止する。

先の特徴に補足的な特徴によれば、
交互に形成された隆起部の隣り合う２つの面の法線のなす角度が３０℃以上に設定されて、該面の鋭角の縁が、乱流を生成し、かつこれらの隆起の面が埋め込まれた梁と同等の効果を有しており、
隣り合う２つの面の法線のなす最大角度が、該当の金属シートがスタンピング加工される条件について課される制約によって制限されている。

先の特徴に補足的な特徴によれば、プレートの対向する面が、平行な壁部を有しており、これらの壁部を隔離する隙間が、一定でありかつ壁部の厚さと同程度である。

先の特徴に補足的な特徴によれば、
交互に形成された隆起部が、共通の長手方向の縁を有する等脚台形の形状の２つの面を単独で有するとともに、２つのひし形の面を共有して有しており、
前記ひし形の面の長い対角線が、プレートの壁部の厚さの数十倍であってよい。

先の特徴に代わる特徴によれば、
交互に形成された隆起部が、２つの三角形の面を単独で有するとともに、共通の側部縁を有する２つの六角形の面を共有して有しており、
六角形の面の側部縁の間の距離が、プレートの壁部の厚さの数十倍であってよい。

先の特徴に補足的な特徴によれば、各中空プレートのエンボス加工された中央ゾーンが、２つの接続ゾーンによって外部マニホールドに接続されており、２つの接続ゾーンは、大きな傾きを有する側縁および円錐台形状の一部分を含む平滑な壁を備えている。

先の特徴に補足的な特徴によれば、外部マニホールドが、抵抗を最小限にすることができる空気力学的な輪郭を有している。

先の特徴に補足的な考えられる特徴によれば、隆起部の対称な面が、ダイヤモンドパターンを形成する複数の二次面を備えるように切削されており、かつ、さらなる鋭角の縁を備えている。

これらの種々の構成の結果として、このように製造された熱交換器のバルク伝導度は特に高い。これについて、いくつかの理由が存在する。（１）プレートが、無視しうる熱抵抗を有する金属の壁部を有している。（２）プレート内の水またはオイルのきわめて薄い層の熱抵抗が、この層の層流およびこれらの液体の比較的高い熱抵抗にもかかわらず小さい。（３）プレートの間を循環する空気の乱流および見掛けの熱伝導度が、隆起部の高さおよび隆起が備える鋭角の縁の総数が増えるにつれて向上する。少なくとも２つの列のそれぞれが、約４５°で傾いた面を備えるいくつかの交互に形成された隆起部を備えることで、関係する種々のパラメータの間に効率的な妥協が達成される。面の傾きが約５０°未満である隆起のスタンピング加工は、製造上の問題を引き起こすことがない標準的な作業であり、２つの隣り合う面の法線の間の３０°の最小角度が、これらの中空および隆起の高さが固定されている場合、空気流の満足な乱流およびプレートの中央ゾーンの隆起の行のそれぞれの最小限の幅を保証する。さらに、２つの隣り合う面の法線の間の３０°の最小角度が、該当の縁に梁に比肩できるための充分な硬さを与え、したがって縁が、集合的に梁のネットワークに比肩できる。

さらに、２つの外部マニホールドに接続された多数のこのような同一のプレートの積層によって形成された熱交換器によれば、一定の流速で層流として流れ、妥当する場合、比較的高速であってよいプレート内を循環する液体の圧力低下を、大幅に減らすことができる。いずれにせよ、このような積層は、液体をポンピングするために必要な力を大幅に低減する。空気力学的な輪郭を有する外部マニホールドの使用に加えて、プレートを隔離する比較的大きな隙間にもかかわらず、２つの交差する流体の流速に平行に設置されるプレートの最大寸法が、ラジエタの空気力学的抗力および／またはラジエタの通気に要する力の大幅な低減をもたらす。

本発明による中空プレートの壁部の製造に使用することができる金属に関し、それらがそれほど多くないが、スタンピング加工の専門家にとって周知であり、最終的な選択が（例えば、アルミニウムまたは鋼）、主として、これらのプレートを取り入れる熱交換器の動作温度範囲におけるこれらの金属の機械的な挙動によって決定されることに注目できる。

これらのさまざまな構成の結果として、本発明によるきわめて高性能な熱交換器の工業的製造は、比較的自動化が容易な１式の完全に制御可能な作業からなり、そのような交換器の大量生産のための好都合な原価をもたらす。それらの作業は、以下のとおりである。
１）金属シートからの、同一構造を有する複数のプレート壁部のスタンピング加工および切り出し。
２）一方の壁部の上下反転。
３）側縁および内部の中央のパーティションの突起を溶接することによる、２枚の近接する壁部の組み立て。
４）これらの中空プレートの、２つの外部マニホールドへの溶接による取り付けおよび固定。

本発明によれば、きわめて高いバルク伝導度を有するコンパクトなラジエタが、
薄い金属中空プレート熱交換器からなる２つの同一構成のグループを、２つの主上流および下流マニホールドに組み合わせて備えており、これら主マニホールドは、互いにわずかに離間するように、かつ、各直角な角部が互いに逆向きに位置するように配置された平坦な直角台形形状の面を備えており、
各グループの交換器の個々の上流側および下流側マニホールドが、交換器の中央ゾーンの幅よりもわずかに大きい一定の間隔で、２つの主上流および下流マニホールドの２つの面にそれぞれ接続されている
ことを特徴とする。

これらの構成によって、きわめて高いバルク伝導度および可能な限り小さい主断面（放出される１ｋＷにつき０．１０ｄｍ^２以下）を有するラジエタを構成できる。本発明によって積層された多数の金属中空プレートによって形成された多数の熱交換器そのものを、２つの平坦な主マニホールドのいずれかの側に容易に組み立てることができる。また、このコンパクトなラジエタが必要とするポンピングおよび通気力は特に小さく、同じ熱伝導を有する中実フィンのラジエタが必要とする力の約５倍小さい。

本発明の特徴および利点は、添付の図面を参照しつつ提示される本発明の非限定的な実施形態についての以下の説明を検討することによって、さらに詳しく明らかになるであろう。

本発明による中空プレートの第１のエンボス加工された壁部の平面図である。 本発明による中空プレートの第２のエンボス加工された壁部の平面図である。 上記壁部の特定の面の図である。 上記壁部の特定の面の図である。 上記第１の壁部の交互に形成された隆起部の縦断面である。 マニホールドに溶接された中空プレートの１つの端部の縦断面である。 １５枚の中空プレートを備える熱交換器の等角投影図である。 上記熱交換器を使用して構成された本発明によるラジエタの平面図である。

図１は、中空プレートの薄い金属壁部１０の第１実施形態を示している。この壁部は、２つの接続ゾーンの間に配置される、エンボス加工された中央ゾーン１３を有するようにスタンピング加工され、次いで切断されている。例として、この壁は、アルミニウムで作製され、厚さが０．３ｍｍであり、エンボス加工された中央ゾーンは、幅が６０ｍｍ、長さが７６ｍｍである。この中央ゾーン１３は、交互に形成された隆起部からなる２つの同一の列１２および１４が、幅４ｍｍの細い直線ゾーン１６を隔てて隣接する構成を有している。２つの接続ゾーン１８および２０は、平滑な壁を有している。各列は、凸部および凹部、すなわち、列１２および１４について、４つの凸部２２_１、２および２４_１、２と、４つの凹部２２’_１、２および２４’_１、２で構成された、交互にエンボス加工された２つの同一な構成の領域を有している。凹部は灰色で図示されている。各凸部２２_１、２、２４_１、２または各凹部２２’_１、２、２４’_１、２は、４つのきわめて急勾配の鋭い辺を有する４つの斜面を備える屋根のような形状を有している。すなわち、列１２の交互に形成された隆起部のそれぞれが、（１）いずれも長さ１９ｍｍの底辺を有する凸部の２つの対称な台形２６_１、２および２８_１、２、ならびに凹部の２つの対称な台形２６’_１、２および２８’_１、２を単独で有し、（２）いずれも２８ｍｍの底辺を有する凸部の２つの二等辺三角形３０_１、２および３２_１、２、ならびに凹部の２つの二等辺三角形３０’_１、２および３２’_１、２を同じ列の隣の隆起部と共有し、（３）いずれも長さ５ｍｍである凸部の長手方向の尾根３４_１、２および凹部の長手方向の尾根３４’_１、２を有し、かつ、（４）５ｍｍという同じ高さを有している。交互の型押しの２つの連続する交互に属する列１２（列１４も同様）の２組の二等辺三角形３０_２、３０’_１および３０’_２、３２_１が、２つの平坦なひし形を形成していることに、注意すべきである。

図示の壁部１０の型押しによる中央ゾーン１３を２つに分割している細い直線ゾーン１６の中央には、幅２ｍｍの内部突起３６がスタンピング加工によって形成されており、スタンピング加工技術が可能にする限りに堅牢な、対称な側部を有している。このような突起３６は、製造された中空プレートの２つの壁部の凸部の尾根間を隔てる最大ギャップの半分に等しい高さ（すなわち、後述するように０．２ｍｍ）を有している。２つの線３８、４０によって、１つの中空プレートの壁部の交互に形成された隆起部の２つの列１２、１４の平行な外側縁と、２つのプレートの壁部のシール面の一部を形成している１対の平行な外側フランジ４２、４４とが隔てられている。線３８、４０およびフランジ４２、４４は、それぞれ幅が１ｍｍであり、高さ０．２ｍｍの小さな段差を形成している。この段差が、プレートの尾根における内部寸法の半分を定める。これら２つの平坦な線３８、４０は、壁部１０の２つの接続ゾーン１８、２０の２つの平坦部４６、４８で終わっており、これら２つの平行なフランジ４２、４４は、これらの同じ接続ゾーンの２組の斜めの外側フランジ５０_１、５０_２および５２_１、５２_２で終わっており、２組の斜めの外側フランジ５０_１、５０_２および５２_１、５２_２が、プレートの壁部のシール面の残りの部分を形成している。それぞれのフランジ５０_１、２または５２_１、２が、壁部１０の対称の長手線と６０°の角度を形成している。それぞれの接続ゾーン１８、２０の端部は、８７．５°の半円錐角を有するほぼ平坦な円錐台形状部５４、５６を備えている。このテーパ状の部位は、２組の円弧５８_１、２および６０_１、２によって画定されており、この組の長さは８ｍｍである。それらの端部は、高さ１．５ｍｍの２つの段差によって互いに連結されており、このようにして、中空プレートのために作られる上流または下流の開口のそれぞれの面積が２４ｍｍ^２、すなわちプレートのエンボス加工された中央ゾーン１３の内部空間の横断面の面積にほぼ等しくなっている。

図２Ａは、本発明の第２実施形態に係る、中空プレートの壁部を構成する、スタンピング加工の後に切り出された薄い金属壁部１１を示している。この壁部１１は、幅２６ｍｍの隆起部１５の列を１つだけ有しているエンボス加工された中央ゾーンの構成、およびその交互に形成された隆起部の形状においてのみ、上記の壁部１０と相違している。このただ１つの列は、３つの凸部２２ｂ１〜３および３つの凹部２２’ｂ１〜３を有しており、後者は灰色で図示されている。各凸部２２ｂ１〜３および各凹部２２’ｂ１〜３は、４つの急な斜面を有する屋根のような形状を有している。列１５の３つの交互に形成された隆起部において、これは、それぞれの隆起に、（１）いずれも大きさ１４ｍｍの底辺を有している凸部の対称な横三角形の組２５ｂ_１、２、２７ｂ_１、２、２９ｂ_１、２および凹部の同様な組２５’ｂ_１、２、２７’ｂ_１、２、２９’ｂ_１、２を固有にもたらし、（２）いずれも長さ１８ｍｍの横方向の尾根および５ｍｍの同じ高さを有する中央の六角形３１_１〜５を、隣接する隆起部との共有にてもたらしている。

図２Ｂおよび２Ｃは、図１および２Ａの隆起の面の変形例として、二次面を有する図２Ａの主面のうちの２つを示している。図２Ｂは、３つの二次面３７_１〜３を備えている三角形の側面２５を示しており、３つの二次面３７_１〜３が、３つの鋭角の縁をこの三角形の重心に位置するダイヤモンド点３９とともに有する比較的平坦な三面体を形成している。図２Ｃは、同一平面内の面４１_１〜６を図２Ｂの点３９と同様の中央のダイヤモンド点４３_１〜６とともに有する６つの三角形が設けられた六角形の長手方向面３１を示している。これらの点の高さは、金属シートのスタンピング加工技術の限界によって決定される。

図１および２Ａは、本発明による中空プレートの型押しによる壁部の隆起部がとることができると考えられる形態のうちの２つを示している。図２Ｂおよび２Ｃは、プレート間の気流に乱れを生じさせる能力を改善するために、これらの隆起部の主面について考えられる変形例を示している。

図３は、マニホールドに接続される前の状態の、中空プレートの一部の端部のうちの１つの軸ＡＡ’（図１を参照）に沿った長手方向断面を拡大して示している。このプレートは、２つの壁部１０ａと１０ｂとを溶接して得られたものであり、壁部１０ｂは、壁部１０ａを、横方向の対称軸ＢＢ’（図１を参照）回りに１８０℃回転させたものである。この断面ＡＡ’は、列１４の凸部２４_２および凹部２４’_２によって形成された交互の型押しの尾根３５_２および３５’_２に沿って得たものであり、このプレートの壁部１０ａの接続ゾーン１８を通過している。図４は、壁部１０ａの交互に形成された隆起部からなる列１２および１４ならびに接続ゾーン１８および２０の、対称軸である長手線ＣＣ’（図１を参照）に沿って得た同じプレートの端部の断面の拡大を示している。

図３において、プレートの下側の壁部１０ｂおよび上側の壁部１０ａの第１実施形態の凸部および凹部は、図３の輪郭に見られる上側の壁部１０ａの部位２４_２および２４’_２がそれぞれ凹部および凸部として現れるように、逆にされている。上記のように定義される壁部１０ｂの凸部２４’_１および凹部２４_１が、それぞれ凹部および凸部に入れ子にされている。プレートのエンボス加工された領域の入れ子にされた尾根３４_１、３５’_２または３４’_１、３５_２の間に位置する中空プレートの内部チャネルの部位６２の厚さは、０．４ｍｍであり、隆起の上りまたは下りの面の４５°の斜面の間に位置する内部チャネルの部位６４の寸法は０．２８ｍｍである。接続ゾーン１８および２０の平坦部の間の内部チャネル６６の寸法は０．４ｍｍである。

図３によれば、線ＡＡ’に沿った断面の右手部分が、（１）これら２つの接続ゾーンまで延びる壁部１０ａ、１０ｂが、２つの対向する円錐部５４、５６から徐々に分離を開始する開始点６８、（２）円弧５８_２および５８_１を始点とする、これらの壁部の２つの対称な段差、ならびに（３）壁部１０ａおよび１０ｂのシール面を定める２つの対称な外フランジ５２_２および５０_１を示している。

図４図示されているのは、互いに溶接された２つの細長いシェルによって形成された外部マニホールド７５の接続シェル７４内に形成された１２０°の円弧の形態のスロット７２の縁および端部において、ビード７０に係合および溶接された、１つの中空プレートの端部の長手方向の対称軸ＣＣ’に沿った断面である。図示の断面は、０．４ｍｍの隙間６６によって隔てられた壁部１０ａおよび１０ｂの狭い中央ゾーンの２つの平行な部位１６ａおよび１６ｂと、中空プレートの２つの壁部１０ａおよび１０ｂの接続ゾーンの対向する円錐部に対応する２つの別体の広がり部５４および５６を示している。これら２つの広がり部の最縁部間の隙間は３ｍｍであり、１２０°の円弧６０_２および６０_１（図１を参照）の長さは８ｍｍである。結果として、エンボス加工された壁部を有する内部チャネルの真っ直ぐな長手方向断面の面積と、中空プレートからなるフィンの端部の開口の面積とが、ほぼ等しい。

図５は、エンボス加工された壁部を有する１５枚の薄い中空金属プレートであるフィン７８_１〜１５を備える基本的な熱交換器７６を示している。これらの中空プレートの端部は、上述のとおり、空気力学的輪郭を有する外部マニホールド８０、８２の壁内に形成され、幅が３．５ｍｍであって、８ｍｍの間隔で離間して位置している円弧状の縁を有するスロットに係合し、溶接されている。このような溶接の容易な製造を可能にするために、マニホールド８０、８２は、線８３に沿って互いに溶接されるＵ字形の横断面を有する２つの細長いシェルで作製されている。それらは、スタンピング加工によるプレートの壁部の製造に使用されるものと同一のシートから切り出される金属ストリップから作製される。これらのストリップうちの半分に、適切な幅、長さ、および間隔を有するスロットが形成され、このようにして準備された２種類のストリップが、突き出し形状輪郭、および中空の輪郭を有する２つの照合テンプレートによって前部閉鎖シェルおよび接続シェル７５に加工される。次いで、複数の中空プレートの開口が、接続シェルのスロットに溶接される。その後、２つの前部閉鎖シェルが、先の２つに溶接され、それらの端部の一方が封じられ、２つの流線型の外部マニホールドおよび交換器自身の両者が形成される。

図６が、コンパクトなラジエタ８１の平面図を示している。適切な全体としての熱伝導度を有するコンパクトなラジエタを形成するために、６つの同一構造の熱交換器７６_１〜６を、上下に配置された直角台形形状の２つの平坦な主マニホールド８４、８６のいずれかの側に、並列に取り付けることができる。これらの平坦なマニホールド８４、８６は、平行な辺８８_１、２および９０_１、２、ならびに外部マニホールド８０_１、２の長手方向断面の最大寸法にほぼ等しい厚さを有している。２つの隣り合う交換器は、それらのプレートの側部縁が事実上当接するように、あるいはわずかに交互配置されるように取り付けられている。前者の場合には、上流側の外部マニホールド８０_１〜６および下流側の外部マニホールド８２_１〜６の足が、主マニホールドの面の長辺９２、９３に沿って一定の間隔で作製されたほぼ円形の開口９４_１〜６および９６_１〜６に同じ深さまで係合させられ、次いで溶接される。後者の場合には、マニホールドの挿入の深さが、奇数行の交換器と偶数行の交換器とで異なっている。２つの主マニホールド８４、８６の最長の辺である、平行な辺８８_２、９０_２間の辺の長さは、取り付けられる熱交換器７６の数によって決定される。２つの主マニホールド８４、８６の短い辺の長さは、外部マニホールド８０、８２間の間隔およびそれらの斜めの辺を隔てる隙間１００（典型的には、５ｍｍ）によって決定される。

エンボス加工によって硬く形成されたきわめて薄い壁を備えている薄い中空金属プレートの積層によって形成された熱交換器のこのような集合体は、高出力の熱機関（＞１００ｋＷ）の冷却に特に有利なコンパクトなラジエタの形成を可能にする。それらは、きわめて小さな主断面、きわめて高い熱伝導度、低いポンピングおよび通気力消費、ならびに制限された体積および重量を有する。低速での運転を改善するために冷却して使用されるディーゼルエンジンの排気ガスの処理にも適している。より一般的には、このようなコンパクトな金属製の集合体によって、高い温度および／または差圧（最大約６００℃および１ＭＰａ）を有する２つの流体、特には液体および気体の間のあらゆる熱交換を、効率的に実行することができる。

本発明は、上述の例に限定されない。中空プレートの長さおよび幅は、図１に示したものよりも大幅に大きくてよく、数デシメートルに達してもよい。同じことが、各列の交互に形成された隆起部の数および各プレートの列の数についても言える。プレートの最大寸法は、実際には、スタンピング加工プレスにおいて利用可能なテーブルの寸法によって決定される。熱交換器の中空プレートの数に関しては、数十にものぼることができる。同じことが、コンパクトなラジエタに組み立てられる交換器の総数にも言える。

側部縁が相違している、類似しているが同一ではない２つの適切なエンボス加工による壁部を使用して本発明による中空プレートを製造できることに注意すべきである。中央ゾーンの内部チャネルの寸法の半分を定める小さな段差を有する横フランジを備えている２つの同一な壁の代わりに、一方の壁に先の段差の２倍の高さの段差を有するフランジを設け、他方の壁には段差を設けないことも可能であると考えられる。このためには、２つの異なるスタンピング加工金型の組の使用が必要になると考えられるが、生産速度が高い場合には経済的影響は少ないと考えられる。

上述の各図は、液体／気体の熱交換器のための中空プレートを示している。液体が、きわめて狭い内部チャネル（０．３ｍｍ）を有するこれらの金属プレート内を循環する。気体／気体の熱交換器の場合には、この内部チャネルの寸法は、当然ながらはるかに大きく（典型的には、＞１ｍｍ）、プレート間の隙間は、通常は図示の交換器における隙間よりも小さい。これは、中空プレートの壁部の各側において、２つの気体の質量流量および速度が同程度であるからである。

さらに、特定の用途、特には化学および腐食性の流体が使用される他のあらゆる分野における用途においては、それらの使用条件に完璧に適した高性能のガラス熱交換器へのアクセスを有することがしばしば望まれ、ときには必須である。この目的のため、これらのガラス熱交換器に、１部品のポリマーまたは本発明による形式の金属から作製される中空プレート交換器について上述した伝導度（２０または１００Ｗ／℃／ｄｍ^３）の中ほどの高いバルク伝導度がもたらされるであろう。これらのガラス熱交換器へと加えることができる最大温度および差圧に関しては、本発明による金属交換器が耐える温度および差圧よりも小さく、ＴＥＴの欧州特許による１部品のポリマー交換器に関する温度および差圧よりも大きいであろう。この同じ種類の用途のために、これらの一部品からなる熱交換器のバルク伝導度よりも約５０％高いバルク伝導度を、それらの差圧および温度範囲を保ちつつ有するポリマー熱交換器へのアクセスを有することも好都合でありうる。

この目的のために、本発明による金属熱交換器のための新規な技術が採用および適合され、金属シートに代えて、単純にガラスまたはポリマーのシートを使用して高温スタンピング加工または熱成形によって加工することができる。これらの２つのシート成形技術に使用される製造方法は、互いに類似している。前者は、機械的な圧力ならびに中空および／または突起を有する２つの照合金型を使用し、後者は、空気圧ならびに中空および／または突起を有するただ１つの金型を使用する。両者とも、適切な加熱を使用する。しかしながら、ひずみ硬化は生じさせられない。

エンボス加工された壁部および外部マニホールドを有するこのようなガラスまたはポリマー中空プレート熱交換器の壁および内部チャネルの厚さは、不可避的に、使用されるガラスまたはポリマーの種類の特定の機械的特性に応じて大きくなるであろう。それらの性能は、上述のように、それらから直接的に導出されるであろう。

１０，１１ 壁部
１２，１４ 隆起部の列
１３ 中央ゾーン
１８，２０ 接続ゾーン
２２，２４ 隆起部
６０ 開口
６４，６６ 対向面間の隙間
７６ 熱交換器
７８ 中空プレート
８０，８２ 外部マニホールド

Claims (11)

1. 軽量で、かつ高いバルク伝導性を有し、高い差圧および温度の流体を扱うことが可能な熱交換器（７６）であって、
   狭い内部チャネルを有する複数の中空金属プレート（７８_１〜１５）が、均等な間隔で積層されて、外部マニホールド（８０、８２）に接続されており、
   前記中空プレートが、狭い開口（６０_１、２）が設けられた２つの接続ゾーン（１８、２０）の間に位置するエンボス加工された中央ゾーン（１３）を備えており、前記狭い開口（６０_１、２）が、前記中央ゾーンの断面の面積にほぼ等しい面積を有しており、
   前記中空プレート（７８）が、金属シートのスタンピング加工および切断によって作製された壁部を有しており、
   前記中空プレート（７８）の２つの前記壁部（１０、１１）の側縁部（４２、４４）が溶接されている
   熱交換器において、
   前記各中空プレート（７８_１〜１５）の前記２つの壁部（１０、１１）が、いずれも堅牢に、かつきわめて薄く形成されており、
   前記壁部のエンボス加工された中央ゾーン（１３）が、交互に形成された隆起部（２２、２２’、２４、２４’）の列（１２、１４）の整列配置された組を１組以上有しており、
   前記隆起部が、前記整列方向に対して斜めおよび／または垂直な方向に延びる多数の鋭角の縁を形成する、急勾配のひずみ硬化面（２４、２６、２８、３０）を有しており、
   対向する面の間の隙間（６４、６６）が、想定される差圧の範囲において、均一に、きわめて小さく、正確に制御されて形成されており、かつほぼ一定であり、
   前記複数のプレート（７８_１〜１５）間を隔てる隙間が比較的狭く設定されている、
   ことを特徴とする熱交換器。
2. 請求項１に記載の交換器から派生する熱交換器において、
   狭い内部チャネルを有する複数の、ガラス製またはポリマー製の中空プレートが、均等な間隔で積層されて、外部マニホールドに接続されており、
   前記中空プレートが、ガラスシートまたはポリマーシートのスタンピング加工および切断によって作製された壁部を有しており、
   前記中空プレートが、狭い開口が設けられた２つの接続ゾーンの間に位置するエンボス加工された中央ゾーンを備えており、前記狭い開口が、前記中央ゾーンの断面の面積にほぼ等しい面積を有しており、
   前記中空プレートの２つの前記壁部の側縁部が溶接されており、
   前記壁部のエンボス加工された中央ゾーンが、交互に形成された隆起部の列の整列配置された組を１組以上有しており、該隆起部が、前記整列方向に対して斜めまたは垂直な方向に延びる多数の鋭角の縁を形成する急勾配の面を有しており、
   対向する前記面の間の隙間が、想定される差圧の範囲において、均一に、小さく、正確に制御されて形成されており、かつほぼ一定であり、
   前記複数のプレート間を隔てる隙間が比較的狭く設定されている、
   ことを特徴とする熱交換器。
3. 請求項１または２において、
   各中空プレート（７８）が、少なくとも２つの、交互に形成された隆起部からなる列（１２、１４）を備えており、
   隣り合う前記２つの列が、スタンピング加工または熱成形によって形成され、溶接によって組み付けられた２つの内部突起からなる細い直線状のパーティション（３６）によって隔離されており、
   前記突起の高さが、前記中空プレートの内部寸法の最大値の半分に等しい、
   ことを特徴とする熱交換器。
4. 請求項１または２において、
   交互に形成された前記隆起部の隣り合う２つの面の法線のなす角度が３０°以上に設定されて、該面の鋭角の縁が、乱流を生成し、かつ流体間の差圧に耐えるように形成されており、
   隣り合う２つの面の法線のなす最大角度が、該当の材料をスタンピング加工または熱成形するための条件に課される制約によって制限されている、
   ことを特徴とする熱交換器。
5. 請求項１または２において、
   交互に形成された前記隆起部が、共通の長手方向の縁（３４_１、３４’_１）を有する等脚台形の形状の２つの側面（２６_１、２、２６’_１、２）を単独で有するとともに、中央に位置する２つのひし形の面（３０_２、３０’_１）を共有して有しており、
   前記ひし形の面の長い方の対角線の長さが、前記プレートの壁部の厚さの数十倍である、
   ことを特徴とする熱交換器。
6. 請求項１または２において、
   交互に形成された前記隆起部が、凸部および凹部を形成する二等辺三角形の形状の２つの側面（２５ｂ_１、２、２７ｂ_１、２、２９ｂ_１、２、２５’ｂ_１、２、２７’ｂ_１、２、２９’ｂ_１、２）を単独で有するとともに、凸部および凹部を形成する、中央部に位置する２つの六角形の面（２２ｂ_１〜３および２２’ｂ_１〜３）を共有して有しており、該六角形の面が共通の側部縁を有しており、
   前記六角形の面の側部縁の間の隙間が、前記プレートの壁部の厚さの数十倍である、
   ことを特徴とする熱交換器。
7. 請求項１または２において、前記各中空プレートのエンボス加工された中央ゾーン（１３）が、２つの前記接続ゾーン（１８、２０）を介して外部マニホールドに接続されており、この２つの接続ゾーン（１８、２０）は、大きな傾きを有する側縁および円錐台形状の一部分を含む平滑な壁（５４、５６）を備えていることを特徴とする熱交換器。
8. 請求項１または２において、前記中空プレートの対向する面が、平行な壁部を有しており、該壁部を隔てている隙間（６４）寸法が、一定でありかつ該壁部の厚さと同程度であることを特徴とする熱交換器。
9. 請求項１または２において、隆起部の対称な面が、ダイヤモンドパターン（２５、３１）を形成する複数の二次面（３７_１〜３、４１_１〜５）を備えるように切削されており、かつ、相補的な鋭角の縁を有していることを特徴とする熱交換器。
10. 請求項１または２において、
    前記中空プレートの外部マニホールド（８０、８２）が、交換器の抵抗が最小化される空気力学的な輪郭を有しており、
    前記各マニホールドが、２つの細長いシェルで形成されており、該２つのシェルのうちの一方のシェル（７５）が前記プレートへの接続のための部材であり、他方のシェルが前部を閉じるための部材であって、各シェルの横断面がＵ字形であり、溶接線（８３）を介して溶接によって互いに固定されている、
    ことを特徴とする熱交換器。
11. 高い熱伝導性、またはきわめて高い熱伝導性を有する小型かつ軽量なラジエタにおいて、
    前記金属、ガラス、またはポリマーからなる中空プレート（７８_１〜１５）を備える請求項５に記載の熱交換器（７６）からなる２つの同一態様のグループを含んでおり、
    前記２つのグループが、薄い主上流マニホールド（８４）および主下流マニホールド（８６）にそれぞれ接続されており、これら２つの主マニホールドは、小さな隙間（１００）介して互いに離間し、直角な角部が互いに逆向きに位置するように配置された平坦な直角台形形状の面を有しており、
    前記各グループの交換器の個々の上流側マニホールド（８２_１〜６）および下流側マニホールド（８０_１〜６）が、交換器の前記中央ゾーン（１３）の幅よりも若干大きい一定の間隔で、前記主上流マニホールドおよび主下流マニホールドの２つの同一の構造を有する面にそれぞれ接続されている、
    ことを特徴とするラジエタ。

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