JP2012525559A - 積層板を有する熱交換装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも第１、第２、第３のプレート４，５，６の積層板を備えた熱交換装置に関する。少なくとも３つのプレート４，５，６が、上下に積み重ねられ、各プレート４〜６の平面において規則的なパターンで配置された貫通部を少なくとも有する。第１および第２のプレート４，５も、第２および第３のプレート５，６も、それぞれ次のように上下に積み重ねられており、即ち、隣接するプレートがプレート平面内で１つの方向に沿って流体が通過できる少なくとも１つの冷却通路８を形成するように、上下に積み重ねられており、少なくとも２つの冷却通路８ａ，８ｂが、隣接するプレートにおいて一部が重なり合うが完全には重なり合わない貫通部７により形成されている。第１および第２のプレート４，５の少なくとも１つの冷却通路８ａが、第２および第３のプレート５，６の少なくとも１つの冷却通路８ｂから空間的に完全に隔離されている。プレート２〜６を積み重ねることによって、積層板１を製造するための方法も開示している。
【選択図】図３

Description

本発明は、熱交換装置およびその製造方法に関する。この装置は、少なくとも第１、第２および第３のプレートを含む積層板を有する。それらの少なくとも３つのプレートが上下に積み重ねられており、各プレートの厚み全体を貫通して形成された貫通部を有する。これらの貫通部が各プレートの平面内に規則的なパターンの形で配置されている。

例えば電気機械によってもたらされる多くの用途において、電流の伝送および変換の際に熱が発生する。その熱は電気装置の動作に好ましくない影響を及ぼし、場合によっては電気装置の破壊を招く。これを防止するために、電気装置には熱除去装置が設けられる。考えられ得る熱除去装置は、例えば特許文献１から公知である冷却板によってもたらされる。この冷却板は、貫通部を有する少なくとも２つのプレートから構成されている積層板から成る。これらのプレートは、貫通部が部分的に重なり合って冷却通路を形成するように配置されている。冷却通路を通って流れる流体、例えば水がプレートを冷却し、過剰の熱を電気装置から運び出す。

上述の熱除去装置における問題は、冷却板内の温度分布である。冷却流体の冷却板への流入部と冷却板からの流出部との間で、急激な温度差が生じる。温度に敏感な装置の場合には、これは規則正しい動作に好ましくない影響を及ぼすことがある。

独国特許出願公開第１０２００６０３６８３３号明細書

本発明による装置の課題は、上述の問題を少なくとも軽減した冷却装置を提供することにある。特に、装置内温度の均一化を可能にする熱交換装置を提供することが課題である。更に、本発明の課題は、その熱交換装置の製造方法を提供することにある。

上記課題は、熱交換装置に関しては請求項１の特徴により解決され、その熱交換装置の製造方法に関しては請求項１１の特徴によって解決される。

本発明による装置およびその装置を製造するための方法の有利な実施態様は、それぞれに所属する従属請求項からもたらされる。並列関係に置かれている請求項の特徴事項は、それぞれに所属の従属請求項の特徴、特に複数の所属の従属請求項の特徴と組み合わせることができる。

本発明による熱交換装置は、少なくとも第１、第２および第３のプレートを含む積層板を有する。これらの少なくとも３つのプレートは上下に積み重ねられており、各プレートの厚み全体を貫通して形成された貫通部を有する。これらの貫通部は、各プレートの平面内に規則的なパターンの形で配置されている。第１および第２のプレートも、第２および第３のプレートも、それぞれ隣接して次のように上下に積み重ねられている、即ち、隣接するプレート同士が、プレート平面内で１つの方向に沿って流体が通過できる少なくとも１つの共通な冷却通路を形成するように上下に積み重ねられている。少なくとも２つの冷却通路は、隣接するプレート同士が部分的に重なり合うが完全には重なり合わないように配置された貫通部により形成されている。第１および第２のプレートにより形成された少なくとも１つの冷却通路が、第２および第３のプレートにより形成された少なくとも１つの冷却通路から空間的に完全に隔離されている。

分離された冷却通路を形成することによって、熱交換装置の異なる側から流体を導入することができ、例えば逆流原理で流体に装置の熱を吸収させることができる。異なる側から冷却用流体を導入することによって、冷却効果の均一化が達成される。装置内における流体の流入部と流出部との間の温度勾配が低減される。この装置は、それの空間的な広がりにおいて均一に冷却される。代替として、逆流原理の場合に、この装置は異なる温度の２つの流体の間の熱交換器として使用可能である。

プレートの貫通部は、等しい形、特にＹ形を有することが好ましい。この場合に、Ｙ形は１２０°ずつ回転させた等しい部分で形成することができる。隣接するプレート同士において、貫通部は、Ｙ形の端部領域でのみ重なり合うように配置することができる。貫通部がこの形である場合には、熱交換装置を特に簡単に製造することができ、貫通部の部分的な重なり合いを簡単に生じさせることができる。

１つのプレートのＹ形を有する１つの貫通部の各端部が、一方に隣接したプレートのＹ形を有する１つの貫通部のそれぞれ１つの端部と部分的に重なり合うように、特に１つの隣接したプレートのＹ形を有する１つの貫通部のそれぞれまさしく１つの端部と部分的に重なり合うように配置されるとよい。形成された冷却通路は、非常に有利な流れの条件を有する。

１つのプレートに、同一に形成された完全に等しい複数の部分プレートを上下に積み重ねて構成することができるい。数センチメートルから約１メートルまでの範囲内の辺の長さを有する冷却面に関しては、プレートの厚みが０．５ｍｍ〜２０ｍｍの範囲内にあり、そして通路が０．５ｍｍ〜２０ｍｍの範囲内の厚みを有するとよい。非常に小さい冷却器又は比重に大きい冷却板は、相応に変更された通路寸法を有する。

これらのプレートは、金属、特に磁化可能な鉄から形成することができる。更に、これらのプレートが、電気絶縁性のエナメルで部分的又は完全に被覆されているか、および／又は相互に電気的に絶縁することができる。

積層板が、発電機又は電動機の部材および／又は回転子又は固定子の部材とすることができる。

これらのプレートが金属、特にアルミニウム又は銅から形成することができる。

積層板が、例えば電気エネルギー蓄積装置又はパワーエレクトロニクス部品のような電気パワー要素を冷却するために使用することができる。

今まで説明した装置を製造するための本発明による方法は、１つの積層板を形成すべく少なくとも３つのプレートが、次のように上下に積み重ねられることによってもたらされる。即ち、積層板の第１および第２のプレートを通過する少なくとも１つの第１の冷却通路が、形成されるように上下に積み重ねられる。この少なくとも１つの第１の冷却通路から空間的に完全に隔離されていて、かつ積層板の第２および第３のプレートを通過する少なくとも１つの第２の冷却通路が形成される。これらの冷却通路は、少なくとも３つのプレート内の貫通部によって、１つのプレート平面において少なくとも１つの方向に沿って形成される。隣接したプレートの貫通部は、部分的に重なり合うが完全には重なり合わないように配置される。

貫通部は、プレートからの打ち抜きおよび／又は中ぐりおよび／又はフライス削りおよび／又はエッチングおよび／又はレーザ加工により形成することができる。

各プレートにおける貫通部が、各プレートの平面内に規則的なパターンの形で配置することができる。この場合に、９０°だけ反対に回転させられた等しいパターンを有する第１および第３のプレートが形成される。第１および第３のプレートの間に配置される第２のプレートが、次のようなパターンにより形成される。即ち、第１のプレートのパターンと第３のプレートのパターンとの重なり、特に１つのプレートの貫通部の相互間隔の半分だけの両パターンの相互ずらされたときに重なるようなパターンで形成される。

積層板の全てのプレートは、隣接するプレート同士の貫通部が相互に部分的に重なり合うが完全に等しく重なり合わないように配置することができる。

プレートが、接着および／又はスナップ結合および／又はろう付けおよび／又はねじ止めによって結合することができる。

貫通部によって形成される冷却通路に流体、特に空気、水又は油、凍結防止剤および防食剤が通流することができる。

少なくとも２つの冷却通路にも流体がそれぞれ通流され、少なくとも２つの流体流の温度が異なり、それらのプレートを介して互いに分離されている流体の間で熱交換を行うことができる。

装置を製造するための本発明による方法に関して、上述の本発明による装置と関連した利点がもたらされる。

以下において、次の図を参照しながら、従属請求項の特徴事項による発展的構成を有する本発明の好ましい実施態様を更に詳細に説明する。しかし、本発明はそれに限定されるべきものではない。詳しく説明されていない部分は、先に挙げた特許文献１から公知の部分に相当する。

図１は従来技術による冷却通路を有する積層板の斜視図を示す。 図２は図１に示されている従来技術による２つのプレートを有する積層板の上面図を示す。 図３は空間的に互いに隔離されている２つの冷却通路が形成されている３つのプレートを有する本発明による積層板の上面図を示す。 図４は図３に示されているような積層板の第１のプレートを示す。 図５は図３に示されているような積層板の第２のプレートを示す。 図６は図３に示されているような積層板の第３のプレートを示す。 図７はカバープレートとして積層板の上側又は下側に配置されている貫通部パターンのないプレートを示す。 図８は積層板の上側および下側のカバープレートと冷却通路への流体導入用および冷却通路からの流体導出用の接続部とを有する積層板の側面図を示す。

図１は、従来技術による貫通部７を有する積層板１を上方から見た斜視図を示す。この積層板１は連通した冷却通路８もしくは流体のための通路を有する。積層板１は、上下に重ね合わされた２つのプレート４および５から構成されており、積層板１の上側の上部カバープレート２と積層板１の下側の下部カバープレート３とによってサンドイッチ状に取り囲まれている。積層板１の２つのプレート４および５はそれぞれＹ形の貫通部７を有し、これらの貫通部は相互に接触することなく規則的な相互間隔で配置されている。貫通部７は、それぞれ１つのプレート４又は５において規則的なパターンをもたらす。隣接するプレート４および５は、それらの貫通部７に関して、貫通部７がそれらの縁領域においてのみ重なり合うように配置されている。１つのプレート４もしくは５の１つのＹ形の貫通部７の各端部が、それに隣接したプレート５もしくは４の１つのＹ形の貫通部７の１つの端部と、特にまさしく１つの端部と重なり合う。隣接するプレート４および５の部分的に重なり合うこれらの貫通部７によって、プレート４および５を通して完全にプレート平面に沿って通過する冷却通路８が形成される。

そのように形成された冷却通路８を通して流体が貫流し、その際に流体がプレート２および３の廃熱を受け入れて運び出すことができる。冷却のためにしばしば使用される流体は水によってもたらされる。冷却水は通路８内においてプレート２〜５の平面に平行に流れる。隣接するプレート４および５の部分的に重なり合う貫通部７がパターンを形成し、該パターンがプレート４および５と流体との間に大きな共通な表面をもたらす。かくしてコンパクトで簡単な構造において効果的な冷却が可能となる。プレート２〜５を積み重ねる際に、隣接するプレート４および５において部分的に重なり合う貫通部７によって冷却通路８を形成することによって、通路８の簡単な製作が可能である。

図２には、図１に示されているような積層板を上から見た平面図を示す。斜線で示された貫通部７ａは第１の平面において積層板の上側の第１のプレート４に形成され、点々で示された貫通部７ｂは第２の平面において積層板の下側の第２のプレート５に形成されている。第１のプレート４の貫通部７ａおよび第２のプレート５の貫通部７ｂは全て部分的に重なり合っているが、しかし縁領域においてのみ、即ちそれらのＹ形の端部でのみ重なり合っている。第１のプレート４における貫通部７ａのパターンと、それに対してずらされた第２のプレート５における貫通部７ｂの同形のパターンとによって、プレート平面に沿って通過する網状の形を有する冷却通路８が形成される。

図３には、３つのプレート４，５，６を有する本発明による積層板１を上から見た平面図が示されている。３つのプレート４〜６は、それぞれ貫通部７のパターンを有する。貫通部７は、プレート４〜６において、互いに空間的に隔離されて部分的に重なり合っている２つの冷却通路８ａおよび８ｂが形成されるように配置されている。

図４には、貫通部７ａのパターンを有する第１のプレート４が単独に示されている。図面の左側および右側には、それぞれ流入通路９および流出通路１０が示されている。流入通路９は、第１の通路８ａへ流体を導入するのに役立つ。流出通路１０は、流体が第１の通路８ａから退去もしくは脱出するのに役立つ。流入通路９および流出通路１０におけるそれぞれの接続口１１が円形で示されている。

図５には、第２のプレート５の貫通部７ｂのパターンが示されている。第２のプレート５の貫通部７ｂのパターンは、第１のプレート４の貫通部７ａのパターン（図４参照）と、同じパターンを１８０°回転させかつ貫通部７ａの相互間隔の半分だけずらしたときに重なるように形成されている。第２のプレート５の下に配置されるプレート６（図６参照）の流入通路９および流出通路１０が、それぞれ図平面の左側および右側に破線で示されている。接続口１１を介して、第１および第２のプレート４，５を通して、流体を第３のプレート６の流入通路９および流出通路１０に導入もしくは導出するための孔が第２のプレート５に円形に形成されている。

図６には、貫通部７ｃのパターンを有する第３のプレート６が単独に示されている。図面の左側および右側には、それぞれ流入通路９および流出通路１０が示されている。流入通路９は、第２の通路８ｂへ流体を導入するのに役立つ。流出通路１０は、流体が第２の通路８ｂから退去もしくは脱出するのに役立つ。図６における流入通路９および流出通路１０へのそれぞれの接続口１１が円形で示されている。

図７には、貫通部７のパターンを持たないカバープレート２（カバープレート３も同様）が示されている。カバープレート２および３により、通路８が下に向かって又は上に向かって密閉される。カバープレート２は、積層板１の上側に、カバープレート３は積層板１の下側に配置されている。貫通部を有するプレート４〜６は、サンドイッチ状にカバープレート２および３の間に配置される。

図８には、積層板１が側面から見て示されている。図７では円形で示された接続口が図８では入口および出口の管１２に接続されて示されている。２つの通路８ａおよび８ｂ（図８には簡略化のために詳しく図示されていない）には、それぞれ入口および出口１２が設けられていて、これらは積層板の対向する角に配置されている。それゆえ、第１の通路８ａおよび第２の通路８ｂにより、２つの流体回路を互いに分離して動作させることができる。２つの流体回路は、積層板１の均一な冷却のために使用できる。何故ならば、２つの異なる側から冷却用流体が積層板１の中に流入できるからである。代替として、積層板１は、温度Ｔ₁を有する流体と、より高い温度Ｔ₂を有する流体との間において、熱交換器として使用できる。

図示されているプレート２〜６は、一般に１ｍｍの範囲の厚みを有する。それゆえ、通路８ａおよび８ｂは、プレート平面に垂直な方向に、典型的には同様に１ｍｍ（貫通部７の重なり個所では２ｍｍ）の厚みを有する。同一のプレートの積み重ねにより、３〜３０ｍｍ又はそれよりも大きい、プレート平面に垂直な方向の冷却通路の厚みも実現可能である。

しかし、プレート２〜６および冷却通路８ａおよび８ｂは、その他の寸法、例えば数センチメートルの範囲の厚みを有し得る。

貫通部の幅、従って通路８ａおよび８ｂの幅は、５〜３０ｍｍの範囲にあることが好ましい。しかし、センチメートル範囲の通路幅であってもよい。

数センチメートルから約１メートルの範囲の辺の長を有する冷却面に関しては、プレートの厚みが０．５ｍｍ〜２０ｍｍの範囲にあり、通路が０．５ｍｍ〜２０ｍｍの範囲の厚みを有するのが好ましい。小型冷却器又は非常に大きな冷却板はそれ相応に変更された通路寸法を有し得る。

プレート２〜６は、金属、特にアルミニウム又は銅から形成されることが好ましい。しかし、他の純粋金属又は合金も適している。

この積層板１は、熱交換器として、又は電動機又は発電機のような機械の固定子における固定子積層板として使用することができる。

１ 積層板
２ 上部カバープレート
３ 下部カバープレート
４，５，６ 貫通部を有するプレート
７，７ａ〜７ｃ 貫通部
８，８ａ，８ｂ 冷却通路
９ 流入通路
１０ 流出通路
１１ 接続口
１２ 入口管および出口管

Claims (16)

1. 少なくとも第１、第２および第３のプレート（４，５，６）を含む積層板を備え、
   これらの少なくとも３つのプレート（４，５，６）が上下に積み重ねられており、次なる貫通部（７）を有する、即ち、各プレート（４，５，６）の厚み全体を貫通して形成されかつ各プレート（４，５，６）の平面内に規則的なパターンの形で配置されている貫通部（７）を有する、熱交換装置において、
   第１および第２のプレート（４，５）も、第２および第３のプレート（５，６）も、それぞれ、隣接して次のように上下に積み重ねられ、即ち、隣接するプレート同士における部分的に重なり合うが完全には重なり合わないように配置された貫通部（７）により、隣接するプレート同士がプレート平面内で１つの方向に沿って流体が通過できる少なくとも１つの共通な冷却通路（８ａ，８ｂ）を形成するように上下に積み重ねられ、
   第１および第２のプレート（４，５）の少なくとも１つの冷却通路（８ａ）が、第２および第３のプレート（５，６）の少なくとも１つの冷却通路（８ｂ）から完全に空間的に隔離されていることを特徴とする熱交換装置。
2. 貫通部（７）が、等しい形、特にＹ形を有することを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 貫通部（７）がＹ形である場合に、Ｙ形が１２０°ずつ回転させられた等しい部分から成ることを特徴とする請求項２記載の装置。
4. Ｙ形を有し、隣接するプレート同士に配置されている貫通部（７）が、Ｙ形の端部の領域においてのみ部分的に重なり合っていることを特徴とする請求項２又は３記載の装置。
5. １つのプレート（４，５，６）のＹ形を有する１つの貫通部（７）の各端部が、１つの隣接したプレートのＹ形を有する１つの貫通部（７）のそれぞれ１つの端部に、特に１つの隣接したプレートのＹ形を有する１つの貫通部のそれぞれまさしく１つの端部に、部分的に重なり合うように配置されていることを特徴とする請求項４記載の装置。
6. １つのプレート（２〜６）が、同一に形成された完全に等しく上下に積み重ねられた複数の部分プレートから構成されていることを特徴とする請求項１から５の１つに記載の装置。
7. 前記プレート（２〜６）が、０．５〜２０ミリメートルの範囲内の厚みを有し、前記通路（８ａ，８ｂ）が１〜３０ミリメートルの範囲内の厚みを有するか、又は前記プレート（２〜６）が５０マイクロメートルから１ミリメートルの範囲内の厚みを有し、前記通路（８ａ，８ｂ）が０．１〜５ミリメートルの範囲内の厚みを有することを特徴とする請求項１から６の１つに記載の装置。
8. 前記プレート（２〜６）が、金属、特に磁化可能な鉄、アルミニウム又は銅から成るか、又は金属を含有することを特徴とする請求項１から７の１つに記載の装置。
9. カバープレート7（２，６）が金属、特にアルミニウム又は銅から成るか又は金属を含有し、他のプレート（３〜５）がプラスチックから成るか又はプラスチックを含有することを特徴とする請求項１から７の１つに記載の装置。
10. １つの積層板を形成すべく、少なくとも３つのプレート（４，５，６）を次のように上下に積み重ね、即ち、積層板の第１および第２のプレート（４，５）を通過する少なくとも１つの第１の冷却通路（８ａ）が形成されると共に、積層板（１）の第２および第３のプレート（５，６）を通過しかつ少なくとも第１の冷却通路（８ａ）から完全に空間的に隔離された少なくとも１つの第２の冷却通路（８ｂ）とが形成されるように上下に積み重ね、前記冷却通路（８ａ，８ｂ）を少なくとも３つのプレート（４，５，６）内の貫通部（７）によって１つのプレート平面において少なくとも１つの方向に沿って形成し、隣接するプレート同士の貫通部（７）は、部分的に重なり合うが完全には重なり合わないように配置することを特徴とする請求項１から９の１つに記載の装置を製造するための方法。
11. 貫通部（７）を、プレート（４，５，６）から打ち抜きおよび／又は中ぐりおよび／又はフライス削りおよび／又はエッチングおよび／又はレーザ加工により形成することを特徴とする請求項１０記載の方法。
12. 各プレート（４，５，６）における貫通部（７）を各プレート（４，５，６）の平面内に規則的なパターンの形で配置し、第１および第３のプレート（４，６）は、９０°だけ互いに反対に回転させた等しいパターンを有するように形成し、第１および第３のプレート（４，６）の間に配置する第２のプレート（５）は、第１のプレート（４）のパターンと第３のプレート（６）のパターンとを重ねたとき、好ましくは両パターンを相互にずらして重ねたときに生じるパターンを有するように形成することを特徴とする請求項１０又は１１記載の方法。
13. 積層板の全てのプレート（２〜６）は、隣接するプレート同士の貫通部（７）が相互に部分的に重なり合うが完全に等しく重なり合わないように配置されたことを特徴とする請求項１０から１２の１つに記載の方法。
14. プレート（２〜６）を接着および／又はスナップ結合および／又はろう付けおよび／又はねじ止めによって結合することを特徴とする請求項１０から１３の１つに記載の方法。
15. 貫通部（７）によって形成される冷却通路（８ａ，８ｂ）に流体、特に水又は空気を通流することを特徴とする請求項１０から１４の１つに記載の方法。
16. 少なくとも２つの冷却通路（８ａ，８ｂ）のそれぞれに流体を通流し、少なくとも２つの流体流の温度が異なり、プレート（２〜６）を介して互いに分離されている流体の間で熱交換を行なうことを特徴とする請求項１５記載の方法。

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