JP2013545069A - １枚の金属板を折り曲げて形成され、２つの別個のチャンバを含む熱交換器 - Google Patents

Abstract

本発明は、２つのチャンバを有する筐体を備える熱交換器であって、２つのチャンバはパーティション板で仕切られ、２つのチャンバがそれぞれ、流体用の入口開口と出口開口とを有し、筐体及びパーティション板は、１枚の金属シートから形成されており、パーティション板は、金属シートの中間領域から形成され、交互に平行に配置された複数のリブ及びチャネルを含み、筐体は、金属シートの側面領域を折り曲げ線沿いに折り曲げてなる、熱交換器に関する。２つのチャンバには、それぞれが第２の金属シートでできた格子状の支持部が挿入されており、格子状の支持部は、第１の金属シートの中間領域と第１の金属シートの反対の側面領域とに接続されており、複数の窓と、複数の窓を取り囲む複数のバーとを含む。
【選択図】図１０

Description

本発明は、請求項１のプリアンブル部分による熱交換器、及び、熱交換器の製造方法に係る。

この種類の熱交換器は、ドイツ特許文献２０ ２００８ ００３ ５１６号明細書から公知である。本文献は、２つの別個の通空路が表面に設けられた熱交換部が両側に設けられた平板を持つ電子部品用の冷却デバイスを示しており、一方の通空路が外気を搬送して、他方の通空路が内気を搬送する。冷却デバイスは、流体接続用の２つの入り口が１つの平面に設けられている。２つのチャンバは、少なくとも１つのペルチェ素子を持つ平板の上部及び底部に設けられたダクトと流通接続されている。

冷却デバイスは、カセットとしてスイッチキャビネットに挿入可能な小型のデバイスであり、スイッチキャビネットのスロットまたは開口から冷却された外気を引き入れる。冷却デバイスは、１９インチのレールを有する標準的なスイッチキャビネットに対応する挿入部分として構成されている。

米国特許第４，９２６，９３５号明細書から、平坦な上面及び下面を持ち、複数のリブが平行に設けられた、薄壁の金属シート製の熱交換器が公知である。次に、金属板を長手方向に垂直に形成して、上面及び下面それぞれが、隣接する端部同士が接続されて、閉じた平面を形成するようにする（たとえばハンダ付により）。このようにすることで、互いに分離された三角形のダクトが、平坦な上面及び下面の間に形成される。この設計により、冷却リブを突出させた基板が不要となることが想定される。

リブのある平板の製造は、たとえば米国特許出願公開第２００９／０２６６１２７号明細書に説明されている。

米国特許第５，３７２，１８７号明細書は、連続した金属シートから形成される二重の波型をもつ熱交換器を示している。この二重波型形状によって、有効表面積を増加させることができると想定される。

ドイツ国特許文献第１０２ ３３ ７３６号明細書は、基板から延びる複数の通常位置のダクトと、基板の上面から突出するバーとを有する基板を持つ熱交換器を示しており、最大高さが、ダクトの流れの方向の長さの半分に対応している。流体の流れは、基板の両側に対して接線方向に方向づけられる。

バーは、流れを横切る方向に延び、障壁として機能して乱流領域の形成し、熱交換器の機能を向上させる。

ドイツ国特許文献第１０ ２００８ ０１３ ８５０号明細書は、スイッチキャビネットに位置する部品の空調システムを示している。空調システムは３つのダクトを備える。第１のダクトが、外部ダクトとして機能する。パーティション壁は、外部ダクトを中央ダクトから隔て、熱交換器を備える両端に設けられたペルチェ素子が、内部ダクトから中央ダクトを隔てている。ダクトの端部にある交換可能なフラップによって、第１の流体は、第１の動作モードでは外部ダクトを通るよう導かれ、第２の動作モードでは中央ダクトを通るよう導かれ、第２の流体は、第１の動作モードでは中央ダクトを通るよう導かれ、第２の動作モードでは内部ダクトを通るよう導かれる。１つの動作モードでは、空気が熱と交換され、第２の動作モードでは、ペルチェ素子により冷却が始動される。

本発明がめざす向上点は、簡単かつ費用効率が高い方法で、前述した熱交換器を低重量に製造可能とすることである。さらに、前述した熱交換器を、材料及び工程を少なくして製造することも記載される。

この目的は、請求項１及び５の特徴により解決される。

本発明を、以下の実施形態によって、図面を参照しながら説明する。

一部の工程の後に、熱交換器の製造に利用される金属シートの平面図を示す。 図１の金属シートの正面図を示す。 成形工程を説明するための図１の金属シートの端部の断面図である。 さらなる成形工程が行われた後の金属シートの側面図である。 図４に示す成形工程を行った後の金属シートの透視図である。 熱交換器の製造に利用される第２の金属シートの平面図である。 形成された後の図６の金属シートの平面図である。 図７の金属シートの側面図である。 図７及び図８の金属シートの透視図である。 図５及び図９の２枚の金属シートが互いに接続されている熱交換器の透視図である。 本発明の一実施形態による、組み立てが完成した熱交換器の断面図である。 成形状態の異なる第１の金属シートの正面断面図である。 成形状態の異なる第１の金属シートの正面断面図である。 成形状態の異なる第１の金属シートの正面断面図である。 成形状態の異なる第１の金属シートの正面断面図である。 成形工程を説明するために利用される、熱交換器の正面図である。 様々なパラメータを説明するために利用される、熱交換器の一部の断面図である。 図１３の線Ａ−Ａで切った断面を示す。 本発明の一実施形態における２つの熱交換器の構成の概略側面図を示す。 本発明の別の実施形態による２つの熱交換器の構成の概略側面図を示す。

図１は、形成される中間領域２と、両脇に隣接している平坦な側面領域３と４とを持つ金属シート１の平面図である。金属シートの中間領域は、互いに平行に走り、たとえば米国特許出願公開第２００９／０２６６１２７号明細書によるリブ形成機械により形成される複数のリブ５を含むよう形成されている。リブ５は、図１２ａ、図１２ｂ、図１２ｃ、図１２ｄを参照して詳述するように、それぞれ異なる形状を有している。一般的には、標準的な湾曲、折り曲げ、リベート、圧延、及び関連する形成方法によって、提供される中間領域２のみにリブ５を生成して、側面領域３及び４の残りの空間には影響を及ぼさないように折り曲げを実行することで、リブ及びその配置が形成される。

第１の端部６付近の平坦な側面領域３は、複数の平行な凹部７を持ち、これらはたとえば、スタンピングまたはレーザ切断によって形成することができる。これに対応させるように、端部８に近い側面領域４も同様に、主に凹部７に二重鏡面対称になるよう配置された凹部９を有している。凹部７及び９は、完成後の熱交換器内で、空気の入口開口及び出口開口の少なくともいずれかの機能を果たす。

さらに、中間領域２と、両端部６及び８に近い２つの側面領域３との間の移行領域には、それぞれ切断部１０が見られる。中間領域２の両側面の細い破線は、折り曲げ線１１を示しており、この折り曲げ線１１に沿って、中間領域２に対向する２つの側面領域３及び４が後で折り曲げられる。

４つの切断部１０の長さは配置関係に応じて決定され、これは、図４及び図５を参照して説明する。

中間領域２は、完成した熱交換器の、分断及び熱交換面を形成する。その構造は、表面が最大化され、流れが多い場合に、最少の抵抗係数を有するよう形成されている。

金属シート１の製品板圧（material thickness）は、たとえばアルミニウム、銅、その他の熱伝導材料であってよい、選択される材料、及び、それぞれの用途に応じて必要となる全体の安定度に応じたものであってよい。

図１及び図２により形成される金属シート１は、さらなる工程において折り曲げられ、成形される。ある工程で、端部６及び８付近のリブ５の端部を、図３及び、矢印が示す力の方向に従って、互いに押し付けて、平らになるよう押圧する（図３の右端を参照のこと）。これらの押圧された端部領域は、図１４及び図１５の参照番号１４及び１５で示されている。

別の工程で、各中間領域を、端部６及び８に近い折り曲げ点１６及び１７で折り曲げる。この工程では２つの側面領域３及び４は曲げられない。こうすることで、切断部１０の長さを、せいぜい折り曲げ点１６及び１７をカバーする程度になるよう、選択することができるようになる。

上述した工程を行った後、金属シート１は、図５の透視図に示す形状を有し、つまり、２つの側面領域３及び４は、未成形で平坦のままである。

図６、図７、図８、及び、図９は、端部に格子状の支持部を形成する第２の金属シート２０を示している。金属シート２０は、好適には金属シート１と同じ材料から形成された平坦な金属シートであり、複数のスタンプまたは切断により形成された窓２１（好適には矩形である）を有する。

一つの工程では、第２の金属シート２０を、図８の側面図に示すように折り曲げて、窓２１が金属シートの平面から斜めに、または、垂直に突出して、周囲をバー２２及び２３が囲むようにする。バー２２及び２３は、流れを妨げるよう流体に作用して、流体媒体を乱流にする（たとえば熱交換を促す気流）。

図８及び図９による金属シート２０から形成される格子状の支持部は、二つ（ｔｗｉｃｅ）形成される。１つの格子状の支持部は、図５に示す半分完成した材料が示すように、形成された中間領域２の上面１２に取り付けされ（fitted）、他方の格子状の支持部は、底面１３に取り付けられ、平坦で、閉じられた底面２４ｕが、リブ５の平坦な表面に接続されている。金属シート２０の平坦で、閉じられた底面２４ｏは、後で、側面領域３または４と接触させられて、好適には接続される。これは、接着、ハンダ付、溶着、任意のその他の接合方法によって行うことができ、これら点における熱交換を良好にすることができる。

中間領域２に格子状の支持部が取り付けられた後で、２つの側面領域３及び４を、図１０に示す、破線の折り曲げ線１１、２５、及び２６で、互いに向かうように折り曲げ、図１１の断面図に示すように中間領域２全体を取り囲ませる。側面領域３の外部側面端部２８は、側面領域４の折り曲げ線１１の内部側面端部に接続されて、側面領域４の外部側面端部３０は、側面領域３の折り曲げ線１１の内部側面端部に接続されるが、接続はここでもハンダ付等で行われ、空気等の流体に対する気密性が確保される。

さらに、押圧された端部領域１４を側面領域４に、押圧された端部領域１５を側面領域３に、たとえばハンダ付けで接続することで、気密性を確保することもできる。押圧された端部領域１４に隣接する傾斜した領域（inclination）では、熱交換器が上面１２に向けて開いている。したがって、傾斜した領域で、端部領域１５に隣接する底面１３に対するように開いている。空気は、上面１２を通った後に、熱交換器内を流れた後に開口７を通って外へ出て、底面から開口９を通過する。

図１１は、熱交換器が２つの別個のチャンバ及び／または流路３１及び３２を有しており、これらの間は、第１の金属シート１の、成形された中間領域２によって分離されており、２つの側面領域３及び４が、対応するように折り曲げられた後に筐体を形成して、その安定度は、中間領域２にしっかりと接続されて２つの側面領域３及び４により形成される筐体の壁を支える第２の金属シート２０から形成される２つの支持部により強化される。窓２１を取り囲むバー２２及び２３は、熱交換を向上させる乱流領域を形成する。バー２３を中間領域２にしっかり接続することで、支持部も、中間領域２に熱的に結合されるので、熱を放散させることができる。

熱交換器は、完全に互いから分離された２つのチャンバ及び／または流路３１及び３２を含む。押圧された端部領域１５に接続されている側面領域４の部分が気密性を形成しているために、第１の流路３１は、端部６が形成する正面で開いており、端部８にある他の正面が閉じている。流体（たとえば空気）は、凹部９を通って外部へ出る。

鏡面対称において、端部６の領域内の側面領域３は、押圧されている端部領域１５に接続されており、凹部７によって出口開口がこの領域に生成されているので、第２の流路３２は、端部８の正面で開いており、端部６の正面では閉じている。

熱交換器は、任意の冷却媒体（たとえば空気と空気、空気と水など）に利用することができ、ファンまたはポンプ等の適切な手段によって、流路３１及び３２を流体が流れる。熱交換器は、平坦なカセットタイプの部品として実現することができ、たとえば、スイッチキャビネットの壁を形成することもできる。特定の領域の冷却、及び、空調の少なくとも一方を行うために、スイッチキャビネットに、差し込み式のカセットとして挿入することもできる。

図１２ａ、図１２ｂ、図１２ｃ、図１２ｄは、第１の金属シート１の中間領域２のリブ５の形状の様々なバージョンを示す。

図１２ａでは、リブが三角関数に従って形成されており、図１２ｂでは台形であり、図１２ｃでは、正弦曲線及び余弦曲線の一方または両方として形成されており、図１２ｄは、台形関数の特殊形として考えることができる代替例の段階的関数（step function）として描かれている。流れ抵抗を考慮した場合には、最大熱交換面において非常に低い流れ抵抗が示されているので、図１２ｄの代替的な段階的関数が好適な実施形態であると思われる。

図１３は、折り曲げ線１１、２５、及び２６で、第１の金属シート１を折り曲げる、及び、面取りする（chamfering）、の一方または両方を行う方法を示す。

図１４は、各々が幅Ｂ１を有する材料の中央から測定した場合のリブ５の寸法を示す。リブ５はある方向とそれと反対の方向を交互に向くので、１つの方向を向いている別のリブは、他の流路の溝またはチャネルとして捉えることもできる。この観点からは、リブとチャネルとが同じ幅Ｂ１を有すると好適である。両方の流路をあわせた高さ全体はＨ１であり、リブの高さがＨ２であり、リブから、遠いほうの流路の壁までの距離は、Ｈ３及びＨ４の片方または両方である。対称な構成Ｈ３及びＨ４を、同じ寸法とすると、２つの流路を流れる媒体が等しい（たとえば空気と空気）である場合に便利である。

端部領域１４及び１５を最適に押圧するためには、Ｈ２に等しくなるようにＢ１を選択する。

図１５は、図１４のラインＡ−Ａでとった断面図を示し、加えて、２つのチャンバ３１及び３２の流れプロフィール（flow profile）も示している（つまり、位置の関数としての流速を示している）。流れの障害物はここでは割愛している。

図１６及び１７は、中間領域２の２つの折り曲げ方法を示す。図１６では、中間領域２の両端が互いに反対の方向に曲げられている（図５及び図１０を参照も参照のこと）。図１７では、２つの端部が同じ方向に曲げられている。

図１６のバージョンは、空気対空気の熱交換器に特に適しており、図１７のバージョンは、ファンのないパッシブな熱交換器を生成することができ、これでスイッチキャビネットの側壁全体を置き換えることができるにも関わらず、キャビネットを高度に保護することができる。図１７のバージョンは、入口開口及び出口開口のための適切な開口を有しており、空気と水とに関する交換器にも適している。両側のキャビティを閉じることで、大きなコストをかけずに気体の代わりに液体を利用することができるようになる。

まとめると、本発明は、薄壁を持ち、三次元の中空体を、単純な金属シートで形成して、簡単な製造工程を柔軟に利用して所望の寸法とすることができるので、利用可能なスペースが小さい場合にも最適な熱交換器を実現することができる。熱交換器は、カセットとして所望の位置に挿入することができる。

Claims (10)

1. ２つのチャンバを有する筐体を備える熱交換器であって、
   前記２つのチャンバはパーティション板で仕切られ、前記２つのチャンバがそれぞれ、流体用の入口開口と出口開口とを有し、
   前記筐体及び前記パーティション板は、１枚の金属シートから形成されており、
   前記パーティション板は、前記金属シートの中間領域から形成され、交互に平行に配置された複数のリブ及びチャネルを含み、
   前記筐体は、前記金属シートの側面領域を折り曲げ線沿いに折り曲げてなる、熱交換器。
2. 前記中間領域の端部に位置している前記複数のリブ及びチャネルは押圧されて、平坦な端部領域となり、前記端部領域は、前記側面領域のいずれかに流体に対する気密性を確保するように接続される、請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記端部に近い前記中間領域は、押圧された前記端部領域につながる、折り曲げられた移行領域を有し、前記移行領域には、前記入口開口と前記出口開口のいずれかが形成される、請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記２つのチャンバには、それぞれが第２の金属シートでできた格子状の支持部が挿入されており、
   前記格子状の支持部は、第１の金属シートの前記中間領域と前記第１の金属シートの反対の側面領域とに接続されており、複数の窓と、前記複数の窓を取り囲む複数のバーとを含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の熱交換器。
5. 前記中間領域の両端が互いに反対の方向に曲げられている、請求項１から４のいずれか一項に記載の熱交換器。
6. 前記中間領域の両端が同じ方向に曲げられている、請求項１から４のいずれか一項に記載の熱交換器。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の熱交換器の製造方法であって、
   平坦な第１の金属シートを提供する工程と、
   複数の開口を切断またはスタンピングにより形成する工程と、
   前記金属シートの中間領域を成形して、互いに平行な複数のリブ及びチャネルを形成する工程と、
   前記中間領域の両側に隣接している２つの側面領域を、それぞれが平行な折り曲げ線沿いに折り曲げる工程と、
   前記２つの側面領域の端部を、前記中間領域に直接隣接している前記折り曲げ線の端部に、気密性を確保するように接続する（tight connecting）工程と
   を備える製造方法。
8. 平坦な２つの第２の金属シートを提供する工程と、
   複数のバーで取り囲む複数の窓を切断またはスタンピングにより形成する工程と、
   前記２つの第２の金属シートを複数回折り曲げて、前記複数の窓と、前記複数の窓に対応する横方向のバーとを、前記２つの第２の金属シートの平面から突出させる工程と、
   形成された前記２つの第２の金属シートを、前記第１の金属シートの前記中間領域の前記複数のリブの上面及び下面に接続する工程と
   を備える、請求項７に記載の製造方法。
9. 前記中間領域の前記端部の前記複数のリブ及びチャネルを押圧することで、複数の平坦な端部領域を形成して、前記複数の平坦な端部領域を前記２つの側面領域のいずれかに、流体に対する気密性が確保されるように接続する工程をさらに備える、請求項７または８に記載の製造方法。
10. 前記中間領域を前記中間領域の端部付近で折り曲げる工程をさらに備える、請求項９に記載の製造方法。

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