JP2016070656A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱により引き起こされる応力が低減され、従って、より長い寿命を有するように、流路を形成するプレート対が従来技術に比して改良されている熱交換管を提供する。【解決手段】 本発明は、一体的に構成された管、または深皿状の２つのプレートで構成された管を備えた熱交換器、特に排ガス冷却器に関し、これらの管は第１および第２の流体通路を形成し、前記各流体通路は互いに隣接して配置されていて、前記第１の流体通路はその端部の少なくとも１つが開いた状態に形成されて前記第１の流体が流入および／または流出でき、前記管は前記端部において内側または外側に向かって段状部を備えることによって、前記第２の流体通路の端面が閉鎖されているように形成されており、前記段状部は前記管のエッジ領域内において、前記エッジ領域の間におけるよりも大きな延設部Ｔを管の長手方向に有する。【選択図】 図１

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の熱交換器、特に自動車用の給気冷却器または排ガス冷却器に関する。

排ガス冷却器が有する働きは、内燃機関からの高温の排ガスを冷却することであり、これにより、この冷却された排ガスを再び吸気に混合することができる。その際、内燃機関の熱力学的な効率を向上させるために、冷却を非常に低いレベルで実現するように努める必要がある。この原理は一般に冷却排ガス再循環として知られており、排ガスにおける有害物質の低減、例えば特に窒素酸化物の低減を実現するために利用される。

特許文献１、特許文献２および特許文献３によってこのような熱交換器が公知であり、これらの熱交換器はプレート対の積層体で構成され、プレートの対の間に第１の流路が形成されており、互いに積層された２つのプレート対の間に第２の流路が形成される。

この場合、前記第１の流路は、通例、外側に向けて密閉されていて、ただ前記積層体における供給開口部と排出開口部とを介してのみ、または前記積層体を包囲するハウジングにおいてのみ流体通路に流体接続可能であり、これにより、第１の流体を前記第１の流路へ流入あるいはそこから流出させることができる。この場合、前記第１の流体は通例冷却流体、例えば冷却水である。

同様に、前記第２の流路は通例その幅狭側面が開いた状態に形成されており、これにより、例えば、備えられた接続要素を介して第２の流体を多数の前記第２の流路へ分配でき、あるいはこれらの流路から再び搬出でき、これらの流路は互いに隣接して、かつ積層して配置されている。この場合、第２の流体として気体、例えば空気、排ガスまたは排ガス・空気混合気が用いられる。

これらの熱交換器の場合、流入する前記第２の流体は一般に非常に高温であり、従って、前記プレート対の前縁部は熱交換器内への前記第２の流体の流入側において非常に大きな熱応力にさらされている。

前記第２の流路における冷却されていない非常に高温のガス入口領域から、熱交換器における冷却材に接続されている領域への温度の伝導に基づいて、異なる温度による異なる熱膨張が生じることで大きな応力が発生する。

さらに、前記高温ガスの入口領域におけるガスの案内は、高い圧力および温度に耐えることができるように一般に比較的肉厚のディフューザによって行われ、熱交換器の熱交換プレートは、効率、コストおよび重量の観点から可能な限り肉薄に形成されている。多様な温度が生じることによって、前記ディフューザおよび前記プレートは多様に膨張し、前記プレート積層体のより肉薄のプレート、特に高温ガス入口におけるプレートのエッジにおいて大きな応力が生じる。

大抵の場合、前記プレートあるいは前記プレート対は熱交換器の底部に挿入されており、この底部はハウジングおよび／または前記ガス入口ディフューザに結合されている。前記底部は通例前記プレート自体よりも肉厚に形成されており、これにより、前記高温のディフューザへの移行領域における熱応力による機能不良の危険性が低減される。

しかし、コスト、重量および製造工程の観点から、底部をなくし、プレート対の間において冷却材通路として形成された流路の密封を前記プレートの適切な造形によって実現することが一層求められている。この場合、前記プレートまたは前記管は熱交換器の前記肉厚のハウジングに直接結合されている。前記高温のディフューザから生じる熱応力は直接前記肉薄のプレートに作用する。その際、前記高温ガス用の流路、例えば給気用または排ガス用の流路の端部は、それぞれ互いに重なり合って位置する２つのガス通路が端部において互いに上下に位置するが、それ以外は前記管の間に冷却材を案内するための間隙が残るように拡張されている。このようなコンセプトの場合、前記ディフューザが前記ハウジングに結合されているので熱変形が低減される。しかし、プレートエッジは熱によって生じた応力に対して特に耐性が低いので、プレートエッジにおける熱応力を低減するためのその他の対策が必要となることがあり得る。

独国特許出願公開第１００２４３８９号明細書 独国特許出願公開第１０２００５０３４１３７号明細書 国際公開第２０１４／０４０７９７号パンフレット

本発明の課題は、管底部を持たない構成を有する熱交換器であって、熱により引き起こされる応力が低減され、従って、より長い寿命を有するように、流路を形成するプレート対が従来技術に比して改良されている熱交換管を提供することである。

この課題は、請求項１に記載の諸特徴によって解決される。

本発明の一実施例は、一体的に構成された管、または深皿状の２つのプレートで構成された管を備えた熱交換器、特に排ガス冷却器に関し、これらの管は第１および第２の流体通路を形成し、前記各流体通路は互いに隣接して配置されていて、前記第１の流体通路はその端部の少なくとも１つが開いた状態に形成されて前記第１の流体が流入および／または流出でき、前記管は前記端部において内側または外側に向かって段状部を備えることによって、前記第２の流体通路の端面が閉鎖されているように形成されており、前記段状部は前記管のエッジ領域内において、前記エッジ領域の間におけるよりも大きな延設部Ｔを管の長手方向に有する。

これにより、前記プレート対の前縁部、すなわち前記高温の第２の流体が流れるところに平坦な前縁部が形成され、この前縁部において、好ましくは第１の流体が内側に全く、またはほとんど配置されておらず、これにより、その位置において沸騰のリスクが低減される。まず、さらに後方へ長手方向に向かって観察すると、前記第１の流体通路は、前記流体通路の前記プレート対が好ましくは既に側方において前記ハウジングまたは前記ディフューザに接触する高さに上昇し、これにより、その位置で、より良好な熱放出が行われることで沸騰のリスクが既に低減されている。

また、有利であるのは、前記管が管長手側面と管幅狭側面とを有し、前記管幅広側面または前記管幅狭側面における少なくとも１つの管端部に、または前記管幅狭側面または前記管長手側面に前記段状部が備えられている場合である。

さらにまた有利であるのは、前記第１の流体通路の断面が内側へ向かって段状部を有してほぼｕ字状に形成されているか、あるいは外側へ向かって段状部を有してほぼＨ字状に形成されている場合である。

この場合、有利であるのは、前記第１の流体通路の断面がほぼｕ字状またはＨ字状に形成されている場合である。前記第１の流体通路がほぼｕ字状に形成される場合、前記プレート積層体の外壁は、有利には、冷却材としての第１の流体用の流体通路によって形成することができ、これにより、温度が比較的低い外壁が実現される。同じことをＨ字状の流体通路の場合にも実現することができる。しかしまた、前記第１の流体通路がほぼＨ字状に形成される場合、前記プレート積層体の外壁を、冷却されるべき流体としての第２の流体用の流体通路によって形成することも可能であり、これにより、前記第２の流体用の大きな断面が実現できる。

また有利であるのは、エンボス加工によって前記段状部が前記両プレートのうちの一方および／またはもう一方に施されている場合である。これにより、型押し成形によって前記段状部が実現できる。好ましくは、前記段状部はエンボス加工によって前記両プレートのうちの一方に施されており、もう一方のプレートは実質上平面的に形成されている。これにより、一方のプレートの段状化された領域を容易にもう一方の実質上平坦なプレートへ載置できるので、前記両プレートの製造および結合が簡易化される。

また有利であるのは、前記段状部が底部から側壁への移行部に、高さがより低い縁部領域における丸みを帯びた拡幅部を有する場合、または外側方向への段状部の際に、より大きな高さを有する場合である。これによって、前記平坦な領域は、前記底部から前記側壁への前記移行部におけるエッジにおいて長手方向に拡大され、これにより、熱応力が発生する可能性が低減される。

この場合、特に好都合であるのは、より低い高さを有する前記縁部領域の寸法が、長手側面にそって測定した場合、側壁から前記流体通路の中央へ向かって減少するように、底部における前記丸みを帯びた拡幅部が形成されている場合である。これによって連続的な移行部が実現され、これにより、応力が低減され、また同時に沸騰の危険性も比較的低く抑えられる。

この場合、特に有利であるのは、前記丸みを帯びた拡幅部の寸法が弧状に減少する場合である。これによっても、前記流体通路あるいは前記プレートのエッジ領域における応力が低減される。

特に有利であるのは、前記丸みを帯びた拡幅部の寸法がｓ字状に減少する場合である。

特に有利であるのは、前記丸みを帯びた拡幅部がまた少なくとも１つの側壁内、好ましくは両側壁内へ延びている場合である。これによって、前記エッジ領域における底部から側壁への前記移行部は、発生する応力の点で改善され、前記プレートの材料における応力が低減される。

また有利であるのは、より低い高さを有する前記縁部領域の寸法が、前記流路の長手方向において、底部から側壁の高さの中央へ向かって減少するように、前記側壁における前記丸みを帯びた拡幅部が形成されている場合である。これによって、前記側壁における前記流体通路内部の内法幅が、前記丸みを帯びた領域による高さの一部領域においてのみ低減される。

また好都合であるのは、前記丸みを帯びた拡幅部の寸法が弧状に減少する場合である。同様にまた有利であるのは、前記丸みを帯びた拡幅部の寸法がｓ字状に減少する場合である。

その他の有利な実施態様に関しては、以下の図説および従属請求項によって説明されている。

以下において、本発明について、少なくとも１つの実施例に基づいて図面を参照しながらさらに詳述する。

互いに積層された２つのプレート対を示す模式図である。 互いに積層された２つの別のプレート対を示す模式図である。 プレート対の前縁部を示す断面図である。 プレート対の前縁部を示す断面図である。 プレート対を示す平面図である。 図５のプレート対の前縁部領域を示す拡大図である。 図６のプレート対を示す断面図である。 プレート対のエッジ領域を示す拡大図である。 プレート対のエッジ領域を示す拡大図である。 幅全体にわたって均一な段状部を有する管を示す図である。 エッジ内に拡幅された段状部を有する管のエッジ領域を示す図である。 各エッジ内にそれぞれ拡幅された段状部を有する管を示す図である。

図１は２つのプレート対１の模式的配置を示し、これらのプレート対はそれぞれ第１のプレート２と第２のプレート３で構成されていて、第１の流体用の第１の流体通路４を前記プレート２、３の間に形成し、それぞれ隣接するプレート対１の間に第２の流体用の第２の流体通路５が形成される。その際、前記プレート２、３は、好ましくは実質上平面的な底部６、８と突出した側壁７、９とを有する。プレート対１の前記各プレート２、３は互いに上下に配置されており、それらの縁部において、例えばろう接によって互いに流体密に結合されていて、これにより、密封された流体通路を形成できる。前記側壁７、９のうちの一方または両側壁７、９、および／または前記底部６、８には図示されていない開口部が備えられており、これにより、前記第１の流体を前記第１の流体通路４内へ流入させること、あるいはその流体を前記第１の流体通路４から再び流出させることができる。前記第２の流体通路５は通例それらの端面が開いた状態に形成されており、これにより、流体は実質上正面を流れることができる。

前記プレート対１は断面がｕ字状に形成されており、これにより、前記第１の流路４は前記底部６、８の平面に延在するだけでなく、前記側壁７、９の平面に沿って垂直方向にも延在する。従って、前記プレート対１の前記積層体は側方が前記第１の流体通路４の壁部によって画定され、このことは、冷却流体を案内する流体通路４の場合、外壁が冷却されることを意味し得る。これによって、熱交換器は外側方向にそれほど高温にならず、これは熱交換器の取り付けにとって好都合である。

図２は２つの別のプレート対２１に関する模式的配置を示し、これらのプレート対はそれぞれ第１のプレート２２と第２のプレート２３とで構成されていて、第１の流体用の第１の流体通路２４を前記プレート２２、２３の間に形成し、それぞれ隣接するプレート対２１の間に第２の流体用の第２の流体通路２５が形成される。

その際、前記プレート２２、２３は、好ましくは実質上平面的な底部２６、２８と突出した側壁２７、２９とを有する。プレート対１の前記各プレート２２、２３は互いに上下に配置されており、それらの縁部において、例えばろう接によって互いに流体密に結合されていて、これにより、密封された流体通路２４を形成できる。

供給および／または排出のために、前記側壁２７、２９の一方または両側壁２７、２９、および／または前記底部２６、２８には図示されていない開口部が備えられている。前記第２の流体通路２５は通例それらの端面が開いた状態に形成されており、これにより、流体は実質上正面を流れることができる。

しかし、あるいはまた、前記第２の流体を前記第２の流体通路２５内へ供給および／またはそこから排出するために、前記側壁２７、２９の一方または両側壁２７、２９、および／または前記底部２６、２８に、図示されていない開口部を備えておくことも可能である。この場合、それに応じて、前記第１の流体通路２４はそれらの端面が開いた状態に形成されており、これにより、前記第１の流体は実質上正面を流れることができる。

前記プレート対２１は断面がＨ字状に形成されており、これにより、前記第１の流路２４は前記底部２６、２８の平面に延在するだけでなく、前記側壁２７、２９の平面に沿って垂直方向にも延在し、さらに前記底部から両垂直方向に上方および下方にも延在する。

例えば図１または図２に示されたこのようなプレート対１、２１から、互いに積層することによってプレート対の束あるいは積層体を生成することができ、この束または積層体を用いて熱交換器が製造される。特に排ガス冷却器または給気冷却器として構成された熱交換器は、好ましくは、複数の細長いプレート対から成るプレート積層体を含み、前記プレート対は長手側面と幅狭側面とを有していて、それぞれ互いに結合された２つのプレートは第１の特に細長い流体通路を自らの間に形成し、２つのプレート対の間にはそれぞれ第２の特に細長い流体通路が形成されている。

この場合、前記長手方向あるいは長手側面は、前記幅狭側面（端面とも呼ばれる）に形成された流体用入口および出口としての２つの開口部間の方向あるいは側面を画成する。しかし、前記延在部は、長手方向において、前記幅狭側面の延在部よりも長くても、それと同じでも、あるいはそれより短くてもよい。

図５はこのような細長いプレート対１を示す上方から見た平面図である。前記プレート対１の細長い形態と、従ってまた前記個々のプレート２、３の細長い形態とが見て取れ、これらのプレートは長手側面４０と幅狭側面４１とを有し、前記第２の流体通路５の流入側は通例前記幅狭側面に配置されており、一方、前記第１の流体通路の図示されていない入口あるいは出口は側方または上方および／または下方に配置しておくことも可能である。この場合、前記長手側面４０は前記幅狭側面４１より短くてもよい。流通は前記長手側面の方向、すなわち長手方向に行われ、前記入口および出口は前記幅狭側面に配置されている。

図３および図４はそれぞれ、プレート対３１の前記幅狭側面４１の領域における前記プレート対３１の前縁部４２の一実施例を示す。この場合、前記上方プレート３２は前記下方プレート３３上に載設されており、前記両プレート３２、３３は前記前縁部において段状部３４を形成する。この段状部３４は、図３に示されているようにｓ字状に形成されており、奥行きＴは図４の実施例の場合よりも小さい。図４の実施例では、前記流体通路３６の前端部３５は比較的先鋭にかつ長く形成されており、これにより沸騰の危険性が局所的に高くなる。

図６は図５のプレート対１を示す拡大図であり、図７は図５のプレート対１を示す断面図である。前記プレート対１は、底部５０とそこから側方に突出している側壁５１、５２とを有するように形成されており、前記底部５０も前記側壁５１、５２もそれぞれ二重壁として形成されている。 この場合、前記プレート２、３の各々が実質上平面的な底部６、８と２つの側壁７、９とを有し、これらは二重壁の構造体として前記プレート対１を形成する。

前記前縁部５３、すなわち前記幅狭側面の前縁部には、一方のプレート２からもう一方のプレート３への移行部としての段状部５４を有する前記プレート対１が形成されており、前記移行部は、小さい高さｈを有する縁部領域５５と大きい高さＨを有するさらに別の領域５６とを形成し、前記領域５６は前記領域５５に接続されている。

この場合、前記側壁５１、５２に至るまでの前記前縁部５３のエッジ領域５７には、高さが低い前記縁部領域５５が丸みを帯びた拡幅部５８を有して形成されている。

この場合、前記段状部５４は、有利にはエンボス加工によって前記両プレート２、３の一方および／またはもう一方に施されている。図３、４が示しているように、前記段状部５４は、エンボス加工によって前記両プレートの一方、例えば上方プレートにのみ設けられており、前記もう一方のプレート、例えば下方プレートは実質上平面的に形成されている。しかしあるいはまた、前記段状部を前記もう一方のプレート、例えば下方プレートに設けておくことも可能であり、その場合、もう一方の例えば上方プレートは平面的である。あるいはまた、前記エンボス加工部は前記両プレート２、３の各々に設けておくことも可能である。

図８は図６のエッジ領域を示す拡大図である。この図から見て取れるように、前記縁部領域５５は、前記底部から前記側壁への移行部に、高さが低い前記縁部領域５５における丸みを帯びた拡幅部５８を有する。この拡幅部５８の底部は、高さが低い前記縁部領域５５の寸法ｓが、長手側面Ｌに沿って測定した場合、前記側壁から前記流体通路の中央５９へ向かって減少するように形成されている。この場合、また見て取れるように、前記丸みを帯びた拡幅部５８の寸法ｓは弧状またはｓ字状に減少する。

この場合、前記拡幅部５８は前記側壁へ移行するエッジで終わる。

図９は、前記底部の前記丸みを帯びた拡幅部５８がまた少なくとも１つの側壁５１、好ましくはまた両側壁５１内へ延在することを示す。ここでは、前記側壁５１における前記拡幅部は符合６０で示されている。

この場合、高さが低い前記縁部領域５１の寸法が前記流体通路の長手方向Ｌにおいて前記底部から側壁５１の高さの中央へ向かって減少するように、前記側壁５１における前記丸みを帯びた拡幅部６０は形成されている。その際、前記丸みを帯びた拡幅部６０の寸法は、同様に有利には弧状またはｓ字状に減少するように形成されている。

図１０および図１２はそれぞれ端部領域を有する管を示し、図１０の管１００は段状部１０１を有し、この段状部は前記管１００の幅全体にわたって均一である。図１２には管１１０が示されており、この管は段状部１１１を有していて、前記段状部１１１は前記エッジ１１２内の方が前記エッジ１１２の間よりも奥行きがあり、すなわち前記管１１０の長手方向にさらに内側へ延設されている。従って、前記エッジ内の前記段状部１１３は一種の弧を形成し、これにより、前記エッジ内の前記段状部の奥行きから前記エッジ１１２間の領域における前記段状部の奥行きへと移行できる。

１ プレート対
２ プレート
３ プレート
４ 流体通路
５ 流体通路
６ 底部
７ 側壁
８ 底部
９ 側壁
２１ プレート対
２２ プレート
２３ プレート
２４ 流体通路、流路
２５ 流体通路
２６ 底部
２７ 側壁
２８ 底部
２９ 側壁
３１ プレート対
３２ プレート
３３ プレート
３４ 段状部
３５ 前端部
３６ 流体通路
４０ 長手側面
４１ 幅狭側面
４２ 前縁部
５０ 底部
５１ 側壁
５２ 側壁
５３ 前縁部
５４ 段状部
５５ 縁部領域
５６ 領域
５７ エッジ領域
５８ 拡幅部
５９ 流体通路の中央
６０ 拡幅部
１００ 管
１０１ 段状部
１１０ 管
１１１ 段状部
１１２ エッジ
１１３ 段状部
ｈ 小さい高さ
Ｈ 大きい高さ
Ｌ 長手方向、長手側面
ｓ 寸法
Ｔ 延設部、奥行き

Claims (13)

1. 一体的に構成された管、または深皿状の２つのプレートで構成された管を備えた熱交換器、特に排ガス冷却器であって、これらの管が第１および第２の流体通路を形成し、前記各流体通路が互いに隣接して配置されていて、前記第１の流体通路がその端部の少なくとも１つにおいて開いた状態に形成されて前記第１の流体が流入および／または流出できる熱交換器において、
   前記管が前記端部において内側または外側に向かって段状部を備えることによって、前記第２の流体通路の端面が閉鎖されているように形成されており、前記段状部が前記管のエッジ領域内において、前記エッジ領域の間におけるよりも大きな延設部Ｔを管の長手方向に有することを特徴とする熱交換器。
2. 前記管が管長手側面と管幅狭側面とを有し、前記管幅広側面または前記管幅狭側面における少なくとも１つの管端部に、または前記管幅狭側面または前記管長手側面に前記段状部が備えられていることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記第１の流体通路（４、２４、３４）の断面が内側へ向かって段状部を有してほぼｕ字状に形成されているか、あるいは外側へ向かって段状部を有してほぼＨ字状に形成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 前記段状部（３４、５４）がエンボス加工によって前記両プレート（２、３、２２、２３、３２、３３）のうちの一方および／またはもう一方に施されていることを特徴とする、請求項１、２または３に記載の熱交換器。
5. エンボス加工によって前記段状部（３４、５４）が前記両プレート（２、３、２２、２３、３２、３３）のうちの一方に施されており、前記もう一方のプレート（２、３、２２、２３、３２、３３）が実質上平面的に形成されていることを特徴とする、請求項１、２、３または４に記載の熱交換器。
6. 前記段状部が底部（６、８、２６、２８、５０）から側壁（７、９、２７、２９、５１、５２）への移行部に、高さがより低い縁部領域（５５）における丸みを帯びた拡幅部（５８）を有すること、または外側方向への段状部の場合、より大きな高さを有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱交換器。
7. より低い高さを有する前記縁部領域の寸法が、長手側面にそって測定した場合、側壁から前記流体通路の中央へ向かって減少するように、前記底部（６、８、２６、２８、５０）における前記丸みを帯びた拡幅部（５８）が形成されていることを特徴とする、請求項６に記載の熱交換器。
8. 前記丸みを帯びた拡幅部（５８）の寸法が弧状に減少することを特徴とする、請求項７に記載の熱交換器。
9. 前記丸みを帯びた拡幅部（５８）の寸法がｓ字状に減少することを特徴とする、請求項８に記載の熱交換器。
10. 前記丸みを帯びた拡幅部（６０）が少なくとも１つの側壁（７、９、２７、２９、５１、５２）内、好ましくは両側壁内へ延びていることを特徴とする、請求項６〜９のいずれか１項に記載の熱交換器。
11. より低い高さを有する前記縁部領域の寸法が、前記流体通路の長手方向において、前記底部から側壁（７、９、２７、２９、５１、５２）の高さの中央へ向かって減少するように、前記側壁における前記丸みを帯びた拡幅部（６０）が形成されていることを特徴とする、請求項１０に記載の熱交換器。
12. 前記丸みを帯びた拡幅部（６０）の寸法が弧状に減少することを特徴とする、請求項１１に記載の熱交換器。
13. 前記丸みを帯びた拡幅部（６０）の寸法がｓ字状に減少することを特徴とする、請求項１２に記載の熱交換器。

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