JP2016211842A - 自動車の熱交換器システム - Google Patents

Abstract

【課題】先行技術から出発して本発明の課題は、構造空間技術的に、および適用技術的に自動車の熱交換器システムを改善することであり、およびその効率を向上させることである。
【解決手段】課題は、作動媒体のための一つの閉じられた循環系を有する自動車の熱交換器システムであって、その際、作動媒体（ＡＭ）の蒸発のための蒸発装置（１）および蒸気状の作動媒体（ＡＭ）の凝縮のための凝縮装置（２）が設けられており、これが、冷却流体流（ＫＳ）中に設けられており、かつ凝縮装置（２）と蒸発装置（１）の間に、作動媒体（ＡＭ）のための調整容器（３）が設けらている自動車の熱交換器システムにおいて、
調整容器（３）が、冷却流体流（ＫＳ）によって冷却可能であることにより解決される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の特徴にしたがう自動車の熱交換器システムに関する。

自動車の内燃機関の排ガス中における熱的損失エネルギーの利用は、自動車の効率を高める様々なアプローチを提供する。これと関連して、キャビンの暖房のだめの排ガス熱の使用は、追加的な暖房措置を省略し、そしてこれによって燃料消費を現象する可能性を提供する。また、自動車の駆動トレインコンポーネントの暖機運転の加速のため、排ガス熱が使用されることも可能である。これによって機械的な損失出力と、ひいては暖機運転中のエンジン負荷およびエンジン消費が減少されることが可能である。

エンジンの燃焼プロセスにおいて発生する排熱の回生は、その結果、大きな燃料の削減ポテンシャルを提供し、そして自動車の走行快適性および使用快適性の向上に貢献する。

特許文献１および２により、熱の搬送のための毛細管ポンプを有する、ミクロ流体的循環系システム内の液体の搬送のための方法が公知である。循環系内には、少なくとも一つの蒸発装置と凝縮装置および熱交換を行う流体または作動媒体の収容のための容器が設けられている。蒸発装置は、蒸発装置配管を介して凝縮装置の入口部と接続されている出口部を有する。凝縮装置の出口部は、調整容器と接続されている。蒸発装置は、透過性の材料による蒸発装置ボディを有する。作動媒体を熱吸収によって蒸発させ、そして毛細管効果によるポンプ圧力を循環系内に生じさせるためである。調整容器と蒸発装置は、熱的に互いに隔離されており、かつ配管を介して互いに接続されている。ここで容器は、蒸発装置よりも低い温度で保持されるよう形成されている。これは、熱源と凝縮装置の間の最小の温度差によって熱交換を可能とする。

先行技術として、特許文献３より二相作動媒体を使用しつつ、毛細管効果ポンピングされる熱搬送装置があげられる。この熱交換器システムは、多孔性のボディを有する蒸発装置、凝縮装置、およびインレットおよびアウトレットを有する調整容器を有する。調整容器は、互いに分離され独立した、しかし流体接続された複数の領域を有する。これによって作動媒体の混合の際に発生し、そして圧力降下に通じる可能性のある不利な影響が防止される。

同様な熱搬送装置を特許文献４が開示する。その際、調整容器と蒸発装置の多孔性のボディの間には、逆止弁が設けられている。作動媒体が蒸発装置から調整容器内へと逆流することを防止するためである。これによって、蒸発装置が乾燥しきるのが防止される。

欧州特許第０ ８３２ ４１１ Ｂ１号明細書 ドイツ連邦共和国特許出願公開第６９６ ０６ ２９６ Ｔ２号公報 国際公開第２０１３／０３７７８４ Ａ１号公報 国際公開第２０１３／０３７７８５ Ａ１号公報

先行技術から出発して本発明の課題は、構造空間技術的に、および適用技術的に自動車の熱交換器システムを改善することであり、およびその効率を向上させることである。

この課題は、請求項１に記載の自動車の熱交換器システムにおける本発明に従い解決される。

本発明にかかる自動車の熱交換器システムの有利な態様および発展形は、従属請求項２から１１の対象である。

本発明にかかる自動車の熱交換器システムの凝縮装置内では、蒸発装置から来る蒸気状の作動媒体が凝縮される。このため凝縮装置は、冷却流体流中に設けられており、そして冷却流体によって付勢される。その際、凝縮装置に冷却流体が当たる、または凝縮装置の周りを冷却流体が流れる、又は凝縮装置を通って冷却流体が流れる。

発明に従い、調整容器は冷却流体流中に設けられ、そして冷却流体流によって冷却可能である。冷却流体は、ガス、特に空気であるか、または例えばオイルのような液体であることが可能である。

本発明にかかる自動車の熱交換器は、構造空間技術的および適用技術的に有利である。冷却流体流の流入領域中への調整容器の統合は、循環系内の低い圧力レベルを維持することを可能とする。これは、効率の向上に通じ、適用技術的に有利である。冷却流体流中への調整容器の統合によって、自動車内に提供される構造空間も効率的に使用されることが可能である。作動媒体のための独立したポンプは省略されることが可能である。同じことは高コストの循環装置および逆止弁に対しても言える。

本発明にかかる自動車の熱交換器は、特に、高い熱伝達密度によって際立っており、そしてこれによってその効率は明らかに改善される。

本発明に従い、調整容器は冷却流体流によって冷却可能である。これによって追加的な熱供給が生じる。この追加的な熱供給は、自動車内における加熱（暖房）目的に利用可能である。これは例えば、内部空間暖房のためであり、またはトランスミッションギアのような駆動コンポーネントやエンジンオイルの加熱のためである。

本発明にかかる自動車の熱交換器の別の本質的なメリットは、高い自発性、つまり応答特性と、特に、循環系内における作動媒体の搬送が、熱流入自体によって保証される点にある。これは、ポンプのような別のサブコンシューマーが必要ないことを意味する。これによって発明にかかる自動車の熱交換器の効率がより効率的となることが可能で、かつシステムコストに関してより安価に構成されることができる。

発明にかかる自動車の熱交換器内における調整容器は、基本的に二つの機能を有する。つまり、作動媒体の貯蔵部の形成と、他方では、作動媒体のうち蒸気によって排出される部分の収容であり、並びにシステム内の圧力を可能な限り低いレベルに保つことである。

本発明の別の観点は、調整容器と凝縮装置の冷却が組み合わせられることにある。これによって調整容器と凝縮装置の冷却のための冷却空気流が援用され、そして獲得される熱が、自動車の加熱（暖房）目的に利用され、例えば内部室暖房のための空気流と組み合わせられる。

調整容器は、冷却流体流内で凝縮装置の前方に配置されていることが可能である。

別の実施形は、調整容器が冷却流動他流中で凝縮装置の後方に配置されていることを意図する。

実践のために有利な観点は、調整容器が凝縮装置中に統合されていることを意図している。特に、凝縮装置と調整容器は一つの構造的なユニットを形成する。さらに、調整容器が凝縮装置の下に配置されているとき有利である。特に、調整容器は、凝縮装置の直接下に配置されており、そして凝縮装置の凝縮アウトレットに直接接続されている。

調整容器は、幾何学的に、用途に合わせられ、そして冷却空気流内の配置（装置）に合わせられている。ここで、調整容器、例えば丸い、または正方形に形成された調整容器は、本来の凝縮容器の下に配置されていることが可能である。さらに、管形状の調整容器が冷却空気流中に統合されていることが可能である。その上、調整容器が冷却流体チャネル（冷却流体がこれを介して導かれる）の構成部材であるように、調整容器を冷却流体流中に統合することが可能である。ここで、調整容器は、ウォーターポケットの形式で、例えば冷却流体チャネルの側部壁に統合されていることが可能である。

発明にかかる自動車の熱交換器の効率は、蒸発装置と調整容器の間で圧力調整が行われることによってさらに向上されることができる。このため、蒸発装置と調整容器の間の圧力調整のための手段が設けられていることが可能である。特に、蒸発装置と調整容器は、圧力調整配管を介して互いに接続されている。このようにして循環系内に低い圧力レベルが保証される。蒸発装置と調整容器の間の圧力調整によって循環系の作動方向が、特にスタート過程において影響を受けることが可能である。さらに、これによってスタートフェーズにおける温度の安定化が可能であり、このことはシステムの効率または効果に有利である。特に、システムにとって有利である高い温度差が蒸気配管と凝縮装置配管の間に達成される。

蒸発装置は、自動車の熱源と熱交換を行う接触をする。特に有利には、蒸発装置は、自動車の内燃機関の排ガス流中に統合されている。これによって高温の排ガスの排熱が利用されることが可能である。

特に有利な自動車の熱交換器システムは、蒸発装置が、複数の蒸発装置モジュールを有することを意図する。蒸発装置モジュールは、好ましくは、自動車の内燃機関から来る高温の排ガス流のための一つの通路がこれらの間に生じるようにまとめられて接続されている。

これと関連して、蒸発装置または一若しくはあらゆる蒸発装置モジュールが、ハウジングと、ハウジング内に設けられた毛細管構造を有していることは有利である。ハウジングは、好ましくは、良好に熱を伝達する材料、特に金属、好ましくは鋼、特にステンレスからなっている。ハウジングが銅又はアルミニウムからなっていることも可能である。さらに、ハウジングがセラミック材料からなることも可能である。ハウジングの内部の毛細管構造は、特に、焼結された材料からなる多孔性のプレート筐体から形成されている。特に、金属ベースの毛細管構造が形成されている。

蒸発装置または蒸発装置モジュールと統合された毛細管構造を有する自動車の熱交換器システムは、本発明の枠内で特に有利である。ここで、調整容器内には作動媒体の貯蔵のための機能が形成され、これによって毛細管構造が、あらゆる運転状態において常に完全に浸されている。さらに、調整容器は、作動媒体のうち、蒸気によって毛細管構造の内部で排出される部分が収容されること、およびシステム内の圧力が可能な最低レベルに保たれることを保証する。

発明にかかる自動車の熱交換器システムは、エンジンの燃焼プロセスにおいて発生する放熱の再獲得を効率よく行い、そしてこれによって燃料節約または燃料消費の減少に貢献する。

もう一度強調されるべきは、発明にかかる自動車の熱交換器システムにおいて、調整用域の冷却によって追加的な熱提供が達成されることである。このように提供される追加的な熱提供は、自動車内における加熱目的、特に内部室加熱に利用されることができる。

調整容器を冷却流体流中、特に自動車の空調モジュールの冷却流体流中へと統合することは、実践にとって有用である。これによって、調整容器の冷却のための必要な熱降下が行われ、そして同時に、放出される熱が追加的に、自動車内の加熱目的、例えば内部室加熱のために利用されることが可能である。

特に、自動車の熱交換器システムは、循環系内の安定的なスタート挙動において際立っている。別のメリットは、スタートフェーズにおいて低い圧力レベルが蒸気循環系内または作動媒体の循環系内において維持されることより生じる。このシステムにおいては、著しく低い圧力レベルが効率的な性能特性のもと存在する。

特に効率的に、自動車の熱交換器システムは、排ガスから所汁排熱を利用する。排ガス温度は、蒸発装置を介しての熱の削減によって引き下げられる。

システム、またはシステムのコンポーネントの複雑な構造、特に調整容器の凝縮容器との組み合わせは、さらに構造空間上のメリットを生じ、そしてバルブや場合によっては高コストのシールのような追加的なシステムコンポーネントの省略を可能とする。

本発明をいかに図面中にあらわされた実施例に基づいて詳細に説明する。

簡略的にあらわされた作動媒体のための循環系を有する発明にかかる自動車の熱交換器システムの第一の実施形の技術的に簡易化された図。 簡略的にあらわされた作動媒体のための循環系を有する自動車の熱交換器システムの第二の実施形の図。 簡略的にあらわされた作動媒体のための循環系を有する自動車の熱交換器システムの第三の実施形の図。

互いに対応する部材またはシステムコンポーネントは、図１から３中において同じ参照符号を付されている。

図１から３は、それぞれ、技術的に簡略化された自動車の熱交換器システムＡ、Ｂ、Ｃを簡略的に示す。

各自動車の熱交換器システムＡ、Ｂ、Ｃは、作動媒体ＡＭのための一つの閉じられた循環系を有し、そして、作動媒体ＡＭの蒸発のための蒸発装置１と蒸気状の作動媒体ＡＭの凝縮のための凝縮装置２を有する。凝縮装置２と蒸発装置１の間には、調整容器３が設けられている。蒸発装置１は、自動車の内燃機関の排ガス流ＡＧ中に統合されている。凝縮装置２は、冷却流体流ＫＳ中に設けられている。冷却流体ＫＦは、ガス、特に空気であることが可能であり、または液体、例えばオイルであることが可能である。凝縮装置２は、冷却流体流ＫＳ中において冷却流体ＫＦにより付勢されており、そしてその際、冷却流体ＫＦがこれに当たる、またはこの周囲を流れるまたはこの中を流れる。冷却流体流ＫＳは、ここでは、示唆的にあらわされたチャネル４によって導かれている。

凝縮装置１は、好ましくは複数の蒸発装置モジュール５，６を有している。蒸発装置モジュール５，６は、カセット形式に構成されており、ハウジングシェルからなるハウジング７とカバーを有する。蒸発装置モジュール５，６のハウジング７内には、それぞれ、毛細管構造８が設けられている。毛細管構造８は、多孔性のプレート筐体によって焼結された材料から形成されており、特にこれは金属ベースのものである。蒸発装置１または蒸発装置モジュール５，６は、内燃機関から排出される高温の排ガスＡＧと直接接触している。有利な態様においては、蒸発装置モジュール５，６は、排ガスＡＧが蒸発装置モジュール５，６の間に形成された、ここでは詳細にあらわされていない、蒸発装置１を通る通路によって導かれているよう互いに接続されている。

排ガス流ＡＧの熱によって、作動媒体ＡＭが蒸発装置１中で蒸発される。蒸気状の作動媒体ＡＭが、蒸発装置１の蒸気収集室９の中に収容され、そしてそこから、蒸気配管１０を介して凝縮装置２中へと運ばれる。凝縮装置２中では、冷却流体ＫＦとの熱交換が行われる。これによって、作動媒体ＡＭは冷却され、そして凝縮される。作動媒体ＡＭは、凝縮装置２から調整容器３内へと至り、そして調整容器３から凝縮配管１１を介して蒸発装置１のインレット１２へと導かれる。

調整容器３は、自動車の熱交換器システムＡ、Ｂ、Ｃの内部で冷却流体流ＫＳ中に統合されており、そして冷却流体ＫＦによって付勢可能である。これによって調整容器３は、冷却流体流ＫＳによって冷却される。システム圧は、主として、調整容器３中の作動媒体ＡＭの温度に依存する。冷却流体流ＫＳ中の調整容器３の冷却によって、循環系内の圧力レベルは低く保たれることができる。さらに、調整容器３中の作動媒体ＡＭの冷却によって、循環系内の温度の安定化と、ひいては循環系内の作動媒体ＡＭの流れ方向の制御が可能である。凝縮配管１１と蒸発装置１のインレット１２における又は蒸発装置１のアウトレット１３および蒸気配管１０の間の温度差の結果、循環系内の作動媒体ＡＭは、追加的な、外部駆動される循環装置、例えばポンプ無しで流れる。作動媒体ＡＭの流れ方向は、凝縮配管１１および蒸気配管１０における矢印によって記されている。

自動車の熱交換器システムＡにおいては、図１にあらわされているように、調整容器３は凝縮容器２に直接後接続されており、そしてこれは特に、一つの共通なハウジング１４内において凝縮装置２と統合されている。凝縮装置２と調整容器３は、一つの構造的なユニットを形成する。このユニットにおいて調整容器３は凝縮装置２の下に配置されている。蒸発装置１と調整容器３の間には、さらに、圧力調整のための手段１５が設けらている。圧力調整のための手段１５は、圧力調整配管１６を有し、これが調整容器３と蒸発装置１を接続している。圧力調整配管１６を介して、蒸発装置１と調整容器３の間の圧力調整が行われる。これによって特に、蒸発装置１の液体側でインレット１２の領域内に形成される蒸気が逃がされる。

自動車の熱交換器システムＢにおいては、図２にあらわされているように、調整容器３は冷却流体流ＫＳ中において凝縮装置２の後方に配置されており、そしてこれにまたはこれの周りを冷却流体流ＫＳが流れる。ここでも調整容器３と蒸発装置１が圧力調整配管１６の形式の圧力調整のための手段１５によって接続されている。

自動車の熱交換器システムＣもまた、図３にあらわされているように、同様の形式に構成されている。自動車の熱交換器システムＣにおいては、調整容器３は冷却流体流ＫＳ中において凝縮装置２の前方に配置されており、冷却流体ＫＦが凝縮流体２と熱交換的な接触を行う前に、これ（調整容器３）に直接冷却流体ＫＦが流れる。調整容器３と蒸発装置１の間の圧力調整は、ここでもまた、圧力調整配管１６の形式の圧力調整のための手段によって行われる。

１ − 蒸発装置
２ − 凝縮装置
３ − 調整容器
４ − チャネル
５ − 蒸発装置モジュール
６ − 蒸発装置モジュール
７ − ハウジング
８ − 毛細管構造
９ − １の蒸気収集室
１０ − 蒸気配管
１１ − 凝縮配管
１２ − １のインレット
１３ − １のアウトレット
１４ − ハウジング
１５ − 手段
１６ − 圧力調整配管
Ａ − 自動車の熱交換器システム
Ｂ − 自動車の熱交換器システム
Ｃ − 自動車の熱交換器システム
ＡＭ − 作動媒体
ＡＧ − 排ガス流
ＫＳ − 冷却流体流
ＫＦ − 冷却流体

Claims (11)

1. 作動媒体のための一つの閉じられた循環系を有する自動車の熱交換器システムであって、その際、作動媒体（ＡＭ）の蒸発のための蒸発装置（１）および蒸気状の作動媒体（ＡＭ）の凝縮のための凝縮装置（２）が設けられており、これが、冷却流体流（ＫＳ）中に設けられており、かつ凝縮装置（２）と蒸発装置（１）の間に、作動媒体（ＡＭ）のための調整容器（３）が設けらている自動車の熱交換器システムにおいて、
   調整容器（３）が、冷却流体流（ＫＳ）によって冷却可能であることを特徴とする自動車の熱交換器システム。
2. 調整容器（３）が冷却流体流（ＫＳ）中において凝縮装置（２）の前方に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の自動車の熱交換器システム。
3. 調整容器（３）が、冷却流体流（ＫＳ）中において凝縮装置（２）の後方に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の自動車の熱交換器システム。
4. 調整容器（３）が、凝縮装置（２）中に統合されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の自動車の熱交換器システム。
5. 凝縮装置（２）および調整容器（３）が一つの構造的なユニットを形成することを特徴とする請求項４に記載の自動車の熱交換器システム。
6. 調整容器（３）が凝縮装置（２）の下に配置されていることを特徴とする請求項５に記載の自動車の熱交換器システム。
7. 蒸発装置（１）が、複数の蒸発装置モジュール（５，６）を有することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の自動車の熱交換器システム。
8. 蒸発装置（１）と調整容器（３）の間の圧力調整のための手段（１５）が設けられていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の自動車の熱交換器システム。
9. 蒸発装置（１）または蒸発装置モジュール（５，６）がハウジング（７）およびハウジング（７）内に設けられた毛細管構造（８）を有することを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の自動車の熱交換器システム。
10. 毛細管構造（８）が焼結された材料からなる多孔性のプレート筐体により形成されていることを特徴とする請求項９に記載の自動車の熱交換器システム。
11. 蒸発装置（１）が自動車の内燃機関の排ガス流（ＡＧ）中に統合されていることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の自動車の熱交換器システム。

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