JP2017083161A - 間接給気冷却器 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のパイプ（2）と少なくとも１つのベース部（8）とボックス部（9）を有する２つのコレクター（7）と第２管路系統（4）の流体の限界のための反対側に位置する２つのサイド部（12）の間にパイプ（2）が配置された熱交換器を高性能で軽量にする。【解決手段】ベース部（8）の少なくとも１つを対応するサイド部（12）へ同一面で移行させ、少なくとも１つのボックス部（9）を少なくとも１つのサイド部（12）に対して第１接触面（14）で支持し、ボックス部（9）とサイド部（12）を第１接触面（14）によって互いに密着結合し、サイド部（12）の各外側エッジ（16）に、ベース部（8）の各外側エッジ（17）に、そしてボックス部（9）の各外側エッジ（18）に、不確実なロック及び／または密着形態である例えば圧入後にロウ付けすることにより接合される少なくとも１つのフレーム部（15）を設ける。【選択図】図１

Description

本発明は、熱交換器に関し、特に、請求項１の前提部分のように内燃機関用の間接給気冷却器に関するものである。また、本発明は、給気冷却器として構成された上記のタイプの熱交換器を有する内燃機関に関するものである。

特許文献１には、第１の流れ方向へ流れる第１流体用の第１管路系統を形成する複数のパイプを有する一般的な熱交換器が開示されている。上記パイプの間には、第１管路系統から流体的に分離された、第２流体用の第２管路系統が形成されている。また、第２管路系統から流体的に分離された２つのコレクターが設けられ、そのうちの少なくとも１つは、ベース部と、上記パイプの少なくとも１つに流体的に連結された、コレクターのコレクティングチャンバーを区画するボックス部とを有している。ここで、各ベース部は、コレクティングチャンバーが第２管路系統から流体的に分離されるようにパイプが連結されるリム穴の形状をした開口を有している。さらに、パイプは、第２管路系統の流体の限界設定をする２つの向かい合ったサイド部の間に配置されている。

特許文献２には、さらに別の熱交換器が開示されており、この場合は、プレート型の熱交換器が開示されている。

国際公開第ＷＯ２０１４／００１３６６号パンフレット 国際公開第ＷＯ２０１４／１４０１１９号パンフレット

今までに知られている間接給気冷却器は、一般に、内燃機関の吸気モジュールに一体化され、後者と一緒に組み込まれている。このことの欠点は、特に、吸気モジュール用の比較的扱いにくいプラスチックのハウジングと、比較的高い圧力に対応することができるようにするために引っ張りアンカーを使用することであった。引っ張りアンカーを保持しておくためのスペースは熱交換器の表面として利用できないから、吸気モジュールに直接に給気冷却器を組み込むことにより熱交換器の容積が小さくなり、さらに、追加のシール部材を設ける必要も生じる。

したがって、本発明は、一般的なタイプの熱交換器における上記の問題に対し、性能を高めて軽量化できる構成の、改良した形態の熱交換器に関する。

上記の問題は、独立の請求項である請求項１の発明により解決される。従属の請求項は効果的な形態に関する。

本発明は、吸気モジュールのハウジングに一体化されるのではなく、むしろ特別に組み立てられた専用のハウジングを備えた間接給気冷却器の形態の熱交換器の広い概念に基づいており、それによって、本発明に係る熱交換器は、コンパクトな構成だけでなく、圧力と温度に対して高耐性で、さらに吸気モジュールに一体に組み込まれた従来のものにおいて可能であったよりも大きな熱交換面積を得ることを可能としている。さらに、このようにすることで、本発明に係る熱交換器は、例えば内燃機関で別の配置をすることも可能になる。ここで、本発明に係る熱交換器は、第１の流れ方向へ流れる第１流体のための第１管路系統を形成する複数のパイプを有し、このパイプの間に、第１管路系統から流体的に分離されて、第２流体を第２の流れ方向へ流すことができる第２管路系統が形成されている。ここで、第１及び第２の流れ方向は、通常は互いに直角である。また、この熱交換器は、第２管路系統から流体的に分離された２つのコレクターを有し、その少なくとも１つは、ベース部と、少なくとも１つのパイプに流体的に接続されるコレクターのコレクティングチャンバーを区画するボックス部とを有している。ここで、各ベース部は、開口、例えばリム穴を有し、この開口は、パイプを受けるか、またはパイプが接続されて、対応するコレクティングチャンバーが第２管路系統から流体的に分離される。ここで、上記パイプは、第２管路系統の流体の限界を定めている、反対側に位置する２つのサイド部の間に配置されている。本発明によれば、少なくとも１つのベース部は少なくとも１つの対応するサイド部に表面が連続する形態で変化し、少なくとも１つのベース部は、少なくとも１つのサイド部に、直線的な第２接触面により、またはその間にギャップを介して支持することができる。このようなギャップを設けることは、例えば、製造誤差を吸収する効果を有する。少なくとも１つのボックス部は、少なくとも１つのサイド部に対して第１接触面により支持される。上記ボックス部とサイド部は上記第１接触面によって互いに密着して接合される。さらに、本発明に係る熱交換器は、サイド部の各外側エッジに、ベース部の各外側エッジに、そしてボックス部の各外側エッジに、不確実なロック及び／または密着した形態で、例えばプレス後にロウ付けすることにより接合される少なくとも１つのフレーム部を有している。

本発明に係る熱交換器の選択された構成により、その質量を、ポリアミドＰＡ６で構成された従来のハウジングと引っ張りアンカーとの関係において３０％まで減らすことができ、さらに、圧力耐性を大幅に高めることができ、３barを超える圧力と２００℃を超える温度に、金属ハウジングと、サイド部、ボックス部、ベース部及びフレーム部からなる本発明の特定の構成とで容易に対応できる。引っ張りアンカーを省略できる結果、扁平管や密に配列されたパイプを使うことが可能になって熱交換器の外寸を小さくでき、引っ張りアンカーを保持するスペースをパイプひいては熱交換面に用いることで、熱交換性能を本発明では現状の熱交換器よりも３５％まで高めることができる。

本発明の解決手段の効果的な改良点において、少なくとも１つのサイド部の少なくとも１つの外側エッジは、エッジの補強として屈曲したラグ（凸部）を有し、それによってサイド部がフレーム部に接続されている。ここで、屈曲したラグはフレーム部の対応する凹部に挿入され、確実なロック形態または不確実なロック形態で保持され、さらにロウ付け接合部を設けることができ、0それによって屈曲したラグとフレーム部との間の密着結合が実現される。屈曲したラグにより、サイド部はその外側エッジの領域において大幅に強化され、したがって、サイド部がその一部を形成するハウジングを補強することができる。また、サイド部の屈曲したラグを受けるレセプタクルを形成するフレーム部の曲げ工程において、比較的大きな曲げ半径を実現でき、比較的少ない材料の供給で比較的大きな曲げ半径を実現できる点で、本発明はさらに効果を有している。

フレーム部は、第１レセプタクルと該第１レセプタクルとは反対の方向へ開放された第２レセプタクルとからなるＳ形状の断面を有することが好ましく、少なくとも１つのサイド部、１つのベース部または１つのボックス部の外側エッジが第１レセプタクルに受け入れられる。サイド部またはボックス部またはベース部への接続部におけるフレーム部のＳ形断面により、フレーム部もまた相対的に高い強度を有する一方で相対的に軽量化される。

本発明の解決手段の効果的な改良点において、少なくとも１つの熱交換エレメントが、特に第２管路系統のエッジ部分にフリーバイパス部が形成されるように、少なくとも１つのベース部から離れて配置される。フレーム部は、この領域に、第２流体がフリーバイパス部を通るバイパス流れを少なくするために、上記フリーバイパス部を少なくとも部分的にカバーする突出したカラー部を有している。本発明において設けられる突出したカラー部により、望まれない第２流体のバイパス流れを、この目的のために必要とされる別のシール部材を設けずに、容易に最小化することができる。この目的で必要とされるカラー部は、フレーム部の変形凸部により容易に形成することができる。

本発明の解決手段のさらに効果的な実施態様において、ベース部と対応するサイド部との間に、上記サイド部のラグ（凸部）により直線状の第２接触面が形成され、このラグはベース部の凹部に係合する。また、凹部は２つの側方突起を有し、その間に凹部内でラグがクランプされる。したがって、２つの突起の内寸は、組み立てていない状態において、サイド部のラグの外寸よりも少なくともわずかに小さく、サイド部がベースの凹部にそのラグによって押し付けられたときに、２つの側方突起が外側へ移動し、ベース部とサイド部との間の不確実ロック結合が実現される。突起をサイド部のラグにロウ付けしてもよく、そうすると、不確実ロック作用に加えて密着作用が得られることは自明である。ここで、ラグをベース部に配置することや、対応する凹部をサイド部に配置することが考えられることも、自明である。

本発明の解決手段のさらに効果的な実施態様において、一般的なフィン構造であるコルゲートフィンのような熱交換エレメントが第２管路系統に設けられ、熱交換エレメントは少なくとも１つのパイプと熱交換するように接触する。このような熱交換をする接触は、例えば対応するパイプに熱交換エレメントをロウ付けすることにより実現できる。このような熱交換エレメントにより熱交換面積が大きくなって本発明に係る熱交換器の性能が高められ、また、このような熱交換エレメントにより流体の流れに乱れが生じ、同様に熱交換性能が向上する。

フレーム部は、サイド部の各外側エッジ、ベース部の各外側エッジ、及びボックス部の各外側エッジにクリンプ接合により接続するのが好ましい。このタイプのクリンプ接合は、この場合、例えばサイド部、ベース部またはボックス部の外側エッジをフレーム部の第１レセプタクルに圧入することにより実現できる。このタイプのクリンプ接合により、本発明に係る熱交換器を、次のロウ付け行程中に予め固定でき、そうすることにより、熱交換器は、ロウ付けの炉中で別々に固定しなくてもよくなり、製造工程上の大きな効果が得られる。この場合、密着接合は、例えば、フレーム部の各外側エッジに沿って、及び／または第１レセプタクルに、ロウ付け被覆を設けることにより実現できる。

図１は、本発明に係る熱交換器の分解図である。 図２は、本発明に係る熱交換器のサイド部、ベース部、ボックス部及びフレーム部の間の変化の領域の詳細図である。 図３は、フレーム部を部分的に断面にし、ボックス部を省いた状態の、図２と同様の図である。 図４は、本発明の熱交換器を側方から見た図である。 図５は、ベース部とボックスのフレーム部への変化を断面で示す詳細図である。

本発明のさらに重要な特徴及び効果を、従属請求項、図面、そして図面に基づいた対応する図の説明により明らかにする。

上述した特徴及び以下に説明される特徴が、特定の組み合わせにおいてだけでなく、他の組み合わせや単独で、本発明の範囲から逸脱せずに用いることができることは自明である。

本発明の好適な実施形態について図面を参照して詳細に説明する。同一または近似または機能的に同一の要素は、同じ参照符号で示している。

図１〜図３に示すように、例えば内燃機関３４の間接給気冷却器の形態にすることができる本発明に係る熱交換器１は、第１流体が第１の流れ方向５へ流れる第１管路系統３を形成する、特に扁平管である複数のパイプ２を有している。パイプ２の間には、第１管路系統３から流体的に分離され、第２流体が第２の流れ方向６へ流れることのできる第２管路系統４が形成されている。ここで、第１流体は例えば冷却液であり、第２流体は給気とすることができる。また、第２管路系統４から流体的に分離された２つのコレクター７が設けられており、そのうちの少なくとも１つは、ベース部８と、コレクター７のコレクティングチャンバー１０を区画するボックス部９を有し、コレクティングチャンバー１０はパイプ２の少なくとも一つと接続されている。ここで、各ベース部８は、コレクティングチャンバー１０が第２管路系統４から流体的に分離されるように、パイプ２を受け入れるかパイプ２が接続される、例えば盛り上がったリム穴の形態に形成された開口１１を有している。反対に、ハウジングを形成するように、第２管路系統４の流体的な限界を設定する２つのサイド部１２が設けられ、サイド部の間にパイプ２が配置されている。ここで、少なくとも１つのベース部８は、少なくとも１つのサイド部１２に直線状の第２接触面１３（特に図２，３を参照）で支えることができ、少なくとも１つのボックス部９は、少なくとも１つのサイド部１２に第１接触面１４で支えることができる。ここで、ベース部８とサイド部１２の間にギャップを形成することが考えられ、このギャップは製造誤差を吸収するのに役立てられる。このギャップは橋渡しされ、ボックス部９でシールされて閉じられる。ここで、ボックス部９は第２接触面１４とベース部８とで支えられ、さらに、ロウ付けでシールされている。ベース部８と対応するサイド部１２は第２接触面１３と好ましくは密着接合され、ボックス部９とサイド部１２は、例えばロウ付けにより第１接触面１４で密着結合している。さらに、本発明に係る熱交換器１は、少なくとも１つのフレーム部１５、この場合は２つのフレーム部１５を有し、フレーム部１５は、例えば圧接してからロウ付けすることにより、不確実ロック状態及び／または密着状態で、サイド部１２の各外側エッジ１６、ベース部８の各外側エッジ１７、及びボックス部９の各外側エッジ１８に接合されている。ここで、上述したタイプの密着結合により、シール作用が補償され、機械的な結合がサポートされる。

少なくとも１つのサイド部１２の少なくとも１つの外側エッジ１６は、例えば図１〜図３に示されているように、エッジの補強として、屈曲したラグ（凸部）２３を有している。エッジの補強として形成された屈曲したラグ２３によって、サイド部１２はフレーム部１５に連結されている。ここで、フレーム部１５は、第１レセプタクル２１と該第１レセプタクルとは反対向きに開放された第２レセプタクル２２とを有するＳ形断面を有し（図３〜５も参照）、ベース部８またはボックス部９の少なくとも１つのサイド部１２の外側エッジが第１レセプタクル２１に受け入れられている。エッジ１６，１７及び１８は、この場合、フレーム部１５の第１レセプタクル２１にクランプされるか圧入され、その結果、フレーム部１５が、サイド部１２の各外側エッジ１６、ベース部８の各外側エッジ１７、及びボックス部９の各外側エッジ１８に、圧接結合により連結されている。このタイプの圧接結合は、不確実なロック結合を構成し、上述した部分を互いに取り付けることを可能にしている。機械的な取り付けをサポートするため、及び／またはシール機能をサポートするため、個々の外側エッジ１６，１７及び１８は、フレーム部１２の各レセプタクル２１にさらにロウ付けすることもできる。

図１及び図４に示されているように、フレーム部１５は２つの縦方向サイド１９と２つの横方向サイド２０からなる閉じた四角形のフレーム形状に形成され、各縦方向サイド１９はサイド部１２の対応する外側エッジ１６に連結され、各横方向サイド２０はベース部８とボックス部９の対応する外側エッジ１７に連結されている。

第１流体と第２流体の間の熱伝達をよくするため、特にフィン構造の熱交換エレメント２４が第２管路系統に配置され、熱交換エレメントは少なくとも１つのパイプ２と熱交換をするように接している。ここで、このような熱交換エレメント２４は外側に配置されたサイド部１２とそれに隣り合ったパイプ２との間に配置することができる。熱交換性能をさらによくするため、熱交換エレメント２４は、少なくとも１つのパイプ２と、及び／または位置によってはサイド部１２と、特にロウ付けにより接合することができる。

図１に示されているように、少なくとも１つの熱交換エレメント２４は少なくとも１つのベース部８から離れており、特に、第２管路系統のエッジにフリーバイパス部２５が残るようになっている。ここで、フレーム部１５は、第２流体の望まれないバイパス流れを少なくするために、フリーバイパス部２５を少なくとも部分的にカバーするカラー部２６（図４も参照）を有していてもよい。

サイド部１２とベース部８との間の不確実ロック結合、ある程度は確実ロック結合に関し、ベースの凹部３１と係合するサイド部１２のラグ（凸部）３２によって直線的な接触面１３が形成されていることが図２に示されている。ここで、凹部３１は２つの側方突起３３（図１も参照）を有し、その間にラグ３２がクランプされる。したがって、本発明に係る熱交換器１の組み立ての間に、サイド部１２は、そのラグ３２によりベースの凹部３１に圧入され、突起３３を横方向へ移動させる。ここで、ラグ３２をベース８に配置することと、対応する凹部３１をサイド部１２に配置することが考えられることは自明である。

一般に、本発明に係る熱交換器と、そのフレーム部１５，サイド部１２，ベース部８及びボックス部９により、高い能力を発揮するだけでなく同時に最適化された質量の熱交換器１を実現することができ、その理由は、上記熱交換器が、これまでの熱交換器と比較して、極度に重いプラスチックハウジングを必要としないためである。このタイプの重いプラスチックハウジングは、作用圧力に問題なく対応することを可能にするために必要であった。

本発明に係る熱交換器１は内燃機関３４に用いられ、特にこの場合は給気冷却器として用いられる。ここで、熱交換器１のサイド部１２は、フレッシュエアー系統３５の外壁を形成することができる。一般に、フレッシュエアー系統３５は、熱交換器１の上流側に配置された第１管路系統２７と、熱交換器１の下流側に配置された第２管路系統２８とを有している。熱交換器１は、管路系統２７，２８の少なくとも１つに、フレーム部１５によって機械的及び流体的に接続されている。

この場合には、第１または第２管路系統２７，２８は、図１に示すようにディフューザー２９を有し、ディフューザーの外側エッジ３０は熱交換器１のフレーム部１５の第２レセプタクルに支持され、例えばクリンプ結合によって保持されている。ディフューザー２９の一方側とフレーム部１５の他方側の間の結合部をシールするために、さらにシール部３６（図１，２及び４も参照）を設けることができる。

以上説明したように、本発明は、特に内燃機関用の間接給気冷却器である熱交換器と、この給気冷却器を有する内燃機関について有用である。

1 熱交換器
2 パイプ
3 第１管路系統
4 第２管路系統
5 第１の流れ方向
6 第２の流れ方向
7 コレクター
8 ベース部
9 ボックス部
10 コレクティングチャンバー
11 開口
12 サイド部
14 第１接触面
15 フレーム部
16 外側エッジ
17 外側エッジ
18 外側エッジ
19 縦方向サイド
20 横方向サイド
21 第１レセプタクル
22 第２レセプタクル
23 ラグ
24 熱交換エレメント
25 フリーバイパス部
26 カラー部
27 第１管路系統
28 第２管路系統
29 ディフューザー
31 凹部
32 ラグ
33 側方突起
34 内燃機関
35 フレッシュエアー系統

Claims (13)

1. 第１流体が第１の流れ方向（5）へ流れる第１管路系統（3）を形成する複数のパイプ（2）を有し、
   上記パイプ（2）の間に、第１管路系統（3）から流体的に分離され、第２流体が第２の流れ方向（6）へ流れるように第２管路系統（4）が形成され、
   第２管路系統（4）から流体的に分離された２つのコレクター（7）を有し、その少なくとも１つがコレクター（7）のコレクティングチャンバー（10）を区画するベース部（8）とボックス部（9）とを有し、コレクティングチャンバー（10）が上記パイプ（2）の少なくとも１つに接続され、
   各ベース部（8）は、上記パイプ（2）が、対応するコレクティングチャンバー（10）が第２管路系統（4）から流体的に分離されるように接続される開口（11）を有し、
   第２管路系統（4）の流体の限界設定のための、反対側に位置する２つのサイド部（12）を有し、該サイド部の間に上記パイプ（2）が配置され、
   特に内燃機関（34）の間接給気冷却器である熱交換器（1）であって、
   上記ベース部（8）の少なくとも１つが対応するサイド部（12）へ同一面で移行し、
   少なくとも１つのボックス部（9）が少なくとも１つのサイド部（12）に対して第１接触面（14）で支持され、
   ボックス部（9）とサイド部（12）が上記第１接触面（14）によって互いに密着接合され、
   サイド部（12）の各外側エッジ（16）に、ベース部（8）の各外側エッジ（17）に、そしてボックス部（9）の各外側エッジ（18）に、不確実なロック及び／または密着形態である例えば圧入後にロウ付けすることにより接合される少なくとも１つのフレーム部（15）を有している
   ことを特徴とする熱交換器。
2. 請求項１において、
   少なくとも１つのサイド部（12）の少なくとも１つの外側エッジ（16）が、屈曲したラグ（23）を補強として有し、それによって上記サイド部（12）が上記フレーム部（15）に連結され、または、
   上記熱交換器（1）は、上記サイド部（12）の各外側エッジ（16）に、上記ベース部（8）の各外側エッジ（17）に、及び上記ボックス部（9）の各外側エッジ（18）に、密着接合される少なくとも１つのフレーム部（15）を有する
   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、
   上記フレーム部（15）が、上記サイド部（12）の各外側エッジ（16）に、上記ベース部（8）の各外側エッジ（17）に、そして上記ボックス部（9）の各外側エッジ（18）に、圧接結合により接続されている
   ことを特徴とする熱交換器。
4. 請求項１から３の何れか１つにおいて、
   上記フレーム部（15）が、２つの縦方向サイド（19）と２つの横方向サイド（20）からなる閉じた四角形のフレームの形状であり、
   各縦方向サイド（19）が、サイド部（12）の対応する外側エッジ（16）に接続され、各横方向サイド（20）が上記ベース部（8）とボックス部（9）の対応する外側エッジ（17）に接続されている
   ことを特徴とする熱交換器。
5. 請求項１から４の何れか１つにおいて、
   上記フレーム部（15）が、第１レセプタクル（21）と該第１レセプタクルと反対側に開放された第２レセプタクル（22）とを有するＳ形の断面を有し、少なくとも１つのサイド部（12）、ベース部（8）またはボックス部（9）の外側エッジ（16）が第１レセプタクル（21）に支持されている
   ことを特徴とする熱交換器。
6. 請求項１から５のいずれか１つにおいて、
   第２管路系統（4）には、少なくとも１つのパイプ（2）と熱交換するように接触する、特にフィン構造の熱交換エレメント（24）が配置され、及び／または、
   特にフィン構造の熱交換エレメント（24）が、少なくとも１つの上記サイド部（12）と少なくとも１つの隣り合うパイプ（2）の間に配置されている
   ことを特徴とする熱交換器。
7. 請求項６において、
   少なくとも１つの熱交換エレメント（24）が少なくとも１つのパイプ（2）にロウ付けされている
   ことを特徴とする熱交換器。
8. 請求項６または７において、
   少なくとも１つの熱交換エレメント（24）が、第２管路系統（4）のエッジにフリーバイパス部（25）が形成されるように、少なくとも１つのベース部（8）から離れて配置され、
   上記フレーム部（15）が、上記フリーバイパス部（25）を通る第２流体のバイパス流れを少なくするために、上記フリーバイパス部（25）を少なくとも部分的にカバーする突出したカラー部（26）を有している
   ことを特徴とする熱交換器。
9. 請求項１から８の何れか１つにおいて、
   少なくとも１つのベース部（8）が直線状の第２接触面（13）により上記サイド部（12）に支持され、
   上記直線状の第２接触面（13）が上記サイド部のラグ（32）により形成され、該ラグが上記ベースの凹部（31）に係合し、
   上記凹部（31）が２つの側方突起（33）を有し、その間で上記ラグ（32）が上記凹部（31）にクランプされている
   ことを特徴とする熱交換器。
10. 給気冷却器の形態の請求項１から９の何れか１つの熱交換器（1）を有する内燃機関（34）。
11. 請求項１０において、
    上記熱交換器（1）のサイド部（12）がフレッシュエアー系統（35）の外壁を形成している
    ことを特徴とする熱交換器。
12. 請求項１１において、
    上記フレッシュエアー系統（35）が上記熱交換器（1）の上流側に配置された第１管路系統（27）と上記熱交換器の下流側に配置された第２管路系統（28）とを有し、上記熱交換器（1）が少なくとも１つの管路系統（27,28）に上記タイプのフレーム部（15）により機械的に及び流体的に接続されている
    ことを特徴とする内燃機関。
13. 請求項１２において、
    上記第１または第２管路系統（27,28）は、外側エッジ（30）が上記熱交換器（1）のフレーム部（15）の第２レセプタクル（22）に受容されるディフューザー（29）を有する
    ことを特徴とする内燃機関。
    

Images