JP2017528678A - プレート積層型熱交換器 - Google Patents

Abstract

本発明は、高温クーラント回路（ＨＴ）及び低温クーラント回路（ＮＴ）を有し、互いに積み重ねられた熱交換器プレート（２）を有する、プレート積層型熱交換器（１）、特にインタークーラに関する。前記高温クーラント回路（ＨＴ）及び前記低温クーラント回路（ＮＴ）において異なる温度レベルを有する２つのクーラント（３，４）が、前記熱交換器プレート（２）を通って、一方の側を流れ、冷却されるべき媒体（５）、特に給気が、もう一方の側を流れる。前記熱交換器プレート（２）は、前記高温クーラント回路（ＨＴ）と前記低温クーラント回路（ＮＴ）とを分離するためのエンボス加工されたパーティション（６）を有することが、本発明には不可欠である。

Description

本発明は、高温クーラント回路及び低温クーラント回路を有するプレート積層型熱交換器、特にインタークーラに関する。

現代の自動車において、絶えず増加する冷却への要望は、例えば中間冷却の分野では、満たされる必要があり、その結果として、冷却及び空気調和システムへの要求が絶えず増加する。熱源及びヒートシンクを活用することによって、この場合における高度な利用、更に、燃料消費の削減がもたらされ得る。現時点では、この場合の中間冷却用に販売されている中間冷却システムは、単段として構成されるプレート積層型熱交換器を有することが多い。しかし、単段の温度制御で達成され得る効率は限られている。特にクーラント、冷媒、オイル、廃ガス又は給気のような冷却流体のための、冷却回路の性能を向上させるために、流体を２つの段にわたって冷却又は加熱することが、よって場合によっては適切である。しかし、２段温度制御の不利な点は、従来から連続して接続された２つの熱交換器は、非常にコストが高く、設置に要する空間が大きいということが関連付けられている、ということである。

互いに積み重ねられ、互いに接続、例えば半田付けされた、複数の伸長されたプレートを有するプレート積層型熱交換器、特にインタークーラが、DE 10 2005 044 291 A1から知られている。プレートは、例えば給気のような冷却されるべき媒体をプレートの長手方向に案内する空洞とクーラントを案内する更なる空洞とを区切り、プレートはそれぞれ、冷却されるべき媒体用の入口の接続及び出口の接続を有する。一方では低コストで製造可能であり、他方では高温での長寿命を有する、プレート積層型熱交換器の提供を可能にするために、少なくとも１つのクーラント接続が、冷却されるべき媒体用の接続の周囲に部分的に伸びる。

本発明は、汎用型のプレート積層型熱交換器の改良された実施形態を提供する問題に関し、これは冷却されるべき媒体の２段温度制御を、同時にコンパクトな設計で可能にする。

この問題は、本発明によると独立請求項１の主題によって解決される。有利な実施形態は、従属請求項の主題である。

本発明は、プレート積層型熱交換器の個々の熱交換器プレートにおいてエンボス加工されたパーティションを提供するという全般的な思想に基づいている。それは、同時に熱交換器プレートとともに形作られ又は形成され、高温クーラント回路と低温クーラント回路とを互いに分離するが同時にこれらの２つの回路が共通のプレート積層型熱交換器内を通ることを可能にする役割を果たす。本発明によるプレート積層型熱交換器は、インタークーラとして構成され得るが、これによって前記高温クーラント回路及び前述の低温クーラント回路を有する。一方の側において高温クーラント回路及び低温クーラント回路内の異なる温度レベルを有する２つのクーラント、及び、もう一方の側における冷却されるべき媒体、特に給気が、互いに積み重ねられた熱交換器プレートを流れる。本発明によるプレート積層型熱交換器によって、２段温度制御を単一のプレート積層型熱交換器に結合し、よって非常にコンパクトな解決策を実現することが初めて可能になる。

好都合なことに、プレート積層型熱交換器は、向流冷却器として構成されている。向流冷却器においては、クーラントと冷却されるべき媒体とは互いに反対方向に流れる。それによって、特に効率の高い冷却が実現され得る。向流の原理での冷却の場合、冷却効果は、流れる方向が同じ場合より概して大きい。

好都合なことに、熱交換器プレートは、円周方向に配置されたエッジを有し、それによって隣接する、特にその上又はその下に配置された、熱交換器プレートに半田付けされる。パーティションは、各場合おいて、長手方向の端部の側面においてエッジに接続される。パーティションは、よって、それぞれの熱交換器プレートを通って横断する方向に伸びており、一方の端部のエッジ、及び他方の端部の反対側のエッジに接続される。そのような熱交換器プレートは、通常、矩形の形状を有し、しかしその狭い辺は半円状に丸みを持っている。パーティションは、好ましくは中央に伸びるが、その熱交換器プレートの長手方向における低温クーラント回路及び高温クーラント回路の必要な冷却能力に従って、任意にずらされ得る。この手段によって、２つの回路の冷却能力が調整され得る。パーティションの配置は、打ち抜き加工具において分離ウェブの対応する位置決めによって、この場合は比較的簡単に調整され得る。

本発明による解決策の有利な更なる発展によると、パーティションのエッジへの接続の領域において、クーラント入口及び／又はクーラント出口を備える。通常、各熱交換器プレートの２つの半円状に丸められた長手方向の端部領域は、冷却されるべき媒体用の同様の半円形の開口を有する。一方の開口は入口の開口として構成され、他方の開口は出口の開口として構成される。この場合、クーラント流路は、それぞれの入口又は出口の開口の周囲に円環の部分のように配置される。冷却されるべき媒体は、ここでプレート積層型熱交換器を通って流れ、それによって最初に入口の開口（媒体入口）を通って入り、反対の端部において再び９０度曲げられるようにするために熱交換器プレートを長手方向に流れ、出口の開口（媒体出口）を経由して取り出され得る。しかし、熱交換に必要なクーラントは、例えば低温回路を、円環の部分の形状に配置されたクーラント入口を経由して流れ、パーティションの領域に配置された２つのクーラント出口を経由して再び流れ出る。高温回路においては、クーラントは、パーティションの領域に配置された２つのクーラント入口を経由して流れ込み、熱交換器プレートを通り、円環の部分の形状に配置されたクーラント出口を経由して再び流れ出る。２つの回路におけるクーラントの流れの方向は、この場合、向流の原理を実現することができるようにするために、冷却されるべき媒体、例えば給気の流れとは反対である。

クーラント入口及び／又はクーラント出口は、三角の断面を有し得、それらの辺は、パーティション及びエッジに平行に揃えられている。もちろん、クーラント入口又はクーラント出口の断面の特に好ましい実施形態においては、直角三角形が形成され、それによってそれぞれのクーラント入口又はクーラント出口の２つの短辺がパーティション又はエッジに平行に走る。クーラント入口又はクーラント出口のそのような断面は、対応する打ち抜き加工具を用いて比較的簡単に製造され得る。それによって、断面のコーナーの領域は、特にノッチ効果を低減するためにもちろん丸められる。三角形のクーラント入口又はクーラント出口のそれぞれの辺がパーティションに沿ってどの程度伸びているかに応じて、給気又は冷却されるべき媒体の連続断面積（durchgaengigen Querschnitt）が影響され得る。パーティションに沿って伸びるクーラント入口又はクーラント出口の辺の長さが短いほど、冷却されるべき媒体（給気）の連続断面積が大きくなり、その結果、給気側において圧力損失をより小さくすることが実現され得る。もちろん、高温側におけるパーティションに沿ったクーラント入口又はクーラント出口の辺の長さは、低温側におけるより大きくなり得る。その結果、最適な給気分配及び能力の増加が低温側において実現され得る。

本発明のより重要な特徴及び有利な点は、従属請求項から、図面から、及び図の該当する説明から、図面を参照することによって得られる。

上述の特徴及び以下において説明される特徴は、本発明の範囲を逸脱することなく、各場合において与えられた組合せのみではなく他の組合せ、又は単独でも、使用され得る。

本発明の好ましい例示的な実施形態が、図面に示され、以下の明細書において詳細に説明される。同一の参照番号は、同一、類似又は機能的に同一の構成要素と関係する。
図１は、本発明によるプレート積層型熱交換器を通る断面図を示す。 図２は、プレート積層型熱交換器の熱交換器プレートの図を示す。 図３は、２つの隣接する熱交換器のクーラント入口又はクーラント出口の詳細図を示す。 図４は、図２と同様の、ただし冷却されるべき媒体の面における図を示す。 ａ）〜ｄ）は、さまざまに規定された、パーティションの領域に配置されたクーラント入口又はクーラント出口の断面図を示す。 ａ）〜ｃ）は、本発明によるプレート積層型熱交換器における給気流の種々の相互接続を示す。ｄ）〜ｅ）は、本発明によるプレート積層型熱交換器におけるクーラント流の種々の相互接続を示す。

図１によると、本発明によるプレート積層型熱交換器１は、例えばインタークーラとして構成されるのであるが、それを通って異なる温度レベルを有する２つのクーラント３，４が流れる、互いに積み重ねられた熱交換器プレート２を有する、高温クーラント回路ＨＴ及び低温クーラント回路ＮＴを備える。クーラント３が、クーラント４と比べてより高い温度レベルで高温クーラント回路ＨＴを流れるのに対して、クーラント４は、非常に低い温度レベルで低温クーラント回路ＮＴを流れる。プレート積層型熱交換器１が向流の原理で動作するように、本発明によるプレート積層型熱交換器１は、反対の向きに、それを流れる冷却されるべき媒体５、例えば給気（Ladeluft）、を有する。

いま、高温クーラント回路ＨＴを低温クーラント回路ＮＴから効果的に分離し、同時に両方の回路ＨＴ及びＮＴを同一のプレート積層型熱交換器１に収容するために、熱交換器プレート２は、高温クーラント回路ＨＴを低温クーラント回路ＮＴから分離する、エンボス加工された（gepraegte）パーティション６を有する（図２〜６を比較されたい）。

更に、全ての熱交換器プレート２は、円周方向に配置されたエッジ７を有し、それによって例えばその上又は下に配置された隣接する熱交換器プレート２に半田付けされ、パーティション６は、各場合において長手方向の端部の側面でエッジ７に接続されている。図２〜５ｂ，５ｄ，６の実施形態による例のために示されているように、パーティション６は、この場合、エッジ７に直角に交わり得る。これに代えて、図５ｃによる例のために示されているように、パーティション６がエッジ７に鋭角で交わるということも考えられる。

パーティション６がエッジ７に接続する領域において、１つのクーラント入口８及び／又はクーラント出口９が配置される。図１〜５ｃの実施形態によると、クーラント入口８又はクーラント出口９は、三角の、すなわち三角形状の断面を有し、それらの、パーティション６に平行な辺Ｙ（図５ａ〜５ｃ）、及びそれらの、エッジ７に平行な辺Ｘに、揃えられている。パーティション６に平行に揃えられた、三角のクーラント入口８又はクーラント出口９の辺Ｙは、エッジ７に平行に揃えられたそれらの辺Ｘより長い又は短い。三角のクーラント入口８又は三角のクーラント出口９の両方の辺Ｘ，Ｙが同じ長さであるということも、もちろん考えられ得る。これと比較して、図５ｄによるエッジ７は、パーティション６の領域で外に向かって湾曲しており、クーラント入口８及びクーラント出口９は、ほぼ円の一部のような断面を有し、外に向かってオフセットを有している。

本発明によるプレート積層型熱交換器１を通る流れが、以下でより詳細に説明される。

図１によると、冷却されるべき媒体５、例えば給気は、媒体入口１０から熱交換器プレート２を通って媒体出口１１まで、実質的にＵ形に、プレート積層型熱交換器１を流れる。低温クーラント回路ＮＴ及び高温クーラント回路ＨＴでは、反対向きに流れる。クーラント４は、この場合、最初は、クーラント入口８’を経由して、パーティション６の領域内に位置するクーラント出口９まで、熱交換器プレート２の約半分にわたって流れる。２つのクーラント出口９がパーティション６に配置され（比較される図２）、これに対してクーラント入口８’は、媒体出口１１の周囲で円環の部分の形状に配置されている。クーラント入口８を経由して、クーラント３は、パーティション６の後、高温クーラント回路ＨＴを通って同様に熱交換器プレート２の約半分を通り、媒体入口１０の周囲で円環の部分の様式で連なるクーラント出口９’まで流れる。

図１〜６による実施形態において、パーティション６はほぼ中央にあるが、高温クーラント回路ＨＴの方向にわずかにずれており、その結果、高温クーラント回路ＨＴでは、冷却されるべき媒体５とクーラント３との間の伝熱接触がより短い。伝熱を向上させるために、乱流インサート１２がもちろん設けられ得る。パーティション６をずらすことは、熱交換器プレート２を製造するための関連する打ち抜き加工具において、対応する分離ウェブを簡単に変形又は移動させることによって、実現され得る。伝熱を向上させるために、ウィングレット又は波形リブ構造も、もちろん使用され得る。

図５ａを考察するならば、エッジ７に平行に伸びている辺Ｘは、パーティション６に平行に延びているクーラント出口９の辺Ｙより長くなるように構成され、その結果、給気に利用可能な伝導断面の幅Ｚが大きくなり、よって給気側からの圧力損失が減少し得る、ということが確認され得る。

これと比べて、図５ｂによるクーラント出口９では、パーティション６に平行な辺Ｙの辺長がかなり縮められており、これに対して、高温側、すなわち、高温クーラント回路ＨＴにあるクーラント入口８は、これに比べて長い辺Ｙを有する。この結果、低温側ＮＴにおいて、冷却されるべき媒体５、すなわち、給気に対して、利用可能な流れ断面の幅Ｚをより広くすることができ、その結果、低温側ＮＴにおける流量が高温側ＨＴと比べて減少し得、低温側の冷却能力が増加し得る。

図５ｃは、鋭角でエッジ７と交わるパーティション６を示し、パーティション６は曲がるように構成されている。クーラント９は、それによって低温側ＮＴの方向にずらされている。パーティション６が曲がっている結果、同じ断面に対して、より大きな利用可能な流れ断面（より大きな幅Ｚ）が、冷却されるべき媒体５、すなわち、給気に与えられうる。その結果、より低い圧力損失が、給気側で達成され得る。

図５ｄによる熱交換器プレート２の場合、クーラント入口８及びクーラント出口９が外側に移動しており、その結果、熱交換器プレート２の幅全体（幅＝Ｚ）が、冷却されるべき媒体５、すなわち、給気に利用可能である。この場合、熱交換器プレート２のエッジ７がパーティション６の領域で外側に向かって曲がっており、クーラント入口８及びクーラント出口９は、ほぼ円の一部の形状の断面を有する。この手段により、給気側において、圧力損失をできるだけ小さくすることが達成され得る。

図６ａ〜６ｃによると、給気側、すなわち、冷却されるべき媒体５の流路において、可能な相互接続（回路、Verschaltungen）が示されている。示されている変形例は、もちろん鏡像であってもよい。図６ａによると、プレート積層型熱交換器１は、冷却されるべき媒体５、例えば、給気が、それをＵ形に通って流れるように構成されている。図６ｂによるとこれがＺ形に行われ、これに対して、図６ｃによるとそれは二重Ｕ形に行われる。

図６ｄ〜６ｆは、クーラント側、すなわち、２つのクーラント流３，４の可能な相互接続を示す。この場合において、鏡像となる変形例も、もちろん実現可能である。図６ｄによると、クーラント４が低温側ＮＴを通ってＵ形に流れるのと同様に、高温クーラント回路ＨＴを通るクーラント３の流れは、Ｕ形に起こる。同様に、これは、図６ｅによるＺ形、又は図６ｆによる二重Ｕ形に起こる。給気側及びクーラント側の図示された変形例は、もちろん互いに任意に組み合わされ得る。純粋に理論的な直流の変形例（図示せず）も実現可能である。

本発明によるプレート積層型熱交換器１があれば、コンパクトな２段の熱交換器が提供され得る。一方では設置スペースにおいて有利であること、他方では最適な冷却が、実現され得る。

Claims (10)

1. プレート積層型熱交換器（１）、特にインタークーラであって、
   高温クーラント回路（ＨＴ）及び低温クーラント回路（ＮＴ）を有し、
   互いに積み重ねられた熱交換器プレート（２）を有し、
   前記高温クーラント回路（ＨＴ）及び前記低温クーラント回路（ＮＴ）において異なる温度レベルを有する２つのクーラント（３，４）が、前記熱交換器プレート（２）を通って、一方の側を流れ、冷却されるべき媒体（５）、特に給気が、もう一方の側を流れ、
   前記熱交換器プレート（２）は、前記高温クーラント回路（ＨＴ）と前記低温クーラント回路（ＮＴ）とを分離するためのエンボス加工されたパーティション（６）を有する
   ことを特徴とするプレート積層型熱交換器。
2. 前記プレート積層型熱交換器（１）は、向流冷却器として構成されている
   ことを特徴とする請求項１のプレート積層型熱交換器。
3. 前記熱交換器プレート（２）は、円周方向に配置されたエッジ（７）を有し、それによって隣接する熱交換器プレート（２）に半田付けされ、前記パーティション（６）は、各場合において長手方向の端部の側面でエッジ（７）に接続される
   ことを特徴とする請求項１又は２のプレート積層型熱交換器。
4. 前記パーティション（６）が、前記エッジ（７）に、直角に又は鋭角で交わる
   ことを特徴とする請求項３のプレート積層型熱交換器。
5. 前記パーティション（６）が前記エッジ（７）に接続される領域において、少なくとも１つのクーラント入口（８）又はクーラント出口（９）が配置される
   ことを特徴とする請求項３又は４のプレート積層型熱交換器。
6. 前記クーラント入口（８）及び／又は前記クーラント出口（９）は、三角の断面を有し、それらの、前記パーティション（６）に平行な辺（Ｙ）、及びそれらの、前記エッジ（７）に平行な辺（Ｘ）に、揃えられている
   ことを特徴とする請求項５のプレート積層型熱交換器。
7. 前記パーティション（６）に平行に揃えられた、三角の前記クーラント入口（８）若しくはクーラント出口（９）の辺（Ｙ）は、前記エッジ（７）に平行に揃えられた、三角の前記クーラント入口（８）若しくはクーラント出口（９）の辺（Ｘ）より長い若しくは短い、又は、
   三角の前記クーラント入口（８）若しくはクーラント出口（９）の両方の辺（Ｘ，Ｙ）が同じ長さである
   ことを特徴とする請求項６のプレート積層型熱交換器。
8. 前記熱交換器プレート（２）の前記エッジ（７）は、前記パーティション（６）の領域で外に向かって湾曲しており、前記クーラント入口（８）及び／又は前記クーラント出口（９）は、ほぼ円の一部のような断面を少なくとも有する
   ことを特徴とする請求項５のプレート積層型熱交換器。
9. 前記プレート積層型熱交換器（１）は、それをＵ形、Ｚ形、又は二重Ｕ形に流れる冷却されるべき媒体（５）、例えば給気、を有するように、構成されている
   ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項のプレート積層型熱交換器。
10. 前記クーラント（３）が前記高温クーラント回路（ＨＴ）をＵ形、Ｚ形、又は二重Ｕ形に流れるように、前記プレート積層型熱交換器（１）が構成され、
    前記クーラント（４）が前記低温クーラント回路（ＮＴ）をＵ形、Ｚ形、又は二重Ｕ形に流れるように、前記プレート積層型熱交換器（１）が構成される
    ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項のプレート積層型熱交換器。

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