JP2020502468A - 熱交換器用のヘッダーおよび熱交換器 - Google Patents

熱交換器用のヘッダーおよび熱交換器 Download PDF

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Abstract

本開示は、熱交換器(1)に接続されるか、またはその一部として形成されたヘッダー(30)に関する。熱交換器(1)は、第1の流体用の複数の別個のチャネル(Bij)および第2の流体用の複数の別個のチャネル(Cij)を備えた熱交換器本体(10)を有する。ヘッダー(30)は、丸い構成を有する第1の端部(31)と、複数の別個のチャネル(Bij)を備える第2の端部(32)と、を有する。ヘッダー(30)は、円形パイプの1つまたは複数の内部チャネルを、第2の端部(32)において複数の別個のチャネル(Bij)に分ける複数の仕切り(33)を備える。仕切り(33)のうちの少なくともいくつかは、第2の端部(32)から第1の端部(31)まで延び、第1の端部(31)において複数のチャネル開口部(Aij)を画定する。本開示は、熱交換器にも関する。

Description

本発明は、第1の流体用の複数の別個のチャネルおよび第2の流体用の複数の別個のチャネルを備えた熱交換器本体を有する熱交換器用のヘッダーに関する。
本発明はまた、第1の流体用の複数の別個のチャネルおよび第2の流体用の複数の別個のチャネルを備えた中央の熱交換器本体と、ヘッダーと、を含む、熱交換器に関する。
熱交換器を設計する際、一般的に考慮に入れる必要があるいくつかの問題がある。2つの流体間の壁の表面積をできる限り大きくして、比較的熱い流体と比較的冷たい流体との間の熱接触を最大化することが、典型的には望ましい。流れ抵抗もしくは圧力損失を最小限に抑えるか、または、少なくとも過度の流れ抵抗もしくは圧力損失を避けることも、典型的には望ましい。熱交換器のサイズをできるだけ小さく維持することも典型的には望ましい。熱交換器に使用される材料の重量、コスト、および/または量を最小限に維持することも典型的には望ましい。1つの問題に対する解決策が、1つまたは複数の他の問題に対しても有用となることがあり、これらの解決策が矛盾することがあり、それぞれの問題に対する解決策のバランスをとる必要がある。
米国特許第7,285,153号は、多チャネル一体構造に2つのガスを出入りさせて供給するための装置を開示している。この装置では、ガスは、複数の直立に立った層状プレートで形成されたマニホールドによって一体構造の出口および入口において分けられる。層状プレート間の細長いそれぞれの容積は、一体構造のチャネルのラインと整列する。一体構造をライン構成で使用する場合、すなわち、異なるガス用のチャネルが互いに横に並んで延びて交互ラインを形成する状態で、層状プレートで形成されたマニホールドは、一体構造に直接接続される。一体構造を格子縞構成で使用する場合、すなわち、異なるガス用のチャネルが格子縞パターンで互いに横に並んで延びる状態で、マニホールドと一体構造との間に設けられた分配器プレートがある。分配器プレートは、マニホールド内のそれぞれの容積が意図する組のチャネルと連絡することを可能にする、穴パターンを有する。
米国特許第8,196,647号は、多チャネル一体構造のチャネルに2つの流体を出入りさせて分配するための装置を開示し、チャネル開口が、一体構造の断面積全体にわたって広がっている。装置は、マニホールドヘッドと、1つまたは複数のモノリス構造と、からなる。マニホールドヘッドは、複数の直立に立った層状プレートで形成されている。層状プレート間の細長いそれぞれの容積は、入口/出口が形成された中央部分を有する。層状プレートのマニホールドとモノリス構造との間に、異なる穴パターンをそれぞれが有する4つのプレートが設けられる。穴パターンは、円形の穴および長い穴の両方で形成されている。穴パターンは、マニホールドから一体構造にわたって流体を分配することが意図されている。
国際公開第2013/163398号パンフレットは、外部および内部格子構造などの、増強された熱交換特徴部の製造のための付加製造によって作製された熱交換チューブを開示する。しかしながら、これは、チューブの表面積に放散する熱を最大化させることに関する。
例えば米国特許第7,285,153号および米国特許第8,196,647号に見られるような、モノリス構造に多数のチャネルを使用することの1つの利点は、高加圧流体を使用することが可能なことである。チャネルは非常に小さいので、圧力は、チャネル壁の小さい面積により、チャネル壁に限られた力を及ぼすに過ぎず、これにより、限られた壁厚を用いて壁を作製することができる。しかしながら、先行技術文献のいずれも、容認しがたいほど高い圧力損失なしで、配管システムからモノリス構造への移行を提供する方法に関する解決策を提供していない。
米国特許第7,285,153号 米国特許第8,196,647号 国際公開第2013/163398号パンフレット
本発明の目的は、配管システムから、第1の流体用の複数の別個のチャネルおよび第2の流体用の複数の別個のチャネルを備えた熱交換器本体を有する熱交換器への移行を提供することである。
この目的は、熱交換器に接続され、その一部を形成するか、またはその一部として一体的に形成されるように構成されたヘッダーによって達成されており、熱交換器は、第1の流体用の複数の別個のチャネルおよび第2の流体用の複数の別個のチャネルを備えた熱交換器本体を有し、ヘッダーは、
円形パイプに接続され、熱交換器への入口、または熱交換器からの出口を形成するように構成されている、丸い構成を有する第1の端部と、
熱交換器本体に接続されるか、またはこれと一体的に形成されるように構成され、かつ熱交換器本体内の第1の流体用の複数の別個のチャネルに対応する複数の別個のチャネルを備えている、第2の端部と、を有し、
ヘッダーは、円形パイプの1つまたは複数の内部チャネルを第2の端部における複数の別個のチャネルに分ける複数の仕切りを備え、
仕切りは、第2の端部から、第1の端部まで、またはこれに向かって延び、
仕切りのうちの少なくともいくつかは、第2の端部から第1の端部まで延び、第1の端部に複数のチャネル開口部を画定し、チャネル開口部は、一緒になって、第1の端部の丸い構成を形成する。
この目的はまた、熱交換器に接続され、その一部を形成するか、またはその一部として一体的に形成されるように構成されたヘッダーによって達成されており、熱交換器は、第1の流体用の複数の別個のチャネルおよび第2の流体用の複数の別個のチャネルを備えた熱交換器本体を有し、ヘッダーは、
円形パイプに接続され、熱交換器への入口、または熱交換器からの出口を形成するように構成されている、丸い構成を有する第1の端部と、
熱交換器本体に接続されるか、またはこれと一体的に形成されるように構成され、複数の別個のチャネルを備えている、第2の端部と、を有し、ヘッダーの第2の端部における各別個のチャネルは、熱交換器本体内の第1の流体用の複数の別個のチャネルのうちの1つの別個のチャネルに個別に接続されるか、またはこれと一体的に形成されるように構成され、
ヘッダーは、円形パイプの1つまたは複数の内部チャネルを第2の端部における複数の別個のチャネルに分ける複数の仕切りを備え、
仕切りは、第2の端部から、第1の端部まで、またはこれに向かって延び、
仕切りのうちの少なくともいくつかは、第2の端部から第1の端部まで延び、第1の端部に複数のチャネル開口部を画定し、チャネル開口部は、一緒になって、第1の端部の丸い構成を形成する。
チャネルは、1つの別個のチャネルともう1つの別個のチャネルとの間に流体の機能的な流れがない点で隣接したチャネルから分離すると、別個のチャネルと考えるのが好ましい。
この種のヘッダーでは、円形パイプから流れる流体の流れは、最低限の流れ抵抗で、熱交換器本体の別個のチャネルのうちのそれぞれに特化した複数の平行な流れへと変形され、または逆も同様である。これは、例えば、別個のチャネルがチャネルの矩形格子として配列された熱交換器に接続されるように円形パイプが構成される状況で有用であるが、これらに制限されない。
仕切りは、第2の端部から第1の端部まで、またはこれに向かって延びる。必ずしもすべてではないが、いくつかの仕切りが、第2の端部から第1の端部まで延びる。第1の端部まで延びるそれらの仕切りは、第1の端部において複数のチャネル開口部を画定し、チャネル開口部は、一緒になって第1の端部の丸い構成を形成する。
好適な実施形態は、従属請求項および説明に記載される。
仕切りの少なくともサブセットは、チャネル開口部を横切る断面において、第1の端部の丸い構成にわたる曲線に沿って、延びることができる。このように、多数のチャネル開口部を提供し、依然としてそれぞれのチャネル開口部の本質的に同じ断面積を有することが可能である。それぞれのチャネル開口部の本質的に同じ断面積を有することによって、流れは、複数の本質的に等しい流れに分けられる。これは、典型的には、熱交換器において均一な圧力および熱交換を達成することに関して言うと、有益である。
任意の上流チャネルは、第1の端部から第2の端部まで延びる主要方向に見ると、その主要方向において1つまたは複数の下流チャネルに一意的に接続され得る。
この制約は、仕切りが第2の端部から第1の端部まで延びる場合、および仕切りのうちのいくつかが第1の端部まで延び、いくつかの仕切りが第1の端部と第2の端部との間の1つまたは複数の位置まで延びる場合の両方に関して言えば、適用可能である。一意的な接続は、少なくとも第2の端部における別個のチャネルを提供するので、有利である。
主要方向という表現は、主にヘッダーの第1の端部から第2の端部まで延びる方向へのラベルとして理解される。主要方向は、直線的であってよく、複数の互いに角度をなした直線的部分で形成され得るか、または、湾曲していてよい。主要方向は、実際には、ラインと考えられ得、そのラインに沿って、またはそのラインとは逆に、ヘッダーを通る流れが主に方向付けられる。
仕切りは、第2の端部から第1の端部まで延びることができる。これは、仕切りのすべてまたは少なくとも本質的にすべてが第2の端部から第1の端部まで延びるものとして表現され得る。仕切りの少なくとも80%、好ましくは少なくとも90%、さらに好ましくは100%が第2の端部から第1の端部まで延びるものとして表現されてもよい。これにより、別個のチャネル内への流れの制御された分割が可能になる。また、ヘッダーの全長が、第1の端部における丸い構成から、第2の端部における所望の構成へと、構成を変化させるのに使用され得る、小型のデザインが可能になる。
第1の端部に形成されたチャネル開口部はそれぞれ、ヘッダーを通って延びる別個のチャネルと一意的に関連付けられ得る。これによって、それぞれのチャネルの形状およびサイズを設計することにより各チャネルの流れを一意的に制御することが可能である。
ヘッダーを通って延びる別個のチャネルは、ヘッダーの第2の端部における複数の別個のチャネルを形成し得る。これによって、それぞれのチャネルを通る流れがヘッダーから熱交換器へと、しっかりかつ一意的に移動する。
一実施形態では、いくつかの仕切りは、第2の端部から第1の端部まで延び、いくつかの仕切りは、第2の端部から、第2の端部と第1の端部との間の1つまたは複数の位置まで延びる。これによって、第1の端部におけるチャネル開口部と関連付けられるチャネルが、第1の端部から第2の端部まで延びる主要方向で見られるように、連続して分割され、ヘッダーの第2の端部における複数の別個のチャネルを形成する、より多数のチャネルになるように、ヘッダーを設計することが可能であるが、必須ではない。第2の端部から第1の端部まで延びるいくつかの仕切り、および第2の端部から、第2の端部と第1の端部との間の1つまたは複数の位置まで延びるいくつかの仕切りを有することによって、流体の流れが、別個のチャネルにさらに分けられる前に圧力または流れの差を一定にさせることが可能となる。
ヘッダーの第2の端部における複数のチャネルは、複数のチャネルを横切る断面において、複数のチャネルが複数の群に細分されるので、ライン構成で構成され得、各群は、第1の方向に沿って第2の端部の断面にわたって延びるラインに沿って配列された複数のチャネルを含む。チャネルをこのようなライン構成に細分することによって、後続の移行部分において、熱交換器の主要本体の内側でライン構成を格子縞構成に変化させることが可能である。
隣り合うラインは、第1の流体用のライン構成の複数のチャネルを第2の流体用のライン構成の複数のチャネルと絡み合わせる空間を提供するように構成された距離だけ、第1の方向に対して横方向の第2の方向に沿って隔てられ得る。第2の流体のこれらのライン構成の複数のチャネルは、好ましくは、別のヘッダーによって構成されたラインである。この別のヘッダーが異なる物理的部分であり得るか、または第1のヘッダーと共に一体的に形成され得ることに注目することができる。第2の端部において隣り合うライン間の距離を有することによって、2つの流れをヘッダーの第2の端部において直接絡み合わせ始めることが可能な小型のデザインを提供することができる。
複数の別個のチャネルは、第2の端部において、矩形の構成を有する格子で設けられ得る。このような矩形の構成は、例えば、複数の別個のチャネルを横切る矩形の断面を有する中央の熱交換器本体を有する熱交換器に接続されるように構成され得る。このような熱交換器本体では、第1の流体用の複数の別個のチャネルおよび第2の流体用の複数の別個のチャネルは、格子縞パターンで配列され得る。
1つまたは複数の仕切りは、第1の端部から第2の端部まで延びる主要方向に沿った長手方向延長部を有し得、これは、第2の端部における複数のチャネルのうちのそれぞれの最小断面寸法の少なくとも2倍である。このように、構成の変化によるヘッダーにおけるいかなる不必要な圧力損失もなしに、第1の端部における丸い構成が第2の端部における矩形の構成などの所望の構成に滑らかに変換されることが可能になるように、流れ方向に沿って十分な長さがある。
前述した目的は、
第1の流体用の複数の別個のチャネルおよび第2の流体用の複数の別個のチャネルを備えた中央の熱交換器本体と、
前記に概説したような、かつ詳細な説明で詳細に説明されるようなヘッダーと、を含む、熱交換器によっても達成されている。
熱交換器にヘッダーを備えることに関連する利点は、ヘッダーそれ自体の説明に関連して前述されており、それらの利点は、熱交換器に等しく適用可能である。
熱交換器の好適な実施形態は、従属請求項および説明に記載されている。ヘッダーの好適な実施形態も熱交換器の好適な実施形態として適用可能であることにも注目することができる。
第1の流体用の複数の別個のチャネルおよび第2の流体用の複数の別個のチャネルは、中央の熱交換器本体内で、中央の熱交換器本体の複数の別個のチャネルを横切って延びる断面で見ると、格子縞パターンで配列され得る。格子縞パターンが、中央の熱交換器本体の断面全体にわたって真に格子縞であってよいことに注目することができる。格子縞パターンはまた、中央部分が格子縞であり、その外周部に沿って、真の格子縞とはわずかに異なる構成を有してよい。例えば、1つの外周部に沿って、このパターンは、塞がれたチャネル空間と交互になった第1の流体チャネルで形成され得、対向する外周部に沿って、パターンは、塞がれたチャネル空間と交互になった第2の流体チャネルで形成され得る。真の格子縞パターンは、中央の熱交換器本体内の流体間で、より大きな熱交換を提供する理論上の可能性を有するが、ヘッダーの第2の端部においてチャネルのより複雑なライン構成を必要とし、ヘッダーにおいて、より大きい圧力損失を生じる可能性がある。第1の流体チャネルおよび第2の流体チャネルそれぞれでのみ形成されている2つの対向する外周部を備えた格子縞パターンは、わずかに低い理論上の熱交換能力を有するが、第2の端部においてチャネルのライン構成を提供するために断面積を十分に活用するヘッダーを設計するのが、より容易になり、ヘッダーにおける不必要な圧力損失を避ける可能性がある。
熱交換器は、移行部分をさらに含み得る。移行部分は、第1の流体用の第1の流体ヘッダーを形成する前述した種類のヘッダーに関連する第1の外側部分と、第2の流体用の第2の流体ヘッダーを形成する前述した種類のさらなるヘッダーに関連する第2の外側部分と、を有し得る。移行部分は、中央の熱交換器本体に関連する内側部分をさらに有し得る。第1の外側部分は、ライン構成で配列された第1の流体チャネルを形成する第1の流体用の複数のチャネルを備えることができる。第2の外側部分は、ライン構成で配列された第2の流体チャネルを形成する第2の流体用の複数のチャネルを備えることができる。内側部分は、格子縞パターンに配列された第1の流体チャネルおよび第2の流体チャネルを備えることができる。前述したとおり、この格子縞パターンは、真に格子縞パターンであるか、または第1の流体チャネルおよび第2の流体チャネルそれぞれのみで形成されている2つの対向する外周部を備えた格子縞パターンであってよい。
移行部分は、第1の流体チャネルのライン構成を、第1の外側部分および内側部分によって、第1の外側部分と内側部分との間で変形させ得、それぞれのラインの1つおきの第1の流体チャネルを、それぞれのラインのすべての他の第1の流体チャネルに対して、ライン構成のラインに横方向のシフト方向に徐々にシフトさせ、第2の流体チャネルのライン構成を、第2の外側部分および内側部分によって、第2の外側部分と内側部分との間で変形させ得、それぞれのラインの1つおきの第2の流体チャネルを、それぞれのラインのすべての他の第2の流体チャネルに対して、シフト方向に徐々にシフトさせ、これによって、前記1つおきの第1の流体チャネルおよび前記1つおきの第2の流体チャネルは、前記すべての他の第1の流体チャネルおよび前記すべての他の第2の流体チャネルで形成されたラインと交互になったシフト方向を横切るラインを形成する。このように、ヘッダーと移行部分との間の界面におけるライン構成は、格子縞パターンへと変形される。
移行部分は、ヘッダーと、および/または中央の本体と、一体的に形成され得、好ましくはヘッダーと一体的に形成され、さらに好ましくはヘッダーおよび中央の本体の両方と共に一体的に形成され得る。一実施形態では、移行部分は、2つのヘッダーと共に一体的に形成される。一実施形態では、移行部分は、1つのヘッダーと一体的に形成され、もう一方のヘッダーは、別個に製造され、その後、移行部分に接続される。一実施形態では、中央の熱交換器本体は、移行部分のうちの一方と一体的に形成され、もう一方の移行部分は、別個に製造され、その後、中央の熱交換器本体に接続される。2つの移行部分はそれぞれ、独立して、ヘッダーとは別個の、ヘッダーのうちの一方とは別個の、または両方のヘッダーと共に一体的に形成される、前述した種類のうちのいずれかのものであってよい。一実施形態では、中央の熱交換器本体は、両方の移行部分と一体的に形成される。2つの移行部分はそれぞれ、独立して、ヘッダーとは別個の、ヘッダーのうちの一方とは別個の、または両方のヘッダーと共に一体的に形成される、前述した種類のうちのいずれかのものであってよい。一実施形態では、熱交換器は、中央の熱交換器本体と、2つの移行部分を、中央の熱交換器本体の両端部に1つずつと、移行部分のそれぞれの外側部分における、単体へと一体的に形成される、4つのヘッダーと、を含む。
本発明は、一例として、添付の概略図面を参照してさらに詳細に説明され、図面は、本発明の現在好適な実施形態を示すものである。
熱交換器の側面図である。 図1の熱交換器の別の側面図である。 図1および図2の熱交換器の端面図である。 ヘッダーの側面図である。 図4の線A-Aに沿って見えるようなヘッダーの端面図である。 図4の線B-Bに沿って見えるようなヘッダーの断面図である。 図4の線C-Cに沿って見えるようなヘッダーの端面図である。 一端部で丸い構成を示すヘッダーの端面図である。 図8のヘッダーの他端部を概略的に示す。 別のヘッダーからのチャネルの位置も示す図9の端部を概略的に示す。 図8および図9のヘッダーのチャネルの構成から形成された格子縞パターンを開示する図2の線XI-XIに沿った断面を概略的に示す。 一端部で丸い構成を示すヘッダーの端面図である。 図12のヘッダーの他端部を概略的に示す。 別のヘッダーからのチャネルの位置も示す図13の端部を概略的に示す。 図12および図13のヘッダーのチャネルの構成から形成された格子縞パターンを開示する図2の線XI-XIに沿った断面を概略的に示す。
図1〜図3は、中央の熱交換器本体10と、2つの移行部分20a〜20bを、中央の熱交換器本体10の両端部に1つずつと、移行部分のそれぞれの外側部分における4つのヘッダー30a〜30dと、を含む熱交換器1を開示する。開示された実施形態では、中央の熱交換器本体10、2つの移行部分20a〜20b、および4つのヘッダー30a〜30dは、単一の物体へと一体的に形成される。図1では、第1の流体の流れ方向F1および第2の流体の流れ方向F2が示されている。第1の流体は、熱交換器の中へと、ヘッダー30bを介して、移行部分20aを通って中央の熱交換器本体10まで入り、ここから、移行部分20bを通って離れ、ヘッダー30dを介して出る。第2の流体は、熱交換器の中へと、ヘッダー30cを介して、移行部分20bを通って中央の熱交換器本体10まで入り、ここから、移行部分20aを通って離れ、ヘッダー30aを介して出る。中央の熱交換器本体10は、第1の流体用の複数の別個のチャネルBijと、第2の流体用の複数の別個のチャネルCijと、を含む。典型的には、流体の流れは、図1に示すように、中央の熱交換器本体10において互いに対抗する。しかしながら、流体の流れが、中央の熱交換器本体10内の同じ方向に沿っていることも考えられる。図1〜図3では、第1の流体は、熱交換器の両端部で直線に沿って流れ、第2の流体は、熱交換器の両端部で方向を変える(図面では90°)。第2の流体が端部のうちの1つにおいて直線に沿って流れること、および第1の流体が熱交換器のその端部において方向を変えることも考えられる。中央の熱交換器本体に対するヘッダーの多くの他の考えられる構成および向きがある。一実施形態では、ヘッダー30aおよび30bの両方が、中央の熱交換器本体において流れ方向F1に対して、45°などの角度を形成する。ヘッダー30cおよび30dは、このような場合、好ましくは、45°などの対応する角度も形成し得る。
ヘッダー30a〜30dは、図4〜図7を参照してさらに詳細に説明され、ひとまとめにしてヘッダー30と呼ばれる。ヘッダー30は、熱交換器1に接続され、その一部を形成するか、または熱交換器1の一部として一体的に形成されるように構成される。以下でさらに詳細に説明するように、熱交換器1は、第1の流体用の複数の別個のチャネルおよび第2の流体用の複数の別個のチャネルを備えた熱交換器本体10を有する。
図4および図5に示すように、ヘッダー30は、丸い構成を有する第1の端部31を有する。第1の端部31は、円形パイプに接続され、熱交換器1への入口、または熱交換器1からの出口を形成するように構成されている。図4および図7に示すように、ヘッダー30は、第2の端部32を有する。第2の端部32は、熱交換器本体10に接続されるか、またはこれと一体的に形成されるように構成されている。図7に示すように、第2の端部32は、熱交換器本体10内の第1の流体用の複数の別個のチャネルに対応する複数の別個のチャネルBijを備えている。複数の別個のチャネルBijは、第2の端部32において、矩形の構成を有する格子で設けられている。ヘッダー30の第2の端部32における各別個のチャネルBijは、熱交換器本体10内の第1の流体用の1つの(単一の)別個のチャネルBijに個別に接続されるか、またはこれと一体的に形成されている。これに対応して、熱交換器本体10内の第1の流体用の各別個のチャネルBijは、ヘッダー30の第2の端部32における1つの(単一の)別個のチャネルBijに個別に接続されるか、またはこれと一体的に形成されている。ヘッダー30の第2の端部32における別個のチャネルBijの数は、熱交換器本体10内の第1の流体用の別個のチャネルBijの数と同じである。ヘッダー30の第2の端部32における各別個のチャネルBijは、移行部分20内の1つの(単一の)別個のチャネルBijを介して、熱交換器本体10内の第1の流体用の1つの別個のチャネルBijに個別に接続されるか、またはこれと一体的に形成されている。
図5に示すように、ヘッダー30は、円形パイプの内部チャネル(または複数のチャネル)を第2の端部における複数の別個のチャネルBijに分ける複数の仕切り33を備える。仕切り33は、内壁と呼ぶこともできる。仕切り33または壁がヘッダー30の第1の端部31を横切る格子またはウェブを形成することに注目することができる。図4に示すように、また図6の断面B-Bから明らかとなるように、仕切り33はすべて、第2の端部32から第1の端部31まで延びる。しかしながら、一般概念では、仕切り33は、第1の端部31までずっと延びる必要がないことに注目することができる。仕切り33は第2の端部32から第1の端部31に向かって延びれば十分である。しかしながら、ヘッダー30の長さを最大限に活用するには、仕切り33のうちの少なくともいくつかが、第2の端部から第1の端部31まで延び、第1の端部31において複数のチャネル開口部Aijを画定する。図5では、チャネル開口部Aijのうちの1つが、チャネル開口部の領域の陰影によって示されている。図5に示すように、チャネル開口部Aijは、一緒になって第1の端部31の丸い構成を形成する。開示された実施形態では、仕切り33または壁33は、第1のチャネル開口部Aijと関連する1つのチャネルから任意の他のチャネル開口部Aijと関連する任意のチャネルへいかなる流体も流れないようにする、密な壁(tight walls)である。これによって、ヘッダー30は、流れを別個のチャネルに分けることができる。図4および図7に示すように、仕切り33は、第2の端部32における複数のチャネルBijのそれぞれの最小断面寸法wの少なくとも2倍である、主要方向MDに沿った長手方向延長部Lを有する。
図5に示すように、仕切り33の少なくともサブセットは、チャネル開口部を横切る断面(図5)において、第1の端部31の丸い構成を横切る(破線36によって示す)曲線に沿って延びる。
図4〜図7に示すように、任意の上流チャネルは、第1の端部31から第2の端部32まで延びる主要方向MDに見ると、主要方向MDにおいて1つの下流チャネルに一意的に接続される。これは、第1の端部に形成されたチャネル開口部Aijのそれぞれが、ヘッダーを通って延びる別個のチャネルBijと一意的に関連付けられるものとして表現することもできる。
この制約は、仕切りのうちのいくつかが第1の端部まで延び、いくつかの仕切りが第1の端部と第2の端部との間の1つまたは複数の位置まで延びる場合に関して言えば、第1の端部31から第2の端部32まで延びる主要方向MDに見ると、任意の上流チャネルが主要方向MDにおいて1つまたは複数の下流チャネルに一意的に接続されると解釈される。この場合、チャネル開口部Aijのそれぞれのチャネルのいくつかまたはすべてが、1つまたは複数のさらなるステップで、第2の端部32における複数のチャネルBijに分けられるようになっている。よって、ヘッダーの第2の端部32におけるチャネルBijの数は、第1の端部31におけるチャネル開口部Aijの数より多くてよい。主要方向は、必ずしも、ヘッダーを通る流体の流れの方向と一致せず、それは、ヘッダーを通る流体の流れが、主要方向の方向または主要方向の反対方向のいずれであってもよいためである。主要方向は、相対的な場所を定める方法である。上流チャネルは、下流チャネルより第1の端部31の近くに位置し、下流チャネルは、上流チャネルより第2の端部32の近くに位置する。
図7に示すように、ヘッダー30の第2の端部32における複数のチャネルBijは、ライン構成で構成される。ライン構成は、複数のチャネルBijを横切る断面(図7)において、複数のチャネルが複数の群に細分されるものとして定められ得、各群は、第2の端部32の断面を横切る第1の方向D1に沿って延びるラインに沿って配列された、複数のチャネルB1j、B2jなどを含む。チャネルBijをこのようなライン構成に細分することによって、次の移行部分20において、熱交換器1の中央の熱交換器本体10の内側でライン構成を格子縞構成に変化させる準備ができる。
図8〜図11では、単一の流体のためのチャネルの丸い構成から、2つの流体のための格子縞構成への変形が概略的に開示されている。ヘッダー30は、複数の仕切り33で隔てられた複数のチャネル開口部Aijを備えた第1の端部31を有する。このような各チャネル開口部Aijは、第2の端部32におけるチャネルBijと一意的に関連付けられる。A11は、B11と関連付けられ、A21はB21と関連付けられるなどである。
図9に示すように、B1jおよびB2jなどの隣り合うラインは、第1の方向D1に対して横方向の第2の方向D2に測定されるような距離dだけ隔てられている。図10に示すように、この距離dは、第1の流体用のライン構成の複数のチャネルBijを、第2の流体用のライン構成の複数のチャネルCijと絡み合わせる空間を提供するように構成されている。
第1の流体用の複数の別個のチャネルBijおよび第2の流体用の複数の別個のチャネルCijは、中央の熱交換器本体内の複数の別個のチャネルを横切って延びる断面(図11および図15)で見られるような格子縞パターンで中央の熱交換器本体10内に配列されている。格子縞パターンが、(図15に示されるように)中央の熱交換器本体の断面全体にわたって真に格子縞であり得ることに注目することができる。格子縞パターンは、中央部分でも格子縞であり、その外周部に沿って、真の格子縞からわずかに異なる構成を有してもよい。例えば、1つの外周部に沿って、パターンは、塞がれたチャネル空間と交互になった第1の流体チャネルで形成され得、対向する外周部に沿って、パターンは、(図11に示すように)塞がれたチャネル空間と交互になった第2の流体チャネルで形成され得る。
チャネルの数は、実際には図面に示されるチャネルの数よりしばしば著しく多いことに注目されたい。いくつかの態様では、チャネルは、0.5mm〜2mmの辺を有する正方形断面を有し得る。いくつかの態様では、チャネル間の壁厚は約0.05mm〜0.4mmであってよい。
前述したとおり、熱交換器1は、集合的に20で示される移行部分20a〜20bをさらに含む。移行部分20は、第1の流体用の第1の流体ヘッダーを形成する前述した種類のヘッダー30に関連する第1の外側部分22と、第2の流体用の第2の流体ヘッダーを形成する前述した種類のさらなるヘッダー30に関連する第2の外側部分23と、を有する。移行部分は、中央の熱交換器本体10に関連する内側部分21を有する。第1の外側部分22は、ライン構成で配列された第1の流体チャネルを形成する第1の流体用の複数のチャネルを備える。第2の外側部分23は、ライン構成で配列された第2の流体チャネルを形成する第2の流体用の複数のチャネルを備える。内側部分21は、格子縞パターンに配列された第1の流体チャネルおよび第2の流体チャネルを備える。前述したとおり、この格子縞パターンは、真に格子縞パターンであるか、または第1の流体チャネルおよび第2の流体チャネルそれぞれのみで形成されている2つの対向する外周部を備えた格子縞パターンであってよい。
移行部分は、第1の流体チャネルBijのライン構成を、第1の外側部分および内側部分によって、第1の外側部分と内側部分との間で変形させ、それぞれのラインの1つおきの第1の流体チャネルを、それぞれのラインのすべての他の第1の流体チャネルに対して、ライン構成のラインに横方向のシフト方向D2に徐々にシフトさせ、かつ、第2の流体チャネルCijのライン構成を、第2の外側部分および内側部分によって、第2の外側部分と内側部分との間で変形させ、それぞれのラインの1つおきの第2の流体チャネルを、それぞれのラインのすべての他の第2の流体チャネルに対して、シフト方向D2に徐々にシフトさせるように構成される。
このシフトは、図10〜図11および図14〜図15に示されている。
図11および図15で見られるように、これにより、1つおきの第1の流体チャネルBijおよび前記1つおきの第2の流体チャネルCijが、前記すべての他の第1の流体チャネルおよび前記すべての他の第2の流体チャネルで形成されたシフト方向D2を横切るラインと、シフト方向D2に沿って交互になった、シフト方向D2を横切るラインを形成するパターンが生じる。このように、ヘッダーと移行部分との間の界面におけるライン構成は、格子縞パターンへと変形される。
ヘッダー30が、その第1の端部31において、図12に示す構成を有するチャネルAijの開口部Aijの構成を有し得、1つおきのエリア35が、2つの対向する外周部ラインで塞がれることに注目することができる。これは、ヘッダーの第2の端部32において図13で示す構成を達成するために適切な手配である。これは、ひいては、図15に示す真の格子縞パターンを達成するための手配として適切な構成である。
あるいは、ヘッダー30は、すべての潜在的な開口部Aijを図8に示すように開いた状態にすることができる。これは、ヘッダーの第2の端部32において図9に示す構成を達成するために適切な手配である。これは、ひいては、図11に示す格子縞パターンを達成するための手配として適切な構成である。
ヘッダー30は、好ましくは、チタンまたはチタン系合金、タンタルまたはタンタル系合金、スチールまたはスチール系合金、ステンレススチールまたはステンレススチール系合金からなる群から選択される金属材料などの、材料の付加的沈着(additive depositing)によって形成され得る。材料は、金属材料の付加的沈着中にレーザーもしくは電子焼結されるか、または付加的沈着後にオーブンで焼結され得る。
移行部分20は、好ましくは、チタンまたはチタン系合金、タンタルまたはタンタル系合金、スチールまたはスチール系合金、ステンレススチールまたはステンレススチール系合金からなる群から選択される金属材料などの、材料の付加的沈着によって形成され得る。
中央の熱交換器本体10は、好ましくは、チタンまたはチタン系合金、タンタルまたはタンタル系合金、スチールまたはスチール系合金、ステンレススチールまたはステンレススチール系合金からなる群から選択される金属材料などの、材料の付加的沈着によって形成され得る。材料は、金属材料の付加的沈着中にレーザーもしくは電子焼結されるか、または付加的沈着後にオーブンで焼結され得る。
好ましくは、ヘッダー30および移行部分20は、好ましくは、チタンまたはチタン系合金、タンタルまたはタンタル系合金、スチールまたはスチール系合金、ステンレススチールまたはステンレススチール系合金からなる群から選択される金属材料などの、材料の付加的沈着によって、一体的に形成される。
好ましくは、中央の熱交換器本体10、移行部分20、およびヘッダー30は、好ましくは、チタンまたはチタン系合金、タンタルまたはタンタル系合金、スチールまたはスチール系合金、ステンレススチールまたはステンレススチール系合金からなる群から選択される金属材料などの、材料の付加的沈着によって、一体的に形成される。
材料は、金属材料の付加的沈着中にレーザーもしくは電子焼結されるか、または付加的沈着後にオーブンで焼結され得る。
本明細書に記載する実施形態の多くの改変があることが企図されるが、これらは、添付の特許請求の範囲によって定められるような、本発明の範囲内に依然として含まれる。
チャネルは、例えば、図面に示す矩形の二次形状以外の断面形状を有し得る。第1の流体チャネルは、例えば円形の形状を有し得、第2の流体チャネルは、4つの隣り合う円形の第1の流体チャネルの交点に形成された領域に嵌まるように内側に膨らむ辺を有する4辺の多角形としての形状を有し得る。楕円、三角形などといった他の形状も考えられる。
10 中央の熱交換器本体
20 移行部分
20a 移行部分
20b 移行部分
21 内側部分
22 第1の外側部分
23 第2の外側部分
30 ヘッダー
30a ヘッダー
30b ヘッダー
30c ヘッダー
30d ヘッダー
31 第1の端部
32 第2の端部
33 仕切り
35 エリア
Aij チャネル開口部
Bij チャネル
Cij チャネル
F1 第1の流体の流れ方向
F2 第2の流体の流れ方向
w 最小断面寸法
MD 主要方向
L 長手方向延長部
D1 第1の方向
D2 第2の方向
d 距離

Claims (15)

  1. 熱交換器(1)に接続され、その一部を形成するか、またはその一部として一体的に形成されるように構成されたヘッダー(30)であって、前記熱交換器(1)は、第1の流体用の複数の別個のチャネル(Bij)および第2の流体用の複数の別個のチャネル(Cij)を備えた熱交換器本体(10)を有し、前記ヘッダー(30)は、
    円形パイプに接続され、前記熱交換器(1)への入口、または前記熱交換器(1)からの出口を形成するように構成されている、丸い構成を有する第1の端部(31)と、
    前記熱交換器本体(10)に接続されるか、またはこれと一体的に形成されるように構成され、かつ複数の別個のチャネル(Bij)を備えている、第2の端部(32)と、を有し、前記ヘッダーの前記第2の端部(32)における各別個のチャネル(Bij)は、前記熱交換器本体(10)内の前記第1の流体用の前記複数の別個のチャネル(Bij)のうちの1つの別個のチャネル(Bij)と個別に接続されるか、またはこれと一体的に形成されるように構成され、
    前記ヘッダー(30)は、前記円形パイプの1つまたは複数の内部チャネルを前記第2の端部(32)における前記複数の別個のチャネル(Bij)に分ける複数の仕切り(33)を備え、
    前記仕切り(33)は、前記第2の端部(32)から、前記第1の端部(31)まで、またはこれに向かって延び、
    前記仕切り(33)のうちの少なくともいくつかは、前記第2の端部(32)から前記第1の端部(31)まで延び、前記第1の端部(31)に複数のチャネル開口部(Aij)を画定し、前記チャネル開口部(Aij)は、一緒になって前記第1の端部(31)の前記丸い構成を形成する、ヘッダー(30)。
  2. 前記仕切りの少なくともサブセットは、前記チャネル開口部(Aij)を横切る断面において、前記第1の端部(31)の前記丸い構成にわたる曲線(36)に沿って、延びる、請求項1に記載のヘッダー。
  3. 任意の上流チャネル(Aij)は、前記第1の端部(31)から前記第2の端部(32)まで延びる主要方向(MD)に見ると、前記主要方向(MD)において1つまたは複数の下流チャネル(Bij)に一意的に接続される、請求項1または2に記載のヘッダー。
  4. 前記仕切り(33)は、前記第2の端部(32)から前記第1の端部(31)まで延び、前記第1の端部(31)に形成された前記チャネル開口部(Aij)はそれぞれ、好ましくは、前記ヘッダーを通って延びる別個のチャネル(Aij)と一意的に関連付けられ、前記ヘッダー(31)を通って延びる前記別個のチャネル(Aij)は、前記ヘッダー(30)の前記第2の端部(32)における前記複数の別個のチャネル(Bij)を形成する、請求項1から3のいずれか一項に記載のヘッダー。
  5. いくつかの仕切り(33)は、前記第2の端部(32)から前記第1の端部(31)まで延び、いくつかの仕切り(33)は、前記第2の端部(32)から、前記第2の端部(32)と前記第1の端部(31)との間の1つまたは複数の位置まで延び、前記第1の端部(31)における前記チャネル開口部(Aij)と関連付けられるチャネル(Aij)は、好ましくは、前記第1の端部(31)から前記第2の端部(32)まで延びる前記主要方向(MD)に見ると、前記ヘッダー(30)の前記第2の端部(32)における前記複数の別個のチャネル(Bij)を形成する、より多くの数のチャネル(Bij)へと連続して分けられる、請求項1から3のいずれか一項に記載のヘッダー。
  6. 前記ヘッダー(30)の前記第2の端部(32)における前記複数のチャネル(Bij)は、前記複数のチャネル(Bij)を横切る断面において、前記複数のチャネル(Bij)が複数の群に細分されるので、ライン構成で構成され、各群は、第1の方向(D1)に沿って前記第2の端部(32)の断面にわたって延びるラインに沿って配列された複数のチャネル(Bij)を含む、請求項1から5のいずれか一項に記載のヘッダー。
  7. 隣り合うラインは、前記第1の流体用の前記ライン構成の複数のチャネル(Bij)を前記第2の流体用のライン構成の複数のチャネル(Cij)と絡み合わせる空間を提供するように構成された距離(d)だけ、前記第1の方向(D1)に対して横方向の第2の方向(D2)に沿って、隔てられている、請求項6に記載のヘッダー。
  8. 前記第2の端部(32)における前記複数の別個のチャネル(Bij)は、矩形の構成を有する格子で設けられている、請求項1から7のいずれか一項に記載のヘッダー。
  9. 前記1つまたは複数の仕切り(33)は、前記第1の端部(31)から前記第2の端部(32)まで延びる主要方向(MD)に沿った長手方向延長部(L)を有し、これは、前記第2の端部(32)における前記複数のチャネル(Bij)のうちのそれぞれの最小断面寸法(w)の少なくとも2倍である、請求項1から8のいずれか一項に記載のヘッダー。
  10. 熱交換器(1)であって、
    第1の流体用の複数の別個のチャネル(Bij)および第2の流体用の複数の別個のチャネル(Cij)を備えた中央の熱交換器本体(10)と、
    請求項1から9のいずれか一項に記載のヘッダー(30)と、を含む、熱交換器(1)。
  11. 前記第1の流体用の前記複数の別個のチャネル(Bij)および前記第2の流体用の前記複数の別個のチャネル(Cij)は、前記中央の熱交換器本体(10)内の前記複数の別個のチャネル(Bij、Cij)を横切って延びる断面で見ると、格子縞パターンで前記中央の熱交換器本体(10)に配列されている、請求項10に記載の熱交換器。
  12. 前記第1の流体用の第1の流体ヘッダーを形成する前記ヘッダー(30b)に関連する第1の外側部分(22a)と、
    前記第2の流体用の第2の流体ヘッダーを形成する請求項1から9のいずれか一項に記載のさらなるヘッダー(30a)に関連する第2の外側部分(23a)と、
    前記中央の熱交換器本体(10)に関連する内側部分(21a)と、
    を有する移行部分(20a)をさらに含み、
    前記第1の外側部分(22a)は、ライン構成に配列された第1の流体チャネルを形成する前記第1の流体用の複数のチャネル(Bij)を備え、
    前記第2の外側部分(23a)は、ライン構成に配列された第2の流体チャネルを形成する前記第2の流体用の複数のチャネル(Cij)を備え、
    前記内側部分(21a)は、格子縞パターンに配列された前記第1の流体チャネル(Bij)および前記第2の流体チャネル(Cij)を備える、請求項10または11に記載の熱交換器。
  13. 前記移行部分(20)は、
    前記第1の流体チャネル(Bij)の前記ライン構成を、前記第1の外側部分(22a)および前記内側部分(21)によって、前記第1の外側部分(22a)と前記内側部分(21)との間で変形させ、それぞれのラインの1つおきの第1の流体チャネル(Bij)を、それぞれのラインのすべての他の第1の流体チャネルに対して、前記ライン構成の前記ラインに横方向のシフト方向(D2)に徐々にシフトさせ、かつ、
    前記第2の流体チャネル(Cij)の前記ライン構成を、前記第2の外側部分(23a)および前記内側部分(21)によって、前記第2の外側部分(23a)と前記内側部分(21)との間で変形させ、それぞれのラインの1つおきの第2の流体チャネル(Cij)を、それぞれのラインのすべての他の第2の流体チャネルに対して、前記シフト方向(D2)に徐々にシフトさせ、
    これによって、前記1つおきの第1の流体チャネルおよび前記1つおきの第2の流体チャネルは、前記すべての他の第1の流体チャネルおよび前記すべての他の第2の流体チャネルで形成されたラインと交互になった前記シフト方向(D2)を横切るラインを形成する、請求項12に記載の熱交換器。
  14. 前記移行部分(20)は、前記ヘッダーと、および/または前記中央の熱交換器本体(10)と一体的に形成され、好ましくは前記ヘッダー(30)と一体的に形成され、さらに好ましくは前記ヘッダー(30)および前記中央の熱交換器本体(10)の両方と一体的に形成されている、請求項12または13に記載の熱交換器。
  15. 前記熱交換器は、
    中央の熱交換器本体(10)と、
    2つの移行部分(20a、20b)を、前記中央の熱交換器本体(10)の両端部に1つずつと、
    前記移行部分(20a〜20b)のそれぞれの外側部分(22、23)における、単体へと一体的に形成される、4つのヘッダー(30a〜30d)と、を含む、請求項12から14のいずれか一項に記載の熱交換器。
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