JP4676438B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１に上位概念として記載の熱交換器、特に自動車のための熱交換器（すなわち、ハウジングと、ハウジング内に配置された、少なくとも１つの管を有する自動車用の熱交換器）に関する。

最近のエンジンに対しての、放出低減と燃料消費に関してますます増大する要請を満たすことができるようにするために、たとえば、過給を増大させ、燃焼条件をより正確に調節するような、広範な措置が必要である。それが、自動車熱交換器においても、よりハードな使用条件、すなわちより高いガスおよび冷却剤圧力、より高い温度およびより大きい体積流量をもたらす。同時に、出力密度と寿命に対する要請も増大する。従って一部、新しい冷却コンセプトが必要である。すなわち過給空気クーラーにおいて従来のように使用される空気／空気クーラーが、高いエンジン過給に基づいて必要となる、要請された出力と出力密度を得るために、少なくとも部分的に空気／液体クーラーに代えられる。排ガス熱交換器においては、同様にますますハードになる、圧力、温度および出力密度に関する駆動条件において、排ガス還流率がますます高くなる。従って最近の熱交換器においては、特に圧力と変動に関して、ますます増大する機械的負荷が発生する。

冷却すべき一次媒体（通常ガス状）と冷却する二次媒体（ここでは通常液状）の温度差が高いと、一次側と二次側で異なる構成部品加熱が生じる。排ガス熱交換器においては、温度差は７００Ｋより高くなり、過給空気クーラーの場合には３００Ｋまでになる。その場合に、一次側と二次側の間の間の、結果的に異なる熱的な長さ膨張が、著しい熱応力をもたらす。駆動状態が急速に変化する場合に、この熱応力が不均一な熱分布によってさらに強化される可能性がある（熱ショック）。

さらに、熱交換器の出力密度が高いことに基づいて、冷却剤が沸騰する危険が増大し、それがパワーおよび寿命を著しく損なう可能性がある。

そして、使用されるプロセスと材料は、著しく腐食性の媒体、たとえば排ガスクーラーの場合には、排ガスからなる凝縮物の発生により、著しく制限されており、それが、出力密度に対する要請がさらに増大した場合に、流れ通路の内圧および外圧強度、沸騰の回避および励振と熱応力に対する十分な強度を互いに合体させる、永続的に耐える技術的解決を提供する、という、ますます大きくなる問題をもたらす。

本発明の課題は、改良された熱交換器を提供することである。

この課題は、請求項１の特徴を有する熱交換器によって解決される。好ましい形態が、従属請求項の対象である。

発明の実施の形態

本発明によれば、ハウジングとハウジング内に配置された少なくとも１つの管とを有する熱交換器が設けられており、その場合に管とハウジングの間の領域および複数の管の間の領域に熱交換器の出力密度を向上させる構造体が設けられている。一次媒体が、管を貫流する。二次媒体は、管の間および／または管とハウジングの間の間隙内で案内され、その間隙内に構造体も配置されている。構造体が、管の内側および外側の圧応力に関する補強によって強度を向上させる。管とハウジングの間の結合によって、さらに、クーラー長さ全体にわたり一次側と二次側の間の熱応力の連続的補償が行われるので、管の端部の応力が著しく減少される。構造体は、さらに、熱交換器内で流体を案内し、かつ分配するために用いられる。その場合にフィン薄板が、さらに、熱伝達の改良を可能にするので、改良された熱伝達により熱応力を減少させることができる。増大された伝達面積によって管はより良く冷却され、沸騰を防止することができる。従って全体として、構造体を持たない従来の熱交換器に比較して、熱交換器の出力密度の著しい向上が得られる。好ましくは、構造体として、別体の管、フィン薄板、突起薄板などの形式の薄板構造体が挿入される。熱交換器は、特に、排ガス熱交換器または過給空気熱交換器であることができるが、他の熱交換器、たとえば、管内の熱いガスが冷却のために熱交換器（クーラー）を貫流する、他のガス−液体−熱交換器、管内の冷たいガスが加熱のために熱交換器（ヒーター）を貫流する、液体−ガス−熱交換器、あるいは液体−液体−熱交換器であることもできる。薄板構造体を使用する代りに、管および／またはハウジングにそれに応じた構造体を形成することもでき、すなわち特に、管表面をフィン状および／または突起状に形成することができる。構造体は、好ましくは１ｍｍから５ｍｍ、好ましくは１ｍｍから３ｍｍ、特に好ましくは１．５ｍｍの高さを有している。構造体のピッチＬは、構造体高さｈの好ましくは０．１倍から６倍、特に好ましくは０．５倍から４倍である。横ピッチＱは、構造体高さｈの好ましくは０．１５倍から８倍、特に好ましくは０．５倍から５倍である。管の間の通路高さと管内の通路高さの比は、構造体の領域において好ましくは０．１から１、好ましくは０．２から０．７である。管の間の流体直径は、構造体を有する領域内で、好ましくは０．５ｍｍから１０ｍｍ、好ましくは１ｍｍから５ｍｍである。好ましくは、管が、管外側上に支持突起を有している。

好ましくは構造体はハウジングおよび／または管と堅固に結合されており、特に半田付けされている。その場合に特に、堅固な結合は、たとえば冷却剤分配を改良するために、中断なしで、あるいは中断をもって、熱交換器の長さの大部分にわたって設けられている。堅固な結合によって、極めて効率的に外圧強度（二次側の過圧）が増大される。というのは構造体が、管の落込みを阻止する、タイロッドを形成するからである。さらに、従来の熱交換器において比較的不安定な管の振動が、構造体によって減衰され、かつ熱応力の極めて効率的な補償がもたらされる。さらに、堅固な結合が、管から構造体への熱伝達を支援するので、管のより良い冷却が行われる。改良された熱伝達によって、さらに、管の数が減少するので、製造コストを低下させることができる。

管は、好ましくは少なくとも部分的にフラット管によって形成される。その場合にフラット管は、丸管よりも熱力学的にずっと高性能であるが、より小さい耐圧強度を有し、従ってフラット管においては、本発明に基づく管外側の支持構造体のような、耐圧強度を向上させる措置が必要である。その場合に、フラット管は、特に面取りされた角部を備えた、ほぼ矩形の断面を有している。さらに、一体的な矩形管を設けることができる。これは、長手継目を有することができ、その長手継目が溶接され、ないしはレーザー溶接、摩擦溶接、誘導溶接され、あるいは半田づけすることができる。矩形管は、シェルから形成することもでき、そのシェルが溶接または半田付けされる。管は、任意の他の形状、たとえば楕円を有し、かつ／または側方のフラップを有することができ、そのフラップが半田付けまたは溶接される。さらに、管は、ハウジングと管およびその間に配置されている構造体の間の誤差を補償するために、やや球状に形成することができる。管内および／または管に、乱流装置（小翼）を設けることもできる。管表面（内側および／または外側）は、乱流を発生させるために、構造体として形成することもできる。

好ましくは構造体は、少なくとも部分的に不均一な構造体を有しており、それによって重要な領域に冷却剤を所望に供給することができるので、過熱または沸騰を回避することができる。それに応じて冷却剤の供給を増大させることは、構造体を部分的に取り去ることよっても得ることができる。この措置によって、熱交換器の圧力損失と熱交換器内の冷却剤の横分配が、最適化される。不均一な構造体を有する領域は、好ましくは流体の流入および／または流出の領域にある。それらは、特に、流れを案内し、かつ圧力損失をできるだけ小さく抑えるために用いられる。

少なくとも部分的に歯切り形成することによって、構造体の安定性が増大し、さらに、冷却剤の流れルートが最適化される。

熱交換器の組立てを簡単にするために、ハウジングは好ましくは２つまたはそれより多くに分けて形成され、特にカバーを有するＵ字状のシェルとして形成されており、その場合に水ケースをカバー内に一体化して形成することができる。しかし、原理的には、たとえば一体形成された水ケースを有する、一体的な構造体も可能である。

構造体は、管自体の中に設けることもでき、その場合に、管の間に設けることができる、上述したすべての構造体は、管内に統合することもできる。構造体は、好ましくはフィン薄板または突起薄板によって形成され、それらがたとえば溶接、半田付けまたはかしめによって管と結合される。構造体は、好ましくは１ｍｍから５ｍｍ、好ましくは１ｍｍから３ｍｍ、特に好ましくは１．５ｍｍの高さを有する。構造体のピッチＬは、構造体高さｈの好ましくは０．５倍から６倍である。横ピッチＱは、構造体高さｈの好ましくは０．５倍から８倍である。管内の流体直径は、構造体を有する領域内で好ましくは０．５ｍｍから１０ｍｍ、好ましくは１ｍｍから５ｍｍである。

以下、図面を参照しながら、実施例を用いて、本発明の詳細を説明する。

排ガス熱交換器１は、２つに分かれたハウジング２と、このハウジング２内に配置された多数の管３を有している。個々の管３の間、およびハウジング２と管３の間に、構造体としてフィン薄板４が設けられており、その場合にこれらのフィン薄板４は本実施例によれば、図３に示し、後の箇所で説明するように、歯切りを有するように形成されている。
管３は、ここではフラット管である。

個々の管３を通して、エンジンから来る、冷却すべき排ガス（ガス状の一次媒体）が案内され、その場合に図２に流れ方向が２つのつながった矢印で示唆されている。管３がその中に配置されている、ハウジング２は、Ｕ字状の第１のハウジング部分２’とハウジングカバー２”からなり、そのハウジングカバーが上から第１のハウジング部分２’上へ取り付けられている。冷却剤（液状の二次媒体）を流入および流出させるために、ハウジングカバー２”に２つの冷却剤短管５が設けられており、その場合に直流駆動における冷却剤の流れ方向が、図２に破線の矢印で示されている。同様に逆流駆動における貫流も可能であって、そのためには流れ方向が反転される。冷却剤はハウジング２を通り、管３の周りを案内されるので、フィン薄板４が冷却剤側に配置されている。

直線的に歯切りを形成されたフィン薄板４は、図３に実線で示す矢印の方向には冷却剤を通過させやすく、破線で示す矢印において冷却剤を通過させにくい。縦ピッチＬと横ピッチＱおよびフィン高さｈを変化させることによって、流れを調節することができる。直線的な歯切りの他に、斜めの歯切りも可能である。個々のフィン薄板４がそれに応じて形成されている場合には、このフィン薄板が特に重要な箇所で冷却剤給送を支援することもでき、そのためにフィン薄板４は少なくとも領域的に不均一に形成されている。

図４には、まっすぐな方向に延びるフィンを有するフィン薄板の簡単な変形例が示されており、フィン薄板は２．４ｍｍの縦ピッチＬと１．５ｍｍのフィン高さまたは構造体高ｈさを有している。その場合にフィン薄板を穴あき薄板から折曲することもできるので、個々の波形側面が孔により透過性になる。

図面には図示されていない変形例によれば、同様な構造体が、過給空気クーラーのために使用される。

図５ａ−ｄは、フィン薄板４を形成する構造体の種々の不均一な領域を示している。これらの領域は、流入の際に流体のより良好な分配をもたらす。図５ａに示す、第１の変形例によれば、横分配通路が変形または打抜きによって設けられている。図５ｂと５ｃの変形例によれば、フィン薄板４が部分的にカットされた。図５ｄは、フィン薄板４に形成された特殊な分配構造体を有する変形例を示している。図５ａから５ｄに相当する不均一な領域を、流出側に設けることもできる。

排ガス熱交換器を示す断面図である。 図１の熱交換器を示す斜視図である。 フィン薄板を図式的に示す斜視図である。 変形例に基づくフィン薄板を図式的に示す斜視図である。 流入領域の変形例を示している。 流入領域の変形例を示している。 流入領域の変形例を示している。 流入領域の変形例を示している。

Claims (15)

1. ハウジング（２）と、ハウジング（２）内に配置された複数の管（３）を有し、
   管（３）とハウジング（２）の間の領域および複数の管（３）の間の領域に、全体的に、熱交換器の出力密度を向上させる構造体が設けられており、
   構造体が、管（３）とハウジング（２）の間および複数の管（３）の間に配置された薄板構造体で形成されており、
   構造体が、フィン薄板（４）、突起薄板または別体の管であることを特徴とする熱交換器。
2. 構造体が直接ハウジング（２）に、および／または管（３）に形成さ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. 構造体が、打抜きによって形成されていることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
4. 構造体が、ハウジング（２）および／または管（３）と堅固に結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１項に記載の熱交換器。
5. 管（３）が、少なくとも部分的にフラット管によって形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の熱交換器。
6. 管（３）が、管外側上に支持突起を有していることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の熱交換器。
7. 管（３）が、内側および／または外側に、乱流発生のために構造体として形成された管表面を有していることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の熱交換器。
8. 構造体（４）が、少なくとも部分的に不均一な構造体を有していることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の熱交換器。
9. 構造体（４）が、少なくとも部分的に歯切り部を有するように形成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の熱交換器。
10. ハウジング（２）が、２つまたはそれより多くに分けて形成されていることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の熱交換器。
11. 管（３）内を冷却すべき媒体が流れ、ハウジング（２）と管（３）および構造体（４）の間の間隙を冷却剤が流れることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の熱交換器。
12. 構造体（４）が、熱交換器（１）のハウジング（２）内で冷却剤側に配置されていることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の熱交換器。
13. 構造体が、少なくとも１つの管の内部に配置されていることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の熱交換器。
14. 構造体が、少なくとも１つのフィンとして形成されており、前記フィンが直線的に、あるいは奥行き方向に波打って形成されていることを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載の熱交換器。
15. 請求項１から１４のいずれか１項に記載の熱交換器を、自動車の排ガス熱交換器あるいは過給空気クーラーとして使用。

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