JP6181234B2 - 自動車の熱交換器システム - Google Patents

Description

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

ますます乏しくなる化石リソースの理由と、自動車のＣＯ２排出に関する法的基準上の理由から、自動車の全体効率を向上させる措置が、より重要な意味を有することとなっている。自動車の駆動の為の化学結合エネルギーのおよそ三分の二が、燃焼排熱摩擦熱の形式で失われる。よって、排ガス熱をより良好に活用し、そして自動車の効率向上に利用する努力が、既に長い間行われている。直接的なエネルギー回生（熱電子、ランキン）のコンセプトの他に、自動車の熱管理と関連する複数の措置が、例えば内部室暖房の目的で、又はコールドスタートフェーズの短縮の目的で、排ガス熱利用の可能性を提供する。コールドスタートフェーズの短縮は、エンジンオイルやギアオイルのような潤滑剤の加速された加熱によって行われる。これによって摩擦損失の減少が図られることが可能である。

特許文献１によって、循環系ヒートパイプを有する自動車の内燃エンジンの為の排ガスシステムが既知である。排ガスシステムは、排ガスパイプ、凝縮装置、蒸発装置、及び凝縮装置と蒸発装置を接続する配管を有する。排ガスに奪われる熱エネルギーの熱搬送は、作動媒体を介して行われる。蒸発装置が、排ガスパイプ、毛細管構造、及びスリーブパイプから形成されている。毛細管構造は、排ガスパイプとスリーブ筐体の間の多孔性の筐体として形成されており、その際、作動媒体は、毛細管構造の通過の際に液体状の状態から、ガス状又は蒸気状の状態へと移行する。

ヒートパイプは、特に、伝達可能な高い熱流と柔軟な幾何形状的配置において際立っている。これは、ヒートロード（独語：Ｗａｅｒｍｅｅｉｎｔｒａｇ）のみによって作動媒体の機械的ポンピング無しに機能する。これは、作動媒体の流れ圧力損失を毛細管圧によって補償する蒸発装置内の毛細管構造の使用によって可能である。公知のヒートパイプは、内側に位置するガス案内部または内側に位置するバイパスと同心に形成されている。これは、内側から外側に向かう一方側のみの熱放出を可能とする。管形状の毛細管構造の製造は複雑でもある。

ドイツ連邦共和国特許第１０ ２０１１ １０３ １１０ Ｂ４号明細書

本発明の課題は、先行技術から出発して、構造空間技術の面でおよび適用技術の面で改善されており、重量が削減されており、及び製造技術的に有利である蒸発装置を有する、実践において改善された自動車の熱交換器システムを完成することである。

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の発明に従い解決される。

本発明に係る自動車の熱交換器システム及び発明思想の有利な実施形と発展形は、従属請求項２から１７の対象である。

自動車の熱交換器システムは、作動媒体の為の一つの閉じられた循環系を有する。循環系内には蒸発装置が統合されている。これは、自動車の内燃機関の排ガス流中に設けられており、そして排ガスと熱交換を行う接触をしている。自動車の内燃機関から連行される排ガスは、この為、全部が、又は部分的に、排ガスチャネルを通して導かれる。蒸発装置内においては、作動媒体が蒸発され、そしてそこから出発して自動車内に設けられた凝縮装置に向かって流れる。凝縮装置内には、コンシューマーとの熱伝達が行われる。その際、蒸気状の作動媒体は凝縮し、そして液体となる。リターン配管を介して液体の作動媒体は蒸発装置に戻される。

発明に従い、蒸発装置は、少なくとも一つの蒸発装置カセットを有する。その際、蒸発装置カセットは、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。

カセット構造によって、又はプレート形状の構造によってモジュール化及びスケール化が可能である。更に、コンパクトな構造で大きな熱伝達面が達成されることが可能である。効率的な熱伝達面は、蒸発装置カセットの大きさを介して変更されることが可能である。更に、複数の蒸発装置又は蒸発装置カセットを並行して作動させ、ひいては排ガスチャネルの数量を介して、出力の他に所定の作動点における効率を構成する可能性が存在する。

蒸発装置カセット内では、毛細管構造によって液体側と蒸気側が互いに分離されている。毛細管構造は、好ましくは多孔性のプレート筐体によって形成されている。ここで有利な観点は、毛細管構造が焼結された材料から成ることを意図している。特に、毛細管構造は金属ベースで形成されている。

作動中、作動媒体は液体側から毛細管構造を通って移動し、そしてここで蒸発される。蒸発装置の運転の間の液体と蒸気の間の相境界は、毛細管構造内を推移する。これによって、毛細管圧が構築され、これは作動媒体の循環系の前提となり又はこれを保証する。蒸気側では、ガス状又は蒸気状の状態で作動媒体が毛細管構造から流出する。ここから、循環系内の蒸気状の作動媒体が導き出される、又は送出される。

毛細管構造の製造は特に有利である。毛細管構造は、独立して製造されることが可能である。特に有利には、毛細管構造は、ばらばらの金属のバルクパウダーから焼結される。これは、毛細管構造が異なる幾何形状的形態を有することを可能とする。更に、複数の蒸気チャネルが、焼結型内に直接統合されることが可能である。好ましくは、蒸気案内のために必要な蒸気チャネルが、材料統一的に一体に毛細管構造内に形成されている。

しかしまた、基本的に、毛細管構造が金属のランダム不織布（独語：Ｗｉｒｒｆａｓｅｒｖｌｉｅｓ）として形成されていることも可能である。

ハウジングは、好ましくは、耐腐食性の材料及び／又は良好な熱伝達を行う材料、特に金属、好ましくは鋼、特にステンレスから成る。

毛細管構造内には蒸気チャネルが形成されている。特に有利には蒸気チャネルは、排ガスチャネルの方に向けられた毛細管構造の面内の蒸気側に設けられている。

好ましくは蒸発装置には、又は各蒸発装置カセットには、蒸気収集室が付設されている。この中で、蒸発装置から又は蒸発装置カセットから流れ出す蒸気が集められ、そしてそこから凝集装置に導かれる。

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カセットを含むことを意図する。蒸発装置カセットは、好ましくはモジュール式に、隣接する蒸発装置カセットの間に、自動車の内燃機関から来る排ガスの為の各一つの通路が形成されているように組み立てられており、そして互いに接合されている。相応して、一又は複数の排ガスチャネルが其々、隣接する互いに接合された二つの蒸発装置カセットの間に形成されている。

この関係で、一又は複数の排ガスチャネル内に、熱移行面の拡大の為の手段が設けられているとき更に有利である。これによって高温の排ガスから作動媒体への熱伝達の効率の向上が図られることが可能である。好ましくは、熱伝達面の拡大の為の手段は、リブ（独語：Ｒｉｐｐｅｎ）、ウェブ（独語：Ｓｔｅｇｅ）又はフィン（独語：Ｌａｍｅｌｌｅｎ）として形成されている。実践では、ステンレス薄板フィンが、熱伝達面の拡大の為の特に良好な手段と見られる。そのような手段は、排ガス流から作動媒体への排ガス側の熱伝達に有利に働く。

蒸発装置カセットは、好ましくは長方形のプレート形状に構成されている。簡単な構成で、蒸発装置カセットのハウジングはハウジングシェル又はハウジング槽から成る。これは、カバーによって閉じられている。カバー内に、又はカバーを介して、必要な接続部が作動媒体の為にも圧力調整の為にも統合される。蒸発装置カセットの内部室内には、毛細管構造が設けられており、これが同様に長方形のプレート形状の構成されている。この態様は、製造技術的に有利である。同じことは、蒸発装置の重量と必要な構造空間にも言える。

生産技術的及び製造技術的には更に、ハウジング、特にハウジングシェル、及びカバーが、正面壁部、又は正面側のスクリーンと同様、薄板変形部材及び／又は打ち抜き部材として形成されることが可能であることは有利である。その結果、これらは大量生産で安価に製造可能である。

上述したように、ハウジングは好ましくはステンレスから成る。ハウジング内又はハウジングの構成部材、特にカバー又はハウジングシェル中には、条部及び／又は刻印又はエングレーブが設けられていることが可能である。条部、刻印又はエングレーブのようなそのような材料変形部は、ハウジングの強度の向上又は補強の為に設けられていることが可能である。同様に、そのような条部、刻印又はエングレーブは、接続面又は流れチャネルとして形成されていることも可能である。

ハウジング内、特にハウジングシェルの底部内における条部は、蒸気溝を形成することも可能である。この蒸気溝は、蒸発装置カセットの蒸気側における蒸気の導出又は搬送の為に機能する。

有利な観点は、シェル筐体の内部の方向に向けられた周回する刻印又は条部がカバー内に設けられていることを意図する。条部は、場合によっては耐高温性のシールを構成しつつ、液体側で毛細管構造に当接する。カバー、シール、及び毛細管構造の中間空間は、供給される液体の作動媒体の分配室として使用される。

更に、ハウジングシェル内、特にハウジングシェルの底部内にも、条部形状の刻印又はエングレーブが設けられていることが意図されている。二つの隣接する蒸発装置カセットにおいては、カセットは、条部に沿って近接位置しており、そして排ガスチャネルを画成する。当該幾何形状によって、特に条部の高さ又は深さによって、蒸発装置カセットの間の間隔が決定され、ひいては排ガスチャネルの大きさが定義される。

本発明の別の観点は、毛細管構造が、ハウジング内にシールを構成しつつ設けられていることを意図する。ここで特に、高温耐性を有する複数のシール、特にグラファイトベースのシールが使用される。シールは２００度を超える高温にさらされる。

毛細管構造と一又は複数のシールは、ばらばらにハウジング内に挿入され、そしてカバー又はハウジングシェルを介して力結合的に保持されている。ハウジングシェル及びカバーは、接続配管や前後の正面槽又は正面薄板のような熱交換器の他の部材と同様、材料結合的に互いに接合されている。これによって熱交換器カセットのシール性も排ガスチャネルのシール性と同様、保証される。材料結合的な接続の為に、例えばはんだ付けが使用される。これは例えば真空下における炉内ロウ付けである。炉内ロウ付けプロセスによって、多数の接合箇所が同時に製造されることが可能である。更に、カバー、ハウジングシェル、及び正面槽は溶接によって接合されていることが可能である。

別の有利な観点は、蒸発装置に作動媒体の為の調整容器が前接続されていることを意図する。特に、調整容器は、リターン配管内に統合されている。

有利な態様は、システム内、特に蒸発装置内に圧力調整の為の手段が設けられていることを意図する。これによって、発明に係る自動車の熱交換器システムの効率が更に向上することが可能である。この目的の為に、特に蒸発装置及び調整容器が圧力調整配管を介して互いに接続されている。このようにして低い圧力レベルが、循環系内において保証される。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されることが可能である。更に、これによってスタートフェーズの温度の安定化が可能である。システムにとって有利な、蒸気配管と凝縮装置配管の間の高い温度差も支持される。

毛細管構造の製造プロセスは、シリンダー構造と比較して比較的簡単である。毛細管構造は、そのプレート形状の態様によって極めて堅牢である。特に有利には、蒸気チャネルが、焼結プロセスの際に毛細管構造内に直接設けられることが可能である。別の本質的な長所は、蒸発装置カセット又は蒸発装置の蒸気側及び液体側の間のシール部が、複雑な嵌めあいを必要としないことである。本発明に係る蒸発装置カセットと、特に毛細管構造の態様は、これによって形状相違及び位置装置に可にてエラー耐性がある。

本発明を以下に図面内に表された実施例にもとづいて詳細に説明する。

自動車の熱交換器システムの発明に係る熱交換器の斜視図。 図１の熱交換器の断面図 図１の熱交換器の他の斜視図。部分的に断面図としてある。 発明に係る熱交換器の別の実施形の斜視図。 図５の熱交換器の断面図。 図３の熱交換器の他の斜視図。部分的に断面図としてある。 毛細管構造の製造のための取穴型の下部材。 蒸発装置カセットの毛細管構造の斜視図。

図１から３および図４から６は、其々、本発明に係る自動車の熱交換器システムの一つの蒸発装置１，２を示す。蒸発装置１，２は、同様に構成されているので、対応する部材又は部材コンポーネントは、同じ参照符号を付されている。

自動車の熱交換器システムは、一つの作動媒体に対して一つの閉じた循環系を有する。作動媒体は特にエタノールである。自動車の熱交換器システムには、蒸発装置１，２と凝縮装置の間の必要な接続配管を含めた図示されていない凝縮装置と、作動媒体の為の調整容器がこれに属する。調整容器は、蒸発装置１，２に前接続されている。

自動車の内燃機関からの排ガスＡＧは、排ガスチャネル３を通して導かれ、そして蒸発装置１，２と熱交換を行う接触をする。蒸発装置１，２は、ここに表されている実施例においては、二つの蒸発装置カセット４，５を有している。モジュール式に接続された蒸発装置カセット４，５の間には、排ガスチャネル３が形成されている。排ガスＡＧは、その後、排ガスチャネル３を通じて中央へと両方の蒸発装置カセット４，５の間を通して導かれる。

図１から３中に表された蒸発装置１は、図４から６の蒸発装置２と、排ガスチャネル３内に、熱移行面の拡大の為の手段６が設けられている点で異なっている。熱移行面の拡大の為の手段６は、蒸発装置２の長手方向に向けられた複数の薄板フィンである。

各蒸発装置カセット４，５はハウジング７を有している。ハウジング７内には毛細管構造８が設けられている。

ハウジング７は、シェル筐体９を有しており、これが開口部側でカバー１０によって閉じられている。各正面側において、ハウジング７は、フロントスクリーン１１及びバックスクリーン１２によって閉じられている。図１および３と４及び６は、其々、排ガスＡＧの排出側１３から見た蒸発装置１または２を示す。フロントスクリーン１１内には、排ガスＡＧの為の長穴の形式のエントリー開口部が設けられている。バックスクリーン１２は、排ガスＡＧの導出の為の排出開口部１４を設けられている。排出開口部１４は、長穴として形成されている（図３または６参照）。図に見て取ることができないエントリー開口部は、排出開口部１４と同様に形成されている。更に、フロントスクリーン１１とバックスクリーン１２内には組立開口部１５が統合されている。ハウジング７の構成部材、つまりシェル筐体９、カバー１０並びにフロントスクリーン１１及びバックスクリーン１２は、ステンレスから成っている。

シェル筐体９は、その側方縁部１６に沿って外側に切り替えられたフランジ部分１７を有する。フランジ部分１７には、カバー１０が縁部側に載置されており、そしてシェル筐体９と密に接合されている。カバー１０内には、液体の作動媒体を蒸発装置カセット４，５内へと供給するためにサプライ部１８が統合されている。更に、カバー１０は、蒸気配管２０を有する蒸気排出部１９と、蒸気調整配管２２の接続の為の調整接続部２１を有する。蒸気調整配管２２は、圧力調整を行いつつここでは図示されていない調整容器と接続している。

更に、条部２３がカバー１０内に見て取れる。これは、安定化機能を有する。

毛細管構造８は、シェル筐体９内に収容されており、そしてそこでカバー１０によって位置合わせされている。カバー１０内には、縁部側を周回する、内側に向けられた刻印２４が設けられている。刻印２４は、圧力ゾーンを形成している。これを介してカバー１０が毛細管構造８に向かって押圧される。刻印２４と毛細管構造８の間には、温度安定的なシール２５が設けられている。シール２５は、フラットシールとして形成されている。

シェル筐体９の底部２６には、両方の長手方向側に、ハウジング７の長手方向に推移し、外側に向かってエングレーブ形成された複数の条部２７が設けられている。条部２７に沿って、隣接する二つの蒸発装置カセット４，５が接触しており、そしてこれらは互いに接合されている。蒸発装置カセット４，５の間には、排ガスチャネル３が形成されいてる。条部２７の寸法を介して、隣接する蒸発装置カセット４，５の底部２６の間の間隔と、ひいては排ガスチャネル３の大きさが決定されることが可能である。側方では、排ガスチャネル３は互いに接合された条部２７によって境界づけられている。条部２７は、そのようにして排ガスチャネル３の側方壁部を形成する。

蒸発装置カセット４，５内に統合された毛細管構造８は、多孔性のプレート筐体２８として、焼結された材料、特に金属材料から形成されている。

焼結型の下部材２９が、図７に表されている。焼結型内には、材料粉が、ばらばらのバルクパウダーとして詰め込まれ、そして引き続いて、焼結型が閉じられ、温度の影響でプレート筐体２８は焼結される。

特に図８には、毛細管構造８がプレート形状で、かつ長方形に構成されていることが見て取れる。図８は、毛細管構造８の蒸気側３０の斜視図を示す。蒸気側３０は、シェル筐体９の底部２６に隣接し、かつ排ガスチャネル３に設けられている、毛細管構造８の面である。毛細管構造８内には、プレート筐体２８の長手方向ＬＲに推移する蒸気チャネル３１が統合されている。更に、横断方向に向けられた蒸気チャネル３１が形成されている。

液体の作動媒体が、蒸発装置カセット４，５にサプライ部１８を介して供給され、そして蒸発装置カセット４，５の液体側３２に至る。ここでカバー１０と毛細管構造８又はプレート筐体２８の間には、縁部側で刻印２４及びシール２５によって境界づけられる分配空間３３が形成されている。液体の作動媒体は、分配室３３内で、液体側３２に毛細管構造８の表面にわたって分配される。排ガスチャネル３を通って流れる高温の排ガスＡＧの熱伝達によって、作動媒体は、蒸発装置カセット４，５内で蒸発される。作動媒体は、液体側３２から毛細管構造８を通過し、そして液体から蒸気状の状態へと変換される。蒸発装置１，２の運転中の液体と蒸気の間の相境界は、毛細管構造８内で推移し、これによって毛細管圧が構築される。これは、作動媒体の循環系の前提となり、又はこれを保証する。蒸気側３０では、蒸気状の作動媒体が蒸気チャネル３１を通って、蒸気収集室３４に至るまで流れる。各蒸発装置カセット４，５は、蒸気収集室３４を有する。蒸気状の作動媒体は、蒸気収集室３４から、其々、蒸気排出部１９と蒸気配管２０を介して連行され、そして凝縮装置へと導かれる。

凝縮装置内では、蒸気状の作動媒体から熱が、コンシューマーへと受け渡される。特に、凝縮装置は、自動車の加熱装置の構成部材であることが可能である。これは例えば内部室暖房装置である。凝縮装置はまた、自動車のエアコン装置のエアコンモジュールの構成部材であることが可能である。熱の受渡しに続いて、蒸気状の作動媒体は凝縮装置内で液体とされ、そして好ましくは重力に従い、サプライ部１８に接続されているサプライ部配管３５を介して蒸発装置１，２又は蒸発装置カセット４，５へと戻り、そこで、液体の作動媒体がサプライ部１８を介して再び進入する。

１ − 蒸発装置
２ − 蒸発装置
３ − 排ガスチャネル
４ − 蒸発装置カセット
５ − 蒸発装置カセット
６ − ｃｈｅ熱移行面の拡大の為の手段
７ − ハウジング
８ − 毛細管構造
９ − シェル筐体
１０ − カバー
１１ − フロントスクリーン
１２ − バックスクリーン
１３ − 排出側
１４ − 排出開口部
１５ − 組立開口部
１６ − 側方縁部
１７ − フランジ部分
１８ − サプライ部
１９ − 蒸気排出部
２０ − 蒸気配管
２１ − 調整接続部
２２ − 蒸気調整配管
２３ − 条部
２４ − 刻印
２５ − シール
２６ − 底部
２７ − 条部
２８ − プレート筐体
２９ − 下部材
３０ − 蒸気側
３１ − 蒸気チャネル
３２ − 液体側
３３ − 分配室
３４ − 蒸気収集室
３５ − サプライ部配管
ＡＧ − 排ガス
ＬＲ − 長手方向

Claims (17)

1. 作動媒体の為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、自動車の熱交換器システムが、排ガス（ＡＧ）を自動車の内燃機関から導くための排ガスチャネル（３）と、作動媒体の蒸発の為に排ガスチャネル（３）と接触する蒸発装置（１，２）を有する自動車の熱交換器システムにおいて、
   蒸発装置（１，２）が、少なくとも一つの蒸発装置カセット（４，５）を有し、その際、蒸発装置カセット（４，５）が、ハウジング（７）及びハウジング（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自動車の熱交換器システム。
2. 蒸発装置カセット（４，５）が、液体側（３２）及び蒸気側（３０）を有し、これらが、毛細管構造（８）によって分離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. 毛細管構造（８）が、多孔性のプレート筐体（２８）によって形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の自動車の熱交換器システム。
4. 毛細管構造（８）が、焼結された材料からな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. 毛細管構造（８）内に蒸気チャネル（３１）が形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の自動車の熱交換器システム。
6. 蒸気チャネル（３１）が、排ガスチャネル（３）の方に向けられた毛細管構造（８）の面内に設けら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. 蒸発装置カセット（４，５）が、液体の作動媒体の為の分配室（３３）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. 蒸発装置カセット（４，５）に、蒸気収集室（３４）が付設さ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（１，２）が、複数の蒸発装置カセット（４，５）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. 排ガスチャネル（３）が二つの蒸発装置カセット（４，５）の間に形成されていることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の自動車の熱交換器システム。
11. 排ガスチャネル（３）内に熱移行面の拡大の為の手段（６）が設けら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。
12. ハウジング（７）が、シェル筐体（９）及びカバー（１０）を有することを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の自動車の熱交換器システム。
13. ハウジング（７）が、複数の条部（２３，２７）及び／又は刻印又はエングレーブを有することを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の自動車の熱交換器システム。
14. 毛細管構造（８）がハウジング（７）内に複数のシール（２５）の組み入れのもと設けられていることを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載の自動車の熱交換器システム。
15. 圧力調整の為の手段が設けられていることを特徴とする請求項１から１４のいずれか一項に記載の自動車の熱交換器システム。
16. 蒸発装置（１，２）の前に作動媒体の為の圧力調整容器が接続されていることを特徴とする請求項１から１５のいずれか一項に記載の自動車の熱交換器システム。
17. 複数の蒸気溝が、蒸発装置カセット（４，５）のハウジング内の複数の条部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１６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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