JP6247719B2 - 自動車の熱交換器システム - Google Patents

Description

本発明は自動車の熱交換器システムに関する。

内燃機関の向上する効率の結果として、冷却水は、低い環境温度の場合、特に寒い季節においては、ゆっくりと暖められるのみである。これから、既知のウォーターヒーティングによる自動車の内部空間加熱の為の熱欠損が生じる。この理由から、特にディーゼル車両において、シリーズ的に電気的な追加ヒーター、いわゆるＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔの頭文字）ヒーターがエアコンモジュール内に組み込まれている。そのような追加ヒーターは、内部空間内に流れ込む空気を追加的に温める。ただし、運転の為の必要な電気的エネルギーは、少なからずの燃料消費増加に通じる。

先行技術から、特に、排ガス熱交換器（これによって冷却水が排ガス熱によって加速的に温められる）を使用することにより、熱欠損を減少させることを目的とする様々なアプローチが既知である。

特許文献１又は２並びに３は冷却水が複数の熱管、いわゆるヒートパイプによって加速的に温められるという提案を開示する。ここで従来のヒートパイプが使用される。その際、ヒートパイプの蒸発装置領域は、該ガスと接触し、そして凝縮装置部分は、エンジンの冷却循環系と接触している。知られているように、ヒートパイプは、毛細管構造を有する内部壁に設けられており、この毛細管構造は作動媒体を凝縮装置部分から蒸発装置ゾーンへと戻るように搬送する。

特許文献４の範囲においては、循環系タイプのヒートパイプ、いわゆるループヒートパイプが記載されている。このヒートパイプは、熱を排ガスから空冷式の凝縮装置へと導く。凝縮装置を介してドライバーキャビン内に流れ込む空気は温められる。

ループヒートパイプを含めたヒートパイプは、純粋にパッシブ式に、自己制御式に、そして追加的なポンプ無で作動する。熱搬送は、蒸発エンタルピーの利用によって行われ、これによって蒸気配管を介してのセンシブルな熱の損失が、ほとんど問題でなくなる。その結果、ヒートパイプによって高い効率の熱搬送が可能である。ヒートパイプのデメリットは、振動下における制限された搬送性能である。例えばエンジン振動や走行作動の結果のショックによって引き起こされる振動によって、ヒートパイプにおいて力が、毛細管構造内部の作動媒体へと作用する。これらは、作動媒体の流れを妨げるか、又は作動媒体が毛細管構造から噴出することへと通じる可能性すらある。ループヒートパイプ又は循環系タイプのヒートパイプにおいては、この問題が背景に退くが（重要でなくなるが）、しかし、排ガス熱利用の為のループヒートパイプ蒸発装置の構成および製造は、比較的複雑である。排ガスおよび液体のおよび蒸気状の作動媒体が互いに分離される必要があることによって、相応するシールコンセプトが必要である。さらに、毛細管構造の、孔の大きさと多孔性に関する要求事項から比較的高価な部材が生じる。

米国特許第４，０８７，０４７号明細書 ドイツ連邦共和国特許出願公開第２５ ２３ ６４５ Ａ１号 ドイツ連邦共和国特許出願公開第３８ ０６ ４１８ Ｃ２号 ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０ ２００８ ００７ ７２６ Ａ１号

先行技術から出発して本発明の課題は、効率的かつ安価な自動車の熱交換器システムを提供することである。当該熱交換器システムは、排ガスから自動車内のコンシューマー、特に自動車の内部室暖房装置への熱搬送を追加的なポンプなく可能とする。

この課題の解決策は、請求項１が示す。

本発明の有利な態様および発展形は、従属請求項の対象である。

発明にかかる自動車の熱交換器システムは、作動媒体のための一つの閉じられた循環系を有する。この循環系内には、蒸発装置が統合されている。蒸発装置は、自動車の熱源と接触している。熱源は、特に、自動車の内燃機関からの高温の排ガスであることが可能である。ここで自動車の内燃機関の排ガス流中に蒸発装置が設けられており、そしてこれは熱交換を行うよう排ガスと接触している。蒸発装置内での作動媒体の蒸発のために、しかしまた、自動車の他の熱源が使用されることも可能である。これは、例えば電動自動車の電気部材や出力電子部品からの放熱である。自動車の電動モーター自体も、熱源を形成することができる。その際、電動モーターの放熱が自動車の熱交換器システムないの作動媒体の蒸発のために使用される。

作動媒体は、蒸発装置内で蒸発され、そしてそこから、自動車内の蒸発装置の上に設けられた凝縮装置へと流れる。凝縮装置内では、コンシューマとの熱交換が行われる。その際、蒸気状の作動媒体は、凝縮し、そして液化される。蒸発装置への液体状の作動媒体の逆動は、重力の作用で行われる。

凝縮装置は、特に、自動車のエアコンモジュール中の空冷の凝縮装置であることが可能であり、または自動車の内部室暖房装置の凝縮装置であることが可能である。さらに、凝縮装置は、モーターオイル自体の、またはトランスミッションのような駆動コンポーネントの過熱ユニットの構成部材であることが可能である。

作動媒体は閉じられた循環系内でそれ自体、システム内または循環系内に存在する密度差、つまり自由な対流によって搬送されるので、ポンプは不必要であり、これによって自動車の熱交換器システムの複雑性およいコストが低くなる。作動媒体として特にエタノールが使用される。当然、水または他のお作動媒体も可能である。

好ましくは、蒸発装置には、蒸気収集室が付設されている。この中で、蒸発装置から流れる蒸気が収集され、そして凝縮装置に導かれる。

基本的に、蒸発装置は排ガスおよび蒸気が同じ方向に流れる並行流であるよう、または反対方向に流れる対向流であるよう形成されいていることが可能である。対向流の構成においては、物質が逆方向に流れる。

本発明の特に有利な観点は、蒸発装置が少なくとも一つの蒸発装置モジュールを有し、これがハウジングを有することが意図されている。ハウジングは、排ガス流と接触する。ハウジング内には、熱交換器構造が設けられている。熱交換器構造は、熱伝達面の拡大のための手段、および／または蒸発率の向上のための手段である。好ましくは、この手段は多孔性の構造を有する。特に、熱交換器構造は、ワイヤー織布または金属不織布からなる。熱交換器構造の材料として、好ましくは良好な熱伝導性の材料、特に金属が使用される。

さらに有利な観点は、蒸発装置に、作動媒体のため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。

自動車の内燃機関から導出される排ガスは、排ガス流として蒸発装置と接触する。基本的に、排ガスが一方側で蒸発装置にそって流れることが十分であることが可能である。実践的な有利な実施系は、蒸発装置が、排ガス流のための通路を有していることを意図する。特に、排ガス流のための中央の通路が蒸発装置内に設けられている。これと関連して、複数の蒸発装置モジュールが一つの蒸発装置にまとまって接続されているとき、さらに有利である。

ここで一つの有利な観点は、プレート形状に構成された複数の蒸発装置モジュールが、これらの間に排ガス流のための一または複数の貫通部が形成されているように、互いに配置されていることを意図する。プレート形状の蒸発装置モジュールは、簡単な構造でハウジングシェルまたはハウジング槽からなっている。これは、カバーによって閉じられている。蒸発装置モジュールの内部空間内には、熱交換器構造が設けられている。そしてこれは間隔保持部を介して壁部に対して間隔をあけている。

好ましくは、排ガス流は、中央において蒸発装置にを通って導かれる。蒸発装置にまとまって接続された複数の蒸発装置モジュールは、これによって排ガスのための一つの通路、特に中央の通路を形成する。一または複数の通路内には、熱移行面の拡大のための手段が設けられていることが可能である。これは特に、リブ、ウェブまたはフィンである。有利な実施系は、熱移行面の拡大のための手段が、ろう付けされた熱交換フィンによって形成されていることを意図している。排ガスは、熱交換フィンの間をハウジングシェルの底部壁にそって流れる。これによってきわめて良好な熱伝達が保証される。

ヒートパイプ、特にルートヒートパイプや循環系タイプのヒートパイプを有するシステムと比較して、毛細管構造も、蒸気および液体相を分離するためのシールコンセプトも蒸発装置内に必要ないという長所がある。毛細管構造の代わりに、多孔性の熱交換器構造、例えばワイヤー織布または金属不織布が、蒸発率の向上のために使用される。発明にかかる自動車の熱交換器システムは、より複雑でないし、これによって製造面でより安価である。

本発明を、図面中にあらわされた実施例に基づきいかに補足的に説明する。

発明に係る自動車の熱交換機システムの技術的簡略図。 発明に係る自動車の熱交換器システムの熱交換器モジュールの技術的に簡易化され、かつ簡略化された長手方向断面図。

自動車の熱交換器システムは、作動媒体ＡＭの為の一つの閉じられた循環系を有し、そして自動車の内燃機関の排ガス流内に統合された蒸発装置１を有する。排ガス流又は排ガスは、図１において矢印ＡＧによって表されている。

蒸発装置１は、二つのプレート上に構成された蒸発装置モジュール２，３を有している（図２も参照）。各蒸発装置モジュール２，３は、ハウジングシェル５とカバー６から形成されたハウジング４を有している。ハウジングシェル５は、周回する縁部８を有し、排ガスＡＧと直接接触する底部壁７を有する。ハウジング４内には熱交換器構造９が設けられている。熱交換器構造９は、熱伝達面の拡大のため、及び蒸発率の向上の為の手段である。熱交換器構造９は、特に多孔性の構造と有し、そして金属から成っている。特に、当該手段は、焼結されたプレート筐体１０である。プレート筐体１０は、ハウジングシェル５内に位置合わせされており、間隔保持部１１を介してカバーに対してシールされている。間隔保持部１１は、シールによって形成されている。底部壁７の方に向けられた、プレート筐体１０の蒸気側ＤＳには、複数の蒸気チャネル１２が設けられている。蒸気チャネル１２は、材料統一的にプレート筐体１０内に一体に形成されている。蒸発装置モジュール２，３の反対側の液体側ＦＳには、プレート筐体１０の液体側ＦＳを介して液体の作動媒体を分配する為の分配室１３が存在している。

上側の蒸発装置モジュール２と下側の蒸発装置モジュール３は、蒸発装置１へとつなぎ合わせられ、そしてその間に排ガス流ＡＧの為の通路１４を形成する。排ガスは、蒸発す値１の排ガスインレット１５を介してこの中に進入し、そして通路１４を通じて排ガス出口１６まで導かれる。ここで排ガスからの熱は、蒸発装置１と作動媒体ＡＭに伝達される。熱流は、図２においては矢印ＷＳによって示されている。蒸発装置１における作動媒体ＡＭの加熱は、作動媒体ＡＭの蒸発温度を越えるまで行われるので、作動媒体は蒸発装置１内で蒸発する。蒸発装置１は、直流で駆動される。つまり排ガスＡＧと蒸気状の作動媒体ＡＭは、同じ方向に流れる。各蒸発装置モジュール２，３の端部側では、蒸気状の作動媒体ＡＭが蒸気排出部１７を介して蒸気収集室１８内へと至る。蒸気収集室１８から、蒸気状の作動媒体ＡＭが蒸気配管１９を介して、自動車内において蒸発装置１の上側に設けられている凝縮装置２０へと流れる。凝縮装置２０内には、蒸気状の作動媒体ＡＭからの熱が、コンシューマーに排出される。特に、凝縮装置２０は、自動車の内部室暖房装置の構成部材である、及び／又はエアコンモジュールに付設されている。熱伝達の結果として、凝縮装置２０内の蒸気状の作動媒体ＡＭは液化し、そして重力の作用でリターン配管２１を介して蒸発装置１内へと流れる。蒸発装置１には、作動媒体ＡＭの為の調整容器２２が前接続されている。これは、リターン配管２１内に統合されている。液体の作動媒体ＡＭは、其々、インレット２３を介して再び、蒸発装置１の蒸発装置モジュール２，３内へと進入する。

本発明に係る自動車の熱交換器システムは、循環系内における追加的なポンプ無しで済む。

１ − 蒸発装置
２ − 蒸発装置モジュール
３ − 蒸発装置モジュール
４ − ハウジング
５ − ハウジングシェル
６ − カバー
７ − 底部壁
８ − ５の縁部
９ − 熱交換器構造
１０ − プレート筐体
１１ − 間隔保持部
１２ − 蒸気チャネル
１３ − 分配室
１４ − 通路
１５ − 排ガスインレット
１６ − 排ガス出口
１７ − 蒸気排出部
１８ − 蒸気収集室
１９ − 蒸気配管
２０ − 凝縮装置
２１ − リターン配管
２２ − 調整容器
２３ − インレット
ＡＧ − 排ガス流
ＡＭ − 作動媒体
ＤＳ − 蒸気側
ＦＳ − 液体側

Claims (5)

1. 自動車の熱交換器システムにおいて、蒸発装置（１）を有する、作動媒体の為の一つの閉じられた循環系が設けられており、蒸発装置内において、作動媒体（ＡＭ）が蒸発され、そして自動車内の蒸発装置（１）の上側に設けられた凝縮装置（２０）に向かって流れ、そして凝縮装置（２０）内で凝縮された液体の作動媒体が重力の作用でリターン配管（２１）を介して蒸発装置（１）内へと戻り案内されること、蒸発装置（１）が、ハウジング（４）及びハウジング（４）内に設けられた熱交換器構造（５）を有する、複数の蒸発装置モジュール（２，３）を有し、当該蒸発装置モジュール（２，３）が、プレート形状に構成され、これらの間に排ガス流のための一または複数の貫通部が形成されているように、互いに配置されてい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（１）に蒸気収集室（１８）が付設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. 熱交換器構造（５）が、多孔性の構造を有す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. 蒸発装置（１）に、作動媒体（ＡＭ）の為の調整容器（２２）が前接続されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の自動車の熱交換器システム。
5. 蒸発装置（１）が、排ガス流（ＡＧ）の為の通路（１４）を有す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。

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