JP5079696B2 - マルチプルフロー熱交換器 - Google Patents

Description

一般に、本発明は、請求項１の包括的な用語に従った、マルチプルフロー熱交換器に関し、少なくとも２つの流れを備え、これを通して流体が反対方向に通過し、これらはそれぞれ、通路の間にサンドイッチ式に配置された薄板を備えてなる、平行な通路のグループを備えている。特に、本発明は、冷媒流体としてＣＯ₂に基づいて動作する、車両のＨＶＡＣにて使用するためのガス冷却器として確立される、熱交換器に関する。

ＣＯ₂の冷媒流体に基づくＨＶＡＣサイクルは、主に批判的（predominantly transcritical）である。ガス冷却器においては、特に、ガス冷却器における流体収集器と流体分配器との領域において、ＣＯ₂の冷媒流体の温度に大きな差が存在する。一般的なガス冷却器の場合には、冷媒流体を運ぶ通路に加えて、薄板が、通路の間に配置されて通路に鑞付けされ、制約された条件のある種の組合せにおいて、暖かい通路から冷たい通路へ薄板がかなりの熱流を導く。この熱流は、既に冷却された冷媒を再加熱するので、熱の損失である。従って、熱は、周辺空気に放散する代わりに、冷媒流体に不都合に残される。

冷媒通路の間に鑞付けされた、両方の薄板の屈曲部は、およそ等しい温度になっていて、例えば、凝縮器、ガス冷却器、及び放熱器の場合には、最低温度は薄板の中央にあり、熱は、薄板の中央に向けて流れ、同時に、空気流の対流によって放散する。蒸発器のように、空気で加熱される熱交換器においては、薄板の中央における温度の状況は逆になり、すなわち、最高温度になるが、原理は同一のままである。

ＤＥ １０３ ４６ ０３２ Ａ１によって知られている熱交換器は、熱交換器の管の片方の部分として形成された入口側の通路と、熱交換器の他方の部分として形成された出口側の通路との間に、少なくともひとつの熱交換阻止装置が設けられ、入口側の通路を流れる第１の流体と、放出側の通路を流れる第１の流体との間における熱移動を防止する。熱交換阻止装置は、熱交換管における入口側の通路と放出側の通路との間において、小さい横断面積をもった収縮部分によって形成されている。また、熱交換阻止装置は、薄板に形成されたスロットとして確立され、あるいは、断熱を備える。

ＤＥ １９５ ３６ １１６ Ｂ４が開示している、自動車用の熱交換器は、２つの収集管と、熱交換媒体を導く第１の回路のための前記収集管の間に据え付けられた薄板管ブロックとを具備してなるユニットを備え、ユニットは、別の熱交換媒体を導くための少なくともひとつの別の回路のための熱交換手段を備えている。収集ローブと薄板管ブロックとを具備しているユニットは、少なくとも２つの互いに独立した熱交換領域に分割され、これにより、少なくともひとつの別の回路のための熱交換手段は、少なくともひとつの熱交換領域に統合されている。この発明の特徴は、それぞれの両方の収集管と分離壁の構成とが、間に空間をもった２つの終端壁によって等しいレベルに形成され、２つの終端壁によって制限された空間には、外部へ通じる制御孔が設けられていることである。

上述した発明の不都合は、異なる流体温度をもった通路間における不要な熱伝達を避けるのに必要でない、重要ではない製造努力にある。

ＤＥ １０３ ４６ ０３２ Ａ１ ＤＥ １９５ ３６ １１６ Ｂ４

本発明の目的は、マルチプルフロー熱交換器、特にガス冷却器であって、簡単な構造的やり方にて、サンドイッチ式に通路の間に配置された薄板をもった、異なる流体温度を有する通路の間における、不都合な熱損失につながる熱伝達を、回避し又は大いに減少させるものを提供することである。

問題点を解決するために、マルチプルフロー熱交換器、特に、ガス冷却器は、少なくとも２つの流れを備え、これを通して流体が反対方向に流れ、流れはそれぞれ、通路の間にサンドイッチ式に配置された薄板を備えてなる、複数の平行な通路のグループを備えている。偏向ポケットは、熱交換器における第１の前側に配置され、流体の方向を反転させ、第１の流れのための流体分配器と、第２の流体のための流体収集器とが、熱交換器における第２の対向する前側に配置されている。本発明によれば、隣接する流れのための、それぞれ異なる流体温度をもった、隣接通路は、互いに熱的に分離されている。

以下、初めに、本発明による、隣接通路の熱的分離について言及し、それぞれが異なる流体温度をもった、隣接する流れを用いて、デザイン及び薄板通路ブロックとして確立された熱交換器の使用と独立して、熱損失を減少させる。熱交換器は、１列のデザイン又は複数の列のデザインにおいて設計される。複数の列のデザインにおいては、少なくとも２つの列が設けられ、それぞれが通路の間に配置された薄板をもった通路から形成され、列は、共通する薄板通路ブロックを形成するための管を使用することで、平行な平面において、一緒に結合されている。

ガス冷却器及び凝縮器は別として、放熱器又は蒸発器は、熱交換器として提供される。ガス冷却器として使用するためには、環境的に中立な、ＣＯ₂が冷媒流体として使用される。

以下の説明においては、薄板という用語だけを用いるが、フィンも含まれる意味である。

熱的分離は、隣接する流れ及び環境への、それぞれが異なる流体温度をもった、隣接する通路の間において、熱交換器の効率を減少させるように働くであろう、不都合な熱伝達を、回避し又は少なくとも減少させる。この効果は、熱交換器の通路を通る流れの方向に、流体の温度低下が大きくなると、より重要になる。熱的分離の焦点は、流体収集器と流体分配器との領域にあり、というのは、これらの領域においては、本来的に、高温にて通路に入る流体と、低温にて通路から出る流体との間に、大きな温度差が存在するためである。

熱的分離は、異なるデザイン手段によって実現しても良い。

本発明の第１の好ましい実施形態においては、薄板に代えて、断熱材が、隣接する流れのための、それぞれ異なる流体温度をもった、隣接通路の間に設けられる。非金属などの高い熱抵抗をもった、貧弱な熱導体は、断熱材に適した材料である。好ましくは、断熱材は、それぞれが異なる温度をもった、隣接通路の間の空間を完全に充填している。

本発明の第２の好ましい実施形態においては、隣接する流れのための、それぞれ異なる流体温度をもった、隣接通路の間の構造的空間は、熱的な分離のために、薄板が無いことで確立される。この構造的な空間又は距離は、それぞれ、これらの流体運搬通路の間において、有利には、流れの通路の残りの距離の大きさに比べて大きい量を有する。

本発明の第３の好ましい実施形態においては、隣接する流れのための、それぞれ異なる流体温度をもった、隣接通路の熱的な分離のために、間に配置された薄板は、長手方向の延長部において、少なくとも部分的にスロットを備えている。スロットのために、２つの薄板の半体は、空気の隙間によって互いに分離され、代表的には鑞付けによってそれぞれの隣接通路に結合された、互いに対向した形状になる。空気の隙間は、熱交換器に伝達されるべき熱出力に応じて、または、流体の温度低下に応じて、可変の幅を有する。

本発明の第４の好ましい実施形態においては、隣接する流れのための、それぞれ異なる流体温度をもった、隣接通路の熱的な分離のために、間に配置された薄板は、長手方向の延長部において、残余の薄板とは異なった、構造的な高さ及び／又は材料の厚みを有している。薄板の高さを拡大することで、第１に、異なる温度の通路の間の熱伝達距離を増加させ、第２に、薄板に対して垂直な方向に流れる空気の流速が減少するため、熱伝達係数が減少する。この薄板の材料の厚みは、薄板に起因する、空気側の圧力低下の差を許容する寸法になっている。

本発明の第５の好ましい実施形態においては、隣接する流れのための、それぞれ異なる流体温度をもった、隣接通路の熱的な分離のために、前記通路のうちひとつだけに又は両方に、断熱材保護層が設けられている。この場合、隣接通路の間に配置される薄板の高さは、熱交換器における残余の薄板の高さと等しくなっている。実際には、最初に、断熱材保護層は、ひとつの通路又は両方の通路に適用され、次に、熱交換器を完成させるために、薄板は通路の間に挿入されて、そこに固定される。本発明において、断熱材保護層を有するためにひとつだけの通路が確立される場合、薄板は、対向する通路の熱を放散するためだけに使用される。

本発明の第６の好ましい実施形態においては、隣接する流れのための、それぞれ異なる流体温度をもった、隣接通路の熱的な分離のために、前記通路のうちのひとつは、めくら通路として確立され、または、追加的なめくら通路が、両方の流体運搬通路の間において熱交換器に挿入されている。最も簡単な事例においては、めくら通路は、元来は、流れの流体運搬通路であり、これは、前側にて、すなわち、流体収集器又は流体分配器のそれぞれの領域において、及び／又は、偏向ポケットにおいて、流体に対してしっかりと閉じられる。通路は、波よけ板又はめくら板をそれぞれ用いて閉じられ、熱交換器における分配器及び収集器のために別々に設けられ、この通路には流体が流れなくなる。加えて、この通路に代えて、少なくともひとつの波よけ板又はめくら板のそれぞれが、流体分配器又は流体収集器に配置される。流体が機能しないように通路を切り替える別の方法は、分配器又は収集器のそれぞれ及び偏向ポケットへの両方の前側にて、静的な理由から、この通路を固定し、分配器、収集器、又は偏向ポケットへのこれらの場所に、この通路を液圧的に結合しないことである。実際には、この通路は、分配器又は収集器のそれぞれに鑞付けされない。

本発明の更なる詳細及び利点については、添付図面に関連させた以下の好ましい実施形態の説明を考察することで、当業者に明らかになる。

図１乃至図６は、本発明によるマルチプルフロー熱交換器を示した断面図であって、隣接する流れ２，３のための、それぞれ異なる流体温度をもった、隣接通路４．１を熱的に分離する、異なるデザインの解決手段を示している。ガス冷却器として確立された熱交換器１は、本質的に、２つの流れ２，３を備え、これを通して、ＣＯ₂の冷媒流体１３が反対方向に流れ、これらのそれぞれは、通路４の間にサンドイッチ式に配置された薄板５を備えてなる、複数の平行な通路４のグループを形成している。偏向ポケット６は、熱交換器１の第１の前側１．１に配置され、冷媒流体１３の方向を反転させる。第１の流れ２のための流体分配器７と、第２の流れ３のための流体収集器８とは、熱交換器１における第２の対向する前側１．２に配置されている。両方の流れ２，３は、ひとつの同一のＣＯ₂冷媒流体１３によって通過され、従って、熱交換器１における両方の前側１．１，１．２の間に延び、第２の流体として熱伝達に貢献する空気は、ＣＯ₂冷媒流体１３の流れの方向に対して垂直に流れて、熱交換器１の薄板５を通り抜ける。通路４の間に配置された、薄板５をもった、すべての通路４の全体は、通路薄板ブロックを構成している。薄板５は、それらの薄板屈曲部の領域において、両方の通路４に鑞付けによって結合され、静的に固定され、熱伝達するやり方にて、両側の薄板を組み立てている。図示の例においては、熱交換器１は、１列の通路薄板ブロックとして確立されている。しかしながら、付随する管に複数列のやり方にて切り替えられる熱交換器１は、本発明のアイデアに反するものではない。本発明の中心点なアイデアは、隣接する流れ２，３のための、それぞれ異なる流体温度をもった、隣接通路４．１が、互いに熱的に分離されていることである。

図１において、熱交換器１における隣接する流れ２，３のための、それぞれ異なる流体温度をもった、隣接通路４．１の熱的な分離は、断熱材によって実現される。高い熱抵抗をもった、貧弱な熱導体から作られた、断熱材９は、元来の薄板５に代えて、隣接通路４．１の間に配置される。好ましくは、断熱材９として、耐熱プラスチック材料が使用される。通路の距離、又は断熱材９の幅は、残余の薄板５の高さから外れて、特に、小さな寸法になっている。もっとも簡単な事例においては、断熱材９は「停滞空気」から構成され、隣接する流れ２，３のための、それぞれ異なる流体温度をもった、隣接通路の間の構造的な空間は、薄板が無いことで確立される。

図２は、隣接する流れ２，３のための、隣接通路４．１の間に配置された、スロット付き薄板５を備えてなる、マルチプルフロー熱交換器１を示している。スロット付き薄板５．１は、その後に実行される鋸引きの工程によって製造される。図示の例においては、部分的に中断したスロット１０は、熱交換器１における通路４に対して平行に延びている。スロット１０は、薄板の全長にわたって絶対的に確立する必要はないことが判明したが、とりわけ、大きな温度差による熱損失が最大となるこれらの場所、すなわち、流体収集器８及び流体分配器７の領域に設ける。スロット１０によって、空気の隙間にて分離された２つの対向する薄板半体が存在し、スロット１０は、従って、隣接通路４．１の間における伝導熱伝達を防止する。

図３は、隣接する流れ２，３のための、それぞれ異なる流体温度をもった、隣接通路４．１の間に、めくら通路１２を確立された、マルチプルフロー熱交換器１を示している。めくら通路１２においては、両方の通路４．１のうちひとつは、その前側が、冷媒流体１３に対してしっかりと閉じられ、すなわち、流体収集器８又は流体分配器７のそれぞれ、及び／又は偏向ポケット６の領域が閉じられる。十字は、それぞれの事例における閉鎖を示している。実際には、波よけ板又はめくら板１５のそれぞれが、前側に取り付けられて、それぞれの場合に使用され、それぞれのめくら通路１２は、もはや、実際の熱伝達にはかかわらない。

図４には、隣接する流れ２，３のための、それぞれ異なる流体温度をもった、隣接通路の間に配置された、大きな構造的高さを有する薄板５．１を示している。薄板５．１は、残余の薄板５に比べて、拡大した構造的な高さを有している。拡大した薄板の高さは、一方においては、異なる温度の隣接通路４．１の間における熱伝達距離を増加させ、他方においては、冷媒流体１３から空気への熱伝達に必要な、熱伝達面を増加させる。薄板の高さは、薄板５．１に起因する、空気側の圧力低下の差を許容する寸法になっている。さらに、構造的な高さを変更された、この薄板５．１は、例えば、変更された小さな材料の厚みを有していても良い。図４による両方の手段は、熱損失を抑えることを目的としている。

図５は、隣接する流れ２，３のための、それぞれ異なる流体温度をもった、隣接通路４．１の間に配置された、薄板５．１を備えてなる、マルチプルフロー熱交換器１を示していて、薄板には、断熱材保護層１１が設けられている。断熱材保護層１１は、両方の隣接通路４．１の片方に設けられ、薄板５．１に向かっている。ここで、隣接通路４．１の間に配置された、薄板５．１の高さは、熱交換器１における残余の薄板５の高さと等しくなっている。代表的には、最初に、断熱材保護層１１は、通路４．１に適用され、次に、熱交換器１を完成させるために、薄板５．１は、通路４．１の間に挿入されて、そこに固定される。本発明において、断熱材保護層１１を有するためにひとつだけの通路４．１が確立される場合、薄板５．１は、対向する通路４．１の熱を放散するためだけに使用される。

図６は、図３に従った、本発明による熱交換器１における流体分配器７を示した詳細図である。隣接する流れ２，３のための、それぞれ異なる流体温度をもった、隣接通路４．１の熱的な分離のために、図３に従って、前記通路のひとつは、めくら通路１２として確立されている。めくら通路１２を確立するために、２つの波よけ板又はめくら板１５のそれぞれが、流体分配器７に配置されて設けられる。両方の波よけ板又はめくら板１５のそれぞれは、相補的なスロット１６と積極的に係合し、これらは、一方においては、互いに平行に配置され、他方においては、流体分配器７の長手方向に対して直交して延びている。加えて、流体分配器７に取り付けられた、ソケット１４は、それぞれのこれらの波よけ板、又はめくら板１５に設けられる。最も簡単な事例においては、ひとつだけの、波よけ板又はめくら板１５のそれぞれが設けられる。

図７は、異なる長さを有するいくつかの通路４の例を参照して、構造長さの関数として、薄板５．１の表面温度を示したグラフである。薄板５．１が、それぞれ異なる流体温度をもった、２つの通路４．１と接触するとき、すなわち、薄板５．１が隣接通路４．１の外側に鑞付けされている場合、温度の輪郭は、図６に示した結果になる。ひとつの通路４．１に鑞付けされた薄板の側の温度は、冷媒流体１３の流れ距離に沿って低下し、第２の通路４．１に鑞付けされた、対向する薄板の側では、通路の温度は上昇する。これは、第１及び第２の流れ２，３の通路４において、冷媒流体１３の流れは反対方向であることに起因し、同時に、冷媒流体１３の温度は低下する。

図８には、これらの事例について、計算された、薄板５．１を通る熱流を、グラフの形態にて示している。熱は（対流によって周辺空気に放散された熱に加えて）、薄板５．１を通って、片方の通路４．１（薄板長さ＝０）から、他方（薄板長さ＝１）へと流れる。基本的に、熱伝達距離が短くなるので、これは熱損失である。論理的には、空気に放散される代わりに、冷媒流体１３に、かなりの量の熱が残っている。熱損失が高くなると、対向する薄板の端部の間の温度差は高くなる。調査したサイズのガス冷却器における総合熱損失は、限定された条件の下で（ガス冷却器深さ＝１２．３mm、冷媒管の本数＝４５、薄板の列の数＝４６、薄板の高さ＝６．５mm、薄板のピッチ＝１．１３mm（管あたり５３４の薄板）、Ｔref,in＝１３０℃、基準質量流量＝１００〜２００kg/h、Ｔair,in＝４４．８℃、空気質量流量＝２５〜７０kg/min）、４５０Ｗまでの低い冷媒質量流量について計算された。

実用試験は、同様の結果を示した。図９は、総合性能を示したグラフであって、標準的な２通路／１２mmのガス冷却器（４５ＭＰの管、１２×１．２mm²及び１２×６．５mm²）について、通路４．１の間に熱損失に対する保護が無い場合（塗りつぶした目印の線）と、同一の熱交換器１について、通路４．１の間の薄板５．１を除去した後、すなわち、熱的分離した場合（塗りつぶしていない目印の線）とについて示している。試験されたガス冷却器の総合熱性能は、制限された条件の組「低い性能」において、平均５．４５％だけ改善された。より高い冷媒流量、及び冷媒流体１３及び空気のより高い入口温度においては、冷媒通路４．１間の熱損失に対する保護に起因する、総合性能の改善はかなり小さい。明確に、すべての制限された条件の下において、隣接する流れ２，３のための、それぞれ異なる流体温度をもった、隣接通路４．１の間の薄板５．１を完全に除去することは、決して、性能を減少させない。

断熱材を設けられた、マルチプルフロー熱交換器を示している。 スロット付き薄板を設けられた、マルチプルフロー熱交換器を示している。 めくら通路を設けられた、マルチプルフロー熱交換器を示している。 構造的高さが変化した薄板を設けられた、マルチプルフロー熱交換器を示している。 断熱材保護層を設けられた、マルチプルフロー熱交換器を示している。 波よけ板又はめくら板のそれぞれを設けられた、流体分配器７を示した詳細図である。 両方の隣接通路の間に配置された、薄板の表面温度を示したグラフである。 両方の隣接通路の間に配置された、薄板を通る熱流を示したグラフである。 両方の隣接通路の熱的分離を備えた及び備えない、熱交換器の総加熱出力を示したグラフである。

符号の説明

１ 熱交換器
１．１ 第１の前側
１．２ 第２の前側
２ 第１の流れ
３ 第２の流れ
４ 通路
４．１ 隣接通路
５ 薄板
５．１ 薄板
６ 偏向ポケット
７ 流体分配器
８ 流体収集器
９ 断熱材
１０ スロット
１１ 断熱材保護層
１２ めくら通路
１３ 流体、冷媒流体
１４ ソケット
１５ 波よけ板又はめくら板
１６ スロット

Claims (8)

1. マルチプルフロー熱交換器（１）、特に、ガス冷却器であって、反対方向の流体（１３）によって通過可能な、少なくとも２つの流れ（２，３）を備え、流れ（２，３）はそれぞれ、通路（４）の間にサンドイッチ式に配置された薄板（５）を備えてなる、複数の平行な通路（４）のグループを備え、流体（１３）の方向を反転させる偏向ポケット（６）が、熱交換器（１）における第１の前側（１．１）に配置され、第１の流れ（２）のための流体分配器（７）と、第２の流れ（３）のための流体収集器（８）とが、熱交換器（１）における上記第１の前側（１．１）と水平方向に対向する第２の前側（１．２）に互いに隣接して配置され、上記熱交換器において、隣接する流れ（２，３）のための、それぞれ異なる流体温度をもった、隣接通路（４．１）が、互いに熱的に分離され、上記隣接通路（４．１）の間に配置された薄板（５．１）は、横断延長部において、少なくとも部分的にスロット（１０）を備え、このスロット（１０）は、温度差による熱損失が最大となる上記流体分配器（７）及び上記流体収集器（８）の領域に上記通路（４）の長手方向と平行に延びるように設けられ、このスロット（１０）によって、空気の隙間にて分離された２つの対向する薄板半体が存在し、上記スロット（１０）は、上記隣接通路（４．１）間における伝導熱伝達を防止することを特徴とするマルチプルフロー熱交換器。
2. マルチプルフロー熱交換器（１）において、隣接する流れ（２，３）のための、それぞれ異なる流体温度をもった、隣接通路（４．１）の熱的な分離のために、元来の薄板（５）に代えて、断熱材（９）が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のマルチプルフロー熱交換器。
3. マルチプルフロー熱交換器（１）において、隣接する流れ（２，３）のための、それぞれ異なる流体温度をもった、隣接通路（４．１）の熱的な分離のために、通路（４．１）の間に配置された薄板（５．１）は、横断延長部において、残余の薄板（５）とは異なった、構造的な高さ及び／又は材料の厚みを有していることを特徴とする請求項１又は２に記載のマルチプルフロー熱交換器。
4. マルチプルフロー熱交換器（１）において、隣接する流れ（２，３）のための、それぞれ異なる流体温度をもった、隣接通路（４．１）の熱的な分離のために、少なくともひとつのこれらの通路（４．１）に、断熱材保護層（１１）が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のマルチプルフロー熱交換器。
5. マルチプルフロー熱交換器（１）において、隣接する流れ（２，３）のための、それぞれ異なる流体温度をもった、隣接通路（４．１）の熱的な分離のために、これらの通路（４．１）のうちのひとつは、めくら通路（１２）として確立され、または、少なくともひとつの波よけ板又はめくら板（１５）のそれぞれを使用することで、冷媒流体のために機能しないことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載のマルチプルフロー熱交換器。
6. マルチプルフロー熱交換器（１）において、隣接する流れ（２，３）のための、それぞれ異なる流体温度をもった、隣接通路（４．１）の間の構造的空間における熱的な分離は、薄板が無いことで確立されることを特徴とする請求項１に記載のマルチプルフロー熱交換器。
7. マルチプルフロー熱交換器（１）において、熱交換器（１）として、凝縮器、放熱器、又は、蒸発器が設けられていることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載のマルチプルフロー熱交換器。
8. マルチプルフロー熱交換器（１）において、流体（１３）として、ＣＯ₂の冷媒が提供されていることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載のマルチプルフロー熱交換器。

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