(57)【要約】  一体型の熱交換器及び消音器ユニット（５０,１２０,１４０）は第１流体と第２流体の間で熱を伝導させ、第１流体の騒音を消音するために備えられる。ユニットは第１流体のための第１吸入口（６０）、第１流体のための第１排出口（６２）、第２流体のための第２吸入口（６４）、及び第２流体のための第２排出口（６６）を含む筐体（５２）を含む。ユニット（５０,１２０,１４０）はさらに、前記筐体（５２）内に配置され、第１流体の騒音を消音するために第１吸入口と排出口（６０,６２）の間に接続された共振器（７６）；及び、前記筐体（５２）内に配置され、第１及び第２流体の間で熱を伝導するために第１及び第２吸入口及び排出口に接続された熱交換器コア（１１,１２２）を含む。１つの実施例において、熱交換器コアは共振器を囲む。もう１つの実施例において、共振器は熱交換器コアを囲む。
2007537418.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１流体と第２流体の間で熱を伝導させ、第１流体の騒音を消音するための一体型熱交換器及び消音器ユニットであって：
第１端と第２端の間で軸に沿って拡張する筐体であって、第１流体のための第１吸入口、第１流体のための第１排出口、第２流体のための第２吸入口、及び第２流体のための第２排出口を含み、第１吸入口が前記筐体の第１端に配置され、第１流体を前記軸に並行に方向付けるために構成されており、さらに、第１排出口が第２端に配置され、第１流体を前記軸に並行に方向付けるために構成されている筐体；
前記筐体内に配置された膨張チャンバーであって、第１流体を該膨張チャンバーと第１吸入口及び排出口のいずれか１つの間で移送するために第１吸入口及び排出口のいずれか１つに接続された膨張チャンバー；
前記筐体内に配置された第１流体流路であって、第１流体を該第１流体流路と前記膨張チャンバーの間で移送するために第１吸入口と排出口の間で前記軸に並行に拡張し、前記膨張チャンバーに接続された第１流体流路；
前記筐体内に配置され第１流体流路に接続された共振器；及び、
前記筐体内に配置され、第１流体流路と熱伝導関係で第２吸入口と排出口の間で拡張する第２流体流路を備えるユニット。
【請求項２】
前記第１及び第２流体流路が少なくとも１つの前記共振器を囲む、請求項１に記載のユニット。
【請求項３】
前記第２流体流路が第１流体流路を囲む、請求項２に記載のユニット。
【請求項４】
前記筐体がさらに：
外側の円筒形の壁；
内側の円筒形の壁；及び、
半径方向に向かって内側と外側の円筒形の壁の間に配置された中間の円筒形の壁を備え、
内側及び中間の円筒形の壁が第１流体流路を画定し、中間及び外側の円筒形の壁が第２流体流路を画定する、請求項２に記載のユニット。
【請求項５】
内側及び中間の円筒形の壁の間の第１流体流路に配置されたフィンをさらに備える、請求項４に記載のユニット。
【請求項６】
内側の円筒形の壁が共振器の共振器チャンバーを画定し、第１流体流路を共振器チャンバーに接続するために内側の円筒形の壁を通って複数の共振器オリフィスが拡張する、請求項４に記載のユニット。
【請求項７】
第１及び第２流路が間隔を開けて配置された複数の並行平面によって画定され、前記共振器が第１及び第２流路を囲む共振器チャンバーを備える、請求項１に記載のユニット。
【請求項８】
複数の棒に差し込まれた複数の並行板をさらに備え、前記間隔を開けて配置された複数の並行平面が該複数の並行板の表面である、請求項７に記載のユニット。
【請求項９】
前記共振器がさらに、前記複数の棒のうちの選択された棒に複数のオリフィスを備え、前記選択された棒が第１流路を囲む、請求項８に記載のユニット。
【請求項１０】
前記筐体が円筒形の外面を有する、請求項１に記載のユニット。
【請求項１１】
前記筐体に配置されたもう１つの膨張チャンバーであって、第１流体を第１流体流路と第１吸入口及び排出口の他方の間で移送するために第１流体流路と第１吸入口及び排出口の他方及び第１流体流路に接続された膨張チャンバーを備える、請求項１に記載のユニット。
【請求項１２】
前記筐体内に配置され第１流体流路に接続されたもう１つの共振器を備える、請求項１に記載のユニット。
【請求項１３】
第１流体と第２流体の間で熱を伝導させ、第１流体の騒音を消音するための一体型熱交換器及び消音器ユニットであって：
第１流体のための第１吸入口、第１流体のための第１排出口、第２流体のための第２吸入口、及び第２流体のための第２排出口を含む筐体：
前記筐体内に配置され、第１吸入口から第１流体を受容するために第１吸入口に接続された第１膨張チャンバー；
前記筐体内に配置され、第１排出口に第１流体を方向付けるために第１排出口に接続された第２膨張チャンバー；
前記筐体内に配置され、第１膨張チャンバーから第２膨張チャンバーまで拡張する第１流体流路；
前記筐体内に配置され、第１及び第２膨張チャンバーの間で第１流体流路に接続された共振器；及び、
前記筐体内に配置され、第１流体流路と熱伝導関係で第２吸入口と排出口の間で拡張する第２流体流路を備え、
前記第１及び第２流体流路が前記共振器を囲むユニット。
【請求項１４】
前記第２流体流路が第１流体流路を囲む、請求項１３に記載のユニット。
【請求項１５】
前記筐体内に配置され、第１及び第２膨張チャンバーの間で第１流体流路に接続された付加的な共振器をさらに備える、請求項１３に記載のユニット。
【請求項１６】
前記筐体が第１端と第２端の間で軸に沿って拡張し、各共振器が前記軸に並行に拡張する縦方向の寸法を有する共振器チャンバーを備え、前記共振器チャンバーの一方の縦方向の寸法は共振器チャンバーの他方の縦方向の寸法と等しくない、請求項１５に記載のユニット。
【請求項１７】
前記筐体がさらに：
外側の円筒形の壁；
内側の円筒形の壁；及び、
半径方向に向かって内側と外側の円筒形の壁の間に配置された中間の円筒形の壁を備え、
内側及び中間の円筒形の壁が第１流体流路を画定し、中間及び外側の円筒形の壁が第２流体流路を画定する、請求項１３に記載のユニット。
【請求項１８】
内側及び中間の円筒形の壁の間の第１流体流路に配置されたフィンをさらに備える、請求項１７に記載のユニット。
【請求項１９】
内側の円筒形の壁が共振器の共振器チャンバーを画定し、第１流体流路を共振器チャンバーに接続するために内側の円筒形の壁を通って複数の共振器オリフィスが拡張する、請求項１７に記載のユニット。
【請求項２０】
前記筐体が第１端と第２端の間で軸に沿って拡張し、前記筐体内に配置され、第１流体流路に接続された複数の共振器であって、各々が前記軸に並行な縦方向の寸法を有する共振器チャンバーを含む共振器を備える、請求項１３に記載のユニット。
【請求項２１】
第１流体流路に配置されたフィンをさらに備える、請求項２０に記載のユニット。
【請求項２２】
前記フィンが前記軸に並行な長さであって、少なくとも前記共振器チャンバーのいずれか１つの縦方向の寸法以上であり、全ての膨張チャンバーの結合した縦方向の寸法と等しくない長さを有する、請求項２１に記載のユニット。
【請求項２３】
第１流体と第２流体の間で熱を伝導させ、第１流体の騒音を消音するための一体型熱交換器及び消音器ユニットであって：
第１流体のための第１吸入口、第１流体のための第１排出口、第２流体のための第２吸入口、及び第２流体のための第２排出口を含む筐体：
前記筐体内に配置され、第１吸入口から第１流体を受容するために第１吸入口に接続された第１膨張チャンバー；
前記筐体内に配置され、第１排出口に第１流体を方向付けるために第１排出口に接続された第２膨張チャンバー；
前記筐体内に配置され、第１膨張チャンバーから第２膨張チャンバーまで拡張する第１流体流路；
前記筐体内に配置され、第１流体流路と熱伝導関係で第２吸入口と排出口の間で拡張する第２流体流路であって、前記第１及び第２流体流路が前記共振器を囲んでおり；さらに、
前記筐体内に配置され、第１及び第２膨張チャンバーの間で第１流体流路に接続された共振器を備えるユニット。
【請求項２４】
前記共振器が第１及び第２流路を囲む共振器チャンバーを備えている、請求項２３に記載のユニット。
【請求項２５】
複数の棒に差し込まれた複数の並行板をさらに備え、前記間隔を開けて配置された複数の並行平面が該複数の並行板の表面である、請求項２４に記載のユニット。
【請求項２６】
前記共振器がさらに、前記複数の棒のうちの選択された棒に複数のオリフィスを備え、前記選択された棒が第１流路を囲む、請求項２５に記載のユニット。
【請求項２７】
前記筐体が円筒形の外面を有する、請求項２３に記載のユニット。
【請求項２８】
前記筐体内に配置され第１流体流路に接続されたもう１つの共振器を備える、請求項２３に記載のユニット。
【請求項２９】
第１流体と第２流体の間で熱を伝導させ、第１流体の騒音を消音するための一体型熱交換器及び消音器ユニットであって：
第１流体のための第１吸入口、第１流体のための第１排出口、第２流体のための第２吸入口、及び第２流体のための第２排出口を含む筐体；
前記筐体内に配置され、第１流体の騒音を消音するために第１吸入口と排出口の間に接続された共振器；及び、
前記筐体内に配置され、前記共振器を囲む熱交換器コアであって、第１及び第２流体の間で熱を伝導するために第１及び第２吸入口及び排出口に接続された熱交換器コアを備えるユニット。
【請求項３０】
第１流体の騒音を消音するために第１吸入口及び排出口の間に接続され、前記熱交換器コアによって囲まれている少なくとも１つの付加的な共振器をさらに備える、請求項２９に記載のユニット。
【請求項３１】
前記筐体がさらに：
外側の円筒形の壁；
内側の円筒形の壁；及び、
半径方向に向かって内側と外側の円筒形の壁の間に配置された中間の円筒形の壁を備え、
前記円筒形の壁が熱交換器のための流路を画定する請求項２９に記載のユニット。
【請求項３２】
内側の円筒形の壁が共振器の共振器チャンバーを画定し、第１流体流路を共振器チャンバーに接続するために内側の円筒形の壁を通って複数の共振器オリフィスが拡張する、請求項３１に記載のユニット。
【請求項３３】
第１流体と第２流体の間で熱を伝導させ、第１流体の騒音を消音するための一体型熱交換器及び消音器ユニットであって：
第１流体のための第１吸入口、第１流体のための第１排出口、第２流体のための第２吸入口、及び第２流体のための第２排出口を含む筐体；
前記筐体内に配置され、第１及び第２流体の間で熱を伝導するために第１及び第２吸入口及び排出口に接続された熱交換器コア；及び、
前記筐体内に配置された複数の共振器であって、各々が第１流体の騒音を消音するために第１吸入口及び排出口の間に接続され、各々が前記熱交換器を囲む共振器チャンバー、及び第１流体のために前記共振器チャンバーを流路に接続するための前記熱交換器コアの複数の共振器オリフィスを含む共振器を備えるユニット。
【請求項３４】
前記熱交換器コアが第１及び第２流体のための流路を画定する、間隔を開けて配置された複数の平面を備える、請求項３３に記載のユニット。
【請求項３５】
前記熱交換器コアが棒−板式構造である、請求項３３に記載のユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は２００４年５月１１日に出願された米国特許出願No.60/569,939「Noise Reduction Heat Exchanger」の優先権を主張する。
【０００２】
本発明は一体型の熱交換器及び消音器に関し、特に、カソード空気流のために空気圧縮機の下流に配置される加圧燃料電池システムで使用される一体型の熱交換器及び消音器に関する。
【背景技術】
【０００３】
酸化剤として空気を使用する加圧燃料電池システムにおいて、空気圧縮機は通常、大気圧より高い圧力で空気を供給するために適所に配置される。この圧縮処理は、圧縮機の内部の周期的な移動または回転部材による不快な騒音及び高温の空気の排気を生ずる。それゆえ、この種の装置の典型的なシステムデザインにおいて、騒音を特定の許容レベルまで消音するために空気圧縮機の後部には通常、消音サイレンサー／マフラーが配置される。そして、下流側の装備を保護するために、その後に直列に接続されたガス冷却器によって高温ガスが冷却される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は熱伝導特性の要件を満足するだけではなく、圧縮機（または、コンプレッサー）の騒音抑制特性を満たす空気圧縮機後置冷却器を設計することである。２つの機能を１つの構成要素として設計することにより、燃料電池システムは単純化され、コストが削減される。本発明の広義の目的は新規で改善した一体型熱交換器及び消音器ユニットを提供することである。
【０００５】
本願にはいくつかの特定の目的が記載されているが、本発明の全ての実施例が必ずしもこれら全ての目的を達成するとは限らないことは理解されなければならない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の少なくともいくつかの目的を達成するために、圧縮空気後置冷却器は付加的な部材を必要とせずに、それ自体に空気圧縮機マフラー／サイレンサーの機能を併合する。側面棒（棒−板式）または管状壁（帯電空気冷却器式）には共振孔が掘削または形成され、また、２つ以上の共振器が必要とされる場合にはバフル板が取り付けられる。熱交換器／消音器の全体的な寸法は本来の熱交換器のデザインと同等であり、より良好な消音結果を達成するために縦軸方向に僅かに長いだけである。
【０００７】
本発明の１つの特徴に従うと、一体型熱交換器及び消音器ユニットは第１流体と第２流体の間で熱を伝導させ、第１流体の騒音を消音するために備えられる。
【０００８】
１つの特徴において、本発明のユニットは第１端と第２端の間で軸に沿って拡張する筐体であって、第１流体のための第１吸入口、第１流体のための第１排出口、第２流体のための第２吸入口、及び第２流体のための第２排出口を含み、第１吸入口が前記筐体の第１端に配置され、第１流体を前記軸に並行に方向付けるために構成されており、さらに、第１排出口が第２端に配置され、第１流体を前記軸に並行に方向付けるために構成されている筐体を含む。ユニットはさらに、前記筐体内に配置された膨張チャンバーであって、第１流体を膨張チャンバーと第１吸入口及び排出口のいずれか１つの間で移送するために第１吸入口及び排出口のいずれか１つに接続された膨張チャンバー；前記筐体内に配置された第１流体流路であって、第１流体を第１流体流路と前記膨張チャンバーの間で移送するために第１吸入口と排出口の間で前記軸に並行に拡張し、前記膨張チャンバーに接続された第１流体流路；前記筐体内に配置され第１流体流路に接続された共振器；及び、前記筐体内に配置され、第１流体流路と熱伝導関係で第２吸入口と排出口の間で拡張する第２流体流路を含む。
【０００９】
１つの特徴として、第１及び第２流体流路は少なくとも１つの共振器を囲む。もう１つの特徴として、第２流体流路は第１流体流路を囲む。１つの特徴に従うと、筐体は外側の円筒形の壁、内側の円筒形の壁、及び半径方向に向かって内側と外側の円筒形の壁の間に配置された中間の円筒形の壁を含む。内側及び中間の円筒形の壁は第１流体流路を画定し、中間及び外側の円筒形の壁は第２流体流路を画定する。
【００１０】
１つの特徴において、内側及び中間の円筒形の壁の間の第１流体流路にはフィンが配置される。１つの特徴として、内側の円筒形の壁は共振器の共振器チャンバーを画定し、第１流体流路を共振器チャンバーに接続するために内側の円筒形の壁を通って複数の共振器オリフィスが拡張する。
【００１１】
１つの特徴に従うと、第１及び第２流路は間隔を開けて配置された複数の並行平面によって画定され、共振器は第１及び第２流路を囲む共振器チャンバーを含む。もう１つの特徴において、ユニットはさらに、複数の棒に差し込まれた複数の並行板を含み、前記間隔を開けて配置された複数の並行平面は該複数の並行板の表面である。もう１つの特徴において、共振器はさらに、前記複数の棒のうちの選択された棒に複数のオリフィスを含み、前記選択された棒は第１流路を囲む。
【００１２】
１つの特徴として、ユニットは前記筐体に配置されたもう１つの膨張チャンバーであって、第１流体を第１流体流路と第１吸入口及び排出口の他方の間で移送するために第１流体流路と第１吸入口及び排出口の他方及び第１流体流路に接続された膨張チャンバーを含む。１つの特徴に従うと、ユニットは前記筐体内に配置され第１流体流路に接続されたもう１つの共振器を含む。
【００１３】
本発明の１つの特徴に従うと、ユニットは第１流体のための第１吸入口、第１流体のための第１排出口、第２流体のための第２吸入口、及び第２流体のための第２排出口を含む筐体を含む。ユニットはさらに、前記筐体内に配置され、第１吸入口から第１流体を受容するために第１吸入口に接続された第１膨張チャンバー；前記筐体内に配置され、第１排出口に第１流体を方向付けるために第１排出口に接続された第２膨張チャンバー；前記筐体内に配置され、第１膨張チャンバーから第２膨張チャンバーまで拡張する第１流体流路；前記筐体内に配置され、第１及び第２膨張チャンバーの間で第１流体流路に接続された共振器；及び、前記筐体内に配置され、第１流体流路と熱伝導関係で第２吸入口と排出口の間で拡張する第２流体流路を含み、前記第１及び第２流体流路は前記共振器を囲む。
【００１４】
１つの特徴において、ユニットは筐体内に配置され、第１及び第２膨張チャンバーの間で第１流体流路に接続された付加的な共振器；もう１つの特徴において、筐体は第１端と第２端の間で軸に沿って拡張し、各共振器は前記軸に並行に拡張する縦方向の寸法を有する共振器チャンバーを含み、前記共振器チャンバーの一方の縦方向の寸法は共振器チャンバーの他方の縦方向の寸法と等しくない。
【００１５】
１つの特徴に従うと、筐体は第１端と第２端の間で軸に沿って拡張し、筐体内に配置され、第１流体流路に接続された複数の共振器であって、各々が前記軸に並行な縦方向の寸法を有する共振器チャンバーを含む共振器を含む。もう１つの特徴において、ユニットは第１流体流路に配置されたフィンであって、前記軸に並行な長さであって、少なくとも前記共振器チャンバーのいずれか１つの縦方向の寸法以上であり、全ての膨張チャンバーの結合した縦方向の寸法と等しくない長さを有するフィンを含む。
【００１６】
本発明の１つの特徴に従うと、ユニットは第１流体のための第１吸入口、第１流体のための第１排出口、第２流体のための第２吸入口、及び第２流体のための第２排出口を含む筐体を含む。ユニットはさらに、前記筐体内に配置され、第１吸入口から第１流体を受容するために第１吸入口に接続された第１膨張チャンバー；前記筐体内に配置され、第１排出口に第１流体を方向付けるために第１排出口に接続された第２膨張チャンバー；前記筐体内に配置され、第１膨張チャンバーから第２膨張チャンバーまで拡張する第１流体流路；前記筐体内に配置され、第１流体流路と熱伝導関係で第２吸入口と排出口の間で拡張する第２流体流路；及び、前記筐体内に配置され、第１及び第２膨張チャンバーの間で第１流体流路に接続された共振器を含む。第１及び第２流路は間隔を開けて配置された複数の並行平面によって画定される。
【００１７】
もう１つの特徴において、共振器は第１及び第２流路を囲む共振器チャンバーを含む。もう１つの特徴として、ユニットはさらに、複数の棒に差し込まれた複数の並行板を含み、前記間隔を開けて配置された複数の並行平面は該複数の並行板の表面である。１つの特徴に従うと、共振器はさらに、前記複数の棒のうちの選択された棒に複数のオリフィスを含み、前記選択された棒は第１流路を囲む。
【００１８】
本発明の１つの特徴に従うと、ユニットは第１流体のための第１吸入口、第１流体のための第１排出口、第２流体のための第２吸入口、及び第２流体のための第２排出口を含む筐体；前記筐体内に配置され、第１流体の騒音を消音するために第１吸入口と排出口の間に接続された共振器；及び、前記共振器を囲む熱交換器コアであって、第１及び第２流体の間で熱を伝導するために第１及び第２吸入口及び排出口に接続された熱交換器コアを含む。
【００１９】
１つの特徴として、ユニットはさらに、第１流体の騒音を消音するために第１吸入口及び排出口の間に接続され、前記熱交換器コアによって囲まれている少なくとも１つの付加的な共振器を含む。
【００２０】
本発明の１つの特徴に従うと、ユニットは第１流体のための第１吸入口、第１流体のための第１排出口、第２流体のための第２吸入口、及び第２流体のための第２排出口を含む筐体；前記筐体内に配置され、第１及び第２流体の間で熱を伝導するために第１及び第２吸入口及び排出口に接続された熱交換器コア；及び、前記筐体内に配置された複数の共振器であって、各々が第１流体の騒音を消音するために第１吸入口及び排出口の間に接続され、各々が前記熱交換器を囲む共振器チャンバー、及び第１流体のために前記共振器チャンバーを流路に接続するための前記熱交換器コアの複数の共振器オリフィスを含む共振器を含む。
【００２１】
１つの特徴として、熱交換器コアは第１及び第２流体のための流路を画定する、間隔を開けて配置された複数の平面を含む。１つの特徴に従うと、熱交換器コアは棒−板式構造である。
【００２２】
本発明の他の目的、特徴、及び長所は以下の詳細な説明、付随する請求の範囲、及び図面から明白になるだろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
空気後置冷却器１０の初期の概念設計において、棒−板構造の熱交換器コア１１及びそれの空気及び冷却剤マニホールド１２及び１４はかつて、円筒形の管状筐体１６及びいくつかの内部バフル板１８Ａ−１８Ｄを使用して鑞付けされるものもあった。図１はこのデザインの１つの例としての構成を示している。このデザインの目的は製造を簡略化するために、吸入口／排出口分配タンクの熱交換器コア１１の空気側及び冷却剤側の両方への溶接を省くことである。
【００２４】
出願人は、このデザインは上述の溶接不要の長所に加え、熱交換器としてのデザイン性能に影響を与えることなく、何らかの騒音抑制機能を組み込む可能性を与えることができることを見出した。平面波音響理論に従うと、図２Ａ及び２Ｂにそれぞれ図示されているように、２つの基本的な種類の騒音抑制機構：膨張チャンバー（または、膨張空洞）及び共振器（または、共鳴器）が存在する。膨張チャンバー式消音器２０の機構は音圧を発生源に向かって反射させ、それによって波動伝播が領域変化を受けるときに伝達される騒音レベルを減少させることである。典型的な共振器式消音器２２は波動伝播パイプ２６を囲み、オリフィス（または、孔）２８を介してパイプ２６に接続されている密閉された容積２４から構成される。パイプ２６の圧力変動は２つの小さな接続オリフィス２８を介して容積チャンバー２４に分岐され、それによって伝達される騒音レベルが減少される。実際の消音器のデザインにおいて、これら２つの基本的な機構は要求される騒音抑制特性を達成するために組み合わせることもできる。
【００２５】
図１を再び参照すると、吸入口／排出口拡散器（両端の管状筐体）３０または３２は膨張チャンバー式消音器として作用することができ、側面棒４０を通して（透視図で示されている）適当な穴３８が掘削された場合、中間の２つのバフル板１８Ｂ及び１８Ｃの間の密閉された空気容積は共振器３４の密閉された容積３６となることができる。騒音の消音の観点から付加的な共振器３４が望まれる場合、熱交換器特性に影響を与えずに密閉された全容量を所望の数の共振器容量に分割するために付加的なバフル板１８が配置されてもよい。例えば、図３は、図１の熱交換器のデザインに基づいた、二共振器式モデルの実施例を示している。付加的に、図４及び５は図１の熱交換器デザインに対して容易に実施可能な２つの実際的な消音器モデルを概略的に図示している。音響的に述べると、これらは順番に、第１膨張チャンバー（吸入口拡散器）３０、２つまたは３つの共振器３４、及び第２膨張チャンバー（排出口拡散器）３２から構成されている。ここで説明を簡単にするために、本願において、これらは共振器の数に応じて二共振器モデル及び三共振器モデルと呼ばれる。
【００２６】
図６及び７は図１の後置冷却器１０に適当な改良を加えることによって本発明に従って作製された一体型の熱交換器及び消音器ユニット５０の１つの形式を示している。ユニット５０は軸５４に沿って第１端５６と第２端５８の間に拡張する円筒形の外側壁５３を含む筐体５２を含む。筐体はまた、圧縮機（または、コンプレッサー）からの空気流等の、騒音を搬送する第１流体のための、端部５６の吸入口６０及び端部５８の排出口６２を含む。筐体５２はまた、第１流体と熱交換関係で熱交換器コア１１を通過する第２流体のための吸入口６４及び排出口６６を含む。図示された実施例において、第２流体は、例えば、燃料電池システムのＷＥＧ流等の、圧縮機からの空気流を冷却するための適当な冷却剤である。ユニット５０はさらに、吸入口膨張チャンバー６８Ａ及び排出口膨張チャンバー６８Ｂを含み、吸入口６０及び排出口６２は第１流体流を軸５４に対して並行に膨張チャンバー６８Ａから膨張チャンバー６８Ｂへ（または、膨張チャンバー６８Ｂから膨張チャンバー６８Ａへ）方向付けるように構成されている。ユニット５０はさらに、矢印７２によって概略的に示されているように、筐体５２内で熱交換器１１を通して第１流体を方向付けるために軸５４に沿って拡張している第１流体流路、及び矢印７４によって概略的に示されているように、筐体５２内で熱交換器１１を通して第２流体を方向付けるための第２流体流路を含む。ユニット５０はまた、３つの共振器、高周波共振器７６Ａ、中間周波共振器７６Ｂ、及び低周波共振器７６Ｃを含む。
【００２７】
各共振器７６Ａ−７６Ｃは熱交換器コア１０の外部と円筒形の外側壁５３の内側の間に画定された共振器チャンバー７８Ａ、７８Ｂ、及び７８Ｃ、並びに熱交換器コア１１内の第１流体のために流体通路の側壁に穴を備えることによって形成された複数の共振器オリフィス８０Ａ、８０Ｂ、及び８０Ｃを含む。バフル板８２Ａ、８２Ｂ、８２Ｃ、８２Ｄ、８２Ｅ、及び８２Ｆは筐体内に、各々が円筒形の外側壁５３の内面と結合するためのリップ部及び熱交換器コア１１の外面形状に一致する中央の開口を備えた円板形の板として形成されている。図６の実施例において、膨張チャンバー６８Ａは端部キャップ８４とバフル板８２Ａの間に画定され、膨張チャンバー６８Ｂは端部キャップ８６とバフル板８２Ｆの間に画定されている。各共振器チャンバー７８Ａ、７８Ｂ、及び７８Ｃは半径方向において熱交換器コア１１の外面と円筒形の外側壁５３の内面の間に、そして軸方向において２つのバフル板８２Ａ−８２Ｆの間に画定されている。ユニット５０はまた、第２流体のための吸入口マニホールド８８Ａ及び第２流体のための排出口マニホールド８８Ｂを含んでおり、吸入口マニホールド８８Ａは半径方向において熱交換器コア１１の外面と円筒形の外側壁５３の内面の間に、軸方向においてバフル板８２Ｅ及び８２Ｆの間に画定されており、そして排出口マニホールド８８Ｂは半径方向において熱交換器コア１１の外面と円筒形の外側壁５３の内面の間に、軸方向においてバフル板８２Ａ及び８２Ｂの間に画定されている。
【００２８】
上述したように、コア１１は棒−板式であってもよいし、管を備えた帯電空気冷却器式であってもよい。図７を参照すると、図示されている実施例のコア１１は棒−板式であり、棒９４及び９６によって間隔が開けられた複数の並行板９２を含み、板９２及び棒９４によって密閉されている容積は流体経路７２のための個々の流体通路９８を画定しており、板９２及び棒９６によって密閉されている容積は流体経路７４のための個々の流体通路９９を画定している。好まれるものとして、流体通路にはフィンや攪拌器等の表面増大部材が含まれてもよく、図示された実施例においては、流体通路内に曲がりくねったフィン１００が配置されている。また、図７に示されているように、筐体５０の外面は音波減衰材料が被膜されてもよく、また、共振器チャンバーは適当な断熱材で充填されてもよい。
【００２９】
図８Ａ−１０Ｂは本発明に従った一体型の熱交換器及び消音器ユニットの３つの付加的な実施例を図示しており、そこにおいて、同様な構成要素は同様な番号で示されている。詳細に述べると、図８Ａ及び８Ｂは２つの共振器７６及び１つの膨張チャンバー６８を含むユニット１０２を図示しており、図９Ａ及び９Ｂは２つの共振器７６及び２つの膨張チャンバー６８を含むユニット１０４を図示しており、そして図１０Ａ及び１０Ｂは３つの共振器７６及び１つの膨張チャンバー６８を含むユニット１０６を図示している。
【００３０】
図１１は一体型の熱交換器及び消音器ユニット２０のもう１つの実施例を図示しており、そこにおいて、同様な構成要素は同様な番号で示されている。ユニット１２０は、上述の実施例のような熱交換器コア１１を囲む共振器７６の代わりに、共振器７６を囲む熱交換器コア１２２を有する点で上述の実施例と異なる。この実施例において、熱交換器コアは外側の円筒形の壁１０６、内側の円筒形の壁１０８、及び外側及び内側の円筒形の壁１０６及び１０８の間に配置された中間の円筒形の壁１１０によって画定されており、第１流体流路７２は内側及び中間の円筒形の壁１０８及び１１０の間に画定されており、第２流体流路７４は外側及び中間の円筒形の壁１０６及び１１０の間に画定されている。好まれるものとして、流体通路７２には曲がりくねったフィン１１２等の表面増大部材が備えられ、流体通路７４にはフィン１１４等の、もう１つの表面増大部材が備えられる。ユニット１２０はバフル板８２Ａ、８２Ｂ、８２Ｃ、及び８２Ｄを含む。これらのバフル板は中央の開口を備えていない点、及び円筒形の外側壁５３ではなく、内側の円筒形の壁１０８に結合する点で前述の実施例のバフル板８２と異なる。さらに、共振器チャンバー７８Ａ−７８Ｃは内側の円筒形の壁１０８の内面及び対応するバフル板８２Ａ−８２Ｄの間に画定されており、共振器オリフィス８０Ａ−８０Ｃは共振器チャンバー７８Ａ−７８Ｃを流体流路７２に接続するために内側の円筒形の壁１０８を通って拡張する。
【００３１】
図１２は図１１のユニット１２０に類似した、一体型の熱交換器及び消音器ユニット１４０のもう１つの実施例を図示しており、それは熱交換器コア１２２の両側に膨張チャンバー６８Ａ及び６８Ｂを含む点で図１１のユニット１２０と異なる。
【００３２】
図１３は図１２のユニット１４０の代替的な実施例を示しており、そこにおいて、壁１０６及び１０８はそれらがフィン１１２及び１１４を超えて拡張するように延長されている。外側の円筒形の壁１０６と中間の円筒形の壁１１０の間のフィンを備えない領域は流体の分配に役立つ第２流体のための吸入口及び排出口マニホールドを画定している。
【００３３】
図６−１３の一体型の熱交換器及び消音器ユニット５０、１２０、及び１４０として、図１等の熱交換器構造に対して実施された騒音抑制消音器デザインの実現性を分析するため、図４及び５に示されている２つの消音器モデルの音圧減衰特性を分析的に予想するために線形音響平面波理論を適用した。音響分析モデルを使用して、吸入口／排出口膨張チャンバー、円筒形外側筐体の直径、熱交換器コアの全長、及び共振器の密閉された全容積の間の分割比の減衰特性に対する影響を調査した。分析モデルはＴair＝２００℃において、大気中の音速が４３４.５ｍ／ｓであると仮定した。平面波理論を使用するために膨張チャンバーの幾何的な寸法は音声の波長に比べて小さくなければならず、そして、集中インピーダンス理論は共振器チャンバーの長さが波長の１／８未満である場合に有効になり、それは、例えば１,２００Ｈｚ周波数に対して：音声の波長＝λminｃ／ｆ＝４３４.５／１２００＝０.３６２［ｍ］＝１４.２６［ｉｎ］である。
【００３４】
図５に示されている三共振器モデルに対して設計パラメーター調査を実施するために分析モデルを使用し、それは以下の項目を含んだ。
・吸入口及び排出口膨張チャンバーの影響
事例研究は吸入口膨張チャンバー無い状態、排出口膨張チャンバー無い状態、及び２つの膨張チャンバーの長さの影響を含んだ。
・キャニスターの直径の影響
事例研究はキャニスター（外側の円筒形の壁）の直径の変化、及びキャニスターの直径が変化するときに３つの共振器の共振周波数を変化させないための３つのチャンバーのオリフィスの調節を含んだ。
・熱交換器の全長の影響
事例研究はキャニスターの直径の変化、及び熱交換器の全長が変化するときに３つの共振器の共振周波数を変化させないための低周波チャンバーのオリフィスの調節を含んだ。・異なる共振器の間の容積分割比の影響
事例研究は高周波チャンバーの固定、及び低及び中間周波チャンバーの間の異なった比率での、残りの容積の分割を含んだ。これらのチャンバーに対して同一の低及び中間共振周波数を維持するためにオリフィスの寸法は変更されなければならない。
【００３５】
図１４−１８に示されている曲線において、図６−１３に組み込まれた特徴とともに、後置冷却器１０が消音器としての機能の実現性を示すために、理論的に予想される結果が示されている。図１４は図５に基づいた三共振器デザインに対する典型的な減衰曲線を示している。図１５は図５に基づいた三共振器デザインにおける第１及び第２膨張チャンバー３０及び３２の影響を図示している。図１６は図５に基づいた三共振器デザインにおける外側の円筒形の壁の直径の影響を図示している。図１７は図５に基づいた三共振器デザインにおける熱交換器コアの長さの影響を図示している。図１８は図５に基づいた三共振器デザインに対する共振器の容積比の影響を図示している。
【００３６】
事例研究の結果に基づいていくつかの結果が導かれた。まず、伸長器（または、膨張器）は共振器周波数設計点と低周波数減衰の間の周波数応答を広げ、長めの伸長器は減衰特性を改善する。さらに、キャニスターの直径が大きいほど、共振器周波数設計点の間の周波数応答は広くなる。さらに、このデザインは熱交換器の長さに対して比較的感受性が低いが、熱交換器のデザインが長いほど、特性が僅かに改善する。さらに、デザインを大容積低周波共振器に有利なように変化させることにより、低周波数での周波数応答を広げることができる。さらに、文献の調査によると、先細の吸入口拡散器はホーン（または、拡声器）として作用し、消音器の効果を減少させる可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】特定の内部構造を図示するために外部構造の一部が透視的に図示されている、一体型の熱交換器及び消音器ユニットを提供するために本発明に従って改良することができる熱交換器の構造の斜視図である。
【図２】２つの基本的な種類の騒音抑制機構の概略図である。
【図３】本発明を実施している一体型の熱交換器及び消音器ユニットのモデルの部分的に分解された状態の斜視図である。
【図４】本発明を実施している一体型の熱交換器及び消音器ユニットの分析的モデルの概略図である。
【図５】本発明を実施している一体型の熱交換器及び消音器ユニットの分析的モデルの概略図である。
【図６】特定の内部構造を図示するために外部構造の一部が透視的に図示されている、本発明を実施している一体型の熱交換器及び消音器ユニットの斜視図である。
【図７】図６のユニットの付加的な詳細部を示すために図６の線７−７で切り取ったときの断面透視図である。
【図８】特定の内部構造を図示するために外部構造の一部が透視的に図示されている、本発明に従った一体型の熱交換器及び消音器ユニットのもう１つの実施例の斜視図である。
【図９】特定の内部構造を図示するために外部構造の一部が透視的に図示されている、本発明に従った一体型の熱交換器及び消音器ユニットのもう１つの実施例の斜視図である。
【図１０】特定の内部構造を図示するために外部構造の一部が透視的に図示されている、本発明に従った一体型の熱交換器及び消音器ユニットのもう１つの実施例の斜視図である。
【図１１】本発明に従った一体型の熱交換器及び消音器ユニットのもう１つの実施例の分解透視図である。
【図１２】本発明に従った一体型の熱交換器及び消音器ユニットのもう１つの実施例の分解透視図である。
【図１３】本発明に従った一体型の熱交換器及び消音器ユニットのもう１つの実施例の分解透視図である。
【図１４】図５のモデルに基づいた一体型の熱交換器及び消音器ユニットに対する典型的な減衰曲線を示しているグラフである。
【図１５】図５のモデルに基づいた一体型の熱交換器及び消音器ユニットの膨張チャンバーの影響を図示しているグラフである。
【図１６】図５のモデルに基づいた一体型の熱交換器及び消音器ユニットの外側の円筒形の壁の直径の影響を図示しているグラフである。
【図１７】図５のモデルに基づいた一体型の熱交換器及び消音器ユニットの熱交換器コアの長さの影響を図示しているグラフである。
【図１８】図５のモデルに基づいた一体型の熱交換器及び消音器ユニットの共振器容量比の影響を図示しているグラフである。
【符号の説明】
【００３８】
１０    後置冷却器
１１    熱交換器コア
１２，１４  冷却剤マニホールド
１６    円筒形の管状筐体
１８    バフル板
２０    膨張チャンバー式消音器
２２    共振器式消音器
２４    容積チャンバー
２６    パイプ
２８    オリフィス
３０    膨張チャンバー
３４    共振器
３６    密閉された容積
３８    穴
４０    側面棒
５０    一体型の熱交換器及び消音器ユニット
５２    筐体
５３    円筒形の外側壁
５４    軸
５６    第１端
５８    第２端
６０    第１吸入口
６２    第１排出口
６４    第２吸入口
６６    第２排出口
６８    膨張チャンバー
７２，７４  流体流路
７６    共振器
７８    共振器チャンバー
８０    共振器オリフィス
８２    バフル板
８４，８６  端部キャップ
８８，８８  吸入口／排出口マニホールド
９２    板
９４，９６  棒
１００  フィン
１０２−１０６  一体型の熱交換器及び消音器ユニット
１０６  外側の円筒形の壁
１０８  内側の円筒形の壁
１１０  中間の円筒形の壁
１１２，１１４  フィン
１２０  一体型の熱交換器及び消音器ユニット
１２２  熱交換器コア
１４０  一体型の熱交換器及び消音器ユニット
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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2007537418.tif 000026
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