(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気が流体によって冷却される熱交換器であって、
前記熱交換器は、プレート（１）の積層された対（１ａ，１ｂ）から構成されており、
前記対（１ａ，１ｂ）は、該対の間に配置されたフィン（２）を備え、
前記プレート（１）の積層体は、ハウジング（３）内に配置され、
前記空気は、前記ハウジング（３）に流入し、前記フィン（２）の周囲を流れて前記ハウジング（３）を再び出て、
前記空気は、前記プレート対（１ａ，１ｂ）内を流れる流体によって冷却され、
前記流体は、少なくとも１つの入口（４）を介して前記プレート対に流入し、少なくとも１つの出口（５）を介して導出され、
前記入口（４）および前記出口（５）は、前記プレート（１）の共通縁部（Ｅ）のところのみに配置されており、
前記空気は、ほぼ前記共通縁部（Ｅ）の方向に流れ、
前記共通縁部（Ｅ）は、前記プレートの２つの横方向縁部の一方のみを形成し、
前記流体は、
前記入口（４）から、前記プレート対（１ａ，１ｂ）の入口領域および出口領域（１０）の少なくとも一方に、少なくとも１つの流路（１１）で、ほぼ前記共通縁部（Ｅ）の方向に少なくとも或る程度導入され、
更に、前記空気に対して略直交流となるように少なくとも第１ダクト（１２）を通り、
更に、前記空気に対して略直交流となるように少なくとも１つの第２ダクト（１３）を通って流れるために、前記プレート対（１ａ，１ｂ）の熱交換領域全体に亘って前記プレート対を通って、前記空気に対して略対向流となるように通過し、
前記出口（５）に至り、
前記少なくとも１つの流路（１１）は、
直線的であり、
前記共通縁部（Ｅ）の方向における前記入口領域および出口領域（１０）の少なくとも一方の外側に形成される
熱交換器。
【請求項２】
請求項１に記載の熱交換器であって、
前記第１ダクト（１２）および前記第２ダクト（１３）は、前記流路（１１）および前記共通縁部（Ｅ）のうちの少なくとも一方に対して略垂直に配置される
熱交換器。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の熱交換器であって、
前記共通縁部（Ｅ）に対して垂直な方向は、長手方向である
熱交換器。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の熱交換器であって、
前記第１ダクト（１２）および前記第２ダクト（１３）は、
前記プレート対（１ａ，１ｂ）の内側縁部領域に形成され、
流れ抵抗が小さく、互いに略平行に延在する
熱交換器。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の熱交換器であって、
前記入口領域および出口領域（１０）は、少なくとも１つの流路に関して、有効熱交換面積の１５％よりも小さい
熱交換器。
【請求項６】
請求項１に記載の熱交換器であって、
前記プレート対の前記熱交換領域全体に亘って、前記空気に対して略対向流で通過する前記流体は、前記プレート対内に配置された内部フィン（１４）を通って流れる
熱交換器。
【請求項７】
請求項６に記載の熱交換器であって、
前記内部フィンは、波形構成であり、該内部フィンの波形縁部（１７）にオフセット切欠（１８）を有し、その結果、前記波形縁部の方向の通過流と、該方向に対して横方向の通過流と、の両方を可能にする
熱交換器。
【請求項８】
請求項６または請求項７に記載の熱交換器であって、
前記内部フィンは、前記波形が延在する方向が前記プレートの前記横方向縁部と平行に延在するように、前記プレート対内に配置され、
前記横方向縁部に略直交する２つの縁部の方向における前記流体に関する流れ抵抗が比較的低く（ｄｐ低）、前記横方向縁部の方向における前記流体に関する流れ抵抗が比較的高い（ｄｐ高）
熱交換器。
【請求項９】
請求項１に記載の熱交換器であって、
前記入口から前記第１ダクトまで、および、前記第２ダクトから前記出口までの流路を形成する少なくとも１つの流れ障壁（６）が、前記プレート対内をほぼ前記共通縁部（Ｅ）の方向に、前記入口および前記出口の近くで延在している
熱交換器。
【請求項１０】
請求項９に記載の熱交換器であって、
前記流れ障壁（６）は、前記プレート対の少なくとも一方のプレートのビードによって形成されるか、または、挿入されたロッドによって形成される
熱交換器。
【請求項１１】
請求項１に記載の熱交換器であって、
前記プレート（１）は、前記入口（４）と前記出口（５）との間に切欠（８）を有する
熱交換器。
【請求項１２】
請求項１ないし請求項１１のいずれか一項に記載の熱交換器であって、
前記流路（１１）または複数の前記流路（１１）は、前記入口（４）および前記出口（５）のうちの少なくとも一方に隣接しているか、または、形状によって前記入口（４）および前記出口（５）と一体化されている
熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［０００１］本願は、２０１２年３月２８日に出願された、ドイツ国特許出願第１０２０１２００６３４６．６号の優先権を主張するものである。この出願に開示された全ての内容は参照によって本明細書に組み込まれる。
【０００２】
［０００２］本発明は、熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００３】
［０００３］本発明は、熱交換器、例えば間接式空気冷却器に関する。間接式空気冷却器では、空気、例えば内燃エンジン用の圧縮加給空気が、例えば流体によって冷却される。熱交換器は、積層された複数対のプレートから形成される。複数対のプレートの間には、複数のフィンが配置される。積層体は、空気が流されるハウジング内に配置される。空気は、フィンを通って流れ、そして流出する。この空気は、プレート対内を流れる流体によって冷却される。プレート対内を流れる流体は、少なくとも１つの入口を介してプレート対に導入され、少なくとも１つの出口を介して導出される。入口および出口は、プレートの共通縁部に配置されており、空気は、フィンを通ってほぼこの縁部の方向に流れる。
【０００４】
［０００４］自動車に設置された、冷却流体によって加給空気を冷却するように機能する加給空気冷却器は、多くの場合、直接式空気冷却器と対比して、間接式空気冷却器と呼ばれる。直接式空気冷却器とは、例示的な加給空気を、ファンによって冷却器を通って運ばれる外気で冷却する場合に使用される用語である。
【０００５】
［０００５］使用される冷却流体は、冷却空気によって直接的に冷却され、その後、エンジンの冷却およびその他の冷却目的に使用される。更に、近年では、加給空気の（間接式）冷却に比較的広く使用される。
【０００６】
［０００６］媒体が熱交換器に対向流で導入される場合に熱伝達効率が最高となることが知られている（ドイツ国実用新案第２９  ８０９  ０８０号）。しかしながら、空気冷却器（熱交換器）が配置される場所およびその他の制約によっては、対向流は必ずしも可能ではない。実際には、入口および出口の位置が、好ましい流通流が生じることができるように形成されることは滅多になく、好ましい流通流を実現するためには、多くの場合、設計および構造に関して極めて高度な複雑性が要求される。
【０００７】
［０００７］このため、対向流と呼ばれる方式が選択され、または、多くの場合、直交流（cross countercurrent）と呼ばれる方式が選択される。直交流方式では、例えば、媒体の少なくとも一方が蛇行経路を辿る。直交流の一例が、ドイツ国特許公開公報第１０  ２００６  ０４８  ６６７号に記載されている。この文献は、冒頭に記載した特許請求の範囲の請求項１のプリアンブルを形成する役割を果たす。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】ドイツ国実用新案第２９  ８０９  ０８０
【特許文献２】ドイツ国特許公開公報第１０  ２００６  ０４８  ６６７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
［０００８］本発明の目的は、効率が比較的高くなる態様で、構造が簡単であるという特徴、即ち、製造が容易であるという特徴を有する、上文中に説明した熱交換器を構成することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
［０００９］この問題点に対する解決策は、特許請求の範囲の請求項１の特徴を備えた熱交換器によって得られる。
【００１１】
［００１０］本発明の１つの重要な態様によれば、プレート対の入口領域および／または出口領域に、空気流方向および／または共通縁部と略平行な少なくとも１つの経路で流体を導入できる手段が提供される。流体は、更に、少なくとも第１ダクトを通って、空気に対して略直交流で流れる。また、流体は、少なくとも１つの第２ダクトを通って略直交流で流れて出口に戻るために、空気に対して実質的に略対向流で、プレート対の最大熱交換領域に亘ってプレート対を通過する。
【００１２】
［００１１］好ましくは、少なくとも１つの入口側流路および入口側第１ダクト、並びに、少なくとも１つの出口側第２ダクトおよび出口側流路がある。好ましくは、流体が、両流路内をほぼ空気の方向に流れる。入口および出口をプレートの隅部に配置することによって、これらの流路の長さを最小限に抑えることができる。本発明によれば、流体の全質量流量がダクトの全長を通過するのではなく、その相当な部分を通過する。流体が少なくとも１つの第１ダクトに流入した直後に、部分流が、既に、プレート対を通って、空気に対して対向流で、波形の内部フィンを介して流れる。出口側流路に通じる少なくとも１つの第２ダクトにも同じことが当てはまる。これらのダクトは、流れ抵抗が比較的小さく、そのため、出口から遠いプレートの領域であっても熱交換に十分に寄与する。ダクトの断面積は、十分な寄与が達成されるように、対応する構成を有するものとすることができる。
【００１３】
［００１２］プレートの最大熱交換領域は、波形内部フィンを備えている。波形内部フィンは、例えばオイル冷却等の分野で使用されているフィン等の切開オフセット(lanced and offset)フィンとして実施できる。このようなフィンでは、波形縁部の部分は、左右に交互にオフセット配置されている。オフセット部分間に貫通部(breakthrough)または切欠部が設けられている。これにより、長手方向の通過流が可能になる。この方向が塞がっている場合には、横方向の通過流も可能である。長手方向は、ここでは、波形縁部の方向と平行である。プレート対内の内部フィンの圧力損失は、長手方向に通過流が発生する場合には、横方向に発生する場合よりも著しく小さい。
【００１４】
［００１３］波形内部フィンの波形が延在する方向は、好ましくは、プレートの長手方向に対して交差する（例えば、直交する）方向であり、そのため、流体は、オフセットされた波形縁部に沿って、比較的小さな抵抗で長手方向に流れることができる。波形が延在する方向、即ち、上述のように、波形縁部の方向に対して交差する方向における流れ抵抗は、非常に大きい。これは、流体が、波形縁部の多数の貫通部または切欠部を通って流れなければならず、このプロセスにおいて流れの方向が何度も変わるためである。ほぼ全ての質量流量が、流れ障壁によって、入口および出口の近くに形成された１つの流路を通って流れる。流体は、この流路内では、例示的な空気に対して対向流で流れる。これは、流れ障壁が横方向縁部と略平行に配置されているためである。これは、流路を含む入口・出口領域の部分が占める全熱交換面積の割合が非常に小さいので、許容可能である。この割合は、一般的には、約１５％を大きく越えることはなく、３％以上かつ１２％以下が好ましい。更に、流れ障壁は、上文中で共通縁部と呼んでいるプレート対の一方の横方向縁部側に配置される。流れ障壁の両端には、複数のダクトへの液圧接続部が設けられている。プレート対の他方の横方向縁部には、好ましくは、このような流路またはダクトはなく、そのため、流体は出ることができない。即ち、流体は、空気流に対して対向流となるように配置された、圧力損失が比較的大きい内部フィンを通る経路をとらされる。
【００１５】
［００１４］本出願人が行った模擬計算によれば、本願で提案する熱交換器の熱交換率は、従来技術と比べて大幅に向上した。
【００１６】
［００１５］添付図面を参照して本発明を例示的な実施例で説明する。本発明のその他の特徴は、以下の説明でわかるであろう。これらの特徴は、従属請求項に含まれているか、或いは、後に明らかになるかのいずれかである。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】［００１６］図１は、熱交換器の斜視図である（ハウジングなしで示す）。
【図２】［００１７］図２は、プレート対およびフィンの積層体上にカバープレートが配置された、同様の斜視図である。
【図３】［００１８］図３は、プレート対の内部が見えるように上側プレート対の一方のプレートが取り外された、プレートおよびフィンで形成された積層体を示す図である。
【図４】［００１９］図４は、プレート対を形成する２枚のプレートを示す図である。
【図５】図５は、プレート対を形成する２枚のプレートを示す図である。
【図６】［００２０］図６は、内部フィンが設けられたプレート部品の斜視図である。
【図７】［００２１］図７は、適当なハウジングに収容された熱交換器の図である。
【図８】［００２２］図８は、変形例としてのプレート形態を示す図である。
【図９】図９は、変形例としてのプレート形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
［００２３］例示的な実施例の間接式空気冷却器である熱交換器の斜視図（図１）において、入口４および出口５は、金属製プレート１の右側縁部に配置されている。従って、金属製プレート１の右側縁部は、ここでの「共通」縁部Ｅである。入口４は、熱交換器の空気流入側Ａ空気から遠方の端部に配置されている。一方、出口５は、３つのブロック矢印によって示される加給空気の流入側に配置されている。入口コネクタおよび出口コネクタには、参照番号４０および５０が付してある。入口および出口の断面は、これらの実施例では、円形形状である。更に、加給空気の代りに、加給空気および排気ガスの混合物、または、内燃エンジン（図示せず）の排気ガスのみを供給してもよい。
【００１９】
［００２４］本発明の特筆すべき利点は、流通流を変えることなく、入口４および出口５を、「共通」縁部Ｅを形成する両縁部に配置できるということである。その結果、構造上の制約に対して従来よりも良好に対処できる。図示の例示的な実施例では、これらの縁部Ｅは、プレート１の横方向縁部である。プレート１の平行な２つの長手方向縁部が、横方向縁部に略垂直に配置されている。これらの用語は、単に縁部間を区別するのに使用されるのであって、どのような場合であっても、長手方向縁部が、例示的な実施例に示すように、横方向縁部よりも長いということを意味するものではない。これらの縁部は、全て、同じ長さであってもよい。更に、横方向縁部が長手方向縁部よりも長くてもよい。図示の例示的な実施例の縁部が直線状であり、従って、プレート１が略矩形であるということは、上述した問題点を解決する上で重要な前提条件ではない。更に、これらの縁部は、円弧状であってもよく、あるいは、直線以外の何らかの他の態様で実施されてもよい。
【００２０】
［００２５］図示の例示的な実施例では、図１の右側横方向縁部である、プレート１の共通縁部Ｅには、切欠８が設けられている。切欠８の深さは、入口・出口領域１０の深さよりも幾分小さい。入口４および出口５の位置は、プレート１の長手方向中央軸線１５と、これらのプレート１の長手方向縁部との間のほぼ中央に配置されている。入口側流路１１は、入口から第１ダクト１２まで延在している。これらの第１ダクト１２は、プレート対１ａ，１ｂの一方の長手方向縁部の内側縁部領域に配置されている。他方の長手方向縁部の内側縁部領域には、少なくとも１つの第２ダクト１３がある。第２ダクト１３は、出口側流路１１に通じており、更に出口５に通じている。
【００２１】
［００２６］図示の例示的な実施例では、ダクト１２，１３の断面は、全体に亘って同じである。ダクト１２，１３は、流れ抵抗が小さい。即ち、ダクト１２，１３の少なくとも部分断面には、流動障害物等がない。上述のように、図示の例示的な実施例では、略矩形のプレートが用いられるので、流路１１およびダクト１２，１３もまた、互いに対して略垂直に配置される。
【００２２】
［００２７］入口４および出口５が共通縁部Ｅに配置されているが、プレート１の隅部の近くに設けられた実施例（図示せず）では、流路１１の長さは実質的にゼロになる。換言すると、流体は、実質的に直接的に第１ダクト１２に入り、第２ダクト１３から実質的に直接的に出口５に入る。このような実施例は、極めて短い流路１１しか備えていない場合でも、特許請求の範囲の請求項１に含まれるものと考えられるべきである。更に、例えば、入口４を隅部に配置せず、出口５を単にほぼ図示の通りに位置決めする理由はなく、その逆にする理由もない。そのため、意味があるように目立った出口側流路１１のみが形成され、入口側流路１１の長さはゼロに近付く（即ち、ほぼ見えない）。従って、設計者には、動力損失を許容する必要なく、熱交換器の設置位置によって設計者に課せられた制約に熱交換器を適合させる上で、多くの選択肢がある。このような実施例もまた、特許請求の範囲の請求項１に含まれるものと考えられるべきである。
【００２３】
［００２８］流路１１は、図４および図５による例示から明らかなように、好ましくは、対を形成する複数のプレート１にビードを形成することによって行われる。ビードの代りに、プレート対に挿入されてハンダ付け（または、鑞付けもしくは溶接）されるロッドが設けられてもよい。図示の例示的な実施例では、ビードまたはロッドは、上述した流れ障壁６を形成する。これらの図は、内部フィン１４が挿入されたプレート対１ａ，１ｂを形成する２枚のプレート１の平面図を示すが、ここでは詳細には説明しない。
【００２４】
［００２９］図５に示すプレート１ｂは、その長手方向軸線１５を中心として１８０°回転され、図４に示すプレート１ａ上に位置決めされる。２つのビードが、プレート１ａ，１ｂで、互いに当接するようになり、後に連結される。従って、これらのビードの高さは、プレート対１ａ，１ｂを形成する２枚のプレート１間の距離の約半分である。内部フィン１４の高さは、この距離と対応すべきである。更に、プレート１ａ，１ｂは、これらのプレートの縁部を互いに当接するようになり、互いに密封態様で連結される。例示的な実施例では、これらの縁部は、曲げ返し(bent-over)縁部である。
【００２５】
［００３０］その他の様々な縁部形態が従来技術で公知である。こうした形態が代替的に採用されてもよい。
【００２６】
［００３１］プレート対１ａ，１ｂの入口開口部４および出口開口部５には、上側プレート１ａのところで上方に向けて、および、下側プレート１ｂのところで下方に向けて突出したカラー４１，５１が設けられている。隣接したプレート対１ａ，１ｂへの連結は、これらのカラーのところで行われる。更に、プレート対間に配置され、これらのプレート対を連結するシールリングが、これらのカラー４１，５１に対する代替態様である。図示していない実施例では、プレートの一方のみにビードが設けられている。このビードの高さは、これに対応して大きくなければならない。即ち、このビードの高さは、内部フィン１４の高さに対応する高さでなければならない。勿論、積層体全体、即ち、プレート対およびこれらのプレート間に配置されたフィン２は、互いに連結され、好ましくは、金属的に連結される。これは、例えば、はんだ（または、鑞付けもしくは溶接）炉内でハンダ付け（または、鑞付けもしくは溶接）することによって行われる。ハンダ付け（または、鑞付けもしくは溶接）された内部フィン１４を通って流体が流れる。内部フィン１４は、各プレート対１ａ，１ｂ内に配置される。
【００２７】
［００３２］上述した内部フィン１４の寸法は、ダクト１２，１３の構造に起因して、このフィンが挿入されるプレート１よりも小さいので、内部フィン１４の位置は不確定である。これは欠点である。内方に突出した出っ張りまたは類似の形状のエレメント１６がプレート１の隅部に形成されて内部フィン１４のストッパとして機能することによって、内部フィン１４をプレート１内に正しく位置決めできる。これにより、熱交換器の事前組み立てが改善される。更に、この方法により、流体の望ましからぬバイパスを阻止することができ、あるいは、少なくとも大幅に抑制することができる。
【００２８】
［００３３］図３、図４および図５では、上述した入口・出口領域に参照番号１０が付してある。この領域は、ここでは、熱交換器の全熱交換面積の約１２％を占める。この領域は、熱交換にほとんど寄与できないので、その目的は、この領域をできるだけ小さくすることである。図３では、２つの矢印は、プレート対を長手方向に通過する流れの圧力損失ｄｐが、横方向の流通流がある場合よりもかなり小さくなるように、波形内部フィン１４が、プレート対１ａ，１ｂに好ましく挿入されていることを示す。流体は、横方向流路を辿り、従って、Ａ空気に対して対向流でプレート対１ａ，１ｂを流れる特別な構成によって方向付けられる。
【００２９】
［００３４］図６は、プレート１に配置された波形内部フィン１４の斜視図を断面で示す。波形内部フィン１４の幾つかの詳細がわかる。波形が熱交換器内を延在する方向は、熱交換器の横方向であり、即ち、圧力損失ｄｐが非常に高い方向である。波形の縁部１７には、波形縁部１７の方向に見て左右に交互にオフセットされた貫通部または切欠１８がある。ダクト１２，１３の幅は、流れ障壁６の先端と、プレートの長手方向縁部と、によって決定される。更に、図６に示すように、ダクト１２の狭幅のストリップには障害物が全くない。
【００３０】
［００３５］本発明による実施例（図示せず）では、ダクト１２，１３は、全体に障害物がない構成である。他の実施例（図示せず）では、内部フィン１４の長手方向縁部は、プレート１の長手方向縁部まで直接的に延在しており、そのため、ダクトの断面全体が内部フィン１４の部位によって占有されている。上述の部位が、ダクトの方向に対応する低圧力損失ｄｐの方向に向いているので、ダクト１２，１３の機能は保持される。更に、一方のダクトの断面が内部フィン１４の部分で完全に覆われ、他方のダクトに障害物が全くなくてもよい。
【００３１】
［００３６］更に、公知の熱交換器の場合と同様に、冷却されるべき圧縮加給空気Ａ空気は、開口部を通って、プレート対１ａ，１ｂおよびフィン２から形成された上述の積層体が内部に配置されたハウジング３（詳細には図示せず）に流入する（図７参照）。ハウジング３は、内燃エンジンの吸気マニホールドであってもよい。この提案に従えば、加給空気は、次いで、波形内部フィン２を通って、プレート対内を流れる流体に対して対向流で流れ、このプロセスにおいて極めて効率的に冷却される。更に、加給空気の流れの方向は、この提案に従えば、流体用の入口４および出口５が配置された共通縁部Ｅの方向に提供され、または、例示的な実施例では、プレート１の横方向縁部の方向に提供される。その結果、冷却された加給空気は、内燃エンジン（図示せず）の加給に利用できるようにするために、ハウジング３の別の開口部を通って熱交換器を出る。積層体を終端させるとともに積層体に金属的に連結されるカバープレート９（図２参照）の突出縁部９．１は、例えば、プレート積層体をハウジング３内に取り付けるために公知の態様で使用することができ、従って、ハウジング３のアッセンブリ開口部の蓋として機能する。
【００３２】
［００３７］図８は、入口４および出口５としての細長い穴が設けられたプレート１を示す。流路１１は、細長い穴と実質的に一体化されている。これは、細長い穴には、他の例示的な実施例の流路の場合と同様に、共通縁部Ｅの方向に流れガイドが所定範囲に形成されているからである。図示していない実施例では、入口４および出口５は、その他の異なる穴形状を備えている。これらには、非対称に形成された穴形状が含まれる。次に、図９には、円形のプレート穴４，５が示してあるが、変形例としての流れ障壁６が設けられている。
【符号の説明】
【００３３】
１…プレート
１ａ，１ｂ…プレート対
２…フィン
３…ハウジング
４…入口開口部（プレート穴、入口）
５…出口開口部（出口）
６…障壁
８…切欠
９…カバープレート
９．１…突出縁部
１０…入口・出口領域
１１…流路
１２…第１ダクト
１３…第２ダクト
１４…内部フィン
１５…長手方向軸線
１６…エレメント
１７…縁部
１８…切欠
４１…カラー
Ｅ…共通縁部
【図１】
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【図２】
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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８】
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【図９】
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