(57)【要約】本発明は、第１の媒体（１）の通過のための少なくとも１つの熱伝導管（３）と、管（３）を囲む、第２の媒体（２）の通過のための、管（３）の外側に接続された熱伝導多孔質構造体（４）の被覆物とを含む原動機付き車両用熱交換器に関する。
2006514250.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の媒体（１）の通過のための少なくとも１つの熱伝導管（３）と、
前記管（３）を囲む、第２の媒体（２）の通過のための、前記管（３）の外側で前記管（３）に接続された熱伝導多孔質構造体（４）の被覆物と、
を含む原動機付き車両用熱交換器であって、
前記多孔質構造体（４）のインチ当たりの気孔（ｐｐｉ）の数が、ほぼ２０〜５０の間であり、かつ前記多孔質構造体の厚さが、ほぼ２〜８ミリメートルの間にあることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記熱伝導構造体（４）が、金属フォームによって形成されることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記金属フォームが、次の金属、すなわち、銅、ニッケルおよびアルミニウムの少なくとも１つから製造されることを特徴とする、請求項２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記被覆物に、耐食性金属が設けられていることを特徴とする、請求項１または２に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記多孔質構造体（４）のワイヤ厚さが、少なくとも実質的には、１５〜９０マイクロメートルの間にあることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記管（３）の水力直径が、最大１０ミリメートルに達することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項７】
前記管（３）に向けられた前記被覆物の側面が、前記管（３）と、少なくともほぼ完全に熱接触することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項８】
前記被覆物が、熱伝導手段を介して、前記管（３）に接続されていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項９】
前記被覆物が、前記管（３）の回りにらせん状に配置された少なくとも１つの材料細片（８）から構成されていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項１０】
前記熱交換器が、複数の相互に結合された管（３）を含むことを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項１１】
前記管（３）が、互いから離れて位置決めされ、案内部材（７）が、前記第２の媒体（２）を前記被覆物に案内するために、前記管（３）の間に配置されていることを特徴とする、請求項１０に記載の熱交換器。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の熱交換器を設けられた原動機付き車両。
【請求項１３】
原動機付き車両に配置された、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の熱交換器を利用するための方法であって、
Ａ）前記管（３）を通して、比較的暖かい第１の媒体（１）を移送するステップと、
Ｂ）前記第１の媒体（１）を冷却するために、比較的冷たい第２の媒体（２）を、前記被覆物を通して移送するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１４】
前記比較的冷たい第２の媒体（２）が、少なくとも実質的には、ガスフロー、特に空気流によって形成されることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
ステップＢ）に記載の、前記被覆物を通した、前記比較的冷たいガスフローの移送が、少なくとも実質的には、０〜２０メートル／秒の間にあるフロー速度で行われることを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の熱交換器を製造するための方法であって、
Ａ）前記管（３）の外側に半田を配置するステップと、
Ｂ）前記半田を囲みながら、前記管（３）の回りに前記被覆物を配置するステップと、
Ｃ）前記半田を溶かすステップと、
Ｄ）前記半田を凝固させるステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１７】
ステップＣ）に記載の前記半田の溶解が、前記半田を加熱することによって行われることを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記半田の加熱が、電圧を印加することによって間接的に行われることを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記半田の加熱が、前記半田の周囲温度を増加することによって直接的に行われることを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の熱交換器を製造するための方法であって、
Ａ）前記管を、前記多孔質構造体と接触させるステップと、
Ｂ）電気的および／または化学的析出プロセスを介して、前記管および前記多孔質構造体を相互に接着させるステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１の媒体の通過のための少なくとも１つの熱伝導管と、管を囲む、第２の媒体の通過のための、管の外側に接続された熱伝導多孔質構造体の被覆物とを含む原動機付き車両用熱交換器に関する。本発明はまた、このような熱交換器を設けられた原動機付き車両に関する。本発明は、さらに、原動機付き車両に配置された熱交換器を利用するための方法に関する。さらに、本発明は、このような熱交換器を製造するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
２つの媒体間において、可能で最大の熱移動を実現するために、フィン付きの外側に管を設け、外側を囲んで第２の媒体を流す（フィン付きチューブ熱交換器）ことが知られている。このような熱交換器は、産業、自動車および家庭用途において、大規模に適用されている。これらの構造物の特徴は、フィンの回りのフローが層流であり、これらのフィンの寸法およびフィン間の相互距離が、第２の媒体における境界層の厚さよりも何倍も大きいことである。境界層の厚さが、フロー方向に増加し、このフローが、ある一定のポイント（レイノルズ数＞３００，０００）で乱流になることが知られている。たとえば、大気圧の空気およびたとえば約１０ｍ／秒のガスフロー速度の場合に、ここでは約０．５メートルの距離が必要である。直径およびフィン長さがこの周辺長さよりも小さい、第１の媒体用の管にあっては、フローは層流であり、第２の媒体における境界層の厚さは、約０．１〜０．４ｍｍである。この境界層の外側における、第２の媒体の部分は、回りにフローが発生する管またはフィンと何の相互作用も持たず、そのため、熱移動に対しては、何ら寄与しない。その結果として、管の回りまたはフィンに沿った層流フローとともに移動できる熱の量には基本的な限界がある。
【０００３】
上述の熱交換器に加えて、前文に記載したタイプに対応する熱交換器がまた、先行技術において公知である。このような熱交換器は、仏国特許ＦＲ２  ４１４  ０８１号明細書（ＵＯＰ  インコーポレーテッド（ＵＯＰ  Ｉｎｃ．））に説明されているが、この場合、多孔質構造体は、グラファイトフォームによって形成されている。このような多孔質３次元構造体は、立体または六角形格子として理解することができ、ノードは、熱伝導ワイヤで相互に接続されている。このような構造体における多数のワイヤのために、全熱交換領域は、一般に、非常に大幅に増加する。しかしながら、ＵＯＰ特許から知られる熱交換器に、いくつかの欠点がある。公知の熱交換器の際立った欠点は、熱が、第１の媒体から第２の媒体へ（逆の場合も同じ）比較的に非効率的な仕方で移動されることである。比較的小さな孔径のために、第２の媒体のかなりの部分が、被覆物を通り抜ける代わりに、被覆物に沿って流れ、これによって、一般に、熱移動がかなり低減される。特に、第２の媒体のフロー速度が低い場合−原動機付き車両においては一般的な事実だが、約２０ｍ／秒まで−には、熱移動効率は、前述した従来のフィンにおける熱移動効率とほぼ同等である。
【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、原動機のより効率的な冷却を実現できる、原動機付き車両用の改善された熱交換器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この目的のために、本発明は、前文に記載したタイプの熱交換器を提供するが、この熱交換器には、多孔質構造体のインチ当たりの気孔（ｐｐｉ）の数が、ほぼ２０〜５０の間にあり、かつ被覆物の厚さが、２〜８ミリメートルの間であるという特徴がある。インチ当たりの気孔の数は、２５〜３０ｐｐｉの間であるのが、より好ましい。インチ当たりの気孔の数は、先行技術と比較してかなり低減されており、その結果として、被覆物を通したフローがよりよくなり、したがって、第１の媒体と第２の媒体との間の熱移動がより効率的になる。原動機付き車両に組み込まれている熱交換器は、比較的低いフロー速度（約２０メートル／秒まで）で自由に流入するガスフローにさらされるので、管の回りの最適な境界層の厚さは、約０．４〜０．５ミリメートルの間にある。気孔の直径が、境界層の厚さの２倍を超える場合には、第２の媒体と多孔質構造体との間の相互作用がさらに増加することは、通常ないであろう。したがって、気孔の直径は、１．０ミリメートルに制限するのが好ましいが、これは約２５ｐｐｉに相当し、そして気孔の直径は、０．８ミリメートルよりは少しも小さくしないのが好ましいが、これは約３０ｐｐｉに相当する。インチ当たりの気孔の数が、２０より少ないか、または少なくとも２５の場合には、熱交換器は、従来のフィン構造体と比較できる。ＵＯＰ特許におけるように、５０ｐｐｉ超では、フロー抵抗が増加し、述べたように、第２の媒体のかなりの部分が、多孔質構造体を通り抜ける代わりに、多孔質構造体の回りを流れるようになる。約２〜８ミリメートルの間の厚さの被覆物を付加することによって、熱交換器の最適な構成を実現することができ、その場合には、多孔質構造体は、複数の積み重ねた気孔層から組み立てられる。
【０００６】
熱伝導構造体は、金属フォームによって形成するのが好ましい。金属フォームには、並外れて熱伝導性であるという利点があり、それによって、第１の媒体と第２の媒体との間の熱交換を最大限にできる。特に好適な一実施形態において、金属フォームは、次の金属、すなわち、銅、ニッケルおよびアルミニウムの少なくとも１つから製造される。さらに、合金からの金属フォームの製造を想定することも可能である。被覆物には、耐食性金属または金属酸化物を備えて付け、熱交換器の劣化を防ぐかまたは少なくとも劣化に対処することによって、熱交換器の耐久性を増加するようにするのが好ましい。
【０００７】
好適な一実施形態において、多孔質構造体のワイヤ厚さは、少なくともほぼ１５〜９０マイクロメートルの間であり、特に２０〜７０マイクロメートルの間、より特別には、３０〜６０マイクロメートルの間にある。このようなワイヤ厚さによって、第１の媒体と第２の媒体との間における熱移動の効率を、さらに増加することができる。
【０００８】
別の好適な一実施形態において、管の水力外側直径（ｈｙｄｒａｕｌｉｃ  ｅｘｔｅｒｎａｌ  ｄｉａｍｅｔｅｒ）は、最大１０ミリメートル達する。水力直径についてのみ言及しているのであるから、管は、非常に様々な幾何学的形状を取ることができる。したがって、円筒状管に加えて、フィン様の管または他の仕方で形成された管が可能であり、この場合には、水力直径は、１０ミリメートルの限度を超えない。
【０００９】
管に向けられた被覆物の側面は、管と少なくともほぼ完全に熱接触するのが好ましい。このようにして、管と多孔質構造体との間、または第１の媒体と第２の媒体との間における熱移動を、最適化することができる。
【００１０】
好適な一実施形態において、被覆物は、熱伝導手段を介して、管に接続されている。熱伝導手段は、本質的には、非常に多様にすることができる。熱伝導手段は、たとえば、熱伝導接着剤、（半田用）ペースト、熱伝導金属層等によって形成することができる。熱伝導手段は、たとえば、蒸着または電気的析出プロセスによってなど、様々な方法で配置することができる。
【００１１】
別の一好適な実施形態において、被覆物は、管の回りにらせん状に配置された少なくとも１つの材料細片から構成されている。したがって、比較的簡単な仕方で管の回りに配置できる比較的狭い金属細片を用いて間に合わせることが可能である。
【００１２】
熱交換器には、全体的な熱移動を増加するために、複数の相互に結合された管を含むのが好ましい。特定の好適な一実施形態において、管は、互いから離れて位置決めされ、その場合には、第２の媒体を被覆物に案内するために、管の間に案内部材が配置される。ここでは、案内部材は、非常に多様にすることができる。
【００１３】
本発明はまた、このような熱交換器を設けられた原動機付き車両に関する。
【００１４】
本発明は、さらに、原動機付き車両に配置されたこのような熱交換器を利用する方法に関し、該方法は、Ａ）比較的暖かい第１の媒体を、管を通して移送するステップと、Ｂ）第１の媒体を冷却するために、比較的冷たい第２の媒体を、被覆物を通して移送するステップとを含む。好適な一実施形態において、比較的冷たい第２の媒体は、ガスフロー、特に空気流によって、少なくとも実質的には形成されている。特定の好適な一実施形態において、ステップＢ）に記載の、被覆物を通した、比較的冷たいガスフローの移送は、少なくとも実質的には０〜２０メートル／秒の間にあるフロー速度で行われる。
【００１５】
さらに、本発明は、このような熱交換器を製造するための方法に関し、Ａ）管の外側に半田を配置するステップと、Ｂ）半田を囲みながら管の回りに被覆物を配置するステップと、Ｃ）半田を溶かすステップと、Ｄ）半田を凝固させるステップとを含む。管と多孔質構造体との間の実際の接着は、ステップＤ）に従って、溶けた半田が凝固する間に行われ、この場合には、管と、管に向けられた多孔質構造体の側面との間の接触は、最大限にできる。
【００１６】
好適な一実施形態において、ステップＣ）に記載の半田の溶解は、半田を加熱することによって行われる。このような加熱は、たとえば、好ましくは速やかにかつ非常に短時間、電圧を印加することによって、間接的に行うことができるが、また、半田の周囲温度を増加することによって、直接的に行うことができる。しかしながら、また、誘導半田付けまたは化学半田付けなど、管および多孔質構造体の相互接着をもたらす他の方法の適用を想定することも可能である。
【００１７】
さらに、本発明は、このような熱交換器を製造するための方法に関し、該方法は、Ａ）管を多孔質構造体と接触させるステップと、Ｂ）電気的および／または化学的（ガルバニック）析出プロセスを介して、管と多孔質構造体とを相互に接着させるステップとを含む。
【００１８】
本発明を、次の図に示す非限定的実施形態に関連して明らかにする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
例として、図１に、管３の一部を示すが、この管３を通して、水などの第１の媒体１が流れる。管３は、その回りを空気などの第２の媒体２が流れるが、それ自体は公知の金属フォームなどの熱伝導３次元構造体４で覆われている。ここでは金属フォームは、管の回りにらせん状に巻かれている細片８の形状を取る。管と金属フォームの接続は、たとえば熱伝導接着剤、熱伝導ペースト、半田付けプロセスによってか、または接着性および熱伝導性金属層の蒸着もしくはガルバニック析出プロセスによってなど、この分野で公知の手段で行うことができる。ここで重要なことは、３次元構造体と管壁との間で、十分な熱接触をもたらすことである。好ましくはニッケル、銅またはアルミニウムのベースの上に、熱伝導金属化合物を用いることが好ましい。用途次第で、耐食金属または金属酸化物層を、また、被覆物４に付加することができる。金属フォームは、ニッケル、銅もしくはアルミニウムまたはそれらの合金からなっているのが好ましい。金属フォームは、必要に応じて、上記金属の重層化した組み合わせから構成することができる。金属フォームの体積多孔率は、９０％以上である。金属フォームのｐｐｉ（ｐｏｒｅｓ  ｐｅｒ  ｉｎｃｈ（インチ当たりの気孔））は、２０〜６３の間にあり、３５が好ましい。
【００２０】
図２ａに、従来の熱交換器における境界層を示す。層流境界層は、ここでは、破線９で示されている。この境界層の厚さは、０．１〜０．４ｍｍである。
【００２１】
図２ｂに、事実上の境界層が、破線１０によって概略的に示されているが、この線１０は、３次元構造体４の外側周囲とほとんど一致する。したがって、この事実上の境界層の厚さは、被覆物の厚さを変えることによって、変えることができる。ここでの制限要因は、被覆物構造体における、およびそれを通した熱伝導性である。構造体を適切な寸法（ｐｐｉ、タイプおよび金属量）にすることで、管の回りの層流フローに関して、５〜１０倍の熱移動の増加が可能である。３次元構造体における開口部の寸法は、境界層と大きさが同程度なので、この構造体の取る空間を熱移動に最適に利用し、それによって、被覆された管の直径は、同じ熱移動においてフィンの使用で占められる空間よりも小さくなる。かくして、従来の熱交換器と比べて、２５〜５０％の空間の節減が実現される。以下の表は、水（Ｆ）流が通って流れる単一の、薄壁で囲まれたアルミニウムチューブ（３００×７ｍｍ）から、空気流への熱移動の増加例を示すが、それは、このチューブが、９６％の体積多孔率と３５ｐｐｉの構造を備えた２ｍｍ厚の銅フォーム層で被覆されているときのものである。
【００２２】
【表１】
2006514250.tif 000003
【００２３】
表は、同じ空気速度（ｖ）で、本発明による金属フォームで被覆されたチューブの場合には、結果として、第１の媒体（水）から第２の媒体（空気）への熱移
動（Ｇ  ｔｏｔ）において、大幅な改善がもたらされることを示している。
【００２４】
図３は、本発明により被覆され、水など第１の媒体用の２つの多岐管３ａと３ｂとの間に配置されているいくつかの平行な管３の普通の構成を示す。これらの管３が占める空間はより少ないので、空気などの第２の媒体を多孔質金属被覆物に沿って案内する案内部材７を、管３の間に配置することは効率的である。
【００２５】
図４に、熱交換器に沿ってかまたは熱交換器を通して流れる第２の媒体としてのガス（ｖ−ガス）の異なるフロー速度で、従来のフィン構造体（線ａ）と本発明による熱交換器（線ｂ）との間の熱移動（Ｇ）のグラフによる比較を示す。従来のフィン構造体は、外側直径が７ミリメートルでかつ長さが１メートルの円筒状の管から構成されている。ここでは管には、既存の車両（特に、フォルクスワーゲン製）で利用されている熱交換器に従い、１８．５×１１．５ミリメートルの８７０枚のフィンが設けられている。本発明による熱交換器は、本実施形態において、外側直径が７ミリメートルでかつ長さが１メートルの同じ円筒状のチューブから構成されている。チューブの回りに、厚さが５ミリメートルでかつ密度が２ｋｇ／ｍ２の銅フォームの被覆物が配置されている。ここでは、銅フォームには、約３５のｐｐｉがある。表示したグラフにおけるガスフロー速度は、フィンに沿った、および銅フォームを通したフロー速度であり、ガスの自由な流入速度ではない。ガスの移動方向は、ここでは、管を通した液体（冷却用）の移動方向と少なくともほぼ垂直である。グラフ図によって、本発明による熱交換器の熱移動が、従来のフィン構造体の熱移動よりも著しく高いことが、明白に示されている。グラフ図は、熱交換器を車両に意図的に適用するので、特に、比較的低いガスフロー速度に的を絞っている。車両のエンジンを、従来のフィン構造体よってよりも本発明による熱交換器によって、はるかによくかつより効率的に冷却できるのは、特にこのような比較的低いガスフロー速度においてである。線ｂは、１〜２ｍ／秒の間にあるガスフロー速度で最適条件となり、それによって、非常にゆっくりと走っている車両は、先行技術とは異なり、本発明による熱交換器によって、比較的効率的な仕方で冷却することができる。非常にゆっくりと走っている車両のエンジンを効率的および簡単に冷却することは、これまでは一般に、（大）問題として認識されてきた。
【００２６】
本発明は、本明細書において図示し説明した実施形態に限定されるものではなく、また添付の特許請求の範囲内で、当業者には自明な多くの変更が可能であることは明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】金属フォームの細片で被覆された、本発明による熱交換器の管を概略的に示す。
【図２ａ】従来の熱交換器および本発明による熱交換器における第２の媒体の境界層を示す。
【図２ｂ】従来の熱交換器および本発明による熱交換器における第２の媒体の境界層を示す。
【図３】本発明による熱交換器のさらなる発展を示す。
【図４】従来のフィン構造体と本発明による熱交換器との間における熱移動のグラフによる比較を示す。
【図１】
2006514250.tif 000004
【図２ａ】
2006514250.tif 000005
【図２ｂ】
2006514250.tif 000006
【図３】
2006514250.tif 000007
【図４】
2006514250.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成16年6月17日(2004.6.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の媒体（１）の通過のための少なくとも１つの熱伝導管（３）と、
前記管（３）を囲む、第２の媒体（２）の通過のための、前記管（３）の外側で前記管（３）に接続された単一の熱伝導多孔質構造体（４）の被覆物と、
を含む原動機付き車両用熱交換器であって、
前記多孔質構造体（４）のインチ当たりの気孔（ｐｐｉ）の数が、ほぼ２０〜５０の間であり、かつ前記多孔質構造体の厚さが、ほぼ２〜８ミリメートルの間にあることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記熱伝導構造体（４）が、金属フォームによって形成されることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記金属フォームが、次の金属、すなわち、銅、ニッケルおよびアルミニウムの少なくとも１つから製造されることを特徴とする、請求項２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記被覆物に、耐食性金属が設けられていることを特徴とする、請求項１または２に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記多孔質構造体（４）のワイヤ厚さが、少なくとも実質的には、１５〜９０マイクロメートルの間にあることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記管（３）の水力直径が、最大１０ミリメートルに達することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項７】
前記管（３）に向けられた前記被覆物の側面が、前記管（３）と、少なくともほぼ完全に熱接触することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項８】
前記被覆物が、熱伝導手段を介して、前記管（３）に接続されていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項９】
前記被覆物が、前記管（３）の回りにらせん状に配置された少なくとも１つの材料細片（８）から構成されていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項１０】
前記熱交換器が、複数の相互に結合された管（３）を含むことを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項１１】
前記管（３）が、互いから離れて位置決めされ、案内部材（７）が、前記第２の媒体（２）を前記被覆物に案内するために、前記管（３）の間に配置されていることを特徴とする、請求項１０に記載の熱交換器。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の熱交換器を設けられた原動機付き車両。
【請求項１３】
原動機付き車両に配置された、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の熱交換器を利用するための方法であって、
Ａ）前記管（３）を通して、比較的暖かい第１の媒体（１）を移送するステップと、
Ｂ）前記第１の媒体（１）を冷却するために、比較的冷たい第２の媒体（２）を、前記被覆物を通して移送するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１４】
前記比較的冷たい第２の媒体（２）が、少なくとも実質的には、ガスフロー、特に空気流によって形成されることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
ステップＢ）に記載の、前記被覆物を通した、前記比較的冷たいガスフローの移送が、少なくとも実質的には、０〜２０メートル／秒の間にあるフロー速度で行われることを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の熱交換器を製造するための方法であって、
Ａ）前記管（３）の外側に半田を配置するステップと、
Ｂ）前記半田を囲みながら、前記管（３）の回りに前記被覆物を配置するステップと、
Ｃ）前記半田を溶かすステップと、
Ｄ）前記半田を凝固させるステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１７】
ステップＣ）に記載の前記半田の溶解が、前記半田を加熱することによって行われることを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記半田の加熱が、電圧を印加することによって間接的に行われることを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記半田の加熱が、前記半田の周囲温度を増加することによって直接的に行われることを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の熱交換器を製造するための方法であって、
Ａ）前記管を、前記多孔質構造体と接触させるステップと、
Ｂ）電気的および／または化学的析出プロセスを介して、前記管および前記多孔質構造体を相互に接着させるステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１の媒体の通過のための少なくとも１つの熱伝導管と、管を囲む、第２の媒体の通過のための、管の外側に接続された単一の熱伝導多孔質構造体の被覆物とを含む原動機付き車両用熱交換器に関する。本発明はまた、このような熱交換器を設けられた原動機付き車両に関する。本発明は、さらに、原動機付き車両に配置された熱交換器を利用するための方法に関する。さらに、本発明は、このような熱交換器を製造するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
２つの媒体間において、可能で最大の熱移動を実現するために、フィン付きの外側に管を設け、外側を囲んで第２の媒体を流す（フィン付きチューブ熱交換器）ことが知られている。このような熱交換器は、産業、自動車および家庭用途において、大規模に適用されている。これらの構造物の特徴は、フィンの回りのフローが層流であり、これらのフィンの寸法およびフィン間の相互距離が、第２の媒体における境界層の厚さよりも何倍も大きいことである。境界層の厚さが、フロー方向に増加し、このフローが、ある一定のポイント（レイノルズ数＞３００，０００）で乱流になることが知られている。たとえば、大気圧の空気およびたとえば約１０ｍ／秒のガスフロー速度の場合に、ここでは約０．５メートルの距離が必要である。直径およびフィン長さがこの周辺長さよりも小さい、第１の媒体用の管にあっては、フローは層流であり、第２の媒体における境界層の厚さは、約０．１〜０．４ｍｍである。この境界層の外側における、第２の媒体の部分は、回りにフローが発生する管またはフィンと何の相互作用も持たず、そのため、熱移動に対しては、何ら寄与しない。その結果として、管の回りまたはフィンに沿った層流フローとともに移動できる熱の量には基本的な限界がある。
【０００３】
上述の熱交換器に加えて、前文に記載したタイプに対応する熱交換器がまた、先行技術において公知である。このような熱交換器は、仏国特許ＦＲ２  ４１４  ０８１号明細書（ＵＯＰ  インコーポレーテッド（ＵＯＰＩｎｃ．））に説明されているが、この場合、多孔質構造体は、グラファイトフォームによって形成されている。このような多孔質３次元構造体は、立体または六角形格子として理解することができ、ノードは、熱伝導ワイヤで相互に接続されている。このような構造体における多数のワイヤのために、全熱交換領域は、一般に、非常に大幅に増加する。しかしながら、ＵＯＰ特許から知られる熱交換器に、いくつかの欠点がある。公知の熱交換器の際立った欠点は、熱が、第１の媒体から第２の媒体へ（逆の場合も同じ）比較的に非効率的な仕方で移動されることである。比較的小さな孔径のために、第２の媒体のかなりの部分が、被覆物を通り抜ける代わりに、被覆物に沿って流れ、これによって、一般に、熱移動がかなり低減される。特に、第２の媒体のフロー速度が低い場合−原動機付き車両においては一般的な事実だが、約２０ｍ／秒まで−には、熱移動効率は、前述した従来のフィンにおける熱移動効率とほぼ同等である。
【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、原動機のより効率的な冷却を実現できる、原動機付き車両用の改善された熱交換器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この目的のために、本発明は、前文に記載したタイプの熱交換器を提供するが、この熱交換器には、多孔質構造体のインチ当たりの気孔（ｐｐｉ）の数が、ほぼ２０〜５０の間にあり、かつ被覆物の厚さが、２〜８ミリメートルの間であるという特徴がある。インチ当たりの気孔の数は、２５〜３０ｐｐｉの間であるのが、より好ましい。インチ当たりの気孔の数は、先行技術と比較してかなり低減されており、その結果として、被覆物を通したフローがよりよくなり、したがって、第１の媒体と第２の媒体との間の熱移動がより効率的になる。原動機付き車両に組み込まれている熱交換器は、比較的低いフロー速度（約２０メートル／秒まで）で自由に流入するガスフローにさらされるので、管の回りの最適な境界層の厚さは、約０．４〜０．５ミリメートルの間にある。気孔の直径が、境界層の厚さの２倍を超える場合には、第２の媒体と多孔質構造体との間の相互作用がさらに増加することは、通常ないであろう。したがって、気孔の直径は、１．０ミリメートルに制限するのが好ましいが、これは約２５ｐｐｉに相当し、そして気孔の直径は、０．８ミリメートルよりは少しも小さくしないのが好ましいが、これは約３０ｐｐｉに相当する。インチ当たりの気孔の数が、２０より少ないか、または少なくとも２５の場合には、熱交換器は、従来のフィン構造体と比較できる。ＵＯＰ特許におけるように、５０ｐｐｉ超では、フロー抵抗が増加し、述べたように、第２の媒体のかなりの部分が、多孔質構造体を通り抜ける代わりに、多孔質構造体の回りを流れるようになる。約２〜８ミリメートルの間の厚さの被覆物を付加することによって、熱交換器の最適な構成を実現することができ、その場合には、多孔質構造体は、複数の積み重ねた気孔層から組み立てられる。
【０００６】
熱伝導構造体は、金属フォームによって形成するのが好ましい。金属フォームには、並外れて熱伝導性であるという利点があり、それによって、第１の媒体と第２の媒体との間の熱交換を最大限にできる。特に好適な一実施形態において、金属フォームは、次の金属、すなわち、銅、ニッケルおよびアルミニウムの少なくとも１つから製造される。さらに、合金からの金属フォームの製造を想定することも可能である。被覆物には、耐食性金属または金属酸化物を備えて付け、熱交換器の劣化を防ぐかまたは少なくとも劣化に対処することによって、熱交換器の耐久性を増加するようにするのが好ましい。
【０００７】
好適な一実施形態において、多孔質構造体のワイヤ厚さは、少なくともほぼ１５〜９０マイクロメートルの間であり、特に２０〜７０マイクロメートルの間、より特別には、３０〜６０マイクロメートルの間にある。このようなワイヤ厚さによって、第１の媒体と第２の媒体との間における熱移動の効率を、さらに増加することができる。
【０００８】
別の好適な一実施形態において、管の水力外側直径（ｈｙｄｒａｕｌｉｃ  ｅｘｔｅｒｎａｌ  ｄｉａｍｅｔｅｒ）は、最大１０ミリメートル達する。水力直径についてのみ言及しているのであるから、管は、非常に様々な幾何学的形状を取ることができる。したがって、円筒状管に加えて、フィン様の管または他の仕方で形成された管が可能であり、この場合には、水力直径は、１０ミリメートルの限度を超えない。
【０００９】
管に向けられた被覆物の側面は、管と少なくともほぼ完全に熱接触するのが好ましい。このようにして、管と多孔質構造体との間、または第１の媒体と第２の媒体との間における熱移動を、最適化することができる。
【００１０】
好適な一実施形態において、被覆物は、熱伝導手段を介して、管に接続されている。熱伝導手段は、本質的には、非常に多様にすることができる。熱伝導手段は、たとえば、熱伝導接着剤、（半田用）ペースト、熱伝導金属層等によって形成することができる。熱伝導手段は、たとえば、蒸着または電気的析出プロセスによってなど、様々な方法で配置することができる。
【００１１】
別の一好適な実施形態において、被覆物は、管の回りにらせん状に配置された少なくとも１つの材料細片から構成されている。したがって、比較的簡単な仕方で管の回りに配置できる比較的狭い金属細片を用いて間に合わせることが可能である。
【００１２】
熱交換器には、全体的な熱移動を増加するために、複数の相互に結合された管を含むのが好ましい。特定の好適な一実施形態において、管は、互いから離れて位置決めされ、その場合には、第２の媒体を被覆物に案内するために、管の間に案内部材が配置される。ここでは、案内部材は、非常に多様にすることができる。
【００１３】
本発明はまた、このような熱交換器を設けられた原動機付き車両に関する。
【００１４】
本発明は、さらに、原動機付き車両に配置されたこのような熱交換器を利用する方法に関し、該方法は、Ａ）比較的暖かい第１の媒体を、管を通して移送するステップと、Ｂ）第１の媒体を冷却するために、比較的冷たい第２の媒体を、被覆物を通して移送するステップとを含む。好適な一実施形態において、比較的冷たい第２の媒体は、ガスフロー、特に空気流によって、少なくとも実質的には形成されている。特定の好適な一実施形態において、ステップＢ）に記載の、被覆物を通した、比較的冷たいガスフローの移送は、少なくとも実質的には０〜２０メートル／秒の間にあるフロー速度で行われる。
【００１５】
さらに、本発明は、このような熱交換器を製造するための方法に関し、Ａ）管の外側に半田を配置するステップと、Ｂ）半田を囲みながら管の回りに被覆物を配置するステップと、Ｃ）半田を溶かすステップと、Ｄ）半田を凝固させるステップとを含む。管と多孔質構造体との間の実際の接着は、ステップＤ）に従って、溶けた半田が凝固する間に行われ、この場合には、管と、管に向けられた多孔質構造体の側面との間の接触は、最大限にできる。
【００１６】
好適な一実施形態において、ステップＣ）に記載の半田の溶解は、半田を加熱することによって行われる。このような加熱は、たとえば、好ましくは速やかにかつ非常に短時間、電圧を印加することによって、間接的に行うことができるが、また、半田の周囲温度を増加することによって、直接的に行うことができる。しかしながら、また、誘導半田付けまたは化学半田付けなど、管および多孔質構造体の相互接着をもたらす他の方法の適用を想定することも可能である。
【００１７】
さらに、本発明は、このような熱交換器を製造するための方法に関し、該方法は、Ａ）管を多孔質構造体と接触させるステップと、Ｂ）電気的および／または化学的（ガルバニック）析出プロセスを介して、管と多孔質構造体とを相互に接着させるステップとを含む。
【００１８】
本発明を、次の図に示す非限定的実施形態に関連して明らかにする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
例として、図１に、管３の一部を示すが、この管３を通して、水などの第１の媒体１が流れる。管３は、その回りを空気などの第２の媒体２が流れるが、それ自体は公知の金属フォームなどの熱伝導３次元構造体４で覆われている。ここでは金属フォームは、管の回りにらせん状に巻かれている細片８の形状を取る。管と金属フォームの接続は、たとえば熱伝導接着剤、熱伝導ペースト、半田付けプロセスによってか、または接着性および熱伝導性金属層の蒸着もしくはガルバニック析出プロセスによってなど、この分野で公知の手段で行うことができる。ここで重要なことは、３次元構造体と管壁との間で、十分な熱接触をもたらすことである。好ましくはニッケル、銅またはアルミニウムのベースの上に、熱伝導金属化合物を用いることが好ましい。用途次第で、耐食金属または金属酸化物層を、また、被覆物４に付加することができる。金属フォームは、ニッケル、銅もしくはアルミニウムまたはそれらの合金からなっているのが好ましい。金属フォームは、必要に応じて、上記金属の重層化した組み合わせから構成することができる。金属フォームの体積多孔率は、９０％以上である。金属フォームのｐｐｉ（ｐｏｒｅｓ  ｐｅｒ  ｉｎｃｈ（インチ当たりの気孔））は、２０〜６３の間にあり、３５が好ましい。
【００２０】
図２ａに、従来の熱交換器における境界層を示す。層流境界層は、ここでは、破線９で示されている。この境界層の厚さは、０．１〜０．４ｍｍである。
【００２１】
図２ｂに、事実上の境界層が、破線１０によって概略的に示されているが、この線１０は、３次元構造体４の外側周囲とほとんど一致する。したがって、この事実上の境界層の厚さは、被覆物の厚さを変えることによって、変えることができる。ここでの制限要因は、被覆物構造体における、およびそれを通した熱伝導性である。構造体を適切な寸法（ｐｐｉ、タイプおよび金属量）にすることで、管の回りの層流フローに関して、５〜１０倍の熱移動の増加が可能である。３次元構造体における開口部の寸法は、境界層と大きさが同程度なので、この構造体の取る空間を熱移動に最適に利用し、それによって、被覆された管の直径は、同じ熱移動においてフィンの使用で占められる空間よりも小さくなる。かくして、従来の熱交換器と比べて、２５〜５０％の空間の節減が実現される。以下の表は、水（Ｆ）流が通って流れる単一の、薄壁で囲まれたアルミニウムチューブ（３００×７ｍｍ）から、空気流への熱移動の増加例を示すが、それは、このチューブが、９６％の体積多孔率と３５ｐｐｉの構造を備えた２ｍｍ厚の銅フォーム層で被覆されているときのものである。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
表は、同じ空気速度（ｖ）で、本発明による金属フォームで被覆されたチューブの場合には、結果として、第１の媒体（水）から第２の媒体（空気）への熱移動（Ｇ  ｔｏｔ）において、大幅な改善がもたらされることを示している。
【００２４】
図３は、本発明により被覆され、水など第１の媒体用の２つの多岐管３ａと３ｂとの間に配置されているいくつかの平行な管３の普通の構成を示す。これらの管３が占める空間はより少ないので、空気などの第２の媒体を多孔質金属被覆物に沿って案内する案内部材７を、管３の間に配置することは効率的である。
【００２５】
図４に、熱交換器に沿ってかまたは熱交換器を通して流れる第２の媒体としてのガス（ｖ−ガス）の異なるフロー速度で、従来のフィン構造体（線ａ）と本発明による熱交換器（線ｂ）との間の熱移動（Ｇ）のグラフによる比較を示す。従来のフィン構造体は、外側直径が７ミリメートルでかつ長さが１メートルの円筒状の管から構成されている。ここでは管には、既存の車両（特に、フォルクスワーゲン製）で利用されている熱交換器に従い、１８．５×１１．５ミリメートルの８７０枚のフィンが設けられている。本発明による熱交換器は、本実施形態において、外側直径が７ミリメートルでかつ長さが１メートルの同じ円筒状のチューブから構成されている。チューブの回りに、厚さが５ミリメートルでかつ密度が２ｋｇ／ｍ２の銅フォームの被覆物が配置されている。ここでは、銅フォームには、約３５のｐｐｉがある。表示したグラフにおけるガスフロー速度は、フィンに沿った、および銅フォームを通したフロー速度であり、ガスの自由な流入速度ではない。ガスの移動方向は、ここでは、管を通した液体（冷却用）の移動方向と少なくともほぼ垂直である。グラフ図によって、本発明による熱交換器の熱移動が、従来のフィン構造体の熱移動よりも著しく高いことが、明白に示されている。グラフ図は、熱交換器を車両に意図的に適用するので、特に、比較的低いガスフロー速度に的を絞っている。車両のエンジンを、従来のフィン構造体よってよりも本発明による熱交換器によって、はるかによくかつより効率的に冷却できるのは、特にこのような比較的低いガスフロー速度においてである。線ｂは、１〜２ｍ／秒の間にあるガスフロー速度で最適条件となり、それによって、非常にゆっくりと走っている車両は、先行技術とは異なり、本発明による熱交換器によって、比較的効率的な仕方で冷却することができる。非常にゆっくりと走っている車両のエンジンを効率的および簡単に冷却することは、これまでは一般に、（大）問題として認識されてきた。
【００２６】
本発明は、本明細書において図示し説明した実施形態に限定されるものではなく、また添付の特許請求の範囲内で、当業者には自明な多くの変更が可能であることは明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】金属フォームの細片で被覆された、本発明による熱交換器の管を概略的に示す。
【図２ａ】従来の熱交換器および本発明による熱交換器における第２の媒体の境界層を示す。
【図２ｂ】従来の熱交換器および本発明による熱交換器における第２の媒体の境界層を示す。
【図３】本発明による熱交換器のさらなる発展を示す。
【図４】従来のフィン構造体と本発明による熱交換器との間における熱移動のグラフによる比較を示す。
【国際調査報告】
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