(57)【要約】  本発明は、流れセグメント２１に配置された流路２１０を備えた熱交換器２を含む熱交換システム１に関する。輸送流体３と、動作状態において流路２１０を通って流れる加熱手段４との間の熱交換のために、輸送流体３を、流入領域２０１によって熱交換器２と流れ接触させること、及び流出領域２０２によって熱交換器２から離れるように導くことができる。本発明によれば、熱交換器２の汚れの程度Ｖを決定するために、圧力センサ５及び／又は速度センサ５の形の汚れセンサ５が設けられ、その汚れセンサによって、流入面２０１から流出面２０２を横断する輸送流体３の流れに特有の輸送パラメータＴＫを決定することができる。さらに、本発明は、熱交換システム１を動作させる方法に関する。
2012532306.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流れセグメント（２１)に配置された流路（２１０)を備えた熱交換器（２)を含む熱交換システムであって、輸送流体（３)と、動作状態において前記流路（２１０)を通って流れる熱伝達媒体（４)との間の熱交換のために、前記輸送流体（３)を、入口領域（２０１)を介して前記熱交換器（２)と流れ接触させること、及び出口領域（２０２）を介して再び前記熱交換器（２)から離れるように導くことができる熱交換システムにおいて、
前記熱交換器（２)の汚染の程度（Ｖ）を決定するために、圧力センサ（５)及び／又は速度センサ（５)の形の汚染センサ（５)が設けられ、それを用いて、前記入口領域（２０１)から前記出口領域（２０２)を介する前記輸送流体（３)の流れに特有の輸送パラメータ（ＴＫ)を決定することができることを特徴とする熱交換システム。
【請求項２】
熱交換率を高めるために、流れセグメント（２１)にフィン（６)が設けられた、請求項１に記載された熱交換システム。
【請求項３】
前記フィン（６)に、特にルーバ（６１)の形で、貫流開口部（６１)が設けられた、請求項２に記載された熱交換システム。
【請求項４】
少なくとも１つの熱交換器（２)が小通路熱交換器（２)である、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載された熱交換システム。
【請求項５】
少なくとも１つの熱交換器（２)が管熱交換器（２）である、請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載された熱交換システム。
【請求項６】
前記入口領域（２０１)から前記出口領域（２０２)への前記輸送流体（３)の輸送のために、輸送装置（７)、特にファンが設けられた、請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載された熱交換システム。
【請求項７】
前記輸送パラメータ（ＴＫ)が、前記輸送流体（３)の圧力、特に前記熱交換器（２)の前記入口領域（２０１)と前記出口領域（２０２)との間の圧力損失（ΔＰ）である、請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載された熱交換システム。
【請求項８】
前記輸送パラメータ（ＴＫ)が、前記輸送流体（３)の流速である、請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載された熱交換システム。
【請求項９】
制御ユニット、特にデータ処理ユニットを有する制御ユニットが、制御及び／又は調節のために、並びに／或いは前記熱交換システムの動作パラメータ又は状態パラメータのデータ収集のために、前記熱交換器（２)のセンサ、及び／又は前記輸送装置（７)、及び／又は前記汚染センサ（５)、及び／又は熱機関に信号接続される、請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載された熱交換システム。
【請求項１０】
前記熱交換システムは、ラジエータ、特に自動車用、とりわけ陸上車両、航空機若しくは水上車両用のラジエータ、又は可搬式若しくは定置式の加熱設備、冷却設備若しくは空調設備、特にデータ処理システム用の機械若しくは建築物のための冷却装置用のラジエータ、コンデンサ若しくは気化器である、請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載された熱交換システム。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０までのいずれか一項に記載された熱交換システム（１)を動作させる方法であって、輸送パラメータ（ＴＫ)を測定し、前記輸送パラメータ（ＴＫ)から熱交換器（２)の汚染の程度（Ｖ）を決定する方法。
【請求項１２】
前記輸送パラメータ（ＴＫ)から圧力の低下（ΔＰ）を決定する、請求項１１に記載された方法。
【請求項１３】
前記圧力損失（ΔＰ）から前記熱交換器（２)の圧力の熱伝達性能（ＰＷ)の低下を決定する、請求項１１又は請求項１２に記載された方法。
【請求項１４】
前記輸送装置（７)の性能、特に前記ファン（７)の回転速度が、前記熱交換器（２)の汚染の程度に応じて制御及び／又は調節され、並びに／或いはサービス・ルーチンのための時期が、前記汚染の程度に応じて自動的に決定される、請求項１１から請求項１３までのいずれか一項に記載された方法。
【請求項１５】
オンラインによる方法において、特にイントラネット若しくはインターネットを介して、前記熱交換システム（１)からの動作データ及び／又は状態データが制御センタによって監視され、並びに／或いは前記熱交換システム（１)が制御及び調節される、請求項１１から請求項１４までのいずれか一項に記載された方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、独立請求項１及び１１の導入部分による熱交換システム、並びに熱交換システムの汚染の程度に関する動作及び決定の方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱交換システムの使用は、従来技術から圧倒的に多数の用途において知られている。熱交換器は、通常の家庭用冷蔵庫などの冷却設備に、建築物又はあらゆる種類の車両、とりわけ自動車、航空機及び船舶における空調設備に、燃焼機関における水又はオイルのラジエータとして、例えばヒート・ポンプなど冷却液回路内のコンデンサ又は気化器として、また実際には当技術分野の平均的な技術を有する者にはすべてよく知られているさらなる数え切れない様々な用途に用いられている。
【０００３】
この点に関して、完全に異なる使用領域とは異なり、熱交換器に意味のある分類を行う様々な方法が存在する。１つの試みは、様々なタイプの熱交換器の構成及び／又は製造による違いに従って分類することである。
【０００４】
したがって、一方では「管熱交換器」と呼ばれることもある、いわゆる「フィン付熱交換器」と、他方では「小型通路熱交換器（ｍｉｎｉ  ｐａｓｓａｇｅ  ｈｅａｔ  ｅｘｃｈａｎｇｅｒ）」又は「小通路熱交換器（ｍｉｃｒｏ−ｐａｓｓａｇｅ  ｈｅａｔ  ｅｘｃｈａｎｇｅｒ）」に分けられる。
【０００５】
すべてのタイプの熱交換器がそうであるように、使用期間がきわめて長いことでよく知られているフィンチューブ熱交換器は、２つの媒体間の熱伝達に役立つ。２つの媒体間の熱伝達は、例えばそれだけではないが、ある冷却媒体から空気へ又はその逆の伝達である。それは、例えば典型的な家庭用冷蔵庫によって知られる。その冷蔵庫の内部においては、冷却能力を作り出すために熱が熱交換器を介して環境空気へ放出される。
【０００６】
熱交換器の外側の環境媒体、すなわち、例えば熱を受け取る又は熱を熱交換器へ伝達する水、油、又はしばしば単に大気は、この点に関しては同様に冷却又は加熱される。第２の媒体は、液体の冷熱若しくは熱伝達媒体、又は気化若しくは凝縮する「熱伝達媒体」とすることができる。この点に関して本願の範囲内では、「熱伝達媒体」という用語は、熱交換器で有利に使用することができる任意の流体を意味すると理解されたい。したがって、「熱伝達媒体」という用語は、科学技術において知られている典型的な冷却剤だけではなく、任意の他の適切な熱伝達媒体又は冷却手段を含む。例えばある特定の用途において、熱交換器が、例えば燃焼機関におけるラジエータなどの単純なラジエータである場合には、熱伝達媒体は、より具体的には、もちろん、冷却液として熱交換器を通って循環する単なる水又は油でもよい。
【０００７】
いずれの場合も、環境媒体、すなわち例えば空気は、第２の媒体、すなわち例えば熱交換システム内を循環する冷却液よりかなり低い熱伝達係数を有する。このことは、２つの媒体に対する大きく異なる熱伝達面によって補償される。高い熱伝達係数を有する媒体、すなわち熱伝達手段は管の中を流れ、管は金属薄板部（リブ、フィン）によって外側に大きく拡大された面を有し、そこで例えば空気との熱伝達が行われる。
【０００８】
図２は、それ自体は周知であるフィンチューブ熱交換器を有する、本発明による熱交換システムを示している。この点に関して熱交換システムは、実際には複数のそのような要素によって形成される。
【０００９】
この点に関して、外面と内面の割合は、フィンの形状（＝管の直径、管の配置及び管の間隔）並びにフィンの間隔にも依存する。フィンの間隔は、様々な使用に対して様々に選択される。しかし、純粋な熱力学の観点からは間隔をできるだけ小さくすべきであるが、空気側での圧力損失が大きくなりすぎるほどに小さくすべきではない。経済上の理想は約２ｍｍであり、これは液化器及び熱交換器にとって典型的な値である。
【００１０】
こうしたいわゆるフィンチューブ熱交換器の製造は、長年にわたって知られている標準化された手順に従って行われる。フィンは、プレス及び特別なツールを用いて打ち抜かれ、一緒にパックとして配置される。その後、管とフィンとの間にきわめて良好な接触、したがって良好な熱伝達が生じるように、管が押し込まれ、機械的に又は水圧によって広げられる。次いで、個々の管が弓状体によって互いに接続され、管を集めて分配し、また互いにはんだ付けすることが多い。
【００１１】
ここで、フィンの表面と空気との間で伝達される熱が、フィンを通って管に至る熱伝導によって伝達されなければならないという事実によって、効率の程度は本質的に決まる。この熱伝達をいっそう効果的にするほど、フィンの伝導性又は厚さは大きくなり、パイプ間の間隔は小さくなる。この点に関して、フィンの効率の程度について述べる。このために、今日ではフィンの材料として主にアルミニウムが使用されているが、アルミニウムは経済的な条件で高い熱伝導度（約２２０Ｗ/ｍＫ)を有する。管の間隔はできるだけ小さくすべきであるが、それによって多数の管が必要になるという問題をまねく。（一般に銅で製造される）管は薄いアルミニウムのフィンよりかなり高価であるため、管の数が多くなるとコストが高くなる。こうした材料のコストは、管の直径及び壁の強度を低減すること、すなわち、少数の大きい管ではなく多数の小さい管を有する熱交換器を構築することによって削減することが可能である。熱力学的には、小さい直径を有するきわめて多数の管を互いに狭い間隔で配置するというこの解決策は理想的であろう。しかしながら、管を広げ、はんだ付けするための作業時間もきわめて重要なコスト要因である。これは、そうしたシナリオにおいて非常に大きくなるであろう。
【００１２】
このために数年前、新しい種類の熱交換器が開発された。この熱交換器は、いわゆる小型通路熱交換器若しくは小通路熱交換器、又は小流路熱交換器（ｍｉｃｒｏ−ｃｈａｎｎｅｌ  ｈｅａｔ  ｅｘｃｈａｎｇｅｒ）。この熱交換器は、全く異なる工程によって製造され、狭い間隔を有する多数の小さい管というフィンチューブ熱交換器の理想的な概念にほぼ一致する。
【００１３】
小通路熱交換器では、小さい管の代わりにアルミニウムの押出し品が用いられるが、この熱交換器は、例えば約１ｍｍの直径を有するきわめて多くの小さい通路を有する。例えば本発明による図１の実施形態には、やはりそれ自体は周知のこのような押出し部分が使用され、概略的に示されている。この点に関して熱交換器は、必要とされる熱の出力に応じて、実際には中央の熱交換要素としての単一の押出し部分で済ませることができる。より高い熱伝達性能を得るために、言うまでもなく複数の押出し部分を同時に設けることもでき、それらは例えば適当な組み合わせとして、入口の導管及び出口の導管を介して互いに接続されるか又は互いにはんだ付けされる。
【００１４】
このような部分は、例えば適切な押し出し成形手順で、複数の材料から様々な形状に簡単に製造することができる。しかしながら、小型通路熱交換器の製造については、適当に成形された金属薄板部を組み立てる方法、又は他の適切な方法など、他の製造方法も知られている。
【００１５】
これらの部分は広げることができず、また広げる必要がなく、打ち抜かれたフィン・パックに押し込まれることもない。その代わりに、金属薄板の小片及び各部分を交互に配置することによって熱交換パックが得られるように、例えば金属薄板の小片、特にアルミニウムの小片が、互いに近接する２つの型出しされた金属薄板部の間に置かれる（例えば１ｃｍ未満の典型的な間隔)。次いでこのパックは、はんだ付け用のオーブンの中で全体的にはんだ付けされる。
【００１６】
これは、小型通路熱交換器を使用するときでも、表面を増大させ、小型通路熱交換器の内部に流入する熱伝達媒体と、例えば熱が放出される空気との間の熱伝達を改善するために、フィンがしばしば、フィンチューブ熱交換器と同じ方法で同様に使用されることを意味している。
【００１７】
この点に関して、両タイプの熱交換器において、スリット、いわゆる「ルーバ」を有するフィンを提供することが知られている。当技術分野の平均的な技術を有する者には確実に理解されるように、こうしたルーバは、ほとんどがフィンの表面に形成されたルーフ形の突出部であり、一方では例えば空気がそれを通って流れることができ、他方ではそこで空気の乱流を生じることができ、その結果、熱を交換する空気とフィンとの間で、有効な接触時間又は有効な接触面がさらに増加し、熱交換の効率をさらに高めることができる。この手段も長い間にわたって知られており、ルーバの特別な形状設計は用途に応じて大きく異なってもよい。最も単純なケースでは、ルーバは単なるスリット、すなわちフィン内の細長く狭い溝又はフィン内の開口部である。
【００１８】
小型通路熱交換器では空間が狭く通路の直径が小さいため、フィンの効率の程度がきわめて高く、また充填される容積（通路の内側）がきわめて小さい熱交換器が得られる。この技術の他の利点は、材料接合（ｐａｉｒｉｎｇ）（腐食）を回避できること、軽量であること（銅ではない）、高圧安定性であること（約１００バール）、並びにコンパクトなタイプの構造であること（例えば熱交換器の典型的な深さは約２０ｍｍ）である。
【００１９】
小型通路熱交換器自体は、可搬式の用途で１９９０年代に確立された。軽量であること、ブロックの深さが小さいこと、並びにここで必要とされる制限された寸法が、これに対する理想的な前提条件である。自動車のラジエータ、並びに車両の空調ユニット用の液化器及び気化器は、今日ではほとんど小型通路熱交換器を用いて実現されている。
【００２０】
一方において、固定位置での使用には、多くの場合、より大きい熱交換器が必要とされ、他方において、あまり重量がなくコンパクトであることがこの場合に重要ではあるが、むしろ資金的に理想的な値であることがずっと重要になる。この用途に適するように、小型通路熱交換器は今まで寸法が制限されていた。複数の小さいモジュールを、複雑でコストのかかる方法によって接続しなければならなかった。さらに、押出し部分にアルミニウムを使用すると比較的高くなり、したがって、この材料の使用によるコスト面での利点はほとんど期待されていなかった。
【００２１】
しかしながら、とりわけ銅の価格がアルミニウムに比べて急に上昇していることにより、この技術も固定的な用途にとってますます興味深いものになりつつある。
【００２２】
この点に関して、これまでに知られている熱交換システムすべてにおける問題は、熱交換システム構成要素、特に熱交換器自体、すなわち、とりわけ熱交換器のフィンの汚染である。それは、動作状態では基本的に避けることができないものである。
【００２３】
液化器又は戻り交換器（ｒｅｔｕｒｎ  ｅｘｃｈａｎｇｅｒ）などの空冷式熱交換器は、汚染された環境で作動することがしばしばである。空気の汚染物質は、自然によるもの（花粉、昆虫、ダスト、葉など）、又は産業によるもの（研削のダスト、タイヤの摩耗、粉末のダスト、厚紙のダストなど）である可能性がある。多くの汚染物質は空冷式熱交換器に固着し、徐々に空冷式熱交換器を詰まらせる。
【００２４】
例えば対応するファンの助けによって熱交換器を通過するように冷却空気が導かれる熱交換器は、やがてそうした汚染物質、又は冷却空気に含まれるあらゆる種類の他の汚染物質によってますます汚染される可能性がある。それが、例えば熱交換器の表面の熱伝導係数の低下をまねく恐れがあり、その結果、熱伝導性能が著しく低減される。このため、動作コストが高くなることがある。或いは極端な場合には、熱交換装置がもはや必要とされる熱交換性能をもたらすことが全くできなくなる。最悪の場合にはそれが重大な損傷につながることがある。
【００２５】
この点に関して、前述のルーバは特に汚染物質の影響を受けやすい。特にルーバは、すべての種類の汚染物質にとって都合のよい支持材を提供する。汚染物質はフィン内のルーバの縁部に集まり、したがってフィンの熱伝達の悪化、したがって熱交換器の性能の損失をまねき、その結果、エネルギー消費が増大し、さらには機能停止の恐れもある。
【００２６】
したがって、汚染物質によって空気側の抵抗が増大し、結果として空気流の体積が低減され、熱伝達も低減されることがきわめて多い。このため、データ処理ユニット、燃焼機関、又は他の機関など、冷却される機関が過熱し、損傷を受ける恐れがある。冷却が不足するために、例えば低温の貯蔵庫に貯蔵される食物などの商品の損傷が悪化する恐れもある。
【００２７】
この点に関して、こうした問題は、フィンチューブ熱交換器でもフィンを備えた小通路熱交換器でも生じる。
【００２８】
このような重大な損傷を防止し、且つこのような汚染物質に備えた処置をとるように、費用をかけて定期的に熱交換器を清浄化するか、又は熱交換器には対応するフィルタが設けられなければならない。しかしながら、フィルタも定期的に清浄化しなければならない。
【００２９】
この点に関して周知のシステムでは、熱交換装置の清浄化は労力を要し、したがって複雑で費用がかかる。これは、まず第一に構造上の理由から、例えば動作状態では熱交換器に容易にアクセスできないからである。多くの周知の熱交換装置では、例えば熱交換器自体又は熱交換システムのハウジング内部の他のきわめて重要な構成要素を清浄化するために、又は単に清浄化が必要かどうか、若しくは清浄化をさらに延期してもよいかどうかを調べるためにも、例えばハウジングを開放する必要がある。この点に関して、ハウジングの開放は時間を要する複雑なものではない。しかしながらこの場合には、既に言及したように、対応して接続された熱機関を停止しなければならならない。その理由は、そうしなければ安全上の理由から熱交換システムのハウジングの開放が許容されない、又は技術的な理由から作動状態ではハウジングの開放が全く不可能であるからである。
【００３０】
さらなる要点は、ある制限範囲内では、熱交換システムの適当な制御及び／又は熱交換システムの調節によって、例えば汚染の程度に応じて空気を熱交換器による熱交換に導くファンの性能を適合させることによって、時間と共に増大する汚染を補償することが可能であることである。或いは、熱交換器によって熱伝達媒体の貫流若しくは作動圧力を再調整するか、又は他の動作パラメータを対応するように適合させる。
【００３１】
しかしながら、こうした手段はすべて、熱交換システムの汚染の程度を知らなければならないこと、さらに、好ましくは汚染の程度を定性的にだけではなく定量的に知らなければならないこと、特に汚染の変化が確認できなければならないことを前提にしている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３２】
したがって、本発明の目的は、従来技術によって知られている問題を克服し、特に熱交換システム、とりわけの熱交換器のフィンの汚染の程度を連続的に監視することを可能にする、改善された熱交換システムを利用可能にすることである。特に、所定の制限範囲内で、熱交換器、又は熱交換システム全体の熱伝達性能を長い動作時間わたって最適化することもできるように、ある特定の関連する動作パラメータを本質的に変化する熱交換システムの汚染に適合させることが可能であり、且つ汚染が増大しても、長い動作時間にわたって、所定の熱伝達性能を保証することもできる熱交換システムが提案される。さらに本発明によって、所定の汚染の程度が自動的に認識されることが保証され、あまり費用をかけずに清浄化作業が必要な理想的な時期を自動的に認識することができるようにする。
【課題を解決するための手段】
【００３３】
この目的を満足する本発明の主題は、独立請求項１及び１１の特徴によって特徴付けられる。
【００３４】
従属請求項は、本発明の特に有利な実施形態に関する。
【００３５】
したがって、本発明は、流れセグメントに配置された流路を備えた熱交換器を含む熱交換システムに関する。輸送流体と、動作状態において流路を通って流れる熱伝達媒体との間の熱交換のために、輸送流体を、入口領域を介して熱交換器と流れ接触させること、及び出口領域を介して再び熱交換器から離れるように導くことができる。本発明によれば、熱交換器の汚染の程度を決定するために、圧力センサ及び／又は速度センサの形の汚染センサが設けられ、それを用いて、入口領域から出口領域にわたる輸送流体の流れに特徴的な輸送パラメータを決定することができる。
【００３６】
特徴的な輸送パラメータを監視する、本発明による汚染センサによって、時間と共に増大する熱交換システムの汚染を自動的且つ連続的に監視することが初めて可能になり、熱交換器全体の圧力損失が著しく上昇する前に、本発明による汚染センサによって熱交換器の性能の低下が認識されるようになる。すなわち、増大する熱交換器の汚染がまだ熱交換器全体の圧力損失の増大につながらない程度の汚染であっても、熱交換器の出力の低下を大いに利用するということは、本発明のきわめて重要な認識である。それどころか、このことは、より早い段階における熱交換器全体の圧力損失の低減につながる。
【００３７】
これは、熱交換器の特徴的な輸送パラメータから、例えば熱交換器全体の圧力の低下、又は例えば熱交換器を通って流れる空気などの輸送流体の流速から、熱交換器の性能又は性能の変化に関する信頼性のある情報を得ることが本発明によって初めて可能になることを意味する。
【００３８】
これは、熱交換システムの増大する汚染を、例えば熱交換システムの適切な制御及び／又は調節によってある限界範囲内で補償できることを意味している。それは、例えば、熱交換器による熱交換へ空気を導くファンの性能が汚染の程度に応じて調整されるという点においてである。或いは他方では、熱伝達媒体の貫流又は熱伝達媒体の動作圧力が熱交換器によって適当に再調整されるという点、又は異なるパラメータが適当に修正されるという点においてである。
【００３９】
この点に関して、実際的に特に適切な実施形態では、熱交換システムの汚染の程度を連続的に、さらに必要な場合には、定量的にだけではなく定性的にも決定することが可能であり、とりわけ汚染の変化を時間に応じて決定することもできる。すなわち本発明によれば、熱交換システムの汚染の程度、特に熱交換器のフィンの汚染の程度を、熱交換システムにおいて連続的に監視することができる。
【００４０】
これにより、所定の範囲内で本質的に変化する熱交換システムの汚染に対して、ある特定の関連するパラメータを系統的に調整することが可能になる。したがって、より長い動作期間の間、熱交換器又は熱交換システム全体の熱伝達性能を連続的に最適化することも可能になる。その結果、長い動作時間の間も所定の熱伝達性能が依然として保証されるようになる。あまり費用をかけずに、またあまり複雑にならずに、必要な清浄化及びメンテナンスの理想的な時期を自動的に認識することができるように、本発明によって所定の汚染の程度を自動的に認識することが可能である。
【００４１】
この点に関して、本発明は、輸送流体の特徴的な輸送パラメータが、明確で再現可能な形で熱交換システムの汚染の程度、特に熱交換器の汚染の程度に依存するという認識に基づいている。
【００４２】
これに関して、輸送パラメータは、例えば輸送流体の流速、すなわち例えば熱交換器を通る空気の流速とすることができる。しかしながら、輸送パラメータは、輸送流体の圧力、例えば入口領域を介して熱交換器に入る前の空気の圧力、又は熱交換器の出口領域を通して流出する間若しくはその後の圧力でもよい。
【００４３】
輸送パラメータは、熱交換器全体の差圧又は圧力損失であることが特に好ましい。後で図４よび図５を参照して詳しく説明するように、すなわち実験において、増大する熱交換器の汚染が、汚染の程度に応じて特徴的な形で、流動する輸送流体の圧力損失に影響を及ぼすことが示されている。
【００４４】
例えば対応する較正測定によって、ルックアップテーブル又は数学的な関数を生成することが可能である。それは、輸送流体の圧力、及び／又は絶対圧力の値及び／又は特徴的な流速の損失に応じて熱交換システムの汚染の程度を反映するものである。おそらくは、例えばファンの回転速度、温度若しくは他のパラメータ、又は熱交換システムの動作パラメータ及び状態パラメータなど、さらなるパラメータが考慮される。当技術分野の平均的な技術を有する者には、汚染の程度の決定に特定のパラメータを考慮すべきであり、言うまでもなく、それが対応する熱交換システムの実際の設計に依存することが理解される。
【００４５】
本発明は、有効な熱伝達面を増大させるためにフィンを含む熱交換器において特に有利に用いることができ、フィンが最初に明示したルーバを備えることが好ましい。
【００４６】
後で図５を用いて説明するように、すなわち、ルーバの汚染は、全く驚くべき形で、まず圧力損失の低減をもたらす。この場合、汚染の程度の関数としての圧力損失はまず最小値まで低下し、次いで汚染が進むにつれて再び上昇する。全く予想に反することであったが、これは、汚染の増大と共にまず熱交換器全体の圧力損失が低減することを意味している。
【００４７】
ルーバの増大する汚染、特にルーバの縁部と共に開口スリットの増大する汚染によって、主にルーバの縁部における乱流が低減され、又はルーバの縁部における乱流が最小限に抑えられ、或いは対応する汚染の場合には完全に妨げられ、その結果、生じる乱流が小さくなり、したがって、フィンによって形成される流路を通しての全体的な圧力損失が低減されるということは、本発明のきわめて重要な認識である。これは、圧力損失に関連付けられる熱交換器の性能の損失がルーバにおける乱流の低減に起因することを意味している。その理由は、輸送流体の熱交換器との有効な接触時間又は有効な接触面が低減されるためである。
【００４８】
この認識を利用することにより、特別な実施形態では、本発明に従って、熱交換システムにおける圧力損失の測定のためのきわめて単純な汚染センサを導入することができる、又導入されている。その汚染センサは熱交換器を通る圧力の低下の低減を検知し、したがって、好ましくは時間に応じて汚染の程度を測定することができる。このため、空気の量が、清浄な条件と汚染された条件においてそれぞれ本質的に同じであることを特に保証すべきである。空気の量に対して、熱交換器全体のそれぞれの圧力損失が測定される。すなわち、さらなる環境条件におけるファンの回転速度は、好ましくは清浄な条件と汚染された条件の間で実質的に同じにすべきである。このために、例えばＥＣ技術によって速度調節される換気装置では、特に、機関の充電率を信号として用いることができる。
【００４９】
既に幾度か言及してきたように、実際的に特に重要な実施形態では、流れセグメントにおける熱交換率を高めるためにフィンを設けることが可能であり、フィン上に、特にルーバの形で貫流開口部を設けることが好ましい。
【００５０】
この点に関して、本発明による熱交換器の少なくとも１つの熱交換器は小通路熱交換器であり、及び/又は少なくとも１つの熱交換器は管熱交換器である。
【００５１】
実際には、本発明の熱交換システムでは、入口領域から出口領域への輸送流体の輸送のために、輸送装置、特にファンが、それ自体は周知の方法で設けられ、実際には輸送流体は大気であることがきわめて多い。
【００５２】
同様に既に言及したように、輸送パラメータを輸送流体の圧力、特に熱交換器の入口領域と出口領域との間の圧力損失とすること、並びに／或いは輸送パラメータを輸送流体の流速、及び／又は輸送流体の他の特徴的な流れ特性とすることもできる。
【００５３】
制御及び／又は調節のために、並びに／或いは熱交換システムの動作パラメータ又は状態パラメータのデータの記録のために特に有利なのは、制御ユニット、特に、制御及び／又は調節のために、並びに／或いは熱交換システムの動作パラメータ又は状態パラメータのデータ収集のために、熱交換器のセンサ、及び／又は輸送装置、及び／又は汚染センサ、及び／又は熱機関に信号接続されたデータ処理ユニットを有する制御ユニットである。
【００５４】
この点に関して、熱交換システムは、実際にはラジエータ、特に自動車（特別な場合には陸上車両、航空機若しくは水上車両）用のラジエータ、又は可搬若しくは固定の加熱設備、冷却設備若しくは空調設備、特に機関、データ処理システム若しくは建築物のための冷却装置用のラジエータ、コンデンサ若しくは気化器とすることができる。
【００５５】
さらに、本発明は、本発明に従って記載された熱交換システムを動作させる方法に関する。輸送パラメータが測定され、その輸送パラメータから熱交換器の汚染の程度が決定される。
【００５６】
この点に関して実施のために特に重要な実施形態では、輸送パラメータから熱交換器全体の圧力低下が決定され、特に熱交換器の熱伝達性能の低下を圧力損失から決定することができる。
【００５７】
この点に関して、輸送装置の性能、特にファンの回転速度は、熱交換器の汚染の程度に応じて制御及び／又は調節することができ、且つ／或いはサービス・ルーチンのための時期は、汚染の程度に応じて自動的に決定される。
【００５８】
有利には、本発明による熱交換システムでは、オンラインによる方法において、特にイントラネット若しくはインターネットを介して、動作データ及び／又は状態データが制御センタによって監視され、且つ／或いはこうして熱交換システムが制御及び／又は調節される。
【００５９】
以下では、図面を参照しながら本発明をさらに詳しく説明する。図面は概略図として示される。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】小通路熱交換器を有する、本発明による熱交換システムの第１の実施形態を示す図である。
【図２】フィンチューブ熱交換器を有する、図１による第２の実施形態を示す図である。
【図３】圧力損失を決定するための差圧測定を伴う実施形態を示す図である。
【図４】輸送流体の流速に応じた汚染の様々な程度における圧力損失を示す図である。
【図５】汚染の程度に応じた圧力損失及び性能曲線を示す図である。
【実施例】
【００６１】
図１には、小通路熱交換器を有する熱交換システムの第１の実施形態の概略図が示されている。熱交換システムは全体として参照番号１で参照されており、以下でも同様である。
【００６２】
図１の熱交換システムは、熱交換器２を含む。この実施例では、熱交換器２は、流路２０１が流れセグメント２１に配置された小通路熱交換器２である。輸送流体３（このケースでは大気である）と、動作状態において流路２１０を通って流れる熱伝達媒体４（例えばＣＯ２などの冷媒４である）との間の熱交換のために、入口領域２０１を介して輸送流体３を熱交換器２と流れ接触させ、出口領域２０２を介して再び熱交換器２から離れるように導くことができる。
【００６３】
本発明によれば、熱交換器２の汚染を決定するために汚染センサ５が設けられている。この実施例では、汚染センサ５は、空気３の流れ方向において、フィン６からなるフィン・パックの上流に配置される。汚染センサ６は、圧力センサ６、速度センサ６、貫流センサ６、又は他の適当な汚染センサ６である。それを用いて、入口領域２０１から出口領域２０２を介する輸送流体の流れにとって特徴的である、輸送パラメータＴＫを決定することができる。
【００６４】
それぞれがフィン面６２を有する複数のフィン６を備えたフィン・パックは、流れセグメント２１と、この実施例では大気である輸送流体３との間の熱交換率を高める働きをする。
【００６５】
図１の実施形態では、ルーバが存在している可能性があるが、ルーバは明示的に示されてはいない。したがって、図１による特別な実施形態においてルーバをフィン６の上に設けてもよい。また、異なる実施形態においては、適当な異なる用途に対してルーバが不要であるため、ルーバは設けられない。
【００６６】
実際には、フィン６のパックによって空気３を輸送するために、空気３の輸送用のファン７（分かりやすくするために図１には示されていない）が設けられる。そして、例えば汚染センサ５の助けによって検知された熱交換器２の汚染の強さに応じて、例えば図４による流速ＬＧを設定することができるようにする。この点に関して、輸送流体の空気３は、ファン７からフィン６のパックを通って矢印３の方向に動かされる。
【００６７】
図１は、小通路熱交換器２を有する本発明による実施形態に関する。図１では、ここでは小通路である複数の流路２１０を明確に認識することができる。
【００６８】
図２は、小通路熱交換器の代わりに典型的なフィンチューブ熱交換器を用いる点においてのみ、図１の実施形態と本質的に区別される。フィン６には明確にルーバ６１が見られる。図２の実施例では、フィン６はまだ汚染されていない。図１の実施例とのさらなる相違は、汚染センサ５がフィン６からなるフィン・パックの内部に収容されていることである。
【００６９】
言うまでもなく、本発明による各実施形態では、別法として適当な位置に他の汚染センサ５も配置するか、又は追加として複数の汚染センサ５を同時に設けてもよい。
【００７０】
きわめて特別な配置では、同一の熱交換システムに、小通路熱交換器２と典型的なフィン付熱交換器を同時に設けることも可能である。
【００７１】
熱交換器２全体の圧力損失ΔＰを決定するための差圧測定を伴う、実際にきわめて重要な他の実施形態を図３に概略的に示す。それ自体は周知の形のファン７が、輸送パラメータＴＫの特性を有する環境空気３を、入口領域２０１を介して熱交換器２を通して運ぶ。そして、ファン７は、空気３を、熱交換器システム１から出口領域２０２を介し、カバーＡを通して周囲環境に戻るように案内する。
【００７２】
空気３が熱交換器２を通過する間の圧力損失ΔＰを決定するために、図面の左手側の入口領域２０１の前、及び図面の右手側の出口領域２０２の後ろにそれぞれ汚染センサ５を設け、測定された差圧から熱交換器２全体の圧力損失（ΔＰ）を決定できるようにする。
【００７３】
それは本発明にとって全く限定的なものではなく、圧力損失ΔＰを決定するためにその手段が用いられることを理解されたい。有利には、それ自体は周知の様々な差圧センサを全く同様に用いることができる。
【００７４】
最後に、図４には、フィン６及びルーバ６１を備えた小通路熱交換器２を有する熱交換システム１について、輸送パラメータＴＫの特性の典型的なカーペット・プロットを概略的に示されている。
【００７５】
図４の実施例では、圧力損失ΔＰは、様々な汚染の程度Ｖ（Ｖ０、Ｖ１、・・・Ｖｍａｘまで）における輸送流体３の流速ＬＧに応じた輸送パラメータＴＫとして示されている。当技術分野の平均的な技術を有する者には、他の輸送パラメータＴＫ、例えば貫流量などについて、また言うまでもなく他のタイプ熱交換器、例えばフィンチューブ熱交換器についても、対応するカーペット・プロットをプロットできることが問題なく理解される。
【００７６】
曲線Ｖ０は、新たに清浄化された、すなわちまだ汚染されていない熱交換システム１のものである。特性曲線の曲線Ｖ１は、同じ熱交換システム１において一定の動作期間後に記録したものである。ここでは、熱交換器２は既にかなり汚染されている。対応する小さな圧力損失ΔＰとしてそれを認識することができる。曲線Ｖ１は、汚染されていない熱交換器２の曲線Ｖ０より緩やかである。さらに動作した後、熱交換器２はますます汚染され、Ｖ２、Ｖ３などを経て最終的には曲線Ｖｍａｘの形の許容される最大の汚染を示すまでになり、再び清浄化しなければならなくなる。
【００７７】
最後に、図５は、汚染の程度Ｖと、これに起因する圧力損失ΔＰの変化との関係、及び、これに関連する熱交換器２の熱伝達性能ＰＷの低下との関係を説明する特徴的な図を概略図として示している。
【００７８】
熱交換器２の汚染の程度Ｖは、水平な横座標に示されている。横座標は、図面の左から右に向かって増加する。熱交換器２による圧力損失ΔＰは、縦座標の左手の軸ΔＰに示されている。また、縦座標の右手の軸ＰＷには、増大する汚染の程度Ｖに起因する熱伝達性能ＰＷの低下が同時に読み取られる。
【００７９】
この点に関して、実線ΔＰは汚染の程度Ｖに応じた圧力損失ΔＰの推移に対応し、点線は汚染の程度Ｖに応じた熱伝達性能ＰＷの低下を示す。この点に関して、圧力損失ΔＰ及び熱伝達性能ＰＷは、ある汚染の程度Ｖでは等しくゼロであり、すなわち、それぞれ汚染されていない熱交換器２を表す１００％に正規化されている。
【００８０】
非常にわずかな汚染Ｖでは、熱交換器全体の圧力の低下ΔＰは、最初は限界の汚染の程度Ｖｋまでほぼ一定のままである。汚染の程度が高まるにつれて、圧力損失ΔＰはそこから急に著しく低下し、汚染の程度Ｖｍにおいて圧力損失ΔＰの値が最小値に達する。同時に、熱伝達性能ＰＷも急速に低下する。ＶｋとＶｍの間の汚染の区間及びその前では、まずルーバのみがダストの粒子によって詰まり、それによって熱交換器２を通って流れる輸送流体３、すなわち例えば空気３の乱流がさらに低減され、ルーバ６１はダストによってさらに強固に詰まる。こうして空気３は、熱交換器２をより簡単に且つ／又はより高速に通過できるようになる。一方では、これによって圧力損失ΔＰが低減され、他方では、輸送媒体３と熱交換器２との間の効果的な接触時間又は効果的な接触面が低減され、それによって熱伝達性能ＰＷの大幅な低下が観察されるようになる。
【００８１】
さらに汚染が大きくなると、再び圧力損失ΔＰが高まる。この理由は、ルーバがその中に向かって作動させられる、個々のフィンの間の中間領域が、ダストによってますます詰まり、その結果、同じ単位時間あたりのファン性能で熱交換器を通して輸送できる空気３が、ますます減少するからである。
【００８２】
この点に関して、圧力損失ΔＰの最小値の近傍では、熱伝達性能ＰＷは、既にもはや許容できないレベルまで低下しており、この特別な実施例では、既に熱伝達性能ＰＷの最大可能値の５０％まで低下しているということはきわめて重要である。
【００８３】
したがって、本発明のきわめて重要な認識は、熱交換器の清浄化は圧力損失ΔＰの増加時に行うのではなく、ずっと早い時期に、すなわち圧力損失ΔＰが著しく低下している段階で行うべきであるということである。
【００８４】
したがって、本発明により、一方では清浄化の間隔の維持を理想的な形で保証することができ、他方では、本発明による熱交換システムの理想的な動作を保証することができる。さらに、他の目的のために準自動的に生じる電子信号を利用することも可能であり、例えば様々なメンテナンスの目的で有利に利用することもできる。
【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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【国際調査報告】
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