(57)【要約】【課題】従来技術よりも大きな熱伝達容量の低質量熱交換器を提案する。【解決手段】本発明は、少なくとも１つの仕切り部と、仕切り部の少なくとも１つの側面から突出し、仕切り部の表面を拡大し、その周りを流体が流れることができる表面要素とを有する熱交換器に関する。この課題は、表面要素が仕切り部からフィンのように突出するように設計され、表面要素が補強ビードを有し、補強ビードが仕切り部まで延在する熱交換器によって達成される。【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの仕切り部と、仕切り部の少なくとも片側から突出して仕切り部の表面を拡大して、流体の流れを変更可能な表面要素（３）であって、表面要素（３）は仕切り部からフィンのように突出するように形成されていて、表面要素（３）は補強ビード（４）と補強ビード（４）間の面領域（５）とを備える表面要素（３）と、を備え、補強ビード（４）は仕切り部まで延在する、熱交換器（１）において、
補強ビード（４）は円形又は楕円形の形状を持つことを特徴とする、熱交換器（１）。
【請求項２】
熱交換器（１）はリブ付き管部熱交換器であり、管部（２）内の第１流体の流れのための少なくとも１つの管部（２）と、管部（２）の外側の表面を拡大する表面要素（３）を備え、表面要素（３）は第２流体を流体１に対するクロスフローに変更可能であり、管部（２）は熱交換器（１）の仕切り部を形成することを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器（１）。
【請求項３】
補強ビード（４）は、管部（２）の表面について垂直に延在することを特徴とする請求項２に記載の熱交換器（１）。
【請求項４】
補強ビード（４）は、表面要素（３）全体を通って表面要素（３）の外縁まで延在することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器（１）。
【請求項５】
補強ビード（４）は円形断面を有し、補強ビードの直径は、表面要素（３）の補強ビード（４）間の表面領域（５）の厚さの少なくとも２倍であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器（１）。
【請求項６】
隣り合う表面要素（３）の補強ビード（４）は、互いにオフセットして配置され、表面要素（３）間の第２の流体の流れ方向にオフセット（７）を形成することを特徴とすることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器（１）。
【請求項７】
リブ付き管部熱交換器の管部（２）は楕円形の管部として形成され、その断面は２つの半円と半円を結ぶ２本の直線で形成され、楕円形の表面要素（３）は管部の縦軸に直交する平面に配置され、隣り合う表面要素（３）は、互いに平行に配置されていることを特徴とする請求項２又は６に記載の熱交換器（１）。
【請求項８】
楕円管の断面の直線の長さ（８）は、楕円管の断面の半円の直径（９）の少なくとも１倍、特に２．５倍であることを特徴とする請求項７に記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１つの仕切り部を有し、仕切り部の少なくとも１つの側部に突出する表面要素が配置され、その周囲に流体が流れることができる、熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術では、熱交換器は、ある媒体から別の媒体に熱を伝達するためのさまざまな設計で使用され、物理的に分離された状態を保つ２つの媒体を持つ。流体ともいえる媒体の種類に応じて、熱交換器は、例えば、液体−気体熱交換器と、液−液熱交換器と、気体−気体熱交換器とに分類可能である。気液熱交換器の分野では、リブ付き管部を備えた管部バンドル熱交換器が知られいて、リブ付き管部熱交換器とも呼ばれている。液体は管部内を流れ、ガスは管部の外側の周りを流れる。液体の熱伝達係数は、気体よりも１桁から２桁大きくなる。したがって、管部の表面はリブによって外側が拡大され、その結果、この熱交換器の気体側の熱伝達抵抗が減少する。その結果、両方の媒体の熱伝達抵抗は小さくなる。リブ付き管部のリブは、多くの場合、熱交換器の仕切りに接続される膨大なアプローチとして従来技術で設計されている。大量のリブは、製造における高い材料コストと熱交換器の大きな重量と相まって、例えば車両で使用する場合、重量が大きいと不利で望ましくない場合がある。材料の消費量が多いと、それに対応してコストが高くなるという欠点がある。個々のリブの大きな壁厚（以下、リブ厚と呼ぶ）は、より薄いリブよりもリブの相互間隔が同じである場合、リブ管部あたりのリブの数が少なくなることにつながる。リブの厚さが厚いと、伝熱面が制限され、全体的な熱出力が低くなる。
【０００３】
特許文献１は、リブが三次元表面要素の形態の拡大表面を有するリブ付き管部を備えた熱交換器を開示する。これらのリブ付き管部の欠点は、３次元構造の体積に比例して質量が増加することと、熱交換器の全体的な熱出力が限られていることである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】英国特許出願公告第４３６６５６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、本発明の目的は、高熱出力の低質量熱交換器を提案することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この課題は、最初に挙げたタイプの熱交換器によって解決される。熱交換器は、表面要素が仕切り部からフィンのように突出するように設計され、表面要素が、仕切り部まで延在する補強ビードを持つように設計されている。「フィンのような」とは、表面要素が仕切り部からゼロより大きく９０°以下の角度で広がり、表面要素の厚さ（壁厚ともいう）、仕切り部に平行で、表面要素の表面に垂直に測定される厚さが表面要素の表面と比較して小さいことを意味する。表面要素は、好ましくは、仕切りから垂直に延在する。表面要素は仕切り部にしっかりと接続されていて、それ自体堅固でもある。
【０００７】
熱交換器のリブとして機能する表面要素は、薄壁の表面領域に分割され、それに対応して体積が小さく質量が小さくなっている。分割は、熱伝導を高めるために断面が大きい補強ビードによって行われる。これは、補強ビードの厚さが表面積よりも大きいことを意味する。補強ビードは、温度勾配がどのようにあるかに応じて、２つの媒体間の仕切り部との間で熱を伝導するように配向されている。
【０００８】
熱交換器は、液−気熱交換器、例えば水−空気熱交換器であってよい。熱交換器は、リブ付き管部熱交換器として設計してもよく、第１の流体（例えば水）と第２の流体（例えば空気）の間の仕切り部は、管部の管部壁によって形成される。水と空気の流体は純粋な例として理解されるべきであり、他の液体及び気体の流体を表してもよい。管部の内側は、液体の最初の流体と接触可能である。この界面での熱伝達抵抗は、第１の流体の液体状態のために小さい。したがって、管部の内側で表面を拡大する必要がない。この目的のために、気体の流れはクロスフローで行われ、その主な流れの方向は管部の軸に垂直である。気体の第２流体と接触する管部の外側の界面は、隔壁表面の単位面積あたりの熱伝達抵抗が高くなる。それにもかかわらず、低い熱伝達抵抗を達成するために、本発明による熱交換器の隔壁の表面は、記載された表面要素の形態のリブによって少なくともこの側で拡大される。このような表面拡大表面要素は、本発明による他の熱交換器、例えば気体−気体熱交換器の隔壁の両側に配置してもよい。
【０００９】
以下の説明は、主に、気体側の片側のみに拡大された表面を持つ液体−気体熱交換器に関する。しかしながら、適切な変更により、説明は、例示的な実施形態が明示的に特定されない、両側が拡大された仕切り部の表面を有する他の熱交換器にも当てはまる。
【００１０】
本発明による熱交換器は、具体的には、管の内側の第１の流体を通って流れ、管の外側の第２の流体の周りを流れる少なくとも１つの管を備えたリブ付き管熱交換器であり、リブ付き管熱交換器のリブと呼ばれる表面要素によって拡大される。表面要素又はリブは、管部から突き出たフィンのように形成され、補強ビードを持ち、補強ビードは管部から離れて延在する。
【００１１】
リブ付き管部のリブの熱伝導率は、リブの製造に使用される材料の材料特性である。大きな熱流には、熱伝導の方向を横切る大きな断面積が必要である。
【００１２】
本発明による熱交換器は、リブとしてフィン状の表面要素を使用し、リブは、離間した補強ビードと、補強ビード間に薄い厚さの表面積を有する。表面領域は、厚さが薄いため熱伝導率が高くなっている。一方、補強ビードの断面は大きく、熱伝導率は低く、長さを超えた熱輸送にも十分に小さい。これらの表面要素での熱伝導は部分的２段階で行われる。例えば、管部の外側の２番目の流体の温度が管部の内側の流体よりも低い場合、熱伝導は最初に管部の壁又は他の隔壁から補強ビードへ、次にさらに補強ビード間の面領域へと進む。管部壁のすぐ近くでは、管部壁から表面領域への直接的な熱導入も支配的であるが、熱は補強ビードに部分的にしか渡されない。補強ビードの断面は、管部又は管部壁又は他のパーティションと接触していて、管部から離れて延在する。換言すると、補強ビードは、管壁に対して直角に又はある角度で配置されるが、管壁から平行又はそうでなければ間隔を空けて配置されない。
【００１３】
丸い管の場合、補強ビードは放射状に広がり、平坦な隔壁の場合、隔壁に直交するため、熱は隔壁又は隔壁から短い経路に沿って伝導される。例えば、補強ビードは、幾何学的又は流動的な理由で管部に向かって異なって延在してもよい。本発明による熱交換器の表面要素の補強ビードは、本質的に表面要素全体を通って表面要素の外縁まで延在してもよい。代替案として、補強ビードは、隔壁上の表面要素の部分表面上にのみ形成され、隔壁から離れた表面要素の外縁の前で終わってもよい。補強ビードの断面は、仕切り部に向かってサイズを大きくして設計してもよい。補強ビードは、円形又は楕円形の断面形状を持ってもよい。しかしながら、他の断面形状も可能である。円形強化ビードの直径は、強化ビード間の表面積の厚さの少なくとも２倍にしてもよい。
【００１４】
隣り合う表面要素の補強ビードは、互いにずらして配置してもよい。補強ビードを横切るように流れる流体、例えば空気は、補強ビードで偏向される。波状の流体の流れは、隣り合う表面要素にある補強ビードのオフセットによって生成される。波状の流体の流れは、流れに有利な乱流とみなしてもよい。乱流により、表面要素及び隔壁から流動流体へ、又はその逆への対流熱伝達が増加する可能性がある。強化ビードの存在による良好な熱伝導により、表面要素と表面要素を取り囲む媒体との間の温度差が比較的大きくなる。大きな温度差の結果として、表面要素と周囲の媒体との間の大きな熱流、したがって本発明による熱交換器の大きな熱出力が達成される。隣り合う表面要素は、管部などの仕切り部に取り付けてもよい。しかし、隣り合う仕切り部から生じる表面要素は、櫛のようにお互いを包み込むものとしてもよい。
【００１５】
本発明による熱交換器の一実施形態によれば、リブ付き管部熱交換器の管部は楕円形の管部として設計され、その断面は２つの半円と半円を結ぶ２つの直線から形成される。表面要素は楕円形であり、直交平面にある。管部軸に直交する。本発明の概念は、卵形管で有利に実施可能である。楕円管の直線領域の表面領域で、補強ビードは、流れにほぼ垂直に、平行に、互いに一定の距離を置いて配置してもよい。隣り合う表面要素間の最大の対流熱伝達を実現可能である。反対側のオフセット補強ビード、つまり隣り合う表面要素に波状の流れを形成可能であり、これにより熱伝達がさらに改善される。楕円形の管部断面の直線の長さは、半円の直径の少なくとも１倍、特に２．５倍の大きさであってもよい。楕円形管の大きな真っ直ぐな領域とそれに隣り合う表面要素の領域で大きな熱伝達を有利に達成可能である。管部内の機械的及び流体的理由により、楕円形管部又は楕円形フラット管部は、希望どおりに平坦にできない。
【００１６】
本発明による熱交換器の実施形態の個々の態様は、本明細書に提示及び請求される本発明の範囲を逸脱することなく、当業者の裁量で他の方法で組み合わせてもよい。連続して説明される機能は、機能の不可分な組み合わせとして誤解されるべきではないが、個々の機能の列挙として理解されるべきである。
【００１７】
本発明は、図面を参照して以下に、より詳細に説明される。図面は以下のとおりである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明による熱交換器の斜視図である。
【図２】本発明による熱交換器上の流体の流れを示す。
【図３】管部に沿ってみたリブ付き管部熱交換器の図である。
【図４】本発明によるリブ付き管部熱交換器の、管部を横断する方向の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１は、本発明による熱交換器１、特にリブ付き管部熱交換器の斜視図を示す。楕円形の管部２は、表示物の中央にある。管部２の壁は、管２の内側の第１の流体と管２の外側の第２の流体との間の仕切り部である。仕切り部を通して第１及び第２の流体間で、あるいは互いに接触する第１及び第２の流体なしの管壁で、熱が交換される。管部の外側には２つの表面拡大リブがあり、リブ付き管部熱交換器にその名前が付けられている。ここに示される本発明による熱交換器１では、管部に接続されたリブは、低容積の、実質的に二次元の表面要素３として形成されている。示されている例示的な実施形態では、表面要素３は、円形断面を有するピン形状の補強ビード４を有する。これらの補強ビード４は、管部２から表面要素３の外縁まで延在する。補強ビード４の間に、表面要素３は、補強ビード４よりも薄い厚さを有する表面領域５を有する。
【００２０】
図２は、図１の熱交換器の断面を管部２の側面図で概略的に示している。図中の同じ参照番号は、同じ又は類似の要素を示す。繰り返しを避けるために、図１の説明を参照する。図２では、管部２の外側の第２流体の流れが、流れの線６を使用して概略的に示されている。補強ビード４は、乱流を引き起こすことにより、隣り合う表面要素３間の層流を乱す。乱流は、第２の流体と表面要素３との間の熱伝達を改善する。楕円管２の平らな側に、隣り合う表面要素３の補強ビード４が互いに平行に配置される。さらに、これらはそれぞれ、図の下から上に流れる流れの方向に互いにオフセット７されて配置されている。オフセット７により、個々の補強ビード４の乱流が重なり合って、流線６で外形が描かれた、流れに好ましい波の経路が形成される。
【００２１】
図３及び図４は、図１及び図２のリブ付き管部熱交換器の非常に具体的な寸法の例を、管部２に沿ってそれを横断する２つの異なる図で示している。管部２は、ここでは楕円形管部として設計されていて、図２に示された流れと対向し、同じ断面を有し、同じ断面サイズの丸い管よりも抵抗が小さい流線６を有する。コンクリートの楕円形の管は、その半円形の壁部分の外径９が１２ｍｍで、直線側部の長さ８が３０ｍｍである。管部のスケーリングについては、直径９に対する直線の長さ８の比率は２．５と一般化してもよい。この比率の正確なサイズは、所定のフレームワーク条件に基づいて熱交換器を設計する際の最適化の変数として使用してもよい。図４では、表面領域５はわずか１ｍｍの薄い厚さを有し、最大厚さ３ｍｍの補強ビード４は、表面領域５又は３倍に比べて拡大された断面を有することが分かる。
【００２２】
図４から詳細に分かるように、左表面要素３は、楕円形管部２の平坦な表面領域上に３つの補強ビード４のみを有する。しかし、右側の表面要素３は、同じ領域に４つの補強ビード４を持つ。補強ビード４の数が異なるため、オフセット７が実現され、最終的に図２に流線６で概略が示される流れの概形も実現される。さらに、補強ビードのオフセットは異なる温度勾配を提供し、したがって、流体２と表面要素３の間の過度の温度差を提供する。これが大きな熱流密度が可能な理由である。
【００２３】
示されている例示的な実施形態では、隣り合う表面要素３は管部２に取り付けられている。図示されていない他の例では、隣り合う表面要素３が隣り合う管部２に取り付けられ、隣り合う管部のリブが櫛のように互いに係合する。当業者は、所与のタスクへの適応において、上記の例からさらなる例示的な実施形態を導くこともあろう。
【符号の説明】
【００２４】
１    熱交換器
２    管部
３    表面要素
４    表面要素の補強ビード
５    表面要素の面領域
６    隣り合う表面要素間の流体流線
７    補強ビードのオフセット
８    楕円の管断面の直線部
９    楕円の管断面内の半円部の直径
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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