JP6184946B2 - バイパス領域を有する熱交換器プレート - Google Patents

Description

本発明は、自動車の熱交換器のためのプレート、そのような熱交換器のプレートのコア、および、そのようなコアを備える熱交換器に関する。特に、本発明は給気冷却器の分野に関する。

ターボチャージャー付きエンジンと称されるターボチャージャーを備える自動車用のエンジンは既に良く知られている。そのようなターボチャージャー付きエンジンは、機能するために、空気の流入のためのシステムによって、または、空気とエンジンからの排気で収集される再循環排ガスと称される排ガスとの混合気の流入のためのシステムによって、給気される場合がある。エンジンのための充填空気という表現は、以下では、空気の流入のためのシステムからくる空気、および、空気と再循環排ガスとの混合気の流入のためのシステムからくる混合気の両方を示すために使用される。

エンジンのための充填空気の密度を増大させるために、給気冷却器（ＲＡＳ）とも称される熱交換器を用いて前記充填空気を冷却することが従来技術から良く知られている。

まず、チューブ・挿入体タイプの給気冷却器が主に使用されており、このタイプの給気冷却器は、チューブ内で循環する充填空気と車両の外部からきてチューブ間で循環する空気流との間で熱の交換を可能にする。

重ね合わされるプレートの積層体から形成されるコアを備え、充填空気と、冷却流体、一般的には液体との間の熱の交換を可能にする熱交換器も提案されてきた。プレートは、２つの横切るポートを備える長方形の長尺なパネルの形態を成す。積み重ねられたプレートは、冷却されるべき充填空気のための循環チャネルと、冷却流体のための循環チャネルとを交互に形成する。

冷却されるべき充填空気は、上流側側面と称される熱交換器の側面のうちの一方を介して熱交換器内に入り、それにより、冷却されるべき充填空気のための循環チャネル内で循環して、冷却流体がその内側で循環する上下に位置されるプレートとの接触により冷却される。冷却された充填空気は、その後、下流側側面と称される反対側の側面を介して熱交換器から出る。“上流”および“下流”という表現も、明細書本文の残りの部分において、熱交換器のコア内での充填空気流のための入口および出口のそれぞれを示すために使用される。

冷却流体を熱交換器内で循環させるために、冷却流体のための入口チャネルおよび収集チャネルがコアの一部に設けられる。したがって、プレートは、それらの２つのポートのそれぞれの周囲に、プレートが積み重ねられるときに冷却流体のためのこれらの入口チャネルおよび収集チャネルを形成するようにプレートの平面に対して垂直に延びる隆起縁部を備える。

しかしながら、冷却流体のための入口チャネルおよび収集チャネルに対応する熱交換器のコアの部分は、熱の交換に関与しない。したがって、流体との熱の交換を促すことを意図する交換領域と、冷却流体のための入口チャネルおよび収集チャネルが形成される領域に対応する、流体が前記交換領域を迂回できるようにするバイパス領域と称される領域とが観察され得る。より具体的には、ポートの周囲に位置される空間は、冷却されない或いは冷却が不十分な充填空気の循環をコアの上流側から下流側へと許容し、そのため、伝熱性能に関して大きな不都合がもたらされる。

熱交換器の上流側側面１４に取り付けられるとともに充填空気流の一部がバイパス領域の位置で熱交換器のコア内に入らないようにすることができる壁１２を備える図１に示される装置１０は、既に良く知られている。しかしながら、そのような装置は、特に組み付けの理由で、満足できない。

状況を改善するため、本発明は、熱交換器のためのプレートであって、前記プレートが、熱交換器の他のプレートと積み重ねられて、冷却されるべき流体の通過（循環）を前記プレート間で許容するべく配置されるプレートの対を形成するようになっており、プレートが、流体との熱の交換を促すことを意図する交換領域と称される領域と、流体が前記交換領域を迂回できるようにし得るバイパス領域と称される領域とを有し、交換領域内で流体を強制的に通過（循環）させるように構成されるプレートを起点に生じる手段を更に備えることを特徴とするプレートに関する。

このように、バイパス領域は、プレートを起点に生じる手段により形成される。したがって、これらの手段は、プレートの製造時に形成され、もはや、先の解決策の場合のようにコアに取り付けられる必要がない。

好ましくは、プレートを起点に生じる手段は、プレートの平面に対して垂直に延びる。そのような形態は、交換領域へ向かう流体の循環を容易にする。

有利には、プレートは、２つの上流側縁部および下流側縁部を備えるパネルの形態を成すとともに、冷却流体用の入口ポートおよび前記冷却流体用の収集ポートをバイパス領域に備え、プレートを起点に生じる手段は、プレートの上流側縁部から延びて入口ポートの高さで流体の通過（循環）を遮断するように構成される上流側仕切り、および／または、プレートの下流側縁部から延びて収集ポートの高さで流体の通過（循環）を遮断するように構成される下流側仕切りを備える。

本発明の１つの態様によれば、上流側仕切りおよび／または下流側仕切りの長さは、上流側および／または下流側縁部の方向におけるポートの最大寸法と同一またはそれよりも大きい。したがって、冷却されるべき流体はその全体が交換領域へと方向付けられ、そのため、熱交換器がより一層効率的となる。

本発明の更なる態様によれば、プレートは、長方形であって、２つの長い縁部と２つの短い縁部とを有し、前記長い縁部が前記上流側縁部および前記下流側縁部を規定し、入口ポートおよび収集ポートが短い縁部のうちの一方に近接する領域で穿孔される。

本発明の１つの態様によれば、上流側仕切りと下流側仕切りとが平行である。

本発明の１つの態様によれば、上流側仕切りおよび下流側仕切りが斜めの先端縁を有する。

本発明の更なる態様によれば、プレートは、プレートを起点に生じ且つ入口ポートと収集ポートとの間で延びる中央仕切りをさらに備える。

また、本発明は、先に規定された複数のプレートを備えるコアであって、前記プレートは、対を形成する２つの隣接するプレートが冷却されるべき流体のための循環チャネルを画定するとともに２つの異なる隣接する対の２つのプレートが冷却流体のための循環チャネルを形成するように上下に積み重ねられる、コアに関する。

本発明の１つの態様によれば、プレートの１つの同じ対の２つのプレートの仕切りが重なり合う。

有利には、プレートの１つの同じ対の２つのプレート間には、冷却されるべき流体と冷却流体との間の熱の交換を促すようにタービュレータが配置され、前記タービュレータは、仕切りの高さとほぼ同じ高さを有する。

また、本発明は、先に規定されたコアを備える熱交換器にも関連する。

本発明の他の特徴および利点は、非限定的な一例として与えられる添付図面に関連してなされる以下の説明から理解できる。同一の参照符号が同様の対象に対して与えられる。

既に解説済の、熱交換器のコアの良く知られたプレートの平面図である。 良く知られた熱交換器の部分分解斜視図である。 本発明に係るプレートの斜視図である。 本発明に係る一対のプレートの斜視図であり、これらのプレート間にタービュレータが挿入される。 一方のプレートの仕切りと他方のプレートの仕切りとの重ね合わせを示す本発明に係る一対のプレートの部分断面図である。 本発明に係る複数のプレート対を備える熱交換器の斜視図である。 冷却液のための入口ポートと収集ポートとの間に仕切りを備える本発明に係る一対のプレートの部分斜視図である。

図２は、プレートの良く知られたコア２１を有する良く知られた熱交換器２０を描いている。なお、本発明に係るプレートは、良く知られたプレートの代わりにこのタイプの熱交換器で利用されてもよいことに留意されたい。

そのような熱交換器２０は、冷却されるべき流体と冷却液との間の熱の交換を可能にする。明細書本文の残りの部分では、冷却されるべき流体が空気である。このことは、本発明の範囲に何ら限定的な効果を与えず、そのため、熱交換器の他のタイプでは、冷却されるべき流体が他のガスとなり得る。

図２に示される熱交換器２０は、
−冷却流体用の入口パイプ２３ａと、前記冷却液用の収集パイプ２３ｂとを備える上壁２２と、
−２つの側壁２４ａ，２４ｂと、
−１つの開放した上流側側面（見えない）および１つの開放した下流側側面２６と、
−下壁と、
−下壁と上壁２２との間で上下に積み重ねられたプレート２５の複数の対を備えるコア２１
を備える。

そのようなコア２１は、充填空気と、冷却流体、一般に液体との間の熱の交換を可能にする。このため、積み重ねられたプレート２５は、冷却されるべき充填空気のための循環チャネルと、冷却流体のための循環チャネルとを交互に形成する。より具体的には、１つの同じ対の２つのプレート２５は、冷却されるべき充填空気のための循環チャネルを形成し、また、２つの異なる隣接する対の２つのプレート２５は、冷却流体のための循環チャネルを形成する。

熱交換器２０のコア２１のプレート２５間で冷却流体を循環させるため、冷却流体のための入口チャネルおよび収集チャネルがコア２１の一部に設けられる。

熱交換器２０の入口パイプ２３ａおよび収集パイプ２３ｂはそれぞれ、冷却流体用の循環チャネル内の冷却流体の流入および収集を可能にする。

冷却されるべき空気を流入させるため、冷却されるべき空気のための入口ボックス２８が熱交換器２０の開放した上流側側面に設置されてもよい。同様に、空気を収集するために、熱交換器２０のプレート間を通過することにより冷却された後に、冷却された空気のための収集ボックス２９が熱交換器２０の開放した下流側側面２６に設置されてもよい。

したがって、冷却流体は、入口パイプを介して熱交換器に入って、入口チャネル内で循環し、冷却流体用の循環チャネル内に積層されるプレートの対間で循環した後、収集チャネルを介して、その後に収集パイプを介して、熱交換器から出る。

従来技術の前述した欠点の一部を排除するため、本発明は、図３に示されるように、熱交換器のためのコアのプレート３０に関連する。そのようなプレート３０は、ここでは、長手方向軸Ｘに沿って平面Ｐ内で延びるとともに、上面（３１ａ）と、下面（見えない）と、２つの末端３１ｂ，３１ｃと、プレート３０の末端のうちの一方３１ｂに近接する領域に設けられる冷却流体用の入口ポート３２および冷却流体用の収集ポート３４とを備える、長方形の長尺なパネルの形態を成して存在する。プレートはボウルの形態を成し（図３では逆さにされる）、冷却流体用の１または複数の循環チャネルを規定するために入口ポート３２および収集ポート３４がボウルの底部と連通する。

プレート３０は、冷却流体用の入口ポート３２の周囲に、プレート３０の平面Ｐに対して垂直に延びる縁部３３を備える。同様に、プレート３０は、冷却流体用の収集ポート３４の周囲に、プレート３０の平面Ｐに対して垂直に延びる縁部３５を備える。縁部３３，３５は、プレート３０の積層体により形成されるコアの高さに関して、冷却流体用の入口チャネルおよび収集チャネルのそれぞれをプレートの平面Ｐに対して垂直に形成できるようにする。

プレート３０は、空気と冷却流体との間の熱の交換を促すことを意図する交換領域ＺＥと称される領域と、空気が前記交換領域ＺＥを迂回できるようにし得るバイパス領域ＺＢＰと称される領域とを有する。

図３に示される本発明に係るプレート３０では、プレートを起点に生じる手段が、交換領域ＺＥ内で流体を強制的に循環させるように構成される。これらの手段は、ここでは、以下の形態を成す。
−ポート３２の高さで、プレート３０の長手方向軸に対して垂直な軸に沿って、プレート３０の平面Ｐに対して略垂直に、プレート３０の縁部から延びる長さＬを有する上流側仕切り３６、および、
−ポート３４の高さで、プレート３０の長手方向軸に対して垂直な軸に沿って、プレート３０の平面Ｐに対して略垂直に、プレート３０の縁部から延びる長さＬを有する下流側仕切り３７。

したがって、バイパス領域ＺＢＰは、上流側仕切り３６と下流側仕切り３７との間で延びる。交換領域はプレート３０の残りの部分にわたって延びる。また、前記バイパス領域ＺＢＰの高さにおける空気の通過が遮断される。

本発明に係る２つのプレート３０は、プレート３０の対として、冷却されるべき空気流Ｆのための循環チャネルを形成するように、図４に示されるように上下に組み付けられてもよい。より具体的には、図３に示されるプレート３０が、逆さにされるとともに、前記対を形成するように図３に示される他方の逆さにされないプレート３０上に配置されてもよい。なお、プレート３０の平面Ｐに対して垂直にポートの輪郭から延びる縁部３３，３５のサイズは、それらの縁部が相補的であるとともに２つのプレートが単一の対として組み付けられる際に入口チャネルおよび収集チャネルを形成するべく縁部同士が嵌合するように、１つの同じプレート対の２つのプレート間で異なってもよい。

図４に示されるように、内部挿入体またはタービュレータ４０が、例えば組み付け前に、プレート３０の対の２つのプレート３０間に挿入されてもよい。そのようなタービュレータ４０は、熱の交換を向上できるようにする。

バイパス領域ＺＢＰは、上流側仕切り３６と、下流側仕切り３７と、プレート３０の対として組み付けられる２つのプレート３０との間に形成される空間によっておおむね規定される。交換領域ＺＥは、タービュレータ４０が挿入される空気の循環のための空間によって、プレート３０の対として組み付けられる２つのプレート３０間におおむね規定される。

プレート３０の組み付けられた対のプレート３０の長手方向軸Ｘに対して垂直な断面図である図５に示されるように、仕切り３６，３７のそれぞれの先端３６’，３７’は、仕切り３６，３７が容易に重ね合わされる、重なり合う、或いは、互いに嵌合するように構成されてもよい。

この目的のため、仕切り３６，３７は、例えば、斜めの先端縁を有してもよい。図５において、先端３６’は、２つのプレート３０の組み付けによって画定される空間の内部へ向けて曲げられ、また、先端３７’は、２つのプレート３０の組み付けによって画定される空間の外部へ向けて曲げられる。したがって、２つのプレートがプレート３０の対として組み付けられるように重ね合わされる際には、先端３６’，３７’の対向する湾曲部が２つのプレート３０の組み付けを更に容易にする。

同じ目的のため、１つの同じプレート３０の仕切り３６，３７は、前記プレート３０の長手方向軸Ｘに対して対称ではない。したがって、１つの同じプレート対の２つの同じプレート３０が一方のプレートを他方のプレートに対して長手方向軸Ｘ周りに１８０°回転させた状態で互いに対向すると、一方のプレートの仕切り３６は、他方のプレートの仕切り３７に対して、プレート３０の小さい側面の方向にオフセットされ、それにより、プレートの重ね合わせが容易になる。

図６に示されるように、プレート３０の対が熱交換器５０内に設置されると、空気流Ｆは、冷却されるべき空気のための循環チャネルを画定するプレート３０のそれぞれの対間で、上流側から下流側へ向けて、２つの異なる対のプレート３０間の冷却流体循環用の各チャネル内で循環する冷却流体により冷却されるように、コア５２を通過する。

プレート３０の材料から形成される仕切り３６，３７は、プレート３０を積み重ねることによって、空気流Ｆを熱交換器５０の上流側側面の高さで遮断できるようにする上流壁（見えない）を形成するとともに、空気流Ｆを熱交換器５０の下流側側面の高さで遮断できるようにする下流壁５４を形成する。したがって、上流壁および下流壁５４は、コアのバイパス領域の高さで空気の循環を防止する。交換領域ＺＥは、冷却されるべき空気の循環のために開放するコアの上流部と下流部との間に画定される。

なお、図６では、明確にするため、入口パイプ２３ａおよび収集パイプ２３ｂが部分的にのみ描かれ、また、熱交換器５０の下壁５１が見える。

前述の実施形態において、交換領域ＺＥ内で流体を強制的に循環させるように構成されるプレートを起点に生じる手段は、熱交換器５０の上流面および下流面２６の両方に配置される。本発明の更なる実施形態では、プレートを起点に生じる手段を例えば熱交換器５０の上流面だけに配置することができる。

図７に示される実施形態において、プレート７０は、冷却流体のための循環チャネルを形成する入口ポート７４と収集ポート７６との間で延びる中央仕切りを備える。この場合のこの中央仕切りは、２つのプレート７０ａ，７０ｂの材料から形成されるとともに、交換領域ＺＥとバイパス領域ＺＢＰとの間で空気流を遮断するようにプレート７０ａ，７０ｂに対して略垂直に延びる２つの隆起縁部７１ａ，７１ｂを備える。また、中央仕切りは、交換領域ＺＥとバイパス領域ＺＢＰとの間での空気流の遮断を向上させるために、入口ポート７４と収集ポート７６との間に隆起縁部７２ａ，７２ｂを更に備える。

入口ポート７４と収集ポート７６との間で冷却流体を案内するべく配置されるプレート７０ｂのボウル形状形態７３もこの図から理解され得る。

プレート３０およびコアの残りの部分は、有利には、金属、例えばアルミニウムおよび／またはアルミニウム合金から形成される。

Claims (12)

1. 熱交換器（５０）のためのプレート（３０）であって、
   前記プレート（３０）は、熱交換器（５０）の他のプレート（３０）と積み重ねられて、冷却されるべき流体の通過を前記プレート（３０）間で許容するべく配置されるプレート（３０）の対を形成するようになっており、前記プレート（３０）は、流体との熱の交換を促すことを意図する交換領域（ＺＥ）と称される領域と、流体が前記交換領域を迂回できるようにし得るバイパス領域（ＺＢＰ）と称される領域とを有し、
   前記交換領域（ＺＥ）内で流体を強制的に通過させるように構成される、前記プレート（３０）を起点に生じ、前記バイパス領域（ＺＢＰ）から前記交換領域（ＺＥ）に向かう方向に延びる手段（３６，３７）を更に備えることを特徴とするプレート（３０）。
2. 前記プレート（３０）を起点に生じる前記手段（３６，３７）が前記プレート（３０）の平面（Ｐ）に対して垂直に延びる請求項１に記載のプレート。
3. 前記プレート（３０）は、第１縁部および前記第１縁部に対向する第２縁部を備えるパネルの形態を成すとともに、冷却流体用の入口ポート（３２）および前記冷却流体用の収集ポート（３４）を前記バイパス領域に備え、
   前記プレート（３０）を起点に生じる前記手段（３６，３７）は、前記プレート（３０）の前記第１縁部から延びて前記入口ポート（３２）の高さで流体の通過を遮断するように構成される第１縁部側仕切り（３６）、および／または、前記プレート（３０）の前記第２縁部から延びて前記収集ポート（３４）の高さで流体の通過を遮断するように構成される第２縁部側仕切り（３７）を備える請求項１または請求項２に記載のプレート。
4. 前記プレート（３２）は、長方形であって、２つの長い縁部と２つの短い縁部とを有し、
   前記長い縁部が前記第１縁部および前記第２縁部を規定し、
   前記入口ポート（３２）および前記収集ポート（３４）が前記短い縁部のうちの一方に近接する領域で穿孔される請求項３に記載のプレート。
5. 前記第１縁部側仕切り（３６）および／または前記第２縁部側仕切り（３７）の長さ（Ｌ）は、前記長い縁部の方向における前記ポート（３２，３４）の最大寸法と同一またはそれよりも大きい請求項４に記載のプレート。
6. 前記第１縁部側仕切り（３６）と前記第２縁部側仕切り（３７）とが平行である請求項３から５のいずれか一項に記載のプレート。
7. 前記第１縁部側仕切り（３６）および前記第２縁部側仕切り（３７）が斜めの先端縁を有する請求項３から６のいずれか一項に記載のプレート。
8. 前記プレートを起点に生じ且つ前記入口ポート（７４）と前記収集ポート（７６）との間で延びる中央仕切り（７１ａ，７１ｂ）をさらに備える請求項３から７のいずれか一項に記載のプレート。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の複数のプレート（３０，７０ａ，７０ｂ）を備えるプレートのコア（５２）であって、
   前記プレートは、対を形成する２つの隣接するプレート（３０，７０ａ，７０ｂ）が冷却されるべき流体のための循環チャネルを画定するとともに２つの異なる隣接する対の２つのプレート（３０，７０ａ，７０ｂ）が冷却流体のための循環チャネルを形成するように、他方の上面に一方が積み重ねられる、コア（５２）。
10. １つの同じ対のプレートとなった２つのプレート（３０，７０）の仕切り（３６，３７，７１ａ，７１ｂ）が重なり合う請求項９に記載のコア（５２）。
11. １つの同じ対のプレート（３０，７０）となった２つのプレート（３０，７０ａ，７０ｂ）間には、冷却されるべき流体と冷却流体との間の熱の交換を促すようにタービュレータ（４０）が配置され、
    前記タービュレータ（４０）は、前記仕切り（３６，３７，７１ａ，７１ｂ）の高さとほぼ同じ高さを有する請求項９または請求項１０に記載のコア（５２）。
12. 請求項９から１１のいずれか一項に記載のコア（５２）を備える熱交換器（５０）。

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