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Hinterrund
der Erfindung
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Gebiet der Erfindung:
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Struktur eines Leitbleches zur
Fluidleitung in einem Wärmetauscher.
Die Erfindung betrifft insbesondere eine fluidleitende Rippenplatte,
die innen oder außen
in einem Wärmetauscherrohr
in einer Kühlungsvorrichtung
des Wärmetauschertyps
angebracht wird, wobei eine hervorragende Wärmeaustauschfunktion durch Vergrößerung des
Kontaktes zwischen einer Wandfläche
eines Wärmetauscherrohres
und einem Fluid erreicht wird, indem eine turbulente Strömung oder eine
Wirbelströmung
in dem Fluid erzeugt wird, wobei das Fluid aus einem gekühlten Medium
oder einem Kühlungsmedium
besteht und innerhalb oder außerhalb
des Wärmetauscherrohres
strömt.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung der
Rippenplatte sowie ein Wärmetauscherrohr
mit einer Rippenplatte im Innern und einen Wärmetauscher oder eine Gaskühlungsvorrichtung
des Wärmetauschertyps
mit mindestens einem Wärmetauscherrohr.
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Beginnend
mit der so genannten EGR-Kühlvorrichtung
zum Zurückführen von
Auspuffgasen eines Kraftfahrzeugen wurden in den vergangenen Jahren
Wärmetauscher
mit unterschiedlichen Fluiden in den Modi flüssig-flüssig, flüssig-gasförmig, gasförmig-gasförmig o.ä. verwendet,
um die Abgaswärme
der Auspuffgase zurück
zu gewinnen. Hier sind beispielsweise Kraftstoffkühler, Ölkühler, Zwischenkühler o.ä. bekannt.
Innerhalb des Wärmetauscherrohres,
in dem das Fluid strömt,
wurden verschiedene Maßnahmen
vorgenommen, um die Wärme
innerhalb des Fluides effektiv abzugeben oder zu absorbieren. So
ist beispielsweise ein Verfahren zum Entnehmen eines Teiles des
Auspuffgases aus einem Auspuffsystem eines Dieselmotors bekannt,
um dieses zu einem Saugsystem des Motors zurückzuführen und einer Gasmischung
hinzuzufügen.
Dieses Verfahren wird auch als EGR (Exhaust Gas Recirculation) bezeichnet
und führt
zu verschiedenen Vorteilen. So wird die Erzeugung von NOx (Stickstoffoxide) verringert,
der Pumpverlust oder der Wärmeverlust durch
Abstrahlen zu einer Kühlungslösung gemäß einem
Temperaturabfall des Verbrennungsgases, ein spezifisches Wärmeverhältnis in
Abhängigkeit
von der Menge und Zusammensetzung eines Arbeitsgases wird erhöht und auch
die Effektivität
des Arbeitsablaufes wird demgemäß erhöht. Das
bekannte Verfahren wurde als ein besonders effektives Verfahren zur
Reinigung der Auspuffgase eines Dieselmotors übernommen und verbessert die
Wärmeeffektivität desselben.
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Ist
jedoch die Temperatur eines EGR-Gases und auch die Menge desselben
erhöht,
so ist das Standvermögen
eines EGR-Ventiles verschlechtert und es besteht die Gefahr, dass
das EGR-Ventil bereits in einem frühen Stadium zerstört wird.
Das Phänomen
der Verschlechterung der Treibstoffkosten wird durch Reduzierung
einer Ladungseffektivität
gemäß einem
Anstieg der Saugtemperatur bewirkt, so dass es notwendig ist, eine
wassergekühlte
Struktur durch Anordnen eines Kühlungssystems
als eine Gegenmaßnahme
vorzusehen. Um eine derartige Situation zu verhindern, wird eine
Vorrichtung zur Kühlung
des EGR-Gases durch eine Kühlungslösung der Motors
verwendet, wie beispielsweise ein kaltes Medium oder ein kühlender
Wind für
einen Klimagerät des
Kraftfahrzeuges. Es wurden eine Vielzahl EGR-Gaskühlungsvorrichtungen
des gasförmig-flüssigen Wärmeaustausches
zu Kühlung
des EGR-Gases vorgeschlagen, wobei das Motorkühlwasser verwendet wird. Als
Mittel zur Unterstützung
der Wärmeaustauschfunktion
werden verschieden geformte Leitbleche innerhalb eines Rohres angeordnet,
durch das das EGR-Gas strömt.
Bei einem Wärmetauscher zum
Austauschen der Wärme
zwischen einem Gas und einer Flüssigkeit
durch Anordnen eines äußeren Rohres,
das von dem Gas durchströmt
wird, das darüber
hinaus an einer Außenseite
eines inneren Rohres entlang strömt,
handelt es sich beispielsweise um einen Wärmetauscher des Doppelrohrtyps
[siehe beispielsweise JP-A-11-23181 (Seiten 1 bis 6, 1 und 29)],
in dessen inneres Rohr eine gerippte Metallplatte als Leitblech
eingebracht ist. Ein Wärmetauscher
des Doppelrohrtyps [siehe beispielsweise JP-A-2000-111277 (Seiten
1 bis 12, 1 bis 12)] umfasst
ein inneres Rohr, so dass ein gekühltes Medium an der Innenseite
fließen
kann, ein äußeres Rohr,
das vorgesehen ist, um die Außenseite
des inneren Rohres unabhängig
davon zu umgeben, und eine wärmeabstrahlende
Rippe, die innerhalb des inneren Rohres angeordnet ist und eine
Verringerung der thermischen Spannungen bewirkt. Ein Wärmetauscher
des Doppelrohrtyps [siehe beispielsweise JP-A-2003-21478 (Seiten 1 bis 8, 1 bis 7)]
umfasst ein inneres Rohr, so dass ein gekühltes Medium an der Innenseite
fließen
kann, ein äußeres Rohr, das
vorgesehen ist, um die Außenseite
des inneren Rohres unabhängig
davon zu umgeben, und eine Kreuzrippe, die im Innern des inneren
Rohres angeordnet ist usw.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Bei
dem oben zitierten Stand der Technik werden EGR-Gaskühler der
Doppelrohrtyps eingesetzt, die in der JP-A-11-23181 (Seiten 1 bis
6, 1 und 2),
der JP-A-2000-111277 (Seiten 1 bis 12, 1 bis 12) und der JP-A-2003-21478 (Seiten 1 bis
8, 1 bis 7)
offenbart sind. Obwohl beim Stand der Technik ein entsprechendes
Resultat durch Aufteilen des Gasstromes in schlanke Ströme erwartet
wird, um den Kontaktbereich mit dem Leitblech zu vergrößern, das
im Inneren angeordnet ist und ein geripptes Leitblech oder eine
Kreuzrippe umfasst, so dass eine innere Peripheriefläche der
Innenfläche
des Rohres, das den EGR-Gasströmungspfad
bildet, häufig
glatt über
die gesamte Länge
in Längsrichtung
ausgebildet ist, so wird der Wärmetransport
in der Nähe
eines Zentrums des Rohres unzureichend. Ferner strömt das Gas
geradewegs entlang des EGR-Gasrohres, wodurch das Problem entsteht,
dass die Turbulenzen innerhalb des Gasstromes gering sind, eine
Grenzschicht einer wärmeleitenden
Fläche
nicht ausreichend dünn
ist und die Wärmeleitfunktion
mehr oder weniger ungenügend
wird.
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Ferner
wurden in jüngster
Zeit verschiedene Wärmetauscherrohre,
die nicht nur in den EGS-Gaskühlungsvorrichtungen
sondern auch in anderen Kühlungsvorrichtungen
des Wärmetauschertyps
eingesetzt wurden, vorgeschlagen, wobei eine Vielzahl unterschiedlicher
Leitblechstrukturen zur Erzielung einer weiteren Ver besserung der
Wärmeaustauscheffektivität innerhalb
der Wärmetauscherrohre
angeordnet wurden, wie dies in 16A bis 16D gezeigt ist, um in einem
Fluid, das im Wesentlichen aus einem gekühlten Medium besteht, eine
Hin- und Herbewegung zu erzeugen, so dass die gewünschten Ergebnisse
erreicht werden. So ist beispielsweise in 16A eine Vielzahl von Vorsprüngen gezeigt,
die an der Innenseite eines flachen Wärmetauscherrohres 50 vorgesehen
sind, wobei ein gekühltes
Medium g, das durch das Rohr fließt, in eine turbulente Strömung versetzt
wird, um die Wärmeaustauschfunktion mit
einem Kühlungsmedium
zu verbessern, das an der Außenwand
des Wärmetauscherrohres 50 entlang
strömt.
Ferner zeigt 16B einen
Aufbau, bei dem eine wellenförmige
Rippe 30a innerhalb eines flachen Wärmetauscherrohres 50a angeordnet
ist, wodurch ein gekühltes
Medium g mäanderartig
innerhalb des Rohres fließt.
Gemäß 16C ist eine spiralförmige Rippe 30b innerhalb
eines Wärmetauscherrohres 50b angeordnet,
das eine zylindrische Form aufweist, wodurch das gekühlte Medium
g verwirbelt wird, um eine Wirbelströmung zu erzeugen. Gemäß 16D ist eine Ablenkplatte 30c in
ein flaches Wärmetauscherrohr 50c integriert,
wodurch ein gekühltes
Medium g, das innerhalb des Wärmetauscherrohres 50c fließt, gezwungen
ist, abwechselnd hin und her zu fließen, so dass die Zeitspanne,
innerhalb derer sich das Medium in dem Wärmetauscherrohr 50c befindet,
verlängert
ist und die Wärmeaustauscheffektivität erhöht ist.
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Trotzdem
aus dem Stand der Technik Lösungen
bekannt sind, die eine Erhöhung
der Wärmeaustauscheffektivität bewirken
sollen, indem eine turbulente Strömung oder eine Wirbelströmung in
dem gekühlten
Medium, das in dem Wärmetauscherrohr fließt, mit
Hilfe von Vertiefungen oder Vorsprüngen oder Falten, die unmittelbar
auf der Innenseite des Wärmetauscherrohres
angeordnet sind, oder Leitblechen oder Ablenkplatten unterschiedlicher
Formen erzwungen wird, so treten doch bei der Bearbeitung oder Befestigung
derselben Probleme auf, so dass die Funktionalität unzureichend ist und die
bekannten Lösungen
verbesserungswürdig
sind. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
fluidleitendes Leitblech zu schaffen, das eine hervorragende Kühlungseffektivität bewirkt
und einfach in Wärmeaustauschrohre
unterschiedlicher Formen integriert werden kann. Ferner sollen die
Leitbleche sehr einfach bearbeitet sein und eine einfache Struktur aufweisen.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung des
Leitbleches und eines Wärmetauscherrohres
mit dem Leitblech im Innern. Darüber hinaus
betrifft die Erfindung einen Wärmetauscher oder
eine Gaskühlungsvorrichtung
des Wärmetauschertyps,
wobei mindestens ein Wärmetauscherrohr
vorgesehen ist.
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Eine
fluidleitende Rippenplatte gemäß einem ersten
Aspekt der vorliegenden Erfindung, ist innen oder außen an einem
Wärmetauscherrohr
anbringbar, um ein Fluid, das aus einem gekühlten Medium oder einem Kühlungsmedium
besteht, innerhalb oder außerhalb
des Wärmetauscherrohres
entlang zu führen
und eine turbulente Strömung
oder eine Wirbelströmung
zu bewirken, wobei sich die Kanten der Rippen abwärts und
aufwärts
gegenüberliegen
und die entsprechenden Kanten der Rippen innen oder außen an dem
Wärmetauscherrohr
angeordnet sind, so dass sich diese kreuzen.
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Ferner
ist die vorliegende Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die fluidleitenden
Rippen, die innen in dem Wärmetauscherrohr
angeordnet sind, damit sich die Kanten der Rippen gegenüberliegend kreuzen
und abwärts
und aufwärts
verlaufen, jeweils individuell abwärts und aufwärts verlaufend
in der fluidleitenden Rippenplatte ausgebildet sind.
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Ferner
ist die vorliegende Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die fluidleitenden
Rippen, die innen in dem Wärmetauscherrohr
angeordnet sind, damit sich die Kanten der Rippen gegenüberliegend kreuzen
und abwärts
und aufwärts
verlaufen, jeweils gleichzeitig abwärts und aufwärts verlaufend
an dem plattenförmigen
Material ausgebildet und innen daran angeordnet sind, indem ein
Mittelabschnitt des plattenförmigen
Materials der fluidleitenden Rippenplatte umgeklappt ist.
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Ferner
ist die vorliegende Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die fluidleitenden
Rippen, die innen in dem Wärmetauscherrohr
angeordnet sind, damit sich die Kanten der Rippen gegenüberliegend kreuzen
und abwärts
und aufwärts
verlaufen, innen daran angeordnet sind, wobei die innere Anordnung durch Überlappen
der Kanten der Rippen erzeugt ist und die Kanten der Rippen mit
einem Anpressdruck aneinander angrenzen oder zwischen den Kanten der
entsprechenden Rippen der fluidleitenden Rippenplatte ein Abstand
vorgesehen ist.
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Ferner
ist es bei der fluidleitenden Rippenplatte bevorzugt, dass, wenn
Abschnitte der Rippen zur Erzeugung der kreuzweisen, gegenüberliegenden
ab- und aufwärtigen
Anordnung vorbestimmt werden, die vorbestimmten Abschnitte der Rippen zur
Erzeugung der kreuzweisen Anordnung zuvor von Verbindungsabschnitten
in Form von Kerben, Vertiefungen oder Vorsprüngen gebildet und die auf- und
abwärtigen
Rippen integral mit Hilfe der Verbindungsabschnitte verbunden werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Herstellung einer fluidleitenden Rippenplatte gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass eine fluidleitende Rippenplatte geschaffen wird, die innen
oder außen
an einem Wärmetauscherrohr
anbringbar ist, um ein Fluid, das aus einem gekühlten Medium oder einem Kühlungsmedium
besteht, innerhalb oder außerhalb des
Wärmetauscherrohres
entlang zu führen
und eine turbulente Strömung
oder eine Wirbelströmung zu
bewirken, wobei durch Erzeugen vorbestimmter Kerbabschnitte in einem
dünnen,
plattenförmigen Material
und orthogonales Aufrichten der verbleibenden Kerbabschnitte zu
einer Oberfläche
des plattenförmigen
Materials eine Vielzahl von Rippen an der Oberfläche des plattenförmigen Materials
ausgebildet werden.
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Ferner
ist das erfindungsgemäße Verfahren zur
Herstellung einer fluidleitenden Rippenplatte vorzugsweise dadurch
gekennzeichnet, dass die Kerbabschnitte in dem plattenförmigen Material
mechanisch durch Pressen o.ä.,
chemisch durch Ätzen
o.ä. oder
optisch durch einen Laserstrahl o.ä. erzeugt werden.
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Gemäß einem
dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Wärmetauscher
mit mindestens einem Wärmetauscherrohr
mit einer fluidleitenden Rippenplatte versehen, die innen oder außen an dem Wärmetauscherrohr
angeordnet ist, um ein Fluid, das aus einem gekühlten Medium oder einem Kühlungsmedium
besteht, in dem Wärmetauscherrohr
entlang zu führen
und eine turbulente Strömung
oder eine Wirbelströmung
zu bewirken, wobei sich die Kanten der Rippen abwärts und
aufwärts
gegenüberliegen und
sich die entsprechenden Kanten der Rippen kreuzen.
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Gemäß einem
vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Gaskühlungsvorrichtung
des Wärmetauschertyps
geschaffen, die mindestens ein oder mehrere Wärmetauscherrohre aufweist,
die von einer Strömungsrichtung
eines in einer Gasleitung strömenden
Gases geteilt sind, in denen ein Kühlungsmedium fließt und die
mit einer fluidleitenden Rippenplatte versehen sind, die an die äußere Peripherie
des Wärmetauscherrohres
angrenzt, wobei die Rippen daran befestigt sind, so dass sich die
Kanten der Rippen abwärts
und aufwärts
gegenüberliegen
und sich die entsprechenden Kanten der Rippen kreuzen.
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Gemäß einem
fünften
Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Wärmetauscherrohr geschaffen,
aufweisend eine im Inneren angeordnete fluidleitende Rippenplatte,
um ein Fluid, das aus einem gekühlten
Medium oder einem Kühlungsmedium
besteht, in dem Rohr entlang zu führen und eine turbulente Strömung oder
eine Wirbelströmung
zu bewirken ist, wobei die Rippen ferner derart im Inneren angeordnet
sind, dass sich die Kanten der Rippen abwärts und aufwärts gegenüberliegen
und sich die entsprechenden Kanten der Rippen kreuzen.
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Wenn
die fluidleitende Rippenplatte gemäß der vorliegenden Erfindung
im Innern oder außen
an dem Wärmetauscherrohr
angebracht ist, in dem das gekühlte
Medium oder das Kühlungsmedium
fließt, so
liegen sich die aufwärts
und abwärts
verlaufenden Kanten der Rippen gegenüber, die entsprechenden Kanten
der Rippen sind integriert, so dass sich diese kreuzen, das Fluid
aufweisend eine Flüssigkeit
oder ein Gas, die/das im Innern oder außerhalb des Wärmetauscherrohres
fließt,
geht in eine turbulente Strömung
oder Wirbelströmung über, indem
es komplizierten Strömungswegen
folgen muss, die laminare Strömung
reißt
ab und eine effektive Durchmischung wiederholt sich. Somit wird
das Fluid, das innerhalb oder außerhalb des Wärmetauscherrohres
fließt, wiederholt
in Kontakt mit der Wandfläche
des Wärmetauscherrohres
gebracht, so dass der Wärmeaustausch
mit dem Kühlungsmedium
oder dem gekühlten
Medium an der Außenwand
des Wärmetauscherrohres
verbessert wird und eine hervorragende Kühlungseffektivität sichergestellt
ist. Gemäß dem Wärmetauscher
der Erfindung, der mindestens ein Wärmetauscherrohr gemäß der vorliegenden
Erfindung aufweist, in dem eine Rippenplatte angeordnet ist, wird
das Fluid, das innerhalb des Wärmetauscherrohres
fließt,
wiederholt in Kontakt mit der Wandfläche des Wärmetauscherrohres gebracht,
so dass der Wärmeaustausch
mit dem Kühlungsmedium
an der Außenwand
des Wärmetauscherrohres
verbessert wird und eine hervorragende Kühlungseffektivität sichergestellt
ist. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Herstellung einer fluidleitenden Rippenplatte ist eine besonders
einfache Herstellung sichergestellt, indem die Vielzahl von Rippen
an der Oberfläche
des plattenförmigen
Materials durch Erzeugen vorbestimmter Kerbabschnitte in einem dünnen, plattenförmigen Material
und orthogonales Aufrichten der verbleibenden Kerbabschnitte zu
einer Oberfläche
des plattenförmigen
Materials erzeugt werden. Darüber
hinaus werden auch beim Integrieren der Rippenplatte in das Wärmetauscherrohr
Vorteile erzielt, so ist es nämlich
einfach, die Rippenplatte sowohl in flache Wärmetauscherrohre als auch in
kreisförmige
oder andersartig verformte Rohre einzubringen. Die Rippenplatte
kann vorzugsweise als fluidleitende Rippenplatte innerhalb oder
außerhalb
der Kühlungsvorrichtung
des Wärmetauschertyps
angebracht werden, aber es ist ebenso möglich, die Rippenplatte in
dem Wärmetauscher
eines Kraftstoffkühlers,
eines Ölkühlers, eines
Zwischenkühlers
o.ä. anzuordnen.
Auf Grund der exzellenten Wärmeaustauschfunktion
und durch Formen des Kernes durch die Rippenplatte wird ein besonders
fester Aufbau der Vorrichtung erreicht, so dass eine Vorrichtung
geringer Größe, geringen
Gewichts und besonders kompakter Bauart realisierbar ist, die auch
in begrenztem Freiraum angeordnet werden kann.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1A ist
eine schematische, perspektivische Darstellung zur Erläuterung
einer Rippenplatte zum Leiten eines Fluides gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung, wobei das Stadium des Erzeugens eines Kerbabschnittes
in dem dünnen
plattenförmigen
Material durch Pressen o.ä.
gezeigt ist.
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1B ist
eine schematische, perspektivische Darstellung zur Erläuterung
der Rippenplatte zum Leiten eines Fluides gemäß der Ausführungsform der Erfindung, wobei
das Stadium des Erzeugens einer Vielzahl von Rippen durch orthogonales Aufstellen
der Kerbabschnitte an einer Oberfläche des plattenförmigen Materials
gezeigt ist.
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2 ist
eine Vorderansicht, wobei das Stadium des Einführens von Rippenplatten in
ein flaches Wärmetauscherrohr
gezeigt ist, wobei die Rippen sich gegenüberliegend angeordnet sind.
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3 ist
eine Draufsicht auf die Schnittlinie A-A von 2.
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4 ist
eine teilweise und vergrößerte Vorderansicht,
wobei das Stadium des Einführens
von Rippenplatten gemäß einem
Anwendungsbeispiel nach der Ausführungsform
in ein flaches Wärmetauscherrohr
gezeigt ist.
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5A ist
eine vergrößerte perspektivische Darstellung
zur Erläuterung
eines Stadiums der Bearbeitung einer Rippenplatte zum Leiten eines
Fluides gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung, wobei das Stadium vor dem Zusammenklappen bzw. vor
dem gegenüberliegenden
Anordnen der Kanten der Rippen gezeigt ist.
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5B ist
eine teilweise und vergrößerte perspektivische
Darstellung zur Erläuterung
eines Stadiums der Bearbeitung einer Rippenplatte zum Leiten eines
Fluides gemäß der weiteren
Ausführungsform
der Erfindung und ist eine perspektivische Darstellung, die das
Stadium des Zusammenklappens bzw. Überlappens der Rippen zeigt.
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6A ist
ein teilweise und vergrößerte Vorderansicht,
die das Stadium des gegenüberliegenden
Anordnens der Kanten der Rippen zur Leitung des Fluides gemäß einem
Anwendungsbeispiel basierend auf der Ausführungsform veranschaulicht, wobei
ein Abstand zwischen den Kanten der Rippen vorgesehen ist.
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6B ist
ein teilweise und vergrößerte Vorderansicht,
die das Stadium des gegenüberliegenden
Anordnens der Kanten der Rippen zur Leitung des Fluides gemäß einem
Anwendungsbeispiel basierend auf der Ausführungsform veranschaulicht, wobei
kein Abstand zwischen den Kanten der Rippen vorgesehen ist.
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6C ist
eine teilweise und vergrößerte Vorderansicht,
die das Stadium des gegenüberliegenden
Anordnens der Kanten der Rippen zur Leitung des Fluides ge mäß einem
Anwendungsbeispiel basierend auf der Ausführungsform veranschaulicht, wobei
ein Stadium gezeigt ist, in dem die abwärtigen und aufwärtigen Kanten
der Rippen durch einen Vorsprung an der Kante der Rippe integral
aneinander befestigt sind.
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6D ist
eine teilweise und vergrößerte Vorderansicht,
die das Stadium des gegenüberliegenden
Anordnens der Kanten der Rippen zur Leitung des Fluides gemäß einem
Anwendungsbeispiel basierend auf der Ausführungsform veranschaulicht, wobei
die Vorderansicht ein Stadium der Befestigung zeigt.
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7 ist
eine teilweise und vergrößerte perspektivische
Darstellung, die den schematischen Aufbau einer weiteren Ausführungsform
gemäß der Erfindung
veranschaulicht.
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8 ist
eine teilweise und vergrößerte Vorderansicht,
die ein Beispiel der Befestigung einer Rippenplatte gemäß der Erfindung
an einem Wärmetauscherrohr
veranschaulicht.
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9 ist
eine teilweise und vergrößerte perspektivische
Darstellung einer fluidleitenden Rippenplatte gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung.
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10A ist eine teilweise und vergrößerte perspektivische
Darstellung, die den schematischen Aufbau einer Rippenplatte zum
Leiten eines Fluides gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung veranschaulicht, wobei die Rippen in dieselbe Richtung
ausgerichtet sind.
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10B ist eine teilweise und vergrößerte perspektivische
Darstellung, die den schematischen Aufbau einer Rippenplatte zum
Leiten eines Fluides gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung veranschaulicht, wobei die Rippen abwechselnd in unterschiedliche
Richtungen ausgerichtet sind.
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11 ist
einer perspektivische Darstellung, die das Stadium des inneren Anbringens
einer Rippenplatte zum Leiten eines Fluides gemäß der Erfindung in einem flachen
Wärmetauscherrohr
und des Integrierens einer Vielzahl von Wärmetau scherrohren in einer
EGR-Kühlungsvorrichtung
(Wärmetauscher
des Schalen- und
Röhrentyps)
zeigt.
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12A ist ein perspektivische Darstellung, die einen Ölkühler mit
einer Rippenplatte zum Leiten eines Fluides gemäß der Erfindung im Innern zeigt, wobei
ein flaches Wärmetauscherrohr
vorgesehen ist, ein einzelnes Wärmetauscherrohr
verwendet wird und die Figur das Stadium des einzelnen Wärmetauscherrohres
zeigt, bevor es in eine Bodenummantelung eines Kühlers integriert wird.
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12B ist eine Seitenansicht, die den Ölkühler mit
einer Rippenplatte zum Leiten eines Fluides gemäß der Erfindung im Innern zeigt,
wobei das flache Wärmetauscherrohr
vorgesehen ist, das einzelne Wärmetauscherrohr
verwendet wird und die Figur das Stadium zeigt, in dem der Ölkühler durch
Integrieren des einzelnen Wärmetauscherrohres
in die Bodenummantelung eines Kühlers
fertig gestellt wird.
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13 ist
eine Draufsicht auf eine Schnittdarstellung, die das Stadium des
Anbringens einer Rippenplatte zum Leiten eines Fluides an einer
Außenfläche eines
flachen Wärmetauscherrohres
einer EGR-Gaskühlungsvorrichtung
gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung veranschaulicht.
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14 ist
eine horizontale Vorderansicht der EGR-Gaskühlungsvorrichtung von 13.
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15 ist
eine teilweise geschnittene, perspektivische Darstellung, die eine
Ausführungsform des
Integrierens einer Rippenplatte gemäß der Erfindung in einen Wärmetauscher
des Plattentyps zeigt.
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16A ist ein schematische Perspektivdarstellung
zur Erläuterung
eines Wärmetauscherrohres mit
einer Rippenstruktur nach dem Stand der Technik im Innern, wobei
ein flaches Wärmetauscherrohr
mit einem Vorsprung an einer Wandfläche des Wärmetauscherrohres gezeigt ist.
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16B ist ein schematische Perspektivdarstellung
zur Erläuterung
eines Wärmetauscherrohres mit
einer Rippenstruktur nach dem Stand der Technik im Innern, wobei
ein Stadium des Inneren Anbringens einer wellenförmigen Rippe an einem flachen Wärmetauscherrohr
gezeigt ist.
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16C ist ein schematische Perspektivdarstellung
zur Erläuterung
eines Wärmetauscherrohres mit
einer Rippenstruktur nach dem Stand der Technik im Innern, wobei
ein Stadium des inneren Anbringens einer streifen- und spiralförmigen Rippe
an der Innenfläche
eines runden Wärmetauscherrohres
gezeigt ist.
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16D ist ein schematische Perspektivdarstellung
zur Erläuterung
eines Wärmetauscherrohres mit
einer Rippenstruktur nach dem Stand der Technik im Innern, und zeigt
eine perspektivische Ansicht mit einem Leitblech an der Innenfläche eines
flachen Wärmetauscherrohres.
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Beschreibung
bevorzugter Ausführungsformen
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Obwohl
nachstehend Ausführungsformen der
Erfindung im Detail und unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren
beschrieben werden, so ist der Schutzbereich der Erfindung nicht
auf diese Ausführungsbeispiele
beschränkt.
Der Schutzbereich ist lediglich durch die beigefügten Patentansprüche beschränkt.
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Ausführungsform 1:
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In 1 ist eine Rippe 3 gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung gezeigt, wobei eine dünne Platte aus einem austenitischen,
nichtrostenden Stahl, wie beispielsweise SUS 304, SUS 316 usw.,
mit einer Dicke von 0,1 bis 0,5 mm verwendet wird, die eine rechteckige
Form mit vorbestimmten Abmessungen aufweist, wobei zwei Lagen des
plattenförmigen
Materials gepresst werden, um eine Vielzahl von Kerbabschnitten 2 zu
erzeugen, die im Wesentlichen eine kanalartige Form aufweisen, wobei vorbestimmte
Richtungen vorgegeben sind, die sich abwechselnd unterscheiden,
wie dies in 1A zu sehen ist. Danach werden
die von den Kerbabschnitten 2 umgebenen Abschnitte geschnitten,
um diese orthogonal zu einer Oberfläche des plattenförmigen Teiles
anzuheben, so dass eine Platte 1 geschaffen wird, die fluidleitende
Rippen 3 aufweist, wobei die Richtungen der Rippen abwechselnd
von Reihe zu Reihe unterschiedlich sind und die Kanten 4 der
Rippen einen linearen Verlauf aufweisen und in Längsrichtung schräg gestellt
sind. Nach dem Erzeugen der beiden Lagen von Rippenplatten 1 und
dem gegenüberliegenden
Anordnen derselben, so dass die Kanten 4 der Rippen sich
gegenüberliegen
und einen auf- und abwärtigen
Verlauf aufweisen, werden die Rippenplatten 1 in ein flaches
Wärmetauscherrohr 5 eingeführt, so
dass das flache Wärmetauscherrohr 5 im
Inneren mit den fluidleitenden Rippen 3, die sich aufwärts und
abwärts
gegenüberliegen,
versehen und somit fertig gestellt ist, wie dies in 2 gezeigt ist.
Es ist eine Vielzahl von flachen Wärmetauscherrohren vorgesehen,
die durch kreuzweises Integrieren der Kanten 4 der Rippen 3 im
Innern des Wärmetauscherrohres 5,
die nach oben und unten verlaufen, ausgebildet sind, wie dies in 3 dargestellt
ist. Die Kanten 4 der Rippen 3 werden hierbei
aneinander angrenzend angeordnet, zum Beispiel durch Extrudieren
oder Pressen. Die Vielzahl von flachen Wärmetauscherrohren wird in einen
Kühlmantel
C integriert, der einen Gasströmungspfad
in einer EGR-Gaskühlungsvorrichtung 10 bildet
(Wärmetauscher
des Schalen- und Röhrentyps),
wie dies in 11 gezeigt ist, um einem Kühlungsfunktionstest unterzogen
zu werden. Als Ergebnis wird bestätig, dass ein EGR-Gas mit hoher
Temperatur, das in dem Wärmetauscherrohr 5d über eine
Haube D-1 strömt, durch
die Wirkung der fluidleitenden Rippen aufgewühlt wird, so dass eine turbulente
Strömung
oder eine Wirbelströmung
entlang der Strömungslinie
des Gases g erzeugt und jegliche laminare Strömung aufgehoben wird. Auf diese
Weise wird der Wärmeaustausch
zu dem Kühlmantel
C an einer äußeren Peripherie
des Wärmetauscherrohres
effektiv verstärkt, so
dass das EGR-Gas
g, das eine Haube D-2 auf der Auslassseite erreicht, effektiv auf
eine anfangs vorgegebene Temperatur heruntergekühlt ist.
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In
der Ausführungsform
sind die Höhen
der fluidleitenden Rippen 3, die sich gegenüberliegend und
kreuzweise angeordnet sind, so dass die sich gegenüberliegenden
Rippen aufwärts
und abwärts
verlaufen, gleich groß ausgebildet.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Vielmehr
können
sich die Höhen
der sich gegenüberliegenden
Rippen unterscheiden, wie dies in 4 an Hand
der unterschiedlichen Höhen
h-1 und h-2 der aufwärtigen
und abwärtigen
Rippen gezeigt ist. In diesem Fall ist es jedoch unumgänglich,
dass die Summe der Höhen
h-1 und h-2 der Rippen nicht größer als
der kleinere Innendurchmesser h-3 des flachen Wärmetauscherrohres ist. Ferner
wird für
die Ausführungsform
ein dünnes,
plattenförmiges
Material verwendet, das aus einem austenitischen, rostfreien Stahl
besteht, es ist jedoch nicht ausgeschlossen, ein anderes metallisches
Material zu verwenden, so lange das Material eine hohe mechanische Festigkeit,
eine hohe Hitzebeständigkeit,
einen hohen Korrosionswiderstand und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist und darüber hinaus
einfach bearbeitbar ist. Zwar wurden bei der Ausführungsform
die Kerbabschnitte 2 durch Pressen erzeugt, es können jedoch
auch andere Fertigungsverfahren verwendet werden, um die Kerbabschnitte 2 zu
erzeugen. So können
die Kerbabschnitte 2 beispielsweise durch ein anderes mechanisches
Verfahren, durch Ätzen, indem
eine vorbestimmte Maske aufgelegt und eine chemische Lösung, die
das plattenförmige
Material korrodiert, aufgebracht wird, oder durch ein optisches Verfahren
unter Verwendung einer Laserstrahles o.ä. erzeugt werden.
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Ausführungsform 2
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Es
ist eine fluidleitende Rippe 3a vorgesehen, wie dies in 5A gezeigt
ist, die der Rippe aus der ersten Ausführungsform ähnelt, mit der Ausnahme, dass
das plattenförmige
Material durch Verbinden zweier plattenförmiger Materialien gemäß der ersten
Ausführungsform
in Längsrichtung
erzeugt wurde. Die vorbestimmten Kerbabschnitte sind in dem plattenförmigen Material
vorgesehen und zwar zur Linken und zur Rechten einer Grenze, die
von einem mittleren Faltabschnitt 1a-3 gebildet wird. Eine fluidleitende
Rippe 3a, die in 5A gezeigt
ist, wird ausgebildet, indem der von den äußeren Kerbabschnitten umgebende
Bereich angehoben wird. Danach wird das plattenförmige Material im Bereich des mittleren
Faltabschnittes 1a-3 gefaltet, so dass die entsprechenden
Kanten 4a der fluidleitenden Rippen 3a, die auf
der Platte 1 (1a-1) und der Platte 2 (1a-2) ausgebildet
sind, aneinander angrenzend gegenüberliegen. Ein Wärmetauscherrohr,
das im Innern mit den Rippen 3a versehen ist, wird dann
auf ähnliche Weise
wie das Wärmetauscherrohr
nach der ersten Ausführungsform
fertig gestellt, um einem Kühlungstest
durch eine EGR-Gaskühlungsvorrichtung
(Wärmetauscher
des Schalen- und Röhrentyps) ähnlich dem
der ersten Ausführungsform
unterzogen zu werden. Als Ergebnis wird eine Kühlungseffektivität erreicht,
die der Kühlungseffektivität der ersten
Ausführungsform
im Wesentlichen entspricht.
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Ausführungsform 3
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Ähnlich wie
bei der ersten Ausführungsform ist
bei der dritten Ausführungsform
eine fluidleitende Rippe 3b vorgesehen, mit der Ausnahme,
dass die Form der fluidleitenden Rippe, die an einem plattenförmigen Material
ausgebildet ist, durch Biegen der Kante 4b der Rippe in
einer Längsrichtung
erzeugt wird. Demgegenüber
sind in den Ausführungsformen 1
und 2 fluidleitende Rippen 3 und 3a vorgesehen, die
einen geraden Verlauf aufweisen. Werden die derart geformten fluidleitenden
Rippen 3b in einem Wärmetauscherrohr
eingesetzt, das wiederum in einer EGR-Gaskühlungsvorrichtung zum Durchführen eines
Kühlungstestes ähnlich dem
Test bei der Ausführungsform
1 eingesetzt wird, so wird die Kühlungseffektivität im Vergleich
zu der ersten Ausführungsform
weiter erhöht.
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Ausführungsform 4
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Ähnlich wie
bei der zweiten Ausführungsform ist
bei der vierten Ausführungsform
eine fluidleitende Rippe vorgesehen, mit der Ausnahme, dass an Stelle einer
Faltung an dem mittleren Faltabschnitt 1a-3 in Breitenrichtung
der zweiten Ausführungsform,
die zu einem Überlappen
der rechteckigen, plattenförmigen Materialien
führt,
ein Faltabschnitt 1e-3 vorgesehen ist, der ein plattenförmiges Material 1e in
Längsrichtung
trennt, wie dies in 10A zu sehen ist. Auch verlaufen
die Kanten 4a der Rippen sowohl auf der rechten als auch
auf der linken Seite in dieselbe Richtung. Die Ausführungsform
wird einem Kühlungstest unterzogen,
der unter den im Wesentlichen selben Bedingungen wie der Test nach
der Ausführungsform 2
durchgeführt
wird, wobei ein ähnliches
Ergebnis wie mit der zweiten Ausführungsform erzielt wird. Ferner
zeigt 10B ein Anwendungsbeispiel der Ausführungsform.
Die fluidleitenden Rippen sind hierbei ähnlich ausgerichtet wie die
Rippen der vierten Ausführungsform,
jedoch weisen die Rippen 3f auf der linken und rechten
Seite jeweils einen Verlauf auf, der dazu führt, dass sich die einander
gegenüberliegenden
Rippen kreuzen. Dieses Anwendungsbeispiel wird einem Kühlungstest
unterzogen, der unter denselben Bedingungen wie bei Aus führungsform 4
durchgeführt
wird, wobei als Ergebnis eine Kühlfunktion
ermittelt wird, die der Kühlfunktion
der Ausführungsform
4 überlegen
ist.
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Andere Anwendungsbeispiele
bzw. Ausführungsformen
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Die 6 zeigen spezielle Ausbildungen der Kanten
der fluidleitenden Rippen gemäß den Ausführungsformen
der Erfindung. 6A zeigt eine Ausführung, bei
der eine konstante Lücke
zwischen den Kanten 4 der Rippen vorgesehen ist, und 6B zeigt
einer Ausführung,
bei der die Kanten 4 der Rippen mit einem konstanten Flächendruck
aneinander angrenzen, wobei keinerlei Lücke vorgesehen ist. Werden
die Kanten im Bereich der Kreuzungsabschnitte wie in den 6C und 6D ausgebildet, indem
zuvor vorbestimmte Verbindungsabschnitte an den Kanten der Rippen
vorgesehen werden, wie beispielsweise ein Vorsprung 4x und
eine Kerbe 4y wie in 6C und
ein Vorsprung 4x-1 und eine Kerbe 4y-1 wie in 6D,
so werden die abwärtigen
und aufwärtigen
Kanten der Rippen über
die Verbindungsabschnitte verbunden, wenn die Rippenplatten in ein
Wärmetauscherrohr
o.ä. eingeführt werden. Durch
Ausbilden einer Unterstützung
(eines Kerns) zwischen den Rippen, die durch dünne Platten gebildet werden,
und einem Wärmetauscherrohr,
das den äußeren Rahmen
bildet, wird somit die Steifigkeit (Stabilität) verbessert. Ein Verstärkungsteil
ist nicht erforderlich, so dass ein Aufbau geringer Größe und geringen
Gewichts erreicht werden kann.
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7 zeigt
ein Stadium, in dem eine fluidleitende Rippe 3b gemäß der Erfindung
an einem im Querschnitt kreisförmigen
Wärmetauscherrohr 5b angeordnet
wird. Die Rippe 3b gemäß diesem
Beispiel wird innerhalb des Wärmetauscherrohres
angebracht, indem die Rippenplatte 1b, die beispielsweise der
Rippenplatte 1 aus der ersten Ausführungsform entspricht, zunächst in
eine rohrförmige
Form gebogen wird. Werden mindestens zwei Lagen von Rippenplatten
eingeführt,
wobei sich die Kanten 4b der Rippen 3b kreuzend
gegenüberliegen,
so wird selbst mit einem kreisförmigen
Wärmetauscherrohr
eine Wärmeaustauschfunktion
erreicht, die der Wärmeaustauschfunktion
des flachen Wärmetauscherrohres
der ersten Ausführungsform
entspricht.
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Die
Mittel zum gegenseitigen Befestigen der fluidleitenden Rippen in
den entsprechenden Ausführungsformen
gemäß der Erfindung
können
frei gewählt
werden und sind nicht auf bestimmte Mittel beschränkt, wie
dies beispielsweise in 8 dargestellt ist. Dennoch kann
die gegenseitige Befestigung vorzugsweise durch Löten, Schweißen oder
Kleben mit Hilfe eines Klebemittels o.ä. bewirkt werden, wie dies beispielsweise
an Hand der Verbindungsabschnitte 6 und 6-1 angedeutet
ist. Ferner sind in den obigen Ausführungsformen gemäß der Erfindung
lediglich EGR-Gase beschrieben, die beispielhaft als gekühltes Medium
ausgeführt
sind, das in dem Wärmetauscherrohr
strömt.
Dennoch kann, wie dies in den 13 und 14 gezeigt
ist, auch ein Kühlungsmedium,
wie beispielsweise Kühlwasser,
verwendet werden, das in einem Wärmetauscherrohr 5f fließt, und
auch eine äußere Seite
des Wärmetauscherrohres 5f kann
den Strömungspfad
g eines gekühlten Mediums,
in diesem Fall eines Gases, bestimmen. In diesem Fall kann die Wärme des
EGR-Gase, das in Kontakt mit einer äußeren Peripheriefläche des
Wärmetauscherrohres 5f gebracht
wird, effizient ausgetauscht werden, indem eine turbulente Strömung oder
eine Wirbelströmung
in dem EGR-Gas erzeugt wird, das über die äußere Peripheriefläche des
Wärmetauscherrohres 5f strömt.
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In 12A ist ein Ölkühler 20 dargestellt, der
einen Öleinlass 5e-5 und
einen Ölauslass 5e-6 aufweist.
Ein einzelnes Teil 5e eines flachen Wärmetauscherrohres mit fluidleitenden
Rippen gemäß der oben
beschriebenen Ausführungsformen
nach der Erfindung im Innern ist vorgesehen. Es sind Seitendeckel 5e-1 und 5e-2 an
den beidseitigen Öffnungsabschnitten
vorgesehen, wobei die die beidseitigen Öffnungsabschnitte verschließenden Seitendeckel 5e-1 durch
Verstemmen oder Schweißen
angebracht wurden. Danach wurde die Vorrichtung in eine Bodenummantelung 6 eines
Kühlers
eingetaucht und hieran befestigt., wie dies in 12B veranschaulicht ist, wobei die Befestigung
durch Löten
erfolgt. Das Öl
hoher Temperatur, das ein gekühltes
Medium darstellt, das in den Öleinlass
einströmt,
der an dem einzelnen flachen Wärmetauscherrohr 5e vorgesehen
ist, wird durch eine Vielzahl von fluidleitenden Rippen 3g,
die innerhalb des flachen Wärmetauscherrohres 5e angeordnet
sind, verwirbelt und wiederholt in Kontakt mit einer Wandfläche des
Wärmetauscherrohres 5e gebracht,
indem eine turbulente Strömung
oder eine Wirbelströmung
bewirkt wird. Hierdurch wird die Wärme des Öles effektiv an das Kühlwasser
C abgegeben, das ein Kühlungsmedium an
der äußeren Peripheriewand
des Wärmetauscherrohres
darstellt, und wenn das Öl
aus dem Ölauslass 5e-6 austritt,
so ist dieses auf eine zuvor festgelegte Temperatur abgekühlt.
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In
der Ausführungsform
2 gemäß 5 und der Ausführungsform 5 gemäß 10 sind die Kerbabschnitte auf der linken
und rechten Seite bezogen auf den mittleren Faltabschnitt 1a-3 und 1e-3 symmetrisch
angeordnet, die Richtungen können
jedoch auch die selben sein und die Richtung des Schneidens, um
die Rippen anzuheben, kann jegliche Richtung sein.
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15 zeigt
einen Wärmetauscher 40 des Plattentyps
mit innenliegenden, fluidleitenden Rippen 3h gemäß einem
anderen Anwendungsbeispiel der Erfindung. Gemäß diesem Anwendungsbeispiel
sind die Rippen 3h nach der Erfindung innerhalb des Wärmetauschers 40 zwischen
einer Vielzahl von flachen Platten 40-3 angeordnet, die
wiederum zwischen einer oberen Platte 40-4 und einer Bodenplatte 40-5 angeordnet
sind. Hierdurch ist gewährleistet,
dass sowohl in einem Gas g, das das gekühlte Medium darstellt, das
zwischen den flachen Platten 40-3 strömt, als auch in einem Kühlwasser
C, das das Kühlungsmedium
darstellt, eine turbulente Strömung bewirkt
wird. Auf diese Weise wird der Wärmeaustausch über die
flachen Platten 40-3 verbessert, und ein exzellenter Kühlungseffekt
wird erreicht. Darüber hinaus
wird durch die Rippen 3h ein Kern zwischen der oberen Platte 40-4 oder der Bodenplatte 40-5 und der
flachen Platte 40-3 oder zwischen den flachen Platten 40-3 ausgebildet,
so dass ein solider Aufbau der Vorrichtung erzielt wird, die ferner
eine geringe Größe sowie
ein geringes Gewicht des Wärmetauscherhauptkörpers 40 bedingt.
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Aus
der obigen Beschreibung der Ausführungsformen
sowie der entsprechenden Anwendungsbeispiele geht hervor, dass die
fluidleitenden Rippen gemäß der Erfindung
sehr einfach in der Handhabung und Bearbeitung sind und einfach
innerhalb sowohl flacher Wärmetauscherrohre
als auch runder oder anderweitig deformierter Wärmetauscherrohre angebracht
werden können.
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Ferner
erreicht die Kühlungsvorrichtung
des Wärmetauschertyps
durch das Anbringen des Wärmetauscherrohres
mit innenliegenden, fluidleitenden Rippen gemäß der Erfindung trotz dessen
simpler Struktur eine hervorragende Kühlungseffektivität. Da die
Vorrichtung einen besonders leichtgewichtigen und kleinen Aufbau
hat, kann diese besonders flexibel nicht nur in EGR-Gaskühlungsvorrichtungen
für Kraftfahrzeuge
eingesetzt werden, sondern auch in den Fällen, in denen die Bedingungen
bezogen auf die Viskosität
oder die Temperatur eines gekühlten und
eines Kühlungsmediums
verändert
sind, wie beispielsweise gasförmig-gasförmig, gasförmig-flüssig, flüssig-flüssig usw.,
so dass ein breiter Einsatzbereich erschlossen wird. Die Vorrichtung
kann somit ausreichend breit eingesetzt werden, zum Beispiel in anderen
Gaskühlungsvorrichtungen
oder einer Kühlungsvorrichtung
für eine
Flüssigkeit
wie Öl,
Kraftstoff o.ä.