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Die
Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager
mit mindestens zwei Reihen von Flachrohren nach dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1 sowie eine Wellrippe für einen Wärmeübertrager nach dem Oberbegriff
des Patentanspruches 13.
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Mehrreihige
Wärmeübertrager
mit gelöteten Systemen
sind bekannt, z. B. durch die US-A 4,693,307. Ein gelötetes System
bzw. ein gelöteter Block
bei den bekannten Wärmeübertragern
besteht aus mehreren Reihen von Flachrohren, die in Luftströmungsrichtung
fluchtend hintereinander angeordnet sind. Zwischen den Flachrohren
sind – sowohl bei
zwei- wie bei dreireihiger Anordnung – durchgehende Wellrippen vorgesehen,
die mit ihren Wellenkämmen
mit den Flachrohren verlötet
werden. Durch die Verlötung
ergibt sich ein hervorragender thermischer Schluss zwischen Flachrohrwand
und Wellrippen, d. h eine gute Wärmeleitung.
Die Wellrippen, die von Luft überströmt werden,
weisen zur Verbesserung des Wärmeüberganges
so genannte Kiemen auf, die in einzelnen Kiemenfeldern, verteilt über die Tiefe
der Rippen, angeordnet sind. Die Kiemen schneiden die Luftströmung immer
wieder neu an und verhindern damit eine Zunahme der Grenzschichtdicke.
Außerdem
erfolgt durch die Kiemen eine Umlenkung der Luftströmung von
der Rippenober- zur Rippenunterseite und umgekehrt. Auch dies verbessert
den Wärmeübergang.
Bekannt sind auch mehrreihige gelötete Systeme, bei welchen die
Wellrippen nicht durchgehend, sondern für jede Rohrreihe separat ausgebildet
sind. Dies kann vorteilhaft sein, wenn eine Wärmeleitung ü ber die Rippen von einer Reihe
in die andere unterbunden werden soll. Derartige gelötete Flachrohrsysteme
werden insbesondere als Wärmeübertrager
bei Kraftfahrzeugen, z. B. als Kühlmittel/Luftkühler für die Motorkühlung und
als Verdampfer bzw. Kondensatoren für Klimaanlagen eingesetzt.
Hinsichtlich der Wärmeübertragungsleistung
weisen die bekannten Systeme noch Potenziale auf: Durch die im Windschatten
zueinander liegenden Flachrohre ergeben sich an den Flachrohrwänden wachsende
Grenzschichtdicken und ungenutzte Temperaturgradienten zwischen
den Flachrohrwänden
und der Luftströmung.
Man hat daher bereits für
so genannte Rundrohrsysteme eine gestaffelte Rohranordnung vorgeschlagen,
bei welcher die Rohre benachbarter Rohrreihen gegeneinander versetzt
bzw. „auf
Lücke" angeordnet sind.
Bei derartigen Rundrohrsystemen werden flache durchgehende Rippen
mit Durchzügen
verwendet, durch welche die Rohre gesteckt und aufgeweitet werden.
Insofern ist es für
die Fertigung von Rundrohrsystemen prinzipiell ohne Belang, ob die
Rohre fluchtend oder versetzt zueinander angeordnet sind. Dies bedingt
lediglich ein anderes Stanzmuster für die Rippen. Es sind daher
auch mechanisch gefertigte Ovalrohrsysteme mit gestaffelt angeordneten
Rohren bekannt, allerdings ebenfalls mit ebenen Rippen. Solche Rundrohrsysteme
wurden für
Kraftfahrzeugheizkörper, Kondensatoren
und Verdampfer bekannt, z. B. durch die EP-B 0.401.752.
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Wellrippen
für gelötete Flachrohrsysteme werden
mittels Rippenwalzen aus einem Endlosband hergestellt – wie z.
B. aus der EP-A 641 615 und der EP-A1 103 316 bekannt. Die fertige bekannte
Wellrippe weist eine durchgehende konstante Höhe und Kiemen auf, die beim
Walzen eingeschnitten werden. Bekannt sind Wellrippen mit parallel
und schräg
zueinander angeordneten Schenkeln (Rippenflächen).
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wärmeübertrager mit gelötetem System
der eingangs genannten Art hinsichtlich seiner Wärmeübertragungsleistung zu verbessern,
insbesondere soll der sekundär-
bzw. luftseitige Wärmeübergang erhöht werden.
Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, einen derartigen Wärmeübertrager
mit einer fertigungsgerechten Berippung versehen.
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Diese
Aufgabe wird zunächst
durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass die Flachrohre benachbarter Rohrreihen versetzt gegeneinander angeordnet
sind, d. h. auf Lücke
stehen. Dadurch wird der Vorteil eines verbesserten Wärmeüberganges
erreicht, weil der Temperaturgradient zwischen Luftströmung und
Rohrwand besser genutzt wird. Ein zwischen zwei Rohren in Luftströmungsrichtung
austretender Luftstrom trifft also immer auf ein Rohr, sodass die
relativ kalte mittlere Hauptströmung
der Luft in direkten Wärmeaustausch
mit dem auf Lücke
stehenden Flachrohr treten kann, wobei eine neue Grenzschicht aufgebaut
wird, und zwar mit einem größeren Temperaturgradienten.
Der Vorteil eines verbesserten Wärmeüberganges
ist daher deutlich.
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In
vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann der Versatz der Rohre
unterschiedlich ausgebildet sein, d. h. in einem Bereich von 0,1
mm bis zur Hälfte
der Wellrippenhöhe
bzw. bis zur Hälfte
des Rohrabstandes. Im äußersten
Falle würde
das „leeseitige" Rohr also in der
Mitte der beiden luvseitigen Rohre stehen, anderenfalls außerhalb
der Mitte. Bei einem geringen Versatz ergibt sich bereits ein thermodynamischer
Vorteil, während
die Herstellung des Systems einfacher ist als bei maximalem Versatz.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist jede Flachrohrreihe
separate Wellrippen auf. Dies hat den Vorteil, dass die Herstellung der
Wellrippen einfacher ist.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weisen benachbarte
Reihen von Flachrohren durchgehende Wellrippen auf, die sich also
in Luftströmungsrichtung
von einer Reihe bis zur nächsten
oder übernächsten erstrecken.
Von Vorteil hierbei ist, dass der Block leichter kassettiert werden kann,
wenn er aus mehreren Rohrreihen und gemeinsamen, durchgehenden Wellrippen
besteht. Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Wellrippen einen Versatz,
entsprechend dem Versatz der Rohre, auf weisen. Hier zeigt sich
als Vorteil in der Herstellung, wenn der Versatz der Rohre weniger
stark ist, weil eine solche Wellrippe mit relativ geringem Versatz leichter
herstellbar, d. h. walzbar ist.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus weiteren
Unteransprüchen, wobei
die verschiedensten Strömungsmodelle – je nach
Anwendung – möglich sind,
d. h. eine Umlenkung des Primärmediums
in der Breite und/oder in der Tiefe. Ferner sind parallele Durchströmungen oder
mäanderförmige Durchströmungen einer
Rohrreihe möglich.
Als Primärmedien
kommen Kühlmittel und
Kältemittel,
sowohl einphasig wie mehrphasig in Betracht.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird auch durch die Merkmale des Patentanspruches
13 gelöst,
d. h. durch eine durchgehende Wellrippe mit Höhenversatz. Damit wird der
Vorteil erreicht, dass der Block eines zweireihigen Flachrohrsystems
mit versetzten Flachrohren einfacher hergestellt (kassettiert) werden
kann.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen
14 bis 27. Die erfindungsgemäße Wellrippe
wird – ähnlich wie
beim Stand der Technik – mittels
so genannter Rippenwalzen hergestellt, und zwar aus einem Endlosband,
welches im Bereich des Höhenversatzes
teilweise geschnitten wird, d. h. unter Belassung einer Materialbrücke, welche
den Zusammenhalt der höhenversetzten
Wellrippenbereiche sicherstellt. Die Wellung der beiden Rippenbereiche
kann phasengleich oder phasenversetzt sein, wodurch der Wärmeübergang
und der Druckabfall beeinflussbar sind.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen
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1 ein
zweireihiges Flachrohrsystem mit versetzten Rohren und durchgehenden
Wellrippen,
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2 ein
zweireihiges Flachrohrsystem mit versetzen Rohren und getrennten
Wellrippen,
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3 ein
zweireihiges Flachrohrsystem mit durchgehender Wellrippe mit Hintereinanderschaltung
der Rohre,
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4 ein
zweireihiges Flachrohrsystem mit versetzten, horizontal angeordneten
Flachrohren,
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5 ein
Flachrohrsystem wie in 4, jedoch mit veränderter
Strömungsführung,
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6 ein
zweireihiges Flachrohrssystem mit durchgehender Wellrippe und zwei
Kiemenfeldern,
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7 ein
zweireihiges Flachrohrssystem mit getrennten Wellrippen und zwei
Kiemenfeldern pro Wellrippe,
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8 ein
erstes Ausführungsbeispiel
für eine
Wellrippe mit Höhenversatz
(gleiche Flachrohrtiefe),
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9 ein
zweites Ausführungsbeispiel
für eine
Wellrippe mit Höhenversatz
(ungleiche Flachrohrtiefe),
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10 eine
Wellrippe mit Höhenversatz
und phasengleicher Wellung und
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11 eine
Wellrippe mit Höhenversatz
und phasenversetzter Wellung.
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1 zeigt
ein gelötetes
System 1, welches aus einer ersten Reihe 2 und
einer zweiten Reihe 3 von Flachrohren 4 und durchgehenden
Wellrippen 5 besteht. Der in der Zeichnung dargestellte
Systemausschnitt 1 ist Teil eines nicht dargestellten Wärmeübertragerblockes,
an welchen sich ebenfalls nicht dargestellte, jedoch aus dem Stand
der Technik bekannte Sammelkästen
anschließen,
in welche die Flachrohre 4 münden. Die Flachrohre 4 werden
von einem Primärmedium,
in der Zeichnung als Fluid 1 bezeichnet, durchströmt, und
zwar in Richtung der Pfeile, die durch Weg 1, Weg 2, Weg 3, Weg
4 gekennzeichnet sind. Die Wellrippen 5, die von der ersten
Reihe 2 bis in die Reihe 3 durchgehen, d. h. körperlich
zusammenhängend
sind, werden von Luft in Richtung der Pfeile überströmt. Die Flachrohre 4 der zweiten
Reihe 3 sind gegenüber
den Flachrohren 4 der ersten, d. h. der stromaufwärtigen oder
luvseitigen Reihe 2 versetzt angeordnet, d. h. sie stehen „auf Lücke". Die durchgehenden
Wellrippen 5 weisen daher ebenfalls einen Versatz auf,
sodass eine Materialbrücke
zwischen den Wellrippenabschnitten der ersten und der zweiten Reihe 2, 3 besteht.
Die Flachrohre 4 und die durchgehenden Wellrippen 5 werden in
der dargestellten Anordnung „kassettiert", d. h. zu einem
Block zusammengefügt
und anschließend
in einem nicht dargestellten Lötofen
verlötet – gegebenenfalls
mit nicht dargestellten Rohrböden
und/oder Sammelkästen.
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Die
in der Zeichnung durch Pfeile dargestellte Strömungsführung des Fluid 1, d. h. des
Primärmediums
stellt eine so genannte Umlenkung in der Breite bezüglich der
leeseitigen Rohrreihe 3, eine anschließend Umlenkung in der Tiefe
in die luvseitige Reihe 2 und dort wiederum eine Umlenkung
in der Breite dar. Eine derartige Umlenkung des Strömungsmittels
ist vorteilhaft bei einem Kältemittelverdampfer
einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage, wobei es sich bei dem Kältemittel
sowohl um ein konventionelles Kältemittel
wie R 134a oder um ein neueres Kältemittel
wie R744, d. h. Kohlendioxid (CO2) handeln kann. Das Flachrohrsystem 1 wird
somit vom Kältemittel
im Kreuzgegenstrom durchströmt.
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2 zeigt
ein abgewandeltes gelötetes Flachrohrsystem 6 mit
Flachrohren 4 (gleiche Bezugszahlen für gleiche Teile), jedoch mit
Wellrippen 7 für
die luvseitige Reihe 2 und Wellrippen 8 für die leeseitige
Rohrreihe 3; die Wellrippen 7, 8 sind
somit getrennte Bauteile. Die Strömungsführung des Primärmediums,
hier wiederum mit Fluid 1 und Weg 1 bis 4 bezeichnet, entspricht
der des Ausführungsbeispieles
in 1, d. h. wiederum Kreuzgegenstrom, der sich als
vorteilhaft für
einen Verdampfer einer Klimaanlage erweist.
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3 zeigt
ein gelötetes
Flachrohrsystem 9 mit versetzt angeordneten Flachrohren 4 in
der luvseitigen Reihe 2 und der leeseitigen Reihe 3 sowie mit
durchgehenden Wellrippen 5. Unterschiedlich gegenüber dem
Ausführungsbeispiel
gemäß 1 ist hier
die Führung
des Primärmediums,
welches wiederum durch Fluid 1 und Weg 1 bis 4 bezeichnet ist: das
Primärmedium,
vorzugsweise ein Kältemittel durchströmt die senkrecht
angeordneten Flachrohre 4 nacheinander, wobei das Kältemittel
bzw. Fluid 1 zunächst
in der leeseitigen Rohrreihe 3 in der Breite umgelenkt
wird, anschließend
in der Tiefe und danach in der luvseitigen Reihe 2 nochmals
in der Breite.
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4 zeigt
ein gelötetes
Flachrohrsystem 10 mit versetzten, horizontal angeordneten
Flachrohren 4, wobei hier als Primärmedium das alternative Kältemittel
R744 (CO2) vorgesehen ist und das Flachrohrsystem 10 für einen
als Gaskühler
ausgebildeten Wärmeübertrager
verwendet wird. Das Kälte mittel
CO2 durchströmt
somit die Flachrohre 4 im überkritischen, d. h. einphasigen
Zustand, wobei eine Abkühlung
gegenüber
der Luftströmung
mit fallender Kältemitteltemperatur
erfolgt. Das Kältemittel
(Fluid 1) tritt dreiflutig in die leeseitige Rohrreihe ein, wird dort
in der Breite umgelenkt, wird anschließend in der Tiefe entgegen
der Luftströmungsrichtung
umgelenkt und wird schließlich
in der luvseitigen Rohrreihe in der Breite umgelenkt. Das Kohlendioxid
durchströmt das
Flachrohrsystem 10 somit im Kreuzgegenstrom. Die Wellrippen 7, 8 sind
für jede
Rohrreihe getrennt.
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5 zeigt
ein gelötetes
Flachrohrsystem 11 mit horizontal und versetzt angeordneten
Flachrohren 4 und getrennten Wellrippen 7, 8.
Als Primärmedium
ist wiederum das Kältemittel
CO2 vorgesehen. Das Flachrohrsystem 11 wird als Zuheizer
bzw. Heizkörper
einer CO2-Klimaanlage verwendet. Dabei werden zunächst die
Flachrohre 4 der leeseitigen Reihe parallel durchströmt (vgl.
Fluid 1, Weg 1), danach erfolgt eine Umlenkung in der Tiefe, und
zwar entgegen der Luftströmungsrichtung,
wonach die luvseitige Rohrreihe ebenfalls parallel durchströmt wird (vgl.
Weg 2). Bei dieser Strömungsführung handelt es
sich um einen reinen Kreuzgegenstrom.
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6 zeigt
ein gelötetes
Flachrohrsystem 12 mit zwei horizontalen Rohrreihen 13, 14,
versetzt angeordneten Flachrohren 15, hier als Zweikammerrohre
ausgebildet, und mit durchgehenden Wellrippen 16. Jede
Wellrippe 16 weist zwei Kiemenfelder auf, das Kiemenfeld 17 in
der luvseitigen Reihe 13 und das Kiemenfeld 18 in
der leeseitigen Reihe 14. In der Zeichnung sind ferner
folgende Maße
angegeben: die Höhe
der Wellrippe 16 ist mit HR bezeichnet, die
Breite der Rohre mit bR und der Versatz
der Flachrohre 15 der Reihe 14 gegenüber der
Reihe 13 ist mit V gekennzeichnet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
beträgt
der Versatz etwa 50% der Rippenhöhe. Sämtliche
Flachrohre 15 der leeseitigen Reihe 14 liegen
also nicht im Windschatten der Flachrohre 15 der luvseitigen
Reihe 13, sondern werden ungestört von der aus der Reihe 13 austretenden
Luftströmung
angeströmt.
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7 zeigt
ein Flachrohrsystem 19 mit zwei Reihen 20, 21 von
horizontal angeordneten Flachrohren 22 und getrennten Wellrippen 23, 24.
Jede Wellrippe hat zwei Kiemenfelder, die Wellrippe 23, die
Kiemenfelder 23a, 23b und die Wellrippe 24,
die beiden Kiemenfelder 24a, 24b. Die eingetragenen Maße für die Rippenhöhe, die
Rohrbreite und den Versatz der Flachrohre entsprechen denen des
Ausführungsbeispieles
gemäß 6.
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Als
Beispiele für
Wärmeübertrager
wurden oben Verdampfer und Gaskühler
für Klimaanlagen genannt.
Ebenso können
die erfindungsgemäßen Flachrohrsysteme
für gelötete Heizkörper, Kühlmittel/Luftkühler und
andere Wärmeübertrager
in Kraftfahrzeugen Verwendung finden.
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8 zeigt
eine Wellrippe 25 mit einem Höhenversatz V, welche zwischen
einer ersten Reihe von Flachrohren 26 und einer zweiten
Reihe von Flachrohren 27 angeordnet ist, wobei die Zeichnung einen
Ausschnitt aus einem zweireihigen Flachrohrsystem zeigt. Die Wellrippe 25 besteht
aus einer ersten Teilrippe 25a mit einer Rippenhöhe H und
einer zweiten Teilrippe 25b mit einer Rippenhöhe H, wobei beide
Teilrippen bezüglich
ihrer Höhen
H um den Betrag V gegeneinander versetzt sind. Beide Teilrippen 25a, 25b sind
jedoch über
eine Materialbrücke 25c miteinander
verbunden und somit wie eine Wellrippe 25 handhabbar. Beide
Teilrippen 25a, 25b weisen dieselbe Rippentiefe
T1, T2 auf, da auch die Flachrohre 26 der ersten und die
Flachrohre 27 der zweiten Reihe dieselbe Tiefe aufweisen.
Der Höhenversatz
ist rechtwinklig ausgebildet und wird durch einen Schnitt des Bandmaterials
beim Durchlaufen eines Walzenpaares hergestellt. Der Höhenversatz
V liegt in einem Bereich von 0,1 mm ≤ V ≤ 0,5 H. Die Wellrippe 25 hat
eine Gesamttiefe T = T1 + T2. Die Teilrippe 25a weist ein
erstes Kiemenfeld 28 und die Teilrippe 25b ein
zweites Kiemenfeld 29 auf, wobei die beiden Kiemenfelder
nicht dargestellte, an sich bekannte Kiemen zur Erhöhung des
Wärmeüberganges
aufweisen. Beide Kiemenfelder 28, 29 sind im Bereich
des Höhenversatzes
bzw. des Materialsteges 25c unterbrochen.
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9 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Wellrippe 30 mit
unterschiedlich tiefen Teilrippen 30a, 30b, welche
durch einen treppenförmig
ausgebildeten Absatz höhenversetzt
gegeneinander sind. Flachrohre 31 bilden eine erste und
Flachrohe 32 eine zweite Rohrreihe, wobei die Flachrohre 32 eine
deutlich größere Rohrtiefe
als die Flachrohre 31 aufweisen und versetzt zueinander
angeordnet sind, d. h. auf „Lücke" stehen. Die Tiefe
T1 der Teil rippe 30a ist daher entsprechend kleiner als
die Tiefe T2 der Teilrippe 30b. Ferner weiset die erste
Teilrippe 30a ein erstes Kiemenfeld 33a und die
zweite Teilrippe 30b ein erstes Kiemenfeld 33b sowie
ein zweites Kiemenfeld 34 auf. Der Versatz V bzw. Trennschnitt verläuft hier
durch ein Kiemenfeld 33 (nicht dargestellt), welches in
zwei gegeneinander versetzte Kiemenfelder 33a, 33b aufgeteilt
wird. Die Materialverbindung ist somit zwischen den beiden Teilrippen 30a, 30b geringer
als beim vorherigen Ausführungsbeispiel,
was zu einer geringeren Wärmeleitung,
d. h. einer verbesserten Isolation führt. Eine derartige Ausführung ist
insbesondere bei so genannten Monoblock®-Wärmeübertragern,
bekannt durch die DE-A 198 08 202 der Anmelderin, vorteilhaft. Dabei sind
ein Kondensator und ein Kühlmittelkühler mit
unterschiedlich tiefen Flachrohren zu einem gelöteten Block integriert.
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10 zeigt
eine Wellrippe 35 mit Höhenversatz
in einer Ansicht von vorn, d. h. in Luftströmungsrichtung. Die Wellrippe 35 besteht
aus zwei in Luftströmungsrichtung
hintereinander angeordneten Teilrippen 25a, 25b,
wobei die erste Teilrippe 35a sich zwischen den Linien
l1, l2 und die zweite Teilrippe 35b zwischen den Linien
m1, m2 erstreckt. Beide Teilrippen weisen dieselbe V-förmige Geometrie
auf. Die erste Teilrippe 35a weist Scheitelpunkte S1 auf Seiten
der Linie l1 und gegenüberliegende
Scheitelpunkte S2 auf Seiten der Linie l2 auf. Analog weist die
zweite Teilrippe 35b Scheitelpunkte P1 auf Seiten der Linie
m1 und Scheitelpunkte P2 auf Seiten der Linie m2 auf. Der Höhenversatz,
d. h. der Abstand zwischen den Linien l2, m2 bzw. den Scheitelpunkten S2,
P2 ist mit V gekennzeichnet. Der Abstand zwischen zwei benachbarten
Scheitelpunkten S1, S1 oder P2, P2 wird als Teilung t bezeichnet;
sie entspricht dem Kehrwert der Rippendichte. Beide Teilrippen 35a, 35b weisen
dieselbe Teilung t auf, ihre Wellung ist phasengleich, d. h. die
Scheitelpunkte S2, P2 bzw. S1, P1 liegen jeweils „in Phase". Der Druckabfall dieser
phasengleichen Wellung ist vergleichsweise niedrig.
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11 zeigt
eine weitere Ausführungsform einer
Wellrippe 36, bei welcher die Wellung phasenversetzt ausgebildet
ist: Die Teilung der Wellrippe 36 ist mit t gekennzeichnet
und gilt sowohl für
die vordere Teilrippe 36a mit den Scheitelpunkten S als
auch für
die hintere höhenversetzte
Teilrippe 36b mit den Scheitelpunkten P. Die Wellung, d.
h. die Scheitelpunkte P der hinteren Teilrippe 36b sind
gegenüber der
Wellung bzw. den Scheitelpunkten S der vorderen Teilrippe 36a um
die halbe Teilung, d. h. t/2 versetzt. Durch diese (Phasen-)Verschiebung
der Wellung ergibt sich eine Verbesserung des Wärmeüberganges, allerdings auch
ein erhöhter
Druckabfall gegenüber
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 10.
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In
beiden Ausführungsbeispielen
weisen die Wellrippen 35, 36 nicht bezeichnete
Kiemen auf, wie dies bei nicht höhenversetzten
Wellrippen bekannt ist. Die Geometrie der dargestellten Wellrippen
entspricht einer V-Form,
d. h. einer etwa zick-zack-förmigen
Anordnung. Andere bekannte Anordnungen mit U-förmig oder mäanderförmig angeordneten Wellrippen,
so genannte Parallelrippen, sind ebenfalls möglich und können mit dem erfindungsgemäßen Höhenversatz
hergestellt werden.