-
Die Erfindung geht aus von einem Wärmetauscher mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1. Ein derartiger Wärmetauscher ist aus der
DE 101 91 092 B3 bekannt. Einen ähnlichen Wärmetauscher zeigt auch die
WO 99/08354 A1 .
-
Aus der
DE 196 09 845 Ci ist ein Schaltschrank bekannt, der mit drei vertikalen Seitenwänden und einer frontseitigen Tür sowie einem Boden und einem Dach einen Gehäuseinnenraum umschließt. Darin sind elektrische Einbauten gehalten, die beim Betriebseinsatz Verlustwärme in den Gehäuseinnenraum abgeben. Zur Vermeidung einer Überhitzung muss diese Wärme an die Umgebung abgeführt werden. Die Wärme wird von den als Wärmetauscherelementen ausgebildeten vertikalen Seitenwänden aufgenommen.
-
An der Gehäuseaußenseite sind im Abstand zu den Seitenwänden Kanalabdeckungen gehalten. Zwischen den Kanalabdeckungen und den Seitenwänden ist ein Strömungskanal gebildet, durch den ein Luftstrom geführt wird, dieser wird über den natürlichen Kamineffekt in den Seitenwänden erzeugt oder durch einen Lüfter erzwungen. Der Luftstrom nimmt die Wärme von der Außenseite der Seitenwand auf und führt sie an die Umgebung ab. Es ist üblich, die Luft am Rand der Wärmetauscherfläche einzuführen und zwar so, dass die Öffnungen möglichst groß sind, um die Strömungsverluste zu reduzieren, wie dies beispielsweise in der
DE 296 05 555 U1 gezeigt ist. Weiterhin sind Gehäuse bekannt, bei denen keine zusätzlichen Seitenwände vorhanden sind, die die Luft führen. Hier wird die Wärme über natürliche Konvektion direkt an die Umgebungsluft abgegeben.
-
Die Wärmeabgabe in dem Innenraum erfolgt auf ähnliche Weise. Es sind weiterhin sowohl Gehäuse bekannt, die eine innere Wandaufdopplung haben und einen Volumenstrom in diesen führen, der die Wärme an die Wand abgibt, als auch Gehäuse ohne Doppelwand, wobei die Luft im Innenraum lediglich zirkuliert wird und ein Volumenstrom infolge von Konvektion an den Wänden vorbeiströmt und die Wärme an diese abgibt. Bei Gehäusen mit einer innen liegenden Wandaufdopplung ist erwähnenswert, dass diese mit dem Lüfter einen geschlossenen Kanal bilden insbesondere zwischen Lüfter und Wärmetauscherfläche wobei der Lüfter in der Regel auf der Druckseite angeordnet ist. Der Volumenstrom also vom Lüfter über geeignete Kanäle zu der Wärmetauscherflächen geführt wird.
-
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Wärmetauscher zu schaffen, mit dem der Wirkungsgrad zur Verbesserung der Kühlleistung gesteigert ist.
-
Diese Aufgabe wird durch einen Wärmetauscher mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
-
Erfindungsgemäß wird die wärmeaufnehmende bzw. wärmeabgebende Seite mit den Kanalabdeckungen segmentartig zumindest bereichsweise abgedeckt. Da jeder Kanalabdeckung Fluid-Zuströmöffnungen bzw. Fluid-Abströmöffnungen zugeordnet sind, werden die einzelnen Teilsegmente der Wärmetauscherwand jeweils individuell mit einer eigenen Fluid-Zuleitung versorgt. Dadurch entstehen im Durchschnitt höhere Temperaturgradienten zwischen dem Fluidstrom und der Wärmetauscherwand. Auf diese Weise kann der Wärmeaustausch effektiviert und der Wirkungsgrad deutlich gesteigert werden.
-
Dabei ist vorgesehen, dass die Kanalabdeckungen eine im Abstand zu der wärmeaufnehmenden/wärmeabgebenden Seite stehende Frontwand aufweisen, dass sich an die Frontwand Seitenwände anschließen, die auf die Wärmetauscherwand gerichtet sind, und dass die Seitenwände mit Fluid-Zuströmöffnungen ausgestattet sind. Auf diese Weise können die Fluid-Zuströmöffnungen bis dicht an die wärmeaufnehmende/wärmeabgebende Seite gelegt werden. Dort stehen sie dann bevorzugt so, dass der durch sie geleitete Fluidstrom möglichst parallel zu der wärmeabgebenden/wärmeaufnehmenden Seite über diese geleitet werden kann. Ein besonders guter Wärmetauscher kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass die Kanalabdeckungen an den gegenüberliegenden Seiten Fluid-Zuströmöffnungen aufweisen, durch die Teil-Fluidströme in den Strömungskanal einleitbar sind, und dass die Teil-Fluidströme quer zur Hauptströmungsrichtung im Strömungskanal orientiert sind.
-
Weiterhin ist die Frontwand der Kanalabdeckung mit mehreren Düsen ausgestattet, über die jeweils ein Teilluftstrom förderbar ist, so dass die Strömungsrichtung des Teilluftstroms nach der Düse im Winkel zur Strömungsrichtung des Hauptluftstromes im Strömungskanal verläuft, oder dass der Teilluftstrom eine höhere Strömungsgeschwindigkeit als der Hauptluftstrom aufweist. Der aus den Düsen austretende Teil-Fluid-(beispielsweise Luft)-strom trifft mit hoher Geschwindigkeit oder im Winkel auf den im Strömungskanal geführten Luftstrom.
-
Dadurch entsteht eine lokale Strömungsverwirbelung im Strömungskanal. Diese sorgt dafür, dass das Fluid im Strömungskanal gleichmäßig erwärmt (abgekühlt) wird. Damit entsteht im Grenzbereich zwischen der wärmeabgebenden (wärmeaufnehmenden) Seite stets ein hoher Temperaturgradient. Auf diese Weise lässt sich eine deutliche Wirkungsgrad-Steigerung erreichen. Um eine möglichst gleichmäßig gute Beaufschlagung der Wärmetauscherwand mit Fluid zu erhalten, kann es vorgesehen sein, dass im Strömungskanal der Kanalabdeckungen der Hauptluftstrom in Strömungsrichtung förderbar ist, und dass die Kanalabdeckungen an gegenüberliegenden Seiten, in Strömungsrichtung des Hauptluftstromes verlaufende Reihen von Fluid-Zuströmöffnungen aufweisen.
-
Wenn vorgesehen ist, dass der Hauptluftstrom in oder entgegengesetzt zur Schwerkraftrichtung förderbar ist, dann kann die Konvektion bei der Fluid-Förderung ausgenutzt werden.
-
Ein konstruktiv einfacher Aufbau ergibt sich insbesondere dann, wenn vorgesehen ist, dass im Bereich zwischen zwei angrenzenden Kanalabdeckungen Zuströmkanäle gebildet sind, und dass den Fluid-Zuströmöffnungen beider Kanalabdeckungen über die Zuströmkanäle Fluid zuleitbar ist und dass die Strömungskanäle der Kanalabdeckungen in einen gemeinsamen Sammelkanal münden.
-
In bevorzugter Ausgestaltung sieht die Erfindung vor, dass die Wärmetauscherwand von einem Wandelement eines Gehäuses gebildet ist.
-
Wenn vorgesehen ist, dass die Strömungsgeschwindigkeit des durch die Fluid-Zuströmöffnungen geleiteten Teil-Fluidstromes größer ist als die Strömungsgeschwindigkeit des Fluidstroms im Strömungskanal, dann wird über einen Strömungs-Effekt erreicht, dass der Teil-Fluidstrom sich an die Wärmetauscherwand im Strömungskanal anlegt. Dieser Effekt ist aus der Raumklimatisierung unter dem Namen „Coandereffekt“ bekannt.
-
Eine mögliche Erfindungsvariante ist dergestalt, dass die Wärmetauscherwand zwei im Winkel zueinander stehende Wärmetauscherflächen aufweist, denen jeweils wenigstens eine Kanalabdeckung zugeordnet ist, und dass in dem Bereich, in dem die Wärmetauscherflächen aneinandergrenzen ein Zuströmkanal gebildet ist, über den den Fluid-Zuströmkanälen beider Kanalabdeckungen ein Fluidstrom zugeleitet ist. Dabei ergibt sich eine einfache bauliche Konstruktion, wenn vorgesehen ist, dass Zuströmkanal von abgekanteten Rändern der Kanalabdeckungen gebildet ist.
-
Wenn eine Kanalabdeckung verwendet ist, die mehrere Strömungskanäle bildet, dann ist eine effektive Luftzufuhr zu den Strömungskanälen dadurch gegeben, dass die Kanalabdeckung in Richtung der Strömungsrichtung im Strömungskanal verlaufende Schlitze aufweist, die in einen Verteilerkanal münden, und dass von dem Verteilerkanal die Fluid-Zuströmöffnungen abgehen, die in die benachbarten Strömungskanäle münden.
-
Dabei kann es vorgesehen sein, dass der Verteilerkanal zumindest bereichsweise von einem Profilabschnitt gebildet ist, der im Bereich zwischen der Kanalabdeckung und der Wärmetauscherwand angeordnet ist. Der Profilabschnitt kann dann auch gleichzeitig das Trennelement, welches die Strömungskanäle gegeneinander abgrenzt, bilden. Dabei lässt sich die Kanalabdeckung dadurch aussteifen, dass der Profilabschnitt mit der Kanalabdeckung verbunden ist.
-
Wenn vorgesehen ist, dass benachbarte Kanalabdeckungen unter Vermittlung der Fluid-Zuströmöffnungen miteinander verbunden sind, dann wird den Fluid-Zuströmöffnungen zusätzlich noch eine Befestigungsfunktion zugeordnet.
-
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 einen Ausschnitt eines Wärmetauschers in Frontansicht;
- 2 den Wärmetauscher gemäß 1 entlang dem in 1 mit II-II gekennzeichneten Schnittverlauf;
- 3 den Wärmetauscher gemäß 1 entlang dem in 1 mit III-III gekennzeichneten Schnittverlauf;
- 4 einen Ausschnitt eines Wärmetauschers mit mehreren Kanalabdeckungen gemäß dem in 5 mit IV-IV gekennzeichneten Schnittverlauf;
- 5 den Wärmetauscher gemäß 4 in Frontansicht;
- 6 einen Schaltschrank in perspektivischer Darstellung;
- 7 den Schaltschrank gemäß 6 im Horizontalschnitt;
- 8 ein in 7 mit VIII gekennzeichnetes Detail;
- 9 ein in 7 mit IX gekennzeichnetes Detail;
- 10 ein in 7 mit X gekennzeichnetes Detail;
- 11 in perspektivischer Teildarstellung zwei im Winkel zueinander angeordnete Kanalabdeckungen;
- 12 den Aufbau gemäß 11 in Explosionsdarstellung und
- 13 die Darstellung gemäß 11 in einer veränderten Perspektive.
-
In den 1 bis 3 ist ein Wärmetauscher mit einer Wärmetauscherwand 10, die eine wärmeaufnehmende 11 und eine wärmeabgebende 12 Seite aufweist, dargestellt. An der Wärmetauscherwand 10 ist eine Kanalabdeckung 20 gehalten. In der 1 ist die Wärmetauscherwand 10 nur abschnittsweise dargestellt. Tatsächlich ist sie größer, so dass zwei oder mehrere baugleiche Kanalabdeckungen 20 auf ihr befestigt werden können. Die Kanalabdeckung 20 weist eine Frontwand 21 auf, von der drei Seitenwände 23 abgewinkelt sind, die in Richtung auf die Wärmetauscherwand 10 abstehen.
-
Die Seitenwände 23 sind mit Fluid-Zuführöffnungen 24 ausgerüstet. Diese sind in Form von einzelnen runden Düsen 22 oder schlitzförmigen Düsen ausgestaltet, die in einem regelmäßigen oder unregelmäßigen Teilungsraster zueinander beabstandet angeordnet sind und in Längsrichtung der Seitenwände 23 nebeneinander liegend angeordnet sind.
-
Die Frontwand 21 ist mit Durchbrüchen versehen, die Düsen 22 bilden. Die Düsen 22 sind matrixartig in die Frontwand 21 eingebracht. Sowohl die Fluid-Zuströmöffnungen 24 als auch die Düsen 22 schaffen eine leitende Verbindung zwischen der Umgebung und dem Strömungskanal 26. Im Kopfbereich des Wärmetauschers umschließen die beiden vertikalen Seitenwände 23, die Frontwand 21 und die Wärmetauscherwand 10 eine Fluid-Abströmöffnung 25. Durch diese kann die Luft aus dem Strömungskanal 26 abgeführt werden.
-
Die Funktionsweise des Wärmetauschers ist wie folgt:
- Die Wärmetauscherwand 10 nimmt auf ihrer wärmeaufnehmenden Seite 11 Wärmeenergie auf. Da sie aus einem wärmeleitenden Material besteht, wird Wärme auf die wärmeabgebende Seite 12 transportiert. Durch die Düsen 22 und die Fluid-Zuströmöffnungen 24 wird beispielsweise Umgebungsluft oder klimatisierte Luft, unterstützt durch eine Luftfördereinrichtung in den Strömungskanal 26 gefördert. Die Luft nimmt dabei die Wärme von der wärmeabgebenden Seite 12 auf und transportiert sie durch die Fluid-Abströmöffnung 25 ab.
-
Die Fluid-Zuströmöffnungen 24 sind dicht an der wärmeabgebenden Seite 12 angeordnet. Somit wird Luft unmittelbar über die wärmeabgebende Seite 12 geblasen. Damit kann sie einen effektiven Wärmeaustausch vornehmen. Die Breite der Kanalabdeckung 20 zwischen den vertikalen Seitenwänden 23 ist auf die Luftströmung so abgestimmt, dass möglichst eine ausreichende Luftführung über die gesamte Breite des Strömungskanals 26 oder einen wesentlichen Teil der Breite des Strömungskanals 26 erreicht ist.
-
In den 3 und 4 ist eine weitere Ausgestaltungsvariante eines Wärmetauschers mit einer Wärmetauscherwand 10 gezeigt. Die Kanalabdeckungen 20 entsprechen denen gemäß 1 bis 3 mit dem Unterschied, dass die Frontwand 21 ohne Düsen 22 ausgeführt ist. Wie die 4 zeigt, sind die Kanalabdeckungen 20 zueinander beabstandet angeordnet, so dass Zuströmkanäle 27 entstehen.
-
Über die Zuströmkanäle 27 wird den Fluid-Zuströmöffnungen 24 die Luft parallel zugeleitet. Die erwärmte Luft verlässt den Strömungskanal 26 durch die Fluid-Abströmöffnungen 25. Die Luft aller Kanalabdeckungen 20 wird dann in einem Sammelkanal 31 eines Gehäuses 30 gesammelt und von dort in die Umgebung abgeführt oder einer Klimatisierungseinrichtung zugeführt.
-
In den 6 bis 13 ist eine beispielhafte Anwendung für den erfindungsgemäßen Wärmetauscher näher detailliert.
-
Die 6 zeigt ein Gehäuse 30, nämlich einen für die Außenaufstellung geeigneten Schaltschrank. Dieser weist einen Gehäusekorpus mit einem Sockel 32 auf. Der Gehäusekorpus ist frontseitig mit zwei Türen 33 verschlossen.
-
Wie die 7 erkennen lässt, werden die vertikalen Seiten des Gehäusekorpus von zwei vertikalen Seitenwänden 34 und einer Rückwand 36 gebildet. Kopfseitig ist der Gehäusekorpus mit einem Dach verschlossen, der analog zu 5 ausgebildet ist.
-
Die Rückwand 36 des Gehäuses 30 wird von einer Wärmetauscherwand 10 und einer Kanalabdeckung 20 gebildet. Die Kanalabdeckung 20 besteht aus einem dünnwandigen Blech, das mit drei vertikalen Reihen von Schlitzen 21.1 versehen ist. Dabei erstrecken sich die Schlitze 21.1 nur über einen Teil der Höhe der Rückwand 36. Die Schlitze 21.1 sind mit Profilabschnitten 29 hinterlegt. Zur genaueren Ausgestaltung der Profilabschnitte 29 wird auf die 9 verwiesen. Wie diese Zeichnung erkennen lässt, sind die Profilabschnitte 29 als Hutschienen ausgebildet. Sie weisen einen Verbindungsabschnitt 29.3 auf, von dem rechtwinklig zwei Seitenwände 23 abgebogen sind. Die Seitenwände 23 sind mit Fluid-Zuströmungsöffnungen 24 ausgestattet. An den dem Verbindungsabschnitt 29.3 abgewandten Enden tragen die Seitenwände 23 Befestigungsabschnitte 29.1. Mit diesen Befestigungsabschnitten 29.1 sind die Profilabschnitte 29 mit der Rückseite der Frontwand 21 mittels einer Verbindung 29.2 beispielsweise einer Schweißung angekoppelt. Anstatt einer Schweißung kann auch eine Verklebung, oder Vernietung vorgesehen sein. Im montierten Zustand stützen sich die Profilabschnitte 29 mit ihrem Verbindungsabschnitt 29.3 auf der wärmeabgebenden Seite 12 ab. Sie grenzen so zwei benachbarte Strömungskanäle 26 gegeneinander ab. Wie die 9 weiter erkennen lässt, bilden der Profilabschnitt 29 und der Schlitz 21.1 einen Zuströmkanal 27, über den Umgebungsluft durch die Fluid-Zuströmungsöffnungen 24 in die Strömungskanäle 26 gefördert werden kann.
-
Im Bereich der vertikalen Seitenwände 34 weist das Gehäuse 30 einen Teil der Wärmetauscherwände 10 auf, denen jeweils eine Kanalabdeckung 20 zugeordnet ist. Die 8 zeigt das in 7 mit VIII markierte Detail. Wie aus dieser Darstellung hervorgeht, weist die der Seitenwand 34 zugeordnete Abdeckung 20 im Anschluss an die Frontwand 21 zwei in Vertikalrichtung verlaufende Abkantungen 28 auf. Diese sind ebenso wie die Schlitze 21.1 im Profilabschnitt 29 mit einer Vielzahl von schlitzförmigen Öffnungen 28.1 versehen. An die Abkantung 28 schließt im rechten Winkel ein Endabschnitt 28.2 an. Dieser liegt an der Seitenwand 23 der Kanalabdeckung 20 an, die der Rückwand 36 zugeordnet ist. Diese Seitenwand 23 trägt eine Abwinklung 23.1, die innenseitig an der Frontwand 21 der benachbarten Kanalabdeckung 20 aufsteht.
-
Auf diese Weise ergibt sich im Eckbereich des Gehäuses 30 ein geschlossener Zuströmkanal 27, dem Umgebungsluft über die Öffnungen 28.1 zuführbar ist. Die Umgebungsluft kann dann durch die Fluid-Zuströmöffnungen 24 in die Strömungskanäle 26 der benachbarten Kanalabdeckungen 20 gelangen.
-
Die 7 zeigt, dass das Gehäuse 30 frontseitig mittels zweier Türen 33 verschließbar ist. Die Türen 33 sind an den den Seitenwänden 34 zugeordneten Bereichen mittels Scharnieren 33.1 befestigt. Im Bereich zwischen den beiden geschlossenen Türen 33 ist ein Türanschlag 33.2 gebildet, an dem die Türen 33 im Schließzustand anliegen.
-
Die Türen 33 tragen im Bereich dieser Schließseiten jeweils einen Türverschluss 33.3, mit dem die Türen 33 verschlossen werden können.
-
Die Türen 33 sind im Wesentlichen spiegelbildlich identisch aufgebaut. Sie weisen jeweils eine Wärmetauscherwand 10 auf, denen eine Kanalabdeckung 20 zugeordnet ist. Der 6 ist entnehmbar, dass die Kanalabdeckungen 20 jeweils einen Schlitz 21 (Schlitzreihe oder Luftzuführanordnung) aufweisen. Die prinzipielle Gestaltung der Kanalabdeckungen 20 im Bereich des Schlitzes 21.1 entspricht der Schlitzgestaltung der Rückwand 36. Insofern kann auf die 9 und die entsprechenden obigen Ausführungen Bezug genommen werden. Im Bereich der Schließseite der Tür 33 hat die Kanalabdeckung 20 eine Abkantung, die eine Seitenwand 23 mit Fluid-Zuströmöffnungen 24 bildet.
-
Die Konstruktion im Bereich der Scharnierseite ist in 10 detailliert. Wie diese Darstellung veranschaulicht, besitzt die der Seitenwand 34 zugeordnete Kanalabdeckung 20 eine frontseitige, vertikale Seitenwand 23. Von dieser ist als Teil der Seitenwand 34 eine Abwinklung 23.1 rechtwinklig abgebogen. Die Abwinklung 23.1 läuft in einem Endabschnitt aus, der wieder parallel zur Vorderseite des Gehäuses 30 steht. Im Bereich zwischen der Abwinklung 23.1 und dem Endabschnitt sind Fluid-Zuströmkanäle 24 gebildet.
-
Die 11 bis 13 veranschaulichen die Verbindung der Kanalabdeckungen 20, die im Eckbereich der Rückwand 36 und der Seitenwände 34 aneinander stehen. Wie die 11 und 12 erkennen lassen, trägt der Endabschnitt 28.2 rechtwinklig abgekantete Hakenelemente 28.3. Mit diesen Hakenelementen 28.3 kann die seitliche Kanalabdeckung 20 in dafür vorgesehene Fluid-Zuführöffnungen 24 der rückseitigen Kanalabdeckungen 20 eingehängt werden. Die 12 zeigt die Montagereihenfolge. Zunächst werden die Hakenelemente 28.3 in die Fluid-Zuführöffnungen 24 eingesteckt (Schritt 1) und dann entgegengesetzt der Schwerkraftrichtung die seitliche Kanalabdeckung 20 abgesenkt. Es ergibt sich dann die in 13 veranschaulichte Montagesituation. Die abschließende Befestigung der seitlichen Kanalabdeckung 20 erfolgt im Bereich der Gehäusevorderseite. Wie die 10 erkennen lässt, liegt die seitliche Kanalabdeckung 20 mit dem Endabschnitt 23.2 frontseitig auf dem Wandelement 13 auf und ist mit diesem verbunden, vorliegend verschraubt.
-
Das Gehäuse 30 besitzt ein Dach, das einen Sammelkanal 31 aufweist. In diesen münden alle Fluid-Ausströmöffnungen 25 der Kanalabdeckungen 20. Somit wird die zur Kühlung angesaugte Luft einheitlich gesammelt. Im Sammelkanal 31 kann zu diesem Zweck eine Lüfteranordnung untergebracht werden. Die Luft kann aus dem Sammelkanal 31 in die Umgebung rückgeführt oder in eine Klimavorrichtung geführt werden.
