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Die
Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zum Erwärmen
eines tiefkalten Fluids durch ein insbesondere flüssiges
Wärmeträgermittel, welches mit dem im wesentlichen
durch einen Vollmaterialblock gebildeten Wärmetauscher
in geeigneter Wärmeübergangs-Verbindung steht
und wobei das tiefkalte Fluid in zumindest einem im Vollmaterial
des Wärmetauschers vorgesehenen und solchermaßen
gestalteten Kanal geführt ist, dass in einem bezüglich
der Fluid-Strömung weiter stromaufwärts liegenden
und somit kälteren Kanal-Bereich ein geringerer Wärmeübergang
zwischen dem Fluid und dem Vollmaterial möglich ist als
in einem weiter stromabwärts liegenden wärmeren
Kanal-Bereich. Zum bekannten Stand der Technik wird auf die
US 3,749,155 verwiesen.
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Zunächst
sei definiert, was unter dem hier der Kürze wegen verwendeten
Begriff eines „geringeren Wärmeübergangs” physikalisch
exakt zu verstehen ist. Bekanntlich kann Wärme durch Wärmeleitung,
durch Wärmestrahlung und durch Konvektion übertragen
werden, wobei für jede dieser Wärmeübertragungs-Arten
spezifische physikalische Zusammenhänge mit spezifischen
Einflussfaktoren und Koeffizienten gelten. Vorliegend geht es nun
darum, dass in unterschiedlichen Bereichen eines im wesentlichen
durch einen Vollmaterialblock mit Kanälen zur Führung
von über diesen Vollmaterialblock im Wärmetausch
miteinander stehenden Fluiden gebildeten Wärmetauschers
bei sonst gleichen Randbedingungen unterschiedliche Wärmemengen
oder Wärmeströme übertragen werden bzw. übertragen werden
können. Ein geringerer Wärmeübergang
ist somit gleichbedeutend damit, dass unter ansonsten unveränderten
Randbedingungen eine geringere Wärmemenge übertragen
werden kann.
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Im
weiteren auf den Stand der Technik zur vorliegenden Erfindung eingehend,
muss beispielsweise an mit Wasserstoff als Energieträger
angetriebenen Kraftfahrzeugen, bei denen der Wasserstoff im kryogenem
Zustand in einem sog. Kryotank gespeichert wird, der aus diesem
Tank entnommene gasförmige oder sogar flüssige
Wasserstoff erwärmt werden, ehe er bspw. einer Brennkraftmaschine,
die als Antriebsaggregat für das Kraftfahrzeug fungiert, zur
Verbrennung zugeführt werden kann. Diese Erwärmung
kann bevorzugt im Wärmetausch mit dem Kühlmittel
der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine erfolgen,
welches hier allgemein als Wärmeträgermittel bezeichnet
wird. Jedoch kann für diesen Wärmetausch kein üblicher
Flüssigkeits-Flüssigkeits-Wärmetauscher
zum Einsatz kommen, da bei einem solchen aufgrund der extrem niedrigen
Temperatur(en) des kryogenen Wasserstoffs das Wärmeträgermittel
im Wärmetauscher gefrieren würde. Um dies zu vermeiden
sind also Maßnahmen zu ergreifen, mit Hilfe derer insbesondere
in Bereichen des Wärmetauschers, in denen der kryogene
Wasserstoff noch extrem kalt ist, da er soeben frisch in den Wärmetauscher
eingeleitet wurde, ein geringerer Wärmeübergang
zwischen dem kryogenen Wasserstoff und dem Wärmeträgermittel
möglich ist als in Wärmetauscher-Bereichen, in
denen der zu erwärmende Wasserstoff bereits eine gewisse
Erwärmung erfahren hat. Bei den letztgenannten Bereichen
handelt es sich insbesondere um den austrittsnahen Bereich, also
um denjenigen Abschnitt des Wärmetauschers, in welchem
der zu erwärmende bzw. dann bereits ausreichend erwärmte
Wasserstoff aus dem Wärmetauscher austritt.
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An
dieser Stelle sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass
die vorliegende Erfindung nicht auf einen Wärmetauscher
zur Erwärmung von kryogenem Wasserstoff unter Zuhilfenahme
eines Brennkraftmaschinen-Kühlmittelstroms als Wärmeträgermittel
beschränkt ist, sondern dass sich die zugrunde liegende
Problematik auch mit anderen tiefkalten und in einem Wärmetauscher
zu erwärmenden Fluiden einstellen kann, weshalb im weiteren
anstelle des Begriffs „kryogener Wasserstoff” von
einem „tiefkalten Fluid” bzw. der Einfachheit
nur von einem Fluid gesprochen wird. Dieses soll in einem Wärmetauscher allgemein
von einem Wärmeträgermittel erwärmt werden,
welches keineswegs flüssig sein muss, wenngleich sich die
genannte Einfrier-Problematik insbesondere in Verbindung mit flüssigen
(und nicht mit gasförmigen) Wärmeträgermittel
stellen dürfte.
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Ein
hinsichtlich seines Aufbaus einfacher und dennoch für den
geschilderten allgemeinen Anwendungsfall einfacher Wärmetauscher
kann durch einen sog. Vollmaterialblock beispielsweise im wesentlichen
in Form eines Zylinders gebildet sein, in welchem beispielsweise
parallel zur Zylinderlängsachse verlaufende Kanäle
bspw. in Form von Bohrungen vorgesehen sind, durch die das zunächst
tiefkalte und im Wärmetauscher zu erwärmende Fluid hindurchgeführt
ist. Um die Außenwand dieses (bspw. zylindrischen) Vollmaterialblocks
herum kann das die erforderliche Wärme heranführende
Wärmeträgermittel bspw. spiralförmig
in geeigneten Leitungen oder in im genannten Vollmaterialblock vorgesehenen
hier sog. Leitkanälen herumgeführt sein. Alternativ
kann ein solcher Wärmetauscher aber auch als einfacher
Gleichstrom-Wärmetauscher gestaltet sein, wobei das Wärmeträgermittel
ebenfalls durch im Vollmaterialblock vorgesehene Bohrungs-leitkanäle
oder dgl., die beispielsweise parallel zu den das Fluid führenden
Kanälen verlaufen, geführt ist.
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Zurückkommend
auf eine weiter oben genannte und zu ergreifende Maßnahme
dahingehend, dass insbesondere im sog. Eintritts-Bereich des Wärmetauschers,
in dem der kryogene Wasserstoff noch extrem kalt ist, da er soeben
frisch in den Wärmetauscher eingeleitet wurde, ein geringerer
Wärmeübergang zwischen dem kryogenen Wasserstoff
und dem Wärmeträgermittel möglich ist
als in Wärmetauscher-Bereichen, in denen der zu erwärmende
Wasserstoff bereits eine gewisse Erwärmung erfahren hat,
ist in der eingangs genannten Schrift ein Wärmetauscher
nach dem Oberbegriff des vorliegenden Patentanspruchs 1 gezeigt.
In einem das zu erwärmende Fluid durch einen geeignete
Metall-Struktur führenden kreiszylindrischen Kanal mit
konstantem Durchmesser ist ein hier sog. Kern, welcher in der
US 3,749,155 als Dorn bezeichnet
ist, eingebracht, der sich praktisch über die gesamte Kanallänge
erstreckt und ausgehend vom Eintritts-Abschnitt des Kanals, über
den das Fluid in diesen Kanal eintritt, zum Austritts-Abschnitt
des Kanals hin, wo das Fluid aus diesem Kanal austritt, einen zunehmenden
Durchmesser aufweist. Der Ringspalt zwischen der Kanal-Wand und
diesem Kern bzw. Dorn verengt sich somit ausgehend von einem bezüglich
der Strömungsrichtung des Fluids weiter stromaufwärts
liegenden und somit kälteren Kanal-Bereich zu einem weiter
stromabwärts liegenden und somit wärmeren Kanal-Bereich
hin. Da der freie Strömungsquerschnitt für das
Fluid in einem kälteren Bereich des Kanals eine größere
Fläche aufweist als in einem wärmeren Kanal-Bereich,
strömt das Fluid im kälteren Bereich mit einer
langsameren Geschwindigkeit als im wärmeren Bereich. Demzufolge
ist der erzielbare Wärmeübergang im kälteren
Kanal-Bereich geringer als in einem stromabwärts desselben
liegendem wärmeren Kanal-Bereich, wodurch sich die Gefahr
des Einfrierens des Wärmeträgermittels in der Nähe
des kälteren Kanal-Bereichs reduzieren lässt. In
diesem Zusammenhang sei noch ausdrücklich darauf hingewiesen,
dass unter den vorliegend gewählten Begriff des Vollmaterialblocks
des Wärmetauschers selbstverständlich auch eine
beliebige Struktur, beispielsweise vergleichbar der in der genannten
US 3,749,155 gezeigten Metall-Struktur,
fallen kann bzw. soll, d. h. ein das zu erwärmende Fluid führender
Kanal kann auch in einem sog. Vollmaterial verlaufen, das bspw.
wie die in der genannten Schrift gezeigte Metall-Struktur geformt
ist.
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Wenngleich
sich das in der genannten
US 3,749,155 gezeigte
Prinzip zur Vermeidung einer Wärmetauscher-Vereisung grundsätzlich
bewährt hat, sind doch vorteilhafte Abwandlungen oder Weiterbildungen
möglich, die aufzuzeigen sich die vorliegende Erfindung
zur Aufgabe gestellt hat.
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Die
Lösung dieser Aufgabe ist für einen Wärmetauscher
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass
sich die Gestalt des Strömungsquerschnitts im kälteren
Kanal-Bereich von derjenigen im wärmeren Kanal-Bereich
dahingehend unterscheidet, dass eine sog. wirksame Wärmeübergangs-Fläche
des Vollmaterialblocks im wärmeren Kanal-Bereich größer
als im kälteren Kanal-Bereich ist, wobei diese wirksame
Wärmeübergangs-Fläche mit dem Fluid in
Kontakt steht und im Falle eines über dem Strömungsquerschnitt
aufgrund von dessen Gestalt unterschiedlichen Strömungswiderstandes
durch einen ersten Abschnitt des mit dem Fluid in Kontakt stehenden
Vollmaterials gebildet ist, in dem ein nennenswert geringerer Strömungswiderstand
vorliegt als in einem anderen Abschnitt des mit dem Fluid in Kontakt
stehenden Vollmaterials. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind
Inhalt der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß ist über
der Länge des das zu erwärmende Fluid führenden
Kanals eine Änderung der Gestalt oder Form des Strömungsquerschnitts
des Kanals derart vorgesehen, dass sich jeweils über einen
gewissen (betragsmäßig gleichen) Längenabschnitt
des Kanals betrachtet die Fläche der Kanal-Wand, welche
mit dem mit einer nennenswerten Strömungsgeschwindigkeit
strömenden Fluid in Kontakt steht, ändert. Diese
genannte Fläche wird im weiteren als wirksame Wärmeübergangsfläche des
Vollmaterialblocks bezeichnet. In einem kälteren Kanal-Bereich
soll also die vom strömenden Fluid benetzte Fläche
des Vollmaterials des Wärmetauschers über einen
gewissen (geringen) Längenabschnitt des Kanals betrachtet
geringer sein als in einem stromabwärts desselben liegenden
wärmeren Kanal-Bereich über dem betragsmäßig
gleichen Kanal-Längenabschnitt. Da ein nennenswerter Wärmeübergang
zwischen dem Fluid und dem Vollmaterial nur dort erfolgt, wo das
Fluid die Wand des Vollmaterialblocks benetzt, liegt naturgemäß bei
einer geringeren benetzten Fläche ein (erwünschter)
geringerer Wärmeübergang vor als bei einer größeren
benetzten Fläche.
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In
diesem Sinne kann sich der das Fluid führende Kanal in
Strömungsrichtung betrachtet bspw. konisch erweitern, wodurch
die einen Wärmeübergang zwischen dem Fluid und
dem Vollmaterial des Vollmaterialblocks ermöglichende wirksame
Wärmeübergangs-Fläche in Strömungsrichtung
des Fluids betrachtet zunimmt. (Beim Stand der Technik nach der
US 3,749,155 hingegen bleibt
die vom Fluid benetzte Fläche des Vollmaterials und somit
die wirksame Wärmeübergangsfläche über
der Kanal-Länge unverändert). Allerdings führte
diese Maßnahme für sich alleine dazu, dass die
Strömungsgeschwindigkeit des Fluids in Strömungsrichtung
betrachtet abnimmt, was hinsichtlich des angestrebten Ziels kontraproduktiv
wäre. Daher kann unter Anwendung des aus der genannten
US 3,749,155 bekannten Prinzips in
den so gestalteten Kanal ein Kern eingebracht sein, der ebenso wie
der Kanal eine sich in Strömungsrichtung des Fluids vergrößernde
Querschnittsfläche aufweist, jedoch mit einer quasi überproportionalen
Querschnittszunahme, so dass sich der Ringspalt zwischen dem Kern
und der Wand des Kanals in Strömungsrichtung des Fluids
betrachtet verengt, wodurch eine Abnahme der Strömungsgeschwindigkeit
vermieden oder gegebenenfalls sogar eine Zunahme der Strömungsgeschwindigkeit
hervorgerufen werden kann.
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Ein
entsprechend des vorhergehenden Absatzes gestalteter Wärmetauscher
(mit lediglich einem einzigen Kanal) ist stark abstrahiert in der
beigefügten 1 im Schnitt dargestellt. Dabei
ist mit der Bezugsziffer 1 der Vollmaterialblock des Wärmetauschers
bezeichnet, wobei diese Bezugsziffer 1 auch für
das Vollmaterial des Wärmetauschers selbst verwendet wird.
Ein in diesem Vollmaterialblock 1 verlaufender im Querschnitt
bspw. kreisförmiger Kanal 2 führt ein
zunächst tiefkaltes, zu erwärmendes Fluid durch
diesen Vollmaterialblock von der Eintrittsseite E zur Austrittsseite
A hindurch. In diesem sich in Strömungsrichtung S des Fluids
konisch erweiternden Kanal 2 ist konzentrisch zu diesem
ein im Querschnitt bspw. ebenfalls kreisförmiger und sich
in Strömungsrichtung S konisch erweiternder Kern 3 eingesetzt – dessen
Befestigung ist der Einfachheit halber nicht dargestellt –,
der sich über der gesamten Länge des Kanals 2 erstreckt,
so dass ein Ringkanal 2' gebildet ist, durch den (alleine)
das Fluid strömen kann. Die Auslegung der Konuswinkel des
Kanals 2 und Kerns 3 ist so getroffen, dass der
freie Strömungsquerschnitt des Ringkanals 2' in
Strömungsrichtung S betrachtet zumindest nicht abnimmt,
vorzugsweise trotz der aufgrund der Konizität erfolgenden
Durchmesser-Vergrößerung sogar abnimmt.
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Es
ist in Verbindung mit den soweit erläuterten kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruchs 1 aber nicht zwingend erforderlich, eine
sich in Strömungsrichtung (S) vergrößernde
Querschnittsfläche des Kanals (
2) zu realisieren,
um den gewünschten Effekt zu erreichen. Vielmehr ist es
auch möglich, den Kanal als eine bspw. Bohrung mit über
der Länge konstantem Durchmesser zu gestalten, in den bzw.
in die ein sich zumindest über einen Teil des Kanals erstreckender
Kern eingebracht ist, dessen Querschnitts-Gestalt in einem kälteren
Kanal-Bereich anders ist als in einem wärmeren Kanal-Bereich.
Bevorzugt kann ein im kälteren Bereich vorgesehener Teil des
Kernes mit einem Segment seiner Außenwand direkt an der
Wand des Kanals anliegen, so dass dieser Wandabschnitt nicht vom
Fluid benetzt wird und somit keine Wärmeübergangsfläche
bilden kann, so dass hierdurch die wirksame Wärmeübergangsfläche
reduziert wird. In einem weiter stromabwärts liegenden
wärmeren Bereich des Kanals hingegen soll der Kern nicht
oder nur mit einem erheblich geringeren Flächenabschnitt
an der Wand des Kanals anliegen, so dass sich dort eine größere
wirksame Wärmeübergangsfläche ergibt.
Auch bei Umsetzung dieser Maßnahme sollte jedoch dafür
Sorge getragen werden, dass der freie Strömungsquerschnitt
des Kanals in Strömungsrichtung betrachtet zumindest nicht zunimmt,
vorzugsweise jedoch sich hinsichtlich seiner Fläche von
einem kälteren Kanal-Bereich zu einem wärmeren
Kanal-Bereich hin verringert. Dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Effekt kann damit der aus der bereits mehrfach genannten
US 3,749,155 bekannte positive
Effekt der über der Kanallänge vom kälteren
Bereich zum wärmeren Bereich hin zunehmenden Strömungsgeschwindigkeit überlagert
werden.
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Ein
Beispiel für eine im vorangegangenen Absatz erläuterte
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in den beigefügten 2, 3a, 3b gezeigt,
die im weiteren erläutert werden und wobei für
gleiche Bauelemente die gleichen Bezugsziffern wie in der bereits
erläuterten 1 verwendet sind. 2 zeigt
in einem Halbschnitt einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher,
der durch einen kreiszylindrischen Vollmaterialblock 1 mit
hier horizontal verlaufender Längsachse 6 gebildet
ist und in dem mehrere parallel zur Längsachse 6 verlaufende Kanäle 2 vorgesehen
sind, die ein zu erwärmendes tiefkaltes Fluid von der Eintrittsseite
E zur Austrittsseite A des Wärmetauschers führen.
Sowohl die Eintrittsseite E als auch die Austrittsseite A sind durch
einen sog. Verteilerraum 4E (Eintritt) bzw. 4A (Austritt) gebildet,
wobei jeder Verteilerraum 4E, 4A an der entsprechenden
Stirnseite des Vollmaterialblocks 1 vorgesehen und von
einer Begrenzungswand 5 des Wärmetauschers begrenzt
ist. Durch hier im Bereich der Längsachse 6 vorgesehene Öffnungen 5 in
der Begrenzungswand kann das Fluid in den jeweiligen Verteilerraum 4E bzw. 4A eingeleitet
bzw. ausgeleitet werden.
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Während
die Verteilerräume 4E bzw. 4A für das
zu erwärmende Fluid im wesentlichen an den beiden Stirnseiten
des hier kreiszylindrischen Vollmaterialblocks 1 (bzw.
des gesamten Wärmetauschers) vorgesehen sind, sind Leitkanäle 9 zur
Führung des Wärmeträger-Mittels, welches
die Wärme zur Erwärmung des besagten Fluids heranführt,
an der Mantelfläche des kreiszylindrischen Vollmaterialblocks 1 vorgesehen.
Diese Leitkanäle sind somit um die Außenwand des
Vollmaterialblocks 1 bspw. spiralförmig herumgeführt.
Ein Zufuhrstutzen für diese Kanäle 9 bzw.
das darin geführte Wärmeträger-Mittel ist
mit der Bezugsziffer 10a gekennzeichnet, während
ein Abführstutzen die Bezugsziffer 10b trägt.
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Um
nun in den mehreren das Fluid durch den Vollmaterialblock 1 führenden
Kanälen 2 dieses Wärmetauschers nach 2 die
gewünschte erfindungsgemäße Veränderung
des Strömungsquerschnitts über der Kanal-Länge
(in Strömungsrichtung S betrachtet) zu erreichen, ist in
jedem Kanal 2 ein geeignet geformter Kern 3 bzw. 3a, 3b eingesetzt.
Jeder Kern 3 ist so gestaltet, dass er über der
Kanal-Länge beispielsweise zwei unterschiedliche, über
einen Spalt 7 im wesentlichen aneinander angrenzende Kernabschnitte 3a, 3b aufweist.
Der Querschnitt des im (in der 2 linken)
weiter stromaufwärts liegenden und somit im kälteren
Kanal-Bereich vorgesehenen Kern-Abschnittes 3a ist in der 3a dargestellt, während
der Querschnitt des im (in der 2 rechten)
weiter stromabwärts liegenden und somit im wärmeren
Kanal-Bereich vorgesehenen Kern-Abschnittes 3b in der 3b dargestellt
ist. Wie ersichtlich liegt der Kern-Abschnitt 3a mit zwei
Segmenten seiner Umfangswand (vollständig oder zumindest
nahezu) an der Wand des Kanals 2 an, während durch zwei
im wesentlichen zwischen diesen beiden Segmenten liegende sektorförmige
Aussparungen 8a das in den Kanal 2 eingeführte
Fluid strömen kann. Zwei weitere Strömungsquerschnitte
sind im Zentralbereich dieses Kern-Abschnitts 3a in Form
zweier diesen Kern-Abschnitt 3a der Länge nach
durchdringender Bohrungen 8b vorgesehen.
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Wie
bereits erwähnt erstreckt sich dieser erste Kern-Abschnitt 3a in
etwa über die erste Hälfte des Kanals. Hierauf
folgt ein Spalt 7 ehe sich der zweite Kern-Abschnitt 3b anschließt.
Dieser ist – wie 3b zeigt – bspw.
durch einen zentrisch angeordneten Kreiszylinder gebildet, so dass
in diesem Abschnitt des Kanals 2 ein Ringkanal 2' als
freier Strömungsquerschnitt gebildet ist. Die Auslegung
ist dabei so getroffen, dass die Fläche des durch die sektorförmigen
Aussparungen 8a und die Bohrungen 8b im Kern-Abschnitt 3a gebildeten
freien Strömungsquerschnitts im wesentlichen gleich der
Fläche des durch den Ringkanal 2' am Kern-Abschnitt 3b gebildeten freien
Strömungsquerschnitts ist. Damit sich das im Kanal 2 geführte
Fluid bestmöglich vom freien Strömungsquerschnitt
des Kern-Abschnittes 3a auf den freien Strömungsquerschnitt
des Kern-Abschnittes 3b verteilen kann, ist zwischen diesen
beiden Kern-Abschnitten 3a, 3b der bereits genannte
Spalt 7 vorgesehen.
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Klar
ersichtlich ist, dass die sog. wirksame Wärmeübergangsfläche
zwischen dem Fluid und der Wand des Kanals 2 bzw. dem Vollmaterial(block) 1 im Bereich
des Kern-Abschnittes 3a aufgrund der genannten beiden an
der Kanal-Wand anliegenden Segmente dieses Kern-Abschnittes 3a erheblich
geringer ist als die wirksame Wärmeübergangsfläche im
Bereich des Kern-Abschnittes 3b, wo die vollständige
Kanal-Wand Bestandteil der wirksamen Wärmeübergangsfläche
ist. Dabei sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die
in den 3a, 3b gezeigten
Kern-Abschnitte 3a, 3b selbstverständlich
nur ein einfaches Beispiel zur Erläuterung des erfindungsgemäßen
Prinzips darstellen. Selbstverständlich können
vielfältige abgewandelte Kern-Gestaltungen zu einem vergleichbaren
Effekt führen und selbstverständlich sind zusätzlich
Veränderungen relevanter Durchmesser und Abmessungen insbesondere
des Kerns 3 über der Länge des Kanals 2,
welcher seinerseits nicht zwangsweise von konstantem Durchmesser
sein muss, möglich.
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Im
unabhängigen Patentanspruch ist noch eine weitere Möglichkeit
abstrahiert angegeben, wie die sog. wirksame Wärmeübergangsfläche über
der Länge des Kanals (2) betrachtet verändert
werden kann. Demnach ist die wirksame Wärmeübergangs-Fläche
nicht nur dadurch definiert, dass diese mit dem Fluid in Kontakt
steht – so wie dies für die soweit erläuterten
Ausführungsvarianten nach 1 sowie
nach den 3a, 3b in
Verbindung mit 2 gilt –, sondern dass
darüber hinaus im Falle eines über dem Strömungsquerschnitt
aufgrund von dessen Gestalt unterschiedlichen Strömungswiderstandes
die wirksame Wärmeübertragungsfläche
nur durch einen ersten Abschnitt des mit dem Fluid in Kontakt stehenden
Vollmaterials gebildet ist, in dem ein nennenswert geringerer Strömungswiderstand vorliegt
als in einem anderen Abschnitt des mit dem Fluid in Kontakt stehenden
Vollmaterials. Nachdem die Erläuterung einer derartigen
Ausführungsvariante anhand einer Zeichnung erheblich einfacher
ist, erfolgt diese nunmehr unter Bezugnahme auf die beigefügten 4a, 4b in
Verbindung mit der bereits erläuterten 2.
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Vorzugsweise
in jedem das zu erwärmende Fluid führenden Kanal 2 des
Wärmetauschers bzw. Vollmaterialblocks 1 ist (abermals)
ein Kern 3 integriert, in dessen der Kanalwand zugewandten
Oberfläche zumindest eine sich in Strömungsrichtung
S des Fluids erstreckende Nut 11 mit sich in Strömungsrichtung
S verringerndem Querschnitt vorgesehen ist, wie die 4a, 4b zeigen,
wobei in 4a dieser Kern in einer Ansicht
analog 2 jedoch vergrößert dargestellt
ist, während 4b die dem Eintritts-Verteilerraum 4E zugewandte
Stirnseite des Kerns 3 zeigt.
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In
einem sich an den im kälteren Kanal-Bereich liegenden Abschnitt
des Kerns 3, welcher die besagte Nut 11 aufweist,
anschließenden Abschnitt, welcher im wärmeren
Kanal-Bereich liegt, ist keine derartige Nut 11 mehr vorgesehen.
In diesem letztgenannten Abschnitt des Kerns 3, der sich
im weiter stromabwärts liegenden wärmeren Kanal-Bereich befindet,
ist der freie Strömungsquerschnitt des Kanals 2 somit
(abermals) durch einen Ringkanal 2' gebildet, der dadurch
entsteht, dass der Durchmesser des zentrisch im Kanal 2 angeordneten
dort kreiszylindrischen Kerns geringfügig geringer ist
als derjenige des Kanals 2. In diesem relativ engen Ringkanal 2' stellt
sich also ein gewisser Strömungswiderstand ein.
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Auch
im weiter stromaufwärts liegenden Abschnitt des Kerns 3 ist
in dem abseits der besagten Nut 11 liegenden Wand-Segment
des Kernes 3 ein solcher enger Ringkanal 2' gebildet.
Der Strömungswiderstand durch diesen engen Ringkanal 2' ist
jedoch erheblich größer als der Strömungswiderstand, den
das Fluid beim Durchströmen in der besagten Nut 11 erfährt.
Daher wird das durch den Kanal 2 mit diesem Kern 3 (nach
den 4a, 4b) geführte Fluid
zumindest im Anfangsbereich der Nut 11, wo diese noch einen
relativ großen Querschnitt besitzt, praktisch vollständig
durch diese Nut 11 strömen, während im
hierzu parallelen Ringkanal 2' praktisch kein Fluid-Strom
feststellbar ist. Die sog. wirksame Wärmeübergangsfläche
des Vollmaterialblocks 1 liegt daher zumindest im stromaufwärtigen
Anfangsbereich der Nut 11 praktisch nur in dem dieser Nut 11 gegenüber
liegenden Segment-Abschnitt. Mit sich verkleinerndem Nut-Querschnitt
wird diese wirksame Wärmeübergangsfläche
zunehmend größer, da in Strömungsrichtung
S gesehen ein zunehmender Anteil von Fluid auch über den
Ringkanal 2' bzw. zwei beidseitig der Nut 11 liegende
und sich in Strömungsrichtung S vergrößernde
Segmente dieses Ringskanals 2' strömen wird. Mit
Auslaufen bzw. Ende der Nut 11 schließlich erstreckt
sich die sog. wirksame Wärmeübergangsfläche über
die gesamte Wand des Kanals 2 bzw. Außenwand des
(dann nur noch vorliegenden) Ringkanals 2'.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 3749155 [0001, 0006, 0006, 0007, 0010, 0010, 0012]