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Die
Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager zur Beheizung
eines Kraftfahrzeuges nach dem Oberbegriff des Patentanspruches
1.
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Wärmeübertrager
zur Beheizung von Kraftfahrzeugen, auch kurz Heizkörper
genannt, sind heutzutage in der Regel als gelötete Ganzmetallwärmeübertrager
ausgebildet. Bekannte Heizkörper weisen einen Heizkörperblock,
auch kurz Block genannt, auf, welcher aus Rohren und Rippen, vorzugsweise Flachrohren
und Wellrippen aufgebaut ist. Die Rohre münden in Sammelkästen
und sind mit den Böden der Sammelkästen verlötet.
Durch die Rohre der Heizkörper strömt erwärmtes
Kühlmittel, welches dem Kreiskühlkreislauf der
Brennkraftmaschine entnommen wird. Die Rippen des Blockes werden
von Umgebungsluft überströmt, welche die Wärme
des Kühlmittels aufnimmt und in den Fahrgastraum transportiert.
Ein wichtiges Kriterium für einen Heizkörper ist
eine gleichmäßige Luftaustrittstemperaturverteilung,
möglichst über die gesamte Luftaustrittsebene, d.
h. in Höhen- und in Breitenrichtung.
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In
der
DE 197 52 139
A1 der Anmelderin wurde daher bereits vorgeschlagen, das
den Heizkörper durchströmende Kühlmittel „in
der Tiefe”, d. h. in oder entgegen der Luftströmungsrichtung
umzulenken. Dadurch ergibt sich bereits eine weitgehend gleichmäßige
Luftaustrittstemperaturverteilung. Um eine Umlenkung des Kühlmittels
in der Tiefe zu erreichen, ist in einem Sammelkasten des Heizkörpers eine
so genannte Längstrennwand angeordnet, welche den Kühlmittelstrom
zunächst über die gesamte Breite verteilt und
dann nur durch eine Rohrreihe hindurch treten lässt. Nach
Umlenkung in einem Umlenkkasten wird anschließend eine
zweite Rohrreihe in voller Breite durchströmt.
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Es
ist auch bekannt, wie z. B. in der
EP 0 777 585 B1 offenbart, den Kühlmittelstrom
in einem Heizkörper mehrfach, z. B. dreifach in der Tiefe
umzulenken, sodass sich eine vierflutige Durchströmung
des Heizkörpers ergibt. Luft- und Kühlmittelstrom
sind dabei im Kreuzgegenstrom geführt, sodass sich eine höhere
Heizleistung ergibt.
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Die Übertragung
dieses Prinzips der Mehrfachumlenkung im Kreuzgegenstrom auf moderne Heizkörper,
wie er z. B. in der vorgenannten Druckschrift der Anmelderin beschrieben
ist, bereitet Probleme, insbesondere wenn man in einem Sammelkasten
zwei oder mehr Längstrennwände hintereinander
anordnen und dicht mit den Rohren, Rohrböden und der Wandung
des Sammelkastens verlöten soll. Es ist vielmehr damit
zu rechnen, dass die durch die Längstrennwände
abzuteilenden Kammern nicht vollständig gegeneinander abgedichtet
sind und dass eine Leckage auftritt. Dies vermindert, insbesondere bei
kleinen Volumenströmen des Kühlmittels die Leistung
des Heizkörpers.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, einen Wärmeübertrager
der eingangs genannten Art dazustellen, der fertigungstechnisch
beherrschbar und mit relativ geringem Kostenaufwand herstellbar
ist. Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, dass der aus dem Heizkörper austretende
Luftstrom ein möglichst homogenes Luftaustrittstemperaturprofil
aufweist, auch bei geringen Volumenströmen des Wärmeträgerfluids.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Patentanspruches
1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus
den Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß ist
vorgesehen, dass der Wärmeübertrager, kurz gesagt
der Heizkörper, in Scheibenbauweise ausgebildet ist, d.
h. die Strömungskanäle werden durch ein Paket
von Scheiben gebildet, wobei eine Scheibe je weils zwei miteinander
verbundene Scheibenhälften aufweist, die mehrflutig vom
Wärmeträgerfluid, vorzugsweise einem Kühlmittel
durchströmbar sind. Die Scheibenbauweise ist an sich bekannt,
insbesondere bei Ölkühlern für Kraftfahrzeuge.
Zwei Scheibenhälften weisen jeweils einen aufgestellten
mit einem Falz versehenen Rand auf, welcher mit dem Falz der anderen
Scheibe stoffschlüssig, insbesondere durch Löten
verbunden wird. Der Vorteil der Scheibenbauweise besteht unter anderem
darin, dass die einzelnen Scheiben relativ leicht zu einem Paket
gefügt werden können und geometrisch einfache,
meistens ebene Lötflächen aufweisen, die sich
sicher druck- und flüssigkeitsdicht verlöten lassen.
Der Herstellungsprozess des erfindungsgemäßen
Heizkörpers in Scheibenbauweise ist daher gut beherrschbar,
insbesondere sind keine Leckagen zu erwarten.
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In
vorteilhafter Ausgestaltung weisen die Scheiben in ihrem Inneren
Trennwände zur Bildung von Strömungskanälen
auf, wobei in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung am Ende der Trennwände
Umlenkzonen angeordnet sind, sodass benachbarte Strömungskanäle
innerhalb einer Scheibe miteinander verbunden sind und das Wärmeträgerfluid,
insbesondere das Kühlmittel in Tiefenrichtung umgelenkt werden
kann.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung weisen die Scheiben Ein- und
Austrittsöffnungen auf, welche napfartig ausgebildet und
fluiddicht mit den korrespondierenden Ein- und Austrittsöffnungen
benachbarter Scheiben verbunden sind. Die Ein- und Austrittsöffnungen
mehrerer nebeneinander angeordneter Scheiben bilden zusammen Sammelkanäle, welche
die Scheiben miteinander verbinden, d. h. die Scheiben kommunizieren
kühlmittelseitig über die Sammelkanäle,
sowohl auf der Eintritts- als auch auf der Austrittsseite. Die Sammelkanäle
sind somit vergleichbar mit den Kammern eines Sammelkastens, welcher
durch eine Längstrennwand unterteilt ist. Allerdings ergibt
sich für die erfindungsgemäße Bauweise
der Vorteil, dass die einzelnen Scheiben über die napfartigen Öffnungen,
welche jeweils umlaufende Falze aufweisen, leicht und sicher miteinander verlötbar
sind.
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Die
Sammelkanäle können auf einer Seite des Scheibenpaketes
oder auf beiden Seiten angeordnet sein, je nach dem, wo der Ein-
und/oder Austritt des Kühlmittels platziert sein soll.
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Nach
einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind zwei
benachbarte Sammelkanäle durch einen äußeren
Umlenkkanal miteinander verbunden. Durch den Umlenkkanal wird das Wärmeträgerfluid
aus dem Scheibenpaket herausgeführt, durchmischt, in den
benachbarten Sammelkanal eingeführt und von dort in die
parallel geschalteten Strömungskanäle der einzelnen
Scheiben verteilt. Durch diese äußere Umlenkung
wird eine Homogenisierung der Luftaustrittstemperatur erreicht.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Strömungsquerschnitt
des Umlenkkanals kleiner als die Summe der Strömungsquerschnitte der
Strömungskanäle in den Scheiben. Vorzugsweise
beträgt der Strömungsquerschnitt des Umlenkkanals
20 bis 40% der Summe der Einzelströmungsquerschnitte. Dadurch
wird eine so genannte Androsselung des Kühlmittelstromes
erreicht, d. h. durch die Querschnittsverengung im Unlenkkanal ergibt
sich ein gewisser Staueffekt, wodurch die Durchmischung des Kühlmittels,
d. h. eine Vergleichmäßigung der Kühlmitteltemperatur
begünstigt wird.
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Nach
einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird der erfindungsgemäße
Heizkörper vierflutig durchströmt, wobei die erste
und dritte Umlenkung des Wärmeträgerfluids innerhalb
der Scheiben und in den Umlenkzonen erfolgt, während die zweite
Umlenkung außerhalb der Scheiben über den Umlenkkanal
erfolgt. Das nach den ersten beiden Strömungsdurchgängen
noch unsymmetrische Kühlmitteltemperaturprofil wird durch
die Umlenkung des Kühlmittels im Unenkkanal vergleichmäßigt,
sodass sich nach dem dritten und vierten Durchgang des Kühlmittels
an der Luftaustrittsseite ein homogenes Luftaustrittstemperaturprofil
ergibt.
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Nach
einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Umlenkkanal innerhalb
eines ersten Seitenteiles angeordnet, vorzugsweise in das Seitenteil
eingeformt, welches das Scheibenpaket auf einer Seite nach außen
abschließt.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist ein zweites Seitenteil
vorgesehen, welches eine Ein- und Austrittsöffnung aufweist
und den Abschluss der zweiten Seite des Scheibenpaketes nach außen
bildet.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform weist der erfindungsgemäße
Heizkörper nur drei unterschiedliche Einzelteile auf, d.
h. drei unterschiedliche Scheibentypen. Der erste Scheibentyp weist
Ein- und Austrittsöffnungen, Trennwände und Umlenkzonen
auf. Der zweite Scheibentyp ist als erstes Seitenteil ausgebildet
und weist den Umlenkkanal auf. Der dritte Scheibentyp ist als zweites
Seitenteil ausgebildet und weist eine Ein- und Austrittsöffnung
auf.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung sind zwischen den Scheiben
Sekundärflächen, insbesondere Wellrippen angeordnet,
welche der Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche
auf der Luftseite, d. h. einer Verbesserung des luftseitigen Wärmeüberganges
dienen.
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben, wobei
sich aus der Beschreibung und/oder der Zeichnung weitere Merkmale
und/oder Vorteile ergeben können. Es zeigen
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1 einen
erfindungsgemäßen Heizkörper in Scheibenbauweise
ohne Seitenteil in perspektivischer Darstellung,
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2 den
erfindungsgemäßen Heizkörper in perspektivischer
Darstellung mit Seitenteil,
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3 einen
Schnitt durch den Heizkörper,
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4 eine
Draufsicht auf den Heizkörper,
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5 ein
als Anschlussteil ausgebildetes Seitenteil des Heizkörpers,
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6 eine
einzelne Scheibenhälfte als Ansicht,
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7 eine
einzelne Scheibenhälfte in perspektivischer Darstellung,
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8 eine
Scheibe, bestehend aus zwei Scheibenhälften, in perspektivischer
Ansicht,
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9 eine
Scheibenhälfte in Schnittdarstellung,
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10 eine
Scheibe (zwei Scheibenhälften) in Schnittdarstellung,
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10a eine vergrößerte Einzelheit
aus 10 und
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11 eine
Schnittdarstellung einer Scheibe im Napfbereich.
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1 zeigt
einen erfindungsgemäßen Heizkörper 1 in
Scheibenbauweise, d. h. der Heizkörper 1 ist aus
einer Vielzahl von Scheiben 2 aufgebaut, welche Strömungskanäle
für ein Wärmeträgerfluid, vorzugsweise
für ein Kühlmittel eines Kühlkreislaufes
einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges bilden. Die Scheiben 2 weisen
in ihrem oberen Bereich napfförmig ausgebildete Öffnungen 3, 4, 5, 6 auf,
welche zusammen mit den benachbarten napfförmigen Öffnungen,
auch kurz Näpfe 3, 4, 5, 6 genannt,
Sammelkanäle 7, 8, 9, 10 bilden.
Der hier ausschließlich verwendete Begriff „Sammelkanal” umfasst
auch den Begriff „Verteilerkanal”. Ferner weisen
die Scheiben 2 nicht durchgehende Trennwände 11, 12 und
eine durchgehende Trennwand 13 in der Mitte auf. Sämtliche
Scheiben 2 sind aus einem Aluminiumwerkstoff hergestellt
und miteinander verlötet, wie später noch genauer
erläutert wird. Der Strömungsverlauf des Kühlmittels
ist durch Strömungspfeile K1 bis K9 schematisch dargestellt.
Die nicht durchgehenden Trennwände 11, 12 bilden
Umlenkzonen 14, 15, über welche das Kühlmittel
in Tiefenrichtung umgelenkt werden kann. Der Heizkörper 1 wird
zwischen den Scheiben 2 von Luft durchströmt,
was durch die beiden Pfeile L1, L2 angedeutet ist. Zur Verbesserung
des Wärmeüberganges sind zwischen den Scheiben 2 nicht
dargestellte Sekundärflächen in Form von Wellrippen
angeordnet, welche mit den Scheiben verlötet werden. Die
erwärmte Luft wird – was nicht dargestellt ist – dem
Fahrgastraum eines Kraftfahrzeuges zugeführt. Das Kühlmittel
tritt entsprechend dem Pfeil K1 in dem Sammelkanal 7 des
Heizkörpers 1 ein und wird auf die Innenräume
der einzelnen Scheiben 2 verteilt und strömt in
diesen entsprechend dem Pfeil K2 nach unten. Am Ende der Trennwand 11 wird
das Kühlmittel entsprechend dem Pfeil K3 in der Tiefe,
d. h. entgegen der Luftströmungsrichtung L1, L2 umgelenkt
und strömt entsprechend dem Pfeil K4 nach oben. Die Pfeile
K2, K3, K4 gelten für jede einzelne Scheibe 2 des
gesamten Scheibenpaketes. Das Kühlmittel sammelt sich dann
im Sammelkanal 8, von wo aus es entsprechend dem Pfeil
K5 aus dem Paket der Scheiben 2 über einen hier
nicht dargestellten Kanal herausgeführt und in den benachbarten
Sammelkanal 9 hineingeführt wird. Dort verteilt
sich das Kühlmittel wieder auf die einzelnen Scheiben 2 und strömt
entsprechend dem Pfeil K6 nach unten, wird entsprechend dem Pfeil
K7 in der Tiefe umgelenkt, strömt entsprechend dem Pfeil
K8 nach oben, sammelt sich in dem Sammelkanal 10 und tritt über
den Pfeil K9 aus dem Heizkörper 1 aus.
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2 zeigt
den Heizkörper 1 in einer perspektivischen Gesamtansicht
mit einem ersten Seitenteil 16, in welches ein Umlenkkanal 17 eingeformt
ist. Der Umlenkkanal 17 ist über die beiden in 2 nicht sichtbaren
Napföffnungen 4, 5 mit den Sammelkanälen 8, 9 (vgl. 1)
verbunden und bewirkt somit die Umlenkung des Kühlmittels
entsprechend dem Pfeil K5 in 1. Während
das Kühlmittel entsprechend den Pfeilen K3, K7 jeweils
innerhalb der einzelnen Scheiben 2 umgelenkt wird, erfolgt
die Umlenkung entsprechend dem Pfeil K5 über den Umlenkkanal 17 außerhalb
der Scheiben. Der Strömungsquerschnitt im Umlenkkanal 17 ist
vorzugsweise kleiner als die Summe der Strömungskanalquerschnitte
der einzelnen Scheiben 2, sodass die Kühlmittelströmung
im Bereich des Umlenkkanals 17 eine so genannte Androsselung
infolge Querschnittsverengung erfährt. Durch die Querschnittsverengung
entsteht ein gewisser Staueffekt mit der Folge, dass das aus dem
Sammelkanal 8 austretende Kühlmittel gut durchmischt wird,
d. h. eine vergleichmäßigte Kühlmitteltemperatur
erhält. Der Strömungsquerschnitt des Umlenkkanals 17 beträgt
vorzugsweise 20 bis 40% der Summe der Strömungskanalquerschnitte
in den einzelnen Scheiben 2. Durch diese Maßnahme
der „äußeren Umlenkung” ergibt
sich ein weitestgehend homogenes Lufttemperaturaustrittsprofil,
d. h. auf der Seite der austretenden Luftpfeile L1, L2 (vgl. 1).
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3 zeigt
den Heizköper 1 in einer Schnittdarstellung mit
Strömungspfeilen für das Kühlmittel und
die Luft. Das eintretende Kühlmittel ist durch einen Pfeil
KE und das austretende Kühlmittel
durch einen Pfeil KA gekennzeichnet, während
die in den Heizkörper 1 eintretende Luft mit LE gekennzeichnet ist. Die in den einzelnen
Scheiben 2 senkrecht zur Zeichenebene verlaufenden Strömungskanäle,
entsprechend den Pfeilen K2, K4, K6, K8 in 1, sind in 3 als
Reihen R1, R2, R3, R4 gekennzeichnet. Die Kühlmittelströmung
verläuft somit in der Reihe R1 entsprechend den beiden
Pfeilsymbolen (Kreuz) nach unten, in der Reihe R2 entsprechend den
Pfeilsymbolen (Punkt) nach oben, in Reihe R3 nach unten und in Reihe
R4 wieder nach oben. Zwischen der Reihe R2 und der Reihe R3 wird
das Kühlmittel über den Umlenkkanal 17 entsprechend
dem Pfeil U (in 1 Pfeil K5) entgegen der Luftströmungsrichtung LE umgelenkt. Diese Strömungsführung
von Luft und Kühlmittel wird als Kreuzgegenstrom bezeichnet
und bewirkt eine größere Heizleistung, wie u.
a. aus dem eingangs genannten Stand der Technik bekannt. Die Schnittebene
in 3 verläuft durch die gemeinsame Mittelebene
der Sammelkanäle 7, 8, 9, 10,
welche durch die an jeder Scheibe 2 angeformten Näpfe 3, 4, 5, 6 gebildet
werden. Jede Scheibe 2 besteht aus zwei Scheibenhälften 2a, 2b,
die jeweils einen Napf 3a, 3b, 4a, 4b, 5a, 5b, 6a, 6b aufweisen.
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4 zeigt
den Heizkörper 1 in einer Draufsicht, wobei die
Scheiben 2, jeweils bestehend aus den Scheibenhälften 2a, 2b,
das erste Seitenteil 16 mit Umlenkkanal 17 und
ein zweites Seitenteil 18 erkennbar sind – sie
bilden zusammen das Scheibenpaket
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5 zeigt
das zweite Seitenteil 18, welches eine Eintrittsöffnung 18a und
eine Austrittsöffnung 18b aufweist, welche koaxial
zu den Sammelkanälen 7 und 10 angeordnet
sind. Das zweite Scheibenteil 18 fungiert somit als Anschlussteil
für die Zu- und Abfuhr des Kühlmittels.
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6 zeigt
eine einzelne Scheibenhälfte 2a, mit den beiden
nicht durchgehenden Trennwänden 11a, 12a und
der durchgehenden Trennwand 13a. Im oberen Bereich der
Scheibe 2a sind die Näpfe 3a, 4a, 5a, 6a zusätzlich
mit Pfeilsymbolen für ein- und austretende Strömung
angeordnet. Die Gesamttiefe der Scheibe 2 ist mit T und
die Tiefe der einzelnen Strömungskanäle ist mit
b1, b2, b3, b4 angegeben, wobei im dargestellten Ausführungsbeispiel
alle Strömungskanäle die gleiche Tiefe aufweisen,
d. h. b1 = b2 = b3 = b4. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, die
Tiefe der Strömungskanäle unterschiedlich zu gestalten,
d. h. b3 und b4 größer als b1 und b2 zu bemessen.
Dies wäre dann vorteilhaft, wenn das Kühlmittel
aufgrund starker Abkühlung eine größere
Viskosität annimmt. Vorzugsweise könnte b4 das
Zweifache von b1 betragen. Die Höhe der Umlenkzonen 14a, 15a ist
mit h1 bezeichnet, wobei h1 ≈ b1 ist. Die Höhe
der Scheibe 2a ist mit h bezeichnet, wobei h nach einer
bevorzugten Ausführungsform im Bereich von 100 bis 400
mm liegt, während die Bau- oder Netztiefe T in einem Bereich
von 10 bis 120 mm, vorzugsweise von 25 bis 80 mm liegt.
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7 zeigt
eine Scheibenhälfte 2a in einer perspektivischen „transparenten” Darstellung.
Die nicht durchgehenden Trennwände 11a, 12a sowie die
durchgehende Trennwand 13a sind erhaben in Form von eingeprägten
Sicken ausgebildet.
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8 zeigt
eine Scheibe 2, gefügt aus zwei Scheibenhälften 2a, 2b,
in perspektivischer „transparenter” Darstellung.
Beide Scheibenhälften 2a, 2b werden über
den gesamten Umfang, über die Trennwände 11a, 12a, 13a dicht
miteinander verlötet.
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9 zeigt
eine Scheibenhälfte 2a im Schnitt, wobei die als
trapezförmige Sicken ausgebildeten Trennwände 11a, 12a, 13a erkennbar
sind.
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10 zeigt
die Scheibe 2, bestehend aus den Scheibenhälften 2a, 2b,
im Schnitt. Die Scheibe 2 weist einen umlaufenden, verlöteten
Falz 19 auf und ist damit nach außen abgedichtet.
Durch die Verlötung beider Scheibenhälften 2a, 2b werden
die Trennwände 11, 12, 13 zur
Ausbildung der Strömungskanäle gebildet.
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10a zeigt eine Einzelheit E aus 10 in
vergrößerter Darstellung, in der eine Kanalbreite B1
(lichte Weite), eine Napfhöhe B3 sowie eine Materialstärke
s eingezeichnet sind. Die Kanalbreite B1 ist vorzugsweise in einem
Bereich von 0,5 bis 2,5 mm gewählt, und die Napfhöhe
B3 bewegt sich im Bereich von 1.5 bis 5,0 mm. Dieses Maß entspricht
der halben Breite einer Wellrippe, welche zwischen den Scheiben 2 angeordnet
ist. Die Materialstärke s bewegt sich im Bereich von 0,15
bis 0,5 mm für einen Aluminiumwerkstoff.
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11 zeigt
einen Schnitt durch die Scheibe 2 im Bereich der Näpfe 3, 4, 5, 6,
welche die maximale Höhe der Scheibe 2, eingezeichnet
mit B4, bestimmen. B4 liegt vorzugsweise im Bereich von 3,8 bis 13,5
mm.
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Der
gesamte Heizkörper 1 kann gemäß dem dargestellten
und beschriebenen Ausführungsbeispiel aus nur drei unterschiedlichen
Einzelteilen hergestellt werden: dies sind die Scheibe 2,
bestehend aus zwei Scheibenhälften 2a, 2b,
das erste Seitenteil 16 mit Umlenkkanal 17 sowie
das zweite Seitenteil 18 mit Ein- und Austrittsöffnungen 18a, 18b.
Die geringe Zahl von Einzelteilen senkt die Fertigungskosten. Darüber
hinaus ist der Lötprozess gut beherrschbar, da alle zu
verlötenden Flächen eben sind (umlaufender Falz,
Trennwände, Näpfe), sodass eine fehlerfreie Dichtlötung
gewährleistet ist. Mit dieser Bauweise kann somit ein Heizkörper
mit Mehrfachumlenkung prozesssicher hergestellt werden.
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Zur
Erhöhung der Heizleistung können in den Scheiben 2 nicht
dargestellte Turbulenzbleche angeordnet werden, die ebenfalls mit
den Scheiben verlötet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19752139
A1 [0003]
- - EP 0777585 B1 [0004]