-
GEBIET DER ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft Wärmetauscher
und insbesondere einen Abgasrückführungskühler.
-
KURZE DARSTELLUNG
-
In
einigen Ausführungsformen
stellt die vorliegende Erfindung einen Wärmetauscher zur Übertragung
von Wärme
zwischen einem ersten Arbeitsfluid und einem zweiten Arbeitsfluid
bereit. Der Wärmetauscher
kann ein Paar voneinander beabstandeter Endkammern, mehrere sich
zwischen dem Paar Endkammern erstreckende Rohre, die einen Strömungsweg
für das
erste Arbeitsfluid bereitstellen und entlang einem Strömungsweg
für das
zweite Arbeitsfluid positioniert sind, und einen Einsatz, der in
einem der Rohre gestützt
werden kann und einen Falz aufweist, der sich in einer im Wesentlichen
parallel zu einer Länge
eines der Rohre zwischen dem Paar Endkammern verlaufenden Richtung
erstreckt, enthalten. Der Einsatz kann mehrere Vertiefungen enthalten, die
sich in den Falz erstrecken und daran entlang beabstandet sind.
-
Des
Weiteren stellt die vorliegende Erfindung einen Wärmetauscher
zur Übertragung
von Wärme zwischen
einem ersten Arbeitsfluid und einem zweiten Arbeitsfluid bereit,
der ein Paar voneinander beabstandeter Endkammern, mehrere sich
zwischen dem Paar Endkammern erstreckende Rohre, die einen Strömungsweg
für das
erste Arbeitsfluid bereitstellen und entlang einem Strömungsweg
für das zweite
Arbeitsfluid positioniert sind, und einen Einsatz, der in einem
der Rohre gestützt
werden kann und einen Falz aufweist, der sich in einer im Wesentlichen
parallel zum Strömungsweg
für das
erste Arbeitsfluid durch die Rohre verlaufenden Richtung erstreckt,
enthält.
Der Falz kann einen ersten und einen zweiten Schenkel des Einsatzes
definieren. Eine Vertiefung kann an dem ersten Schenkel ausgebildet sein
und ein Vorsprung kann an dem zweiten Schenkel gegenüber der
Vertiefung am ersten Schenkel ausgebildet sein.
-
In
einigen Ausführungsformen
stellt die vorliegende Erfindung einen Wärmetauscher zur Übertragung
von Wärme
zwischen einem ersten Arbeitsfluid und einem zweiten Arbeitsfluid
bereit, der ein Paar voneinander beabstandeter Endkammern, mehrere
sich zwischen dem Paar Endkammern erstreckende Rohre, die einen
Strömungsweg
für das erste
Arbeitsfluid bereitstellen und entlang einem Strömungsweg für das zweite Arbeitsfluid positioniert sind,
und einen Einsatz, der in einem der Rohre gestützt werden kann und einen serpentinenförmigen Falz
aufweist, der sich in einer im Wesentlichen parallel zu einer Länge des
Rohrs zwischen dem Paar Endkammern verlaufenden Richtung erstreckt,
enthält.
-
Weitere
Aspekte der Erfindung gehen bei Betrachtung der ausführlichen
Beschreibung und beigefügten
Zeichnungen hervor.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist
eine perspektivische Unteransicht eines Wärmetauschers gemäß einigen
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung.
-
2 ist
eine teilweise weggeschnittene Ansicht eines Teils des in 1 gezeigten
Wärmetauschers.
-
3 ist
eine auseinander gezogene perspektivische Ansicht eines Teils eines
Rohrs und eines Einsatzes des in 1 gezeigten
Wärmetauschers.
-
4 ist
eine perspektivische Ansicht eines Teils des in 3 gezeigten
Einsatzes.
-
5 ist
eine auseinander gezogene perspektivische Ansicht eines Teils eines
Rohrs und eines Einsatzes gemäß einer
alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
-
6 ist
eine perspektivische Ansicht eines Teils des in 5 gezeigten
Einsatzes.
-
7 ist
eine Draufsicht eines teilweise geformten Einsatzes, der gemäß dem in 9 gezeigten
Verfahren hergestellt werden kann.
-
8 ist
eine perspektivische Ansicht eines teilweise geformten Einsatzes,
der gemäß dem in 10 gezeigten
Verfahren hergestellt werden kann.
-
9 zeigt
ein Verfahren zur Herstellung des in 5 gezeigten
Einsatzes.
-
10 zeigt
ein anderes Verfahren zur Herstellung des in 5 gezeigten
Einsatzes.
-
11 ist
eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts der in 10 gezeigten
Einsatzherstellungsvorrichtung.
-
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
-
Bevor
irgendwelche Ausführungsformen
der Erfindung ausführlich
erläutert
werden, versteht sich, dass die Erfindung in ihrer Anwendung nicht
auf die Konstruktionsdetails und die Komponentenanordnung, die in
der folgenden Beschreibung angeführt werden
oder in den folgenden Zeichnungen dargestellt sind, beschränkt ist.
Die Erfindung kann andere Ausführungsformen umfassen
und auf verschiedenste Weise ausgeübt oder durchgeführt werden.
Des Weiteren versteht sich, dass die hier verwendete Ausdrucksweise
und Terminologie der Beschreibung dienen und nicht als einschränkend betrachtet
werden sollten. Die Verwendung von ”enthalten”, ”umfassen” oder ”aufweisen” und Variationen davon soll
die danach angeführten
Objekte und Äquivalente
davon sowie zusätzliche
Objekte mit umfassen.
-
Wenn
nicht angegeben oder auf andere Weise eingeschränkt, werden die Begriffe ”angebracht”, ”verbunden”, ”gestützt” und ”gekoppelt” und Variationen
davon allgemein verwendet und umfassen sowohl direkte als auch indirekte
Befestigungen, Verbindungen, Stützen
und Kopplungen. Des Weiteren sind ”verbunden” und ”gekoppelt” nicht auf physische oder
mechanische Verbindungen oder Kopplungen beschränkt.
-
Des
Weiteren versteht sich, dass die hier verwendete Ausdrucksweise
und Terminologie bei Bezugnahme auf eine Vorrichtungs- oder Elementausrichtung
(wie zum Beispiel Begriffe wie ”mittlere(r)”, ”obere(r)”, ”untere(r)”, ”vordere(r)”, ”hintere(r)” und dergleichen)
nur zur Vereinfachung der Beschreibung der vorliegenden Erfindung
verwendet werden und zeigen nicht alleine, dass die Vorrichtung oder
das Element, auf die bzw. auf das Bezug genommen wird, eine bestimmte
Ausrichtung aufweisen muss und implizieren dies auch nicht. Darüber hinaus
werden Begriffe wie ”erste(r)” und ”zweite(r)” hier für Beschreibungszwecke
verwendet und sollen keine relative Wichtigkeit oder Bedeutung anzeigen oder
implizieren.
-
Die 1–4 zeigen
einen Wärmetauscher 10 gemäß einigen
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung. Bei einigen Ausführungsformen, darunter die
dargestellten Ausführungsformen der 1–4,
kann der Wärmetauscher 10 als ein
Abgasrückführungskühler betrieben
werden und kann mit dem Abgassystem und/oder dem Auslasssystem eines
Fahrzeugs betrieben werden. Bei anderen Ausführungsformen kann der Wärmetauscher 10 in
anderen (zum Beispiel Nicht-Fahrzeug-)Anwendungen verwendet werden,
wie zum Beispiel zum Kühlen
von Elektronik, in technischen Einrichtungen, beim Heizen von Gebäuden und
in Klimaanlagen und dergleichen. Darüber hinaus liegt auf der Hand,
dass der Wärmetauscher 10 der
vorliegenden Erfindung viele Formen annehmen kann, eine große Palette
an Materialien verwenden kann und in verschiedene andere Systeme
eingegliedert werden kann.
-
Im
Betrieb, und wie unten ausführlicher
erläutert,
kann der Wärmetauscher 10 Wärme von
einem ersten Arbeitsfluid mit hoher Temperatur (zum Beispiel Abgas,
Wasser, Motorkühlmittel,
CO2, ein organisches Kältemittel, R12, R245fa, Luft
und dergleichen) auf ein zweites Arbeitsfluid mit niedrigerer Temperatur
(zum Beispiel Wasser, Motorkühlmittel, CO2, ein organisches Kältemittel, R12, R245fa, Luft und
dergleichen) übertragen.
Obgleich hier auf die Übertragung
von Wärme
zwischen zwei Arbeitsfluiden Bezug genommen wird, kann der Wärmetauscher 10 darüber hinaus
bei einigen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung zur Übertragung
von Wärme
zwischen drei oder mehr Fluiden betrieben werden. Als Alternative
oder zusätzlich
dazu kann der Wärmetauscher 10 als
ein Rekuperator betrieben werden und kann Wärme von einer eine hohe Temperatur
aufweisenden Stelle eines Heizkreislaufs auf eine eine niedrige
Temperatur aufweisende Stelle des gleichen Heizkreislaufs übertragen.
Bei einigen solchen Ausführungsformen
kann der Wärmetauscher 10 Wärme von
einem durch einen ersten Teil des Wärmeübertragungskreislaufs strömenden Arbeitsfluid
auf das durch einen zweiten Teil des Wärmeübertragungskreislaufs strömende gleiche Arbeitsfluid übertragen.
-
Wie
in den 1 und 2 gezeigt, kann der Wärmetauscher 10 eine
erste Endkammer 18 und eine zweite Endkammer 20 enthalten,
die am ersten bzw. zweiten Ende 22, 24 eines Stapels
von Wärmetauscherrohren 26 mit
Außenflächen 28 (in den 1, 3 und 5 gezeigt)
angeordnet sind. Bei der dargestellten Ausführungsform nach den 1–4 ist
das erste Ende 22 an einem ersten Sammelbehälter 30 und
das zweite Ende 24 an einem zweiten Sammelbehälter 32 befestigt.
Bei anderen Ausführungsformen
kann der Wärmetauscher 10 eine
einzelne Endkammer 18 und/oder einen einzelnen Behälter 30 enthalten,
der am ersten oder zweiten Ende 22, 24 oder an
einer anderen Stelle am Wärmetauscher 10 angeordnet
ist.
-
Wie
in den 1 und 2 gezeigt, kann jedes der Rohre 26 an
der ersten und der zweiten Endkammer 18, 20 befestigt
sein, so dass ein durch den Wärmetauscher 10 strömendes erstes
Arbeitsfluid von einem durch den Wärmetauscher 10 strömenden zweiten
Arbeitsfluid getrennt gehalten wird. Insbesondere definiert der
Wärmetauscher 10 einen
ersten Strömungsweg
(durch Pfeile 34 in 1 dargestellt)
für das
erste Arbeitsfluid und einen zweiten Strömungsweg (durch Pfeile 36 in 1 dargestellt) für ein zweites
Arbeitsfluid, und der erste und der zweite Strömungsweg 34, 36 sind
getrennt, so dass das erste Arbeitsfluid nicht in den zweiten Strömungsweg 36 eintreten
kann und das zweite Arbeitsfluid nicht in den ersten Strömungsweg 34 eintreten kann.
-
Bei
einigen Ausführungsformen,
wie zum Beispiel bei der dargestellten Ausführungsform, sind die Rohre 26 an
der ersten und zweiten Endkammer 18, 20 und dem
ersten und zweiten Behälter 30, 32 befestigt,
so dass das erste Arbeitsfluid durch eine erste Einlassöffnung 40 im ersten
Behälter 30 in
den Wärmetauscher 10 eintritt,
durch die Rohre 26 des Wärmetauschers 10 entlang
dem ersten Strömungsweg 34 strömt und nicht
in den zweiten Strömungsweg 36 eintreten
kann. Bei diesen Ausführungsformen
können
die Rohre 26 an der ersten und zweiten Endkammer 18, 20 und
dem ersten und zweiten Behälter 30, 32 befestigt
sein, so dass das zweite Arbeitsfluid durch eine zweite Einlassöffnung 42 im zweiten
Behälter 32 in
den Wärmetauscher 10 eintritt,
durch den Wärmetauscher 10 entlang
dem zweiten Strömungsweg 36 zwischen
den Rohren 26 strömt
und nicht in den ersten Strömungsweg 34 eintreten
kann.
-
Bei
anderen Ausführungsformen
können
die Rohre 26 andere Ausrichtungen und Konfigurationen aufweisen,
und der erste und der zweite Strömungsweg 34, 36 können durch
Teiler, Einsätze,
Trennwände
und dergleichen getrennt gehalten werden. Bei noch anderen Ausführungsformen
kann sich der erste Strömungsweg 34 durch
einige der Rohre 26 erstrecken, während sich der zweite Strömungsweg 36 durch
andere Rohre 26 erstrecken kann.
-
Wie
in 2 gezeigt, können
die Endkammern 18, 20 Öffnungen zur Aufnahme eines
oder mehrerer der Rohre 26 aufweisen. Wie durch die 1 und 2 dargestellt,
kann das entlang dem ersten Strömungsweg 34 strömende erste
Arbeitsfluid durch in der ersten Endkammer 18 ausgebildete Öffnungen
in die Rohre 26 eintreten. Bei diesen Ausführungsformen
kann die erste Endkammer 18 des Weiteren das zweite Arbeitsfluid
von der zweiten Einlassöffnung 42 zwischen
benachbarte Rohre 26 leiten und kann verhindern, dass das
zweite Arbeitsfluid in die Rohre 26 strömt. Die erste Endkammer 18 kann
des Weiteren verhindern, dass das erste Arbeitsfluid zwischen die
Rohre 26 strömt.
-
Bei
der dargestellten Ausführungsform
ist der Wärmetauscher 10 als
ein Querstromwärmetauscher
konfiguriert, so dass der erste Strömungsweg 34 oder ein
Teil des ersten Strömungswegs 34 gegenüber dem
zweiten Strömungsweg 36 oder
einem Teil des zweiten Strömungswegs 36 liegt.
Bei anderen Ausführungsformen
kann der Wärmetauscher 10 andere
Konfigurationen und Anordnungen aufweisen, wie zum Beispiel eine
Parallelstrom- oder eine Gegenstromkonfiguration.
-
Bei
der dargestellten Ausführungsform
ist der Wärmetauscher 10 als
ein 1-Zug-Wärmetauscher
dargestellt, wobei das erste Arbeitsfluid entlang dem ersten Strömungsweg 34 durch
mindestens eines mehrerer Rohre 26 strömt und das zweite Arbeitsfluid
entlang dem zweiten Strömungsweg 36 zwischen
benachbarten Rohren 26 strömt. Bei anderen Ausführungsformen
kann der Wärmetauscher 10 als
ein mehrzügiger
Wärmetauscher
konfiguriert sein, wobei das erste Arbeitsfluid in einem ersten
Zug durch eines oder mehrere der Rohre 26 strömt und dann
in einem zweiten Zug durch eines oder mehrere andere Rohre 26 in
einer der Strömungsrichtung
des ersten Arbeitsfluids im ersten Zug entgegengesetzten Richtung
strömt.
Bei diesen Ausführungsformen kann
das zweite Arbeitsfluid entlang dem zweiten Strömungsweg 36 zwischen
benachbarten Rohren 26 strömen.
-
Bei
noch anderen Ausführungsformen
kann der Wärmetauscher 10 als
ein mehrzügiger
Wärmetauscher
konfiguriert sein, wobei das zweite Arbeitsfluid in einem ersten
Zug zwischen einem ersten Paar benachbarter Rohre 26 und
dann in einem zweiten Zug zwischen einem anderen Paar benachbarter Rohre 26 in
einer der Strömungsrichtung
des zweiten Arbeitsfluids im ersten Zug entgegengesetzten Richtung
strömt.
Bei diesen Ausführungsformen
kann das erste Arbeitsfluid dann entlang dem ersten Strömungsweg 34 durch
mindestens eines der Rohre 26 strömen.
-
Bei
der dargestellten Ausführungsform
enthält
der Wärmetauscher 10 sieben
Rohre 26, die jeweils eine im Wesentlichen rechteckige
Querschnittsform aufweisen. Bei anderen Ausführungsformen kann der Wärmetauscher 10 ein,
zwei, drei, vier, fünf, sechs,
acht oder mehr Rohre 26 enthalten, die jeweils eine dreieckige,
kreisförmige,
quadratische oder andere polygonale, ovale oder unregelmäßige Querschnittsform
aufweisen können.
-
Wie
oben erwähnt,
können
sich bei einigen Ausführungsformen
der zweite Strömungsweg 36 oder
ein Teil des zweiten Strömungswegs 36 über die Außenfläche 28 eines
oder mehrerer der Rohre 26 erstrecken. Bei einigen solchen
Ausführungsformen können Rippen 56 (siehe 3)
entlang den Außenflächen 28 der
Rohre 26 ausgebildet sein, um zumindest teilweise Kanäle 58 zwischen
benachbarten Rohren 26 zu definieren. Als Alternative dazu
können,
wie in 5 gezeigt, die Rohre 26 des Wärmetauschers 10 allgemein
oval geformt sein (das heißt ein
einfaches extrudiertes Rohr) und ohne Kanäle 58 definierende
Rippen 56. Ein Gehäuse
kann um die Rohre 26 herum vorgesehen sein, um zu verhindern, dass
das zweite Fluid aus dem Wärmetauscher 10 zwischen
benachbarten Rohren 26 herausleckt. Bei solch einer Ausführungsform
würde das
Gehäuse
einen zweiten Strömungsweg 36 zwischen
den Rohren 26 und um sie herum definieren.
-
Bei
Ausführungsformen,
wie zum Beispiel die dargestellte Ausführungsform nach den 1–4,
mit sich nach außen
erstreckenden Rippen 56, können die Rippen 56 jedes
Rohrs 26 an einem benachbarten Rohr 26 befestigt
sein. Bei einigen solchen Ausführungsformen
können
die Rippen 56 eines Rohrs 26 an einem benachbarten
Rohr 26 weich- oder hartgelötet oder geschweißt sein.
Bei anderen Ausführungsformen
können benachbarte
Rohre 26 mit ineinander eingreifenden Befestigungselementen,
anderen herkömmlichen
Befestigungselementen, Klebstoff oder kohäsivem Verbindungsmaterial,
durch Presspassung usw. aneinander befestigt sein. Darüber hinaus
kann ein Gehäuse
um die Rohre 26 der in den 1–4 dargestellten
Ausführungsform
herum vorgesehen sein.
-
Zusätzliche
Erhebungen, Aussparungen oder Verformungen 64 können auch
oder als Alternative an den Außenflächen 28 der
Rohre 26 vorgesehen sein, um strukturellen Halt für den Wärmetauscher 10 bereitzustellen,
um die Verformung oder das Zerdrücken
eines oder mehrerer Rohre 26 zu verhindern, einen gewünschten
Abstand zwischen benachbarten Rohren 26 aufrechtzuerhalten,
den Wärmeaustausch
zwischen dem ersten und dem zweiten Arbeitsfluid zu verbessern und/oder
Turbulenzen entlang dem ersten und/oder dem zweiten Strömungsweg 34, 36 zu
erzeugen.
-
Der
Wärmetauscher 10 kann
Einsätze 66 enthalten,
die eine Wärmeübertragung
zwischen dem ersten und dem zweiten Arbeitsfluid verbessern, wenn
das erste und das zweite Arbeitsfluid entlang dem ersten bzw. dem
zweiten Strömungsweg 34, 36 strömen. Die
Einsätze 66 können den
Wärmetauscherkern
(das heißt
die Rohre 26) mit einer vergrößerten Oberfläche zur
Verteilung der durch das erste und/oder das zweite Arbeitsfluid
zugeführten
Wärme versehen.
Wie in den 2, 3 und 5 gezeigt,
können
die Einsätze 66 in
den Rohren 26 positioniert sein. Als Alternative oder zusätzlich dazu
können
die Einsätze 66 zwischen
benachbarten Rohren 26 positioniert sein. Bei anderen Ausführungsformen können die
Einsätze 66 integral
mit den Rohren 26 ausgebildet sein und können sich
von den Außenflächen 28 der
Rohre 26 nach außen
erstrecken oder als Alternative von den Innenflächen der Rohre 26 nach
innen erstrecken. Bei einigen Ausführungsformen können die
Einsätze 66 die Beständigkeit
und die Festigkeit des Wärmetauschers 10 verbessern. Die
(geometrischen und topographischen) Konfigurationen der Einsätze 66 können so
sein, dass die von dem Material aufgrund von Wärmeschwankungen erfahrene Expansion
und Kontraktion bei erhöhter
Flexibilität
(weiter unten ausführlicher
besprochen) ausgeglichen wird.
-
Bei
der dargestellten Ausführungsform
nach 2 wird ein Einsatz 66 in jedem der Rohre 26 gestützt und
erstreckt sich entlang der ganzen Länge oder im Wesentlichen der
ganzen Länge
jedes der Rohre 26 zwischen einander gegenüberliegenden Enden 68 der
Rohre 26. Wie in 2 dargestellt, kann
sich der Einsatz 66 auch oder als Alternative über die
gesamte Breite oder im Wesentlichen die gesamte Breite jedes der
Rohre 26 zwischen einander gegenüberliegenden Seiten der Rohre 26 erstrecken.
Bei anderen Ausführungsformen
kann ein Einsatz 66 in nur einem oder weniger als allen
der Rohre 26 gestützt
werden, und der (die) Einsatz (Einsätze) 66 kann bzw.
können
sich im Wesentlichen über
die ganze Länge
des Rohrs bzw. der Rohre 26 zwischen einander gegenüberliegenden
Enden 68 des Rohrs bzw. der Rohre 26 erstrecken,
oder als Alternative kann bzw. können
sich der (die) Einsatz (Einsätze) 66 entlang
im Wesentlichen weniger als der gesamten Länge des Rohrs bzw. der Rohre 26 durch
das Rohr bzw. die Rohre 26 erstrecken. Bei noch anderen
Ausführungsformen
können
zwei oder mehr Einsätze 66 durch
jedes oder in jedem Rohr 26 gestützt werden. Bei einigen Ausführungsformen
können
die Einsätze 66 an
den Rohren 26 befestigt sein. Bei einigen solchen Ausführungsformen
können
die Einsätze 66 an den
Rohren 26 weich- oder hartgelötet oder geschweißt sein.
Bei anderen Ausführungsformen
können
die Einsätze 66 auf
andere Weise mit den Rohren 26 verbunden sein, wie zum
Beispiel durch eine Presspassung, Klebstoff, kohäsives Verbindungsmaterial,
Befestigungselemente usw.
-
Bei
einigen Ausführungsformen
können
die Enden 68 der Rohre 26 durch Presspassung in
der ersten und/oder der zweiten Endkammer 18, 20 angebracht
sein. Bei einigen solchen Ausführungsformen
können
die Enden 68 der Rohre 26 und die in den Rohren 26 oder
zwischen den Rohren 26 gestützten Einsätze 66 zumindest teilweise
verformt werden, wenn die Rohre 26 und/oder die Einsätze 66 durch
Presspassung in der ersten und/oder der zweiten Endkammer 18, 20 angebracht
werden. Somit werden die Rohre 26 und/oder die Einsätze 66 unter Druck
eingeklemmt und gehalten, um die Rohre 26 und/oder die
Einsätze 66 in
einer gewünschten
Ausrichtung zu befestigen und ein Lecken zu verhindern. Bei einigen
Ausführungsformen
können
die Rohre 26 an der ersten und/oder zweiten Endkammer 18, 20 hart-
oder weichgelötet
oder geschweißt
sein.
-
Bei
den dargestellten Ausführungsformen werden
rollgeformte Metallbleche in einem unten ausführlicher beschriebenen Verfahren
unter Bildung des Einsatzes 66 gefalzt. Bei anderen Ausführungsformen
können
die Einsätze 66 zu
einer gewünschten
Form gegossen oder geformt werden und können aus anderen Materialien
(zum Beispiel Aluminium, Kupfer, Eisen und anderen Metallen, Verbundmaterial,
Legierungen und dergleichen) hergestellt werden. Bei noch anderen
Ausführungsformen
können
die Einsätze 66 auf
eine beliebige Weise in Form geschnitten oder maschinell bearbeitet
werden, können extrudiert
oder gepresst, können
in irgendeiner Kombination solcher Arbeitsgänge gefertigt und dergleichen
werden.
-
Wie
am deutlichsten in den 3 und 7 gezeigt,
kann der Einsatz 66 gewellt sein und eine Gesamtlänge L, Gesamtbreite
W und Gesamthöhe
H aufweisen. Die Länge
L des Einsatzes 66 wird als die allgemeine Fluidströmungsrichtung
in dem Rohr 26 (das heißt von der ersten Endkammer 18 zur
zweiten Endkammer 20) definiert. Wie bei der in 3 dargestellten
Ausführungsform
bildet jeder Falz einen serpentinenförmigen Rücken 76, der sich
allgemein parallel zur Länge
L des Einsatzes 66 erstreckt.
-
Die
dargestellte Ausführungsform
des Einsatzes 66 enthält
eine Reihe von sich parallel erstreckenden. Rücken 76, die abwechselnde
Scheitel 78 und Täler 80 entlang
der Breite W des Einsatzes 66 bilden. Wie in 2 gezeigt,
können
die Scheitel 78 und Täler 80 jeweils
obere und untere Innenseiten (zum Beispiel zwischen Ober- und Unterseiten
in den 2, 3 und 5) eines
Rohrs 26 in Eingriff nehmen. Bei der dargestellten Ausführungsform
erstrecken sich Schenkel oder Flanken 82 zwischen jedem
Paar benachbarter Falze (das heißt von einem Scheitel 78 zu
einem Tal 80 oder umgekehrt) entlang der Länge L, um
dem Einsatz 66 eine Höhe
H zu verleihen. Darüber
hinaus können
die Einsätze 66 einiger
Ausführungsformen
zugespitzte, quadratische oder unregelmäßig geformte Scheitel 78 und/oder Täler 80 aufweisen.
Der sich ergebende laterale Rand des Einsatzes 66 der dargestellten
Ausführungsform
kann, wie in den 2 und 3 gezeigt, allgemein
wellenförmig
sein. Bei anderen Ausführungsformen
kann der laterale Rand unter anderen Formen jedoch allgemein sinusförmig oder
sägezahnförmig sein.
Die durch jeden Falz 76 des gewellten Einsatzes 66 gebildeten
strukturellen Elemente werden unter Bezugnahme auf die 4 und 6 unten
genauer beschrieben.
-
Wie
durch die 4 und 6 dargestellt, kann
ein erster Schenkel 82a zumindest teilweise auf einer Seite
eines Rückens 76 definiert
werden, und ein zweiter Schenkel 82b kann zumindest teilweise auf
der anderen Seite des Rückens 76 definiert
werden. Der Falz 76a ist unmittelbar neben dem ersten Schenkel 82a positioniert
und definiert eine Höhe
h des Schenkels 82a. Ebenso ist der Falz 76b am
distalen Ende des zweiten Schenkels 76b positioniert, der
die gleiche Höhe
h aufweist. Der Abstand S zwischen benachbarten Schenkeln 82a, 82b wird
als der Abstand zwischen den Punkten definiert, die sich im gleichen
Abstand entlang der Länge
L und der Höhe h
jedes Schenkels 82 befinden. Die Schenkel 82 des Einsatzes 66 können auch
verschiedene topographische Konfigurationen aufweisen. Zum Beispiel
können
die Schenkel 82 an einer Stelle entlang der Länge L konturiert
oder wellenförmig
sein (das heißt
bei Betrachtung von einem Ende des Einsatzes 66, wie in
den 3 und 4 gezeigt), und an einer anderen
Stelle entlang der Länge
L können
die Schenkel 82 gerade sein.
-
Wie
in den 3–8 gezeigt,
können
die Schenkel 82 Konturelemente wie zum Beispiel Vertiefungen 86 und
Vorsprünge 88 enthalten,
die entlang ihrer Länge
L beabstandet sind. Diese Elemente sind Verformungen in dem Material,
aus dem der Einsatz 66 gebildet ist, und durchdringen weder
einander gegenüberliegende
Seiten des Einsatzes 66 noch bilden sie Verbindungen dazwischen.
Bei einigen solchen Ausführungsformen
kann eine auf einer Seite eines Schenkels 82 gebildete
Vertiefung 86 konsequent einen Vorsprung 88 auf
der gegenüberliegenden
Seite des Schenkels 82 bilden (das heißt eine Vertiefung 86 ist
ein geometrisches Gegenstück zu
einem Vorsprung 88). Die in dem Einsatz 66 ausgebildeten
Konturelemente können
unter anderem als Pyramiden, Kegelstümpfe, Prismen und/oder halbkugelförmige Vorsprünge oder
Vertiefungen ausgebildet sein. Bei der dargestellten Ausführungsform weisen
die Konturelemente jeweils zwei Symmetrieebenen auf (von denen eine
die Länge
L, die Raumebene s, und von denen die andere die Höhe h, Raumebene
s ist). Somit ist die obere Hälfte
des Konturelements ein Spiegelbild der unteren Hälfte (bezüglich der Höhe h des Schenkels 82,
an dem es positioniert ist). Ebenso ist die linke Hälfte des
Konturelements ein Spiegelbild der rechten Hälfte (bezüglich der Länge L des Schenkels 82,
an dem es positioniert ist). Bei einigen Ausführungsformen kann ein Vorsprung 88 in
einem Schenkel 82 so positioniert sein, dass er zumindest
teilweise in einer Vertiefung 86 in einem benachbarten
Schenkel 82 aufgenommen werden kann (das heißt in dem
gleichen Abstand entlang der Höhe
h und Länge
L jedes Schenkels).
-
Bei
einigen Ausführungsformen
können
sich Konturelemente entlang der gesamten Höhe h des Schenkels 82 von
einem Falz 76 zu einem benachbarten Falz 76 (das
heißt
von einem Scheitel 78 zu einem benachbarten Tal 80 oder
umgekehrt) erstrecken. Jedes Konturelement weist eine Breite d auf, wie
in 6 gezeigt. Bei der dargestellten Ausführungsform
zeigt die Breite d des Weiteren den Abstand zwischen ähnlichen
Konturelementen an. Bei anderen Ausführungsformen kann der Abstand
zwischen ähnlichen
Konturelementen größer sein
als die Breite d eines dazwischen liegenden oder abwechselnden Konturelements.
-
Wie
in 4 gezeigt, wird die Serpentinenform des Rückens 76 durch
die Geometrie und Anordnung der Vertiefungen 86 und Vorsprünge 88 bestimmt.
Bei den dargestellten Ausführungsformen wechseln
sich die Vertiefungen 86 entlang der Länge L jedes Schenkels 82 mit
den Vorsprüngen 88 ab, und
jede der Konturen erstreckt sich zwischen benachbarten Falzen 76.
Demgemäß können mehrere Vertiefungen 86 und
mehrere Vorsprünge 88 entlang dem
Rand jedes Falzes 76 beabstandet sein. 4 enthält Bezugsmaße, um die
Geometrie des Einsatzes 66 genauer darzustellen. Insbesondere
zeigt das Bezugsmaß a
den Abstand zwischen der Mittellinie des Falzes 76 und
dem Rand der Vertiefung 86 an, das Bezugsmaß b zeigt
den Abstand zwischen der Mittellinie des Falzes 76 und
dem Rand eines Vorsprungs 88 an, und das Bezugsmaß c zeigt
den lateralen Abstand (das heißt
die normal zur Länge
L des Einsatzes und zur Breite d des Konturelements verlaufende
Richtung) von dem Rand des Konturelements am Falz 76 zu
seiner äußersten
Spitze/Erstreckung an.
-
Wie
in den 3–6 dargestellt,
kann ein mit Längsreihen
von abwechselnden Konturelementen 86, 88 ausgebildeter
Einsatz 66 so gefalzt sein, dass der Abstand S zwischen
benachbarten Schenkeln 82 an einer bestimmten Höhe h entlang
ihrer Länge
L allgemein konstant sein kann. Somit ist die Querschnittsfläche des
Strömungswegs
entlang der Länge
L zwischen einander gegenüberliegenden
Enden 68 des Rohrs 26 im Wesentlichen konstant. Demgemäß ist der
erste Strömungsweg 34 umführend ausgebildet
und ist folglich länger
als ein geraderer Strömungsweg.
Solch eine Einsatzkonfiguration kann Turbulenzen des Arbeitsfluids
verstärken und
folglich eine effizientere Wärmeübertragung
gestatten, ohne bedeutende Druckänderungen
oder einen bedeutenden Druckaufbau entlang der Länge L des Einsatzes 66 zu
verursachen. Darüber
hinaus können
in den Einsätzen 66 ausgebildete
Konturelemente die Form des Rückens 76 beeinflussen.
Zum Beispiel zeigen die 3–8, wie ein
Muster von Vertiefungen 86 und Vorsprüngen 88 – insbesondere Längsreihen
von sich durchgehend abwechselnden Konturelementen – einen
serpentinenförmigen
Rücken 76 erzeugen
können.
Selbst der Strömungsweg unmittelbar
neben den Innenflächen
des Rohrs 26 ist somit langgezogen und umführend ausgeführt. Die Serpentinenform
des Rückens 76 kann
des Weiteren eine verstärkte
Verbindung zwischen dem Rohr 26 und dem Einsatz 66 bereitstellen,
wodurch auch die Wärmeübertragung
verbessert werden kann.
-
Bei
Ausführungsformen
mit Einsätzen 66 mit einem
wellenförmigen
oder konturierten Querschnitt, wie zum Beispiel bei den dargestellten
Ausführungsformen, wirken
die Einsätze 66 als
elastische Glieder, um Vibrationen aufzunehmen oder zumindest teilweise
aufzunehmen und/oder um Expansionen und Kontraktionen der Einsätze 66,
die durch Temperaturschwankungen des ersten und/oder des zweiten Arbeitsfluids
verursacht werden, aufzunehmen. Bei einigen solchen Ausführungsformen
wird durch die Elastizität
der konturierten Einsätze 66 ein
Reißen oder
Brechen der Einsätze 66 verhindert
oder reduziert. Als Alternative oder zusätzlich dazu wird durch die
Elastizität
der konturierten Einsätze 66 ein
Reißen
und Brechen von Verbindungen (zum Beispiel Weich- und Hartlötstellen,
Schweißstellen
usw.) zwischen den Rücken 76 der
Einsätze 66 und
den Innenseiten der Rohre 26 verhindert und/oder reduziert.
-
Wie
in den 5–8 gezeigt,
können sich
bei einigen Ausführungsformen
die Konturen 86, 88 von einem ersten lateralen
Rand 92 entlang der Länge
L eines Schenkels 82 durchgehend zu einem zweiten lateralen
Rand 94 erstrecken. Bei anderen Ausführungsformen, wie zum Beispiel
den in den 2–4 dargestellten,
erstrecken sich die Konturen nur entlang der Länge L eines Mittelteils des Einsatzes 66 durchgehend,
während
die Ränder 92, 94 eine
andere topographische Konfiguration aufweisen, zum Beispiel wellenförmig sind.
Der konturierte Teil kann Änderungen
der Länge
L (das heißt
der Längsflexibilität) gestatten,
während
die wellenförmigen
Ränder Änderungen
der Höhe
h der Schenkel 82 (das heißt die Vertikalflexibilität) ausgleichen
können. Dies
kann bei Ausführungsformen
wünschenswert sein,
bei denen die Höhe
des Einsatzes H durch Verbindung mit den Innenflächen des Rohrs 26 eingeschränkt wird,
insbesondere bei denen die Rohrenden 68 durch die erste
und die zweite Endkammer 18, 20 weiter eingeschränkt werden.
-
9 zeigt
ein Verfahren zur Herstellung eines Einsatzes 66 für einen
Wärmetauscher 10 nach einigen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren umfasst Rollformen eines
Musters von Vertiefungen 86 und Vorsprüngen 88 zu einer Bahn
aus verformbarem, wärmeleitendem
Material 100 (zum Beispiel Aluminium, Kupfer, Bronze und Legierungen,
die eines oder mehrere dieser Metalle enthalten). Um die Beschreibung
zu verdeutlichen, wird das Verfahren der Konturbildung in 9 gezeigt
(und unter Bezugnahme auf 9 besprochen),
das in zwei verschiedenen und aufeinander folgenden Schritten für eine bestimmte,
in Längsrichtung
angeordnete Bahn mit lateralem Querschnitt durchgeführt wird.
Zunächst
werden, auf der rechten Seite der Figur, die Vertiefungen 86 rollgeformt,
dann werden, links davon, die Vorsprünge 88 rollgeformt. In
der Praxis kann das Rollformen von Vertiefungen 86 und
Vorsprüngen 88 jedoch
gleichzeitig durchgeführt
werden (wie unter Bezugnahme auf die in den 10 und 11 gezeigten
Ausführungsformen unten
beschrieben und veranschaulicht). Unabhängig davon, ob die Vertiefungen 86 und
die Vorsprünge 88 nacheinander
oder gleichzeitig gebildet werden, erfährt der rollgeformte Einsatz 66 in 9 dann einen
Falzvorgang (rechte Seite der Figur), um die Rücken 76 zu erzeugen.
Die oben besprochenen Schritte können
in einen Hochgeschwindigkeitsmontageprozess eingegliedert werden,
der unten ausführlicher
beschrieben wird.
-
Wie
in 9 gezeigt, kann das Verfahren eine erste zylindrische
Rolle 102 mit Vorsprüngen 104 verwenden,
die in Längsreihen
entlang ihrer gekrümmten
Außenfläche 106 angeordnet
sind. Die erste Rolle 102 kann um ihre Achse 108 gedreht
werden, wenn sie mit einer ersten Seite 110 der Bahn aus
verformbarem Material 100, die tangential zu der gekrümmten Fläche 106 positioniert
ist, in Kontakt kommt. Das Gewicht der ersten Rolle 102 kann
dazu verwendet werden, Druck auf das verformbare Material auszuüben, so
dass die Vorsprünge 104 Vertiefungen 86 in
dem Material 100 bilden. Bei anderen Ausführungsformen
kann die Materialbahn 100 durch andere Mittel in Kontakt
mit der Rolle 100 gezwungen werden, um die Vertiefungen 86 zu
bilden.
-
Die
Form und die Größe der Vorsprünge 104 bezüglich der
Dicke der Materialbahn 100 kann derart sein, dass die durch
Kontakt der Vorsprünge 104 mit
der ersten Seite 110 der Bahn aus verformbarem Material 100 gebildeten
Vertiefungen 86 ihr geometrisches Gegenstück auf einer
(nicht sichtbaren) zweiten Seite der Bahn 100, die der
ersten Seite 110 gegenüberliegt,
bilden. Somit können
die Vertiefungen 86 und Vorsprünge 88 gleichzeitig
auf der ersten Seite 110 bzw. einer gegenüberliegenden
zweiten Seite der Bahn 100 gebildet werden.
-
Ein
zweite zylindrische Rolle 112 mit Vorsprüngen 114,
die in Längsreihen
entlang ihrer gekrümmten
Fläche 116 positioniert
sind, kann neben der gegenüberliegenden
Seite der Bahn 100 von der ersten Rolle 102 positioniert
werden. Die zweite Rolle 112 kann auch um ihre Achse 118 gedreht
werden und tritt mit der zweiten Seite der Bahn aus verformbarem
Material 100, die tangential zu der gekrümmten Fläche 116 positioniert
ist, in Kontakt. Auf diese Weise können auf der zweiten Seite
der Bahn 100 Vertiefungen 86 gebildet werden,
und entsprechende Vorsprünge 88 können auf
der ersten Seite 110 gebildet werden.
-
Die
Rollen 102, 112 können durch axiales Stapeln
zylindrischer Scheiben gebildet werden, deren Grenzen in 9 gestrichelt
dargestellt werden. Bei einigen Ausführungsformen können Scheiben
mit verschieden geformten Vorsprüngen 114 und/oder Umfangsbeabstandung
zwischen den Vorsprüngen 114 zu
einer Rolle montiert werden, die Einsätze 66 mit verschiedenen
Abmessungen und Geographien bildet. Ebenso können die Scheiben um den Umfang versetzt
werden, um Einsätze 66 mit
mehr oder weniger Platz zwischen Reihen von Konturelementen bereitzustellen,
was zu breiteren oder schmaleren Rücken 76 führen kann.
Die Rollen 102, 112 können bezüglich einander so angeordnet
sein, dass die Vertiefungen 86 und Vorsprünge 88 auf
jeder Seite der Bahn an bestimmten Stellen bezüglich einander gebildet werden.
Zum Beispiel zeigen die 7–9, wie die
Rollen 102, 112 ausgerichtet werden können, um
Quer- und Längsreihen
von abwechselnden Vertiefungen 86 und Vorsprüngen 88 entlang
der Bahn 100 zu bilden. Die Querreihen werden durch schmale Spalte
getrennt, wo die Bahn 100 zur Bildung von Wellungen gefalzt
werden kann, so dass die Querreihen Schenkel 82 und die
Spalte Rücken 76 werden. Bei
der dargestellten Ausführungsform
sind die Rollen 102, 112 leicht versetzt, um serpentinenförmige Rücken 76 zu
bilden. Bei anderen Ausführungsformen
können
die Rollen 102, 112 zur Bildung von geraden Rücken 76 ausgerichtet
werden. Bei noch anderen Ausführungsformen
kann die Positionierung, Größe und/oder
Form der Vorsprünge 104, 114 an der
ersten und/oder zweiten Rolle 102, 112 variiert werden,
um die Geometrie und/oder Topographie des Einsatzes 66 zu ändern. Bei
noch anderen Ausführungsformen
können
gekrümmte
Flächen 106, 116 der
Rollen 102, 112 mit Kerben versehen. werden, die
(hinsichtlich Position, Größe, Form
usw.) den Vorsprüngen 114, 104 in
der gegenüberliegenden Rolle 112, 102 entsprechen,
um die in der Bahn 100 geformten Konturen besser zu definieren.
-
10 zeigt
ein Verfahren zur Herstellung von Einsätzen 66 gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung. Das in 10 dargestellte Verfahren verwendet
sternförmige
Rollen, um gleichzeitig Konturelemente zu formen und den Einsatz 66 teilweise
zu falzen. Eine erste sternförmige
Scheibe 120 zeigt eine erste sternförmige Rolle, die auf einer ersten
Seite 110 einer Bahn aus verformbarem Material 100 bei
der dargestellten Ausführungsform
von 10 positioniert ist. Entlang dem Umfang der ersten
Scheibe 120 erzeugen abwechselnde Stege 122 und
Spalten 124 die Sternform der Scheibe. Die Stege 122 und
Spalten 124 können
zur Bildung der Scheitel 78 und Täler 80 beitragen,
wie unten ausführlicher
beschrieben wird. Zwischen jedem Steg 122 und jeder Spalte 124 ist
ein Vorsprung 126 oder eine Kerbe 128 geformt.
Die Vorsprünge 126 und Kerben 128 können die
Vertiefungen 86 und Vorsprünge 88 in dem Einsatz
bilden, wie auch unten ausführlicher
besprochen wird. Bei einigen Ausführungsformen, wie zum Beispiel
der dargestellten Ausführungsform,
können
die Vorsprünge 126 und die
Kerben 128 geometrische Gegenstücke sein und mehrere Symmetrieebenen
aufweisen, wie zuvor bezüglich
der Vertiefungen 86 und Vorsprünge 88 besprochen.
Bei anderen Ausführungsformen
können die
Stege 122 geometrische Gegenstücke der Spalten 124 sein.
-
Eine
zweite sternförmige
Scheibe 130 in 10 stellt
eine zweite sternförmige
Rolle dar, die abwechselnde Stege 132 und Spalten 134 aufweisen kann,
die abwechselnde Vorsprünge 136 und
Kerben 138 trennen, ähnlich
(das heißt
hinsichtlich Form, Größe usw.)
jenen der ersten Scheibe 120. Als Alternative oder zusätzlich dazu
können
die Vorsprünge 136 geometrische
Gegenstücke
der Kerben 128 sein und die Vorsprünge 126 können geometrische
Gegenstücke
der Kerben 138 sein, wobei dann die Vorsprünge 126, 136 keine
geometrischen Gegenstücke der
Kerben 128, 138 an der gleichen Scheibe zu sein brauchen.
Die zweite sternförmige
Scheibe 130 ist auf einer zweiten Seite 140 der
Materialbahn 100 positioniert.
-
Die
erste und die zweite sternförmige
Scheibe 120, 130 können bezüglich einander so positioniert
sein, dass jeder Steg 122 der ersten Scheibe 120 in
eine Spalte 134 der zweiten Scheibe 130 passt und
jeder Steg 132 der zweiten Scheibe 130 in eine Spalte 124 der
ersten Scheibe 120 passt, wenn sich die Scheiben 120, 130 auf
ihren jeweiligen Achsen drehen. Wenn die Bahn aus verformbarem Material 100 zwischen
die sternförmigen
Scheiben 120, 130 geführt wird, falzen somit die
entsprechenden Stege 122 und Spalten 134 das Material
zur Bildung der Scheitel 78, und die entsprechenden Stege 132 und Spalten 124 falzen
das Material zur Bildung der Täler 80.
Ebenso bilden die Vorsprünge 126, 136 und
die entsprechenden Kerben 138, 128 die Vertiefungen 86 und
die Vorsprünge 88 in
dem Einsatz 66.
-
Es
können
sternförmige
Rollen aus sternförmigen
Scheiben 120 hergestellt werden, die axial gestapelt werden, ähnlich wie
die oben unter Bezugnahme auf die Ausführungsform von 9 besprochene
Anordnung. 11 zeigt, wie diese sternförmigen Scheiben 120 in
einer abwechselnden Anordnung so gestapelt werden können, dass
ein Vorsprung 126 in einer Scheibe neben einer Kerbe 128 in
einer zweiten Scheibe positioniert ist. Nebeneinander liegende Scheiben
können
versetzt werden, so dass die Stege 122 und Spalten 124 in
einer Scheibe nicht direkt auf die Stege 122 und Spalten 124 in
einer zweiten Scheibe ausgerichtet sind, wie in 11 gezeigt.
Durch komplementäres
Positionieren von zwei sternförmigen
Rollen mit dieser Anordnung von Scheiben kann ein Einsatz 66 mit
serpentinenförmigen
Rücken 76 gebildet
werden, wie in den 3–8 gezeigt.
-
Nach
dem Rollformen und Falzen der Einsätze 66 können sie
auf die richtige Größe zugeschnitten
und dann in die Rohre 26 eingesetzt werden. Bei anderen
Ausführungsformen
können
die Einsätze 66 vor
ihrem Falzen geschnitten werden. Als Alternative dazu können die
Rohre 26 um die Einsätze 66 herum montiert
werden. Bei noch anderen Ausführungsformen
können
die Rohre 26 und die Einsätze 66 gleichzeitig
zugeschnitten werden.
-
Die
oben beschriebenen und in den Figuren veranschaulichten Ausführungsformen
werden rein beispielhaft dargestellt und sollen nicht als Einschränkung für die Konzepte
und Grundzüge
der vorliegenden Erfindung gelten. Somit liegt für einen Durchschnittsfachmann
auf der Hand, dass die Elemente und ihre Konfiguration und Anordnung
auf verschiedene Weise geändert
werden können,
ohne von dem Gedanken und Schutzbereich der vorliegenden Erfindung
abzuweichen.