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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher sowie eine Wärmetauscheranordnung für ein Kraftfahrzeug, insbesondere zur Abfuhr von im Betrieb des Fahrzeugantriebs entstehender Abwärme an die Umgebung.
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Hintergrund
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Kraftfahrzeuge sind üblicherweise mit wenigstens einem Wärmetauscher ausgestattet, der zur Abfuhr entstehender Abwärme an die Umgebung dient. Gängige Wärmetauscheranordnungen sehen einen modulartigen Aufbau, etwa in Form eines sogenannten Condenser-, Radiator und Fan-Moduls (CRFM, Kondensator-, Kühler- und Gebläsemodul) vor. Ein derartiges Wärmetauscher- oder Kühlermodul weist mehrere Wärmetauscher auf, wie zum Beispiel einen mit einem Verbrennungsmotor thermisch gekoppelten Wasserkühler, einen Ladeluftkühler, einen Ölkühler und/oder einen Kondensator einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage.
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Zur Abfuhr von Abwärme an die Umgebung sind die Wärmetauscher typischerweise einer Luftströmung ausgesetzt. Diese wird beispielsweise vom Fahrtwind des Fahrzeugs abgezweigt bzw. bei langsamer Fahrt oder im Stillstand des Fahrzeugs von einem Gebläse erzeugt bzw. verstärkt.
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Für einen effizienten Wärmeaustausch mit der Umgebungsluft weisen gängige Wärmetauscher, etwa der Wasserkühler, mehrere von einem Wärmetauschermedium durchströmbare Rohre auf, die sich beispielsweise parallel über die Ebene einer Anströmfläche des Wärmetauschers erstrecken. Zwischen den von Kühlflüssigkeit durchströmbaren Rohren sind Kühllamellen vorgesehen, die einerseits mit den Wärmetauscherrohren thermisch gekoppelt und andererseits eine möglichst große Fläche zur Abfuhr der Wärme an die Umgebungsluft aufweisen.
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Bei einem zum Beispiel in 1 schematisch dargestellten Wärmetauscher 10 mit einer sich in Fahrzeugquerrichtung (y) und in Fahrzeughochrichtung (z) erstreckende Kühler-Anströmfläche 12 ergeben sich auf der Anströmfläche des Wärmetauschers 10 Zonen und Flächensegmente 14, 16, die aufgrund der baulichen Gegebenheiten im Bereich eines Kühlermoduls unterschiedlich mit Kühlluft beaufschlagt werden. Je nach Ausgestaltung der Luftzufuhr, etwa bedingt durch die Geometrie von Luftführungs- und Luftleiteinrichtungen sowie durch die Geometrie und Anordnung von Kühllufteinlässen, wird beispielsweise eine mittig in der Anströmfläche 12 liegende Zone 14 weitaus stärker mit Kühlluft beaufschlagt als eine Randzone 16.
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Je nach vorgegebenen Strömungsverhältnissen im Bereich des Wärmetauschers 10 kann sich beispielsweise in den Randzonen 16 zugeführte Kühlluft stauen, sodass in diesen Flächenabschnitten ein im Vergleich zur zentralen Zone 14 verminderter Wärmeaustausch mit der Umgebung stattfindet.
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Die 2 zeigt in vergrößerter und schematischer Darstellung den in 1 links oben gekennzeichneten Bereich des Wärmetauschers 10 nach dem Stand der Technik. So weist der Wärmetauscher mehrere, in einem vertikalen Abstand zueinander parallel verlaufende Wärmetauscherrohre 18, 20, 22 auf, zwischen denen sich jeweils ziehharmonika-artig abwechselnd gefaltete Kühllamellenanordnungen 24 erstrecken. Die geometrische Ausgestaltung und Anordnung von Wärmetauscherrohren 18, 20, 22 und Kühllamellen 24 ist hierbei über die gesamte Anströmfläche 12 des Wärmetauschers 10 im Wesentlichen konstant und unverändert. Anstelle einer Ausrichtung der Wärmetauscherrohre 18, 20, 22 in Fahrzeugquerrichtung (y) kommt z. B. auch eine gedrehte Ausrichtung des Kühlers 10 mit etwa entlang der Fahrzeughochachse (z) verlaufenden Wärmetauscherrohren 18, 20, 22 in Betracht.
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Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, der, über die Anströmfläche betrachtet, einen möglichst homogenen Wärmeaustausch mit der Umgebung ermöglicht. Daneben ist es Ziel der Erfindung, einen hinsichtlich seiner Abmessungen möglichst kleinen Wärmetauscher mit unvermindert hoher Wärmeabfuhr bereitzustellen. Es ist insoweit erstrebenswert, strömungstechnisch benachteiligte Zonen der Anströmfläche hinsichtlich ihrer Kühlleistung bzw. ihrer Wärmeabgabe an die Umgebung zu verbessern. Ferner soll sich der Wärmetauscher durch geringere Fertigungs- und Montagekosten sowie durch ein möglichst geringes Gewicht auszeichnen.
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Erfindung
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird mit einem Wärmetauscher nach Patentanspruch 1, einer Lamellenanordnung hierfür gemäß Patentanspruch 10, einem Wärmetauschermodul nach Patentanspruch 12 und mit einem Kraftfahrzeug gemäß Patentanspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand abhängiger Patentansprüche.
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Der erfindungsgemäße Wärmetauscher ist für ein Kraftfahrzeug vorgesehen. Er ist bevorzugt in ein Wärmetauscher- oder Kühlermodul, etwa in ein CRFM-Modul integriert. Der Wärmetauscher, welcher von einem Wärmetauschermedium, etwa von Kühlwasser durchströmbar und über das Kühlwasser thermisch mit einem Antrieb oder anderen Abwärme erzeugenden Einrichtungen des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist, weist eine von Kühlluft anströmbare Anströmfläche auf.
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Zudem ist zumindest ein vom Wärmetauschermedium durchströmbares Rohr vorgesehen, welches sich zumindest bereichsweise in der Ebene der Anströmfläche des Wärmetauschers erstreckt. Das Rohr ist dabei thermisch mit zumindest einer Kühllamellenanordnung gekoppelt. Die Kühllamellen sind hierbei gleichermaßen in der Anströmfläche liegend von Kühlluft durchströmbar und dienen somit der Abfuhr der über das Wärmetauschermedium an die Kühllamellen übertragenen thermischen Energie an die Umgebung.
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Die Kühllamellenanordnung weist in der Ebene der Anströmfläche liegend, Bereiche unterschiedlicher Geometrie und/oder unterschiedlicher Kontur auf. Da die Kühllamellen von der beaufschlagten Kühlluft durch- oder umströmt werden, weisen sie entsprechend ihrer geometrischen Ausgestaltung und Formgebung einen entsprechenden Strömungswiderstand für die zugeführte Kühlluft auf. Indem die Kühllamellenanordnung Bereiche oder Zonen unterschiedlicher Geometrie und/oder unterschiedlicher Kontur aufweist, können strömungstechnisch benachteiligte Zonen oder Bereiche der Anströmfläche des Wärmetauschers mit hinsichtlich Geometrie und/oder Kontur veränderbaren Kühllamellenanordnungen versehen werden, sodass entsprechend der lokalen Ausgestaltung der Kühllamellenanordnung der Strömungswiderstand der Anströmfläche entsprechend einem durch die baulichen Gegebenheiten des Kraftfahrzeuges und der Kühleranordnung über die Fläche der Anströmfläche variierenden Strömungsprofil angepasst werden kann.
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So können lokal auftretende Bereiche erhöhten Staudrucks weitgehend beseitigt, zumindest aber hinsichtlich ihrer Größe sowie einer Abweichung vom mittleren Strömungswiderstand der Anströmfläche verringert werden, sodass insgesamt über die Anströmfläche des Wärmetauschers betrachtet, eine weitgehend homogene Luftströmung erzielt werden kann. Strömungstechnisch benachteiligte Zonen oder Bereiche der Anströmfläche können lokal variierend und individuell durch Veränderung der Kühllamellenanordnung hinsichtlich ihres Strömungswiderstands angepasst werden, sodass auch die an sich strömungstechnisch benachteiligten Zonen einerseits einen verbesserten Wärmeaustausch mit der Umgebung aufweisen, andererseits eine Verringerung des an der Anströmfläche vorherrschenden Staudrucks bewirken können.
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Die lokale Verringerung des Staudrucks kann ferner zu einer Verbesserung der Aerodynamik des Kraftfahrzeugs, insbesondere im hohen Geschwindigkeitsbereich und somit zur Minimierung des Kraftstoffverbrauchs beitragen. Gleichermaßen ist denkbar, den Strömungswiderstand der Anströmfläche lokal zu erhöhen.
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Die lokale und an die strömungstechnischen Verhältnisse der Wärmetauscher- oder Kühleranordnung angepasste Kühllamellenanordnung kann auf unterschiedliche Art und Weise umgesetzt werden. So kann nach einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung die Kühllamellenanordnung Bereiche unterschiedlicher Lamellendichte aufweisen.
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In weiterer Ausgestaltung ist ferner vorgesehen, dass die Kühllamellenanordnung Bereiche mit unterschiedlicher Lamellenform und/oder unterschiedlicher Lamellenausrichtung, insbesondere in Bezug auf die Haupt-Strömungsrichtung zugeführter Kühlluft aufweist. Es können hierbei geradlinige oder gewellte, aber auch gezackte und/oder bereichsweise gekrümmte Lamellenformen vorgesehen werden, wobei die Ausrichtung der geometrischen Strukturen sowohl in als auch senkrecht zur Strömungsrichtung erfolgen kann. Es ist ferner denkbar, dass sich die Lamellenausrichtung, bzw. die von der Lamellenform vorgegebene Strömungsrichtung zumindest bereichsweise parallel oder schräg zur Flächennormalen der Anströmfläche erstreckt.
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Von Vorteil kann die Kühllamellenanordnung auch Bereiche unterschiedlicher Materialbeschaffenheit aufweisen, wobei insbesondere die Verwendung von verschiedenen Materialien oder Oberflächenbeschaffenheiten infrage kommt. So können sich die Zonen oder Bereiche unterschiedlicher Geometrie und/oder unterschiedlicher Kontur auch etwa durch unterschiedliche Blechdicken und/oder unterschiedliche Oberflächenbeschaffenheiten sowie Materialien auszeichnen.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Kühllamellenanordnung wenigstens einen, abwechselnd im Wesentlichen geradlinig gefalteten Blechzuschnitt aufweist, der in einem Querschnitt senkrecht zum Verlauf der entsprechenden Faltlinien eine ziehharmonika-artig gefaltete Struktur aufweist. Die Kühllamellen werden etwa durch abwechselndes Knicken oder Falten eines Blechzuschnitts entlang äquidistanter oder in einem variablen Abstand zueinander angeordneter Falt- oder Knicklinien gebildet, welche bevorzugt in Strömungsrichtung der zugeführten Kühlluft gesehen, parallel verlaufen. Der Abstand der Faltlinien senkrecht zur Faltlinienerstreckung gibt hierbei beispielsweise die Lamellendichte vor.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist ferner vorgesehen, dass die Kühllamellenanordnung im Bereich ihrer Faltlinien mit der Außenseite wenigstens eines Wärmetauscherrohres verbunden bzw. thermisch hiermit gekoppelt ist. Von Vorteil sind mehrere, parallel zueinander verlaufende Rohre vorgesehen, sodass die Kühllamellenanordnung beidseits, etwa mit ihren gegenüberliegenden oberen oder unteren bzw. seitlichen Faltlinien mit benachbart zueinander angeordneten Rohren verbunden bzw. thermisch hiermit gekoppelt werden kann.
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Die Wärmetauscher-Rohranordnung kann beispielsweise vorsehen, die zueinander parallel verlaufenden Wärmetauscherrohre äquidistant zueinander anzuordnen. Es ist aber auch denkbar, den Abstand der Wärmetauscherrohre gerade zur Optimierung der Strömungsverhältnisse an der Anströmfläche zu variieren. Eine dementsprechende Abstandsvariation der Wärmetauscherrohre hätte zwangsläufig eine entsprechende geometrische Anpassung der sich im Zwischenraum zwischen den Wärmetauscherrohren erstreckenden Kühllamellenanordnungen zur Folge.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist eine sich durchgehend zwischen zwei Wärmetauscherrohren erstreckende oder zumindest mit einem Wärmetauscherrohr gekoppelte und sich diesem entlang erstreckende Kühllamellenanordnung, in Längsrichtung des Wärmetauscherrohres gesehen, mehrere Kühllamellenabschnitte auf. Die Kühllamellenabschnitte weisen im Vergleich untereinander eine unterschiedliche Lamellendichte, unterschiedliche Lamellenform, unterschiedliche Lamellenkontur, unterschiedliche Lamellenausrichtung und/oder unterschiedliche Materialbeschaffenheiten auf. Dementsprechend ändern sich die Wärmeübertragungseigenschaften der Kühllamellenanordnung abschnittsweise entsprechend der jeweiligen Ausgestaltung, entweder abrupt oder kontinuierlich in Längsrichtung eines zugeordneten Wärmetauscherrohrs betrachtet.
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In weiterer bevorzugter Ausgestaltung ist ferner vorgesehen, dass die Kühllamellenanordnung einstückig aus einem Zuschnitt gefertigt und entlang mehrerer, im Wesentlichen parallel zueinander verlaufender Faltlinien abwechselnd gefaltet ist. In wenigstens einer im Wesentlichen senkrecht oder quer zu den Faltlinien, bevorzugt entlang eines zugeordneten Wärmetauscherrohrs verlaufenden Richtung, ist die auf diese Art und Weise gebildete, ziehharmonika-artig ausgebildete Struktur der Kühllamellenanordnung zumindest abschnittsweise gestaucht und/oder gestreckt. Die Stauch- oder Streckrichtung verläuft hierbei bevorzugt senkrecht oder quer zu den Falt- oder Knicklinien der jeweiligen Kühllamellenanordnung.
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In weiterer bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der zuvor beschriebene Wärmetauscher als Wasserkühler eines Verbrennungsmotors, als Ladeluftkühler oder als Kondensator einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage ausgebildet ist. Es kommt zudem die Ausgestaltung als Ölkühler infrage.
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Indem der erfindungsgemäße Wärmetauscher unter Berücksichtigung der vorherrschenden Strömungsverhältnisse eines zugeordneten Kühlermoduls strömungstechnisch optimiert ist, kann die Kühlleistung des Wärmetauschers gesteigert oder umgekehrt, bei gleichbleibender Leistung kann die Dimensionierung und die Außenabmessung des Wärmetauschers reduziert werden. Auf diese Art und Weise können Material-, Fertigungs- und Produktions- sowie Montagekosten verringert und das Gewicht des Wärmetauschers reduziert werden.
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In einem weiteren unabhängigen Aspekt betrifft die Erfindung ferner eine für einen zuvor beschriebenen Wärmetauscher vorgesehene Lamellenanordnung, die wenigstens einen, entlang mehrerer, im Wesentlichen parallel zueinander verlaufender Faltlinien abwechselnd und ziehharmonika-artig gefalteten Metallblechzuschnitt aufweist. Der Metallblechzuschnitt weist hierbei Bereiche unterschiedlicher Lamellendichte, Lamellenform, Lamellenkontur, Lamellenausrichtung und/oder Lamellenmaterialbeschaffenheit auf.
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In Weiterbildung hiervon ist vorgesehen, dass der Metallblechzuschnitt einstückig ausgebildet ist und dass die Bereiche unterschiedlicher Lamellendichte, Lamellenform, Lamellenkontur, Lamellenausrichtung und/oder Lamellenmaterialbeschaffenheit durch Stauchen, Strecken und/oder anderweitiger Verformung des Zuschnitts gebildet sind.
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In einer weiteren hiervon unabhängigen Ausgestaltung betrifft die Erfindung ferner ein Kühlermodul eines Kraftfahrzeugs, welches zumindest einen zuvor beschriebenen Wärmetauscher aufweist, und welches mit einem Einbaurahmen oder einem Gehäuse versehen, bereits vorkonfiguriert in einem Kraftfahrzeug, bevorzugt im Motorraum eines Kraftfahrzeugs anordenbar ist.
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Unabhängig hiervon ist nach einem weiteren Aspekt ein Kraftfahrzeug vorgesehen, welches wenigstens einen zuvor beschriebenen Wärmetauscher und/oder ein zuvor genanntes Wärmetauschermodul aufweist.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Weitere Ziele, Merkmale sowie vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen verdeutlicht. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Wärmetauschers mit Zonen unterschiedlicher Kühlleistung,
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2 eine vergrößerte ausschnittsweise Detailansicht des Wärmetauschers gemäß 1 nach dem Stand der Technik,
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3 eine Darstellung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers mit variierender Kühllamellenanordnung,
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4 eine isolierte Darstellung zweier zusammenzufügender Kühllamellenabschnitte,
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5 eine perspektivische isolierte Darstellung einer Kühllamellenanordnung mit Bereichen unterschiedlicher Kühllamellengeometrie,
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6 einen ziehharmonika-artig gefalteten Metallblechzuschnitt zur Bildung einer in 7 dargestellten Kühllamellenanordnung und
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7 eine einstückig ausgebildete Kühllamellenanordnung mit Bereichen unterschiedlicher Lamellengeometrie.
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Detaillierte Beschreibung
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Im Vergleich zur Darstellung einer aus dem Stand der Technik bekannten Kühllamellenanordnung 24 gemäß 2 zeigt 3 eine erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Wärmetauschers, wobei zwischen den etwa in Horizontalrichtung verlaufenden Wärmetauscherrohren 18, 20, 22 zwei Kühllamellenanordnungen 30 vorgesehen sind, die jeweils zwei Lamellenabschnitte 32, 34 aufweisen, welche unterschiedliche Lamellendichte und eine dementsprechend unterschiedliche Geometrie bzw. Kontur aufweisen. Beide Lamellenabschnitte 32, 34, wie sie in 4 separat dargestellt sind, weisen eine ziehharmonika-artig gefaltete Grundstruktur auf, welche beispielsweise ausgehend von einem Metallblechzuschnitt durch abwechselndes Falten entlang parallel zueinander verlaufender Faltlinien 42, 44 erzielt werden kann.
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Die beiden Lamellenabschnitte 32, 34 unterscheiden sich im Ausführungsbeispiel der 3 hinsichtlich ihrer Periodizität in Längsrichtung der jeweils zugeordneten Wärmetauscherrohre 18, 20, 22 betrachtet. Der horizontale Abstand (y) der oberen Faltlinien 42 zu den unteren Faltlinien 44 ist beim Lamellenabschnitt 32 größer als beim daran angrenzenden Lamellenabschnitt 34. In hierzu senkrechter Richtung (z), das heißt senkrecht zur Längserstreckung der oben und unten angrenzenden Wärmetauscherrohre 18, 20, 22 weisen die einzelnen Faltlinien 42, 44 bevorzugt einen jeweils gleichbleibenden Abstand zueinander auf.
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Die mit dem Pfeil 40 in 3 angedeutete Strömungsrichtung verläuft vorliegend parallel zu den Faltlienen 42, 44 der Kühllamellenanordnung 30, somit im Wesentlichen parallel zur Flächennormalen der Anströmfläche 12.
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Entsprechend einer unter Umständen auch gebogenen und nicht geradlinig verlaufenden Kontur der Wärmetauscherrohre kann sich der vertikale Abstand benachbarter Faltlinien 42, 44 auch ändern. Die Grundgeometrie bzw. die Querschnittsfläche der Lamellenanordnung 30 ist dem Abstand benachbart zueinander zu liegen kommender Wärmetauscherrohre 18, 20, 22 angepasst.
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Das Zusammenfügen der in 4 separat dargestellten Lamellenabschnitte 32, 34 erfolgt bevorzugt durch ein für das jeweils verwendete Material geeignetes Fügeverfahren, etwa stoff- oder kraftschlüssig mittels Schweißen oder Kleben.
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In 5 ist eine weitere Ausgestaltung einer Lamellenanordnung 36 gezeigt, welche zwei Lamellenabschnitte 32 und einen Lamellenabschnitt 34 aufweist, die in Längsrichtung eines nicht explizit gezeigten, aber zugeordneten Wärmetauscherrohrs 18, 20, 22 unmittelbar aneinander angrenzen. Wie bereits in 4 und 3 dargestellt, weist der beidseits an die beiden äußeren Lamellenabschnitte 32 angrenzende mittlere Lamellenabschnitt 34 einer gegenüber den Lamellenabschnitten 32 veränderte Periodizität bzw. Lamellendichte auf.
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Indem die beiden äußeren Lamellenabschnitte 32 zum Beispiel in einem Randbereich oder einer Randzone 16 einer Kühlanordnung 10 zu liegen kommen, kann der Strömungswiderstand in diesem Bereich der Anströmfläche 12 lokal verringert werden, was insgesamt zur Verbesserung der Kühlleistung des Kühlers in jener Zone 16 beitragen kann.
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In 6 ist ferner ein ziehharmonika-artig gefalteter, etwa der Ausgestaltung des Lamellenabschnitts 34 entsprechender Metallblechzuschnitt 38 gezeigt, welcher bereichsweise, nämlich im Bereich eines in 7 dargestellten Lamellenabschnitts 32 quer bzw. senkrecht zur Längserstreckung der Faltlinien 42, 44 gestreckt ist. Auf diese Art und Weise kann eine zumindest bereichsweise hinsichtlich Geometrie und/oder Formgebung variabel angepasste Lamellenanordnung 38' geschaffen werden, die als Lamellenanordnung 30, etwa zwischen zwei parallel zueinander verlaufenden Wärmetauscherrohren 18, 20, 22, wie in 3 dargestellt, anordenbar ist.
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Die dargestellten Ausführungsformen zeigen lediglich mögliche Ausgestaltung der Erfindung zu welcher weitere zahlreiche Varianten denkbar und im Rahmen der Erfindung sind. Die exemplarisch gezeigten Ausführungsbeispiele sind in keiner Weise hinsichtlich des Umfangs, der Anwendbarkeit oder der Konfigurationsmöglichkeiten der Erfindung als einschränkend auszulegen. Die vorliegende Beschreibung zeigt dem Fachmann lediglich eine mögliche Implementierung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels auf. So können an der Funktion und Anordnung von beschriebenen Elementen vielfältigste Modifikationen vorgenommen werden, ohne hierbei den durch die nachfolgenden Patentansprüche definierten Schutzbereich oder dessen Äquivalente zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Wärmetauscher
- 12
- Anströmfläche
- 14
- Flächensegment
- 16
- Flächensegment
- 18
- Wärmetauscherrohr
- 20
- Wärmetauscherrohr
- 22
- Wärmetauscherrohr
- 24
- Lamellenanordnung
- 30
- Lamellenanordnung
- 32
- Lamellenabschnitt
- 34
- Lamellenabschnitt
- 36
- Lamellenanordnung
- 38
- Metallblechzuschnitt/Lamellenanordnung
- 40
- Strömungsrichtung
- 42
- Faltlinie
- 44
- Faltlinie
