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Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit einer Mehrzahl von zwischen zwei Sammelbereichen angeordneten Wärmetauscherkanälen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Die
EP 0 590 945 A1 beschreibt einen Wärmetauscher mit einer Mehrzahl von zwischen zwei Sammelbereichen angeordneten Wärmetauscherkanälen, wobei eine Stirnseite des jeweiligen Sammelbereichs eben ausgebildet ist und einen Überstand in Richtung der Wärmetauscherkanäle aufweisen kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Wärmetauscher mit einer Mehrzahl von zwischen zwei Sammelbereichen angeordneten Wärmetauscherkanälen anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Beim Wärmetauscher mit einer Mehrzahl von zwischen zwei Sammelbereichen angeordneten Wärmetauscherkanälen, wobei Ein- und Ausströmöffnungen der Wärmetauscherkanäle eine Stirnseite des jeweiligen Sammelbereichs überragen und zwischen den überragenden Abschnitten der benachbarten Wärmetauscherkanäle Totwassergebiete gebildet sind, ist erfindungsgemäß in jedem Totwassergebiet eines Sammelbereichs ein Zwischenelement form-, stoff- und/oder kraftschlüssig angeordnet und füllt dieses aus.
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Auf diese Weise ist vorteilhafterweise der üblicherweise durch die Totwassergebiete verursachte Druckverlust des innerhalb des Wärmetauschers geführten Stoffstroms vermieden.
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Weiterhin sind im Ein- bzw. Ausflussbereich an den frei in den Sammelbereich ragenden Wärmetauscherkanälen entstehenden Verwirbelungen, welche zu Turbulenzen und Strömungswiderständen im Stoffstrom führen, sicher vermieden. Andernfalls wäre die Strömung in und aus den Wärmetauscherkanälen turbulent, wobei die turbulente Strömung und der Strömungsabriss einen signifikanten Druckverlust des Stoffstroms verursachen würden.
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Eine Größe der mittels eines Kühlsystems abführbaren thermischen Energie ist maßgeblich von den Druckverlusten der einzelnen Komponenten in diesem Kühlsystem bestimmt. Dabei entsteht ein großer Teil des Gesamtdruckverlustes im Kühlsystem im Wärmetauscher. Dieser Druckverlust im Wärmetauscher ist signifikant reduziert und daraus resultierend ist eine Durchflussmenge durch den Wärmetauscher erhöht und eine Leistungsfähigkeit des Wärmetauschers verbessert.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch eine seitliche Schnittansicht eines herkömmlichen Wärmetauschers,
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2 schematisch eine seitliche Schnittansicht eines erfindungsgemäß ausgebildeten Wärmetauschers,
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3 schematisch eine Stirnansicht eines erfindungsgemäß ausgebildeten Wärmetauschers und
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4 schematisch einen Verlauf der Druckverluste und der Durchflussmengen in einem herkömmlichen und einem erfindungsgemäß ausgebildeten Wärmetauscher.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Es sind zahlreiche Arten und Ausformungen von Wärmetauschern 1 bekannt, welche üblicherweise thermische Energie von einem ersten Stoffstrom auf einen zweiten Stoffstrom übertragen.
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Dabei können sowohl der erste als auch der zweite Stoffstrom flüssig oder gasförmig sein oder es kann innerhalb des Wärmetauschers 1 ein Phasenübergang zwischen diesen beiden Aggregatzuständen erfolgen.
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In einem Fahrzeug zirkuliert üblicherweise in einem entsprechenden Hochtemperaturkühlkreislauf ein Kühlmittel zur Kühlung einer Verbrennungskraftmaschine und zur Aufheizung eines Fahrzeuginnenraums. Zur Übertragung thermischer Energie der Verbrennungskraftmaschine an eine Fahrzeugumgebung und/oder den Fahrzeuginnenraum ist zumindest ein Wärmetauscher 1 im Hochtemperaturkühlkreislauf angeordnet. Weiterhin können im Fahrzeug weitere Kühlkreisläufe und/oder Wärmetauscher 1 angeordnet sein, beispielsweise ein herkömmlicher Niedertemperaturkühlkreislauf. Damit sind beispielsweise ein Schmiermittel, eine Ladeluft, Nebenaggregate der Verbrennungskraftmaschine und/oder elektronische und elektrische Komponenten im Fahrzeug kühlbar.
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In einem Fahrzeug ist ein solcher Wärmetauscher 1 häufig als Radiator ausgebildet. Ein solcher Radiator ist eine Vorrichtung, welche thermische Energie überwiegend durch Wärmestrahlung an eine Umgebung abgibt. Radiatoren besitzen eine große Oberfläche mit hohem Emissionsgrad und bestehen meist aus einem gut wärmeleitenden Metall. Im Fahrzeug wird dabei innerhalb des Wärmetauschers 1 ein Kühlmittel geführt, wobei der Wärmetauschers 1 von Umgebungsluft umströmt wird.
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1 zeigt schematisch eine seitliche Schnittansicht eines herkömmlichen Wärmetauschers 1. Ein solcher Wärmetauscher 1 umfasst eine Mehrzahl beispielsweise horizontal ausgerichteter und vorzugsweise parallel angeordneter Wärmetauscherkanäle 2. Diese Wärmetauscherkanäle 2 münden endseitig jeweils in einen Sammelbereich 3, welcher bevorzugt als Wasserkasten ausgebildet ist.
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Die Wärmetauscherkanäle 2 können als Leitungen, Rohre oder Flachrohre mit rundem, ovalem oder verrundetem Querschnitt ausgebildet sein. Die Wärmetauscherkanäle 2 können einreihig oder in mehreren Reihen nebeneinander und/oder übereinander im Wärmetauscher 1 angeordnet sein.
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Der Sammelbereich 3 auf der einen Seite der Wärmetauscherkanäle 2 ist dabei als Zufluss und der Sammelbereich 3 auf der gegenüberliegenden Seite der Wärmetauscherkanäle 2 ist als Abfluss des im Wärmetauscher 1 geführten ersten Stoffstroms ausgebildet.
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Der Sammelbereich 3 ist in herkömmlicher, nicht dargestellter Weise mit einem Abdeckelement mediendicht gegenüber der Umgebung abgeschlossen.
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Innerhalb des Wärmetauschers 1 und somit innerhalb der Wärmetauscherkanäle 2 ist der erste Stoffstrom geführt. Außenseitig werden die Wärmetauscherkanäle 2 vom zweiten Stoffstrom umströmt, so dass eine Wärmeübertragung zwischen beiden Stoffströmen ermöglicht ist.
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Im Stand der Technik werden die Wärmetauscherkanäle 2 durch entsprechende, stirnseitig in den Sammelbereichen 3 ausgeformte Öffnungen 4 gesteckt und form-, stoff- und/oder kraftschlüssig mediendicht darin fixiert. Eine solche Fixierung und Abdichtung zwischen dem jeweiligen Wärmetauscherkanal 2 und dem Sammelbereich 3 erfolgt beispielsweise mittels Verklebens, Verlötens oder Verschweißens. Um eine ausreichende Dichtigkeit und Stabilität dieser Verbindung über eine gesamte Betriebsdauer des Wärmetauschers 1 zu ermöglichen, überragen die Wärmetauscherkanäle 2 die Stirnseite 5 des Sammelbereichs 3 abschnittsweise.
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Dadurch ragen die Wärmetauscherkanäle 2 endseitig frei in den jeweiligen Sammelbereich 3 und zwischen den überragenden Abschnitten der benachbarten Wärmetauscherkanäle 2 entstehen so genannte Totwassergebiete 6, welche einen Druckverlust des innerhalb des Wärmetauschers 1 geführten Stoffstroms verursachen.
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Weiterhin entstehen am Ein- bzw. Ausflussbereich an den frei in den Sammelbereich 3 ragenden Wärmetauscherkanälen 2 Verwirbelungen, welche zu Turbulenzen und Strömungswiderständen im Stoffstrom führen. Dadurch ist die Strömung in und aus den Wärmetauscherkanälen 2 turbulent. Diese turbulente Strömung und der Strömungsabriss verursachen einen signifikanten Druckverlust des Stoffstroms.
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Eine Größe der mittels eines Kühlsystems abführbaren thermischen Energie ist maßgeblich von den Druckverlusten der einzelnen Komponenten in diesem Kühlsystem bestimmt. Dabei entsteht ein großer Teil des Gesamtdruckverlustes im Kühlsystem im Wärmetauscher 1.
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Der größte Anteil des Druckverlustes im Wärmetauscher 1 entsteht dabei in den Sammelbereichen 3. Dieser Druckverlust entsteht in der beschriebenen Weise durch ungleiche Verteilung der Geschwindigkeiten und des Drucks, wie auch durch Verwirbelungen und Ein- und Ausströmverluste in die Wärmetauscherkanälen 2, insbesondere im Bereich der Totwassergebiete 6.
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Die Druckverluste in den Wärmetauscherkanälen 2 sind funktionsnotwendig für die Kühlung, die Druckverluste in den Sammelbereichen 3 sind für die Funktion unnötige Strömungsverluste, welche einen Durchfluss des Kühlmittels mindern.
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2 zeigt schematisch eine seitliche Schnittansicht eines erfindungsgemäß ausgebildeten Wärmetauschers 1 im Bereich eines Übergangs zwischen Wärmetauscherkanälen 2 und Sammelbereich 3. Erfindungsgemäß ist dabei in den Totwassergebieten 6 zumindest ein Zwischenelement 7 angeordnet.
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3 zeigt schematisch eine Stirnansicht des erfindungsgemäß ausgebildeten Wärmetauschers 1.
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In einer ersten, nicht dargestellten Ausführungsform ist das Zwischenelement 7 an seiner Oberseite 8 derart ausgeformt, dass zwischen den Ein- und Ausströmöffnungen 9 der Wärmetauscherkanäle 2 eine ebene Fläche ausgebildet ist, in der die Ein- und Ausströmöffnungen 9 bündig angeordnet sind. Dabei füllt das Zwischenelement 7 die Totwassergebiete 6 vollständig aus und erstreckt sich von der Stirnseite 5 des Sammelbereichs 3 bis zu den Ein- und Ausströmöffnungen 9 der Wärmetauscherkanäle 2.
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Dabei ist das Zwischenelement 7 form-, stoff- und/oder kraftschlüssig in den Totwassergebieten 6 angeordnet, wobei eine in Richtung der Stirnseite 5 des Sammelbereichs 3 weisende Unterseite 10 des Zwischenelements 7 korrespondierend zur Stirnseite 5 und den angrenzenden Übergangsbereichen 11 zwischen Wärmetauscherkanälen 2 und Sammelbereich 3 ausgeformt ist.
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Durch das Schließen oder Ausfüllen der Totwassergebiete 6 werden die beschriebenen Verwirbelungen zwischen den Ein- und Ausströmöffnungen 9 der Wärmetauscherkanäle 2 sicher vermieden.
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In einer vorteilhaften und bevorzugten Ausführungsvariante werden die Totwassergebiete 6 mittels des Zwischenelements 7 nicht nur aufgefüllt, sondern das Zwischenelement 7 weist zwischen den Ein- und Ausströmöffnungen 9 der Wärmetauscherkanäle 2 Überhöhungen 12 auf.
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Diese Überhöhungen 12 verjüngen sich zwischen den Wärmetauscherkanälen 2 und bilden derart eine ihre maximale Überhöhung in einem zentralen Bereich zwischen benachbarten Wärmetauscherkanälen 2 aus.
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Diese Verjüngung kann dabei verrundet, oval oder linear erfolgen. Besonders bevorzugt erfolgt die Verjüngung, wie in 2 dargestellt, in mehreren linearen, zueinander abgewinkelt angeordneten Ebenen. Die Überhöhungen 12 bilden derart eine Trichterform zu den jeweiligen Ein- und Ausströmöffnungen 9 der Wärmetauscherkanäle 2 hin aus.
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Durch diesen trichterförmigen Zufluss des Stoffstroms wird eine signifikante Strömungsverbesserung erreicht, da die Totwassergebiete 6 nicht mehr vom Stoffstrom durchflossen werden und selbigen verwirbeln. Somit erfolgt eine verbesserte, insbesondere laminare und abrissfreie, Anströmung der Ein- und Ausströmöffnungen 9 der Wärmetauscherkanäle 2. Durch diese Maßnahme wird der Druckverlust im Sammelbereich 3 des Wärmetauschers 1 signifikant gesenkt.
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4 zeigt schematisch einen Vergleich der Verläufe der Druckverluste p und der Durchflussmengen v in einem herkömmlichen und einem erfindungsgemäß ausgebildeten Wärmetauscher 1. Dabei ist die Druckverlustkurve Popt des erfindungsgemäß ausgebildeten Wärmetauschers 1 mit Zwischenelement 7 gestrichelt dargestellt, während die Druckverlustkurve Palt eines herkömmlichen Wärmetauschers 1 mittels der Volllinie dargestellt ist.
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Das Zwischenelement 7 kann dabei aus einfachem Schaumstoff oder einem aufgeschäumten Kunststoff gebildet sein. Dieser kann flüssigkeitsdurchlässig ausgebildet sein, verändert nach einer Sättigung mit dem Stoffstrom dennoch dessen Strömungsprofil oder -richtung.
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Das Zwischenelement 7 soll ein möglichst geringes Eigengewicht aufweisen, um ein Gesamtgewicht des Wärmetauschers 1 nicht zu erhöhen.
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Schaumstoff weist ein geringes Eigengewicht auf, wird aber im Betrieb mit dem Stoffstrom gesättigt und weist daher ungefähr eine Dichte des Stoffstroms auf.
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Alternativ zum Schaumstoff kann daher ein massives Material, beispielsweise Metall, Kunststoff oder ein Kunststoffgemisch, Anwendung finden, wenn die Dichte eines derartigen Zwischenelements 7 nicht größer als die des Stoffstroms ist.
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In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann das Zwischenelement 7 als ein Hohlkörper aus einem solchen massiven Material ausgebildet sein.
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Das Zwischenelement 7 ist form-, stoff- und/oder kraftschlüssig in den Totwassergebieten 6 gehalten.
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Ein Zwischenelement 7 aus Schaumstoff kann dabei vorteilhafterweise unter reversibler, elastischer Verformung in die Totwassergebiete 6 eingepresst werden und ist somit besonders einfach montierbar.
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Massiv oder als Hohlkörper ausgebildete Zwischenelemente 7 müssen entweder von ihrer Außenform passgenau mit geringen Toleranzlagen ausgebildet sein, um ein Verklemmen in den Totwassergebieten 6 zu ermöglichen oder durch einen separaten Fixiervorgang in den Totwassergebieten 6 angeordnet werden.
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Ein solcher Fixiervorgang kann eine Verklebung, Verschraubung, Vernietung, Verlötung oder eine beliebige form-, stoff- und/oder kraftschlüssige Verbindungsart umfassen.
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In einer ersten Ausführungsvariante ist in jedem Totwassergebiet 6 zwischen benachbarten Wärmetauscherkanälen 2 ein separates Zwischenelement 7 angeordnet.
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In einer alternativen Ausführungsvariante sind die Zwischenelemente 7 mehrerer Totwassergebiete 6 zu einem Bauteil vereinigt.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante sind alle Zwischenelemente 7 eines Sammelbereichs 3 einstückig in Form einer Matte ausgebildet, in welche Öffnungen eingebracht sind, welche die Ein- und Ausströmöffnungen 9 der Wärmetauscherkanäle 2 aufnehmen, so dass eine solche Matte nach der Montage der Wärmetauscherkanäle 2 im jeweiligen Sammelbereich 3 besonders einfach montierbar und kostengünstig ist.
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In den 2 und 3 ist ein Wärmetauscher 1 mit als Flachrohren ausgebildeten Wärmetauscherkanälen 2 dargestellt. Diese Ausführungsvariante entspricht einem herkömmlichen Fahrzeugkühler, bei dem sich die Strömungsrichtungen der Stoffströme kreuzen. Dabei schließen die benachbarten Wärmetauscherkanäle 2 im Wesentlichen länglich mit parallelen Kanten ausgeformte Totwasserbereiche 6 ein. Bei dieser Anordnung ist die Trichterform der Zwischenelemente 7 in Richtung der parallelen Kanten 13 ausgeformt.
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Bei Wärmetauschern 1 nach dem Gegenstromprinzip oder parallelen Wärmetauschern 1 können Wärmetauscherkanäle 2 mit rundem oder ovalem Querschnitt eingesetzt werden, so dass die Totwasserbereiche 6 eine wabenstrukturartige Ausformung aufweisen.
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Die Zwischenelemente 7 können während der Herstellung des Wärmetauschers 1 abschnittsweise zwischen bereits angeordnete und abgedichtete Wärmetauscherkanäle 2 eingebracht werden oder werden nach Montage aller Wärmetauscherkanäle 2 gemeinsam in einem Arbeitsgang angeordnet.
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In einem Wärmetauscher 1 mit zwei flüssigen Stoffströmen können die Zwischenelemente 7 in jedem Stoffstromkreislauf angeordnet werden, welche Totwasserbereiche 6 zwischen den Wärmetauscherkanäle 2 aufweisen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wärmetauscher
- 2
- Wärmetauscherkanal
- 3
- Sammelbereich
- 4
- Öffnung
- 5
- Stirnseite
- 6
- Totwassergebiete
- 7
- Zwischenelement
- 8
- Oberseite
- 9
- Ein- und Ausströmöffnung
- 10
- Unterseite
- 11
- Übergangsbereich
- 12
- Überhöhung
- 13
- Kante
- p
- Druckverlust
- v
- Durchflussmenge
- Popt, Palt
- Druckverlustkurve
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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