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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, insbesondere ein Wärmeübertrager für die Anwendung in einem Kraftfahrzeug, der Strömungskanäle für ein erstes Fluid, einen oder mehrere Strömungskanäle für ein zweites Fluid und zumindest eine Wärmeübertragerwand aufweist, welche zumindest einen ersten von einem zweiten Strömungskanal trennt, wobei die Wärmeübertragerwand mindestens ein Oberflächenvergrößerungselement aufweist, welches wärmeleitend mit der Wärmeübertragerwand verbunden ist und von der Wärmeübertragerwand abragt
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Stand der Technik
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Um in Wärmeübertragern möglichst effizient und schnell Wärme abführen zu können, werden üblicherweise Wärmeübertragerwände mit einer möglichst grollen Oberfläche zur Wärmeabgabe verwendet. Eine weitere Steigerung der möglichen Wärmeabfuhr ist durch die thermische Kontaktierung von Oberflächenvergrößerungselementen mit den Wärmeübertragerwänden möglich.
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In heute üblichen Wärmeübertragern werden zu diesem Zweck oftmals aus Blechen durch Umformung geformte Wellrippen eingesetzt. Weiterentwicklungen wie das zusätzliche Einbringen von Kiemen oder anderen Schlitzen in die Wellrippen sind ebenfalls in der Literatur bekannt.
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Weiterhin offenbaren Schriften, wie etwa die
DE 10 2008 063 700 A1 die Verwendung einer aus Draht erzeugten Matrix zur Formung der Wellrippen zwischen den Wärmeaustauschrohren. Hierzu können unter anderem geflochtene Drahtgitter, oder ausgestanzte Drahtgitter verwendet werden.
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Ebenso offenbart die
DE 10 2005 017 920 A1 die Verwendung eines Drahtgitters für die Erzeugung der Wellrippen zwischen den Wärmeübertragungsrohren.
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Der Art und Weise der Erzeugung der Drahtgitter ist in diesem Zusammenhang praktisch keine Grenze gesetzt. Wichtig sind für die Ausführungen welche in diesen Druckschriften offenbart werden, die Maschendichte, da diese den Druckverlust entscheidend beeinflusst und die Art und Weise in welcher die Drahtgitter angeordnet werden.
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Zusätzlich offenbart die
JP 04186096 A Oberflächenvergrößerungselemente, die aus teils verflochtenen Drähten bestehen, wobei die Drähte jedoch eine lockere Struktur und damit einerseits ein schlechtes Verhalten bei der Umströmung durch das Fluid und andererseits durch den lockeren Drahtverbund eine suboptimale Wärmeleitungsfähigkeit haben. Auch tritt nachteilhaft ein hoher Druckabfall bei der Umströmung des Fluids um die locker angeordneten Drähte auf.
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In der Patentschrift 23 37 881 offenbart Oberflächenvergrößerungselemente, die aus parallel zueinander verlaufenden, miteinander verflochtenen Drahtwendeln bestehen, die zusätzlich durch im rechten Winkel kreuzende weiter Drahtwendel durchdrungen sind.
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Allen aus dem Stand der Technik bekannte Ausführungsformen ist gemein, dass zur Herstellung der Oberflächenvergrößerungselemente ein hoher Aufwand betrieben werden muss. Auch ist der je nach Lösung entstehende Druckverlust hoch. Insbesondere bei der Verwendung von aus Blech durch Umformung erzeugten Wellrippen mit kiemenartigen Schlitzen entsteht ein hoher Druckverlust.
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Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
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Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Oberflächenvergrößerungselement bereit zu stellen, das einen hohen Wärmeübertragungsgrad ermöglicht und gleichzeitig einen möglichst geringen Druckabfall erzeugt und außerdem kostengünstig und einfach herzustellen ist. Des Weiteren liegt die Aufgabe in einer Erhöhung der Kühlleistung, bzw. eine Reduzierung der Bautiefe des Wärmeübertragers.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch einen Wärmetauscher mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
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Vorteilhaft ist ein Wärmeübertrager, insbesondere ein Wärmeübertrager für die Anwendung in einem Kraftfahrzeug, der Strömungskanäle für ein erstes Fluid, einen oder mehrere Strömungskanäle für ein zweites Fluid und zumindest eine Wärmeübertragerwand aufweist, welche zumindest einen ersten von einem zweiten Strömungskanal trennt, wobei die Wärmeübertragerwand mindestens ein Oberflächenvergrößerungselement aufweist, welches wärmeleitend mit der Wärmeübertragerwand verbunden ist und von der Wärmeübertragerwand abragt, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberflächenvergrößerungselement eine Drahtmatrix aufweist, die aus einer Vielzahl von Drahtstücken gebildet ist, aus welcher zumindest ein Drahtstück derart ausgeklinkt ist, dass es in einem vorgegebenen Winkel aus der Fläche/Ebene der Drahtmatrix hervorragt.
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Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn der vorgegebene Winkel einem Wert im Bereich von 45° bis 135°, dabei vorzugsweise in einem Bereich von 60° bis 120°, dabei vorzugsweise etwa 90° entspricht.
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Außerdem vorteilhaft ist es, wenn die Drahtmatrix eine Vielzahl von Drahtstücken aufweist, die in einer Längsrichtung orientiert sind und eine Vielzahl von Drahtstücken aufweist, die in einer Querrichtung orientiert sind, wobei die in Längsrichtung orientierten und zueinander benachbarten Drahtstücke einen ersten Abstand zueinander aufweisen und die in Querrichtung orientierten und zueinander benachbarten Drahtstücke den zweiten Abstand aufweisen, wobei der erste Abstand und der zweite Abstand gleich oder unterschiedlich sein können.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführung ist es, wenn die Länge der hervorragenden Abschnitte der Drahtstücke im Wesentlichen dem einfachen oder vielfachen des ersten Abstandes oder des zweiten Abstandes entspricht. Dies erleichtert das Auftrennen der Drahtmatrix, da so die Drahtstücke direkt an den Schnittstellen der Längs- und Querdrähte ausgeklinkt werden.
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Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die hervorragenden Abschnitte der Drahtstücke entlang einer Geraden verlaufend angeordnet sind, welche in einem Winkel zu den längs oder quer verlaufenden Drahtstücken der Drahtmatrix in der Fläche/Ebene der Drahtmatrix verläuft. Hierdurch wird die industrielle Fertigung erleichtert, da die Drahtstücke in einer definierten Anordnung aus der Drahtmatrix ausgeklinkt werden.
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Außerdem ist es zu bevorzugen, wenn ein erster oder zweiter Strömungskanal durch zwei benachbarte Wärmeübertragerwände gebildet wird, wobei jeder der benachbarten Wärmeübertragerwände jeweils ein Oberflächenvergrößerungselement aufweist.
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Oder alternativ, wenn ein erster oder zweiter Strömungskanal durch zwei benachbarte Wärmeübertragerwände gebildet wird, wobei nur eine von beiden Wärmeübertragerwänden ein Oberflächenvergrößerungselement aufweist. Je nach Anwendungsfall kann die Anzahl der Oberflächenvergrößerungselemente variiert werden und so eine optimale Wärmeübertragung erreicht werden.
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Außerdem ist es zu bevorzugen, wenn das Oberflächenvergrößerungselement mit seiner Fläche/Ebene mit einer Wärmeübertragerwand verbunden ist. Oder, wenn das Oberflächenvergrößerungselement mit seinen an der Fläche/Ebene der Drahtmatrix ausgeklinkten Abschnitten der Drahtstücke mit einer Wärmeübertragerwand verbunden ist. Die Wahl der wärmeübertragenden Verbindungspunkte kann auch je nach Anwendungsfall getroffen werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung detailliert erläutert. In der Zeichnung zeigen:
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Wärmeübertrager mit Sammelbehältern, Wärmeübertragerrohren und Oberflächenvergrößerungselementen zwischen den Rohren,
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2 zeigt einen Schnitt durch die Mittelebene des in 1 gezeigten Wärmeübertragers mit einem an zwei zueinander benachbarten Wärmeübertragungswänden anliegenden Oberflächenvergrößerungselement,
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3 zeigt ebenfalls einen Schnitt durch die Mittelebene des in 1 gezeigten Wärmeübertragers mit einem an einer Wärmeübertragerwand anliegenden Oberflächenvergrößerungselement,
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4 zeigt einen weiteren Schnitt durch die Mitteleben des in 1 gezeigten Wärmeübertragers mit zwei Oberflächenvergrößerungselementen an zwei zueinander benachbarten Wärmeübertragerwänden, wobei jede Wand jeweils ein Oberflächenvergrößerungselement aufweist,
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5 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Drahtmatrix, welche als Oberflächenvergrößerungselement verwendet werden kann, und
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6 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Drahtmatrix, ähnlich der Drahtmatrix aus 5 mit einer abweichenden Länge der ausgebogenen Drahtstücke.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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Die 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Wärmeübertragers 1. Dieser weist zwei Sammelkästen 2, 3 auf, welche eine Vielzahl von Wärmeübertragerrohren 4 aufnehmen. Die Wärmeübertragerrohre weißen jeweils zwei Wärmeübertragerwände 10 auf. Zwischen den Wärmeübertragerrohren 4 sind Oberflächenvergrößerungselemente 5 gezeigt, welche einen besseren Wärmeübergang zwischen den beiden Fluiden, welche durch den Wärmeübertrager 1, genauer durch die Wärmeübertragerrohre 4 und die zwischen den Wärmeübertragerrohren 4 gebildeten Strömungskanäle 9, strömen ermöglichen soll.
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Der in 1 gezeigte Wärmeübertrager entspricht im Wesentlichen einem heute üblichen Wärmeübertrager. Auf eine detaillierte Beschreibung der Funktion des Wärmeübertragers wird an dieser Stelle verzichtet, da dies nicht erfindungswesentlich ist.
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Die 2 zeigt einen Schnitt durch die Mittelebene des Wärmeübertragers 1 wie er in 1 bereits dargestellt ist. Zu sehen in dem Ausschnitt sind insbesondere zwei benachbart zueinander liegenden Wärmeübertragerrohre 4 und ihre Wärmeübertragerwände 10. Außerdem die zwischen den Wärmeübertragerrohren 4 eingebrachten Oberflächenvergrößerungselementen 5. In 2 weist jeweils eine von zwei direkt zueinander benachbarten Wärmeübertragerwänden 10 ein Oberflächenvergrößerungselement 5 auf.
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Abweichend zu den heute am Markt herkömmlichen Bauarten von Wärmeübertragern, wo als Oberflächenvergrößerungselemente im Regelfall gewellte Blechstrukturen eingesetzt werden, zeigt der Wärmeübertrager, welcher im Schnitt der 2 dargestellt ist, hierzu abweichende Oberflächenvergrößerungselemente 5. Nähere Details zur Ausführung dieser Oberflächenvergrößerungselemente 5 folgen in der Beschreibung zur 5 und 6.
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Wie in 2 zu erkennen ist, stehen die Oberflächenvergrößerungselemente 5 in direktem Kontakt mit den benachbarten Wärmeübertragerwänden 10 und damit mit den Wärmeübertragerrohren 4. Auf diese Weise ist ein verbesserter Wärmeübertrag zwischen dem Fluid, welches im Inneren der Wärmeübertragerrohre 4 strömt und dem Fluid, welches durch die Strömungskanäle 9 und damit um die Oberflächenvergrößerungselemente 5 strömt.
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Der minimale Abstand zwischen den Wärmeübertragerrohren 4, welcher in 2 mit dem Buchstaben h bezeichnet ist, ergibt sich aus der Länge der ausgeklinkten Abschnitte der Drahtstücke 6, 7 der Drahtmatrix. Der Abstand zwischen zwei jeweils benachbarten ausgebogenen Drahtstücken, wird in der 2 mit d1 bezeichnet. Details zur Höhe h und dem Abstand d1 folgen in der Beschreibung zu den 3 und 4.
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Die Oberflächenvergrößerungselemente 5 sind vorteilhafterweise aus einem gut wärmeleitenden Material hergestellt. In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Oberflächenvergrößerungselemente 5 mit den Wärmeübertragerrohren 4 verlötbar gestaltet. Es ist jedoch auch eine Vielzahl andere wärmeleitende Verbindung zwischen den Oberflächenvergrößerungselementen 5 und den Wärmeübertragerrohren 4 denkbar.
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Die 3 und 4 zeigen analog zur 2 einen Schnitt durch die Mittelebene eines Wärmeübertragers wie er in 1 dargestellt ist. Die Bezugszeichen in den 2 bis 4 sind identisch.
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Abweichend zu dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist in 3 nun ein Oberflächenvergrößerungselement 5 an einer von zwei direkt benachbarten Wärmeübertragerwänden 10 angeordnet. Das Oberflächenvergrößerungselement 5 ist hier mit der Fläche/Ebene der Drahtmatrix 8 an einer der beiden Wärmeübertragerwände 10 angebracht. Die ausgebogenen Drahtstücke der Drahtmatrix 8 ragen in den Zwischenraum, welcher zwischen den Wärmeübertragerwänden 10 entsteht und den Strömungskanal 9 bildet hinein, haben dabei jedoch keinen direkten Kontakt mit der zweiten Wärmeübertragerwand 10.
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In 4 ist als weiteres Ausführungsbeispiel eine Anordnung gezeigt, wobei jede der benachbarten Wärmeübertragerwände 10 jeweils ein Oberflächenvergrößerungselement 5 aufweist. Die ausgeklinkten Drahtstücke der beiden Drahtmatrizen 8 stehen jeweils in direktem Kontakt mit der gegenüberliegenden Wärmeübertragerwand 10.
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In weiteren alternativen Ausführungsformen ist es auch denkbar, dass jede der Wärmeübertragerwände ein Oberflächenvergrößerungselement aufweist, welche nicht in direktem Kontakt mit der nächsten benachbarten Wärmeübertragerwand steht. Auch ist es denkbar, dass die Wärmeübertragerwände mehr als ein Oberflächenvergrößerungselement aufweisen und diese entweder in direktem Kontakt mit der jeweils benachbarten Wärmeübertragerwand stehen oder nur in den Strömungskanal hineinragen.
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Die 5 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Drahtmatrix 8, welche als Grundlage für die Herstellung der Oberflächenvergrößerungselemente 5 dient. Die Drahtmatrix 8 besteht aus einer Vielzahl von Drahtstücken 6, 7, welche in einem schachbrettähnlichen Muster zusammengefügt sind. Hierbei verlaufen die Querdrahtstücke 6 in Querrichtung und die Längsdrahtstücke 7 in Längsrichtung der Drahtmatrix 8.
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Neben der Herstellung einer solchen Drahtmatrix 8 aus einzelnen Drahtstücken 6, 7, welche zum Beispiel miteinander verlötet oder verflochten werden, ist es auch denkbar, eine solche Drahtmatrix 8 durch andere Verfahren, wie etwa dem Stanzen, herzustellen.
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Vorteilhafter Weise bewegt sich der Durchmesser der Drahtstücke 6, 7 in einem Bereich von 0,5 bis 2 mm für Anwendungen im Wärmeübertragern für den Einsatz in Kraftfahrzeugen. Je nach Anwendungsfall sind jedoch auch Größenordnungen für den Drahtdurchmesser außerhalb dieses genannten Bereichs denkbar.
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Zur Herstellung der dreidimensionalen Struktur der Oberflächenvergrößerungselemente 5 aus der Drahtmatrix 8 werden, je nach der erforderlichen Höhe h, welche den minimalen Abstand zwischen den Wärmeübertragerrohren 4 im verbauten Zustand definiert, einzelne Abschnitte der Drahtstücke 6, 7 aus der Drahtmatrix 8 ausgeklinkt und im rechten Winkel zur Grundfläche, welche die Drahtmatrix 8 bildet, ausgebogen. Die Länge der ausgebogenen Abschnitte der Drahtstücke ergibt dann die Höhe h.
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In 5 werden die Längsdrahtstücke 7 in der Länge des Abstandes d1 zwischen zwei benachbarten Querdrahtstücken 6 ausgebogen. Hieraus ergibt sich eine Höhe h welche dem Abstand d1 der Querdrahtstücke 6 entspricht.
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Die Teilung der Drahtmatrix 8 wird durch die Abstände d1 und d2 definiert. Hierbei stellt d1 den Abstand zwischen den Querdrahtstücken 6 dar. Der Abstand d2 stellt herbei den Abstand zwischen den Längsdrahtstücken 7 dar, welche für die Erreichung der dreidimensionalen Struktur ausgeklinkt und aus der Fläche ausgebogen werden.
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In alternativen Ausführungsformen können entweder Querdrahtstücke, Längsdrahtstücke oder beide ausgeklinkt und aus der Grundfläche der Drahtmatrix ausgebogen werden.
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Im verbauten Zustand entspricht der Abstand d1 dann dem Abstand der einzelnen Rippen des Wärmeübertragers in vertikaler Richtung, welche sich durch die ausgebogenen Längsdrahtstücke 7 ergeben. Der Abstand d2 beschreibt im verbauten Zustand die Dichte der einzelnen Rippen, sprich ihren Abstand in der Tiefe des Wärmeübertragers 1.
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Je nach Orientierung der Drahtmatrix 8 im Wärmeübertrager 1, kann der im vorherigen Absatz beschrieben Bezug auch umgekehrt sein. Die Höhe h der Abschnitte der ausgebogenen Drahtstücke 6, 7 definiert nur den minimalen Abstand zwischen benachbarten Wärmeübertragerwänden 10 des Wärmeübertragers 1.
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6 zeigt ebenfalls eine Darstellung einer Drahtmatrix 8 und einem daraus entstehenden Oberflächenvergrößerungselement 5, wie es bereits in 5 beschrieben wurde.
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Abweichend zu 5 ist in 6 eine Ausführungsform mit einer größeren Höhe h, welche durch ein Ausbiegen der Längsdrahtstücke 7 über mehrere Querdrahtstücke 6 hinweg erzeugt wird dargestellt. In 6 entspricht die Höhe h dem dreifachen Abstand d1 zwischen den Querdrahtstücken.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008063700 A1 [0004]
- DE 102005017920 A1 [0005]
- JP 04186096 A [0007]
