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Diese Offenbarung betrifft einen Wärmetauscher und ein Verfahren zum Betrieb eines Wärmetauschers.
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Hintergrund und Darstellung
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Wärmetauscher-Ausführungen, wie Wärmetauscher für Kraftfahrzeuge, können mithilfe von gewalzten und/oder Faltrippen Wärme von einem Kühlmittel oder einer Flüssigkeit, das bzw. die intern durch eine Reihe von Kühlmittelleitungen fließt, an die Luft übertragen. Wärme wird von den Leitungen zu den Rippen geleitet, wo die Rippen physisch die Kühlmittelleitungen berühren.
US 2012/0273182 offenbart einen Wärmetauscher mit einem Rippenelement, das sich wiederholt zwischen den Rohren in einem gewellten Faltmuster erstreckt. Das Rippenelement führt Wärme von den Rohren ab und gibt sie in die durch die Rippe strömende Luft ab.
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Die Erfinder haben mehrere Nachteile beim in
US 2012/0273182 offenbarten Wärmetauscher erkannt. Zum Beispiel kann aufgrund der Gleichmäßigkeit der Rippen-Ausführungen ein geringes Ausmaß an Turbulenz in der durch die Rippen strömenden Luft erzeugt werden. Eine Reduktion der Turbulenz reduziert das Wärmeübertragungspotenzial des Wärmetauschers. Zusätzlich reduziert die kleine Berührungsfläche zwischen den Rippen und den Rohren das Wärmeübertragungspotenzial des Wärmetauschers weiter. Folglich kann die Größe des Wärmetauschers erhöht werden, um das gewünschte Maß an Kühlung zu bieten.
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Die Erfinder hier haben die obengenannten Probleme erkannt und einen Wärmetauscher entwickelt. Der Wärmetauscher beinhaltet eine Vielzahl an übereinander angeordneten Rippenschichten, wobei jede Rippe ein wiederholtes Faltmuster beinhaltet und die Vielzahl der übereinander angeordneten Rippenschichten eine Vielzahl an sich wiederholenden versetzten Zellstrukturen bildet. Der Wärmetauscher beinhaltet ferner einen ersten Kühlkanal und einen zweiten Kühlkanal, die an die äußeren Rippen in der Vielzahl der übereinander angeordneten Rippenschichten gekoppelt sind. Der Wärmetauscher beinhaltet ferner einen Lüfter, der Luft durch die sich wiederholenden versetzten Zellstrukturen leitet.
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Das von versetzten Zellstrukturen erzeugte Strömungsmuster erhöht die Turbulenz in der Luftströmung durch die übereinander angeordneten Rippenschichten, ohne die Verluste in der Luftströmung durch die Zellstrukturen über einen gewünschten Wert hinaus zu erhöhen. Demzufolge wird das Wärmeübertragungspotenzial des Wärmetauschers erhöht. Insbesondere sind in einem Beispiel die sich wiederholenden versetzten Zellstrukturen so konfiguriert, dass sie eine isotrop turbulente Luftströmung durch die Rippen erzeugen. Es ist klar, dass die isotrop turbulente Luftströmung die Menge der von den Rippen an die Luft übertragenen Wärme weiter erhöht. Außerdem, wenn die Wärmeübertragungskapazität eines Wärmetauschers erhöht wird, kann die Größe des Wärmetauschers verringert werden, wobei die Wärmeübertragungskapazität eines größeren, weniger effizienten Wärmetauschers erreicht wird. Demzufolge kann die Kompaktheit des Kühlsystems erhöht werden oder der Wärmetauscher kann für erhöhte Kühlung sorgen.
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Außerdem kann in einem Beispiel eine Vielzahl an planaren Oberflächen der äußeren Rippen an den ersten und den zweiten Kühlkanal gekoppelt werden. Dadurch wird die Größe der Berührungsflächen zwischen den Rippen und den Kühlkanälen vergrößert, was das Wärmeübertragungspotenzial des Wärmetauschers weiter erhöht.
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Die obengenannten Vorteile und andere Vorteile und die Eigenschaften der gegenwärtigen Beschreibung werden ohne Weiteres aus der folgenden Detaillierten Beschreibung alleine oder in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen ersichtlich.
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Es sollte klargestellt werden, dass die Zusammenfassung oben vorgelegt wird, um in vereinfachter Form eine Auswahl an Konzepten einzuführen, die weiter in der detaillierten Beschreibung beschrieben werden. Sie ist nicht dazu gedacht, wesentliche oder entscheidende Eigenschaften des beanspruchten Gegenstands zu identifizieren, dessen Umfang eindeutig durch die der detaillierten Beschreibung folgenden Ansprüche definiert wird. Außerdem ist der beanspruchte Gegenstand nicht auf Ausführungen beschränkt, die die oben oder in einem Teil dieser Offenbarung aufgeführten Nachteile lösen. Zusätzlich sind die obengenannten Probleme von den Erfindern hier erkannt worden und sind nicht anerkanntermaßen bekannt.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugsystems mit einem Motor und einem Wärmetauscher;
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2 zeigt einen Beispiel-Wärmetauscher;
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3 zeigt einen Teil einer Rippenstruktur im in 2 abgebildeten Wärmetauscher;
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4 zeigt eine Rippe der in 3 abgebildeten Rippenstruktur;
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5 zeigt einen weiteren Beispiel-Wärmetauscher;
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6 zeigt den in 5 abgebildeten Wärmetauscher ohne einen der Kühlkanäle;
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7 zeigt einen Teil einer Rippenstruktur im in 5 und 6 abgebildeten Wärmetauscher;
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8 zeigt eine Rippe der in 7 abgebildeten Rippenstruktur 7;
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9 zeigt einen weiteren Wärmetauscher;
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10 zeigt die Wärmetauscherabbildung von 9 ohne einen der Kühlkanäle;
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11 zeigt eine Detailansicht eines Teils der in 9 und 10 abgebildeten Rippenstruktur;
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12 zeigt eine Ansicht der Rippenschichten, die in der in 3 abgebildeten Rippenstruktur enthalten sind;
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13 zeigt eine pyramidenartige Beispielstruktur; und
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14 zeigt ein Verfahren zum Betrieb eines Wärmetauschers.
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Detaillierte Beschreibung
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Ein Wärmetauscher mit einer Vielzahl an übereinander angeordneten Rippenschichten, die eine Vielzahl an sich wiederholenden versetzten Zellstrukturen bildet, wird hier beschrieben. Die äußeren Rippen in der Vielzahl an übereinander angeordneten Rippenschichten sind an einen ersten und einen zweiten Kühlkanal gekoppelt. Das versetzte Zellrippendesign bietet eine Anzahl an Leistungsverbesserungen gegenüber vorherigen Designs, wie die Erhöhung der Wärmeübertragung von den Rippen an die Luft durch erhöhte Turbulenzerzeugung (z. B. isotrope Turbulenz) und eine vergrößerte Rippenoberfläche. Insbesondere erzeugen die versetzten Zellen ein gewünschtes Maß an Turbulenz in der Luftströmung im Wärmetauscher, ohne den Druckabfall in der Luftströmung durch den Wärmetauscher hindurch über ein gewünschtes Ausmaß zu erhöhen. Auf diese Weise wird die Wärmeabführungskapazität des Wärmetauschers erhöht. Außerdem ist das versetzte Zellstrukturdesign auch aufgrund der großen Anzahl an verbundenen Strömungspfaden in den Zellstrukturen weniger anfällig gegenüber Strömungsstörungen, die durch Deformierung der Rippen (z. B. Quetschen), Blockierung der Zellen und andere Arten der Degradation der Rippen hervorgerufen werden, und bietet Ersatzströmungspfade um die beschädigten bzw. blockierten Bereiche herum.
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Zusätzlich können in manchen Beispielen planare Oberflächen auf den äußeren Rippen in oberflächenteilendem Kontakt mit den Oberflächen der Kühlkanäle sein. Folglich wird die Wärmeleitung von den Kühlkanälen (z. B. Kühlmittelleitungen) zu den Rippen aufgrund einer Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen der Leitung und den Rippen im Vergleich zu Rippen, die über die Kanten der Rippen an die Leitung gekoppelt sind, erhöht. Die vorgenannten Vorteile ermöglichen eine Erhöhung der Wärmeabführungskapazität des Wärmetauschers. Folglich können die Größe und das Gewicht des Wärmetauschers reduziert oder die Wärmeabführungskapazität des Wärmetauschers erhöht werden.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugsystems 10 mit einem Motor 12 und einem Wärmetauscher 50. Der Motor 12 ist zur Umsetzung des Verbrennungsbetriebs konfiguriert. Zum Beispiel kann ein Viertakt-Verbrennungszyklus implementiert sein, der einen Einlasstakt, einen Verdichtungstakt, einen Arbeitstakt und einen Abgastakt umfasst. Andere Arten von Verbrennungszyklen können jedoch in anderen Beispielen eingesetzt werden. Es ist klar, dass bei der Verbrennung Wärme erzeugt wird. Deshalb ist der Wärmetauscher 50 konfiguriert, Wärme vom Motor 12 abzuführen.
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Ein Einlass-Untersystem 14 ist im Fahrzeugsystem 10 enthalten und konfiguriert, um den Zylindern 16 im Motor 12 Ansaugluft zu liefern, was durch Pfeil 15 angedeutet ist. Das Fahrzeugsystem 10 enthält ferner ein Abgas-Untersystem 18, das konfiguriert ist, Abgas von den Zylindern 16 im Motor 12 aufzunehmen, was durch Pfeil 19 angedeutet ist. Der Motor 12 kann durch einen Zylinderkopf 20 und einen Zylinderblock 22 gebildet werden.
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Eine oder mehrere Kühldurchlässe 24 können den Zylinderkopf 20 und/oder den Zylinderblock 22 durchlaufen. Die Kühldurchlässe 24 sind in strömungstechnischer Verbindung mit dem Wärmetauscher 50, der hier ausführlicher besprochen wird. In anderen Beispielen kann der Wärmetauscher 50 jedoch an andere geeignete Kühlsysteme im Fahrzeug, wie zum Beispiel ein Turbolader-Kühlsystem, gekoppelt sein.
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Ein Lüfter 30 ist ebenfalls im Fahrzeugsystem 10 enthalten. Der Lüfter 30 ist konfiguriert, um Luft zum Wärmetauscher 50 zu leiten, durch die Pfeile 31 dargestellt. Auf diese Weise kann eine Luftströmung vom Lüfter erzeugt werden, um die Kühlung über den Wärmetauscher zu erhöhen. In anderen Beispielen kann jedoch der Wärmetauscher an einem Ort positioniert sein, an dem die Luftströmung durch die Fahrzeugbewegung erzeugt wird. Eine Pumpe 32 ist ebenfalls im Fahrzeugsystem 10 enthalten. Die Pumpe 32 ist an die Kühlmitteldurchlässe 24 gekoppelt und konfiguriert, um Kühlmittel durch die Kühlmitteldurchlässe 24 zu zirkulieren.
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Der Wärmetauscher 50 ist in einem Fahrzeugkühlsystem enthalten in 1 abgebildet. Es ist jedoch klar, dass der Wärmetauscher in einer Vielfalt von Anwendungen eingesetzt werden kann, wie Hausklimaanlagen, industrielle Systeme, usw.
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2–4 zeigen ein erstes Beispiel eines Wärmetauschers 200. Der Wärmetauscher 200 kann im in 1 abgebildeten Fahrzeugsystem 10 enthalten sein. Deshalb kann der Wärmetauscher 200, in 2–4 abgebildet, der in 1 schematisch dargestellte Wärmetauscher 50 sein.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht des ersten Beispiel-Wärmetauschers 200. Der Wärmetauscher 200 enthält einen ersten Kühlkanal 202 entfernt von einem zweiten Kühlkanal 204. Der erste Kühlkanal 202 und der zweite Kühlkanal 204 enthalten jeweils einen Kühlmitteleinlass 206. Zusätzlich enthalten der erste Kühlkanal 202 und der zweite Kühlkanal 204 jeweils einen Kühlmittelauslass 208. Die Kühlmittelein- und -auslässe (206 und 208) können in strömungstechnischer Verbindung mit den in 1 abgebildeten Kühldurchlässen 24 oder mit anderen geeigneten Kühlmittelleitungen, wie Kühlmittelleitungen in einem Turboladersystem, Kühlmittelleitungen in einem Abgasrückführungs-(AGR-)System, usw. stehen. Deshalb kann ein geeignetes Kühlmittel durch jeden der ersten und zweiten Kühlkanäle (202 und 204) fließen. Die Kühlmitteleinlässe sind im abgebildeten Beispiel auf der gleichen Seite des Wärmetauschers positioniert. In anderen Beispielen können die Kühlmitteleinlässe jedoch auf gegenüberliegenden Seiten des Wärmetauschers positioniert sein.
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Um mit 2 fortzufahren, eine Rippenstruktur 210, die sich zwischen dem ersten Kühlkanal 202 und dem zweiten Kühlkanal 204 erstreckt, ist ebenfalls im Wärmetauscher 50 enthalten. Die Rippenstruktur 210 beinhaltet eine Vielzahl an Rippen 212. Die äußeren Rippen in der Rippenstruktur 210 können an den ersten Kühlkanal 202 und den zweiten Kühlkanal 204 gekoppelt sein. Jede der Rippen kann sich von den Einlässen 206 bis zu den Auslässen 208 der Kühlkanäle erstrecken.
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Die Richtung, die von den Einlässen zu den Auslässen reicht, wird als eine Längsrichtung bezeichnet. Die Richtung senkrecht zur Längsrichtung zwischen dem ersten Kühlkanal 202 und dem zweiten Kühlkanal 204 wird als eine Transversalrichtung bezeichnet. Eine Querrichtung, senkrecht zur Längsrichtung, die sich von einer ersten Seite der Kühlkanäle zu einer zweiten Seite der Kühlkanäle erstreckt, wird als eine Querrichtung bezeichnet. Eine Längsachse, eine Transversalachse und eine Querachse sind als Referenz aufgeführt.
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Es ist klar, dass der Lüfter 30, in 1 abgebildet, konfiguriert werden kann, um Luft durch die Rippenstruktur 210 zu leiten. Die Luftströmung ermöglicht, dass Wärme vom Wärmetauscher an die umgebende Luft übertragen wird. Die allgemeine Richtung der Luftströmung vom Lüfter kann senkrecht zur Vorderkante der Rippenstruktur 210 sein.
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3 zeigt eine erweiterte Ansicht eines Teils 300 der in 2 abgebildeten Rippenstruktur 210. Wie bereits besprochen beinhaltet die Rippenstruktur eine Vielzahl an Rippen 212. Zusätzlich ist jede der Rippen 212 in Größe und Form den anderen Rippen in der Rippenstruktur gleichwertig. Eine Rippenstruktur mit Rippen mit ungleicher Größe und/oder Form wurde jedoch in Betracht gezogen.
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Die Rippenstruktur formt eine Vielzahl an sich wiederholenden versetzten Zellstrukturen 302. Das Versetzen der Zellstrukturen erzeugt Turbulenz (z. B. isotrope Turbulenz) in der Luft, die durch die Rippenstruktur strömt. Insbesondere können die Rippen der Zellstrukturen als flache Plattentragfläche fungieren, was zur Folge hat, dass die eingehende Strömung auf beiden Seiten jeder der Rippen aufgeteilt wird. Die Aufteilung der Strömung hat die Erzeugung von Turbulenz zur Folge, die gesteigert wird, wenn die Strömung durch die nächste Zellenschicht weiterströmt. Das Ändern der relativen Richtung des Zustroms in Bezug auf die Zellenachse kann die turbulente Erzeugung weiter fördern, da die Strömung sich von der oberen Oberfläche jeder flachen Plattentragflächenrippe abscheiden wird.
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Wie bereits besprochen kann die Luftströmung über einen Lüfter erzeugt und in die Zellstrukturen 302 geleitet werden. Es ist klar, dass die allgemeine Richtung der Luftströmung an der Vorderkante der Rippenstruktur in eine Querrichtung weist. Nachdem die Luft an der Vorderkante der Rippenstruktur vorbeizieht, kann eine turbulente Luftströmung erzeugt werden. Wie gezeigt haben die Zellstrukturen 302 einen quadratischen Querschnitt, wobei sich die Schnittebene des Querschnitts in die Längs- und Transversalrichtung erstreckt. Eine Längsachse, eine Transversalachse und eine Querachse sind wieder als Referenz aufgeführt. Die Zellen können in in Querrichtung ausgerichtete Sätze aufgeteilt werden. Deshalb hat jede der Zellen in einem Satz eine ähnliche laterale Position. Die Sätze der ausgerichteten Zellstrukturen sind zusätzlich in Längs- und Transversalrichtung versetzt. Die Zellstrukturen 302 haben quadratische Querschnitte. Die Schnittebene der Querschnitte ist senkrecht zur Querachse. Es sind jedoch Zellstrukturen mit anderen Geometrien in Betracht gezogen worden. Die Zellstrukturen können zum Beispiel in anderen Beispielen einen rechtwinkligen oder dreieckigen Querschnitt haben. Außerdem leiten Zellen in nicht-peripheren Abschnitten der Struktur aufgrund der Versetzung zwischen den Zellstrukturen jeweils Luft zu vier nachgeschalteten Zellstrukturen und/oder erhalten Luft von vier vorgeschalteten Zellstrukturen. Auf diese Weise wird eine große Anzahl an Strömungspfaden in der Rippenstruktur geformt, wodurch die Turbulenz in der Rippenstruktur erhöht wird und sie weniger anfällig für große Abfälle in der Luftströmung durch die Zellstrukturen, die von beschädigten Rippen und/oder blockierten Zellen verursacht werden, gemacht wird.
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Die Vielzahl an Rippen 212 kann in Schichten aufgeteilt werden. Die Rippen in jeder der Lagen sind fortlaufend übereinander angeordnet und in Transversal- und Längsrichtung ausgerichtet. Schichten mit anderen Ausrichtungen sind jedoch in Betracht gezogen worden. Insbesondere sind eine erste Rippenschicht 310 und eine zweite Rippenschicht 312 in 3 abgebildet. Die ersten und zweiten Rippenschichten sind in Längs- und Transversalrichtung versetzt. Es ist klar, dass jede der in 3 abgebildeten Schichten der Rippen zusätzliche Rippen enthalten kann. Außerdem erstreckt sich jede der ersten Rippenschichten 310 und zweiten Rippenschichten 312 zwischen dem ersten und dem zweiten Kühlkanal (202 und 204), in 2 abgebildet. Auf diese Weise kann Wärme von den Kühlkanälen zur Rippenstruktur geleitet werden.
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Jede der Rippen in der ersten Rippenschicht 310 ist in Transversalrichtung ausgerichtet. Diese Ausrichtung ermöglicht, dass die Zellen (z. B. quadratische Zellen) durch die Rippenstruktur gebildet werden. Deshalb bildet jede der Schichten eine Vielzahl an Zellen. Es ist klar, dass die erste Rippenschicht 310 gegenüber der zweiten Rippenschicht 312 versetzt ist.
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Äußere Rippen 304 sind in 3 abgebildet. Die Ecken 306 in den äußeren Rippen 304 können an eine Oberfläche (z. B. äußere Oberfläche) des ersten Kühlkanals 202 gekoppelt (z. B. geschmort) sein, in 2 abgebildet. Ebenso können zusätzliche äußere Rippen in einem Abstand von den äußeren Rippen 304 an eine Oberfläche (z. B. äußere Oberfläche) des zweiten Kühlkanals 204 gekoppelt sein, in 2 abgebildet. Die Rippen können an benachbarte Rippen durch Schmoren und/oder andere geeignete Kopplungstechniken gekoppelt werden. Zum Beispiel kann ein Teil der Rippenstruktur gegossen, fließgepresst, usw. werden.
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Zusätzlich beinhaltet jede Rippe in der Rippenstruktur ferner seitliche Außenkanten. Die seitlichen Außenkanten 320 der Rippen in der ersten Rippenschicht 310 sind in Kontakt mit den seitlichen Außenkanten 322 der Rippen in der zweiten Rippenschicht 312. Die Kanten (320 und 322) formen miteinander rechte Winkel. Andere Winkel sind jedoch in Betracht gezogen worden. Auf diese Weise wird eine große Anzahl an Strömungspfaden innerhalb der Rippenstruktur erzeugt. Demzufolge kann erhöhte Turbulenz (z. B. isotrope Turbulenz) in der durch die Rippenstruktur während des Betriebs des Wärmetauschers strömenden Luft erzeugt werden.
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Zusätzlich, wenn die fortlaufenden Rippenschichten fortlaufend nummeriert werden, sind geradzahlige Schichten in Transversal- und Längsrichtung ausgerichtet. Ebenso sind ungeradzahlige Schichten in Transversal- und Längsrichtung ausgerichtet und die geradzahligen Schichten sind gegenüber den ungeradzahligen Schichten versetzt (z. B. in Längs- und Transversalrichtung versetzt).
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12 zeigt eine weitere Ansicht der ersten Rippenschicht 310 und der zweiten Rippenschicht 312, die in 3 abgebildet sind. Die zweite Rippenschicht 312 ist gestrichelt, um den Unterschied zwischen den Schichten hervorzuheben. Wie abgebildet ist die erste Rippenschicht 310 um die Hälfte der Seitenbreite 350 einer der in der Rippenschicht enthaltenen Zellen gegenüber der zweiten Rippenschicht 312 versetzt. Andere Grade der Versetzung sind jedoch in Betracht gezogen worden. Zum Beispiel kann die erste Rippenschicht um ein Viertel der Seitenbreite der Zellen gegenüber der zweiten Rippenschicht versetzt sein.
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4 zeigt eine der Rippen 400, die in der in 2 und 3 abgebildeten Rippenstruktur 210 enthalten ist. Wie abgebildet enthält die Rippe 400, in 4 abgebildet, eine Vielzahl an fortlaufend angeordneten planaren Oberflächen 402. Alle der planaren Oberflächen sind in Größe und Form gleichwertig. In anderen Beispielen können manche der planaren Oberflächen jedoch nicht in Größe und/oder Form gleichwertig sein.
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Ein Winkel 402 wird zwischen den fortlaufend angeordneten planaren Oberflächen gebildet. Im abgebildeten Beispiel beträgt der Winkel 402 90 Grad. Deshalb sind die fortlaufend angeordneten planaren Oberflächen zueinander senkrecht. Andere Winkel zwischen fortlaufend angeordneten planaren Oberflächen sind jedoch in Betracht gezogen worden. Deshalb beinhaltet die Rippe 400 ein sich wiederholendes Faltmuster.
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Die Rippe 400 kann aus einem kontinuierlichen Materialstück geformt werden. Deshalb kann die Rippe 400 durch Fließpressen, Gießen usw. hergestellt werden. Die Rippe 400 kann aus einem geeigneten Material wie einem Metall (z. B. Aluminium, Stahl, usw.) hergestellt werden. Die Breite 452 der Rippen kann 2–3 mm betragen. Ferner kann in einem weiteren Beispiel die Breite 452 der Rippen ≤ 10 mm sein. Die Breiten der Rippen können auf Basis der Viskosität des externen Kühlmittels (z. B. Luft oder Flüssigkeiten) gewählt werden. Ferner kann in manchen Beispielen das Verhältnis zwischen der Breite 452 und einer Länge 454 einer der planaren Oberflächen zwischen 1/1–1/10 oder 1/15 betragen.
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Wie abgebildet definiert die Rippe 400 eine Vielzahl an dreieckigen Luftströmungskanälen 410. Jeder der dreieckigen Luftströmungskanäle 410 wird durch zwei hintereinander angeordnete planare Seiten in der Rippe 400 begrenzt. Es ist klar dass, wenn die Rippe 400 an benachbarte Rippen in einem Satz übereinander angeordneter Rippen gekoppelt ist, benachbarte dreieckige Luftströmungskanäle quadratische Luftströmungskanäle formen.
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5–8 zeigen ein weiteres Beispiel eines Wärmetauschers 500, der im in 1 abgebildeten Fahrzeugsystem enthalten sein kann. Deshalb kann der Wärmetauscher 500 in manchen Beispielen der Wärmetauscher 50, in 1 abgebildet, sein. Deshalb kann der Wärmetauscher 500 von den in 1 abgebildeten Kühlmitteldurchlässen 24 ein geeignetes Kühlmittel oder Kühlmittel von einem anderen geeigneten System erhalten. Insbesondere zeigt 5 einen ersten Kühlkanal 502 entfernt von einem zweiten Kühlkanal 504. Sowohl der erste Kühlkanal als auch der zweite Kühlkanal enthalten einen Einlass 506 und einen Auslass 508. Der Wärmetauscher 500 enthält auch eine Rippenstruktur 510, die sich zwischen dem ersten und dem zweiten Kühlkanal erstreckt (502 und 504). Die Rippenstruktur 510 beinhaltet eine Vielzahl an Rippen 512. Die Rippenstruktur 510 erstreckt sich auch zwischen den Einlässen 506 und den Auslässen 508. In anderen Beispielen kann sich die Rippenstruktur 510 jedoch nur teilweise zwischen den Einlässen 506 und den Auslässen 508 erstrecken. Eine Längsachse, eine Transversalachse und eine Querachse sind als Referenz aufgeführt.
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6 zeigt den in 5 abgebildeten Wärmetauscher 500 ohne den ersten Kühlkanal 502. Äußere, in der Rippenstruktur 510 enthaltene Rippen 600 sind in 6 abgebildet. Es ist klar, dass die planaren Oberflächen 602 der äußeren Rippen 600 an eine Oberfläche (z. B. äußere Oberfläche) des ersten Kühlkanals 502 gekoppelt sein können, in 5 abgebildet. Insbesondere können die planaren Oberflächen 602 mit einer Oberfläche (z. B. äußeren Oberfläche) des ersten Kühlkanals 502 in oberflächenteilendem Kontakt sein, in 5 abgebildet. Dadurch wird die Berührungsfläche zwischen den Rippen und den Kühlkanälen vergrößert, wodurch die Wärmeübertragungskapazität des Wärmetauschers erhöht wird. Die Rippenstruktur 510 beinhaltet wieder eine Vielzahl an übereinander angeordneten Schichten, die eine Vielzahl an sich wiederholenden versetzten Zellstrukturen bilden, die in mehr Detail in Bezug auf 7 besprochen werden.
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7 zeigt einen Teil 700 der in 5 und 6 abgebildeten Rippenstruktur 510. Die Rippenstruktur 510 beinhaltet eine Vielzahl an übereinander angeordneten Rippenschichten samt einer ersten Rippenschicht 710 und einer zweiten Rippenschicht 712, die die Zellstrukturen 702 formen. Die Zellstrukturen 702 haben einen quadratischen Querschnitt. Die Schnittebene für die Querschnitte ist senkrecht zur Querachse. Eine Längsachse und eine Transversalachse sind ebenfalls als Referenz aufgeführt. Außerdem leiten Zellen in nicht-peripheren Abschnitten der Struktur aufgrund der Versetzung zwischen den Zellstrukturen jeweils Luft zu zwei nachgeschalteten Zellstrukturen und/oder erhalten Luft von zwei vorgeschalteten Zellstrukturen. Auf diese Weise wird eine große Anzahl an Strömungspfaden in der Rippenstruktur geformt, wodurch die Turbulenz in der Rippenstruktur erhöht wird und sie weniger anfällig für große Abfälle in der Luftströmung durch die Zellstrukturen, die von beschädigten Rippen und/oder blockierten Zellen verursacht werden, gemacht wird.
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Zusätzlich beinhaltet jede Rippe in der Rippenstruktur ferner seitliche Außenkanten. Die seitlichen Außenkanten 730 der Rippen in der ersten Rippenschicht 710 sind in Kontakt mit den seitlichen Außenkanten 732 der Rippen in der zweiten Rippenschicht 712. Die Kanten (730 und 732) sind parallel zueinander. Andere Ausrichtungen sind jedoch in Betracht gezogen worden.
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Die erste Rippenschicht 710 ist um die Hälfte der Seitenbreite einer der in der Rippenschicht enthaltenen Zellen gegenüber der zweiten Rippenschicht 712 versetzt. Andere Grade der Versetzung sind jedoch in Betracht gezogen worden. Zum Beispiel kann die erste Rippenschicht um ein Viertel der Seitenbreite der Zellen gegenüber der zweiten Rippenschicht versetzt sein. 8 zeigt eine Rippe 800 der in 7 abgebildeten Rippenstruktur 510. Die Rippe 800 beinhaltet eine Vielzahl an fortlaufend angeordneten planaren Oberflächen 802. Die Rippe 800 definiert eine Vielzahl an quadratischen Luftströmungskanälen 804, die durch drei hintereinander angeordnete planare Seiten in der Rippe 800 begrenzt werden. Es ist klar dass, wenn die Rippe 800 an benachbarte Rippen in einem Satz übereinander angeordneter Rippen gekoppelt ist, die quadratischen Luftströmungskanäle durch vier planare Seiten begrenzt werden. Ein Winkel 806 wird zwischen den fortlaufend angeordneten planaren Oberflächen gebildet. Im abgebildeten Beispiel beträgt der Winkel 806 90 Grad. Deshalb sind die fortlaufend angeordneten planaren Oberflächen zueinander senkrecht.
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9 und 10 zeigen ein weiteres Beispiel eines Wärmetauschers 900, der im in 1 abgebildeten Fahrzeugsystem 10 enthalten sein kann. Deshalb kann der Wärmetauscher 900 in manchen Beispielen der Wärmetauscher 50, in 1 abgebildet, sein.
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9 zeigt den Wärmetauscher 900 mit einem ersten Kühlkanal 902, einem zweiten Kühlkanal 904 und einer Rippenstruktur 906, die sich zwischen die Kühlkanäle erstreckt. 10 zeigt den Wärmetauscher 900 ohne den ersten Kühlkanal 902, was einen größeren sichtbaren Teil der Rippenstruktur 906 freilegt. Wie abgebildet ist die Rippenstruktur 906 in einem nicht geradlinigen Winkel 1001 in Bezug auf eine zu einer Vielzahl der planaren Oberflächen in der Rippenstruktur parallele Achse 1000 und einer allgemeinen Richtung 1002 der in die Rippenstruktur eingehenden Luftströmung angeordnet. Insbesondere beträgt der Winkel 1001 15°. Andere Winkel sind jedoch in Betracht gezogen worden.
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11 zeigt eine Detailansicht eines Teils 1100 der in 9 und 10 abgebildeten Rippenstruktur 906. Wie abgebildet ist eine führende Rippenschicht 1102 (z. B. eine äußere Rippenschicht) angeschrägt, um der nicht geradlinigen Ausrichtung (z. B. 15° Justierung) der Rippenstruktur Platz zu bieten. Die führende Rippenschicht beinhaltet eine Vielzahl an übereinander angeordneten Rippen. Jede der Rippen kann in Größe und Geometrie ähnlich sein und ist in Längs- und Querrichtung ausgerichtet. Es ist klar, dass ein hinterer Rippensatz ebenfalls angeschrägt sein kann, um die nicht geradlinige Ausrichtung der Rippenstruktur in Bezug auf die Ausrichtung der in 9 und 10 abgebildeten Kühlmittelleitungen (902 und 904) aufzunehmen. Deshalb sind die führenden und hinteren Rippenschichten abgeschrägt und jede der Zellen in den führenden und hinteren Rippenschichten hat ungleiche Zellgrößen. Insbesondere variiert die Seitenbreite der Zellen im Satz der führenden und hinteren Rippen in einer Längsrichtung. Der Teil 1100 der in 11 abgebildeten Rippenstruktur beinhaltet auch eine zweite Rippenschicht 1104, die gegenüber der führenden Rippenschicht 1102 versetzt ist. Zusätzlich beinhaltet die führende Rippenschicht 1102 eine Vielzahl an Zellen 1106.
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In einem anderen Beispiel kann die Rippenstruktur aus einer pyramidenartigen Struktur bestehen, die vier oder fünf Flächen mit aus kleinen Metallstrukturen bestehenden Ecken wie dünnen Streben oder Stangen beinhaltet. Es ist klar, dass eine pyramidenartige Struktur auch das gewünschte Maß an turbulenter Luftströmung im Wärmetauscher erzeugen kann. 13 zeigt eine pyramidenartige Beispielstruktur 1300, die eine Vielzahl an Stangen 1302 beinhaltet. Die Stangen können in manchen Beispielen einen kreisförmigen Querschnitt oder einen ovalen Querschnitt haben. Die Stangen 1302 können aneinander gekoppelt sein, um dreieckige Zellen 1304 zu bilden. Ein Teil der dreieckigen Zellen 1304 kann in Transversal- und Längsrichtung und ein anderer Teil der Zellen kann in Quer- und Längsrichtung ausgerichtet sein. Es ist klar, dass die pyramidenartige Struktur 1300 an Kühlmittelleitungen gekoppelt sein kann. Insbesondere kann die Struktur 1300 zwei Kühlmittelleitungen dazwischenstellen.
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14 zeigt ein Verfahren 1400 zum Betrieb eines Wärmetauschers. Das Verfahren kann mithilfe eines oder mehrerer der in 1–13 offenbarten Wärmetauscher umgesetzt werden oder mithilfe eines anderen geeigneten Wärmetauschers.
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Bei 1402 beinhaltet das Verfahren das Fließen von Kühlmittel durch einen ersten Kühlkanal und einen zweiten Kühlkanal. Weiter bei 1404 beinhaltet das Verfahren das Strömen turbulenter Luft durch eine Vielzahl an sich wiederholenden versetzten Zellstrukturen, die von einer Vielzahl an übereinander angeordneten Rippenschichten gebildet werden, wobei jede Rippe ein wiederholtes Faltmuster beinhaltet. In einem Beispiel ist die Luftströmung durch die Vielzahl an sich wiederholenden versetzten Zellstrukturen isotrop turbulent. In einem anderen Beispiel sind die versetzten Zellstrukturen in einem nicht geradlinigen Winkel in Bezug auf die Auslassrichtung eines Lüfters angeordnet.
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Es ist zu beachten, dass die hier enthaltenen Beispielroutinen mit verschiedenen Motor- und/oder Fahrzeugsystemkonfigurationen eingesetzt werden können. Als solche können die verschiedenen illustrierten Handlungen, Arbeitsabläufe oder Funktionen in der abgebildeten Abfolge oder parallel ausgeführt oder in manchen Fällen ausgelassen werden. Ebenso ist die Reihenfolge der Verarbeitung nicht notwendigerweise erforderlich, um die Eigenschaften und Vorteile der hier beschriebenen Beispielausführungen zu erzielen, sie wird jedoch zur einfacheren Darstellung und Beschreibung aufgeführt. Eine oder mehrere der dargestellten Handlungen oder Funktionen können wiederholt abhängig von der jeweilig eingesetzten Strategie ausgeführt werden.
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Es ist klar, dass die hier offenbarten Konfigurationen und Verfahren ihrem Wesen nach beispielhaft sind und dass diese bestimmten Ausführungen nicht in einem einschränkenden Sinn aufgefasst werden sollen, da viele Variationen möglich sind. Die obengenannte Technologie kann zum Beispiel auf V6-, R4- (I4-), R6- (I6-), V12-, Boxer-4- und andere Motortypen angewandt werden. Der Gegenstand der aktuellen Offenbarung umfasst alle neuen und nicht offensichtlichen Kombinationen und Unterkombinationen der verschiedenen Systeme und Konfigurationen und andere Eigenschaften, Funktionen und/oder Merkmale, die hier offenbart werden.
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Die folgenden Ansprüche legen insbesondere bestimmte Kombinationen und Unterkombinationen dar, die als neu und nicht offensichtlich betrachtet werden. Diese Ansprüche können auf „ein“ Element oder „ein erstes“ Element oder die Entsprechung eines solchen verweisen. Solche Ansprüche sind so zu verstehen, dass die Einbeziehung eines oder mehrerer solcher Elemente enthalten ist, wobei zwei oder mehrere solcher Elemente weder erforderlich noch ausgeschlossen sind. Andere Kombinationen und Unterkombinationen der offenbarten Eigenschaften, Funktionen, Elemente und/oder Merkmale können durch Änderungen der vorliegenden Ansprüche oder durch Vorlage neuer Ansprüche in dieser oder einer zugehörigen Anmeldung beansprucht werden. Solche Ansprüche, egal ob erweitert, eingeschränkt, gleich oder unterschiedlich im Umfang gegenüber den ursprünglichen Ansprüchen, werden ebenfalls als im Gegenstand der vorliegenden Offenbarung enthalten angesehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2012/0273182 [0002, 0003]
