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Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 der Erfindung. Gemäß Anspruch 10 der Erfindung betrifft dieselbe ferner einen Kühler, insbesondere für ein Fahrzeug, mit zumindest einem derartigen Wärmetauscher.
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Seit geraumer Zeit ist es bekannt, Wärmetauscher, insbesondere Plattenwärmetauscher, mit sogenannten Turbulenzelementen, auch als Turbulenzeinlagen oder Turbulenzbleche bezeichnet, auszustatten, um durch Verwirbelung eines innerhalb eines Strömungskanals des Wärmetauschers strömenden Wärmetauscherfluids, wie beispielsweise Wasser oder Öl, für den Wärmeaustausch nachteilige Grenzschichten im Bereich der den Strömungskanal begrenzenden Wandungen des Wärmetauschers weitestgehend zu vermeiden sowie die Wärmeaustauschfläche zu erhöhen. So beschreibt die
DE 10 2011 009 825 A1 einen Wärmetauscher für insbesondere einen Ladeluftkühler eines Kraftfahrzeugs, mit einem sogenannten Flachrohr, welches innenliegende Turbulenzeinlagen aufweist. Die Turbulenzeinlagen sind jeweils durch ein umgeformtes Blech mit lamellen- bzw. wellenartiger Struktur gebildet. In Verlaufsrichtung der Wellenstruktur gesehen, können die Wellen ein sinusartig gerundetes Profil, ein Trapezprofil, ein Dreiecksprofil oder ein Rechteckprofil ausbilden. Letztere können nicht nur ebenflächige Scheitelwandungen, sondern wie bei besagtem sinusartigen Profil gerundete bzw. gekrümmte Scheitelwandungen aufweisen. Die
US 2006/0243429 A1 und
DE 10 2011 016 625 A1 beschreiben darüber hinaus Wärmetauscher, deren Turbulenzbleche untereinander verbundene Streifenelemente mit jeweils einer Wellenstruktur aufweisen, wobei die Wellenberge und Wellentäler benachbarter Streifenelemente in Verlaufsrichtung derselben bzw. der Wellenstruktur gesehen zueinander versetzt angeordnet sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wärmetauscher zu schaffen, der im Hinblick auf den Stand der Technik bezüglich seiner Wärmetauschereigenschaften weiter optimiert ist. Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, einen Kühler, insbesondere für ein Fahrzeug, mit zumindest einem derartigen Wärmetauscher bereitzustellen.
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Ausgehend von einem Wärmetauscher, insbesondere Platten-Wärmetauscher, welcher zumindest einen von einem Wärmetauscherfluid durchströmten Strömungskanal ausbildet, der von gegenüberliegend angeordneten Wandelementen begrenzt ist, wobei innerhalb des Strömungskanals wenigstens ein Turbulenzelement angeordnet ist, wobei das wenigstens eine Turbulenzelement zwei oder mehrere nebeneinander verlaufende sowie untereinander verbundene Streifenelemente umfasst, wobei die Streifenelemente in Verlaufsrichtung derselben wellenförmig mit Wellenbergen und Wellentälern ausgebildet sind, und wobei die Streifenelemente im Bereich der Scheitel besagter Wellenberge und Wellentäler an den Wandelementen abgestützt oder befestigt sind, wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass die Streifenelemente zumindest abschnittsweise quer zu ihrer Verlaufsrichtung gewölbt ausgebildet sind.
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Durch diese Maßnahme ist bei Realisierung von Verwirbelungen im strömenden Wärmetauscherfluid vorteilhaft eine Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche zu verzeichnen, welche die Leistungsfähigkeit des Wärmetauschers verbessert. Unter „quer zu ihrer Verlaufsrichtung gewölbt“ wird nicht nur ein Profilquerschnitt des jeweiligen Streifenelements mit einem ausschließlich gekrümmten Verlauf verstanden, sondern auch ein Profilquerschnitt, der teilweise geradlinige Abschnitte aufweist oder ausschließlich aus geradlinigen Abschnitten besteht. So kann besagter Profilquerschnitt z.B. auch einen Verlauf aufweisen, der sich an der Grundform eines Trapezes, eines Rechtecks oder eines Dreiecks orientiert. Jeglicher andere geeignete Verlauf, beispielsweise auch ein Verlauf mit Radien in den Ecken ist durch die Erfindung ebenfalls mit erfasst.
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Die Unteransprüche beschreiben bevorzugte Weiterbildungen oder Ausgestaltungen der Erfindung.
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Eine einfache und funktionssichere Ausführungsform der Erfindung erzielt man dadurch, dass die Streifenelemente bevorzugt im Bereich ihrer Wellenberge und/oder Wellentäler und weiter bevorzugt zum jeweils benachbarten Wandelement hin, d.h., konvex gewölbt ausgebildet sind.
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Um die Wärmetauschereigenschaften des Wärmetauschers noch weiter zu verbessern, kann vorgesehen sein, dass die Wölbung quer zur Verlaufsrichtung der Streifenelemente im Bereich der Scheitel um eine topfförmige Ausbuchtung mit einem planen Boden zum jeweils benachbarten Wandelement hin ergänzt ist. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die Wölbung quer zur Verlaufsrichtung der Streifenelemente im Bereich der Scheitel, eine plane Kontaktfläche zum Wandelement ausbildend, zumindest teilweise unterbrochen ist. Durch diese Maßnahmen ist zum einen vorteilhaft die Kontaktfläche zwischen dem jeweiligen Streifenelement und den benachbarten Wandelementen vergrößert. Zum anderen ist die Fügeverbindung zwischen den Streifenelementen und den besagten Wandelementen verbessert.
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Um eine Variation der Durchströmrichtung des von den Wandelementen begrenzten Strömungskanals zu ermöglichen, sind in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung die Wellenberge und Wellentäler benachbarter Streifenelemente in Verlaufsrichtung derselben gesehen zueinander versetzt angeordnet.
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Gemäß einer besonders einfachen und zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung sind die Streifenelemente derart geformt, dass diese in Verlaufsrichtung derselben gesehen jeweils eine Sinus- oder Kosinuskurve bzw. -welle beschreiben. Hierbei sind die Wellenberge und Wellentäler benachbarter Streifenelemente in Verlaufsrichtung derselben gesehen bevorzugt um eine viertel oder eine halbe Wellenlänge „α“ zueinander versetzt angeordnet.
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Bevorzugt bildet das wenigstens eine Turbulenzelement die zwei oder mehreren Streifenelemente einteilig aus, woraus Einsparungen an Material sowie an Fertigungs- und Montagekosten resultieren.
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Bevorzugt ist das wenigstens eine Turbulenzelement ein Blechteil und nach einem an sich bekannten Blech-Press- bzw. Blech-Stanz-Verfahren aus einer Blechplatine geformt und/oder herausgearbeitet. Alternativ kann das Turbulenzelement auch ein metallenes Gussteil sein.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht das wenigstens eine Turbulenzelement aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, welcher Werkstoff eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit mit einem sehr guten Umformverhalten kombiniert.
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Die Erfindung betrifft auch einen Kühler, insbesondere für ein Fahrzeug, mit zumindest einem Wärmetauscher der vorstehend beschriebenen Art.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand der in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Sie ist jedoch nicht auf diese beschränkt, sondern erfasst alle durch die Patentansprüche definierten Ausgestaltungen. Es zeigen:
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1 eine Schnittdarstellung eines Wärmetauschers, insbesondere Platten-Wärmetauscher, mit Turbulenzelementen nach dem Stand der Technik,
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2 eine perspektivische Einzeldarstellung eines Turbulenzelements des Wärmetauschers nach 1 (Stand der Technik),
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3 eine perspektivische Darstellung eines erfindungswesentlichen und aus untereinander verbundenen, wellenförmigen Streifenelementen bestehenden Turbulenzelements eines erfindungsgemäß ausgebildeten Wärmetauschers,
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4 eine Seitenansicht eines zwischen Wandelementen des erfindungsgemäß ausgebildeten Wärmetauschers angeordneten Turbulenzelements nach 3,
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5 eine vorteilhafte Weiterbildung des Turbulenzelements nach 3 und 4, und
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6a–d äußerst schematisch beispielgebend vier weitere mögliche Querschnitte bzw. Profilquerschnitte der besagten Streifenelemente nach 3 bzw. 4 (Schnitt „I-I“ nach 4).
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1 zeigt einen Wärmetauscher
1, insbesondere Platten-Wärmetauscher
1, nach dem Stand der Technik (
DE 10 2011 016 625 A1 ). Der gezeigte Wärmetauscher
1 bildet beispielsweise einen Kühler, insbesondere einen Ölkühler eines nicht zeichnerisch dargestellten Kraftfahrzeugs aus. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel besteht der Wärmetauscher
1 zunächst aus mehreren, vorliegend vier ineinander gesteckten wannenförmigen Wandelementen
2, auch als Wärmetauscherplatten bezeichnet, die jeweils einen hochgezogenen, umlaufenden Rand
3 aufweisen. Mittels einer Randerweiterung
4 wird der Rand
3 eines benachbarten, vorliegend des jeweils darüber liegenden Wandelements
2 übergriffen. Die jeweils gegenüberliegenden Wandelemente
2 begrenzen einen von Wärmetauscherfluid
5,
6, vorliegend beispielgebend Öl und Wasser, durchströmte Strömungskanäle
7,
8 aus, welche einander zugeordnete Durchtrittsöffnungen
9 und
10 für das betreffende Wärmetauscherfluid
5,
6 aufweisen.
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Innerhalb der gebildeten Strömungskanäle 7, 8 ist jeweils ein in 2 detaillierter dargestelltes Turbulenzelement 11 angeordnet. Das Turbulenzelement 11 umfasst vorliegend mehrere nebeneinander verlaufende sowie untereinander einstückig verbundene Streifenelemente 12. Das Turbulenzelement 11 kann auch aus einer Mehrzahl separat hergestellter und nachfolgend untereinander gefügter Streifenelemente 12 bestehen (nicht zeichnerisch dargestellt). Bevorzugt jedoch ist das Turbulenzelement 11 ein einstückiges Blechteil, wobei deren Streifenelemente 12 nach einem an sich bekannten Blech-Press- bzw. Blech-Stanz-Verfahren aus einer Ausgangs-Blechplatine geformt und/oder herausgearbeitet sind.
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In Verlaufsrichtung 13 der Streifenelemente 12 sind dieselben alternierend mit Wellenbergen 14 und Wellentälern 15 ausgebildet. Gemäß dieser Ausführung weisen die Wellenberge 14 und Wellentäler 15 ein Profil auf, welches sich an der Grundform eines Trapezes orientiert. Im Bereich der Scheitel 16 der Wellenberge 14 und Wellentäler 15 der Streifenelemente 12 sind Fügestellen 17 vorgesehen, in denen das Turbulenzelement 11 mit dem jeweils benachbarten Wandelement 2 fest verbunden, vorzugsweise verlötet ist.
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Wie der 2 weiter zu entnehmen ist, sind die Wellenberge 14 und Wellentäler 15 benachbarter Streifenelemente 12 in Verlaufsrichtung 13 derselben gesehen zueinander versetzt angeordnet. Hierdurch sind durch umformbedingte Schlitzung der Ausgangs-Blechplatine zusätzliche Öffnungen 18 im fertigen Turbulenzelement 11 geschaffen, die ein Durchströmen des Turbulenzelements 11 sowohl quer zur Verlaufsrichtung 13 (Richtungspfeil 19) als auch in Verlaufsrichtung 13 (Richtungspfeil 20) der Streifenelemente 12 erlauben.
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Um die Wärmetauschereigenschaften beispielsweise des vorstehend beschriebenen Wärmetauschers 1 weiter zu verbessern, ist gemäß den 3 und 4 eine Optimierung der Streifenelemente 12´ des Turbulenzelements 11 dahingehend vorgenommen, dass die Streifenelemente 12´ zumindest abschnittsweise quer zur Verlaufsrichtung 13 derselben gewölbt und zwar gemäß diesem Ausführungsbeispiel sowohl im Bereich ihrer Wellenberge 14 als auch im Bereich ihrer Wellentäler 15 zum jeweils benachbarten Wandelement 2 hin respektive konvex gewölbt ausgebildet sind. D. h., die Wellenberge 14 sind quer zur Verlaufsrichtung 13 der Streifenelemente 12´ gesehen zum darüber liegenden Wandelement 2 und die Wellentäler 15 sind quer zur Verlaufsrichtung 13 der Streifenelemente 12´ gesehen zum darunter liegenden Wandelement 2 hin respektive konvex gewölbt ausgebildet. Hierdurch ist im Hinblick auf den vorstehend beschriebenen Stand der Technik (1 und 2) vorteilhaft eine vergrößerte Wärmeaustauschfläche bewirkt, die mit einer verbesserten Leistungsfähigkeit des Wärmetauschers 1 einhergeht.
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Des Weiteren unterscheiden sich die erfindungsgemäß ausgebildeten Streifenelemente 12´ zu den Streifenelementen 12 nach dem Stand der Technik weiter dahingehend, dass die Streifenelemente 12´ derart geformt sind, dass diese in Verlaufsrichtung 13 derselben gesehen jeweils eine Sinus- oder Kosinuskurve beschreiben. Sind, wie in den 3 und 4 gezeigt, die Wellenberge 14 und Wellentäler 15 benachbarter Streifenelemente 12´ in Verlaufsrichtung 13 derselben gesehen zueinander versetzt angeordnet, hat sich für den Versatz eine viertel oder eine halbe Wellenlänge „α“ als besonders vorteilhaft erwiesen (vgl. insbes. 4), um infolge umformbedingter Schlitzung der Ausgangs-Blechplatine ausreichend Durchfluss-Öffnungen 18 im fertigen Turbulenzelement 11 zu schaffen.
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Das Turbulenzelement 11 nach 5 unterscheidet sich zu dem in den 3 und 4 gezeigten Turbulenzelement 11 dadurch, dass die Wölbung quer zur Verlaufsrichtung 13 der Streifenelemente 12´ im Bereich der Scheitel 16 um eine topfförmige Ausbuchtung 21 mit einem planen oder nahezu planen Boden 22 zum jeweils benachbarten Wandelement 2 hin ergänzt ist. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die besagte Wölbung quer zur Verlaufsrichtung 13 der Streifenelemente 12´ im Bereich der Scheitel 16 unterbrochen ist und so sozusagen eine plane Anschluss- bzw. Kontaktfläche zum benachbarten Wandelement 2 ausbildet. Durch diese Maßnahmen sind, wie bereits oben dargetan, vorteilhaft die Kontaktfläche und die Fügestelle 17 zwischen dem jeweiligen Streifenelement 12´ und den benachbarten Wandelementen 2 vergrößert.
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Wie bereits oben angedeutet, wird unter der Angabe „quer zu ihrer Verlaufsrichtung 13 gewölbt ausgebildete Streifenelemente 12´ bzw. gewölbt ausgebildete Wellenberge 14 und/oder Wellentäler 15 derselben“ somit nicht nur ein bevorzugter Profilquerschnitt des jeweiligen Streifenelements 12´ mit einem ausschließlich gekrümmten, insbesondere konvex gekrümmten Verlauf (vgl. insbes. 3 und 5a) verstanden, sondern auch ein Profilquerschnitt mit erfasst, der quer zur Verlaufsrichtung 13 der Streifenelemente 12´ gesehen teilweise geradlinige Abschnitte aufweist (5) oder ausschließlich aus geradlinigen Abschnitten besteht. So kann besagter Profilquerschnitt der Streifenelemente 12´ z.B. auch einen Verlauf aufweisen, der sich an der Grundform eines Trapezes (6b), eines Rechtecks (6c) oder eines Dreiecks (6d) orientiert. Darüber hinaus ist jeglicher andere, nicht zeichnerisch dargestellte Verlauf, beispielsweise auch ein Verlauf mit Radien in den Ecken durch die Erfindung mit erfasst. Die 6a bis 6d zeigen dabei lediglich beispielgebend eine Schnittansicht eines Wellenberges 14, wobei die Wölbung desselben in Bezug auf das Zeichnungsblatt nach oben zum oben liegenden Wandelement 2 weist und an dasselbe im Bereich der Fügestelle 17 angebunden ist (Schnitt „I-I“ nach 4). Ist demgegenüber oder wie vorliegend zusätzlich das jeweilige Wellental 15 quer zur Verlaufsrichtung 13 des Streifenelementes 12´ gewölbt ausgebildet, weist die betreffende Wölbung nach unten zum untenliegenden Wandelement 2 und ist an dasselbe im Bereich der Fügestelle 17 angebunden.
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Der Wärmetauscher 1 samt der Wandelemente 2 und der mit Streifenelementen 12´ ausgebildeten Turbulenzelemente 11 besteht bevorzugt aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, welcher Werkstoff über ausgezeichnete Wärmeleiteigenschaften und ein sehr gutes Umformverhalten verfügt. Die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht auf diesen Werkstoff, sondern erfasst jedweden, sehr gut bis gut wärmeleitenden, insbesondere metallenen Werkstoff, wie beispielsweise Kupfer, eine Kupferlegierung oder ein Edelstahl.
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Ferner beschränkt sich die Erfindung auch nicht auf ein als Blechteil ausgebildetes Turbulenzelement 11, sondern erfasst auch ein Turbulenzelement 11, welches durch ein metallenes Gussteil gebildet ist (nicht zeichnerisch dargestellt).
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wärmetauscher
- 2
- Wandelement
- 3
- Rand
- 4
- Randerweiterung
- 5
- Wärmetauscherfluid
- 6
- Wärmetauscherfluid
- 7
- Strömungskanal
- 8
- Strömungskanal
- 9
- Durchtrittsöffnung
- 10
- Durchtrittsöffnung
- 11
- Turbulenzelement
- 12
- Streifenelement
- 12´
- Streifenelement
- 13
- Verlaufsrichtung
- 14
- Wellenberg
- 15
- Wellental
- 16
- Scheitel (Wellenberg 14 / Wellental 15)
- 17
- Fügestelle
- 18
- Öffnung
- 19
- Richtungspfeil
- 20
- Richtungspfeil
- 21
- Ausbuchtung
- 22
- Boden
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011009825 A1 [0002]
- US 2006/0243429 A1 [0002]
- DE 102011016625 A1 [0002, 0022]
