DE102017009424A1

DE102017009424A1 - Wärmetransferelement, das in einem Strömungsweg eines Wärmetauschers anzuordnen ist

Info

Publication number: DE102017009424A1
Application number: DE102017009424.1A
Authority: DE
Inventors: Björn Kylefors; Jonathan Elamzon
Original assignee: Scania CV AB
Current assignee: Scania CV AB
Priority date: 2016-10-26
Filing date: 2017-10-11
Publication date: 2018-04-26
Also published as: SE1651402A1; SE541820C2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wärmetransferelement (7, 13), das in einem Strömungsweg (5, 6) für ein Medium in einem Wärmetauscher (1) anzuordnen ist. Das Wärmetransferelement (7, 13) besteht aus einem dünnen, gewellten Metallblech mit einer derartigen Auslegung, dass es den Strömungsweg (5, 6) in eine Vielzahl paralleler Strömungskanäle unterteilt, wobei das Wärmetransferelement (7, 13) zumindest ein Strömungsablenkelement (10, 14) umfasst, das in Kontakt mit dem Medium in dem Strömungsweg (5, 6) steht. Das Strömungsablenkelement (10, 14) ist konfiguriert, um seine Form in Relation zu dessen Temperatur derart zu verändern, dass es verschiedene Formen und verschiedene Ablenkeigenschaften der Medienströmung bei zumindest zwei verschiedenen Temperaturen annimmt.

Description

Hintergrund der Erfindung und Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wärmetransferelement, das in einem Strömungsweg in einem Wärmetauscher anzuordnen ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Wärmetauscher, wie Radiatoren und Ladeluftkühler, die durch Umgebungsluft in einem vorderen Abschnitt eines Fahrzeugs gekühlt werden, können mit einer Vielzahl paralleler Schläuche ausgelegt sein, die in einer Reihe angeordnet ist und die Kühlmittel oder Ladeluft aus einem Einlasstank zu einem Auslasstank führt. Die Schläuche sind bei einem Abstand voneinander derart angeordnet, dass Luftströmungswege zwischen den Schläuchen ausgebildet werden. Luft wird als Fremdbelüftung durch die Luftströmungswege mittels eines Radiatorgebläses und Stauluft während des Betriebs des Fahrzeugs eingeführt. Wärmetransferelemente in Form von Lamellen können in den Luftströmungswegen angeordnet sein, um die Wärmetransferfläche zu vergrößern und den Wärmetransfer zwischen der Luft und dem Kühlmittel oder der Ladeluft in den Schläuchen zu erhöhen. Des Weiteren können Lamellen mit Strömungsablenkelementen in Form von Lüftungsöffnungen versehen werden, die die turbulente Strömung in den Luftströmungswegen erhöhen. Die turbulente Strömung steigert den Wärmetransfer zwischen der Luft und dem Kühlmittel oder der Ladeluft in den Schläuchen noch weiter. Lüftungsöffnungen weisen jedoch Nachteile auf. Die turbulente Luftströmung erhöht den Druckabfall in den Luftströmungswegen, was zu einer höheren Last auf das Radiatorgebläse und zu einem erhöhten Brennstoffverbrauch des Fahrzeugs führt. Des Weiteren steigert das Vorhandensein der Lüftungsöffnungen das Risiko, dass die Luftströmungswege mit Schmutz verstopft werden, was die Kühlkapazität des Radiators und des Ladeluftkühlers verringert.
Es ist ebenso üblich, die Strömungswege in den Schläuchen in einem Radiator und einem Ladeluftkühler mit Wärmetransferelementen und Strömungsablenkelementen zu versehen, um den Wärmetransfer in dem Radiator zu erhöhen. Das Vorhandensein der Strömungsablenkelemente in den Schläuchen eines Radiators erhöht jedoch den Strömungswiderstand und die Last für eine Kühlmittelpumpe, um das Kühlmittel durch den Radiator zirkulieren zu lassen. Das Vorliegen der Strömungsablenkelemente in den Schläuchen eines Ladeluftkühlers erhöht den Strömungswiderstand und die Last eines Kompressors, um die Ladeluft durch den Ladeluftkühler zu führen.
Es sei darauf hingewiesen, dass Wärmetransferelemente und Strömungsablenkelemente in Strömungswegen in Wärmetauschern auf eine beliebige Art und Weise angeordnet werden können, um den Wärmetransfer in dem Wärmetauscher zu erhöhen.
Kurzfassung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung von Wärmetransferelementen mit Ablenkelementen, die eine erhöhte turbulente Strömung in einem Medienweg lediglich dann veranlassen, wenn ein erhöhter Bedarf an Wärmetransfer in dem Wärmetauscher vorliegt.
Die vorstehend beschriebene Aufgabe wird durch das Wärmetransferelement gemäß Anspruch 1 gelöst. Die Erfindung betrifft ein Wärmetransferelement für einen Wärmetauscher. Der Wärmetransfer zwischen zwei Medien in dem Wärmetauscher kann erhöht werden, indem Wärmetransferelemente in einem Strömungsweg für zumindest eines der Medien angeordnet werden. In dem Fall, in dem ein zu kühlendes Medium eine zu hohe Temperatur aufweist, wenn es den Wärmetauscher verlässt, ist es angebracht, den Wärmetransfer in dem Wärmetauscher zu erhöhen, um das Medium auf eine niedrigere Temperatur abzukühlen. Der Wärmetransfer in einem Strömungsweg bezieht sich auf die Proportion der turbulenten Strömung in dem Strömungsweg. Das turbulente Strömungsniveau kann erhöht werden, indem die Wärmetransferelemente mit Strömungsablenkelementen versehen werden. Die Strömungsablenkelemente nehmen eine Temperatur an, die auf das Medium in dem Strömungsweg bezogen ist. Somit bezieht sich der Wärmetransfer in dem Wärmetauscher ebenso auf die Temperatur des Strömungsablenkelements. Gemäß der Erfindung bestehen die Strömungsablenkelemente aus einem Material, das seine Form in Relation zu dessen Temperatur verändert. Das Strömungsablenkelement ist konfiguriert, um seine Form in Relation zu dessen Temperatur derart zu verändern, dass es verschiedene Formen und verschiedene Ablenkeigenschaften der Medienströmung bei zumindest zwei verschiedenen Temperaturen annimmt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist es möglich, solche Strömungsablenkelemente derart auszulegen, dass sie ihre Form verändern und die Medienströmung in dem Strömungsweg ablenken, wenn die Temperatur der Strömungsablenkelemente angibt, dass ein erhöhter Bedarf an Wärmetransfer vorliegt. Ein erhöhter Bedarf an Wärmetransfer in einem Wärmetauscher liegt vor, wenn ein Medium nicht auf eine gewünschte Temperatur abgekühlt wird. Ein hinreichender Bedarf an Wärmetransfer in einem Wärmetauscher liegt vor, wenn das Medium auf die gewünschte Temperatur abgekühlt wird. Die Strömungsablenkelemente können ausgelegt werden, eine Form aufzuweisen, die die Medienströmung nicht ablenkt, wenn ein hinreichender Wärmetransfer in dem Wärmetauscher vorliegt. Folglich ermöglichen solche Strömungsablenkelemente eine Erhöhung der turbulenten Strömung und den Wärmetransfer in dem Wärmetauscher lediglich dann, wenn ein erhöhter Bedarf an Wärmetransfer vorliegt. Es ist möglich, den Strömungswiderstand in dem Strömungsweg zu verringern und Energie zum Führen des Mediums durch den Wärmetauscher während Betriebsbedingungen einzusparen, wenn ein hinreichender Wärmetransfer in dem Wärmetauscher vorliegt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Strömungsablenkelement konfiguriert, um in einen Strömungskanal überzustehen, wenn es sich in einer Ablenkposition befindet. Ein solches Strömungsablenkelement sieht eine turbulente Strömung in dem Strömungskanal in der Ablenkposition vor. Das Wärmetransferelement kann mit zumindest einem Strömungsablenkelement für jeden Strömungskanal versehen sein. Alternativ oder in Kombination ist das Strömungsablenkelement konfiguriert, um eine Öffnung zwischen zwei angrenzenden Strömungskanälen freizugeben, wenn es sich in einer Ablenkposition befindet. In diesem Fall ist es für das Medium möglich, zwischen angrenzenden Strömungskanälen zu strömen, was die turbulente Strömung in den Strömungskanälen weiter steigert.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht das Strömungsablenkelement aus einem teilweise ausgebrochenen Abschnitt in dem Wärmetransferelement und einem metallischen Material, das mit dem ausgebrochenen Abschnitt in dem Wärmetransferelement verbunden ist. Es ist möglich, ein Strömungsablenkelement vorzusehen, das seine Form in Relation zu der Temperatur verändert, indem ein geeignetes metallisches Material zu einer Oberfläche eines teilweise ausgebrochenen Abschnitts in dem Wärmetransferelement hinzugefügt wird. Das metallische Material kann ein Metallstreifen sein, der fest mit dem teilweise ausgebrochenen Abschnitt verbunden ist. Der Metallstreifen kann fest mit einer Oberfläche des teilweise ausgebrochenen Abschnitts verbunden sein, zum Beispiel durch Stanzen, Schmieden, Löten, Schweißen, Kleben usw. Alternativ ist das metallische Material eine metallische Schicht, die auf den ausgebrochenen Abschnitt aufgetragen wird. Ein solches metallisches Material kann auf eine Oberfläche des teilweise ausgebrochenen Abschnitts durch Aufsprühen, Sputtern usw. aufgetragen werden. In diesem Fall ist es möglich, den teilweise ausgebrochenen Abschnitt mit einer sehr dünnen metallischen Materialschicht zu versehen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind das Metall in dem Wärmetransferelement und das metallische Material verschiedene Metalle mit verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. In diesem Fall generieren das Metall in dem ausgebrochenen Abschnitt und das hinzugefügte Metallmaterial ein Strömungsablenkelement mit bimetallischen Eigenschaften. Folglich nimmt das Strömungsablenkelement eine gekrümmte Form in Relation zu der Temperatur an. In diesem Fall werden die Ablenkung der Medienströmung und der Wärmetransfer auf eine stufenlose Art und Weise in Relation zu der Temperatur des Strömungsablenkelements eingestellt. Es können zum Beispiel Aluminium und Kupfer als die Materialien in dem Wärmetransferelement und dem hinzugefügten metallischen Material verwendet werden. Gemäß einer anderen Alternative können die Metalle Kupfer und ein ferritischer Edelstahl sein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das metallische Material eine Legierung mit Formgedächtnis mit einem Gedächtniseffekt in zwei Wegen. In diesem Fall kann das metallische Material zwei verschiedene Formen annehmen, eine Form bei einer niedrigen Temperatur und eine andere Form bei einer hohen Temperatur. Der ausgebrochene Abschnitt ist derart bemaßt, dass er sich zusammen mit dem hinzugefügten metallischen Material krümmt. Das metallische Material kann zum Beispiel eine Legierung aus Kupfer-Aluminium-Nickel oder Nickel-Titan sein, die ihre Form bei geeigneten Temperaturen verändert. In diesem Fall ist es möglich, die Form eines Strömungsablenkelements zwischen zwei Positionen einzustellen, die eine Ablenkposition und eine nicht-ablenkende Position sein können.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der teilweise ausgebrochene Abschnitt mit einem festen Ende, das fest mit dem Wärmetransferelement verbunden ist, einem freien Ende und zwei Seiten ausgelegt, die das freie Ende und das feste Ende verbinden. In diesem Fall kann das Strömungsablenkelement eine rechteckige Form aufweisen. Das freie Ende wird Teil des Strömungsablenkelements, das mit der größten Distanz in den Strömungsweg übersteht. Das freie Ende kann bei einer in Flussrichtung nachgelegenen Position des festen Endes unter Bezugnahme auf die beabsichtigte Strömungsrichtung durch den Strömungsweg lokalisiert sein. In diesem Fall wird die Medienströmung, die auf das Strömungsablenkelement trifft, in eine mehr oder weniger transversale Richtung in dem Strömungskanal geführt. Alternativ kann das feste Ende des ausgebrochenen Abschnitts in einer in Flussrichtung nachliegenden Position des freien Endes unter Bezugnahme auf die beabsichtigte Strömungsrichtung durch die Strömungskanäle lokalisiert sein. In diesem Fall wird die Medienströmung, die auf das Strömungsablenkelement trifft, von einem Strömungskanal in einen angrenzenden Strömungskanal über eine Öffnung zwischen den Strömungskanälen abgelenkt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst das Wärmetransferelement einen ersten Abschnitt, der fest mit einer Oberfläche zu verbinden ist, die eine Seite des Strömungswegs definiert, einen zweiten Abschnitt, der fest mit einer Oberfläche zu verbinden ist, die eine gegenüberliegende Seite des Strömungswegs definiert, und einen zwischenliegenden Abschnitt, der eine Ausdehnung den Strömungskanal zwischen den Endabschnitten kreuzen lässt. In diesem Fall kann das Wärmetransferelement eine Wellenform mit einem V-Profil oder einem U-Profil aufweisen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Wärmetransferelement mit Strömungsablenkabschnitten versehen, die in verschiedenen in Flussrichtung nachgelegenen Positionen in dem Strömungsweg angeordnet sind. Die Temperatur des Mediums variiert entlang des Strömungswegs. In diesem Fall ist es möglich, dass die Strömungsablenkelemente eine andere Ablenkung der Medienströmung in verschiedenen in Flussrichtung nachgelegenen Positionen in dem Strömungskanal aufweisen.
Wärmetransferelemente mit Strömungsablenkelementen, die ihre Form mit der Temperatur verändern, können in einem Wärmetauscher auf beliebige Art und Weise angeordnet werden. Der Wärmetauscher kann zum Beispiel ein Radiator sein, in dem Kühlmittel durch Luft gekühlt wird, oder ein Ladeluftkühler sein, in dem Ladeluft durch Luft gekühlt wird. Wärmetransferelemente gemäß der Erfindung können in einem Strömungsweg oder zwei Strömungswegen in dem Wärmetauscher angeordnet werden. Der Wärmetauscher kann zumindest eine Zone, die mit Wärmetransferelementen gemäß der Erfindung versehen ist, und zumindest eine Zone umfassen, die mit herkömmlichen Wärmetransferelementen versehen ist. Wenn ein Thermostat sich in einem Kühlsystem öffnet und heißes Kühlmittel auf den Radiator führt, heizen sich womöglich Zonen des Radiators schneller auf als andere Zonen. Temperaturdifferenzen zwischen verschiedenen Zonen in einem Radiator führen zu thermischen Belastungen, die die Standzeit des Radiators verringern können. Üblicherweise ist bekannt, welche Zonen eines Radiators eine kurze Aufheizzeit und eine lange Aufheizzeit aufweisen. Aufgrund dieser Tatsache ist es möglich, Wärmetransferelemente gemäß der Erfindung in Zonen mit einer langen Aufheizzeit anzuordnen und herkömmliche Wärmetransferelemente in Zonen mit einer kurzen Aufheizzeit anzuordnen, um die Aufheizzeiten zwischen den Zonen auszugleichen und die thermische Belastung in dem Radiator zu verringern.
Figurenliste
Nachfolgend sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung als Beispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

1 einen Wärmetauscher in Form eines Radiators, der Wärmetransferelemente gemäß der Erfindung umfasst,
2 einen Teil des Radiators gemäß 1,
3 eine Querschnittsansicht entlang der Ebene A-A gemäß 2, in der sich die Strömungsablenkelemente in einer nicht-ablenkenden Position befinden,
4 eine Querschnittsansicht entlang der Ebene A-A gemäß 2, in der die Strömungsablenkelemente sich in einer Ablenkposition befinden,
5 eine Querschnittsansicht durch einen der Schläuche gemäß 1,
6 eine Querschnittsansicht entlang der Ebene B-B gemäß 5, in der sich die Strömungsablenkelemente in einer nicht-ablenkenden Position befinden, und
7 eine Querschnittsansicht entlang der Ebene B-B gemäß 5, in der sich die Strömungsablenkelemente in einer Ablenkposition befinden.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung
1 zeigt einen Wärmetauscher in Form eines Radiators 1, der in einem Fahrzeug angeordnet werden kann. Der Radiator 1 nimmt Kühlmittel auf, das in einem Kühlsystem zum Abkühlen von Komponenten, wie einer Brennkraftmaschine, in dem Fahrzeug zirkuliert. Der Radiator 1 umfasst einen Einlasstank 2, der zu kühlendes Kühlmittel aufnimmt. Das Kühlmittel wird aus dem Einlasstank 2 zu einem Wärmetransferbereich 3 des Radiators geführt. Der Wärmetransferbereich 3 umfasst eine Vielzahl von Schläuchen 4, die in einer Reihe parallel angeordnet ist. Luftströmungswege 5 sind in den Zwischenräumen zwischen angrenzenden Schläuchen 4 angeordnet. Jeder Schlauch 4 umfasst einen Innenraum, der einen Kühlmittelströmungsweg 6 durch den Wärmetransferbereich 3 definiert. Die Kühlmittelströmung wird den Kühlmittelströmungswegen mittels einer nicht gezeigten Kühlmittelpumpe beaufschlagt. Eine Kühlluftströmung wird den Luftströmungswegen in dem Radiator 1 mittels eines Radiatorgebläses und Stauluft beaufschlagt. Wärmetransferelemente 7, die als Lamellen ausgelegt werden können, sind in den Luftströmungswegen 5 angeordnet. Das Vorhandensein der Wärmetransferelemente 7 erhöht den Wärmetransferbereich und somit den Wärmetransfer zwischen der Luft und dem Kühlmittel in den Schläuchen 4. Das Kühlmittel, das den Wärmetransferbereich 3 verlässt, wird in einem Auslasstank 8 aufgenommen.
2 zeigt einen Teil des Radiators 1 gemäß 1. Die Schläuche 4 weisen einen verlängerten Querschnittsbereich auf. Folglich weisen die Schläuche 4 eine kleine Frontoberfläche und vergleichsweise große flache äußere Oberflächen 4a auf, die den Luftströmungsweg 5 zwischen 2 angrenzenden Schläuchen 4 definieren. Die Wärmetransferelemente 7 werden durch ein gefaltetes dünnes Metallblech ausgebildet. Die Wärmetransferelemente 7 umfassen erste Endabschnitte 7a, die fest mit einer äußeren Oberfläche 4a des Schlauchs 4 auf einer Seite des Luftströmungswegs 5 zu verbinden sind, zweite Endabschnitte 7b, die fest mit einer äußeren Oberfläche 4a eines Schlauchs 4 auf einer gegenüberliegenden Seite des Luftströmungswegs 5 zu verbinden sind, und zwischenliegende Abschnitte 7c, die jeweils eine Ausdehnung zwischen einem ersten Endabschnitt 7a und einen zweiten Endabschnitt 7b aufweisen. Die Wärmetransferelemente 7 unterteilen die Luftströmungswege 5 in eine große Zahl vergleichsweise schmaler Luftströmungskanäle 5a, die parallel angeordnet sind. Die Wärmetransferelemente 7 werden aus einem Material mit hervorragenden Wärmeleiteigenschaften hergestellt, wie zum Beispiel Aluminium oder Kupfer. Jeder zwischenliegende Abschnitt 7c weist Seitenoberflächen auf, die in Wärmetransferkontakt mit der Luft in dem Luftströmungsweg 5 stehen. Die zwischenliegenden Abschnitte 7c sind mit einer Vielzahl von teilweise ausgebrochenen Abschnitten 7d versehen. Der teilweise ausgebrochene Abschnitt 7d umfasst ein festes Ende 7e, das fest mit dem Wärmetransferelement 7 verbunden ist, ein freies Ende 7f und zwei Seiten 7g, 7h, die das feste Ende 7e und das freie Ende 7f verbinden. Ein metallisches Material 9 ist auf einer Oberfläche der ausgebrochenen Abschnitte 7d angeordnet. Die teilweise ausgebrochenen Abschnitte 7d und das metallische Material 9 bilden Luftablenkelemente 10 aus. Die Wärmetransferelemente 7 umfassen mehrere Luftablenkelemente 10, die in verschiedenen in Strömungsrichtung nachgelegenen Positionen in dem Luftströmungswegs 5 angeordnet sind.
3 und 4 zeigen eine Ansicht in der Ebene A-A gemäß 2 von zwei Strömungskanälen 5a in dem Luftströmungswegs 5. Der teilweise ausgebrochene Abschnitt 7d weist eine Ausdehnung in einer beabsichtigten Strömungsrichtung in den Strömungskanälen 5a zwischen dem festen Ende 7e und dem freien Ende 7f auf. Eine Seite des teilweise ausgebrochenen Abschnitts 7d wurde mit dem metallischen Material 9 derart versehen, dass der teilweise ausgebrochene Abschnitt 7d und das metallische Material 9 zusammen das Strömungsablenkelement 10 ausbilden. Das Wärmetransferelement 7 und das metallische Material 9 umfassen verschiedene Metalle, die sich mit verschiedenen Raten bei Erwärmung ausdehnen. Das metallische Material 9 kann ein dünner Metallstreifen sein, der fest mit einer Oberfläche des teilweise ausgebrochenen Abschnitts 7d durch Löten, Schweißen, Kleben usw. verbunden ist. Alternativ kann das metallische Material 9 auf den teilweise ausgebrochenen Abschnitts 7b durch Sprühen, Sputtern, wie physikalische Gasphasenabscheidung (PVD, Physcial Vapor Deposition), chemische Gasphasenabscheidung (CVD, Chemical Vapor Deposition) usw. aufgetragen werden.
Der teilweise ausgebrochene Abschnitt 7d und das metallische Material 9 können zusammen ein Strömungsablenkelement 10 in Form eines bimetallischen Streifens anhand einer geeigneten Wahl von Metallen ausbilden. In diesem Fall führen die verschiedenen thermischen Ausdehnungseigenschaften der Metalle in dem ausgebrochenen Abschnitt 7d und dem metallischen Material 9 zu einer Kraft, die das Strömungsablenkelement 10 biegt, wenn es erwärmt wird. Das Metall mit dem höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten befindet sich auf der Außenseite des gekrümmten Strömungsablenkelements 10. Die zwei inbegriffenen Metalle des Strömungsablenkelements 10 können Aluminium und Kupfer, Kupfer und ein geeigneter Edelstahl sein. In diesem Fall nimmt das Strömungsablenkelement 10 eine sich kontinuierlich erhöhende Krümmung in Relation zu der Temperatur an. Alternativ kann das metallische Material 9 eine Legierung mit Formgedächtnis (SMA, Shape Memory Alloy) mit einem Gedächtniseffekt in zwei Wegen sein. Eine Legierung mit Formgedächtnis weist eine Form bei einer niedrigen Temperatur und eine andere Form bei einer hohen Temperatur auf. In diesem Fall ist es möglich, lediglich die Form der Strömungsablenkelemente 10 zwischen zwei verschiedenen Formen einzustellen. In diesem Fall kann eine Form das Strömungsablenkelement 10 in einer nicht-ablenkenden Position definieren und kann die andere Form das Strömungsablenkelement 10 in einer Ablenkposition definieren.
Während des Betriebs strömt Luft durch die Luftströmungswege 5 zwischen den Schläuchen 4. Die Strömungsablenkelemente 10 weisen eine Temperatur auf, die auf die Lufttemperatur und die Kühlmitteltemperatur in dem Radiator bezogen ist. Wenn die Strömungsablenkelemente 10 eine niedrige Temperatur aufweisen, dann liegt kein Bedarf an einer Erhöhung des Wärmetransfers zwischen der Luft und dem Kühlmittel vor, um eine effektivere Abkühlung des Kühlmittels durch die Luft vorzusehen. Die Strömungsablenkelemente 10 in den Luftströmungswegen 5 sind derart ausgelegt, dass sie sich in einer nicht-ablenkenden Position befinden, wenn sie eine niedrige Temperatur aufweisen, was in 3 gezeigt ist. In dieser Position beeinflussen die Strömungsablenkelemente 10 die Luftströmung in den angrenzenden Luftkanälen 5a in keiner Weise. Folglich wird ein Strömungswiderstand in dem Luftströmungsweg 5 gering. Somit wird die Leistungsaufnahme eines Radiatorgebläses gering, das Luft durch den Luftströmungsweg 5 fremdbelüftet.
Wenn die Strömungsablenkelemente 10 eine hohe Temperatur aufweisen, dann liegt ein Bedarf an einer Erhöhung des Wärmetransfers vor, um eine effektivere Abkühlung des Kühlmittels durch die Luft vorzusehen. Die Strömungsablenkelemente 10 nehmen eine mehr oder minder gekrümmte Form an, wenn sie auf eine hohe Temperatur erwärmt werden. Die Strömungsablenkelemente 10 befinden sich jetzt in einer Ablenkposition. In der Ablenkposition dringen die Strömungsablenkelemente 10 in einen angrenzenden Luftströmungskanal 5a ein. Folglich stören die Strömungsablenkelemente 10 die Luftströmung in dem Luftströmungskanal 5a. Die gestörte Luftströmung wird daher turbulenter ausfallen. Des Weiteren wird eine Öffnung 12 in den zwischenliegenden Abschnitten 7b generiert, die Luft ermöglicht, zwischen zwei angrenzenden Luftströmungskanälen 5a zu strömen. Eine derartige Luftströmung führt ebenso zu einer erhöhten turbulenten Strömung in den Luftströmungskanälen 5a. Die turbulente Luftströmung in den Strömungswegen 5 erhöht den Wärmetransferbereich derart, dass die Luft eine effektivere Kühlung des Kühlmittels vorsieht.
5 zeigt eine Querschnittsansicht von einem der Schläuche 4 gemäß 1 und den Kühlmittelströmungsweg 6. Ein Wärmetransferelement 13 ist in dem Schlauch 4 in dem Kühlmittelströmungsweg 6 angeordnet. Das Wärmetransferelement 13 weist eine im Wesentlichen ähnliche Auslegung wie das Wärmetransferelement 7 in dem Luftströmungsweg 5 auf. Das Wärmetransferelement 13 ist durch ein gefaltetes, dünnes Metallblech ausgebildet. Das Wärmetransferelement 13 unterteilt den Kühlmittelströmungsweg 6 in eine große Anzahl paralleler Strömungskanäle 6a. Das Wärmetransferelement 13 wird aus einem Material mit hervorragenden Wärmeleiteigenschaften hergestellt, wie zum Beispiel Aluminium oder Kupfer. Das Wärmetransferelement 13 umfasst erste Endabschnitte 13a, die fest mit einer innenseitigen Oberfläche 4b des Schlauchs 4 zu verbinden sind, zweite Endabschnitte 13b, die fest mit einer innenseitigen Oberfläche 4b des Schlauchs 4 auf einer gegenüberliegenden Seite des Kühlmittelströmungswegs 6 zu verbinden sind, und zwischenliegende Abschnitte 13c, die eine Ausdehnung den Kühlmittelströmungsweg 6 zwischen zwei Endabschnitten 13a, 13b kreuzen lassen. Das Wärmetransferelement weist somit eine Auslegung in Wellengröße in einer Querschnittsansicht durch den Schlauch 4 auf. Die zwischenliegenden Abschnitte 13c weisen Seitenoberflächen auf, die in Wärmetransferkontakt mit dem Kühlmittel in dem Strömungsweg 6 stehen. Die zwischenliegenden Abschnitte 13c sind mit Strömungsablenkelementen 14 versehen.
6 und 7 zeigen eine Ansicht entlang der Ebene B-B gemäß 5 von zwei Strömungskanälen 6a in dem Kühlmittelströmungsweg 6 bei zwei verschiedenen Temperaturen. Mehrere Strömungsablenkelemente 14 sind in verschiedenen in Strömungsrichtung nachgelegenen Positionen in den Strömungskanälen 6a angeordnet. Jedes Strömungsablenkelement 14 umfasst einen teilweise ausgebrochenen Abschnitt 13d. Der teilweise ausgebrochene Abschnitt 13d weist eine Ausdehnung in die Kühlmittelströmung zwischen einem festen Ende 13e und einem freien Ende 13f auf. Eine Seite des teilweise ausgebrochenen Abschnitts 13d wurde mit einem metallischen Material 16 versehen. Ein teilweise ausgebrochener Abschnitt 13d und ein metallisches Material 16 bilden zusammen ein Strömungsablenkelement 14 aus. Das Wärmetransferelement 13 und das metallische Material 16 umfassen verschiedene Metalle, so dass das Strömungsablenkelement 14 einen bimetallischen Streifen ausbildet. Alternativ kann das metallische Material 16 eine Legierung mit Formgedächtnis (SMA) mit einem Gedächtniseffekt in zwei Wegen sein.
Während des Betriebs fließt Kühlmittel durch die Kühlmittelströmungswege 6 in den Schläuchen 4. Wenn das Kühlmittel eine niedrige Temperatur aufweist, dann liegt kein Bedarf an einer Erhöhung des Wärmetransfers zwischen der Luft und dem Kühlmittel vor, um eine effektivere Kühlung des Kühlmittels vorzusehen. Die Strömungsablenkelemente 14 in den Kühlmittelströmungswegen 6 sind derart ausgelegt, dass sie sich in einer nicht-ablenkenden Position befinden, wenn das Kühlmittel eine niedrigere Temperatur aufweist, was in 6 gezeigt ist. In dieser Position beeinflusst das Strömungsablenkelement 14 die Kühlmittelströmung in den angrenzenden Strömungskanälen 6a in keiner Weise. Folglich wird der Strömungswiderstand in dem Kühlmittelströmungsweg 6 sowie in den Strömungskanälen 6a gering. Somit wird die Leistungsaufnahme für die Kühlmittelpumpe zum Beaufschlagen des Kühlmittels auf den Kühlmittelströmungsweg 6 gering.
Wenn das Kühlmittel eine hohe Temperatur aufweist, dann liegt ein Bedarf an einer Erhöhung des Wärmetransfers zwischen der Luft und dem Kühlmittel vor, um eine effektivere Kühlung des Kühlmittels in dem Kühlmittelströmungsweg 6 vorzusehen. Die Strömungsablenkelemente 14, die in Kontakt mit dem Kühlmittel in den Kühlmittelströmungswegen 6 stehen, nehmen eine Temperatur an, die auf die Kühlmitteltemperatur bezogen ist. Wenn die Strömungsablenkelemente 14 auf eine hohe Temperatur erwärmt werden, dann werden sie in eine Ablenkposition bewegt. Die Strömungsablenkelemente 14 nehmen eine gekrümmte Form in der Ablenkposition an. 7 zeigt die Strömungsablenkelemente 14 in der Ablenkposition. In der Ablenkposition dringen die Strömungsablenkelemente 14 in einen angrenzenden Strömungskanal 6a derart ein, dass sie die Kühlmittelströmung stören. Folglich fällt die gestörte Kühlmittelströmung turbulenter aus. Des Weiteren wird eine Öffnung 15 in dem zwischenliegenden Abschnitt 13c generiert, die dem Kühlmittel ermöglicht, zwischen zwei angrenzenden Strömungskanälen 6 zu strömen. Eine solche Strömung erhöht ebenso die turbulente Strömung in den Strömungswegen 6a. Die turbulente Kühlmittelströmung in den Strömungswegen 6 erhöht den Wärmetransfer zwischen der Luft und dem Kühlmittel, was zu einer effektiveren Abkühlung des Kühlmittels führt.
Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele in den Zeichnungen eingeschränkt, sondern kann frei innerhalb des Schutzbereichs der Ansprüche variiert werden. Der Wärmetauscher muss kein Radiator sein, sondern er kann ein Wärmetauscher einer beliebigen Art sein. Des Weiteren ist es möglich, solche Wärmetransferelemente in einem Strömungsweg für ein Medium in einem Wärmetauscher oder in Strömungswegen für zwei Medien in dem Wärmetauscher anzuordnen. Des Weiteren ist es möglich, Wärmetransferelemente mit Strömungsablenkelementen anzuordnen, die ihre Form in Relation zu deren Temperatur in spezifischen Zonen eines Wärmetauschers verändern, und herkömmliche Wärmetransferelemente mit Strömungsablenkelementen, die dieselbe Form bei verschiedenen Temperaturen aufweisen, in verbleibenden Zonen des Wärmetauschers anzuordnen, um Temperaturdifferenzen und thermische Belastungen in dem Wärmetauscher zu verringern.

Claims

Wärmetransferelement (7, 13), das in einem Strömungsweg (5, 6) für ein Medium in einem Wärmetauscher (1) anzuordnen ist, wobei das Wärmetransferelement (7, 13) aus einem dünnen gewellten Metallblech mit einer derartigen Auslegung hergestellt wird, dass es den Strömungsweg (5, 6) in eine Vielzahl paralleler Strömungskanäle (5a, 6a) unterteilt, wobei das Wärmetransferelement (7, 13) zumindest ein Strömungsablenkelement (10, 14) umfasst, das in Kontakt mit dem Medium in dem Strömungsweg (5, 6) steht, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsablenkelement (10, 14) konfiguriert ist, um seine Form in Relation zu dessen Temperatur derart zu verändern, dass es verschiedene Formen und verschiedene Ablenkeigenschaften der Medienströmung bei zumindest zwei verschiedenen Temperaturen annimmt.
Wärmetransferelement gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsablenkelement (10, 14) ausgelegt ist, um eine Form anzunehmen, in der es zumindest einen Teil der Medienströmung in dem Strömungsweg (5, 6) bei einer Temperatur ablenkt, die angibt, dass ein Bedarf an einem hohen Wärmetransfer vorliegt, und um eine Form anzunehmen, in der es die Medienströmung in dem Strömungsweg (5, 6) bei einer Temperatur nicht ablenkt, die angibt, dass ein niedriger Bedarf an Wärmetransfer vorliegt.
Wärmetransferelement gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsablenkelement (10, 14) konfiguriert ist, um in einen angrenzenden Strömungskanal (6a, 5a) einzudringen, wenn es sich in einer Ablenkposition befindet.
Wärmetransferelement gemäß zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsablenkelement (10, 14) konfiguriert ist, um eine Öffnung (12, 15) zwischen zwei angrenzenden Strömungskanälen (5a, 6a) freizugeben, wenn es sich in einer Ablenkposition befindet.
Wärmetransferelement gemäß zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsablenkelement (10, 14) einen teilweise ausgebrochenen Abschnitt (7d, 13d) in dem Wärmetransferelement (7, 13) und ein metallisches Material (9, 16) umfasst, das fest mit einer Oberfläche des ausgebrochenen Abschnitts (7d, 13d) zu verbinden ist.
Wärmetransferelement gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Material (9, 16) ein Metallstreifen ist, der fest mit dem ausgebrochenen Abschnitt (7d, 13d) verbunden ist.
Wärmetransferelement gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Material (9, 16) eine metallische Schicht ist, die auf eine Oberfläche des ausgebrochenen Abschnitts (7d, 13d) aufgetragen ist.
Wärmetransferelement gemäß zumindest einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Material (9, 16) und das Wärmetransferelement (7, 13) verschiedene Metalle mit verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten umfasst.
Wärmetransferelement gemäß zumindest einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Material (9, 16) eine Legierung mit Formgedächtnis mit einem Gedächtniseffekt in zwei Wegen ist.
Wärmetransferelement gemäß zumindest einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der teilweise ausgebrochene Abschnitt (7d, 13d) ein festes Ende (7e, 13e), das fest mit dem Wärmetransferelement (7, 13) verbunden ist, ein freies Ende (7f, 13f) und zwei Seiten (7g, 7h) aufweist, die das feste Ende (7e, 13e) und das freie Ende (7f, 13f) verbinden.
Wärmetransferelement gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das freie Ende (7f, 13f) des ausgebrochenen Abschnitts (7d, 13d) in einer in Strömungsrichtung nachgelegenen Position des festen Endes (7e, 13e) in Bezug auf die beabsichtigte Strömungsrichtung durch den Strömungsweg (5, 6) lokalisiert ist.
Wärmetransferelement gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das freie Ende (7f, 13f) des ausgebrochenen Abschnitts (7d, 13d) in einer in Flussrichtung vorgelegenen Position des festen Endes (7e, 13e) in Bezug auf die beabsichtigte Strömungsrichtung durch den Strömungsweg (5, 6) lokalisiert ist.
Wärmetransferelement gemäß zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetransferelement (7, 13) erste Endabschnitte (7a, 13a), die fest mit einer Oberfläche (4a, 4b) zu verbinden sind, die eine Seite des Strömungswegs (5, 6) definiert, zweite Endabschnitte (7b, 13b), die fest mit einer Oberfläche (4a, 4b) zu verbinden sind, die eine gegenüberliegende Seite des Strömungswegs (5) definiert, und zwischenliegende Abschnitte (7c, 13c) umfasst, die eine Ausdehnung den Strömungskanal (5, 6) zwischen den Endabschnitten (7a, 7b, 13a, 13b) kreuzen lassen.
Wärmetransferelement gemäß zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetransferelement (7, 13) mit Strömungsablenkabschnitten (10, 14) versehen sind, die in verschiedenen in Strömungsrichtung nachgelegenen Positionen in dem Strömungsweg (5, 6) angeordnet sind.
Wärmetauscher, der ein Wärmetransferelement gemäß zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 14 umfasst.
Wärmetauscher gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher zumindest eine Zone, die mit Wärmetransferelementen versehen ist, die Strömungsablenkelemente (10, 14) umfassen, die ihre Form in Relation zu deren Temperatur verändern, und zumindest eine Zone umfasst, die mit Wärmetransferelementen versehen ist, die Strömungsablenkelemente (10, 14) umfassen, die dieselbe Form bei verschiedenen Temperaturen aufweisen.