DE102020131023A1 - Fluid guide element and fluid heater - Google Patents
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Abstract
Offenbart sind ein Fluidführungselement und ein mit einem derartigen Fluidführungselement ausgeführter Fluidheizer, wobei das Fluidführungselement mit Wärmeübertragung-Optimierungsbereichen ausgebildet ist, die jeweils zumindest einen Drosselabschnitt und einen stromabwärts davon ausgebildeten Strömungspfad mit vergrößertem Strömungsquerschnitt aufweisen.A fluid guide element and a fluid heater designed with such a fluid guide element are disclosed, wherein the fluid guide element is designed with heat transfer optimization regions, each of which has at least one throttle section and a flow path formed downstream thereof with an enlarged flow cross section.
Description
Die Erfindung betrifft ein Fluidführungselement gemäß dem Oberbegriff des Patenanspruches 1 und einen Fluidheizer mit einem derartigen Fluidführungselement.The invention relates to a fluid guiding element according to the preamble of claim 1 and a fluid heater with such a fluid guiding element.
Derartige Fluidheizer werden vorzugsweise zum Erwärmen von gasförmigen oder flüssigen Medien, beispielsweise Luft oder Wasser verwendet. Der Grundaufbau dieser Fluidheizer ist beispielsweise in der auf die Anmelderin zurückgehenden Druckschrift
In der
Die
In der Druckschrift
In der auf die Anmelderin zurückgehenden
Diese Nachteile werden von einem Fluidheizer überwunden, wie er in der nachveröffentlichten
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Fluidführungselement sowie einen mit einem derartigen Fluidführungselement ausgeführten Fluidheizer zu schaffen, durch den bei geringem vorrichtungstechnischen Aufwand die Wärmeübertragung auf ein zu erwärmendes Fluid verbessert ist.In contrast, the invention is based on the object of creating a fluid guide element and a fluid heater designed with such a fluid guide element, by means of which the heat transfer to a fluid to be heated is improved with little outlay in terms of device technology.
Diese Aufgabe wird im Hinblick auf das Fluidführungselement durch die Merkmale des Patentanspruches 1 und im Hinblick auf den Fluidheizer durch die Merkmale des nebengeordneten Patentanspruches 20 gelöst.This object is achieved with regard to the fluid guiding element by the features of patent claim 1 and with regard to the fluid heater by the features of
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous developments of the invention are the subject matter of the dependent claims.
Das erfindungsgemäße Fluidführungselement hat einen vom Fluid durchströmten Fluidraume, wobei in dem Fluidraum eine Fluid-Führungsstruktur angeordnet ist, die zumindest einen Fluidkanal abschnittsweise begrenzt, entlang dem das Fluid in Richtung zu einem Ablauf geführt ist. Erfindungsgemäß ist die Führungsstruktur derart ausgelegt, dass zumindest ein, vorzugsweise mehrere, in Strömungsrichtung hintereinander liegende Wärmeübertragungs-Optimierungsbereiche ausgebildet sind, die jeweils einen definierten Drosselabschnitt aufweisen, wobei stromaufwärts oder stromabwärts dieses Drosselabschnittes jeweils Strömungspfade mit definiert vergrößertem Strömungsquerschnitt beispielsweise zur Verwirbelung und/oder Vergleichmäßigung der Strömung ausgebildet sind.The fluid guiding element according to the invention has a fluid chamber through which fluid flows, with a fluid guiding structure being arranged in the fluid chamber, which delimits at least one fluid channel in sections, along which the fluid is guided in the direction of an outlet. According to the invention, the guide structure is designed in such a way that at least one, preferably several, heat transfer optimization regions are formed one behind the other in the flow direction, each of which has a defined throttle section, with flow paths with a defined enlarged flow cross section being provided upstream or downstream of this throttle section, for example for turbulence and/or smoothing the flow are formed.
Durch diese erfindungsgemäßen Drosselabschnitte wird die Fluidströmung in dem Bereich des Drosselabschnitts beschleunigt, wobei der Druckverlust ansteigt. Im Bereich der sich anschließenden Strömungspfade erfolgt dann wiederum eine Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit und dementsprechend auch eine Verringerung des Druckverlustes. Es zeigt sich, dass durch diese definierte Strömungsquerschnittsänderung die Fluidströmung im Hinblick auf die Wärmeübertragung optimiert wird, so dass ein mit einem derartigen Fluidführungselement ausgeführter Fluidheizer einen gegenüber dem eingangs beschriebenen Stand der Technik deutlich verbesserten Wirkungsgrad aufweist.The fluid flow in the region of the throttle section is accelerated by these throttle sections according to the invention, with the pressure loss increasing. In the area of the adjoining flow paths, the flow velocity is then reduced again and, accordingly, the pressure loss is also reduced. It is found that this defined flow cross-section change optimizes the fluid flow in terms of heat transfer, so that a fluid guide element of this type ment running fluid heater has a compared to the prior art described above significantly improved efficiency.
Durch die erfindungsgemäße Strömungsführung wird eine effektive Wärmeabgabe der Heizelemente an das zu erwärmende Fluid bei zugleich geringem Druckverlust erreicht.Due to the flow guidance according to the invention, an effective heat dissipation of the heating elements to the fluid to be heated is achieved with a low pressure loss at the same time.
Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der sich an den Drosselabschnitt anschließende Strömungspfad als Turbulenzbereich und/oder Entspannungsbereich ausgeführt, wobei der Strömungsquerschnitt des Entspannungsbereiches größer als derjenige des Turbulenzbereiches ist.In a particularly preferred exemplary embodiment, the flow path adjoining the throttle section is designed as a turbulence area and/or relaxation area, with the flow cross section of the relaxation area being larger than that of the turbulence area.
Es zeigte sich, dass durch diese Wahl der Strömungsquerschnitte (Strömungsquerschnitt des Drosselabschnittes kleiner als der Strömungsquerschnitt des Turbulenzbereiches und dieser wiederum kleiner als der Strömungsquerschnitt des Entspannungsbereiches) der Wirkungsgrad des Fluidheizers weiter verbessert werden kann.It was found that this choice of flow cross sections (flow cross section of the throttle section smaller than the flow cross section of the turbulence area and this in turn smaller than the flow cross section of the relaxation area) can further improve the efficiency of the fluid heater.
Der Entspannungsbereich kann stromabwärts oder stromaufwärts des Turbulenzbereiches ausgebildet sein. Erfindungsgemäß wird es jedoch bevorzugt, wenn in jedem Strömungspfad ein sich stromabwärts des Turbulenzbereiches angeordneter Entspannungsbereich ausgebildet ist.The relaxation area can be formed downstream or upstream of the turbulence area. According to the invention, however, it is preferred if a relaxation area arranged downstream of the turbulence area is formed in each flow path.
Der Entspannungsbereich und der Turbulenzbereich können dabei direkt in einander übergehen. Erfindungsgemäß wird es jedoch bevorzugt, wenn zwischen dem Turbulenzbereich und dem Entspannungsbereich wiederum ein Drosselabschnitt angeordnet ist.The relaxation area and the turbulence area can merge directly into one another. According to the invention, however, it is preferred if a throttle section is again arranged between the turbulence area and the relaxation area.
Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel ist die Fluid-Führungsstruktur somit durch einen Drosselabschnitt, einen sich daran anschließenden Turbulenz- oder Entspannungsbereich, einen weiteren Drosselabschnitt und einen sich daran anschließenden Entspannungs- bzw. Turbulenzbereich ausgebildet. Im Anschluss daran sind dann vorzugsweise entsprechende weitere derartige Führungsstrukturen ausgebildet.In such an embodiment, the fluid-guiding structure is thus formed by a throttling section, a turbulence or relaxation area adjoining it, a further throttling section and an adjoining relaxation or turbulence area. Following this, corresponding further guide structures of this type are then preferably formed.
Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt der Strömungsquerschnitt des Turbulenzbereiches das 1,5- bis 3,5-fache des Strömungsquerschnittes des Drosselabschnittes.In a particularly preferred embodiment, the flow cross section of the turbulence area is 1.5 to 3.5 times the flow cross section of the throttle section.
Der Strömungsquerschnitt des Entspannungsbereiches kann etwa das Zwei- bis Vierfache des Strömungsquerschnittes des Drosselabschnittes betragen.The flow cross section of the relaxation area can be approximately two to four times the flow cross section of the throttle section.
Die Ausbildung der Führungsstruktur ist besonders einfach, wenn die Variation der vorgenannten Strömungsquerschnitte alleine durch die Veränderung der Höhe des Fluidkanals, d.h. des Abstands zwischen dem Fluid-Führungselement und der benachbarten Wandung des Fluidheizers erfolgt.The formation of the guide structure is particularly simple if the variation of the aforementioned flow cross-sections takes place solely by changing the height of the fluid channel, i.e. the distance between the fluid guide element and the adjacent wall of the fluid heater.
Bei einer Variante der Erfindung ist das Produkt der Höhen der Strömungsquerschnitte im Bereich des Drosselabschnitts, des Turbulenzbereichs und des Entspannungsbereichs kleiner oder gleich 4.In a variant of the invention, the product of the heights of the flow cross sections in the area of the throttle section, the turbulence area and the relaxation area is less than or equal to 4.
Die Wärmeübertragung lässt sich weiter verbessern, wenn im Bereich des Strömungspfades, d.h. im Bereich des Turbulenz- und/oder Entspannungsbereiches Verwirbelungskörper, beispielsweise Noppen oder Stege, ausgebildet sind, die von dem Fluid um- und/oder überströmt werden.The heat transfer can be further improved if in the area of the flow path, i.e. in the area of the turbulence and/or relaxation area, turbulence bodies, for example knobs or webs, are formed, around which and/or the fluid flows.
Der Wirkungsgrad des Fluidheizers ist optimal, wenn die Fluid-Führungsstruktur zwei zu einander beabstandete Fluidkanäle begrenzt, die jeweils den oben beschriebenen Aufbau mit mehreren Drosselabschnitten und mehreren Strömungspfaden (Turbulenzbereich, Entspannungsbereich) aufweisen.The efficiency of the fluid heater is optimal when the fluid-guiding structure delimits two fluid channels which are spaced apart from one another and each have the structure described above with a number of throttle sections and a number of flow paths (turbulence area, relaxation area).
Um eine optimale Verteilung des Fluids zu gewährleisten, können im Bereich eines Zulaufs und des Ablaufs zum bzw. vom Fluidkanal jeweils Strömungsteiler bzw. Strömungssammler ausgebildet sein, die die Strömung quer zur Strömungsrichtung entlang der Fluid-Führungsstruktur verteilen bzw. zusammenführen.In order to ensure optimal distribution of the fluid, flow dividers or flow collectors can be formed in the area of an inlet and outlet to and from the fluid channel, which distribute or combine the flow transversely to the flow direction along the fluid-guiding structure.
In dem Fall, in dem die Fluid-Führungsstruktur zwei Fluidkanäle begrenzt, kann der Strömungsteiler oder Strömungssammler auch an der Führungsstruktur ausgebildet sein, so dass entsprechend die Strömung in Richtung zu den Fluidkanälen geteilt oder stromabwärts der Fluidkanäle zusammengeführt wird.In the case in which the fluid guiding structure delimits two fluid channels, the flow divider or flow collector can also be formed on the guiding structure, so that the flow towards the fluid channels is correspondingly divided or combined downstream of the fluid channels.
Der Aufbau des Fluidheizers ist besonders kompakt, wenn ein Fluid-Einlass und ein Fluid-Auslass jeweils in einen Einlass- bzw. Auslasskanal einmünden, der quer zur Strömungsrichtung im Fluidkanal orientiert ist.The structure of the fluid heater is particularly compact if a fluid inlet and a fluid outlet each open into an inlet or outlet channel, which is oriented transversely to the direction of flow in the fluid channel.
Der Fluid-Einlass und/oder der Fluid-Auslass kann dabei im Wesentlichen in Strömungsrichtung (bezogen auf die Strömung entlang der Führungsstruktur) oder quer dazu oder auch schräg angestellt zur Strömungsrichtung orientiert sein. Eine Anordnung mit einem in Strömungsrichtung orientierten Fluid-Einlass und Fluid-Auslass hat prinzipiell den Vorteil, dass Druckverluste durch Umlenkungen in Zulauf und in Ablauf verringert sind. Aus Platzgründen oder durch Vorgabe durch die fluidische Schnittstelle zur nächsten Komponente kann es jedoch durchaus auch vorgesehen werden, den Fluid-Einlass und/oder den Fluid-Auslass in einer sich von der Strömungsrichtung unterscheidenden Orientierung auszubilden.The fluid inlet and/or the fluid outlet can be oriented essentially in the direction of flow (relative to the flow along the guide structure) or transversely thereto or also inclined to the direction of flow. In principle, an arrangement with a fluid inlet and fluid outlet oriented in the flow direction has the advantage that pressure losses due to deflections in the inlet and outlet are reduced. From square green However, from or by specification of the fluidic interface to the next component, it can certainly also be provided that the fluid inlet and/or the fluid outlet are formed in an orientation that differs from the direction of flow.
Der vorrichtungstechnische Aufwand ist minimal, wenn der Fluidkanal zumindest abschnittsweise durch ein Heizelement, vorzugsweise ein Flächenheizelement begrenzt ist.The outlay in terms of device technology is minimal if the fluid channel is delimited at least in sections by a heating element, preferably a surface heating element.
Da gemäß dem erfindungsgemäßen Konzept die Fluid-Führungsstruktur nicht als Wärmesenke ausgelegt ist, sondern lediglich zur Fluidführung dient, kann diese aus nahezu beliebigem Material, beispielsweise aus Kunststoff gefertigt werden.Since, according to the concept according to the invention, the fluid-guiding structure is not designed as a heat sink but only serves to guide fluid, it can be made of almost any material, for example plastic.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Fluid-Führungsstruktur als dreidimensionaler Körper ausgebildet, bei dem die Drosselabschnitte durch quer zur Strömungsrichtung angeordnete Stege ausgebildet sind, während die benachbarten Strömungspfade (Turbulenzbereich, Entspannungsbereich) durch Vertiefungen oder Nuten ausgebildet sind.In one embodiment of the invention, the fluid-guiding structure is designed as a three-dimensional body in which the throttle sections are formed by webs arranged transversely to the direction of flow, while the adjacent flow paths (turbulence area, relaxation area) are formed by depressions or grooves.
Das Fluidführungselement kann einstückig mit der Fluidführungsstruktur oder mehrteilig, beispielsweise mit einem Rahmen, in den die Fluidführungsstruktur eingelegt ist, ausgeführt sein.The fluid guiding element can be designed in one piece with the fluid guiding structure or in several parts, for example with a frame into which the fluid guiding structure is inserted.
Der Strömungspfad ist vorzugsweise mit einer größeren Länge (in Strömungsrichtung gesehen) als der Drosselabschnitt ausgeführt. Dabei können der Turbulenzbereich und der Entspannungsbereich jeweils mit etwa der gleichen Länge ausgeführt sein, die wiederum größer als die Länge des Drosselabschnitts ist.The flow path is preferably designed with a greater length (seen in the direction of flow) than the throttle section. The turbulence area and the relaxation area can each be designed with approximately the same length, which in turn is greater than the length of the throttle section.
Der Fluidheizer kann mit mehreren derartiger Fluidführungselementen ausgeführt sein, wobei diese in mehreren Ebenen angeordnet und/oder hintereinander geschaltet sein können. Dabei sind dann den Fluidführungselementen vorzugsweise ein Fluid-Einlass und ein Fluid-Auslass zugeordnet.The fluid heater can be designed with several such fluid guiding elements, whereby these can be arranged in several levels and/or connected in series. A fluid inlet and a fluid outlet are then preferably assigned to the fluid guiding elements.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine dreidimensionale Darstellung eines Fluidheizers; -
2 eine Einzeldarstellung eines Heizkerns des Fluidheizers gemäß1 ; -
3 eine Explosionsdarstellung des Heizkerns gemäß2 ; -
4 einen Schnitt entlang der Linie A-A in2 ; -
5 eine schematische Detailansicht des Schnittes gemäß4 , anhand der die Strömungsquerschnitte erläutert werden; -
6 einen Schnitt entlang der Linie B-B in2 und -
7 einen Schnitt entlang der Linie C-C in2 .
-
1 a three-dimensional representation of a fluid heater; -
2 an individual view of a heater core of the fluid heater according to FIG1 ; -
3 an exploded view of the heater core according to2 ; -
4 a cut along the line AA in2 ; -
5 a schematic detailed view of the section according to FIG4 , on the basis of which the flow cross-sections are explained; -
6 a cut along line BB in2 and -
7 a cut along the line CC in2 .
Das Gehäuse 2 wird vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff hergestellt, so dass der EMV-Schutz optimiert ist. Die Verbindung des Gehäusedeckels 6 mit dem Gehäuseunterteil 4 erfolgt beispielsweise durch Bördeln, Schweißen, Löten, Kleben oder einem sonstigen geeigneten stoff-/kraftschlüssigen Verfahren, so dass eine zuverlässige Abdichtung gewährleistet ist. Auch der Bereich, in dem der Einlass 14 bzw. der Auslass 16 die Ausnehmungen 10, 12 durchsetzen, ist vorteilhafter Weise abgedichtet.The
Wie im Folgenden erläutert, sind in dem Gehäuse 2 zwei Heizplatten aufgenommen, die mit zumindest einem Heizkreis zum Erwärmen des Fluids ausgeführt sind und die mit dem in
Bei der konkreten Lösung bilden die beiden Heizplatten 26, 28 einen Teil des Fluidführungselementes 30 aus und begrenzen somit, wie im Folgenden noch näher erläutert, einen Abschnitt des im Fluidführungselementes 30 ausgebildeten Fluidkanals. Der Einlass 14 und der Auslass 16 sind jeweils über einen sich nach unten (nicht sichtbar in
Dessen Aufbau erschließt sich recht anschaulich aus der
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Heizelement durch zwei IMS-Platinen ausgebildet, die das Führungsgehäuse 36 nach oben (Ansicht nach
Durch die Führungsstruktur 40 sind beim dargestellten Ausführungsbeispiel zur Optimierung der Wärmeübertragung mehrere im Hinblick auf die Geometrie im Wesentlichen gleich ausgebildete Wärmeübertragungs-Optimierungsbereiche 42a, 42b, 42c, 42d ausgebildet, auf die im Folgenden noch näher eingegangen wird. Derartige Wärmeübertragungs-Optimierungsbereiche 42a, 42b, 42c, 42d sind gemäß der Schnittdarstellung in
Im Übergangsbereich von dem Einlasskanal 32 zur Führungsstruktur 40, d. h. in dessen Zulauf, sind Längsströmungsteiler vorgesehen, von denen in
Bei dem in den
Wie vorstehend erläutert, sind an dieser Führungsstruktur 40 die genannten Wärmeübertragungsbereiche 42, 44 ausgebildet, die anhand
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Führungsstruktur 40 als massiver Körper hergestellt, der beispielsweise aus Kunststoff gefertigt ist. Auch das Führungsgehäuse 36 kann aus Kunststoff hergestellt sein, so dass zum einen das Gewicht des Heizkerns 24 optimal ist und des Weiteren die Herstellkosten gegenüber den eingangs genannten Lösungen, bei denen metallische Wärmesenken verwendet werden müssen, deutlich verringert sind. Wie erläutert, können das Führungsgehäuse 36 und die Führungsstruktur 40 einstückig oder mehrteilig ausgeführt sein.In the exemplary embodiment shown, the
Erfindungsgemäß ist jeder Optimierungsbereich 42, 44 mit zumindest einem Drosselabschnitt 68, 69 ausgebildet, durch den der Strömungsquerschnitt des Fluidkanals 64, 66 verringert wird. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind diese beiden Drosselabschnitte 68, 69 jeweils durch einen Steg (Strömungsleiste) 70, 72 der Führungsstruktur 40 ausgebildet. Durch diese Stege 70, 72 wird beim dargestellten Ausführungsbeispiel die Höhe des Fluidkanals 64, 66 auf das Maß A verringert, so dass entsprechend die Fluidströmung beschleunigt und in diesem Bereich der Druckverlust Δp erhöht wird. An diesen Drosselabschnitt 68 schließt sich bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Turbulenzbereich 74 (bzw. 76) an, in dem der Strömungsquerschnitt wiederum gegenüber dem Drosselabschnitt 68 (bzw. 69) vergrößert ist. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind diese beiden Turbulenzbereiche 74, 76 in Strömungsrichtung wiederum durch einen Steg 78, 80 begrenzt, durch den der Strömungsquerschnitt wieder verringert ist, so dass ein weiterer Drosselabschnitt 82, 84 ausgebildet ist, dessen Strömungsquerschnitt in etwa demjenigen der Drosselabschnitte 68, 69 entspricht. Jeder der Stege 70, 72, 78, 80 hat eine Abflachung 86 (nur der Steg 70 ist mit einem Bezugszeichen 86 versehen), deren Länge I deutlich geringer ist als die Länge L des sich anschließenden Turbulenzbereiches 74, 76. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Stege 70, 72, 78, 80 hin zu den Abflachungen 86 angeschrägt, so dass sich der jeweilige Drosselabschnitt 68, 69, 82, 84 in Strömungsrichtung gesehen kontinuierlich hin zu der Abflachung 86 verringert und dann zum benachbarten Bereich dann wieder entsprechend erweitert.According to the invention, each
Stromabwärts der beiden Drosselabschnitte 82, 84 ist erfindungsgemäß ein Entspannungsbereich 88, 90 vorgesehen, in dem der Strömungsquerschnitt wiederum erweitert ist. Dabei ist der Strömungsquerschnitt im Entspannungsbereich größer als im Turbulenzbereich 74, 76 und im Drosselabschnitt 68, 69. Dementsprechend ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel die Höhe H des Entspannungsbereichs 88, 90 größer als die Höhe B des Turbulenzbereiches 74, 76, die wiederum größer ist als die Höhe A des Drosselabschnittes 68, 69. Die Länge M des Entspannungsbereiches 86, 88 entspricht in etwa der Länge L des Turbulenzbereiches 74, 76.According to the invention, a
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Veränderung der Strömungsquerschnitte durch eine entsprechende Profilierung der mittigen Führungsstruktur 40. Prinzipiell kann diese Profilierung auch durch entsprechende Ausgestaltung der Heizplatten 26, 28 erfolgen. Prinzipiell ist es auch möglich, die Profilierung durch entsprechende Ausgestaltung sowohl der Führungsstruktur 40 als auch der Heizplatten 26, 28 auszuführen.In the exemplary embodiment shown, the flow cross sections are changed by appropriate profiling of the
Wie vorstehend erläutert, wird die Strömungsgeschwindigkeit im Bereich der Drosselabschnitte 68, 69, 82, 84 erhöht, so dass entsprechend der Wärmeübergangskoeffizient ansteigt und somit mehr Wärme in das Fluid übertragen werden kann. Als Nebeneffekt nimmt der Druckverlust zu. Im sich anschließenden Turbulenzbereich 74, 76 ist das Fluid dann verwirbelt, wobei in diesen Bereichen aufgrund der Geometrie des Strömungsquerschnitts die Durchmischung des Fluids erhöht wird und somit mehr Wärme in das Fluid übertragen werden kann.As explained above, the flow speed is increased in the area of the
Wie vorstehend erläutert, wird die Strömungsgeschwindigkeit in den Drosselabschnitten 68, 69, 82, 84 aufgrund des geringeren Strömungsquerschnittes erhöht, so dass es im Bereich der Kanalwandungen zu Strömungsablösungen und damit lokalen Verwirbelungen kommt. Dies führt dazu, dass die im Wesentlichen laminare Strömung innerhalb des Drosselabschnittes in eine turbulente Strömung umschlägt, so dass entsprechend der Wärmeübergangskoeffizient ansteigt und somit mehr Wärme von den Heizplatten 26, 28 an das Fluid übertragen wird. Dieser Vorteil der verbesserten Wärmeübertragung wird allerdings, wie oben erwähnt, mit einem erhöhten Druckverlust „erkauft“.As explained above, the flow speed in the
In den sich anschließenden Turbulenzbereichen 74, 76 ist der Strömungsquerschnitt gegenüber den Drosselabschnitten 68, 69, 82, 84 vergrößert, so dass sich eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit einstellt, die höher ist als diejenige in den Drosselabschnitten 68, 69, 82 und 84. Die in den Turbulenzbereichen 74, 76 vorgesehenen Noppen 92 durchmischen das Fluid, so dass aufgrund der höheren Durchmischungsrate eine Temperatur-Durchmischung erfolgt und dementsprechend im Turbulenzbereich 74, 76 noch mehr Wärme an das Fluid übertragen wird. Dabei wird aufgrund des vergrößerten Strömungsquerschnittes der Druckverlust Δp gegenüber dem Druckverlust im Drosselabschnitt 68, 69, 82, 84 verringert.In the
Der sich beim beschriebenen Ausführungsbeispiel an den Turbulenzbereich 74, 76 anschließende Entspannungsbereich 86, 88 hat einen im Vergleich zu den vorbeschriebenen Strömungsquerschnitten größeren Querschnitt, so dass die Strömungsgeschwindigkeit im Entspannungsbereich 86, 88 weiter verringert wird, wobei dann allerdings der Wärmeübertragungskoeffizient ebenfalls verringert ist und somit weniger Wärme auf das Fluid übertragen werden kann, als dies in den vorbeschriebenen Bereichen der Fall ist. Durch die mit vergleichsweise großem Strömungsquerschnitt ausgeführten Entspannungsbereiche 86, 88 wird allerdings der Druckverlust wesentlich verringert, so dass die Erhöhung des Druckverlusts in dem Drosselabschnitt 68, 69, 82, 84 und im sich anschließenden Turbulenzbereich 74, 76 nahezu kompensiert wird, so dass der Gesamtdruckverlust nicht ungünstiger als bei herkömmlichen Lösungen ist.The
Es zeigte sich, dass durch eine derartige mehrfache Androsselung und Verwirbelung und Beruhigung der Strömung der Wärmeübergang von den Heizplatten 26, 28 auf das Fluid deutlich gegenüber herkömmlichen Lösungen verbessert wird. Dieser Effekt wird erfindungsgemäß noch dadurch verstärkt, dass mehrere derartiger Optimierungsbereiche 42, 44 in Strömungsrichtung hintereinanderliegend angeordnet sind.It has been shown that such multiple throttling and turbulence and calming of the flow significantly improves the heat transfer from the
Erfindungsgemäß ist die Wärmeübertragung optimal, wenn der Strömungsquerschnitt des Turbulenzbereiches 74, 76 etwa das 1,5- bis 3,5-fache des Strömungsquerschnittes des Drosselabschnittes 68, 69, 82, 84 beträgt. Erfindungsgemäß wird es des Weiteren bevorzugt, wenn der Strömungsquerschnitt des Entspannungsbereiches 86, 88 etwa das Zwei- bis Vierfache des Strömungsquerschnittes des Drosselabschnittes 68, 69, 82, 84 beträgt.According to the invention, the heat transfer is optimal when the flow cross section of the
Bei einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist es bevorzugt, wenn das Produkt der Höhen des Drosselabschnitts 68, 69, 82, 84 des Turbulenzbereichs 74, 76 und des Entspannungsbereichs 86, 88 A x B x H kleiner gleich 4 ist (A x B x H ≤ 4). Dabei werden die Abmessungen vorzugsweise in Millimetern eingesetzt, so dass die Dimension der Kennzahl 4 entsprechend mm3 ist. Diese geringe Größe der Kennzahl wird nur dann erreicht, wenn die Höhen entsprechend ausgeführt sind.In one embodiment of the present invention, it is preferred if the product of the heights of the
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Strömungsquerschnitte in den Optimierungsbereichen 42, 44 somit entsprechend der Abfolge der Fluidkanalhöhen A → B → A → H variiert. Die Erfindung ist jedoch keinesfalls auf diese Abfolge der Drosselabschnitte, Turbulenzbereiche, Entspannungsbereiche beschränkt. Prinzipiell können auch andere Reihenfolgen verwendet werden, so kann beispielsweise die Höhe im Optimierungsbereich nach den Mustern A → B → C... oder B → A → C... oder C → B → A... variiert werden. Jedes dieser Muster und jede Strömungsquerschnittsvariation nach den vorstehenden Vorgaben sorgt für eine optimale Wärmeübertragung ohne Hotspots bzw. Überhitzung oder Beschädigung des Fluids. Dies ist eine neue Erkenntnis, die im Stand der Technik ohne Vorbild ist.In the exemplary embodiment shown, the flow cross sections in the
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind in den Turbulenzbereichen 74, 76 noch jeweils Noppen 92 ausgebildet, die vom Fluid um- und überströmt werden und somit eine partielle Verwirbelung und somit Verbesserung des Wärmeübergangs bewirken. Die Höhe dieser Noppen 92 ist gemäß der Darstellung in
Stromaufwärts (hinter der Schnittebene) der Strömungsteiler 52 ist die Führungsstruktur 40 mit dem daran ausgebildeten Längsströmungsteiler 50 sichtbar, der das die vorbeschriebenen Optimierungsbereiche 42, 44 überströmende Fluid wieder in Richtung zum Auslasskanal 34 zusammenführt. In dieser Darstellung ist lediglich die Heizplatte 28 sichtbar, die über die Dichtung 56 an das Führungsgehäuse 36 angesetzt ist und somit den unteren Fluidkanal begrenzt, von dem in der Darstellung gemäß
Offenbart sind ein Fluidführungselement und ein mit einem derartigen Fluidführungselement ausgeführter Fluidheizer, wobei das Fluidführungselement mit Wärmeübertragung-Optimierungsbereichen ausgebildet ist, die jeweils zumindest einen Drosselabschnitt und einen stromabwärts davon ausgebildeten Strömungspfad mit vergrößertem Strömungsquerschnitt aufweisen.A fluid guide element and a fluid heater designed with such a fluid guide element are disclosed, wherein the fluid guide element is designed with heat transfer optimization regions, each of which has at least one throttle section and a flow path formed downstream thereof with an enlarged flow cross section.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Fluidheizerfluid heater
- 22
- GehäuseHousing
- 44
- Gehäuseunterteilhousing base
- 66
- Gehäusedeckelhousing cover
- 88th
- Seitenwandungsidewall
- 1010
- Ausnehmungrecess
- 1212
- Ausnehmungrecess
- 1414
- Fluid-Einlassfluid inlet
- 1616
- Fluid-Auslassfluid outlet
- 1818
- Niedervoltsteckerlow voltage plug
- 2020
- Hochvoltsteckerhigh-voltage plug
- 2222
- Erdungsbolzengrounding bolt
- 2424
- Heizkernheater core
- 2626
- Heizplattehotplate
- 2828
- Heizplattehotplate
- 3030
- Fluidführungselementfluid guide element
- 3232
- Einlasskanalinlet channel
- 3434
- Auslasskanalexhaust port
- 3636
- Führungsgehäuseguide housing
- 3838
- Innenrauminner space
- 4040
- Führungsstrukturmanagement structure
- 4242
- Wärmeübertragungs-OptimierungsbereichHeat transfer optimization area
- 4444
- Wärmeübertragungs-OptimierungsbereichHeat transfer optimization area
- 4646
- Längsströmungsteilerlongitudinal flow divider
- 4848
- Strömungsteilerflow divider
- 4949
- BasisBase
- 5050
- Strömungssammlerflow collector
- 5151
- BasisBase
- 5252
- Längsströmungssammlerlongitudinal flow collector
- 5454
- Dichtungpoetry
- 5656
- Dichtungpoetry
- 5858
- Fensterwindow
- 6060
- Fensterwindow
- 6262
- Stütznoppesupport knob
- 6464
- Fluidkanalfluid channel
- 6666
- Fluidkanalfluid channel
- 6868
- Drosselabschnittthrottle section
- 6969
- Drosselabschnittthrottle section
- 7070
- Stegweb
- 7272
- Stegweb
- 7474
- Turbulenzbereichturbulence area
- 7676
- Turbulenzbereichturbulence area
- 7878
- Stegweb
- 8080
- Stegweb
- 8282
- Drosselabschnittthrottle section
- 8484
- Drosselabschnittthrottle section
- 8686
- Abflachungflattening
- 8888
- Entspannungsbereichrelaxation area
- 9090
- Entspannungsbereichrelaxation area
- 9292
- Noppennubs
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
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-
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