-
Die
Erfindung bezieht sich auf ein Wärmetauscher-Element
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, auf ein Gehäuse mit
einem Wärmetauscher-Element
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11 und auf ein Verfahren zum
Herstellen eines Wärmetauscher-Elements
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 15.
-
Es
ist z. B. aus der
DE
100 45 728 A1 zur Abführung
oder Aufnahme von Wärme
bekannt, ein Wärmetauscher-Element
mit einer Wand zu benutzen, die Wärmetauscher-Rippen aufweist.
Hierdurch werden die Oberfläche
des Elements vergrößert und die
Leistungsfähigkeit
des Wärmeaustausches
verbessert. Die auf einer Seite der Wand befindliche thermische
Energie wird durch Wärmeleitung
zur anderen Seite der Wand geleitet, wo sie durch die Rippen geleitet
wird und an der vergrößerten Oberfläche an die
Umgebung abgegeben wird. Hierbei ist zu berücksichtigen, daß das Material
des Elements der Wärmeleitung
einen Widerstand entgegensetzt. Die Wirksamkeit dieses Wärmeleitungswiderstandes nimmt
zu, je größer die
Strecke ist, auf der die thermische Energie bzw. Wärme durch
das Material des Elementes geleitet werden soll. Die Dicke der Wand und
die Höhe
der Rippen bestimmen jeweils die Wegstrecke, auf der der Wärmeleitungswiderstand wirksam
ist.
-
Ein
Wärmetauscher-Element
und ein Verfahren zum Herstellen desselben sind in der
DE 198 52 933 A1 beschrieben.
Aus dieser Druckschrift ist ein Wärmetauscher-Element in Form
einer Wand zu entnehmen, die an einer Seite Aufnahmenuten aufweist, in
die Kühlrippen
in Form von Stegen eingesetzt und durch Verstemmungsmaßnahmen
formschlüssig
gesichert sind. Die Kühlrippen
sind durch hohe Stege gebildet, die an beiden einander gegenüberliegenden
Breitseiten parallel zueinander verlaufende Nuten und Stege aufweisen.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Wärmetauscher-Element
bzw. Wärmetauscher-Gehäuse der
eingangs angegebenen Art den thermischen Leitungswiderstand zu reduzieren
und die wirksame Wärmeleitung
zu verbessern, sowie ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Wärmetauscher-Elements
anzugeben.
-
Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 11 bzw. 15
gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
-
Durch
die erfindungsgemäße Ausgestaltung bzw.
das erfindungsgemäße Verfahren
läßt sich
der Widerstand, den das Material der Wärmeleitung entgegensetzt, wesentlich
reduzieren, nämlich
durch eine Reduzierung der Wärmeleitstrecke.
Dies wird durch Nuten erreicht, die sich von der den Rippen gegenüberliegenden
Seite her durch die Wand und in die Rippen hinein erstrecken. Hierdurch
läßt sich ohne
eine Beeinträchtigung
der Oberflächengröße die Größe der Wärmeleitstrecke
reduzieren, und zwar auf ein einer erforderliche Wandstärke der
hohlen Rippe entsprechendes Maß.
Infolge dessen ist bei der Erfindung nicht die Rippenhöhe relevant,
sondern die Wandstärke
der Rippe, die im Vergleich mit der Rippenhöhe bei der bekannten Ausgestaltung nur
ein Bruchteil beträgt,
da die Rippenhöhe
ein Mehrfaches der durch die Erfindung erzielbaren Wandstärke beträgt.
-
Darüber hinaus
ergibt sich bei der Erfindung der weitere Vorteil, daß im Bereich
der Nuten die Oberfläche
des Elements vergrößert wird.
Folglich wird hierdurch die mögliche
Wärmeübertragung
auf der den Rippen abgewandten Seite des Elements vergrößert.
-
Die
vorbeschriebenen Vorteile gelten auch für ein Gehäuse mit Seitenwänden, die
jeweils ein erfindungsgemäßes Wärmetauscher-Element
aufweisen.
-
Bei
dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher-Gehäuse wird
der Wärmeaustausch
dadurch verbessert, daß eine
Strömungsleitwand
innen am Wärmetauscher-Element
angeordnet ist, wodurch die Nuten seitlich geschlossen werden und
sich dadurch Strömungskanäle ergeben,
in denen eine forcierte Strömung
und eine dadurch verbesserte Wärmeübertragung
stattfindet. Hierbei ergibt sich ein Strömungskreislauf, der außenseitig
von der Strömungsleitwand
in den Nuten und innenseitig davon im durch die Strömungsleitwand
begrenzten Innenraum des Gehäuses
verläuft.
-
In
den Unteransprüchen
sind Merkmale enthalten, die eine günstige und rationelle Einarbeitung der
Nuten ermöglichen,
zu einer Stabilisierung des Wärmetauscher-Elements beitragen
und die Wärmeübertragung
weiter verbessern.
-
Weitere
Weiterbildungen der Erfindung beziehen sich auf vorteilhafte Gehäuseausbildungen mit
erfindungsgemäßen Wärmetauscher-Wänden.
-
Nachfolgend
werden vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung anhand von mehreren
Ausführungsbeispielen
anhand der Zeichnung näher
erläutert.
Es zeigen:
-
1 ein erfindungsgemäßes Wärmetauscher-Element
in perspektivischer Darstellung;
-
2 das Wärmetauscher-Element in einer Vorderansicht;
-
3 das Wärmetauscher-Element nach 2 in vergrößerter Draufsicht;
-
4 den Teilschnitt IV-IV
in 2;
-
5 den Teilschnitt V-V in 2 und
-
6 ein durch mehrere Wärmetauscher-Elemente
gebildetes Gehäuse
in perspektivischer Darstellung.
-
Bei
den vorliegenden Ausführungsbeispielen ist
das mit 1 bezeichnete Wärmetauscher-Element ein
flacher Körper
viereckiger Form, der durch eine Wärmetauscher-Wand 2 gebildet
ist, die auf einer Seite sich vorzugsweise parallel zueinander erstreckende
Wärmetauscher-Rippen 3 aufweist.
Außerdem
weist das Element 1 Nuten 4 auf, die die Wand 2 von
der anderen Seite her quer durchsetzen und sich soweit in die Rippen 3 hinein
erstrecken, daß sie bezüglich ihrer
Tiefe t von einer Grundwand 5 begrenzt sind, und bezüglich ihrer
Breite b von verbleibenden Seitenwänden 6 der Rippen 3 begrenzt
sind. Das Wärmetauscher-Element 1 ist
somit quer durchgehend geschlossen. Die Öffnung der Nuten 4 ist
mit 4a bezeichnet.
-
Beim
Ausführungsbeispiel
erstrecken sich die Rippen 3 von dem einen, hier ebenen
Rand 2a bis zum gegenüberliegenden,
hier parallelen Rand 2b. Diese Ränder 2a, 2b bilden
mit den sich dazu rechtwinklig erstreckenden übrigen Rändern 2c, 2d eine rechteckige
Form des Wärmetauscher-Elements 1 bzw.
der Wand 2. Die der Wand 2 gegenüberliegenden
freien Ecken der Rippen 3 sind abgestumpft, vorzugsweise
gerundet, siehe Rundungen 7.
-
Die
Nuten 4 enden in einem Abstand a von den zugehörigen Rändern 2a, 2b.
Beim Ausführungsbeispiel
sind die Nuten 3 spanabhebend ausgearbeitet, z.B. mit einem
nicht dargestellten Scheibenfräser.
Hierdurch ergeben sich an den Enden der Nuten 4 konkav
gerundete Endflächen 4a.
Im benachbarten Bereich B der Rippen 3 sind diese somit
stabilisiert und beim Ausführungsbeispiel
vollwandig.
-
Die
Dicke der innen z. B. gerundeten Grundwände 5 kann wenige
Millimetern aufweisen. Dies gilt auch für die Dicke der die Nuten 4 seitlich
begrenzenden Seitenwände 6 der
Rippen 3. Die Abmessungen der Rippen 3 einerseits
und der Nuten 4 andererseits sind jeweils vorzugsweise
gleich.
-
Die äußeren Nuten 4 weisen
von den zugehörigen
Rändern 2c, 2d einen
Abstand c auf, der in der betreffenden Seitenfläche 2a der Wand 2 liegt,
so daß sich
eine umlaufende Randfläche 8 an
der betreffenden Breitseite der Wand 2 ergibt.
-
Das
Wärmetauscher-Element 1 läßt sich
vorteilhaft mit folgenden Verfahrensschritten herstellen.
-
In
einem ersten Verfahrensschritt wird die Wärmetauscher-Wand 2 mit den Rippen 3 einteilig geformt.
Dies kann spanabhebend durch die Einarbeitung von längs durchgehenden
Nuten 3a in einen Rohling erfolgen, dessen Dicke der Wanddicke
zuzüglich
der Rippenhöhe
entspricht. Die Rippen 3 erstrecken sich vorzugsweise gerade
in Profilform.
-
Das
Formen der Wand 2 mit den Rippen 3 kann auch anders,
z. B. durch Gießen
oder Druckgießen
in einer Gießform,
erfolgen, oder es kann auch ein Profilstück entsprechend der Profilform
vorgefertigt und verwendet werden, das z. B. in passender Länge von
einer Profilstange abgelängt
wird.
-
In
das soweit vorgefertigte Wärmetauscher-Element 1 werden
dann die Nuten 4 von der den Rippen 3 abgewandten
Seite her in die Wand 2 eingearbeitet und zwar so tief,
daß die
Nuten 4 die Wand 2 durchsetzen und sich in die
Rippen 3 hinein erstrecken. Die Einarbeitung erfolgt vorzugsweise mit
einem konvergenten Nutendauslauf, siehe Endflächen 4a, was zu der
bereits beschriebenen Stabilisierung des Wärmetauscher-Elements 1 in
dessen Randbereich führt.
-
Die
Einarbeitung der Nuten 4 erfolgt vorzugsweise durch Fräsen, insbesondere
mit einem Scheibenfräser,
dessen Verwendung die konkav gerundeten Endflächen 4a ergibt.
-
Die
spanabhebende Einarbeitung der Nuten 4 und gegebenenfalls
auch der Nuten 3a kann maschinell in einfacher Weise und
rationell erfolgen. Dabei ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, zuerst
die Nuten 4 und dann die Nuten 3a einzuarbeiten.
-
Die
spanabhebende Herstellung der Nuten 3a bzw. der Rippen 3 und
der Nuten 4 führt
zu dem Vorteil, daß die
Querschnittsgrößen der
Nuten 4 und der Rippen 3 wahlweise bestimmt werden
können,
z. B. unter Berücksichtigung
von Anforderungen, die durch einen Luftdurchsatz bestimmter Größe vorgegeben
sind. Hierdurch kann das Element 1 bestimmter Größe an unterschiedliche
Luftdurchsatzleistungen bzw. Wärmeaustauschleistungen
angepaßt
werden.
-
Mehrere
erfindungsgemäße Wärmetauscher-Elemente 1 eignen
sich in vorteilhafter Weise dazu, ein Gehäuse 15 zu bilden,
z. B. mit zwei einander gegenüberliegend
angeordneten Seitenwänden 16, 17,
einer Rückwand 18,
einer Bodenwand 19 und einer Deckenwand 20, wobei
die Seitenwände 16, 17 und/oder
die Rückwand 18 jeweils
durch ein Wärmetauscher-Element 1 gebildet
sind. Die Wärmetauscher-Elemente 1 sind
mit ihren Rippen 3 nach außen weisend angeordnet, so
daß die
Nuten 4 innen angeordnet sind.
-
Das
in 6 dargestellte Gehäuse 15 weist an
einer Vorderseite eine Zugangsöffnung 21 auf,
die z. B. dadurch gebildet sein kann, daß an der Vorderseite eine Gehäusewand
fehlt. Für
den Verschluß des
Gehäuses 15 ist
eine weitere, nicht dargestellte Seitenwand bzw. Vorderwand vorgesehen,
mit der die Zugangsöffnung 21 verschließbar ist.
Für den
Anbau dieser zusätzlichen
Seitenwand ist an der Zugangsöffnung 21 ein
Flansch 22 vorgesehen, der auf dem Umfang verteilt angeordnete
Schraubenlöcher 23 aufweist,
in die nicht dargestellte Schrauben einführbar und mit der zusätzlichen
Seitenwand verschraubbar sind. Die nicht dargestellte zusätzliche Seitenwand
ist vorzugsweise im Sinne des erfindungsgemäßen Wärmetauscher-Elements 1 ausgebildet.
Deshalb gilt die diesbezügliche
Beschreibung der Seitenwände 16, 17 nicht
nur für
die Rückwand 18,
sondern auch für
diese zusätzliche
Seitenwand.
-
An
einer oder mehreren der aufrechten Seitenwände des Gehäuses 15, die durch
ein Wärmetauscher-Element 1 gebildet
sind, ist eine Strömungsleitwand 24 angeordnet
und in nicht dargestellter Weise befestigt, die die Nuten 4 innenseitig abdeckt
und somit horizontal schließt,
so daß die
Nuten 4 nur im oberen und unteren Bereich mit dem Innenraum 25 des
Gehäuses 15 in
Verbindung stehen. Hierdurch werden für die Nuten 4 Strömungskreisläufe 26 geschaffen,
die sich aufrecht erstrecken und außenseitig von der zugehörigen Strömungsleitwand 24 durch.
die betreffende Nut 4 und innenseitig von der Strömungsleitwand 24 durch
den von der Strömungsleitwand 24 begrenzten
Innenhohlraum 25a gebildet sind. Dabei bildet der Innenhohlraum 25a einen
für alle
Strömungskreisläufe 26 der
Nuten 4 gemeinsamen inneren Strömungskreislaufabschnitt 26a.
-
Im
Betrieb des Gehäuses 15 wird
bei einer Erwärmung
im Innenraum 25 des Gehäuses 15 in den
Strömungskreisläufen 26 selbsttätig eine
Kreislaufströmung
erzeugt, die aufgrund des natürlichen Auftriebs
in den Strömungskreislaufabschnitten 26a aufwärts und
in den gekühlten
Kanälen 4 abwärts gerichtet
ist. Die Kreislaufströmung
kann durch einen Ventilator forciert werden, der durch einen Antriebsmotor 28 antreibbar
ist.
-
Beim
Ausführungsbeispiel
hat jeweils die Strömungsleitwand 24 mit
ihrem oberen und unteren Rand einen Abstand e, f von der Bodenwand 19 und der
Deckenwand 20, wodurch die Kanäle 4 zum Innenraum 25 hin
offen sind. Außerdem
kann z. B. im Abstand e oberhalb der Bodenwand 19 eine
Bodenzwischenwand 28 angeordnet sein, die ein oder mehrere
vertikale Strömungslöcher 29 aufweist,
das bzw. die Teil des inneren Strömungskreislaufabschnitts 26a ist
bzw. sind. Das nicht dargestellte Lüfterrad des Ventilators 27 kann
im Loch 29 angeordnet sein. In 6 ist nur der Antriebsmotor 28 des
Ventilators 27 gezeigt.
-
Wie 6 deutlich erkennen läßt, findet beim
Gehäuse 15 ein
forcierter innerer und äußerer Wärmetausch
statt. Der innere Wärmetausch
beruht auf der Wirksamkeit der Strömungskreisläufe 26 und der äußere Wärmetausch
beruht auf der Wirksamkeit einer äußeren aufwärts gerichteten Konvektions-Strömung, die
aufgrund des natürlichen
Auftriebs zwischen den Rippen 3 stattfindet und durch aufwärts gerichtete
Pfeile 31 verdeutlicht ist.
-
Die
Ausgestaltungen nach 6 eignet
sich vorzüglich
für ein
geschlossenes System, wie es das Gehäuse 15 darstellt.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel
ist für
ein Antennenanpaßgerät konzipiert. Es
sind jedoch auch eine Vielzahl von anderen Anwendungen denkbar.