DE10227930A1

DE10227930A1 - Wärmeübertrager, insbesondere für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE10227930A1
Application number: DE2002127930
Authority: DE
Inventors: Frederik GÖTZ; Michael Kohl; Rainer Dr.-Ing. Dr. Richter
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 2002-06-21
Filing date: 2002-06-21
Publication date: 2004-01-08
Also published as: EP1527312A1; AU2003249859A1; WO2004001316A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einer Mehrzahl parall angeordneter Rohre und quer zu diesen Rohren angeordneten Rippen, die zumindest bereichsweise mit Kiemenfelder bildenden Kiemen versehen sind, wobei die Kiemen derart angeordnet sind, dass sie an den Strömungsweg des gasförmigen Mediums angepasst sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der DE 44 04 837 A1 ist ein Wärmeübertrager bekannt, der Rippen mit schräggestellten Kiemen hat, die eine Umlenkung der die Rippen überstreichenden Luft bewirken. Dabei sind die parallel verlaufenden Kiemen jeweils zwischen zwei auf einer Höhe angeordneten Rohren in Form rechteckiger Blöcke angeordnet. Durch die Kiemen wird der luftseitige Wärmeübergang erhöht.
Es ist Aufgabe der Endung, einen derartigen Wärmeübertrager zu verbessern, insbesondere den Wärmeübergang zu verbessern.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Wärmeübertrager mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weitergestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß ist ein Wärmeübertrager für einen Wärmeaustausch zwischen einem ersten und einem zweiten Medium vorgesehen, bei dem das erste Medium durch eine Mehrzahl parallel angeordneter Rohre und das zweite Medium zwischen den Rohren und quer zu den Rohren angeordneten Rippen strömen kann.
Beispielsweise kann das erste Medium ein Kühlmittel zur Kühlung eines Verbrennungsmotors und das zweite Medium Luft sein. Im Rahmen der Erfindung ist der Wärmeübertrager jedoch auch für beliebige andere Medien verwendbar.
Die Aufgabe der Erfindung wird vorteilhaft dadurch gelöst, dass die Kiemen an den Strömungsweg des zweiten Mediums angepasst sind. Dadurch wird ein Wärmeaustausch zwischen dem ersten und dem zweiten Medium vergrößert und damit die Leistung des Wärmeübertragers verbessert, wodurch die Bautiefe verringert werden kann und damit die Kosten und das Gewicht reduziert werden. Vorzugsweise ragen hierbei die senkrecht zur Strömungsrichtung des zweiten Mediums und parallel zueinander verlaufenden Kiemen im wesentlichen bis an die Rohre heran, wodurch Kiemenfelder mit bereichsweise etwa der Form der Rohre entsprechenden Begrenzungslinien entstehen, welche die Verteilung des zweiten Mediums optimieren. Das heißt im Falle von kreisförmigen Rohren haben die Kiemenfelder eine bereichsweise etwa kreisbogenförmige Begrenzungslinie und im Falle von elliptischen Rohren eine bereichsweise etwa ellipsenförmige Begrenzungslinie.
Vorzugsweise ist zwischen zwei, in Strömungsrichtung des zweiten Mediums gesehen auf gleicher Höhe angeordneten, benachbarten Rohren zumindest ein Kiemenfeld, insbesondere in einem Randbereich ein durchgehendes Kiemenfeld, vorgesehen.
Vorzugsweise ist zwischen zwei, in Strömungsrichtung des zweiten Mediums gesehen benachbarten Rohren ein Bereich ohne Kiemen vorgesehen. Durch den Strömungswiderstand in den langgezogenen Kiemenfeldern wird das zweite Medium in die nicht mit Kiemen versehenen Bereiche nach den Rohren gedrückt, in denen eine gute Wärmeleitung in der Rippe herrscht, und der Wärmeübergang wird in diesen strömungsarmen Bereichen erhöht. Die Wärmeleitung erfolgt somit nicht nur quer, sondern auch längs der Strömungsrichtung des zweiten Mediums.
Vorzugsweise ist in Strömungsrichtung des zweiten Mediums gesehen in der Mitte einer Rippe ein Bereich ohne Kiemen vorgesehen. Dies erhöht die Stabilität der Rippe und verbessert gleichzeitig die Wärmeleitung quer zur Strömungsrichtung des zweiten Mediums, wodurch der Rippenwirkungsgrad erhöht wird.
Vorzugsweise sind die äußersten Rohre an drei Seiten von Kiemen umgeben, d.h. die Kiemenfelder zwischen den beiden Rändern (in Strömungsrichtung des zweiten Mediums gesehen vorne und hinten) sind nicht unterbrochen.
Vorzugsweise sind in Strömungsrichtung des zweiten Mediums gesehen, senkrecht hierzu verlaufende Bereiche ohne Kiemen zwischen den Rohren vorgesehen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit drei Varianten unter Bezugnahme auf die Zeichnung im einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigen:

1A eine perspektivische, ausschnittsweise Darstellung der Randbereiche eines Schnitts durch einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager;
1B eine Draufsicht auf 1A mit Darstellung der Wärmeleitung in Strömungsrichtung;
2 eine erste Variante;
3 eine zweite Variante;
4 eine dritte Variante; und
5 eine perspektivische, ausschnittsweise Darstellung des Wärmeübertragers von 1A.

Ein erfindungsgemäßer Wärmeübertrager 1, im vorliegenden Fall ein Heizkörper eines Kraftfahrzeugs, weist eine Mehrzahl von parallel angeordneten Rohren 2, durch die ein Kühlmittel strömt, welches Wärme an die Luft abführt und eine Mehrzahl von parallel zueinander angeordneten Rippen 3 auf, die in Bereichen 4 mit Kiemen 5 versehen sind, welche Kiemenfelder 6 bilden. Dabei durchdringen die gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel runden Rohre 2 die Rippen 3 jeweils senkrecht. Die Kiemenfelder 6 bewirken eine Umlenkung der die Rippen 3 überstreichenden Luft (siehe 1), deren Strömungsrichtung durch den Wärmeübertrager 1 in 5 durch zwei Pfeile angedeutet ist und die im wesentlichen senkrecht zu den Kiemen 5 verläuft.
Hierbei sind gemäß der vorliegenden Erfindung die Kiemenfelder 6 derart ausgebildet, dass sie in Randbereichen 10 des Wärmeübertragers 1 zwischen zwei in Strömungsrichtung der Luft betrachtet auf gleicher Höhe liegenden, benachbarten Rohren 2 der ersten Reihe 11 von außen durchgehend ausgestaltet sind, wie aus 1A und 1B ersichtlich ist. Das Kiemenfeld 6 umgibt ein Rohr 2 der zweiten Reihe 12 von außen von drei Seiten.
Dagegen sind gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zwischen zwei in Strömungsrichtung gesehen benachbarten Rohren 2, wie in 1A und 1B ersichtlich, keine Kiemen 5 vorgesehen, wobei auf diesen kiemenfreien Bereich als Bereich 7 Bezug genommen wird. Dieser Bereich 7 verbessert im strömungsarmen Bereich, nämlich in Strömungsrichtung der Luft gesehen hinter einem Rohr 2, die Wärmeleitung in der Rippe in Strömungsrichtung.
Ferner ist zwischen zwei in Strömungsrichtung der Luft betrachtet auf gleicher Höhe, jedoch versetzt zueinander angeordneten, mittleren Reihen 13 von Rohren 2 ebenfalls ein durchgehender Bereich 7' ohne Kiemen 5 vorgesehen. Diese Unterbrechung sichert die Stabilität der Rippen 3. Da im vorliegenden Ausführungsbeispiel insgesamt nur vier Reihen 14 von Rohren 2 vorgesehen sind, sind die mittleren Reihen 13 mit den zweiten Reihen 12 identisch.
Im Bereich der Rohre 2 sind die Kiemenfelder 6 jeweils möglichst dicht, nämlich so weit, wie fertigungstechnisch sinnvoll möglich ist, an die Rohre 2 herangeführt, so dass sich etwa kreisbogenförmige Begrenzungslinien der Kiemenfelder 6 in den entsprechenden Bereichen ergeben.
Im folgenden wird, Bezug nehmend auf 2, die erste Variante des Ausführungsbeispiels beschrieben. Hierbei sind gleiche oder wirkungsgleiche Teile mit um 100 höheren Bezugszeichen versehen.
Gemäß dieser ersten Variante sind zwischen zwei, in Strömungsrichtung der Luft betrachtet auf gleicher Höhe liegenden, benachbarten Rohren 102 die Kiemenfelder 106 mit ihren Kiemen 105 durchgehend ausgestaltet, wie aus 2 ersichtlich ist. Dagegen enden, im Unterschied zum zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel, die Kiemenfelder 106 in Strömungsrichtung der Luft betrachtet, jeweils bevor ein versetzt hierzu angeordnetes Rohr 102 erreicht wird, so dass jeweils Reihen 114 gebildet werden, in denen sich Rohre 102 und Kiemenfelder 106 abwechseln und die durch Bereiche 107' unterbrochen werden. Somit entsprechen diese Bereiche 107' im Prinzip dem Bereich 7' des zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiels. Die Unterbrechung sichert die Stabilität der Rippen 103 und verbessert die Wärmeleitung in diesem Bereich 107', so dass der Rippenwirkungsgrad steigt.
Auch in diesem Fall sind die Kiemenfelder 106 möglichst dicht an die Rohre 102 herangeführt, so dass sich bereichsweise etwa kreisbogenförmige Begrenzungslinien der Kiemenfelder 106 ergeben.
Im folgenden wird, Bezug nehmend auf 3, die zweite Variante des Ausführungsbeispiels beschrieben. Hierbei sind gleiche oder wirkungsgleiche Teile mit um 200 höheren Bezugszeichen als beim zuerst beschriebenen Ausführungsbeispiel versehen.
Bei dieser zweiten Variante handelt es sich – in Hinblick auf die Kiemenfelder 206 – im Prinzip um eine Kombination der Anordnung der Kiemenfelder 6 gemäß dem Ausführungsbeispiel und der Anordnung der Kiemenfelder 106 gemäß der ersten Variante, wobei die Bereiche 7 und 107', in denen keine Kiemenfelder 6, 106 vorgesehen sind, sowohl des Ausführungsbeispiels als auch der ersten Variante miteinander kombiniert werden.
Dies führt dazu, dass im Randbereich 210 der Rippen 203 eine erste Reihe 211 vorgesehen ist, in der sich Rohre 202 und Kiemenfelder 206 abwechseln, ab der zweiten Reihe 212 wechseln sich jeweils Rohre 202 mit zwei Kiemenfeldern 206 und einem dazwischen angeordneten Bereich 207 ohne Kiemen 205 ab. Zwischen den einzelnen Reihen 214 sind ebenfalls Bereiche 207' ohne Kiemen 205 vorgesehen.
Im folgenden wird, Bezug nehmend auf 4, die dritte Variante des Ausführungsbeispiels beschrieben. Hierbei sind gleiche oder wirkungsgleiche Teile mit um 300 höheren Bezugszeichen als beim zuerst beschriebenen Ausführungsbeispiel versehen.
Gemäß dieser Variante sind zwei Reihen 314 von Rohren 302 vorgesehen, wobei jeweils zwei Rohre 302 in Strömungsrichtung der Luft betrachtet miteinander fluchten. Die Rippen 303 weisen Kiemenfelder 306 auf, wobei die Kiemenfelder 306 möglichst weit zu den Rohren 302 herangeführt sind und somit eine etwa der Rohrform entsprechende Begrenzungslinie aufweisen. Entsprechend dem Ausführungsbeispiel und der zweiten Variante sind in Strömungsrichtung der Luft betrachtet Bereiche 307 zwischen zwei Rohren 302 angeordnet, in denen keine Kiemen 305 vorgesehen sind.
Zwischen den beiden Reihen 314 ist ein Bereich 307' ohne Kiemen vorgesehen. Anstelle der durch diesen Bereich 307' unterbrochenen Kiemenfelder 306 sind auch in Strömungsrichtung der Luft gesehen durchgehende Kiemenfelder möglich (entsprechend der ersten Variante).
Die vorliegende Erfindung wurde am Beispiel eines Wärmeübertragers für ein Kraftfahrzeug beschrieben. Es sind jedoch auch andere Verwendungsformen denkbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

1: Wärmeübertrager
2, 102, 202, 302: Rohr
3, 103, 203, 303: Rippe
4: Bereich
5, 105, 205, 305: Kieme
6, 106, 206, 306: Kiemenfelder
7, 7', 107', 207, 207', 307, 307': Bereich
10, 210: Randbereich
11, 211: erste Reihe
12, 212: zweite Reihe
13: mittlere Reihe
14, 114, 214, 314: Reihe

Claims

Wärmeübertrager, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einer Mehrzahl parallel angeordneter Rohre (2; 102; 202; 302) und quer zu diesen Rohren (2; 102; 202; 302) angeordnete Rippen (3; 103; 203; 303), die zumindest bereichsweise mit Kiemenfelder (6; 106; 206; 306) bildenden Kiemen (5; 105; 205; 305) versehen sind, wobei durch die Rohre ein erstes Medium und zwischen den Rohren (2; 102; 202; 302) und Rippen (3; 103; 203; 303) ein zweites Medium strömen kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Kiemen (5; 105; 205; 305) derart angeordnet sind, dass sie an den Strömungsweg des gasförmigen Mediums angepasst sind.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die senkrecht zur Strömungsrichtung des zweiten Mediums und parallel zueinander verlaufenden Kiemen (5; 105; 205; 305) im wesentlichen bis an die Rohre (2; 102; 202; 302) heranreichen.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei, in Strömungsrichtung des zweiten Mediums gesehen auf gleicher Höhe angeordneten, benachbarten Rohren (2; 102; 202; 302) zumindest ein Kiemenfeld (6; 106; 206; 306) vorgesehen ist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei, in einem Randbereich (10; 210) angeordneten, benachbarten Rohren (2; 102; 202; 302) ein durchgehendes Kiemenfeld (6; 106; 206; 306) vorgesehen ist.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei, in Strömungsrichtung des zweiten Mediums gesehen benachbarten Rohren (2; 202; 302) ein Bereich (7; 207; 307) ohne Kiemen (5; 205; 305) vorgesehen ist.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung des zweiten Mediums gesehen in der Mitte einer Rippe (3; 103; 203; 303) ein Bereich (7'; 107', 207', 307') ohne Kiemen (5; 105; 205; 305) vorgesehen ist.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äußersten Rohre (2) an drei Seiten von Kiemen (5) umgeben sind.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass senkrecht zur Strömungsrichtung des zweiten Mediums verlaufende Bereiche (7'; 107'; 207'; 307') ohne Kiemen (5; 105; 205; 305) zwischen den Rohren (2; 102; 202; 302) vorgesehen sind.
Verwendung eines Wärmeübertragers (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 als Heizelement.