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Die Erfindung betrifft einen Flächenwärmeübertrager,
insbesondere für
die Heizung und/oder Klimatisierung von Kraftfahrzeugen mit Strömungskanälen für ein Temperiermedium,
mit einem Sammelraum und einem Verteilraum sowie Anschlüssen für den Zufluss
und den Abfluss des Temperiermediums – nach dem Oberbegriff des
Patentanspruches
1 und bekannt durch die
DE 84 20 082U1 der Anmelderin.
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Derartige Flächenwärmeübertrager aus Kunststoff wurden
für die
Klimatisierung von Kraftfahrzeugen vorgeschlagen. Im Fahrzeuginnenraum sind
mehrere Flächenwärmeübertrager,
z.B. am Boden und an den Türflächen angeordnet,
um die Behaglichkeitstemperatur der Fahrzeuginsassen zu verbessern,
d. h. zu erhöhen
oder herabzusetzen. Dies geschieht dadurch, dass die Flächenwärmeübertrager
von einem Temperierfluid relativ niedriger Temperatur, welches vom
Kühlmittelkreislauf
des Verbrennungsmotors abgezweigt wird, durchströmt werden und damit eine Wärmestrahlung
abgeben. Der Anteil der Wärmeübertragung
durch Konvektion ist vergleichsweise gering, da für diese
Flächenwärmeübertrager
grundsätzlich
keine Gebläse
vorgesehen sind.
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Um die Flächenwärmeübertrager mit einem Fluid relativ
niedriger Temperatur zu versorgen, wurde in der DE-A 35 32 492 der
Anmelderin vorgeschlagen die Flächenwärmeübertrager
mit einem Latentwärmespeicher
zu kombinieren, d. h. in einen separaten vom Latentwärmespeicher
versorgten Heizkreislauf zu schalten. Diese Flächenwärmeübertrager konnten sich jedoch
bis heute nicht durchsetzen, weil sie zusätzliche, teilweise sperrige
Bauelemente darstellen, die im Fahrgastraum untergebracht werden
müssen.
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Ein anderer Vorschlag der Anmelderin
in der DE-A 198 14 581 geht in Richtung Dezentralisierung von Heizung
und Klimatisierung, indem im Innenraum des Fahrzeuges, d. h. in
den Türen
und auch im Dachbereich Wärmetauscher
verteilt werden, denen allerdings ein Gebläse zugeordnet ist. Diese dezentralisierten
Heizungsgebläse übertragen
die Wärme also
primär
durch Konvektion, was eine erhebliche Luftzirkulation im Innenraum
bewirkt, d. h. auch unangenehme Zuglufterscheinungen.
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Im stationären Bereich, also für Wohn-,
Büro- und
Produktionsräume
in Gebäuden
wurden so genannte Kunststoff – Kapillarrohrmatten
für die
Heizung und Kühlung
vorgeschlagen (DE-C 197 51 883, DE-C 198 31 917 und DE-C 198 31
918). Diese Kapillarrohrmatten bestehen aus einer Vielzahl von Kunststoff-Kapillarrohren,
die von einem Heiz- oder Kühlmedium durchströmt und auf
ihrer Außenseite von
zu klimatisierender Luft überströmt werden.
Die Kapillarrohrmatten sind in sich weiche, nicht selbsttragende
Elemente und müssen
daher an oder in einer festen Struktur befestigt werden, die auch
zur Führung
der Kühlluft
dient. Diese Kapillarrohrmatten übertragen
ihre Wärme
somit vornehmlich durch Kovektion und benötigen daher ein Gebläse, das
wiederum zu Zuglufterscheinungen führen kann.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Flächenwärmeübertrager
der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass sie als
selbsttragende, leichte kompakte Bauelemente ausgebildet sind, die
möglichst
einfach und ohne zusätzlichen Raum
zu beanspruchen in den Fahrzeuginnenraum integriert werden können.
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Die Lösung dieser Aufgabe ergibt
sich aus den Merkmalen des Patentanspruches 1. Der erfindungsgemäße Flächenwärmeübertrager
ist in einer Verbundbauweise aus Hohlfasern und einer dieser umgebenden
Kunststoff-Matrix hergestellt. Dabei übernehmen die Hohlfasern eine
zweifache Funktion, nämlich
einerseits die Leitung des Temperierfluids und andererseits die
Festigkeit des Wärmeübertragers.
Dabei wirken sich die Hohlquerschnitte der Fasern besonders festigkeitssteigernd
aus. Durch diesen Synergie-Effekt ergibt sich ein erheblich leichterer
und kompakterer Flächenwärmeübertrager,
der dennoch ein selbsttragendes Bauelement hinreichender Festigkeit
bildet und wie ein Verkleidungselement in den Fahrgastinnenraum
integriert, d. h. flexibel gestaltet und an die jeweilige Kontur
angepasst werden kann. Die Anwendung der erfindungsgemäßen Flächenwärmeübertrager
ist nicht auf Fahrzeuge beschränkt,
sondern erstreckt sich auch auf den stationären Bereich, z. B. auf die
Gebäudetechnik.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung
der Erfindung werden die Hohlfasern zu einem so genannten Gelege – als Zwischenprodukt – zusammengefasst,
welches ein Flächenmodul
bildet. Die Hohlfasern werden dabei parallel durchströmt, was
einen relativ geringen Druckabfall auf der Fluidseite bedeutet.
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In vorteilhafter Weiterbildung der
Erfindung ist jedem Flächenmodul
bzw. Gelege eine separate Kammer für die Verteilung des Temperierfluids
auf die einzelnen Hohlfasern und für das Sammeln des Fluids auf
der Austrittsseite zugeordnet. Damit kann das Flächenmodul als einfaches Plattenteil
mit geringen Kosten hergestellt werden. Anschließend werden die Kammern mit
dem vorgefertigten Flächenmodul
verbunden, so dass eine mechanisch feste und fluiddichte Verbindung
zwischen Kammer und Flächenmodul
hergestellt ist – damit
liegt die kleinste Einheit des Flächenwärmeübertragers vor.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung
der Erfindung sind mehrere Flächenmodule
zu einem Flächenelement
zusammengefasst, so dass sich ein Flächenwärmeübertrager größerer Fläche ergibt.
Damit ist eine Anpassung an die speziellen Einbaubedingungen im
Fahrzeuginnenraum möglich,
ohne dass dadurch die Herstellkosten wesentlich ansteigen.
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In vorteilhafter Weiterbildung der
Erfindung werden die einzelnen Flächenmodule eines Flächenelementes
von Mehrkammerrohren, die beiderseits der Flächenmodule angeordnet sind,
mit Temperiertluid versorgt. Dabei ist jedem Flächenmodul ein eigener Zufuhr-
und ein eigener Abfuhrkanal zugeordnet, so dass die Flächenmodule
alle parallel beaufschlagt sind – dies ergibt eine relativ
gleichmäßige Oberflächentemperaturverteilung
für das
Flächenelement und
einen relativ niedrigen Druckabfall für das Fluid.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung
der Erfindung liegen sich Fluideintritt und Fluidaustritt für den Flächenwärmeübertrager
diagonal gegenüber, so
dass sich eine Z-förmige
Durchströmung
des Flächenelementes
ergibt.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung
der Erfindung sind die Flächenmodule über eine
Verbindungszone mit den Kammern verbunden, wobei hier eine Klebeverbindung
besonders vorteilhaft ist. Die Verbindungszone wird vorteilhafter
Weise durch zwei flache, in ihrem Querschnitt veränderliche
Schenkel gebildet, die die Randbereiche der Flächenmodule umgreifen und mit
diesen verklebt sind. Dadurch wird ein allmählicher Übergang von dem relativ weichen Flächenmodul
zu dem relativ steifen Mehrkammerrohr erreicht und ein abrupter
Steifigkeitssprung in dieser Verbindung vermieden.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung
der Erfindung sind die Hohlfasern als Glashohlfasern mit einem Außendurchmesser
vorzugsweise von ca. 0,5 bis 2 mm und einer Wandstärke von
vorzugsweise 0,05 bis 0,5 mm ausgebildet und in eine Kunststoffmatrix
eingebettet. Dadurch ergibt sich für das Flächenmodul bzw. für das Flächenelement
ein Gebilde mit einer sehr geringen Dickenausdehnung, welches auch
beim Herstellen des Hohlfaseri Kunststoffmatrix-Verbundes zwei-
oder dreidimensional geformt und damit z. B. an die Kontur des Einbauortes
angepasst werden kann.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung
können
die Flächenmodule,
wenn sie eine Sichtfläche bilden,
mit einer Dekorschicht oder zur Erhöhung der > Festigkeit mit in den Verbund integrierten
textilen Randlagen versehen sein.
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Dabei kann die Dekorschicht ebenfalls
eine verstärkende
Wirkung mit übernehmen.
In der Gesamtheit des Verbundes fungieren dabei die Hohlfasern sowohl
als medienleitendes als auch als tragendes Element.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 ein
Anschlussrohr mit Hohlfasern,
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1a eine
Ansicht in Richtung X auf das Anschlussrohr gemäß 1,
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1b Querschnitte
durch das Sammelrohr gemäß 1 in den Ebenen I, II, III,
IV und V,
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1 c
eine vergrößerte Darstellung
des Schnittes in der Ebene V,
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2 eine
Hohlfaseranordnung, nicht in einen Verbund integriert, in einer
Draufsicht,
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2a die
Hohlfaseranordnung gemäß 2 in einer Ansicht, gewölbt, 3 eine Hohlfaseranordnung
mit Hilfsfäden,
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4 eine
Hohlfaseranordnung mit Verteilerkanal,
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5 ein
Flächenmodul
mit freiliegenden Hohlfaserquerschnitten,
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6 ein
Flächenelement,
zusammengesetzt aus Flächenmodulen
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7 einen
Verteilerkanal mit Verbindungszone,
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8 die
Verbindungszone gemäß 7 im Schnitt mit eingeklebten
Hohlfasern,
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9 ein
Mehrkammerrohr mit Verbindungszonen,
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10 ein
Mehrkammerrohe (Unterteil) in gestufter Ausbildung und
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11 eine
perspektivische Darstellung des zweiteiligen Mehrkammerrohrs gemäß 10.
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1 zeigt
ein gestuftes, im Querschnitt als Mehrkammerrohr ausgebildetes Anschlussrohr 1,
an welches fünf
jeweils aus Hohlfasern 2 zusammengesetzte Hohlfasermodule 2a bis 2e angeschlossen sind.
Ein Hohlfasermodul ist also ein Bündel von mehreren parallel
zueinander angeordneten Hohlfasern. Das Anschlussrohr 1 weist
einen Eintrittstutzen 3 auf, durch welchen ein Temperierfluid
eintritt, z. B. das Kühlmittel
eines nicht dargestellten Kühlmittelkreislaufes
eines Verbrennungsmotors.
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1a zeigt
eine Ansicht in Richtung X auf den Eintrittstutzen 3 und
das dahinter liegende Mehrkammerrohr 1.
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1b zeigt
fünf Querschnitte
durch das gestuft ausgebildete Mehrkammerrohr 1, und zwar
einen einkanaligen Querschnitt 1a für das Hohlfasermodul 2a in
der Ebene 1, einen zweikanaligen Querschnitt 1b für , das
Hohlfasermodul 2b in der Schnittebene II, einen dreikanaligen
Querschnitt 1c für
das Hohlfasermodul 2c entsprechend der Ebene III, einen
vierkanaligen Querschnitt 1d für das Hohlfasermodul 2d entsprechend
der Ebene IV und einen fünfkanaligen
Querschnitt 1e für
das Hohlfasermodul 2e entsprechend der Ebene V.
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1c zeigt
eine vergrößerte Darstellung des
fünfkanaligen
Querschnittes 1e mit fünf
Kanälen bzw.
Kammern 4a bis 4e. Der Kanal 4a läuft (vgl. 1) vom Eintrittstutzen 3 bis
zum äußersten
Hohlfasermodul 2a, der Kanal 4b zum Hohlfasermodul 2b,
der Kanal 4c zum Hohlfasermodul 2c, der Kanal 4d zum
Hohlfasermodul 2d und der Kanal 4e zum vordersten
Hohlfasermodul 2e, welches in 1 c als Hohlfaser 2 erscheint.
Der Kanal 4e zur Versorgung des Hohlfasermoduls 2e entspricht
in seiner Länge
der Breitenausdehnung b des Hohlfasermoduls 2e und ist
an seinem Ende, wo das Mehrkammerrohr 1 eine Stufe 5e bildet,
verschlossen. Die Hohlfasern 2 des Hohlfasermoduls 2e münden sämtlich in
den Kanal 4e und werden somit von dem Temperierfluid parallel
beaufschlagt. Die Darstellung der Verbindung zwischen dem Ende der
Hohlfaser 2 und der Wandung des Kanals 4e ist
hier nur schematisch dargestellt und wird später ausführlich beschrieben. Ferner
ist darauf hinzuweisen, dass die Darstellung in 1 bis 1 c
nur ein Zwischenprodukt eines fertigen Flächenwärmeübertragers darstellt, bei dem
die Hohlfasern in Kunststoff eingebettet sind. Die weiteren Hohlfasermodule 2d, 2c, 2b, 2a sind
in analoger Weise an die Kanäle 4d, 4c, 4b, 4a angeschlossen, die
jeweils an weiteren Stufen 5d, 5c, 5b und
am Ende 5a des Anschlussrohres 1 verschlossen
sind. Insofern wird jedes Hohlfasermodul 2a bis 2e durch einen
eigenen Kanal 4a bis 4e des Mehrkammeranschlussrohres 1 versorgt,
d. h. sämtliche
Hohlfasermodule werden parallel zueinander beaufschlagt. Sie sind
in nicht dargestellter Weise auf der gegenüberliegenden Seite mit ihren
Faserenden an ein analog ausgebildetes Sammelrohr angeschlossen.
Jedes Hohlfasermodul 2a bis 2e wird – in hier
nicht dargestellter Weise – in
eine Kunststoffmatrix eingebettet.
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2 zeigt
ein Anwendungsbeispiel für
eine Hohlfaseranordnung 6 mit einem Verteilerrohr 7 und einem
Sammelrohr 8; es entspricht der in 1 dargestellten Bauweise.
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2a zeigt
eine Ansicht dieser Hohlfaseranordnung 6, die eine Wölbung gegenüber der
direkten Verbindung zwischen dem Verteilerrohr 7 und dem
Sammelrohr 8 aufweist. Dies kann beispielsweise vorteilhaft
sein, wenn eine solche Hohlfaseranordnung bzw. der fertige Flächenwärmeübertrager
in den Dachhimmel eines Kraftfahrzeuges zu Kühlungszwecken verlegt wird.
Man sieht, dass die Hohlfasern eine gewisse Biegung (Biegeradius
r > 50 mm) zulassen,
in der sie anschließend
durch Einbettung in eine Kunststoffmatrix fixiert werden.
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3 zeigt
eine Anordnung von Hohlfasern 9, die parallel zueinander
und in einer Lage angeordnet sind und dieselbe Länge aufweisen. Es ergibt sich
somit ein rechteckförmiges
Gebilde, welches durch Hilfsfäden 10 zu
einem so genannten Gelege 11 vorfixiert werden kann.
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4 zeigt
die Anbindung der Hohlfasern 9 an einen Verteilerkanal 12.
Die 5 Hohlfasern 9 sind dabei in eine Kunststoffmatrix 13 eingebettet,
die zusätzlich
auf ihren Außenseiten
durch Randlagen 14 verstärkt ist. Durch die Kunststoffmatrix 13 werden die
Hohlfasern 9 also allseitig umschlossen und in ihrer Lage
fixiert, während
die Randlagen 14 verstärkende
Wirkung haben, z. B. Zugspannungen aufnehmen. Weiterhin sorgen die
Hohlfasern neben 0 ihrer medienleitenden Funktion dafür, dass
die Randlagen in einem Abstand von der Mittelebene des Verbundes platziert
werden und so eine Sandwichähnliche Struktur
mit Hohlfaserkern erzielt wird.
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5 zeigt
ein Flächenmodul 15,
welches als rechteckige Platte ausgebildet ist und die Hohlfasern 9 in
sich aufnimmt. Das Flächenmodul 15 weist eine
glatte Oberseite 15a und eine Unterseite 15b auf,
die hier mit einer Dekorschicht versehen ist. Ferner weist dieses
Flächenmodul 15 zwei
Stirnseiten auf, von denen hier nur eine Stirnseite 16 mit
den freiliegenden Querschnitten der Hohlfasern 9 sichtbar ist.
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6 zeigt
den Zusammenbau von einzelnen Flächenmodulen 15 zu
einem Flächenelement 17,
wobei die Stirnseiten 16 (vgl. 5) der Flächenmodule 15 mit
einem gestuften Mehrkammerverteilerrohr 18 und einem ebenfalls
gestuften Mehrkammersammelrohr 19 verbunden sind. Der 5 Anschluss
für den
Eintritt des Temperaturfluids ist mit einem Pfeil E und der Anschluss
für den
Austritt des Temperierfluids mit A bezeichnet. Ein- und Austritt
E, A liegen sich somit diagonal gegenüber, so dass sich für das gesamte
Flächenelement 17 eine
Z-Strömung
ergibt, die durch die Strömungspfeile
S für die fünf Flächenmodule 15 gekennzeichnet
ist.
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Verteiler- und Sammelrohr 18, 19 entsprechen
in ihrem Querschnitt und Aufbau dem gestuften Anschlussrohr 1 in 1 bis 1c . Die Rohre 18, 19 sind
nicht spiegelbildlich zu einander angeordnet, sondern um 180° um ihre
Hochachse gedreht, so dass beim Eintritt E und beim Austritt A jeweils
der fünfkanalige
Querschnitt 1e gemäß 1 c vorliegt.
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7 zeigt
einen Ausschnitt eines Verteilerkanals 20, wie er dem Kanal 12 in 4 entspricht, mit einer
angeformten Verbindungszone 21, bestehend aus zwei flachen
Schenkeln 22, 23, die zwischen sich einen Spalt 24 belassen.
Dieser Verteilerkanal 20, der ebenso als Sammelkanal fungiert,
besitzt hier einen kreisförmigen
Querschnitt, er kann jedoch auch einen quadratischen oder rechteckförmigen Querschnitt
aufweisen und Teil des oben erwähnten
Mehrkammerrohres sein.
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8 zeigt
einen Schnitt durch die Verbindungszone 21 mit einem eingeklebten
Flächenmodul 25,
welches aus den Hohlfasern 26 und der Kunststoffmatrix 27 besteht,
die die Hohlfasern 26 umschließt. Das stirnseitige Ende 25a des
Flächenmoduls 25 ist
also in den Schlitz 24 der Verbindungszone 21 eingeschoben
und durch eine Klebschicht 28 mit den Schenkeln 22, 23 verbunden.
Für eine
bessere Verteilung und Deponierung des Klebstoffes sind Klebtaschen 29 in
beiden Schenkeln vorgesehen, die mit Klebstoff gefüllt sind
und so eine zusätzliche
mechanische Sicherung durch den hervorgerufenen Hinterschnitt bilden.
Zur Verstärkung
der Klebverbindung ist zusätzlich
Klebstoff außerhalb
der Schenke! 22, 23 aufgebracht, der von zwei verstärkenden
Randlagen 30, 31 abgedeckt ist – damit
ergibt sich eine Vergrößerung der
Klebefläche über die Fläche des
Schlitzes 24 hinaus auf die Außenflächen der Schenkel 22 und 23.
Darüber
hinaus ergibt sich durch diese Verbindungszone 21 ein allmählicher Übergang
der Steifigkeit vom Kanal 20 bis zum Flächenmodul 25, d. h.
ein Steifigkeitssprung mit dem Risiko einer erhöhten Bruchgefahr an der Einspannstelle
wird vermieden.
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9 zeigt
ein einstöckiges
Mehrkammerrohr 32 mit fünf
geschlossenen Kanälen 33 und
einem offenen Kanal 34, an welchen eine Verbindungszone 21' entsprechend
der in 7 und 8 beschriebenen Verbindungszone 21 angeschlossen
ist. Diese in das Mehrkammerrohr 32 integrierte Verbindungszone 21' weist – analog
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 7 und 8 – einen
Schlitz 24' auf,
in welchen in nicht dargestellter Weise ein erstes Flächenmodul eingesetzt
und verklebt wird, wofür
Klebetaschen 29' vorgesehen
sind. Damit ist das erste Flächenmodul an
den Kanal 34 strömungsmäßig angeschlossen und
auch mechanisch fest verbunden. In gleicher Weise sind weitere Flächenmodule
an die Kanäle 33 angeschlossen,
die ebenfalls eine entsprechende Verbindungszone 21' aufweisen.
Das Mehrkammerrohr 32 ist also – ähnlich wie im Ausführungsbeispiel gemäß 1 und 6 dargestellt – als gestuftes Mehrkammerrohr
ausgebildet. Die Höhe
des Mehrkammerrohres 32 ist gegenüber Länge und Breite sehr gering
und ergibt damit einen sehr flachbauenden Flächenwärmeübertrager.
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Fig.
10 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Mehrkammerrohres 35,
welches zweiteilig ausgebildet ist und aus einem hier nicht dargestellten Oberteil
und aus einem Unterteil 35a besteht. Das Mehrkammerrohr 35 weist
fünf parallel
zu einander angeordnete Kanäle
a, b, c, d, e auf, die jeweils unterschiedliche Länge und
einen eigenen Ausgang aufweisen, wobei in der Zeichnung wegen der
verkürzten
Darstellung des Rohres 35 nur die beiden ersten Ausgänge 36, 37 dargestellt
sind. In diese Ausgänge 36, 37 werden – was hier
nicht dargestellt ist – die
Enden der Flächenmodule
eingesetzt und mit dem Mehrkanalrohr 35 verklebt, wie oben
beschrieben.
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11 zeigt
in perspektivischer Darstellung das in 10 beschriebene Mehrkanalrohr 35 mit Unterteil 35a,
welches die Kanäle
a, b, c, d, e enthält, und
das plattenförmige
Oberteil 35b, weiches auf das Unterteil 35a aufgesetzt
und mit diesem in nicht dargestellter Weise mechanisch verbunden
wird. Die einzelnen Kanäle
a, b, c, d, e haben jeweils ihren eigenen Austritt (respektive Eintritt) 36, 37, 38, 39, 40, die
zu der stufenförmigen
Ausbildung dieses flach ausgebildeten Mehrkammerrohres 35 führen.
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Die oben erwähnten Hohlfasern sind vorzugsweise
Glashohlfasern und weisen einen Außendurchmesser von ca. 0,5
bis 2 mm sowie eine Wandstärke
von ca. 0,05 bis 0,5 mm auf. Die Glashohlfasern sind in eine Kunststoffmasse
(Kunststoffmatrix) eingebettet, die aus Polyesterharz, Epoxy, PUR
oder einem Thermoplast bestehen kann. Vorzugsweise kann dieser Kunststoff
gleichzeitig auch als Klebstoff für die Klebverbindung verwendet
werden.
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Wie oben im Einzelnen beschrieben
und insbesondere in 6 dargestellt,
ergibt sich durch die erfindungsgemäße Bauweise ein selbsttragender, leichter, äußerst flacher
Flächenwärmeübertrager, der – wie im
eingangs erwähnten
Stand der Technik beschrieben – in
die Flächen
des Fahrzeuginnenraumes integriert und an den Kühlmittelkreislauf des Fahrzeugmotors
angeschlossen werden kann. Dadurch kann die Behaglichkeit des Klimas
im Fahrzeuginnenraum weiter verbessert werden, ohne dass es dabei
zu unangenehmen Zuglufterscheinungen kommt.