DE112009000983T5

DE112009000983T5 - Wärmetauscher mit Streckgitterwirbelerzeuger

Info

Publication number: DE112009000983T5
Application number: DE112009000983T
Authority: DE
Inventors: Bryan Ontario Sperandel; Allan K. Ontario So; Thomas Ontario Seiler
Original assignee: Dana Canada Corp
Current assignee: Dana Canada Corp
Priority date: 2008-04-21
Filing date: 2009-04-16
Publication date: 2011-06-22
Also published as: WO2009129608A1; US20090260789A1

Abstract

Wärmetauscher, der folgendes aufweist: ein rohrförmiges Element mit ersten und zweiten beabstandeten Wänden, die einen Fluidflussdurchgang dazwischen definieren, wobei das rohrförmige Element einen Fluideinlass und einen Fluidauslass hat, wobei der Fluideinlass und der Fluidauslass voneinander beabstandet sind, um dadurch eine Flussrichtung von dem Fluideinlass zu dem Fluidauslass für den Fluss eines ersten Fluids durch den Fluidflussdurchgang zu definieren; eine gewellte Wärmeübertragungsoberfläche, die in dem Flussdurchgang angeordnet ist, wobei die Wärmeübertragungsoberfläche parallele, beabstandete Grate mit sich dazwischen erstreckenden Bereichen enthält, wobei abwechselnde Grate in Kontakt mit den ersten und zweiten beabstandeten Wänden sind, wobei die gewellte Wärmeübertragungsoberfläche eine Vielzahl von Mikroöffnungen hat, die poröse Bereiche der gewellten Wärmeübertragungsoberfläche definieren, wobei die porösen Bereiche in wenigstens den planaren Bereichen angeordnet sind, wobei die porösen Bereiche eine im Wesentlichen einheitliche Porosität haben und wobei die Grate senkrecht zu der Flussrichtung innerhalb des Flussdurchgangs ausgerichtet sind.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft Wärmetauscher und insbesondere Wirbelerzeuger, die bei Wärmetauschern vom Plattentyp verwendet werden, um die Wärmeübertragungsleistungsfähigkeit des Wärmetauschers zu erhöhen.
Hintergrund der Erfindung
Bei Wärmetauschern, insbesondere von dem Typ, die zum Kühlen oder Erhitzen von Flüssigkeiten, wie beispielsweise Öl, verwendet werden, ist es üblich, Flusszunahmevorrichtungen zu verwenden, um ein Mischen oder eine Flussturbulenz zu erhöhen oder die Ausbildung von Grenzschichten zu erschweren und somit die Wärmeübertragungseffizienz der Wärmetauscher zu verbessern. In der Vergangenheit sind verschiedene Typen von Metallrippen oder Wirbelerzeugern verwendet worden. Ein üblicher Typ eines Wirbelerzeugers ist eine gewellte Rippe, bei welcher die Wellen mit einem Muster von Schlitzen ausgebildet sind und das Material der Wellen in lateraler Richtung versetzt ist, um versetzte Öffnungen zu erzeugen. Dies erzeugt einen gewundenen Flusspfad durch den Wirbelerzeuger, was eine Turbulenz erhöht und Grenzschichten auflöst.
Das US-Patent Nr. 4,945,981 (Joshi) offenbart eine Rippe mit einer Vielzahl von Wellen, von welchen die Seitenwände mit vertikalen Lüftungsöffnungen bzw. -schlitzen bzw. Gittern versehen sind. Eingeschlitzte Rippen werden für gewöhnlich auf der Luftseite eines Luft-zu-Flüssigkeit-Wärmetauschers verwendet; jedoch ist in diesem Patent von Joshi die eingeschlitzte Rippe innerhalb der Wärmetauscherrohre oder -kanäle angeordnet, die normalerweise Flüssigkeiten, wie beispielsweise Öle, enthalten. Ebenso zeigt das Patent von Joshi die eingeschlitzte Rippe derart positioniert, dass sie innerhalb der Wärmetauscherrohre mit den Wellen entweder parallel oder transversal zu dem Fluss des Fluids durch den Kanal ausgerichtet ist.
Die japanische Patentanmeldung JP-62255792 offenbart einen Wärmetauscher mit porösen bzw. löchrigen, dünnen, laminaren, metallischen Rippen, die zwischen benachbarten Rohren in dem Wärmetauscher angeordnet sind. Die Rippen sind in einer Wellenform entlang einer ersten Achse und in einer Wellenform entlang einer zweiten Achse ausgebildet, wobei die zweite Achse senkrecht zu der ersten Achse ist. Jedoch sind die Rippen außerhalb der Rohre des Wärmetauschers und zwischen ihnen angeordnet.
Einige Schwierigkeiten bei Streckgitterwirbelerzeugern oder Wirbelerzeugern vom Typ mit eingeschlitzten Rippen bestehen darin, dass sie unerwünscht hohe Druckabfälle oder Flussverluste in dem Wärmetauscher hervorrufen, was in einem unregelmäßigen oder uneinheitlichen Flussmuster in den Fluiddurchgängen des Wärmetauschers resultiert. Dies kann in einigen Bereichen des Wärmetauschers eine Stagnation hervorrufen; aber selbst wenn dies nicht auftritt, deutet ein uneinheitliches Flussprofil im Allgemeinen auf eine Wärmeübertragungseffizienz durch den Wärmetauscher hin, die weniger als ideal ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Wärmetauscher zur Verfügung gestellt, der folgendes aufweist: ein rohrförmiges Element mit ersten und zweiten beabstandeten Wänden, die einen Flussdurchgang dazwischen definieren, wobei das rohrförmige Element jeweilige Endbereiche hat, die einen Fluideinlass und einen Fluidauslass für den Fluss eines ersten Fluids durch den Flussdurchgang definieren. in dem rohrförmigen Element ist eine gewellte Wärmeübertragungsoberfläche angeordnet, wobei die Wärmeübertragungsoberfläche parallele, beabstandete Grate bzw. Erhöhungen mit sich dazwischen erstreckenden planaren Bereichen enthält, wobei abwechselnde Grate in Kontakt mit den ersten und zweiten beabstandeten Wänden sind, wobei die gewellte Wärmeübertragungsoberfläche eine Vielzahl von Mikroöffnungen darin ausgebildet hat, die eine einheitliche Porosität über ihre Oberfläche definieren. Das rohrförmige Element hat eine Längsachse, wobei die Grate der Wärmeübertragungsoberfläche rechtwinklig zu der Längsachse ausgerichtet sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nun werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, wobei:
1 eine auseinander gezogene perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Wärmetauschers vom Plattentyp, der eine gewellte Wärmeübertragungsoberfläche enthält, gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine perspektivische Ansicht der in 1 gezeigten Wärmeübertragungsoberfläche ist;
3 eine Seitenansicht im Aufriss der in 2 gezeigten Wärmeübertragungsoberfläche ist;
4 eine teilweise perspektivische Ansicht eines einzelnen Rohrelements eines Wärmetauschers, das eine Wärmeübertragungsoberfläche enthält, gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
5 eine Querschnittsansicht einer einzelnen Welle einer Wärmeübertragungsoberfläche gemäß einer Ausführungsform der Erfindung entlang der in 7 gezeigten Schnittlinie 5-5 ist;
6 eine Ansicht der linken Seite der in 5 gezeigten Welle ist;
7 eine Draufsicht auf die in 5 gezeigte Welle ist;
8 eine Ansicht der rechten Seite der in 5 gezeigten Welle ist;
9 eine Draufsicht auf einen Schnitt von Material ist, das zum Ausbilden der in den 5–8 gezeigten Welle verwendet wird;
10 eine vergrößerte Detailansicht des umkreisten Bereichs 100 der 9 ist;
11 eine Draufsicht auf einen Schnitt von Material ist, das zum Ausbilden einer Wärmeübertragungsoberfläche gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung verwendet wird;
12 eine vergrößerte Detailansicht des umkreisten Bereichs 120 der 11 ist;
13 eine Querschnittsansicht einer einzelnen Welle einer Wärmeübertragungsoberfläche gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung entlang der in 15 gezeigten Schnittlinie 13-13 ist;
14 eine Ansicht der linken Seite einer in 13 gezeigten einzelnen Welle ist;
15 eine Draufsicht auf die Welle der 13 ist;
16 eine Ansicht der rechten Seite der Welle der 13 ist;
17 eine Draufsicht auf einen Schnitt von Material ist, das zum Ausbilden einer Welle einer Wärmeübertragungsoberfläche gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung verwendet wird;
18 eine vergrößerte Detailansicht eines Schnitts von Material ist, das zum Ausbilden einer Wärmeübertragungsoberfläche gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung verwendet wird; und
19 ein Diagramm einer Gesamtleistung ist, das die Effizienz des Wärmetauschers der vorliegenden Erfindung mit derjenigen eines Wärmetauschers nach dem Stand der Technik vergleicht.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Nimmt man zuerst Bezug auf 1, ist dort ein Teilbereich eines Wärmetauschers 10 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Der Wärmetauscher 10 ist aus einer Vielzahl von rohrförmigen Elementen 12 ausgebildet. Bei der gezeigten Ausführungsform sind die rohrförmigen Elemente 12 in der Form von Plattenpaaren mit einer oberen Platte 14, einer unteren Platte 16 und einem dazwischen angeordneten Wirbelerzeuger 18. Die Platten 14, 16 sind Rückseite an Rückseite angeordnet und haben verbundene periphere Ränder 20. Die Platten 14, 16 definieren erste und zweite beabstandete Wände oder erhöhte zentrale Bereiche 22, die einen Fluidflussdurchgang dazwischen definieren, in welchem der Wirbelerzeuger 18 angeordnet ist. Die erhöhten zentralen Bereiche 22 haben jeweilige Endbereiche mit erhöhten Endvorsprüngen 23, die jeweilige Einlass- und Auslassöffnungen 24, 26 für den Fluss eines ersten Wärmeaustauschfluids, wie beispielsweise Öl, durch die rohrförmigen Elemente 12 definieren. Die erhöhten Endvorsprünge 23 dienen auch zum Beabstanden der rohrförmigen Elemente 12, wenn sie auf die oberste Seite des anderen gestapelt werden, um den Wärmetauscher 10 auszubilden. Wenn die rohrförmigen Elemente 12 zusammen gestapelt sind, richten sich alle der Einlassöffnungen 24 und der Auslassöffnungen 26 in Fluidkommunikation miteinander aus, um dadurch jeweilige Einlass- und Auslassrohrverzweigungen auszubilden. Wenn es erwünscht ist, können gewellte Rippen 34 zwischen den rohrförmigen Elementen 12 angeordnet sein, um als Wärmeübertragungszunahmevorrichtungen für ein zweites Fluid, wie beispielsweise Luft, zu wirken, das transversal durch den Wärmetauscher 10 fließt. Die gewellten Rippen können vorzugsweise mit vertikalen Schlitzen oder Luftschlitzen bzw. Gittern versehen sein, wie es gezeigt ist. Während sich 1 auf einen Öl-zu-Luft-Wärmetauscher 10 mit länglichen rohrförmigen Elementen 12 und gewellten Rippen bezieht, wird es erkannt werden, dass bei diesem Typ von Wärmetauscher nicht notwendigerweise Wirbelerzeuger 18 verwendet werden. Vielmehr wird es erkannt werden, dass der Wirbelerzeuger 18 innerhalb der Fluidflussdurchgänge einer Vielfalt von unterschiedlichen Wärmetauschern platziert sein kann, wie beispielsweise Öl-zu-Wasser-Wärmetauschern gleich denjenigen, die durch das oben genannte Patent von Joshi beschrieben sind. Beispiele für solche Öl-zu-Wasser-Wärmetauscher enthalten Getriebeölkühler, Motorölkühler und Servolenkungsölkühler. Es wird auch erkannt werden, dass Wirbelerzeuger 18 und Rippen 34 der Annehmlichkeit halber etwas schematisch gezeigt sind und unnötige Details weggelassen worden sind.
Wie es in 1 gezeigt ist, sind die rohrförmigen Elemente 12 entlang einer Längsachse 43 ausgerichtet. Daher ist die Richtung eines Fluidflusses innerhalb der Fluidflussdurchgänge auch entlang der Längsachse 43 von der Einlassrohrverzweigung zu der Auslassrohrverzweigung.
Nimmt man als Nächstes Bezug auf die 2 und 3, ist dort eine bevorzugte Ausführungsform des Wirbelerzeugers 18 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Es wird erkannt werden, dass, während ein bestimmter Wirbelerzeuger 18 gezeigt ist, der Wirbelerzeuger 18 in Abhängigkeit von dem verwendeten Herstellungsverfahren und der besonderen Anwendung in irgendeiner Breite oder Länge hergestellt werden kann.
Der Wirbelerzeuger 18 ist ein gewelltes Element 36 mit parallelen, beabstandeten Wellen 37, die obere und untere Grate bzw. Erhöhungen 38, 40 und sich zwischen den Graten 38, 40 erstreckende planare Bereichen 41 definieren. Es ist bevorzugt, Wirbelerzeuger 18 mit von etwa 15 bis zu etwa 35 Wellen pro Inch zur Verfügung zu stellen, um eine ausreichende Wärmeübertragungsleistung zu erreichen. In Abhängigkeit von dem Ausmaß an Kontakt, der zwischen dem Wirbelerzeuger 18 und der inneren Oberfläche der erhöhten zentralen Bereiche 22 der Platten 14, 16 erforderlich ist, können die Wellen oder die oberen und unteren Grate 38, 40 derart geformt sein, dass sie flache oberste Bereiche haben, wie es in den 2 und 3 gezeigt ist, oder können sie mehr abgerundete oberste Bereiche haben, wie es in der nachstehend beschriebenen 5 gezeigt ist. Die Wellen 37 können auch in einer dreieckförmigen Konfiguration ausgebildet sein, wenn es erwünscht ist
Das gewellte Element 36 ist aus Streckgitter bzw. Streckmetallgitter oder einem Sieb hergestellt und hat eine Vielzahl von Mikroöffnungen 42 darin ausgebildet, die durch Netze bzw. Bahnen aus dünnem Metallmaterial verbunden sind. Es wird erkannt werden, dass die Mikroöffnungen 42 bevorzugt über einem Teil oder der Gesamtheit der planaren Bereiche 41 vorgesehen sind. Die 2 und 3 sollen eine Ausführungsform darstellen, bei welcher die Mikroöffnungen 42 über der gesamten Oberfläche von allen planaren Bereichen 41 vorgesehen sind, aber die meisten der Mikroöffnungen 42 sind der Annehmlichkeit halber von der 2 weggelassen.
Die Mikroöffnungen 42 sind bevorzugt in einem im Wesentlichen regelmäßigen Muster angeordnet und sind bevorzugt von im Wesentlichen derselben Größe, um eine insgesamt einheitliche Porosität über den Bereichen der Wirbelerzeugeroberflächen zur Verfügung zu stellen, in welchen sie ausgebildet sind. Beispielsweise sind bei der in den 2 und 3 gezeigten Ausführungsform die Mikroöffnungen 42 über einem Teil oder der Gesamtheit der planaren Bereiche 41 der Wirbelerzeuger 18 angeordnet, um die planaren Bereiche 41 mit einer insgesamt einheitlichen Porosität bzw. Löchrigkeit zu versehen. Vorzugsweise liegt die insgesamt einheitliche Porosität der Wirbelerzeugeroberflächen, in welchen die Mikroöffnungen 42 vorgesehen sind, innerhalb des Bereichs von etwa 50% bis etwa 80%. Anders ausgedrückt beläuft sich in irgendeiner gegebenen Oberfläche des Wirbelerzeugers 18, in welcher die Mikroöffnungen 42 vorgesehen sind, wie beispielsweise den planaren Bereichen 41 der 2 und 3, der zusammengefasste offene Bereich, der in dieser Oberfläche durch die Mikroöffnungen 42 ausgebildet ist, auf von etwa 50% bis zu etwa 80% des gesamten Bereichs von dieser Oberfläche. Bei der Ausführungsform der 2 und 3 beläuft sich daher der durch die Mikroöffnungen 42 definierte offene Bereich auf von etwa 50% bis etwa 80% des gesamten Bereichs der planaren Bereiche 41. Es kann bei einigen Ausführungsformen der Erfindung bevorzugt sein, die insgesamt einheitliche Porosität, die wie oben definiert ist, auf den Bereich von etwa 50% bis 70% zu beschränken.
Es wird erkannt werden, dass die Anzahl von Mikroöffnungen 42 pro Einheitsbereich und die insgesamt einheitliche Porosität des Wirbelerzeugers 18 in dem Sinn beschränkt sind, dass die Gesamtfestigkeit des Wirbelerzeugers durch die Größe oder die Anzahl von Mikroöffnungen 42, die in dem Wirbelerzeuger 18 ausgebildet sind, nicht übermäßig beeinträchtigt sein sollte.
Obwohl die 2 den Wirbelerzeuger 18 mit Mikroöffnungen 42 darstellt, die die gesamten Oberflächen der planaren Bereiche 41 bedecken, während die oberen und unteren Grate 38, 40 unperforiert gelassen sind, wird es erkannt werden, dass dies nicht wesentlich ist. Vielmehr wird es erkannt werden, dass die Mikroöffnungen 42 über alle Oberflächen des Wirbelerzeugers 18 verteilt sein können, einschließlich der planaren Bereiche 41 und der Grate 38, 40, wobei alle Oberflächen des Wirbelerzeugers 18 bevorzugt eine insgesamt einheitliche Porosität innerhalb der oben diskutierten Bereiche haben. Das Vorsehen von unperforierten obersten und untersten Oberflächen der Grate 38, 40 kann bevorzugt sein, da es einen erhöhten Kontakt zwischen dem Wirbelerzeuger 18 und den erhöhten zentralen Bereichen 22 der rohrförmigen Elemente 12 zulässt, was in einer sichereren Hartlötstelle oder Sondierung zwischen den Komponenten des Wärmetauschers 10 resultieren kann.
Wie es oben angegeben ist, sind die Mikroöffnungen 42 bevorzugt alle von im Wesentlichen derselben Größe und Form, um beim Versehen der Oberflächen des Wirbelerzeugers 18 mit einer insgesamt einheitlichen Porosität zu unterstützen. Es wird erkannt werden, dass die Mikroöffnungen 42 von irgendeiner Form und Größe sein können, aber bevorzugt von einer Form und Größe sind, die durch Schlitzen und Expandieren des dünnen Blechs ausgebildet werden können, ohne Bruchstellen in den dünnen Netzen bzw. Bahnen von Metallmaterial zu erzeugen, die die Mikroöffnungen verbinden. Die hierin definierten Formen und Größen von Mikroöffnungen sind spezifische Beispiele von Formen, welche die Erfinder als geeignet befunden haben, um Wirbelerzeuger gemäß der Erfindung mit einer insgesamt einheitlichen Porosität, Wärmeübertragungseigenschaften und einem Druckabfall, die akzeptierbar sind, zur Verfügung zu stellen. Es wird jedoch erkannt werden, dass zahlreiche andere Formen und Größen von Mikroöffnungen möglich sind, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Unter anderen möglichen Formen von Mikroöffnungen enthalten einige Beispiele eine expandierte ”Tortenstückform” mit zwei schrägen Seiten und einer bogenförmigen Seite; regelmäßige oder unregelmäßige Polygonformen einschließlich einer Diamantform, vierflächig, rhombisch, hexagonal, dreieckförmig, etc.; kreisförmige oder ovale Formen; Regentropfen- oder Tränenformen, etc.
Es wird erkannt werden, dass die Formen von Mikroöffnungen der hierin dargestellten Ausführungsformen Beispiele von Mikroöffnungen sind, die auf angenehme Weise durch Schlitzen des dünnen Blechs ausgebildet werden, aus welchem der Wirbelerzeuger 18 ausgebildet ist, dem ein Strecken des Blechs folgt, und zwar allgemein in einer Richtung senkrecht zu der Richtung des Schlitzes, um den Schlitz in eine Mikroöffnung zu expandieren bzw. zu erweitern. Auf diese Weise erzeugte Mikroöffnungen haben typischerweise zwei Seiten, die sich unter spitzen Winkeln, d. h. Winkeln von weniger als 90 Grad, treffen.
Die Dimensionen und der Bereich der einzelnen Mikroöffnungen sind von der erwünschten insgesamt einheitlichen Porosität des Wirbelerzeugers 18 abhängig und sind auch von der Form abhängig. Die Dimensionen und der Bereich der einzelnen Mikroöffnungen sind daher äußerst variabel und die Erfinder haben herausgefunden, dass der Bereich einer einzelnen Mikroöffnung bevorzugt von etwa 0,2 mm² bis etwa 3 mm² reichen kann.
4 zeigt einen Wirbelerzeuger 18, der innerhalb eines rohrförmigen Elements 12 des Wärmetauschers 10 positioniert ist, wobei die parallelen Reihen von Wellen 37 rechtwinklig zu der Längsachse 43 des rohrförmigen Elements 12 ausgerichtet sind. Daher sind die parallelen Reihen von Wellen 37 rechtwinklig zu der Richtung eines Flusses des ersten Wärmeaustauschfluids innerhalb des durch das rohrförmige Element 12 definierten Fluidflussdurchgangs, was durch einen Pfeil A angezeigt ist, welche Richtung ”Hochdruckabfall”-Richtung genannt wird. Da das erste Wärmeaustauschfluid durch das rohrförmige Element 12 fließt, fließt es durch die in den Wellen 37 ausgebildeten Mikroöffnungen 42, um dadurch eine Turbulenz in dem Fluid zu verursachen und ein Grenzschichtenwachstum zu erniedrigen. Die Turbulenz und die Reduzierung bezüglich einer Grenzschicht erhöhen eine Wärmeübertragung, um dadurch die Gesamtleistung des Wärmetauschers 10 zu erhöhen. Ebenso neigt die durch die Vielzahl von Mikroöffnungen 42 zur Verfügung gestellte relativ hohe insgesamt einheitliche Porosität dazu, den Druckabfall oder Fluidverluste, was normalerweise zu einem Fluidfluss in der Hochdruckabfallrichtung gehört, zu reduzieren, da es weniger Widerstand gibt, dem durch das Fluid begegnet wird, wenn es durch den Wirbelerzeuger 18 fließt. Die Reduzierung bezüglich des Druckabfalls lässt einen einheitlicheren Fluss durch den Wärmetauscher 10 zu, was auch die Gesamtleistung des Wärmetauschers 10 verbessert.
Der Wirbelerzeuger 18 ist so bemaßt, dass die unperforierten oberen und unteren Grate 38, 40 in Kontakt mit den erhöhten zentralen Bereichen 22 der oberen und unteren Platten 14, 16 der rohrförmigen Elemente 12 sind. Typischerweise sind die Wärmeaustauschkomponenten aus einem Material hergestellt, das für ein Hartlöten geeignet ist. Daher lässt der Kontakt zwischen den oberen und unteren Graten 38, 40 und den inneren Oberflächen der erhöhten zentralen Bereiche 22 der Platten 14, 16 zu, dass die oberen und unteren Grate 38, 40 an die inneren Oberflächen der erhöhten zentralen Bereiche 22 der Platten 14, 16 hartgelötet werden. Anwendungen, die einen sehr niedrigen Druckabfall erfordern, können Mikroöffnungen erfordern, die in einem Bereich größer als 3 mm² sind, während sich eine Wärmeübertragungsreduzierung ergibt.
Nimmt man nun Bezug auf die 5–8 ist dort eine Welle 37 eines Wirbelerzeugers 18 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform gezeigt. Wie in den 1–4 sind die Mikroöffnungen 42 in den 5–8 in einer Konfiguration einer expandierten Tortenstückform ausgebildet. Bei der Ausführungsform der 5–8 ist der Wirbelerzeuger 18 mit Mikroöffnungen 42 über seine gesamte Oberfläche, einschließlich der Gesamtheiten der planaren Bereiche 41 und der oberen und unteren Grate 38, 40, versehen. Zusätzlich sind die Grate 38, 40 des Wirbelerzeugers 18 der 5–8 eher abgerundet als flach.
Bei der Ausführungsform der 5–8 sind alle expandierten tortenstückförmigen Öffnungen 42 von im Wesentlichen derselben Größe und Form und sind in einem im Wesentlichen regelmäßigen Muster in derselben Richtung auf dem Bogen eines Materials, das zum Ausbilden des Wirbelerzeugers 18 verwendet wird, mit im Wesentlichen regelmäßiger Beabstandung zwischen benachbarten Öffnungen 42 ausgerichtet angeordnet. Ein Teilbereich des Materials, das zum Ausbilden des Wirbelerzeugers 18 verwendet wird, ist in 9 in seinem flachen Zustand gezeigt, bevor die Wellen 37 darin ausgebildet sind, wobei die vertikalen Linien darin die Linien darstellen, entlang welchen das Material gefaltet werden wird, um die planaren Bereiche 41 und die Grate 38, 40 auszubilden. Da alle der Öffnungen 42 in dem Material in derselben Richtung ausgerichtet sind, kann es, nimmt man nun Bezug auf die 6–8, gesehen werden, dass die Öffnungen 42 auf einem ersten planaren Bereich 41a der Welle 37 in der entgegengesetzten Richtung wie die Öffnungen 42 auf dem anderen oder zweiten planaren Bereich 41b der Welle 37 ausgerichtet sind. Eine Detailansicht der Öffnungen 42 ist in 10 gezeigt, wobei die Öffnungen eine bogenförmige Seite 44 und eine winkelförmige oder V-förmige Seite 46 haben. Der Bereich von jeder tortenstückförmigen Mikroöffnung 42 ist typischerweise nahe dem unteren Ende des Bereichs von etwa 0,2 mm² bis zu etwa 3 mm², der oben angegeben ist. Was die Dimensionen der tortenstückförmigen Öffnungen anbelangt, ist die längste Dimension von Spitze zu Spitze, gemessen zwischen den zwei Spitzenecken, von welchen jede zwischen der schrägen Seite 46 und der bogenförmigen Seite 44 ausgebildet ist, typischerweise etwa 1,3 mm. Die maximale Breitendimension der tortenstückförmigen Mikroöffnungen 42 wird transversal zu der Dimension von Spitze zu Spitze gemessen und ist typischerweise etwa 0,5 mm. Diese selben Dimensionen sind auf alle tortenstückförmigen Mikroöffnungen 42 anwendbar, sowie auf tortenstückförmige Mikroöffnungen 54, 62, die nachstehend unter Bezugnahme auf 17 beschrieben werden. Es wird erkannt werden, dass die Bereiche und Dimensionen der tortenstückförmigen Mikroöffnungen, die hierin beschrieben sind, lediglich Beispiele von Bereichen und Dimensionen sind, die durch die Erfinder für akzeptierbar herausgefunden worden sind, und dass die Bereiche und Dimensionen von akzeptierbaren tortenstückförmigen Mikroöffnungen aus diesen Parametern herausfallen können.
18 zeigt eine Großaufnahme einer weiteren Form einer Mikroöffnung 42, die durch die Erfinder als akzeptierbar herausgefunden worden ist. Diese Form wird hierin als Diamantenform beschrieben, aber sie könnte auch allgemein als eine unregelmäßig hexagonale Form beschrieben werden. Bei diesem Typ von Mikroöffnung ist die längste Dimension von Spitze zu Spitze, gemessen zwischen den zwei entgegengesetzten Spitzenecken, typischerweise etwa 2,3 mm, und ist die maximale Breitendimension, gemessen senkrecht zu der Dimension von Spitze zu Spitze, typischerweise etwa 1,2 mm. Dieser Typ von Mikroöffnung 42 hat einen Bereich, der näher zu dem oberen Ende des Bereichs von etwa 0,2 mm² zu etwa 3 mm² ist, und beispielsweise kann der Bereich etwa 2 mm² sein.
Nimmt man nun Bezug auf die 11 und 12, ist dort ein Teilbereich des Materials gezeigt, das zum Ausbilden einer weiteren Ausführungsform des Wirbelerzeugers 18 verwendet wird, wobei die vertikalen Linien in 11 die Linien darstellen, entlang welchen das Material gefaltet werden wird, um die planaren Bereiche 41 und die Grate 38, 40 auszubilden. Diese Ausführungsform ist gleich derjenigen, die oben in Verbindung mit den 5–10 diskutiert ist, jedoch sind bei dieser Ausführungsform die expandierten tortenstückförmigen Mikroöffnungen um 90 Grad in Bezug auf diejenigen gedreht, die in den 5–10 gezeigt sind. Daher sind bei dieser Ausführungsform die Mikroöffnungen 42 auf beiden planaren Bereichen 41a, 41b jeder Welle 37 in derselben Richtung ausgerichtet, wie es in den 13–16 gezeigt ist. Die Bereiche und Dimensionen der tortenstückförmigen Mikroöffnungen der 11 und 12 können bevorzugt dieselben wie diejenigen der in den 5–8 gezeigten Ausführungsform sein.
17 zeigt einen Teilbereich des Materials, das zum Ausbilden einer weiteren Ausführungsform des Wirbelerzeugers 18 gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wobei die vertikalen Linien in 17 die Linien darstellen, entlang welchen das Material gefaltet werden wird, um die planaren Bereiche 41, um die Grate 38, 40 auszubilden. Diese Ausführungsform ist gleich denjenigen, die oben in Verbindung mit den 5–16 diskutiert sind, und haben expandierte tortenstückförmige Mikroöffnungen mit einer bogenförmigen Seite 44 und einer winkelförmigen bzw. schrägen oder V-förmigen Seite 46. Wie es gezeigt ist, ist das Material mit einem unperforierten Streifen 48 unter seiner Mitte ausgebildet. Wenn das Material gewellt wird, um einen Wirbelerzeuger auszubilden, verläuft der unperforierte Streifen 48 senkrecht zu den Reihen von Wellen 37 und dient zum Hinzufügen von Festigkeit zu der Gesamtstruktur des Wirbelerzeugers 18. Während nur ein unperforierter Streifen 48 gezeigt ist, wird es verstanden werden, dass mehrere beabstandete unperforierte Streifen vorgesehen sein können, wenn es erwünscht ist. Ebenso teilt der unperforierte Streifen 48 bei der gegenständlichen Ausführungsform den Wirbelerzeuger in einen ersten und einen zweiten Bereich 50, 52, und zwar einen auf jeder Seite des unperforierten Streifens 48. In Bezug auf den ersten Bereich 50 ist anzumerken, dass die Vielzahl von Mikroöffnungen 54 in einer ersten Richtung ausgerichtet sind, die dieselbe wie diejenige ist, die in den 11–16 gezeigt ist, wobei die V-förmigen Bereiche 46 in Richtung zu dem entsprechenden Ende 58 der Welle 37 gerichtet sind und der bogenförmige Bereich 44 in Richtung zu dem unperforierten Streifen 48 gerichtet ist. In Bezug auf den zweiten Bereich 52 ist die Vielzahl von Mikroöffnungen 62 das Spiegelbild von denjenigen in dem ersten Bereich 50, wobei der bogenförmige Bereich 44 in Richtung zu dem unperforierten Streifen 48 gerichtet ist und der gewinkelte Bereich 46 in Richtung zu dem entsprechenden Ende 68 der Welle 37 gerichtet ist.
Während eine bestimmte Ausführungsform eines Wirbelerzeugers 18, einschließlich eines unperforierten Streifens 48, in Verbindung mit 17 beschrieben worden ist, wird es verstanden werden, dass unperforierte Streifen in irgendeine der hierin beschriebenen Ausführungsformen eines Wirbelerzeugers eingebaut sein können.
Um den Wirbelerzeuger 18 von irgendeinem der hierin offenbarten Ausführungsformen auszubilden, wird allgemein eine dünne Schicht aus Aluminium oder irgendeinem anderen geeigneten Material mit einer Vielzahl von Schlitzen in einem geeigneten Muster entsprechend der erwünschten Porosität für den Wirbelerzeuger ausgebildet. Das Material wird dann gestreckt, um dadurch die Vielzahl von Schlitzen zu expandieren, um die Vielzahl von Mikroöffnungen 42 auszubilden, die in der Oberfläche des Wirbelerzeugers ausgebildet sind. Das expandierte Netzmaterial wird dann entlang Biegelinien transversal gebogen oder gefaltet, um die Wellen 37 auszubilden. Die Biegelinien sind entlang der Länge des Materials voneinander beabstandet, so dass dann, wenn das Material gebogen wird, Grate 38, 40 entlang der Biegelinien mit planaren Bereichen 41 des Materials sich zwischen den Graten erstreckend ausgebildet werden. Die Schritte zum Strecken/Expandieren und Biegen des Materials können gleichzeitig durchgeführt werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird, eher als dass der Wirbelerzeuger einer Wärmeübertragungsoberfläche 18 aus einem Bogen von Material mit einer Vielzahl von Schlitzen ausgebildet wird, die expandiert werden müssen, der Wirbelerzeuger aus einem Bogen von Material mit einer Vielzahl von Durchbohrungen oder Durchstichen ausgebildet, die über die Oberfläche davon beabstandet sind, um die Mikroöffnungen 42 auszubilden. Daher erfordert der Bogen von Material nur ein Biegen, um die Wellen 37 auszubilden, die den Wirbelerzeuger 18 bilden.
Wie es oben diskutiert ist, stellen Wirbelerzeuger gemäß der Erfindung einen verbesserten Wärmeaustausch durch Erzeugen einer Turbulenz und durch Reduzieren einer Grenzschichtbildung in dem Fluid zur Verfügung, während auch der Druckabfall reduziert wird, der typischerweise zu einem Fluidfluss durch einen Wärmetauscher gehört, wobei ein Wirbelerzeuger in der ”Hochdruckabfall”-Richtung positioniert ist. 19 stellt Testergebnisse bei einem Vergleich der ”Güte” eines Öl-zu-Wasser-Wärmetauschers mit einer eingeschlitzten Rippe, wie er durch das Patent von Joshi offenbart ist, positioniert in der Hochdruckabfallrichtung, mit einem Öl-zu-Wasser-Wärmetauscher mit einem Wirbelerzeuger 18 gemäß der vorliegenden Erfindung dar.
Die Güte ist ein Maß des Verhältnisses eines Wärmeaustauschs zu einem Druckabfall und zeigt eine Gesamtleistung eines Wärmetauschers. Die Leistungsfähigkeit des Wärmetauschers von Joshi und des Wärmetauschers gemäß der Erfindung wurden bei drei unterschiedlichen Flussraten gemessen: 37 l/min, 75 l/min und 132 l/min. Die Durchläufe A, B und C beziehen sich auf mit einem Wärmetauscher gemäß der vorliegenden Erfindung durchgeführte Tests und die Durchläufe D, E und F beziehen sich auf mit dem Wärmetauscher von Joshi durchgeführte Tests. Wie es durch die Testergebnisse gezeigt wird, zeigte ein Wärmetauscher, der einen Wirbelerzeuger gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet, permanent bessere Ergebnisse für alle Flussraten.
Während die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden ist, wird es von Fachleuten auf dem Gebiet verstanden werden, dass die Erfindung nicht auf diese präzisen Ausführungsformen beschränkt ist und dass Variationen oder Modifikationen durchgeführt werden können, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, wie sie hierin beschrieben ist. Beispielsweise wird es, während die beispielhafte Ausführungsform hauptsächlich in Bezug auf eine Vielzahl von gestapelten rohrförmigen Elementen 12 in der Form von Plattenpaaren mit erhöhten zentralen Bereichen 22 und verbundenen peripheren Rändern beschrieben worden ist, verstanden werden, dass die rohrförmigen Elemente stattdessen als einheitliche rohrförmige Struktur ausgebildet sein können. Ebenso können, eher als dass man identische obere und untere Platten 14, 16 hat, die rohrförmigen Elemente mit einer aufnehmenden Platte mit nach oben gewendeten Rändern und einer dazu passenden eindringenden Platte ausgebildet sein. Weiterhin wird es, während der Wärmetauscher 10 derart beschrieben worden ist, dass er eine Vielzahl von gestapelten rohrförmigen Elementen enthält, verstanden werden, dass der Wärmetauscher 10 so viele oder so wenige rohrförmige Elemente aufweisen kann, wie es für eine bestimmte Anwendung erforderlich ist. Beispielsweise kann der Wärmetauscher 10 nur ein einziges rohrförmiges Element aufweisen.
Zusammenfassung
Wärmetauscher mit Streckgitterwirbelerzeuger
Ein Wärmetauscher enthält einen Wirbelerzeuger oder eine Wärmeübertragungsoberfläche, wobei der Wirbelerzeuger ein gewelltes Element ist, das parallele, beabstandete Grate und sich dazwischen erstreckende planare Bereiche hat. Die Wärmeübertragungsoberfläche hat eine Vielzahl von Mikroöffnungen, die über wenigstens einen Bereich ihrer Oberfläche ausgebildet sind, um eine einheitliche Porosität über den Bereichen des Wirbelerzeugers zu erzeugen, in welchen sie vorgesehen sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4945981 [0003]
JP 62255792 [0004]

Claims

Wärmetauscher, der folgendes aufweist: ein rohrförmiges Element mit ersten und zweiten beabstandeten Wänden, die einen Fluidflussdurchgang dazwischen definieren, wobei das rohrförmige Element einen Fluideinlass und einen Fluidauslass hat, wobei der Fluideinlass und der Fluidauslass voneinander beabstandet sind, um dadurch eine Flussrichtung von dem Fluideinlass zu dem Fluidauslass für den Fluss eines ersten Fluids durch den Fluidflussdurchgang zu definieren; eine gewellte Wärmeübertragungsoberfläche, die in dem Flussdurchgang angeordnet ist, wobei die Wärmeübertragungsoberfläche parallele, beabstandete Grate mit sich dazwischen erstreckenden Bereichen enthält, wobei abwechselnde Grate in Kontakt mit den ersten und zweiten beabstandeten Wänden sind, wobei die gewellte Wärmeübertragungsoberfläche eine Vielzahl von Mikroöffnungen hat, die poröse Bereiche der gewellten Wärmeübertragungsoberfläche definieren, wobei die porösen Bereiche in wenigstens den planaren Bereichen angeordnet sind, wobei die porösen Bereiche eine im Wesentlichen einheitliche Porosität haben und wobei die Grate senkrecht zu der Flussrichtung innerhalb des Flussdurchgangs ausgerichtet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei die planaren Bereiche in Bezug auf die beabstandeten Wände geneigt sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei die planaren Bereiche in Bezug auf die beabstandeten Wände rechtwinklig sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei die Mikroöffnungen in einer Form ausgebildet sind, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einer expandierten Tortenstückform und einer Diamantform besteht.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei die Grate unperforierte Oberflächen sind, wobei die Mikroöffnungen nur in den planaren Bereichen der Wärmeübertragungsoberfläche ausgebildet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei die Mikroöffnungen über der gesamten Oberfläche der Wärmeübertragungsoberfläche, einschließlich der planaren Bereiche und der Grate, ausgebildet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei die Porosität der porösen Bereiche der Wärmeübertragungsoberfläche in dem Bereich von etwa 50% bis etwa 80% ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei die Mikroöffnungen einen Durchschnittsbereich innerhalb eines Bereichs von etwa 0,2 mm² bis etwa 3 mm² haben.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei die Grate gekrümmte Oberflächen sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei die Grate flache Oberflächen sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei die gewellte Wärmeübertragungsoberfläche einen unperforierten Streifen entlang ihrer Länge enthält, der die Wärmeübertragungsoberfläche in einen ersten und einen zweiten Bereich aufteilt, wobei der unperforierte Streifen rechtwinklig zu den parallelen beabstandeten Graten ausgerichtet ist, wobei die porösen Bereiche auf beiden Seiten des unperforierten Streifens vorgesehen sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 12, wobei die Mikroöffnungen in den ersten Bereichen in einer ersten Richtung ausgerichtet sind und die Mikroöffnungen in dem zweiten Bereich in einer zweiten Richtung ausgerichtet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, der eine Vielzahl von gestapelten rohrförmigen Elementen aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 14, wobei die Vielzahl von gestapelten rohrförmigen Elementen durch zueinander passende Plattenpaare ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 15, wobei jedes Plattenpaar eine obere Platte und eine untere Platte aufweist, wobei jede Platte einen erhöhten zentralen Bereich und einen peripheren Rand hat, wobei die peripheren Ränder der oberen und unteren Platten miteinander verbunden sind, wenn die oberen und unteren Platten in einer Rückseite-an-Rückseite-Beziehung platziert sind, wobei jede Platte jeweilige Endbereiche hat, die mit erhöhten Endvorsprüngen ausgebildet sind, die Einlass- und Auslassöffnungen definieren, wobei die jeweiligen Einlass- und Auslassöffnungen jedes Plattenpaars miteinander kommunizieren, wenn die Plattenpaare miteinander gestapelt sind, um Rohrverzweigungen auszubilden.