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QUERVERWEIS AUF EINE VERWANDTE ANMELDUNG
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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität und den Nutzen der provisorischen
US-Patentanmeldung Nr. 62/270 638 , eingereicht am 22. Dezember 2015, deren Inhalt hier durch Bezugnahme eingeschlossen ist.
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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen segmentierten formangleichenden Wärmetauscher. Insbesondere bezieht sich die Offenbarung auf einen Wärmetauscher, der in der Lage ist sich bei äußeren Beanspruchungen anzupassen, indem Segmente vorgesehen sind, die sich entlang und/oder um unterschiedliche Achsen verlagern können, wobei eine Fluidströmung durch den Wärmetauscher ebenso wie ein guter Wärmekontakt an den Grenzflächen über den Wärmetauscher aufrechterhalten werden.
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HINTERGRUND
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Wärmetauscher werden im Allgemeinen häufig äußeren Beanspruchungen bzw. Spannungen unterworfen, die sich häufig auf die verschiedenen Temperaturen, denen sie ausgesetzt sind, beziehen. Beispielsweise werden Wärmetauscher, die in thermoelektrischen Generatoren (TEG's) eingesetzt sind, Temperaturen über einen großen Bereich ausgesetzt, was bestimmte Einschränkungen bezüglich der Konstruktion von TEG's mit sich bringen.
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Thermoelektrische Generatoren sind bekannt und werden zum Umwandeln von Wärme in elektrische Energie verwendet. Sie können in verschiedenen Arten von Systemen eingesetzt werden, um überschüssige Wärme in zusätzliche elektrische Leistung/Energie umzuwandeln. Genauer umfassen thermoelektrische Generatoren typischerweise mindestens einen Heißseiten-Wärmetauscher bzw. Heißwärmetauscher und mindestens einen Kaltseiten-Wärmetauscher bzw. Kaltwärmetauscher, zwischen denen mindestens ein oder mehrere thermoelektrische Module angeordnet sind. Es wichtig, einen guten Kontakt zwischen den thermoelektrischen Modulen und jeweils dem oder den Heiß- und Kaltwärmetauschern zu erzielen, damit die Gesamtvorrichtung sachgemäß funktioniert. Ein geeignetes thermisches Grenzflächenmaterial (TIM) ist an der Grenzfläche zwischen den thermoelektrischen Modulen und dem Heißwärmetauscher ebenso wie an der Grenzfläche mit dem Kaltwärmetauscher angeordnet, allerdings ist dieses Material typischerweise aufgrund des großen Temperaturbereichs, dem die Vorrichtung ausgesetzt ist, hohen Spannungen unterworfen, wodurch sich Expansionen/Kontraktionen des Heißwärmetauschers in einem sehr viel größeren Maß im Vergleich zu dem Kaltwärmetauscher ergeben. Da die gesamte Einheit im Allgemeinen dicht gebündelt oder in Sandwichform zusammengepackt ist, um einen guten Wärmekontakt zwischen den verschiedenen Komponenten sicherzustellen, wird durch den Unterschied bezüglich der Rate der Expansion/Kontraktion an der Grenzfläche der thermoelektrischen Module mit dem Heißwärmetauscher und mit dem Kaltwärmetauscher das thermische Grenzflächenmaterial großen Spannungen unterworfen, wodurch häufig Rissbildungen entstehen oder Fehler des Materials an der Grenzfläche auftreten, was eine nachteilige Wirkung der Funktionsweise des TEG mit sich bringt. Während dickere und/oder robustere thermische Grenzflächenmaterialien verwendet werden können, um eine Rissbildung und/oder Fehler zu vermeiden, bringt die Auswahl von dickeren und/oder robusteren Materialien häufig eine Verringerung des Wärmekontakts zwischen den Wärmetauschern und den thermoelektrischen Modulen mit sich, was eine nachteilige Wirkung bezüglich der gesamten Leistungsfähigkeit des TEGs ergibt.
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Daher ist das Vorsehen von Wärmetauschern, die die Fähigkeit haben, einen guten Wärmekontakt an ihren Grenzflächen aufrechtzuerhalten, sei es für die Verwendung in einem thermoelektrischen Generator oder für andere Anwendungen, und die sich an eine Expansion/Kontraktion an ihren Grenzflächen formenmäßig angleichen und/oder anpassen können, nützlich, insbesondere bei Anwendungen, bei denen die Grenzflächen eines einzelnen Wärmetauschers einem unterschiedlichen Maß an Expansion/Kontraktion und/oder äußeren Spannungen ausgesetzt sind und bei denen ein gleichbleibender Wärmekontakt an die Grenzfläche verlangt wird.
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ABRISS DER ERFINDUNG
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In Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist ein Wärmetauscher vorgesehen, der umfasst: eine Mehrzahl von Wärmetauscherelementen, wobei jedes Wärmetauscherelement eine Hauptachse und eine Querachse und einen Fluideinlass, einen Fluidauslass und einen inneren Strömungspfad, der sich zwischen dem Fluideinlass und dem Fluidauslass erstreckt und diese verbindet, aufweist; ein Einlassverteilerelement, das fluidmäßig mit dem Fluideinlass mindestens eines der Mehrzahl von Wärmetauscherelementen gekoppelt ist; ein Auslassverteilerelement, das fluidmäßig mit dem Fluidauslass mindestens eines der Mehrzahl von Wärmetauscherelementen gekoppelt ist; wobei die Mehrzahl von Wärmetauscherelementen miteinander verbunden ist und jedes Wärmetauscherelement mit mindestens einem benachbarten Wärmetauscherelement verbunden ist, um eine Expansion und/oder Kontraktion ebenso wie eine Drehbewegung um die Hauptachse und/oder die Querachse zu gestatten.
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In einem Ausführungsbeispiel umfasst die Mehrzahl von Wärmetauscherelementen ein erstes Wärmetauscherelement und ein zweites Wärmetauscherelement, die quer benachbart zueinander angeordnet sind, und wobei der innere Strömungspfad des ersten und zweiten Wärmetauscherelements miteinander gekoppelt sind.
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In einem Ausführungsbeispiel umfasst die Mehrzahl von Wärmetauscherelementen ein erstes Wärmetauscherelement und ein zweites Wärmetauscherelement, die quer benachbart zueinander angeordnet sind, und wobei das erste und zweite Wärmetauscherelement Seitenrandbereiche einschließen, die miteinander verriegelt sind, um so das erste Wärmetauscherelement und das zweite Wärmetauscherelement miteinander zu verbinden.
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In einem Ausführungsbeispiel umfasst die Mehrzahl von Wärmetauscherelementen ein erstes Wärmetauscherelement und ein drittes Wärmetauscherelement, die längs benachbart zueinander angeordnet sind und wobei das erste und dritte Wärmetauscherelement Längsrandbereiche bzw. Längsstirnbereiche einschließen, um so das erste Wärmetauscherelement und das dritte Wärmetauscherelement miteinander zu verbinden.
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In einem Ausführungsbeispiel ist einer von dem Fluideinlass und dem Fluidauslass jeweils des ersten Wärmetauscherelements und des zweiten Wärmetauscherelements in Form eines Vorsprungs ausgebildet, der sich vom Seitenrandbereich des ersten oder zweiten Wärmetauscherelements weg erstreckt, und der andere von dem Fluideinlass und dem Fluidauslass in Form einer Öffnung ausgebildet ist, die geeignet ist, gleitend den Vorsprung des quer benachbarten ersten oder zweiten Wärmetauscherelements aufzunehmen, um so den inneren Strömungspfad des ersten Wärmetauscherelements mit dem inneren Strömungspfad des zweiten Wärmetauscherelements zu verbinden.
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In einem Ausführungsbeispiel ist eine Gleitflächendichtung zwischen dem Einlassverteilerelement und jedem der Wärmetauscherelemente, dessen Fluideinlass mit dem Einlassverteilerelement verbunden ist, vorgesehen, und eine Gleitflächendichtung ist zwischen dem Auslassverteilerelement und jedem Wärmetauscherelement, dessen Fluidauslass mit dem Einlassverteilerelement verbunden ist, vorgesehen; der Wärmetauscher umfasst außerdem eine Abdichtvorrichtung, die die an jeder der Gleitflächendichtungen angeordnet ist, wobei die Abdichtvorrichtungen eine Gleitgrenzfläche vorsieht, über die die Wärmetauscherelemente gleiten können, wenn sie mit dem Einlass- und Auslassverteilerelement in Eingriff sind.
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In einem Ausführungsbeispiel ist jede Gleitflächendichtung zwischen einer Fluidöffnung in einem der Verteilerelemente und einem Fluideinlass oder Fluidauslass eines der Wärmetauscherelemente gebildet und der Fluideinlass oder -auslass ist entlang einer exponierten Seitenkante des Wärmetauscherelements vorgesehen; und wobei das Dichtungselement jeder Gleitflächendichtung einen O-Ring umfasst, der in einer Ringnut, die eine der Fluidöffnungen eines der Verteilerelemente oder den Fluideinlass oder -auslass eines der Wärmetauscherelement umgibt, aufgenommen ist.
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In einem Ausführungsbeispiel umgibt jede Ringnut eine der Fluidöffnungen eines der Verteilerelemente und wobei die Fluidöffnungen der Verteilerelemente einen größeren Durchmesser als die Fluideinlässe und -auslässe der Wärmetauscherelemente aufweisen.
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In einem Ausführungsbeispiel weist jedes Verteilerelement eine Innenfläche auf, entlang der eine oder mehrere Fluidöffnungen vorgesehen sind; wobei eine Aufnahmenut entlang der Innenfläche vorgesehen ist; wobei die exponierte Seitenkante des Wärmetauscherelements an einem passenden Außenrandbereich des Wärmetauscherelements geformt ist und die passende Außenkante ausgebildet ist, gleitend in einer Nut-Federanordnung in der Aufnahmenut aufgenommen zu werden.
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In einem Ausführungsbeispiel umfasst mindestens eines der Wärmetauscherelemente: einen Bodenteil und einen Oberteil, die eine Fluidkavität einschließen, wobei der Bodenteil eine allgemein ebene Bodenfläche aufweist; das Wärmetauscherelement einen ersten verriegelnden Längsstirnbereich, einen zweiten verriegelnden Längsstirnbereich, allgemein entgegengesetzt zu dem ersten verriegelnden Längsstirnbereich, einen ersten verriegelnden seitlichen Randbereich und einen zweiten verriegelnden seitlichen Randbereich allgemein entgegengesetzt zu dem ersten verriegelnden seitlichen Randbereich aufweist; wobei der Fluideinlass sich durch eine erste seitliche Seitenfläche des Wärmetauscherelements erstreckt, um in Fluidverbindung mit der Fluidkavität zu sein, der Fluidauslass sich durch eine gegenüberliegende zweite seitliche Seitenfläche des Wärmetauscherelements an einer Stelle erstreckt, die gegenüberliegend zu dem Fluideinlass liegt und längs mit ihm ausgerichtet ist, um so in Fluidverbindung mit der Fluidkavität zu sein, wobei der innere Strömungspfad in der Fluidkavität gebildet ist.
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In einem Ausführungsbeispiel ist der erste verriegelnde Längsstirnbereich eines der Wärmetauscherelemente mit dem zweiten verriegelnden Längsstirnbereich eines längs benachbarten Wärmetauschers verbunden, und wobei der erste verriegelnde seitliche Randbereich eines der Wärmetauscherelemente mit dem verriegelnden seitlichen Randbereich eines quer benachbarten Wärmetauscherelements verbunden ist, wobei die verriegelnden seitlichen Randbereiche der benachbarten Wärmetauscherelemente eine Fluidverbindung zwischen den inneren Strömungspfaden der Wärmetauscherelemente herstellen.
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In einem Ausführungsbeispiel umfasst der erste und zweite verriegelnde Längsstirnbereich der längs benachbarten Wärmetauscherelemente jeweils ein sich hindurch erstreckendes Durchgangsloch, wobei das Durchgangsloch eines des ersten und zweiten verriegelnden Längsstirnbereichs größer ist als das Durchgangsloch, das in dem anderen des ersten und zweiten verriegelnden Längsstirnbereichs gebildet ist, wobei die in den ersten und zweiten verriegelnden Längsstirnbereichen gebildeten Durchgangslöcher überlappen, wenn die längs benachbarten Wärmetauscherelemente in einer verriegelten Beziehung sind und wobei ein Fixierstift bzw. Fixierstab durch die überlappenden Durchgangslöcher hindurch eingesetzt ist.
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In einem Ausführungsbeispiel ist der Fixierstift fest in einem der überlappenden Durchgangslöcher befestigt, um das korrespondierende Wärmetauscherelement an dem Fixierstift festzulegen; und wobei der Fixierstift einen Durchmesser aufweist, der kleiner ist als der andere der überlappenden Durchgangslöcher, wobei das korrespondierende Wärmetauscherelement in Bezug auf das längs benachbarte Wärmetauscherelement um den Fixierstift bewegbar ist.
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In einem Ausführungsbeispiel umfassen die verriegelnden Längsstirnbereiche der längs benachbarten Wärmetauscherelemente und die verriegelnden seitlichen Randbereiche der seitlichen benachbarten Wärmetauscherelemente jeweils passende, allgemein parallele Gleitflächen.
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In einem Ausführungsbeispiel umfasst der Wärmetauscher außerdem einen Rippenplatteneinsatz, der in der Fluidkavität zum Begrenzen des inneren Strömungspfades zwischen dem Fluideinlass und dem Fluidauslass angeordnet ist.
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In einem Ausführungsbeispiel umfasst der Wärmetauscher außerdem ein Paar Gewindelöcher, die beidseitig des in dem ersten Längsstirnbereich gebildeten Durchgangsloch gebildet sind, zum Aufnehmen von Stellschrauben zum Begrenzen einer relativen Kippbewegung zwischen einem Wärmetauscherelement und einem längs benachbarten Wärmetauscherelement um die Hauptachse.
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In Übereinstimmung mit einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung ist eine thermoelektrische Generatoranordnung vorgesehen, die umfasst: einen Heißwärmetauscher mit zwei beabstandeten Wänden, die zwischen sich einen Fluidströmungspfad für die Strömung eines ersten Wärmeübertragungsfluids hindurch begrenzen; eine Mehrzahl von thermoelektrischen Modulen, die auf der Außenfläche jeder der beabstandeten Wände angeordnet sind; ein Paar von Kaltwärmetauschern, die beidseitig des Heißwärmetauschers in Kontakt mit der Mehrzahl von thermoelektrischen Modulen für den Strom eines zweiten Wärmeübertragungsfluids hindurch angeordnet sind, wobei jeder Kaltwärmetauscher umfasst: eine Mehrzahl von Wärmetauscherelementen, wobei jedes Wärmetauscherelement eine Hauptachse und eine Querachse und einen Fluideinlass und einen Fluidauslass und einen inneren Strömungspfad, der sich zwischen dem Fluideinlass und dem Fluidauslass erstreckt und diese verbindet, aufweist; ein Einlassverteilerelement, das fluidmäßig mit dem Fluideinlass mindestens eines der Mehrzahl von Wärmetauscherelementen gekoppelt ist; ein Auslassverteilerelement, das fluidmäßig mit dem Fluidauslass mindestens eines der Mehrzahl von Wärmetauscherelementen gekoppelt ist; wobei die Mehrzahl von Wärmetauscherelementen miteinander verbunden sind, wobei jedes Wärmetauscherelement mit mindestens einem benachbarten Wärmetauscherelement verbunden ist, um eine Expansion und/oder eine Kontraktion ebenso wie eine Drehbewegung um die Hauptachse und/oder die Querachse zu gestatten; wobei eine Mehrzahl von Stiften bzw. Stäben, die sich durch die Kaltwärmetauscher und durch den Heißwärmetauscher zum Festlegen der Kaltwärmetauscher an dem Heißwärmetauscher und zum Herstellen eines Wärmekontakts zwischen den Kaltwärmetauschern und den thermoelektrischen Modulen, erstrecken.
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In einem Ausführungsbeispiel weist jedes der Wärmetauscherelemente einen ersten Stirnbereich und einen zweiten Stirnbereich, allgemein entgegengesetzt zum ersten Stirnbereich auf, wobei jeder Stift fest an dem Heißwärmetauscher befestigt ist und sich durch einen der Stirnbereiche eines der Wärmetauscherelemente, die einen der Kaltwärmetauscher bilden, erstreckt; wobei der erste Stirnbereich jedes Wärmetauscherelements fest an einem ersten der sich durch den ersten Stirnbereich erstreckenden Stifte befestigt ist und der zweite Stirnbereich jedes Wärmetauscherelements um einen zweiten der sich durch den zweiten Stirnbereich erstreckenden Stifte beweglich ist.
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In einem Ausführungsbeispiel arbeitet der Heißwärmetauscher im Allgemeinen bei einer Temperatur von ungefähr 700°C und die Kaltwärmetauscher arbeiten im Allgemeinen bei einer Temperatur von ungefähr 110°C.
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In einem Ausführungsbeispiel entspricht die Anzahl von Wärmetauscherelementen in jedem Kaltwärmetauscher der Anzahl von thermoelektrischen Modulen, die auf derjeweiligen Seite des Heißwärmetauschers angeordnet sind.
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Figurenliste
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Es wird nun beispielhaft auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen, die beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung zeigt, und in der:
- 1 eine perspektivische Aufsicht auf einen Wärmetauscher entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung ist;
- 1A eine perspektivische Aufsicht auf ein Verteilerelement des Wärmetauschers nach 1 ist;
- 1B eine Vorderansicht des Verteilerelements nach 1A ist;
- 2 eine perspektivische Aufsicht auf ein individuelles Wärmetauscherelement ist, das einen Teil des Wärmetauschers nach 1 bildet;
- 3 eine Vorderansicht des Wärmetauscherelements nach 2 ist;
- 4 eine Rückansicht des Wärmetauscherelements nach 2 ist;
- 5 eine Aufsicht auf das Wärmetauscherelement nach 2 ist;
- 6 eine Unteransicht des Wärmetauscherelements nach 2 ist;
- 7 eine Aufsicht auf das Wärmetauscherelement nach 2 mit einem entfernten Deckelbereich ist;
- 8 eine Aufsicht auf das Wärmetauscherelement nach 7 mit einer Rippenplatte, die darin angeordnet ist, ist;
- 9 eine perspektivische Aufsicht ist, die zwei der Wärmetauscherelemente darstellt, die einen Teil des Wärmetauschers nach 1 bilden und in ihrer passenden verriegelnden Beziehung angeordnet sind;
- 10 eine Vorderansicht der Wärmetauscherelemente nach 9 ist;
- 11 eine Rückansicht der Wärmetauscherelemente nach 9 ist;
- 12 eine Aufsicht auf die Wärmetauscherelemente nach 9 ist;
- 13 eine Unteransicht der Wärmetauscherelemente nach 9 ist;
- 14 eine perspektivische Aufsicht auf drei individuelle Wärmetauscherelemente nach 2 ist, die in ihrer passenden verriegelnden Anordnung angeordnet sind;
- 15A eine perspektivische Ansicht auf zwei passende Wärmetauscherelemente ist, die eine zwischen ihnen erlaubte relative Bewegung darstellen;
- 15B eine Querschnittsansicht der Wärmetauscherelemente nach 15A entlang der Schnittlinie 15B-15B' nach 15A ist;
- 16 eine perspektivische Ansicht eines thermoelektrischen Generators ist, der den Wärmetauscher nach 1 einschließt;
- 17 eine perspektivische Ansicht des thermoelektrischen Generators nach 16 ist, wobei die äußeren Wärmetauscher entfernt sind;
- 18 eine perspektivische Ansicht eines teilweise zusammengesetzten Generators nach 16 ist;
- 19 eine perspektivische Ansicht des vollständig zusammengesetzten thermoelektrischen Generators nach 18 ist;
- 20 eine Detailansicht eines Bereichs eines teilweise zusammengesetzten thermoelektrischen Generators nach den 17 und 18 ist;
- 21 einen Querschnitt in einer x-y-Ebene durch eine der Gleitflächendichtungen zwischen einem äußeren Wärmetauscherelement und dem Auslassverteilerelement ist;
- 22 ein Querschnitt in einer x-y-Ebene durch einen Fluideinlass eines Wärmetauscherelements ist, der in dem korrespondierenden Fluidauslass eines benachbarten Wärmetauscherelements aufgenommen ist; und
- 23 ein Querschnitt in einer y-z-Ebene durch die Längsstirnbereiche eines Paares von miteinander verbundenen Wärmetauscherelementen ist.
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Gleiche Bezugszeichen können in unterschiedlichen Figuren verwendet worden sein, um gleiche Komponenten zu bezeichnen.
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BESCHREIBUNG VON BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Bezugnehmend auf die Zeichnung ist in 1 ein Ausführungsbeispiel eines Wärmetauschers 10 entsprechend der vorliegenden Offenbarung gezeigt. In dem benannten Ausführungsbeispiel ist der Wärmetauscher 10 derart unterteilt oder segmentiert, dass der Wärmetauscher 10 aus einer Mehrzahl von individuellen Wärmetauscherelementen 12 hergestellt ist, die zusammen angeordnet und miteinander verbunden sind, um einen Wärmetauscherkern eines Wärmetauschers 10 zu bilden. Während 1 zeigt, dass der Wärmetauscher 10 aus 16 individuellen Wärmetauscherelementen 12 hergestellt ist, kann jedoch die aktuelle Anzahl und/oder die Gesamtmessung der individuellen Wärmetauscherelemente 12 variieren, abhängig von der speziellen Anwendung und/oder den speziellen Entwurfsanforderungen. Somit sei verstanden, dass die vorliegende Offenbarung nicht beabsichtigt, auf einen Wärmetauscher 10 beschränkt zu werden, der aus sechzehn individuellen Wärmetauscherelementen 12 gebildet ist und dass andere Variationen in dem Umfang der vorliegenden Offenbarung berücksichtigt sind.
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Für die Vereinfachung der Bezugnahme zeigt 1 ein x-y-z-Koordinatensystem, bei dem die y-Achse hier auch als Längs- oder Hauptachse des Wärmetauschers und der individuellen Wärmetauscherelemente 12 bezeichnet wird. Die x-Achse wird hier als Quer- oder Seitenachse bezeichnet.
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Die Wärmetauscherelemente 12 sind in einer Mehrzahl von sich seitlich erstreckenden Reihen (in 1 mit A, B, C, D bezeichnet) angeordnet und in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht jede sich seitlich erstreckende Reihe A, B, C, D aus vier Wärmetauscherelementen 12, die als 12(1), 12(2), 12(3) und 12(4) für den Zweck der folgenden Diskussion bezeichnet sind. Die zwei Wärmetauscherelemente 12(1), 12(4) an entgegengesetzten Enden jeder Reihe werden manchmal unten als „äußere“ Wärmetauscherelemente bezeichnet, und die zwei Wärmetauscherelemente (12(2), 12(3) zwischen den äußeren Wärmetauscherelementen 12(1), 12(4) werden manchmal unten als „innere“ Wärmetauscherelemente bezeichnet. Auch hat jedes Wärmetauscherelement 12 in Reihe D eine leicht unterschiedliche Konfiguration zu den entsprechenden Wärmetauscherelemente in den anderen Reihen, wie weiter unten beschrieben wird. Alle Wärmetauscherelemente 12 haben sehr ähnliche Strukturen und die folgende Diskussion gilt für alle Wärmetauscherelemente 12, unabhängig von ihrer Stelle im Wärmetauscher 10, es sei denn, es wird anderes angegeben.
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Ein Einlassverteilerelement 14 und ein Auslassverteilerelement 16 sind an entgegengesetzten lateralen oder seitlichen Seiten der Mehrzahl von individuellen Wärmetauscherelementen 12 zum Zuführen und Abführen eines Wärmeübertragungsfluids zu und aus dem Wärmetauscher 10 angeordnet und sie erstrecken sich längs über die Länge des Wärmetauschers 10. Ein Fluid tritt in den Wärmetauscher 10 über einen der Einlassarmaturen der Fluidarmaturen 18 ein, von wo es längs entlang dem Einlassverteilerelement 14 durch einen darin gebildeten Kanal 17 verteilt wird, von wo es in jede seitlich sich erstreckende Reihe von Wärmetauscherelementen 12 über Fluidöffnungen 20 geleitet wird, die in längs voneinander beabstandeten Intervallen entlang der Innenfläche 22 des Einlassverteilerelements 14 gebildet sind, wobei die Fluidöffnungen 20 hier auch als „Verteileranschlüsse 20“ bezeichnet werden. Siehe beispielsweise 1A und 1B.
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Jede der Fluidöffnungen 20 des Einlassverteilerelements 14 ist fluidmäßig mit dem ersten Wärmetauscherelement 12(1) jeder seitlich sich erstreckenden Reihe von Wärmetauscherelementen 12 verbunden und von einer entsprechenden Ringnut 21 umgeben, um eine geeignete Abdichtvorrichtung 23 zum Vorsehen einer geeigneten Gleitflächendichtung gegen die entsprechende Fluidöffnung aufzunehmen, die in dem entsprechenden Wärmetauscherelement 12(1) gebildet ist. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Einlassverteilerelement 14 auch mit einer Aufnahmenut 84 entlang seiner Innenfläche 22 gebildet, um den entsprechenden passenden äußeren Randbereich 80 jedes ersten Wärmetauscherelements 12(1) in einer Nut- und Federanordnung aufzunehmen, so dass jedes der ersten Wärmetauscherelement 12(1) längs entlang der Nut 84 in Position gleiten kann, wenn der Wärmetauscher 10 zusammengesetzt wird. Jede Abdichtvorrichtung 23 umfasst einen O-Ring, der in einer der Nuten 21 um jede der Fluidöffnungen 20 herum angeordnet ist, und ist so ausgewählt, dass sie eine Gleitflächendichtung vorsieht, die ermöglicht, dass die passenden äußeren Randbereiche 80 des ersten Wärmetauscherelements 12(1), von denen jedes eine Fluidöffnung 82 aufweist, längs entlang des Einlassverteilerelements 14 gleiten, während die Ausrichtung mit einem der Verteileranschlüsse 20 aufrechterhalten wird, um eine geeignete Abdichtung an der Grenzfläche zwischen den Verteileranschlüssen 20 und den ersten Wärmetauscherelementen 12(1) aufrechtzuerhalten, die verhindert, dass Fluid aus den Verteileranschlüssen 20 austritt.
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Das Auslassverteilerelement 16 ist im Aufbau gleich dem oben beschriebenen Einlassverteilerelement 14, wobei das Auslassverteilerelement 16 einen Innenkanal 17 zum Aufnehmen des Wärmetauscherfluids, das von dem letzten Wärmetauscherelement 12 in jeder der seitlich sich erstreckenden Reihen, in diesem Beispiel Wärmetauscher 12(4), über die entsprechenden Fluidöffnungen 20 ausgelassen wird, die entlang der Innenfläche 22 des Auslassverteilerelements 16 in voneinander beabstandeten Intervallen geformt sind, wobei korrespondierende Nuten 21 um jede der Fluidöffnungen 20 herum ausgebildet sind und das letzte Wärmetauscherelement 12(4) in jeder sich seitlich erstreckenden Reihe von Wärmetauscherelementen 12 einen passenden äußeren Randbereich 80 aufweist, der gleitend in einer Nut-und-Federanordnung in einer Aufnahmenut 84, die entlang der Innenfläche 22 des Auslassverteilerelements 16 vorgesehen ist, aufgenommen wird. Jedes der letzten Wärmetauscherelement 12(4) ist fluidmäßig mit dem Auslassverteilerelement 16 über eine im Allgemeinen fluiddichte Verbindung mit jeder Fluidöffnungen 20 verbunden, wobei die fluiddichte Verbindung aufgrund der Gleitfläche der Abdichtvorrichtung 23 erreicht wird, die in den Nuten 21 angeordnet ist, wobei die Gleitfläche ermöglicht, dass die letzten Wärmetauscherelemente 12(4) in ihre Position entlang der Innenfläche 22 des Auslassverteilerelements 16 längs gleiten, wobei eine geeignete Abdichtung zwischen ihnen sichergestellt wird. Somit wird Fluid aus den letzten Wärmetauscherelementen 12(4) jeder sich seitlich erstreckenden Reihe an Wärmetauscherelementen 12 in das Auslassverteilerelement 16 ausgelassen, von dem es den Wärmetauscher 10 durch die entsprechende Auslassarmatur 24 verlässt.
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21 ist ein vergrößerter Querschnitt, der eine der Gleitflächendichtungen zwischen einem äußeren Wärmetauscherelement 12(4) und dem Auslassverteilerelement 16 zeigt. Die Gleitflächendichtung wird zwischen der Fluidöffnung 20 in den Verteilerelementen und einem Fluidauslass 58 eines der Wärmetauscherelemente 12(4) gebildet. In dem äußeren Wärmetauscherelement umfasst der Fluidauslass 58 eine Fluidöffnung 82, die entlang einer exponierten seitlichen Kante 80 des Wärmetauscherelements 12(4) vorgesehen ist. Die Gleitflächendichtung umfasst ein Dichtungselement 23 in der Form eines O-Rings, das in einer die Fluidöffnung 21 des Auslassverteilerelements 16 umgebenden Ringnut 21 aufgenommen ist, und wird zwischen dem Auslassverteiler 16 und der exponierten seitlichen Kante 80 des Wärmetauscherelements 12 komprimiert.
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Obwohl 21 das Dichtungselement 23 in einer Nut 21 des Auslassverteilerelements 16 zeigt, sei verstanden, dass die Nut 21 und das Dichtungselement 23 dagegen auch um die Fluidöffnung 82 des Wärmetauscherelements 12 vorgesehen sein kann.
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Es kann aus 21 gesehen werden, dass die Fluidöffnung 82 des Wärmetauscherelements 12 einen kleineren Durchmesser als die Fluidöffnung 20 des Auslassverteilerelements 16 hat. Die ermöglicht eine relative Längsverschiebung zwischen dem Auslassverteilerelement 16 und dem Wärmetauscherelement 12, die durch Wärmeexpansion bewirkt wird, ohne dass die fluiddichte Abdichtung zwischen dem Wärmetauscherelement 12 und dem Auslassverteilerelement 16 beeinträchtigt wird. Die gleiche Diskussion ist für die Gleitflächendichtungen zwischen dem Einlassverteilerelement 14 und den äußeren Wärmetauscherelementen 12(1), die fluidmäßig mit ihm verbunden sind, anwendbar.
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Somit kann gesehen werden, dass einige der Wärmetauscherelemente 12(1) gleitend mit dem Einlassverteilerelement 14 verbunden sind und manche der Wärmetauscherelemente 12(4) sind gleitend mit dem Auslassverteilerelement 16 verbunden, und dass der Wärmetauscher 10 eine Abdichtvorrichtung 23 umfasst, die an jeder der Fluidverbunden zwischen den Wärmetauscherelementen 12(1), 12(4) und entweder dem Einlassverteilerelement 14 oder dem Auslassverteilerelement 16 angeordnet sind. Die Abdichtvorrichtungen 23 sehen eine Gleitgrenzfläche vor, über die die Wärmetauscherelemente 12(1), 12(4) gleiten können, wenn sie mit dem Einlass- und Auslassverteilerelement 14, 16 in Eingriff treten. Das Zusammenschalten zwischen den individuellen Wärmetauscherelementen 12(1) und 12(4) mit dem Einlass- und Auslassverteilerelement 14, 16 wird weiter unten detaillierter beschrieben.
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Nun bezugnehmend auf die 2 - 8 ist eines der Wärmetauscherelemente 12, die den Wärmetauscher 10 bilden, und insbesondere eines der inneren Wärmetauscherelemente 12(2), 12(3) oder der Reihe A, B oder C gezeigt. Falls nichts anderes angegeben wird, ist die folgende Diskussion auch für die äußeren Wärmetauscherelemente 12(1), 12(4) und/oder die Wärmetauscherelemente 12 der Reihe D anwendbar.
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Jedes Wärmetauscherelement 12 besteht aus einem Bodenteil 26 und einem Oberteil 28, die eine Fluidkavität 54 einschließen. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Bodenteil ein fester, im Allgemeinen rechteckiger Körper, der mit einem flachen Boden 30 und Wänden, die die Fluidkavität 54 begrenzen, bearbeitet oder anderweitig gebildet. Der Bodenteil 26 ist auch mit den verlangten ineinander greifenden Merkmalen bzw. Verriegelungsmerkmalen gebildet, während der obere Bereich 28 in der Form einer Abdeckplatte ausgebildet ist, die den offenen Oberteil der Fluidkavität 54 abdeckt. Es sei jedoch verstanden, dass der Boden- und Oberteil 26, 28 nicht notwendigerweise die exakte Konfiguration haben müssen, wie in der Zeichnung gezeigt.
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Zur Vereinfachung Bezugnahme werden Merkmale des in den 2 bis 8 gezeigten Wärmetauscherelements 12 nun in Verbindung mit dem x-y-z-Koordinatensystem beschrieben. Genauer ausgeführt hat das Wärmetauscherelement 12 einen unteren Bereich 29 mit einem ersten und einem zweiten längs beabstandeten Ende 35, 37 und einen oberen Bereich 32 mit einem ersten und zweiten längs beabstandeten Ende 34, 38. Der untere und obere Bereich 29, 32 sind relativ zueinander entlang der y-Achse (d.h. der Längs- oder Hauptachse) versetzt, so dass das Wärmetauscherelement 12 mit einem ersten verriegelnden Längsstirnbereich 36 versehen wird, der über das erste Ende 35 des unteren Bereichs 29 um eine erste Entfernung D1 entlang der y-Achse hinausragt. In ähnlicher Weise liefert das Versetzen des unteren und oberen Bereichs 29, 32 für das Wärmetauscherelement einen zweiten verriegelnden Längsstirnbereich 40, der durch das zweite Ende 38 des oberen Bereichs 32 erzeugt wird, da es von dem zweiten Ende 37 des unteren Bereichs 29 um eine Entfernung D2 entlang der y-Achse nach innen versetzt ist, wie in den 3 und 4 gezeigt. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind der untere und der obere Bereich 29, 32 beide in dem Bodenteil 26 des Wärmetauscherelements 12 vorgesehen. Es sei jedoch verstanden, dass dies nicht wesentlich ist. Beispielsweise können der untere und obere Bereich 29 dagegen in dem jeweiligen Bodenteil 26 und Oberteil 28 des Wärmetauscherelements 12 definiert sein.
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Der untere und obere Bereich 29, 32 sind auch seitlich relativ zueinander entlang der x-Achse (d.h. der Quer- oder seitlichen Achse) versetzt. In dieser Hinsicht hat der obere Bereich 32 einen ersten und zweiten seitlichen Rand 42, 47 und der untere Bereich 29 hat einen ersten und zweiten seitlichen Rand 44, 50. Der erste seitliche Rand 42 des oberen Bereichs 32 ist von dem ersten seitlichen Rand 44 des unteren Bereichs 29 um eine Entfernung D3 entlang der x-Achse nach innen versetzt, um ein Wärmetauscherelement 12 mit einem ersten verriegelnden seitlichen Randbereich 46 vorzusehen. In gleicher Weise ragt der zweite seitliche Rand 47 des oberen Bereichs 32 von dem zweiten seitlichen Rand 50 des unteren Bereichs 29 um eine Entfernung D4 entlang der x-Achse heraus bzw. ragt nach außen, um ein Wärmetauscherelement 12 mit einem zweiten verriegelnden seitlichen Randbereich 48 vorzusehen, wie in den 5 und 6 gezeigt.
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Nun bezugnehmend auf die 7 und 8 ist die Fluidkavität 54 durch den Bodenteil 26 und den Oberteil 28 umschlossen und in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel in dem Bodenteil 26 ausgebildet. Die Fluidkavität 54 ist durch einen Umfangsflansch 55 umgeben, der durch eine flache planare obere Fläche des Bodenteils 26 begrenzt ist, die gegen die Innenfläche des Oberteils 28 abdichtet, wenn die zwei Komponenten in ihrer passenden Beziehung angeordnet sind, wobei sie die Fluidkavität 54 fluidmäßig einschließen.
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Ein Fluideinlass 56 ist in der ersten seitlichen Seitenfläche 57 des Wärmetauscherelements 12 gebildet und erstreckt sich durch sie hindurch, die in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine den zweiten Seitenrand 50 definierende Wand des unteren Bereichs 29 ist, derart, dass der Fluideinlass 56 in Fluidverbindung mit der Fluidkavität 54 ist. Der Fluideinlass 56 in Form eines rohrförmigen oder zylindrischen Vorsprungs oder einer entsprechenden Armatur, erstreckt sich von der ersten seitlichen Seitenfläche 57 und dem zweiten Seitenrand 50 des unteren Bereichs 29 nach außen. In einigen Ausführungsbeispielen kann der rohrförmige oder zylindrische Vorsprung, der den Fluideinlass 56 bildet, eine getrennte Komponente sein, die in eine in dem Bodenteil 26 gebildete korrespondierende Öffnung eingesetzt oder anderweitig befestigt ist, während in anderen Ausführungsbeispielen er integral als Teil des Wärmetauscherelements 12 ausgebildet sein kann. Direkt gegenüberliegend zu dem Fluideinlass 56 und längs damit ausgerichtet ist ein Fluidauslass 58 in einer zweiten seitlichen Seitenfläche 59 des Wärmetauscherelements 12 gebildet und erstreckt sich durch sie hindurch, die in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Wand ist, die den entgegengesetzten ersten seitlichen Rand 44 begrenzt, derart, dass der Fluidauslass 58 in Fluidverbindung mit der Fluidkavität 54 ist.
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Wie in der Detailansicht der 22 gezeigt, ist die Fluidauslassöffnung 58 so bemessen, den Fluideinlass 56, der von einem seitlichen benachbarten Wärmetauscherelement 12 hervorragt, aufzunehmen, wenn die individuellen Wärmetauscherelemente 12 in ihrer verriegelnden Anordnung angeordnet sind, wie weiter unten beschrieben wird. Wenn somit die Wärmetauscherelemente 12 seitlich benachbart zueinander angeordnet werden, wie in 1, wird der Fluideinlass 56 eines Wärmetauscherelements 12 in dem korrespondierenden Fluidauslass 58 eines benachbarten Wärmetauscherelements 12 aufgenommen. Wie gezeigt, kann der Auslass 58 mit einer Ringnut 66 versehen sein, in die eine Abdichtvorrichtung 68 in Form eines O-Rings aufgenommen ist, wobei der O-Ring eine fluiddichte Abdichtung gegen die Außenfläche des Auslasses 56 bildet, wobei die Dichtung eine gewisse relative Verschiebung seitlich entlang der x-Achse abhängig von der thermischen Expansion des Wärmetauschers 10 gestattet. Auf diese Weise sind alle Wärmetauscherelemente 12 in jeder Reihe A, B, C, D fluidmäßig miteinander verbunden und mit den Einlass- und Auslassverteilerelementen 14, 16, derart, dass ein kontinuierlicher Strömungspfad von dem Einlassverteilerelement 14 zu dem Auslassverteilerelement 16 entlang jeder Reihe A, B, C, D der Wärmetauscherelemente 12 gebildet wird. Da die Wärmetauscherelemente 12 in jeder sich seitlich erstreckenden Reihe mittels einer „Steckverbindung“ oder einer teleskopischen Verbindung zwischen den Fluideinlässen 56 und den Fluidauslassöffnungen 58 fluidmäßig zusammengeschaltet sind, wird eine fluiddichte Verbindung zwischen benachbarten Elementen 12 aufrechterhalten, selbst wenn es eine leichte seitliche Trennung oder relative Bewegung zwischen den individuellen Wärmetauscherelementen gibt.
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In einigen Ausführungsbeispielen ist die Fluidkavität 54 mit einem turbulenzverbessernden Einsatz 60 ausgerüstet, wie eine Rippenplatte oder einem Turbulizer, typischerweise in Form eines gewellten Blechs, das in der Fluidkavität 54 in Kontakt mit ihrer oberen Wand und Bodenwand liegt, und der allgemein längs gerichtete Fluidströmungsdurchgänge bildet, die sich für die Strömung des Wärmetauscherfluids durch das Wärmetauscherelement 12 von einem Längsende der Fluidkavität 54 zu dem anderen erstrecken. In anderen Ausführungsbeispielen kann die Fluidkavität 54 direkt innerhalb mit einer Mehrzahl von längs sich erstreckenden Fluidströmungsdurchgängen ausgebildet sein, ohne die Verwendung eines turbulenzverbessernden Einsatzes 60 zu verlangen.
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In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel hat die Fluidkavität 54 zwei voneinander beabstandete Strömungsdurchgangsteiler 62, die sich nach innen in die Fluidkavität 54 von dem Stirnrand der Kavität 54, der proximal zu dem Einlass 56 und Auslass 58 liegt, erstreckt. Ein weiterer Strömungsdurchgangsteiler 62 erstreckt sich von dem gegenüberliegenden Stirnrand der Fluidkavität 54 nach innen in die Fluidkavität 54 hinein und ist angeordnet, zwischen den Strömungsdurchgangsteilern 62, die an dem gegenüberliegenden Ende der Fluidkavität 54 gebildet sind, zu liegen. Die Strömungsdurchgangsteiler 62 erstrecken sich im Allgemeinen in das Innere der Fluidkavität 54 bei derselben Entfernung, wobei die Entfernung bzw. der Abstand zwischen den Strömungsdurchgangsteilern 62 von jedem Ende der Fluidkavität 54 im Allgemeinen der Länge des turbulenzverbessernden Einsatzes 60, der in der Kavität 54 angeordnet ist, entspricht. Somit dienen die Strömungsdurchgangsteiler 62 dazu, getrennte Verteilerbereiche 64 an beiden Enden bzw. Stirnseiten der Fluidkavität 54 in den Zwischenräumen zu erzeugen, der zwischen dem korrespondierenden Ende des turbulenzverbessernden Einsatzes 60 und dem Rand der Stirnseite der Fluidkavität 54 gebildet werden. Im Betrieb tritt das Fluid in das Wärmetauscherelement 12 über den Fluideinlass 56 ein und wird an den ersten Verteilerbereich 64(1) geliefert, wo es zu einem ersten Satz von Längsströmungskanälen, die in dem turbulenzverbessernden Einsatz gebildet sind, zu dem zweiten Verteilerbereich 64(2) verteilt wird, in dem das Fluid dann zu dem nächsten Satz von Strömungskanälen, die in dem turbulenzverbessernden Einsatz 60 gebildet sind, und zu dem dritten Verteilerbereich 64(3) umgelenkt und geleitet wird. Sobald in dem dritten Verteilerbereich 64(3) ist, wird das Fluid erneut über den nächsten Satz von Strömungskanälen, die in dem turbulenzverbessernden Einsatz 60 gebildet sind, zu dem vierten Verteilerbereich 64(4) umgelenkt, wo es ein letztes Mal durch den letzten Satz von Strömungskanälen, die in dem turbulenzverbessernden Einsatz 60 gebildet sind, zu dem fünften Verteilerbereich 64(5) gelenkt wird, in dem es aus dem Wärmetauscherelement 12 über die Fluidauslassöffnung 58 zu dem benachbarten Wärmetauscherelement 12 in die entsprechende Reihe von Elementen ausgelassen wird, wie genauer weiter unten beschrieben werden wird. Somit kann gesehen werden, dass der innere Strömungspfad 61 (8), der sich zwischen dem Fluideinlass 56 und dem Fluidauslass 58 jedes Wärmetauscherelements erstreckt und diese verbindet, durch die Verwendung von Elementen definiert werden kann, die das Fluid durch die Fluidkavität 54 leiten. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind diese Elemente der turbulenzverbessernde Einsatz 60 und die Strömungsdurchgangsteiler 62, die zusammen fünf getrennte Verteilerbereiche 64(1) bis 64(5) bilden und die einen Mehrfach-, serpentinenartigen oder umgeleiteten Strömungspfad 61 durch das Wärmetauscherelement 12 definieren. Der serpentinenartige Strömungspfad 61 dem das Fluid folgt, ist in 8 durch Pfeile dargestellt. Es sei verstanden, dass der Wärmetauscher 10 nicht auf den speziellen Strömungspfad 61, wie beschrieben, eingeschränkt ist, und dass unterschiedliche Strömungspfade 61 durch die individuellen Wärmetauscherelemente 12 möglich sind und in dem Umfang der vorliegenden Offenbarung eingeschlossen sind.
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Um einen Wärmetauscher 10 zu bilden, werden die individuellen Wärmetauscher 12 miteinander verbunden, wobei jedes Wärmetauscherelement 12 mit mindestens einem benachbarten Wärmetauscherelement 12 zusammengeschaltet ist, um eine Expansion und/oder Kontraktion der Mehrzahl von Wärmetauscherelementen 12 sowie eine Drehbewegung um die Hauptachse und/oder die Querachse zu gestatten.
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Das Zusammenschalten und Verriegeln eines längs benachbarten Paars von Wärmetauscherelementen 12 ist in den 9 bis 13 gezeigt und wird nun unten beschrieben. Obwohl die 9 bis 13 die Zusammenschaltung und Verriegelung von Paaren von inneren Wärmetauscherelementen 12(2) oder 12(3) der Reihe A, B oder C zeigen, gilt die folgende Beschreibung gleichfalls für die Zusammenschaltung und Verriegelung von Paaren von äußeren Wärmetauscherelementen 12(1) oder 12(4). Wie gezeigt sind die zwei Wärmetauscherelemente 12 stirnseitig verbunden bzw. mit den Enden aneinander angeordnet, derart, dass der erste verriegelnde Längsstirnbereich 36 des einen Wärmetauscherelements 12 allgemein über den zweiten verriegelten Längsstirnbereich 40 des längs benachbarten Wärmetauscherelements 12 angeordnet (d.h. überlappend angeordnet), so dass das erste Ende 34 des oberen Bereichs 32 eines Wärmetauscherelements 12 allgemein in Stoßkontakt oder Fläche-zu-Fläche-Kontakt mit dem zweiten Ende 38 des oberen Bereichs 32 des anderen Wärmetauscherelements 12 kommt, so dass der erste und zweite verriegelnde Längsendbereich 36, 40 direkt zueinander gerichtet sind oder einander gegenüberstehen. Ein geringer Zwischenraum 39 kann zwischen dem ersten und dem zweiten verriegelnden Längsendbereich 36, 40 bestehen bleiben, wie beispielsweise in den 10 und 11 gezeigt, um Toleranzen und/oder Abweichungen bezüglich der Fläche zu gestatten sowie eine reibungsfreie Gleitbewegung zwischen den zwei Wärmetauscherelementen 12 zu gestatten. Um die Anordnung zum Ausrichten und zum Verriegeln der längs benachbarten Wärmetauscherelemente 12 zu vereinfachen, ist ein Durchgangsloch oder eine Öffnung 70 in dem ersten verriegelnden Längsstirnbereich 36 des oberen Bereichs 32 jedes Wärmetauscherelements 12 ausgebildet. In gleicher Weise ist ein Durchgangsloch oder eine Öffnung 71 in dem entgegengesetzten zweiten verriegelnden Längsendbereich 40 des unteren Bereichs 29 des Wärmetauscherelements 12 ausgebildet. Wie am klarsten in 5 gezeigt, ist eine der Öffnungen 70, 71 so ausgebildet, dass sie größer ist als die andere, in diesem Fall weist das Durchgangsloch 71 einen leicht größeren Durchmesser als das Durchgangsloch 70 auf.
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Die oben beschriebene Anordnung von Öffnungen 70, 71 ist im Detail in 23 gezeigt. Es kann gesehen werden, dass der lose Eingriff des Stiftes 75 in der Öffnung 71 eine gewisse relative Längsbewegung zwischen den zwei Wärmetauscherelementen 12 abhängig von einer thermischen Expansion und auch eine gewisse begrenzte Drehbewegung um die x-Achse gestattet.
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Die Wärmetauscherelemente 12 in Reihe D weisen eine leicht modifizierte Konfiguration dahingehend, dass sie nur einen ersten verriegelnden Längsstirnbereich 36 besitzen. Das gegenüberliegende Ende weist keinen verriegelnden Stirnbereich auf, sondern ist ohne jede Versetzung gebildet und ist nur mit einer Öffnung 70 versehen, um einen Zuganker bzw. Zugstab 78 aufzunehmen. Die Konfiguration dieses Endes kann in den 15A und 15B gesehen werden.
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Ein Paar von kleineren Durchgangslöchern oder Öffnungen 72 ist beidseitig der Hauptöffnung 70 gebildet, wobei die Öffnungen 72 sich auch durch den ersten verriegelnden Längsstirnbereich 36 erstrecken. Wenn die längs benachbarten Wärmetauscherelemente 12 so angeordnet sind wie in 9, überlappen sich das Durchgangsloch 70 eines Wärmetauscherelements 12 mit dem Durchgangsloch 71 des längs benachbarten Wärmetauscherelements 12 und sind zueinander ausgerichtet.
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Das Zusammenschalten und Verriegeln eines seitlich benachbarten Paars von Wärmetauscherelementen 12 ist in 14 gezeigt und wird nun unten beschrieben. Wenn ein Wärmetauscherelement 12 in einer zusammengeschalteten und verriegelten Verbindung mit einem seitlich benachbarten Wärmetauscherelement 12 angeordnet ist, ist der erste verriegelnde seitliche Stirnbereich 46 eines Wärmetauscherelements 12 über (d.h. überlappt den) dem zweiten verriegelnden seitlichen Stirnbereich 48 eines seitlich benachbarten Wärmetauscherelements 12, so dass die erste seitliche Kante 42 bzw. der erste seitliche Rand des oberen Bereichs 32 eines Wärmetauscherelements 12 im Allgemeinen in anliegenden oder Fläche-zu-Fläche Kontakt mit dem zweiten seitlichen Rand 47 des oberen Bereichs 32 des seitlich benachbarten Wärmetauscherelements 12 ist, so dass der erste und zweite verriegelnde seitliche Stirnbereich 46, 48 sich direkt zueinander richten oder einander gegenüberliegen. Ein kleiner Zwischenraum kann zwischen dem ersten und zweiten verriegelten seitlichen Stirnbereich 46, 48, im Wesentlichen in gleicher Weise wie der Zwischenraum 39 zwischen den Längsstirnbereichen 36, 40, wie oben beschrieben und in der Zeichnung gezeigt, belassen werden, um Toleranzen und/oder Abweichungen hinsichtlich der Fläche auszugleichen sowie eine reibungsfreie Gleitbewegung zwischen den zwei Wärmetauscherelementen 12 zu gestatten.
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Um die Ausricht- und Verriegelungsanordnung der seitlichen benachbarten Wärmetauscherelemente 12 zu erleichtern, sind zusätzliche Durchgangslöcher oder Öffnungen 73, 74 im jeweiligen ersten und zweiten verriegelnden seitlichen Randbereich 46, 48 ausgebildet.
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Zusätzlich, wie schon oben beschrieben, ergibt die Zusammenschaltung der seitlich benachbarten Wärmetauscherelemente 12, dass die Fluidkavitäten 54 und die inneren Strömungspfade 61 der zwei Wärmetauscherelemente fluidmäßig zusammengekoppelt sind.
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In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel erstrecken sich Öffnungen 70, 72 und 74 durch sowohl den Bodenteil 26 als auch den Oberteil 28 jedes Wärmetauscherelements 12, wobei sich die Öffnungen 71 und 73 nur durch den Bodenteil 26 hindurch erstrecken.
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In einigen Ausführungsbeispielen können Fixierstifte bzw. -stäbe oder Zuganker bzw. -stäbe 75 (siehe beispielsweise 16 bis 20) verwendet werden, um das Verriegeln und eine saubere Ausrichtung der Wärmetauscherelemente 12 zueinander sowie in Bezug auf zusätzliche Komponenten des Gesamtsystems sicherzustellen. Einstellschrauben (15B) können auch in jedem der Durchgangslöcher 72, 73, 74 verwendet werden, um die Verriegelungsanordnung und die relative Beziehung zwischen den verschiedenen Wärmetauscherelementen 12 zu unterstützen. Wenn Einstellschrauben 52 verwendet werden, werden die Durchgangslöcher 72, 73, 74, die die Einstellschrauben 52 empfangen, verschraubt. Beispielsweise mit der Einstellschraube 52, die in irgendeine Öffnung 72, 73, 74 eingeschraubt ist und sich durch die Basis der jeweiligen Öffnungen 72, 73, 74 erstreckt, so dass die entsprechende Fläche auf dem benachbarten Wärmetauscherelement 12 kontaktiert wird. Die Einstellschrauben 52 können individuell zwischen den verschiedenen Wärmetauscherelementen eingestellt werden, um verschiedene Grade der relativen Bewegung zwischen ihnen zu gestatten.
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In einigen Ausführungsbeispielen ist der Durchmesser mindestens eines der Durchgangslöcher 70, 71 leicht größer als der Durchmesser der Fixierstifte oder -stäbe 75, die durch die ausgerichteten Öffnungen 70, 71 hindurch eingesetzt werden, um eine gewisse relative Bewegung zwischen den individuellen Wärmetauscherelementen 12 zu gestatten. Genauer gesagt, ermöglicht der Unterschied zwischen der Abmessung der Durchgangslöcher 70, 71 und der Abmessung der entsprechenden Fixierstifte 75 eine leichte Bewegung sowohl in x- als auch in y-Richtung zwischen den verschiedenen Wärmetauscherelementen 12 ebenso wie ein Kippen oder Drehen um mindestens die x-Achse, wobei die Einstellschrauben auch so eingestellt werden können, dass ein gewisser Grad des Kippens und/oder der Drehung zwischen den verschiedenen Wärmetauscherelementen 12 um die y-Achse gestattet wird. Die potentielle Drehung um die x- und y-Achse ist schematisch in 15A durch die Richtungspfeile 77, 79 dargestellt.
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Sobald der Wärmetauscherkern aus der geforderten Menge an individuellen Wärmetauscherelementen zusammengesetzt ist, werden die Einlass- und Auslassverteilerelemente 14, 16 an den jeweiligen seitlichen Seiten des Wärmetauscherkerns angeordnet. Wie oben beschrieben haben in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die äußeren Wärmetauscherelemente 12(1) und 12(4), die mit den jeweiligen Einlass- und Auslassverteilerelementen 14, 16 zusammengeschaltet sind, eine unterschiedliche Konfiguration entlang der Ränder, die mit den Einlass- und Auslassverteilerelementen 14, 16 verbunden werden und die zwei äußeren Wärmetauscherelemente 12(1), 12(4) sind zueinander unterschiedlich.
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Beispielsweise zeigt 15A ein Paar von zusammengeschalteten längs benachbarten ersten Wärmetauscherelementen 12(1). Wie hier gezeigt, werden die versetzten zweiten seitlichen Ränder 47, 50 des oberen und unteren Bereichs 32, 29 durch einen Federteil 80 mit einer Fluidöffnung 82, die entlang einer exponierten seitlichen Kante des Wärmetauscherelements 12 gebildet ist, ersetzt, wobei der Federteil geeignet ist, in der Nut 84, die entlang der Innenfläche 22 des Einlassverteilerelements 14 gebildet ist, aufgenommen zu werden, und sie bilden eine Nut- und Federverbindung miteinander. Wie aus den 1A und 15A zu sehen ist, können die jeweilige Nut 84 des Einlassverteilerelements 14 und der Federteil 80 jedes ersten Wärmetauscherelements 12(1) jeweils mit Verriegelungsnuten 86, 88 versehen sein, um eine Verzahnung zwischen dem ersten Wärmetauscherelement 12(1) und dem Einlassverteilerelement 14 vorzusehen.
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Obwohl es nicht in der Zeichnung gezeigt ist, kann ein ähnlicher Federteil 80 in den letzten Wärmetauscherelementen 12(4) vorgesehen sein. Der Federteil 80 der letzten Wärmetauscherelemente 12(4) wird jedoch entlang der entgegengesetzten seitlichen Kante vorgesehen sein, derart, dass der Federteil die ersten seitlichen Ränder 42, 44 des jeweiligen oberen und unteren Bereichs 32, 29 ersetzt. Wie gezeigt sind Fluidöffnungen 82 zum Eingreifen in die entsprechenden Fluidöffnungen 20, die in den Innenflächen 22 des Einlass- und Auslassverteilerelements 14, 16 gebildet sind, vorgesehen.
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Durch Bilden des Wärmetauschers 10 aus individuellen Wärmetauscherelementen 12, die in einer solchen Weise miteinander verbunden sind, dass sie sowohl eine planare als auch eine Drehbewegung zwischen den individuellen Wärmetauscherelementen in ihrer verriegelten Anordnung gestatten, ist der Wärmetauscher 10 in der Lage, sich Flächenänderungen ebenso anzupassen wie sich an eine thermische Expansion und/oder Kontraktion aufgrund des Bereichs an Temperaturen, den der Wärmetauscher ausgesetzt ist, anzugleichen, wodurch ansonsten interne Spannungen in dem Körper des Wärmetauschers 10 auftreten würden, die schließlich eine Rissbildung und/oder ein Ausfall des Wärmetauschers 10 über die Zeit bewirken können.
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Eine besondere Anwendung des oben beschriebenen Wärmetauschers 10, bei der die Fähigkeit des Wärmetauschers 10 sich an Flächenänderungen anzupassen sowie eine thermische Expansion und/oder Kontraktion des Wärmetauschers 10 aufzufangen, ist eine solche, bei der der Wärmetauscher 10 als Kaltwärmetauscher für einen thermoelektrischen Generator (TEG) 100 dient, wie beispielsweise in den 16 bis 19 dargestellt ist. In dem vorliegenden dargestellten Ausführungsbeispiel besteht der thermoelektrische Generator aus einem Heißtemperatur-Wärmetauscher 90, der in der Form jedes bekannten geeigneten Wärmetauschers ausgebildet ist, der verschiedene Fluidströmungsdurchgänge zwischen beabstandeten Wänden oder Platten 91, 92 für die Strömung eines Heißtemperaturfluids durch sie hindurch, z.B. in einem Automobilsystem produzierte Abgase, einschließt, es sei entsprechend verstanden, dass der Heißwärmetauscher 90 typischerweise bei über 700°C arbeitet. Der Heißwärmetauscher 90 ist mit seinen eigenen jeweiligen Einlass- und Auslassverteilern 93, 94 ausgerüstet, die zum Einlassen und Auslassen des heißen Fluids in und aus dem Wärmetauscher 90 vorgesehen sind. Individuelle thermoelektrische (TE) Module 96 sind auf beiden Außenflächen der Außenwände 91, 92 des Heißwärmetauschers 90 mit Zwischenräumen angeordnet. Wie in 17 gezeigt, sind sechzehn individuelle thermoelektrische Module 96 auf beiden Seiten des Heißwärmetauschers 90 angeordnet, was der Anzahl von individuellen Wärmetauscherelementen 12, die zur Bildung der beispielhaften Ausführungsform des in 1 dargestellten Wärmetauschers 10 verwendet werden, entspricht, jedoch sei verstanden, dass die aktuelle Anzahl von thermoelektrischen Modulen 96 und die aktuelle Menge von individuellen Wärmetauscherelementen 12 abhängig von der besonderen Anwendung variieren können, und dass die vorliegende Offenbarung nicht dahingehend beabsichtigt ist, dass sie auf einen thermoelektrischen Generator 100 mit sechzehn thermoelektrischen Modulen 96, die beidseitig des Wärmetausches 90 angeordnet sind, mit entsprechenden Kaltwärmetauschern 10 der jeweils aus sechzehn individuellen Wärmetauscherelementen 12 besteht, eingeschränkt ist. Es wurde jedoch gefunden, dass das Aufteilen oder Segmentieren des Kaltwärmetauschers, z.B. Wärmetauscher 10, in individuelle Wärmetauscherelemente 12, die im Allgemeinen der Abmessung der thermoelektrischen Module 96 entsprechen, eine Möglichkeit ist, die die Verwendung eines dünneren thermischen Grenzflächenmaterials (TIM) gestattet, was dazu beiträgt, eine verbesserte thermische Grenzfläche zwischen den Wärmetauschern 10 und den thermoelektrischen Modulen 96 zu bewirken. Dadurch, dass die Kaltwärmetauscher 10 bei sehr viel geringeren Temperaturen im Vergleich zu dem Heißwärmetauscher 90 in dem thermoelektrischen Generator 10 arbeitet, z.B. unter 110°C, ist der Kaltwärmetauscher 10 günstiger, eine aufgeteilte oder segmentierte Struktur zu haben.
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Wie in 17 gezeigt, ist der Heißwärmetauscher 90 mit einer Mehrzahl von Durchgangslöchern oder Öffnungen 98 durch seinen Körper versehen, deren Stellen im Allgemeinen den Stellen der in den individuellen Wärmetauscherelementen 12 gebildeten Durchgangslöchern 70, 71 entsprechen. Anders als die Durchgangslöcher 70, 71, die in den Wärmetauscherelementen 12 gebildet sind, sind die Durchgangslöcher 98 so bemessen, dass eine enge formschlüssige Verbindung mit den Fixierstiften 75 vorgesehen ist. In einigen Ausführungsbeispielen können die Stifte bzw. Stäbe 75 fest an dem Heißwärmetauscher über einen dazwischenliegenden keramischen Isolator 95 niedriger thermischer Leitfähigkeit befestigt sein, um parasitäre Wärmeverluste, die das thermoelektrische Material an der Grenzfläche zu dem Heißwärmetauscher 90 umgehen, zu reduzieren. Sobald die thermoelektrischen Module somit über die Fläche des Heißwärmetauschers 90 angeordnet sind und die Fixierstifte 75 durch die Öffnungen 98 hindurch eingesetzt sind, können die individuellen Wärmetauscherelemente 12, die den Wärmetauscher 10 bilden, darüber auf beiden Seiten des Wärmetauschers angeordnet werden, um so wirksam die thermoelektrischen Module 96 zwischen der entsprechenden Fläche 91 oder 92 des Heißwärmetauschers 90 und dem entsprechenden Kaltwärmetauscher 10 einzuklemmen. Festlegungsvorrichtungen 90, wie Unterlegscheiben und Muttern, sind auf dem entsprechenden Gewindeende der Fixierstäbe 75 angeordnet, um so die gesamte Anordnung zusammenzuspannen.
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Im Betrieb wird der Heißwärmetauscher 90 beispielsweise dem Auspuff einer Verbrennungsmaschine ausgesetzt werden, der dann den Wärmetauscher einer thermischen Längung im Temperaturbereich von ungefähr -40 bis 700°C unterwerfen kann, wobei der Kaltwärmetauscher 10 einem weniger extremen Temperaturunterschied von ungefähr -40 bis 110°C ausgesetzt ist. Dies kann weiter basierend auf Unterschieden in den für die Konstruktion der individuellen Wärmetauscher verwendeten Materialien überspitzt werden, beispielsweise Edelstahl-Heißwärmetauscher im Vergleich zu Aluminium-Kaltwärmetauscher 10. Wenn er solchen Unterschieden von Temperaturbereichen ausgesetzt ist, ist eine Biegung (und/oder Expansion) des Kaltwärmetauschers 10 zu erwarten, welche Biegung verhängnisvoll sein kann und zum Ausfall des thermoelektrischen Materials aufgrund von Scherspannungen an der Grenzfläche zwischen den thermoelektrischen Modulen 96 und dem entsprechenden Kaltwärmetauscher 10 führen kann. Durch Verwendung eines Kaltwärmetauschers 10 mit unterteilter oder segmentierter Struktur, wie oben in Verbindung mit dem Wärmetauscher 10 beschrieben, der eine relative Bewegung zwischen den individuellen Wärmetauscherelementen 12, die den Gesamtwärmetauscheraufbau bilden, gestattet, wurde gefunden, dass der Wärmetauscher 10 in der Lage ist, den Scherspannungen, denen er ausgesetzt ist, zu widerstehen, wenn er als Teil des thermoelektrischen Generators 100 verwendet wird. Genauer gesagt, um die Scherspannungen auszuhalten, sind die individuellen Wärmetauscherelemente 12 des Kaltwärmetauschers 10 an dem Heißwärmetauscher 90 an dessen einem Rand mittels des Stabs 75 befestigt, der formschlüssig durch das kleinere der in den Wärmetauscherelementen gebildeten Durchgangslöcher 70, 71 hindurchgeht, während eine Bewegung um den anderen der Stäbe 75, der durch das andere größere der an dem entgegengesetzten Rand des Wärmetauscherelements 12 angebrachten Durchgangslöcher 70, 71 eingesetzt ist, ermöglicht wird. Dadurch, dass ein Rand jedes Wärmetauscherelements 12 an dem Heißwärmetauscher 90 befestigt ist und dass ein zweiter Rand bewegbar um seine Verbindung zu dem Heißwärmetauscher 90 ist, wird jedes Wärmetauscherelement mit dem gepaarten thermoelektrischen Modul 96 mitgeführt, das an dem expandierenden und kontrahierenden Heißwärmetauscher 90 befestigt ist. Somit müssen die thermoelektrischen Module an ihren spezifischen Stellen an dem Heißwärmetauscher 90 arretiert werden und an seinem passenden Kaltwärmetauscher 10 arretiert werden, ungeachtet des Unterschieds in der thermischen Längung des Kaltwärmetauschers 10 und des Heißwärmetauschers 90. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird dies erreicht, da mindestens eines der in jedem Wärmetauscherelement 12 gebildeten Durchgangslöcher 70, 71 einen größeren Durchmesser aufweist als die Fixierstäbe 75. Somit ist ein ausreichender Zwischenraum zwischen den Zweien vorgesehen, was die thermische Expansion/Kontraktion des Heißwärmetauschers 90 gestattet, wobei die individuellen Kaltwärmetauscherelemente 12 sich mit einem der Fixierstäbe 75 fortbewegen. Durch Vorsehen eines Fixierstabes 75 an jedem Ende bzw. Rand der individuellen Wärmetauscherelemente 12 ist es möglich, dass das Kaltwärmetauscherelement das korrespondierende thermoelektrische Modul 96 zwischen sich und dem Heißwärmetauscher 90 einklemmen kann, in einer Weise, die ermöglicht, dass der Kaltwärmetauscher 10 der Expansion und Kontraktion des Heißwärmetauschers 90 folgt. Die Festlegungsvorrichtungen, die an beiden Enden der Fixierstäbe 75 verwendet werden, ermöglichen, dass die individuellen Wärmetauscherelemente 12 gegen das korrespondierende thermoelektrische Modul gedrückt werden und ermöglicht auch eine Anpassung, so dass die individuellen Wärmetauscherelemente 12 entlang der Haupt- oder Längsachse (d.h. y-Achse) zwischen den zwei Fixierstäben kippen können, die an ihren beiden Enden angeordnet sind. Die Verwendung der oben beschriebenen Einstellschrauben 52 in den Durchgangslöchern 72, 73, 74 ermöglichen ein Kippen der Wärmetauscherelemente 12 untereinander entlang der Haupt- oder Längsachse (d.h. y-Achse) und/oder entlang der Querachse (d.h. x-Achse) wie in 15A dargestellt. Das Kippen der individuellen Wärmetauscherelemente 12 ermöglicht, dass der Wärmetauscher 10 sich an Oberflächenmängel und/oder zusätzlichen Biegungen anpassen kann, die auch als Ergebnis von thermischen Spannungen, denen der Wärmetauscher 10 ausgesetzt ist, auftreten können, wobei das Schwenken bzw. Kippen der individuellen Wärmetauscherelemente 12 im Allgemeinen begrenzt ist, um sicherzustellen, dass ein ausreichender Parallelismus oder eine Gesamtebenheit für einen geeigneten thermischen Kontakt mit den korrespondierenden thermoelektrischen Modulen 96 aufrechterhalten werden kann.
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Einer Einstellsequenz der Muttern 99 auf jedem Fixierstab 75 und der Einstellschrauben 52 an jedem der Kaltwärmetauscherelemente 12 folgend, kann jeder Kaltwärmetauscher 10 angeglichen oder angepasst werden, um jedes thermoelektrische Modul 96 in Bezug auf Höhen- und Parallelismustoleranzen sowie lokale Flächenkippung und Ebenheit der benachbarten Wärmetauscherelemente 12 aufzunehmen. Eine spezifische Feststellsequenz der Einstellschrauben 52 und Muttern kann entwickelt werden, um die verlangten Attribute in einer einfachen sequenziellen Weise zu erzielen. Beispielsweise Einstellung an einem Ende der mittleren Reihe der Fixierstäbe 75 und Einstellen zuerst der Einstellschrauben 52, dann der Muttern 99 jedes der Wärmetauscherelemente 12 entlang der mittleren Reihe, gefolgt durch ihre benachbarte Reihe, fortschreitend von der mittleren Reihe nach außen in einer Weise Reihe nach Reihe zu den Verteilerelementen 14, 16. Es sei jedoch verstanden, dass das spezifische Festziehen und/oder die spezifische Einstellsequenz von der besonderen Anwendung der Gesamtvorrichtung, den verlangten Attributen, der Anzahl von individuellen Wärmetauscherelementen usw. abhängen wird, und dass die vorliegende Offenbarung nicht beabsichtigt ist, auf das Beispiel der Festlegungssequenz, wie hier beschrieben, eingeschränkt zu werden.
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Während die Wärmetauscher 10 die Fähigkeit haben sich anzupassen und/oder zu expandieren/kontrahieren, zusammen mit dem Heißwärmetauscher 90, wenn sie in einem thermoelektrischen Generator 100 eingeschlossen sind, wird die Integrität des Strömungspfades durch den Gesamtwärmetauscher 10 aufgrund des teleskopischen oder gleitenden Eingriffs zwischen den rohrförmigen oder zylindrischen Fluideinlässen 56 und den korrespondierenden Fluidauslässen 58 an den benachbarten Elementen 12 aufrechterhalten. Daher wird die Fluidverbindung zwischen den individuellen Wärmetauscherelementen, selbst wenn sich individuelle Wärmetauscherelemente 12 relativ zueinander bewegen, aufrechterhalten, wodurch eine einwandfreie und leckagefreie Funktionsweise des Gesamtwärmetauschers 10 sichergestellt wird.
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Während der Wärmetauscher 10 oben im Zusammenhang mit einem thermoelektrischen Generator 100 beschrieben wurde, sei verstanden, dass ein Wärmetauscher 10, der die Fähigkeit besitzt, eine thermische Expansion/Kontraktion aufzunehmen ebenso wie sich an Flächenmängel und/oder Toleranzen, die mit einer Höhe und/oder einem Parallelismus einhergehen, anzugleichen und/oder anzupassen, Anwendungen haben kann, die sich über thermoelektrische Generatoren allein hinaus erstrecken. Somit kann der Wärmetauscher 10 für verschiedene andere Anwendungen verwendet werden, bei denen der Wärmetauscher einem weiten Temperaturbereich ausgesetzt werden kann, was in einer Gesamtbiegung der Vorrichtung resultiert. Daher sei verstanden, dass bestimmte Anpassungen und Modifikationen der beschriebenen Ausführungsbeispiele durchgeführt werden können und dass die oben diskutierten Ausführungsbeispiele als illustrativ und nicht restriktiv angesehen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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