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Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher der bezüglich seines Aufbaus modular konzipiert ist.
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Bei den neuen Generationen von Computern reicht oftmals eine Kühlung über einen Lüfter aufgrund der hohen Leistungsfähigkeit der Computer und der damit entstehenden Abwärme der einzelnen Bauteile nicht aus oder die notwendigen Lüfter stellen eine zu große Geräuschbelastung dar. Geräuscharm ist demgegenüber eine Wasserkühlung. Bekannte Wasserkühler bei Computern bestehen aus einem Kühlkreislauf, wobei zumindest der interne Bereich des Kühlkreislaufes innerhalb des Computers vorgesehen ist. Die den Computer durchströmende Kühlflüssigkeit nimmt von den Wärme erzeugenden Bauteilen Wärme auf. Durch diesen Wärmeaustausch erwärmt sich die Kühlflüssigkeit. Diese erwärmte Kühlflüssigkeit durchströmt einen weiteren Bereich des Kühlkreislaufes im Computer oder auch außerhalb des Computers. Dort wird die Kühlflüssigkeit durch einen Wärmeaustausch mittels eines Wärmetauschers wieder abgekühlt. Die bekannten externen oder internen Wärmetauscher zum Abführen der Wärme des Kühlmittels bestehen in aller Regel aus einem Material mit einer guten Wärmeleitfähigkeit und/oder einer großen Wärmeaustauschfläche, um eine effiziente und schnelle Abkühlung des Kühlmittels zu ermöglichen. Als Kühlmittel wird typischerweise Wasser verwendet.
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Derartige Wärmetauscher können als Gleichstromwärmetauscher oder als Gegenstromwärmetauscher konzipiert sein. Als Gegenstromwärmetauscher konzipierte Wärmetauscher haben eine höhere Effizienz. Ein derartiger Wärmetauscher ist beispielsweise in
DE 10 2004 002 375 B4 beschrieben. Ein weiterer Wärmetauscher, der als Gegenstromwärmetauscher konzipiert ist, ist aus
DE 20 2010 007 533 U1 bekannt. Dieser Wärmetauscher ist aufgebaut aus einem Gehäuse mit einem Strömungskanal für ein flüssiges Medium zwischen einer Einströmöffnung und einer Ausströmöffnung, wobei im Gehäuse mehrere Rohre aufgenommen sind. Ein erstes Rohr ist durch einen Einströmkanal mit der Einströmöffnung sowie ein weiteres Rohr durch einen Ausströmkanal mit der Ausströmöffnungverbunden. Die Rohre sind parallel zueinander angeordnet und an einem Ende mittels einer Halteplatte sowie an einem anderen Ende mittels einer weiteren Halteplatte gehalten. Die Rohre werden zur Bildung des Strömungskanals nacheinander im Gegenstrom vom flüssigen Medium durchflossen und endseitig über jeweils einen Verbindungskanal miteinander verbunden. Alle Rohre münden an ihrem einen Ende in von einer ersten Verbindungsplatte gebildeten Hohlräumen und mit ihren gegenüberliegenden Enden in von einer zweiten Verbindungsplatte gebildeten Hohlräumen. Die Verbindungsplatten bilden zusammen mit der jeweilig daran angrenzenden und mit dieser verbundenen Halteplatte die Verbindungskanäle der jeweiligen Rohrenden. Im Unterschied zu dem aus
DE 10 2004 002 375 bekannt gewordenen Wärmetauscher müssen bei diesem Wärmetauscher die Schlauch- oder Rohrverbindungen nicht einzeln hergestellt werden, sondern alle Verbindungskanäle auf einer Seite des Wärmetauschers werden durch die Festlegung einer Verbindungsplatte an einer Halteplatte gebildet. Halteplatte und Verbindungsplatte sind miteinander verschweißt und dadurch mediendicht und dauerhaft miteinander verbunden. Gleichermaßen sind die die Strömungskanäle bildenden Rohre mit der jeweiligen Halteplatte verschweißt und daher ebenfalls dauerhaft und mediendicht mit diesen verbunden.
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Um die Leistungsfähigkeit eines Wärmetauschers zu steigern, ist in
DE 20 2010 007 533 U1 vorgeschlagen worden, der Rohrzusammenstellung mehrere Lüfter bzw. Ventilatoren zuzuordnen, die im Gleichstrom oder im Kreuzstrom hinsichtlich des von diesen generierten Luftstromes in Bezug auf die Rohrzusammenstellung angeordnet sind. Mit einer solchen Maßnahme kann eine Leistungssteigerung jedoch nur in einem beschränkten Umfange realisiert werden. Vorgeschlagen wird in diesem Dokument auch, dass durch Vorsehen einer unterschiedlichen Anzahl an Rohren zum Aufbau des Wärmetauschers eine unterschiedliche Kühlleistung bereitgestellt werden kann. Dieses erfordert das Vorsehen von entsprechend konzipierten Halteplatten und Verbindungsplatten nebst Kopfdeckeln. Letztendlich werden gemäß diesem vorbekannten Konzept unterschiedlich große Wärmetauscher werksseitig hergestellt. Eine individuelle Anpassung an die Kühlbedürfnisse eines Anwenders ist mit diesem Konzept, ohne Eingriff in den Herstellungsprozess zu nehmen, nicht möglich.
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Ausgehend von diesem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, einen eingangs genannten Wärmetauscher dergestalt zu konzipieren, dass dieser bezüglich seines Aufbaus modulartig konzipiert ist, damit händler- und/oder anwenderseitig ein Wärmetauscher mit der benötigten bzw. gewünschten Kühlleistung zusammensetzbar ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch einen modular bezüglich seines Aufbaus konzipierten Wärmetauscher, bei dem
- – zumindest ein Strömungskanalmodul mit mehreren, parallel zu einander angeordneten, etwa aus Rohren gebildeten Strömungskanälen, die mit ihren beiden Enden mediendicht und dauerhaft an jeweils eine Halteplatte angeschlossen sind,
- – zwei Kopfstücke zum Anschließen an jeweils eine einem Ende des Wärmetauschers zugeordneten Halteplatte, welchen Kopfstücken bei einer Konzeption des Wärmetauschers als Gleichstromwärmetauscher die Funktion jeweils eines Sammlers mit einem Zulauf- bzw. Rücklaufanschluss zukommt oder durch welche Kopfstücke bei einer Konzeption des Wärmetauschers als Gegenstromwärmetauscher die Strömungskanäle miteinander in Verbindung gestellt sind und eines der Kopfstücke zumindest einen Zulauf- und wenigstens einen Rücklaufanschluss aufweist,
- – zumindest ein jedem Strömungskanalmodul zugeordneter Lüfter oder Ventilator, angeordnet zum Generieren eines quer zur Längserstreckung der Strömungskanäle des Strömungskanalmoduls strömenden Luftstroms sowie
- – für den Fall, dass der Wärmetauscher aus mehreren Strömungskanalmodulen aufgebaut ist, einen Adapter zum Zwischenschalten zwischen zwei zueinander weisenden Halteplatten von zwei Strömungskanalmodulen, welcher Adapter die Strömungskanäle des einen Strömungskanalmoduls mit denjenigen des anderen Strömungskanalmoduls verbindet.
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Bei diesem Wärmetauscher steht die modulare Konzeption im Vordergrund. Kernstück des modularen Aufbaus eines solchen Wärmetauschers sind ein oder mehrere Strömungskanalmodule. Diese bestehen aus mehreren, parallel zueinander angeordneten Strömungskanälen. Diese können plattenartig konzipiert sein. Typischerweise wird es sich hierbei allerdings um Wärmetauscherrohre handeln. Die einander gegenüberliegenden Enden dieser Strömungskanäle sind mediendicht und dauerhaft mit jeweils einer Halteplatte verbunden. Typischerweise sind die Rohre mit ihren Enden in entsprechende Rohraufnahmen der Halteplatten eingesetzt und mit diesen verschweißt. Durch die Halteplatten sind die Strömungskanäle zusammengefasst gehalten. Da es sich bei den Wärmetauscherrohren typischerweise um starre Körper handelt, bildet ein solches Strömungskanalmodul eine eigene selbst tragende Baueinheit.
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Dem modular konzipierten Wärmetauscher zugeordnet sind des Weiteren zwei Kopfstücke, von denen jeweils eines an eine Halteplatte eines Strömungskanalmoduls angeschlossen ist. In seiner hinsichtlich seiner Dimensionierung kleinsten Auslegung verfügt ein solcher Wärmetauscher über ein Strömungskanalmodul und jeweils ein an jedem Ende mit der Halteplatte dieses Strömungskanalmoduls verbundenes Kopfstück. Den Kopfstücken wiederum ist die jeweilige Strömungsfunktionalität zugeordnet, gemäß der der Wärmetauscher betrieben werden soll. Soll der Wärmetauscher als Gleichstromwärmetauscher konzipiert sein, werden Kopfstücke eingesetzt, die als Sammler ausgeführt sind. Sodann verfügt ein solcher Wärmetauscher über einen Zulaufsammler und einen Rücklaufsammler, jeweils gebildet durch eines der beiden Kopfstücke. Ist dagegen ein Wärmetauscher vorgesehen, der im Gegenstrombetrieb arbeiten soll, sind die Strömungskanäle des an ein Kopfstück grenzenden Strömungskanalmoduls durch das Kopfstück entsprechend miteinander in Verbindung gestellt. Dieses kann beispielsweise durch entsprechende Ausformungen im Kopfstück erfolgen, durch welches ein erster Strömungskanal eines daran angrenzenden Strömungskanalmoduls mit einem benachbarten zweiten Strömungskanal in Fluidverbindung gestellt wird. Diese Ausformungen können auch als Verbindungskanäle angesprochen werden. Die beiden Kopfstücke sind hinsichtlich ihrer Verbindungskanalfunktionalität unterschiedlich, damit jeweils unterschiedliche Strömungskanäle (Rohre) durch die Verbindungskanäle der Kopfstücke miteinander verbunden werden, um auf diese Weise ein Durchströmen der Wärmetauscherkanäle im Gegenstrom ausbilden. Die Konzeption der Kopfstücke erlaubt es auch, dass eine Mischung dieser beiden Modi vorgesehen sein kann, indem einzelne Rohre parallel Fluid durchströmt sind.
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Dem modularen Aufbau des Wärmetauschers zugehörig ist zudem zumindest ein jedem Strömungskanalmodul zugeordnetes, einen Luftstrom generierendes Aggregat – typischerweise ein Lüfter oder ein Ventilator. Dieses Aggregat ist angeordnet, um einen Luftstrom in Querrichtung zur Längserstreckung der Strömungskanäle zu generieren.
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Wird für bestimmte Wärmetauscherzwecke, beispielsweise für Computer eine höhere Wärmetauscherleistung benötigt, als mit dem vorbeschriebenen Modul möglich, werden zwei oder mehrere Strömungskanalmodule miteinander durch jeweils einen Adapter verbunden und somit in Reihe zueinander geschaltet. Ein solcher Adapter verbindet die Strömungskanäle des einen Strömungskanalmoduls mit denjenigen des anderen daran angrenzenden Strömungskanalmoduls. Auch bei einem solchen Wärmetauscher befinden sich die Kopfstücke an den äußeren Enden einer solchen Strömungskanalmodulzusammenstellung. Bei diesem Wärmetauscherkonzept kann die Verbindung eines Strömungskanalmoduls mit einem Kopfstück und einem Adapter auch ohne Schweißen oder Löten und somit auch außerhalb eines Herstellungswerkes vorgenommen werden. Ausgenutzt wird das Zusammenfassen und -halten der Wärmetauscherkanäle in jeweils einer endseitig angeordneten Halteplatte. Bei den Kopfstücken und bei dem oder den Adaptern handelt es sich typischerweise ebenfalls um plattenartige Bauteile, sodass eine Halteplatte ohne weiteres mit einem Kopfstück bzw. mit einem Adapter verschraubt werden kann. Eine solche Schraubverbindung kann quasi von Jedermann hergestellt werden. Zwischen den im Zuge der Schraubverbindung zu verbindenden Teilen ist jeweils eine Dichtung oder Dichtungsanordnung angeordnet. Eine solche Dichtung kann beispielsweise als Dichtplatte unter Freilassung der gewünschten Wegsamkeiten zwischen den Rohren und dem Kopfstück bzw. den einen Adapter durchgreifenden Bohrungen sein.
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Daher kann mit dem vorbeschriebenen Konzept nicht nur die Charakteristik des Wärmetauschers hinsichtlich seines Strömungskonzeptes sondern auch seine Leistungsfähigkeit durch Einsatz eines oder mehrerer Strömungskanalmodule den jeweiligen Bedürfnissen angepasst werden.
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Grundsätzlich ist es ausreichend, ein einziges Strömungskanalmodul bereitzustellen. Dennoch kann es sinnvoll sein, in Bezug auf ein und dasselbe Modulsystem Strömungskanalmodule unterschiedlicher Länge bereitzustellen.
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Ebenfalls ist es möglich, anstelle eines als Platte konzipierten Adapters einen solchen einzusetzen, der beispielsweise als Winkelstück ausgeführt ist, sodass die daran angeschlossenen Strömungskanalmodule hinsichtlich ihrer jeweiligen Längserstreckung winklig aneinander grenzen. Dieses kann zur Ausnutzung von mitunter nur beschränkt zur Verfügung stehenden Bauraum für die eine oder andere Anwendung sinnvoll sein. Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, derartige Adapter zum Aufbau von räumlichen Gebilden, bestehend aus mehreren Strömungskanalmodulen, zu verwenden. So kann vorgesehen sein, Adapter einzusetzen, mit denen Strömungskanalmodule nicht nur in einer Richtung oder um einen Winkel miteinander in Verbindung gestellt werden können, sondern auch in zwei oder mehr unterschiedlichen Richtungen. Beispielsweise kann ein solcher Adapter zu diesem Zweck würfelartig ausgelegt sein.
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Besonders zweckmäßig lässt sich das vorbeschriebene modulare Wärmetauschersystem mit Kopfstücken realisieren, wie diese grundsätzlich in
DE 20 2010 007 533 U1 beschrieben sind. Daher wird die Offenbarung in
DE 20 2010 007 533 U1 durch diese explizite Inbezugnahme ebenfalls zum Offenbarungsgehalt der in diesen Ausführungen beschriebenen Erfindung gemacht. Dieses gilt insbesondere für die in diesem Dokument beschriebene Konzeption der Verbindung einzelner Strömungskanäle durch vorsehen von Verbindungsplatten in den entsprechenden Kopfdeckeln, wobei dieses im Rahmen dieser Ausführungen in der in
DE 20 2010 007 533 U1 beschriebenen Art und Weise oder auch einstückig, beispielsweise durch Ausfräsen entsprechender Verbindungskanäle ausgeführt sein kann.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
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1: Einen Wärmetauscher, aufgebaut aus einzelnen Modulen nach Art einer Explosionsdarstellung in einer ersten perspektivischen Ansicht und
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2: Der Wärmetauscher der 1 in einer weiteren perspektivischen Ansicht
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Ein Wärmetauscher 1 ist aus mehreren Modulen zusammengesetzt. Der Wärmetauscher 1 umfasst zwei Strömungskanalmodule 2, 2.1. Die Strömungskanalmodule 2, 2.1 sind identisch konzipiert. Nachfolgend ist allein das Strömungskanalmodul 2 beschrieben. Das Strömungskanalmodul 2 besteht aus mehreren Wärmetauscherrohren 3, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Lamellenrohre ausgeführt sind. Ein solches Lamellenrohr zeichnet sich durch radiale Lamellen aus, um die äußere Oberfläche des Wärmetauscherohres 3 zu vergrößern. Die Wärmetauscherrohre 3 sind parallel zueinander angeordnet, gleich lang und mit ihren Enden jeweils an eine Halteplatte 4, 4.1 angeschlossen. Der Anschluss der Wärmetauscherrohre 3 an die Halteplatten 4, 4.1 erfolgt durch Schweißen. Die Wärmetauscherrohre 3 verfügen über einen zylindrischen, lammellenfreien Endabschnitt, der jeweils in eine Bohrung 5 bzw. 5.1 der Halteplatte 4 bzw. 4.1 eingreift. Sodann kann das in die Bohrung 5, 5.1 eingesetzte Rohrende von der den Rohren 3 gegenüberliegenden Seite der Halteplatte 4 bzw. 4.1 in der jeweiligen Bohrung 5, 5.1 verschweißt werden. Die von den Wärmetauscherrohren 3 wegweisenden Seiten der Bohrungen 5, 5.1 sind gestuft ausgeführt. Die Verschweißung wird innerhalb der gestuften Vertiefung vorgenommen werden.
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Die von den Wärmetauscherrohren 3 wegweisende Außenseite der Halteplatten 4, 4.1 weisen eine Dichtplattenaufnahme 6, 6.1 auf. Bei einer solchen Dichtplattenaufnahme 6, 6.1 handelt es sich um eine in die Flachseite der jeweiligen Halteplatte 4, 4.1 eingebrachte Vertiefung, deren Tiefe geringer ist als die Dicke einer darin einzusetzenden Dichtplatte, typischerweise aus einem Elastomer gefertigt. Die Dichtplatte weist Durchbrechungen an mit den Bohrungen 5, 5.1 fluchtender Position auf.
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Die Halteplatten 4, 4.1 weisen einen rechteckigen Umriss auf. Im Bereich der jeweiligen Ecken sind Befestigungsbohrungen vorgesehen.
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Neben den beiden Strömungskanalmodulen 2, 2.1 verfügt der Wärmetauscher 1 über einen Adapter 7. Der Adapter 7 dient zum Verbinden der beiden Strömungskanalmodule 2, 2.1 miteinander. Der Adapter 7 weist daher an mit den Bohrungen 5 bzw. 5.1 der zu beiden Seiten des Adapters 7 angeordneten Halteplatten fluchtender Position diesen durchgreifende Bohrungen 8 auf. Die beiden Seiten des Adapters 7, an denen die Bohrungen 8 münden, verfügen ebenfalls über eine Dichtplattenaufnahme, die derjenigen der Halteplatten 4, 4.1 entspricht.
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Als weiteres Modul verfügt der Wärmetauscher
1 über zwei Kopfstücke
9,
9.1. Da der Wärmetauscher
1 als Gegenstromwärmetauscher vorgesehen ist, dienen die Kopfstücke
9,
9.1, um jeweils zwei Wärmetauscherohre
3 dementsprechend miteinander zu verbinden. Diesbezüglich wird auf das grundsätzlich in
DE 20 2010 007 533 U1 beschriebene Konzept zurückgegriffen. Jedes Kopfstück
9,
9.1 verfügt über langlochförmige Vertiefungen als Verbindungskanäle
10,
10.1, wobei durch jeden Verbindungskanal
10 bzw.
10.1 jeweils zwei Wärmetauscherrohre
3 miteinander strömungstechnisch verbunden werden. Die Dimensionierung der Verbindungskanäle
10,
10.1 ist dabei dergestalt vorgesehen, dass die freie durchströmbare Querschnittsfläche nicht geringer ist als diejenige innerhalb der Wärmetauscherrohre
3. Das Kopfstück
9.1 verfügt zudem über einen Zulaufanschluss
11 und einen Rücklaufanschluss
12.
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Ebenso wie die Halteplatten 4, 4.1 verfügen auch der Adapter 7 sowie die Kopfstücke 9, 9.1 über mit den Halteplatten 4, 4.1 fluchtende Befestigungsbohrungen.
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Nicht dargestellt in den Figuren sind die in die Dichtplattenaufnahmen 6, 6.1 anzuordnenden Dichtplatten. Diese werden in den Dichtplattenaufnahmen 6, 6.1 der Halteteile 4, 4.1 eingelegt, bevor die Halteplatten 4, 4.1 mit dem Adapter 7 bzw. dem jeweiligen Kopfstück 9 bzw. 9.1 verschraubt werden. Dabei durchgreift jede Schraubverbindung ein Halteteil 4.1 und ein Kopfstück 9.1 oder eine Schraubverbindung durchgreift ein Halteteil 4, den Adapter 7 und das andere, an den Adapter 7 anzuschließende Halteteil des anderen Strömungskanalmoduls 2.1. Diese Schraubverbindung kann von Jedermann ohne weiteres ausgeführt werden. Wenn gewünscht, kann vorgesehen sein, dass diese Schraubverbindung drehmomentbegrenzt erfolgt.
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Jedem Strömungskanalmodul 2, 2.1 ist des Weiteren ein Lüfter 13, 13.1 zugeordnet. Diese, im Übrigen nicht näher dargestellten Lüfter 13, 13.1 sind angeordnet, um einen quer zur Längserstreckung der Wärmetauscherrohre 3 eines Strömungskanalmoduls 2 bzw. 2.1 strömenden Luftstrom zu generieren. Die Lüfter 13, 13.1 sind mit ihrem jeweiligen Gestell 14, 14.1 an die Querseiten der Kopfstücke 9 bzw. 9.1 und den Adapter 7 angeschlossen. Die Dicke des Adapters 7 ist konzipiert, damit daran zwei Lüfter 13, 13.1 angeschlossen werden können.
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Zur Verbesserung der Strömungscharakteristik der von den Lüftern 13, 13.1 generierten Luftströme sind die Seiten der beiden Strömungskanalmodule 2, 2.1 jeweils durch Seitenteile 15, 15.1, an dem Strömungskanalmodul 2 mit diesen Bezugszeichen gekennzeichnet, versehen.
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Die Darstellung des Wärmetauschers 1 in 2 in der anderen perspektivischen Ansicht verdeutlicht, dass die Halteplatten 4, 4.1 und der Adapter 7 an ihren jeweilig anderen, in 1 nicht sichtbaren Seiten genauso konzipiert sind wie an den in 1 sichtbaren Seiten. Deutlich wird in der Darstellung der 2 auch die unterschiedliche Anordnung der Verbindungskanäle 10.1 des Kopfstückes 9.1.
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Die Beschreibung der Erfindung verdeutlicht, dass mit dem vorbeschriebenen Konzept Wärmetauscher quasi von Jedermann mit unterschiedlicher Leistungsfähigkeit und auch unterschiedlicher Strömungscharakteristik aus zwei Kopfstücken und zumindest einem Strömungskanalmodul und zumindest einem Lüfter oder Ventilator oder auch aus mehreren Strömungskanalmodulen und mehreren Ventilatoren zusammengestellt werden können. Im letzteren Fall werden, wie in dem Ausführungsbeispiel beschrieben, entsprechende Adapter zwischen zwei Strömungskanalmodule geschaltet. Auf diese Weise ist eine Aneinanderreihung von mehreren Strömungskanalmodulen möglich. Limitierender Faktor ist gerade bei einem Gegenstromwärmetauscher allein der Strömungswiderstand.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben worden. Ohne den Umfang der geltenden Ansprüche zu verlassen, ergeben sich für einen Fachmann zahlreiche weitere Möglichkeiten die Erfindung umzusetzen, ohne das dieses im einzelnen im Rahmen dieser Ausführung beschrieben werden müsste. Daher zählen auch noch diese Ausgestaltungen zum Offenbarungsgehalt dieser Ausführungen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wärmetauscher
- 2, 2.1
- Strömungskanalmodul
- 3
- Wärmetauscherrohr
- 4, 4.1
- Halteplatte
- 5, 5.1
- Bohrung
- 6, 6.1
- Dichtplattenaufnahme
- 7
- Adapter
- 8
- Bohrung
- 9, 9.1
- Kopfstück
- 10, 10.1
- Verbindungskanal
- 11
- Zulaufanschluss
- 12
- Rücklaufanschluss
- 13, 13.1
- Lüfter
- 14, 14.1
- Gestellt
- 15, 15.1
- Seitenteil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004002375 B4 [0003]
- DE 202010007533 U1 [0003, 0004, 0014, 0014, 0014, 0022]
- DE 102004002375 [0003]
