DE2250222B2 - Plate-shaped heat exchanger wall - Google Patents

Plate-shaped heat exchanger wall

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DE2250222B2
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Leslie Charles Kun
James Bragdon Wulf
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Description

Die Erfindung betrifft eine plattenförmige Wärmetauscherwand, die zumindest in bestimmten Flächenbereichen mit im wesentlichen gleichmäßig verteilten, in gleiche Richtung weisenden, kegelstumpfförmigen Stützyorsprüngen in Form von Wandausbuchtungen versehen ist, welche an ihren Enden eine lastaufnehmende Stützfläche aufweisen, die so gestaltet ist, daß sie sich gegen eine entsprechende Stützfläche einer weiteren Wärmetauscherwand abstützen kann.The invention relates to a plate-shaped heat exchanger wall, which at least in certain surface areas with essentially evenly distributed frustoconicals pointing in the same direction Stützyorsprüngen is provided in the form of wall bulges, which at their ends a load-bearing Have support surface which is designed so that they are against a corresponding support surface of a can support further heat exchanger wall.

Wärmetauscherwände der bezeichneten Art werden bevorzugt für den Bau von Kühlern für wassergekühlte Verbrennungskraftmaschinen in der Kraftfahrzeugindustrie verwendet. Insbesondere bei diesem Einsatzgebiet kommt es wesentlich darauf an, daß die einzelnen Wärmetauscherelemente leicht und billigsind. Da heute Kraftfahrzeugmotoren bei erhöhten Temperaturen arbeiten und auch in Zukunft damit zu rechnen ist, daß sich diese Temperaturen noch erhöhen, ist es bereits weitgehend erforderlich, daß in Kraftfahrzeugkühlern mit einem gewissen Überdruck gearbeitet wird. Kraftfahrzeugkühler sind daher für einen Druck von mindestens 1,02 bar auszulegen.Heat exchanger walls of the type indicated are preferred for the construction of coolers for water-cooled Internal combustion engines used in the automotive industry. Especially with this one Area of application, it is essential that the individual heat exchanger elements are light and cheap. Since motor vehicle engines work at elevated temperatures today and will continue to do so in the future it is to be expected that these temperatures will increase, it is already largely necessary that in Motor vehicle radiators are operated with a certain overpressure. Motor vehicle radiators are therefore for design a pressure of at least 1.02 bar.

Bei Lamellenkühlern und ähnlichen Bauarten, bei denen die das Kühlmittel führenden Bauteile nicht selbst die wärmeaustauschenden Flächen darstellen, sondern als Rohre ausgebildet sind, die ihrerseits mit sekundären Wärmetauschflächen wie Lamellen od. dgl. besetzt sind, bietet die Forderung nach einer gewissen Druckerhöhung kein Problem, da die das Kühlmittel führenden Rohre entsprechend dimensioniert werden können.With lamellar coolers and similar designs in which the components carrying the coolant do not themselves represent the heat-exchanging surfaces, but rather are designed as tubes, which in turn come with Secondary heat exchange surfaces such as fins or the like. Are occupied, offers the requirement for one A certain pressure increase is not a problem, since the pipes carrying the coolant are dimensioned accordingly can be.

Anders verhält es sich doch mit Wärmetauschern der sog. Primärflächen-Bauart, bei denen die das bzw. die Medien einschließenden Bauteile gleichzeitig die wärmetauschenden Flächen sind. Diese Primärflächen-Wärmetauscher sind beispielsweise aus plattenförmigen Wärmetauscherwänden der eingangs bezeichneten Art aufgebaut und besitzen im allgemeinen weder zur Erhöhung der Festigkeit noch zur Verbes- -! serung des Wärmeübergangs irgendwelche zusätzli- ■■ chen inneren oder äußeren Bauteile, wie Verstärkungsrippen, Lamellen od. dgl. Die Wärmeübertragung findet vielmehr unmittelbar zwischen den Platten und den strömenden Medien statt. An die dafür verwendeten plattenförmigen Wärmetauscherwände werden verhältnismäßig hohe Anforderungen gestellt, ίο da sie einerseits einen optimalen Wärmeaustausch sicherstellen sollen und andererseits die gesamte hydraulische bzw. pneumatische Belastung aufnehmen müssen.The situation is different with heat exchangers of the so-called primary surface type, in which the components enclosing the media or media are at the same time the heat-exchanging surfaces. These primary surface heat exchangers are constructed, for example, from plate-shaped heat exchanger walls of the type mentioned at the beginning and generally have neither to increase the strength nor to improve -! The heat transfer is enhanced by any additional internal or external components, such as reinforcing ribs , fins or the like. Rather, the heat transfer takes place directly between the plates and the flowing media. Relatively high demands are placed on the plate-shaped heat exchanger walls used for this, ίο because on the one hand they are intended to ensure optimal heat exchange and on the other hand must absorb the entire hydraulic or pneumatic load.

Beim Aufbau von Wärmetauschern müssen die dafür verwendeten plattenförmigen Wärmetauscherwände nicht unbedingt durchgehend im ebenen Zustand verbleiben, sie können vielmehr auch gebogen oder zur Ausbildung von geschlossenen Kanälen in sich selbst zurückgeführt und an ihren Enden miteinander verbunden sein. Bei einzelnen Wärmetauscherelementen oder -kanälen, die auf diese Weise hergestellt sind, besteht die Möglichkeit, daß die kegelstumpfförmigen Stützvorsprünge entweder alle zum Inneren des Kanalelementes hin gerichtet sind, oder aber in den äußeren Umgebungsraum vorspringen. Bei nach innen weisenden Stützvorsprüngen wird der Abstand zwischen den Wänden des Kanalelementes durch die aneinander anliegenden Stützvorsprünge der benachbarten Wände bestimmt. Diese BauartWhen building heat exchangers, the plate-shaped heat exchanger walls used for this must do not necessarily remain flat throughout, they can also be curved or to form closed channels returned to themselves and to one another at their ends be connected. In the case of individual heat exchanger elements or channels manufactured in this way are, there is the possibility that the frustoconical support projections either all for Inside the channel element are directed, or protrude into the outer surrounding space. In the case of inwardly pointing support projections, the distance between the walls of the channel element is determined by the abutting support projections of the adjacent walls. This type

jo wird bevorzugt, wenn das Medium höheren Druckes die einzelnen so aufgebauten Kanalelemente von außen umströmt. Die sich gegenüberliegenden Wände des Kanalelementes befinden sich dabei unter vollständigem Druckausgleich, da beide Wände entge-jo is preferred when the medium has higher pressure flows around the individual channel elements constructed in this way from the outside. The opposite walls of the duct element are under complete pressure equalization, as both walls

)5 gengesetzt gleich belastet werden und sich mittels ihrer Stützvorsprünge im Inneren des Kanalelementes gegenseitig abstützen können. Herrscht der höhere Druck im Inneren des Kanalelementes, ist es bei dieser Bauart zweckmäßig, die beiden Wärmetauscherwände an ihren sich gegenseitig berührenden Stützvorsprüngen miteinander zu verbinden. Dies kann beispielsweise durch Weichlöten, Hartlöten oder auch durch Kleben geschehen.) 5 on the other hand, are equally burdened and by means of their Support projections in the interior of the channel element can support each other. The higher one rules Pressure inside the channel element, it is expedient in this design, the two heat exchanger walls to connect to each other at their mutually touching support projections. This can done for example by soft soldering, hard soldering or by gluing.

Bei höherem Druck innerhalb der Kanalelemente ist es jedoch andererseits möglich, diese so zu gestalten, daß die Stützvorsprünge nach außen weisen. Bei dieser Bauart kann ein Wärmetauscher auf einfache Weise dadurch zusammengestellt werden, daß mehrere Kanalelemente stapeiförmig zusammengefügt werden, wobei der Abstand zwischen den einzelnen Kanalelementen durch die gegeneinanderstoßenden Stützvorsprünge benachbarter Kanalelemente bestimmt wird. Bei einem solchen Aufbau ist aber kein vollständiger Druckausgleich gegeben, an der Außenseite des Stapels müssen zusätzliche, lastaufnehmende Bauteile vorgesehen werden.If the pressure inside the duct elements is higher, however, it is also possible to design them in such a way that that the support projections point outwards. With this type of construction, a heat exchanger can easily be Way can be put together in that several channel elements are joined together in a stack be, the distance between the individual channel elements by the abutting Support projections of adjacent channel elements is determined. With such a structure, however, there is no complete pressure equalization given, on the outside of the stack must be additional, load-bearing Components are provided.

Wärmetauscher mit plattenartigen Wärmetauscherwänden der eingangs bezeichneten Art sind beispielsweise aus der DE-OS 1601154 und der DE-OSHeat exchangers with plate-like heat exchanger walls of the type indicated at the outset are for example from DE-OS 1601154 and DE-OS

bo 1501537 bekannt. Während die DE-OS 1601154 insbesondere in deren Fig. 3 eine Bauart zeigt, bei der die Stützvorsprünge eines Kanalelementes nach außen weisen und dadurch den gegenseitigen Abstand zwischen benachbarten Kanalelementen bestimmen,bo 1501537 known. While DE-OS 1601154 especially in the Fig. 3 shows a type in which the support projections of a channel element according to face outside and thereby determine the mutual distance between adjacent duct elements,

-b5 zeigt die DE-OS 1 501537 in ihrer Fig. 3 eine Ausführungform, bei der die Stützvorsprünge zum Inneren des Kanalelementes hin gerichtet sind. Die als Wärmetauscherflächen dienenden Wände der in die--b5 shows the DE-OS 1 501537 in its Fig. 3 an embodiment, in which the support projections are directed towards the interior of the channel element. As Walls of the heat exchanger surfaces used in these

sen Druckschriften vorbeschriebenen Vorrichtungen sind zwar mit kegelstumpfförmigen Stützvorsprüngen in Form von einseitigen Wandausbuchtungen versehen, die dazu dienen, eine Abstandshalterung und Druckabstützung der einzelnen Wärmetauscherwände untereinander zu erzielen, in keiner dieser Druckschriften ist jedoch ein Hinweis dafür zu finden, wie diese kegelstumpfförmigen Wandausbuchtungen günstigerweise zu dimensionieren sind. Lediglich den Figuren dgt DE-OS 1601154 kann man einen Kegelwinkel von 45° für diese Ausbuchtungen entnehmen, die perspektivischen Darstellungen in der DE-OS 1501537 lassen dagegen kaum einen Schluß auf den gewählten Kegelwinkel zu. Ein Hinweis für die Wahl dieses Konstruktionsparameters kann u. U. auch noch der GB-PS 820554 entnommen werden, die jedoch Wärmetaascherwände mit beidseitigen Ausbuchtungen zeigt. In der zugehörigen Beschreibung ist für die Wandausbuchtungen ein Kegelwinkel von 60° ausdrücklich genannt. Über weitere dimensionsbestimmende Kennwerte der Stützvorsprünge bei den bekannten Wärmetauschern ist den genannten Druckschriften jedoch nichts zu entnehmen.Sen documents described above devices are indeed with frustoconical support projections provided in the form of one-sided wall bulges, which are used to provide a spacer and To achieve pressure support between the individual heat exchanger walls, in none of these However, there is a reference to how these frustoconical wall bulges can be found in publications are to be dimensioned favorably. Only the figures dgt DE-OS 1601154 one can see a cone angle of 45 ° for these bulges, see the perspective representations in the DE-OS 1501537, on the other hand, hardly allow any conclusion to be drawn selected cone angle. A hint for the choice of this construction parameter can possibly also be from GB-PS 820554, however, the heat exchanger walls with bulges on both sides shows. In the associated description, a cone angle of 60 ° is expressly stated for the bulges in the wall called. About other dimension-determining parameters of the support projections in the known The cited publications, however, do not reveal anything about heat exchangers.

Bei der Anordnung der Stützvorsprünge kommt es darauf an, daß sie in einer genügenden Anzahl und entsprechenden Verteilung vorgesehen werden, um auf die Wärmetauscherwände wirkende Druckbelastungen möglichst im gesamten Flächenbereich der Wand ausreichend aufzufangen. Dabei hat aber eine Erhöhung der Anzahl der Stützvorsprünge gleichzeitig den Nachteil, daß dadurch der freie Strömungsquerschnitt zwischen zwei mittels dieser Vorsprünge gegeneinander abgestützten Wände vermindert wird. Wählt man andererseits eine größere Wanddicke für die betreffenden Wärmetauscherwände, so verschlechtert sich der Wärmedurchgang durch diese.When arranging the support projections, it is important that they are in a sufficient number and appropriate distribution are provided in order to act on the heat exchanger walls pressure loads as far as possible to be sufficiently absorbed in the entire surface area of the wall. But has one Increasing the number of support projections at the same time has the disadvantage that this results in the free flow cross section between two by means of these projections mutually supported walls is reduced. On the other hand, if you choose a larger wall thickness for the heat exchanger walls in question, the heat transfer through them deteriorates.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Wärmetauscherwände der eingangs bezeichneten Art dahingehend zu verbessern, daß sie eine erhöhte Druckfestigkeit bei gleichzeitig verbesserten Strömungsverhältnissen und gutem Wärmeübergang aufweisen, mit dem Ziel, die Wärmetauscherwände dünner und leichter ausführen zu können, ohne daß die Anzahl der durch die Ausbuchtungen gebildeten gegenseitigen Abstützpunkte der Wände erhöht oder andere zusätzliche Stützteile im fertigen Wärmetauscher verwendet werden müßten. Dabei ist ebenfalls daran gedacht, aufgrund der angestrebten Verbesserungen eventuell preisgünstigere Konstruktionsmaterialien mit einem eventuell etwas schlechteren Wärmedurchgangswert verwenden zu können, ohne den Wärmetauscheffektgegenüber bekannten Ausführungen wesentlich zu verschlechtern.The invention is based on the object of providing heat exchanger walls of the type indicated at the outset to improve that they have an increased pressure resistance with improved flow conditions at the same time and have good heat transfer, with the aim of making the heat exchanger walls thinner and Easier to perform without the number of mutual formed by the bulges Support points of the walls increased or other additional support parts used in the finished heat exchanger would have to be. It is also thought of because of the improvements sought possibly cheaper construction materials with a possibly slightly poorer heat transfer value to be able to use without the heat exchange effect known designs to worsen significantly.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs angegebene Dimensionierung gelöst.According to the invention, this object is achieved by the dimensions specified in the characterizing part of the patent claim solved.

Die erfindungsgemäße Ausbildung der kegelförmigen Stützvorsprünge mit geringem Neigungswinkel ist in doppelter Weise vorteilhaft. Einmal hat sich überraschenderweise herausgestellt, daß Kegelwinkel unterhalb 35 ° in Verbindung mit dem entsprechenden Übergang in die Wärmetauscherwand zu einer wesentlich höheren Festigkeit führen, andererseits vermindern derart ausgebildete Vorsprünge tote Strömungsecken innerhalb des Kanalelementes, so daß mit dieser Ausbildung auch der Wärmeübergang verbessert werden kann.The inventive design of the conical support projections with a small angle of inclination is beneficial in two ways. Once it has surprisingly been found that the cone angle below 35 ° in connection with the corresponding transition in the heat exchanger wall to a substantial lead to higher strength, on the other hand, projections formed in this way reduce dead flow corners within the channel element, so that this design also improves the heat transfer can be.

Das führt dazu, daß die Wärmetauscherwand nichtThis means that the heat exchanger wall does not

unbedingt aus einem hochwärmeleitfähigen Material zu bestehen braucht. Es lassen sich daher als Werkstoffe Metalle, Metallegierungen, plattierte Metalle, aber auch Kunststoffe, kunststoffbeschichtete Metalle u. dgl. verwenden. Unter den Metallen kommen insbesondere Kupfer, Stahl, Magnesium und Titan in Frage.necessarily made of a highly thermally conductive material needs to exist. Metals, metal alloys, clad metals, but also use plastics, plastic-coated metals and the like. Among the metals come in particular Copper, steel, magnesium and titanium in question.

Um den Strömungswiderstand durch die Stützvorsprünge dennoch möglichst gering und den Wirkurigsgrad der Wärmeübertragung für jeden bestimmten Strömungsbereich eines Wärmetauscherkanals möglichst groß zu halten, sollten die die Wand stützenden kegelstumpfförmigen Vorspränge nur in solcher Größe, Anzahl und Verteilung vorgesehen und angeordnet werden, wie es durch die Notwendigkeit gefordert wird, dem maximal auftretenden Differenzdruck zu widerstehen. Wenn dabei von gleichförmiger Verteilung der Stützvorsprünge die Rede ist, so braucht diese keineswegs über die gesamte Wärmetauscherwand zu bestehen. Das Verteilungsmuster kann beispielsweise auch progressive Veränderungen in den Abständen der Stützvorsprünge zumindest entlang einer Achse der Wärmetauscherwand aufweisen. Wesentlich ist allein, daß die Stützvorsprünge aneinandergrenzender Wärmetauscherwände an den gleichen Stellen liegen. Da eine Spannungskonzentration im Biegebereich einer Wärmetauscherwand bei ihrer bestimmungsgemäßen Verwendung auftreten kann, können zusätzliche, die Wand stützende kegelstumpfförmige Vorsprünge auch in der Nähe des Biegebereiches vorgesehen sein, um die auftretenden Spannungen besser über die ganze Wärmetauscherwand hinweg auszugleichen.In order to reduce the flow resistance due to the support projections and the degree of effectiveness the heat transfer for each specific flow area of a heat exchanger channel as possible To keep the wall large, the frustoconical projections supporting the wall should only be in such Size, number and distribution can be provided and arranged as required by need will be able to withstand the maximum differential pressure that occurs. If doing of more uniform Distribution of the support projections is in question, it does not need this over the entire heat exchanger wall to pass. The distribution pattern can, for example, also include progressive changes have in the spacings of the support projections at least along one axis of the heat exchanger wall. It is only essential that the support projections of adjacent heat exchanger walls on the same Places lie. As a stress concentration in the bending area of a heat exchanger wall in its Intended use can occur, additional, the wall-supporting frustoconical Projections can also be provided in the vicinity of the bending area to avoid the stresses occurring better to balance over the entire heat exchanger wall.

Im folgenden wird die Erfindung unter Hinweis auf die Zeichnungen im einzelnen noch näher beschrieben. Es stellt darIn the following the invention is described in more detail with reference to the drawings. It shows

Fig. 1 ein Diagramm, welches die Flächendurchbiegung einer aus Aluminium bestehenden Wärmetauscherwand in Abhängigkeit vom aufgebrachten Druck zeigt, und zwar einmal für eine Wärmetauscherwand mit Stützvorsprüngen in beanspruchter Ausbildung mit Kegelwinkeln von 30° und zum anderen für eine Wärmetauscherwand in herkömmlicher Ausführung mit Kegelwinkeln der Stützvorsprünge von 45 °,Fig. 1 is a diagram showing the surface deflection of a heat exchanger wall made of aluminum shows as a function of the pressure applied, once for a heat exchanger wall with support projections in a stressed training with cone angles of 30 ° and to the other for a heat exchanger wall in conventional design with conical angles of the support projections from 45 °,

Fig. 2 die perspektivische Ansicht einer Reihe aneinandergrenzender, aus erfindungsgemäß ausgebildeten Wärmetauscherwänden bestehender Kanalelemente eines Wärmetauschers, deren Stützvorsprünge nach außen gerichtet sind,Fig. 2 is a perspective view of a row of adjacent, channel elements of a heat exchanger made of heat exchanger walls designed according to the invention, their supporting projections are directed outwards,

Fig. 3 einen schematischen Querschnitt durch die Kanalelemente entlang der Linie IU-III in Fig. 2, aus dem kennzeichnenden Dimensionierungsgrößen der kegelförmigen Stützvorsprünge erkennbar sind, und3 shows a schematic cross section through the channel elements along the line IU-III in FIG the characteristic dimensions of the conical support projections can be seen, and

F i g. 4 einen Schnitt durch einen Teil eines Wärmetauschers, bei dem die kegelförmigen Stützvorsprünge der plattenförmigen Wärmetauscherwände zum Inneren der aus diesen gebildeten Kanalelemente hin gerichtet sind.F i g. 4 shows a section through part of a heat exchanger in which the conical support projections of the plate-shaped heat exchanger walls directed towards the interior of the channel elements formed from them are.

Es sei zuerst auf Fig. 3 Bezug genommen, die einen schematischen Querschnitt durch drei aneinandergrenzende Kanalelemente eines Wärmetauschers zeigt, die durch Biegen einer plattenartigen Wärmetauccherwand entstanden sind, deren kegelförmige Stützvorsprünge in bezug auf das jeweilige Kanalelement nach außen gerichtet sind. Bezeichnet ist in Fig. 3 der Kegelwinkel β der Stützvorsprünge, der im AusführunesbeisDiel 32° beträet. Weiterhin anee-Reference is first made to FIG. 3, which is a schematic cross-section through three contiguous Channel elements of a heat exchanger shows that by bending a plate-like Wärmetauccherwand have arisen, the conical support projections with respect to the respective channel element are directed outwards. Is indicated in Fig. 3, the cone angle β of the support projections, the in the execution exampleDiel 32 ° concerned. Still anee-

geben ist der Krümmungsradius R im Übergangsbereich des Grundes der kegelförmigen Mantelfläche eines StUtzvorsprunges in die ebene Grundfläche der Wärmetauscherwand. Schließlich bezeichnet D den Mittenabstand jeweils zweier am dichtesten beieinanderliegender kegelförmiger Stützvorsprünge. Weitere maßgebliche Größen für die Dimensionierung von plattenartigen Wärmetauscherwänden mit einseitig ausgewölbten, kegelstumpfartigen Stützvorsprüngen sind die Höhe H dieser Stützvorsprünge und der Durchmesser d der Stützfläche am Kopf jedes Stützvorsprunges. Besitzen die Stützvorsprünge keine kreisförmige Stützfläche, so ergibt sich der Ersatzdurchmesser d der Stützfläche als der Quotient aus dem Vierfachen des Flächenmaßes der Stützfläche und dem Umfang der Stützfläche.give is the radius of curvature R in the transition area of the base of the conical jacket surface of a support projection into the flat base surface of the heat exchanger wall. Finally, D denotes the center-to-center distance of two conical support projections that are closest to one another. Further relevant parameters for the dimensioning of plate-like heat exchanger walls with one-sided convex, frustoconical support projections are the height H of these support projections and the diameter d of the support surface at the head of each support projection. If the support projections do not have a circular support surface, the equivalent diameter d of the support surface results as the quotient of four times the area dimension of the support surface and the circumference of the support surface.

Der Kegelwinkel Θ soll kleiner sein als 35° und das Verhältnis RID größer als ungefähr 0,075. Der Abstand D selbst liegt zweckmäßigerweise zwischen etwa 0,5 und 6,4 cm. Das Verhältnis DId kann zwischen 3 und 10 und das Verhältnis HId ungefähr zwischen 0,05 und 0,2 gewählt werden. Die bevorzugte Wanddicke t liegt zwischen ungefähr 0,076 und 6,4 mm.The cone angle Θ should be less than 35 ° and the ratio RID greater than approximately 0.075. The distance D itself is expediently between approximately 0.5 and 6.4 cm. The ratio DId can be selected between 3 and 10 and the ratio HId approximately between 0.05 and 0.2. The preferred wall thickness t is between about 0.076 and 6.4 mm.

Die Begrenzung des Abstandes D ergibt sich, weil ein Abstand von weniger als 0,5 cm sehr schmale Spalte als Durchtrittskanäle auf der mit den Vorsprüngen versehenen Seite der Wärmetauscherwand ergeben würde, wodurch die Gefahr eines Verstopfens, beispielsweise durch im strömenden Medium enthaltene Verunreinigungen gegeben ist. Weiterhin würde sich ein hoher äußerer Druckabfall pro Längeneinheit des Strömungsweges ergeben. Wenn der Abstand D gegen 6,4 cm geht, würde dies zu einer geringen Wärmeaustauschfläche pro Raumeinheit des Wärmetauschervolumens führen, so daß die Herstellungskosten hoch und der Wirkungsgrad gering wären. Auch die Fähigkeit des Materials, bei gleicher Wanddicke einem Differenzdruck beiderseits der Wand standzuhalten, würde herabgesetzt, wenn der Abstand zwischen den Stützvorsprüngen zu groß ist.The limitation of the distance D arises because a distance of less than 0.5 cm would result in very narrow gaps as passage channels on the side of the heat exchanger wall provided with the projections, whereby there is the risk of clogging, for example due to impurities contained in the flowing medium . Furthermore, there would be a high external pressure drop per unit length of the flow path. If the distance D approaches 6.4 cm, this would lead to a small heat exchange area per unit space of the heat exchanger volume, so that the manufacturing costs would be high and the efficiency would be low. The ability of the material to withstand a differential pressure on both sides of the wall with the same wall thickness would also be reduced if the distance between the support projections is too great.

Bei einem Verhältnis DId von weniger als 3 steigt der zulässige Differenzdruck beiderseits der Wand eines aus einem Kanal bestehenden Wärmetauscherelementes an, jedoch wäre ein großer Anteil der Fläche für Wärmetauschzwecke verloren. Andererseits würde ein Verhältnis DId von mehr als 10 sehr enge Herstellungstoleranzen erfordern, um das Aufeinandertreffen der tragenden Abschnitte (Buckel) einander berührender Wände sicherzustellen; außerdem würde dadurch die Last auf die Berührungspunkte der tragenden Abschnitte lokalisiert und konzentriert, so daß so hohe Spannungen auftreten, die zu einem Bruch oder einer starken Verformung der Wände führen. If the ratio DId is less than 3, the permissible differential pressure on both sides of the wall of a heat exchanger element consisting of a duct increases, but a large proportion of the area would be lost for heat exchange purposes. On the other hand, a ratio DId of more than 10 would require very close manufacturing tolerances in order to ensure the meeting of the load-bearing sections (bosses) of walls in contact with one another; in addition, this would localize and concentrate the load on the contact points of the load-bearing sections, so that such high stresses occur that lead to breakage or severe deformation of the walls.

Ein Wärmetauscher mit Kanälen mit kegelstumpff örmigen Vorsprüngen, bei denen das Verhältnis HID geringer als 0,05 ist, birgt die Gefahr von Verstopfungen und hat einen hohen äußeren Druckabfall pro Längeneinheit des Strömungsweges. Für ein Verhältnis HID von mehr als 0,02 erhält man eine geringe Wärmeaustauschfläche pro Raumeinheit des Wärmetauschervolumens, wodurch die Herstellungskosten hoch und der Wirkungsgrad geringer werden. Ein Verhältnis RID von weniger als 0,075 ergibt hohe Spannungen an der begrenzenden Schnittlinie des konischen Vorsprungs mit der unverformten Wandfläche nahe dem Vorsprung. Dabei wird die begrenzende Schnittlinie eine Linie hoher Spannungskonzentration. A heat exchanger with channels with frustoconical projections, in which the ratio HID is less than 0.05, has the risk of clogging and has a high external pressure drop per unit length of the flow path. For an HID ratio of more than 0.02, a small heat exchange area per unit of space of the heat exchanger volume is obtained, as a result of which the manufacturing costs are high and the efficiency is lower. A RID ratio of less than 0.075 results in high stresses at the delimiting line of intersection of the conical protrusion with the undeformed wall surface near the protrusion. The delimiting cutting line becomes a line of high stress concentration.

Eine Wärmetauscherwand mit kegelstumpfförmigen Vorsprüngen mit einem Kegelwinkel von mehrA heat exchanger wall with frustoconical projections with a cone angle of more

"> als 35 ° würde zu hohen Durchbiegungen führen, wenn die Wand mit Druck beaufschlagt wird. Wenn solche Durchbiegungen im Betrieb wiederholt auftreten, kann das Material ermüden und nach verhältnismäßig geringer Betriebsdauer brechen. Außerdem verrin-"> than 35 ° would lead to high deflections if the wall is pressurized. If such deflections occur repeatedly during operation, the material can tire and break after a relatively short period of operation. In addition,

U) gern Durchbiegungen den verfügbaren Abstand zwischen den Wärmetauscherwänden in den Durchtrittskanälen mit geringerem Druck und führen entweder zu einem höheren Druckabfall oder zu einer geringeren Strömungsmenge.U) like deflections the available distance between the heat exchanger walls in the passage channels with lower pressure and lead either to a higher pressure drop or to a lower flow rate.

Eine Materialdicke von weniger als 0,076 mm wäre ungeeignet wegen örtlicher Fehler im Metaii, wie sie beim Walzen, durch Korrosion oder Erosion erzeugt werden. Ausführungsformen, bei denen die Druckkräfte nicht innerhalb der Kanäle ausgeglichen sind,A material thickness of less than 0.076 mm would be unsuitable because of local errors in the metal like them during rolling, corrosion or erosion. Embodiments in which the compressive forces are not balanced within the channels,

2i) erfordern kräftige äußere Bauteile, um die Belastung aufzunehmen, während Ausführungsformen mit Kräfteausgleich, bei denen die die Wand stützenden Vorsprünge miteinander verbunden sind und unter Zugbelastung stehen, eine erhebliche Spannungskon-2i) require strong external components to withstand the load take up, while embodiments with balance of forces, in which the wall supporting Projections are connected to each other and are under tensile load, a considerable tension con-

-'r> zentration in diesen verbundenen Flächenbereichen aufweisen.- ' r > have centering in these connected surface areas.

Um die besonderen Anforderungen an Wärmetauschern zu erfüllen, die als Kühler für Brennkraftmaschinen dienen, sollten die oben angegebenen BereicheIn order to meet the special requirements for heat exchangers used as coolers for internal combustion engines should serve the ranges given above

so in folgender Weise eingeengt werden: der wiederkehrende Abstand D soll ungefähr zwischen 0,5 und 1,5 cm liegen; das Verhältnis DId soll ungefähr zwischen 3 und 7 liegen; das Verhältnis HID soll ungefähr zwischen 0,05 und 0,12 liegen; der Winkel Θ soll weil niger als ungefähr 35 ° sein, vorzugsweise weniger als ungefähr 30"; das Verhältnis RID soll größer als ungefähr 0,075 sein; die Plattendicke oder Wanddicke soll ungefähr zwischen 0,076 mm und 0,5 mm liegen. Die bevorzugten Abmessungen einer Fläche mit kegelstumpfförmigen Vorsprüngen für den Anwendungsfall als Kraftfahrzeugkühler sind: ein wiederkehrender Abstand D von ungefähr 1 cm, eine Höhe H von ungefähr 0,9 mm, ein Stützflächendurchmesser d von ungefähr 2,3 mm, ein Verhältnis DId von ungefähr 4,8, ein Verhältnis HID von ungefähr 0,08, ein Winkel Θ von weniger als ungefähr 30 °, ein Verhältnis RID von mehr als ungefähr 0,075 und eine Wanddicke von ungefähr 0,2 mm.so narrowed in the following way: the recurring distance D should be approximately between 0.5 and 1.5 cm; the ratio DId should be approximately between 3 and 7; the HID ratio should be approximately between 0.05 and 0.12; the angle Θ should be less than about 35 °, preferably less than about 30 "; the ratio RID should be greater than about 0.075; the plate or wall thickness should be between about 0.076 mm and 0.5 mm. The preferred dimensions of a surface with frustoconical projections for use as a motor vehicle radiator are: a recurring distance D of about 1 cm, a height H of about 0.9 mm, a support surface diameter d of about 2.3 mm, a ratio DId of about 4.8, a ratio HID of about 0.08, an angle Θ of less than about 30 °, a ratio RID of greater than about 0.075, and a wall thickness of about 0.2 mm.

Zur Erläuterung der Erfindung wird nachfolgendTo explain the invention, the following

ίο als Beispiel ein Kraftfahrzeugkühler beschrieben, bei dem die oben beschriebenen Wärmetauscherelemente der Primärflächen-Bauart verwendet werden.ίο described a motor vehicle radiator as an example, at which the above-described heat exchanger elements of the primary surface type are used.

Die Durchbiegung von mit kegelstumpfförmigen Vorsprüngen versehenen Wänden, die für die Anwendung bei Kraftfahrzeugkühlern geeignet sind, wurden untersucht, und es wurden Kurven des aufgebrachten Drucks (bar) über der Flächendurchbiegung (mm) für Aluminiumbleche von 0,2 mm Dicke aufgetragen, die kegelstumpfförmige Vorsprünge mit Kegelwinkeln von 30° und 45° haben.The deflection of frustoconical projections walls necessary for the application in automotive radiators have been investigated and curves of the applied Pressure (bar) plotted against the surface deflection (mm) for aluminum sheets with a thickness of 0.2 mm, which have frustoconical projections with taper angles of 30 ° and 45 °.

Die Bleche wurden gestanzt mit die Wand stützenden kegelstumpfförmigen Vorsprüngen, die in einem quadratischen Muster angeordnet sind. Der Abstand D zwischen den Vorsprüngen betrug 1 cm und die Höhe H der Stützvorsprünge betrug 0,9 mm. Dann wurde Druck auf die Fläche des Aluminiumbleches auf der vorgesehenen Seite aufgebrächt, um das Material des Kegels auf Druck zu beanspruchen; dieThe sheets were stamped with frustoconical projections supporting the wall arranged in a square pattern. The distance D between the projections was 1 cm and the height H of the supporting projections was 0.9 mm. Then pressure was applied to the surface of the aluminum sheet on the intended side in order to stress the material of the cone in pressure; the

Durchbiegung in der Mitte der Diagonalen des Quadratmusters wurde gemessen. Diese Werte sind in Fig. 1 als Kurven für Kegelwinkel von 30° und 45° aufgetragen.Deflection in the center of the diagonal of the square pattern was measured. These values are in Fig. 1 plotted as curves for cone angles of 30 ° and 45 °.

Durchbiegungen des Materials, die zu einer Verformung der Wand führen, sind unerwünscht und sollten möglichst gering gehalten werden, auch wenn solche Durchbiegungen noch mit Sicherheit unterhalb des Ausbeulpunktes des Materials liegen. Außerdem wird das Material beim Durchbiegen üblicherweise auf Biegung und Scherung beansprucht; wenn die Durchbiegungen sehr hoch sind, kann das Material Spannungen erfahren, die in begrenzten Bereichen bis an die Streckgrenze gehen. Wenn diese Durchbiegungen im Betrieb wiederholt auftreten, kann das Material ermüden und nach verhältnismäßig kurzer Betriebsdauer brechen. Außerdem vermindern die Durchbiegungen den verfügbaren Zwischenraum zwischen den Wärmetauscherwänden in den Durchtrittskanälen mit niedrigerem Druck, was entweder zu höherem Druckabfall oder zu verringerter Durchströmmenge führt. Aus Fig. 1 sieht man, daß die im Versuch verwendete Fläche mit 30"-Kegeln eine verhältnismäßig geringe Durchbiegung in der Mitte der Diagonalen des Quadratmusters der kegelstumpfförmigen Vorsprünge bei Differenzdrücken von 2,5 bar zeigt. Im Gegensatz dazu war die Durchbiegung der Fläche mit den 45 "-Kegeln ungefähr doppelt so groß wie die Durchbiegung der Fläche mit den 30°- Kegeln für Differenzdrücke bis zu dieser Grenze von 2,5 bar.Deflections of the material, which lead to a deformation of the wall, are undesirable and should be kept as low as possible, even if such deflections are still undoubtedly below of the bulging point of the material. In addition, the material will usually flex when it deflects subjected to bending and shearing; if the deflections are very high, the material can Experience tensions that go to the yield point in limited areas. When this deflection occur repeatedly during operation, the material can become fatigued and after a relatively short period of operation break. In addition, the deflections reduce the available space between the heat exchanger walls in the passage channels with lower pressure, resulting in either a higher pressure drop or a reduced flow rate leads. From Fig. 1 it can be seen that the area used in the experiment with 30 "cones is a relatively small deflection in the middle of the diagonal of the square pattern of the frustoconical Shows protrusions at differential pressures of 2.5 bar. In contrast, the deflection was the The area with the 45 "cones is about twice as large as the curvature of the area with the 30 ° - Cones for differential pressures up to this limit of 2.5 bar.

In den beschriebenen Versuchen mit Flächen mit 30° und 45° Kegelwinkel wurde auch die Materialspannung unmittelbar durch Dehnungsmeßstreifen bei 2,1 bar Differenzdruck gemessen. Die Spannung wurde auf der Diagonale an dem Punkt gemessen, wo die geneigte Fläche der konischen Vorsprünge mit dem ebenen unverformten Flächenabschnitt des Materials zusammentrifft, d. h. im Bogen mit dem Radius R. Folgende Werte wurden erhalten:In the tests described with surfaces with a 30 ° and 45 ° cone angle, the material tension was also measured directly by means of strain gauges at 2.1 bar differential pressure. The stress was measured on the diagonal at the point where the inclined surface of the conical protrusions meets the flat undeformed surface section of the material, ie in the arc with the radius R. The following values were obtained:

Flächearea

Spannungtension

30"-Kegel 127 kPa30 "cone 127 kPa

45"-Kegel 289 kPa45 "cone 289 kPa

Die Werte zeigen die höhere Spannung bei der Verwendung der Fläche mit 45"-Kegeln statt 30°- Kegeln; man erkennt die hohe Spannung in dem Bogen mit dem Radius R bei der Fläche mit den 45 "-Kegeln. The values show the higher tension when using the surface with 45 "cones instead of 30 ° cones; one recognizes the high tension in the arc with the radius R in the surface with the 45" cones.

Wesentlich ist, daß der gesamte Flächenbereich außer dem die Wand stützenden Bereich unbehindert ist, so daß er sich frei durchbiegen kann und daher von örtlicher mechanischer Beanspruchung freibleibt. Wie man am besten aus den Fig. 2 und 3 erkennt, verschwinden bei einem Zusammenkleben der unverformten Bereiche die Durchtrittskanäle zwischen die-It is essential that the entire surface area, except for the area supporting the wall, is unhindered so that it can bend freely and therefore remains free from local mechanical stress. As can best be seen from FIGS. 2 and 3, the undeformed ones disappear when they are glued together Areas the passage channels between the

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sen miteinander verklebten Flächen; wenn Stege oder Stützen verwendet werden, um einen geeigneten Abstand dazwischen zu schaffen, geht ein wesentlicher Vorteil dieser Bauart verloren.sen surfaces glued together; if bars or supports are used, a suitable distance apart to create in between, a major advantage of this design is lost.

Wenn die Abmessungen der gewünschten, die Wand stützenden kegelstumpfförmigen Vorsprünge eines Wärmetauscherelementes und die Abmessungsverhältnisse zwischen ihnen festgelegt sind, kann ein Gesenk od. dgl. in üblicher Weise vorbereitet werden. Das Gesenk kann in herkömmlichen Vorrichtungen verwendet werden, um durch Pressen, Stanzen oder Walzen die gewünschten kegelstumpfförmigen Vorsprünge in ein dünnwandiges, wärmeleitfähiges Blatt oder Blech, beispielsweise aus Aluminium, zu bringen. Für die Verwendung als Kühler oder Radiator kann ein rechteckiges Aluminiumblech mit den kegelstumpfförmigen Vorsprüngen durch Stanzen od. dgl. versehen werden. Wenn das Blech gefaltet werden soll, dann bleibt der mittlere Faltbereich frei von Vor-Sprüngen. Das Blech kann jede gewünschte Dicke haben, wobei eine Dicke von ungefähr 0,2 mm bevorzugt wird.When the dimensions of the desired frustoconical projections supporting the wall of a heat exchanger element and the dimensional relationships between them are determined, a Die od. The like. Be prepared in the usual way. The die can be made in conventional devices used to form the desired frustoconical projections by pressing, stamping or rolling in a thin-walled, thermally conductive sheet or sheet, for example made of aluminum. For use as a cooler or radiator, a rectangular aluminum sheet with the frustoconical Projections by punching or the like. Are provided. When the sheet metal will be folded should, then the middle fold area remains free of jumps. The sheet metal can be of any desired thickness, with a thickness of about 0.2 mm being preferred will.

Die Fig. 2 und 3 zeigen als Beispiel einige kanalartige Wärmetauscherelemente 21, die aus plattenförmigen Wärmetauscherwänden bestehen bzw. hergestellt sind und nach außen weisende Stützvorsprünge 22 aufweisen. Die Durchtrittskanäle 23 in den Elementen 21 bilden eine Gruppe von abgeschlossenen Durchtrittskanälen unabhängig und gesondert von einer zweiten Gruppe von Durchtrittskanälen 24, die zwischen benachbarten Elementen 21 gebildet sind. Ein strömungsfähiges Medium, dargestellt mit ausgezogenen Pfeilen, kann durch die Durchtrittskanäle 23 in den Elementen 21 geleitet werden, während gleichzeitig ein zweites kühleres Medium, dargestellt mit unterbrochenen Pfeilen, durch die Durchtrittskanäle 24 geleitet werden kann, um eine wirksame Wärmeübertragung von dem heißeren Medium auf das kühlere Medium zu erreichen, ohne daß diese gemischt werden. Die Fig. 4 zeigt einen ähnlichen Stapel von Elementen 30, wobei jedoch die die Wand stützenden Vorsprünge 31 nach innen gerichtet sind. Durchtrittskanäle 32 innerhalb der Elemente 31 sind unabhängig und gesondert von Durchtrittskanälen 33, die zwisehen benachbarten Elementen 30 gebildet sind. Ein strömungsfähiges Medium, dargestellt durch ausgezogene Pfeile, kann durch die Durchtrittskanäle 32 geleitet werden, während gleichzeitig ein zweites kühleres strömungsfähiges Medium durch die Durchtrittskanäle 33 geleitet werden kann, um eine wirksame Wärmeübertragung von dem heißeren Medium auf das kühlere Medium zu erreichen, ohne daß diese gemischt werden. Für diese Art der Elementenanordnung sind Abstandsstücke 34 erforderlich, um die Elemente 30 in ausreichendem Abstand zu halten, um die Durchtrittskanäle 33 zu bilden.2 and 3 show as an example some channel-like heat exchanger elements 21, which are made of plate-shaped Heat exchanger walls exist or are made and outwardly pointing support projections 22 have. The passage channels 23 in the elements 21 form a group of closed Passage channels independently and separately from a second group of passage channels 24, the are formed between adjacent elements 21. A fluid that can flow, shown with the lines drawn out Arrows, can be passed through the passage channels 23 in the elements 21 while at the same time a second cooler medium, shown with broken arrows, through the passage channels 24 can be conducted to ensure effective heat transfer from the hotter medium to the cooler Medium without these being mixed. Fig. 4 shows a similar stack of Elements 30, but with the projections 31 supporting the wall facing inward. Passage channels 32 within the elements 31 are independent and separate from the passage channels 33 between them adjacent elements 30 are formed. A fluid medium, represented by solid lines Arrows, can be passed through the passage channels 32, while at the same time a second cooler Flowable medium can be passed through the passage channels 33 to an effective To achieve heat transfer from the hotter medium to the cooler medium without these being mixed will. For this type of element arrangement, spacers 34 are required to the To keep elements 30 at a sufficient distance to form the passage channels 33.

Hierzu 3-Blatt ZeichnungenIn addition 3-sheet drawings

Claims (1)

Patentanspruch:Claim: Plattenförmige Wärmetauscherwand, die zumindest in bestimmten Flächenbereichen mit im wesentlichen gleichmäßig verteilten, in gleiche Richtung weisenden, kegelstumpfförmigen Stützvorsprüngen in Form von Wandausbuchtungen versehen ist, welche an ihren Enden eine lastaufnehmende Stützfläche aufweisen, die so gestaltet ist, daß sie sich gegen eine entsprechende Stützfläche einer weiteren Wärmetauscherwand abstützen kann, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis R/D größer als ungefähr 0,075 und der Kegelwinkel θ kleiner als 35° ist, wobei R der Krümmungsradius der Flächenstücke auf beiden Seiten der begrenzenden Schnittlinie, die durch den Stützvorsprung und die unverformte Fläche der Wand nahe dem Vorsprung gebildet wird, D der Abstand zwischen den Mittelpunkten der am engsten benachbarten Stützvorsprünge der Wand, und Θ der spitze Winkel zwischen der horizontalen, unverformten Fläche der Wand nahe dem Stützvorsprung und der im wesentlichen geraden Linie längs der abfallenden Mantelfläche des Stützvorsprunges ist.Plate-shaped heat exchanger wall, which is provided at least in certain surface areas with essentially evenly distributed, pointing in the same direction, frustoconical support projections in the form of wall bulges, which have a load-bearing support surface at their ends, which is designed so that they are against a corresponding support surface of a can support further heat exchanger wall, characterized in that the ratio R / D is greater than approximately 0.075 and the cone angle θ less than 35 °, where R is the radius of curvature of the surface pieces on both sides of the delimiting line of intersection through the support projection and the undeformed surface of the Wall is formed near the projection, D is the distance between the centers of the closest adjacent support projections of the wall, and Θ the acute angle between the horizontal, undeformed surface of the wall near the support projection and the substantially straight line along the sloping jacket surface surface of the support projection is.
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