DE2602933A1

DE2602933A1 - Vorrichtung zur fluidfoerderung mit waermeaustauschereigenschaft

Info

Publication number: DE2602933A1
Application number: DE19762602933
Authority: DE
Inventors: Kazuo Hayashi
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1975-01-28
Filing date: 1976-01-27
Publication date: 1976-07-29
Also published as: DE2602933B2; JPS5186857A; DE2602933C3; GB1527922A

Description

PAT !Ξ N TA M WALT El A. GRÜNECKL·R

DlPL-INS

H. KINKELDEY

W. STOCKMAIR

DR-INa-AeElCALTCCH]

K. SCHUMANN

DR. BER NAT.- D(PL-PHyS.

P. H. JAKOB

G. BEZOLD

DR HER W.T · DPL-CHEM.

MÜNCHEN

E. K. WEIL

DRREROEClNa

MÜNCHEN 22

MAXIMILIANSTRASSE 43

27. Jan. 1976 P 10052-

Nissan Motor Company, Limited

No. 2, Takara-machi, Kanagavia-ku, Yokohama City, Japan

LINDAU

Vorrichtung zur Fluidförderung mit Wärmeaustauschereigenschaft

Die Erfindung betrifft Wärmeaustauscher und insbesondere eine Vorrichtung zur Förderung eines Fluids und zum gleichzeitigen Wärmeaustausch zwischen diesem Fluid und einem weiteren Fluid.

Erhebliche Vorteile hat eine Fluidfördervorrichtung, beispielsweise eine Pumpe oder ein Ventilator, die gleichzeitig als Wärmeaustauscher arbeiten kann, oder ein Wärmeaustauscher, der

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gleichzeitig das Fluid fördern kann, das dem Wärmeaustauschunterliegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, mittels der ein Fluid gefördert werden und gleichzeitig ein Wärmeaustausch zwischen diesem Fluid und einem weiteren Fluid bewirkt werden kann.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung zur Förderung eines Fluids mit einem Flügelrad, dessen Flügel bzw. Schaufeln von sogenannten "Heat-pipes" gebildet werden, die im Querschnitt ein tragflächenartiges Profil haben.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur Förderung eines Fluids und zum gleichzeitigen Wärmeaustausch zwischen diesem Fluid und einem weiteren Fluid, die sich auszeichnet durch ein um eine Achse drehbares Flügelrad, das zumindest ein Stützelement und eine Baugruppe aus zahlreichen geschlossenen und evakuierten Rohren aus wärmeleitendem Material umfaßt, die von dem zumindest einen Stützelement mit Abstand voneinander auf einem Kreis so getragen werden, daß sie im wesentlichen parallel zur Achse verlaufen und Flügel bzw. Schaufeln des Flügelrades bilden, wobei die Rohre im Querschnitt ein tragflächenartiges Profil haben und wobei sich in jedem der Rohre eine die Innenfläche der Seitenwand des Rohres bedeckende Schicht aus porösem Material befindet, die mit einer Flüssigkeit getränkt ist, die bei einer Temperatur unterhalb der Temperatur eines Fluids, dem ein Abschnitt eines jeden . . Rohres ausgesetzt werden soll, im Rohr verdampfen kann.

Bei einer solchen Vorrichtung wird dann, wenn ein Abschnitt eines jeden Flügels bzw. Rohres des Flügelrades einem ersten

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Fluid ausgesetzt ist und ein anderer Abschnitt einem kälteren zweiten Fluid ausgesetzt ist, durch Verdampfung der Flüssigkeit im ersten Abschnitt und Kondensation des Dampfes im zweiten Abschnitt Wärme vom ersten Fluid zum zweiten Fluid übertragen.

Weitere Merkmale und. Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausfühmngsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Flügelradgebläses, das gleichzeitig als Wärmeaustauscher arbeitet;

Fig. 2 einen Querschnitt gemäß 2-2 in Fig. 1;

Fig. 3 eine vergrößerte Schnittansicht eines Flügels des Flügelradgebläses gemäß Fig. 1;

Fig. 4 einen Längsschnitt gemäß 4-4 in Fig. 3;

Fig. 5 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Rotationspumpe, die gleichzeitig als Wärmeaustauscher arbeitet; und

Fig. 6 einen Querschnitt gemäß 6-6 in Fig. 5.

Im folgenden wird zunächst auf'die Fig. 1 und 2 eingegangen. Darin ist ein Flügelradgebläse 10 dargestellt, zu dem ein Flügelrad 12 in einem Gehäuse 14 gehört, das strichpunktiert angedeutet ist. Im Gehäuse 14 sind zwei getrennte Fluidkanäle 16 und 18 ausgebildet, die im wesentlichen parallel ,zueinander und quer zur Drehachse 20 des Flügelrades 12 verlaufen. Die Flügel bzw. Schaufeln 22 des Flügelrades 12

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werden von zahlreichen geschlossenen Rohren gebildet, die in gewissem Abstand voneinander parallel zur Drehachse verlaufen. Die Rohre 22 sind um die Drehachse 20 herum angeordnet und werden jeweils an ihren beiden Enden von zwei Stützplatten 24 und 26 abgestützt, die drehbar in Seitenwänden 14a und 14b des Gehäuses gelagert sind.

Im Querschnitt haben die Rohre 22 ein Tragflächenprofil, wie Fig.-2 zeigt. Bei dieser Ausführungsform sind die Rohre wie ein gewölbtes Tragflächenprofil geformt. Sie haben ihre größte Dicke nahe der Wurzel eines jeden Flügels 22. Es versteht sich jedoch, daß die Rohre 22 ein beliebiges anderes Querschnittsprofil haben können, sofern dieses Profil für Flügel eines Flügelrades geeignet ist.

In einem mittleren Bereich verlaufen die Rohre 22 luftdicht abgeschlossen durch ein zylindrisches Element 28 aus wärmeisolierendem Material, das sich zusammen mit den Rohren um die Drehachse 20 dreht und Bestandteil einer Wand 30 ist, die die zwei Fluidkanäle 16 und 18 voneinander trennt. Ein Motor 32 dient dazu, das Flügelrad 12 um die Drehachse zu drehen.

Wenn sich in den zwei Fluidkanälen 16 und 18 ein erstes Fluid bzw. ein zweites Fluid befindet und das Flügelrad um seine Drehachse 20 gedreht wird, werden das erste Fluid und das zweite Fluid im wesentlichen quer zur Drehachse gefördert, wie dies durch Pfeile F₁ und F₂ angedeutet ist. Wenn eine Temperaturdifferenz zwischen den beiden Fluiden besteht, bewirkt das Flügelradgebläse 10 gleichzeitig mit dem Massentransport einen Wärmeübergang von einem der Fluide F₁ und F₂ zum anderen. Diese Wärmeaustauschfähigkeit des Flügelradgebläses 10 beruht auf der speziellen Konstruktion ■ der Rohre 22, die im folgenden beschrieben wird.

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Im folgenden wird auf die Fig. 3 und 4 eingegangen. Jedes Rohr 22 ist aus einem wärmeleitfähigen Material, in der Regel einem Metall, hergestellt. Das Innere jedes Rohres 22 ist ausreichend evakuiert. Die Innenfläche der Seitenwand jedes Rohres 22 ist praktisch über ihre gesamte Länge mit einer Schicht 34 aus porösem Material bedeckt, die mit einer Flüssigkeit vollgesaugt ist. Beispiele für dieses poröse Material sind feinmaschige Drahtgitter, Glasfasern und gewebte oder nichtgewebte Stoffe aus natürlichen oder synthetischen Fasern. Die Schicht 34 wird im folgenden als Docht bezeichnet. Bei der Flüssigkeit, mit der der Docht 34 getränktist, kann es sich beispielsweise um Wasser, einen Alkohol, einen Fluorkohlenwasserstoff oder eine wässrige Aitmondaklösung handeln.

Ein solches Rohr 22 hat eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit und wird in der Regel als Heat-pipe bezeichnet. Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht'darin, ein Flügelrad zum Massentränsport eines Fluids so auszubilden, daß als einzelne Flügel des Flügelrades Heat-pipes dienen, die im Querschnitt ein Profil wie eine Tragfläche haben.

Wenn sich die Temperatur des ersten Fluids F₁ von der Temperatur des zweiten Fluids F₂ unterscheidet, beispielsweise höher als diese ist, bewirkt das Flügelradgebläse 10 bei sich drehendem Flügelrad eine Wärmeübertragung vom ersten Fluid F^ zum zweiten Fluid F„ auf folgende Weise. Da sich der linke Abschnitt 22a eines jeden Rohres 22 im ersten Fluid F- befindet, nimmt die im Docht 34 in diesem Abschnitt 22a des Rohres 22 eingeschlossene Flüssigkeit durch Wärmeleitung durch die Wand des Rohres 22 vom ersten Fluid F₁ Wärme auf, wobei sie allmählich verdampft. Demzufolge^!wird der Druck in diesem Abschnitt 22a des Rohres 22 höher als der Druck im rechten Abschnitt 22b, wo sich das Rohr 22 im zweiten

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Fluid F befindet, so daß der Dampf der Flüssigkeit in den rechten Abschnitt 22b strömt. Wenn dann der Dampf in Kontakt mit dem Docht 34 im rechten Abschnitt 22b kommt, wird er kondensiert, so daß wieder ein übergang zur flüssigen Phase erfolgt. Aufgrund von Wärmeleitung durch die Wand des Rohres wird die Kondensationswärme zürn zweiten Fluid F₂ übertragen. Während der Strömung vom linken Abschnitt 22a zum rechten Abschnitt 22b nimmt die Temperatur des Dampfes nur wenig ab, da das Innere.des Rohres 22 zuvor evakuiert wurde. Die Dampfströmung trifft ferner auf geringen Widerstand, da die Kondensation des Dampfes dafür sorgt, daß der Druck im rechten Abschnitt 22b unter dem Druck im linken Abschnitt 22a bleibt. Solange im linken Abschnitt 22a die Verdampfung der Flüssigkeit anhält, wird die kondensierte Flüssigkeit aufgrund der Kapillarwirkung des Dochtes 34 zum linken Abschnitt 22a zurückgebracht. Wie bekannt ist, hat eine Heat-pipe eine im Vergleich zu einer Masse aus hochwärmelextfähigem Metall, beispielsweise Kupfer, erstaunlich hohe Wärmeleitfähigkeit. Beispielsweise kann eine Heat-pipe mit einer Länge von 30cm und einem Durchmesser von 1,5cm Wärme mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 40 000cal/sec transportieren.

In den Fig. 5 und 6 ist als weitere Ausführungsform der Erfindung eine Rotationspumpe 40 dargestellt. Diese Pumpe 40 besteht aus einem Pumpenabschnitt 40a und einem Gebläseabschnitt 40b. Zum Pumpenabschnitt 40a gehört ein flügelradartiger Rotor 42, der sich in einem Gehäuse 44 befindet, das in der Mitte zahlreicher Flügel bzw. Schaufeln 46 einen Saugraum 48 und einen um die Flügel 48 herum angeordneten Ausströmraum 50 begrenzt. Zum Rotor 42 gehört eine Welle 52, die durch ein Lager 54 und eine umlaufende Dichtung 56 aus dem Saugraum 46 herausragt und mit einer Antriebsscheibe 58 verbunden ist. Zum Gehäuse 44 gehören ferner

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ein zum Saugraum 46 führender Einlaß 60 und ein Auslaß 62 am Ausströmraum 50.

Jede Schaufel 48 des Rotors 42 ist als geschlossener Endabschnitt eines Rohres 64 ausgebildet, das ein Querschnittsprofil wie eine Tragfläche hat und im wesentlichen parallel zur Welle 52 auf der zur Antriebsscheibe 58 entgegengesetzten Seite verläuft. Am geschlossenen Endabschnitt ist das Innere jedes Rohres 64 mit einem Docht 66 gefüllt, der die Innenseite der Endwand des Rohres 64 bedeckt. Der größte Teil des übrigen Abschnitts 64a des Rohres.64 dient als Flügel bzw. Schaufel des Gebläses 40b.

Die vorstehenden Abschnitte der Rohres 64 sind in ein Gebläsegehäuse 68 eingeschlossen. Eine Verschlußplatte 65 bedeckt und schließt die Enden dieser Abschnitte. Von der Verschlußplatte 65 geht eine Welle 70 aus, die koaxial, jedoch in entgegengesetzter Richtung zur Welle 52 des Rotors 42 verläuft, über ein selbstausrichtendes Lager 72 ist die Welle 70 in einer Lagerschale 74 gelagert, die am Gebläsegehäuse 68 befestigt ist. Die vordere Endwand 68a des Gebläsegehäuses 68 hat einen gewissen Abstand von der mit einem Flansch versehenen hinteren Endwand 44a des Rotorgehäuses Im Bereich zwischen den Wänden 44a und 68a wird das Bündel der Rohre 64 als Ganzes von einem ringförmigen Stützteil bzw. einem Reifen 67 zusammengehalten. An der Wand 44a ist eine mit einem Flansch versehene, rohrförmige Führung 78 befestigt, die parallel zum Reifen 76 verläuft. Zwischen der Wand 44a und dem Flansch der Führung 78 befindet sich eine Packung 80. In den Raum zwischen der Führung 78 und dem Reifen 76 ist ein Ringlager 82 eingesetzt, das zur besseren Abstützung der Gebläseflügel, d.h. der Rohre 64, bei deren Drehung dient. Der Raum zwischen der Führung 78 und dem Reifen 76 kann in Verbindung mit dem Ausströmraum 50 stehen;

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gegenüber der Atmosphäre ist er durch ein ringförmiges Dichtungselement 84 abgedichtet.

Die geschlossenen Rohre 64 haben über ihre gesamte Länge im Querschnitt die Form eines gekrümmten Tragflügels und sind so angeordnet, daß sie ähnlich wie die Rohre 22 des Gebläses gemäß den Fig. 1 und 2 Flügel bzw. Schaufeln eines Flügelrades bilden, wie aus Fig. 6 erkennbar ist. Die Innenfläche der Seitenwand eines jeden Rohres 64 ist mit einer als Docht 34 bezeichneten Schicht bedeckt. Das Innere'jedes Rohres 64 ist bis zu gewissem Ausmaß evakuiert, und die Dochte 34 und 66 sind mit einer Flüssigkeit vollgesaugt, wie dies bereits für die Rohre 22 gemäß den Fig. 1 bis 4 erläutert wurde. In dem vom Gebläsegehäuse 68 umschlossenen Bereich sind auf den Außenflächen der Rohre 64 Rippen 86 befestigt.

Im Betrieb ist der Einlaß 60 an eine nicht dargestellte Fluidleitung angeschlossen. Durch den Einlaß wird ein erstes Fluid F₁ mit einer verhältnismäßig hohen Temperatur, beispielweise warme Luft oder warmes Wasser, eingeleitet, und der Rotor wird von einer äußeren Antriebskraft, die auf die Antriebsscheibe 58 wirkt, in Drehung versetzt. Das erste Fluid wird dadurch vom Einlaß 60 durch den Ausströmraum 50 zum Auslaß 62 gefördert, während der in den Flügeln 48, d.h. dem vorderen Endabschnitt jedes Rohres 64, angeordnete Docht Wärme vom ersten Fluid F. aufnimmt und dadurch erwärmt wird. Die im Docht 66 eingeschlossene Flüssigkeit wird verdampft, und der Dampf strömt in den Abschnitt 64a des entsprechenden Flügels. Wenn der Gebläseabschnitt 40b einem zweiten Fluid F2 ausgesetzt ist, bei dem es sich beispielsweise um atmosphärische Luft mit Raumtemperatur handeln kann, wird der Dampf in Kontakt mit dem Docht 34 abgekühlt und kon-r densiert. Die Kondensationswärme wird durch die Seitenwand

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des Rohres 64 zum zweiten Fluid F_ übertragen, wobei diese Wärmeübertragung von den Rippen 86 unterstützt wird. Der Wärmeübergang von den Rohren 64 zum zweiten Fluid F₂ ist sehr hoch, da die Drehung der gesamten Baugruppe aus den Rohren 64 dazu führt, daß das zweite Fluid F„ weitgehend quer zu den Rohren 64 strömt und daß sich nur eine recht dünne Grenzschicht auf der Außenseite der Seitenwand eines jeden Rohres 64 bildet. Die kondensierte Flüssigkeit wird durch Kapillarwirkung des Dochtes 34 zum Docht 66 zurückgefördert. Die Rotationpumpe 40 bewirkt somit gleichzeitig mit der Massenförderung des ersten Fluids F₁ einen wirksamen Wärmeaustausch zwischen dem ersten Fluid F₁ und dem zweiten Fluid F₂.

Wie die vorstehende Beschreibung zeigt, kann eine einzige erfindungsgemäße Vorrichtung gleichzeitig Massentransport und Wärmeaustausch bewirken, obwohl die Vorrichtung einfach, kompakt und leicht konstruiert ist. Ein Beispiel aus dem weiten Anwendungsbereich der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Kühlsystem eines wassergekühlten Motors, das selbst bei geringen Fahrgeschwindigkeiten eine hervorragende Kühlwirkung erzielt und sich außerdem durch sehr einfach Konstruktion auszeichnet.

Patentansprüche:

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Claims

Patentansprüche

Vorrichtung zur Förderung eines Fluids und zum gleichzeitigen Wärmeaustausch zwischen diesem Fluid und einem weiteren Fluid, gekenn.zeichnet durch ein um eine Achse drehbares Flügelrad (12, 42), das zumindest ein Stützelement (24, 26, 28, 65) und eine Baugruppe aus zahlreichen geschlossenen und evakuierten Rohren (22, 64) aus wärmeleitendem Material umfaßt, die von dem zumindest einen Stützelement mit Abstand voneinander auf einem Kreis so getragen werden, daß sie im wesentlichen parallel zur Achse verlaufen und Flügel bzw. Schaufeln (48) des Flügelrades bilden, wobei die Rohre im Querschnitt ein tragflächenartiges Profil haben und wobei sich in jedem der Rohre eine die Innenfläche der Seitenwand des Rohres bedeckende Schicht (34) aus porösem Material befindet, das mit einer Flüssigkeit getränkt ist, die bei einer Temperatur unterhalb der Temperatur eines Fluids, dem ein Abschnitt (22a) eines jeden Rohres ausgesetzt werden soll, im Rohr verdampfen kann.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (14), das die Baugruppe umgibt, sowie eine im Gehäuse angeordnete Trennwand (30), die zwei getrennte Fluidkanäle (16, 18) bildet, die im wesentlichen quer zum Flügelrad (12) im Gehäuse verlaufen, wobei ein zu einem Ende eines jeden Rohres (22) gehörender Abschnitt (22a) im einen der Fluidkanäle liegt und der zum anderen Ende eines jeden Rohres gehörende Abschnitt (22b) im anderen Fluidkanal liegt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zumindest eine Stützelement eine kreisförmige Platte (28) umfaßt, die im Gehäuse (14) koaxial zu Achse an-

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geordnet ist, daß sich in der Trennwand (30) eine öffnung befindet, die die Platte so aufnehmen kann, daß sie sich darin drehen kann und daß jeder der zwei Fluidkanäle (16, 18) teilweise von einer Seitenfläche der Platte begrenzt wird, und daß ein mittlerer Bereich eines jeden Rohres (22) zwischen dem einen Abschnitt (22a) und dem anderen Abschnitt (22b) durch die Platte verläuft.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (28) aus wärmeisolierendem Material besteht.
5. Vorrichtung, nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (44, 68), das einen Abschnitt der Bau-· gruppe umgibt, zu dem eine Endfläche eines jeden der Rohre (64) gehört, und ein koaxial zur Achse angeordnetes, drehbares Element (42), das den von den Rohren umgebenen Raum im genannten Abschnitt der Baugruppe ausfüllt, wobei das Gehäuse und das drehbare Element eine Kammer (46) begrenzen, die als mittlerer Abschnitt eines Fluidkanals dient, und wobei sich in jedem Rohr eine weitere Schicht (66) aus mit der Flüssigkeit getränktem, porösem Material befindet, die die Innenseite der Endfläche bedeckt und in Kontakt mit der Sch'icht (34) steht, die die Innenfläche der Seitenwand bedeckt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (44) und das drehbare Element (42) so angeordnet sind, daß das Gehäuse, das drehbare Element und der genannte Abschnitt der Baugruppe einen Ausströmraum (50) .im Gehäuse bilden.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch zahlreiche Rippen (86), die in einem Abschnitt des Gehäuses (44, 68) von der Außenfläche der Seitenwand eines

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jeden Rohres (64) ausgehen.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Material ein feinmaschiges Drahtgitter ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Material faseriges Material ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit Wasser ist,
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit ein Kühlmittel ist und entweder aus wässriger Ammoniaklösung oder einem Alkohol Dder einem Fluorkohlenwasserstoff besteht.

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