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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Wärmetauscher zur Senkung der
Temperatur der in einem Wärmetauscherkreis
zirkulierenden Kühlflüssigkeit.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Röhrchen zur
Leitung von Kühlmittel
durch einen solchen Wärmetauscher,
z. B. in Fahrzeugkühlern,
oder durch einen beliebigen Röhrchen-/Kühlrippen-Wärmetauscher, wie z. B. durch
einen Heizungskern.
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Die
US-Patentschrift
4 470 452 offenbart ein Kühlerröhrchen,
welches so konstruiert ist, daß Turbulenzen
im Kühlmittelstrom
erzeugt werden, um so die Wärmetauschcharakteristik
zwischen dem Kühlmittel
und der Luft zu verbessern, die im Gebrauch durch den Kühler und
an den Röhrchen
vorbei streicht. In dieser Offenbarungsschrift haben die offenbarten
Kühlerröhrchen Stromablenkelemente,
die über
die Länge
jeder Hauptwärmeübertragungsfläche verteilt
angebracht sind, wobei die Hauptwärmeübertragungsflächen nach
außen
gewölbt
sind. Die Stromablenkelemente (die effektiv die Form von in die
Röhrchenwände eingeprägten Einbuchtungen oder
Noppen haben) sind dazu vorhanden, Turbulenzen in dem Kühlmittel
zu erzeugen, wenn es durch das Röhrchen
strömt.
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Die
US-Patentschrift
2 017 201 beschreibt ein Kondensatorröhrchen mit
zwei parallelen Wänden
und nach innen reichenden Quereinbuchtungen, die querliegende Drosselstellen
in dem Durchgang durch das Röhrchen
bilden, die in Bezug auf die Mittelebene des Röhrchens versetzt sind. Die
Gegenwart dieser Einbuchtungen oder Rippen erzeugt Turbulenzen in
der durch die Röhrchen
zirkulierenden Flüssigkeit.
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Es
ist nun überraschenderweise
festgestellt worden, daß ein
besserer Wärmeaustausch
zwischen dem Kühlmittel
und der Luft dadurch erzielt werden kann, daß die Bildung von Turbulenzen
in dem Kühlmittel
im wesentlichen reduziert oder sogar verhindert wird, während gleichzeitig
die erforderliche Durchmischung des Kühlmittels unter laminaren Strömungsbedingungen
bewirkt wird. Durchmischen bedeutet, daß Kühlmittel, das zu einem gegebenen Zeitpunkt
in Berührung
mit den Röhrchenwänden ist, von
dieser Position aus zum Mittelpunkt des Röhrchens abgeleitet wird und
umgekehrt, wobei dieser Prozeß kontinuierlich
stattfindet, um so eine einheitliche Temperaturverteilung im ganzen
Kühlmittel
zu fördern.
Im bisherigen Stand der Technik wurde es für nötig angesehen, Turbulenzbildung
zu fördern,
um diese wünschenswerte
gleichmäßige Temperaturverteilung
zu erzielen.
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Zusätzlich dazu,
daß sie
eine gute Durchmischung des warmen Kühlmittels im Röhrchen bewirkt,
kann durch die Abwesenheit von Turbulenzen bei der vorliegenden
Erfindung auch der Rückstaudruck
reduziert werden, der sich sonst auftaut, wenn das Kühlmittel
durch die Röhrchen
fließt.
Dadurch ergibt sich eine bessere Wärmeübertragung.
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Der
vorliegenden Erfindung zufolge wird ein Röhrchen zur Leitung von Kühlmittel
durch einen Wärmetauscher
gestellt, welches Röhrchen
einen abgeflachten Querschnitt mit zwei gegenüberliegenden Hauptwänden und
nach innen vorstehenden Vorsprüngen
an den gegenüberliegenden
Hauptwänden
aufweist, wobei sich die Vorsprünge
soweit in die innere Querschnittsfläche des Röhrchens hinein erstrecken,
daß sie
in den Kühlmittelfluß entlang
dem Röhrchen
eingreifen, wobei jeder Vorsprung um weniger als 30% der lichten
Weite des Röhrchens
vorsteht, und worin die Fläche
der mit Vorsprüngen
versehenen Wände
weniger als 7,5% der Gesamtfläche der
Röhrchenwände ausmacht.
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Durch
die Reduzierung der Anzahl von Vorsprüngen auf diesen Wert ist es
möglich,
(dem bisherigen Stand der Technik gegenüber) den Strömungswiderstand
des durch das Röhrchen
fließenden
Kühlmittels
zu senken, und so den von dem Kühlmittel
erfahrenen Rückstaudruck
zu reduzieren, während dennoch
die erforderliche Vermischung des Kühlmittels erzielt wird.
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Die
Vorsprünge
sind vorzugsweise Noppen, die in die Röhrchenwände eingeformt sind, wobei
die Noppen im wesentlichen gleiche Abmessungen in Strömungsrichtung
und quer zur Strömungsrichtung aufweisen.
Dies gewährleistet,
daß der
Kühlmittelstrom
in zwei Ebenen abgelenkt wird, nämlich über die
Vorsprünge
und um die Vorsprünge
herum, wodurch eine besonders wirksame Vermischung unter laminaren
Strömungsbedingungen
erzielt wird.
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Die
Fläche
der von Vorsprüngen
besetzten Röhrchenwände beträgt vorzugsweise
weniger als 7,5%, jedoch mehr als 1% der Gesamtfläche der Röhrchenwände. Bessere
Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn die von Vorsprüngen belegte
Fläche
der Röhrchenwände weniger
als 5% beträgt,
und die besten vom Erfinder zum Zeitpunkt der Anfertigung der vorliegenden
Anmeldung erzielten Ergebnisse erhält man, wenn die Fläche der
von Vorsprüngen belegten
Röhrchenwände etwa
2,5% der Gesamtfläche
der Röhrchenwände beträgt.
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Aus
praktischen herstellungstechnischen Gründen werden die Vorsprünge normalerweise
in einem regelmäßigen und
sich wiederholenden Muster geformt. Die Vorsprünge können in Gruppen angeordnet
werden, und innerhalb jeder Gruppe können die Vorsprünge in einer
Linie angeordnet werden, die sich über das Röhrchen erstreckt. Die Vorsprünge an einer
Wand können
der Linie der Vorsprünge
auf der anderen (gegenüberliegenden) Wand
gegenüber
diagonal entgegengesetzten Richtung verlaufen.
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Entlang
einer gedachten Linie betrachtet, die parallel zur Längsrichtung
des Röhrchens
verläuft, können die
Vorsprünge
an der einen Wand abwechselnd mit den Vorsprüngen an der anderen Wand auftreten.
Diese sich abwechselnden Vorsprünge
können
in einer Linie liegen oder in Bezug auf eine zur Röhrchenachse
parallele gedachte Linie versetzt angeordnet sein.
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Die
Vorsprünge
an einer Wand können
in ihrer Anzahl größer als
die Vorsprünge
an der anderen (gegenüberliegenden)
Wand sein.
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Das
Röhrchen
kann aus einem beliebigen geeigneten Material geformt sein, z. B.
aus Metall oder aus Kunststoff. Ein bevorzugtes Material ist Aluminium
oder eine Aluminiumlegierung, und das Röhrchen ist vorzugsweise aus
Blech hergestellt und durch eine längs verlaufende Schweißung zu
einem Röhrchen
geformt, wobei die Schweißnaht
entlang einer Kante des Röhrchens
verläuft,
die die beiden Hauptwände
verbindet, nachdem das Röhrchen flachgedrückt worden
ist. Das Röhrchen
kann allerdings auch auf andere Weise hergestellt sein, z. B. durch
Strangpressen oder Druckguß,
und die Schweißnaht
am Röhrchen
(sofern es geschweißt ist),
kann auch in anderen Richtungen verlaufen.
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Die
Vorsprünge
haben vorzugsweise die Form von Noppen oder Einbuchtungen, die in
die Außenfläche der
Röhrchenwände eingeformt
sind, so daß sie
als Vorsprünge
im inneren Querschnittsraum des Röhrchens erscheinen. Die Vorsprünge können in
Draufsicht allgemein quadratisch sein, es ist jedoch auch eine große Zahl
nicht quadratischer Formen möglich.
So können
die Vorsprünge
z. B. eine größere Länge als
Breite haben, und in diesem Falle kann die Längsausdehnung der Vorsprünge in einem Winkel
in bezug auf die Längsausdehnung
des Röhrchens
eingestellt werden. Zwar wird vorgezogen, daß die Vorsprünge in Draufsicht
allgemein quadratisch oder rechteckig sind, es kann aber auch vorteilhaft
sein, wenn die Vorsprünge
in Draufsicht oval oder kreisrund sind; runde Einbuchtungen z. B.
können
dazu beitragen, eine laminare Strömung zu fördern, während sie gleichzeitig eine
Durchmischung ermöglichen.
Ovale Einbuchtungen können
dazu beitragen, eine richtungsorientierte Strömung zu fördern, die von der Ausrichtung
der Achsen abhängt.
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Die
Enden jedes Röhrchens
können
frei von jeder in die äußere Röhrchenwand
eingeformten Einbuchtung sein, so daß die Röhrchenenden zuverlässig dichtend
in die Wärmetauscherkopfgefäße eingebaut
werden können,
ohne daß sich
irgendeine potentielle Leckagenstelle bildet, die durch in dem Verbindungsbereich
von Röhrchen
und Kopfgefäß liegende
Einbuchtungen entstehen könnte.
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Die
Erfindung bietet auch einen Wärmetauscher
mit einem Wärmetauscherkern
mit mehreren parallel verlaufenden Kühlmittelröhrchen, die durch Wärmetauscherrippen
von einander beabstandet sind, worin jedes Röhrchen einen abgeflachten Querschnitt
mit zwei sich gegenüberliegenden
Hauptwänden
und nach innen vorstehenden Vorsprüngen aufweist, wobei die Vorsprünge in die
innere Querschnittsfläche
des Röhrchens
vorstehen, so daß sie in
den Kühlmittelfluß entlang
dem Röhrchen
eingreifen, wobei jeder Vorsprung über weniger als 30% der lichten
Weite des Röhrchens
reicht, und wobei der Bereich der Röhrchenwände mit derartigen Vorsprüngen weniger
als 7,5% der Gesamtfläche
der Röhrchenwände beträgt.
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Gemäß einem
anderen Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben
eines Wärmetauschers,
in dem Kühlmittel
durch Röhrchen
geleitet wird, wobei jedes Röhrchen
einen abgeflachten Querschnitt mit zwei einander gegenüberliegenden Hauptwänden und
inneren Vorsprüngen
an den einander gegenüberliegenden
Hauptwänden
hat, wobei die Vorsprünge
so weit in den inneren Querschnittsbereich der Röhrchen reichen, daß im normalen
Betriebsbereich des Wärmetauschers
eine laminare Kühlmittelströmung in
dem Röhrchen
erhalten bleibt.
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Die
laminare Strömung
folgt vorzugsweise einem Pfad, der von Wand zu Wand und von einer Seite
auf die andere zwischen den Röhrchenwänden abgelenkt
wird. Dies gewährleistet
eine ausgezeichnete Vermischung des Kühlmittels ohne Störung der laminaren
Form der Strömung.
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Die
Erfindung soll nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beispielartig
näher erläutert werden.
Dabei zeigt:
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1 eine skizzenartige Darstellung,
die einen Teil einer herkömmlichen
Wärmetauscherkonstruktion
zeigt;
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2 einen Querschnitt durch
ein Wärmetauscherröhrchen nach
dem bisherigen Stand der Technik;
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3 eine perspektivische Darstellung
eines Röhrchens
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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4 und 5 jeweils alternative Querschnitte entlang
den Linien IV,V–IV,V; 6 eine Draufsicht auf das
Röhrchen
nach 3;
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7 eine Draufsicht auf einen
Teil einer alternativen Ausführungsform
gemäß der vorliegenden Erfindung;
und
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8 einen Querschnitt entlang
den Linien VIII-VIII und IX-IX in 3,
zur Veranschaulichung der Strömungsmuster
in dem erfindungsgemäßen Röhrchen.
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In 1 ist ein typischer Kraftfahrzeugkühler dargestellt.
Der Kühler
hat einen Wärmetauscherkern
bzw. Gitter 10, der/das mit einem Kopfgefäß 12 verbunden
ist. Der Kern 10 besteht aus einer Anzahl von parallelen
Kühlerröhrchen 14 mit
akkordeonförmigen
Wärmetauscherrippen 16,
die zwischen den Röhrchen 14 und
in Wärmeaustauschkontakt
mit diesen angebracht sind. Im Betrieb fließt Kühlmittel in das Kopfgefäß 12 und
vom Kopfgefäß durch
die Röhrchen 14 in
ein ähnliches
Kopfgefäß am gegenüberliegenden
Ende des Kühlers.
Durch die Kühlrippen 16 streicht
Luft, und die Wärme
des Kühlmittels in
den Röhrchen 14 wird
an die durch die Kühlrippen streichende
Luft abgegeben.
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2 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht durch
ein Röhrchen
14.
Das Röhrchen
ist aus dünnem
Blech mit abgeflachtem Querschnitt geformt, jedoch mit leicht gewölbten Hauptflächen
18 und
20. Die
Röhrchen
sind aus ursprünglich
flachem Material hergestellt, das entlang einer bei
22 angedeuteten Längsschweißung geschweißt ist.
Es sei hier Bezug genommen auf die US-Patentschrift
4 470
452 in Verbindung mit der leichten Wölbung der Hauptflächen
18 und
20,
die in
2 etwas übertrieben
dargestellt ist.
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Das
in 2 gezeigte Röhrchen 14 hat
eine glatte innere Bohrung 24. Wenn Kühlmittel entlang einem Röhrchen 14 mit
einer glatten inneren Bohrung fließt, dann ist der Kühlmittelfluß längs dem
Röhrchen
in der Regel laminar bzw. stromlinienartig. In diesem Falle liegt
in der Mitte der Strömung
(angedeutet durch eine gestrichelte Linie 26 in 2) ein Bereich, wo das Kühlmittel
zu keinem Kontakt mit den Wänden
des Röhrchens
gebracht wird, und dieser Kühlmittelbereich
ist daher durch die Kühlmittelmasse
zwischen diesem Bereich und den Röhrenwänden von dem an den Wänden des
Röhrchens stattfindenden
Wärmetausch
ausgeschlossen. Es ist daher ganz eindeutig wünschenswert, in die Kühlmittelströmung durch
das Röhrchen
einzugreifen, um eine Vermischung des Kühlmittels zu bewirken, während es
durch die Röhrchen
fließt,
so daß ein
Wärmetausch
mit der Gesamtheit des Kühlmittels
stattfindet und eine gleichmäßige Temperaturverteilung
in der ganzen Flüssigkeit
gefördert
wird.
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Das
herkömmliche
Vorgehen zur Sicherung einer solchen Vermischung besteht darin,
sogenannte Turbulenzkühlerröhrchen zu
verwenden, von denen ein Beispiel in der US-Patentschrift
4 470 452 dargestellt
ist. Die Turbulenzkühlerröhrchen erzeugen,
wie ihr Name schon sagt, Turbulenzen in der Strömung, die eine Vermischung
verstärken.
Die Erzeugung von Turbulenzen bringt jedoch auch einen höheren Strömungswiderstand
mit sich, der der Leistung abträglich
ist.
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3 ist eine perspektivische
Darstellung eines Röhrchens
gemäß der vorliegenden
Erfindung. Beabsichtigt wird hier, daß Kühlmittel durch das Röhrchen fließt, wie
es durch den Pfeil 28 angedeutet wird, und beim Durchfließen des
Röhrchens
auf Vorsprünge 30a, 30b (4 und 5) trifft, die durch von der Außenwand
des Röhrchens
her eingepreßte
Einbuchtungen an der Innenwand des Röhrchens angeformt sind. Diese
Einbuchtungen sind mit der Bezugszahl 32 in 3 bezeichnet, und die entsprechenden
Vorsprünge
durch die Zahlen 30a und 30b in den 4 und 5.
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4 und 5 veranschaulichen alternative Ausführungsformen
der Einbuchtungen. In 4 sind
die Einbuchtungen mit einem runden Boden geformt, und in 5 haben die Einbuchtungen
einen trapezförmigen
Querschnitt. Die Schnitte sind entlang den Linien IV,V–IV,V in 3 geführt. Die bevorzugte Tiefe d
für die
Einbuchtungen 30a, 30b beträgt zwischen 35 und 50% der
lichten Weite der Röhrchen.
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Aus 3 ist zu erkennen, daß der größere Teil
der Fläche
des Röhrchens 14 gerade
ist und keine Einbuchtungen aufweist.
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Zwar
zeigt 3 nur eine Seite
des Röhrchens,
aber auch die andere Seite des Röhrchens
ist mit entsprechenden Einbuchtungen 32 versehen. 6 veranschaulicht dies mit
Einbuchtungen an der (in der Figur) oberen Fläche des Röhrchens, die in ausgezogenen
Linien dargestellt sind, während
die Einbuchtungen an der unteren Seite bzw. Unterseite des Röhrchens
in ihren Konturen gestrichelt dargestellt sind. Die Einbuchtungen
an der Oberseite erstrecken sich entlang einer Linie, die mit der
Längsausdehnung
des Röhrchens
einen Winkel von ungefähr
45° bildet,
und die Einbuchtungen an der unteren Seite sind in entsprechender
Weise angeordnet, jedoch entlang einer Linie, die einen entgegengesetzten
Winkel von 45° zu
derjenigen der Einbuchtungen an der Oberseite bildet. Der bevorzugte
Winkelbereich für
diese Winkel liegt zwischen 30 und 60°.
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Es
sei hier angemerkt, daß der
Kühlmittelstrom
beim Durchgang durch die Bohrung des Röhrchens zuerst auf einen Vorsprung
an der unteren Seite des Röhrchens
trifft, und dann auf einen Vorsprung an der oberen Seite, dann einen
Vorsprung an der unteren Seite und so weiter. Dadurch wird sichergestellt,
daß der
Strom sowohl in einer Richtung im rechten Winkel zur Hauptebene
des Röhrchens
als auch in einer Richtung quer zur Hauptebene des Röhrchens
durchmischt wird. Dies ist in den 8 und 5 dargestellt, wo die Pfeile
eine laminare Strömung
um und über
die Vorsprünge
darstellen.
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7 zeigt einen kleineren
Ausschnitt aus einer alternativen Form eines Röhrchens mit Einbuchtungen 132,
die in ihrer Form länglich
gestaltet sind und mit ihrer Längsachse
in einem Winkel zur Kühlmittelströmungsrichtung 28 liegen.
Wie in 6 haben die entsprechenden
Einbuchtungen an der unteren Seite die gleiche Form, folgen jedoch
einer Linie, die die Linie der Einbuchtungen an der oberen Seite
kreuzt.
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Die
Erfindung ist nicht auf irgendeine besondere Form oder Anordnung
der Einbuchtungen beschränkt,
es ist jedoch vorzuziehen, daß die
Einbuchtungen in einem regelmäßigen Muster
angeordnet werden, statt unregelmäßig. Absicht der Erfindung
ist jedoch, daß die
Gegenwart der Einbuchtungen/Vorsprünge in dem Röhrchen den
Kühlmittelstrom
ausreichend bricht, um eine Vermischung des Kühlmittels in jedem Röhrchen zu
gewährleisten,
ohne jedoch so drastisch in den Strom einzugreifen, daß eine allgemein
laminare oder stromlinienartige Form der Strömung verhindert wird.
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8 veranschaulicht die Art
dieser Strömung
in einem Röhrchen 14 an
Vorsprüngen 30 vorbei.
Wenn die eintretende laminare Kühlmittelströmung durch
einen Vorsprung 30 unterbrochen wird, wird der Strom abgelenkt
und fließt
um den Vorsprung herum. Da aber der Abstand zwischen den Vorsprüngen (in
Längsrichtung
gesehen) vergleichsweise groß ist,
bleibt genügend
Zeit für
die Strömung, ihre
laminare Form wieder anzunehmen, bevor sie auf den nächsten Vorsprung
trifft, wo eine erneute Ablenkung und damit Vermischung des Kühlmittelstromes
stattfindet.
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8 zeigt das Strömungsmuster
in einer Ebene. Es sollte aber vermerkt werden, daß die Strömung auch
durch die Gegenwart von Vorsprüngen sowohl über als
auch unter der in 8 dargestellten Ebene
eingegrenzt ist, und daß daher
die Ablenkung der Strömung
beim Auftreffen auf einen Vorsprung sowohl seitlich (wie in 8 dargestellt) als auch senkrecht
zur Hauptebene des Röhrchens
stattfindet.
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Die
Enden jedes Röhrchens
sind vorzugsweise ohne Einbuchtungen ausgebildet, so daß diese
Enden zuverlässig
gegen die Kopfgefäßplatte 34 (1) abgedichtet werden können, wo
die Röhrchen 14 mit
dem Kopfgefäß 12 kommunizieren.
Je weniger Einbuchtungen vorhanden sind, desto geringer ist die
Gefahr von Undichtigkeiten, die entstehen, wenn Einbuchtungen mit
den Kopfgefäßdichtungen zusammentreffen.
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Im
Vergleich zu Turbulenzröhrchen,
wie sie die US-Patentschrift
4 470 452 beschreibt,
ist die Anzahl und die Fläche
der Vorsprünge,
die in den Kühlmittelstrom
in den Röhrchen
eingreifen, wesentlich reduziert. Dadurch entstehen Vorteile:
- – durch
einen erhöhten
Wärmeübergang
zwischen dem Kühlmittel
und den Kühlrippen 16,
- – durch
einen reduzierten Rückstaudruck
und damit leichteren Durchgang des Kühlmittelstromes durch die Röhrchen,
- – durch
die Vereinfachung der Herstellung und Senkung der Herstellungskosten,
und
- – durch
die Minderung potentieller Leckagegefahr zwischen den Einbuchtungen
in den Röhrchen und
den Kopfgefäßen.
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Typische
Abmessungen für
einen Kühler
in einem Personenkraftwagen mit einem Verbrennungsmotor haben ein
Hauptachsenmaß von
etwa 26 mm und ein Nebenachsenmaß von etwa 2 mm. Jede Einbuchtung 32 kann
ein Maß von
etwa 1–2 mm2 haben, und die von den Einbuchtungen abgedeckte
Fläche
des Röhrchens
kann etwa 2,5 % der Gesamtoberfläche
des Röhrchens
betragen.
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Die
optimale Ausbildung und Gestalt der Einbuchtungen kann durch Versuche
bestimmt werden, und zwar entweder durch reelle Versuche mit verschiedenen
Probeanordnungen oder durch Computermodelle.