-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen
Wärmetauscherkern mit den Merkmalen, die in dem einleitenden
Teil des Anspruchs 1 angegeben sind. Ein solcher
Wärmetauscherkern ist bspw. in der FR-A-1 300 121 beschrieben.
Bei diesen Wärmetauscherkernen wird der Wärmeaustausch
zwischen einem durch ein Rohr strörnenden Fluid und einem
außerhalb des Rohrs befindlichen Heizmedium ausgeführt. Der
Wärmetauscherkern ist zur Verwendung in den Verdampfern der
Klimatisierungsgeräte und der Geräte der Kältetechnik, der
chemischen Gerätschaften, der elektronischen Apparaturen
u.dgl. angepaßt.
-
Der Wärmetauscherkern des vorstehend beschriebenen Typs
wird mit einem Verteilerkopf zusammengebaut, um ein Fluid
durch den Kern zum Strömen zu bringen und damit einen
Wärmeaustauscher auszubilden, wobei dieser Kern als ein
sog. Wärmeübertragungsrohr bekannt ist, bei welchem der
Wärmeaustausch zwischen einem durch ein Rohr strömenden
Fluid und einem anderen Fluid bewirkt wird, welches an der
Außenseite des Rohrs strömt.
-
Die Fig. 1 und 2 zeigen herkömmliche Wärmetauscherkerne,
bei welchen eine Vielzahl von Rippen 4A und 4B mit der
oberen Wand 2 und der unteren Wand 3, die eine zueinander
gegenüberliegende Anordnung haben, eines Rohrkörpers 1 mit
einer flachen rechteckigen Querschnittsausbildung verbunden
und wechselseitig mit einem geeigneten gleichen Abstand
voneinander beabstandet sind. In dem Fall des in Fig. 1
gezeigten Wärmetauscherkerns sind die Rippen 4A und 4B in
der Richtung senkrecht zu der Richtung ausgerichtet, in
welchem ein Fluid durch den Rohrkörper 1 strömt, während
bei dem in der Fig. 2 gezeigten Wärmeaustauscher die Rippen
4A und 4B in der Richtung ausgerichtet sind, in welcher ein
Fluid durch den Rohrkörper 1 strömt. Die sich von der
oberen Wand 2 erstreckende Rippe 4A und die sich von der
unteren Wand 3 erstreckende gegenüberliegende Rippe 4B
befinden sich in vertikaler Richtung in einer zueinander
coplanaren Beziehung, und es ist in der vertikalen Richtung
ein vorbestimmter Zwischenraum 5 zwischen jedem Rippenpaar
4A und 4B definiert, welches sich von den oberen und unteren
Wänden 2 und 3 erstreckt.
-
Bei den herkömmlichen Wärmetauscherkernen der in den Fig. 1
und 2 gezeigten Typen wird der Wärmeübertragungsbereich der
Innenflächen des Rohrkörpers 1 vergrößert, sodaß damit auch
die Wärmeübertragungsmenge vergrößert wird, jedoch wird bei
dem Wärmetauscherkern des in der Fig. 1 gezeigten Typs ein
durch den Rohrkörper 1 strömendes Fluid zum Aufprallen an
den Rippen 4A und 4B gebracht, was zu Wirbelströmen führt,
sodaß sich daraus das Problem ergibt, daß im Vergleich zu
der Erhöhung des Wärmeübertragungskoeffizienten der
Druckverlust etwas vergrößert wird. In dem Fall des
Wärmeaustauscherkerns des in der Fig. 2 gezeigten Typs strömen eine
Vielzahl von Fluidströmungen nur geradlinig entlang der
Rippen 4A und 4B innerhalb des Rohrkörpers 1, sodaß sich
daraus das Problem ergibt, daß sich hier die
Wärmeübertragung nicht sehr vergrößert, obwohl die
Wärmeübertragungsflächen vergrößert sind, weil der
Wärmeübertragungskoeffizient erniedrigt ist.
-
Die Japanische Offenlegungsschrift No. 113998/1981 oder No.
117097/1981 beschreibt einen anderen Typ eines
Wärmetauscherkerns, bei welchem eine Vielzahl von spiralförmigen Nuten
parallel zueinander an der Innenfläche eines zylindrischen
Rohrkörpers angeordnet ist.
-
In dem Fall des Wärmetauscherkerns des vorstehend
beschriebenen Typs ergeben sich jedoch als Folge einer Vielzahl von
parallelen spiralförmigen Nuten innerhalb des Rohrkörpers
viele Wirbelströme in einer Ausbildung innerhalb des
Rohrkörpers, sodaß sich daraus das Problem ergibt, daß der
Druckverlust größer wird und daß der
Wärmeübertragungskoeffizient gesteigert wird.
-
Ein bei den vorerwähnten elektronischen Geräten verwendeter
Wärmetauscherkern ist außerdem allgemein bekannt als eine
sog. Wärmesenke, welche die Wärme von den wärmeerzeugenden
Komponententeilen zerstreut, wie bspw. Transistoren, Dioden,
Thyristoren u.dgl., die in einem elektronischen Gerät
montiert sind.
-
Die Fig. 3 zeigt einen herkömmlichen Wärmetauscherkern des
unmittelbar vorstehend beschriebenen Typs. Elektronische
Komponententeile 7, welche Wärme erzeugen, wie bspw.
Transistoren, Dioden, Thyristoren u.dgl., sind mittels Schrauben 8
an der Oberseite einer Metallbasis 6 eines Kerns verschraubt,
wodurch ein Wärmeaustauscher ausgebildet ist. Eine Vielzahl
paralleler länglicher Nuten 9 ist an der Unterseite der
Basisplatte 6 ausgebildet und über einen geeigneten Abstand
voneinander entfernt, sodaß die oberen Seitenkanten von
rechteckigen Rippen 10 in die länglichen Nuten 9 fest
eingepaßt sind.
-
In dem Fall des Wärmeaustauschers des in Fig. 3 gezeigten
Typs strömen eine Vielzahl von Luftströmungen durch die
Zwischenräume, welche durch benachbarte Rippen 10 definiert
sind, sodaß die Wärme, die durch die Wärme erzeugenden
Komponententeile 7 erzeugt und durch Leitung von der
Basisplatte 6 an die Rippen 10 übertragen wird, in die umgebende
Luft zerstreut wird.
-
In diesem Fall ergibt jedoch die Luft, welche zwischen
benachbarten Rippen 10 strömt, keine Wirbelströmung, sondern
vielmehr eine laminare Strömung, woraus sich das Problem
ergibt, daß der Wärmeübertragungskoeffizient niedrig ist
und daher die Wärmeübertragungsmenge durch Konvention nicht
vergrößert wird, obwohl die Wärmeübertragungsflächen
vergrößert sind.
-
Die FR-A-1 300 121 beschreibt eine Anzahl von
Wärmeaustauschanordnungen, bei welchen ein oder mehrere Kanäle mit
Rippen oder Schaufeln versehen sind, um eine Fluidströmung
unter einem Winkel zu der Kanalachse zu leiten und eine
zirkulierende Strömung zu fördern.
-
Die DE-A-1 160 975 zeigt einen Wärmeaustauscher, bei welchem
Fluidströmungskanäle mit diskontinuierlichen Rippen versehen
sind, wobei jede Rippe über die gesamte Breite des Kanals
verläuft. Es sind Anordnungen beschrieben, bei welchen
diese Rippen abgewinkelt sind, um ein Mischen zu fördern.
-
Mit Rücksicht auf die vorstehenden Angaben besteht eine
primäre Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der
Bereitstellung eines Wärmetauscherkerns, welcher die vorstehenden
und weitere Probleme im wesentlichen lösen kann, welche bei
den herkömmlichen Wärmetauscherkernen auftreten, wobei der
Wärmetauscherkern ein hochgradiges Leistungsvermögen haben
kann und in der Größe kompakt und leicht an Gewicht
ausgeführt werden kann sowie im Betrieb hoch zuverlässig und
betriebssicher ist.
-
Die vorliegende Erfindung stellt somit einen
Wärmeaustauscherkern des Typs zur Verfügung, bei welchem ein Fluid
zum Strömen durch einen Rohrkörper gebracht wird, sodaß der
Wärmeaustausch zwischen dem Fluid und einem Heizmedium
stattfindet, welches mit dem Rohrkörper in Kontakt ist,
wobei der Rohrkörper einen rechteckigen Querschnitt hat und
eine Vielzahl von parallelen Nuten an der Innenfläche von
zwei gegenüberliegenden Innenwänden des Rohrkörpers
ausgebildet ist, wobei die Nuten unter einem spitzen Winkel zu
der Richtung der Fluidströmung im wesentlichen gleich
geneigt und in derselben Richtung an den gegenüberliegenden
Innenwänden angeordnet sind; dadurch gekennzeichnet, daß
jede Nut an einer der gegenüberliegenden Innenwände zu
einer betreffenden Nut an der anderen der gegenüberliegenden
Wände gegenüberliegend und parallel angeordnet ist, und daß
jede dieser Nuten quer über die gesamte betreffende Wand
verläuft, wobei die Längsenden der Nut die
gegenüberliegenden Seitenwände des Rohrkörpers berühren; und daß der
Winkel in dem Bereich von 20º bis 60º liegt.
-
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen vollständiger beschrieben, bei welchen
-
Fig. 1, 2 und 3 Perspektivansichten der drei bekannten
Wärmetauscherkerne sind;
-
Fig. 4 eine teilweise gebrochene Perspektivansicht
einer bevorzugten Ausführungsform eines
Wärmetauscherkerns gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
-
Fig. 5 eine Endansicht der Fig. 4 ist;
-
Fig. 6 eine Ansicht ist, die zur Erläuterung der
Betriebsweise der in den Fig. 4 und 5
gezeigten bevorzugten Ausführungsform
verwendet wird; und
-
Fig. 7 eine teilweise ausgeschnittene
Perspektivansicht einer Modifizierung der in Fig. 6
gezeigten bevorzugten Ausführungsform ist.
-
Unter Bezugnahme zunächst auf die Fig. 4 bis 6 wird nunmehr
eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
beschrieben, die zur Verwendung bei einem Wärmeaustauscher
einer großen Größe angepaßt ist. Die Ausführungsform hat
ein blockförmiges Gehäuse 20 mit einem rechteckigen
Querschnitt, welches aus Metall oder einer Legierung mit einer
hochgradigen thermischen Leitfähigkeit besteht, wie einer
Aluminiumlegierung, Kupfer, Messing od.dgl. Innerhalb des
Gehäuses 20 sind eine Vielzahl von Strömungskanälen 23A mit
einer oberen Fläche 21 verbunden, und eine Vielzahl von
Strömungskanälen 23B ist mit einer unteren Fläche 22
verbunden mit einer abwechselnden Anordnung und parallel
zueinander.
-
Die beiden Enden der Strömungskanäle 23A und 23B sind
geöffnet, sodaß ein Fluid in der horizontalen Richtung
strömen kann. Das obere geöffnete Ende jedes
Strömungskanals 23A ist durch einen Deckel 24A geschlossen, der
seinerseits fest an der oberen Fläche 21 befestigt ist,
während das untere offene Ende jedes Strömungskanals 23B
durch einen Deckel 24B geschlossen ist, der seinerseits
fest an der unteren Fläche 22 befestigt ist.
-
Die gegenüberliegenden Flächen 25A und 25B der benachbarten
Strömungskanäle 23A und 23B sind mit einer Vielzahl von
langlichen Nuten 26A und 26B ausgebildet, die eine
gekrümmte Querschnittsausbildung haben und parallel zueinander
sind. Jede der länglichen Nuten 26A, die an einer
Innenfläche 25A ausgebildet sind und jede der länglichen Nuten
26B, die an der anderen Innenfläche 25B ausgebildet sind,
ist unter demselben vorbestimmten Winkel in Bezug auf die
horizontale Richtung geneigt, in welcher das Fluid strömt,
sodaß der untere Teil jeder Nut 26A, 26B in Bezug auf die
Richtung, in welcher der Fluid strömt, abwärts ausgerichtet
ist, wobei aber eine Reihenanordnung in der parallelen
Richtung an den Innenflächen 25A und 25B besteht. Der
untere Teil jeder Nut 26A, 26B kann darüberhinaus nach oben
ausgerichtet sein. Außerdem ist der Abstand des
Zwischenraums, der zwischen den benachbarten länglichen Nuten 26A
an der Innenfläche 25A definiert ist, gleich demjenigen des
Spaltes zwischen den benachbarten länglichen Nuten 26B, und
die länglichen Nuten 26A und die länglichen Nuten 26B sind
in der horizontalen Richtung zueinander gegenüberliegend
angeordnet. Der Neigungswinkel der länglichen Nuten 26A und
26B liegt in dem Bereich von 20º bis 60º in Bezug auf die
Richtung, in welcher das Fluid strömt.
-
Um das Gehäuse 20 zu konstruieren, können
Metallbelchzuschnitte mit den länglichen Nuten 26A und 26B durch eine
Presse oder durch ein Prägegerät ausgebildet und dann
gebogen werden. Alternativ kann eine Vielzahl von
Metallblech-Zuschnitten durch ein Gießen oder durch eine
Extrudiermaschine mit den länglichen Nuten 26A und 26B ausgebildet
werden, und die so hergestellten Bleche können mit einem
geeigneten Abstand zueinander durch ein Klebemittel oder
ein Löten miteinander verbunden werden.
-
Bei dem Wärmetauscherkern gemäß der bevorzugten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Fluid, welches dem
Wärmeaustauschprozeß unterworfen wird, zum Strömen durch
die länglichen Kanäle 23A oder 23B gebracht, während ein
Fluid, welches Wärme von dem durch die Kanäle 23A strömenden
Fluid aufnimmt, durch die Kanäle 23B oder 24B zum Strömen
gebracht wird, wodurch der Wärmeaustausch zwischen den
beiden Fluids durchgeführt wird. Wenn das Fluid zum Strömen
in der mit dem gestrichelten Pfeil angedeuteten Richtung
gebracht wird, dann strömt ein Teil des Flul.ds durch die
länglichen Nuten 26A und 26B, wie es durch die Pfeile mit
ausgezogener Linie angedeutet ist, sodaß die
Wärmeübertragungsfläche einen vergrößerten Bereich erhält. Die Fluids
werden außerdem zum Strömen in der Richtung gebracht, die
unter einem vorbestimmten Winkel in Bezug auf die Richtung
der länglichen Nuten 26A und 26B geneigt ist, durch welche
das Fluid strömt. Danach prallen die Fluids innerhalb der
Strömungskanäle 23A und 23B auf das Gehäuse oder den Deckel
24B auf und werden in der Richtung der Mittellinien zwischen
der Breite der Strömungskanäle 23A und 23B umgelenkt. Als
ein Ergebnis wird das Fluid in der Richtung umgelenkt, die
liniensymmetrisch in Bezug auf die Richtung ist, in welcher
die länglichen Nuten 26A und 26B verlaufen, mit der Richtung,
welche durch den gestrichelten Pfeil angedeutet und welches
die Symmetrieachse ist, sodaß das Fluid zum Strömen in der
Richtung gebracht wird, die unter einem vorbestimmten
Winkel in Bezug auf die Strömungskanäle 23A oder 23B geneigt
ist. Als nächstes prallt das Fluid auf das Gehäuse oder den
anderen Deckel 24A auf und wird in die rechten und linken
Ströme geteilt. Danach wird das Fluid in die länglichen
Nuten 26A oder 26B umgelenkt, um in der geneigten Richtung
zu stromen.
-
Die Fluidströme werden vermischt und mit allen Wandflächen
der Strömungskanäle 23A und 23B in der vorbeschriebenen Art
und Weise in Kontakt gebracht.
-
Bei der wie vorbeschrieben bevorzugten Ausführungsform
werden die Fluids zum Strömen in der geneigten Richtung in
einer liniensymmetrischen Beziehung innerhalb der
Strömungskanäle 23A und 23B gebracht, ausgenommen die länglichen
Nuten 26A und 26B, und durch die länglichen Nuten 26A und
26B in den Strömungskanälen 23A und 23B. Als ein Ergebnis
wird die relative Geschwindigkeit des Fluids schneller, und
der Wärmeübertragungskoeffizient wird beträchtlich
vergrößert im Vergleich zu der Vergrößerung des Druckverlustes.
Die Fluids werden in den Strömungskanälen 23A und 23B
gemischt, sodaß die Fluidtemperaturen gleichmäßig
beibehalten werden können, sodaß der Wirkungsgrad der
Wärmeübertragung beträchtlich verbessert werden kann.
-
Die Fig. 7 zeigt eine Modifizierung der bevorzugten
Ausführungsform. Gemäß dieser Modifizierung ist eine Vielzahl
der vorstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 4 bis 6
beschriebenen Wärmetauscherkerne in einer solchen Art und
Weise laminiert, daß die Strömungskanäle 23A und 23B in den
benachbarten Kernen senkrecht zueinander sind. Ein Wärme
abstrahlendes Fluid oder ein Wärme aufnehmendes Fluid wird
zum Strömen durch die Strömungskanäle 23A und 23B gebracht,
die in einer Richtung verlaufen, während ein Wärme
aufnehmendes Fluid oder ein Wärme abstrahlendes Fluid zum
Strömen durch die Kanäle 23A und 23B gebracht wird, die in
der anderen Richtung verlaufen. Die obere Fläche des
obersten Gehäuses 20 ist mit einer Deckelplatte 24A bedeckt,
während die untere Fläche des untersten Gehäuses 20 mit
einer Deckelplatte 24B bedeckt ist und eine Deckelplatte 24C
zwischen den benachbarten Gehäusen 20 zwischen den obersten
und untersten Gehäusen 20 angeordnet ist.
-
Bei der Modifizierung mit der vorbeschriebenen Ausbildung
kann eine Wärmeübertragung mit einem hohen Wirkungsgrad
durchgeführt werden.
-
Bei dieser Modifizierung sind zusätzlich zu den länglichen
Nuten 26A und 26B in jedem der Strömungskanäle 23A und 23B
Vorsprünge zwischen den benachbarten länglichen Nuten 26A
und 26B angeordnet, sodaß jeder Strömungskanal eine
wellenförmige Querschnittsausbildung haben kann. Unter dem
Standpunkt der Herstellung ist ein Strömungskanal mit einer
wellenförmigen Querschnittsausbildung einem Strömungskanal
überlegen, der mit einer Vielzahl von Nuten und einer
Vielzahl von Vorsprüngen ausgebildet ist, wobei ein
Verfahren angewendet werden kann, bei welchem ein Metallblech-
Zuschnitt zu einer Platte mit einer wellenförmigen
Querschnittsausbildung mittels einer Presse ausgebildet werden
kann und die so erhaltene Platte dann gefaltet wird.