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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kraftfahrzeug-Klimaanlagensystem
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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US-5 311 935 offenbart einen
solchen Wärmetauscher,
in welchem Heißwasser
aus der Einlassleitung durch Rohre nach unten strömt, und
dann durch andere Rohre nach oben durchtritt, nachdem dieses U-förmig an
dem untersten Teil der Rohre gewendet wurde. Anschließend wird
das Heißwasser durch
eine Auslassleitung abgegeben.
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Die
vorliegende Erfindung wird vorzugsweise auf eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage
angewandt, in welcher eine Heißwasserströmungsmenge
weit variiert.
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In
einem Fahrzeug ist, wie in 1 dargestellt
ist, ein konventioneller Wärmetauscher 2 zum Heizen
in einem Kühlwasser
(Heißwasser)-Kreislauf eines
Motors 1 zum Antrieb des Fahrzeugs installiert. Heißwasser
wird in den Wärmetauscher 2 durch
eine Wasserpumpe 3, die durch den Motor 1 angetrieben wird,
zirkuliert und die Strömungsmenge
des Heißwassers,
das aus einem Strömungsmengensteuerventil 4 in
den Wärmetauscher 2 strömt, wird
gesteuert, um die Temperatur des Luftstroms des Wärmetauschers 2 einzustellen.
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Motorkühlwasser
wird in einen Radiator 6 durch eine Wasserpumpe 3 durch
ein Thermostat 5 zirkuliert, um das Motorkühlwasser
innerhalb des Radiators 6 zu kühlen. Das Thermostat ist eine
wohlbekannte Einrichtung, in welcher ein Ventil sich öffnet, wenn
die Kühlwassertemperatur
auf eine vorbestimmte Temperatur ansteigt oder diese übersteigt, wodurch
das Kühlwasser
in den Radiator 6 strömt.
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Die
Bezugsziffer 7 bezeichnet einen Bypass-Kreis für das Motorkühlwasser, 8 bezeichnet
einen radiatorseitigen Kreis und 9 bezeichnet einen heizerseitigen
Kreis. Die Wasserpumpe 3 zirkuliert das Kühlwasser
durch alle diese Kreise 7, 8 und 9.
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Jedoch
variiert, da die Wasserpumpe 3 durch den Motor 1 angetrieben
ist, eine Drehzahl der Wasserpumpe 3 erheblich entsprechend
der Drehzahl des Motors 1, d. h. der Fahrzeuggeschwindigkeit,
und dadurch variiert die Strömungsmenge
des Heißwassers
in dem Wärmetauscher 2 erheblich.
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Als
ein Ergebnis einer solchen erheblichen Variation in der Strömungsmenge
des Heißwassers in
dem Tauscher 2, entsteht, wenn das Fahrzeug bei niedriger
Geschwindigkeit fährt
(wenn die Heißwasserströmungsmenge
klein ist), wie in 2 dargestellt ist, ein Problem
darin, dass die Wärmeabstrahlungsleistung
des Wärmetauschers 2 extrem
verschlechtert wird.
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In 2 repräsentiert
die Ordinate die Wärmeabstrahlungsleistung
Q des Wärmetauschers 2, und
die Abszisse repräsentiert
die Strömungsmenge Vw
des Heißwassers
in dem Wärmetauscher 2.
Wie aus 2 gesehen werden kann, ist die
Heißwasserströmungsmenge
16 lit/min, wenn das Fahrzeug bei 60 km/h fährt, und die Heißwasserströmungsmenge ist
4 lit/min, wenn das Fahrzeug im Leerlauf läuft. Da die Heißwasserströmungsmenge
sich verringert, fällt die
Wärmeabstrahlungsleistung,
wenn das Fahrzeug im Leerlauf läuft,
um 22% im Vergleich dazu, wenn das Fahrzeug bei 60 km/h fährt. Als
ein Ergebnis wird das Heizgefühl
verschlechtert.
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Insbesondere
wenn das Fahrzeug auf städtischen
Straßen
fährt,
da das Fahrzeug häufigen Starts
und Stopps infolge von Verkehrszeichen unterzogen wird. Deshalb
ergibt sich ein Problem darin, dass wann immer das Fahrzeug in den
Leerlauf kommt, der Passagier unzureichende Heizleistung empfindet,
und das Heizgefühl übermäßig verschlechtert
ist.
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Die
Erfinder der vorliegenden Erfindung haben den Grund solcher Verschlechterung
der Heizabstrahlungsleistung von zahlreichen Gesichtspunkten aus
studiert und fanden die folgenden Gründe.
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Wie
in 3 dargestellt ist, enthält der Wärmetauscher 2 eine
Mehrzahl von flachen Rohren 2a, die parallel zu der Luftströmungsrichtung
angeordnet sind. Diese flachen Rohre 2a sind individuell
in einer einzelnen Reihe angeordnet. Wellrippen 2b sind
zwischen jedem Paar von flachen Rohren 2a angeordnet, wodurch
ein Wellrippenwärmetauscher
gebildet wird. Die Bezugsziffer 2c bezeichnet einen Kernabschnitt,
der aus den flachen Rohren 2a und den Wellrippen 2b zusammengesetzt
ist.
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In 4 repräsentiert
die Ordinate eine wasserseitige Wärmeübertragungsrate αw des flachen Rohres 2a,
und die Abszisse repräsentiert
die ReynoId's-Zahl
Re und eine Heißwasserströmungsmenge Vw
der Heißwasserdurchgänge, die
mit den flachen Rohren 2a ausgebildet sind.
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Wie
aus 4 verstanden werden kann, ist die Reynold's-Zahl innerhalb
eines Bereichs von 500–2200,
wenn das Heißwasser,
welches in den Wärmetauscher 2 strömt, innerhalb
eines vorbestimmten Bereichs (16 lit/min, wenn das Fahrzeug bei
60 km/h fährt
und 4 lit/min, wenn das Fahrzeug im Leerlauf läuft), und wird der Wärmetauscher 2 zu dem
Ausmaß von
dem laminaren Bereich zu einem Übergangsströmungsbereich
betrieben. Aus diesem Grund variiert die wasserseitige Wärmeübertragungsrate αw erheblich
in Übereinstimmung
mit der Variation der Heißwasserströmungsmenge.
Als ein Ergebnis stellte sich heraus, dass die wasserseitige Wärmeübertragungsrate αw erheblich
innerhalb des Bereichs niedriger Strömungsmenge fällt, wodurch die
Verschlechterung der Wärmeabstrahlungsleistung
verursacht wird, wenn das Fahrzeug im Leerlauf läuft.
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4 stellt
die Ergebnisse eines Experiments dar, in welchem normale Rohre ohne
Vertiefungen (konkaver und konvexer Abschnitt) zur Vereinfachung
der Turbulenz von Heißwasser
auf den inneren Oberflächen
als flache Rohre 2a verwendet wurden.
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Zur
Verbesserung der wasserseitigen Wärmeübertragungsrate αw wird im
Allgemeinen die Turbulenz des Heißwassers innerhalb der Rohre
häufig vereinfacht. Konkret
wurde vorgeschlagen, dass ein Turbulenzerzeuger zur Vereinfachung
der Turbulenz in die Rohre eingesetzt wird, oder Vertiefungen zur Vereinfachung
der Turbulenz auf den inneren Oberflächen der Rohre ausgebildet
werden.
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Deshalb
haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung die wasserseitige
Wärmeübertragungsrate αw durch Verwendung
der flachen Rohre 2a mit Vertiefungen zur Vereinfachung
der Turbulenz gemessen. Als ein Ergebnis könnte, wie in 5 dargestellt ist,
das flache Rohr mit Vertiefungen im Allgemeinen die wasserseitige
Wärmeübertragungsrate αw im Vergleich
zu dem normalen Rohr verbessern, und sank die Reynold's-Zahl Re des Vertiefungsrohrs
in dem Übergangsbereich
von laminar zu turbulent von 1.400 mit dem normalen Rohr auf 1.000.
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Jedoch
blieb die erhebliche Variation in der wasserseitigen Wärmeübertragungsrate αw entsprechend
der Heißwasserströmungsmenge,
selbst wenn das flache Rohr mit Vertiefungen verwendet wurde. Deshalb
ist es nicht möglich,
das Problem, dass die Wärmeabstrahlungsleistung,
wenn die Heißwasserströmungsmenge
klein ist (wenn das Fahrzeug bei niedriger Geschwindigkeit fährt), verschlechtert
wird, selbst wenn eine Technik zur Vereinfachung einer Turbulenz,
wie die flachen Rohre mit Vertiefungen, verwendet wird.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Angesichts
der oben genannten Probleme hat die vorliegende Erfindung eine Aufgabe,
ein Klimaanlagensystem bereitzustellen, welches wirksam die Wärmeabstrahlungsleistung
innerhalb eines niedrigen Strömungsmengenbereichs
verbessern kann.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs
1 gelöst.
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Wie
aus den 4 und 5 verstanden werden
kann, war, wenn die Reynold's-Zahl
von ungefähr
1.000 als ein Übergangspunkt
genommen wurde, die Variation (Steigung) der wasserseitigen Wärmeübertragungsrate αw gegen die
Reynold's-Zahl innerhalb
des laminaren Bereichs sehr klein in dem Bereich mit der Reynold's-Zahl 1.000 oder
weniger.
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In
Anbetracht einer solchen kleinen Variation (Steigung) der wasserseitigen
Wärmeübertragungsrate αw innerhalb
des laminaren Bereichs, wird bei der vorliegenden Erfindung die
Reynold's-Zahl durch die
Strömungsdurchgänge der
flachen Rohre extrem klein gewählt,
um eine Wasserströmung
in den Strömungsdurchgängen der
flachen Rohre in einem vollständig
laminaren Bereich über
den regulären
Verwendungsbereich der Heißwasserströmungsmenge von
dem hohen Strömungsmengenbereich
zu dem niedrigen Strömungsmengenbereich
zu halten, wodurch die Variation in der wasserseitigen Wärmeübertragungsrate αw erzielt
wird und die wasserseitige Wärmeübertragungsrate αw gleichzeitig
erhöht
wird, um die Wärmeabstrahlungsleistung
innerhalb des niedrigen Strömungsmengenbereichs
zu verbessern.
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Die
Reynold's-Zahl wird
auf 1.000 oder weniger definiert ist, wenn die Strömungsmenge
des Heißwassers,
das durch den Kernabschnitt durchtritt, 16 lit/min beträgt.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wie dem obigen, ist es
möglich,
die Reynold's-Zahl
der Strömungsdurchgänge der
flachen Rohre zu reduzieren, und den laminaren Bereich konstant
zu halten, selbst wenn die Heißwasserströmungsmenge
erheblich variiert. Als ein Ergebnis kann die Variation der wasserseitigen
Wärmeübertragungsrate
reduziert werden und selbst in dem niedrigen Strömungsmengenbereich der Heißwasserströmungsmenge
ist es möglich,
die Heizabstrahlungsleistung im Vergleich zu dem konventionellen Typ
erheblich zu verbessern, wodurch ein Heizgefühl für die Benutzer des Heizsystems
bedeutend verbessert wird.
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In
einem Kraftfahrzeug-Klimaanlagensystem ist, da die Heißwasserströmungsmenge
infolge häufiger
Starts und Stopps erheblich variiert, die Verbesserung des Heizgefühls, wie
oben beschrieben, extrem nützlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere
Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der
nachfolgenden genauen Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen derselben
leichter ersichtlich, wenn diese zusammen mit den begleitenden Zeichnungen
betrachtet wird, in welchen:
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1 ein
Diagramm ist, das einen Motorkühlwasserkreislauf
darstellt;
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2 ein
Graph ist, der das Verhältnis
zwischen der Heißwasserströmungsmenge
und einer Wärmeabstrahlleistung
eines Wärmetauschers
darstellt;
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3 eine
perspektivische Ansicht ist, die den Kernabschnitt eines Wärmetauschers
einer Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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4 ein
Graph ist, der das Verhältnis
zwischen der Heißwasserströmungsmenge,
einer Reynold's-Zahl
und einer wasserseitigen Wärmeübertragungsrate
eines Wärmetauschers
darstellt;
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5 ein
Graph ist, der das Verhältnis
zwischen der Heißwasserströmungsmenge,
einer Reynold's-Zahl
und einer wasserseitigen Wärmeübertragungsrate
eines anderen Wärmetauschers
darstellt;
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6 ein
Graph ist, der das Verhältnis
zwischen einer Wellrippenhöhe
und einer Wärmeabstrahlleistung
eines Wärmetauschers
der Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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7 ein
Graph ist, der das Verhältnis
zwischen dem Gesamtquerschnitts-Flächenverhältnis von flachen Rohren und
einer Reynold's-Zahl
des Wärmetauschers
der Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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8 eine
Querschnittsansicht ist, die das flache Rohr des Wärmetauschers
der Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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9 ein
Graph ist, der das Verhältnis
zwischen der Heißwasserströmungsmenge
und einer Wärmeabstrahlleistung
des Wärmetauschers
der Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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10A ein Graph ist, der das Verhältnis zwischen
der inneren Dicke eines flachen Rohres und einer Wärmeabstrahlleistung
des Wärmetauschers
der Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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10B ein Graph ist, der das Verhältnis zwischen
der inneren Dicke des flachen Rohres und einer wasserseitigen Wärmeübertragungsrate
des Wärmetauschers
der Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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11 ein
Graph ist, der das Verhältnis
zwischen dem Gesamtquerschnitts-Flächenverhältnis von flachen Rohren, einer
Reynold's-Zahl und
einer Wellrippenhöhe
des Wärmetauschers
der Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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12 ein
Graph ist, der das Verhältnis
zwischen dem Gesamtquerschnitts-Flächenverhältnis von flachen Rohren, innerer
Dicke von flachen Rohren und Wellrippenhöhe des Wärmetauschers in einem Klimaanlagensystem
gemäß der vorliegenden Erfindung
darstellt;
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13 ein
Graph ist, der das Verhältnis
zwischen der Heißwasserströmungsmenge
und einer Wärmeabstrahlleistung
des Wärmetauschers
der Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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14 ein
Graph ist, der das Verhältnis
zwischen der Heißwasserströmungsmenge,
einer Reynold's-Zahl
und einer wasserseitigen Wärmeübertragung
des Wärmetauschers
der Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung im Vergleich zu dem konventionellen Typ darstellt;
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15 eine
halbe Querschnitts-Vorderansicht ist, die eine Ausführungsform
des Wärmetauschers
der Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt; und
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16A bis 16F schematische
Frontansichten sind, die Modifikationen des Wärmetauschers der Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellen.
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GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf
die Zeichnungen beschrieben.
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In 3 sind
die Größen W (Breite),
D (Dicke) und H (Höhe)
des Kernabschnitts 2c des Wärmetauschers 2 im
Allgemeinen als W = 100–300
mm, D = 16–42
mm und H = 100–300
mm in Anbetracht eines einfachen Anbringens des Wärmetauschers 2 innerhalb
eines Heizeinheitsgehäuses
eines Kraftfahrzeug-Klimaanlagensystems und der benötigten Wärmeabstrahlleistung
definiert.
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Wie
in
6 dargestellt ist, ist es optimiert, dass die
Höhe Hf
einer Wellrippe
2b auf einen Bereich von 3–6 mm mit
4,5 mm in der Mitte, in Anbetracht der Wärmeabstrahlleistung definiert
ist, wie in
US-5,311,935 beschrieben
ist.
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Um
die Strömungsdurchgänge innerhalb
flacher Rohre 2a als einen laminaren Bereich durch Definieren
der Reynold's-Zahl
als einen kleinen Wert konstant zu halten, sollten die Strömungsgeschwindigkeit
v von Heißwasser
innerhalb der flachen Rohre 2a und der äquivalente Durchmesser de des
flachen Rohres 2a durch Verwendung der folgenden Gleichung
(1) reduziert werden. Re = v·de/ν (1)wobei ν die kinematische
Viskosität
des Heißwassers innerhalb
der flachen Rohre 2a ist, und der wesentliche Rundlochdurchmesser
de des flachen Rohres 2a der Durchmesser des Rundlochs
ist, das dieselbe Fläche
aufweist, wie die Querschnittsfläche
des flachen Rohres 2a.
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Um
die Strömungsgeschwindigkeit
v des Heißwassers
innerhalb der flachen Rohre 2a zu reduzieren, sollte die
Gesamtfläche
St der Strömungsdurchgänge der
flachen Rohre 2a durch Verwendung der folgenden Gleichung
(2) erhöht
werden. v = Vw/St (2)wobei Vw
die Strömungsmenge
des Heißwassers
ist, welches in den Wärmetauscher 2 strömt, und
St die Gesamtsumme der Querschnittsflächen der Strömungsdurchgänge innerhalb
aller flachen Rohre 2a des Kernabschnitts 2c ist.
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Um
den wesentlichen Durchmesser de des flachen Rohres 2a zu
reduzieren, sollte die Querschnittsfläche A des Strömungsdurchgangs
pro flachem Rohr 2a durch Verwendung der folgenden Gleichung
(3) reduziert werden. de = 4·A/L (3)wobei L die
Nasskantenlänge
innerhalb des flachen Rohres 2a (die Länge der inneren Umfangswand
der Querschnittsform des flachen Rohres 2a welche später unter
Bezugnahme auf die 7 und 8 beschrieben
wird) ist.
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Ein
Flüssiggemisch
einer Gefrierschutzlösung,
die einen Rostverhinderer und Wasser enthält, die bei ungefähr 50:50
kombiniert sind, wird im Allgemeinen für das Heißwasser (Motorkühlwasser)
verwendet, das in dem Wärmetauscher 2 zirkuliert,
und die Heißwassertemperatur
wird auf etwa 85°C
durch das Thermostat 5 gehalten.
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Die
Querschnitts-Strömungsdurchgangsfläche A pro
flachem Rohr 2a zu reduzieren und die Gesamtquerschnitts-Strömungsdurchgangsfläche St der
flachen Rohre 2a zu erhöhen,
sind hier einander entgegengesetzt. Deshalb ist es, um die Gesamtquerschnitts-Durchgangsfläche St zu
erhöhen,
während
die Querschnitts-Strömungsdurchgangsfläche A pro
flachem Rohr 2a reduziert wird, vorzuziehen, dass der Kernabschnitt 2c des
nachfolgenden Aufbaus angewandt wird.
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Der
Kernabschnitt 2c sollte vom Einwegrichtungstyp (Volldurchgangstyp)
mit der Querschnittsfläche
(W × D)
des Kernabschnitts 2c sein, in welchem das Heißwasser
nur in eine Richtung strömt,
anstelle eines Wendetyps, in welchem das Heißwasser in U-Form wendend strömt, und
die Anzahl der flachen Rohre 2a mit der Querschnittsfläche (W × D) des Kernabschnitts 2c,
durch welche das Heißwasser
parallel strömt,
sollte erhöht
sein. Der konkrete Aufbau des Kernabschnitts 2c des Einwegströmungstyps (Volldurchgangstyp)
wird später
unter Bezugnahme auf 15 beschrieben.
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Als
nächstes
hat der Erfinder der vorliegenden Erfindung für den Kernabschnitt 2c,
der auf W (Breite) = 180 mm, H (Höhe) = 180 mm und D (Dicke) =
27 mm dimensioniert ist, die Gesamtquerschnitts-Strömungsdurchgangsfläche St der
flachen Rohre 2a geprüft,
welche die Reynold's-Zahl
Re auf 1.000 oder kleiner (innerhalb des vollständig laminaren Bereichs in 5)
halten kann, bis die Heißwassermenge
Vw sich auf 16 lit/min erhöht,
welche eine Strömungsmenge
ist, wenn das Fahrzeug bei einer Geschwindigkeit von 60 km/h fährt.
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Da
die Gesamtquerschnitts-Strömungsdurchgangsfläche St der
flachen Rohre 2a entsprechend der Größe (W, D) des Kernabschnitts 2c variiert,
prüften
die Erfinder das Verhältnis
zwischen dem Verhältnis
(St/W × D)
der Gesamtquerschnitts-Strömungsdurchgangsfläche St der
flachen Rohre 2a zu der Querschnittsfläche des Kernabschnitts 2c (W × D) und
der Reynold's-Zahl
Re als ein Parameter der inneren Dicke b der flachen Rohre 2a innerhalb
des Bereichs von 0,5–1,7,
wie in 7 dargestellt ist. In 7 stellt
die Abszisse das Verhältnis
(St/W·D)
und die Ordinate die Reynold's-Zahl
Re dar.
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Die
innere Dicke ”b” des flachen
Rohres 2a bedeutet die Dicke in Richtung der kurzen Seite
des Strömungsdurchgangs
innerhalb des flachen Rohres 2a in der Querschnittsform
des flachen Rohres 2a, dargestellt in 8,
und die Breitengröße der Richtung
der langen Seite ist mit ”a” bezeichnet.
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In
dem Versuch, dessen Ergebnis in 7 dargestellt
ist, wurde die innere Breite ”a” des flachen Rohres 2a auf
26,5 mm festgesetzt und die innere Dicke ”b” geändert.
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Das
Verhältnis
(St/W × D)
bezüglich
jeder Dicke ”b” des flachen
Rohres 2a, wo die Reynold's-Zahl Re 1.000 ist, wird mit O bezeichnet.
Wie in 7 dargestellt ist, existiert das Verhältnis (St/W × D) bezüglich jeder
Dicke ”b” des flachen
Rohres 2a, wo die Reynold's-Zahl Re 1.000 oder weniger ist, in
einer großen
Anzahl.
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Deshalb
studierten die Erfinder der vorliegenden Erfindung auch die optimale
Dicke ”b” des flachen
Rohres 2a mit Blick auf seine Leistung, und studierten
ferner das Verhältnis
zwischen der optimalen Dicke ”b” und der
Gesamtquerschnitts-Strömungsdurchgangsfläche St der
flachen Rohre 2a.
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Insbesondere
studierten die Erfinder an dem Kernabschnitt 2c mit der
Breite W = 180 mm, der Höhe
H = 180 mm und der Dicke D = 27 mm, und mit der Rippenhöhe Hf entsprechend
dem Mittenwert 4,5 mm des optimalen Bereichs (3–6 mm), um die Dicke ”b” des flachen
Rohres 2a mit Blick auf seine Leistung zu optimieren.
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In 9 repräsentiert
die Ordinate die Wärmeabstrahlungsleistung
Q des Wärmetauschers 2 und
die Abszisse repräsentiert
die Strömungsmenge Vw
des Heißwassers,
das in den Wärmetauscher 2 zirkuliert.
Die Wärmeabstrahlungsleistung
Qo mit der Heißwasserflussmenge
Vwo, die entsprechend dem Anpassungspunkt des Wasserströmungswiderstands
des Wärmetauschers 2 und
der Pumpeneigenschaften einer Wasserpumpe 3 eines Motors 1 bestimmt
ist, entspricht der Leistung des Wärmetauschers 2 in
einem tatsächlichen
Betrieb.
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Die
Wärmeabstrahlung
Qo des Wärmetauschers 2 in
einem tatsächlichen
Betrieb wird durch Variation der Dicke ”b” des flachen Rohres 2a erhalten
und in 10A zusammengefasst. In 10A ist die Wärmeabstrahlungsleistung
Qo der Dicke b = 0,7 mm, bei welcher die Wärmeabstrahlungsleistung Qo
des Wärmetauschers 2 in
einem tatsächlichen Betrieb
die höchste
ist, auf 100 definiert, und die Ordinate repräsentiert den prozentualen Anteil
der Wärmeabstrahlungsleistung
Qo jeder Dicke ”b” des flachen
Rohres 2a gegen die Wärmeabstrahlungsleistung
Qo = 100 einer solchen Dicke b = 0,7 mm des flachen Rohres 2a.
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Aus 10A ist ersichtlich, dass der optimale Bereich
der Dicke ”b” des flachen
Rohres 2a 0,6–1,2
mm ist.
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10B stellt das Verhältnis zwischen der Dicke b
des flachen Rohres 2a und der wasserseitigen Wärmeübertragungsrate αw mit der
Reynold's-Zahl Re
= 500 dar. Je kleiner die Größe ”b” ist, desto
größer ist
die wasserseitige Wärmeübertragungsrate αw. Tatsächlich steigt
jedoch, wenn die Größe ”b” sinkt,
der innere Widerstand des flachen Rohres 2a. Demzufolge
sinkt die Strömungsmenge des
zirkulierenden Heißwassers,
und die Wärmeabstrahlungsleistung
wird verschlechtert, wie in 10A dargestellt
ist. Deshalb ist es nötig,
die untere Grenze der Dicke ”b” auf 0,6
mm zu definieren.
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Auf
der Grundlage der oben genannten Ergebnisse ist der optimale Bereich
des Verhältnisses der
Gesamtquerschnitts-Strömungsdurchgangsfläche des
flachen Rohres 2a (St/W × D) aus dem optimalen Bereich
der Rippenhöhe
Hf (3–6
mm) und dem optimalen Bereich der Dicke b (0,6–1,2 mm) zu erhalten. Der schraffierte
Abschnitt X in 11 bezeichnet den optimalen
Bereich.
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Wie
in 12 dargestellt ist, ist, wenn dieser optimale
Bereich umgeschrieben wird, indem das Gesamtquerschnitts-Strömungsdurchgangsflächen-Verhältnis (St/W × D) der
flachen Rohre 2a als die Ordinate und die Dicke ”b” des flachen Rohres 2a als
die Abszisse genommen wird, in einer Kombination der optimalen Rippenhöhe (Hf =
3–6 mm)
und der optimalen Rohrdicke (b = 0,6–1,2 mm), das Gesamtquerschnitts-Strömungsdurchgangsflächen-Verhältnis (St/W × D) der
flachen Rohre 2a identisch zu dem schraffierten Abschnitt,
der durch A, B, C und D in 12 eingeschlossen
ist, d. h. zu dem Bereich von 0,07–0,24.
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Durch
Definieren des Gesamtquerschnitts-Strömungsdurchgangsflächen-Verhältnis (St/W × D) der
flachen Rohre 2a innerhalb des schraffierten Abschnitts,
der durch A, B, C und D eingeschlossen ist, ist es möglich, die
Reynold's-Zahl Re
des Strömungsdurchgangs
des flachen Rohres 2a auf 1.000 oder weniger innerhalb
des Bereichs der Heißwasserströmungsmenge
für den
Wärmetauscher 2 (maximal
16 lit/min) zu kontrollieren, wodurch die Heißwasserströmung innerhalb des Strömungsdurchgangs
des flachen Rohres 2a konstant laminar gehalten wird.
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Die
Wärmeabstrahlungsleistung
des Wärmetauschers 2,
der insbesondere auf der Grundlage des oben beschriebenen Spezifikationsbereichs
konstruiert wurde, ist in 13 dargestellt.
Der Wärmetauscher 2,
der in 13 dargestellt ist, ist auf
die Breite W = 180 mm, Höhe
H = 180 mm und Dicke D = 27 mm in dem Kernabschnitt 2c,
die Höhe
Hf = 4,5 mm in der Wellrippe 2b, und die Dicke b = 0,9
mm in dem flachen Rohr 2a dimensioniert, welches jeweils die
Mittenwerte des optimalen Bereichs sind.
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Das
Gesamtquerschnitts-Strömungsdurchgangsflächen-Verhältnis (St/W × D) des
flachen Rohres 2a ist 0,145. Die Wärmeabstrahlungsleistung Q des
Wärmetauschers 2,
der speziell wie oben genannt konstruiert ist, wurde erhalten. Als
ein Ergebnis verringerte sich, wie in 13 dargestellt
ist, die Wärmeabstrahlungsleistung
Q bei einer niedrigen Strömungsmenge
(4 lit/min, wenn das Fahrzeug im Leerlauf läuft), um nur ungefähr 11% weniger
ausgehend von der Wärmeabstrahlungsleistung
Q bei einer hohen Strömungsmenge
(16 lit/min, wenn das Fahrzeug mit 60 km/h läuft), was der Hälfte oder
weniger als der Reduzierungsprozentanteil (22%) der Wärmeabstrahlungsleistung
des konventionellen Wärmetauschers 2 entspricht,
der in 2 dargestellt ist. Wie klar zu verstehen ist,
ist die Leistung erheblich verbessert.
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In 14 ist
das Verhältnis
zwischen der Reynold's-Zahl
Re und der wasserseitigen Wärmeübertragungsrate αw des Wärmetauschers 2 auf
der Grundlage der in 13 festgelegten Spezifikationen
zusammengefasst. Wie aus 14 zu
sehen ist, wird der Wärmetauscher 2 innerhalb
eines vollständig
laminaren Bereichs mit der Reynold's-Zahl Re von 1.000 oder weniger verwendet,
wo die Heißwasserströmungsmenge
4–16 lit/min
ist, und des Weiteren die wasserseitige Wärmeübertragungsrate αw innerhalb
des Bereichs niedriger Strömungsmenge
im Vergleich zu dem konventionellen Wärmetauscher erheblich verbessert
ist.
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Als
nächstes
wird eine Ausführungsform,
bei welcher der Wärmetauscher 2 auf
der Grundlage der oben beschriebenen Spezifikationen konstruiert
ist, auf das Kraftfahrzeug-Luftklimatisierungssystem angewandt ist,
unter Bezugnahme auf 15 beschrieben. Der Kernabschnitt 2c ist
aus den flachen Rohren 2a und den Wellrippen 2b zusammensetzt.
Jedes flache Rohr 2a ist stützend an beiden Enden mit Kernplatten 2d verbunden.
Tanks 2e und 2f sind mit den Kernplatten 2d jeweils
verbunden. Des Weiteren sind Einlass- und Auslassleitungen 2g und 2h abnehmbar durch
Dichtungsverbindungen 2i und 2j jeweils mit den
Tanks 2e und 2f verbunden.
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Beispielsweise
in 15, wenn die Leitung 2g mit der Heißwassereinlassseite
des Heißwasserkreislaufs
des Motors 1 verbunden ist, strömt das Heißwasser von der Heißwassereinlassleitung 2g durch
den Heißwassereinlasstank 2e,
die flachen Rohre 2a, den Heißwasserauslasstank 2f und
die Heißwasserauslassleitung 2h in
dieser Reihenfolge.
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Das
heißt,
ein Einwegströmungstyp
(Volldurchgangstyp) ist in einer solchen Weise aufgebaut, dass der
Heißwassereinlasstank 2e bei
einem Endabschnitt des Kernabschnitts 2c über die
Richtung der Gesamtbreite angeordnet ist, der Heißwasserauslasstank 2f an
dem anderen Endabschnitt des Kernabschnitts 2c über die
Richtung der Gesamtbreite angeordnet ist, und das Heißwasser
nur in einer Richtung von dem Einlasstank 2e zu dem auslassseitigen
Tank 2f durch das flache Rohr 2a strömt.
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In
dem Wärmetauscher 2,
der als der Einwegströmungstyp
(Volldurchgangstyp) zusammengesetzt ist, ist es leicht möglich, die
Querschnittsfläche
A pro flachem Rohr 2a zu verringern und die Gesamtquerschnittsfläche St der
gesamten flachen Rohre 2a gleichzeitig zu erhöhen.
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Der
Wärmetauscher 2,
der in 15 dargestellt ist, ist aus
Aluminium hergestellt. Das flache Rohr 2a, die Kernplatte 2d und
die Tanks 2e und 2f sind aus aluminiumbeschichtetem
Material gebildet, in welchem das Aluminiumkernmaterial mit Lötmaterial
auf einer oder beiden Seite(n) beschichtet ist. Andererseits ist
die Wellrippe 2b aus bloßem Aluminiummaterial gebildet,
welches nicht mit Lötmaterial beschichtet
ist. Der Wärmetauscher 2 ist
integral durch zeitweises Zusammensetzen dieser Komponenten, Erhitzen
der Zusammensetzungen innerhalb eines Heizofens auf eine Löttemperatur,
und dann integrales Löten
der Zusammensetzungen aufgebaut.
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Hier
ist, mit Blick auf Wärmeübertragungsrate,
Festigkeit, etc., die Wanddicke des flachen Aluminiumrohres 2a auf
einen Bereich von 0,2–0,4
mm und die Dicke der Aluminiumwellrippe 2b auf einen Bereich
von 0,04–0,08
mm gewählt.
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Die 16A–16F stellen Modifikationen des Tankabschnitts
des Wärmetauschers 2 dar.
Die 16A bis 16C stellen
Modifikationen dar, in welchen die Breite des Kernabschnitts 2c gleich
dem der Tanks 2e und 2f definiert ist und die
Positionen der Heißwassereinlass-
und -auslassleitungen 2g und 2h unterschiedlich
modifiziert sind.
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Die 16D bis 16F stellen
Modifikationen dar, in welchen jede Breite der Tanks 2e und 2f größer gewählt ist
als der des Kernabschnitts 2c und des Heißwassereinlasses,
und die Positionen der Auslassleitungen 2g und 2h unterschiedlich
modifiziert sind.
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In
den 15 und 16 kann, da
die Form des Wärmetauschers 2 symmetrisch
bezüglich
der Heißwasserströmungsrichtung
des Kernabschnitts 2c ist, der Tank 2e auf der
Heißwasserauslassseite
angeordnet werden, und der Tank 2f kann auf der Heißwassereinlassseite
angeordnet werden, entgegen der oben beschriebenen Ausführungsform.