Technisches Gebiet
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Diese Erfindung betrifft eine verbesserte Konstruktion für Lamellen, die
aus den flachen Wänden gewellter Kühlrippen gebogen sind, die in
Wärmetauschern verwendet werden.
Hintergrund der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung wird nach einer detaillierten Beschreibung des
Standes der Technik und der diesen veranschaulichenden Zeichnungen
besser verständlich, in welchem:
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Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht der Basiswände
einer gewellten Rippe ist, die den Ort eines Paares von
Wärmetauscherrohren in gestrichelten Linien und eine allgemeine
Luftströmungsrichtung durch Pfeile zeigt;
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Fig. 2 eine Ansicht des vorausgehenden Randes der gewellten Rippe
betrachtet in der allgemeinen Richtung der Luftströmung ist;
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Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer typischen Kühlrippe mit
herkömmlicher Konstruktion mit mehreren Lamellen ist;
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Fig. 4 eine schematische Ansicht ist, die die Orientierung einer
einzelnen typischen Lamelle zeigt;
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Fig. 5 eine Ansicht der Kühlrippe von Fig. 3 betrachtet von dem
vorausgehenden Rand in der Richtung der Luftströmung ist;
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Fig. 6 ein Schnitt entlang der Linie 6-6 von Fig. 5 ist;
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Fig. 7 eine Ansicht des vorausgehenden Randes einer älteren
Rippengestaltung ist, die einzelne abwechselnde Lamellen
umfaßt;
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Fig. 8 ein Schnitt entlang der Linie 8-8 von Fig. 7 ist.
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Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, stellen Wärmetauscher für Parallel-
Strömung, die ein paralleles, eng beabstandetes Feld von flachen
Flüssigkeitsströmungsrohren umfassen, wobei gewellte Rippen (oftmals als
Luftzentren bezeichnet) zwischen die Rohre hartgelötet sind, einen der ältesten
Typen von Wärmetauschern dar, die bei Kraftfahrzeuganwendungen
gefunden werden.
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Seit Jahrzehnten sind Kühler gemäß diesem grundsätzlichen Aufbau
gebaut worden, und andere Wärmetauscher, wie beispielsweise
Kondensatoren, sind derselben grundsätzlichen Konstruktion über zumindest einige
Jahrzehnte hinweg gefolgt. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, umfaßt ein Paar
flacher Strömungsrohre 20 (in gestrichelten Linien gezeigt) dazwischen eine
gewellte Rippe, die allgemein mit 22 bezeichnet ist. Die Rippe 22 besteht
aus einer Serie dünner flacher Rippenwände 24, die relativ zueinander um
Scheitel 26 gefaltet sind. Die Scheitel 26 sind in einem Halbkreis gebogen,
anstatt ähnlich dem Scheitelpunkt eines V scharf zugespitzt zu sein, um
so weniger anfällig gegenüber Schaden zu sein, und um so besser mit der
Oberfläche der Rohre 20 hartverlötet werden zu können. Die
halbkreisförmige Form lässt keilförmige Taschen an beiden Seiten der Außenfläche
eines Scheitels 26 zurück, wo dieser mit der Außenfläche eines Rohres 20
in Kontakt tritt, wodurch es möglich wird, daß Hartlötmaterial durch
Kapillarwirkung hineingezogen wird und feste Hartverlötungen
(Hartlötstellen) erzeugt werden. Obwohl die Scheitel 26 nicht spitz und scharf
sind, können die Rippenwände 24 selbst eine V-Form oder divergente
Form aufweisen, anstatt parallel zueinander zu sein, wie gezeigt ist.
Jedoch können in dem Grenzfall die Rippenwände 24 so eng gepackt sein,
daß sie effektiv parallel zueinander sind, wobei ein konstanter Abstand
von Wand zu Wand gleich der Bogensehne ausgebildet ist, die durch den
Bogen der Innenfläche des halbkreisförmigen Scheitels 26 gebildet wird. In
jedem Fall weist jede Rippenwand 24 ein vorbestimmtes Breitenmaß W
von Scheitel zu Scheitel und eine Länge auf, die entlang des Scheitels 26
gemessen wird. Wenn die Scheitel 26 einer Rippe 22 an die
gegenüberliegenden Außenflächen jedes Paares paralleler Rohre 20 hartgelötet sind,
bilden diese eine Serie benachbarter Strömungsdurchgänge F, die zwei
längere Seiten und zwei kürzere Enden aufweisen. Die Seiten der
Strömungsdurchgänge F werden durch die Innenflächen zweier benachbarter
Rippenwände 24 gebildet. Eines der gegenüberliegenden Enden jedes
Strömungsdurchganges F wird durch die konkave Innenfläche eines
Scheitels 26 gebildet (dessen Außenfläche mit einem Rohr 20 hartverlötet
ist) und das andere Ende wird durch ein Segment der Außenfläche des
anderen Rohres 20 gebildet, einem Segment, das selbst durch die
konvexen Außenflächen zweier benachbarter Rippenscheitel 26 eingegrenzt ist.
Jede Seite der Rippenwand 24 weist daher in ein benachbartes Paar von
Strömungsdurchgängen F. Kühlluft wird durch ein Gebläse durch die
Luftströmungsdurchgänge F in der Richtung der Pfeile über die
Oberflächen der Rippenwände 24 gezogen, wodurch unterstützt wird, Wärme aus
einem heißeren Fluid oder einer heißeren Flüssigkeit zu ziehen, die durch
die Rohre 20 strömt und Motorkühlmittel, Kältemittel, etc. sein kann.
Technisch gesehen ist Luft selbstverständlich ebenfalls ein Fluid, und der
Wärmefluß kann tatsächlich auch in der entgegengesetzten Richtung
erfolgen, wie bei einem Verdampfer. Ein Ende jedes
Strömungsdurchganges F ist stark begrenzt, wobei dies den engeren Bereich darstellt, der
gerade innerhalb der konkaven Innenfläche eines einzelnen Scheitels 26
angeordnet ist, wie bei C gezeigt ist. Das gegenüberliegende Ende ist
weniger begrenzt, wobei es einen breiteren und offeneren Bereich aufweist,
der bei O gezeigt und entlang der Innenfläche des Segmentes des Rohres
20 angeordnet und durch die konvexen divergierenden Außenflächen der
beiden benachbarten Scheitel 26 begrenzt ist. Die Differenz der Breite
zwischen den beiden Bereichen C und O ist selbstverständlich wesentlich
größer, wenn die Rippenwände 24 V-förmig und divergierend sind, als,
wenn sie parallel sind, aber die Krümmung (innerhalb oder außerhalb) der
Scheitel 26 erzeugt in jedem Fall eine Differenz. Auch ist ein Wärmefluß
aus dem Rohr 20 und in den Strömungsdurchgang F bei dem breiteren
Bereich O weniger begrenzt, als es bei dem engeren Bereich C der Fall ist,
da dieser nicht durch die zusätzliche Dicke des Materials in einem
Rippenscheitel 26 gelangen muß.
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Gemäß der Standardtheorie zur Optimierung des Wärmeflusses für
kompakte Wärmetauscher bestand der Trend von früh an darin, mehr (und
mehr eng beabstandete) Rohre ähnlich 20 innerhalb des verfügbaren
Kühlluftströmungsbereiches zu packen (immer stärker begrenzt durch die
abnehmende Kühlergrillgröße in dem Fall von Kühlern und Kondensatoren).
Dies legt offensichtlich mehr Flüssigkeitsströmung (und mehr
Oberflächenbereich der Flüssigkeitsströmung) der Kühlluftströmung aus.
Dadurch werden auch offensichtlich dünnere und dünnere Rohre
erforderlich, um so die Kühlströmung durch und um die zusätzlichen Rohre
nicht kontraproduktiv zu blockieren. Die Geschichte der
Wärmetauscheroptimierung stand somit eng in Verbindung mit der Technologie der
Rohrherstellung, und Rohrhersteller haben fortwährend daran gearbeitet, die
dünneren Rohre strangzuziehen, die Hersteller von Wärmetauschern
gefordert haben.
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Die andere Strömung, die Konstrukteure zu optimieren versucht haben,
ist die Luftströmung über die Rippen, und dies hat zu Änderungen der
Rippenkonstruktion geführt. Enger gepackte Rohre haben unvermeidbar
zu schmaleren Rippen (gemessen von Scheitel zu Scheitel) geführt, und
die herkömmliche Konstruktion, die bei einer Verbesserung des
Wärmeflusses durch Minimierung des hydraulischen Durchmessers des
Strömungsdurchganges (innerhalb der Grenzen akzeptabler Druckverluste)
bestimmend war, hat enger gepackte Rippenwände erzielt, d. h. Rippen mit
engeren Radien an den Scheiteln und noch schmaleren
Strömungsbereichen innerhalb der Rippenscheitel. Dies sind alles Folgen der bekannten
Wirkungsgrade, die bei der immer mehr kompakteren Herstellung von
Wärmetauschern auftreten. Ein anderer Langzeittrend bei der
Rippenkonstruktion war der Versuch, den Wärmeübergangswirkungsgrad von Luft,
die über die Oberflächen der Rippen strömt, durch Aufbrechen und
Minimierung der Bildung laminarer Strömungslagen an der Rippenoberfläche
zu verbessern, die als Isolatoren wirken und einen Wärmefluss sowohl
leitend als auch konvektiv hemmen. Über drei Jahrzehnte hinweg waren
nun das Standardmittel zur Verhinderung derartiger Strömungsgrenzen
schmale Lamellen, die aus den Rippenwänden gebogen sind und
Öffnungen erzeugen, die sich geringfügig über die Rippenwandfläche und in die
Luftströmung hinein erstrecken.
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Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist die üblichste gegenwärtige, mit Lamellen
versehene Rippenkonstruktion eine sogenannte "Mehrlamellen"-
Konstruktion, bei der die Lamellen in ein Muster abwechselnder
benachbarter Sätze von Lamellen unterteilt sind, am meisten in gerade zwei
Sätze, einen vorausgehenden Satz, der schematisch mit L gezeigt ist, und
einen nachfolgenden Satz T. Jedoch können drei oder mehr Sätze von
Lamellen an längeren Rippen vorgesehen sein. Wie am besten in den Fig.
3 und 4 gezeigt ist, ist eine herkömmliche einzelne Lamelle 28 ein
schmales Rechteck, das einstückig aus der Rippenwand 24 gebogen ist und
tatsächlich um einen flachen Winkel θ um eine Achse gedreht ist, die
entlang der Länge durch das Zentrum der Lamelle 28 rechtwinklig oder
senkrecht zu dem Scheitel 26 verläuft. Dies ist schematisch in Fig. 4
gezeigt, die gerade den Hauptkörper der Lamelle 28 und die Längsachse
der Drehung in gestrichelten Linien zeigt, aber nicht die scharfen kurzen
Stege an den Enden zeigt (in Fig. 3 sichtbar), wo die Lamelle 28 in der
Rippenwand 24 integriert ist. So dient eine Drehung der Lamelle 28 dazu,
eine Längshälfte der Lamelle 28 auf eine Seite der Rippenwand 24 und die
andere Hälfte auf die andere Seite der Rippenwand 24 zu bewegen, wobei
sich die Hälften in die zwei benachbarten Strömungsdurchgänge F
erstrecken, die die Rippenwand 24 einfassen. Der Drehwinkel θ ist klein, im
Allgemeinen weniger als dreißig Grad, und die Breite der Lamelle 28 ist
klein, oftmals kleiner als ein Millimeter, was erheblich kleiner als deren
Länge ist. Des Weiteren dient die Drehung der Lamelle 28 dazu, ihre
Ränder über die Oberfläche der Rippenwand 24 zu einer wirksamen Tiefe
(mit D in Fig. 4 gezeigt) anzuheben, was eine sichtbare Öffnung erzeugt,
die groß genug ist, um die Luftströmung über die Rippenwand 24 auf eine
unten beschriebene Art und Weise zu beeinflussen. Eine Anzahl derartiger
identischer Lamellen 28 sind nebeneinander unter dem gleichen Winkel
und in dieselbe Richtung weisend angeordnet. Diese sind in einem
Doppelmuster angeordnet, wobei ein Satz in einer Richtung an der vorderen
Hälfte der Rippenwand 24 (der vorausgehende Satz L) und die andere
Hälfte in der anderen Richtung (aber unter demselben flachen Winkel) an
der nachfolgenden Hälfte der Rippenwand 24 (dem nachfolgenden Satz T)
geneigt ist. Die Muster sind so eng wie möglich gepackt, ähnlich Lamellen
in einer Fensterjalousie ohne restliches Rippenwandmaterial, das
zwischen benachbarten Lamellen 28 übrig bleibt. Die erste Lamelle und die
letzte in jeder Serie sind nur halb so breit, besitzen aber dieselbe Länge.
Die beiden Sätze L und T sind voneinander durch eine zentrale "Wende"-
Rippe 30 getrennt, in Richtung welcher die beiden Sätze von Lamellen
konvergieren. Die Ebene der Wenderippe 30 ist über die Ebene der
Rippenwand 24 um dieselbe Tiefe D, wie oben angegeben ist, versetzt, so dass
die Ränder der letzten Lamelle 28 in dem vorausgehenden Satz L und die
der ersten Lamelle 28 in dem nachfolgenden Satz T in die Oberfläche der
Wenderippe 30 übergehen.
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In den Fig. 1, 3 und 6 ist die physikalische Beziehung der Lamellen 28 in
aufeinander folgenden und benachbarten Rippenwände 24 gezeigt, die für
den Betrieb eines typischen Mehrlamellenmusters wichtig ist. Da jede
Rippenwand 24 identisch ist, sei zu verstehen, dass, wenn die Oberfläche
der Rippenwand 24 gedreht wird, so dass sie direkt entlang einer Lamelle
28 gerichtet ist, man durch eine Anzahl beinahe ausgerichteter Öffnungen
in aufeinander folgenden Rippenwänden 24 schauen kann, wie am besten
in Fig. 3 gezeigt. Dies ist jedoch keine perfekte Ausrichtung, wenn die
Rippenwände 24 divergent und nicht parallel sind. Da die Lamellen 28 zu
den Rippenwänden 24, aus denen sie gebogen sind, parallel sind, aber die
Rippenwände selbst nicht parallel zueinander sind, erscheinen die Ränder
dieser Lamellen 28 in aufeinander folgenden Rippenwänden 24, die
teilweise ausgerichtet sind, über Kreuz zueinander unter einem flachen
Winkel angeordnet. Wenn die Rippenwände 24 selbst parallel sind, sind
die Lamellen 28 in aufeinander folgenden Rippenwänden 24 besser
ausgerichtet. Die Öffnungen sind in jedem Fall jedoch gut genug ausgerichtet,
um eine charakteristische Lamellenströmung zu erzeugen, wie
nachfolgend beschrieben wird.
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Wie in Fig. 6 gezeigt ist, wird, wenn Luft durch die Strömungsdurchgänge
F in einer Richtung parallel zu den Scheiteln 26 strömt, diese anfänglich
mit den Lamellen 28 des vorausgehenden Musters L in Kontakt treten.
Wenn der Abschnitt der anfänglichen Luftströmung, der den Oberflächen
der Rippenwände 24 am nächsten ist, mit den Öffnungen zwischen den
vorausgehenden Rändern benachbarter Lamellen 28 in dem
vorausgehenden Muster L in Kontakt tritt, wird diese abgefangen und durch die
Rippenwand 24 (wie in Fig. 6 gezeigt ist, nach oben abgelenkt) im
Wesentlichen unter dem Winkel der Lamellen 28 des vorausgehenden Musters
abgelenkt. Die so abgelenkte Luft folgt selbstverständlich nicht absolut
dem Winkel der Lamellen 28, besitzt aber eine resultierende
Geschwindigkeit, wenn sie auf die Luft trifft, die gerade zwischen diesen und weiter von
den Oberflächen der Rippenwände 24 strömt. Die Luftströmung, die so
abgelenkt ist, kann sich durch die ausgerichteten Öffnungen der Lamellen
28 von verschiedenen der benachbarten Rippenwände 24 fortsetzen, wie
durch die Strömungslinien in Fig. 6 gezeigt ist. Genauer gelangt bei dem
einen Strömungstrom, der durch eine kontinuierliche Linie dargestellt ist,
Luft, die durch die erste Öffnung in der untersten Rippenwand 24
abgelenkt ist, durch die dritte Öffnung der nächsten Rippenwand 24, dann
durch die fünfte, siebte, neunte und schließlich die elfte Öffnung in den
nächsten fünf aufeinander folgenden Rippenwänden 24. Schließlich
strömt Luft in dem gezeigten abgelenkten Strom zwischen einem Paar
benachbarter Wenderippen 30 in den obersten beiden Rippenwänden 24,
wie in Fig. 6 gezeigt ist. Von dort wird die Luftströmung unter demselben
Winkel aber in der entgegengesetzten Richtung, und zurück durch die
Lamellen 28 des nachfolgenden Musters T auf dieselbe Art und Weise
abgelenkt. Die gesamte Ablenkung der Luftströmung, wie oben angegeben
ist, dient dazu, die laminaren Grenzströmungslagen "aufzuschneiden" und
aufzubrechen, die ansonsten entlang der Oberflächen der Rippenwände
24 auftreten würden, was einen Wärmeübergang verbessert.
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Ältere, mit Lamellen versehene Rippenkonstruktionen waren erheblich
breiter, weniger dicht gepackt, als die gerade beschriebene
Mehrlamellenrippe 22, und waren in einem unterschiedlichen Muster angeordnet. Wie
in dem U.S.-Patent 3,265,127 gezeigt ist, das am 9. August 1966 von
Nickol, et al. eingereicht wurde, wurden einzelne breitere Lamellen 27 aus
der Rippenwand getrennt durch dazwischenliegende Stege von
verbleibendem Rippenwandmaterial herausgebogen. Die Neigung jeder Lamelle 27
an jeder Rippenwand war abwechselnd ausgebildet, anstatt in zwei Sätzen
mit derselben Neigung in jedem Satz angeordnet zu sein. Wie bei den
Mehrlamellenmustern wurden die Lamellen allgemein um eine Achse
rechtwinklig zu der Rippenwand gedreht, aber es wurde die gesamte Breite
der Lamelle selbst auf die eine Seite oder die andere Seite der Rippenwand
verstellt, anstatt eine Längshälfte auf jede Seite der Rippenwand zu verstellen.
Die vorausgehenden Ränder derartiger abwechselnder Lamellen
waren typischerweise parallel zu der Rippenwandebene. Jedoch sind, wie
in den Fig. 7 und 8 gezeigt ist, mit Lamellen versehene Rippen vom
abwechselnden Typ auch mit flachen Rippenwänden 34, die durch
Rippenscheitel 36 verbunden sind, verwendet worden, bei denen die
abwechselnden Lamellen 38, die aus den Rippenwänden 34 gebogen sind, enger
gepackt waren (d. h. nicht durch dazwischenliegende Stege aus Material in
der Rippenwand 34 getrennt), und auch vorausgehende Ränder besaßen,
die nicht perfekt zu der Ebene der Rippenwand 34 parallel waren, aus der
sie gebogen wurden. Ähnlich den anderen Lamellen vom abwechselnden
Typ wurden die Lamellen 38 jedoch so gebogen, um ihre gesamte Fläche
auf eine Seite oder die andere Seite der Rippenwand 34 zu verstellen.
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Mehrfachlamellen ähnlich denjenigen, die gerade beschrieben wurden,
haben eine verstärkte Verwendung gegenüber dem älteren abwechselnden
Lamellenmuster gefunden, da sich die Technologie entwickelt hat, diese in
sehr Meinen Breiten und eng gepackten Mustern, wie gezeigt ist, zu
bilden. Die Räder mit sehr scharfen und eng beabstandeten Zähnen treten
mit einem Rippenstreifenmaterial in Eingriff, um die Lamellenmuster mit
einer guten Regelmäßigkeit und Gleichförmigkeit herauszuschneiden. Bei
Lamellen in entweder dem Mehrfach-Lamellen- oder abwechselnden
Einzel-Lamellenmuster besteht jedoch eine reale und übliche Begrenzung
darüber, wie lang die Lamelle als ein Prozentsatz der
Gesamtrippenwandbreite W hergestellt werden kann. Wie durch Vergleich der Fig. 5 und 7
gesehen werden kann, wird durch die Art und Weise, wie beide Lamellen
28 und 32 gebogen oder geformt sind, eine Ecke eines Endes jeder Lamelle
in den schmaleren Strömungsdurchgangsbereich innerhalb eines
Rippenscheitels herausgebogen. Derartige Lamellenenden füllen die entsprechenden
Enden der Lamellen in benachbarten Rippenwänden, die in denselben
Rippenscheitel nach innen gebogen sind. Ungeachtet dessen, wie schmal
die Lamelle oder wie flach ihr Winkel ist, bleibt diese übliche und
unvermeidbare Begrenzung bestehen. Der gegenwärtige Zustand der Technik
bei der Lamellenherstellung ist daher, dass sich Lamellen zumindest
teilweise innerhalb eines Rippenscheitels erstrecken müssen, können dies
aber nicht auf eine solche Tiefe, die größer als die Hälfte der inneren
Breite (oder des Radius) des Rippenscheitels ist, um so eine Überlagerung
zu vermeiden. Für eine Lamelle mit einer gegebenen Breite führt dies zu
einer Begrenzung der wirksamen Länge der Lamelle. Wiederum ist dies
auf die Art und Weise zurückzuführen, auf die die Lamellen jeder
Konstruktion entlang einer Achse herausgebogen werden, die rechtwinklig zu
der Rippenwand liegt, und stets darauf, dass ein Ende jeder Lamelle
einwärts eines Rippenscheitels bewegt wird. Es scheint keine bekannte
Lehre zu sein, wie eine Betriebsrippenlamelle so gebogen werden kann,
dass sich eines ihrer Enden oder Ecken nicht einwärts eines
Rippenscheitels bewegt. Neben der Begrenzung der Länge der Lamelle wird ein
schlüsselloch- oder gucklochförmiger Durchgang 40 in beiden Rippen 22 und 32
zwischen der zentralen Innenfläche des Scheitels und den Enden der
Lamellen belassen, die in diese herausgebogen werden. Der Durchgang 40
ist wirksam von der abgelenkten Luftströmung isoliert und blockiert, die
durch die Lamellen erzeugt wird.
Zusammenfassung der Erfindung
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Eine gewellte Wärmetauscherrippe mit Lamellen gemäß der vorliegenden
Erfindung ist in den in Anspruch 1 dargelegten Merkmalen
gekennzeichnet.
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Eine gewellte Wärmetauscherrippe gemäß dem Oberbegriff von Anspruch
1 ist aus dem U.S. Dokument 3,265,127 bekannt.
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Genauer wird jede erfindungsgemäß gefertigte Lamelle ähnlich
herkömmlichen Lamellen einstückig aus der Rippenwand gebogen. Die Lamellen
sind auch vorzugsweise in demselben grundsätzlichen
Mehrfach-Lamellenmuster angeordnet, wobei zwei Sätze entgegengesetzt geneigter,
vorausgehender und nachfolgender Lamellen durch Wenderippen getrennt
sind. Die Lamellen werden aus jeder Rippenwand jedoch auf sehr
unterschiedliche Art und Weise herausgebogen, die erhebliche Folgen für ihren
Betrieb besitzt.
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Anstelle des Herausbiegens um eine Zentralachse, die rechtwinklig zu der
Rippe liegt, werden die Lamellen der Erfindung aus der Rippe unter einem
vergleichbaren Winkel, aber um eine schräge Achse herausgebogen, die
zwischen zwei diagonal entgegengesetzten Ecken in der Lamelle anstatt
der Länge nach durch das Zentrum läuft. Diese schräge Biegeachse dient
dazu, die anderen beiden diagonal gegenüberliegenden Ecken der Lamelle
insgesamt aus dem beschränkten konkaven Bereich innerhalb eines
Rippenscheitels und gleichzeitig tiefer in die unbegrenzten breiteren
Bereiche zweier benachbarter Strömungsdurchgänge zu ziehen. Da die diagonal
gegenüberliegenden Lamellenecken durch die Außenflächen der Scheitel
herausgezogen sind, anstatt in die begrenzten Innenbereiche des
Rippenscheitels gedrückt zu sein, wird die Längenbegrenzung der Lamellen, die
oben beschrieben ist, beseitigt. Auch existiert kein begrenzter und
isolierter Strömungsbereich, der gerade innerhalb des Rippenscheitels erzeugt
wird, da die Lamellenenden nicht in den Rippenscheitel bewegt werden.
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Eine Drehung der Lamelle um eine schräge Achse erzeugt auch eine
wirksam tiefere Lamellenöffnung in den weniger begrenzten Enden der
Strömungsdurchgänge, was dazu dient, eine größere Luftströmung durch die
Rippenwand zu bringen, die ansonsten hindurchgelangen könnte. Die
wirksam tieferen Lamellenöffnungen an jedem Ende jeder Lamelle werden
auch näher an die Rohroberfläche in denjenigen Bereichen gebracht, wo
die Rohroberfläche durch die Außenflächen benachbarter Rippenscheitel
begrenzt ist.
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All diese unterschiedlichen physikalischen Lamelleneigenschaften und
Beziehungen folgen aus ihren neuartigen schrägen Biegeachsen, und
einige oder alle der resultierenden Eigenschaften führen zu einer
bemerkenswerten Verbesserung der Rippenleistungsfähigkeit, die gemessen
worden ist. Obwohl die Betriebsfaktoren noch nicht vollständig verstanden
worden sind, ist die Verbesserung der Leistungsfähigkeit quantitativ
gemessen erheblich.
Zeichnungskurzbeschreibung
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Diese Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung
und den Zeichnungen offensichtlich, in welchen:
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Fig. 9 eine perspektivische Ansicht einer Kühlrippe mit mehreren
Lamellen gemäß der Erfindung ist;
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Fig. 10 eine Seitenansicht einer Rippenwand ist;
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Fig. 11 eine Stirnansicht der Kühlrippe ist;
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Fig. 12 ein Schnitt der Rippe entlang der Linie 12-12 von Fig. 11
ist;
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Fig. 13 ein Schnitt der Rippe entlang der Linie 13-13 von Fig. 11
ist;
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Fig. 14 ein Schnitt der Rippe entlang der Rippe 14-14 von Fig. 11
ist; und
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Fig. 15 eine schematische Ansicht ist, die die Orientierung einer
einzelnen Lamelle gemäß der Erfindung zeigt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, kann die Kühlrippe der vorliegenden
Erfindung in demselben Typ von Wärmetauscher verwendet werden, der
Strömungsrohre mit derselben Größe aus demselben Material und mit
derselben Konfiguration aufweist, wie oben beschrieben ist. Die allgemeine
Form und der allgemeine Abstand (oder Teilung) einer Rippe gemäß der
Erfindung wäre ebenfalls gleich. Folglich haben die Strömungsdurchgänge
F, die durch die Rippe der Erfindung gebildet werden, wenn diese
zwischen die Rohre 20 hartverlötet wird, dieselbe Größe und Form. Daher gilt
die allgemeine Beschreibung, die in Bezug auf die Luftströmung oben
angegeben wurde, hier ebenfalls. Alles, was geändert werden muss, um
die Rippe der Erfindung zu bilden, wäre das Werkzeug, das tatsächlich die
Lamellen in die Rippenwand schneidet, wobei dies sogar derselbe
grundsätzliche Werkzeugtyp wäre, der nur dahingehend modifiziert ist, um die
neue Lamellenform und -orientierung herzustellen. Folglich bestünden im
Wesentlichen keine zusätzlichen Kosten in Verbindung mit der
Herstellung einer neuen Wärmetauscherkonstruktion mit der Kühlrippe der
Erfindung, deren Einzelheiten unten angegeben sind.
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In den Fig. 9 und 10 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer Kühlrippe
gemäß der vorliegenden Erfindung allgemein mit 42 gezeigt. Wie bei der
Kühlrippe 22 nach dem Stand der Technik, die oben beschrieben ist, weist
die Kühlrippe 42 eine Serie flacher Rippenwände 44 auf, die an gebogenen
Scheiteln 46 mit vergleichbarer Rippenbreite W verbunden sind. Die
Rippendicke und das Rippenmaterial sind gleich. Eine Serie von Lamellen 48,
die auch rechtwinklig sind und eine Länge aufweisen, die wesentlich
größer als die Breite ist, ist aus der Rippenwand 24 in demselben
allgemeinen Muster gegenüberliegend geneigter vorausgehender und
nachfolgender Sätze gebogen, wie oben beschrieben ist. Eine ähnliche
Wenderippe 50 trennt die beiden Sätze von Lamellen. Wie bei Rippe 22 könnten die
Rippenwände 44 nicht parallel sein, V-förmige Orientierungen aufweisen,
wie gezeigt ist, oder mehr U-förmig und nahezu parallel sein. In jedem Fall
weisen die Strömungsdurchgänge F einen begrenzten Bereich innerhalb
der konkaven Innenfläche eines Scheitels 46 und einen weniger
begrenzten breiteren Bereich gegenüberliegend entlang der Außenfläche des
Segmentes des Strömungsrohres 20 und begrenzt durch die konvexen
divergierenden Außenflächen der beiden benachbarten Rippenscheitel 46 auf.
Somit könnte die oben beschriebene Rippe 22 direkt durch die Rippe 42
ersetzt werden. Der Unterschied zwischen den beiden Rippen 22 und 42
liegt in der Orientierung der Achse, um die die Lamellen 48 aus den
Rippenwänden 44 gebogen sind, wie nachfolgend beschrieben wird.
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Wie in den Fig. 10, 11 und 15 gezeigt ist, sind die Lamellen 48 weder um
eine Achse gedreht, die rechtwinklig zu der Rippenwand 44 liegt
(rechtwinklig zu dem Rippenscheitel 46), noch werden die Enden oder Ecken der
Lamelle 48 dadurch in die begrenzten Bereiche der Strömungsdurchgänge
F innerhalb der Innenfläche eines Rippenscheitels 46 bewegt. Statt dessen
ist, wie am besten in Fig. 15 gezeigt ist, jede Lamelle 48 relativ zu ihrer
Rippenwand 44 geneigt oder schräg gestellt und um eine schräge Achse
(in gestrichelter Linie gezeigt) gedreht, die von Ecke zu Ecke über die
Lamelle 48 läuft, anstatt die Lamelle 48 entlang der Länge in zwei
Sektionen zu unterteilen, wie es typisch ist. Verglichen zu einer herkömmlichen
Lamelle 28 ist es wesentlich schwieriger, die Größe des Winkels θ' zu
beschreiben und zu messen, unter welchem die Lamelle 48 um die
schräge Achse gedreht ist, obwohl er mit dem kleinen Winkel vergleichbar ist,
mit dem eine herkömmliche Lamelle um ihre nicht schräge Achse gedreht
wird. Um den Winkel θ' anzugeben, ist eine Referenzlinie rechtwinklig zu
der Achse der Drehung eingezeichnet, da keiner der Ränder der Lamelle
48 entweder rechtwinklig oder parallel zu der Achse der Drehung liegt und
somit nicht als herkömmliche Referenzlinien verwendet werden können,
wie bei der herkömmlichen Lamelle 28. Der Winkel zwischen dieser
Referenzlinie und einer Projektion dieser in die Ebene der Rippenwand 44 ist
der Winkel der Drehung θ' um die schräge Achse. In der Praxis ist es
anstelle der Festlegung des bestimmten Winkels der Drehung ratsam,
statt dessen den resultierenden Winkel des in Längsrichtung
vorausgehenden Randes der Lamelle 48 relativ zu einer vertikalen Linie (eine Linie
rechtwinklig zu den Rohren 20) festzulegen, was bei γL in Fig. 11 gezeigt
ist. γL ist etwa die Hälfte des entsprechenden Winkels γF für den
vorausgehenden Rand der Rippenwand 44 selbst, und der vorausgehende Rand
der Lamelle 48 wird dadurch näher nach vertikal gebracht, etwa die Hälfte
zurück in Richtung vertikal im Vergleich zu dem vorausgehenden Rand
der Rippenwand 44 selbst. Die Lamelle 28 weist im Gegensatz dazu einen
Winkel relativ zur Vertikalen auf, der exakt gleich demjenigen der
Rippenwand 24 selbst ist. Selbstverständlich ist, wenn die Rippenwände 44
selbst parallel und vertikal zueinander sind, dann γF Null und γL wäre
effektiv ein negativer Winkel.
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Wie in den Fig. 2, 10 und 11 gezeigt ist, ergeben sich zahlreiche
physikalische Folgen aus dem scheinbar einfachen Mittel der Neigung oder
Schrägstellung der Lamelle 48 relativ zu der Rippenwand 44 um eine schräge
Achse. Eine Folge ist gleich, ungeachtet dessen, ob die Rippenwände 44
parallel zueinander oder V-förmig und divergent sind, d. h. dass jede der
anderen beiden verbleibenden diagonalen Ecken der Lamelle 48, d. h. jede
der beiden diagonalen Ecken, welche die schräge Achse nicht durchläuft,
durch die konvexe Außenfläche eines Rippenscheitels 46 und der
konkaven inneren Fläche eines Rippenscheitels 46 in eine wirksame Tiefe
D gezogen wird, die größer als die äquivalente Tiefe D für die Rippe 2 ist,
wie oben beschrieben ist. Anders gesagt werden die beiden verbleibenden
diagonal gegenüberliegenden Ecken jeder Lamelle 48 in die unbegrenzten
breiteren Bereiche O zweier benachbarter Strömungsdurchgänge F und,
noch wichtiger, gleichzeitig den begrenzten schmaleren Bereichen C
herausgezogen. Eine diagonale Hälfte jeder Lamelle 48 wird zu einer Seite
ihrer jeweiligen Rippenwand 44 in einen Strömungsdurchgang F und die
andere diagonale Hälfte zu der anderen Seite und in den benachbarten
Strömungsdurchgang F bewegt. Dies steht im Gegensatz zu
herkömmlichen Lamellen mit Mehrfachlamellenmustern, wie beispielsweise bei 28,
bei denen eine Längshälfte in jeden Strömungsdurchgang F bewegt wird,
oder den älteren Lamellen mit abwechselndem Muster, bei denen das
Lamellenmaterial auf eine Seite oder auf die andere Seite der
Rippenwand bewegt wird. Der einzige leicht erkennbare sichtbare Hinweis
dieser diagonalen Zweiteilung der Lamelle 48 nicht entlang der Länge ist
in Fig. 10 gezeigt, wo die anfängliche Halblamelle 48 in dem
vorausgehenden Muster L und die letzte Halblamelle 48 in dem nachfolgenden Muster
T einen "Fußabdruck" auf der Rippenwand 44 zurücklassen, der ein
dünnes Dreieck anstatt eines dünnen Rechteckes ist. Dies bedeutet, dass die
Längenbegrenzung von Lamellen ähnlich den Lamellen 28, die oben
beschrieben sind, nicht länger Anwendung findet, d. h. die diagonal
gegenüberliegenden Ecken der Lamelle 48 werden in den unbegrenzten Bereich O
von Fig. 2, in welchem für diese mehr Raum besteht, und aus dem
begrenzten Bereich C innerhalb eines Rippenscheitels 46 verschoben. Die
einzige Beschränkung ist, dass jede Lamelle 48 nicht aus ihrer jeweiligen
Rippenwand 44 und eines Rippenscheitels 46 so weit gedreht
werden kann, dass sie sich mit der gegenüberliegenden Lamelle 48 in der
benachbarten Rippenwand 44 überlagert. Jedoch ist dies eine wesentlich
geringere Beschränkung, anstatt der Verhinderung einer Überlagerung
von Lamelle zu Lamelle eines Rippenscheitels 46. Daher kann
jede Lamelle 48 als ein Prozentsatz der Gesamtrippenbreite W länger
gemacht werden, als es ansonsten möglich wäre. Bei der offenbarten
Ausführungsform war der Prozentsatz der Lamellenlänge von Ende zu
Ende im Vergleich zu der gesamten Rippenbreite W von einer früheren
Begrenzung von ,880 bis ,899 genommen. Dies stellt nur einen Anstieg
des Verhältnisses von etwa 2% dar, aber der Anstieg der
Leistungsfähigkeit war größer, als für einen derartigen kleinen Anstieg erwartet worden
wäre, wie unten beschrieben wird. Es existiert immer noch eine
physikalische Begrenzung der Lamellenlänge insoweit, als Raum für einen Steg
belassen werden muss, um die Enden der Lamelle 48 in die Ebene der
Rippe 44 zu integrieren, und in jedem Fall könnte die Lamelle 48 nicht so
lang gemacht werden, um richtig durchgeschnitten zu werden und den
oberen Bereich des Scheitels 46 zu schwächen, der an die Oberfläche des
Rades 20 hartgelötet werden muss. Jedoch ist die frühere Beschränkung
der Lamellenlänge beseitigt, und es existiert auch keine Beschränkung,
die durch die Lamellen 48 bewirkt wird, darauf, wie klein der Radius des
Rippenscheitels 46 gemacht werden kann. Der Stand der Technik zeigt,
dass der Radius des Scheitels 46 für eine gegebene Lamellenlänge
aufgrund der Anwesenheit der möglicherweise überlagernden Enden
herkömmlich gebildeter Lamellen nicht zu klein gemacht werden kann. Mit
anderen Worten könnte, wie in Fig. 11 gezeigt ist, der Radius des Scheitels
46 verringert und um sein Zentrum herum eingeschnürt werden, und die
Rippenwände 44 könnten näher zusammengedrückt werden ohne
Überlagerung durch irgendwelche Lamellenenden oder Ecken, die innerhalb des
Scheitels 46 liegen. Eine andere physikalische Änderung ist gleich für eine
Rippe mit entweder parallelen oder V-förmigen Rippenwänden und besteht
darin, dass die diagonalen Ecken, die aus der Innenseite und zu der
Außenseite des Rippenscheitels 46 herausgezogen werden, auch näher zu
der Oberfläche des Strömungsrohres 20 gebracht werden können, anstatt
einen Bereich ähnlich 40, wie oben beschrieben ist, innerhalb der
konkaven Innenfläche des Rippenscheitels 46 zu blockieren.
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In den Fig. 2, 9 und 11 sind einige physikalische Folgen der
unterschiedlichen Orientierung der Lamelle 48 in dem Typ der gezeigten Kühlrippe 42
ausgeprägter oder sogar einzigartig, die eine darstellt, bei der die
Rippenwände divergent anstatt parallel sind. Wie am besten in Fig. 11 gezeigt ist,
werden die langen Ränder der Lamelle 48 in die Strömungsdurchgänge F
beinahe zu einer vertikalen Orientierung herausgezogen. Sie könnten
weiter bis zu einer vertikalen Orientierung und beinahe zu einem
Überlagerungspunkt mit benachbarten Rippenwänden 44 herausgezogen
werden, wenn dies erwünscht ist. Dazu müssten Lamellen 48 einfach weiter
um die schräge Achse gedreht werden, wodurch die wirksame Tiefe D
erhöht wird. Die Tatsache, dass die Lamellen 48 insgesamt um eine
schräge Achse gedreht werden, vergrößert jedoch den Winkel und
bedeutet, dass die vorausgehenden Ränder der Lamellen 48 in eine Orientierung
bewegt werden, in der sie mehr parallel zueinander sind, als die
Rippenwände 44 selbst zueinander sind. Bei typischen Lamellen ähnlich 28
folgen die vorausgehenden Ränder einfach derselben nicht parallelen
Beziehung, die die Rippenwände 24 aufweisen. Daher sind, wenn man
entlang der Ebene einer Lamelle 48 schaut, wobei die Rippe 42 in einer
Orientierung ähnlich zu Fig. 9 liegt, die Öffnungen, welche durch die
Lamellen 48 in einer Rippenwand 44 gebildet sind, mehr mit den
Öffnungen benachbarter und aufeinander folgender Rippenwänden 44
ausgerichtet und mehr parallel zu diesen. Die schräge Biegung der Lamellen 48
beseitigt wirksam einiges der nicht parallelen Beschaffenheit der
Rippenwände 44 relativ zueinander.
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Wie in den Fig. 11 bis 14 gezeigt ist, ist die abgelenkte Luftströmung, die
durch die Lamellen 48 erzeugt wird, sehr ähnlich zu derjenigen, die für die
herkömmlichen Lamellen 28 beschrieben ist. Jedoch existiert, wie durch
Vergleich der Fig. 12 oder 14, die Schnitte zeigen, die näher an den
Scheiteln 46 liegen, zu Fig. 13 gesehen werden kann, die den Schnitt in dem
Zentrum zeigt, eine größere wirksame Tiefe der Lamellen 48 näher zu den
Enden der Lamellen 48 und näher zu der Fläche der Rohre 20. Mit der
längeren Lamelle 48 und der größeren wirksamen Tiefe D' kann mehr Luft
näher an der Oberfläche eines Rohres 20 in und durch eine Rippenwand
44 geführt werden, wodurch ein laminarer Aufbau entlang der Oberfläche
des Rohrs 20 minimiert wird. Zusätzlich wird, wenn sich die Enden der
Lamelle 48 weiter in den breiteren Bereich O des Strömungsdurchganges
erstrecken, ein größerer Teil der Luftströmung, der ansonsten einfach
gerade durch und zwischen die Rippenwände 44 verläuft, abgefangen.
Diese sogenannte "Bypassströmung" ist mit divergenten Rippenwänden 44
und ihren breiteren Strömungsdurchgangsbereichen O ausgeprägter. Es
kann auch sein, dass die Strömung durch die besser ausgerichteten
Öffnungen, die durch die Lamellen in benachbarten Rippenwänden 44
ausgebildet werden, glatter oder besser definiert ist. Alle
Strömungsmechanismen und -änderungen, die durch die neuartige Geometrie der
Lamellen 48 bewirkt werden, sind bis zu diesem Zeitpunkt noch nicht
vollständig verstanden worden. In jedem Fall ist berechnet worden, dass
für eine vergleichbare Lamellenbreite, Rippenwandbreite, einen
vergleichbaren Rippenwandwinkel und einen vergleichbaren Rohrabstand der
Wärmeübertragungskoeffizient der Lamelle 48 der Erfindung im Vergleich
zu demjenigen der längstmöglichen Lamelle 28 des Standes der Technik
eine Verbesserung von etwa 13% gezeigt hat. Dies ist quantitativ gesehen
wesentlich mehr, als der entsprechende Anstieg der relativen
Lamellenlänge von nur 2%. Daher erscheint es, dass die verschiedene Orientierung
der Lamelle 48 zusätzlich zu ihrer längeren Länge eine Wirkung auf ihren
Betrieb haben muss.
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Änderungen der offenbarten Ausführungsform sind möglich.
Grundsätzlich könnte eine mit Lamellen versehene, gewellte Rippe einschließlich der
hier offenbarten bestimmten Konstruktion innerhalb eines
Strömungsrohres verwendet werden, wodurch Strömungsdurchgänge für eine
Flüssigkeit und nicht gerade Luft gebildet werden. Wie bereits erwähnt ist, könnten
die Rippenwände nahezu parallel zueinander (und rechtwinklig zu den
Rohren) sein, anstatt V-förmig oder divergent zu sein. Die Lamellen
könnten insgesamt mit der gleichen allgemeinen Richtung oder Neigung
ausgebildet sein, anstatt in benachbarten Sätzen mit abwechselnder Neigung,
obwohl dies die weitaus üblichere Konfiguration ist. Wenn die Lamellen in
benachbarten Sätzen mit abwechselnden Neigungen vorliegen, umfasst die
üblichste Konfiguration nur zwei derartige Sätze, einen vorausgehenden
und einen nachfolgenden. Jedoch sind drei oder mehr Sätze möglich, von
denen jeder in seiner Neigung von dem nächsten abwechselt. Die Lamellen
in jedem Satz könnten weiter um ihre schrägen Achsen gedreht werden,
als veranschaulicht ist, wobei die einzige Begrenzung dadurch vorgesehen
ist, dass sie nicht so breit werden oder so weit gedreht werden, dass sie an
die Lamellen in benachbarten Rippenwänden innerhalb der breiteren
Bereiche der Strömungsdurchgänge anstoßen und sich mit diesen
überlagern. Wiederum ist dies eine weitaus geringere einschränkende
Beschränkung als das Vermeiden einer Überlagerung innerhalb der mehr
begrenzten Innenfläche eines Rippenscheitels.