EP1357345B1

EP1357345B1 - Gewellter Wärmetauschkörper

Info

Publication number: EP1357345B1
Application number: EP03004778A
Authority: EP
Inventors: Jens Dipl.-Ing. Nies
Original assignee: Modine Manufacturing Co
Current assignee: Modine Manufacturing Co
Priority date: 2002-04-27
Filing date: 2003-03-05
Publication date: 2009-09-09
Anticipated expiration: 2023-03-05
Also published as: EP1357345A2; DE10218912A1; US20030213588A1; US6942024B2; DE50311879D1; EP1357345A3

Description

Die Erfindung betrifft einen gewellten Wärmetauschkörper gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Gewellte Wärmetauschkörper im vorliegenden Sinn sollen beispielsweise sogenannte Wellrippen sein, die bei luftgekühlten Kühlern zwischen den in Reihe angeordneten Flachrohren eingefügt sind, um den Wärmeaustausch zwischen dem Medium in den Flachrohren und der durch die Wellrippen strömenden Kühlluft zu gewährleisten. Die erwähnten Wärmetauscherwände sind in dem Fall die Breitseiten der Flachrohre. Die Scheitelpunkte sind bogenförmig ausgebildet.
Andere gewellte Wärmetauschkörper werden oft als Lamellen oder auch als Inneneinsätze bezeichnet und befinden sich innerhalb von Rohren oder in mittels Platten gebildeten Kanälen, beispielsweise bei Plattenwärmetauschern, die als Ölkühler oder dergleichen anzutreffen sind. In solchen Fällen sind die Wärmetauscherwände die einzelnen ineinander gestapelten Platten. Die Scheitelpunkte sind meist u - förmig gebogen.
Die im Oberbegriff definierten Wärmetauschkörper (Wellrippen) sind aus der US - PS - 3 298 432 bekannt. Die Strukturen in den Flanken sind in der US - Schrift sehr feine Rippen, die in der Art eines Fischgrätenmusters schräg verlaufen. Das Muster wird in das Metallband eingeprägt und anschließend wird die Wellenform der Wellrippe hergestellt, so dass die Anordnungsrichtung der Strukturen in einer Flanke sich kreuzt mit der Anordnungsrichtung der Strukturen in der folgenden Flanke. Da die Strukturen in der US - Schrift sehr fein sein sollen, ergibt sich im wandnahen Bereich zwar eine verbesserte Effizienz des Wärmetausches, jedoch wird sich durch die Kreuzung derselben kaum eine spürbare zusätzliche Wirkung einstellen. Weil das Muster in das gesamte Metallband flächig eingeprägt wird, befindet es sich auch in den Scheitelpunkten der Wellrippe, wodurch die wärmeleitende Verbindung mit den Wärmetauscherwänden beeinträchtigt werden könnte. Zudem könnte diese sehr feine Strukturierung zu einem schlechteren Lötergebnis führen
In der DE 195 03 766 C2 besitzen die Wellrippen eine ähnliche Fischgrätenstruktur, wobei dort, wegen der größeren Breite des Metallbandes, mehrere Fischgrätenstrukturen hintereinander angeordnet sind, so dass sich parallele Zick - Zack - Linien ergeben. Das Fischgrätenmuster ist wesentlich gröber als das aus dem erstgenannten Dokument. Eine Kreuzung der Anordnungsrichtung von Flanke zu Flanke ist in der DE - Schrift nicht vorgesehen.
Aus AT 380 104 ist ein Plattenradiator bekannt. Dieser enthält ein Konvektorblech, das als gewellter Wärmetauschkörper ausgebildet ist. In den Flanken des gewellten Konvektorbleches sind Ausschnitte vorhanden, die benachbarte Strömungskanäle strömungstechnisch miteinander verbinden.
Die beschriebenen Wärmetauschkörper sollen gemäß der Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung derart fortgebildet werden, dass sie hinsichtlich ihrer Wärmetauscheffizienz eine weitere Verbesserung versprechen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Der Lösungsvorschlag erfüllt in Verbindung mit dem Oberbegriff die gestellte Aufgabe.
Gemäß dem Kennzeichen des Anspruchs 1 ist vorgesehen, dass die Elemente der Strukturen Wellen der Flanken sind, die den Strömungskanal mit im Wechsel folgenden Einschnürungen und Erweiterungen versehen.
Es wurde festgestellt, dass so ausgebildete Wärmetauschkörper einen besseren Wärmeübergang aufweisen. Dies könnte darauf zurückzuführen sein, dass die durch den Strömungskanal zwischen den Flanken hindurchgehende Strömung zumindest ansatzweise in Rotation versetzt wird, wodurch sich der Austausch mit der wandnahen Strömung verbessert.
Durch die Wellen der Flanken, die in den Strömungskanal hinein weisen, stellen sich, wie aus in verschiedenen Höhen vorgenommenen Querschnitten ersichtlich ist, durch den Strömungskanal, in Strömungsrichtung gesehen, im Wechsel Einschnürungen und Erweiterungen des Strömungskanals ein, denen ein günstiger Effekt zugeordnet werden kann.
Gemäß eines aus der US 6 073 686 bekannten Merkmals können die Flanken zusätzlich Schnitte aufweisen, die die gleiche Anordnungsrichtung der Wellen horben und die benachbarte Strömungskanäle strömungstechnisch miteinander verbinden. Solche von Flanke zu Flanke in ihrer Anordnungsrichtung sich kreuzenden Schnitte können einen Beitrag zum verbesserten Wärmeübergang leisten. Die Schnitte selbst sind an sich bekannter Natur und aus der Oberfläche der Flanke herausgebogen, wodurch sich Öffnungen in der Flanke ergeben, die benachbarte Strömungskanäle miteinander verbinden.
Die Schnitte können sich in den Wellentälern oder auf den Wellenbergen oder an beliebigen Stellen innerhalb der Wellen befinden.
Die Schnitte werden bekanntermaßen mit einem Anstellwinkel zur Flankenfläche versehen um eine turbulente Strömung zu erzeugen. Vorzugsweise besitzen die Schnitte der Erfindung innerhalb einer Flanke und auch in benachbarten Flanken gleiche Anstellwinkel. Die Wellen der Flanken und die Schnitte haben die gleiche Anordnungsrichtung, so dass, in einem Querschnitt gesehen, die Schnitte und die Wellen in den Flanken parallel zueinander angeordnet sind. Die Anordnungsrichtungen der Schnitte und Wellen in benachbarten Flanken kreuzen sich.
Als vorteilhaft wird ferner angesehen, dass bei mehreren Gruppen von schrägen Strukturen in einer Flanke entgegengesetzte Neigungswinkel der schrägen Strukturen von einer Gruppe zur nächsten Gruppe vorgesehen sind, wobei zwischen den Gruppen, die Flanken entweder ohne Struktur ausgebildet sind oder im Bedarfsfall Versteifungselemente aufweisen können.
Die Länge der Elemente der Strukturen ist an ihrem Anfang und an ihrem Ende kürzer als in dem daran anschließenden Hauptstrukturenbereich, um die Fläche der Flanken möglichst optimal auszunutzen.
Die Länge der Elemente im Hauptstrukturenbereich soll vorzugsweise gleich groß sein und mindestens 70% der Wellenhöhe betragen.
Der Neigungswinkel der schrägen Strukturen gegenüber der Vertikalen ist vorzugsweise nicht größer als 45°. Durch diese Merkmale wird ebenfalls auf die möglichst umfassende Ausnutzung der Fläche der Flanken zur Anordnung von Strukturen gezielt.
Die Erfindung wird nachfolgend in drei Ausführungsbeispielen beschrieben.
Die beiliegenden Figuren zeigen in

Fig.1: Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Lamelle;
Fig. 2: Draufsicht auf die Lamelle aus Fig. 1;
Fig. 3: Schnitt A-A aus Fig. 1;
Fig. 4: Schnitt C-C aus Fig. 1;
Fig. 5: Schnitt D-D aus Fig. 1;
Fig. 6: Perspektivischer Blick auf diese Lamelle;
Fig. 7: Seitenansicht einer nicht erfindungsgemäßen Wellrippe;
Fig. 8: Draufsicht;
Fig. 9: Schnitt A-A aus Fig. 7;
Fig.10: Perspektivischer Blick auf die Wellrippe;
Fig.11: Seitenansicht (a) und Draufsicht (b) auf eine erfindungsgemäße Lamelle mit Wellen und Schnitten.

Die abgebildeten Wärmetauschkörper sind aus einem Aluminiumband hergestellt worden. Sie könnten jedoch auch aus einem anderen geeigneten Metall bestehen.
Die Herstellung geschieht so, dass zunächst die Strukturen 5 in das Metallband eingeprägt werden, wobei die Strukturen 5 in Bandlängsrichtung einen Abstand voneinander haben. Die Größe des Abstandes entspricht im Ausführungsbeispiel aus den Fig. 1 bis 6 etwa den späteren Scheitelpunkten 2, die im Anschluß daran durch Biegung des Bandes in Querrichtung geschaffen werden. Es wurde in den Ausführungsbeispielen lediglich eine einzige Welle dargestellt, wobei jedoch absolut klar ist, dass der Wärmetauschkörper 1 aus einer beliebigen Anzahl von Wellen besteht, so dass eine erste und eine zweite Ebene, gebildet aus den Scheitelpunkten 2, vorhanden sind.
Das Ausführungsbeispiel aus den Fig. 1 bis 6 zeigt eine Lamelle, die als Inneneinsatz in einem Kanal eines Ölkühlers angeordnet ist, was jedoch nicht ausführlich gezeigt wurde, weil die Anordnung von Lamellen in aus Platten gestapelten Wärmetauschern eine gut bekannte Maßnahme darstellt. Zur Fig. 1 gehören auch stirnseitige Ansichten auf das im Bild linke und rechte Ende der Lamelle. Auf der im Bild rechten Ansicht der Fig. 1 wurde lediglich oben und unten je eine Wärmetauscherwand 3 angedeutet, die zu den bereits erwähnten Platten gehört und die in der erwähnten ersten und zweiten Ebene angeordnet sind. Zwischen den beiden Wärmetauscherwänden 3 ist der genannte Kanal ausgebildet, in dem bei einem Ölkühler das Öl fließt. Im nicht gezeigten nach oben oder nach unten benachbarten Kanal, der identisch sein kann, fließt das Kühlmittel. Die schrägen Strukturen 5 in den Flanken 4 des Wärmetauschkörpers 1 sind in Wellen 6. Die Wellen 6 in einer Flanke 4 besitzen eine Länge 16, wobei die Länge 16 in allen Flanken 4 vorzugsweise gleich groß sein sollte. Betragsmäßig liegt die Länge 16 im Bereich von etwa 10 mm und wird in anderen Einsatzfällen auch größer oder etwas kleiner sein. Jedenfalls handelt es sich hier nicht um eine sehr feine Rippung, wie die in der US 3 298 432 , die lediglich eine Oberflächenrauhigkeit erzeugt. Aus der Fig. 1 ist zu sehen, dass die Welle 6 in der vorderen Flanke 4 zur Vertikalen 14 nach links geneigt sind. In der hinteren Flanke 4, die nur teilweise sichtbar ist, sind die Wellen 6 nach rechts geneigt, wodurch die Anordnungsrichtung 15 der Wellen 6 auf der vorderen Flanke 4 sich mit der Anordnungsrichtung 15 der Wellen 6 auf der hinteren Flanke 4 kreuzt. Im Ausführungsbeispiel sind die Neigungswinkel α der Wellen 6 zur Vertikalen 14 in der vorderen und in der hinteren Flanke 4 etwa gleich groß. Eine Kreuzung der Anordnungsrichtung 15 ergibt sich jedoch beispielsweise auch dann, wenn die Wellen 6 in nur einer der Flanken 4 um den Neigungswinkel α gekippt sind und in der anderen Flanke 4 in Richtung der Vertikalen 14 angeordnet sind. Auch deshalb handelt es sich vorliegend lediglich um ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel. Wie aus Fig. 3 zu sehen ist, ergeben sich durch die beschriebene Anordnung der Wellen 6 zwischen den beiden Flanken 4, die einen Strömungskanal 20 begrenzen, in Strömungsrichtung Erweiterungen 10 und Einschnürungen 11 des Strömungskanals 20. Dies kann auch durch Vergleich der linken mit der rechten stirnseitigen Ansicht auf die Enden der Lamelle in Fig. 1 erkannt werden. In der linken Ansicht ist eine Erweiterung 10 zu sehen, während in der rechten Ansicht eine Einschnürung 11 erkennbar ist. Der auffälligste größenmäßige Unterschied zwischen den Erweiterungen 10 und den Einschnürungen 11 stellt sich etwa in der halben Wellenhöhe h ein, in der sich der in Fig. 3 gezeigte Schnitt A-A befindet. Wie die Fig. 4 und 5 (Schnitte D-D und C-C) deutlich zeigen, ist oben und unten weniger Unterschied zwischen den Einschnürungen 11 und den weiterungen 10 festzustellen, so dass dort eher ein gewellter Strömungskanal 20 mit fast parallelen Flanken 4 zu sehen ist. Die Wellen 6 reichen über den gesamten Abstand zwischen der ersten und zweiten Ebene gebildet aus den Scheitelpunkten 2. Die Breite der Wellen 6 ist jedoch wegen ihrer Schräglage größer als die erwähnte Wellenhöhe h zwischen diesen Ebenen. Die Scheitelpunkte 2 haben etwa einen u - förmigen Querschnitt und sind nicht gesickt, wie aus der Draufsicht in Fig. 2 zu erkennen ist.
Ein zum Stand der Technik gehörendes Beispiel ist in den Fig. 7 bis 10 abgebildet.
Dabei handelt es sich um eine Wellrippe, die von Kühlluft durchströmt wird und zwischen den Flachrohren eines luftgekühlten Wärmetauschers angeordnet ist.
In diesem Beispiel ist der eingangs erwähnte, im Vorfertigungsstadium der Wellrippe vorhandene Abstand zwischen den Strukturen 5 (7) in Bandlängsrichtung deutlich größer als das Bogenmaß der Scheitelpunkte 2, die etwa halbkreisförmig ausgebildet sind. Deshalb ist beispielsweise in den Fig. 7 und 10 zu sehen, dass die Strukturen 5 (7) oben und unten nicht unmittelbar bis an die Scheitelpunkte 2 heranreichen, sondem deutlich vorher enden.
In Fig. 10 wurden zwei Wärmetauscherwände 3 angedeutet, die jeweils eine Breitseite der nicht gezeigten Flachrohre darstellen sollen. Zwischen benachbarten Flanken 4 befindet sich jeweils ein Strömungskanal 20. Die Wellrippe ist in ihren Flanken 4 mit Schnitten 7 versehen, wobei sich die Anordnungsrichtung 15 der Schnitte 7 in einer Flanke 4 mit der Anordnungsrichtung 15 der Schnitte 7 in der benachbarten Flanke 4 schneidet. Wie aus den genannten Figuren erkennbar ist, wurden in diesem Ausführungsbeispiel zwei Gruppen A, B von Schnitten 7 vorgesehen, ohne dass die Anzahl der Gruppen auf zwei beschränkt ist. In den beiden Gruppen A und B haben die Schnitte 7 einen gleich großen Neigungswinkel α, sind aber entgegengesetzt geneigt. Die vorstehende Beschreibung geht insbesondere aus der Fig. 7 hervor, die auf der rechten Seite in einem Ausschnitt auch die im Bild hintere Flanke 4 zeigt. In der A - Gruppe sind die Schnitte 7 nach rechts geneigt und in der B - Gruppe nach links. Zwischen den beiden Gruppen A, B ist ein Bereich 13 vorhanden, in dem die Flanken 4 ohne Struktur ausgebildet sind. In nicht gezeigten Ausführungsbeispielen befindet sich im Bereich 13 eine Versteifungssicke. In anderen nicht gezeigten Ausführungsbeispielen kann dieser Bereich 13 ausgeschnitten sein, um die beiden Gruppen A und B thermisch voneinander besser zu trennen. In solchen Fällen handelt es sich dann um zwei verschiedene Wärmetauscher, wobei die Gruppe A zum ersten Wärmetauscher und die Gruppe B zum zweiten Wärmetauscher gehört. Wie die Fig. 9 besonders deutlich macht, sind die Schnitte 7 innerhalb der Gruppen A und B in den Flanken 4 parallel zueinander angeordnet, d. h., sie sind in gleicher Richtung aus der Oberfläche der Flanken 4 herausgestellt worden. Ferner haben alle Schnitte 7 einen gleich großen Anstellwinkel β. Jedoch sind die Schnitte 7 in der Gruppe A nach rechts r herausgestellt worden und in der Gruppe B nach links I, so dass ein in den Strömungskanal 20 eintretender Luftstrahl (Pfeil) in der Gruppe A zu einem wesentlichen Teil nach oben in den nicht gezeigten anschließenden Strömungskanal 20 geleitet wird und in der Gruppe B nach unten in den dortigen ebenfalls nicht gezeigten Strömungskanal 20.
Wie insbesondere aus Fig. 7 erkennbar ist, ist die Länge L der Schnitte 7 am Anfang und am Ende der Gruppe A und B kürzer als im Hauptstrukturenbereich 55, der hier mit dem dritten Schnitt 7 beginnt. Die Schnitte 7 sollten vor dem Bereich 21 vor derseitlichen Kante 22 der Flanke 4 enden um eine ausreichende Steifigkeit der Wellrippe zu erreichen.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel (siehe Fig. 11 a und 11 b) handelt es sich um eine Lamelle wie sie im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben wurde. Sie kann von Kühlluft oder auch von Öl durchströmt werden. Die Lamelle ist in einem Kanal eines Wärmetauschkörpers eingesetzt. Das Besondere dieser Lamellen ist, dass sie zusätzlich zu den Wellungen 6 auch noch Schnitte 7 besitzen. Durch die dadurch entstehende Turbulenz konnte die Wärmetauscheffizienz weiter verbessert werden. Diese Schnitte 7 sind alle um den gleichen Winkel δ aus der Lamelle ausgestellt, so dass das sie durchströmende Medium von einem Strömungskanal 20 in die benachbarten Strömungskanäle 20 gelangen kann. Die Höhe h der Schnitte 7 ist kleiner als die Wellenhöhe h der Lamelle, um eine ausreichende Stabilität der Lamelle zu gewährleisten. Der Abstand 17 der Schnitte 7 sollte vorzugsweise gleich groß sein wie die halbe Wellenlänge 16 der Wellung 6. Die Schnitte 7 liegen in den einzelnen Wellen 6, sie können sich jedoch auch an anderen Positionen auf der Flanke 4 befinden. Wobei darauf verzichtet wurde dies im Einzelnen zu zeigen. In den Bereich 21 vor der Kante 22 sollten die Schnitte 7 im Gegensatz zu den Wellen 6 nicht hineinreichen, so dass die letzten Schnitte 7 kürzer als die Schnitte 7 im Hauptstrukturenbereich 55 sind.

Claims

Gewellter Wärmetauschkörper (1), der aus einem Metallband herstellbar ist und eine Wellenhöhe (h) aufweist, die zwischen den Scheitelpunkten (2) der Wellen liegt, wobei die Scheitelpunkte (2) eine erste und eine zweite Ebene bilden, die aus mehreren Scheitelpunkten (2) bestehen, wobei zumindest einige Scheitelpunkte (2) jeder Ebene mit Wärmetauscherwänden (3) zu verbinden sind und wobei jeder Scheitelpunkt (2) der ersten Ebene mit dem folgenden Scheitelpunkt (2) der zweiten Ebene mittels Flanken (4) verbunden ist und zwischen benachbarten Flanken (4) jeweils ein Strömungskanal (20) ausgebildet ist; in den Flanken (4) befinden sich Strukturen (5), deren Anordnungsrichtung (15) in einer Flanke (4) sich kreuzt mit der Anordnungsrichtung (15) in der folgenden Flanke (4),
dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen (5) eine Wellung der Flanken (4) sind, die den Strömungskanal (20) mit im Wechsel folgenden Einschnürungen (11) und Erweiterungen (10) versehen, wobei die Anordnungsrichtung der Wellen (6) in der einen Flanke (4) sich kreuzt mit der Anordnungsrichtung der Wellen (6) in der benachbarten Flanke (4), wobei benachbarte Strömungskanäle (20) entweder strömungstechnisch voneinander getrennt sind oder die Flanken (4) Schnitte (7) aufweisen, die die gleiche Anordnungsrichtung wie die Wellen (6) haben, so dass die Schnitte (7) und die Wellen (6) parallel zueinander angeordnet sind und die Schnitte (7) benachbarte Strömungskanäle (20) strömunstechnisch miteinander verbinden.
Gewellter Wärmetauschkörper nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnungsrichtung (15) der Wellen (6) mit der Vertikalen (14) übereinstimmt und die Anordnungsrichtung (15) der Wellen (6) in der folgenden Flanke (4) einen Neigungswinkel (α) zur Vertikalen (14) hat.
Gewellter Wärmetauschkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnungsrichtung (15) der Wellen (6) in einer Flanke (4) einen Neigungswinkel (α) zur Vertikalen (14) hat und die Anordnungsrichtung (15) der Wellen (6) in der folgenden Flanke (4) einen entgegengesetzten, aber vorzugsweise einen gleich großen Neigungswinkel (α) aufweist.
Gewellter Wärmetauschkörper nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Wellen an ihrem Anfang und an ihrem Ende kürzer ist als in dem daran anschließenden Hauptstrukturenbereich.
Gewellter Wärmetauschkörper nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Wellen im Hauptstrukturenbereich mindestens 70% der Wellenhöhe (h) beträgt.
Gewellter Wärmetauschkörper nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel (α) der Wellen (6) gegenüber der Vertikalen (14) vorzugsweise nicht größer als 45° ist.
Gewellter Wärmetauschkörper nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mittels der Scheitelpunkte (2) gebildeten zwei Ebenen entweder parallel zueinander angeordnet sind oder abnehmenden bzw. ansteigenden Abstand (Wellenhöhe h) zueinander aufweisen.