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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Gas-Wärmetauscher und insbesondere,
obwohl nicht ausschließlich, Abgasrückführkühler
zur Benutzung in Fahrzeuganwendungen.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Es
gibt viele Anwendungen, in denen es wünschenswert ist,
Gas-Wärmetauscher zu benutzen. Diese umfassen Anwendungen,
bei welchen es wünschenswert ist, ein Gas abzukühlen,
zum Beispiel in Abgasrückführ-(EGR)-Kühlern.
Ferner sind Anwendungen bekannt, in denen ein Einlass für Heißgas
und ein Auslass für gekühltes Gas aufgrund von
räumlichen Einschränkungen nahe beieinander liegen
müssen.
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Unter
bestimmten Bedingungen kann ein Wärmeaustausch erforderlich
sein, aber unter anderen Bedingungen kann er unerwünscht
sein. Zum Beispiel kann es bei kaltem Motor wünschenswert sein,
das Gas nicht zu kühlen, um eine schnellere Erwärmung
des Motors zu erzielen, aber bei heißem Motor kann es wünschenswert
sein, das Gas zu kühlen. Eine solche Anwendung umfasst
einen Abgasrückführkreislauf.
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Abgasrückführung
ist ein Verfahren zum Reduzieren von gesundheitsschädlichen
Emissionen von Verbrennungsmotoren. Insbesondere reduziert das Vorhandensein
von Abgas in dem Verbrennungsgemisch den Prozentsatz von Sauerstoff,
und reduziert daher die Neigung NOX-Verbindungen zu bilden.
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Im
Allgemeinen ist es vorteilhaft, das rückgeführte
Abgas zu kühlen, da dessen reduzierte Temperatur hilft,
die Verbrennungstemperatur innerhalb der Motorzylinder zu senken.
Ferner kann, da Gas dichter wird, wenn es abgekühlt wird,
für einen bestimmten Druckabfall über das ganze
Abgasrückführsystem hinweg, mehr Gas das System
durchlaufen, das gekühltes Gas benutzt, im Vergleich zu
heißem Gas.
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Allerdings
ist das Kühlen von Abgas nicht unter allen Bedingungen
wünschenswert. Wenn die Motortemperatur niedrig ist oder
der Motor unter geringer Belastung ist, ist es oftmals vorzuziehen,
das Abgas ohne Kühlung rückzuführen.
Bei fortschrittlicheren Motoren kann es vorteilhaft sein, die rückgeführte
Abgastemperatur zu steuern. In diesem Falle wird ein Teil des Gases
gekühlt und ein Teil bleibt ungekühlt, derart,
dass das Gemisch der Beiden eine gewünschte Gesamt-Gastemperatur
ergeben kann.
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Demzufolge
erfordern viele Anwendungen, die einen Wärmeaustausch erfordern,
ebenfalls eine Gas-Überbrückung, derart, dass
das Durchführen des Gases durch den Wärmetauscher
zum Kühlen wählbar ist. Wenn das Kühlen
des Gases erforderlich ist, wird ein Überbrückungs-Ventil
geschlossen und das Gas läuft durch den Wärmetauscher.
Wenn das Kühlen des Gases unerwünscht ist, wird
die Überbrückung derart geöffnet, dass
das Gas den Wärmetauscher umgeht.
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Wenn
es erforderlich ist, die Temperatur des Gasauslasses zu steuern,
kann das Überbrückungs-Ventil benutzt werden,
um teilweise einen Gasstrom durch den Wärmetauscher zu
leiten, derart, dass ein ungekühlter Überbrückungs-Strom,
der den Wärmetauscher umgeht, mit einem gekühlten Gasstrom,
der durch den Wärmetauscher läuft, vermischt wird
und einen gemischten Gasstrom von teilweise ungekühltem
und teilweise gekühltem Gas ergibt.
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Demzufolge
kann ein Überbrückungs-Ventil, wenn eine Steuerung
der Gasauslasstemperatur erforderlich ist, in einem teilweise geöffneten
Zustand betrieben werden.
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In
einem herkömmlichen Wärmetauscher befinden sich
im Allgemeinen eine Kühlmittelleitung und eine Gasleitung
in nächster Nähe und sind normalerweise durch
eine dünne Wand getrennt, die als Wärmeenergieüberträger
zwischen dem Kühlmittel und dem Gas wirkt. Wenn Gaskühlung
erforderlich ist, dann wird das Gas umgeleitet, um durch die Gaskühlleitung
geführt zu werden. Unter Umständen, wo Gaskühlung
nicht erforderlich ist, wird das Gas dann durch die Überbrückungs-Leitung
umgeleitet.
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Ein Überbrückungs-Ventil
steuert, ob das Gas in der Gaskühlleitung oder in der Überbrückungs-Leitung
geführt wird. Für derzeitige EGR-Anwendungen wird
das Überbrückungs-Ventil von dem EGR-Ventil getrennt,
das das Volumen von rückgeführtem Abgas steuert.
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Wenn
Gas durch die Überbrückungs-Leitung befördert
wird, ist es unerwünscht, dass das Gas gekühlt
wird. Um dies zu erreichen, sollte so wenig wie möglich
Berührung zwischen der Überbrückungs-Leitung
und der Kühlmittelleitung bestehen, da das Kühlmittelfluid
in der Kühlleitung das Gas kühlen würde,
das durch die Überbrückungs-Leitung unter Überbrückungs-Bedingungen
befördert wird.
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Mit
Bezug auf
1 sind Lösungen des Stands
der Technik, um Wärmeenergieübertragung von dem Überbrückungs-Gas
zu dem Kühlmittel zu minimieren, bereits bekannt. Eine
derartige Lösung wurde in der
US-Patentschrift 6,718,956 bereitgestellt,
in der die Überbrückungs-Leitung im Hauptgehäuse
des Wärmetauschers angeordnet ist. Ein Gehäuse
umfasst eine Kühlmittelleitung, in der eine Reihe von Gaskühlleitungen
und eine Überbrückungs-Leitung angeordnet sind.
Die Überbrückungs-Leitung ist deshalb in enger
Berührung mit der Kühlmittelleitung, was unerwünscht
ist. Schwierige Abänderungen wären erforderlich,
um das Maß an Kühlung zwischen dem Kühlmittelfluid
und der Überbrückungs-Leitung in diesem System
des Stands der Technik zu minimieren. Diese Abänderungen
umfassen das Vorhandensein einer doppelwandigen Überbrückungs-Leitung
mit einem gasgefüllten Hohlraum zwischen den zwei Wänden,
um den Wärmeaustausch zwischen dem in der Kühlmittelleitung
enthaltenem Kühlmittelfluid und dem in der Überbrückungs-Leitung
geführten Gas zu reduzieren.
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Eine
andere bekannte Lösung ist, einen äußeren Überbrückungs-Kanal
zu benutzen. Beispiele von derartigen Lösungen sind in
US 2003 150434 und
WO 03085252 offenbart.
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Mit
Bezug auf 2 nimmt ein äußerer Überbrückungs-Kanal
zusätzlichen Raum ein, was ein Nachteil für Anwendungen
ist, wo die Unterbringung eines Kühlers in einem Motorraum
eingeschränkt ist. Allerdings wird die Lösung
mit dem äußeren Überbrückungs-Kanal
immer noch benutzt, da die Überbrückungs-Leitung
außerhalb der Kühlmittelleitung und der Gaskühlleitung
liegt und deshalb die Überbrückungs-Leitung nicht
durch die Kühlmittelleitung gekühlt wird. Die äußere Überbrückungs-Leitung
besteht normalerweise aus einem dünnwandigen Abgasrückführungsrohr
und dem Überbrückungs-Ventil, das einen Kreislauf
bildet, der mit dem Einlass und dem Auslass der Gaskühlleitung
verbunden ist. Allerdings verursacht der Überbrückungs-Kreislauf
etwas Kühlung, da er sowohl als Kühlkörper
als auch als Heizkörper wirkt.
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Mit
Bezug auf 3 ist es eine Abänderung der
bekannten Lösung des externen Überbrückungs-Kanals,
einen externen Überbrückungs-Kreislauf bereitzustellen,
der nur aus einem Überbrückungs-Ventil besteht.
Damit dieses System funktioniert, ist erforderlich, dass die Einlässe
und Auslässe der Gaskühlleitung durch nicht mehr
als die Länge des Überbrückungs-Ventils
von einander getrennt sind. Diese Art von Wärmetauscher
wird häufig als ein „U-Kühler" bezeichnet.
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Eine
fortwährende Aufgabe einer Bauweise eines Wärmetauschers
der „U-förmigen" Wärmetauscher-Art ist
es, die Wärmeübertragungsrate zu erhöhen,
während gleichzeitig der Gasdruckabfall reduziert wird,
sowie dies mit minimalen Abmessungen und minimalem Volumen und Gewicht
des Geräts zu erreichen.
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Mit
Bezug auf 4 und 5 ist ein
Verfahren, das von herkömmlichen Herstellern von Mantel-
und Rohrkühlern angewandt wird, einen Mantel und ein Rohr,
die in Längsrichtung halbiert sind, zu verwenden, bekannt.
Dies kann durch einfaches Ändern der Endverschraubungen
zu einem Rohr erfolgen. Ein Ende wird eine Einlass/Auslass-Schnittstelle und
das andere Ende wird ein Rückführabschnitt.
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Allerdings
weist eine derartige Bauweise eine Anzahl von Problemen auf, wie
folgt.
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Der
Abschlussrückführabschnitt an einem Ende des Kühlers
erhält kein Kühlmittel und deshalb wird Gas, das
durch diesen Abschnitt läuft, nicht gekühlt. Dies
verschwendet wertvolle Wärmeaustauschfläche und
Raum.
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Da
der Endrücklauf nicht gekühlt wird, wird die Oberfläche
des äußeren Rückführabschnitts heiß,
was bedeutet, dass wenn der Wärmetauscher in einen Motorraum
eingesetzt wird, mehr Abstand zwischen dem heißen Rückführungsende
und benachbarten Motorraumbauteilen erforderlich ist.
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Der
Abschlussrückführabschnitt leitet den Gasstrom
nicht, und deshalb kann es eine bevorzugte Tendenz des Stroms eher
in Richtung zu den äußeren Rohren als zu den inneren
Rohren geben, besonders im Rückführpfad. Dies
kann eine niedrige Gasgeschwindigkeit in den inneren Rohren verursachen
und zur Verschmutzung dieser inneren Rohre aufgrund der niedrigeren
Gasgeschwindigkeit führen. Verschmutzen kann durch niedrigere
Gasgeschwindigkeiten erhöht werden, und einheitliche Gasgeschwindigkeiten
durch die gesamte Vorrichtung hindurch sind bevorzugt, um ungleichmäßiges
Verschmutzen der Gasrohre zu vermeiden.
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Der
Abschlussrückführabschnitt leitet den Gasstrom
nicht, wodurch der der ungeleitete Gasstrom zu einem größeren
Druckabfall über die gesamte Vorrichtung hinweg führt.
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Um
eine Vorrichtung mit einem reduzierten Raumumfang bereitzustellen,
müssen die inneren Rohre dichtgedrängt in Rohrböden
eingesetzt werden. Die Dicke der Materialien, die die Rohre trennen,
wo sie mit den Rohrböden verbunden sind, ist relativ gering.
Das Reduzieren der Wanddicke des Rohrbodens kann beim Einsetzen
der Rohre in die Rohrböden zu Problemen führen.
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Beim
Befestigen der Rohre zwischen zwei Rohrböden wird jede
ungleiche Ausdehnung eines Gasrohrs relativ zu dem äußeren
Mantel oder zwischen einem Gasrohr und einem Anderen Spannungen
an den Rohrböden verursachen. Zum Beispiel, da die inneren
Gasstromrohre heißer sind als die äußeren
Gasstromrohre, da es einen Temperaturunterschied zwischen diesen
Rohren gibt, kann dies Spannungen an dem Rohrboden zwischen den
inneren und äußeren Rohren verursachen. Fehlermöglichkeiten
von Rohrböden und Rohren aufgrund von Wärmespannungen
sind in der Technik wohlbekannt. Eine Verbesserung dieser Bauweise
wird in den 6 und 7 dargestellt,
wo der Rücklaufabschnitt gekühlt wird.
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Mit
Bezug auf die 8 und 9 ist ein weiteres
Verfahren, gebogene Rohre einzusetzen. Dies beseitigt den Übergang
von einwärts strömenden Rohren zu auswärts
strömenden Rohren am Abschlussrücklaufabschnitt
und seinen anschließenden Rohrboden. Diese Lösung
beseitigt einige der obigen Probleme im Zusammenhang mit dem Rohrboden.
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Allerdings
bringt die Benutzung von gebogenen Rohren weitere Probleme mit sich,
wie folgt.
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Erstens,
um eine enge Anordnung der Rohre zu erreichen und dadurch den Raumbedarf
der Vorrichtung auf ein Minimum zu reduzieren, müssen die inneren
Rohre einen sehr engen Biegeradius an ihrem Rücklauf aufweisen.
Derartige Biegungen können nicht durch einfache Biegetechniken
erzeugt werden, sondern erfordern eine aufwendige Herstellung.
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Zweitens,
da es eine Anzahl von unterschiedlichen Röhren innerhalb
einer Vorrichtung gibt, mit unterschiedlichen Biegeradien, erhöht
dies den Lagerbestand von Teilen, die hergestellt und gelagert werden
müssen.
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Drittens,
die Toleranzen der Endstücke der gebogenen Rohre müssen
hoch sein, um leicht in den Rohrboden zu passen, wodurch die Herstellungstoleranzen
verkleinert werden und die Herstellungsschwierigkeit erhöht
wird.
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Mit
Bezug auf die 10 und 11 ist
eine weitere bekannte Lösung, eine Reihe von Platten zu benutzen,
die übereinander gestapelt werden, was einige der oben
erwähnten Probleme beseitigt. Mehrere "U"-förmige
Platten werden ineinander mit dazwischen liegenden Durchgängen
für den Gasstrom verschachtelt.
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Allerdings
bringt dies weitere Probleme in der Bauweise und Benutzung mit sich.
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Jede
Schicht von Platten ist ein getrenntes Untersystem, und das Kühlmittel
muss deshalb ein Mittel des Übertretens zwischen jede der
Kühlmittelschichten aufweisen.
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Die
Kühlmittelleitung und die Gasleitung sind genau passend
an allen vier Rändern der Platten befestigt. Eine Platte
kann sich nicht relativ zu einer anderen bewegen. Daher werden Wärmespannungen durch
Wärmeausdehnung nicht abgebaut.
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Jede
Platte muss vollständig mit der nächsten Platte
verbunden sein. Dies bedingt eine große Anzahl von Trennfugen
und eine große Trennfugenlänge, die während
des Zusammenbaus des Kühlers abgedichtet werden muss.
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Obwohl
diese Art von Plattenbauweise eine verbesserte Reduzierung der Gesamtgröße
bietet, sowie einen Anstieg des Wärmeaustausches ohne den
entsprechenden Anstieg des Druckabfalls des gekühlten Gases,
unterliegt sie Wärmespannungen und Herstellungsschwierigkeiten.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Bestimmte
Ausführungsformen gemäß der vorliegenden
Erfindung zielen darauf ab, einen U-förmigen Wärmetauscher
bereitzustellen, der eine Reduzierung der Gesamtgröße
und des Gewichtes verwirklicht, während gleichzeitig eine
Wärmeaustauschrate, ohne einen entsprechenden Anstieg eines
Druckabfalls des gekühlten Gases, im Vergleich zu U-förmigen
Wärmetauschern des Stands der Technik erhöht wird.
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Gemäß einem
ersten Gesichtspunkt umfasst eine Abgasrückführkühlervorrichtung: mindestens eine
Kühlplatte, wobei die Kühlplatte umfasst:
eine
obere Plattenwand und eine untere Plattenwand
wobei die obere
und untere Plattenwand mehrere Gasdurchgänge definieren,
die einen Gaseinlass an einem ersten Ende der Kühlplatte
und einen Gasauslass an dem ersten Ende der Kühlplatte
aufweisen;
wobei jeder der Durchgänge einen Gasstrom
zwischen dem Einlass und dem Auslass und entlang einer Länge
der Platte leitet;
wobei die Platte abgedichtet ist, um so
entlang einer Länge der Platte und an einem zweiten Ende
der Platte gasdicht zu sein.
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Vorzugsweise
sind mehrere Gasdurchgänge konzentrisch ineinander in einer
Hauptebene der Kühlplatte verschachtelt.
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Die
mehreren Gasdurchgänge können von einander getrennt
sein. Alternativ können die mehreren Gasdurchgänge
teilweise von einander getrennt sein, wobei ein Hauptstrom von Gas
entlang einer Hauptlänge von jedem der Gasdurchgänge
durchläuft, aber ein eingeschränkter Durchgang
von Gas zwischen benachbarten Gasdurchgängen innerhalb derselben
Kühlplatte ebenfalls vorgesehen ist.
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Vorzugsweise
umfasst die Kühlplatte mehrere Einbuchtungen, die entlang
der mehreren Gasleitungen angeordnet sind, wobei sich die mehreren Einbuchtungen
in die Gasdurchgänge erstrecken, um einen durch die Durchgänge
laufenden Gasstrom zu verteilen und dadurch ein Vermischen des Gasstroms
innerhalb eines oder mehrerer der Gasdurchgänge zu erzeugen.
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Vorzugsweise
sind die Gasdurchgänge derart angeordnet, dass das Gas
in einem sich abwechselnd windenden Pfad entlang einer Länge
von jedem der Gasdurchgänge strömt.
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Vorzugsweise
umfasst jeder Gasdurchgang einen im Wesentlichen „U"-förmigen
rohrförmigen Durchgang.
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Sofern
die Kühlervorrichtung mehrere der Kühlplatten
umfasst, die nebeneinander gestapelt sind, sind die mehreren Kühlplatten
vorzugsweise an ihren entsprechenden ersten Enden derart verbunden,
dass mehrere Einlässe zu den Kühlplatten benachbart
zueinander liegen und mehrere Auslässe der Kühlplatten
benachbart zueinander liegen.
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Sofern
mehrere der Kühlplatten nebeneinander angeordnet sind,
sind sie vorzugsweise derart voneinander beabstandet, dass ein Kühlmittelfluid zwischen
den Kühlplatten durchfließen kann.
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Vorzugsweise
umfasst die Kühlervorrichtung einen äußeren
Behälter, der eine oder mehrere Kühlplatten umgibt,
wobei die Anordnung derart ist, dass Kühlmittelfluid über
eine Einlassöffnung in den Behälter, um die eine
oder die mehreren Kühlplatten herum, und aus einer Auslassöffnung
des Behälters strömt.
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Vorzugsweise
weist jede der Kühlplatten im Wesentlichen eine „U"-Form
auf und mehrere der Kühlplatten können in einem äußeren
Behälter, der mehrere der Kühlplatten enthält,
nebeneinander gestapelt sein.
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Die
Kühlervorrichtung kann ferner einen rohrförmigen
Durchgang umfassen, der einen oder mehrere Gasdurchgangseinlässe
und einen oder mehrere Gasdurchgangsauslässe umschließt,
wobei der Durchgang ein Überbrückungs-Ventil zum
Leiten eines Gasstroms in die mehreren Einlässe oder alternativ
zum Vorbeileiten des Gasstroms an den mehreren Einlässen
und Auslässen, enthält.
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Die
Kühlervorrichtung kann mehrere Kühlplatten umfassen,
die nebeneinander in einem Behälter angeordnet sind, wobei
die Platten derart angeordnet sind, dass ein Kühlmittelstrom
innerhalb des Behälters entlang einer Hauptlänge
einer jeden Kühlplatte zwischen einem ersten Ende und einem zweiten
Ende jeder Kühlplatte und um ein zweites Ende einer jeden
Kühlplatte herum durchläuft.
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Eine
mittig angeordnete Kühlplatte kann dazu dienen, einen Kühlmittelstrom
in einen in Richtung des zweiten Endes des Behälters ausgehenden Strom
und einen von dem zweiten Ende zu dem ersten Ende des Behälters
rückkehrenden Kühlmittelstrom zu teilen.
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Sofern
mehrere Kühlplatten vorhanden sind, sind sie vorzugsweise
an ihren ersten Enden verbunden, um so innerhalb eines Haupthohlraums
des Behälters derart aufgehängt zu sein, dass
Kühlmittel zwischen einem oberen und/oder unteren Außenbereich
von mindestens einer der Kühlplatten und einer äußeren
Wand des Behälters und zwischen Kammern, die zwischen Einzelnen
der Kühlplatten definiert sind, durchströmen kann.
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Gemäß einem
zweiten Gesichtspunkt wird eine Kühlplatte für
eine Kühlvorrichtung bereitgestellt, wobei die Kühlplatte
umfasst:
eine erste Seitenwand und eine zweite Seitenwand, wobei
die erste und die zweite Seitenwand von einander beabstandet sind;
wobei
die erste und zweite Seitenwand an einem oberen und einem unteren
Abschnitt verbunden sind;
wobei die Kühlplatte ein
erstes Ende aufweist, das eine oder mehrere Öffnungen zum
Eintritt von Gas und ein zweites Ende, das verschlossen ist, umfasst;
mehrere
Gasleitungen, die nebeneinander angeordnet sind, wobei sich jede
Gasleitung von einem Einlassabschnitt am ersten Ende der Platte
zu einem Auslassabschnitt an dem ersten Ende der Platte erstreckt.
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Jede
der Gasleitungen kann von jeder der anderen Leitungen körperlich
durch eine gasdichte Abdichtung isoliert sein.
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Jeder
der Gasdurchgänge kann von jedem der anderen Gasdurchgänge
derart getrennt sein, dass das in einem Durchgang strömende
Gas nicht in einen anderen Durchgang überwechseln kann.
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Alternativ
kann es etwas Austausch zwischen benachbarten parallelen Gasleitungen
geben, derart, dass jede Gasleitung teilweise getrennt von einer
anderen benachbarten Gasleitung ist, wobei ein Ausströmen
von Gas von einer Gasleitung zu einer anderen innerhalb derselben
Kühlplatte zugelassen wird.
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Die
Kühlplatte umfasst vorzugsweise mehrere Einbuchtungen,
die entlang der mehreren Gasleitungen angeordnet sind, wobei sich
die mehreren Einbuchtungen in einen Durchgang einer jeden Gasleitung
hinein erstrecken, um einen durch die Leitung durchlaufenden Gasstrom
zu verteilen und dadurch eine Vermischung innerhalb einer oder mehrerer
der Gasleitungen zu erzeugen.
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Die
Kühlplatte kann mehrere Einbuchtungen umfassen, die in
innere Gasdurchgänge der mehreren Leitungen derart hineinragen,
dass das durch die Gasleitung strömende Gas einem serpentinenartigen Pfad
durch die Leitung folgt.
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Die
erste und die zweite Seitenwand können aus einem Rohr gebildet
werden, das zusammengepresst oder zusammengeprägt ist,
und das an dem zweiten Ende verschlossen ist.
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Die
erste und die zweite Seitenwand können zueinander gegenüberliegend
angeordnet sein, wobei die mehreren Gasleitungen dazwischen liegend ausgeformt
sind, wobei jede der ersten und zweiten Seitenwand eine im Wesentlichen
rechteckige Form mit einem halbrunden Abschnitt an dem zweiten Ende
aufweist, wobei der rechteckige Abschnitt und der halbrunde Abschnitt
im Wesentlichen in derselben Ebene liegen.
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Gemäß einem
dritten Gesichtspunkt wird ein Verfahren zum Herstellen einer Kühlplatte
für eine Kühlvorrichtung bereitgestellt, das Verfahren
umfassend:
Ausbilden von ersten und zweiten gegenüberliegenden
Seiten, die von einander beabstandet sind, wobei die ersten und
zweiten Seiten mehrere Gasdurchgänge definieren, die nebeneinander
zwischen den ersten und zweiten Seiten angeordnet sind, wobei sich
jeder der Gasdurchgänge von einem Einlassabschnitt an einem
ersten Ende der Kühlplatte zu einem Auslassabschnitt an
dem zweiten Ende der Kühlplatte erstreckt; und
Abdichten
der ersten und zweiten Seiten an einem zweiten Ende, gegenüber
dem ersten Ende, um eine gasdichte Abdichtung zwischen den ersten
und zweiten Seiten zu bilden.
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Das
Verfahren kann das Abdichten der ersten und zweiten Seiten umfassen,
derart, dass das Gas in die Kühlplatte nur an dem ersten
Ende eintreten oder austreten kann.
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Das
Verfahren kann das Pressen eines einzelnen Metallrohrteils, um die
erste und zweite Seite zu formen, und das Abdichten des zweiten
Endes des Rohrs umfassen.
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Das
Verfahren kann das Innenhochdruckumformen der ersten und zweiten
Seiten umfassen. Alternativ können die Seiten gepresst
werden.
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Gemäß einem
dritten Gesichtspunkt wird ein Verfahren zum Herstellen einer Kühlvorrichtung
bereitgestellt, die Kühlvorrichtung umfassend:
mindestens
eine Kühlplatte, die Kühlplatte umfassend:
eine
obere Plattenwand und eine untere Plattenwand;
wobei die obere
und die untere Plattenwand mehrere Gasdurchgänge definieren,
die einen Gaseinlass an einem ersten Ende der Kühlplatte
und einen Gasauslass an dem ersten Ende der Kühlplatte
aufweisen;
wobei jeder Durchgang einen Gasstrom zwischen dem
Einlass und dem Auslass und entlang einer Länge der Platte
leitet;
wobei die Platte abgedichtet ist, um so entlang einer Länge
der Platte und an einem zweiten Ende der Platte gasdicht zu sein;
und
einen äußeren Behälter zum Aufnehmen
der mindestens einen Kühlplatte und zum Aufnehmen eines Kühlmittelfluidstroms
um die mindestens eine Kühlplatte herum,
wobei das
Verfahren umfasst:
Einfügen der Kühlplatte
derart in den Behälter, dass eine oder mehrere der Einlassöffnungen
und eine oder mehrere der Auslassöffnungen, die an einem ersten
Ende der Kühlplatte angeordnet sind, an einem ersten Ende
des Behälters angeordnet sind; und
Verbinden des ersten
Endes der Kühlplatte mit dem ersten Ende des Behälters,
derart, dass die Gasdurchgänge innerhalb des Behälters
aufgenommen werden und die mehreren Gaseinlässe und Gasauslässe
an dem ersten Ende des Behälters zugänglich sind.
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Ein
erstes Ende der Kühlplatte kann an einem ersten Ende des
Behälters durch Schweißen, Hartlöten
oder Weichlöten verbunden sein.
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Das
Verfahren kann das Einfügen mehrerer Kühlplatten
nebeneinander in den Behälter umfassen, derart, dass die
Kühlplatten von einander über eine Länge
des Behälters hinweg beabstandet sind und miteinander an
einem ersten Ende der Kühlplatte an einem ersten Ende des
Behälters verbunden sind.
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Die
ersten Enden der mehreren Kühlplatten können miteinander
und an einem ersten Ende des Behälters durch einzelne Hartlot-,
Weichlöt- oder Schweißoperation verbunden sein.
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Andere
Gesichtspunkte ergeben sich aus den aufgeführten Ansprüchen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Für
ein besseres Verständnis der Erfindung, und um aufzuzeigen,
wie dieselbe durchgeführt werden kann, werden nun lediglich
beispielhaft bestimmte Ausführungsformen, Verfahren und
Abläufe gemäß der vorliegenden Erfindung
mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
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1 stellt
schematisch eine innere Strömungsanordnung eines bekannten
zylindrischen Wärmetauschers dar, der eine Kühlmittel-Überbrückung
aufweist, der in einem HauptWärmetauscher untergebracht
ist;
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2 stellt
schematisch einen bekannten zylindrischen Abgaskühler dar,
der einen äußeren Gas-Überbrückungs-Kanal
der Art aufweist, wie in
US
2003 150434 und
WO
03085252 offenbart;
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3 stellt
schematisch einen bekannten „U-Kühler" mit einem äußeren
Gas-Überbrückungs-Kreislauf dar;
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4 stellt
schematisch, von einem Ende aus betrachtet, eine längsgeteilte
Mantel- und Rohranordnung eines bekannten Abgaskühlers
dar, der als „U-Kühler" gestaltet ist;
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5 stellt
schematisch in einer Schnittansicht von einer Seite den bekannten
Mantel- und Rohrabgaskühler von 4 dar;
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6 stellt
schematisch eine zylindrische Mantel- und Rohrkühleranordnung
dar, die einen Abschlussrückführabschnitt innerhalb
eines äußeren Gehäuses aufweist, wie
aus dem Stand der Technik bekannt, von einem Ende aus betrachtet;
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7 stellt
schematisch den bekannten abgeänderten, zylindrischen Mantel-
und Rohrkühler von 6 in einer
Schnittansicht von einer Seite dar;
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8 stellt
schematisch einen bekannten zylindrischen Mantel- und Rohrkühler
dar, der gebogene Rohre einsetzt, was den Abschlussrückführabschnitt
und dessen angekoppelten Rohrboden überflüssig
macht;
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9 stellt
schematisch den bekannten Mantel- und Rohrkühler mit gebogenen
Rohren von 8 dar, in einer Schnittansicht
von einer Seite;
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10 stellt
schematisch eine bekannte Bauweise eines Plattenkühlers
gemäß einer bestimmten, hier offenbarten Ausführungsform
dar, der mehrere parallel gestapelte Platten in einem rechteckigen, „U"-förmigen
Gehäuse aufweist, von einem Ende aus betrachtet;
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11 zeigt
den „U"-förmigen Plattenkühler von 10 in
einer Schnittansicht von einer Seite;
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12 stellt
schematisch einen „U"-förmigen Kühler
gemäß einer ersten bestimmten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung in einer perspektivischen Ansicht von
einem Ende und einer Seite dar;
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13 stellt
hier schematisch mehrere gestapelte Kühlplatten des U-förmigen
Kühlers von 12 dar;
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14 stellt
schematisch eine einzelne Kühlplatte des U-förmigen
Kühlers der 12 und 13 dar;
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15 stellt
hier schematisch in einer Teilschnittansicht von oben den U-förmigen
Kühler der 12 bis 14 dar;
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16 stellt
eine bestimmte Betriebsart im Seitenprofil dar, die einen Gaspfad
innerhalb der ersten Ausführungsform der Kühlplatte
des U-förmigen Kühlers zeigt;
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17 stellt
schematisch einen zweiten und alternativen Gaspfad innerhalb einer
zweiten Ausführungsform einer Platte des U-förmigen
Kühlers der 12 bis 15 dar;
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18 stellt
schematisch 3 Dimensionen des Gasstroms überall in einer
Kühlerplatte des U-förmigen Kühlers der 12 bis 15 dar;
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19 stellt
ferner schematisch in drei Dimensionen die Bewegung des Gasstroms
innerhalb einer Platte des hier beschrieben U-förmigen
Kühlers dar;
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20 stellt
schematisch die erste Ausführungsform des U-förmigen
Kühlers der 12 bis 15 in
einer Schnittansicht dar, wobei ein Strömungspfad von Kühlmittel
um mehrere parallel gestapelte Kühlplatten innerhalb des
U-förmigen Kühlers der 12 bis 19 gezeigt
wird;
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21 stellt
schematisch eine Länge eines hohlen zylindrischen Rohrs
dar, das in einem bestimmten Verfahren der Herstellung einer Kühlplatte benutzt
wird;
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22 stellt
schematisch mehrere Kühlplatten in einem teilweise geformten
Zustand dar; und
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23 stellt
schematisch in einer Draufsicht ein Paar von Kühlplatten
dar, das aus einer einzelnen Länge eines Metallrohrs während
eines Arbeitsgangs der Herstellung geformt wird.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Es
wird nun beispielhaft eine von den Erfindern vorgesehene bestimmte
Betriebsart beschrieben. In der nachfolgenden Beschreibung werden zahlreiche
bestimmte Einzelheiten dargelegt, um ein gründliches Verständnis
bereitzustellen. Es wird allerdings dem Fachmann deutlich werden,
dass die vorliegende Erfindung ohne Einschränkung auf diese bestimmten
Einzelheiten ausgeführt werden kann. In anderen Fällen
wurden wohlbekannte Verfahren und Strukturen nicht ausführlich
beschrieben, um die Beschreibung nicht unnötig unübersichtlich
zu machen.
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Bestimmte
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zielen darauf
ab, die positiven Merkmale eines U-förmigen Plattenkühlers
zu nutzen, während gleichzeitig die Probleme der Bauweise
und der Herstellung des bekannten U-förmigen Plattenkühlers
behandelt werden.
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Mit
Bezug auf 12 wird schematisch ein „U"-förmiger
Kühler gemäß einer ersten bestimmten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Kühler umfasst
einen "U"-förmigen Behälter 1200, der
eine Einlassöffnung 1201 für den Einlass
von Kühlmittelfluid und eine Auslassöffnung 1202 für
den Auslass des Kühlmittelfluids aufweist, derart, dass
das Kühlmittelfluid durch den ganzen Behälter 1200 und
im Innern des Behälters strömen kann; und eine
oder mehrere Kühlplatten, wobei jede Kühlplatte
mehrere Kühlkanäle umfasst, durch die ein Gas
durchlaufen kann. Der Behälter kann aus einem Bauteil oder
aus mehreren Bauteilen aufgebaut sein. Die eine oder die mehreren
Kühlplatten sind an dem Behälter direkt oder über
eine Verbindungsplatte an oder nahe dem Bereich der Einlass- und
Auslassöffnungen befestigt, durch welche Gase in den U-förmigen
Kühler strömen und aus dem U-förmigen Kühler
ausgestoßen werden. Der Kühler kann mit einem
Gasstromrohr 1203 verbunden sein, das ein Gas-Überbrückungs-Ventil
enthält, welches durch eine hervorstehende äußere
Weile 1204 betätigbar ist. Ein elektrischer oder
durch Unterdruck betriebener Betätigungsmechanismus kann
an der Welle 1204 befestigt sein, um elektrisch das Überbrückungs-Ventil
innerhalb des Kühlrohrs zu betätigen, um entweder
eingehendes Gas durch den U-förmigen Kühler zu
leiten, oder um das Gas gänzlich von dem U-förmigen
Kühler umzuleiten.
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Der
Kühler und das Gasstromrohr können zusammengeschweißt
oder zusammengelötet sein, um eine kompakte Einheit zu
bilden. Das Gasströmungsrohr ist mit mehreren Flanschen 1205, 1206, einer
an jedem Ende des Rohrs, bereitgestellt, um das Rohr in einen Gasstrompfad
eines Verbrennungsmotors oder ein anderes Gasstromsystem einzusetzen,
wo Kühlen des Gases wahlweise erforderlich sein kann.
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Die
Kühlmitteleinlässe und -auslässe 1201, 1202 werden
in 12 als auf derselben Seite des U-förmigen
Kühlers befindlich dargestellt. Allerdings kann in anderen
Ausführungsformen der Einlass 1201 auf einer dem
Auslass 1202 gegenüberliegenden Seite des Behälters
angeordnet sein. Alternativ können der Einlass 1201 und
der Auslass 1202 an jeder Stelle rund um den Behälter
angeordnet sein, jedoch unter Beibehaltung desselben Abstands vom ersten
Ende der Gasleitungen.
-
Während
der Benutzung kann Gas, das durch das Gasstromrohr 1203 in
einer Richtung A–B strömt, wie durch die Pfeile
gezeigt, durch das Überbrückungs-Ventil 1204 durch
den U-förmigen Kühler geleitet werden, wobei es
am Unterteil des Kühlers eintritt und in den gekrümmten
Außenbereich des U-förmigen Behälters
fließt und zurückkehrt, um am Oberteil des Kühlers
und dann aus dem Gasstromrohr auszutreten. Alternativ, sofern das Überbrückungs-Ventil
betätigt ist, um den Kühler zu umgehen, strömt
der Gasstrom A–B gerade durch das Gasstromrohr, ohne in
den Kühler einzutreten. Natürlich, wenn der Kühler
umgedreht wird, würde der Gasstrom dann am Oberteil des
Kühlers eintreten und aus dem Unterteil des Kühlers
austreten. Ferner, wenn der Gasstrom entgegengesetzt wäre,
dann kann das Gas am Oberteil des Kühlers eintreten und durch
das Unterteil des Kühlers austreten, derart, dass die Ausrichtung
des U-förmigen Kühlers zu dem Gasstrom umgedreht
werden kann, ohne jeden wesentlichen Unterschied im Kühlungsbetrieb.
-
Sofern
das Gas-Überbrückungs-Ventil an einer zwischenliegenden
Stellung angeordnet ist, derart, dass es einen Teil des Gases durch
den Kühler und einen Teil des Gases direkt von dem Gasstromrohreinlass
zu dem Gasstromrohrauslass leitet, dann kann dies zu einem teilweisen
Kühlen des Gasstroms führen.
-
Mit
Bezug auf 13 wird der U-förmige Kühler
in einer Schnittansicht dargestellt. Der Kühler wird aus
einem Stapel von dichtgepackten Kühlleitungen 1300 gebildet.
Jede Gaskühlleitung für sich bildet einen komplex
abgedichteten Gaspfad von einem Einlass der Gaskühlvorrichtung
zu einem Auslass der Gaskühlvorrichtung und ordnet mehrere
der Gaseinlässe 1301 benachbart zueinander und
mehrere Gasauslässe 1302 benachbart zueinander
an.
-
Jede
Leitung ist in einer plattenartigen Struktur geformt, deren äußere
Fläche dem Kühlmittelfluid innerhalb des Kühlmittelbehälters 1200 ausgesetzt ist,
welches um und zwischen den Platten strömt, und deren Inneres
dem Gasstrom ausgesetzt ist. Die mehreren Platten sind miteinander
an einem Ende des Kühlers verbunden, indem sie entweder
mit einander und dem Behälter verschweißt oder
verlötet sind oder mit einer Verbindungsplatte 1303.
Ein Paar von Abstandshaltern 1304, beziehungsweise 1305, kann
an den geraden Rändern der einzelnen oder der am nächsten
in der Mitte liegenden Kühlplatte befestigt werden. Die
Abstandshalter 1304, 1305 dienen als eine Führung
zum Positionieren und Ausrichten des äußeren Behälters 1200,
derart, dass die mehreren Kühlplatten innerhalb des Behälters
liegen, beabstandet von den Rändern des Behälters,
derart, dass jede der Kühlplatten nicht in direkten Kontakt mit dem
Behälter kommt, womit dort genug Raum für den
Durchgang von Kühlmittelfluid zwischen den Kühlplatten
und der Behälterwand vorhanden ist. Dies hat den Vorteil,
dass wenn der Kühler sich erwärmt und abkühlt
und der Behälter und die Kühlplatten thermisches
Ausdehnen oder Zusammenziehen erfahren, da die Kühlplatten
nicht körperlich an den Behälterwänden
anstoßen, weniger physikalische Spannungen aufgrund von
Ausdehnung oder Abkühlung zwischen den Kühlplatten
und der Behälterwand auftreten. Die Abstandshalter können
ebenfalls als Kühlmittelsperren wirken, um den Strom von
dem Kühlmitteleinlassstutzen zu dem Rückführende
des Kühlers und zurück zu dem Kühlmittelauslassstutzen zu
leiten.
-
Alternativ
kann der Behälter eine Form aufweisen, derart, dass sie
den Kühlmittelspalt zwischen dem Behälter und
der einzelnen, am nächsten in der Mitte liegenden, Gasleitung
schließt.
-
Es
kann allerdings Wärmespannungen zwischen den Enden der
Kühlplatten 1300 und dem Behälter an
der Gaseinlass/auslass-Fläche und, wenn angebaut, der Verbindungsplatte 1303 geben,
an der die Kühlplatten angelötet oder angeschweißt
sind, während sich die Vorrichtung bei Benutzung erwärmt und
abkühlt.
-
Das
offene Ende der Kühlplatte oder der Kühlplatten
oder der Verbindungsplatte 1303 bildet einen Einlass/Auslass-Verteiler
für den Eintritt von Gas in die mehreren Kühlplatten
und für den Austritt von Gas aus den mehreren Kühlplatten.
Eine Einlassöffnung 1301 wird durch eine oder
mehrere Einlässe zu einer oder mehreren entsprechenden
zugehörigen Kühlmittelplatten gebildet, wie in 13 gezeigt. Eine
Auslassöffnung wird durch eine oder mehrere von benachbarten
Kühlplattenauslässen gebildet, und wenn eingebaut,
mit der Verbindungsplatte 1303 zusammengefügt,
wie in 13 gezeigt. Wenn eingebaut,
kann die Verbindungsplatte 1303 eine Seite eines Gasstromrohrs
bilden, wie hier in 12 gezeigt. Das Gasstromrohr
kann auf beiden Seiten der Verbindungsplatte 1303 angeschweißt
oder angelötet sein.
-
Wenn
eingebaut, umfasst die Verbindungsplatte 1303 in der gezeigten
Ausführungsform eine rechteckige Platte, die ein Paar von
rechteckigen Ausschnitten aufweist, einen für den Gasauslass
und einen für den Gaseinlass. Ein Brückenabschnitt 1306,
der Teil der Verbindungsplatte sein kann, oder, wenn die Verbindungsplatte
nicht eingebaut ist, ein separates Bauteil zwischen den Gasauslass-
und einlassabschnitten, stellt eine Anschlussfläche zum Aufnehmen
eines Gas-Überbrückungs-Ventils innerhalb des
Gasstromrohrs bereit. Das Gas-Überbrückungs-Ventil,
in seiner einfachsten Form, kann eine Art Drosselklappe sein, bestehend
aus einer Platte mit einer zentralen Drehachse, die von außerhalb des
Gasstromrohrs betätigt werden kann.
-
Mit
Bezug auf 19 wird schematisch eine einzelne
Kühlplatte in einer Teilschnittansicht, wie von einer Seite
aus betrachtet, dargestellt. Mit Bezug auf 20 werden
mehrere Gaskühlleitungen 2000–2004 durch
ein äußeres Gehäuse umschlossen, welches
zusammen mit einer äußeren Fläche der
Gaskühlleitung eine Kühlmittelleitung bildet.
Die ganze Baugruppe umfasst einen modular kanalisierten, U-förmigen
Kühler.
-
Jede
einzelne Gasleitung folgt im Wesentlichen einem „U"-förmigen
Pfad, der erste und zweite parallele Abschnitte aufweist, die durch
einen halbrunden Rückführabschnitt verbunden werden.
Die geraden Abschnitte einer äußeren Gasleitung 1900 sind
von einander in einem Abstand beabstandet, der beinahe einer vollen
Höhe der Gaskühlplatte entspricht. Eine unmittelbar
benachbarte, erste innere Gasleitung 1901 ist in der äußeren
Gaskühlleitung 1900 verschachtelt, indem sie parallel
dazu und in einer Hauptebene der Kühlplatte liegt. Auf ähnliche Weise
liegt eine nachfolgende, zweite innere Gaskühlleitung 1902 innerhalb
der ersten Leitung 1901, und auf ähnliche Weise
ist eine dritte Leitung 1903 in der zweiten inneren Leitung
verschachtelt, und eine vierte innere Leitung 1904 ist
in der dritten Leitung verschachtelt und liegt parallel dazu.
-
Jede
Leitung ist mit einem im Wesentlichen halbrunden Abschnitt (dem
Rückführabschnitt) verbunden, welcher die zwei
im Wesentlichen parallelen Arme der Leitung derart verbindet, dass
am Rückführende des Kühlers mehrere im
Wesentlichen halbrunde Leitungen koaxial ineinander innerhalb einer Hauptebene
der Kühlplatte verschachtelt sind.
-
Mit
Bezug auf 20 wird schematisch in einer
Schnittansicht von oben der U-förmige Kühler der 12 bis 14 dargestellt,
wobei fünf parallele Kühlplatten 2000–2004,
nebeneinander und parallel angeordnet, gezeigt werden, die von Kühlmittelfluid 1506 umgeben
sind. Ebenfalls wird ein Adapter 2005 gezeigt, der einen
Teil des Behälters bildet, der erste und zweite Öffnungen 2006, 2997 für
Einlass und Auslass von Kühlmittelfluid aufweist.
-
Kühlmittel
tritt in den Behälter/Adapter 2005 über
eine Einlassöffnung 2006 ein und tritt aus dem Behälter über
eine Auslassöffnung 2007 in dem Adapter aus.
-
Im
Innern kann die mittlere Kühlplatte 2002, entlang
des geraden Abschnitts des Behälters und vor dem halbrunden
Endabschnitt etwas weiter und enger in das Innere des Behälters
eingepasst sein als die anderen Kühlplatten 2000, 2001, 2003, 2004,
derart, dass die mittlere Kühlplatte eine Trennwand zwischen
der einen und der anderen Hälfte des inneren Hohlraums
bereitstellt. Alternativ können die Abstandshalter 1304,
beziehungsweise 1305, diese Funktion erfüllen.
Alternativ können Behälter 2008 und Adapter 2005 eine
Form aufweisen, die diese Funktion erfüllt. Das Kühlmittel
strömt in die durch Pfeile angezeigte Richtung innerhalb
des Behälters, entlang an einer Seite des Behälters,
um die mittlere Platte 2002 am Ende des Behälters
in einen halbrunden Abschnitt herum und wieder zurück,
einem Rückführpfad entlang der anderen Seite des
Behälters auf der anderen Seite der mittleren Kühlplatte 2002 folgend.
Innerhalb jeder der beiden Hälften des Behälters
kann Kühlmittelfluid über das Oberteil einer jeden
Kühlplatte, zwischen der Kühlplatte und dem Behälter,
oder unterhalb der Kühlplatte, entlang der Länge
des Behälters, strömen. Die mittlere Kühlplatte 2002 wird
hergestellt, um derartige Abmessungen aufzuweisen, dass ein geringer
Spalt zwischen den Rändern der Kühlplatte und
dem Behälter auftritt, um Wärmespannungen zwischen
dem Behälter und der Kühlplatte während
des Erwärmens und Abkühlens der Vorrichtung zu
vermeiden, jedoch ist dieser Spalt nicht ausreichend, um den Durchgang
von Fluid durch diesen Spalt wesentlich zu beeinflussen, und somit
läuft der Hauptfluidstrom entlang der Länge des
Behälters, zu dem halbrunden Ende und folgt einem Rückführpfad
auf der gegenüberliegenden Seite der mittleren Kühlplatte 2002.
Dies fördert den Strom von Kühlmittelfluid um
jede Seite einer jeden Kühlplatte herum und vermeidet Abkürzungen
für das Fluid zwischen dem Kühlmitteleinlass und
dem Kühlmittelauslass.
-
Mit
Bezug hier auf 15 wird schematisch in einer
Schnittansicht ein Abschnitt einer einzelnen Leitung innerhalb einer
einzelnen Kühlplatte dargestellt. Ein Gasstrom wird durch
Pfeile angezeigt. Jeder Leitungskanal ist im Wesentlichen rohrförmig
und zwischen einer oberen Plattenwand 1500 und einer unteren
Plattenwand 1501 ausgebildet. Ein normalerweise zylindrisches
oder annähernd zylindrisches Rohr ist abgeändert,
um durch die Ausbildung von Einbuchtungen 1502, 1503, 1504, 1505 einen
serpentinenartig gewundenen Strompfad bereitzustellen, und eine
untere Plattenwand 1501 kann separat gebildet und durch
Hartlöten, Weichlöten oder Schweißen
zusammengefügt werden. Mehrere Einbuchtungen 1502, 1504 in
einer oberen Wand der Kühlmittelplatte wechseln sich ab
mit mehreren Einbuchtungen 1503, 1505 in der unteren
Wand der Kühlmittelplatte, derart, dass das Gas durch die
Leitung abwechselnd zwischen einer ersten Wand der Kühlplatte
und einer zweiten Wand der Kühlplatte innerhalb der Leitung
strömt. Jede Einbuchtung bildet eine muschelartige Form
mit einem länglichen, eiförmig konkaven Eindruck
in Form eines länglichen Kraters oder Löffels.
Das Vorsehen von Einbuchtungen wird den Strom des Gases durch die
Leitung geringfügig behindern, da sie den laminaren Strom
von Gas unterbrechen und Turbulenzverhalten und Vermischen des Gases
verursacht und daher wirbeln ebenfalls heißere Anteile
des Gasstrom umher, um die kühleren Seitenwände
der Kühlplatten zu berühren.
-
Mit
Bezug auf 16 wird eine weitere bestimmte
Betriebsart der Bauweise dargestellt.
-
Mit
Bezug hier auf 17 wird eine zweite und alternative
Form einer Leitung innerhalb einer Kühlplatte dargestellt,
wobei die Wände der Gasleitung einen sanften Serpentinenpfad
formen. Die Wände der Leitung können geformt sein,
um eine im Wesentlichen sanfte Rohrform bereitzustellen, die einen
im Wesentlichen runden Querschnitt in einer zur Hauptmittelinie
der Leitung senkrechten Richtung aufweist, und die einem im Wesentlichen
sinusförmigen Pfad folgt. Eine Gasleitung mit dieser Form
kann weniger Unterbrechung und Turbulenzen und deshalb weniger Widerstand
für den Strom aufweisen als eine Form, wie hier in den 15 und 16 gezeigt,
jedoch mit dem Nachteil, dass vielleicht ein geringerer Anteil der
Vermischung des mittleren Gasstroms in der Leitung mit dem Randgasstrom,
der die oberen und unteren Wände der Leitung berührt,
erreicht wird.
-
Es
wird von dem Fachmann verstanden werden, dass unterschiedliche Abweichungen
der inneren Leitungsform möglich sind, und unterschiedliche Formen
werden das Vermischen des Gasstroms und die Erzeugung von Turbulenzen,
die den Gasstrom verlangsamen, durch ausreichende Berührung
mit den Seitenwänden der Kühlplatten ausgleichen,
um das Kühlen des Gasstroms zu fördern.
-
Mit
Bezug hier auf die 18 wird schematisch dargestellt,
dass die Serpentinenform, ob rau oder sanft, entweder im Wesentlichen
in der Hauptebene der Wand (X, Y) oder alternativ im Wesentlichen
in der Nebenebene der Wand (X, Y) gebildet werden kann.
-
Mit
Bezug hier auf 19 werden schematisch in perspektivischer
Ansicht von einem Ende und einer Seite Richtungen des Gasstroms
innerhalb einer einzelnen Kühlplatte dargestellt. Gas kann
in drei Dimensionen strömen, entlang einer Länge
der Kühlplatte, entlang der Leitungen, über eine
innere Breite der Kühlplatte, und über die Platte,
von Leitung zu Leitung, da die Leitungen nicht notwendigerweise vollkommen
gegenseitig gasdicht abgedichtet sind und ein Austausch des Gasstroms
zwischen den Leitungen zu einem begrenzten Ausmaß auftreten
kann. in allen Fällen wird der Gasstrom innerhalb der Leitung
gehalten und Gas kann nur an einem Ende 1900 eintreten
oder austreten.
-
Mit
Bezug auf 18 kann Gas in drei orthogonale
Richtungen strömen, wobei ein vorherrschender Gasstrom
in eine Richtung entlang der Leitung verläuft und wobei
untergeordnete Gasstromrichtungen in orthogonalen Richtungen zu
einem Hauptgasstrom (in einer Y-Richtung) verlaufen. Innerhalb einer einzelnen
Leitung kann Gas einem Serpentinenpfad, einem komplexen, turbulenten
Strompfad folgen, und einzelne Gasmoleküle können
sich in drei Dimensionen innerhalb der Leitung bewegen, wobei sie
mehreren wirbelnden, sich verwindenden, linearen oder anderen einzelnen
Pfaden folgen, welche die Gasmoleküle in Berührung
mit den Seitenwänden 1900, 1901, der
Kühlplatte bringt.
-
Mit
Bezug hier auf 20 wird schematisch eine Ausführungsform
einer Kühlvorrichtung dargestellt, die fünf einzelne,
parallele Kühlplatten umfasst, hier in einer Ansicht eines
teilweisen Zusammenbaus, ohne den äußeren Behälter,
gezeigt, und es werden Ströme von Kühlmittel um
die Kühlplatten herum gezeigt.
-
Kühlmittel
tritt in die Baugruppe an der Einlassöffnung 2006 ein
und tritt aus der Baugruppe an der Kühlmittelauslassöffnung 2007 aus.
Auf der Außenseite einer äußeren Kühlplatte 2000 werden deutlich
mehrere muschelförmige Einbuchtungen 2009 gezeigt.
Ebenfalls wird für eine mittlere Kühlplatte eine
Ausnehmung 2010 in Adapter 2005 gezeigt, die auf
dem Behälter 2008 weiterläuft bis zum Ende
des parallelen Abschnitts der Kühlplatte, die in Verbindung
mit der am nächsten in der Mitte liegenden Gaskühlplatte
den Durchgang von Kühlmittel von einer zur anderen Seite
des Behälters verhindert und einen beträchtlichen
Strom von Kühlmittelfluid um die Enden der Kühlplatten
herum erzwingt, wie in 20 gezeigt.
-
Obwohl
in 20 die halbrunden Abschnitte der Leitungen ohne
Einbuchtungen und als sanfte Halbringkanäle gezeigt werden,
können in einer weiteren Ausführungsform die Einbuchtungen
in die Leitungswände ganz um die halbrunden Abschnitte
herum eingepresst werden, um die Oberfläche der Kühlmittelwand,
auf welche das Gas beim Durchlaufen durch die Leitung auftrifft,
zu vergrößern und um die Vermischung des Gasstroms
innerhalb der Leitungen zu erhöhen.
-
Mit
Bezug auf 19 umfasst, für jede
Kühlplatte, die Platte eine abgedichtete Umhüllung,
die gasdicht ist, wobei der Umfangsrand 205 einer jeden Kühlplatte
durch Schweißen oder Hartlöten am äußersten
Ende 1905 abgedichtet ist und im Falle der Kühlplatte
aus zwei getrennten Wänden 1600 und 1601 zusammengebaut
ist, die ebenfalls durch Schweißen oder Hartlöten
auf jeder Seite abgedichtet sind.
-
Mit
Bezug hier auf die 21 bis 23 wird
schematisch ein Verfahren zur Herstellung von einer oder mehreren
einzelnen Kühlplatten, wie hier vorangehend beschrieben,
dargestellt.
-
Mit
Bezug auf 21 wird eine Länge
eines runden, zylindrischen Metallrohrs als Basis zum Formen von
einer oder mehreren Kühlplatten benutzt. Dies kann den
Vorteil haben, dass mehr als eine Kühlplatte in einem einzelnen
Arbeitsgang geformt werden können und zwei der Ränder
von jeder Kühlplatte kein Hartlöten oder Schweißen
erfordern, um sie gasdicht zu machen.
-
Mit
Bezug hier auf 23 wird das Rohr gepresst, indem
ein Presswerkzeug benutzt wird, das geformt ist, um die Seiten des
Metallrohrs in mehrere Leitungen, die muschelförmige Einbuchtungen
aufweisen, in einem einzelnen Arbeitsgang zu pressen. Das Presswerkzeug
wird nicht gezeigt, um die Deutlichkeit der Figur zu unterstützen.
Um zu verhindern, dass das Rohr in sich selbst zusammenfällt,
kann das Rohr während des Pressvorgangs mit Hydraulikfluid unter
Druck gesetzt werden.
-
Alternativ
kann der Ablauf ein zweistufiger Ablauf sein. Ein erster Teil des
Ablaufs wäre, das runde Rohr in ein abgeflachtes Rohr zusammenzupressen.
Ein zweiter Teil des Ablaufs ist, das Rohr im Innenhochdruckverfahren
(Hydroformen) in einem Formwerkzeug zu formen, das die geforderte
fertige Form erzeugt.
-
Mit
Bezug auf 22 wird der erste Teil des Ablaufs
dargestellt, in dem das runde Rohr abgeflacht wird.
-
Mit
Bezug auf 23 wird schematisch in einer
Ansicht von oben das fertig gepresste Rohr dargestellt, das in diesem
Falle ein Paar von einzelnen Kühlplatten bildet. Es wird
von dem Fachmann verstanden werden, dass eine größere
Länge des Rohrs benutzt werden kann, um drei, vier oder
jede andere Anzahl von erforderlichen Kühlplatten ausgepresst werden
können, abhängig von der Länge des Rohrs und
der Länge des Presswerkzeugs.
-
Wenn
einmal geformt, werden mehrere Kühlplatten in einem einzelnen
Rohr bereitgestellt. Die Kühlplatten werden von einander
abgeschnitten und jegliches überflüssige Material
wird abgeschnitten, indem ein geeignetes Schneideerfahren benutzt wird.
-
In
Abänderungen des Herstellungsverfahrens kann das Press/Formwerkzeug
ebenfalls dazu dienen, das Rohr in einem einzelnen oder im Wesentlichen
einzelnen Formvorgang zu pressen und zu schneiden.
-
Wenn
die Kühlplatten einmal von einander getrennt sind, sind
die ersten und zweiten Ränder 2300, beziehungsweise 2310,
bereits abgedichtet, da sie von den Seiten des Rohrs gebildet werden.
Allerdings bleiben die Enden der Kühlplatte 2302 und 2303 offen,
entsprechend der Schnittenden des Rohrs. Während das offene
Ende 2302 offen bleibt, da dieses den Gaseinlass und den
Gasauslass bildet, muss das andere Ende des Rohrs abgedichtet werden.
Da sich die erste und zweite Seite der Kühlplatte an ihrem
halbrunden Ende 2303 treffen, kann es notwendig sein, dass
sie verschweißt oder hartverlötet werden müssen,
um eine gasdichte Abdichtung zu erzeugen.
-
In
anderen Abänderungen des Herstellungsvorgangs kann das
Ende der Kühlplatte zusammengepresst werden, um eine gasdichte
Abdichtung in einem einzelnen Arbeitsgang, oder in einem im Wesentlichen
einzelnen Arbeitsgang, unter dem Druck des Werkzeugs zu formen.
-
In
einem anderen Bauverfahren kann jede einzelne Gasleitung an einem
Träger befestigt werden, um eine hermetische Abdichtung
zwischen einer gekühlten Gasleitung und einem Träger
zu bilden. Vorzugsweise wird ein Stapel von Trägern innerhalb
eines Adapters aufgenommen und die Träger sind miteinander
und mit dem Adapter hartverlötet, um eine hermetische Abdichtung
zu bilden. Alternativ können die Träger miteinander
und mit dem Adapter verschweißt werden, um eine hermetische
Abdichtung zu bilden.
-
Die
komplexe Form auf gekühlten Gasträgern besteht
aus einer Anzahl von Hauptgasstrompfaden. Vorzugsweise ist jeder
Hauptgasstrompfad so nahe an seinem benachbarten Hauptgasstrompfad
geformt, wie das Verarbeitungswerkzeug es zulässt. Allerdings
kann der Abstand zwischen benachbarten Hauptgasströmen
erhöht werden, um die Werkzeugrobustheit zu erhöhen.
-
In
jedem Hauptgasstrompfad sind Merkmale geformt, welche die Bildung
einer Gasgrenzschicht verhindern und die eine Mengenvermischung
des Gases fördern, während es durch den Kühler
strömt. Vorzugsweise können derartige Merkmale
eine Reihe von muschelförmigen Ausbildungen umfassen, die
auf beiden Seiten der gekühlten Gasleitung angeordnet sind,
derart, dass ein serpentinenartiger Pfad in jeder Leitung gebildet
ist.
-
Alternativ
kann das Merkmal geformt sein um eine sanfte Serpentinenform zu
erzeugen.
-
Vorzugsweise
wird die Serpentinenform entlang einer Nebenachse der Gasleitung
verlaufen. In anderen Ausführungsformen kann die Serpentinenform
entlang einer Hauptachse der Leitung verlaufen. In verschiedenen
Ausführungsformen kann die Serpentinenform in dem Rückführabschnitt
des Kühlers verlaufen und in anderen Ausführungsformen
kann der Rückführabschnitt des Kühlers
einen sanften, nicht-serpentinenartigen Gasstrompfad aufweisen.
-
Alternativ
kann anstatt einer rauen oder sanften Serpentinenform zum Fördern
der Gasvermischung ein Nutenmerkmal benutzt werden.
-
Vorzugsweise
bildet ein Profil für die gekühlte Gasleitung
auf deren Außenhaut einen wellenförmigen Strompfad
für das Kühlmittel. Daher können die
gekühlten Gasleitungen in nächster Nähe
zueinander gestapelt werden.
-
Ein
Abschnitt zwischen Hauptgaspfaden, die in dieselbe Richtung strömen,
schließt nicht notwendigerweise vollkommen. Eine kleine
Menge des Stroms zwischen den Gaspfaden wird unterstützt, um
den Gasstrom über jeden Abschnitt der gekühlten Gasleitungswand
zu fördern.
-
Alternativ
kann der Abschnitt Sollberührung aufweisen.
-
Vorzugsweise
sollte der Abschnitt zwischen Hauptgaspfaden, die in entgegengesetzte
Richtungen strömen, den Ausschluss eines Gasstroms zwischen
diesen Pfaden begünstigen. Dieser Ausschluss kann durch
eine ausgelegte Sollberührung zwischen benachbarten Platten
begünstigt werden.
-
In
einer alternativen Abänderung kann der Abschnitt vorzugsweise
durch Schweißen oder Hartlöten zusammengefügt
werden. Diese Bauweise erfordert eine größere
Trennung der Hauptgaspfade.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform kann jede gekühlte
Gasleitung eine Wanddicke zwischen 0,1 mm und 1,0 mm aufweisen
-
Die
Baugruppe kann eine Kombination von Materialien umfassen. Vorzugsweise
können die folgenden Materialien benutzt werden:
- – Austenitischer rostfreier Stahl
- – ferritischer rostfreier Stahl
- – Kupfer
- – Kupferlegierung
- – Nickel
- – Nickellegierung
- – ein Kunststoffmaterial (für Bauteile, die
nicht im direkten Kontakt mit dem Gas sind)
-
Vorzugsweise
kann ein modularer kanalisierter U-förmiger Kühler
in einem einzelnen Arbeitsgang während der Herstellung
hartverlötet werden. Alternativ kann die Vorrichtung, mit
Ausnahme der Abdichtung der einzelnen gekühlten Gasleitungen,
als eine Einzelstation verschweißt werden. Da alle Trennfugen,
mit Ausnahme der Abdichtungen der einzelnen gekühlten Gasleitungen,
außen an der Baugruppe liegen, kann dies den Vorteil aufweisen, dass
das Hartlöten in einem einzelnen Arbeitsgang oder das Schweißen
in einem einzelnen Arbeitsgang ermöglicht wird.
-
Eine
Kühlvorrichtung, wie hier offenbart, kann die folgenden
Vorteile aufweisen.
-
Wärmeaustausch
wird durch den folgenden Mechanismus maximiert.
-
Die
Bildung der Gasgrenzschicht wird fortlaufend verhindert, wodurch
der Wärmeübergangskoeffizient erhöht
wird.
-
Das
Eliminieren von Kernstrompfaden in der Gaskühlleitung durch
Mengenvermischung von gekühltem Gas mit ungekühltem
Gas, unterstützt ein heißeres Gas in die Nähe
der Austauschfläche zu bringen.
-
Das
Maximieren der Wärmeaustauschfläche innerhalb
eines bestimmten Volumens unterstützt einen wirkungsvollen
Wärmeübergang von der Plattenkühlfläche
zum Gas.
-
Reduktion
der Gesamtgröße wird durch die folgenden Merkmale
erreicht.
-
Die
Nutzung von eng gepackten Kühlleitungen erhöht
den relativen Wärmeübergang pro Volumeneinheit.
-
Das
Volumen wird reduziert durch das Eliminieren der Notwendigkeit,
ein Verfahren aufzuweisen, das Kühlmittel von einer Kühlmittelleitung
zu einer anderen überträgt, indem nur eine Kühlmittelleitung
aufgewiesen wird.
-
Gasdruckabfall
wird durch die folgenden Merkmale minimiert.
-
Die
Nutzung von eng gepackten Gaskühlleitungen, die dadurch
zulässt, dass mehr Kühlmittelleitungen in demselben
Raum vorgesehen werden können, minimiert den Druckabfall über
die ganze Vorrichtung hinweg.
-
Da
die Gaskühlleitungen einen gesteuerten Pfad für
den Rückführteil des Kühlers bereitstellt,
hilft dies ebenfalls, den Gasdruckabfall über die ganze Vorrichtung
hinweg zu minimieren.
-
Die
Robustheit der Vorrichtung wird durch die folgenden Merkmale gesteigert.
-
Die
Gaskühlleitungen sind mit anderen Bauteilen nur an einem
Rand fest angeschlossen. Deshalb geht jede Wärmeausdehnung
in unbegrenzten freien Raum und reduziert dadurch Wärmespannungen.
-
Dadurch,
dass die Gaskühlleitung nur an einem Rand angeschlossen
ist, unterstützt dies den Strom von Kühlmittel
um den gesamten Umfang der Kühlplatten herum. Dadurch kann
sichergestellt werden, dass ein angemessener Kühlmittelstrom über die
gesamten Wärmeaustauschflächen erzeugt wird. Ferner
sind keine komplizierten und möglicherweise teuren Kanäle
erforderlich, um einzelne Kühlmittelleitungen zu verbinden.
-
Die
Anzahl und Länge von Trennfugen ist beträchtlich
reduziert im Vergleich zu Plattenkühlern des Stands der
Technik, was die Bauweise formstabiler macht.
-
Einfachheit
der Herstellung und Wettbewerbsfähigkeit der Kosten wird
durch die folgenden Merkmale unterstützt.
-
Eine
vergleichsweise reduzierte Menge an Material kann im Vergleich zu
Kühlern des Stands der Technik mit vergleichbarer Spezifikation
benutzt werden, da die reduzierten Wärmespannungen erlauben,
dünneres Wandmaterial zu benutzen.
-
Eine
reduzierte Menge an Material kann benutzt werden, da die reduzierte
Länge und Anzahl von Trennfugen erlauben, weniger Lötpaste
zu benutzen.
-
Die
Vorrichtung weist alle ihre gelöteten Trennfugen außenliegend
auf. Daher ist nur ein Durchlauf durch einen Lötofen oder
einen Ofen erforderlich, wodurch die Einfachheit der Herstellung
und die Zuverlässigkeit gesteigert werden.
-
Die
Gasleitungen werden alle als abgedichtete Einheiten bereitgestellt.
Daher kann jede Gasleitung vor dem Einbau in eine vollständig
zusammengebaute Kühlvorrichtung auf Dichtigkeit getestet
werden.
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Da
jede Gaskühlleitung modular in der Bauweise ist, können
Wärmetauscher mit unterschiedlichen Kapazitäten
aus derselben modularen Leitung hergestellt werden, indem entweder
Kühlleitungen pro Vorrichtung zugefügt oder entnommen
werden. Daher werden die Herstellwerkzeugkosten über einen
Bereich von Produkten von Gaskühlvorrichtungen reduziert.
-
Der
modular kanalisierte U-förmige Kühler schließt
an einen Gaskreislauf, normalerweise über ein Abgasrückführ-Überbrückungsventil,
in einer einzelnen Anschlussebene an.
-
Vorzugsweise
wird die einzelne gekühlte Gasleitung aus einem abgeflachten
Rohr hergestellt, auf welchem ein komplexes Profil geformt ist.
Das Rohr wird dann an einem Rückführende abgedichtet, um
einen dicht abgeschlossenen Gaspfad zu bilden.
-
Alternativ
kann die gekühlte Gasleitung aus zwei getrennten Platten
hergestellt werden, auf welche ein komplexes Profil geformt wird,
zum Beispiel durch Stanzen. Die Platten werden dann zusammen an
einem oberen und unteren Ende und einem Rückführende
abgedichtet, um einen dicht abgeschlossenen Gaspfad zu bilden.
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In
der besten Ausführungsform hier ist das bevorzugte Abdichtverfahren,
für sowohl das Rohr als auch die Platten, das Schweißen.
Alternativ kann Hartlöten eingesetzt werden.
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Vorzugsweise
wird das komplexe Profil auf das abgeflachte Rohr oder die Platten
durch ein Innenhochdruckumformverfahren geformt. Alternativ kann
ein Pressverfahren eingesetzt werden.
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Vorzugsweise
wird der Stapel von Gasleitungen innerhalb eines Adapters aufgenommen
und die Gasleitungen werden miteinander und mit dem Adapter verlötet,
um eine abgeschlossenen Abdichtung zu bilden. Alternativ können
die Gasleitungen miteinander und mit dem Adapter verschweißt
werden, um eine abgeschlossene Abdichtung zu bilden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - US 6718956 [0013]
- - US 2003150434 [0014, 0071]
- - WO 03085252 [0014, 0071]