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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Hochleistungsheizungswärmetauscher
zur Klimatisierung der Fahrzeugkabine von Personenkraftfahrzeugen mit
Hilfe des flüssigen Kühlmittels aus dem Kühlkreislauf
der Antriebsmaschine oder anderen Wärmequellen des Kühl-
und/oder Heizkreislaufs.
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Ein
weitverbreitetes Merkmal heutiger Personenkraftfahrzeuge ist es,
dass diese speziell für Dieselfahrzeuge im Heiz-Klimagerät
einen elektrischen PTC-Zuheizer zur weiteren Erwärmung
der vom Heizungswärmetauscher erwärmten Kabinenluft vorsehen.
Bei baugleichem Basis-Heiz-Klimagerät erhält die
Diesel-Variante bei dieser Vorgehensweise einen PTC-Zuheizer und
die Variante mit Otto-Motor nicht. Um die nicht unerheblichen Kosten
für den PTC-Zuheizer einzusparen wird bei den meisten Fahrzeugherstellern
in den Diesel-Varianten je nach Fahrzeugmarkt bezüglich
des serienmäßigen Zuheizer-Einbaus differenziert
oder ein Zuheizer wird gar nur als Option angeboten.
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Eine
ganze Reihe älterer und neuerer Patentanmeldungen des gleichnamigen
Erfinders zeigt Wege auf, wie der PTC-Zuheizer an bestehenden Fahrzeugen
eingespart bzw. an zukünftigen Fahrzeugen mit verbesserten
Motorwirkungsgraden vermieden werden kann. Die hieraus resultierenden Kraftstoffeinsparpotentiale
sind ebenso erheblich wie die damit einher gehenden Kosteneinsparungen.
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Speziell
in der Anmeldung
DE 10 2007
017 567.3 offenbart der gleichnamige Erfinder diesbezüglich
ganz besonders kosteneffiziente Wege, um dies in die Praxis umzusetzen.
Von großer Bedeutung ist es hierbei, möglichst
effiziente Heizungswärmetauscher zu realisieren, welche
speziell auch bei relativ kleinem Kühlmitteldurchsatz noch
eine sehr gute Heizleistung liefern.
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Die
Fertigung derartiger Heizungswärmetauscher ist nicht ganz
einfach. Dies ist einer der Gründe, weshalb sich auch der
Serienanlauf – basierend auf relativ altem und in Patentanmeldungen
auch in vielen Details veröffentlichtem Basiswissen – doch ganz
erheblich verzögert hat.
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Die
Anmeldung
DE 10 2007 017
567.3 offenbart vor diesem Hintergrund großserientaugliche Ausgestaltungen
brauchbarer Heizungswärmetauscher, um den PTC-Zuheizer
entfallen zu lassen.
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Insbesondere
wird dabei der Bauraum des PTC-Zuheizers ausgenutzt, um eine passende
Leistung des Heizungswärmetauschers zu realisieren. Gleichzeitig
wird dabei das Lastenheft bezüglich der kühlmittel-
und luftseitigen Druckverluste z. T. bewusst zu höheren
Druckverlusten hin verschoben als dies heute serientypisch ist.
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Ausgehend
von diesem patentamtsinternen Stand der Technik besteht die Aufgabe
der vorliegenden Erfindung darin, bekannte Kfz-Serien-Heizungswärmetauscher
und/oder neuartige Kfz-Heizungswärmetauscher mit bereits
in der Basis sehr hohen Heizungswärmetauscherwirkungsgraden
gemäß der
DE
10 2007 017 567.3 bei kleinem bis mittlerem Kühlmitteldurchfluss
weiter im Wirkungsgrad zu verbessern und damit den Auslegungsspielraum
in Bezug auf die maximal mögliche Heizleistungssteigerung
zu erweitern und/oder bei gleichem Heizungswärmetauscherwirkungsgrad
und gleichem kühlmittelseitigem Druckverlust den luftseitigen
Druckverlust und/oder den Heizungswärmetauscherbauraum
zu verringern.
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Die
Erfindung gemäß Patentanspruch 1 löst diese
Aufgabe.
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Die
damit realisierbare weitere Verbesserung der Heizleistung führt
vielfach auf Fahrzeug-Heizleistungswerte besser als mit heutigen PTC-Zuheizern.
In vielen Fällen ist das aber gar nicht nötig,
so dass man dann das neue Heizungswärmetauscherdesign zur
Senkung der luftseitigen Druckverluste oder zur Reduktion des Bauraums
verwenden kann.
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Insbesondere
sind die gezeigten Verbesserungen mit minimalem Kostenaufwand realisierbar.
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Wesentlich
ist dabei das Verständnis des Sachverhalts, dass die mit
dem erfindungsgemäßen Design i. a. einhergehende
Erhöhung der kühlmittelseitigen Druckverluste
und damit verbunden ein gewisser Abfall des Kühlmitteldurchflusses im
Heizungszweig in gewissen Grenzen durchaus signifikant zur Verbesserung
des Gesamtsystems d. h. der effektiven Fahrzeugheizleistung beiträgt.
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Im
Gegensatz zur
DE 10 2007
017 567.3 konzentriert sich die vorliegende Anwendung ausschließlich
auf einen 4-stufigen Kreuzgegenstromheizungswärmetauscher.
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Dieser
hat im Vergleich zum 3-Stufen-Kreuzgegenstromheizungswärmetauscher
neben dem besonders hohen Wirkungsgrad insbesondere fertigungstechnische
Vorteile. Insbesondere kann der Umlenkwasserkasten 200 einfacher
und mit weniger Toleranzanforderungen gefertigt werden.
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Die
Erfindung hat in vielen Punkten Ähnlichkeit mit der noch
nicht veröffentlichten
DE
10 2008 003 151.8 und löst auch die gleiche Aufgabe.
Sie bietet jedoch für manche Hersteller von Heizungswärmetauschern
prinzipbedingte Fertigungsvorteile. Dies betrifft insbesondere den
Verzicht auf den unteren Wasserkasten und das Potential, die erfindungsgemäße
Vorgehensweise auch bei Plattenwärmetauscherbauweise erfolgreich
einzusetzen. Dies ist nicht zuletzt bei sehr großer Stückzahl
ein wichtiger Aspekt der hilft, die Kosten weiter zu senken. Darüber
hinaus erlauben die neuen Ausgestaltungen der vorliegenden Anmeldung
eine weitere Vergrößerung des effektiven Matrixvolumens
und/oder eine Absenkung des luftseitigen Druckverlustes.
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Auch
die neuen Ausgestaltungen liefern wieder zwangsläufig etwas
mehr kühlmittelseitigen Druckverlust als ein konventioneller
vierstufiger Heizungswärmetauscher mit konventioneller
Wasserkastenumlenkung über die ganze Matrixbreite, d. h. ohne
die Drossel- und Durchmischungsstelle 213.
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Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wie bereits auch in der
DE 10 2008 003 151.8 beschrieben,
dass die Drosselung des Heizungswärmetauscherkühlmittedurchsatzes
auf den anwendungsspezifischen Ziel-Kühlmitteldurchsatz
durch eine Blende oder ein Überleitungsrohr
213 zwischen
Stufe 2 und 3 erfolgt. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass das
Kühlmittel vor oder bei der Überleitung von der
zweiten zur dritten Wärmetauscherstufe in dieser Querschnittsverengung
nicht nur etwas gedrosselt wird sondern zwangsläufig auch
sehr gut durchmischt.
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Diese
Maßnahme zur Drosselung und Durchmischung zwischen Stufe
2 und 3 wirkt sich insbesondere positiv auf den Anlauf des Heizungswärmetauschers
bei sehr kaltem Kühlmittel und ungleichmäßiger
Luftbeaufschlagung aus, da auf diesem Wege jede einzelne Stufe homogenere
Kühlmitteleintrittstemperaturen über die Wasserkastenbreite aufweist.
Kühlmitteltemperaturinhomogenitäten verstärken
sich durch diese Maßnahme im Kreuzgegenstrombetrieb weniger
stark von Stufe zu Stufe, da ein Ausweichen der Kühlmittelströmung
zu Kanälen mit höherer Kühlmitteltemperatur
bzw. niedrigerer Kühlmittelviskosität weniger
stark induziert wird.
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Die
kühlmittelseitige Drosselwirkung dieser Maßnahmen
ist in vielen Anwendungen ein erwünschter Nebeneffekt,
da sie die Kühlmitteltemperaturspreizung am Heizungswärmetauscher
und gegebenenfalls auch am Motor erhöht und somit – bei hinreichender
Dimensionierung des Heizungswärmetauschers – die
Heizung verbessert.
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Wie
in 1 und 2 gezeigt, ist es besonders
vorteilhaft, wenn die Überströmung von Stufe 2
nach Stufe 3 nicht – wie heute in Kfz-Heizungswärmetauschern
zur Druckverlustminimierung üblich – über
die gesamte Wasserkastenbreite erfolgt, sondern wenn zur Durchmischung
der gesamte Kühlmittelvolumenstrom über eine gemeinsame
Bohrung oder eine gemeinsame Verbindungsleitung zum Wasserkasten
der nächsten Stufe geleitet wird. Die Kühlmittelzuströmung
erfolgt gemäß 1 über
den Einlass 211, die erste Kreuzstromstufe wird durch die Flachrohrreihe 206 mit
den Einzelkanälen 206a und 206b gebildet.
Die Umlenkung zur 2. Gegenstromstufe erfolgt innerhalb des Doppelrohres 206 mittels des Übertrittsspaltes 206sp.
Am Einfachsten wird dies dadurch bewerkstelligt, dass ein Doppelflachrohr 206 mittels
Verschweißens der Trennnaht 206tn bis nahe an
das Rohrende gebildet wird. Eine kurze Unterbrechung der Schweißnaht
von beispielsweise 10–15 mm Länge bildet dann
an jedem einzelnen Doppelflachrohr die Strömungsumlenkung
von Stufe 1 nach Stufe 2 bzw. von Stufe 3 nach Stufe 4. Stirnseitig
werden die Doppelrohre 206 und 208 durch das Abdeckblech 260 verschlossen.
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Die Überleitung
von der zweiten zur dritten Kreuzstromstufe erfolgt über
die Verbindungsöffnung 213 in welcher zwangsläufig
eine Durchmischung und somit thermische Vergleichmäßigung
des Kühlmittels vor der dritten Stufe erfolgt. Die Durchmischungsstelle 213 ist
bevorzugt in den Wasserkasten 201 integriert. Wichtig ist
dabei, dass eine weitgehende Temperaturvergleichmäßigung
des Kühlmittels vor der dritten Stufe erfolgt. Je nach
Einbaulage und Entlüftungsbedarf sorgt gegebenenfalls eine
kleine zusätzliche Entlüftungsbohrung in den Wasserkasten-Trennwänden 250/252 für
einen sicheren Betrieb.
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In
der
DE 10 2007 017 567.3 des
gleichnamigen Erfinders ist offenbart, dass es entgegen der allgemeinen
Einschätzung der Fachwelt, bei geeigneter Systemauslegung
durchaus kosteneffizient und kraftstoffeffizient ist, das Bauvolumen
von Pkw-Großserien-Heizungswärmetauschern erheblich über
das heute bekannte Maß hinaus zu vergrößern.
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Der
gleichzeitige Übergang zu 4-Kreuzgegenstromstufen anstelle
heute maximal 2 Stufen in der Pkw-Großserie und der Einbau
zusätzlicher Drosselstellen zur Homogenisierung der Wärmetauscherdurchströmung
und Temperaturverteilung sind hierbei weitere bevorzugte Verbesserungsschritte. Wie
entsprechende Fahrzeugversuche zeigen, lässt sich die damit
i. a. einhergehende Zunahme des Druckverlustes im Heizungszweig
mit bekannten Motorkühlmittelpumpenkennlinien handhaben.
Dies ist insbesondere deshalb der Fall, weil sich in vielen Anwendungen
eine Absenkung des Kühlmitteldurchflusses im Heizungszweig
mit derartigen Hochleistungsheizungswärmetauschern vorteilhaft
auf die Heizleistung auswirkt.
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Der
Hauptanspruch richtet sich ganz bewusst nur auf Hochleistungsheizungswärmetauscher mit
einer gelöteten Wärmeübertragungsmatrix,
bestehend aus kühlmittelseitigen Flachrohren und luftseitigen
Rippen mit einer Vielzahl in Luftströmungsrichtung nacheinander
folgender Turbulenz erzeugender Einschnitte (Louvres), und mit genau
vier im Kreuzgegenstrom in Reihe geschalteten Kreuzstromwärmetauschern.
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Neben
der 4-Stufigkeit ist der erfindungsgemäße Wärmetauscher
dadurch gekennzeichnet, dass er interne Konstruktionsmerkmale aufweist,
die einerseits den kühlmittelseitigen Druckverlust prinzipbedingt
erhöhen und damit den Kühlmitteldurchsatz im Fahrzeug
absenken, gleichzeitig aber mittels der Durchmischung zwischen Stufe
2 und 3 für einen reduzierten Wirkungsgradabfall bei kleinen
bis mittleren Kühlmitteldurchsätzen sorgen.
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Ein
solches Konstruktionsmerkmal stellt der Überströmkanal 213 dar.
Am einfachsten wird dieser durch eine Blendenbohrung 213 im
Trennblech 251 dargestellt. Die mittlere Trennebene 251 des
Anschlusswasserkastens 201 weist dabei bevorzugt einen
blendenartigen Strömungsübertritt 213 zwischen Stufe
2 und 3 auf, in welchem das in den ersten beiden Stufen abgekühlte
Kühlmittel gedrosselt und gleichzeitig weitgehend homogenisiert
wird.
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Die
Umlenkung zwischen Stufe 1 und 2 sowie zwischen Stufe 3 und 4 am
anderen kühlmittelseitigen Rohrende der Wärmetauschermatrix
erfolgt ohne Quervermischung innerhalb der einzelnen Doppelflachrohre 206 und 208.
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Dabei
ist es besonders vorteilhaft, wenn wie in 2 und 3 exemplarisch
gezeigt, der Zuflussanschluss 211 und der Abflussanschluss 212 auf
der gleichen Seite 300 des Anschlusswasserkastens 201 liegen
und der Strömungsübertritt 213 der Trennebene 251 auf
der gegenüberliegenden Seite 301 des Anschlusswasserkastens 201,
insbesondere nahe dem am weitesten von den Zu- und Abflussanschlüssen 211/212 entfernten
Flachrohr der Wärmetauschermatrix. Diese Anordnung führt
auf eine besonders gute Strömungsgleichverteilung auf die
einzelnen Wärmetauscher-Flachrohre. Dies liegt u. a. daran,
dass sich der dynamische Druck im Wasserkasten 201 aufgrund
der Querströmung relativ zu den Wärmetauschermatrix-Flachrohren
in Summe über alle vier Stufen weitgehend kompensiert.
Symbolisch ist dies in 3 durch die Länge der
Strömungspfeile im Wasserkasten 201 angedeutet:
Im Mittel über alle vier Stufen finden sich gleich viele
lange und kurze Pfeile, d. h. Matrix-Flachrohreintritts- bzw. Austrittstellen
mit erhöhtem bzw. reduziertem dynamischem und damit auch
gegenläufig variierendem statischem Druck.
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Um
eine gute Durchmischung zwischen Stufe 2 und 3 zu erhalten ist es
bei vielen Anwendungen besonders vorteilhaft, wenn der Überströmquerschnitt 213 eine
Strömungsquerschnittsfläche aufweist, die gleich
oder kleiner als die Strömungsquerschnittsfläche
des Zuflussanschlusses 211 ist. Damit ist zusätzlich
sichergestellt, dass der Wärmetauscher auch eine Mindestdrosselung
des Kühlmitteldurchsatzes bewirkt, die bei kaltem wie bei
warmer Kühlmittel präsent ist, d. h. der Heizungswärmetauscherdurchfluss
variiert weniger in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur
als Heizungswärmetauscher ohne die erfindungsgemäße
interne Drosselung mittels des Überströmquerschnitts 213 und
gegebenenfalls der kleinen Bauhöhe hu des Umlenkwasserkastens.
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Zur
weiteren Optimierung des erfindungsgemäßen Heizungswärmetauschers
wird man sich bei hohem Heizleistungsdefizit die bisher noch nicht
veröffentlichten Ausführungen gemäß der
deutschen Patentanwendung
DE
10 200 017 567.3 zu Nutze machen, um die effektive Wärmetauschermatrix
so groß wie möglich zu machen. Gelötete
Vollaluminium-Heizungswärmetauscher mit hoher Packungsdichte
der luftseitigen Rippen und der kühlmittelseitigen Flachrohre
und unter signifikanter Vergrößerung des Matrix-Volumens
einschließlich Ausnutzung des früher für
den PTC vorgesehenen Bauraums sind hier maßgebliche Schritte,
um den PTC-Zuheizer in vielen Anwendungen überflüssig
zu machen.
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Speziell
die gute Strömungs- und Temperaturgleichverteilung des
erfindungsgemäßen Wärmetauschers und
der Gewinn an Matrix-Volumen durch den Entfall des Umlenkwasserkastens
liefern dabei zusätzliche Möglichkeiten zur weiteren
Verbesserung des Wärmetauscherwirkungsgrades.
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Vor
diesem Hintergrund stellt in vielen zukünftigen Fahrzeuganwendungen
in der Pkw-Großserie ein erfindungsgemäßer
Heizungswärmetauscher das derzeitige Optimum dar, der in
einem Heiz-Klimagerät mit den Merkmalen der Patentanwendung
DE 10 200 017 567.3 verwendet
wird. Dieser weist bevorzugt ein solches Volumen V_Matrix der von
der Heizungsluft umspülten Wärmetauschermatrix,
einen solchen Mittenabstand der luftseitigen Rippen t_Rippe sowie
einen solchen Mittenabstand der Kühlmittelflachrohre t_Rohr
auf, dass das daraus gebildete spezifische Wärmtauschervolumen V_Spec,
gebildet mit der Gleichung V_Spec = V_Matrix/(t_Rohr + (4·t_Rippe)),
einen unteren Grenzwert von 0,140 m
2 übersteigt.
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5–
7 ordnen
einen solchen Wärmetauscher relativ zu heute am Markt unter
Großserienbedingungen verwendeten Wärmetauschern
ein. Weitere Details hierzu finden sich in der deutschen Patentanwendung
DE 10 200 017 567.3 .
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Besonders
wichtig ist im Hinblick hierauf die Tatsache, dass die vorliegende
Patentanmeldung ein besonders einfach zu fertigendes konkretes Wärmetauscher-Design
schützt und über den Entfall des Umlenkwasserkaästens
zusätzlichen Bauraum für die Maximierung des Wärmetauschermatrixvolumens
liefert.
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Die
Vierstufigkeit mit ihrer besonders hohen Effizienz wird hierdurch
mit besonders geringem Bauaufwand realisierbar. Gleichzeitig bleiben
trotz der Vierstufigkeit Druckreserven für die wärmetauscherinternen
Konstruktionsmerkmale zur Optimierung der Strömungsgleichverteilung.
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Bei
Beachtung der bekannten Richtlinien für die Wärmetauscherentlüftung
kann der erfindungsgemäße Heizungswärmetauscher
in den verschiedensten Einbaulagen verbaut werden, gegebenenfalls
mit zusätzlichen Entlüftungsbohrungen im mm-Bereich.
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Ganz
besonders vorteilhaft ist dabei eine Anordnung, bei dem der Wärmetauscher
beim Ein- und Ausbau parallel zu den Wärmetauscherflachrohren verschoben
wird. Ein solcher Wärmetauscher ist besonders bauraumeffizient,
wenn der Anschlusswasserkasten 201 im eingebauten Zustand
den Einbauschacht für den Ein- und Ausbau des Heizungswärmetauschers
verschließt, insbesondere wenn er dabei zumindest teilweise
aus dem Heizklimagerät herausragt. Die Stirnseite und die
beiden Heizungswärmetauscherseitenflächen liegen
dabei an den strömungsbestimmenden Innenwänden
des Heizklimagerätes an und/oder sind dort – gegen
Leckageluft an der Wärmetauschermatrix vorbei – abgedichtet.
Neben den Vorteilen beim Ein- und Ausbau und bei der Abdichtung
ist bei dieser Anordnung eine ganz besonders geringe Versperrung
der Luftströmung vorhanden, d. h. der luftseitige Druckverlust
ist durch den Entfall des Umlenkwasserkastens 200 und die weitgehend
außerhalb des eigentlichen Luftströmungspfades
befindliche Anordnung des Anschlusswasserkasten 201 besonders
gering. Damit wird die effektive Wärmetauschermatrixgröße
bei vielen fahrzeugtypischen Anwendungen maximal.
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Anstelle
zweier Doppelflachrohre kann bei entsprechend großer Stückzahl
auch auf eine Plattenbauweise der Flachrohre oder des gesamten Wärmetauschers übergegangen
werden.
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Dabei
werden z. B. die Flachrohre 206a, 206b, 208a und 200b mit
Trennebenen 206tn und 208tn durch das Zusammenfügen
vorgeformter Platten gebildet und die beiden die Vierstufigkeit
definierenden Strömungsübertritte 206sp und 208sp dadurch
ausgebildet, dass die Trennebenen 206tn und 208tn im
Nahbereich der Flachrohrenden zur Strömungsumlenkung für
die nachfolgende Gegenstromstufe eine Unterbrechung aufweisen.
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Der
Anschlusswasserkasten kann dabei analog zu 1 dadurch
gebildet werden, dass die einzelnen Flachrohrkanäle in
ein entsprechendes Lochbild eines Wasserkastenbodens eingebaut und abgedichtet
sind und dass die Trennebenen 250, 251 und 252 mittels
Trennblechen und eines Wasserkastendeckels mit den Kühlmittelanschlüssen 211 und 212 gebildet
werden.
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4 und 4a zeigen
eine weitere besonders vorteilhafte Augestaltung in Form eines Plattenwärmetauschers.
Dabei wird der Anschlusswasserkasten 201 dadurch gebildet,
dass die einzelnen Flachrohrkanäle so geformt sind, dass
das Zusammenfügen der einzelnen wasserseitigen Wärmetauscherplatten
gleichzeitig die Flachrohrkanäle 206a, 206b, 208a, 208b mit
deren Übertrittsstellen 206sp und 208sp und
die Sammelrohre 201a, 201b, 201c und 201d bilden.
Das Sammelrohr 201a dient als Anschluss für den
Kühlmittelzufluss, das Sammelrohr 201d als Anschluss
für den Kühlmittelabfluss und die Überströmverbindung 213 nimmt
die Drosselung und weitgehende Durchmischung des im Sammelrohr 201b gesammelten
Kühlmittels der zweiten Gegenstromstufe vor dem Eintritt
in das Sammelrohr 201c der dritten Gegenstromstufe vor.
Auch hier erfolgt zwischen Stufe 2 und 3 ganz bewusst ein Sammeln des
Kühlmittels und ein Durchmischen vor dem Einströmen
in die dritte Stufe, um eine gewisse Drosselung und gleichzeitig
eine möglichst gute Temperaturgleichverteilung sicherzustellen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102007017567 [0004, 0006, 0008, 0013, 0022]
- - DE 102008003151 [0015, 0017]
- - DE 10200017567 [0030, 0032, 0033]