DE102017212961A1

DE102017212961A1 - Fluidisches Bauteil

Info

Publication number: DE102017212961A1
Application number: DE102017212961.1A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Bobusch; Oliver Krüger; Jens Hermann Wintering
Original assignee: FDX Fluid Dynamix GmbH
Current assignee: FDX Fluid Dynamix GmbH
Priority date: 2017-07-27
Filing date: 2017-07-27
Publication date: 2019-01-31
Also published as: EP3658837B1; DK3658837T3; CN110998213A; EP3658837A1; US20200240724A1; WO2019020530A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmetauschvorrichtung (5) mit einem Körper (3) zum Wärmetausch und einer Fluidstromquelle (1), wobei die Fluidstromquelle (1) ausgebildet ist, einen Fluidstrom (2) bereitzustellen und wobei der Körper (3) und die Fluidstromquelle (1) derart zueinander angeordnet sind, dass der von der Fluidstromquelle (1) bereitgestellte Fluidstrom (2) zwecks Wärmetausch mit dem Körper (3) wechselwirkt. Die Wärmetauschvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Fluidstromquelle (1) ein fluidisches Bauteil ist, das mindestens ein Mittel (104a, 104b) zur Ausbildung einer Oszillation des Fluidstroms (2) umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmetauschvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Wärmetauschvorrichtungen sind Vorrichtungen, die thermische Energie von einem Stoff(strom) auf einen anderen übertragen. Dabei können sie zum Abkühlen oder zum Erwärmen eines Stoffstroms oder Körpers dienen. So sind beispielsweise Kühlvorrichtungen bekannt, die gezielt Wärme abtransportieren. Beispiele dafür sind Kühl- oder Gefrierschränke, innengekühlte Werkzeugformen (zum Beispiel Spritzgusswerkzeuge) oder auch Kühlvorrichtungen in Gasturbinen.
Um die thermische Energie möglichst effizient zwischen den Stoffströmen zu übertragen, ist bekannt, die Oberflächen, an denen die Wärmeübertragung erfolgt, zu vergrößern, beispielsweise durch labyrinthartig oder mäanderförmig verlaufende Kanäle ( US 2007/0166017 A1 oder EP 2025427 A2 ). Ferner ist bekannt, zwecks Steigerung der Übertragungseffizienz die Turbulenz innerhalb eines Fluidstroms zum Beispiel durch sogenannte Turbulatoren (Rippen, Stege oder Pins, die in den Strom ragen) zu erhöhen ( US 6607356 B2 ). Um die Turbulenz innerhalb eines Fluidstroms zu erhöhen ist es ferner möglich, die Geschwindigkeit des Fluids beispielsweise durch Erhöhung des Eingangsdrucks zu erhöhen. Hierbei steigen jedoch der Energieverbrauch und die Kosten.
Bei den eingangs beispielhaft genannten Vorrichtungen ist das Hauptziel, die Wärme von einem bestimmten Ort abzutransportieren. Bei anderen Vorrichtungen ist das Ziel, Wärme zu einem bestimmten Ort hin zu transportieren, wie beispielsweise bei Dampfsprühgeräten (zum Beispiel für Dampfsterilisation).
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmetauschvorrichtung bereitzustellen, die eine effiziente Übertragung der thermischen Energie zwischen zwei Systemen (Körper, Stoffstrom) ermöglicht. Das Ziel ist es, einen hohen zeitlichen und räumlichen Geschwindigkeitsgradienten an der zu kühlenden beziehungsweise wärmeabtransportierenden Fläche zu erzeugen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Wärmetauschvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Danach umfasst die Wärmetauschvorrichtung einen Körper zum Wärmetausch (Wärmetauschkörper) und eine Fluidstromquelle, die ausgebildet ist, einen Fluidstrom bereitzustellen. Der Körper zum Wärmetausch ist dabei ein Körper, der gewärmt oder gekühlt werden soll. Der Körper und die Fluidstromquelle sind derart zueinander angeordnet, dass der von der Fluidstromquelle bereitgestellte Fluidstrom zwecks Wärmetausch mit dem Körper wechselwirkt. So kann der Fluidstrom die Wärme des Körpers abtransportieren oder umgekehrt. Hierbei ist unter einer Wechselwirkung ein Kontakt zu verstehen, der zeitlich und räumlich derart gestaltet ist, dass zumindest die beabsichtigte Übertragung thermischer Energie zwischen dem Körper und dem Fluidstrom erfolgen kann. Unter Wechselwirkung ist insbesondere kein zufälliger Kontakt zu verstehen.
Die erfindungsgemäße Wärmetauschvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Fluidstromquelle ein fluidisches Bauteil umfasst, das mindestens ein Mittel zur Ausbildung einer Oszillation des Fluidstroms umfasst. Das fluidische Bauteil ist demnach ausgebildet, um einen sich bewegenden (oszillierenden) Fluidstrom zu erzeugen, der zeitlich pulsiert und/oder sich räumlich bewegt.
Durch das fluidische Bauteil wird eine räumlich und/oder zeitlich veränderliche Strömung für die Wärmetauschvorrichtung erzeugt. Dadurch kann die Grenzschicht des Fluidstroms an der Grenze zu dem Wärmetauschkörper einen hohen Grad an Turbulenzen aufweisen. Ferner können Sekundärströmungen erzwungen werden. Durch die Bewegung (Oszillation) des Fluidstroms kann insgesamt die Effizienz des Wärmeleitungsprozesses beziehungsweise Wärmeaustauschprozesses erhöht werden.
Ferner erfährt der Fluidstrom in dem fluidischen Bauteil nahezu keinen Druckverlust, so dass der am Eingang des fluidischen Bauteils zur Verfügung stehende Druck des Fluidstroms effektiv zur Wärmeübertragung genutzt werden kann. Somit kann die Wärmetauschvorrichtung auch bei niedrigem Eingangsdruck oder niedriger Strömungsgeschwindigkeit eingesetzt werden.
Ein weiterer Vorteil des fluidischen Bauteils ist, dass der austretende Fluidstrom durch seine Form mit einer großen Fläche wechselwirken kann und damit eine große Wärmetransportleistung erzielt werden kann.
Sofern das Fluid (Leitungs)Wasser ist, das üblicherweise kalkhaltig ist, können mit dem fluidischen Bauteil als Fluidstromquelle Kalkablagerungen durch die Bewegung (Oszillation) des Fluids in der Wärmetauschvorrichtung massiv gemindert oder sogar verhindert werden, wodurch die Lebensdauer der Vorrichtung erhöht werden kann.
Sofern die Wärmetauschvorrichtung beispielsweise das sogenannte Prallkühlungsverfahren (Impingement Cooling) anwendet, kann durch Verwendung eines fluidischen Bauteils in der Prallkühlungskonfiguration die Wärmeaustauschleistung erhöht werden.
Das fluidische Bauteil umfasst keine beweglichen Komponenten, die der Erzeugung des beweglichen Fluidstroms dienen. Dadurch weist die Fluidstromquelle einen geringen Verschleiß auf.
Das fluidische Bauteil kann je nach Ausgestaltung verschiedene Fluidfließmuster erzeugen. So können beispielsweise eine sinusförmige Strahloszillation, rechteckige, sägezahnförmige oder dreieckige Strahlverläufe, räumliche oder zeitliche Strahlpulsationen und Schaltvorgänge erzeugt werden. Durch die unterschiedlichen Strahlverläufe kann/können die Dauer und/oder die Position der Wechselwirkung zwischen dem Fluidstrom und dem Wärmetauschkörper angepasst werden.
Das fluidische Bauteil erzeugt einen Fluidstrom, der insbesondere in einer Oszillationsebene um einen Oszillationswinkel oszilliert. Somit wird von dem fluidischen Bauteil ein fächerartiger Fluidstrahl erzeugt, in dem die Fluidverteilung zeitlich und/oder räumlich variiert.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das fluidische Bauteil eine Strömungskammer, die von einem Fluidstrom durchströmbar ist, der durch eine Einlassöffnung der Strömungskammer in die Strömungskammer eintritt und durch eine Auslassöffnung der Strömungskammer aus der Strömungskammer austritt. Vorzugsweise sind die Einlassöffnung und die Auslassöffnung auf sich gegenüberliegenden Seiten der Strömungskammer angeordnet. Der aus der Auslassöffnung austretende Fluidstrom steht dem Wärmetauschprozess der Wärmetauschvorrichtung zur Verfügung. In dieser Ausführungsform ist das Mittel zur Ausbildung einer Oszillation des Fluidstroms an der Auslassöffnung in der Strömungskammer vorgesehen. Das Mittel zur Ausbildung einer Oszillation kann beispielsweise mindestens ein Nebenstromkanal sein, der mit einem (später beschriebenen) Hauptstromkanal der Strömungskammer strömungstechnisch verbunden ist und den in dem Hauptstromkanal strömenden Fluidstrom räumlich ablenkt. Alternativ können auch andere Mittel zur Ausbildung einer Oszillation des Fluidstroms vorgesehen sein.
Die Einlassöffnung und die Auslassöffnung können jeweils eine Querschnittsfläche aufweisen, die sich im Wesentlichen senkrecht zu einer Längsachse des fluidischen Bauteils erstrecken. Dabei ist die Längsachse des fluidischen Bauteils von der Einlassöffnung zur Auslassöffnung gerichtet und liegt in der Oszillationsebene. Hierbei sind unter den Querschnittsflächen der Einlassöffnung und der Auslassöffnung jeweils die kleinsten Querschnittsflächen des fluidischen Bauteils zu verstehen, die der Fluidstrom passiert, wenn er in die Strömungskammer eintritt beziehungsweise aus der Strömungskammer wieder austritt. Insbesondere kann die Querschnittsfläche der Einlassöffnung kleiner als die Querschnittsfläche der Auslassöffnung sein oder können die Querschnittsfläche der Einlassöffnung und die Querschnittsfläche der Auslassöffnung gleich groß sein. Durch ein derartiges Größenverhältnis erfährt das Fluid in dem fluidischen Bauteil einen geringen Strömungswiderstand, was zu einem geringen Druckverlust innerhalb des fluidischen Bauteils führt. Die Wärmetauschvorrichtung kann demnach auch verwendet werden, wenn der Eingangsdruck oder die Strömungsgeschwindigkeit gering ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Strömungskammer einen Hauptstromkanal der sich entlang der Längsachse zwischen der Einlassöffnung und der Auslassöffnung erstreckt. Der Hauptstromkanal kann eine Querschnittsfläche aufweisen, die sich senkrecht zu der Längsachse erstreckt. Dabei kann sich die Größe der Querschnittsfläche des Hauptstromkanals entlang der Längsachse ändern. Insbesondere kann die Querschnittsfläche der Einlassöffnung kleiner als die Querschnittsfläche des Hauptstromkanals an dessen engster Stelle sein oder können die Querschnittsfläche der Einlassöffnung und die Querschnittsfläche des Hauptstromkanals an dessen engster Stelle gleich groß sein. Die engste Stelle des Hauptstromkanals ist die Stelle entlang der Längsachse, an der seine Querschnittsfläche am kleinsten ist. Durch ein derartiges Größenverhältnis erfährt das Fluid in dem fluidischen Bauteil einen geringen Strömungswiderstand, was zu einem geringen Druckverlust innerhalb des fluidischen Bauteils führt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die Querschnittsfläche der Einlassöffnung, die Querschnittsfläche der Auslassöffnung und die Querschnittsfläche des Hauptstromkanals an dessen engster Stelle gleich groß sein.
Der Abstand zwischen der Einlassöffnung und der Auslassöffnung entlang der Längsachse kann als Bauteillänge definiert sein. Senkrecht zu der Bauteillänge und zueinander erstrecken sich dann die Bauteilbreite und die Bauteiltiefe. Dabei erstreckt sich die Bauteilbreite in der Oszillationsebene und die Bauteiltiefe im Wesentlichen senkrecht zu der Oszillationsebene. Dementsprechend weisen auch die Einlassöffnung und die Auslassöffnung jeweils eine Breite und ein Tiefe auf, die die Größe der jeweiligen Querschnittsflächen definieren. Der Hauptstromkanal kann eine sich entlang der Längsachse ändernde Breite und Tiefe aufweisen. Die Breite und Tiefe des Hauptstromkanals an einem Punkt entlang der Längsachse bestimmen die Querschnittsfläche des Hauptstromkanals an diesem Punkt der Längsachse.
Die Bauteiltiefe kann für das gesamte fluidische Bauteil konstant sein. In diesem Fall kann die Breite der Einlassöffnung kleiner als die oder gleich der Breite der Auslassöffnung sein. Zusätzlich oder alternativ kann die Breite der Einlassöffnung kleiner als die oder gleich der Breite des Hauptstromkanals an dessen engster Stelle sein. Ferner können die Breite der Einlassöffnung, die Breite der Auslassöffnung und die Breite des Hauptstromkanals an dessen engster Stelle gleich groß sein. Alternativ kann die Bauteiltiefe nicht für das gesamte fluidische Bauteil konstant sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Bauteiltiefe größer als ¼ der Breite der Einlassöffnung sein, vorzugsweise größer als ½ der Breite der Einlassöffnung. Insbesondere bevorzugt ist eine Bauteiltiefe, die größer als die Breite der Einlassöffnung ist, und ganz besonders bevorzugt ist eine Bauteiltiefe, die größer als die doppelte Breite der Einlassöffnung ist.
Der Körper, der zwecks Wärmetausch mit dem Fluidstrom wechselwirkt, kann mindestens eine Oberfläche aufweisen, über die die Wechselwirkung des Körpers mit dem Fluidstrom erfolgen kann. Bei der Oberfläche kann es sich um eine Innenoberfläche handeln, sofern der Körper ein Hohlkörper ist. Die Oberfläche kann aber auch eine Außenoberfläche des Körpers sein. Dabei kann die mindestens eine Oberfläche derart bezüglich des fluidischen Bauteils ausgerichtet sein, dass die Oszillationsebene des aus dem fluidischen Bauteil austretenden Fluidstroms einen Winkel mit der mindestens einen Oberfläche einschließt. Der Winkel kann insbesondere im Wesentlichen 90° betragen. Dabei kann die Längsachse des fluidischen Bauteils im Wesentlichen parallel zu der mindestens einen Oberfläche ausgerichtet sein. In diesem Fall kann der oszillierende Fluidstrom periodisch (in Abhängigkeit von der Frequenz, mit der der Fluidstrom oszilliert) auf die mindestens eine Oberfläche auftreffen. Hier ändert sich die Wechselwirkung periodisch zeitlich und räumlich. Alternativ können die mindestens eine Oberfläche des Körpers und die Längsachse des fluidischen Bauteils einen Anströmwinkel einschließen, der ungleich 0° ist, beispielsweise 90° beträgt. Hier wirkt der Fluidstrom wie eine Prallströmung. In diesem Fall kann der oszillierende Fluidstrom permanent auf die mindestens eine Oberfläche auftreffen, wobei sich jedoch periodisch die Position, an der der oszillierende Fluidstrom auf die mindestens eine Oberfläche trifft, ändert. Hier ändert sich die Wechselwirkung periodisch räumlich.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Wärmetauschkörper mindestens zwei Oberflächen aufweisen, die zwecks Wärmetausch mit dem Fluidstrom wechselwirken. Die mindestens zwei Oberflächen können im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet und einen Abstand zueinander aufweisen, so dass sie einen Zwischenraum oder Kanal begrenzen. Die mindestens zwei Oberflächen können derart bezüglich des fluidischen Bauteils ausgerichtet sein, dass sich der aus dem fluidischen Bauteil austretende Fluidstrom zwischen den mindestens zwei Oberflächen erstreckt, also in den Zwischenraum beziehungsweise Kanal strömt. Dabei kann insbesondere die Oszillationsebene des aus dem fluidischen Bauteil austretenden Fluidstroms einen Winkel mit den mindestens zwei Oberflächen einschließen. Dieser Winkel kann beispielsweise im Wesentlichen 90° betragen. Somit kann der oszillierende Fluidstrom abwechselnd auf die eine und auf die andere der mindestens zwei Oberflächen auftreffen und damit gleichzeitig einen Wärmetausch mit mindestens zwei Oberflächen des Wärmetauschkörpers herbeiführen. Anstelle eines Wärmetauschkörpers mit mindestens zwei Oberflächen können auch mindestens zwei Wärmetauschkörper mit jeweils mindestens einer Oberfläche vorgesehen sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Körper zum Wärmetausch mindestens eine Oberfläche auf, die zwecks Wärmetausch mit dem Fluidstrom wechselwirkt und die derart bezüglich des fluidischen Bauteils ausgerichtet ist, dass sich die Oszillationsebene des aus dem fluidischen Bauteil austretenden Fluidstroms im Wesentlichen parallel zu der mindestens einen Oberfläche erstreckt. In diesem Fall erstreckt sich die Längsachse des fluidischen Bauteils ebenfalls parallel zu der mindestens einen Oberfläche. Dabei kann die Auslassöffnung des fluidischen Bauteils derart bezüglich der mindestens einen Oberfläche ausgerichtet sein, dass sich die Breite der Auslassöffnung parallel und die Tiefe der Auslassöffnung senkrecht zu der mindestens einen Oberfläche erstreckt, wobei die Auslassöffnung entlang ihrer Tiefe betrachtet von der mindestens einen Oberfläche beabstandet ist. Alternativ können auch mindestens zwei Oberflächen vorgesehen sein, die sich parallel zueinander erstrecken und einen Kanal oder Zwischenraum begrenzen. Der Abstand zwischen den mindestens zwei Oberflächen kann mindestens so groß wie die Tiefe der Auslassöffnung des fluidischen Bauteils sein. Der Fluidstrom kann dann aus der Auslassöffnung parallel zu den mindestens zwei Oberflächen in den Kanal oder Zwischenraum strömen.
Auch wenn sich die Längsachse des fluidischen Bauteils nicht parallel zu der mindestens einen Oberfläche erstreckt, sondern mit dieser einen Anströmwinkel einschließt, der ungleich 0° ist, kann die Auslassöffnung des fluidischen Bauteils in einem Abstand zu der mindestens einen Oberfläche, die zwecks Wärmetausch mit dem Fluidstrom wechselwirkt, angeordnet sein. Dabei ist der Abstand entlang einer Achse definiert, die sich im Wesentlichen senkrecht zu der mindestens einen Oberfläche erstreckt. Dieser Abstand zwischen der Auslassöffnung des fluidischen Bauteils und der mindestens einen Oberfläche kann dabei insbesondere mindestens doppelt so groß sein wie die Breite der Auslassöffnung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Wärmetauschkörper eine durchströmbare Vorrichtung sein, die eine Strömungskammer aufweist, die von dem aus dem fluidischen Bauteil austretenden Fluidstrom durchströmbar ist. Dabei kann das fluidische Bauteil in der Strömungskammer des Körpers angeordnet sein. Auch können in der Strömungskammer des Wärmetauschkörpers mehrere fluidische Bauteile angeordnet sein. Diese wirken dann einerseits als Fluidstromquelle und andererseits als Turbulatoren (Drallelemente), die den Fluidstrom zusätzlich verwirbeln. Im Vergleich zu Wärmetauschvorrichtungen mit herkömmlichen Turbulatoren, kann bei Verwendung von fluidischen Bauteilen als Turbulatoren die Anzahl der Turbulatoren reduziert werden, da die fluidischen Bauteile bereits aufgrund der Oszillation des austretenden Fluidstroms (auch bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten) für Turbulenz sorgen. Durch eine geringere Anzahl von Turbulatoren sinkt der Druckverlust in der Wärmetauschvorrichtung. Daraus folgt, dass (im Vergleich zu Wärmetauschvorrichtungen ohne fluidisches Bauteil als Fluidstromquelle) mit geringeren Eingangsdrücken oder Eingangsgeschwindigkeiten die gewünschte Wärmetransportleistung erreicht werden kann beziehungsweise dass bei gleichem/gleicher Eingangsdruck oder Eingangsgeschwindigkeit die Wärmetransportleistung gesteigert werden kann.
Alternativ kann die durchströmbare Vorrichtung eine Einlassöffnung aufweisen, durch die der Fluidstrom in den Körper (in die Strömungskammer des Körpers) eintritt. Das fluidische Bauteil ist demnach hier außerhalb der Strömungskammer des Wärmetauschkörpers angeordnet. Dabei kann die Einlassöffnung des Körpers insbesondere stromabwärts der Auslassöffnung des fluidischen Bauteils angeordnet sein. Vorzugsweise schließt sich die Einlassöffnung des Wärmetauschkörpers unmittelbar an die Auslassöffnung des fluidischen Bauteils an.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können in der Strömungskammer des Wärmetauschkörpers Turbulatoren vorgesehen sein, die beispielsweise mindestens auf einer Oberfläche des Wärmetauschkörpers angeordnet sind. Hierdurch können Fluidtotzonen in der Strömungskammer des Wärmetauschkörpers reduziert und die Effektivität der Vorrichtung gesteigert werden.
Bei der beschriebenen mindestens einen Oberfläche handelt es sich insbesondere um eine ebene Oberfläche beziehungsweise um eine Oberfläche mit ebenen Abschnitten. Alternativ kann die Oberfläche Krümmungen aufweisen.
Der Wärmetauschkörper kann ein Hohlkörper oder ein massiver Körper sein. Bei dem Hohlkörper können die Innenoberflächen oder die Außenoberflächen mit dem Fluidstrom wechselwirken. Bei dem massiven Körper können die Außenoberflächen mit dem Fluidstrom wechselwirken.
Die Wärmetauschvorrichtung kann auch mehr als ein fluidisches Bauteil als Fluidstromquelle und/oder mehr als einen Wärmetauschkörper aufweisen.
Der Fluidstrom kann insbesondere ein Flüssigkeitsstrom oder ein Gasstrom sein.
Die Wärmetauschvorrichtung kann als Plattenwärmetauscher, Wärmerohr oder Turbinenschaufeln ausgebildet sein. Es ist auch denkbar, in technisch verwandten Vorrichtungen (Verdampfer, Kondensatoren, Kolonnen, Verflüssiger, Ölkühler, Dampferzeuger, Sonnenkollektoren und Erhitzer) ein fluidisches Bauteil als Fluidstromquelle einzusetzen.
Mittels Tiefziehen oder Prägen kann das fluidische Bauteil in eine Wand des Wärmetauschkörpers integriert werden. Dafür können insbesondere fluidische Bauteile vorgesehen sein, die keine scharfen Kanten aufweisen, sondern mit Radien versehen sind.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert werden.
Es zeigen:

1 einen Querschnitt durch ein fluidisches Bauteil parallel zur Oszillationsebene gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 eine Schnittdarstellung des fluidischen Bauteils aus 1 entlang der Linie A'-A";
3 eine Schnittdarstellung des fluidischen Bauteils aus 1 entlang der Linie B'-B";
4 eine schematische Darstellung einer Wärmeaustauschvorrichtung mit einem fluidischen Bauteil gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
5 eine schematische Darstellung einer Wärmeaustauschvorrichtung mit einem fluidischen Bauteil gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
6 eine schematische Darstellung einer Wärmeaustauschvorrichtung mit einem fluidischen Bauteil gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und
7 eine schematische Darstellung einer Wärmeaustauschvorrichtung mit einem fluidischen Bauteil gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

In 1 ist schematisch ein Querschnitt durch ein fluidisches Bauteil parallel zu seiner Oszillationsebene dargestellt, das in der erfindungsgemäßen Wärmetauschvorrichtung als Fluidstromquelle verwendet werden kann. 2 und 3 zeigen eine Schnittdarstellung dieses fluidischen Bauteils 1 entlang der Linien A'-A" beziehungsweise B'-B". Das fluidische Bauteil 1 umfasst eine Strömungskammer 10, die von einem Fluidstrom durchströmbar ist. Die Strömungskammer 10 ist auch als Wechselwirkungskammer bekannt.
Die Strömungskammer 10 umfasst eine Einlassöffnung 101, über die der Fluidstrom in die Strömungskammer 10 eintritt, und eine Auslassöffnung 102, über die der Fluidstrom aus der Strömungskammer 10 austritt. Die Einlassöffnung 101 und die Auslassöffnung 102 sind auf zwei sich (strömungstechnisch) gegenüberliegenden Seiten des fluidischen Bauteils 1 zwischen einer Vorderwand 12 und einer Rückwand 13 angeordnet. Der Fluidstrom bewegt sich in der Strömungskammer 10 im Wesentlichen entlang einer Längsachse A des fluidischen Bauteils 1 (die die Einlassöffnung 101 und die Auslassöffnung 102 miteinander verbindet) von der Einlassöffnung 101 zu der Auslassöffnung 102. Die Einlassöffnung 101 weist eine Einlassbreite b_IN auf und die Auslassöffnung 102 eine Auslassbreite b_EX . Die Breiten sind in der Oszillationsebene im Wesentlichen senkrecht zu der Längsachse A definiert.
Der Abstand zwischen der Einlassöffnung 101 und der Auslassöffnung 102 entlang der Längsachse A ist die Bauteillänge I. Die Bauteilbreite b ist die Ausdehnung der Strömungskammer 10 in der Oszillationsebene quer zur Längsachse A. Die Bauteiltiefe t ist die Ausdehnung der Strömungskammer 10 quer zur Oszillationsebene und quer zur Längsachse A. Die Bauteilbreite b kann in einem Bereich zwischen 0,05 mm und 0,75 m liegen. Bei einer bevorzugten Ausführungsvariante liegt die Bauteilbreite zwischen 0,45 mm und 120 mm. Die Bauteillänge I liegt bezogen auf die Bauteilbreite b vorzugsweise in folgendem Bereich: 1/3·b ≤ I ≤ 4,5·b.
Die Breite b_EX der Auslassöffnung 102 beträgt 1/3 bis 1/50 der Bauteilbreite b, vorzugsweise 1/5 bis 1/20. Die Breite b_EX der Auslassöffnung 102 wird in Abhängigkeit von dem Volumendurchfluss, der Bauteiltiefe t, der Eingangsgeschwindigkeit des Fluids beziehungsweise des Eingangsdrucks des Fluids und der gewünschten Oszillationsfrequenz des austretenden Fluidstroms gewählt. Ein bevorzugter Frequenzbereich liegt zwischen 50 - 1000 Hz. Die Breite b_IN der Einlassöffnung 101 beträgt 1/3 bis 1/30 der Bauteilbreite b, vorzugsweise 1/5 bis 1/15.
Die Strömungskammer 10 umfasst einen Hauptstromkanal 103, der sich zentral durch das fluidische Bauteil 1 erstreckt. Der Hauptstromkanal 103 erstreckt sich im Wesentlichen geradlinig entlang der Längsachse A, so dass der Fluidstrom im Hauptstromkanal 103 im Wesentlichen entlang der Längsachse A des fluidischen Bauteils 1 strömt. An seinem stromabwärtigen Ende geht der Hauptstromkanal 103 in einen Auslasskanal 107 über, der sich in der Oszillationsebene betrachtet stromabwärts verjüngt und in der Auslassöffnung 102 endet.
Für eine Sprühkühlungssituation (wie beispielsweise in 6 dargestellt) ist es vorteilhaft, wenn zusätzlich (nicht in 1 dargestellt) stromabwärts der Auslassöffnung 102 eine Auslasserweiterung zur Führung des austretenden bewegten Fluidstrahls zur Verfügung steht. Die Auslasserweiterung kann sich dabei unmittelbar an die Auslassöffnung anschließen und im Wesentlichen entlang der Längsachse A gerichtet sein. Beispielsweise kann diese Auslasserweiterung durch eine Verlängerung der Vorderwand 12 und / oder der Rückwand 13 stromabwärts der Auslassöffnung 102 erreicht werden. Zusätzlich ist es auch möglich, den austretenden Fluidstrahl in der Oszillationsebene zu beschränken. Hierzu kann die Auslasserweiterung ausgehend von der Auslassöffnung zwei Begrenzungswände aufweisen, die sich senkrecht zur Oszillationsebene zwischen der verlängerten Vorderwand 12 und Rückwand 13 erstrecken und deren Abstand (quer zur Längsachse in der Oszillationsebene) zueinander stromabwärts zunimmt. Durch diese zusätzliche Auslasserweiterung kann die Wurfweite des austretenden Fluidstrahls erhöht werden, so dass ein größerer Abstand zwischen dem fluidischen Bauteil 1 und der Oberfläche des Wärmetauschkörpers, mit dem der Fluidstrahl zwecks Wärmeaustausch wechselwirkt, möglich ist.
Zur Ausbildung einer Oszillation des Fluidstroms an der Auslassöffnung 102 umfasst die Strömungskammer 10 beispielhaft zwei Nebenstromkanäle 104a, 104b, wobei der Hauptstromkanal 103 (quer zur Längsachse A betrachtet) zwischen den zwei Nebenstromkanälen 104a, 104b angeordnet ist. Unmittelbar stromabwärts der Einlassöffnung 101 teilt sich die Strömungskammer 10 in den Hauptstromkanal 103 und die zwei Nebenstromkanäle 104a, 104b, die dann unmittelbar stromaufwärts der Auslassöffnung 102 zusammengeführt werden. Die zwei Nebenstromkanäle 104a, 104b sind hier beispielhaft identisch geformt und symmetrisch bezüglich der Längsachse A angeordnet (1). Gemäß einer nicht dargestellten Alternative können die Nebenstromkanäle nicht symmetrisch angeordnet sein.
Die Nebenstromkanäle 104a, 104b erstrecken sich ausgehend von der Einlassöffnung 101 in einem ersten Abschnitt jeweils zunächst in einem Winkel von im Wesentlichen 90° zu der Längsachse A in entgegengesetzte Richtungen. Anschließend biegen die Nebenstromkanäle 104a, 104b ab, so dass sie sich jeweils im Wesentlichen parallel zu der Längsachse A (in Richtung auf die Auslassöffnung 102) erstrecken (zweiter Abschnitt). Um die Nebenstromkanäle 104a, 104b und den Hauptstromkanal 103 wieder zusammenzuführen, ändern die Nebenstromkanäle 104a, 104b am Ende des zweiten Abschnitts nochmals ihre Richtung, so dass sie jeweils im Wesentlichen in Richtung auf die Längsachse A gerichtet sind (dritter Abschnitt). In der Ausführungsform der 1 ändert sich die Richtung der Nebenstromkanäle 104a, 104b beim Übergang vom zweiten in den dritten Abschnitt um einen Winkel von ca. 120°. Jedoch können für die Richtungsänderung zwischen diesen beiden Abschnitten (und zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt) der Nebenstromkanäle 104a, 104b auch andere als der hier genannte Winkel gewählt werden.
Die Nebenstromkanäle 104a, 104b sind ein Mittel zur Beeinflussung der Richtung des Fluidstromes, der die Strömungskammer 10 durchströmt, und letztlich ein Mittel zur Ausbildung einer Oszillation des Fluidstroms an der Auslassöffnung 102. Die Nebenstromkanäle 104a, 104b weisen hierfür jeweils einen Eingang 104a1, 104b1, der durch das der Auslassöffnung 102 zugewandte Ende der Nebenstromkanäle 104a, 104b gebildet wird, und jeweils einen Ausgang 104a2, 104b2 auf, der durch das der Einlassöffnung 101 zugewandte Ende der Nebenstromkanäle 104a, 104b gebildet wird. Durch die Eingänge 104a1, 104b1 fließt ein kleiner Teil des Fluidstroms, die Nebenströme, in die Nebenstromkanäle 104a, 104b. Der restliche Teil des Fluidstroms (der sogenannte Hauptstrom) tritt über die Auslassöffnung 102 aus dem fluidischen Bauteil 1 aus. Die Nebenströme treten an den Ausgängen 104a2, 104b2 aus den Nebenstromkanälen 104a, 104b aus, wo sie einen seitlichen (quer zur Längsachse A) Impuls auf den durch die Einlassöffnung 101 eintretenden Fluidstrom ausüben können. Dabei wird die Richtung des Fluidstromes derart beeinflusst, dass der an der Auslassöffnung 102 austretende Hauptstrom räumlich und/oder zeitlich oszilliert. Die Oszillation erfolgt in einer Ebene, der sogenannten Oszillationsebene. In der Oszillationsebene sind der Hauptstromkanal 103 und die Nebenstromkanäle 104a, 104b angeordnet. Die Oszillationsebene ist parallel zu der Haupterstreckungsebene des fluidischen Bauteils 1. Der sich bewegende austretende Fluidstrahl 2 oszilliert innerhalb der Oszillationsebene mit dem sogenannten Oszillationswinkel α (siehe 6).
Gemäß einer nicht dargestellten Alternative können statt der Nebenstromkanäle andere Mittel zur Ausbildung der Oszillation des austretenden Fluidstrahls verwendet werden. Auch können die Nebenstromkanäle nicht symmetrisch bezüglich der Längsachse A angeordnet sein. Ferner können die Nebenstromkanäle auch außerhalb der dargestellten Oszillationsebene positioniert werden. Diese Kanäle können beispielsweise mittels Schläuchen außerhalb der Oszillationsebene realisiert werden oder durch Kanäle, die in einem Winkel zur Oszillationsebene verlaufen.
Die Nebenstromkanäle 104a, 104b weisen in der hier dargestellten Ausführungsvariante jeweils eine Querschnittsfläche auf, die über die gesamte Länge (vom Eingang 104a1, 104b1 bis zum Ausgang 104a2, 104b2) der Nebenstromkanäle 104a, 104b nahezu konstant ist. Die Querschnittsflächen können in einer hier nicht dargestellten Ausführungsvariante nicht konstant sein. Demgegenüber nimmt die Größe der Querschnittsfläche des Hauptstromkanals 103 in Strömungsrichtung des Hauptstromes (also in Richtung von der Einlassöffnung 101 zu der Auslassöffnung 102) im Wesentlichen stetig zu. Dabei nimmt die Breite b₁₀₃ des Hauptstromkanals 103 stromabwärts zu, während die Tiefe t konstant bleibt (1 und 2).
Der Hauptstromkanal 103 ist von jedem Nebenstromkanal 104a, 104b durch einen inneren Block 11a, 11b getrennt. Die zwei Blöcke 11a, 11b sind in der Ausführungsform aus 1 identisch in Form und Größe und symmetrisch bezüglich der Längsachse A angeordnet. Prinzipiell können sie jedoch auch unterschiedlich ausgebildet und/oder nicht symmetrisch ausgerichtet sein. Bei nicht symmetrischer Ausrichtung ist auch die Form des Hauptstromkanals 103 nicht symmetrisch zu der Längsachse A. Die Form der Blöcke 11a, 11b, die in 1 dargestellt ist, ist nur beispielhaft und kann variiert werden. Die Blöcke 11a, 11b aus 1 weisen abgerundete Kanten auf. So weisen die Blöcke 11a, 11b an ihrem der Einlassöffnung 101 und dem Hauptstromkanal 103 zugewandten Ende jeweils einen Radius 119a, 119b auf. Die Kanten können auch scharf sein beziehungsweise Radien mit einem Wert annähernd Null aufweisen. Stromabwärts nimmt der Abstand der beiden inneren Blöcke 11a, 11b zueinander entlang der Bauteilbreite b (beziehungsweise die Breite b₁₀₃ des Hauptstromkanals 103) stetig zu, so dass sie (in der Oszillationsebene betrachtet) einen keilförmigen Hauptstromkanal 103 einschließen. Der kleinste Abstand der beiden inneren Blöcke 11a, 11b zueinander (beziehungsweise b₁₀₃ ) befindet sich prinzipiell am stromaufwärtigen Ende der inneren Blöcke 11a, 11b. Aufgrund der Radien 119a, 119b verschiebt sich der kleinste Abstand (b₁₀₃ ) geringfügig stromabwärts. Die Breite b₁₀₃ des Hauptstromkanals 103 an seiner engsten Stelle ist größer als die Breite b_IN der Einlassöffnung 101. Die Form des Hauptstromkanals 103 wird insbesondere durch die nach innen (in Richtung des Hauptstromkanals 103) zeigenden Flächen 110a, 110b der Blöcke 11a, 11b gebildet, die sich im Wesentlichen senkrecht zu der Oszillationsebene erstrecken. Der von den nach innen zeigenden Flächen 110a, 110b eingeschlossene Winkel wird hier als γ bezeichnet. Die nach innen zeigenden Flächen 110a, 110b können eine (leichte) Krümmung aufweisen oder durch einen beziehungsweise mehrere Radien, ein Polynom und/oder eine oder mehrere Geraden beziehungsweise durch eine Mischform davon gebildet werden.
Am Eingang 104a1, 104b1 der Nebenstromkanäle 104a, 104b, sind Separatoren 105a, 105b in Form von Einbuchtungen (in die Strömungskammer hinein) vorgesehen. Aus der Perspektive der Strömung sind die Separatoren Ausbuchtungen. Dabei ragt am Eingang 104a1, 104b1 jedes Nebenstromkanals 104a, 104b jeweils eine Einbuchtung 105a, 105b über einen Abschnitt der Umfangskante des Nebenstromkanals 104a, 104b in den jeweiligen Nebenstromkanal 104a, 104b und verändert an dieser Stelle unter Verkleinerung der Querschnittsfläche dessen Querschnittsform. In 1 ist der Abschnitt der Umfangskante so gewählt, dass jede Einbuchtung 105a, 105b (unter anderem auch) auf die Einlassöffnung 101 (im Wesentlichen parallel zu der Längsachse A ausgerichtet) gerichtet ist. Je nach Anwendungsfall können die Separatoren 105a, 105b anders ausgerichtet sein oder auch komplett weggelassen werden. Auch kann nur an einem der Nebenstromkanäle 104a, 104b ein Separator 105a, 105b vorgesehen sein. Durch die Separatoren 105a, 105b wird die Abtrennung der Nebenströme vom Hauptstrom beeinflusst und gesteuert. Durch Form, Größe und Ausrichtung der Separatoren 105a, 105b kann die Menge Fluid, die in die Nebenstromkanäle 104a, 104b strömt, sowie die Richtung der Nebenströme beeinflusst werden. Das führt wiederum zu einer Beeinflussung des Austrittswinkels des Hauptstroms an der Auslassöffnung 102 des fluidischen Bauteils 1 (und damit zu einer Beeinflussung des Oszillationswinkels) sowie der Frequenz, mit der der Hauptstrom an der Auslassöffnung 102 oszilliert. Durch Wahl der Größe, Orientierung und/oder Form der Separatoren 105a, 105b kann somit gezielt das Profil des an der Auslassöffnung 102 austretenden Hauptstroms 24 beeinflusst werden. Besonders vorteilhaft ist, wenn die Separatoren 105a, 105b (entlang der Längsachse A betrachtet) stromabwärts der Position angeordnet sind, wo sich der Hauptstrom von den inneren Blöcken 11a, 11b löst und ein Teil des Fluidstroms in die Nebenstromkanäle 104a, 104b eintritt.
Der Einlassöffnung 101 der Strömungskammer 10 ist stromaufwärts ein trichterförmiger Ansatz 106 vorgeschaltet, der sich (in der Oszillationsebene) in Richtung auf die Einlassöffnung 101 (stromabwärts) verjüngt. Die Begrenzungswände des trichterförmigen Ansatzes 106, die sich im Wesentlichen senkrecht zu der Oszillationsebene erstrecken, schließen einen Winkel ε ein. Auch stromaufwärts der Auslassöffnung 102 verjüngt sich die Strömungskammer 10 (in der Oszillationsebene). Die Verjüngung wird durch den bereits erwähnten Auslasskanal 107 gebildet, der sich zwischen den Eingängen 104a1, 104b1 der Nebenstromkanäle 104a, 104b und der Auslassöffnung 102 erstreckt. In 1 werden die Eingänge 104a1, 104b1 der Nebenstromkanäle 104a, 104b durch die Separatoren 105a, 105b vorgegeben. Die Begrenzungswände des Auslasskanals 107, die sich im Wesentlichen senkrecht zu der Oszillationsebene erstrecken, schließen einen Winkel δ ein. Gemäß der 1 und 2 verjüngen sich der trichterförmige Ansatz 106 und der Auslasskanal 107 derart, dass nur deren Breite, das heißt deren Ausdehnung in der Oszillationsebene senkrecht zu der Längsachse A, jeweils stromabwärts abnimmt. Zusätzlich können sich der trichterförmige Ansatz 106 und der Auslasskanal 107 stromabwärts auch entlang der Bauteiltiefe t verjüngen, das heißt senkrecht zur Oszillationsebene und senkrecht zu der Längsachse A. Ferner kann sich nur der Ansatz 106 in der Tiefe oder in der Breite verjüngen, während sich der Auslasskanal 107 sowohl in der Breite als auch in der Tiefe verjüngt, und umgekehrt. Das Ausmaß der Verjüngung des Auslasskanals 107 beeinflusst die Richtcharakteristik des aus der Auslassöffnung 102 austretenden Fluidstroms und somit dessen Oszillationswinkel. Die Form des trichterförmigen Ansatzes 106 und des Auslasskanals 107 sind in 1 nur beispielhaft gezeigt. Hier nimmt deren Breite stromabwärts jeweils linear ab. Andere Formen der Verjüngung sind möglich.
Die Auslassöffnung kann durch einen Radius 109 abgerundet sein. Dieser Radius 109 ist vorzugsweise kleiner als die Breite b_IN der Einlassöffnung 101 oder der (entlang der Längsachse A betrachtet) kleinsten Breite b₁₀₃ der Hauptstromkammer 103. Wenn der Radius 109 gleich 0 ist, so ist die Auslassöffnung 102 scharfkantig.
Die Einlassöffnung 101 und die Auslassöffnung 102 weisen jeweils eine rechteckige Querschnittsfläche (quer zur Längsachse A) auf. Diese weisen jeweils die gleiche Tiefe t auf, unterscheiden sich jedoch in ihrer Breite b_IN , b_EX . Alternativ ist auch eine nicht rechteckige Querschnittsfläche für die Einlassöffnung 101 und die Auslassöffnung 102 denkbar, zum Beispiel kreisförmig.
In der Ausführungsform aus 1 ist die Querschnittsfläche der Einlassöffnung 101, die durch die Einlassbreite b_IN und die Bauteiltiefe t_IN an der Einlassöffnung 101 definiert ist, kleiner als die Querschnittsfläche der Auslassöffnung 102, die durch die Auslassbreite b_EX und die Bauteiltiefe t_EX an der Auslassöffnung 101 definiert ist. Insbesondere ist die Einlassbreite b_IN kleiner als die Auslassbreite b_EX . Alternativ können die Querschnittsfläche der Einlassöffnung 101 und die Querschnittsfläche der Auslassöffnung 102 gleich groß sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Querschnittsfläche der Einlassöffnung 101 kleiner als die oder gleich der Querschnittsfläche des Hauptstromkanals 103 an der engsten Stelle des Hauptstromkanals 103 sein. Dabei ist die engste Stelle des Hauptstromkanals 103 dort, wo der Abstand der beiden inneren Blöcke 11a, 11b (die Breite b₁₀₃ des Hauptstromkanals 103) in der Oszillationsebene quer zur Längsachse A am kleinsten ist. Die Querschnittsfläche des Hauptstromkanals 103 an der engsten Stelle des Hauptstromkanals 103 ist durch die Breite b₁₀₃ und die Bauteiltiefe t₁₀₃ an dieser Stelle definiert. Bei konstanter Bauteiltiefe (t_IN =t_EX = t₁₀₃ ) gilt erfindungsgemäß b_IN ≤ b_EX und/oder b_IN ≤ b₁₀₃ . Insbesondere können die Einlassbreite b_IN , die Auslassbreite b_EX sowie die Breite b₁₀₃ gleich groß sein (b_IN = b₁₀₃ = b_EX ).
Gemäß 2 weist das fluidische Bauteil 1 aus 1 eine konstante Bauteiltiefe t auf. Gemäß einer Ausführungsform ist die Bauteiltiefe t größer als 1/4 der Einlassbreite b_IN . Vorteilhaft ist, wenn die Bauteiltiefe t größer als die Hälfte der Einlassbreite b_IN . Besonders vorteilhaft ist, wenn die Bauteiltiefe t größer als die Einlassbreite b_IN und für manche Anwendungen sogar größer als die doppelte Einlassbreite b_IN ist. Die Bauteiltiefe t kann sich jedoch entlang der Längsachse A (oder generell) auch verändern. In 3 ist ein Schnitt durch das fluidische Bauteil 1 aus 1 entlang der Achse B'-B" dargestellt. 3 zeigt, dass die Querschnittsflächen des Hauptstromkanals 103 und der Nebenstromkanäle 104a, 104b jeweils im Wesentlichen rechteckig sind. Derartige Querschnittsformen sind leicht zu fertigen. Jedoch können die Querschnittsflächen auch andere Formen aufweisen, z.B. können die Nebenstromkanäle 104a, 104b eine dreieckige, mehreckige oder runde Querschnittsfläche aufweisen.
In 4 ist eine Wärmetauschvorrichtung 5 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Wärmeaustauschvorrichtung 5 umfasst ein fluidisches Bauteil 1, das vorzugsweise das fluidische Bauteil aus den 1 bis 3 ist beziehungsweise eine der alternativen Ausführungsformen, die im Zusammenhang mit den 1 bis 3 beschrieben worden sind. Das fluidische Bauteil 1 erzeugt einen oszillierenden Fluidstrom 2, der in seiner Oszillationsebene oszilliert. Die Oszillationsebene entspricht der Ebene, die in 4 von der Längsachse A des fluidischen Bauteils 1 und dem Doppelpfeil 202 aufgespannt wird.
Ferner umfasst die Wärmeaustauschvorrichtung 5 einen Wärmetauschkörper 3. Der Wärmetauschkörper 3 umfasst eine Strömungskammer 303, die von Begrenzungswänden begrenzt ist. Von den Begrenzungswänden sind zwei in 4 dargestellt. Ihre Oberflächen, die jeweils der Strömungskammer 303 zugewandt sind, sind mit den Bezugszeichen 304a, 304b gekennzeichnet und erstrecken sich im Wesentlichen senkrecht zu der Oszillationsebene und parallel zu der Längsachse A des fluidischen Bauteils 1. Die zwei Begrenzungswände beziehungsweise deren Oberflächen 304a, 304 b sind parallel zueinander diesseits und jenseits der Längsachse A des fluidischen Bauteils 1 angeordnet. Die Strömungskammer 303 weist eine Einlassöffnung 301 und eine Auslassöffnung 302 auf, die sich strömungstechnisch gegenüberliegen und durch die Strömungskammer 303 miteinander verbunden sind. Der aus der Fluidstromquelle 1 austretende Fluidstrom 2 kann durch die Einlassöffnung 301 in die Strömungskammer 303 des Wärmetauschkörpers 3 eintreten und durch die Auslassöffnung 302 aus der Strömungskammer 303 des Wärmetauschkörpers 3 wieder austreten.
Die Einlassöffnung 301 des Wärmetauschkörpers 3 ist unmittelbar stromabwärts der Auslassöffnung 102 des fluidischen Bauteils 1 angeordnet, so dass der Fluidstrom aus dem fluidischen Bauteil 1 direkt in den Wärmetauschkörper 3 strömt. Das fluidische Bauteil 1 und die Begrenzungswände (beziehungsweise deren Oberflächen 304a, 304b) sind derart zueinander positioniert, dass die Oszillationsebene im Wesentlichen senkrecht zu den Oberflächen 304a, 304b ausgerichtet ist. Dabei sind der Oszillationswinkel des oszillierenden Fluidstroms 2 und der Abstand der Oberflächen 304a, 304b von der Längsachse A des fluidischen Bauteils so gewählt, dass der oszillierende Fluidstrahl 2 abwechselnd die beiden Oberflächen 304a, 304b abstreicht. Das heißt, dass die Oberflächen 304a, 304b eine zeitlich veränderliche Anströmungssituation erfahren. Auf diese Weise wird eine hochturbulente Strömung mit großskaligen kohärenten (Wirbel-)Strukturen erzeugt, die sich ohne den oszillierenden Fluidstrom nicht ausbilden würde.
Gemäß einer nicht dargestellten Alternative kann das fluidische Bauteil innerhalb der Strömungskammer 303 angeordnet sein. Auch können mehr als ein fluidisches Bauteil in der Strömungskammer 303 angeordnet sein. Das beziehungsweise die fluidische(n) Bauteil(e) wirken dann wie Turbulatoren (Drallelemente), die den Fluidstrom zusätzlich verwirbeln. Dabei können die fluidischen Bauteile beispielsweise in Reihe oder parallel angeordnet sein.
In 5 ist eine weitere Ausführungsform der Wärmetauschvorrichtung 5 dargestellt. Diese unterscheidet sich von der Ausführungsform aus 4 unter anderem in der relativen Ausrichtung von fluidischem Bauteil 1 und den zwei Begrenzungswänden der Strömungskammer 303 (beziehungsweise deren der Strömungskammer 303 zugewandten Oberflächen). Die Oberflächen sind mit den Bezugszeichen 304c und 304d gekennzeichnet. Die Oberflächen 304c, 304d sind in 5 im Wesentlichen parallel zur Oszillationsebene ausgerichtet (nicht senkrecht wie in 4). Die Oszillationsebene entspricht der Ebene, die in 5 von der Längsachse A des fluidischen Bauteils 1 und dem Doppelpfeil 202 aufgespannt wird.
Zudem ist an der Oberfläche 304d ein zusätzlicher Turbulator 333 vorgesehen, der als Steg ausgebildet ist, welcher sich entlang der Oberfläche 304d und im Wesentlichen senkrecht zu der Längsachse A des fluidischen Bauteils 1 erstreckt. Der Turbulator 333 ist in einem Abstand I₃₃₃ zu der Auslassöffnung 102 des fluidischen Bauteils 1 angeordnet. Dieser Abstand I₃₃₃ ist mindestens doppelt so groß wie die Breite b_EX der Auslassöffnung 102. Bei Wärmetauschvorrichtungen mit Lochdüsen als Fluidstromquelle muss dieser Abstand I₃₃₃ mindestens das Fünffache der Breite b_EX der Auslassöffnung 102 betragen. Somit kann bei gleicher Wärmetransportleistung der Bauraum (die Größe der Strömungskammer 303 des Wärmetauschkörpers 3) verringert werden, wenn anstelle einer Lochdüse ein fluidisches Bauteil als Fluidstromquelle verwendet wird.
Die Form und Ausrichtung des Turbulators ist in 5 nur beispielhaft. Auch andere Formen und/oder Ausrichtungen sind möglich. Gemäß einer Alternative weist der Wärmetauschkörper 3 keinen zusätzlichen Turbulator auf.
Die Auslassöffnung 102 des fluidischen Bauteils 1 kann eine Tiefe t_EX aufweisen, die dem Abstand t₃₀₃ zwischen den Oberflächen 304c, 304d entspricht. Dieser Abstand t₃₀₃ ist die Tiefe der Strömungskammer 303 des Wärmetauschkörpers 3. In diesem Fall grenzt die Auslassöffnung 102 des fluidischen Bauteils 1 an die beiden Oberflächen 304c, 304d. In der in 5 dargestellten Ausführungsform ist die Tiefe t_EX der Auslassöffnung 102 des fluidischen Bauteils 1 jedoch kleiner als die Tiefe t₃₀₃ der Strömungskammer 303 des Wärmetauschkörpers 3. Somit kann die Auslassöffnung 102 an eine der beiden Oberflächen 304c, 304d angrenzen und zu der anderen der beiden Oberflächen 304c, 304d einen Abstand t₃₁₁ aufweisen. Dabei ist vorzugsweise dieser Abstand t₃₁₁ kleiner als die Ausdehnung t₃₃₃ des Turbulators 333 entlang der Tiefe t₃₀₃ der Strömungskammer 303 des Wärmetauschkörpers 3.
In 6 ist eine Ausführungsform der Wärmetauschvorrichtung 5 dargestellt, bei der Wärmeaustausch gemäß des Prallströmungsverfahrens erfolgt. Der Wärmetauschkörper 3 beziehungsweise seine Oberfläche 304e wird hier (beispielsweise von außen) von dem aus dem fluidischen Bauteil 1 austretenden Fluidstrom 2 angeströmt, um so eine Temperaturänderung des Wärmetauschkörpers 3 herbeizuführen. Dafür ist das fluidische Bauteil 1 in einem Abstand zu der Oberfläche 304e angeordnet. Die Längsachse A des fluidischen Bauteils 1 schließt einen Anströmwinkel β mit der Oberfläche 304e ein, der ungleich null ist. Der Anströmwinkel β ist in 6 nur beispielhaft. Die Auslassöffnung 102 des fluidischen Bauteils 1 ist in einem Abstand I₁₄ zu der Oberfläche 304e angeordnet.
Der Abstand I₁₄ ist dabei entlang einer Achse definiert, die sich im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche 304e erstreckt. Vorzugsweise ist der Abstand I₁₄ mindestens doppelt so groß wie die Breite b_EX der Auslassöffnung 102 des fluidischen Bauteils 1. Bei Wärmetauschvorrichtungen mit Lochdüsen als Fluidstromquelle muss dieser Abstand I₁₄ im Prallströmungsverfahren mindestens das Fünffache der Breite b_EX der Auslassöffnung 102 betragen. Somit kann bei gleicher Wärmetransportleistung der Bauraum (das Volumen der Wärmetauschvorrichtung 5) verringert werden, wenn anstelle einer Lochdüse ein fluidisches Bauteil als Fluidstromquelle verwendet wird.
Auch in der Ausführungsform aus 7 erfolgt der Wärmeaustausch gemäß des Prallströmungsverfahrens. Der Wärmetauschkörper 3 umfasst eine Strömungskammer 303, die von mehreren Begrenzungswänden begrenzt wird, von denen drei in 7 dargestellt sind. Ihre der Strömungskammer 303 zugewandten Oberflächen tragen die Bezugszeichen 304f, 304g, 304h. Beispielhaft umfasst die Wärmetauschvorrichtung 5 drei fluidische Bauteile 1 als Fluidstromquellen. Die Anzahl der Fluidstromquellen kann jedoch auch von drei abweichen. Deren Auslassöffnungen 102 gehen in entsprechende Einlassöffnungen 301 der Strömungskammer 303 des Wärmetauschkörpers 3 über und sind in der Begrenzungswand mit der Oberfläche 304f ausgebildet. Die Längsachsen Ader fluidischen Bauteile 1 erstrecken sich im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche 304f und der Oberfläche 304h, die parallel zu der Oberfläche 304f angeordnet ist. Der Fluidstrom 2 tritt aus den Auslassöffnungen 102 der fluidischen Bauteile 1 durch die Einlassöffnungen 301 des Wärmetauschkörpers 3 in die Strömungskammer 303 des Wärmetauschkörpers 3 und trifft dann unter dem Anströmwinkel β als Prallströmung auf die Oberfläche 304h. Vorzugsweise beträgt der Abstand I₁₄ von jeder Auslassöffnung 102 der fluidischen Bauteile 1 zu der Oberfläche 304h entlang der Längsachse A mindestens das Doppelte der Breite b_EX der Auslassöffnungen 102.
Die Strömungskammer 303 des Wärmetauschkörpers 3 kann ferner eine Auslassöffnung 302 aufweisen, die in 7 zwischen den Begrenzungswänden mit den Oberflächen 304f, 304h angedeutet ist. Der Fluidstrom kann dann durch die Auslassöffnung 302 aus der Strömungskammer 303 herausströmen.
In der hier dargestellten Ausführungsform ist der Anströmwinkel β = 90°. Der Anströmwinkel β kann auch andere Werte zwischen 0 und 90° annehmen, wie beispielsweise ca. 60°, wie in 6 beispielhaft dargestellt ist. Grundsätzlich kann auch die Oszillationsebene um die Längsachse A des jeweiligen fluidischen Bauteils 1 gedreht sein und eine andere Orientierung als in 7 aufweisen.
Gemäß einer nicht dargestellten Ausführungsform weist die Strömungskammer 303 anstelle der Begrenzungswand mit der Oberfläche 304g eine Einlassöffnung auf, so dass Fluid einerseits durch diese Einlassöffnung und andererseits durch die mit den fluidischen Bauteilen 1 kommunizierenden Einlassöffnungen 301 in die Strömungskammer 303 strömen kann. Durch die zusätzlichen Einlassöffnungen 301 können neue Turbulenzquellen entstehen. Außerdem kann sehr schnell ein Ausgleich des Temperaturunterschieds der Fluide erreicht werden, wenn das Fluid, das durch die Einlassöffnung in der Oberfläche 304g in die Strömungskammer 303 tritt, und das Fluid, das über die fluidischen Bauteile 1 in die Strömungskammer 303 tritt, unterschiedliche Temperaturen aufweisen.
Je nach Fluid (Art, Eigenschaften) und der spezifischen Anwendung kann das fluidische Bauteil 1 unterschiedlich ausgebildet sein, um unterschiedliche Strahlverläufe zu erzeugen. In 7 sind exemplarisch drei unterschiedliche Strahlverläufe dargestellt. Der gestrichelte Strahlverlauf ist im Wesentlichen sinusförmig, der gepunktete Strahlverlauf im Wesentlichen dreiecksförmig und der Strahlverlauf entlang der Strichpunktlinie im Wesentlichen rechteckig. Alternativ können die fluidischen Bauteile 1 derart ausgebildet sein, dass sie alle den gleichen Strahlverlauf erzeugen, der auch von den in 7 gezeigten Strahlverläufen abweichen kann. Je nach Strahlverlauf kann insbesondere in der Ausführungsform aus 4 die Dauer der Wechselwirkung des oszillierenden Fluidstroms mit den Oberflächen variieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2007/0166017 A1 [0003]
EP 2025427 A2 [0003]
US 6607356 B2 [0003]

Claims

Wärmetauschvorrichtung (5) mit einem Körper (3) zum Wärmetausch und einer Fluidstromquelle (1), wobei die Fluidstromquelle (1) ausgebildet ist, einen Fluidstrom (2) bereitzustellen und wobei der Körper (3) und die Fluidstromquelle (1) derart zueinander angeordnet sind, dass der von der Fluidstromquelle (1) bereitgestellte Fluidstrom (2) zwecks Wärmetausch mit dem Körper (3) wechselwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidstromquelle (1) ein fluidisches Bauteil umfasst, das mindestens ein Mittel (104a, 104b) zur Ausbildung einer Oszillation des Fluidstroms (2) umfasst.
Wärmetauschvorrichtung (5) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oszillation des Fluidstroms in einer Oszillationsebene erfolgt.
Wärmetauschvorrichtung (5) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das fluidische Bauteil (1) eine Strömungskammer (10) aufweist, die von einem Fluidstrom durchströmbar ist, der durch eine Einlassöffnung (101) der Strömungskammer (10) in die Strömungskammer (10) eintritt und durch eine Auslassöffnung (102) der Strömungskammer (10) aus der Strömungskammer (10) austritt, wobei in der Strömungskammer (10) das mindestens eine Mittel (104a, 104b) zur Ausbildung einer Oszillation des Fluidstroms an der Auslassöffnung (102) vorgesehen ist.
Wärmetauschvorrichtung (5) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassöffnung (101) und die Auslassöffnung (102) jeweils eine Querschnittsfläche aufweisen, die sich im Wesentlichen senkrecht zu einer Längsachse (A) des fluidischen Bauteils (1), die von der Einlassöffnung (101) zur Auslassöffnung (102) gerichtet ist, erstrecken, und dass die Strömungskammer (10) einen Hauptstromkanal (103) umfasst, der sich zwischen der Einlassöffnung (101) und der Auslassöffnung (102) erstreckt, wobei der Hauptstromkanal (103) eine Querschnittsfläche aufweist, die sich im Wesentlichen senkrecht zu der Längsachse (A) erstreckt.
Wärmetauschvorrichtung (5) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche der Einlassöffnung (101) kleiner als die Querschnittsfläche der Auslassöffnung (102) ist oder dass die Querschnittsfläche der Einlassöffnung (101) und die Querschnittsfläche der Auslassöffnung (102) gleich groß sind.
Wärmetauschvorrichtung (5) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche der Einlassöffnung (101) kleiner als die Querschnittsfläche des Hauptstromkanals (103) an dessen engster Stelle ist oder dass die Querschnittsfläche der Einlassöffnung (101) und die Querschnittsfläche des Hauptstromkanals (103) an dessen engster Stelle gleich groß sind.
Wärmetauschvorrichtung (5) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche der Einlassöffnung (101), die Querschnittsfläche der Auslassöffnung (102) und die Querschnittsfläche des Hauptstromkanals (103) an dessen engster Stelle gleich groß sind.
Wärmetauschvorrichtung (5) nach den Ansprüchen 2 und 3 und einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassöffnung (101) eine Breite (b_IN) aufweist, die sich in der Oszillationsebene im Wesentlichen senkrecht zu der Längsachse (A) erstreckt, und dass das fluidische Bauteil eine Bauteiltiefe (t) aufweist, die sich im Wesentlichen senkrecht zu der Oszillationsebene erstreckt, wobei die Bauteiltiefe (t) größer als ¼ der Breite (b_IN) der Einlassöffnung (101), vorzugsweise größer als ½ der Breite (b_IN) der Einlassöffnung (101), insbesondere bevorzugt größer als die Breite (b_IN) der Einlassöffnung (101) und ganz besonders bevorzugt größer als die doppelte Breite (b_IN) der Einlassöffnung (101) ist.
Wärmetauschvorrichtung (5) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (5) zum Wärmetausch mindestens eine Oberfläche (304a, 304b, 304c, 304d, 304e, 304h) aufweist, die zwecks Wärmetausch mit dem Fluidstrom (2) wechselwirkt und die derart bezüglich des fluidischen Bauteils (1) ausgerichtet ist, dass die Oszillationsebene des aus dem fluidischen Bauteil (1) austretenden Fluidstroms (2) einen Winkel (β) mit der mindestens einen Oberfläche (304a, 304b, 304c, 304d, 304e, 304h) einschließt, wobei der Winkel insbesondere im Wesentlichen 90° ist.
Wärmetauschvorrichtung (5) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (3) zum Wärmetausch mindestens zwei Oberflächen (304a, 304b) aufweist, die zwecks Wärmetausch mit dem Fluidstrom (2) wechselwirken und die in einem Abstand zueinander und im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind und die derart bezüglich des fluidischen Bauteils (1) ausgerichtet sind, dass sich der aus dem fluidischen Bauteil (1) austretende Fluidstrom (2) zwischen den mindestens zwei Oberflächen (304a, 304b) erstreckt, wobei die Oszillationsebene des aus dem fluidischen Bauteil (1) austretenden Fluidstroms einen Winkel mit den mindestens zwei Oberflächen (304a, 304b) einschließt, wobei der Winkel insbesondere im Wesentlichen 90° ist.
Wärmetauschvorrichtung (5) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (3) zum Wärmetausch mindestens eine Oberfläche (304c, 304d) aufweist, die zwecks Wärmetausch mit dem Fluidstrom (2) wechselwirkt und die derart bezüglich des fluidischen Bauteils (1) ausgerichtet ist, dass sich die Oszillationsebene des aus dem fluidischen Bauteil (1) austretenden Fluidstroms (2) im Wesentlichen parallel zu der mindestens einen Oberfläche (304c, 304d) erstreckt.
Wärmetauschvorrichtung (5) nach einem der Ansprüche 4 bis 8 und einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassöffnung (102) des fluidischen Bauteils (1) in einem Abstand (I₁₄) zu der mindestens einen Oberfläche (304e, 304h), die zwecks Wärmetausch mit dem Fluidstrom wechselwirkt, angeordnet ist und dass die Auslassöffnung (102) in der Oszillationsebene quer zur Längsachse (A) eine Breite (b_EX) aufweist, wobei der Abstand (I₁₄) mindestens doppelt so groß ist wie die Breite (b_EX) der Auslassöffnung (102).
Wärmetauschvorrichtung (5) nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (3) zum Wärmetausch eine durchströmbare Vorrichtung ist, die eine Einlassöffnung (301) aufweist, durch die der Fluidstrom (2) in den Körper (3) eintritt, wobei die Einlassöffnung (301) des Körpers (3) stromabwärts der Auslassöffnung (102) des fluidischen Bauteils (1) angeordnet ist.
Wärmetauschvorrichtung (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (3) zum Wärmetausch eine durchströmbare Vorrichtung ist, die eine Strömungskammer (303) aufweist, die von einem Fluidstrom (2) durchströmbar ist, wobei das fluidische Bauteil (1) in der Strömungskammer (303) des Körpers (3) angeordnet ist.