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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager zur wärmeübertragenden, fluidisch getrennten Kopplung eines ersten Fluids mit einem zweiten Fluid, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Wärmeübertrager dieser Art kommen grundsätzlich bei Fahrzeuganwendungen zum Einsatz, beispielsweise als Kühlmittelkühler, Kondensatoren, Verdampfer, Speicherverdampfer, Heizkörper, Ladeluftkühler, Abgasrückführkühler etc.
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Ein gattungsgemäßer Wärmeübertrager ist beispielsweise aus der
DE 10 2005 017 920 A1 bekannt und besitzt in üblicher Weise mehrere Kanalkörper, durch die ein erster Strömungspfad für das erste Fluid hindurch führt und die sich durch einen zweiten Strömungspfad für das zweite Fluid hindurch erstrecken, so dass die Kanalkörper vom ersten Fluid durchströmbar und vom zweiten Fluid umströmbar sind. Im vorliegenden Zusammenhang ist ein Kanalkörper zum Beispiel ein Rohr mit beliebigem Querschnitt, insbesondere ein Flachrohr. Kanalkörper sind auch Platten oder Scheiben, die bei Wärmeübertragern zum Einsatz kommen können. Ein derartiger Kanalkörper kann auch durch ein Multiportrohr gebildet sein, wie es beispielsweise aus der
DE 10 2006 018 688 A1 bekannt ist.
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Beim gattungsgemäßen Wärmeübertrager gemäß der vorstehend genannten
DE 10 2005 017 920 A1 sind außerdem mehrere scheibenförmige oder plattenförmige Gewebekörper aus wärmeübertragendem Material vorgesehen, die im zweiten Strömungspfad quer zu den Kanalkörpern nebeneinander angeordnet sind und die von den Kanalkörpern durchsetzt sind. Außerdem sind diese Gewebekörper zweckmäßig wärmeübertragend mit den Kanalkörpern verbunden. Beim bekannten Wärmeübertrager sind diese Gewebekörper eben konfiguriert, so dass sie sich jeweils in einer Ebene erstrecken, die sich ihrerseits quer zu einer Stapelrichtung erstreckt, in der die Gewebekörper zueinander benachbart sind. Außerdem ist beim bekannten Wärmeübertrager vorgesehen, dass es sich bei den in der Stapelrichtung benachbarten Gewebekörpern jeweils um separate Gewebekörper handelt, die nicht miteinander in Kontakt stehen.
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Die Gewebekörper bestehen aus einem wärmeübertragenden Material, bei dem es sich bevorzugt um ein Metallgewebe handelt. Die Gewebekörper können zwischen die Kanalkörper eingelötet, mechanisch gefügt oder eingeklebt sein. Durch Einschnitte können einzelne Fasern oder Drähte des Metallgewebes aufgestellt werden, um eine aus dem übrigen Körper herausragende dreidimensionale Textur zu generieren, durch die der Wärmeübergang deutlich verbessert werden. Diese Einschnitte können alle möglichen geometrischen Formen aufweisen, zum Beispiel rechteckig, rund und/oder elliptisch ausgebildet sein. Zur Bildung der Gewebekörper können beschichtete Fasern, Fäden oder Drähte verwendet werden. Es ist aber auch möglich, die Gewebekörper nachträglich zu beschichten. Das Beschichten kann vor oder nach dem Fügen erfolgen. Gegenüber herkömmlichen lamellenartigen Wärmeübertragungsstrukturen zeichnen sich derartige Gewebekörper durch ein reduziertes Gewicht und eine erhöhte Biegeelastizität aus.
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Bei diesen Gewebekörpern handelt es sich allgemein um Materialkörper, bei denen das Material, aus dem der Körper besteht, ein Gewebe ist.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen derartigen Wärmeübertrager eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine bessere Wärmeübertragungsleistung auszeichnet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Materialkörper, insbesondere die Gewebekörper, mit einer gewellten oder gefalteten Struktur auszustatten. Während ebene Materialkörper eine quasi zweidimensionale Oberfläche besitzen, zeigen gewellte oder gefaltete Materialkörper eine dreidimensionale Oberfläche, so dass bei gleicher Grundfläche deutlich mehr wärmeübertragendes Material bereitgestellt werden kann, wodurch sich die Wärmeübertragung zwischen zweitem Fluid und Materialkörper verbessert. Die jeweilige gewellte oder gefaltete Struktur des Materialkörpers weist mehrere Berge und mehrere Täler auf, die abwechselnd aufeinander folgen. Die gewellte oder gefaltete Struktur kann dabei im Profil sinusförmig oder zick-zack-förmig oder in sonstiger Weise plissiert gestaltet sein.
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Das Material des Materialkörpers, aus dem der Körper des Materialkörpers gebildet ist, kann ein Gewebe oder ein Gestrick oder ein Geflecht oder ein Gewirk sein. Dementsprechend kann es sich beim Materialkörper um einen Gewebekörper, einen Gestrickkörper, einen Geflechtkörper oder einen Gewirkkörper handeln.
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Zweckmäßig können sich innerhalb der jeweiligen Struktur die Berge und Täler geradlinig und parallel zueinander erstrecken. Dies vereinfacht die Herstellung des auf diese Weise dreidimensional strukturierten Materialkörpers.
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Vorteilhaft können sich die Berge und Täler parallel zur Strömungsrichtung des zweiten Fluids im zweiten Strömungspfad erstrecken. Hierdurch ergibt sich ein besonders geringer Durchströmungswiderstand für das zweite Fluid im zweiten Strömungspfad.
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Alternativ können sich die Berge und Täler quer zur Strömungsrichtung des zweiten Fluids im zweiten Strömungspfad erstrecken. Hierdurch wird der Wärmeübergang zwischen zweitem Fluid und Gewebestruktur verbessert.
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Gemäß einer anderen alternativen Weiterbildung können sich die Berge und Täler zur Strömungsrichtung des zweiten Fluids mit einem Neigungswinkel geneigt erstrecken, der größer ist als 0° und kleiner ist als 90°. Der hier ausgeschlossene Neigungswinkel von 0° entspricht der parallelen Ausrichtung zur Strömungsrichtung des zweiten Fluids, während der ebenfalls ausgeschlossene Neigungswinkel von 90° der Ausrichtung quer zur Strömungsrichtung des zweiten Fluids entspricht. Zweckmäßig liegt der Neigungswinkel in einem Winkelbereich von 30° bis 60°. Vorzugsweise liegt der Neigungswinkel in einem Winkelbereich von 40° bis 50°. Besonders vorteilhaft beträgt der Neigungswinkel etwa 45°. Mit Hilfe eines derartigen Neigungswinkels kann ein Optimum zwischen Wärmeübertragung einerseits und Durchströmungswiderstand andererseits realisiert werden.
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Besonders vorteilhaft ist eine Weiterbildung, bei der sich die Berge und Täler von zwei benachbarten Materialkörpern geneigt zueinander erstrecken. Mit anderen Worten, die Materialkörper werden in einer Stapelrichtung, die parallel zur Erstreckungsrichtung der Kanalkörper verläuft, so aufeinander gestapelt, dass sich ihre Berge und Täler unterschiedlich zur Strömungsrichtung des zweiten Fluids erstrecken. Hierdurch kann die Wärmeübertragung zwischen dem zweiten Fluid und den Materialkörpern verbessert werden.
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Besonders vorteilhaft ist nun eine Weiterbildung, bei der sich die Berge und Täler von zwei benachbarten Materialkörpern mit entgegengesetzten Neigungswinkeln zur Strömungsrichtung des zweiten Fluids erstrecken. Es hat sich gezeigt, dass bei einer derartigen Bauform ein optimaler Kompromiss zwischen Strömungswiderstand und Wärmeübertragung realisierbar ist.
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Bei einer anderen Ausführungsform können sich bei benachbarten Materialkörpern die Berge des einen Materialkörpers an den Tälern des anderen Materialkörpers abstützen. Hierdurch lässt sich eine besonders dichte und kompakte Anordnung der Materialkörper innerhalb des Wärmeübertragers realisieren.
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Bei einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Kanalkörper die Materialkörper jeweils nur in einer Flanke durchsetzen, die innerhalb des Materialkörpers jeweils einen Berg mit einem Tal verbindet. Besonders vorteilhaft ist dabei eine Weiterbildung, bei der sich bei benachbarten Materialkörpern die Berge des einen Materialkörpers zwischen benachbarten Kanalkörpern an den Tälern des anderen Materialkörpers abstützen. Durch diese Maßnahmen lässt sich eine besonders kompakte Bauform realisieren, bei der vergleichsweise viel wärmeübertragendes Material mit Hilfe der Materialkörper zwischen den Kanalkörpern angeordnet werden kann.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
- 1 eine vereinfachte Prinzipdarstellung eines Wärmetauschers,
- 2 eine vergrößerte Ansicht eines Ausschnitts II aus 1,
- 3 der Ausschnitt gemäß 2, jedoch in einer anderen Blickrichtung und bei einer anderen Ausführungsform,
- 4 eine stark vereinfachte Schnittansicht gemäß Schnittlinien IV in 1,
- 5 und 6 Schnittansichten wie in 4, jedoch bei anderen Ausführungsformen.
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Entsprechend 1 umfasst ein Wärmeübertrager 1, mit dessen Hilfe ein erstes Fluid mit einem zweiten Fluid wärmeübertragend und fluidisch getrennt gekoppelt werden soll, mehrere Kanalkörper 2, durch die ein erster Strömungspfad 3 zum Führen des ersten Fluids hindurchführt und die sich durch einen zweiten Strömungspfad 4 zum Führen des zweiten Fluids hindurch erstrecken. In der Ansicht der 1 ist der zweite Strömungspfad 4 senkrecht zur Zeichnungsebene orientiert. Dennoch ist zur besseren Veranschaulichung der zweite Strömungspfad 4 durch einen perspektivischen Pfeil angedeutet. Des Weiteren sind mehrere scheibenförmige oder plattenförmige Materialkörper 5 vorgesehen, die aus einem wärmeübertragenden Gewebematerial, zum Beispiel aus einem Metallgewebe, bestehen und die im zweiten Strömungspfad 4 quer zu den Kanalkörpern 2 nebeneinander angeordnet sind und die von den Kanalkörpern 2 durchsetzt sind. Zweckmäßig sind diese Materialkörper 5 auf geeignete Weise wärmeübertragend mit den Kanalkörpern 2 verbunden. Beispielsweise können die Materialkörper 5 mit den Kanalkörpern 2 verlötet sein.
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Im Beispiel der 1 besitzt der Wärmeübertrager 1 außerdem einen Verteilerkasten 6, dem das erste Fluid über einen Zuführanschluss 7 zugeführt wird, sowie einen Sammelkasten 8, von dem das erste Fluid durch einen Abführanschluss 9 abgeführt wird. Im Beispiel verbinden die Kanalkörper 2 den Verteilerkasten 6 mit dem Sammelkasten 8. Verteilerkasten 6 und Sammelkasten 8 sind an gegenüberliegenden Seiten des zweiten Strömungspfads 4 angeordnet. Bei einer anderen Ausführungsform kann auch ein kombinierter Verteiler- und Sammelkasten vorgesehen sein, der nur an einer Seite des zweiten Strömungspfads 4 angeordnet ist. Gegenüberliegend ist dann ein Umlenkkasten vorgesehen. Zulaufanschluss 7 und Ablaufanschluss 9 sind dann am kombinierten Verteiler- und Sammelkasten angeordnet. Sofern die Kanalkörper 2 als Multiportrohre ausgestaltet sind, kann auch auf den separaten Umlenkkasten verzichtet werden. Ein Multiportrohr zeichnet sich durch eine U-förmige Geometrie aus, was dazu führt, dass ein einlassseitiges Ende und ein auslassseitiges Ende dieses Multiportrohrs nebeneinander angeordnet sind und dementsprechend einem Verteilerabschnitt bzw. einem Sammelabschnitt des kombinierten Verteiler- und Sammelkastens zugeordnet werden können.
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Gemäß den 2 bis 6 besitzen die beim hier vorgestellten Wärmeübertrager 1 verwendeten Materialkörper 5 jeweils eine gewellte oder gefaltete sowie durchströmbare Struktur 10. Dementsprechend besitzt der jeweilige Materialkörper 5 jeweils mehrere Berge 11 und mehrere Täler 12, die einander abwechseln. Durch die gewellte oder gefaltete Struktur 10 erhält der jeweilige Materialkörper 5 eine vergrößerte Oberfläche, die innerhalb des Wärmeübertragers 1 zur Wärmeübertragung mit dem zweiten Fluid zur Verfügung steht.
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Eine besonders preiswerte Herstellung der gewellten Struktur 10 lässt sich dadurch erzielen, dass innerhalb der jeweiligen Struktur 10 die Berge 11 und die Täler 12 geradlinig und parallel zueinander ausgerichtet sind. In den 2 und 3 erstrecken sich die Berge 11 und die Täler 12 jeweils geradlinig und senkrecht zur Zeichnungsebene. In den 4 bis 6 erstrecken sich die Berge 11 und die Täler 12 geradlinig und parallel zur Zeichnungsebene.
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In 2 ist wie in 1 der zweite Strömungspfad 4 ebenso wie eine Strömungsrichtung 13 des zweiten Fluids zur Veranschaulichung perspektivisch angedeutet, obwohl in der Ansicht der 2 der zweite Strömungspfad 4 und die Strömungsrichtung 13 des zweiten Fluids senkrecht zur Zeichnungsebene verlaufen. Erkennbar ist jedoch, dass in 2 die Berge 11 und die Täler 12 parallel zur Strömungsrichtung 13 des zweiten Fluids im zweiten Strömungspfad 4 verlaufen. Hierdurch wird im zweiten Strömungspfad 4 der Strömungswiderstand für das zweite Fluid durch die Materialkörper 5 kaum erhöht.
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In 3 ist die Ansicht gegenüber der in 2 gezeigten Ansicht um 90° gedreht. In 3 liegt daher der zweite Strömungspfad 4 in der Zeichnungsebene. Ebenso liegt die Strömungsrichtung 13 des zweiten Fluids in 3 in der Zeichnungsebene. In diesem Fall erfolgt die Anordnung der Materialkörper 5 derart, dass sich die Berge 11 und die Täler 12 quer zur Strömungsrichtung 13 des zweiten Fluids im zweiten Strömungspfad 4 erstrecken. Im Beispiel der 3 sind die Kanalkörper 2 parallel zur Strömungsrichtung 13 des zweiten Fluids hintereinander angeordnet. In den 1 und 2 ist dagegen erkennbar, dass die Kanalkörper 2 quer zur Strömungsrichtung 13 des zweiten Fluids nebeneinander angeordnet sind. Es ist klar, dass grundsätzlich auch eine Anordnung von Kanalkörpern 2 denkbar ist, bei der sowohl mehrere Kanalkörper 2 parallel zur Strömungsrichtung 13 des zweiten Fluids hintereinander als auch mehrere Kanalkörper 2 quer zur Strömungsrichtung 13 des zweiten Fluids nebeneinander angeordnet sind. Dies ist vor allem dann möglich, wenn es sich bei den Kanalkörpern 2 um Rohre mit runden Querschnitten handelt.
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Im Unterschied dazu zeigen die 4 bis 5 Querschnitte gemäß den Schnittlinien IV in 1 für den Fall, dass es sich bei den Kanalkörpern 2 um Flachrohre handelt, die quer zur Strömungsrichtung 13 des zweiten Fluids zueinander benachbart angeordnet sind. Ferner liegen die als Flachrohre ausgestalteten Kanalkörper 2 jeweils in einer Ebene, die parallel zur Strömungsrichtung 13 des zweiten Fluids verläuft.
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In den 4 bis 6 ist jeweils nur ein Materialkörper 5 erkennbar. Die darin ausgebildete gewellte bzw. gefaltete Struktur 10 ist nicht mehr dargestellt. Dargestellt ist lediglich mit einer strichpunktierten Linie eine Ausrichtung 14 der Berge 11 und Täler 12 dieses Materialkörpers 5. Mit anderen Worten, die Berge 11 und Täler 12 dieses Materialkörpers 5 erstrecken sich geradlinig und parallel zu dieser ersten Ausrichtung 14. Mit einer anderen strichpunktierten Linie ist eine andere oder zweite Ausrichtung 15 eingetragen, die sich parallel zu den geradlinigen Bergen 11 und Tälern 12 des in der Blickrichtung benachbarten Materialkörpers 5 erstreckt. Mit anderen Worten, die Berge 11 und Täler 12 des in den 4 bis 6 nicht erkennbaren, durch den gezeigten Materialkörper 5 verdeckten und dazu unmittelbar benachbarten Materialkörpers 5 erstrecken sich geradlinig und parallel zu dieser zweiten Ausrichtung 15.
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4 zeigt demnach eine Konfiguration, bei welcher sich die Berge 11 und Täler 12 der benachbarten Materialkörper 5 parallel zueinander erstrecken. Dementsprechend verlaufen die Ausrichtungen 14 und 15 in 4 parallel zueinander. Außerdem ist hier gezeigt, dass die Ausrichtungen 14 und 15 in 4 parallel zur Strömungsrichtung 13 des zweiten Fluids verlaufen. Demnach ergibt sich hier dieselbe Konfiguration wie in 2. Demnach erstrecken sich im Beispiel der 4 die Berge 11 und die Täler 12 bei beiden Materialkörpern 5 parallel zur Strömungsrichtung 13 des zweiten Fluids.
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Im Beispiel der 5 erstrecken sich die Berge 11 und Täler 12 der benachbarten Materialkörper 5 wieder parallel zueinander, jedoch quer zur Strömungsrichtung 13 des zweiten Fluids. Dementsprechend gibt 5 die Konstellation der 3 wieder.
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6 zeigt nun eine andere Ausführungsform, bei der sich die Berge 11 und Täler 12 zur Strömungsrichtung 13 des zweiten Fluids mit einem Neigungswinkel 16 bzw. 17 geneigt erstrecken. Die erste Ausrichtung 14 bildet mit der Strömungsrichtung 13 des zweiten Fluids den ersten Neigungswinkel 16, während die zweite Ausrichtung 15 mit der Strömungsrichtung 13 des zweiten Fluids den zweiten Neigungswinkel 17 bildet. Erkennbar sind diese Neigungswinkel 16, 17 jeweils größer als 0° und jeweils kleiner als 90°. Im gezeigten Beispiel betragen die Neigungswinkel jeweils etwa 45°. Des Weiteren lässt sich 6 entnehmen, dass die Ausrichtungen 14, 15 der benachbarten Materialkörper 5 ebenfalls zueinander geneigt verlaufen. Im Beispiel schließen die beiden Ausrichtungen 14, 15 einen Neigungswinkel 18 ein, der bei etwa 90° liegt. Dementsprechend sind hier die Ausrichtungen 14, 15 gegenüber der Strömungsrichtung 13 des zweiten Fluids entgegengesetzt geneigt. Durch diese Bauweise lässt sich einerseits die Wärmeübertragung zwischen zweitem Fluid und den Materialkörpern 5 erhöhen, während andererseits der Durchströmungswiderstand für das zweite Fluid im zweiten Strömungspfad 4 vergleichsweise klein ausfällt.
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Wie sich den 2 und 3 entnehmen lässt, können sich bei benachbarten Materialkörpern 5 die Berge 11 des einen Materialkörpers 5 an den Tälern 5 des anderen Materialkörpers 5 abstützen. Ferner lässt sich den 2 und 3 entnehmen, dass die Kanalkörper 2 die Materialkörper 5 jeweils nur in einer Flanke 19 durchsetzen, die innerhalb der jeweiligen Struktur 10 einen Berg 11 mit einem Tal 12 verbindet. Ebenfalls lässt sich den 2 und 3 entnehmen, dass sich bei benachbarten Materialkörpern 5 die Berge 11 des einen Materialkörpers 5 zwischen benachbarten Kanalkörpern 2 an den Tälern 12 des anderen Materialkörpers 5 abstützen.
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Im vorliegenden Zusammenhang wird der Begriff „quer“ synonym zum Begriff „senkrecht“ verstanden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005017920 A1 [0003, 0004]
- DE 102006018688 A1 [0003]
